Технологии беспроводных сетей

Тема № 6 . Технологии беспроводных сетей

• Различают три типа беспроводных сетей: WWAN (Wireless Wide Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network) и WPAN (Wireless Personal Area Network)
• Соответствующие технологии имеют как сходные черты, так и различия
• Первый тип — WWAN — применяется для сетей сотовой связи: GSM, GPRS, CDMA, UMTS и т.д.
• Для таких сетей характерны большие зоны обслуживания (до 40 км) и относительно высокое энергопотребление терминалов

Технологии беспроводных сетей

• Второй тип – WLAN – используется, когда сети предназначены для обслуживания небольших территорий (зданий, предприятий), где можно обойтись относительно короткими линиями связи (до 500 м)
• В сетях WPAN применяются передатчики с очень малым энергопотреблением и радиусом действия (до 30 м), которые могут передавать информацию от портативных компьютеров, сотовых телефонов, видеокамер и различных бытовых устройств
• Два последних типа – беспроводные сети, а за сотовой связью прочно закрепился термин «мобильная»
• См. также следующий слайд

Технологии беспроводных сетей

Технологии беспроводных сетей

• При построении сетей WLAN и WPAN, а также систем широкополосного беспроводного доступа (BWA - Broadband Wireless Access) применяются сходные технологии
• Ключевое различие между ними – диапазон рабочих частот и характеристики радиоинтерфейса
• Сети WLAN и WPAN работают в диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц, при их развертывании не требуется частотного планирования и координации с другими радиосетями, работающими в том же диапазоне
• Сети BWA используют диапазоны от 2 до 66 ГГц

Технологии беспроводных сетей

RadioEthernet

• Скорость передачи информации для него составляет 1-2 Mбит/с, а рабочий диапазон (2,4 ГГц) в большинстве стран не подлежит лицензированию
• Не везде выделенные нелицензируемые полосы этого диапазона одинаковы, что создает определенные проблемы
• В стандарте предложены три спецификации физического уровня, включающие расширение спектра с помощью прямой последовательности (DSSS), скачкообразной перестройки частоты (FHSS) и диффузионного ИК-излучения

RadioEthernet

• В 1999 г. на свет появились сразу два новых стандарта - 802.11b и 802.11a
• Стандарт 802.11b известен под торговой маркой Wi-Fi (Wireless Fidelity), а 802.11a - Wi-Fi5
• Ключевым отличием спецификаций 802.11b стало повышение скорости передачи до 11 Мбит/с за счет использования новой технологии, названной « манипуляция дополнительным кодом », CCK
• На физическом уровне в нем определен только один метод передачи - DSSS

RadioEthernet

• От применения технологии FHSS пришлось отказаться, поскольку она не позволяла в рамках этой модели превысить скорость 3 Мбит/с
• Главным преимуществом DSSS по сравнению с FHSS считается устойчивая работа сети в условиях многолучевого распространения радиоволн
• Однако данный метод по сравнению с FHSS более чувствителен к эффекту «ближний-дальний», т.е. сильные сигналы от близко расположенных станций могут подавлять слабые сигналы от удаленных

RadioEthernet

• Дальность действия абонентского оборудования стандарта 802.11b не превышает 100 м и зависит от скорости передачи, уровня и характера помех, а также от требований к качеству обслуживания
• Чтобы обеспечить приемлемое качество соединения, в спецификациях предусмотрена возможность автоматического снижения скорости информационного обмена
• Обратная совместимость обеспечивается только для базового стандарта 802.11 DSSS (работа с FHSS и в ИК-диапазоне не поддерживается)

RadioEthernet

• Ключевой недостаток – меньшая, чем для проводной сети Ethernet, пропускная способность
• Даже для канала передачи с быстродействием 11 Мбит/с реально достижимая скорость не превышает 6-7 Мбит/с
• Этого недостаточно для работы высокоскоростных приложений, поэтому развитие 802.11 продолжалось
• В марте 2000 г. была сформирована рабочая группа 802.11g, в задачи которой первоначально входило повышение скорости передачи с 11 до 22 Мбит/с в диапазоне частот 2,4 ГГц без ухудшения других характеристик исходного стандарта 802.11b

RadioEthernet

• В процессе борьбы за скорость были рассмотрены два конкурирующих метода: многочастотная ортогональная модуляция OFDM, и одночастотная модуляция, основанная на двоичном сверточном кодировании пакетов PBCC
• Проект стандарта 802.11g был одобрен в ноябре 2001 г. и содержал компромиссное решение
• В качестве базовых использовались две технологии: OFDM и CCK
• Режим OFDM гарантировал передачу данных со скоростью до 54 Мбит/с, а кодовая манипуляция CCK обеспечивала обратную совместимость со стандартом 802.11b

RadioEthernet

• Кроме обязательных методов передачи, в стандарте 802.11g предложены две дополнительные технологии широкополосного доступа (PBCC и CCK/OFDM), которые могут быть реализованы в базовом оборудовании по желанию заказчика
• Первая из них основана на сверточном кодировании и обеспечивает скорость передачи до 33 Мбит/с
• Другая, основанная на гибридном методе CCK/OFDM, позволяет передавать служебную информацию с использованием модуляции CCK, а полезную - при помощи OFDM (54 Мбит/с)

Архитектура RadioEthernet

• Базовый стандарт 802.11 определяет два типа сетей, различающихся конфигурацией: фиксированной (Infrastructure Network) и произвольной (Ad Hoc Network) структуры
• На их основе строятся различные варианты топологии: «точка-точка», «точка-много точек», «каждый с каждым», «звезда», «мост» и т. д.
• Сеть с фиксированной структурой состоит из терминалов (обычно компьютеров с беспроводным сетевым адаптером) и базовых станций, получивших название точек доступа (AP)

Архитектура RadioEthernet

• В такой сети AP выполняет роль моста между беспроводной и кабельной сетями, обеспечивая прием, накопление и передачу данных абонентам
• К магистральной линии AP подключаются с помощью стандартной проводной линии Ethernet
• Подобно сотовым ячейкам, множество AP образуют систему связи, которая обеспечивает последовательную ретрансляцию данных из одной ячейки в другую

Архитектура RadioEthernet

Архитектура RadioEthernet

• Дальность действия приемопередатчиков зависит от высоты подъема антенны и обычно составляет от 20 до 500 м
• Одна AP обеспечивает обслуживание от 15 до 250 абонентов в зависимости от конфигурации сети и технологии доступа
• Увеличить емкость сети можно, просто добавив новые AP , при этом не только расширяется зона обслуживания, но и снижается вероятность перегрузки

Архитектура RadioEthernet

• Для непрерывной связи при передвижении абонента ( хэндовера ) AP должны образовывать перекрывающиеся смежные соты
• Конфигурация из одной AP и находящимися в радиусе ее действия терминалами – базовый сервисный набор (BSS – Basic Service Set)
• Несколько перекрывающихся BSS – расширенный сервисный набор (ESS – Extended Service Set), позволяющий построить подсеть
• Расстояние между станциями и AP обычно не превышает 100 м (оно зависит от скорости передачи), а полная протяженность WLAN ограничена длиной магистральной линии проводной распределенной сети

Архитектура RadioEthernet

• Требования к точкам доступа определены в документе ESSID (Extended Service Set Identification), который является частью стандарта 802.11
• Клиентам необходимо задавать конфигурацию сети в соответствии с правилами ESSID, определяющими процедуру установления соединения
• Точки многостанционного доступа одной подсети должны иметь одинаковый идентификатор ESSID (это нужно для хэндовера)

Архитектура RadioEthernet

• Сеть с произвольной структурой ( ad hoc ) позволяет организовать взаимный обмен информацией непосредственно между терминалами без помощи специальных точек доступа
• В стандарте 802.11 такая конфигурация - «независимый базовый набор обслуживания» (IBSS - Independent Basic Service Set)
• Эта архитектура широко используется в беспроводных сетях WPAN, где топологию соединения устройств сложно предсказать заранее

Технология Bluetooth

• Разработку технологии Bluetooth начала компания Ericsson еще в 1994 г.
• Первоначальной целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами
• Уже в 1998 г. пять крупнейших участников компьютерного и телекоммуникационного рынка — Ericsson , IBM , Intel , Toshiba и Nokia — объединились для совместной разработки технологии беспроводного соединения мобильных устройств

Технология Bluetooth

• Технология Bluetooth полностью открыта
• Любая компания, подписавшая лицензионное соглашение, может войти в состав рабочей группы по разработке технологии Bluetooth и начать создавать продукты на ее основе
• Чтобы исключить появление несовместимых устройств, разработаны подробные спецификации, включающие детальное описание методов использования нового стандарта и характеристики протоколов передачи данных

Технология Bluetooth

• Bluetooth — это современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства
• Технология ориентирована на мобильную связь, т.е. на создание по мере надобности прозрачных и гибких соединений
• Она оптимизирована для передачи голоса и данных независимо от инфраструктуры WAN / LAN
• Bluetooth вне конкуренции в области создания небольших локальных сетей и беспроводного объединения устройств в пределах дома, офиса или автомобиля

Технология Bluetooth

• Поначалу многие полагали, что Bluetooth будет конкурировать с такими технологиями, как IEEE 802.11, HomeRF и IrDA
• IrDA не предназначена для построения персональных сетей, а обеспечивает связь лишь в зоне прямой видимости и только по принципу «точка-точка»
• В свою очередь, спецификация HomeRF предназначена для связи бытовых аудио- и видеоустройств и построения домашних радиосетей

Технология Bluetooth

• На самом деле Bluetooth не конкурирует с другими стандартами радиосвязи, а дополняет их
• Эта технология относится в первую очередь к семейству беспроводных сетей Personal Area Networks ( PAN ) и может использоваться для связи портативных компьютеров, мобильных телефонов, электронных органайзеров, принтеров, факсов, сканеров и других устройств, которые прежде можно было соединять только через локальную сеть

Технология Bluetooth

• Соединению бытовых приборов (холодильников, аудиосистем и т.п.) до сих пор препятствовала сложность организации домашней сети передачи данных, но при помощи технологии Bluetooth сделать это будет совсем не трудно
• Все эти устройства могут с высокой скоростью обмениваться данными на коротких расстояниях без кабелей и не требуя прямой видимости

Технология Bluetooth

• В свое время самой «громкой» Bluetooth -новинкой стал комплект беспроводной гарнитуры компании Ericsson
• Это новое устройство, получившее название Headset , состояло из наушника и микрофона и работало на расстоянии 10 метров от базы (база в данном случае — это сотовый телефон со встроенной схемой Bluetooth )
• Для некоторых моделей телефонов, не имеющих встроенной платы Bluetooth , были созданы специальные адаптеры

Технология Bluetooth

• Позволяет заменить множество разнообразных кабелей одним универсальным радиосоединением
• По сути, Bluetooth — это глобальная спецификация беспроводной связи
• Частью любой Bluetooth -системы могут быть принтеры, карманные и настольные компьютеры, факс-машины, клавиатуры, джойстики, сотовые телефоны, бытовая техника и другие цифровые устройства

Технология Bluetooth

• Поскольку для связи в радиочастотном диапазоне характерен высокий уровень помех, технология Bluetooth использует быстрый отклик и скачкообразное изменение несущей частоты
• Чтобы избежать интерференции с другими источниками сигналов, частота изменяется после каждого приема или передачи одного пакета информации
• Благодаря этому ограничивается воздействие домашних и профессиональных микроволновых приборов, типа СВЧ-печей
• Чтобы обеспечить помехоустойчивость на более длинной дистанции, в Bluetooth предусмотрена прямая коррекция ошибок ( FEC)

Технология Bluetooth

• Основополагающий принцип построения систем Bluetooth — метод расширения спектра при скачкообразном изменении частоты ( FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum )
• Весь выделенный для Bluetooth -радиосвязи частотный диапазон 2,402-2,480 ГГц разбит на N частотных каналов
• Полоса каждого канала — 1 МГц, разнос каналов — от 140 до 175 кГц
• Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция

Технология Bluetooth

• В качестве частотного диапазона в спецификации Bluetooth выбрана полоса 2,45 ГГц ISM ( Industrial - Scientific - Medical ), которую можно использовать без дополнительного лицензирования практически во всех странах мира
• Максимальная скорость передачи данных между устройствами достигает 1 Мбит/с
• При полнодуплексной передаче используется схема разделения времени
• Временные интервалы могут резервироваться и для синхронной передачи
• Каждый пакет информации передается в течение одного временного интервала, однако в особых случаях количество таких интервалов может быть увеличено до пяти

Технология Bluetooth

• Для США и Европы количество каналов равно 79
• Смена каналов проводится псевдослучайно по равномерному закону с частотой 1600 Гц
• Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне
• Если данный канал зашумлен, то система перейдет на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех

Технология Bluetooth

• Модули Bluetooth работают тактами длительностью 625 мкс
• Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приема
• Таким образом, базовая частота может изменяться, принимая одно из 79 значений с интервалом 1 МГц, начиная от 2,402 ГГц и заканчивая 2,480 ГГц
• Скорость перехода с одной частоты на другую может достигать 1600 Гц
• Номинальный диапазон связи - от 10 см до 10 м, однако при дополнительном усилении сигналов максимальное расстояние увеличивается до 100 м
• Дальность связи от 0 до 30 м обеспечивается при выходной мощности передатчика 1 мВт

Технология Bluetooth

• Основной для данной технологии протокол управления логическими каналами и адаптацией L 2 CAP ( Logical Link Control and Adaptation Protocol ) предусматривает два типа передачи данных
• Асинхронный протокол коммутации пакетов без установления соединений ACL ( Asynchronous Connectionless Links ), основанный на Ethernet , обеспечивает асимметричную передачу
• Второй тип передачи — по синхронному протоколу коммутации каналов с установлением соединений SCO ( Circuit - switched Synchronous Connection Oriented links )

Технология Bluetooth

Технология Bluetooth

• Синхронная связь SCO рассчитана на установление симметричного соединения «точка-точка» и служит преимущественно для передачи речевых сообщений
• Скорость передачи информации SCO равна 64 кбит/с
• Второй вид связи, ACL , предназначен для пакетной передачи данных
• Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа «точка-много точек»

Технология Bluetooth

• По асинхронному каналу асимметричная связь осуществляется на скорости 721 кбит/с в одном направлении и 57,6 кбит/с — в другом
• При симметричном обмене скорость в обоих направлениях достигает 432,6 кбит/с
• Пакеты данных имеют фиксированный формат
• В начале блока помещается 72-разрядный код доступа
• Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств

Технология Bluetooth

• заголовок пакета

Технология Bluetooth

• Различные Bluetooth -устройства соединяются друг c другом автоматически, стоит им только оказаться в пределах досягаемости
• Пользователь не должен заботиться о кабелях, драйверах и т.п.
• Все что от него требуется - это позаботиться о том, чтобы Bluetooth -устройства находились достаточно близко друг к другу
• По способу соединения можно выделить сети Piconet и Scatternet (см. следующий слайд)
• Это базовые понятия технологии Bluetooth

Технология Bluetooth

Технология Bluetooth

• Устройства могут устанавливать соединения типа «точка-точка», если имеется только два устройства, и «точка - много точек», когда одно устройство одновременно работает с несколькими другими
• В последнем случае устройство, обслуживающее несколько соединений, называется master ( главное ), а подключенные устройства — slave ( управляемые )

Технология Bluetooth

• Кроме устройств, которые обмениваются данными, но являются управляемыми, есть множество неактивных управляемых устройств, которые не могут обмениваться данными с управляющим, пока заняты все каналы, но тем не менее остаются синхронизированы с ним
• Такая структура – Piconet

Технология Bluetooth

• Piconet — это сеть, содержащая от двух до восьми устройств, которые общаются между собой с соблюдением протоколов Bluetooth
• По определению, все устройства Bluetooth равноправны, но тем не менее при образовании Piconet одно из них становится главным, управляющим, а другие — подчиненными
• Главное устройство синхронизирует частоту и ее изменения для всех остальных устройств в Piconet

Технология Bluetooth

• Для распознавания любого устройства в сети выделяется 3 разрядный MAC -адрес
• В случае необходимости любое управляемое устройство в Piconet может стать управляющим, поменявшись ролью со старым «лидером»
• Несколько независимых и несинхронизируемых сетей Piconet , между которыми возможен обмен информацией, образуют распределенную сеть Scatternet
• Такие сети также могут иметь топологию типа «точка-точка» и «точка - много точек»

Технология Bluetooth

• В Scatternet может объединяться столько Bluetooth -устройств, сколько требуется, логические связи могут образовываться так, как требуется, и изменяться как угодно
• Единственное условие: различные сети Piconet , входящие в одну Scatternet , должны использовать разные каналы связи, т.е. работать на разных частотах и иметь разные каналы смены частот

Технология Bluetooth

• Спецификация предусматривает всего 10 вариантов подобных последовательностей: пять с циклом в 79 смен и пять - с циклом в 23 смены
• Такой алгоритм позволяет эффективно бороться с затуханием радиосигнала и интерференцией

Технология Bluetooth

• Одна из важнейших особенностей технологии Bluetooth – автоматическая установка соединения между Bluetooth -устройствами, находящимися в пределах досягаемости
• Поэтому первое, с чего начинается работа такого устройства в незнакомом окружении – поиск других Bluetooth -устройств
• Для этого посылается запрос, и ответ на него зависит не только от наличия в радиусе связи активных Bluetooth -устройств, но и от режима, в котором находятся эти устройства
• На данном этапе возможны три основных режима

Технология Bluetooth

Технология Bluetooth

• Если удается обнаружить устройство, оно может быть доступным ( подключаемым ) и недоступным ( неподключаемым )
• В последнем случае устройство не позволяет настроить некоторые важные параметры соединения; в результате его удается обнаружить, но обмениваться данными с ним нельзя
• Если устройство находится в подключаемом режиме, то на этом этапе Bluetooth -устройства договариваются между собой об используемом диапазоне частот, размере страниц, количестве и порядке последовательностей смены частот и других физических параметрах соединения

Технология Bluetooth

• Если процесс обнаружения прошел нормально, то новое Bluetooth -устройство получает набор адресов доступных устройств, и за этим следует процесс выяснения имен всех доступных Bluetooth -устройств из списка
• Каждое Bluetooth -устройство должно иметь свой глобально уникальный адрес, но на уровне пользователя обычно используется не этот адрес, а имя устройства, которое может быть любым, и не обязательно глобально уникальным

Технология Bluetooth

• Согласно спецификации, устройства не обязаны принимать больше первых 40 символов имени другого устройства
• Если устройство имеет небольшой экран и ограниченную вычислительную мощность, то количество символов, которое оно примет, может быть уменьшено до 20

Технология Bluetooth

• Еще одна особенность технологии — автоматическое подключение Bluetooth -устройств к службам, предоставляемым другими Bluetooth -устройствами
• Получение или предоставление каких-либо услуг — это то, ради чего все и затевалось, поэтому для поиска возможных услуг используется специальный протокол, называемый Service Discovery Protocol ( SDP )

Технология Bluetooth

• Перед каждым соединением в Piconet все устройства находятся в режиме Standby
• В нем они периодически, каждые 1,28 с, «слушают» эфир, а точнее, сообщения на 32 фиксированных частотах, определенных для конкретного устройства
• Количество таких частот может варьироваться в зависимости от географического региона
• Процедура соединения инициируется одним (любым) из устройств, которое и становится главным в Piconet

Технология Bluetooth

• Сначала главное устройство посылает сообщение Page (если адрес приемного устройства известен) или Inquiry (если информация об адресе отсутствует)
• Инициируя состояние Page , мастер-устройство посылает пакет из 16 Page -сообщений на 16 различных частотах, нумеруя управляемые приборы
• Если ответа нет, то следует передача на оставшихся 16 частотах

Технология Bluetooth

• Максимальное время между началом инициализации и нахождением управляемого устройства составляет 2,56 с, что равно удвоенному периоду прослушивания «эфира» (1,28 с)
• Обычно запрос Inquiry используется для поиска общедоступных принтеров, факс-машин и прочего оборудования с неизвестными адресами

Технология Bluetooth

• В сети Piconet предусмотрены режимы энергосбережения, которые задействуются в отсутствие передачи данных
• Управляющее устройство может перевести любое управляемое в режим Hold , когда будет функционировать только внутренний таймер
• Само управляемое устройство может запросить перевод в этот режим
• Обмен данными начинается мгновенно, как только устройство выходит из этого режима

Технология Bluetooth

• Два других режима энергосбережения — Sniff и Park
• В режиме Sniff устройства в Piconet «слушают» эфир реже, благодаря чему могут более эффективно использоваться по прямому назначению
• Временной Sniff -интервал программируется и зависит, например, от типа программного приложения, выполняемого на компьютере

Технология Bluetooth

• В режиме Park устройство синхронизировано с Piconet , но не принимает участия в трафике
• «Запаркованное» устройство отказывается от своего MAC -адреса и время от времени «слушает» команды от мастера о ресинхронизации или иные широковещательные сообщения

Технология Bluetooth

• В спецификации Bluetooth предусмотрена защита конфиденциальной информации, передаваемой между устройствами на физическом уровне
• Аутентификация базируется на алгоритме запрос-ответ, а для кодирования информации могут использоваться секретные ключи длиной до 64 разрядов
• В зависимости от выполняемых задач, устройство может находиться в одном из трех режимов защиты

Технология Bluetooth

• Устройство не может самостоятельно инициировать защитные процедуры
• Устройство не инициирует защитные процедуры, пока не установлено и не настроено соединение
• После того как соединение установлено, процедуры защиты обязательны и определяются типом и требованиями используемых служб
• Защитные процедуры инициируются в процессе установления и настройки соединения
• Если удаленное устройство не может пройти требований защиты, то соединение не устанавливается

Технология Bluetooth

• Второй и третий режимы могут использоваться вместе, т.е. сначала устанавливается защищенное соединение, а потом оно дополнительно защищается в соответствии с требованиями и возможностями конкретной службы
• В основе системы безопасности Bluetooth , используемой в последнем случае, лежит понятие сеансового ключа, который образуется в процессе соединения двух устройств и используется для идентификации и шифрования передаваемых данных

Технология Bluetooth

• Для генерации ключа могут использоваться самые различные составляющие, от заранее известных обоим устройствам значений до физических адресов устройств
• Комбинируя защиту на уровне соединения с защитой на уровне приложений, можно создавать достаточно надежно защищенные соединения
• Тем не менее считается, что очевидной слабостью Bluetooth с точки зрения построения защищенных соединений остается возможность перехвата трафика

• Wi-Fi — Википедия - http:// ru.wikipedia.org / wiki / WiFi
• WiMAX — Википедия - http://ru.wikipedia.org/wiki/WiMAX
• Обзор модулей WLAN - http://www.wireless-e.ru/articles/wifi/2006_4_34.php
• W Wan — Википедия - http:// ru.wikipedia.org / wiki /W WAN
• Беспроводные персональные сети (WPAN) — Википедия - http://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводные_персональные_сети_(WPAN )

• Беспроводные сети Wi-Fi - http://www.intuit.ru/department/network/wifi/
• Беспроводные сети. Стандарты - http://www.ci.ru/inform19_05/p_24.htm
• Системы Radio Ethernet - http://www.net-guide.ru/page-88.html
• Bluetooth Tutorial - http://www.tutorial-reports.com/wireless/bluetooth/
• Bluetooth-безопасность - http:// www.mobimag.ru / Articles /456/ Bluetooth-bezopasnost.htm