Разработка беспроводной сети с 3-мя точками доступа на Бетонном заводе «Элкон»

При работе передатчик переходит с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму.Также устройства стандарта Bluetooth способны соединяться друг с другом, формируя маленькие локальные сети, в каждую из которых может входить до 256 устройств. 
При этом одно из устройств является ведущим (Master), еще семь — ведомыми (Slave), а остальные находятся в дежурном режиме.

Bluetooth в основном применяется в разнообразных мобильных устройствах — мобильные телефоны, карманные компьютеры (PDA), фото- и видео-камеры, беспроводные гарнитуры и наушники, мышки и клавиатуры. 
Однако изредка встречаются по своей сути стационарные устройства, например принтеры, которые подключаются к компьютеру без проводов, с помощью Bluetooth, что довольно удобно.

Вообще на рынке присутствуют десятки фирм, производящие подобные устройства, но я выбрал именно эти адаптеры, как довольно распространенные и обладающие неплохим аргументом в пользу их покупки - невысокая цена.

1.2 Типология беспроводных сетей

Существует два основных направления применения беспроводных компьютерных сетей – работа в замкнутом объеме (офис, выставочный зал и т.п.) и соединение удаленных локальных сетей (или удаленных сегментов локальной сети).

Для организации беспроводной сети в замкнутом пространстве применяются передатчики со всенаправленными антеннами. Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – Ad-hoc и клиент / сервер. Режим Ad-hoc (иначе называемый «точка-точка») – это простая сеть, в которой связь между станциями (клиентами) устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. В режиме клиент / сервер беспроводная сеть состоит, как минимум, из одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных клиентских станций. Поскольку в большинстве сетей необходимо обеспечить доступ к файловым серверам, принтерам и другим устройствам, подключенным к проводной локальной сети, чаще всего используется режим клиент / сервер. Без подключения дополнительной антенны устойчивая связь для оборудования IEEE 802.11b достигается в среднем на следующих расстояниях: открытое пространство – 500 м, комната, разделенная перегородками из неметаллического материала, – 100 м, офис из нескольких комнат – 30 м. Следует иметь в виду, что через стены с большим содержанием металлической арматуры (в железобетонных зданиях таковыми являются несущие стены) радиоволны диапазона 2,4 ГГц иногда могут вообще не проходить, поэтому в комнатах, разделенных подобной стеной, придется ставить свои точки доступа. Для соединения удаленных локальных сетей (или удаленных сегментов локальной сети) используется оборудование с направленными антеннами, что позволяет увеличить дальность связи до 20 км (а при использовании специальных усилителей и большой высоте размещения антенн – до 50 км). Причем в качестве подобного оборудования могут выступать и устройства Wi-Fi, нужно лишь добавить к ним специальные антенны (конечно, если это допускается конструкцией). Комплексы для объединения локальных сетей по топологии делятся на «точку-точку» и «звезду». При топологии «точка-точка» (режим Ad-hoc в IEEE 802.11) организуется радиомост между двумя удаленными сегментами сети. При топологии «звезда» одна из станций является центральной и взаимодействует с другими удаленными станциями. При этом центральная станция имеет всенаправленную антенну, а другие удаленные станции – однонаправленные антенны. Применение всенаправленной антенны в центральной станции ограничивает дальность связи дистанцией примерно 7 км. Поэтому, если требуется соединить между собой сегменты локальной сети, удаленные друг от друга на расстояние более 7 км, приходится соединять их по принципу «точка-точка». При этом организуется беспроводная сеть с кольцевой или иной, более сложной топологией.

Большинство адаптеров для беспроводных компьютерных сетей сейчас выпускается в формате карт PC Card Type II, предусматривающем установку устройства в ноутбук, хотя существуют и модели адаптеров для установки в слоты PCI или ISA, но их значительно меньше. Поэтому, для установки беспроводного сетевого адаптера в настольный персональный компьютер приходится еще и приобретать дополнительный переходник, вставляемый в слот PCI. Относительно недавно начат выпуск сетевых адаптеров Wi-Fi, выполненных в виде плат стандарта CompactFlash. Такие устройства предназначены для карманных компьютеров, работающих под операционной системой Windows CE (Pocket PC). Существуют и сетевые адаптеры Wi-Fi, выполненные в виде отдельных устройств с интерфейсом USB.

Современной тенденцией является использование в сетевых адаптерах внутренних антенн. В точках доступа для повышения дальности связи чаще используются внешние антенны. В некоторых моделях точек доступа качестве приемопередатчика используется тот же сетевой адаптер, что и в клиентских станциях, причем в точке доступа его так же просто заменять, как и в клиентской станции. Такое техническое решение ограничивает дальность связи (а большая дальность для квартиры или маленького офиса может оказаться излишней), и причина, побудившая инженеров пойти на такой шаг, не совсем понятна. Возможно, они считали, что так будет проще модернизировать точку доступа, если в стандарт беспроводных сетей будут внесены какие-либо изменения на физическом уровне.

Типичным случаем является объединение в одном устройстве точки доступа и маршрутизатора. Точка доступа может также включать в себя и некоторые другие устройства, например модем. Для небольшого офиса очень удобно использовать точку доступа, объединенную с принт-сервером. К ней можно подключить самый обычный принтер, превратив его тем самым в сетевой.

Управление точкой доступа в современных беспроводных сетях, как правило, осуществляется по протоколу TCP/IP через обычный Интернет-браузер.

Ясно, что клиентские станции стоят пока значительно дороже, чем простые сетевые карты Ethernet. Но ведь важна не стоимость клиентских устройств как таковых, а общая стоимость системы, а также ее установки и обслуживания. И вот тут мы сталкиваемся с новой ситуацией: разница между стоимостью комплекта оборудования для проводной сети Ethernet (с учетом затрат на покупку кабеля) и стоимостью комплекта оборудования IEEE 802.11b сопоставима по порядку величины со стоимостью прокладки кабеля. И если тенденция снижения цен на беспроводное сетевое оборудование сохранится (при том, что стоимость прокладки кабеля значительно зависит от стоимости труда, которая в нашей стране сейчас растет), то уже в ближайшем будущем может оказаться что в ряде случаев экономически выгоднее развернуть беспроводную локальную сеть, чем возиться с прокладкой кабелей.

1.3 Метод доступа, используемый при беспроводной связи

Стандарт IEEE 802.11 для беспроводного доступа

Комитет по стандартам IEEE 802 сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11 в 1990 году. Эта группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, со скоростями доступа 1 и 2 Mbps (Megabits-per-second). Работы по созданию стандарта были завершены через 7 лет, и в июне 1997 года была ратифицирована первая спецификация 802.11. Стандарт IEEE 802.11 являлся первым стандартом для продуктов WLAN от независимой международной организации, разрабатывающей большинство стандартов для проводных сетей. Однако к тому времени заложенная первоначально скорость передачи данных в беспроводной сети уже не удовлетворяла потребностям пользователей. Для того, чтобы сделать технологию Wireless LAN популярной, дешёвой, а главное, удовлетворяющей современным жёстким требованиям бизнес-приложений, разработчики были вынуждены создать новый стандарт.

В сентябре 1999 года IEEE ратифицировал расширение предыдущего стандарта. Названное IEEE 802.11b (также известное, как 802.11 High rate), оно определяет стандарт для продуктов беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Mbps (подобно Ethernet), что позволяет успешно применять эти устройства в крупных организациях. Совместимость продуктов различных производителей гарантируется независимой организацией, которая называется Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Эта организация была создана лидерами индустрии беспроводной связи в 1999 году. В настоящее время членами WECA являются более 80 компаний, в том числе такие известные производители, как Cisco, Lucent, 3Com, IBM, Intel, Apple, Compaq, Dell, Fujitsu, Siemens, Sony, AMD и пр.

Стандарт IEEE 802.11 и его расширение 802.11b

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне (Рисунок 3). 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.

Уровни модели ISO/OSI и их соответствие стандарту 802.11

Основная архитектура, особенности и службы 802.11b определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11b затрагивает только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

802.11 определяет два типа  оборудования – клиент, который  обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной  сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура. 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – режим «Ad-hoc» и клиент / сервер (или режим инфраструктуры – infrastructure mode). В режиме клиент / сервер беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент сервер.

Режим «Ad-hoc» (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) – это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

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.

Канальный (Data Link) уровень 802.11

Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к носителю (Media Access Control, MAC). 802.11 использует LLC и 48-битовую адресацию, что и другие сети 802, что позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия.

MAC уровень 802.11 поддерживает  множество пользователей на общем  носителе, когда пользователь проверяет  носитель перед доступом к  нему. Для Ethernet сетей 802.3 используется протокол Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), который определяет, как станции Ethernet получают доступ к проводной линии, и как они обнаруживают и обрабатывают коллизии, возникающие в том случае, если несколько устройств пытаются одновременно установить связь по сети.

CSMA/CA работает следующим  образом. Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не  обнаружено активности, станция  ожидает в течение некоторого  случайного промежутка времени, а затем передаёт, если среда  передачи данных всё ещё свободна. Если пакет приходит целым, принимающая  станция посылает пакет ACK, по  приёме которого отправителем завершается процесс передачи. Если передающая станция не получила пакет ACK, в силу того, что не был получен пакет данных, или пришёл повреждённый ACK, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передаётся снова через случайный промежуток времени.

Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (Channel Clearance Algorithm, CCA). Его суть заключается в измерении энергии сигнала на антенне и определения мощности принятого сигнала (RSSI). Если мощность принятого сигнала ниже определённого порога, то канал объявляется свободным, и MAC уровень получает статус CTS. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается в соответствии с правилами протокола. Стандарт предоставляет ещё одну возможность определения незанятости канала, которая может использоваться либо отдельно, либо вместе с измерением RSSI – метод проверки несущей. Этот метод является более выборочным, так как с его помощью производится проверка на тот же тип несущей, что и по спецификации 802.11. Наилучший метод для использования зависит от того, каков уровень помех в рабочей области.

Таким образом, CSMA/CA предоставляет способ разделения доступа по радиоканалу. Механизм явного подтверждения эффективно решает проблемы помех. Однако он добавляет некоторые дополнительные накладные расходы, которых нет в 802.3, поэтому сети 802.11 будут всегда работать медленнее, чем эквивалентные им Ethernet локальные сети.

MAC уровень 802.11 несёт ответственность  за то, каким образом клиент  подключается к точке доступа. Когда клиент 802.11 попадает в зону  действия одной или нескольких  точек доступа, он на основе  мощности сигнала и наблюдаемого  значения количества ошибок выбирает  одну из них и подключается  к ней. Как только клиент получает  подтверждение того, что он принят  точкой доступа, он настраивается  на радиоканал, в котором она  работает. Время от времени он  проверяет все каналы 802.11, чтобы  посмотреть, не предоставляет ли  другая точка доступа службы  более высокого качества. Если  такая точка доступа находится, то станция подключается к  ней, перенастраиваясь на её частоту.

Переподключение обычно происходит в том случае, если станция была физически перемещена вдаль от точки доступа, что вызвало ослабление сигнала. В других случаях повторное подключение происходит из-за изменения радиочастотных характеристик здания, или просто из-за большого сетевого трафика через первоначальную точку доступа. В последнем случае эта функция протокола известна как «балансировка нагрузки», так как её главное назначение – распределение общей нагрузки на беспроводную сеть наиболее эффективно по всей доступной инфраструктуре сети.

В сетях IEEE 802.11 предусмотрены определенные меры для ограничения круга клиентов, подключаемых к точке доступа. Каждой станции присваивается уникальный идентификационный номер ESSID, который требуется передать на точку доступа, чтобы соединиться с ней. Кроме того, каждая точка доступа может хранить у себя список MAC-адресов и соединять только тех клиентов, которые упомянуты в этом списке.