БСТ. Введение в технологии беспроводной связи
 Скачать 0.55 Mb.
|
|
Введение в технологии беспроводной связи. В настоящее время технология беспроводной связи переживает настоящий бум своего развития. В основном это связано с прочным входом в нашу жизнь смартфонов, планшетных компьютеров и нетбуков, которые для полноценного использования требуют постоянный доступ к сети интернет, в том числе и при движении. Кроме этого, в промышленности, сельском хозяйстве ну и естественно в военной сфере назревает необходимость в организации надежных систем управления распределенными объектами и объединение их в глобальную сеть. Подобные тенденции наблюдаются во всем мире и ведут к неминуемому развитию беспроводных технологий связи. Системы АСУ ТП, которые зачастую являются распределенными, характеризуются в настоящее время тенденцией модернизации при условии неизменности основных средств производства (линий, машин и механизмов). Качество производства меняется в короткие сроки за счет модернизации АСУ ТП, в том числе, с применением беспроводных технологий, приносящих экономию средств и времени, по сравнению с развертыванием проводных сетей. Сегодня основная проблема для пользователя, решившего применить беспроводные решения, заключается в выборе соответствующей технологии. Существует множество типов беспроводной связи и, как и в проводных сетях, к различным системам предъявляются различные требования. Внутри зданий к беспроводным технологиям прибегают прежде всего тогда, когда кабельные работы невозможны (по техническим, организационным или экономическим причинам) либо когда необходимо обеспечить обмен данными с пользователями, перемещающимися в пределах зданий. Последнее не следует путать с мобильной связью: речь идет не о реализации обмена информацией непосредственно в процессе движения, а о возможности работать в сети из любой точки помещения (здания). Для таких применений имеется специальный термин - "роуминг" (от английского "roam" - слоняться, блуждать). Беспроводные сети передачи данных внутри зданий весьма широко распространены на Западе - именно это и есть та самая область для применения новых технологий. Технологии и стандарты создания беспроводных локальных сетей. Локальные беспроводные сети WLAN строятся для обмена информацией мобильных пользователей или аппаратных устройств, находящихся па небольшом расстоянии друг от друга. Радиус действия такой сети соответствует радиусу действия проводной локальной сети — от одной комнаты до нескольких зданий. С помощью таких сетей мобильные пользователи могут получать доступ к корпоративным или глобальным сетям, находясь в зоне действия WLAN. Как правило, радиус действия локальной сети не более 300 м на открытой местности и 35 м в помещении. Эта технология является основной для построения беспроводных корпоративных сетей. Стандарт IEEE 802.11 для беспроводной сети был разработан в 1997 г. для беспроводных локальных сетей. В 1999 г. появилась новая версия стандарта IEEE 802.11b для беспроводных сетей, работающих со скоростью 11 Мбит/с (подобно Ethernet). Совместимость устройств различных производителей в этом стандарте гарантирована независимой организацией WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), членами которой стали более 80 крупных компаний. Стандарт IEEE 802.11 определяет два тина оборудования: • клиент, обычно представляющий собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (NIC, Network Interface Card), также называемой сетевым адаптером, или просто адаптером; • точка доступа (Access Point, АР), которая может использоваться для объединения нескольких компьютеров в сеть, обеспечивая каждому из них выход в Интернет и подключение к сетевым принтерам. Точка доступа может также исполнять роль моста между проводной и беспроводной сетями. Она содержит приемопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), ПО для обработки данных. Технология беспроводной связи Wi-Fi распространяется стремительно, особенно в области устройств бытовой техники — в телевизорах, DVD-проигрывателях, стереосистемах и другом оборудовании, которое можно соединить друг с другом и ПК. Технология позволяет получать мультимедийную информацию из Интернета и помещать ее на своем ПК или воспроизводить ее на аудио- и видеосистемах. Например, компания Sony представила новую модель ИТ-телевизора, Airboard IDT-LF2, с функциями беспроводного подключения к LAN. Принципы работы беспроводной локальной сети. Wi-Fi – это беспроводная технология передачи данных, беспроводная локальная сеть (WLAN). В принцип работы Wi-Fi положена передача зашифрованных сигналов посредством СВЧ-волн (сверхвысокочастотные волны) на небольшие (десятки метров) расстояния. Схема сети состоит минимум из двух элементов: точка доступа и клиент. Точка доступа транслирует идентификатор (SSID, имя сети) посредством спецпакетов данных 10 раз в секунду со скоростью 100 Кбит/с. Это теоретически наименьшая пропускная способность беспроводного канала. При попадании в зону действия и обнаружении сигнала устройство-клиент делает вывод о возможности подключения к ней (разность технологий может стать тому помехой). Передатчик может и не передавать свой идентификатор, тогда сеть будет невидимой для клиентов. Подключиться к ней можно только посредством ввода SSID и пароля, если она защищена. Точкой доступа в домашних Wi-Fi сетях является преимущественно беспроводной маршрутизатор – роутер. Он и клиенты должны работать в одном режиме (частота, модуляция сигнала). Рассмотрим на примере раздачи интернета в частном доме. Роутер получает трафик через сетевой кабель, преобразовывает его в радиоволны и распространяет их «по воздуху» в виде радиосигналов сверхвысокой частоты с определёнными параметрами. Приёмник «ловит» эти волны и декодирует их (расшифровывает, извлекает из них информацию, которая кодируется несущей частотой). Алгоритмы «упаковки» данных описаны в соответствующих стандартах и отличаются от версии к версии. Аналогичным образом осуществляется и передача цифровых данных. Системы беспроводных локальных сетей Беспроводная локальная сеть ( WLAN ) - локальная сеть, в которой соединения между сетевыми устройствами выполнялись без использования проводов. Термин Wi-Fi (хотя первоначально это было название только одного продукта, использующего определенный стандарт WLAN) используется в качестве синонима для термина WLAN. Эти типы сетей чаще всего создаются с использованием микроволн в качестве среды передачи сигнала, а также с использованием инфракрасного излучения . Они разработаны на основе стандарта IEEE 802.11 , который описывает физический и MAC- уровни. Для связи через микроволны используется диапазон 2,4 ГГц [в стандартах: 802.11, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac и 802.15.1 (bluetooth)] или 5 ГГц (в стандартах 802.11a, 802.11n, 802.11 переменный ток). В Европе полоса 2,4 ГГц разделена на 13 каналов в диапазоне 2400–2483,5 МГц с шагом 5 МГц (центральная частота первого канала составляет 2412 МГц). Однако полоса пропускания, занимаемая одной сетью, составляет около 20 МГц, поэтому на практике только три сети могут работать без взаимных помех, поскольку каналы перекрываются. Каждый канал имеет свою собственную несущую частоту , которая модулируется при передаче информации. Скорость передачи данных зависит от используемого стандарта и расстояния между используемыми устройствами и обычно составляет 11 (802.11b) или 54, 108 (802.11a / g) Мбит / с . Технологии беспроводных персональных сетей. Беспроводные технологии служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение. В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения. Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий. Классификация по дальности действия: Беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Networks). К этим сетям относятся Bluetooth. Беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Networks). К этим сетям относятся сети стандарта Wi-Fi. Беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - WiMAX. Персональная беспроводная сеть (сокращённо WPAN) – это беспроводная сеть низкого диапазона, покрывающая область в нескольких десятков метров. Сеть такого рода используется, как правило, для подключения периферийных устройств (таких как принтеры, мобильные телефоны и бытовые приборы) или КПК к компьютеру, или пары находящихся рядом компьютеров без использования проводного соединения. Технология Bluetooth − производственная спецификация беспроводных персональных сетей. Она обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе от 1 до 10 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях Технология ZigBee − название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. ZigBee нацелена на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных, при небольших скоростях передачи данных. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения данной технологии − это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров. Беспроводные локальные сети для домашнего применения. Беспроводные локальные сети удовлетворяют требованиям, предъявляемым к беспроводным соединениям для реализации связи в зданиях и кампусах. Обладая характеристиками и уровнем защиты, сравнимыми с таковыми проводных сетей, решения на основе беспроводных локальных сетей используются в домашних условиях, небольших офисах, на предприятиях и в общественных местах. Беспроводная локальная сеть для дома или небольшого офиса (рис. 5.4) обычно включает в свой состав один маршрутизатор беспроводной локальной сети, через который и осуществляется широкополосное соединение с Internet (через DSL или кабельный модем). Типичный радиус действия такого маршрутизатора обычно бывает достаточным для обеспечения связи в пределах дома, квартиры или небольшого офиса. Маршрутизатор необходим, если предполагается использование более одного сетевого устройства. Например, если в доме есть беспроводные ПК, ноутбук и принтер, то для обеспечения всех этих устройств сетевыми адресами необходимы протоколы NAT и DHCP.  Всего одна точка доступа в доме или небольшом офисе также обеспечит работоспособность сети, но она позволит только одному устройству получить IP-адрес и, соответственно, доступ к Internet. Это обусловлено тем, что большинство точек доступа не работают по протоколам NAT и DHCP. Но комбинация точки доступа и проводного маршрутизатора может заменить маршрутизатор беспроводной локальной сети (рис. 5.5). И это менее дорогостоящее решением, чем приобретение маршрутизатора беспроводной локальной сети, если у вас уже есть точка доступа или проводной маршрутизатор (или и то, и другое).  Структура беспроводной системы: как работает беспроводная сеть. Беспроводная сеть или беспроводная локальная сеть (WLAN) служит той же цели что и проводная, а именно для связи группы компьютеров и предоставления доступа к сети Интернет. Организация беспроводной сети не требуют дорогостоящей проводки ко всем компьютерам, их основным преимуществом является то, что они легче, быстрее и дешевле в установке. Беспроводные сети работают с использованием радиочастотной (RF) технологии, с частотами в диапазоне электромагнитного спектра, связанные с распространением радиоволн. Когда подается ток, создается электромагнитное поле, которое затем может распространяться в пространстве. Краеугольным камнем беспроводной сети является устройство (маршрутизатор или роутер), известного как точка доступа (AP). Основная работа точки доступа заключается в передаче беспроводного сигнала, который могут обнаружить компьютеры. Так как беспроводные сети обычно подключаются к проводным, предоставленные провайдером, точка доступа также часто служит ссылкой на ресурсы, доступные в проводной сети, такие как подключение к Интернету. Для того чтобы подключиться к точке доступа и к беспроводной сети, компьютеры должны быть оснащены беспроводными сетевыми адаптерами. Они часто встроены прямо в компьютер, но если нет, то практически на любой компьютер или ноутбук можно подключить адаптер в свободный слот расширения, USB порт, или в случае ноутбуков, слот PC Card. Есть несколько технологических стандартов для беспроводных сетей и вам необходимо знать их перед покупкой любого оборудования. Наиболее распространенные стандарты беспроводных технологий включают: 802.11b: Первый широко используемая беспроводная сетевая технология, известная как 802.11b (чаще называется Wi-Fi), впервые дебютировала почти десять лет назад, но используется до сих пор. 802.11g: В 2003 году появилась последующая версия под названием 802.11g, которая предлагает более высокую производительность (то есть, скорость и дальность действия) и остается наиболее распространенной беспроводной технологией для современных сетей. 802.11n: Еще один улучшенный стандарт 802.11n был введен в 2009 году. Беспроводное сетевое оборудование поддерживает несколько стандартных схем шифрования, но наиболее распространенными являются Wired Equivalent Privacy (WEP), Wi-Fi Protected Access (WPA), а также Wi-Fi Protected Access 2 (WPA2). В беспроводных сетях используются те же компоненты, что и в проводных сетях, однако беспроводные сети должны уметь преобразовывать информацию в форму, пригодную для передачи ее через воздушную среду (medium). Хотя беспроводная сеть непосредственно включает только часть всей инфраструктуры сети, снижение параметров всей сети вызывается, несомненно, ухудшением, вызванным применением беспроводной среды передачи. В этой главе рассматриваются концепции, общие для всех типов беспроводных сетей, в частности, их компоненты и информационные сигналы. Инфраструктуры беспроводных сетей. Вся инфраструктура беспроводных сетей состоит из следующих элементов: сетевые карты - обычно PCI , USB или PCMCIA точки доступа антенна кабели, разъемы, адаптеры , антенные разветвители , терминаторы Инфраструктура беспроводной сети обеспечивает беспроводное взаимодействие пользователей и оконечных систем. Ее могут образовывать базовые станции, контроллеры доступа, программное обеспечение приложений, обеспечивающих установление соединений, и распределительная система. Эти компоненты участвуют в беспроводной связи и выполняют важные функции в конкретных применениях. Базовые станции Базовая станция — распространенный компонент инфраструктуры. Она обеспечивает передачу информационных сигналов беспроводных сетей, распространяющихся через воздушную среду, в проводную сеть, ее иногда называют распределительной системой. Следовательно, базовая станция обеспечивает доступ пользователей ко множеству сетевых служб, таких как сервисы просмотра Web-страниц, электронная почта и базы данных. Базовая станция часто содержит плату интерфейса беспроводной сети, использующую те же принципы работы, что и плата интерфейса беспроводной сети в компьютере пользователя. Название базовой станции зависит от выполняемых ею функций. Например, точка доступа (access point) — это основная базовая станция беспроводных локальных сетей. Комплект точек доступа беспроводной локальной сети обеспечивает роуминг в пределах здания. Плата интерфейса сети, находящаяся в компьютерном устройстве пользователя, устанавливает соединение с ближайшей точкой доступа, обеспечивая взаимодействие с входящими в инфраструктуру системами и пользователями, ассоциированными с другими -точками доступа. Когда пользователь перемещается в помещение, ближе к которому расположена другая точка доступа, плата интерфейса сети автоматически переключается на связь с нею, поддерживая надежное соединение. Шлюзы и маршрутизаторы локальной сети — это примеры базовых станций с расширенными возможностями, обеспечивающих выполнение дополнительных функций в сети. Шлюз может выполнять такие функции, как контроль доступа и обеспечение взаимодействия приложений, что улучшает обслуживание распределенных сетей общего доступа. Маршрутизатор (router) обеспечивает работу нескольких компьютеров через одно широкополосное соединение. Классификация беспроводных сетей. Беспроводные сети позволяют людям связываться и получать доступ к приложениям и информации без использования проводных соединений. Это обеспечивает свободу передвижения и возможность использования приложений, находящихся в других частях дома, города или в отдаленном уголке мира. Например, человек, осуществляющий из своего дома поиск информации в Internet, может делать это вдали от шумных детей или сидя перед телевизором вместе со всей семьей. Беспроводные сети позволяют людям получать электронную почту или просматривать Web страницы там, где им удобно или нравится это делать. Беспроводные сети соседствуют с нами уже многие годы. Так, к примитивным формам беспроводной связи можно отнести дымовые сигналы американских индейцев, когда они бросали в огонь шкуры бизонов, чтобы передать на большое расстояние какое-то сообщение. Или использование прерывистых световых сигналов для передачи посредством азбуки Морзе информации между кораблями, этот метод был и остается важной формой связи в мореплавании. И, конечно, столь популярные ныне сотовые телефоны, позволяющие людям общаться через огромные расстояния, также можно отнести к беспроводной связи. Существует множество разновидностей беспроводной связи, но важнейшей особенностью беспроводных сетей является то, что связь осуществляется между компьютерными устройствами. К ним относятся персональные цифровые помощники (personal digital assistance, PDA), ноутбуки, персональные компьютеры (ПК), серверы и принтеры. Компьютерными устройствами считаются такие, которые имеют процессоры, память и средства взаимодействия с какой-то сетью. Обычно сотовые телефоны не относят к числу компьютерных устройств, однако новейшие телефоны и даже головные гарнитуры (наушники) уже обладают определенными вычислительными возможностями и сетевыми адаптерами. Все идет к тому, что скоро большинство электронных устройств будут обеспечивать возможность подключения к беспроводным сетям. Как и сети, основанные на использовании проводов или оптических волокон (optical fiber), беспроводные сети передают информацию между компьютерными устройствами. Эта информация может быть представлена в виде сообщений электронной почты, Web-страниц, записей базы данных, потокового видео или голосовых сообщений. В большинстве случаев беспроводные сети передают данные (data), такие как сообщения электронной почты и файлы, но по мере улучшения характеристик беспроводных сетей они способны передавать и видеосигналы, а также обеспечивать телефонную связь. Беспроводные сети в качестве средства передачи для обеспечения взаимодействия между пользователями, серверами и базами данных используют радиоволны или инфракрасный (ИК) диапазон 1 . Эта среда передачи невидима для человека. Кроме того, действительная среда передачи (воздух) прозрачна для пользователя. Сейчас многие производители интегрируют платы интерфейса сети (network interface card, NIC), так называемые сетевые адаптеры, и антенны в компьютерные устройства таким образом, что они не видны пользователю. Это делает беспроводные устройства мобильными и удобными в применении. В зависимости от размеров физической зоны, связь в которой они способны обеспечить, беспроводные сети подразделяются на несколько категорий: • беспроводная персональная сеть (wireless personal-area network, PAN); • беспроводная локальная сеть (wireless lokal-area network, LAN); • беспроводная городская сеть (wireless metropolitan-area network, MAN); • беспроводная глобальная сеть (wireless wide-area network, WAN). Эти термины являются лишь расширением обобщенных форм проводных сетей (таких как LAN и WAN), использовавшихся задолго до появления беспроводных сетей. В табл. 1.1 дана краткая характеристика разновидностей таких сетей. Каждый тип беспроводной сети имеет дополняющие другие сети особенности, благодаря чему удовлетворяются различные предъявляемые к сетям требования   Технологии и стандарты создания беспроводных локальных сетей. Беспроводная локальная сеть (англ. Wireless Local Area Network; Wireless LAN; WLAN) — локальная сеть, построенная на основе беспроводных технологий. При таком способе построения сетей передача данных осуществляется через радиоэфир; объединение устройств в сеть происходит без использования кабельных соединений.Наиболее распространённым на сегодняшний день способом построения является Wi-Fi. Создание беспроводных локальных сетей — помогают более гибко проводить рабочие процессы в различных компаниях. Такие сети позволяют сотрудникам с легкостью обмениваться информацией и документами с различных устройств. Первый стандарт беспроводной локальной сети Wi-Fi был одобрен в 1997 г. От момента появления до наших дней появились следующие стандарты данной сети 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ad, 802.11ax. Для каждого стандарта указаны скорости и диапазоны частот, на которых осуществлялась передача данных, а также описаны технологии, на которых они построены. Беспроводная локальная сеть Wi-Fi имеет три топологии: 1) Ad-Hoc ("точка-точка") или Independent Basic Service Set; 2)Basic Service Set ("клиент/сервер") 3)Extended Service Set ("расширенные зоны обслуживания"). Беспроводные региональные сети. |