Специфические особенности и принцип работы сетевой технологии Wi-Fi

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Условно WiFi-роутеры можно разделить на 5 видов:

1. ADSL WiFi-роутеры Беспроводные маршрутизаторы, используемые для подключения по ADSL. WAN-порт под телефонный коннектор RJ11.

2. Ethernet(FTTB) WiFi-роутеры. Самые часто используемые беспроводные маршрутизаторы, используемые для подключения по витой паре (Ethernet FTTB). WAN-порт под обычный коннектор RJ45.

3. CPON/CEPON/PON WiFi-роутеры Сравнительно недавно появившиеся устройства для подключения к пассивным оптическим сетям PON(так называемая оптика в квартиру). В качестве WAN-порта -- оптический пигтейл SC.

4. 3G WiFi-роутеры. Беспроводные маршрутизаторы используемые для организации доступа в Интернет через сети сотовых провайдеров. WAN-порта как такового на 3G WiFi-роутере нет, так как технология 3G проводов не подразумевает.

5. Универсальные WiFi-роутеры.

Существуют ещё и, так называемые, универсальные роутеры -- то есть устройства, которые могут быть подключены по нескольким технологиям подключения. Самый часто встречающийся вариант -- ADSL+Ethernet(FTTB) или Ethernet(FTTB)+3G. В таких устройствах встроен ещё один модуль связи -- ADSL- или 3G-модуль. В рамках этой статьи я буду рассматривать обычные домашние Ethernet WiFi-роутеры. И вот почему. ADSL-модемы и GON/GEPON/PON-терминалы как правило выдаются абоненту провайдером при подключении. И после этого встает необходимость покупки дополнительно WiFi-роутера. Так же дела обстоят и с универсальными устройствами -- в 99% случаев их выдает провайдер и выбора особо-то и не предоставляет.

IEEE 802.11 -- набор стандартов связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 0,9, 2,4,3,6 и 5 ГГц.

Пользователям более известен по названию Wi-Fi, фактически являющемуся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Получил широкое распространение благодаря развитию в мобильных электронно-вычислительных устройствах: КПК и ноутбуках.

1. История

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и, опционально, на скорости 2 Мбит/с. Один из первых высокоскоростных стандартов беспроводных сетей -- IEEE 802.11a -- определяет скорость передачи уже до 54 Мбит/с брутто. Рабочий диапазон стандарта -- 5 ГГц.

Вопреки своему названию, принятый в 1999 году стандарт IEEE 802.11b не является продолжением стандарта 802.11a, поскольку в них используются различные технологии: DSSS (точнее, его улучшенная версия HR-DSSS) в 802.11b против OFDM в 802.11a. Стандарт предусматривает использование нелицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц. Скорость передачи -- до 11 Мбит/с.

Продукты стандарта IEEE 802.11b, поставляемые разными изготовителями, тестируются на совместимость и сертифицируются организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), которая в настоящее время больше известна под названием Wi-Fi Alliance. Совместимые беспроводные продукты, прошедшие испытания по программе «Альянса Wi-Fi», могут быть маркированы знаком Wi-Fi.

Долгое время IEEE 802.11b был распространённым стандартом, на базе которого было построено большинство беспроводных локальных сетей. Сейчас его место занял стандарт IEEE 802.11g, постепенно вытесняемый высокоскоростным IEEE 802.11n.

Проект стандарта IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 года. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость соединения до 54 Мбит/с (брутто) и превосходя, таким образом, стандарт IEEE 802.11b, который обеспечивает скорость соединения до 11 Мбит/с. Кроме того, он гарантирует обратную совместимость со стандартом 802.11b. Обратная совместимость стандарта IEEE 802.11g может быть реализована в режиме модуляции DSSS, и тогда скорость соединения будет ограничена одиннадцатью мегабитами в секунду либо в режиме модуляции OFDM, при котором скорость может достигать54 Мбит/с. Таким образом, данный стандарт является наиболее приемлемым при построении беспроводных сетей.

2. Список стандартов

При описании стандарта в скобках указан год его принятия. Скорость указана брутто.

· 802.11 -- изначальный 1 Мбит/с и 2 Мбит/c, 2,4 ГГц и ИК стандарт (1997),

· 802.11a -- 54 Мбит/c, 5 ГГц стандарт (1999, выход продуктов в 2001),

· 802.11b -- улучшения к 802.11 для поддержки 5,5 и 11 Мбит/с (1999),

· 802.11c -- процедуры операций с мостами; включен в стандарт IEEE 802.1D (2001),

· 802.11d -- интернациональные роуминговые расширения (2001),

· 802.11e -- улучшения: QoS, включение packet bursting (2005),

· 802.11F -- Inter-Access Point Protocol (2003),

· 802.11g -- 54 Мбит/c, 2,4 ГГц стандарт (обратная совместимость с b) (2003),

· 802.11h -- распределённый по спектру 802.11a (5 GHz) для совместимости в Европе (2004),

· 802.11i -- улучшенная безопасность (2004),

· 802.11j -- расширения для Японии (2004),

· 802.11k -- улучшения измерения радио ресурсов,

· 802.11l -- зарезервирован,

· 802.11m -- поддержание эталона; обрезки,

· 802.11n -- увеличение скорости передачи данных (600 Мбит/c). 2,4--2,5 или 5 ГГц. Обратная совместимость с 802.11a/b/g . Особенно распространён на рынке в США в устройствах D-Link, Cisco и Apple (сентябрь 2009),

· 802.11o -- зарезервирован,

· 802.11p -- WAVE -- Wireless Access for the Vehicular Environment (Беспроводной Доступ для Транспортной Среды, такой как машины скорой помощи или пассажирский транспорт),

· 802.11q -- зарезервирован, иногда его путают с 802.1Q,

· 802.11r -- быстрый роуминг,

· 802.11s -- ESS Wireless mesh network (Extended Service Set -- Расширенный Набор Служб; Mesh Network -- Ячеистая Сеть),

· 802.11T -- Wireless Performance Prediction (WPP, Предсказание Производительности Беспроводного Оборудования) -- методы тестов и измерений,

· 802.11u -- взаимодействие с не-802 сетями (например, сотовые сети),

· 802.11v -- управление беспроводными сетями,

· 802.11x -- зарезервирован и не будет использоваться. Не нужно путать со стандартом контроля доступа IEEE 802.1X,

· 802.11y -- дополнительный стандарт связи, работающий на частотах 3,65-3,70 ГГц. Обеспечивает скорость до 54 Мбит/с на расстоянии до 5000 м на открытом пространстве,

· 802.11w -- Protected Management Frames (Защищенные Управляющие Фреймы),

· 802.11ac -- новый стандарт IEEE. Скорость передачи данных -- до 6,77 Гбит/с для устройств, имеющих 8 антенн. Утвержден в январе 2014 года,

· 802.11ad -- новый стандарт с дополнительным диапазоном 60 ГГц (частота не требует лицензирования),

· 802.11as (предположительно) -- новый стандарт, использующий резонаторно-щелевые антенны, работающие на частоте 135 ГГц. Скорости передачи данных - до 20 Гбит/c. Коэффициент усиления антенны равен 5,68 дБ.

4. Частоты

Табл. 1. 802.11b/g/n

1. 5 МГц между центральными частотами соседних каналов, исключая 14-й.

2. Каждый канал занимает полосу частот 20 МГц, поэтому в этом диапазоне невозможна одновременная работа более чем 3-х каналов без взаимного перекрытия.

3. Для Израиля: разрешено использовать только в помещениях.

4. Использование в США ограничено маломощными устройствами и антеннами с малым коэффициент усиления. На практике частоты каналов 12 и 13 не используется ввиду возможного перекрытия частоты 14 канала, использование которого запрещено. Для решения этой проблемы может быть достаточно выбрать регион в настройках устройства.

5. Разрешена только в Японии в режимах DSSS и CCK.

Табл. 2. 802.11a/h/j/n

Табл. 3. 802.11y

5. Функционирование устройств Wi-Fi на физическом уровне

беспроводной помехоустойчивость модулированный

Дэйв Молта.

Осенью 1999 г. была создана организация Wireless Ethernet Compatibility Alliance (сейчас ее название Wi-Fi Alliance), которой принадлежит бренд Wi-Fi. На проведенной ею в то время пресс-конференции представитель этой организации назвал технологию Wi-Fi беспроводным аналогом Ethernet (wireless Ethernet). Когда же один из журналистов усомнился в правильности такого сравнения, ему было сказано, что технологии Wi-Fi и Ethernet очень похожи, поскольку в них предусмотрен конкурентный доступ узлов сети к среде передачи данных и имеется много общего в реализации канального уровня.

Однако сходство названных технологий на этом и заканчивается. Они существенно отличаются друг от друга на физическом уровне. Если трафик сетей Ethernet локализован в более или менее защищенных от воздействия внешней среды электрических и оптических кабелях, то трафик систем Wi-Fi передается по радиоволнам и при этом подвержен влиянию помех и атмосферных осадков, которые могут парализовать работу системы.

Производители средств Wi-Fi стараются не афишировать возможные проблемы в их работе, связанные с их физическим уровнем. Вместо этого они подчеркивают простоту инсталляции и сетевой интеграции оборудования Wi-Fi. Но вам, уважаемые читатели, следует знать об этих проблемах и, чтобы успешно управлять большими беспроводными ЛВС (БЛВС), нужно еще разбираться в основах радиотехники. Здесь вполне уместно провести аналогию с сетями Ethernet, для эффективного администрирования которых необходимы знания в области структурированных кабельных систем.

Основы радиосвязи.

Подобно модемам для коммутируемых линий и кабельным модемам, устройства Wi-Fi модулируют передаваемые сигналы. С помощью разных методов модуляции они преобразуют получаемые от компьютера цифровые сигналы в аналоговые радиочастотные. Скорость передачи данных с помощью модулированной несущей зависит от ряда факторов, в том числе от ширины полосы пропускания канала связи и типа используемого метода модуляции. По сравнению с простыми методами (или схемами) модуляции (например, BPSK, реализуемый 1-Мбит/с устройствами БЛВС), сложные методы модуляции (например, 64-QAM, поддерживаемый 54-Мбит/с оборудованием) обеспечивают более высокую скорость передачи данных. Но при использовании сложных методов модуляции устойчивость работы радиосистемы к воздействию шума снижается.

Поскольку по мере распространения в атмосфере радиосигнал затухает, разработчикам и пользователям радиосистем приходится искать компромисс между скоростью передачи данных и дальностью связи. Радиоволны в атмосфере затухают быстрее, чем радиочастотные сигналы, передаваемые кабельными модемами по гибридным (оптоволоконным и коаксиальным) кабельным системам.

Сети Wi-Fi работают в нелицензируемых (в США) частотных диапазонах 2,4--2,4835 (ISM-диапазон); 5,15--5,35 и 5,725--5,825 ГГц (UNII-диапазоны). Ширина полосы пропускания радиоканала систем Wi-Fi равна 22 МГц.

Устройства, предназначенные для работы в нелицензируемых диапазонах, должны быть спроектированы таким образом, чтобы сводить к минимуму вероятность негативного влияния (на их функционирование) взаимных помех. По этой причине устройства Wi-Fi имеют небольшую выходную мощность и устойчивы к воздействию не очень сильных помех, которые создаются другими устройствами, функционирующими в том же диапазоне.

Помехоустойчивость устройств Wi-Fi обеспечивается расширением спектра передаваемых сигналов. Хотя системы, реализующие технологии расширения спектра, работают довольно надежно, почти невозможно создать многосотовую БЛВС, не столкнувшись с проблемами в работе ее устройств, вызванными помехами.

Любое устройство Wi-Fi, будь то плата PC Card, беспроводной сетевой адаптер для настольного ПК или точка доступа, функционирует как приемопередатчик, т. е. передает и принимает радиосигналы. Стоит отметить, что 5-ГГц радиосигналы устройств стандарта 802.11a затухают сильнее, чем 2,4-ГГц сигналы, особенно когда на пути их распространения встречаются стены или другие объекты.

Мало того, что приемникам приходится работать с очень слабыми сигналами, они еще испытывают воздействие радиочастотных шумов. К числу их источников относятся высокоскоростной центральный процессор ноутбука и микроволновая печь. Однако современные радиосистемы функционируют даже при очень низком отношении сигнал/шум.

Ватты и децибелы.

Выходная мощность радиотехнических устройств обычно измеряется в ваттах. В отличие от стереосистем, которые могут иметь выходную мощность 500 Вт, оборудование Wi-Fi излучает значительно менее мощные сигналы -- до 200 мВт. Поскольку радиосредства работают с маломощными сигналами, инженеры предпочитают выражать их уровень в логарифмических единицах, называемых децибелами (дБ). При определении уровня сигнала по отношению к одному милливатту используется сокращение “дБм” (dBm). Уровню сигнала в 0 дБм соответствует мощность 1 мВт.

Если мощность сигнала менее 1 мВт, его уровень отрицателен. Например, чувствительность беспроводного сетевого адаптера стандарта 802.11b при пропускной способности 2 Мбит/с может равняться -90 дБм.

Запомните два полезных в инженерной практике правила. Увеличение или уменьшение уровня сигнала на 3 дБ означает увеличение или уменьшение его мощности в два раза. Увеличение же уровня сигнала на 10 дБ соответствует десятикратному увеличению его мощности. Таким образом, если 0 дБм равняется 1 мВт, то 10 дБм -- 10, 20 дБм -- 100 и 30 дБм -- 1000 мВт, или 1 Вт. С помощью этих правил несложно определить, что уровню сигнала в 23 дБм соответствует мощность 200 мВт.

Усиление и потери.

В состав радиопередатчиков входят усилители мощности, повышающие уровень передаваемого сигнала. Для увеличения дальности связи разработчики беспроводного оборудования могут повышать его выходную мощность, но при этом они не должны выходить за пределы налагаемых (регулирующими органами) ограничений на характеристики этого оборудования. И еще, чем выше выходная мощность, тем больше потребляется электроэнергии (что сокращает срок службы батареи ноутбука) и рассеивается тепла (ноутбук нагревается сильнее).

Дальность связи можно повысить и за счет применения направленных антенн. Такая антенна фокусирует передаваемый сигнал в определенном направлении и обеспечивает повышение уровня принимаемого сигнала.

Чтобы беспроводная сеть функционировала нормально, суммарное усиление взаимодействующих устройств должно быть выше затухания передаваемого радиосигнала. Затухание радиосигнала в атмосфере (по причине его рассеивания в ней) называется потерями в свободном пространстве. В зданиях, где работают БЛВС, имеют место и другие виды потерь, в том числе потери, обусловленные поглощением (стенами, межэтажными перекрытиями и дверями), рассеиванием (из-за хаотических отражений от различных поверхностей) и рефракцией (изменением направления распространения волны при прохождении ее через объект, например, стеклянную стену) радиоволн. Уровень потерь зависит от частоты радиосигнала. Например, 5-ГГц радиосигнал поглощается межэтажными перекрытиями и стенами сильнее, чем 2,4-ГГц.

Хотя возможность установления радиосвязи зависит в первую очередь от параметров оборудования и потерь передаваемого сигнала, на работу БЛВС влияет и такой фактор, как многолучевое распространение радиоволн, вызванное их отражением от разных предметов. В результате этого один и тот же переданный радиосигнал многократно (с разной временной задержкой) поступает на вход приемника, что может значительно ослабить принимаемый сигнал.

Инженеры продолжают искать методы борьбы с негативным эффектом многолучевого распространения радиоволн. Сегодня с этой целью многие устройства Wi-Fi оснащены двумя антеннами, что иногда помогает. В большинстве случаев надежность работы радиосистемы при многолучевом распространении зависит от конструкции ее радиоприемника. По этой причине беспроводная сетевая плата с высокой выходной мощностью может уступать по дальности действия плате с меньшей мощностью, но с улучшенными возможностями работы в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Результаты тестирования.

Параметр, который вычисляется как разность выраженных в децибелах значений мощности передатчика и чувствительности приемника, называют системным усилением оборудования или бюджетом радиолинии. Так, соответствующий стандарту 802.11b сетевой адаптер Cisco Aironet имеет максимальную выходную мощность 20 дБм, а чувствительность радиоприемника точки доступа Cisco 1200 составляет -85 дБм (при максимальной пропускной способности 11 Мбит/с). Следовательно, при использовании этого оборудования бюджет радиолинии равен 105 дБ.

При недостаточно высоком отношении сигнал/шум пропускная способность систем Wi-Fi уменьшается из-за возникновения ошибок в пакетах данных и их повторной передачи. Чтобы устранить эти негативные явления, по мере уменьшения уровня принимаемого сигнала системы Wi-Fi автоматически переходят на менее эффективный метод модуляции, снижая тем самым свою максимальную скорость передачи данных (при этом помехоустойчивость повышается). В системах стандарта 802.11b максимальная скорость снижается постепенно -- с 11 до 5,5 Мбит/с, затем до 2 и, наконец, до 1 Мбит/с. Когда же уровня сигнала перестает хватать и для работы системы на скорости 1 Мбит/с, связь прерывается.

В своей лаборатории Real-World Labs Сиракузского университета для измерения зависимости скорости передачи данных от дальности связи мы использовали тестовое оборудование фирмы Azimuth Systems, которое по программе изменяет уровень затухания сигнала в радиолинии. На рисунке представлена измеренная зависимость скорости передачи данных от затухания передаваемого сигнала (адаптер Cisco Aironet 802.11a/b/g передавал данные точке доступа Cisco 1200 802.11b). Из-за высоких накладных расходов реальная пропускная способность систем Wi-Fi примерно в два раза ниже максимальной. Согласно графику на рисунке, реальная пропускная способность 11-Мбит/с адаптера Cisco (при затухании сигнала 81 дБ) составляет 5,7 Мбит/с и при увеличении затухания до 100 дБ остается примерно постоянной. Далее число ошибок быстро растет и реальная скорость передачи данных снижается, а при затухании около 103 дБ адаптер переходит в режим работы с максимальной пропускной способностью 5,5 Мбит/с. Очередное снижение максимальной скорости передачи происходит при затухании примерно 109 дБ. Когда же затухание радиосигнала достигает 111 дБ, его уровня перестает хватать даже для передачи данных на скорости 1 Мбит/с и сетевое соединение между адаптером и точкой доступа разрывается.

Тестовая система фирмы Azimuth Systems очень удобна для анализа зависимости скорости передачи данных радиосистем от дальности связи. Мы полагаем, что эта система получит широкое применение в независимых тестовых лабораториях и в лабораториях производителей беспроводного оборудования. Испытав с ее помощью разные беспроводные сетевые адаптеры, мы обнаружили существенные различия в их графиках зависимости скорости передачи данных от дальности связи. Эта система позволяет получать воспроизводимые результаты и изучать влияние на работу радиосистемы такой важной характеристики радиолинии, как затухание, но с ее помощью нельзя сымитировать многолучевое распространение радиоволн.

Для сертификации медных и оптоволоконных кабельных систем сетей Ethernet используются соответствующие сканеры. Если кабели установлены и терминированы должным образом, то кабельная система, как правило, без проблем проходит процедуру сертификации, и ее характеристики со временем почти не изменяются. Совсем иная ситуация с БЛВС. Параметры связи могут зависеть от открывания и закрывания дверей в помещениях и от передвижения по ним людей. Понимание основ функционирования радиосистем поможет вам эффективнее использовать средства обследования места развертывания БЛВС и средства поиска неисправностей в ее работе и тем самым улучшить планирование и обслуживание этой сети.

Размещено на Allbest.ru