Беспроводные сети: стандарты и технологии

Оценка развития рынка беспроводных сетей на ближайшие годы, обзор технологий и стандартов.

Технология IEEE 802.11, ставшая стандартом де-факто для беспроводных сетей, продолжает развиваться: IEEE совершенствует спецификацию, чтобы обеспечить ее применимость в более широком кругу приложений. Скорость развития этого направления можно оценить, если учесть, что год назад только начали появляться сети диапазона 2,4 ГГц (802.11b), а сети же диапазона 5 ГГц (802.11a) были еще на бумаге. Однако уже сегодня первые массово применяются в сегменте мобильных устройств и пытаются отвоевать рынок у проводных сетей в сегменте стационарных офисных решений, а вторые поставляются в виде готовых решений, кроме того, появились экспериментальные двухдиапазонные устройства. Попробуем разобраться в аббревиатурах и оценить, чем «грозит» нам развитие рынка беспроводных сетей в ближайшие несколько лет.

Реализованные стандарты:
802.11b
• частотный диапазон — 2,4 ГГц;
• число непересекающихся частотных каналов — 3;
• модуляция — CCK (Complementary Code Keying), 22 МГц на канал, одна несущая;
• метод доступа — CSMA/CA;
• максимальная скорость передачи данных — 11 Мбит/с.
802.11a
• частотный диапазон — 5 ГГц;
• число непересекающихся частотных каналов — 8;
• модуляция — OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), 20 МГц на канал, несколько несущих;
• метод доступа — CSMA/CA;
• максимальная скорость передачи данных — 54 Мбит/с.

Обе спецификации одобрены IEEE и определяют радиочастотные параметры беспроводных сетей. Перспективы обоих стандартов вполне очевидны, так как 802.11b, проигрывая 802.11a в скорости передачи, выигрывает в дальности, к тому же доминированию 802.11а мешает то, что использование диапазона 5 ГГц пока еще не разрешено в Европе и некоторых других регионах. Как следствие, одно из решений, которое может появиться в ближайшее время, — упомянутые двухдиапазонные устройства 802.11a/b. Еще один не одобренный пока стандарт — использование модуляции OFDM в диапазоне 2,4 ГГц — получил обозначение 802.11g (эта спецификация полностью включает в себя 802.11b, допуская применение и CCK, и OFDM), и, как следствие, в недалеком будущем возможно появление устройств, поддерживающих 802.11a/g (a/b/g).

Остальные спецификации, из которых на сегодняшний день одобрены только первые две, определяют:
• 802.11c — таблицы маршрутизации для беспроводных «мостов»;
• 802.11d — международный роуминг в беспроводных сетях;
• 802.11e — технология QoS (Quality of Service) в применении к беспроводным сетям;
• 802.11f — протоколы для обмена данными между точками доступа (базовыми станциями);
• 802.11h — дополнительные требования, относящиеся к европейскому региону;
• 802.11i — улучшенные по сравнению с базовыми стандартами технологии защиты данных.

802.11a, 802.11b и 802.11g относятся к физическому уровню среды передачи; 802.11d, 802.11e, 802.11i и 802.11h — к вышележащему MAC-уровню, оставшиеся два — к более высоким уровням (модель OSI).

Проблем с распространением беспроводных сетей и сертификацией соответствующих устройств в разных странах более чем достаточно, это хорошо видно из диаграммы разрешенной мощности излучения в диапазоне 5 ГГц, но учитывая, что этот диапазон, в отличие от более низкочастотных, пока еще не поделен в большинстве регионов, положительное решение — лишь дело времени.

Кроме собственно выбора радиочастотного диапазона и типа модуляции одной из самых больших проблем беспроводных сетей с момента их появления была низкая защищенность от перехвата данных. В отличие от сетей кабельных, где перехват информации едва ли возможен без физического доступа к среде передачи (собственно кабелю или коммутационному оборудованию), беспроводные сети оказываются практически беззащитными, если не применять специальных мер. Частично вопросы безопасности решаются путем использования направленных антенн, в частности адаптивных фазированных решеток, которые могут в скором времени появиться даже в составе чипов. Тем не менее, эта технология не отменяет предусматривавшегося еще в самых ранних спецификациях шифрования данных.

Первой реализацией системы защиты с шифрованием данных стала спецификация WEP (Wireless Equivalent Privacy), принятая IEEE в 1999 году и основанная на шифровании данных с помощью 24-битного ключа RC4. Однако уже в 2000 году этот механизм был взломан, вернее, были найдены способы, позволяющие либо быстро определить ключ на основе анализа передаваемых данных (ключ оказался слишком «слабым», в некоторых случаях для его определения достаточно проанализировать всего около 8 тысяч пакетов), либо подменить нешифруемый заголовок пакета (в радиосетях такая подмена реализуется гораздо легче, чем в сетях проводных) для того, чтобы перенаправить декодированный точкой доступа пакет другому получателю, для которого он будет закодирован уже его собственным ключом.

В качестве исправления WEP была принята спецификация TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), устранившая все известные бреши WEP, но значительно повлиявшая на пропускную способность сети. TKIP обеспечила лишь минимальный уровень защиты, так как более серьезные решения потребовали бы изменения аппаратной части беспроводных устройств и серьезного изменения других протоколов.

В качестве решения 802.11i сейчас предлагается одновременное внесение изменений в аппаратуру, пересмотр конструкции протоколов и применение специального протокола шифрования AES (Advanced Encryption Standard), предусматривающего использование как серьезных алгоритмов, так и 128-битных ключей.

Еще одна обсуждавшаяся на IDF проблема, решение которой значительно отличается от аналогичного для проводных сетей, — обеспечение прикладных сервисов требуемой полосой пропускания и допустимой задержкой передачи данных (QoS). Трудность ее решения в том, что количество ошибочных пакетов в беспроводных сетях может достигать 10–20%, скорость передачи данных зависит от местоположения клиента и может изменяться во время соединения, а также в том, что устройство, управляющее выделением требуемой полосы пропускания, не знает, какими ресурсами оно может располагать, в связи с тем, что соседнее аналогичное устройство может в любой момент использовать часть этих ресурсов для своих нужд.

Спецификация 802.11e предполагает маркировать пакеты, относящиеся к критичным потокам данных, специальными метками приоритета. Максимальный приоритет получают пакеты потоков передачи голоса, как наиболее критичные к задержке и полосе пропускания, на втором месте идут потоки передачи видеоинформации, которым выделяется требуемая полоса при ее наличии, пакеты же передачи данных используют оставшиеся ресурсы. В проводных сетях для реализации сервиса QoS применяется протокол RSVP, однако в данном случае разработчики решили обойтись без него: многие существующие приложения не используют этот протокол, и индустрия постепенно от него отказывается, в частности Microsoft Windows XP этот протокол не поддерживает. В то же время спецификация предполагает, что если данные протокола RSVP доступны, то беспроводные устройства должны ими пользоваться, передавая соответствующую информацию на MAC-уровень.

802.11e сфокусирован на обеспечении двух моментов: возможность передачи аудио- и видеоинформации для устройств бытового назначения (как минимум три одновременных канала передачи изображения формата DVD MPEG-2 или один поток формата HDTV MPEG-2 для сетей 802.11a) и обеспечение совместимости с существующими сервисами резервирования ресурсов (определения приоритетов) в корпоративных сетях. Стандарт должен также обеспечить полную совместимость с устройствами, не поддерживающими 802.11e.

Предлагаемое решение представляет собой комбинацию неуправляемого метода доступа к среде передачи, используемого сегодняшними беспроводными сетями (CSMA/CA) и управляемого, когда в сети имеется координирующее устройство, определяющее порядок доступа к среде передачи остальных устройств. Достоинства первого метода обеспечивают эффективную передачу плохо предсказуемого «пакетного» трафика большого объема и возможных повторений передачи вследствие ошибок, второй позволяет эффективно регулировать полосу пропускания для задач, генерирующих не слишком большой, но предсказуемый трафик. Сегодняшние реализации беспроводных сетей предусматривают передачу данных только от клиента к точке доступа и обратно, спецификация же 802.11e добавляет возможность обмена трафиком непосредственно между двумя клиентами, что не только позволит более эффективно использовать полосу пропускания, но и добавит некоторые функциональные возможности, в частности для домашних беспроводных сетей, которые могут обходиться без точки доступа вообще. Предполагается, что технология обеспечит функционирование мультимедийных сетевых приложений, а также передачу трафика шины 1394 (читай — видеопотока) в беспроводных сетях.