Беспроводные локальные сети - WLAN (Часть 1)

Локальные сети (Local Area Network - LAN) представляли собой простейшие компьютерные сети. Их отличительные признаки, как разновидности компьютерных сетей, состояли в ограниченном числе узлов (порядка единиц), малом расстоянии между взаимосвязанными компьютерами (территория одного здания, этажа, офиса), наличии автономных линий связи между узлами сети (как правило, проводных - кабельных). Исходная топология локальных сетей была простейшей и состояла в подключении узлов сети (компьютеров) к общей проводной линии, называемой шиной. Перечень типовых черт LAN, которые сохранились до настоящего времени, включает ограниченность числа абонентов сети, ограниченность территории, в пределах которой распределены абоненты, и наличие телекоммуникационной линии связи между абонентами (узлами). В современных LAN изменения первоначальных черт коснулись трех аспектов:

1) изменения топологии коммуникационных линий (по сравнению с топологией типа «шина»);

2) изменения вида узлов сети (наряду с компьютерами, узлами сети могут быть устройства с различными видами цифрового контента: видео, графики, телефонии и пр.);

3) введения взаимосвязи между LAN (включая все ее узлы) и магистральной сетью, которая используется для взаимного соединения сетей различного назначения (в частности, другими LAN).

Последний из перечисленных аспектов связан с обретением современными LAN качественно новых свойств по сравнению с их первоначальным назначением, а именно, благодаря взаимосвязи с магистральной сетью LAN обрела способность выполнять функции сети доступа к магистральной сети. Функции интерфейса между LAN и магистральной сетью выполняет один из узлов LAN, в состав которого входит сетевой контроллер (Network-Interface Controller-NIC).

Беспроводные LAN (Wireless LAN - WLAN) отличаются от проводных тем, что взаимосвязь между узлами сети осуществляется посредством использования радиосигналов. В состав узлов входят передающие и приемные устройства. Среда, в которой размещены узлы, является средой распространения радиосигналов. В результате, необходимость применения проводных линий отпадает. Роль концентратора проводной LAN выполняет точка доступа (Access Point - АР) WLAN.

Беспроводное подключение к магистральной сети может использоваться не только по отношению к индивидуальным абонентам, но также по отношению к групповым абонентам, каковыми являются проводные LAN.

Необходимость и целесообразность применения беспроводных LAN наряду с проводными обусловлена преимуществами, которые достигаются отсутствием проводных соединений. Эти преимущества проявляются в следующих обстоятельствах:

1) необходимость создания LAN между узлами, разделенными естественными и искусственными препятствиями (например, водные препятствия, стены домов, межэтажные перекрытия);

2) необходимость обеспечения мобильности узлов, объединенных в локальную сеть;

3) необходимость получения доступа к магистральной сети с выходом в Internet-сеть в общественных местах кратковременного пребывания (гостиницы, вокзалы, читальные залы библиотек и др.).

Востребованность беспроводной локальной связи (с потребительской точки зрения) определяет место WLAN в современных беспроводных телекоммуникациях. Важнейшее потребительское свойство WLAN, наряду с удобством их развертывания для обеспечения взаимной связи абонентов, состоит в обеспечении доступа абонентов к магистральным сетям. Последним, в частности, объясняется использование англоязычного термина «горячая точка» (hotspot) для общественных мест развертывания WLAN с выходом в Internet.

Исторические аспекты становления WLAN 

Потребительский спрос на применение WLAN прогнозировался во всех промышленно развитых странах с широким использованием персональных компьютеров (ПК), начиная с начала 70-х годов прошлого века.

Объективная потребность в обеспечении совместимости аппаратуры WLAN различных производителей привела к необходимости разработок соответствующих стандартов, которые одновременно производились органами стандартизации трех регионов:

1) в США - Институтом инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE);

2) в Европе - Европейским институтом стандартов электросвязи (European Telecommunications Standards Institute - ETSI);

3) в Японии - Ассоциацией радиопромышленности и бизнеса (Association of Radio Industries and Business - ARIB).

Наибольшую известность получили стандарты, разработанные под эгидой IEEE и ETSI.

В IEEE стандарты WLAN создавались рабочей группой (Work Group WG) 802.11 комитета 802, ответственного за стандартизацию в сфере локальных (LAN) и городских (MAN) сетей (802 LAN/MAN Standards Committee). В рамках комитета IEEE 802 рабочая группа WG 802.11 занимается разработкой стандартов WLAN, и соответствующие стандарты известны как стандарты IEEE 802.11. Исходный (базовый) стандарт IEEE 802.11 был принят в 1987 году. В дальнейшем он непрерывно подвергался доработкам, чему соответствуют версии с различными буквенными обозначениями - от а до х.

Стандарты WLAN, разработанные ETSI, известны под наименованием HIPERLAN (High Performance Radio LAN). Разработка этих стандартов производилась практически одновременно со стандартом IEEE 802.11 (с годичным опережением). Изначально предполагалась разработка 4 версий этих стандартов, но реально дело ограничилось двумя версиями: HIPERLAN 1 и HIPERLAN2. Согласно замыслу предполагалось, что WLAN стандартов HIPERLAN при равноценном со стандартом IEEE 802.11 использовании частотного ресурса должны обладать более высокими показателями по скорости передачи данных. Поддержка разработки стандартов осуществлялась известными производителями аппаратуры, в частности, фирмой Ericsson.

Однако процесс практического внедрения WLAN (с учетом современного состояния рынка) привел к необходимости выбора как разработчиками, так и органами стандартизации только одного из направлений развития беспроводных сетевых технологий. Этим направлением оказались сети семейства стандартов IEEE 802.11.

В разработке стандартов активно участвовали ассоциации производителей оборудования WLAN. Стандарту IEEE 802.11 соответствует образование ассоциации WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), известной своим распространенным брендом Wi-Fi Alliance. Роль этой Ассоциации проявилась в разработке системы сертификации изделий стандарта IEEE 802.11, благодаря чему они известны как Wi-Fi изделия. Аналогичные ассоциации производителей изделий стандартов HIPERLAN: HIPERLAN Alliance и HIPERLAN2 Global Forum в настоящее время менее активны. Тем не менее вероятно, что полное отрицание некоторых преимуществ, присущих HIPERLAN, было бы нецелесообразным и возможность их будущего использования не исключается.

Факторы, определяющие архитектуру WLAN 

Один из наиболее существенных отличительных признаков локальных цифровых сетей по сравнению с глобальными состоит в наличии автономных телекоммуникационных линий между их узлами. Отличие архитектуры беспроводных и проводных LAN обусловлены свойствами среды распространения используемых сигналов:

- проводящей направляющей среды в проводных LAN;

- естественной окружающей среды в беспроводных LAN (Wireless LAN -WLAN).

Родственная черта использования обеих сред состоит в том, что они являются средами общего/множественного (Multiple Access - MA) доступа. Сигналы различных абонентов в условиях их независимой работы могут передаваться одновременно, что приводит к суперпозиции сигналов в среде. Эта суперпозиция имеет следствием отличие суммарного сигнала от каждого из переданных и существенно затрудняет возможность их правильного приема. В среде общего доступа, независимо от ее физических свойств, может иметь место коллизия сигналов. Исключение коллизий предполагает согласованное использование среды, обязательной составляющей которого является наблюдение за ее занятостью. Доступ к среде, основанный на наблюдении за ее занятостью, получил наименование множественного доступа с контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access — CSMA). В LAN различных разновидностей (проводных и беспроводных) применяется несколько производных вариантов этого метода доступа.

Доступ узлов к среде обеих разновидностей осуществляется с помощью сетевых адаптеров (Network Interface Card - NIC, Wireless NIC - WNIC), которые выполняют функции двух нижних уровней базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, а именно:

- физического уровня (Physical Layer - PHY);

- подуровня управления доступом к среде (Media Access Control - MAC) канального уровня (Data Link Layer - DLL).

Сетевые адаптеры (проводные и беспроводные) обеспечивают наблюдение за средой, согласованный доступ различных узлов к ней, формирование, передачу и прием сигналов.

В проводной среде, которая представляет собой двухпроводную длинную линию, например, кабель, передача сигналов между узлами сопровождается относительно слабым затуханием в процессе их распространения. Коллизия сигналов двух (или более) узлов приводит к существенному изменению характеристик суммарного сигнала (прежде всего, энергетического уровня), по сравнению с одиночными сигналами. Соответственно, каждый узел с помощью NIC может обнаружить факт коллизии сигналов в процессе их передачи и предпринять действия по обеспечению очередности доступа к среде различных узлов. Метод упорядоченного множественного доступа, обеспечивающий уменьшение уровня коллизий в проводных средах, получил наименование множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/Collision Detection - CSMA/CD). Возможность обнаружения коллизий является имманентным свойством проводных сред.

В беспроводной среде, которая представляет собой окружающее узлы пространство с его естественным и искусственным заполнением, сигналы распространяются, существенно затухая по мере удаления от источника. Суммарный сигнал нескольких источников не имеет энергетических признаков, соответствующих факту коллизии. Последняя может быть обнаружена по результатам проверки наличия ошибок в принятом и обработанном WNIC цифровом сигнале после завершения его передачи. Соответственно, реакция на факт коллизии может быть осуществлена при этом с опозданием, и существенной необходимостью становится предотвращение коллизий. Соответствующий метод множественного доступа к беспроводной среде разработан в рамках подготовки стандарта IEEE 802.11. Он получил наименование метода множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/Collision Avoidance - CSMA/CA).

Локальные цифровые сети крупных организаций представляют собой, как правило, совокупность проводных и беспроводных сегментов. Соответственно архитектура LAN должна предусматривать распределительную систему, которая выполняет такие функции:

- обеспечения взаимосвязи между различными сегментами LAN (включая проводные и беспроводные сегменты);

- обеспечения доступа всех сегментов LAN к магистральной Internet-среде.

Доступ к магистральной сети обеспечивается посредством Web-серверов (служебных серверов), обладающих соответствующими интерфейсными свойствами. Вопросы сетевого и транспортного уровней (Network Layer, Transport Layer) взаимодействия открытых систем выходят за пределы стандарта IEEE 802.11, который ограничивается проблемами MAC и PHY реализации WLAN. Соответственно, рассмотрение архитектуры WLAN ограничивается в стандарте вопросами построения беспроводных сегментов и систем распределения LAN.

Элементы архитектуры WLAN 

Перечень основных элементов включает базовые служебные наборы, порталы и систему распределения. Структура и содержание функций, выполняемых перечисленными элементами, сводится к следующему.

1. Базовые служебные наборы (Basic Service Set - BSS) представляют собой беспроводные компоненты LAN, обеспечивающие взаимодействие их узлов между собой и с другими узлами LAN посредством передачи сигналов с помощью электромагнитных волн. Структурными составными частями BSS являются станции (Station - STA) и точки доступа (Access Point - АР).

Станции BSS представляют собой совокупность узлов сети и беспроводных сетевых адаптеров. Под узлом сети подразумевается любое устройство, являющееся источником пакетных сообщений (компьютер, цифровой телефон и пр.). WNIC обеспечивает прием и передачу радиосигналов (PHY-уровень), а также выполнение функций контроллера МАС-уровня. В целом, термин «станция» по отношению к совокупности узла и WNIC соответствует аналогичному понятию, предусмотренному Регламентом Радиосвязи - это совокупность приемников и передатчиков, включая дополнительные устройства, необходимые для выполнения функций службы радиосвязи.

Точка доступа (АР) представляет собой устройство (entity), обладающее свойствами STA и обеспечивающее выполнение двух функций: координацию доступа станций BSS к общей беспроводной среде и доступ станций BSS к системе распределения.

Необходимость координации работы станций BSS обусловлена использованием ими общего частотно-территориального ресурса. Площадь, в пределах которой обеспечивается связь между станциями BSS, носит наименование базовой зоны обслуживания (Basic Service Area - BSA). Вес станции BSS совместно используют для обмена радиосигналами одну общую полосу частот, и коллизии радиосигналов различных станций приводят к вредным взаимным помехам, исключающим возможность одновременной связи нескольких станций. Связь между станциями BSS осуществляется в полудуплексном режиме с ретрансляцией сигналов (по аналогии с радиорелейной связью) различных STA точкой доступа. Совокупность функций, выполняемых STA и АР по обеспечению передачи сообщений в пределах BSS, носит наименование станционной службы (Station Service - SS).

Точки доступа являются инфраструктурными элементами BSS; ими оснащаются все помещения (базовые зоны обслуживания), рассчитанные на постоянную работу WLAN (в частности, «горячие точки»). В качестве инфраструктурных элементов АР обеспечивают интерфейс между BSS и системой распределения LAN. В случае, если BSS является автономной, точка доступа может обеспечивать непосредственный доступ к магистральной сети (Internet). С этой целью промышленные образцы АР имеют в комплекте маршрутизатор.

2. Система распределения (Distribution System — DS) представляет собой элемент сети, который обеспечивает передачу сообщений между различными BSS, а также между BSS и проводными LAN, входящими в сеть. Среда, которой обеспечивается передача сообщений между сегментами сети (проводными и беспроводными), носит наименование среды системы распределения (Distribution System Medium - DSM). Совокупность функций, выполняемых DS, именуется службой системы распределения (Distribution System Service — DSS). Станционные службы (SS) и DSS совместно обеспечивают возможность передачи сообщений между STA, входящими в различные сегменты LAN. Существенная черта передачи сообщений посредством DS состоит в том, что протоколы передачи являются протоколами MAC -уровня, так что станции различных BSS и проводных сегментов взаимодействуют между собой, не выходя за пределы этого уровня.

Среда систем распределения цифровых сетей, которые располагаются внутри зданий, является, как правило, проводной. Среда распределения сетей LAN, объединяющих сегменты, разобщенно расположенные на открытой территории учреждений (например, кампуса или офиса), может быть беспроводной. Стандарт IEEE 802.11 не накладывает ограничений на способы реализации DSM, а также на перечень функций стека протоколов ISO/OSI, которые среда может выполнять. В частности, эти функции могут выходить за пределы 2-го (канального) уровня и охватывать 3-й (сетевой) уровень. Последнее соответствует взаимосвязи LAN с глобальными сетями (Wide Area Network -WAN), в частности, сетью Internet (в данном случае может использоваться роутер). Создание интерфейса между DS и   WAN соответствует одному из наиболее распространенных применений Wi-Fi - WLAN - созданию «горячих точек». В рамках протокола IEEE 802.11 взаимосвязь WLAN и WAN не регламентируется.

3. Порталы представляют собой элементы сети, посредством которых к распределительной системе (DS) подключаются проводные сегменты сети, функционирующие согласно требованиям стандартов проводных LAN (например, 802.3 - Ethernet). Посредством порталов обеспечивается передача сообщений между беспроводными и проводными сегментами сети согласно протоколам МАС-уровня. Подключение узлов проводных сегментов к DS с помощью порталов называется их интегрированием (интеграцией) в сеть. Благодаря передаче сообщений согласно протоколам одного уровня (МАС-уровня) узлы всех сегментов сети, проводных и беспроводных, являются логически равноценными.

Совокупность всех BSS сети и интегрированных проводных сегментов (локальных сетей) носит наименование расширенного служебного набора (Extended Service Set - ESS). Территория, занимаемая элементами ESS, именуется расширенной площадью обслуживания (Extended Service Area - ESA). Максимальное количество узлов ESS стандартом IEEE 802.11 не регламентируется. Инфраструктура ESS: ее система распределения, точки доступа, порталы, интерфейс с WAN - создается оператором (провайдером) ESS. Сеть обеспечивает во-первых, взаимосвязь между всеми узлами, входящими в проводные и беспроводные сегменты, и, во-вторых, связь с узлами глобальной сети (если таковая связь предусмотрена).

Однозначность идентификации узлов сети при передаче сообщений между ними обеспечивается принятой системой кодового обозначения элементов сети. Предусмотрено 3 разновидности идентификаторов элементов:

- идентификатор ESS (Service Set Identificator - SSID), который представляет собой наименование ESS, состоящее из 32 буквенно-цифровых (alphanumeric) символов;

- идентификатор BSS (Basic Service Set Identificator - BSSID), который совпадает с МАС-адресом точки доступа соответствующей BSS;

- идентификатор STA, который совпадает с МАС-адресом рассматриваемой станции.

МАС-адреса присваиваются АР и STA в соответствии с общепринятыми правилами: три первых байта адреса используются для обозначения производителя NIC, а три оставшихся - для обозначения номера NIC. Идентификаторы сетей (SSID) определяются их операторами и, обычно, представляют собой текстовое «наименование сети». Все станции ESS должны обладать правом на использование ее телекоммуникационных ресурсов. SSID используются для первичной (начальной) проверки права абонентов на работу в ESS.

Взаимодействие элементов архитектуры

Существенная функциональная черта ESS состоит в динамичности изменения ее абонентского состава: абоненты сети могут подключаться к ней в произвольное время, прерывать связь с сетью (выходить из нее), перемешаться между различными BSS сети. Динамичность функционирования ESS обеспечивается взаимодействием между элементами (компонентами) ее архитектуры.

Совокупность функций, выполняемых элементами, получила наименование соответствующих служб (services). Стандарт определяет 9 разновидностей служб:

- аутентификации абонентов;

- ассоциации абонентов;

- деаутентификации абонентов;

- деассоциации абонентов;

- реассоциации абонентов;

- интеграции проводных LAN;

- доставки сообщений;

- конфиденциальности сообщений;

- распределения сообщений.

Службы классифицируются по двум основным признакам:

1) исходя из роли служб в обеспечении функционирования сети (согласно этому признаку различают службы, обеспечивающие формирование сети, и службы, обеспечивающие передачу сообщений между абонентами);

2) по виду элементов сети, которые выполняют соответствующую служебную функцию. По этому признаку службы подразделяются на станционные (Station Service - SS) и службы системы распределения (Distribution System Service - DSS).

Формирование сети при условии наличия всех ее инфраструктурных элементов (системы распределения, точек доступа, порталов) состоит в подключении/отключении ее мобильных абонентов. Подключение последних предполагает проверку их аутентичности (Authentication) и ассоциацию (Association) абонентов в сеть. При выходе мобильных абонентов из сети осуществляется их деассоциация (Disassociation) и деаутентификация (Deautentication). Перемещение мобильных абонентов из одной BSS в другую без выхода из ESS обеспечивается службой реассоциации (Reassociation). Аутентификация/деаутентификация являются станционными службами, а ассоциация/деассоциация - службами системы распределения. Логическое подключение к DS проводных LAN осуществляется службой интеграции, входящей в DSS.

Передача сообщений между абонентами в пределах сети осуществляется службами доставки (MSDU delivery), конфиденциальности (Privacy) и распределения (Distribution) сообщений. Две первых из них являются станционными, последняя - службой DSS. Информационный обмен между элементами сети в процессе се формирования и функционирования предполагает передачу сообщений двух видов: служебных сообщений, которые обеспечивают менеджмент (Management) и управление (Control) доступом к беспроводной среде, и сообщений передачи данных (Data). Сообщения передаются в виде кадров (Frame), перечень разновидностей которых регламентирован стандартом.

В процессе подключения/отключения и функционирования в сети мобильные станции могут пребывать в одном из следующих трех состояний:

- состояние 1 - исходное состояние, когда STA не аутентифицирована и не ассоциирована;

- состояние 2 - промежуточное состояние (в ходе подключения/отключения), когда STA аутентифицирована, но не ассоциирована;

- состояние 3 - рабочее функциональное состояние, когда STA аутентифицирована и ассоциирована.

Номер состояния определяет перечень подтипов фреймов, который в этом состоянии допустимо использовать; наиболее узкий перечень соответствует состоянию 1, полный перечень - состоянию 3. В зависимости от номера состояния, начиная с которого разрешается использовать фреймы различных типов и подтипов, различают 3 класса фреймов:

- класс 1, который включает фреймы, используемые начиная с состояния 1;

- класс 2, который включает фреймы, используемые начиная с состояния 2; - класс 3, который включает фреймы, используемые только в состоянии 3.

Отметим качественные различия фреймов:

1) фреймы класса 1 обеспечивают выполнение процедур, связанных с подключением STA к сети, доступом STA к беспроводной среде (Wireless Medium, WM) и передачей данных, но для всех процедур исключается возможность использования DS;

2) фреймы класса 2 обеспечивают выполнение процедур менеджмента, связанных с ассоциацией, деассоциацией и реассоциацией STA; реассоциация STA возможна лишь при условии, что она была предварительно ассоциирована;

3) фреймы класса 3 обеспечивают передачу данных с использованием DS (в этом состоит их существенное отличие от фреймов данных класса 1).

Переход STA в состояние с более высоким номером достигается успешным выполнением ключевых процедур текущего состояния (аутентификации - в состоянии 1, ассоциации - в состоянии 2). Обратный переход в состояние с более низким номером достигается нотификацией о выходе из текущего состояния (деассоциация - в состоянии 3; деаутентификация - в состоянии 2). Фрейм деаутентификации, переданный STA, находящейся в состоянии 3, предполагает выполнение деассоциации и обеспечивает перевод STA в состояние 1.