Беспроводные сети передач данных. Реферат. Протоколы защиты беспроводных сетей Тенденции развития телекоммуникационных беспроводных сетей
 Скачать 126.44 Kb.
|
|
Wi-Fi – беспроводная локальная сеть Беспроводные локальные сети, более известные под именем Wireless Fidelity (Wi-Fi), созданы на основе семейства стандартов IEEE 802.11. На первых этапах своего существования термин "Wi-Fi" применяли только чтобы обозначать технологии, обеспечивающие связь в диапазоне частот свыше 2.4ГГц, но в настоящем времени его используют для беспроводных сетей и других технологий. Сеть Wi-Fi применяется для связи и обмена данными между узлами, однако это гибкая система обмена информацией, работающая подобно альтернативной проводной сети, находящейся в помещении или на определенной открытой территории. Эта сеть также используется для организации публичных точек доступа, таких как аэропорты, площади и другие многолюдные места и организация временных беспроводных сетей на период проведения фестивалей, футбольных матчей или выставок в музеях. Формирование семейства беспроводных сетей В 1990 году IEEE 802 создал группу по работе по стандартам для беспроводных сетей Wi-Fi. Основной их задачей являлось создание общего стандарта для сетей, работающих в частотном диапазоне 2.4 ГГц со скоростью соединения 1-2 Мбит/с. В 1997 году разработка стандарта была завершена и была ратифицирована первая спецификация 802.11. Этот стандарт был первым для устройств WLAN. Однако тогда начальная скорость передачи информации не соответствовала желаниям пользователей. Именно поэтому, чтобы удовлетворить всех пользователей и сделать эту технологию популярной, разработчики создали новый стандарт [6]. И уже осенью 1999 года было одобрено усовершенствование уже существующего стандарта. Новый стандарт назывался 802.11 High rate или сокращенно IEEE 802.11b. Посредством этого стандарта устройства беспроводных сетей могли передавать и получать данные на скорости свыше 11 Мбит/с. Эта скорость позволила использовать устройства в крупных корпоративных организациях. 4. Режимы работы стандарта IEEE 802.11 Стандарт IEEE 802.11 популярен и используется в различных отраслях, поэтому для большей эффективности сети используются определенные сетевые топологии, которые в той или иной ситуации будут наиболее подходящими. Стандарт IEEE 802.11 имеет несколько сетевых топологий: • Режим инфраструктуры; • Режим Ad Hoc; • Топология беспроводной сетки; • P2P сетевая топология. Сеть Wireless Mesh – это взаимосвязь подключенных узлов, образующих самостоятельную сеть. Если один узел сети «падает», то формируется новый путь для создания работающей сети. Сетчатые узлы используют стандарты 802.11, чтобы общаться друг с другом. Резервный сетчатый узел также может быть сконфигурирован для подключения к общедоступному шлюзу, если первичный сетчатый узел опустится[18]. К любому сетевому узлу могут быть подключены пользователи. Нагрузку на сетевой трафик нужно сбалансировать между различными узлами и создать эффективные механизмы маршрутизации, чтобы обеспечить быстрый путь общедоступной сети. Сеть P2P – это сеть Peer-to-Peer в которой одна беспроводная станция выполняет работу беспроводной головной станции. Главная станция рассылает маяки и отвечает за поддержку сети Peer to Peer. Остальные беспроводные станции подключаются к владельцу группы. Клиентскую станцию называют групповыми клиентами. Когда владелец группы покидает сеть, клиент группы примет роль владельца группы. Устройство владельца группы может одновременно присоединиться как устройство группового клиента к другой сети P2P, если он поддерживает несколько радиостанций 802.11[1]. В настоящее время существует большое количество стандартов группы IEEE 802.11. Рассмотрим наиболее распространенные и наиболее употребительные: 1. базовый 802.11; 2. 802.11a; 3. 802.11b; 4. 802.11g; 5. 802.11n. 6. 802.11p; 7. Mesh-сети 802.11s; Все стандарты IEEE 802.11 работают на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физически и канальном, поэтому любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet [6]. В середине лета 1997 года был обнародован стандарт IEEE 802.11, который назывался «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей». Этот протокол идентифицировал архитектуру сети, форматы пакетов, способы защиты данных и проверку подлинности, а также различные принципы доступа устройств к каналам связи. На начальном этапе своего существования стандарт 802.11 работал с оборудованием на частоте 2.4ГГц и максимальной скоростью до 2 Мбит/сек. Базовый протокол 802.11 на своем физическом уровне реализует 2 метода передачи данных: • Метод частотных скачков FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum); • метод прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum); FHSS – это технология передачи, в которой сигнал данных модулируется с помощью узкополосного сигнала-носителя, «перескакивающего» в случайной, но предполагаемой последовательности от частоты к частоте. Сигнал распространяется во временной области. Эта технология обеспечивает меньший уровень помех, ведь сигнал из узкополосной системы будет оказывать влияние на сигнал распространённого спектра только в том случае, когда оба сигнала имеют одинаковую частоту. Энергия сигнала распространяется во временной области, а не размельчая каждый бит небольшими кусочками в частотной области. Эта методика уменьшает помехи, поскольку сигнал из узкополосной системы будет влиять на сигнал распространённого спектра только тогда, когда оба передают одинаковую частоту. При правильной синхронизации поддерживается единый логический канал. Частоты, на которых будет происходить передача выбирается распространяемым или «прыгающим» кодом. Именно этот код должен быть настроен приемник и должен слушать входной сигнал в нужное время и правильную частоту, чтобы правильно принимать сигнал. (DSSS) – это техника распространения спектра, с помощью которой выходной сигнал данных умножается на псевдослучайный код распространения шума. Этот распространяющий код имеет более высокую скорость чипа (это битрейт кода) (рисунок 1.8.). DSSS значительно улучшает защиту от ненужных (или заклинивающих) сигналов, особенно узкополосных и делает сигнал менее заметным [5]. FHSS похож на метод перескока частоты, но в сетях GSM и EDGE. Устройства этого метода работают в частотном диапазоне от 2402 до 2480 ГГц и делят его на 79 равных непрерывных каналов, шириной 1МГц. DSSS во многих аспектах похож на метод в системе кодового разделения CDMA. Эти две технологии обеспечивают в сети максимально возможную для них, но скудную по нынешним меркам, скорость свыше 2Мбит/с. Стандарт IEEE 802.11 был внедрен в 1999 году. Основной задачей этого протокола является работа в частотном диапазоне свыше 5ГГц с максимальной скоростью передачи 54Мбит/с. Стандарт имеет технологию построения радиоканала на основе мультиплексирования с ортогональным делением частот (OFDM). То есть, передача данных производится с помощью ряда независимых радиосигналов. Такой метод приводит к снижению скорости передачи на каждой несущей, что непосредственно обеспечивает защиту от помех связи при достижении высокой пропускной способности. Несущие модулируют с помощью BPSK, QPSK, 16- и 64- позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM) Стандарт имеет 8 скоростей передачи, 3 из которых обязательны, а другие дополнительные. Стандарт 802.11а разбит на 3 поддиапазона, отличающихся между собой ограничениями по максимальной мощности излучения: - нижний диапазон (5170 – 5330МГц) – мощность передачи до 100мВт; - Средний диапазон (5470-5730МГц) – мощность передачи до 250мВт; - Верхний диапазон (5715 – 5835МГц) – мощность передачи данных до 1Вт; Недостатками этого стандарта есть высокая потребительская мощность и меньший радиус действия оборудования. По сравнению с оборудованием, работающим на частоте 2.4ГГц, радиус действия меньше примерно в три раза. Стандарт IEEE 802.11b был представлен в после усовершенствования ранее принятого стандарта IEEE 802.11. Этот стандарт имеет максимальную скорость передачи информации более 11Мбит/с, однако за счет потерь протокола CSMA/CA в действительности скорость передачи через TCP – 5.9Мбит/с, а через UDP – 7.1Мбит/с. Стандарт IEEE 802.11b работает в частотном диапазоне 2.4ГГц с широкополосным 83.5МГц каналом. Диапазон разбит на 14 каналов, с интервалом в 5МГц, кроме последнего у которого 10МГц. Однако одного канала шириной в 5 МГц оказывается недостаточно, поэтому для передачи информации используется полоса частот шириной в 22МГц, как показано на рисунке 1.9. То есть, объединяются несколько соседних каналов, чтобы обеспечить беспрепятственную передачу данных. С помощью стандарта IEEE 802.11b на определенной территории могут одновременно работать несколько независимых различных беспроводных сетей через определенную комитетом спектральную маску. Она идентифицирует спектр мощности передатчика, работающего в одном из каналов. Стандарт IEEE 802.11g является усовершенствованием стандарта IEEE 802.11b. Благодаря применению более эффективных технологий модуляции сигнала была повышена скорость передачи информации до 54Мбит/с. Стандарт 802.11n включает в себя множество усовершенствований по сравнению с устройствами стандарта 802.11g. Усовершенствование позволяет работать на одном из диапазонов 2.4 ГГц или 5 ГГц [16]. Была добавлена возможность одновременной передачи сигнала с помощью четырех передающих устройств, усовершенствована модуляция и обработка сигнала на физическом уровне (PHY). И канальный уровень не остался в стороне, в нем было реализовано более эффективное применение допустимой пропускной способности. В совокупности эти усовершенствования могли обеспечивать максимальную скорость передачи данных почти в 10 раз больше своих предшественников, примерно до 600Мбит/с. Основными улучшениями были: 1. Создание многоканального входа/выхода (MIMO); 2. Увеличение ширины полосы пропускания от 20МГц до 40МГц; Многоканальный вход/выход (MIMO) Стандарт 802.11n ввел в сеть MIMO. Расшифровывается оно в виде Multi-Input и Multiple-output. В 80-е и начале 90-х годов были проведены значительные исследования в области многоканальной техники передачи с целью использования многоканального распространения для передачи нескольких потоков информации через несколько антенн одновременно. В ее основе лежала концепция многопутного распространения. То есть каждый сигнал, передаваемый от антенны, сталкивается и отскакивает от непрозрачных твердых предметов на пути к приемнику. Полученный сигнал будет смесью передаваемого сигнала, поступающего на разные промежутки времени, а также под разными углами прибытия. Теория заключалась в том, что если несколько потоков были настроены таким образом, что передаваемые ими сигналы были достаточно обособленными, так что каждый из принимаемых сигналов может быть независимо декодирован на приемнике – это привело бы к увеличению пропускной способности системы. Количество антенн при одновременной работе прямо пропорционально относится к величине максимальной скорости передачи данных. Чем больше антенн – тем больше скорость передачи. Но начисление только большого количества антенн не увеличивает максимальную скорость передачи и расширения диапазона, это будет работать только с поддерживающими стандарт IEEE 802.11n. Именно в этих устройствах используется метод обработки сигнала, который определяет алгоритм работы MIMO – устройств при применении определенного количества антенн. 5. Протоколы защиты беспроводных сетей WEP декапсуляция WEP придерживается нижеприведенной процедуры для декапсуляции полученного зашифрованного кадра 802.11 WEP: - WEP извлекает вектор инициализации (IV) и идентификатор ключа из полученного пакета для получения соответствующего ключа WEP. При использовании ключей сопоставления клавиш будет использоваться ключ сопоставления клавиш, а идентификатор ключа игнорируется; - система расшифровки WEP создает поток ключей и применяет поток ключей на зашифрованном пакете для получения простого текста MPDU; - ICV перечисляется и сравнивается с ICV, соединенным MPDU. Если несоответствие ICV – кадр опускается, а верхнему слою предоставляется указание как ошибка дешифрования. Проблемы в шифровании WEP В проводной сети – из-за того, что станции подключаются с помощью кабелей, данные достаточно безопасны сами по себе. Однако, когда среда передачи воздушна, все передачи данных слышатся каждой станцией в сети. Данные могут обнюхиваться хакерскими станциями, которые могут попробовать и расшифровать пакеты [2]. WEP был разработан, чтобы обеспечить безопасность, эквивалентную проводной сети. Однако WEP не удалось обеспечить то же, что реализация безопасности WEP была серьезно ошибочной. Решение проблем. Проблемы WEP были устранены в ключе TKIP шифрования из-за увеличения длины IV до 48 бит. Кроме того, если поле IV номера исчерпано, новый ключ TKIP необходимо обменять с точкой доступа. Извлечение IV длины заняло бы очень большое количество времени - благодаря 48-битной длине и другим параметрам (например, тайм-аут клавиши PTK) будет попадать до исчерпания IV длины. Первый стандарт шифрования Wired Equivalent Privacy был дискредитирован нахождением уязвимостей в алгоритме распределения ключей RC4. Это несколько затормозило развитие рынка беспроводных Wi-Fi сетей и вызвало создание Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) группы 802.11i для разработки нового стандарта безопасности, учитывающего известные уязвимости WEP, обеспечивающего 128-битное шифрование AES и аутентификацию для защиты передаваемых данных. [2]. WPA WPA означает беспроводной защищенный доступ. Стандарт WPA был введен Альянсом Wi-Fi. Стандарт WPA ввел TKIP в качестве продвижения на WEP для обеспечения лучшей безопасности. WPA также представила проверку подлинности пользователя верхнего уровня для устройств 802.11. Описаны два способа аутентификации пользователя 1. Предварительный ключ (рукопожатие EAPOL); 2. 802.1X рукопожатия верхнего слоя EAP/EAPOL для аутентификации пользователя; Оба вышеуказанных механизма аутентификации включают аутентификацию пользователя, а также генерируют набор ключей шифрования, которые могут быть использованы для защиты данных. Ассоциация WLAN и механизм аутентификации могут быть разбиты на три фазы: 1. Станция WLAN и точка доступа ассоциируются друг с другом и определяют, используется ли механизм аутентификации с помощью общедоступного ключа / 802.1X 2. Выбранный механизм проверки подлинности создает "главный ключ" в конце фазы 2. 3. Главный ключ используется в четырехстороннем рукопожатии EAPOL, полученном временными ключами для шифрования данных в конце фазы 3[1]. Механизм шифрования TKIP Протокол шифрования TKIP был введен для исправления ошибок, обнаруженных при шифровании WEP, до момента, когда был разработан более безопасный механизм шифрования (AES). Итак, сети, поддерживающие TKIP, стали стационарной сетью перехода. Алгоритм TKIP применил модификации к существующему алгоритму WEP для решения уязвимостей WEP и тем самым разрешил существующие к тому времени проблемы. Схема шифрования TKIP не требует дополнительных требований к аппаратному обеспечению и могла быть реализована над оборудованием WEP. Следовательно, схема шифрования TKIP широко применялась в течение определенного периода времени до появления надежных сетей безопасности. TKIP использует тот же формат, что и формат кадра WEP Encryption с дополнительным полем расширенной векторной инициализации (IV) (4 байта) и полем MIC (8 байт). Тенденции развития телекоммуникационных беспроводных сетей Актуальность данной темы заключается в том, что для развития общества необходимо внедрение инновационных систем. Это связано с тем, что человечество переходит на новый уровень общения и передачи информации. Теперь для того чтобы передать сообщение нет необходимости находиться на близком расстоянии. Есть возможность передавать информацию из разных точек планеты. Поэтому коммуникационные системы очень сильно влияют на все сферы жизни человека. Развитие связи в начале ХХI века в целом характеризуется следующими понятиями: универсализация, интеграция, интеллектуализация – в части технических средств и в сетевом плане; глобализация, персонализация – в части услуг. Прогресс в области связи основан на разработке и освоении новых телекоммуникационных технологий, а также на дальнейшем развитии и совершенствовании еще не исчерпавших свой потенциал существующих технологий. Развитие мобильных сетей и удешевление оборудование и услуги для них, привело к тотальной телефонизации общества. Так, согласно данным компаний, предоставляющих услуги мобильной связи в 97 странах мира количество мобильных устройств превысило численность населения. Согласно результатам исследований Cisco за период с 2011 по 2016 год объем мирового мобильного трафика вырастет в 18 раз в 10,8 эксабайт в месяц. Анализируя состояние развития коммуникационных сетей, можно утверждать, что информационное пространство в ближайшее время сильно изменится. В первую очередь это произойдет благодаря тому, что происходит конвергенция мобильной связи и Интернета. Трансформация традиционных сетей общего пользования с коммутацией каналов инфокоммуникационные сети происходит, главным образом, на основе пакетной технологии передачи информации. Ввиду этого телекоммуникационные сети превращаются в инфокоммуникационные сети, предоставляющие пользователям все большее количество взаимодополняющих услуг (включая так называемые услуги контента). По исследованиям аналитиков Ericsson, проводившихся в Европе, Азии и Северной Америки, такой взрывной рост стал возможен благодаря появлению все более совершенных мобильных устройств и разного контента. С распространением смартфонов и других мобильных устройств люди чаще используют мобильные устройства не только для посещения Интернет-страниц, но и для просмотра онлайнвидео, использования популярных ресурсов таких, как You Tube, и других предоставляющих возможность просматривать передачи телеканалов или слушать радио. Это приводит к перегрузке сети мобильных операторов, что негативно влияет на качество услуг связи. В то же время, по оценке специалистов Alcatel-Lucent, в сетях будущего будет в 10…15 раз больше конечных устройств, не являющихся мобильными терминалами (телефонами, смартфонами, планшетами). И вопрос развития сетей будущего будет зависеть именно от их способности работать с такими разнородными компонентами. Дополнительные услуги (VAS-услуги) операторов мобильной связи также осуществляют значительная нагрузка на сеть. По данным AC&M Comsulting, в Европе за прошлый год объем рынка дополнительных услуг вырос на 10%, в США – на 25%. Что составляет почти четвертую часть прибыли операторов. Исследователи CiscoSystems пришли к выводу, что учитывая тенденции роста популярности различных приложений, в последующие несколько лет потребность в полосе пропускание будет расти на 300…500% ежегодно. Но не все настоящие технологии найдут место в сетях завтрашнего дня. Это касается в первую очередь WiMAX. Подтверждением этому является оборудование мобильных устройств, которые сегодня поступают на рынок. Очень незначительная судьба их оборудована WiMAX и тенденции к увеличения таких устройств не наблюдается. А гаджеты с поддержкой Wi-Fi практически овладели рынком мобильных устройств. Учитывая такое их распространение, в крупных городах во время пиковой нагрузки на сети практически невозможно использовать Wi-Fi. Беспроводных сетей вокруг настолько многое, что они друг другу постоянно мешают. В будущем эта проблема станет еще острее, поэтому решить ее можно будет лучшей регулировкой. Сегодня большинство беспроводных сетей есть хаотично, никто не занимается координацией их работы. Поэтому можно заключить, что технология Wi-Fi будет актуальной и в будущем, но при условии скоординированной и взаимосвязанной работы беспроводных и сотовых сети. Это касается не только Wi-Fi, но и Bluetooth и других беспроводных технологий. Опираясь на проведенный анализ, можно сделать выводы, что на развитие телекоммуникационных сетей будут влиять три основных тенденции: рост количества смартфонов, планшетов и других мобильных устройств; рост средней скорости функционирование мобильных сетей и площадей покрытия сетей 3G; рост популярности среди популяция социальных сетей. Например, уже сейчас можно утверждать, что в сетях будущего будет работать очень много разных устройств. Кроме уже работающих смартфонов и планшетов, дополнительную нагрузку на сеть будут давать значительный ряд разной техники. Это могут быть, например, автономные температурные сенсоры, следящие за погодой, HD-видеокамеры наблюдение и т.д. Значительная часть этих устройств должна работать в режиме онлайн. По оценкам Informa Telecom&Media развитие сетей состоится, прежде всего, за счет IP-телефонии. При разработке инфокоммуникационных сетей будущего необходимо учитывать тенденции использования существующих ресурсов на основе возможностей развития технологий. Ввиду этого, в будущем можно будет ожидать бурный скачок потребления трафика. Эту проблему можно решить несколькими способами: – в местах с большой загрузкой необходимо увеличить количество базовых станций, применить пикасоты – небольшие базовые станции, что позволит обслуживать ограниченные площади большим скоплением людей; – использование большего числа частот для работы мобильных сетей; – внедрение новых стандартов. Облачные технологии помогут значительно увеличить мобильные устройства. Благодаря этим технологиям приложения будут выполняться не на самом устройстве, а в облаке. Указанное обеспечит уменьшение физических размеров самого мобильного устройства и решит проблему продолжительности автономной работы от аккумулятора. Одним из основных направлений развития будущих сетей может стать создание настраиваемого передатчика и который сможет поддерживать различные стандарты беспроводных коммуникаций в одном диапазоне частот Создание такого программируемого радиомодуля позволит операторам мобильной связи более гибко размещать базовые станции. Учитывая указанное, можно утверждать, что время вертикально-интегрированных моделей, когда сеть строит, обслуживает и наполняет услугами один оператор, подходит к концу. Будущее сетей – инфокоммуникационная кооперация. Процесс конвергенции разнородных типов связи должен окончательно стереть грани между ранее жестко разделенными услугами фиксированных и мобильных сетей. На пути к этому необходимо решить не только технологические, но и нормативные ниши: проблемы, но на этом пути стоят не столько технологические проблемы, сколько принадлежность абонента, биллинг, собственность и т.д. Создание инфокоммуникационных коопераций невозможно без решения этих проблем в целях обеспечения абонентов качественными услугами. Для обеспечения этих требований необходимо обеспечить работу быстродействующего Интернета широкой полосой доступа с высокоскоростным сквозным подключением, с оптимизированным протоколом, адресацией и маршрутизацией, поддержкой открытых общих служб и приложений и с эволюционным подходом к архитектуре сети, имеющей 100% покрытие территории. При создании мобильных беспроводных широкополосных систем приоритетом должно стать: – разработка LTE (Long Term Evolution – долгосрочное развитие) систем с акцентом на среднесрочную и долгосрочную перспективу с целью стандартизации создания новых радиосетей, учитывая необходимость значительных затрат энергии и магнитобиологии; – разработка новых технологий для гибкого использования спектра и мобильного широкополосного доступа, новых подходов к реализации идеи когнитивного радио, а также разработка концепции эталонных реализаций на основе коммерческих и нормативных ограничений; – топология сетей должна учитывать гибкость, обеспечивать использование смешанных аналого-цифровых устройств и новых методов обработки сигналов, учитывая необходимость ее автономии, энергетической эффективности при меньшей мощности базовых станций, меньших размеров соты, высокой пропускной способности магистралей, высокой электромагнитной совместимости. Сети должны поддерживать большое количество устройств, на многие порядки выше, чем существующая сеть Интернета, обработку большого количества потоков информации, будущие сети должны создаваться на основе протокола IP; – интеграция технологий радиосвязи с волоконно-оптическими сетями, для объединения мобильных и беспроводных сетей в комплексные системы связи с целью обеспечения высокоскоростного беспроводного доступа во всех сферах деятельности человека; – сети должны быть готовы к обеспечению обмена нетипичной для них информации в новых областях применения; – обеспечение надежной защиты информации, смежное направление – инфобанкинг, глобальный информационный депозитарий, система связанных банковских данных, без которых нет могут существовать многие персонально ориентированные сервисы; – создание новой системы управления инфокоммуникационными сетями. Стратегия развития телекоммуникационных сетей должна основываться на использовании новейших технологий, отвечающих международным стандартам, учитывать необходимость технологического взаимодействия всех сетей при предоставлении телекоммуникационных услуг, обеспечить повышение эффективности их функционирование Телекоммуникации играют значительную роль в социальной и экономической деятельности общества, обеспечивая оперативное или интерактивное передачу информации. Развитие телекоммуникаций должно осуществляться опережающими темпами по сравнению с общими темпами развития экономики и будет определяющим на ближайшую и более отдаленную перспективу. Медленные темпы развития телекоммуникаций влекут за собой снижение конкурентоспособности экономики России. Также телекоммуникации играют значительную роль в ускорении развития экономики и социальной сферы. С учетом технологических потребностей одновременном и гармоничном развитии телекоммуникационных сетей, а также возможности опережающего использования в РФ современных и перспективных средств телекоммуникаций, основными направлениями развития телекоммуникационных сетей следует считать: |