Беспроводные сети - LAN

Вступление

Беспроводная локальная сеть (WLAN) - это беспроводная компьютерная сеть, которая связывает два или более устройств, используя беспроводной метод доставки (часто с помощью с помощью мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов радио) на ограниченной территории (дом, университет, офисное здание). WLAN позволяет пользователям свободно передвигаться по территории и быть подключённым к сети. WLAN так же позволять осуществлять подключение к интернету.

Самые последние WLAN основаны на стандарте IEEE 802.11 и продаются под брендом Wi-Fi.

История

Норман Абрамсон разработал первую беспроводную сеть ALOHAnet примерно в 1971 году. Эта сеть связывала семь компьютеров с главным без использование телефонных кабелей.

Первые платы, позволявшие использовать WLAN были настолько дорогие, что их использовали только в случае невозможности провести провода. Так же каждая компания использовала свой протокол в этих сетях, что делало расширение WLAN сложной и почти невозможной задачей, пока в 1990 не ввели стандарт IEEE 802.11, тогда же появился бренд Wi-Fi. В дальнейшем были попытки предложить другие стандарты для беспроводных сетей (HiperLAN/1, HiperLAN/2), но они не достигли такого же успеха как IEEE 802.11.

Архитектура

Станции

Все компоненты, которые могут подключаться к WLAN, называются станциями. Все станции имеют контроллер интерфейса беспроводной сети. Станции делятся на две категории: точка доступа и клиент. Точки доступа, обычно роутер, являются базовой станцией для беспроводной сети. Они передают и принимают данные для общения с беспроводными устройствами. Клиенты могут быть ноутбуками, телефонами, стационарными компьютерами, оснащёнными беспроводным модулем.

Базовый набор станций

Базовый набор станций - это все станции, которые могут общаться с друг другом. У каждого БНС есть идентификатор, который является MAC-адресом точки доступа, которая работает в данном БНС.

Существует два типа БНС: независимые и инфраструктурные. Независимый БНС - это ad-hoc-сеть, в которой нет точки доступа.

Расширенный набор станций

Это набор соединённых БНС. Точки доступа в РНС соединены системой раздачи. Каждый РНС имеет идентификатор, который является 32-битной (максимум) символьной строкой.

Система раздачи

Система раздачи соединяет точки доступа в РНС. Используется для расширения покрытия сети через переход между БНС.

Система раздачи может быть проводной и беспроводной. Современные системы раздачи основаны на протоколах WDS или MESH, хотя используются и другие протоколы.

Типы WLAN

В стандарте IEEE 802.11 существует два базовых режима: инфраструктура и одноранговая сеть. В одноранговой сети, пользователи напрямую передают информацию друг другу. В инфраструктурном режиме, пользователи общаются через точку доступа, которая служит мостом к другим сетям, таким как интернет или LAN.

Так как беспроводные коммуникации менее защищённые по отношению к проводным, в 802.11 так же включены методы защиты, такие как WEP и WPA.

Инфраструктура

Большинство WLAN устроены по типу инфраструктура.

В режиме инфраструктуры, базовая станция является беспроводной точкой доступа или хабом, пользователи подключаются к хабу. Хаб обычно, но не всегда, имеет проводное подключение к интернету или другой сети.

Иногда WLAN может иметь несколько точек доступа, чтобы покрывать больший радиус, с одинаковым 'SSID' и защитой. В этом случае подключение к любой точке доступа подключает ко всей сети. Устройство пользователя будет пытаться подключиться к ближайшей точке доступа для лучшего качества соединения.

Одноранговая сеть

Одноранговая сеть - сеть, в которой станции общаются только пользователь-к-пользователю (англ. peer to peer). В такой сети нет базы и никто не даёт разрешения на сообщение. Это работает благодаря использованию Independent Basic Service Set (IBSS).

В группе Wi-Fi P2P, владелец группы действует как точка доступа, все остальные устройства - как клиенты. Существует два основных метода выбора владельца группы - выбор владельца пользователем и выбор путём договоров. При выборе путём договоров два устройства сравнивают своё "значение намеренности", устройство с большим значением становится лидером группы. "Значение намеренности" может зависеть от количества устройств в его зоне покрытия, оставшегося заряда в устройстве и других характеристик.

P2P сеть позволяет беспроводным устройствам напрямую общаться с друг другом. Этот метод обычно используется между двумя компьютерами, чтобы образовать сеть.

Если сила сигнала по каким-то причинам важна, устройства в сети P2P могут ошибаться в определение силы сигнала из-за регистрации сигнала от ближайшего устройства.

В IEEE 802.11 объявлен физический слой и MAC на основе CSMA. В 802.11 предоставлен способ минимизации столкновений, связанных с нахождением двух пользователей в радиусе одной точки доступа, но вне радиуса доступа друг друга.

Мост

Мост может быть использован для соединения сетей, часто разных типов. Беспроводной Ethernet мост позволяет соединять устройства на проводной Ethernet сети с WLAN. Мост является точкой доступа для WLAN.

Миграция

Есть два типа миграции в беспроводных LAN:

Внутренняя миграция

(1) Мобильное устройство переходит от одной точки доступа к другой внутри одной сети. Сервер аутентификации производит повторную проверку МУ с помошью 802.1x. Переход от одной точки доступа к другой зачастую нарушает передачу данных, что может привести к потери данных. Чтобы избежать этого МУ следит за другими точками доступа, в моменты, когда переход не может нарушить передачу данных, мобильное устройство может переключиться на точку доступа с лучшим сигналом.

Внешняя миграция

(2) Пользователь переходит в другую WLAN, меняя точку доступа.

Производительность и пропускная способность

WLAN, организованные в различные двухслойные варианты, имеют разные характеристики. Среди всех вариантов 802.11, максимальные возможные пропускные способности достижимы либо в идеальных условиях, либо только в теории. Это не работает для обычных сетей, в которых данные передаются от устройства подключённого к проводной инфраструктуре а другое к беспроводной.

Это означает, что данные передаваемые по WLAN (802.11), зачастую конвертируются в 802.3 (Ethernet) и наоборот.

Из-за разности в длине заголовков этих протоколов, размер пакета приложения определяет скорость передачи данных. То есть приложение, использующее пакеты небольшого размера (Skype) создаёт большую загруженность сети, низкий кпд.

Другие факторы, влияющие на скорость передачи - скорость передачи пакетов приложением и сила сигнала, с которой данные получаются.

Последнее зависит от расстояния, на которое передаются данные и мощности устройства передачи.

На графиках справа изображена зависимость пропускной способности UDP. Каждный представляет собой среднюю пропускную способность в зависимости от размера передаваемого пакета и скорости передачи данных приложением.