Моя дипломная работа

Рис. 1.8.Мостовой режим

Режим беспроводного моста, аналогично проводным мостам, служит для объединения подсетей в общую сеть. С помощью беспроводных мостов можно объединять проводные LAN, находящиеся как на небольшом расстоянии в соседних зданиях, так и на расстояниях до нескольких километров.

Термин WDS with AP (WDS with Access Point) обозначает

“распределённая беспроводная система с точкой доступа”. С помощью этого режима можно организовать не только мостовую связь между точками доступа, но и одновременно подключить клиентские компьютеры (Рис. 1.9).

Это позволяет достичь существенной экономии оборудования и упростить топологию сети. Данная технология поддерживается большинством современных точек доступа.

Рис. 1.9.Режим WDS with AP

21

Тем не менее, все устройства в составе одной WDS with AP работают на одной частоте и создают взаимные помехи, что ограничивает количество клиентов до 15-20 узлов. Для увеличения количества подключаемых клиентов можно использовать несколько WDS-сетей, настроенных на разные неперекрывающиеся каналы и соединенные проводами через uplink-порты.

Топология организации беспроводных сетей в режиме WDS

аналогична обычным проводным топологиям (шина, кольцо, звезда).

1.4.2 Физический уровень 802.11

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один – в инфракрасном диапазоне.

Радиочастотные методы работают в ISM-диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц от 2,400 ГГц до 2,483 ГГц. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах,

увеличивают надёжность, пропускную способность, позволяют многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга. Стандарт 802.11 использует метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Эти методы кардинально отличаются, и несовместимы друг с другом.

1.4.3 МАС-уровень стандарта IEEE 802.11

Уровень MAC получает блок данных от уровня LLC и отвечает за выполнение функций, связанных с доступом к среде, и за передачу данных.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает два режима управления сетью:

DCF (Distributed Coordination Function), когда функции управления распределены между всеми устройствами сети IEEE 802.11 и режим PCF (Point Coordination Function), когда они сосредоточены в одной определенной точке доступа.

В режиме DCF все устройства работают по принципу конкурентного доступа к каналу передачи, т. е. приоритетов не существует. Работа в

22

режиме PCF может происходить только под управлением специальной точки доступа, называемой точкой координации (PC). Необходимость в режиме централизованного управления PCF может возникнуть при передаче чувствительной к задержкам информации (например, видеопотоков),

когда необходимо вводить приоритеты доступа.

Когда сеть переходит в режим PCF, в определенные, периодически повторяющиеся интервалы, конкурентный доступ отменен, и весь обмен происходит под управлением координирующего устройства (PC) (рис.1.10).

Рис. 1.10. Циклы работы сети в режимах с концентрированным (PCF) и

распределенным (DCF) управлением

По завершении такого интервала сеть возвращается в режим DCF.

Интервалы под управлением PC следуют через строго определенный период,

в начале каждого интервала PC передает особый сигнальный кадр (Beacon). PC не может передать очередной сигнальный кадр до тех пор, пока канал не освободится, т. е. очередной “свободный от конкуренции” интервал может начаться с задержкой.

Однако основной принцип сетей Ethernet — это все же произвольный конкурентный доступ, что и делает их столь простыми в эксплуатации и реализации. В проводных сетях Ethernet используется механизм множественного доступа к каналу связи с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detection). Станция начинает передачу, только если канал свободен.

Если станции обнаруживают, что на одном канале пытаются работать

23

несколько станций, все они прекращают передачу и пытаются возобновить ее через случайный промежуток времени. Таким образом, при передаче устройство должно контролировать канал - работать на прием.

Это относительно просто при проводной связи, но проблематично в беспроводных коммуникациях — затухание сигнала в эфире намного сильнее, чем в проводе. По этой причине возникают две основные проблемы.

Во-первых, весьма сложна, если вообще разрешима, задача контроля несущей передающим устройством (когда оно вещает, то собственный сигнал намного мощнее, чем сигнал удаленного устройства). Во-вторых,

возможна ситуация, когда два устройства (А и В) удалены и не слышат друг друга, но оба попадают в зону охвата третьего устройства (рис. 1.11) так называемая проблема скрытых станций.

Рис. 1.11. Иллюстрация проблемы скрытой точки

Если оба устройства, А и В, начнут передачу, то они принципиально не смогут обнаружить конфликтную ситуацию и определить, почему пакеты не проходят.

Для устранения подобных проблем в спецификации IEEE 802.11

принят механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)- множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий. Перед началом передачи, устройство слушает эфир и дожидается,

когда канал освободится. Канал считается свободным при условии, что не

24

обнаружено активности в течение определенного промежутка времени — межкадрового интервала (IFS) определенного типа. Если в течение этого промежутка канал оставался свободным, устройство ожидает еще в течение случайного времени отсрочки, и если канал еще не занят, передает пакет. Если пакет предназначен конкретному устройству (не широковещательная или многоадресная передача), то приемник, успешно приняв пакет, посылает передатчику короткий кадр подтверждения получения АСК (AC Knowledge).

Если передатчик не принял АСК, он считает посланный пакет утерянным и повторяет процедуру его передачи.

Если устройство повторно передает пакет, для определения незанятости канала оно должно использовать увеличенный межпакетный интервал (EIFS).

Кроме того, время отсрочки выбирается случайным образом на некотором интервале. При первой попытке передачи этот интервал минимален. При каждой последующей он удваивается до тех пор, пока не достигнет заданного предельного значения. Эти меры введены для того, чтобы устройство, успешно передавшее пакет, имело преимущества в захвате канала (кто ошибается, тот дольше ждет).

Однако описанные процедуры доступа не избавляют от проблемы скрытых станций. Для ее решения используются два дополнительных кадра:

RTS (Request to Send — запрос на передачу) и CTS (Clear to Send —

подтверждение готовности). Устройство, желающее отправить пакет данных,

передает адресату короткий кадр RTS. Если приемное устройство готово к приему, оно выставляет передающему ответный кадр — CTS. Далее в соответствии с описанной выше процедурой передающее устройство отправляет кадр с данными и дожидается подтверждения АСК.

Фактически кадр формируется на МАС-уровне, на физическом уровне к нему добавляется заголовок физического уровня (PLCP). Точный формат МАС-кадра (Рис. 1.12) несколько отличается для различных используемых протоколов MAC.

25

Рис. 1.12. Структура кадров MAC-уровня сети 802.11

Каждый МАС-кадр включает МАС-заголовок, поле данных (Frame Body) и поле контроля FCS.

В заголовке передается полная информация о версии протокола стандарта группы IEEE 802.11, типе кадра, системе защиты и т.д. (поле Frame

Control);

поле Duration/ID - длительность процедуры передачи пакета;

поля Address l-4 - адреса получателя/отправителя (четыре адресных поля необходимы, если пакеты передаются из подсети одной точки доступа в подсеть другой);

Sequence Control -информация о последовательности связанных пакетов.

Поле данных может быть различной длины или вовсе отсутствовать (в

контрольных кадрах).

FCS (frame check sequence) — поле контрольной последовательности кадра. Это избыточные символы циклического кода, предназначенного для выявления ошибок.

1.4.4 Соединение станций

Для установления соединения необходимы три сеанса обмена между беспроводной станцией и точкой доступа.

•Процесс зондирования.

•Процесс аутентификации.

•Процесс привязки (ассоциирования).

26

Процесс зондирования

Станция-клиент посылает зондирующий кадр запроса (probe request frame) стандарта 802.11. Обычно станция стандарта 802.11 посылает зондирующий кадр запроса по каждому доступному ей каналу. Этот процесс не оговорен в спецификации стандарта 802.11. Зондирующий кадр запроса содержит информацию о беспроводной станции стандарта 802.11, какую скорость передачи данных поддерживает станция, и к какой зоне обслуживания она принадлежит.

Клиентские станции посылают зондирующие кадры запроса вслепую,

как будто они ничего не знают о точках доступа, которые зондируют.

Когда точка доступа получает зондирующий кадр запроса, по отношению к которому была успешно выполнена процедура проверки контрольной последовательности кадра FCS, она посылает ответ на запрос-

зондирующий кадр ответа(probe response frame).

Когда клиентская станция получает зондирующий кадр ответа, она может определить уровень сигнала полученного кадра. Эта станция сравнивает зондирующие кадры ответа и определяет, к какой точке доступа они относятся. Механизм, благодаря которому клиентская станция выбирает точку доступа для привязки к ней, не описан в стандарте 802.11, так что он реализуется поставщиком самостоятельно. В общем случае критерий выбора точки доступа может включать согласование SSID, уровня сигналов,

скорости передачи данных и собственные критерии поставщика.

Процесс аутентификации

Процесс аутентификации по стандарту 802.11 может выполняться в двух режимах: аутентификация с открытым ключом (open authentication) и

аутентификация с совместно используемым ключом (shared-key authentication). Аутентификация в соответствии с этим стандартом ориентирована в основном на аутентификацию устройства (а не пользователя), и её процесс состоит в определении, принадлежит ли данное устройство локальной сети.

27

Открытая аутентификация систем просто позволяет двум сторонам договориться о передаче данных без рассмотрения вопросов безопасности. В

этом случае одна станция передаёт другой управляющий кадр MAC,

именуемый кадром аутентификации. В данном кадре указывается, что имеет место открытая аутентификация. Другая сторона отвечает собственным кадром аутентификации — и процесс завершён. Таким образом, при открытой аутентификации стороны просто обмениваются информацией о себе. Аутентификация с общим ключом требует, чтобы две стороны совместно владели секретным ключом, не доступным третьей стороне.

Процедура аутентификации между двумя сторонами, А и В, выглядит следующим образом.

1.Клиент посылает точке доступа запрос на аутентификацию с совместно используемым ключом.

2.Точка доступа отвечает кадром вызова (challenge frame), содержащим открытый текст.

3.Клиент шифрует вызов и посылает его обратно точке доступа.

4.Если точка доступа может правильно расшифровать этот кадр и получить свой исходный вызов, клиенту посылается сообщение об успешной аутентификации.

5.Клиент получает доступ.

Процесс привязки

Процесс привязки по стандарту 802.11 позволяет точке доступа выделить для беспроводной станции логический порт или присвоить ей

идентификатор ассоциации. Процесс привязки начинается беспроводной станцией с кадра запроса на ассоциирование, содержащего информацию о возможностях клиента, и завершается кадром ответа на ассоциирование,

посылаемого точкой доступа. Ответ на ассоциирование может быть положительным или отрицательным и содержать код, указывающий на причины отказа. В нормальном режиме работы точка доступа не принимает

28

запросы на ассоциацию от станций с SSID, отличающимся от тех, которые сконфигурированы в точке доступа.

1.4.5 Форматы кадров MACуровня

На MAC уровне выделяют 3 категории кадров (Рис. 1.13):

Контрольные кадры

Информационные кадры

Кадры управления

Рис. 1.13. Структура кадра МАС-уровня сети 802.11

1.4.5.1 Контрольные кадры

Контрольные кадры способствуют надежной доставке информационных кадров. Существует шесть подтипов контрольных кадров:

Опрос режима сниженного энергопотребления (PS-Poll). Данный кадр передается любой станцией станции, включающей точку доступа. В

кадре запрашивается передача кадра, прибывшего, когда станция находилась

врежиме энергосбережения, и в данный момент размещенного в буфере точки доступа.

Запрос передачи (RTS).

Готовность к передаче (CTS).

Подтверждение (АСК). Подтверждение успешного приема предыдущих данных, кадра управления или кадра PS-Poll.

Конец периода, свободного от конкуренции (Contention-free End,

CF-End).

29

Конец периода, свободного от конкуренции, и подтверждение приема последнего кадра (contention-free acknowledgment, CF-End+CF-ACK)

1.4.5.2 Информационные кадры

Существует восемь подтипов информационных кадров,

собранных в две группы. Первые четыре подтипа определяют кадры,

переносящие данные высших уровней от исходной станции к станции-

адресату. Перечислим эти кадры.

Данные. Просто информационный кадр. Может использоваться как в режиме DCF, так и в режиме PCF.

Данные + CF-подтверждение. Может передаваться только в режиме PCF. Помимо данных в этом кадре имеется подтверждение полученной ранее информации.

Данные + CF-опрос. Используется точечным координатором для доставки данных к клиентской станции и для запроса у клиентской станции информационного кадра, который находится в ее буфере.

Данные + CF-подтверждение + CF-опрос. Объединяет в одном кадре функции двух описанных выше кадров.

Остальные четыре подтипа информационных кадров фактически не переносят данных пользователя.

Информационный кадр "нулевая функция" так назван, потому что не имеет "поля полезной нагрузки". Он используется только для указания на изменение бита режима энергосбережения в контрольном поле кадра.

Оставшиеся три кадра (CF-подтверждение, CF-опрос, CF-

подтверждение + CF-опрос) имеют те же функции, что и описанные выше подтипы кадров (данные + CF-подтверждение, данные + CF-опрос, данные +

CF-подтверждение + CF-опрос), но не несут пользовательских данных.

1.4.5.3 Кадры управления

Кадры управления используются для управления связью станций и точек доступа. Выделяют следующие подтипы:

30