Основные принципы построения сетей по стандарту IEEE 802.11

В соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем все протоколы взаимодействия систем подразделяются на семь уровней (рис. 1.5) –физический, канальный (звена данных), сетевой, транспортный, сеансовый, представительский и прикладной.

Рис. 2.1. Уровни взаимодействия систем.

Стандарт IЕЕЕ 802.11 рассматривает два нижних уровня модели взаимодействия открытых систем: физический и уровень звена данных (его же называют канальным уровнем). Причем последний подразделяется на два подуровня: верхний и нижний. Стандарт IЕЕЕ 802.11 рассматривает нижний подуровень – МАС, т. е. управление доступом к каналу (среде передачи). Иными словами, на физическом уровне стандарт определяет способ работы со средой передачи, скорость и методы модуляции. На МАС-уровне – принцип, по которому устройства используют (делят) общий канал, способы подключения устройств к точкам доступа и их аутентификации, механизмы защиты данных. Поскольку стандарт IЕЕЕ 802.11 разрабатывался как «беспроводной Ethernet», он предусматривает пакетную передачу с 48-битовыми адресами пакетов, как и любая сеть Ethernet. Комитет IЕЕЕ 802 особое внимание уделял совместимости всех своих стандартов, в результате проводные и беспроводные сети IЕЕЕ 802 легко сопрягаются друг с другом.

IЕЕЕ 802.11 ориентирован на диапазон 2,400-2,4835 ГГц с шириной полосы 83,5 МГц. Определяемая стандартом спектральная маска для одного канала приведена на рис. 1.6 (мощность отсчитывается относительно пиков функции sin(x)/х). Ширина канала по уровню -30 дБ составляет 22 МГц, следовательно, в полосе 83,5 МГц возможно три неперекрывающихся канала.

Рис. 2.2. Спектральная маска канала сети 802.11.

Стандарт предусматривает два основных способа организации локальной сети: по принципу «равный с равным» (рис. 1.7, а) и в виде структурированной сети (рис. 1.7, б).

Рис. 2.3. Архитектура сети IЕЕЕ 802.11.

В первом случае связь устанавливается непосредственно между двумя станциями, и никакого администрирования не предусмотрено. В случае структурированных сетей (а как показала практика, это основной способ построения сетей IЕЕЕ 802.11) в их составе появляется дополнительное устройство – точка доступа (AP), как правило, стационарная и действующая на фиксированном канале. Связь между устройствами происходит только через точки доступа. Через них же возможен выход во внешние проводные сети. В сети IЕЕЕ 802.11 может быть несколько точек доступа, объединенных проводной сетью Ethernet. Фактически такая сеть представляет собой набор базовых станций с перекрывающимися зонами охвата. Стандарт IЕЕЕ 802.11 допускает перемещения устройств из зоны одной точки доступа в зону другой (роуминг), тем самым обеспечивая мобильность. Поскольку для мобильных станций важен вопрос ресурса элементов питания, в стандарте заложен специальный протокол управления энергопотреблением – непосредственно при обмене передающее устройство может перевести приемник в режим ожидания.

Как правило, функции управления распределены между всеми устройствами сети IЕЕЕ 802.11 – так называемый режим распределенного управления. Однако для структурированных сетей возможен режим централизованного управления, когда управление передано одной определенной точке доступа. Необходимость в режиме централизованного управления возникает при передаче чувствительной к задержкам информации (например, потоков видеоинформации). Ведь сети семейства IЕЕЕ 802 действуют по принципу конкурентного доступа к каналу – приоритетов не существует. Чтобы их при необходимости задавать, и введен режим централизованного управления. Однако работа в данном режиме может происходить только в определенные периодически повторяющиеся интервалы.

Важнейшее требование к стандартам беспроводной связи – это безопасность передачи данных. В связи с этим на МАС-уровне предусмотрен механизм защиты данных, включающий аутентификацию станций и собственно шифрование передаваемых данных. Этот механизм должен обеспечивать такой же уровень защиты, как и в обычных сетях Ethernet, поэтому его назвали WEP. Алгоритм WEP основан на использовании четырех общих для одной сети секретных ключей длиной 40 бит. Алгоритм использует перемножение блоков исходных данных на псевдослучайную последовательность такой же длины, что и блок шифруемых данных. Генератор псевдослучайной последовательности инициализируется 64-разрядным числом, состоящим из 24-разрядного вектора инициализации и 40-разрядного секретного ключа. Существенно, что если секретный ключ известен устройствам сети и неизменен, то вектор инициализации может изменяться от пакета к пакету. Для защиты от несанкционированного изменения передаваемой информации каждый шифрованный пакет защищается 32-разрядной контрольной суммой. Таким образом, при шифровании к передаваемым данным добавляется 8 байт: 4 для контрольной суммы, 3 для вектора инициализации, и еще 1 байт содержит информацию о номере используемого секретного ключа (одного из четырех).

Устройства, соответствующие исходной спецификации IЕЕЕ 802.11, практически не получили развития. Пропускная способность проводных сетей Ethernet сильно возросла, и максимальная скорость передачи по IЕЕЕ 802.11 – 2 Мбит/с – не удовлетворяла пользователей. Проблему решило появление стандарта IЕЕЕ 802.11b. Благодаря расширенному диапазону скоростей (1; 2; 5,5; 11 Мбит/с) он завоевал массовую популярность. В этой спецификации описаны механизмы передачи в диапазоне 2,4 ГГц только посредством режима модуляции с расширением спектра методом прямой последовательности. Поэтому далее, без умаления общности, будем рассматриваться IЕЕЕ 802.11 с точки зрения именно IЕЕЕ 802.11b.