Technologyes World

Связистам хорошо знакомы эти проблемы, но, к сожалению, их решение связано со снижением скорости передачи данных. В обычных ЛВС скорость передачи данных лежит в пределах от 100 до 1000 Мб/с, а в соответствующих стандарту IEEE 802.11b беспроводных не превышает 11 Мб/с. Оборудование, в котором реализованы новые протоколы IEEE 802.11a и IEEE 802.11g, позволяет достигать скорости 54 Мб/с. Сейчас готовится новый стандарт IEEE 802.11, предусматривающий передачу данных со скоростью до 108 Мб/с.

Однако названные цифры отражают весьма оптимистичный взгляд на возможности Wi­Fi. На самом деле скорость приходится снижать, чтобы компенсировать затухание радиосигнала, интерференцию переотраженных волн и влияние радиопомех. Например, согласно протоколу IEEE 802.11b, скорость связи может падать до 1 Мб/с. Необходимость передачи контрольных битов для снижения вероятности ошибок приводит к дополнительному снижению скорости.

С момента появления технологии Wi­Fi мы с коллегами работаем над проблемой обеспечения надежности связи, повышения ее скорости и информационной безопасности. В ходе разработки технологии беспроводных ЛВС второго поколения (мы назвали ее Smart Wi­Fi) нам удалось успешно решить многие проблемы, повысив интеллектуальность Wi­Fi­систем.

Разгрузка сети

Smart Wi­Fi порадует пользователей Интернета качественной беспроводной связью, которая избавлена от недостатков, связанных с перегрузкой радиоканала, влиянием радиопомех и низкой информационной безопасностью.

Перегрузка сети возникает, когда к базовой станции обращается слишком много пользователей. В результате резко падает скорость связи, а соединение становится неустойчивым. Поскольку базовая станция и ее абоненты используют один радиоканал и не могут передавать информацию одновременно, в современных Wi­Fi­сетях конфликты между клиентами одной соты разрешаются по протоколу CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance, множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов). Любой участник сети, будь то клиент или базовая станция, перед посылкой сигнала слушает эфир. Если устройство слышит, что кто­то из его коллег посылает сигнал, оно ждет, пока канал не освободится. Если две станции попытаются послать сигнал одновременно, то не услышат друг друга: их передачи «столкнутся» (т.е. будут получены с ошибками) и потребуется повторный обмен сигналами. Когда к базовой станции обращается множество портативных компьютеров, подобные «столкновения» и повторные передачи происходят очень часто, в результате чего возникают задержки связи (см. врез).

В местах, где собирается множество пользователей, проблема перегрузки базовой станции может быть весьма серьезной. Впервые мы столкнулись с этой проблемой в больших лекционных аудиториях Университета Карнеги­Меллона. Сразу стало ясно, что нечего и мечтать о высокой производительности беспроводных сетей в местах, где собираются сотни пользователей переносных компьютеров.

Протокол CSMA/CA иногда не работает в тех случаях, когда две точки доступа используют один и тот же радиоканал. Если одна базовая станция «услышит» сигнал другой, она может принять его за сигнал своего клиента и отсрочить передачу. Подобное наложение каналов является еще одной причиной снижения производительности сети (см. врез вверху).

Предположим, что мобильные устройства Джейн и Джо используют один радиоканал, но находятся в различных частях здания и соединены с разными базовыми станциями. Всякий раз, когда устройство Джо будет «слышать» сигналы передатчика Джейн, оно будет откладывать передачу данных. То же самое касается устройства Джейн. Качество связи ухудшается для обоих пользователей, что особенно заметно, когда Wi­Fi используется для телефонии.

Чтобы устранить эту проблему, нужно тщательно настроить каналы и задействовать так называемое выравнивание нагрузки. Дело в том, что клиент обычно находится в зоне действия нескольких базовых станций. Оборудование Smart Wi­Fi стремится равномерно распределить пользователей по базовым станциям, что существенно разгружает сеть. Получив от мобильного устройства запрос на соединение, базовая станция может принять или отклонить его. Хотя в стандарте IEEE 802.11 не описан алгоритм осуществления такого выбора, базовые станции второго поколения при принятии решения учитывают и собственную нагрузку, и нагрузку, своих ближайших коллег. Перегруженная базовая станция отказывает новому клиенту в новом соединении, если «узнает», что в радиусе его действия есть более свободная точка доступа. В результате производительность сети повышается (см. врез внизу). Таким образом, выравнивание нагрузки позволит будущим Wi­Fi­сетям успешно справляться со своей задачей даже в местах большего скопления пользователей мобильных устройств.

Адаптация к условиям среды

В беспроводных ЛВС используются радиоканалы связи, у которых есть целый ряд принципиальных недостатков.

Проблем, связанных с ослаблением радиосигнала, его переотражением и интерференцией, а также с помехами, можно избежать при правильном проектировании беспроводной сети. Исходя из предполагаемого места размещения клиентов, инженер должен решить, где разместить базовые станции, чтобы обеспечить непрерывную зону покрытия и требуемую производительность сети. Кроме того, нужно грамотно распределить радиоканалы по точкам доступа. При этом следует учитывать характеристики радиоокружения и геометрию здания, в котором разворачивается беспроводная ЛВС.

Базовые станции должны располагаться как можно дальше друг от друга, чтобы свести к минимуму расходы на оборудование и исключить наложение сот, использующих одинаковые радиоканалы, поскольку это снижает производительность сети. Распределение радиоканалов по станциям выполняется так, чтобы свести к минимуму взаимное влияние базовых станций, работающих на одном канале.

Изменяя мощность передатчика, базовая станция Smart Wi­Fi автоматически управляет размером своей соты и при необходимости увеличивает ее, чтобы она частично пересекалась с соседними сотами. Использование этой технологии позволяет сети самостоятельно восстанавливаться при сбоях.

Время от времени условия прохождения радиосигнала меняются, так что при отсутствии интеллектуальных функций даже тщательно продуманная сеть может дать сбой. К тому же может измениться первоначальное размещение оборудования. Скажем, перемещение металлических станков и агрегатов на фабрике может привести к образованию брешей в зоне охвата. Соответствующее расширение или сжатие размеров сот позволяет исправить ситуацию. Адекватная реакция базовых станций на изменения окружающей среды обеспечивает непрерывность зоны покрытия без избыточного наложения ячеек. (В настоящее время базовые станции могут менять только собственную мощность, но скоро должны появиться дополнения к стандарту IEEE 802.11, согласно которым мобильные устройства будут регулировать мощность своих передатчиков под управлением базовых станций.)

Автоматическое управление размером соты существенно облегчает проектирование беспроводных ЛВС: отпадает необходимость поиска оптимального расположения точек доступа. Кроме того, когда некоторые базовые станции выходят из строя, изменение размеров сот позволяет устранить бреши в зоне покрытия (см. врез).

Динамическое назначение радиоканала

Когда к базовой станции подключается множество компьютеров, их сигналы конфликтуют и связь становится неустойчивой.

В сетях Smart Wi­Fi базовые станции в процессе работы могут динамически выбирать радиоканалы. Обычно проектировщики жестко назначают каналы, чтобы свести к минимуму их наложение. Однако окружающая радиообстановка может измениться, так что нет никакой гарантии, что изначальная конфигурация останется эффективной.

Второе поколение ЛВС Wi­Fi регистрирует бреши в зоне покрытия, а затем динамически подбирает каналы. В результате отпадает необходимость назначать каналы на этапе проектирования. Например, если из офиса убрали часть мебели, то станция может автоматически увеличить область охвата. Если другая станция вдруг расширила свою соту, то производительность сети может понизиться. В этом случае соседняя ячейка может переключиться на другой канал. Алгоритм выбора канала гарантирует, что наложение сот в целом по сети будет минимальным.

Системы Smart Wi­Fi периодически включают программу переключения каналов, чтобы базовые станции адаптировались к текущей радио­обстановке. Производительность беспроводной ЛВС при этом увеличивается еще и потому, что базовые станции могут выбрать каналы, на которых меньше радиопомех.

Информационная безопасность

На радость пользователям Wi­Fi­сети становятся столь же быстрыми и надежными, как их проводные аналоги.

Наибольшее внимание уделяется вопросу конфиденциальности в Wi­Fi­сетях. Вряд ли кто захочет, чтобы посторонние лица получили доступ к его электронным письмам или даже файлам на его мобильном устройстве (см. врез). Изначально стандарт IEEE 802.11 предусматривал шифрование посылаемых данных по протоколу WEP (Wired Equivalent Privacy, сетевой стандарт конфиденциальности). Информация преобразуется таким образом, чтобы обратное преобразование было возможно только при наличии ключа – специального шифра, который использовался при шифровании. Но большинству пользователей беспроводных ЛВС и в голову не приходит активировать в своем программном обеспечении функцию шифрования, поэтому сигнал посылается «открытым текстом» и без труда может быть перехвачен. Впрочем, компьютерным мошенникам неоднократно удавалось взломать защиту по протоколу WEP. Поэтому разработчики Wi­Fi серьезно занялись проблемой информационной безопасности.

Другая ахиллесова пята Wi­Fi­сетей – авторизация доступа. Клиенты идентифицируются при помощи имени и пароля. Но если злоумышленник может получить доступ к содержанию чужих сообщений, то ему не составит труда разведать идентификационные параметры пользователя и получить неавторизованный доступ к сети. В 2004 г. появились стандарты IEEE 802.11i, WPA (Wi­Fi Protected Access, защищенный доступ к Wi­Fi) и IEEE 802.1X, регламентирующие усиленные методы шифрования и более надежные методы получения доступа к сети за счет применения шифровальных ключей. Таким образом, в сетях Smart Wi­Fi удается достигнуть принципиально нового уровня информационной защищенности.

Некоторые изготовители Wi­Fi­оборудования принимают собственные меры безопасности. В качестве примера можно привести систему обнаружения вторжений. Беспроводные ЛВС существенно отличаются от обычных тем, что злоумышленнику нужно находиться в зоне покрытия сети. Поэтому некоторые типы Wi­Fi­систем позволяют определить местоположение сетевого взломщика и заблокировать его сетевое устройство.

С внедрением Smart Wi­Fi беспроводные ЛВС практически перестанут отличаться от традиционных сетей. Сейчас разрабатывается возможность автоматического определения местоположения любых мобильных Wi­Fi­устройств. В недалеком будущем операторы сети смогут быстро определять местонахождение людей (скажем, врачей в больнице) или предметов (например, изделий на сборочной линии).

Сейчас идет бурное развитие Wi­Fi и других беспроводных телекоммуникационных технологий. Например, в Филадельфии создается Wi­Fi­сеть, охватывающая весь город. Все большую популярность завоевывает сотовая телефония третьего поколения (3G), а также новая технология беспроводной связи WiMAX (см. врез). С каждым годом мы все меньше зависим от проводов.

ОБ АВТОРЕ:
Алекс Хиллс (Alex Hills) – специалист по электронике и вычислительной технике, профессор Университета Карнеги­Меллона, где является заместителем ректора. Свою карьеру он посвятил беспроводным технологиям передачи данных. Хиллс спроектировал первую в мире беспроводную ЛВС Wireless Andrew и разработал инструмент для проектирования Wi­Fi­сетей, который получил название Rollabout.