Мрежи: Wireless LAN (безжични комуникационни устройства) | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
Безжични връзки... Доскоро, споменавайки този термин, веднага се досещахме за мобилните телефони. Но има и други области, където удобството на безжичните комуникации ги е изтласкало на гърба на комуникационната вълна. Една от тях ще разгледам в тази статия, посветена на върха на технологичния пробив в областта на комуникациите - безжичните мрежи. Използването на радиоканалите за връзка между устройствата, макар че не е ново като изобретение, едва напоследък еволюира значително, особено благодарение на широкото разпространение на Internet, локалните и WAN мрежи, свързващи много хора, позволяващи да си разменят глас, видео и данни помежду си, и то с осезаемо високи скорости. Тласък за развитието именно на безжичните устройства е дала необходимостта от по-голяма свобода и удобство при изграждането на мрежи, необходимостта от лесното включване на все по-бързо увеличаващия се брой на мобилни абонати, не желаещи да търсят специални точки за включване към мрежата, а глобално погледнато - потребността на съвременния човек от модерни бързодействащи и високоскоростни комуникации. Според изчисленията на аналитиците, през следващата година в света ще има над 1 милиард мобилни устройства, оборудвани с безжична връзка. Стандарт IEEE 802.11 Комитетът по стандарти на организацията IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), IEEE 802, сформира работната група за изработването на стандарт за безжични локално мрежи 802.11 преди около 12 години, през 1990 година. Задачата на тази работна група бе да разработи всеобщ стандарт за радиопредаване и за безжични локални мрежи, които ще работят на честота 2.4 GHz със скорост на предаване на данни 1 и 2 Mbps (Megabits-per-second). Работата по създаването на стандарта бе завършена през 1997 година, когато през юни месец бе ратифицирана първата официална спецификация на 802.11. Стандартът IEEE 802.11 бе първият стандарт за безжични мрежи (WLAN, Wireless Local Area Network), приет от независима международна стандартизираща организация, разработила, освен него, и множество други спецификации и стандарти за мрежовите връзки по кабел. Междувременно технологиите за предаване на данни се развиваха с нарастващо темпо, така че първоначално заложените в стандарта скорости за предаване на данни от 1 и 2 Mbps вече бяха малки за големите обеми информация, която се обменяше по съществуващите мрежи и бяха станали безинтересни за потребителите. Това подтикна разработчиците на стандарта IEEE 802.11 към създаване на нови стандарти, които де-факто се явяват разширения на основния, 802.11. Това става през септември 1999 година, когато е ратифицирано разширението на стандарта, получило наименованието IEEE 802.11b (IEEE 802.11 High Rate). Основната разлика от предишния стандарт - повишена до 11 Mbps скорост на обмен на данни между безжичните устройства, което в идеалния случай означава над 1.4 MB/сек. трансфер между устройствата, което дава тласък към преминаване към изграждането на гъвкави безжични мрежи от корпоративно ниво. Съвместимостта между продуктите, произведени от различни производители, се гарантира от независима организация, наречена Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA, създадена от лидерите в производството на мрежови устройства, между които са Cisco , Lucent , 3Com , IBM , Intel, Apple,Compaq, Dell , Fujitsu , Siemens , Sony , AMD (над 80 компании), през същата 1999 година. Стандартът IEEE 802.11 работи в съответствие с двете долни нива на модела OSI - физическо и канално ниво. Всяко едно мрежово приложение, протокол или операционна система могат да работят при това положение в една безжична мрежа не по-лошо, отколкото това става в обикновена Ethernet мрежа. Основната архитектура, особености, протоколи и служби са определени в стандарта 802.11, а спецификацията 802.11b засяга физическото ниво, променяйки скоростта на обмен и достъп към по-висока.
На физическо ниво са отделени общо три метода за предаване на данни, единият от които е в инфрачервеният диапазон, а другите два са радиочастотни, работещи в интервала между 2.4 GHz и 2.483 GHz. Двата широколентови канала могат да използват различни методи за организиране на предаването - метод на пряка последователност (DSSS-Direct Sequence Spread Spectrum), или метода на частотните подскоци (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum). Режими на работа 802.11 Стандартът 802.11 фиксира два вида безжично мрежово оборудване - клиент, ролята на който обикновено се поема от компютър с инсталирана безжична мрежова интерфейсна платка (Network Interface Card, NIC), и точка за достъп (Access point, AP), която служи за връзка между безжична и кабелна мрежа. Клиентът, както споменах по-горе, е окомплектован с мрежова карта 802.11, която може да бъде с интерфейс ISA, PCI или PC Card, както и във вид на вградено решение. Точката за достъп обикновено е оборудвана с приемо-предавател, интерфейс към кабелна мрежа (802.3) и специализирано програмно осигуряване. Стандартът IEEE 802.11 определя дава режима на работа на безжичната мрежа - режим точка-точка (Ad-hoc) и режим клиент/сървър, наричан още режим на инфраструктурата (infrastructure mode). По този начин са озаглавени режимите във повечето програмни пакети, управляващи Access Point, процедурите по настройването на които няма как да избегнете :-)). Първият режим, точка-точка, наричан още IBSS - независим набор от служби, както личи и от заглавието, сполучливо трансформирано от неразбораемото поне за мен "Ad-hoc", представлява елементарна като структура мрежа, в която отделните станции се свързват една със друга пряко, без да е необходима точка за достъп. Разбира се, при това положение съществуват някои ограничения от типа на максималния брой устройства, които могат да изграждат такава мрежа, което зависи от типа на безжичното мрежово оборудване и от спецификациите на 802.11. Режимът клиент/сървър предполага използването на поне една точка за достъп, представляваща специялизирано устройства, както сигурно вече се досещате, която да е включена към кабелна Ethernet мрежа, и определен, често ограничен брой крайни безжични работни станции. Този тип конфигурация се нарича основен набор от служби (BSS - Basic Service Set), като при наличието на два или повече BSS се формира разширен набор от служби (ESS - Extended Service Set). Очевидно е предимството на режима клиент/сървър, когато безжичната мрежова станция може да получи достъп до локално мрежово устройство или специфична функция, свързано към стационарната мрежа (например, към мрежов принтер, скенер или Интернет). Промени в стандарта, направени от 802.11b Както споменах по-горе, основната промяна, внесена от 802.11b в основния стандарт, е поддръжката на две нови скорости на предаване на данни - 5.5 и 11 Mbps. За постигането на тези скорости се използва методът на пряка последователност (DSSS), което означава, че системите 802.11, използващи DSSS, ще са съвместими с DSSS системите 802.11, но няма да се "виждат" със системите, използващи FHSS 802.11. Другото полезно нещо при 802.11b е методът на динамична промяна на скоростта на трансфер в зависимост от силата на сигнала, шумовете в ефира или отдалечеността на станцията. Това, обяснено на неусложнен и разбираем език (а не на този технически, към който незнайно защо имам такъв афинитет :-)), означава, че устройствата IEEE 802.11b могат да установят връзка помежду си при 11 Mbps, после, при възникване на смущения, или при отслабване на сигнала, те автоматично ще намалят скоростта на предаване. След определен период от време, след като се появи възможност устройствата пак да работят на по-висока скорост, скоростта пак ще бъде автоматично увеличена до максимално възможната. Просто и логично... Повечето модели интерфейсни карти са предназначени за включване към шината PC Card/PCMCIA. За да могат те да бъдат монтирани в компютрите, които нямат такъв слот, производителите предлагат преходници към PCI от PCMCI. За радост на всички, на които нямат свободно място на PCI слотовете на desktop системите им, много от производителите произвеждат и външни устройства с интерфейс USB. В резюме основните характеристики на адаптерите IEEE 802.11b изглеждат така:
По-нататъшно развитие на стандарта: IEEE 802.11a и стандарт Hiperlan Разбира се, бясното препускане на мегахерци и мегабайти не остави този сравнително неотдавна приет стандарт (имам предвид IEEE 802.11) да съществува необезпокояван. Логичното изискване към все по-големите обеми на трансферирана информация изисква нови промени в стандартите за безжични комуникации. Още през януари 1997 Федералната комисия на САЩ по съобщенията (FCC) даде разрешение да се използва за безлицензни радиочастотни мрежи 5 GHz-вия диапазон, в който са обособени два участъка (5.15 - 5.35 GHz и 5.725 - 5.825 GHz) с обща честотна лента от 300 MHz. Макар че и двете спецификации IEEE 802.11 са приети по едно и също време през есента на 1999 година, широкото разпространение на IEEE 802.11b устройства, предлагани още преди това от няколко големи производителя, им осигури предимство пред "конкурентите" от 802.11a. Адаптерите, отговарящи на спецификациите IEEE 802.11a, на външен вид по нищо не се отличават от старите 802.11b, но имат три много основни "вътрешни" разлики:
Диапазонът от честоти, отделен за IEEE 802.11а, съвпада с европейския стандарт HIPERLAN (High Performance Local Area Network), благодарение на което произвежданото за HIPERLAN оборудване може да се използва на всички континенти. Макар и да са спецификации на един и същ формат, отличаващи се само по една буква в наименованието си, устройствата , отговарящи на стандарта 802.11b не могат да бъдат медернизирани до по-бързия 802.11а. По този начин, ако в момента имате изградена 802.11b мрежа, единственият начин, по който можете да я накарате да заработи на 54 Mbps, е да подмените оборудването с ново. Единственото изключение са последните модели точки за достъп (Access Points), които позволяват монтирането в тях на PCMCI карти, отговарящи на стандарта 802.11b, и на 802.11a.
Антени за WLAN Макар че повечето от устройствата 802.11 и да разполагат с вътрешни антени, повечето от тях, особено точките за достъп, разполагат с възможност за включване на външни антени. Използването на външни антени, както лесно може да се досети всеки, позволява да се увеличи обхвата на устройствата и да се стабилизира и усили приемания сигнал, като в крайна сметка разстоянието между безжичните устройства може да достигне десетки километри. Разбира се, с вътрешните антени е нереално да се очакват подобни разстояния, дори и при пряка видимост между безжичните устройства (вижте колко малка е вградената в тази PCMCI карта антена: тя заема част от черната пластмаса в левия край на картата): Използваните антени могат да бъдат от няколко типа - от антени с тясно фокусиране (насочване) до кръгови (широконасочени) антени. Когато се цели постигането на максимално разстояние между две устройства, например, при съединение точка-точка, се използват теснонасочени антени, "прицелени" една в друга. Тяснофокусираната антена концентрира излъчването си в тънък лъч, проникващ на по-далеко разстояние. Когато е необходимо да се подсигури покритие на по-голяма площ, се използват кръгови антени, например, в рамките на една сграда или по-голяма площ. Възможен е вариантът, когато станцията е един условен център е оборудвана с кръгова антена, а станциите около нея - с насочени към централната антени с тясно фокусиране. По този начин ще се получи съединение точка - много точки. Най-често усилването на антените е между 3 и 24 dB, като всичко е в ръцете на разработчика на конкретната антена. Други безжични технологии: Bluetooth Bluetooth. Тази безсмислена като превод дума (буквалния й превод е "син зъб") все по-често се среща в материалите, посветени на компютрите. Най-вероятно вие знаете, че става дума за технология, чрез която се изграждат безжични мрежи, в които могат да участват не само компютри, но и други устройства - например мобилни телефони или дори апарати от домашния ни интериор - печки, хладилиници... Има няколко причини, който не позволяват на Bluetоoth да увеличи значително своят дял при текущо използваните безжични интерфейси. Ето някои от тях: - висока (засега) производствена цена на необходимата за функционирането на интерфейса елементна база - липса на добра поддръжка на ниво операционна система (може да бъде решено с написване на драйвери) - липса на интерес от страна на производителите да предлагат устройства с Bluetooth интерфейс - нерешени проблеми със запазването на неприкосновеността на обменяните между устройствата данни (лесно се прихващат и декодират от разстояние) От друга страна, има предимства, които може би ще помогнат на тази технология да си изгради добро бъдеще (на Bluetooth в сегашния му вид или на негов наследник, изчистен от недостатъците на предшественика):
Конструктивно, най-грубо погледнато, Bluetooth-устройството представлява хардуерен модул (обособен или интегриран, изпълняващ функциите на радиопредавател/приемник под управлението на драйвер. Приемо-предавателят (ПП) според спецификациите трябва да работи в честотния диапазон от 2400 - 2483,5 MHz, който е освободен в повечето държави и не изисква лицензиране. Съществуват държави като Франция и Япония, в които част от този диапазон се използва и за други цели, там диапазонът за тези устройства е стеснен до 2445-2475 MHz (Испания), 2446,5-2483,5 (Франция). Разстояние, на което могат да се отдалечат две устройства Bluetooth, е около 20-30 метра, но се работи по удължаването му. В замяна на това, няколко Bluetooth устройства могат да се свържат в мрежа и през стена (стени) или на няколко етажа в една сграда, без да има необходимост от пряка видимост или външна антена. Широчината на канала е 723,2 Kb/sec. за устройства, работещи в асинхронен режим, и 433,9 Kb/sec. за работещите в синхронен режим. Когато по канала е се предават данни, могат да бъдат предавани 3 аудиоканала, като всеки едни от тях поддържа 64 Kbps синхронен пренос. Допуска се съставен сигнал от данни и аудио. Bluetooth има и друга, отличваща го от останалите технологии особеност: различните Bluetooth устройства влизат в контакт едно с друго автоматично, веднага след като попаднат в обсега на ПП, а за установяването на връзката, аутентификацията и др. се грижи програмното осигуряване. Едно от големите предимства на Bluetooth е, че устройството, поддържащо стандарта, влизайки в обхват, може да установи връзка не с едно, а с множество други, поддържащи тази технология, като не е задължително те да си взаимодействат активно. Устройство, обменящо активно информация с други устройства, според терминологията на Bluetooth се нарича master, a устройствата, с които то комуникира активно се наричат slave, като максималния брой slave устройства може да бъде 7. Освен това може да съществуват още неограничен брой неактивни slave устройства, които са установили връзка с него, макар, че са синхронизирани с master, не обменят данни с последния, очаквайки освобождаване на свободно място, за да осъществят преноса на данни. Такъв тип връзка между устройствата се нарича piconet. В рамките на една piconet връзка може да има само едно master устройство, но когато е необходимо, свързаното с него slave може да смени статуса си на master, образувайки своя pinocet структура. Този тип сложна съставна структура носи наименованието scatternet, в която всяко едно устройство може да бъде едновременно и master и slave, в зависимост от конкртената ситуация и мястото му в структурата. По този начин, една scatternet мрежа от Bluetooth устройства е един, образно казано, динамично променящ се организъм, преобразуващ структурата си според текущите нужди (в зависимост от това, към кои точки от мрежата се комутират новите устройства). Разбира се, за да се избегне дублирането на устройствата и други нежелани отклонения, всяко устройство, освен уникалното си име, взаимодейства с другите, използвайки различен канал за връзка, на различна честота и с различен от другите параметър hopping, характеризиращ hopping channel (хопинг-канал). Хопинг (hopping)-това е периодична промяна на честотата, определяна от параметъра hopping sequence. По спецификация,пълният вариант на която можете да намерите на www.bluetooth.com, включваща 10 варианта на hopping sequence. При всеки от тези десет варианта честотата се променя 1 600 hops/sec.
От друга страна, при положение, че устройството е във втория mode, то може да бъде открито от участници в сеанса, но не позволява установяване на някои параметри на връзката и респективно, приемането и предаването на данни. На следващия етап се извършва прочитането на имената на всички достъпни Bluetooth устройства (според спецификациите, освен, че разполага с уникален мрежов адрес, всяко устройство на ниво потребител оперира със собствено име), извършва се търсенето на достъпните услуги, които устройствата могат да споделят (използва се Service Discovery Protocol-SDP), установяват се параметрите на връзката и.... готово! Всичко това става невидимо за потребителя на устройството, без участие от неговата страна. Защита на данните Всички технологии за безжични комуникации използват един или друг вариант на кодиране на данните с цел тяхна защита. Мрежите, отговарящи на стандарта IEEE 802.11, използват функции за криптиране WEP за кодиране на информацията, като, в зависимост от класа на устройството криптирането може да бъде 64- или 128- битово. При Bluetooth има три режима на защита, като най-защитеният Security mode 3 (link level enforced security) оперира с сеансови ключове (Bond), които се генерират в процеса на свързване на две устройства, и се използват в процеса на свързване, идентификация и предаване на данни между две устройства. При всички положения, проблемът със защитата на данните при безжичните комуникационни устройства е открит - все още е сравнително лесно да бъде уловен сигнала от ефира и той да бъде декодиран. Както споменах, 802.11b осигурява контрол на данните на MAC ниво MAC (второ ниво в модела OSI), и механизми на криптиране, известни като Wired Equivalent Privacy (WEP), които могат да бъдат включени или изключени. Когато WEP е включен, той защитава само пакета с данни, но не и заглавието му, така че всички свързани в мрежата устройства могат да "преглеждат" преминаващите данни. За контрол на достъпа във всяка точка на достъп се разполага ESSID (или WLAN Service Area ID), без информация за който станцията не може да се включи към точката за достъп. Освен това, при нея може да се съхранява списък от "разрешени" MAC адреси на упълномощените устройства, по този начин разрешавайки към мрежата да се включват само тези устройства, които се намират в списъка. Криптирането на данни се извършва спомощтана алгоритма RC4 с 40-битов ключ, но има и по-прости начини на криптиране. Решавайки, кое точно устройство да си закупите, обърнете внимание и на този параметър - някои производители на безжични комуникационни устройства, с цел поевтиняване на изделията си, използват по-прости алгоритми за кодиране. Изграждане на безжични мрежи По принцип, преди да кажа няколко думи по този повод, искам да уточня, че това е въпрос, изискващ определени познания, и то не само по подбора на необходимото оборудване, разполагането му по най-удачния начин, но и по настройването на програмното осигуряване, правата на достъпа и политиката на безопасността. Най-простият начин да свържете два компютъра в безжична мрежа е да включите във всеки един от тях по една WLAN карта, без значение с какъв интерфейс е тя, стига да се поддържа, да инсталирате драйвери, да настроите необходимите параметри на връзка, нива на криптиране, и сте готови да обменяте данни между устройствата! Операционните системи от ново поколение от типа на Windows XP и Linux, след инсталирането на необходимите драйвери разпознават устройствата коректно и позволяват "общуването" с тях, както и настройването на някои параметри.
Тестове на скорости за трансфер на данни Това, както много пъти съм казал, е едно от най-неприятните занимания, поради изключителната зависимост на резултатите от средата, в която се провеждат тестовете. В този смисъл, ако извърша измерванията на трафика между две безжични мрежови устройства в една географска точка, почти сигурно е, че няма да мога да постигна идентични условия в някоя друга точка. Все пак, донякъде измерванията, които реших да ги направя в рамките на едно помещение, като разстоянието между устройствата е около 5 метра, а единственото препятствие на пътя на вълните съм бил аз в комплект с атмосферния въздух, можем да приемем получените резултати за достатъчно достоверни. Измерванията са направени с помоще на невероятно полезната програма Intel I/O Meter, разучаването само на малката част от възможностите на която ми отне около една милионна част от предполагаемата продължителност на моя живот (ако правилно съм я сметнал :-)). Сравнявани са резултатите при копирането на фиксирани по големина пакети с данни, като са дадени усреднени стойности. За тестовете са използвани контролерите SMC 2602W (802.11b), Proxim Harmony (802.11a), SMC 1144 (Fast Ethernet), SMC 9452TX (Gigabyte Ethernet) и Epox (Bluetooth) USB модули. При тестването на 10 Mbps връзката 100 Mbps SMC контролерите са ограничавани по скорост програмно. Поглеждайки графиките, веднага може да се определи мястото на всеки един от стандартите в "реалния" свят, а не в цитираните във стандартите теоретично възможни скорости. Вижда се, например, смешната скорост на трансфер от около 61 kBps при Bluetooth, по никакъв начин не отговаряща на съвременните изисквания. IEEE 802.11b има скорост, съизмерима с 10 Mbps Ethernet мрежови карти, новият IEEE 802.11a - наполовина на сегашните 100 Mbps карти Fast Ethernet. За гигабитовите мрежови контролери да не говорим - все още няма безжична технология, позволяваща пренос на данни с такава скорост. Разстояние Почти всеки уважаващ себе си производител има на сайта си информация относно разстоянието, на което могат да се свързват неговите продукти, като обикновено тези данни се отнасят за идеални условия, на практика често недостижими реално. По принцип, безжичното IEEE 802.11 оборудване работи с вътрешната си антена в рамките на няколко помещения от една сграда, като разстояянието силно зависи от това, дали стените са желязобетонни или тухлени (гипсови). В тези случаи две устройства се свързват на разстояние между 5-15, понякога и повече, метра. При използването на кръгови антени покритието в една сграда може да бъде разширено понякога до 100-150 метра. При изграждане на безжични връзки между устройства, разположени в различни сгради, всичко зависи от разстоянието, типа на антенито, атмосферните условия (при дъжд скоростта често пада) и препятствията на пътя на сигнала, но разстоянието между две устройства може да достигне 30-40 километра. Има данни за реално извършени експерименти и изградени връзки между устройствата, надхвърлящи 100 км., при използването на специални антени (http://hpwren.ucsd.edu). При всички положения, единственият начин да разберете това е да пробвате, като имайте предвид, че оборудването от някои фирми (например, Cisco), се справя със далечните разстояния по-добре, отколкото някои негови конкуренти. Опасни ли са WLAN устройствата? Чувал съм изсказвания, че като всяко едно устройство, излъчващо електромагнитни вълни в радиочастотния диапазон, и Wireless LAN устройствата са донякъде опасни. Според проучванията на компетентните органи, за такива твърдения няма основания. На първо място, това се дължи на факта, че мощността на предавателя в едно безжично комуникационно 802.11 устройство е около 100 mW, което е около 20-30 пъти по-малко, отколкото е мощността на един мобилен телефон, който, освен че се намира по-близо до мозъка ви при говорене, по време на разговор излъчва непрекъснато. WLAN устройството предава данните във вид на пакети, така че не работи в нерекъснат режим. Все пак, не е излишно да се знае, че няколко авторитетни организации следят посточнно нивата на излъчвания на този тип комуникационни устройства. Между тях са IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), NRPB (National Radiological Protection Boards in the United Kingdom), IRPA/INIRC (International Radiation Protection Association's International Non-Ionizing Radiation Committee), World Health Organization и др. Основни производители на Wireless LAN оборудване Признавам, преди да се заема с разучаването на въпроса, свързан с безжичните комуникации, списъкът с известните на мен производители на този тип оборудване са се изчерпвали с две-три от най-известните имена. Една бърза разходка по сайтовете на организациите като IEEE и WECA ме убедиха, че производителите и разработчиците на този тип оборудване се увеличават със пропорционална на интереса към този тип устройства скорост. Вярвам, че всеки от вас би могъл да открие интересуващата го информация, написвайки думичките "Wirreless LAN vendors" в полето за заявка на Google, но, все пак, ето няколко от големите производители:
Заключение Не бих си и помислил, че съм пророк, казвайки, че времето на безжичните комуникации е дошло, и то е дошло времето на широкото им разпространение и използване - това просто е обективната реалност, която ни заобикаля. Темата за мрежите, дори и само безжичните мрежи, е наистина огромна и не може да бъде обхваната само в една статия. Надявам се, че с този материал съм Ви дал някоя начална информация и съм ви ориентирал по отношение на това, какво точно представляват най-разпространените за момента безжични технологии. Сравнявайки двата типа комуникации - жичните и безжичните, могат да се видят значително повече предимства при безжичните, отколкото недостатъци, дори и в сравнение с Ethernet. Безспорно, технологиите ще продължават да се развиват с все още по-нарастващо темпо, изчиствайки грешките и неточностите, увеличавайки скоростите за обмен и грижейки се по-добре за съхраността на ценните ни данни. Радостен е и фактът, че новите технологии (с изключение на Bluetooth), позволяват преноса на данни, видео и глас в реално време с висока скорост, което ги прави още по примамливи за съвременния човек, одна от главните задачи на който да бъде информиран, за да бъде ефикасен в работата си. Засега решенията на базата на IEEE 802.11 или Bluetooth за по-скъпи от Ethernet мрежите - един 802.11b адаптер струва между $70-120, един Access Point - около $200, но цените постоянно намаляват. Аз лично съм взел своето решение за това, каква ще е бъдещата ми мрежа - WLAN. Нека да оценим мощта на тази технология, да помислим за бъдещето и да бъдем свързани...безжично, навсякъде, където и да сме! -------------- Мрежи: Инсталиране и конфигурация на WLAN карти под Windows и Linux |