Пожалуй, ключевым понятием в стандартизации сетей и всего, что к ним относится, является модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), разработанная международной организацией по стандартам (International Standards Organization, ISO). На практике применяется название модель ISO/OSI.

Описываемая модель состоит из семи уровней. Каждый уровень отвечает за определенный круг задач, выполняя их с помощью специальных алгоритмов – стандартов. Основная задача – достичь глобальной цели, поэтому уровни модели связаны между собой. Таким образом, выполнив свою часть задачи, каждый уровень передает готовые данные следующему уровню. В результате прохождения такой цепочки данные полностью обрабатываются, и их можно использовать.

В зависимости от назначения уровни получили следующие названия: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, уровень представления данных и прикладной (рис. 1.1).

Основные отличия между проводными (Ethernet 802.3) и беспроводными (IEEE 802.11) сетями кроются только в двух нижних уровнях – физическом и канальном. Остальные уровни работают абсолютно одинаково, без каких-либо отличий.

Физический уровень – первый, самый низкий, уровень. Фактически он представляет собой аппаратную часть сети и описывает способ передачи данных, используя для этого любой имеющийся «под руками» канал – проводной или беспроводной. В зависимости от выбранного канала передачи данных используют соответствующее сетевое оборудование. Параметры передачи данных следует настраивать с учетом особенностей канала: полос пропускания, защиты от помех, уровня сигнала, кодирования, скорости передачи данных в физической среде и т. п.

Рис. 1.1. Уровни модели ISO/OSI.

Фактически всю описанную работу выполняет сетевое оборудование: сетевая карта, мост, маршрутизатор и т. д.

Физический уровень – один из уровней, который отличает беспроводные сети от проводных. Как вы уже, несомненно, поняли, основное отличие между ними заключается в канале передачи данных. Для проводных сетей это радиоволны определенной частоты или инфракрасное излучение, для беспроводных – любая физическая линия, например коаксиал, витая пара или оптоволокно.

Главная задача канального уровня – удостовериться, что канал готов к передаче данных и ничто не станет угрожать надежности этой операции и целостности передаваемых пакетов. В идеале протоколы канального уровня и сетевое оборудование должны проверить, свободен ли канал для передачи данных, не имеется ли коллизий передачи и т. п.

Такую проверку необходимо выполнять каждый раз, так как локальная сеть чаще всего состоит более, чем из двух компьютеров (хотя даже в таком случае канал может быть занят). Обнаружив, что канал свободен, элементы этого уровня делят данные, которые необходимо передать другому компьютеру, на более мелкие части – кадры. Затем каждый кадр снабжается контрольной сумой и отсылается. Приняв этот кадр, получатель проверяет контрольные суммы и, если они совпадают, принимает его и посылает отправителю подтверждение о доставке. В противном случае получатель игнорирует кадр и фиксирует ошибку, после чего кадр передается заново. Так, кадр за кадром, передается необходимая информация.

На канальном уровне, как и на физическом, также существуют различия между проводными и беспроводными сетями. Это связано со спецификой сетевого оборудования. Так, доступное на данный момент беспроводное оборудование работает только в полудуплексном режиме: в один момент времени данные могут только приниматься или только передаваться. Этот недостаток резко уменьшает эффективность обнаружения коллизий в сети и, соответственно, понижает скорость передачи данных.

Поскольку модель ISO/OSI жестко регламентирует действия каждого уровня, то разработчикам пришлось немного модернизировать протоколы канального уровня для работы в беспроводных сетях. В частности, для беспроводной передачи данных используются протоколы CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, многостанционный доступ к среде передачи с контролем несущей и избежанием коллизий) или DCF (Distributed Coordination Function, распространяемая координирующая функция).

Протокол CSMA/CA предназначен для обнаружения конфликтов при передаче данных. Он использует явное подтверждение доставки данных, сообщающее о том, что передаваемый пакет доставлен и не поврежден.

Данный метод работает следующим образом. Когда один компьютер собирается передать информацию другому, он посылает всем компьютерам сети короткое сообщение – RTS (Ready To Send, готов к передаче), содержащее информацию о получателе и времени, необходимом для передачи данных. Получив такой пакет, все компьютеры прекращают на указанный промежуток времени передачу собственных данных. Компьютер, для которого предназначен пакет, отсылает отправителю сообщение CTS (Clear To Send, свободен для передачи) о готовности к приему данных. Получив такое сообщение, компьютер-отправитель пересылает первую порцию данных и ждет подтверждения доставки пакета. После такого подтверждения передача данных продолжается. Если сообщение об успешной доставке не пришло, то компьютер-отправитель повторно передает необходимый пакет.

Такой метод передачи гарантирует доставку пакетов данных, однако в то же время заметно снижает скорость передачи. Именно поэтому беспроводные сети намного медленнее проводных и останутся таковыми надолго, если не навсегда. Чтобы хоть как-то повысить скорость передачи данных по таким сетям, специальный протокол канального уровня фрагментирует пересылаемые пакеты (разбивает их на более мелкие части), что увеличивает шанс их удачной передачи.

Как и канальный уровень, сетевой отвечает за передачу данных между компьютерами. Для этого он использует сформированные данные и параметры двух предыдущих уровней – физического и канального. Главное отличие сетевого уровня от канального заключается в том, что он умеет передавать данные между сетями с разной топологией – комбинированными. Так, очень часто беспроводные и проводные сети используются в паре. Чаще всего это происходит, если по определенным причинам создать единую проводную сеть физически невозможно.

На сетевом уровне, как и на канальном, данные делятся на пакеты, что позволяет достичь качества и определенной скорости их передачи. Однако, в отличие от канального, сетевой уровень выбирает для передачи данных конкретный маршрут. Процесс выбора оптимального маршрута передачи данных называется маршрутизацией.

Как правило, информацию о выборе маршрута предоставляют специальные устройства, установленные в сети, – маршрутизаторы. Специальные таблицы маршрутизаторов содержат информацию о скорости передачи данных между отдельными отрезками сети, трафике, среднем времени передачи и т. д. Основываясь на этой информации, протоколы сетевого уровня могут выбрать оптимальный путь прохождения данных.

Пожалуй, транспортный уровень можно отнести к более высоким. Это означает, что данным уровнем управляет программа, а не аппаратные средства.

Транспортный уровень отвечает за надежность передачи данных. Существует несколько способов передачи, которые отличаются друг от друга степенью защищенности и возможностью исправления ошибок. Естественно, это сказывается на времени и скорости передачи информации между конкретными точками.

Способ передачи данных выбирается автоматически, с помощью анализа информации маршрутизаторов сети. Если анализ показывает, что конфликты в сети минимальны, то используется самый простой (а значит, самый быстрый) способ. В противном случае выбирается способ передачи высокой степени надежности с возможностью исправления поврежденных пакетов (этот способ передачи, конечно, более медленный). Какой бы способ ни был выбран, в любом случае информация будет доставлена в целостном виде.

Сеансовый уровень предназначен для контроля передачи пакетов между компьютерами. В процессе синхронизации принятых и отправленных пакетов протоколы сеансового уровня отслеживают недостающие данные и передают их заново. За счет работы только с недостающими пакетами достигается повышение скорости передачи данных.

На уровне представления данные приводятся к единому стандарту, что позволяет достичь договоренности при их приеме и передаче. Именно на этом уровне данные могут шифроваться, что повышает безопасность их передачи по сети. Кроме того, часто на уровне представления происходит компрессия информации, благодаря чему повышается скорость передачи данных.

Уровень представления реализуется программно, что позволяет использовать для шифрования данных новейшие достижения.

Прикладной уровень – самый верхний уровень модели ISO/OSI. Его задача – организация взаимодействия с прикладными программами. За это отвечает множество прикладных протоколов, с помощью которых операционная система и программы получают доступ к разнообразным ресурсам сети.

NetBIOS (Network Basic Input Output System, базовая система сетевого ввода/ вывода) – протокол (скорее, интерфейс) прикладного программирования, разработанный в конце 1983 года для компьютеров IBM.

На самом деле NetBIOS не является полноценным протоколом, поскольку описывает только программную часть передачи данных – набор сетевых API-функций. Это означает, что с помощью этого протокола можно только подготовить данные для передачи. Физически же передача может осуществляться только с помощью любого транспортного протокола, например TCP.

Благодаря такой ситуации подготовка передачи данных не привязана к транспортному протоколу, что позволяет использовать для этих целей любой подходящий протокол. Кроме того, неоспоримым достоинством NetBIOS является быстродействие.

Однако, к сожалению, для полноценной работы протокола NetBIOS требуется, чтобы на всех компьютерах сети использовался один транспортный протокол, иначе компьютеры не смогут синхронизироваться. Основным недостатком NetBIOS является то, что он не поддерживает маршрутизацию, без которой не обходится любая мало-мальски развернутая сеть.

NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface, протокол расширенного пользовательского интерфейса базовой системы сетевого ввода/вывода) – протокол, дополняющий NetBIOS. Благодаря NetBEUI появилась возможность не только описывать программный уровень передачи данных, но и передавать их физически по сети, используя специальные встроенные механизмы этого протокола. Кроме того, значительно возросла надежность и скорость передачи данных.

Основной недостаток NetBEUI, как и NetBIOS, – отсутствие механизма маршрутизации, что делает этот протокол бесполезным в больших сетях. Если же ваша сеть состоит из нескольких компьютеров и не располагает маршрутизатором, то более быстрого протокола вы не найдете.

Итак, протокол NetBEUI не поддерживает маршрутизацию в сети, что не позволяет эффективно использовать его скорость в глобальных сетях. Тем не менее, этот протокол является одним из основных компонентов NT-систем, и его установка происходит автоматически.

TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей данных) – распространенный протокол, разработанный много лет назад. Он используется не только в локальных сетях, но и в сети Интернет, что однозначно характеризует TCP с хорошей стороны.

Главным достоинством протокола является его надежность, достигаемая путем использования подтверждающих пакетов, которые присылаются каждый раз в ответ на полученное сообщение. При этом в первую очередь устанавливается логическая связь между компьютером-отправителем и компьютером-получателем, что гарантирует успешную доставку пакетов.

Еще одним механизмом надежности передачи данных является механизм, отслеживающий время жизни пакета, – TTL (Time To Live, время жизни). Если по истечении заданного времени компьютер-получатель не пришлет подтверждение о доставке очередного пакета данных, то компьютер-отправитель перешлет эти данные повторно. Кроме того, данные будут повторно посланы, если пакет оказался поврежденным и компьютер-получатель его отклоняет, о чем сообщает отправителю.

IP (Internet Protocol, протокол межсетевого взаимодействия) – протокол, который обычно применяется вместе с протоколом TCP. Для работы он использует готовые данные маршрутизации, поэтому не контролирует доставку сообщений адресату. Располагая информацией о маршрутизации между выбранными компьютерами, этот протокол просто добавляет к пакету адрес отправителя и получателя[1] и пересылает его дальше. Дальнейшая судьба отправленных данных неизвестна, поэтому функцию контроля должен выполнять другой протокол, в частности TCP.

Чтобы хоть как-то повысить надежность, протокол IP вкладывает в пакет контрольную сумму, что позволяет компьютеру-получателю удостовериться в том, что пакет принят без ошибок или, в противном случае, отвергнуть его.

Преимуществом протокола является возможность фрагментации (разделения на компьютере-отправителе большого пакета на более мелкие) с последующей их дефрагментацией на компьютере-получателе.

UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских дейтаграмм) – один из самых быстрых, но не очень надежных протоколов, которые используют в сети для передачи данных. Он работает практически так же, как и протокол IP, однако после удачного приема пакета компьютер-получатель присылает соответствующее подтверждение. При этом логическое соединение между компьютерами не требуется, то есть пакет отсылается в надежде (или с уверенностью) на то, что нужный компьютер находится в сети и может его принять. Если подтверждение доставки не получено, значит, через некоторое время компьютер-отправитель повторно вышлет необходимый пакет данных.

Как ни странно, протокол UDP применяется в сети достаточно часто. Благодарить за это нужно скорость, с которой он работает. Эта скорость достигается за счет отсутствия необходимости соединения с другими компьютерами, что позволяет использовать трафик сети в нужном направлении. Так, протокол UDP часто используется, например, в сетевых играх или для передачи звуковых данных с интернет-радио (когда надежность доставки пакетов не играет большой роли).

Протоколы IPX и SPX являются представителями стека протоколов, разработанных компанией Novell. В свое время эта компания являлась прямым конкурентом Microsoft в области сетевых операционных систем: противостояли операционная система Novell Netware и Windows NT. Соответственно, каждая операционная система использовала собственный набор протоколов.

Как известно, компания Novell сдала свои позиции, и первенство завоевали сетевые версии операционной системы Windows NT. Тем не менее протоколы, разработанные Novell, используются до сих пор и будут использоваться еще очень долго.

IPX (Internetwork Packet eXchange, протокол межсетевого обмена объектами) – один из самых «ходовых» протоколов, используемых на сетевом уровне. Главной его задачей является определение оптимального маршрута между двумя выбранными компьютерами с использованием для этого данных других протоколов.

В первую очередь данный протокол вычисляет адрес компьютера, которому необходимо отправить пакет – дейтаграмму. Определив адрес нужного компьютера, он снабжает дейтаграмму служебной информацией (адресом отправителя и получателя) и отправляет «в путь» по выбранному маршруту.

Однако самостоятельно этот протокол работать не может, поскольку не способен устанавливать соединение между компьютерами. Соответственно, от IPX нельзя ожидать высокой степени надежности доставки пакетов.

SPX (Sequenced Packet eXchange, последовательный обмен пакетами) – «родной брат» IPX, без которого его нельзя назвать полноценным протоколом. Эти протоколы используются вместе и имеют общее название – IPX/SPX.

Главная задача протокола SPX – установка логического соединения между выбранными компьютерами с последующей передачей подготовленных дейтаграмм.

Без протоколов SMTP, POP3 и IMAP невозможна работа электронной почты. Надеюсь, что такое электронная почта и как без нее плохо, объяснять не нужно.

Особенностью этих протоколов является их узкая направленность. Это означает, что их принципиально невозможно использовать для других целей, что, к тому же, не имеет смысла. Задача SMTP, POP3 и IMAP – организация обмена электронными сообщениями, и они отлично с ней справляются.

Еще одной особенностью почтовых протоколов является однозадачность. Например, протокол, отсылающий сообщения, не способен их принимать, и наоборот. Именно поэтому такие протоколы работают парами.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, упрощенный протокол пересылки почты) – протокол, основной задачей которого является отсылка подготовленных специальным образом сообщений. Перед тем, как это сделать, протокол устанавливает соединение между компьютерами, что гарантирует доставку сообщения.

Протокол SMTP очень простой и эффективный, однако эта эффективность не распространяется на все задачи и возможности. Так, он не обладает даже простейшим механизмом аутентификации и возможностью шифрования данных при передаче между почтовыми серверами. Самым большим недостатком SMTP является его неспособность к пересылке графики.

Чтобы не отказываться от этого довольно хорошего протокола, было принято решение расширить его несколькими полезными и необходимыми расширениями. Таким расширением, например, является MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions, многоцелевое расширение почтовой службы в Интернете), благодаря которому существует возможность отсылать файлы любого формата и содержания. Кроме того, разработан стандарт UUENCODE, позволяющий передавать текстовые сообщения в разных кодировках.

POP3 (Post Office Protocol 3, почтовый протокол версии 3) – почтовый протокол, который используется для приема электронных сообщений с почтового сервера.

Обычно POP3 работает в паре с протоколом SMTP, что позволяет организовать эффективную систему отсылки и приема электронных сообщений.

Интерфейс протокола еще более простой, чем интерфейс SMTP, и с этим связаны определенные неудобства. Так, отсутствует возможность выборочного скачивания письма или просмотра содержимого письма непосредственно на почтовом сервере.

IMAP (Interactive Mail Access Protocol, протокол интерактивного доступа к электронной почте) – наиболее «продвинутый» почтовый протокол, предназначенный для приема электронных сообщений с почтового сервера. В большинстве случаев более удобным и эффективным является использование протокола IMAP, чем POP3.

К достоинствам протокола относится возможность частичного скачивания письма, разбития принимаемого письма на части с последующим склеиванием и многое другое.

Данные протоколы предназначены для организации выхода в Интернет и работы в нем с использованием различных браузеров, менеджеров закачек и др.

С протоколами SLIP (Serial Line Internet Protocol, протокол последовательного подключения к Интернету) и PPP (Point-to-Point Protocol, протокол двухточечной связи) в основном работают провайдеры, которые используют для организации доступа в Интернет выделенные телефонные линии или другие каналы.

SLIP и PPP используются для организации постоянного подключения к Интернету с помощью модема. Для обычного пользователя наличие постоянного соединения с Интернетом является достаточно дорогим, поскольку при этом нужно платить как за время пребывания в Интернете, так и за используемую телефонную линию. Это могут позволить себе только достаточно крупные компании и интернет-провайдеры. Первые из них, как правило, в этом случае располагают одним или несколькими серверами с данными, а также личными веб-страницами, которые должны быть постоянно доступны через Интернет. Вторые используют постоянное подключение, поскольку это их работа.

Протоколы SLIP и PPP работают на нижних уровнях модели взаимодействия открытых систем, что позволяет специальным образом готовить пакеты данных для передачи их другими протоколами, например TCP/IP или IPX/SPX. Главное отличие протокола SLIP от протокола PPP заключается в том, что первый работает только на компьютерах с установленной операционной системой Unix и протоколом TCP/IP, а второй используется на компьютерах, работающих под управлением системы класса Windows NT, которая умеет обращаться практически с любыми протоколами передачи данных.

HTTP (HyperText Transport Protocol, гипертекстовый транспортный протокол) – протокол, предназначенный для организации пересылки данных веб-страниц по Интернету или локальной сети. За время своего существования этот протокол претерпел значительные изменения; известно несколько его версий.

Особенностью протокола HTTP является то, что он может передавать любую информацию – текстовую и графическую. Это позволяет использовать при разработке веб-страниц дополнительные средства, которые делают их анимированными и красиво оформленными.

FTP (File Transfer Protocol, протокол передачи файлов) – протокол, изначально разработанный и применяемый для передачи файлов с помощью Интернета. Без этого протокола было бы невозможным скачивание из Сети музыки, фильмов и других объемных данных, без которых современный пользователь компьютера не может представить свою жизнь. Существует множество программ, которые, используя протокол FTP, позволяют скачивать значительные объемы информации даже в условиях плохого соединения и низкой скорости передачи данных.

Развитие беспроводных сетей, как и многое другое, проходит под неусыпным контролем соответствующих организацией. Самой главной среди них является IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, Международный институт инженеров электротехники и электроники). В частности, беспроводные стандарты, сетевое оборудование и все, что относится к беспроводным сетям, контролирует рабочая группа WLAN (Wireless Local Area Network, беспроводная локальная вычислительная сеть), в которую входят более 100 представителей различных университетов и компаний-разработчиков сетевого оборудования. Эта комиссия собирается несколько раз в год с целью совершенствования существующих стандартов и создания новых, базирующихся на последних исследованиях и компьютерных достижениях.

В России также существует ассоциация беспроводных сетей передачи данных – «Беседа», которая занимается ведением единой политики в области беспроводных сетей передачи данных. Эта организация контролирует развитие рынка беспроводных сетей, предоставляет разные услуги при подключении, организует создание и развитие новых центров беспроводного доступа и т. д.

Обратимся к архитектуре беспроводных сетей. На сегодняшний день используется два варианта беспроводной архитектуры или, проще говоря, варианта построения сети: независимая конфигурация (Ad-Hoc) и инфраструктурная конфигурация. Отличия между ними незначительные, однако они кардинально влияют на такие показатели, как количество подключаемых пользователей, радиус сети, помехоустойчивость и т. д.

Какая бы конфигурация сети ни была избрана, стандарты определяют один тип протокола доступа к носителю и разные спецификации для физических каналов.[2]

Пакеты данных, передаваемых протоколом по физическому каналу, разбиваются на несколько блоков:

• контрольные и адресные данные – 30 байт;

• информационные данные – 2 Кбайт;

• контрольная сумма информационных данных – 4 байт.

Режим независимой конфигурации (рис. 2.1) (IBSS – Independent Basic Service Set, независимый базовый набор служб), котрый часто называют «точка-точка», – самый простой в применении. Соответственно, самым простым является построение и настройка сети с использованием независимой конфигурации.

Рис. 2.1. Режим независимой конфигурации.

Чтобы объединить компьютеры в беспроводную сеть, достаточно оборудовать каждый компьютер адаптером беспроводной связи. Как правило, такими адаптеры изначально комплектуются переносные компьютеры, что сводит построение сети к настройке соответствующих ресурсов и ограничений.

Обычно такой способ используется для организации хаотичной или временной сети, а также в том случае, если другой способ построения сети по каким-либо причинам не подходит.

Хотя режим независимой конфигурации прост в построении, он обладает некоторыми недостатками, главными из которых являются малый радиус действия сети и низкая устойчивость к помехам, что накладывает определенные ограничения на месторасположение компьютеров сети. Кроме того, подключиться к внешней сети или к Интернету в таком случае очень непросто.

Инфраструктурная конфигурация, или, как ее еще часто называют, «режим клиент/сервер», – более перспективный и быстроразвивающийся вариант беспроводной сети.

Инфраструктурная конфигурация имеет много преимуществ, среди которых возможность подключения достаточно большого количества пользователей, хорошая помехоустойчивость, высокий уровень контроля подключений и многое другое. Кроме того, имеется возможность использования комбинированной топологии и проводных сегментов сети.

Помимо того, что на компьютерах должны быть установлены адаптеры беспроводной связи, для организации беспроводной сети с использованием инфраструктурной конфигурации необходимо иметь как минимум одну точку доступа (Access Point) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Точка доступа.

В этом случае конфигурация называется базовым набором служб (BSS – Basic Service Set). Точка доступа может работать автономно или в составе проводной сети и может выполнять функцию моста между проводным и беспроводным сегментами сети. При такой конфигурации сети компьютеры «общаются» только с точкой доступа, которая управляет передачей данных между компьютерами (рис. 2.3).

Конечно, одной точкой доступа сеть может не ограничиваться, что и случается по мере роста сети. В этом случае базовые наборы служб образуют единую сеть, конфигурация которой носит название расширенного набора служб (ESS – Extended Service Set). При такой конфигурации сети точки доступа обмениваются между собой информацией, передаваемой с помощью проводного соединения (рис. 2.4) или с помощью радиомостов. Это позволяет эффективно организовывать трафик между сегментами сети (фактически – точками доступа).

Рис. 2.3. Базовый набор служб инфраструктурной конфигурации.

Рис. 2.4. Расширенный набор служб инфраструктурной конфигурации.

Каждый новый стандарт использует новые, более быстрые и надежные спецификации для физического уровня:

• спецификация для работы в инфракрасном диапазоне;

• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, расширение спектра прямой последовательностью) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра методами прямой псевдослучайной последовательности;

• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, расширение спектра за счет скачкообразного изменения частоты) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией со скачкообразной перестройкой частоты псевдослучайными методами;

• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ортогональное мультиплексирование с разделением частот) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с использованием подканалов с разными несущими частотами;

• PBCC (Packet Binary Convolutional Coding, двоичное пакетное свёрточное кодирование) – метод двоичного пакетного свёрточного кодирования;

• технология кодирования Баркера – описывает способ кодирования данных с помощью последовательностей Баркера;

• CCK (Complementary Code Keying, кодирование с помощью комплементарных кодов) – описывает способ дополнительного кодирования битов передаваемой информации;

• CCK-OFDM – описывает способ кодирования данных с помощью гибридного метода, что позволяет увеличить скорость передачи сигнала при невысокой избыточности данных;

• QAM (Quadrature Amplitude Modulation, квадратурная амплитудная модуляция) – описывает способ квадратурной амплитудной модуляции сигнала, который работает на скорости выше 48 Мбит/с.

Первые образцы оборудования работали в диапазоне частот 902–928 МГц. Данные передавались со скоростью 215–860 Кбит/с при использовании метода расширения спектра прямой последовательностью (DSSS). Указанный диапазон частот разбивался на каналы шириной около 5 МГц (при скорости передачи данных 215 Кбит/с таких каналов получалось пять). При максимальной скорости передачи информации спектр сигнала достигал 19 МГц, в результате чего получался только один частотный канал шириной 26 МГц.

Когда появилось подобное оборудование, то используемой скорости передачи данных было достаточно для выполнения многих задач, если сеть состояла из нескольких компьютеров. Однако чем больше компьютеров подключалось к сети, тем ниже становилась скорость передачи данных. Например, при подключении к сети пяти компьютеров реальная скорость передачи данных в пять раз меньше теоретической. Таким образом, чем больше компьютеров в сети, тем с меньшей скоростью передавались данные, а при теоретической скорости передачи данных 860 Кбит/с возможная скорость передачи вообще составляет «крохи».

Конечно, скорость можно было бы со временем увеличить. Однако начали проявляться последствия других негативных факторов, самым главным из которых стало использование диапазона 900 МГц операторами мобильной связи. Именно этот факт привел к тому, что подобное оборудование для беспроводных сетей не прижилось среди пользователей. В результате анализа сложившейся ситуации было принято решение использовать диапазон частот 2400–2483,5 МГц, а позже – 5,150-5,350 ГГц, 5150–5350 МГц и, наконец, 5725–5875 МГц. Это позволило добиться не только большей пропускной способности таких сетей, но и достаточной защищенности от помех.

Смысл метода расширения спектра прямой псевдослучайной последовательностью (DSSS) заключается в приведении узкополосного спектра сигнала к его широкополосному представлению, что позволяет увеличить устойчивость передаваемых данных к помехам.

При использовании метода широкополосной модуляции с прямым расширением спектра диапазон 2400–2483,5 МГц делится на 14 перекрывающихся или три неперекрывающихся канала с промежутком в 25 МГц. Фактически это означает, что разное оборудование может параллельно использовать три канала, при этом не мешая друг другу работать.

Для пересылки данных используется всего один канал. Чтобы повысить качество передачи и снизить потребляемую при этом энергию[3] (за счет снижения мощности передаваемого сигнала), используется последовательность Баркера, которая характеризуется достаточно большой избыточностью. Избыточность кода позволяет избежать повторной передачи данных, даже если пакет частично поврежден.

При использовании метода широкополосной модуляции со скачкообразной перестройкой (FHSS) частотный диапазон 2400–2483,5 МГц делится на 79 каналов шириной по 1 МГц. Данные передаются последовательно по разным каналам, создавая некоторую схему переключения между каналами. Всего существует 22 такие схемы, причем схему переключения согласовывают отправитель и получатель данных. Схемы переключения разработаны таким образом, что шанс использования одного канала разными отправителями минимален.

Переключение между каналами происходит очень часто, что обусловлено малой шириной канала (1 МГц). Поэтому метод FHSS в своей работе использует весь доступный диапазон частот, а значит, и все каналы.

Метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) является одним из «продвинутых» и скоростных методов передачи данных. В отличие от методов DSSS и FHSS, с его помощью можно параллельно передавать данные по нескольким частотам радиодиапазона. При этом информация разбиваются на части, что позволяет не только увеличить скорость, но и улучшить качество передачи.

Данный метод модуляции сигнала может работать в двух диапазонах – 2,4 и 5 ГГц.

Метод двоичного пакетного свёрточного кодирования (BCC) используется при скорости передачи данных 5,5 и 11 Мбит/с. Этот же метод, только слегка модифицированный, используется и при скорости передачи данных 22 Мбит/с.

Принцип PBCC основан на том, что каждому биту информации, который нужно передать, назначаются соответствующие два выходных бита (так называемый дибит), созданные в результате преобразований с помощью логической функции XOR и нескольких запоминающих ячеек.[4] Поэтому этот метод называется свёрточным кодированием со скоростью 1/2, а сам механизм кодирования – свёрточным кодером.

Использование свёрточного кодера позволяет добиться избыточности кода, что, в свою очередь, повышает надежность приема данных.

Чтобы отправить готовый дибит, используется фазовая модуляция сигнала. При этом в зависимости от скорости передачи применяется определенный метод модуляции – двоичная фазовая модуляция (BPSK, скорость передачи – 5,5 Мбит/с) или квадратичная фазовая модуляция (QPSK, скорость передачи – 11 Мбит/с).

Смысл модуляции заключается в том, чтобы ужать выходной дибит до одного символа, не теряя при этом избыточность кода. В результате скорость поступления данных будет соответствовать скорости их передачи, но при этом они будут обладать сформированной избыточностью кода и более высокой помехозащищенностью.

Метод PВCC также предусматривает работу со скоростью передачи данных 22 и 33 Мбит/с. При этом используется пунктурный кодер и другая фазовая модуляция.

Для примера рассмотрим скорость передачи данных 22 Мбит/с (вдвое выше скорости 11 Мбит/с). В этом случае согласно алгоритму своей работы свёрточный кодер переводит каждые два входящих бита в четыре исходящих. Это приводит к слишком большой избыточности кода, что не всегда приемлемо при определенном уровне помех. Поэтому, чтобы уменьшить лишнюю избыточность, используется пунктурный кодер, задача которого – удаление лишнего бита в группе из четырех битов, выходящих из свёрточного кодера.

Таким образом, каждым двум входящим битам соответствуют три бита, обладающие достаточной избыточностью. Эти три бита проходят через модернизированную фазовую модуляцию (восьмипозиционная фазовая модуляция 8-PSK), которая упаковывает их в один символ, готовый к передаче.

Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях шума, можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя в исходный сигнал избыточность. Для этого в каждый передаваемый информационный бит «встраивают» определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов.

Итак, после подбора специальных сочетаний последовательности чипов и превращения исходящего сигнала практически в нераспознаваемый шум при приеме сигнал умножается на специальную корреляционную функцию (код Баркера). В результате этого все шумы становятся в 11 раз слабее, так как остается только полезная часть сигнала – непосредственно данные.

Казалось бы, что можно сделать с сигналом, который состоит из сплошного шума? Оказывается, применив код Баркера, можно достичь гарантированного качества доставки данных.

Технология шифрования с использованием комплементарных кодов (CCK) применяется для сжатия битов данных, что позволяет достичь повышения скорости передачи информации.

Изначально эта технология использовалась в стандарте IEEE 802.11b, что позволило достичь скорости передачи данных 5,5 и 11 Мбит/с. С помощью CCK можно кодировать несколько битов в один символ. В частности, при скорости передачи данных 5,5 Мбит/с 1 символ равняется четырем битам, а при скорости 11 Мбит/с один символ равен 8 битам данных.

Данный способ кодирования можно описать достаточно сложными системами – математическими уравнениями, в основе которых лежат комплементарные восьмиразрядные комплексные последовательности. Коснемся этой темы лишь поверхностно.

Технология гибридного кодирования CCK-OFDM используется при работе оборудования как с обязательными, так и с возможными скоростями передачи данных.

Как ранее упоминалось, при передаче информации применяются пакеты данных, имеющих специальную структуру. Эта структура содержит, как минимум, служебный заголовок. При использовании гибридного кодирования CCK-OFDM служебный заголовок пакета строится с помощью CCK-кодирования, а сами данные – с помощью OFDM-кодирования.

Технология квадратурной амплитудной модуляции (QAM) используется при высоких скоростях передачи данных (начиная со скорости 24 Мбит/с). Ее суть заключается в том, что скорость передачи данных повышается за счет изменения фазы сигнала и изменения его амплитуды. При этом используются модуляции 16-QAM и 64-QAM, которые позволяют кодировать 4 бита в одном символе при 16 разных состояниях сигнала (в первом случае) и 6 битов в одном символе при 64 разных состояниях сигнала (во втором).

Обычно 16-QAM используется при скорости передачи данных 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM – при скорости передачи данных 48 и 54 Мбит/с.

Рассмотрим все существующие стандарты IEEE 802.11, которые предписывают использование определенных методов и скоростей передачи данных, методов модуляции, мощности передатчиков, полос частот, на которых они работают, методов аутентификации, шифрования и многое другое.

C самого начала сложилось так, что некоторые стандарты работают на физическом уровне, некоторые – на уровне среды передачи данных, а остальные – на более высоких уровнях модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI.

Существуют следующее группы стандартов:

• IEEE 802.11a, IEEE 802.11b и IEEE 802.11g описывают работу сетевого оборудования (физический уровень);

• IEEE 802.11d, IEEE 802.11e, IEEE 802.11i, IEEE 802.11j, IEEE 802.11h и IEEE 802.11r – параметры среды, частоты радиоканала, средства безопасности, способы передачи мультимедийных данных и т. д.;

• IEEE 802.11f и IEEE 802.11c – принцип взаимодействия точек доступа между собой, работу радиомостов и т. п.

Стандарт IEEE 802.11 был «первенцем» среди стандартов беспроводной сети. Работу над ним начали еще в 1990 году. Как и полагается, этим занималась рабочая группа из IEEE, целью которой было создание единого стандарта для радиооборудования, которое работало на частоте 2,4 ГГц. При этом ставилась задача достичь скорости 1 и 2 Мбит/с при использовании методов DSSS и FHSS соответственно.

Работа над созданием стандарта закончилась через 7 лет. Цель была достигнута, но скорость, которую обеспечивал новый стандарт, оказалась слишком малой для современных потребностей. Поэтому рабочая группа из IEEE начала разработку новых, более скоростных, стандартов.

Разработчики стандарта 802.11 учитывали особенности сотовой архитектуры системы. Почему сотовой? Очень просто: достаточно вспомнить, что волны распространяются в разные стороны на определенный радиус. Получается, что внешне зона напоминает соту. Каждая такая сота работает под управлением базовой станции, в качестве которой выступает точка доступа. Часто соту называют базовой зоной обслуживания.

Чтобы базовые зоны обслуживания могли общаться между собой, существует специальная распределительная система (Distribution System, DS). Недостатком распределительной системы стандарта 802.11 является невозможность роуминга.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает работу компьютеров без точки доступа, в составе одной соты. В этом случае функции точки доступа выполняют сами рабочие станции.

Этот стандарт разработан и ориентирован на оборудование, функционирующее в полосе частот 2400–2483,5 МГц. При этом радиус соты достигает 300 м, не ограничивая топологию сети.

IEEE 802.11a – наиболее перспективный стандарт беспроводной сети, который рассчитан на работу в двух радиодиапазонах – 2,4 и 5 ГГц. Используемый метод OFDM позволяет достичь максимальной скорости передачи данных 54 Мбит/с. Кроме этой, спецификациями предусмотрены и другие скорости:

• обязательные – 6, 12 и 24 Мбит/с;

• необязательные – 9, 18, 36, 48 и 54 Mбит/с.

Этот стандарт также имеет свои преимущества и недостатки. Из преимуществ можно отметить следующие:

• использование параллельной передачи данных;

• высокая скорость передачи;

• возможность подключения большого количества компьютеров.

Недостатки стандарта IEEE 802.11a такие:

• меньший радиус сети при использовании диапазона 5 ГГц (примерно 100 м);

• большая потребляемая мощность радиопередатчиков;

• более высокая стоимость оборудования по сравнению с оборудованием других стандартов;

• для использования диапазона 5 ГГц требуется наличие специального разрешения.

Для достижения высоких скоростей передачи данных стандарт IEEE 802.11a использует в своей работе технологию квадратурной амплитудной модуляции QAM.

Работа над стандартом IEEE 802.11b (другое название – IEEE 802.11 High rate, высокая пропускная способность) была закончена в 1999 году, и именно с ним связано название Wi-Fi (Wireless Fidelity, беспроводная точность).

Работа данного стандарта основана на методе прямого расширения спектра (DSSS) с использованием восьмиразрядных последовательностей Уолша. При этом каждый бит данных кодируется с помощью последовательности дополнительных кодов (CCK). Это позволяет достичь скорости передачи данных 11 Мбит/с.

Как и базовый стандарт, IEEE 802.11b работает с частотой 2,4 ГГц, используя не более трех неперекрывающихся каналов. Радиус действия сети при этом составляет около 300 м.

Отличительной особенностью этого стандарта является то, что при необходимости (например, при ухудшении качества сигнала, большой удаленности от точки доступа, различных помехах) скорость передачи данных может уменьшаться вплоть до 1 Мбит/с.[5] Напротив, обнаружив, что качество сигнала улучшилось, сетевое оборудование автоматически повышает скорость передачи до максимальной. Этот механизм называется динамическим сдвигом скорости.

Стандарт IEEE 802.11d определяет параметры физических каналов и сетевого оборудования. Он описывает правила, касающиеся разрешенной мощности излучения передатчиков в диапазонах частот, допустимых законами.

Этот стандарт очень важен, поскольку для работы сетевого оборудования используются радиоволны. Если они не будут соответствовать указанным параметрам, то могут помешать другим устройствам, работающим в этом или близлежащем диапазоне частот.

Поскольку по сети могут передаваться данные разных форматов и важности, существует потребность в механизме, который бы определял их важность и присваивал необходимый приоритет. За это отвечает стандарт IEEE 802.11e, специально разработанный с целью передачи потоковых видео– или аудиоданных с гарантированными качеством и доставкой.

Стандарт IEEE 802.11f разработан с целью обеспечения аутентификации сетевого оборудования (рабочей станции) при перемещении компьютера пользователя от одной точки доступа к другой, то есть между сегментами сети. При этом вступает в действие протокол обмена служебной информацией IAPP (Inter-Access Point Protocol), который необходим для передачи данных между точками доступа. При этом достигается эффективная организация работы распределенных беспроводных сетей.

Наиболее «продвинутым» на сегодняшний день стандартом можно считать стандарт IEEE 802.11g, который унаследовал самые лучшие свойства стандартов IEEE 802.11b и IEEE 802.11b и, кроме того, обладает многими собственными полезными качествами. Целью создания данного стандарта было достижение скорости передачи данных 54 Мбит/с.

Как и IEEE 802.11b, стандарт IEEE 802.11g разработан для работы в частотном диапазоне 2,4 ГГц. IEEE 802.11g предписывает обязательные и возможные скорости передачи данных:

• обязательные – 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с;

• возможные – 33, 36, 48 и 54 Мбит/с.

Для достижения таких показателей используется кодирование с помощью последовательности дополнительных кодов (CCK), метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), метод гибридного кодирования (CCK-OFDM) и метод двоичного пакетного свёрточного кодирования (PBCC).

Стоит отметить, что одной и той же скорости можно достичь разными методами, однако обязательные скорости передачи данных достигаются только с помощью методов CCK и OFDM, а возможные скорости – с помощью методов CCK-OFDM и PBCC.

Преимуществом оборудования стандарта IEEE 802.11g является совместимость с оборудованием IEEE 802.11b. Вы сможете легко использовать свой компьютер с сетевой картой стандарта IEEE 802.11 для работы с точкой доступа стандарта IEEE 802.11g, и наоборот. Кроме того, потребляемая мощность оборудования этого стандарта намного ниже, чем аналогичного оборудования стандарта IEEE 802.11а.

Стандарт IEEE 802.11h разработан с целью эффективного управления мощностью излучения передатчика, выбором несущей частоты передачи и генерации нужных отчетов. Он вносит некоторые новые алгоритмы в протокол доступа к среде MAC (Media Access Control, управление доступом к среде), а также в физический уровень стандарта IEEE 802.11a.

В первую очередь это связано с тем, что в некоторых странах диапазон 5 ГГц используется для трансляции спутникового телевидения, для радарного слежения за объектами и т. п., что может вносить помехи в работу передатчиков беспроводной сети.

Смысл работы алгоритмов стандарта IEEE 802.11h заключается в том, что при обнаружении отраженных сигналов (интерференции) компьютеры беспроводной сети (или передатчики) могут динамически переходить в другой диапазон, а также понижать или повышать мощность передатчиков. Это позволяет эффективнее организовать работу уличных и офисных радиосетей.

Стандарт IEEE 802.11i разработан специально для повышения безопасности работы беспроводной сети. С этой целью созданы разные алгоритмы шифрования и аутентификации, функции защиты при обмене информацией, возможность генерирования ключей и т. д.:

• AES (Advanced Encryption Standard, передовой алгоритм шифрования данных) – алгоритм шифрования, который позволяет работать с ключами длиной 128, 192 и 256 бит;

• RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service, служба дистанционной аутентификации пользователя) – система аутентификации с возможностью генерирования ключей для каждой сессии и управления ими, включающая в себя алгоритмы проверки подлинности пакетов и т. д.;

• TKIP (Temporal Key Integrity Protocol, протокол целостности временных ключей) – алгоритм шифрования данных;

• WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol, устойчивый беспроводной протокол аутентификации) – алгоритм шифрования данных;

• CCMP (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) – алгоритм шифрования данных.

Стандарт IEEE 802.11j разработан специально для использования беспроводных сетей в Японии, а именно – для работы в дополнительном диапазоне радиочастот 4,9–5 ГГц.[6] Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц.

Данным стандартом расширяется диапазон работы устройств стандарта IEEE 802.11a.

На сегодняшний день стандарт IEEE 802.11n – самый перспективный из всех стандартов, касающихся беспроводных сетей. К сожалению, пока он только разрабатывается, но возможности, которые он открывает, выглядят очень заманчиво.

Данный стандарт должен обеспечить скорость передачи данных, минимальным значением которой будет 100 Мбит/с, что фактически равняется наиболее распространенной скоростью в проводных сетях стандарта Ethernet 802.3.

IEEE 802.11n будет использовать метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и квадратурную амплитудную модуляцию (QAM). Это должно обеспечить не только высокую скорость передачи данных, но и полную совместимость со стандартами IEEE 802.11a, IEEE 802.11 и IEEE 802.11g.

Для увеличения скорости передачи данных планируется использовать несколько новых технологий, одной из которых является технология с множественным вводом/ выводом (MIMO – Multiple Input Multiple Output). Ее смысл заключается в параллельной передаче данных по разным каналам с применением нескольких передающих антенн. Кроме того, подразумевается расширение частотного канала до 40 МГц.

Ни в одном беспроводном стандарте толком не описаны правила роуминга, то есть перехода клиента от одной зоны к другой. Это намереваются сделать в стандарте IEEE 802.11r.

В любом начинании есть свои преимущества и недостатки, однозначно определяющие выбор той или иной технологии в конкретных условиях. Не обошла эта участь и беспроводные сети.

Пожалуй, это преимущество беспроводной сети является основным. Оно означает, что для организации работоспособной и достаточно быстрой беспроводной сети достаточно приложить минимум усилий, а самое главное – это потребует минимум затрат. Дело даже не в том, что создавать «обычную» сеть иногда просто лень (бывает и такое), а в том, что, располагая одной или более точками доступа, можно соединить в единую локальную сеть отдельно стоящие здания или компьютеры, находящиеся на большом расстоянии друг от друга.

Кроме того, беспроводную сеть можно быстро, красиво (без кучи проводов) и эффективно создать, когда организовывать проводную сеть накладно: на различных конференциях, выставках, выездных семинарах и т. п. Не стоит также забывать о зданиях, в которых прокладка кабельной системы несовместима с исторической ценностью: это касается музеев, памятников архитектуры и т. п.

Что касается реструктуризации, то здесь дело обстоит совсем просто: добавьте новый компьютер – и готово. Хотите создать подключение Ad-Hoc – пожалуйста, хотите с точкой доступа – опять же…

Лучшие технологии, которые есть в нашем мире, остаются лучшими, только если они могут предложить определенную, желательно очень солидную, универсальность. На сегодняшний день неоспоримым преимуществом является универсальная мобильность, которая позволяет человеку заниматься своим делом в любых условиях, где бы он ни находился. Мобильные телефоны, персональные ассистенты, переносные компьютеры – представители технологии, которая вносит в жизнь человека эту самую мобильность.

С появлением беспроводных сетей и соответствующих компьютерных технологий мобильность приобрела более широкое значение. Теперь она позволяет соединить между собой любые способные на связь устройства, которых так много в современном мире. Обладая мобильным устройством, вы можете спокойно передвигаться по городу и быть уверенным, что всегда останетесь на связи и сможете получить самую последнюю информацию. Рано или поздно пословицу «Если гора не идет к Магомету, Магомет идет к горе» можно будет несколько переиначить: «Если вы не хотите прийти к сети, сеть сама придет к вам».

Преимуществом беспроводной сети является то, что ее всегда можно подключить к проводной. Для этого достаточно воспользоваться совместимым портом[7] на точке доступа или радиомосте. При этом вы получите доступ к ресурсам сети без всяких ограничений.

Именно эта возможность используется при подключении к общей сети удаленных зданий и точек, проложить к которым проводную сеть или невозможно, или слишком дорого.

Располагая точкой доступа с подключением к Интернету, вы сможете организовать доступ в Интернет для всех компьютеров локальной сети. При этом скорость соединения будет намного выше, чем могут предоставить обычные и даже xDSL-модемы.

Доступ по беспроводной сети – достаточно серьезная альтернатива такому дорогому решению, как оптоволоконный канал. Прокладку такого канала не могут позволить себе даже крупные компании, чего не скажешь о покупке точки доступа или радиокарты, которую может приобрести обычный пользователь. Дело только за суммой, которую вы готовы выложить за предоставленный канал. Канал со скоростью 2 Мбит/с и более уже давно не считается большой роскошью в странах Европы, США или Канады. Такое же настроение постепенно переходит и в СНГ.