Бездротові локальні мережі WLAN (Частина 1)

Локальні мережі (Local Area Network - LAN) представляли собою найпростіші комп'ютерні мережі. Їх відмітні ознаки, як різновиду комп'ютерних мереж, складалися в обмеженому числі вузлів (порядку одиниць), малій відстані між взаємопов'язаними комп'ютерами (територія однієї будівлі, поверху, офісу), наявності автономних ліній зв'язку між вузлами мережі (як правило, провідних - кабельних). Вихідна топологія локальних мереж була найпростішою і складалася в підключенні вузлів мережі (комп'ютерів) до загальної провідної лінії, що називається шиною. Перелік типових рис LAN, які збереглися до теперішнього часу, включає обмеженість числа абонентів мережі, обмеженість території, в межах якої розподілені абоненти, і наявність телекомунікаційної лінії зв'язку між абонентами (вузлами). В сучасних LAN зміни первинних рис торкнулися трьох аспектів:

1) зміни топології комунікаційних ліній (в порівнянні з топологією типу «шина»);

2) зміни виду вузлів мережі (поряд з комп'ютерами, вузлами мережі можуть бути пристрої з різними видами цифрового контенту: відео, графіки, телефонії та ін.);

3) введення взаємозв'язку між LAN (включаючи всі її вузли) і магістральною мережею, яка використовується для взаємного з'єднання мереж різного призначення (зокрема, іншими LAN).

Останній з перерахованих аспектів пов'язаний з набуттям сучасними LAN якісно нових властивостей в порівнянні з їх початковим призначенням, а саме, завдяки взаємозв'язку з магістральною мережею LAN знайшла здатність виконувати функції мережі доступу до магістральної мережі. Функції інтерфейсу між LAN і магістральною мережею виконує один з вузлів LAN, до складу якого входить мережевий контролер (Network-Interface Controller-NIC).

Бездротові LAN (Wireless LAN - WLAN) відрізняються від провідних тем, що взаємозв'язок між вузлами мережі здійснюється за допомогою використання радіосигналів. До складу вузлів входять передають і прийомні пристрої. Середовище, в якому розміщені вузли, є середовищем поширення радіосигналів. В результаті, необхідність застосування дротових ліній відпадає. Роль концентратора провідний LAN виконує точка доступу (Access Point - АР) WLAN.

Бездротове підключення до магістральної мережі може використовуватися не тільки по відношенню до індивідуальним абонентам, але також по відношенню до групових абонентам, якими є провідні LAN.

Необхідність і доцільність застосування бездротових LAN поряд з провідними обумовлена ??перевагами, які досягаються відсутністю дротових з'єднань. Ці переваги виявляються в наступних обставинах:

1) необхідність створення LAN між вузлами, розділеними природними і штучними перешкодами (наприклад, водні перешкоди, стіни будинків, міжповерхові перекриття);

2) необхідність забезпечення мобільності вузлів, об'єднаних в локальну мережу;

3) необхідність отримання доступу до магістральної мережі з виходом в Internet-мережу в громадських місцях короткочасного перебування (готелі, вокзали, читальні зали бібліотек та ін.).

Затребуваність бездротової локальної зв'язку (з споживчої точки зору) визначає місце WLAN в сучасних бездротових телекомунікації. Найважливіше споживче властивість WLAN, поряд із зручністю їх розгортання для забезпечення взаємного зв'язку абонентів, полягає в забезпеченні доступу абонентів до магістральних мереж. Останнім, зокрема, пояснюється використання англомовного терміна «гаряча точка» (hotspot) для громадських місць розгортання WLAN з виходом в Internet.

Історичні аспекти становлення WLAN 

Споживчий попит на застосування WLAN прогнозувався в усіх промислово розвинених країнах з широким використанням персональних комп'ютерів (ПК), починаючи з початку 70-х років минулого століття.

Об'єктивна потреба в забезпеченні сумісності апаратури WLAN різних виробників привела до необхідності розробок відповідних стандартів, які одночасно проводилися органами стандартизації трьох регіонів:

1) в США - Інститутом інженерів електротехніки та електроніки (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE);

2) в Європі - Європейським інститутом стандартів електрозв'язку (European Telecommunications Standards Institute - ETSI);

3) в Японії - Асоціацією радіопромисловості і бізнесу (Association of Radio Industries and Business - ARIB).

Найбільшу популярність здобули стандарти, розроблені під егідою IEEE і ETSI.

В IEEE стандарти WLAN створювалися робочою групою (Work Group WG) 802.11 комітету 802, відповідального за стандартизацію в сфері локальних (LAN) і міських (MAN) мереж (802 LAN / MAN Standards Committee). В рамках комітету IEEE 802 робоча група WG 802.11 займається розробкою стандартів WLAN, і відповідні стандарти відомі як стандарти IEEE 802.11. Вихідний (базовий) стандарт IEEE 802.11 був прийнятий в 1987 році. Надалі він безперервно піддавався доопрацюванням, чому відповідають версії з різними літерними позначеннями - від а до х.

Стандарти WLAN, розроблені ETSI, відомі під найменуванням HIPERLAN (High Performance Radio LAN). Розробка цих стандартів проводилася практично одночасно зі стандартом IEEE 802.11 (з річним випередженням). Спочатку передбачалася розробка 4 версій цих стандартів, але реально справа обмежилася двома версіями: HIPERLAN 1 і HIPERLAN2. Згідно із задумом передбачалося, що WLAN стандартів HIPERLAN при рівноцінне зі стандартом IEEE 802.11 використанні частотного ресурсу повинні володіти більш високими показниками по швидкості передачі даних. Підтримка розробки стандартів здійснювалася відомими виробниками апаратури, зокрема, фірмою Ericsson.

Однак процес практичного впровадження WLAN (з урахуванням сучасного стану ринку) привів до необхідності вибору як розробниками, так і органами стандартизації тільки одного з напрямків розвитку бездротових мережевих технологій. Цим напрямком виявилися мережі сімейства стандартів IEEE 802.11.

У розробці стандартів активну участь асоціації виробників обладнання WLAN. Стандарту IEEE 802.11 відповідає утворення асоціації WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), відомої своїм поширеним брендом Wi-Fi Alliance. Роль цієї Асоціації проявилася в розробці системи сертифікації виробів стандарту IEEE 802.11, завдяки чому вони відомі як Wi-Fi вироби. Аналогічні асоціації виробників виробів стандартів HIPERLAN: HIPERLAN Alliance і HIPERLAN2 Global Forum у даний час менш активні. Проте ймовірно, що повне заперечення деяких переваг, властивих HIPERLAN, було б недоцільним і можливість їх подальшого використання не виключається.

Фактори, що визначають архітектуру WLAN 

Один з найбільш істотних відмітних ознак локальних цифрових мереж в порівнянні з глобальними полягає в наявності автономних телекомунікаційних ліній між їх вузлами. Відмінність архітектури бездротових і дротових LAN обумовлені властивостями середовища поширення використовуваних сигналів:

- провідної спрямовуючого середовища в провідних LAN;

- природного навколишнього середовища в бездротових LAN (Wireless LAN -WLAN).

Родинна риса використання обох середовищ полягає в тому, що вони є середовищами загального / множинного (Multiple Access - MA) доступу. Сигнали різних абонентів в умовах їх незалежної роботи можуть передаватися одночасно, що призводить до суперпозиції сигналів в середовищі. Ця суперпозиція має наслідком відміну сумарного сигналу від кожного з переданих та істотно ускладнює можливість їх правильного прийому. У середовищі загального доступу, незалежно від її фізичних властивостей, може мати місце колізія сигналів. Виняток колізій передбачає узгоджене використання середовища, обов'язковою складовою якого є спостереження за її зайнятістю. Доступ до середовища, заснований на спостереженні за її зайнятістю, отримав найменування множинного доступу з контролем несучої (Carrier Sense Multiple Access - CSMA). В LAN різних різновидів (проводових та безпроводових) застосовується кілька похідних варіантів цього методу доступу.

Доступ вузлів до середовища обох різновидів здійснюється за допомогою мережевих адаптерів (Network Interface Card - NIC, Wireless NIC - WNIC), які виконують функції двох нижніх рівнів базової еталонної моделі взаємодії відкритих систем ISO / OSI, а саме:

- фізичного рівня ( Physical Layer - PHY);

- підрівні управління доступом до середовища (Media Access Control - MAC) канального рівня ( Data Link Layer - DLL).

Мережеві адаптери (провідні та безпровідні) забезпечують спостереження за середовищем, узгоджений доступ різних вузлів до неї, формування, передачу і прийом сигналів.

В провідний середовищі, яка представляє собою двухпроводную довгу лінію, наприклад, кабель, передача сигналів між вузлами супроводжується відносно слабким загасанням в процесі їх поширення. Колізія сигналів двох (або більше) вузлів призводить до істотної зміни характеристик сумарного сигналу (перш за все, енергетичного рівня), в порівнянні з поодинокими сигналами. Відповідно, кожен вузол з допомогою NIC може виявити факт колізії сигналів в процесі їх передачі та вжити заходів щодо забезпечення черговості доступу до середовища різних вузлів. Метод упорядкованого множинного доступу, що забезпечує зменшення рівня колізій в провідних середовищах, отримав найменування множинного доступу з контролем несучої і виявленням колізій (CSMA / Collision Detection - CSMA / CD). Можливість виявлення колізій є іманентною властивістю провідних середовищ.

В бездротової середовищі, яка представляє собою навколишній вузли простір з його природним і штучним заповненням, сигнали поширюються, істотно затухаючи в міру віддалення від джерела. Сумарний сигнал декількох джерел не має енергетичних ознак, відповідних фактом колізії. Остання може бути виявлена ??за результатами перевірки наявності помилок в прийнятому і обробленому WNIC цифровому сигналі після завершення його передачі. Відповідно, реакція на факт колізії може бути здійснена при цьому із запізненням, і суттєвої необхідністю стає запобігання колізій. Відповідний метод множинного доступу до бездротової середовищі розроблений в рамках підготовки стандарту IEEE 802.11. Він отримав найменування методу множинного доступу з контролем несучої і запобіганням колізій (CSMA/Collision Avoidance - CSMA/CA).

Локальні цифрові мережі великих організацій є, як правило, сукупність дротяних і бездротових сегментів. Відповідно архітектура LAN повинна передбачати розподільну систему, яка виконує такі функції:

- забезпечення взаємозв'язку між різними сегментами LAN (включаючи провідні та безпровідні сегменти);

- забезпечення доступу всіх сегментів LAN до магістральної Internet-середовищі.

Доступ до магістральної мережі забезпечується за допомогою Web-серверів (службових серверів), що володіють відповідними інтерфейсними властивостями. Питання мережевого і транспортного рівнів (Network Layer, Transport Layer) взаємодії відкритих систем виходять за межі стандарту IEEE 802.11, який обмежується проблемами MAC і PHY реалізації WLAN. Відповідно, розгляд архітектури WLAN обмежується в стандарті питаннями побудови бездротових сегментів і систем розподілу LAN.

Елементи архітектури WLAN 

Перелік основних елементів включає базові службові набори, портали і систему розподілу. Структура і зміст функцій, які виконуються перерахованими елементами, зводиться до наступного.

1. Базові службові набори (Basic Service Set - BSS) представляють собою бездротові компоненти LAN, забезпечують взаємодію їх вузлів між собою і з іншими вузлами LAN за допомогою передачі сигналів за допомогою електромагнітних хвиль. Структурними складовими частинами BSS є станції (Station - STA) і точки доступу (Access Point - АР).

Станції BSS представляють собою сукупність вузлів мережі і бездротових мережевих адаптерів. Під вузлом мережі мається на увазі будь-який пристрій, що є джерелом пакетних повідомлень (комп'ютер, цифровий телефон та ін.). WNIC забезпечує прийом і передачу радіосигналів (PHY-рівень), а також виконання функцій контролера МАС-рівня. В цілому, термін «станція» по відношенню до сукупності вузла і WNIC відповідає аналогічному поняттю, передбаченому Регламентом Радіозв'язку - це сукупність приймачів і передавачів, включаючи додаткові пристрої, необхідні для виконання функцій служби радіозв'язку.

Точка доступу (АР) являє собою пристрій (entity), що володіє властивостями STA і забезпечує виконання двох функцій: координацію доступу станцій BSS до загальної бездротової середовищі і доступ станцій BSS до системи розподілу.

Необхідність координації роботи станцій BSS обумовлена ??використанням ними загального частотно-територіального ресурсу. Площа, в межах якої забезпечується зв'язок між станціями BSS, носить найменування базової зони обслуговування (Basic Service Area - BSA). Вага станції BSS спільно використовують для обміну радіосигналами одну загальну смугу частот, і колізії радіосигналів різних станцій призводять до шкідливих взаємних перешкод, що виключає можливість одночасної зв'язку декількох станцій. Зв'язок між станціями BSS здійснюється в напівдуплексному режимі з ретрансляцією сигналів (по аналогії з радіорелейного зв'язку) різних STA точкою доступу. Сукупність функцій, які виконуються STA і АР щодо забезпечення передачі повідомлень в межах BSS, носить найменування станційної служби (Station Service - SS).

Точки доступу є інфраструктурними елементами BSS; ними оснащуються все приміщення (базові зони обслуговування), розраховані на постійну роботу WLAN (зокрема, «гарячі точки»). Як інфраструктурних елементів АР забезпечують інтерфейс між BSS та системою розподілу LAN. У разі, якщо BSS є автономною, точка доступу може забезпечувати безпосередній доступ до магістральної мережі (Internet). З цією метою промислові зразки АР мають в комплекті маршрутизатор.

2. Система розподілу (Distribution System - DS) є елементом мережі, який забезпечує передачу повідомлень між різними BSS, а також між BSS та дротовими LAN, що входять в мережу. Середовище, яке забезпечується передача повідомлень між сегментами мережі (дротовими і бездротовими), носить найменування середовища системи розподілу (Distribution System Medium - DSM). Сукупність функцій, які виконуються DS, іменується службою системи розподілу (Distribution System Service - DSS). Станційні служби (SS) і DSS спільно забезпечують можливість передачі повідомлень між STA, що входять в різні сегменти LAN. Суттєва риса передачі повідомлень за допомогою DS полягає в тому, що протоколи передачі є протоколами MAC-рівня, так що станції різних BSS і дротових сегментів взаємодіють між собою, не виходячи за межі цього рівня.

Серед систем розподілу цифрових мереж, які розташовуються усередині будівель, є, як правило, провідний. Середа розподілу мереж LAN, які об'єднують сегменти, роз'єднано розташовані на відкритій території установ (наприклад, кампуса або офісу), може бути бездротової. Стандарт IEEE 802.11 не накладаються обмежень на способи реалізації DSM, а також на перелік функцій стека протоколів ISO / OSI, які середовище може виконувати. Зокрема, ці функції можуть виходити за межі 2-го (канального) рівня і охоплювати 3-й (мережевий) рівень. Останнє відповідає взаємозв'язку LAN з глобальними мережами (Wide Area Network -WAN), зокрема, мережею Internet (в даному випадку може використовуватися роутер). Створення інтерфейсу між DS і WAN відповідає одному з найбільш поширених застосувань Wi-Fi - WLAN - створення «гарячих точок». В рамках протоколу IEEE 802.11 взаємозв'язок WLAN і WAN не регламентується.

3. Портали представляють собою елементи мережі, за допомогою яких до розподільчої системи (DS) підключаються провідні сегменти мережі, що функціонують відповідно до вимог стандартів провідних LAN (наприклад, 802.3 - Ethernet). За допомогою порталів забезпечується передача повідомлень між бездротовими і дротяними сегментами мережі відповідно до протоколів МАС-рівня. Підключення вузлів дротяних сегментів до DS за допомогою порталів називається їх інтеграцією (інтеграцією) в мережу. Завдяки передачі повідомлень відповідно до протоколів одного рівня (МАС-рівня) вузли всіх сегментів мережі, дротових і бездротових, є логічно рівноцінними.

Сукупність усіх BSS мережі і інтегрованих дротяних сегментів (локальних мереж) носить найменування розширеного службового набору (Extended Service Set - ESS). Територія, яку займає елементами ESS, іменується розширеної площею обслуговування (Extended Service Area - ESA). Максимальна кількість вузлів ESS стандартом IEEE 802.11 не регламентується. Інфраструктура ESS: її система розподілу, точки доступу, портали, інтерфейс з WAN - створюється оператором (провайдером) ESS. Мережа забезпечує по-перше, взаємозв'язок між усіма вузлами, що входять в провідні та безпровідні сегменти, і, по-друге, зв'язок з вузлами глобальної мережі (якщо такий зв'язок передбачена).

Однозначність ідентифікації вузлів мережі при передачі повідомлень між ними забезпечується прийнятою системою кодового позначення елементів мережі. Передбачено 3 різновиди ідентифікаторів елементів:

- ідентифікатор ESS (Service Set Identificator - SSID), який представляє собою найменування ESS, що складається з 32 букв і цифр (alphanumeric) символів;

- ідентифікатор BSS (Basic Service Set Identificator - BSSID), який збігається з МАС-адресою точки доступу відповідної BSS;

- ідентифікатор STA, який збігається з МАС-адресою розглянутої станції.

МАС-адреси присвоюються АР і STA відповідно до загальноприйнятих правил: три перших байта адреси використовуються для позначення виробника NIC, а три залишилися - для позначення номера NIC. Ідентифікатори мереж (SSID) визначаються їх операторами і, звичайно, є текстове «найменування мережі». Всі станції ESS повинні мати право на використання її телекомунікаційних ресурсів. SSID використовуються для первинної (початкової) перевірки права абонентів на роботу в ESS.

Взаємодія елементів архітектури

Істотна функціональна характеристика ESS полягає в динамічності зміни її абонентського складу: абоненти мережі можуть підключатися до неї в довільний час, переривати зв'язок з мережею (виходити з неї), перемішатися між різними BSS мережі. Динамічність функціонування ESS забезпечується взаємодією між елементами (компонентами) її архітектури.

Сукупність функцій, які виконуються елементами, отримала найменування відповідних служб (services). Стандарт визначає 9 різновидів служб:

- аутентифікації абонентів;

- асоціації абонентів;

- деаутентіфікаціі абонентів;

- деассоціаціі абонентів;

- реассоціаціі абонентів;

- інтеграції провідних LAN;

- доставки повідомлень;

- конфіденційності повідомлень;

- розподілу повідомлень.

Служби класифікуються за двома основними ознаками:

1) виходячи з ролі служб в забезпеченні функціонування мережі (згідно з цим ознакою розрізняють служби, що забезпечують формування мережі, і служби, що забезпечують передачу повідомлень між абонентами);

2) з вигляду елементів мережі, які виконують відповідну службову функцію. За цією ознакою служби поділяються на станційні (Station Service - SS) і служби системи розподілу (Distribution System Service - DSS).

Формування мережі за умови наявності всіх її інфраструктурних елементів (системи розподілу, точок доступу, порталів) складається в підключенні / відключенні її мобільних абонентів. Підключення останніх передбачає перевірку їх автентичності (Authentication) і асоціацію (Association) абонентів в мережу. При виході мобільних абонентів з мережі здійснюється їх деассоціація (Disassociation) і деаутентіфікація (Deautentication). Переміщення мобільних абонентів з однієї BSS в іншу без виходу з ESS забезпечується службою реассоціаціі (Reassociation). Аутентифікація / деаутентіфікація є станційними службами, а асоціація / деассоціація - службами системи розподілу. Логічне підключення до DS провідних LAN здійснюється службою інтеграції, що входить в DSS.

Передача повідомлень між абонентами в межах мережі здійснюється службами доставки (MSDU delivery), конфіденційності (Privacy) і розподілу (Distribution) повідомлень. Дві перших з них є станційними, остання - службою DSS. Інформаційний обмін між елементами мережі в процесі се формування і функціонування передбачає передачу повідомлень двох видів: сервісні повідомлення, які забезпечують менеджмент (Management) і управління (Control) доступом до бездротового середовищі, і повідомлень передачі даних (Data). Повідомлення передаються у вигляді кадрів (Frame), перелік різновидів яких регламентований стандартом.

У процесі підключення / відключення і функціонування в мережі мобільні станції можуть перебувати в одному з наступних трьох станів:

- стан 1 - початковий стан, коли STA НЕ аутентифицироваться і не асоційована;

- стан 2 - проміжний стан (в ході підключення / відключення), коли STA аутентифицироваться, але не асоційована;

- стан 3 - робоче функціональний стан, коли STA аутентифицироваться і асоційована.

Номер стану визначає перелік підтипів фреймів, який в цьому стані допустимо використовувати; найбільш вузький перелік відповідає стану 1, повний перелік - станом 3. В залежності від номера стану, починаючи з якого дозволяється використовувати фрейми різних типів і підтипів, розрізняють 3 класу фреймів:

- клас 1, який включає фрейми, які використовуються починаючи з стану 1;

- клас 2, який включає фрейми, які використовуються починаючи з стану 2; - клас 3, який включає фрейми, які використовуються тільки в стані 3.

Відзначимо якісні відмінності фреймів:

1) фрейми класу 1 забезпечують виконання процедур, пов'язаних з підключенням STA до мережі, доступом STA до бездротової середовищі (Wireless Medium, WM) і передачею даних, але для всіх процедур виключається можливість використання DS;

2) фрейми класу 2 забезпечують виконання процедур менеджменту, пов'язаних з асоціацією, деассоціаціей і реассоціаціі STA; реассоціаціі STA можлива лише за умови, що вона була попередньо асоційована;

3) фрейми класу 3 забезпечують передачу даних з використанням DS (в цьому полягає їх істотна відмінність від фреймів даних класу 1).

Перехід STA в стан з більш високим номером досягається успішним виконанням ключових процедур поточного стану (аутентифікації - в стані 1, асоціації - в стані 2). Зворотний перехід в стан з більш низьким номером досягається нотифікацією про вихід з поточного стану (деассоціація - в стані 3; деаутентіфікація - в стані 2). Фрейм деаутентіфікаціі, переданий STA, що знаходиться в стані 3, передбачає виконання деассоціаціі і забезпечує переклад STA в стан 1.