Беспроводные локальные сети на коротком проводке

В скором времени должны появиться две новые версии стандартов на беспроводные локальные сети. Окажутся ли они жизнеспособными?

В мире телекоммуникаций определение «беспроводной» стало синонимом выражения «неоправданная шумиха». Начиная с Bluetooth и заканчивая сетями мобильной связи третьего поколения (3G), ни одна из новых технологий не смогла предоставить то, что было обещано. Все работает либо медленнее, чем предполагалось, либо появляется позже, либо присутствуют оба фактора.

Что же касается обработки данных, то тут ситуация иная. Несмотря на самый серьезный спад, наблюдающийся сейчас на рынке сетевых решений, распространение беспроводных локальных сетей по-прежнему происходит быстрее, чем можно было бы предположить. Традиционно используемые преимущественно на складах и фабриках, беспроводные локальные сети теперь устанавливаются в офисах, в домах и даже в общественных местах. Почти все они базируются на одном и том же стандарте — IEEE 802.11b (также известном как Wireless Ethernet, или Wi-Fi), поэтому для разных целей может применяться одно и то же аппаратное обеспечение.

Начиная с 2001 г. число пользователей IEEE 802.11b выросло практически с нуля до 15 млн человек. Это пока не очень много, если сравнивать с числом абонентов сотовых телефонов или кабельных сетей на базе Ethernet, но, как предполагается, количество пользователей будет расти и дальше. IEEE создает еще две версии, 802.11a и 802.11g, при реализации которых скорость передачи данных увеличивается настолько, что беспроводные локальные сети могут составить серьезную конкуренцию своим медным или волоконным эквивалентам.

Однако пока неясно, какую из этих версий выберут (если вообще такое случится) администраторы сети. Для достижения более высоких скоростей передачи данных приходится жертвовать совместимостью, а все версии 802.11 по-прежнему имеют серьезные недостатки, самый значительный из которых — слабая защита. Именно она вызывает глубокие сомнения в целесообразности развертывания беспроводных локальных сетей. Сейчас над этими проблемами работают не только специалисты IEEE, но также рабочие группы и правительственные организации. В итоге возникает путаница в массе стандартов, ни одному из которых нельзя отдать явное предпочтение.

В ОБРАТНОМ ПОРЯДКЕ

Символы после цифр 802.11 указывают тот порядок, в котором эти стандарты были предложены впервые. Это значит, что «новый» 802.11a на самом деле начал разрабатываться прежде, чем действующий сейчас 802.11b. Последний оказался готов раньше, поскольку базировался на относительно простой технологии — методе прямой последовательности с разнесением сигнала по широкому диапазону (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) в отличие от метода мультиплексирования с ортогональным разделением частот (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), ставшем основой для 802.11a. Более сложная технология позволяет добиться и более высокой скорости передачи данных: 802.11b может достигать 11 Мбит/с, а 802.11a — 54 Мбит/с.

Производители, часто приводя обе эти цифры, несколько лукавят. Из-за накладных расходов на физическом уровне пропускная способность снижается, по крайней мере, на 40%, т. е. реальная скорость передачи данных в стандарте 802.11b не превышает 6 Мбит/с, а зачастую оказывается намного меньше.

Все беспроводные локальные сети используют нелицензируемую часть спектра, в силу чего страдают от ошибок передачи и помех. Это означает, что трафик приходится посылать повторно, тем самым растрачивая впустую пропускную способность. При уровне ошибок в 50% реальная пропускная способность может снизиться примерно на две трети, т. е. составит всего 2 Мбит/с. И это только полудуплексные соединения, совместно используемые каждым узлом в сети.

Для сокращения количества ошибок в обеих версиях 802.11 предусмотрено автоматическое снижение скорости передачи данных на физическом уровне. IEEE 802.11b поддерживает три скорости (5,5, 2 и 1 Мбит/с), а стандарт 802.11a — семь скоростей (48, 36, 24, 18, 12, 9 и 6 Мбит/с). Как показано на рисунке, чаще всего применяются более низкие скорости, а максимальные достигаются только в свободной от помех среде и на очень небольшом расстоянии.

Высокие скорости передачи данных (и большее их разнообразие) — не единственное преимущество 802.11a. Стандарт также использует более высокий диапазон частот — 5 ГГц, который и шире, и менее насыщен, чем полоса частот 2,4 ГГц, которую 802.11b делит с беспроводными телефонами, микроволновыми печами и устройствами с интерфейсом Bluetooth. Чем шире полоса, тем большее число радиоканалов может одновременно функционировать без взаимных помех. Каждый радиоканал соответствует отдельной сети или коммутируемому сегменту такой сети.

Точное число каналов варьируется в зависимости от страны, поскольку каждое правительство резервирует часть спектра для нелицензируемого использования. Однако в полосе частот 5 ГГц всегда имеется больше каналов. В Соединенных Штатах в полосе 2,4 ГГц работают только три канала, а в полосе частот 5 ГГц имеется место для 11. Первые выпущенные платы 802.11a поддерживают только восемь из них, но этого в большинстве случаев пока достаточно. Нестандартизированная схема компании Atheros позволяет объединить вместе два канала 802.11a и таким образом увеличить вдвое скорость передачи данных.

Хотя полоса в 5 ГГц дает немалые преимущества, и здесь существуют свои проблемы. Самая важная из них — интероперабельность. Различие в частотах означает, что продукты, соответствующие 802.11a, не совместимы с 802.11b. Чтобы устранить этот недостаток, IEEE разработала 802.11g, который должен поддерживать более высокую скорость и расширить диапазон действия по сравнению с 802.11b так, чтобы обеспечить полную совместимость с прежними системами. К сожалению, наличие помех означает, что данный стандарт никогда не будет поддерживать столь высокую скорость, как 802.11a, и производители не спешат его принимать. Как предполагается, он будет ратифицирован не ранее осени 2002 г.

Хотя оборудование стандарта 802.11b продают тысячи компаний, почти все оно базируется на микросхемах и эталонной архитектуре, разработанной всего двумя производителями. Тому, чья архитектура будет принята в качестве стандарта, практически гарантирована весомая доля рынка OEM-поставок. Крупнейшим производителем микросхем стандарта 802.11b сейчас является компания Intersil, именно она начала использовать OFDM в полосе частот 2,4 ГГц. Компания Texas Instruments, дерзнувшая разработать микросхемы для 802.11, предложила собственную улучшенную версию DSSS. Последний вариант стандарта представляет собой компромиссное решение, объединяющее оба предложения.

Задержка с ратификацией 802.11g заставила многих производителей перейти сразу на 802.11a, поскольку эталонные архитектуры для этой версии разрабатывает широкий круг компаний, производящих микросхемы. Среди них Atheros, National Semiconductor, Resonext, Envara и даже Cisco Systems, которая приобрела Radiata — компанию, в 2000 г. впервые продемонстрировавшую работающий прототип 802.11a.

«Если вы собираетесь проводить какую-либо модернизацию, то лучше сразу перейти на 802.11a», — считает Глен Кокс, менеджер по беспроводным локальным сетям корпорации Intel. Мнение Кокса можно считать объективным, поскольку Intel пока не выпускает микросхемы для таких систем. «Если бы продукты 802.11a появились только через год, то ситуация могла бы быть иной, но они создаются уже сейчас», — сказал он.

РАЗДЕЛЯЕМЫЙ ЭФИР

В настоящее время активно обсуждается радиус действия для различных технологий беспроводных локальных сетей. По приблизительной оценке, в большинстве сетей он достигает 100 м. Более мощные приемопередатчики могут расширить зону действия, а помехи и блокировка сигнала — ее уменьшить, что бывает значительно чаще. Поскольку беспроводные локальные сети обычно используются внутри компаний, мощность приемопередатчика ограничивается правилами техники безопасности, а стены и другие объекты создают помехи.

В радиосистеме любого типа более высокие частоты легко поглощаются всеми средами, начиная от воздуха и заканчивая бумагой, что сокращает радиус действия. Это заставляет предполагать, что новые технологии 802.11a и HiperLan, в которых используется полоса 5 ГГц, смогут покрывать значительно меньшую область, чем предусмотрено стандартом 802.11b. Согласно тестам, проведенным производителем микросхем — компанией Atheros, это не совсем так. Atheros вряд ли можно назвать беспристрастной, поскольку она пока единственная выпускает микросхемы для полосы частот 5 ГГц, но ее специалисты в качестве подкрепляющих аргументов приводят результаты экспериментов и теорию, которая их объясняет.

Согласно тестам Atheros, 802.11a поддерживает лучшую скорость передачи данных, чем 802.11b, на каждой измеряемой дистанции при работе в стандартной офисной среде (см. Рисунок). Причина в том, что в технологиях, действующих в диапазоне 5 ГГц, применяется метод OFDM, а он специально разрабатывался для разрешения таких проблем, как множественные пути. Преимущества OFDM и недостатки более высоких частот компенсируют друг друга, в силу чего диапазон действия 802.11a и 802.11b приблизительно одинаков.

Сторонники частоты 5 ГГц умалчивают о том, что 802.11g также использует OFDM, но в том же, более низком частотном диапазоне 2,4 ГГц, что и 802.11b. Это должно позволить увеличить радиус действия по сравнению с двумя другими технологиями. Впрочем, данный факт еще никто не проверял, поскольку 802.11g — новый стандарт, который находится на стадии обсуждения. Однако если метод OFDM экстраполировать на более низкую частоту, радиус действия этого стандарта окажется на 50% больше, чем у 802.11a и 802.11b.

Область покрытия является квадратичной функцией от дальности, поэтому системы с поддержкой 802.11g сможет покрывать ту же площадь, что и другие системы, с помощью вдвое меньшего числа точек доступа. Хотя Intersil и другие ее сторонники сейчас сосредоточены на решении вопроса обратной совместимости, в перспективе радиус действия 802.11g могут стать главным преимуществом данного стандарта.

Конечно, увеличенный радиус действия — не всегда преимущество. Поскольку имеющуюся пропускную способность делят все пользователи, при большей дальности передачи они будут распределены менее плотно. Это значит, что 802.11g пригодится там, где работает немного пользователей или где не нужны высокоскоростные соединения. К таким средам, к примеру, относятся склады, до недавнего времени бывшие основными потребителями беспроводных локальных сетей, но, скорее всего, это не дома и не офисы.

В местах скопления людей, например в конференц-залах и аэропортах, требуется максимально высокая плотность покрытия, и обслуживание таких зон в конечном итоге будет переведено на 802.11a. В силу того, что база данных пользователей довольно велика, этот стандарт планируется поддерживать параллельно с 802.11b в течение всего 2002 г., а возможно, и дольше. IEEE 802.11g будет совместим с уже установленным оборудованием, но, вероятно, появится не раньше, чем системы с одновременной поддержкой двух режимов 802.11a и 802.11b. «Было бы неплохо увидеть продукты стандарта 802.11g еще до конца 2002 г.», — заметил Крис Хеннингсен, вице-президент по маркетингу компании Intersil, отдающей безусловное предпочтение 802.11g.

Другая проблема, связанная с большим радиусом действия, состоит в том, что увеличивается вероятность перехвата сигнала. Если не установлена система защиты, злоумышленники могут проникнуть в сеть, находясь на большем удалении. При наличии же такой системы создаются помехи для радиоволн других пользователей. И то и другое характерно для высотных зданий, где работает множество компаний.

Проблему можно решить за счет использования точек доступа с направленными антеннами, которые фокусируют свою передачу и прием в определенной области. Наиболее распространенные антенны такого типа передают сигнал в конкретном секторе, а не по всей сфере. Они могут крепиться к стене и обеспечивают покрытие только по одну сторону от нее. Более сложные антенны способны покрывать области самой разной формы, но для их установки и настройки обычно требуются опытные радиоинженеры.

Направленные антенны работают на определенной частоте, в силу чего некоторые пользователи вынуждены отдать предпочтение 802.11g перед 802.11a. Стандарт 802.11g рассчитан на те же частоты, что и 802.11b, поэтому он может использовать ту же антенну, а для 802.11a потребуется новая антенна. Для точки доступа в двух режимах 802.11a и 802.11b необходимо установить две отдельные антенны. Это относится и к обычным (всенаправленным) антеннам, но они стоят недорого при массовом производстве. Такая антенна встраивается в каждую плату интерфейса, и производители легко могут уменьшить их размер для создания плат с поддержкой двух режимов.

Для тех пользователей, кому не нужна направленная антенна, модернизация с 802.11b до 802.11a не представляет проблем. Некоторые производители уже продают «гибкие» точки доступа в виде небольших шасси, с помощью которых два или несколько слотов CardBus подключаются к кабелю Ethernet. Эти слоты могут применяться для любого сочетания версий стандарта 802.11, позволяя модернизировать точки доступа с помощью тех же плат, что и портативные компьютеры. Платы, как правило, поддерживают только один радиоканал единовременно, поэтому несколько плат одного и того же типа можно использовать для организации коммутируемой сети.

ВНУТРЕННЯЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Хотя, очевидно, что 802.11b — самый популярный стандарт на беспроводную локальную сеть, нет никакой гарантии в таком же успехе одного из его преемников. Все они отличаются довольно низким уровнем защиты и не поддерживают качество обслуживания (QoS). IEEE работает над множеством новых стандартов, стремясь устранить этот недостаток (см. врезку «802.что?»), но многим пользователям защита требуется уже сейчас. Это заставляет производителей (и даже правительства) предлагать свои собственные решения.

Все продукты 802.11b сейчас включают систему под названием Wired Equivalent Privacy (WEP) для шифрования всех передаваемых данных с помощью 40-разрядных ключей. Однако большинство сетей эту систему не использует, поскольку она отключена по умолчанию из-за укоренившегося мнения, что удобство работы важнее безопасности. И даже если WEP применяется, взломать ее довольно легко. Каждый пользователь имеет один и тот же ключ, так что вся сеть станет уязвимой, если один мобильный компьютер будет украден. Она уязвима и для достаточно простой атаки, которую хакеры для удобства реализовали в виде свободно загружаемой программы Airsnort.

Некоторые более новые продукты включают в себя систему, известную как WEP2, которую недавно IEEE переименовала в Temporal Key Integrity Protocol (TKIP), стремясь замаскировать ее происхождение. Она использует 128-разрядный ключ, но обеспечивает полную обратную совместимость с WEP и, как следствие, уязвима к тем же самым атакам. По мнению Бернарда Абоба, инженера Microsoft, который возглавляет в IETF рабочую группу Authentication, Authorization и Accounting, TKIP может оказаться даже более уязвимой, поскольку до сих пор поддерживает пароли Kerberos, а их зачастую можно подобрать простым перебором по соответствующему словарю.

Многие производители в качестве возможного решения пропагандируют новый стандарт 802.1x. Однако он предусматривает только аутентификацию, а не полномасштабную защиту, и к тому же пока не завершен. «Мы поддерживаем его, но не рекомендуем, поскольку у него есть свои недостатки», — заметил Кокс. Он советует защитить все точки доступа с помощью межсетевого экрана и направлять весь трафик через виртуальную частную сеть того же типа, что используется для удаленного доступа в Internet.

Еще один стандарт на беспроводные локальные сети — HomeRF2 — уже реализован в выпускаемых продуктах. Он создавался как недорогой и простой стандарт для домашних сетей, но, к сожалению, не стал ни тем, ни другим. Благодаря успеху 802.11b продукты HomeRF2 часто стоят дороже, чем решения на базе более популярного стандарта, хотя они гарантируют качество обслуживания и имеют лучшую в отношении надежности систему шифрования, чем WEP. Как ни удивительно, но в силу именно этих обстоятельств HomeRF2 может стать приемлемым решением для предприятий, руководство которых не хочет, чтобы трафик, передаваемый по беспроводным сетям, был легко доступен тем, кто находится за стенами компании.

Европейские власти настолько не удовлетворены технологией 802.11, что вообще не разрешают использовать 802.11a. Вместо этого они зарезервировали полосу частот 5 ГГц для HiperLAN2, системы, разработанной европейским институтом по телекоммуникационным стандартам (European Telecommunication Standards Institute, ETSI), той же самой группой, где создано большинство стандартов для сотовых телефонов. HiperLAN2 почти идентична 802.11a на физическом уровне — она использует технологию OFDM и даже имеет ту же скорость передачи данных, как показано на рисунке, но в стеке протоколов расположена выше, ближе к ATM, чем к Ethernet.

Часто шумиху вокруг беспроводных сетей характеризуют как «неоправданную», поскольку долгое время о них лишь говорили, но реально не развертывали. Эта критика, безусловно, касается и оригинального стандарта (HiperLAN1), впервые представленного в 1992 г., но, по сути, так и не взятого на вооружение ни одним из производителей аппаратного обеспечения. Однако HiperLAN2 — жизнеспособный стандарт. Сейчас над ним работают европейские и японские производители, а первые продукты, как предполагается, будут выпущены в следующем году.

ВПЕРЕД, К 5G

Компания NTT DoCoMo уже создала систему c поддержкой двух режимов, она объединяет HiperLAN2 с беспроводным телефоном, причем обе могут использоваться одновременно. Преимущество в данном случае не в обратной совместимости и даже не в дополнительной пропускной способности. У телефона максимальная скорость передачи данных около 32 Кбит/с, что немного добавляет к 54 Мбит/с стандарта HiperLAN. Преимущество в том, что японский стандарт на беспроводные телефоны предусматривает очень низкий уровень энергопотребления во время передачи, продлевая срок службы батарейки. Пользователь, работающий в Web, может организовать асимметричный канал, когда мультимедийная информация поступает по локальной сети (получение требует меньшей энергии, чем передача), а данные о щелчках мыши отправляются по телефону.

Компания Ericsson — еще один производитель (и единственный помимо NTT DoCoMo), продемонстрировавший прототип HiperLAN2. Как и DoCoMo, Ericsson более известна своими продуктами для сотовых сетей, чем для беспроводных локальных, что дает нам представление об истинном назначении HiperLAN. Несмотря на свое название, HiperLAN на самом деле вообще не является протоколом для локальной сети. Он предназначен для широкополосных служб передачи данных и может стать основой сотовых сетей четвертого поколения (4G).

Противники HiperLAN иногда заявляют о том, что ориентация на услуги означает потребность в точке доступа. Это неверно, хотя многие провайдеры услуг, вероятно, хотят, чтобы так оно и было. Говоря точнее, HiperLAN не может функционировать как настоящая одноранговая система. В любой сети, где обеспечивается качество обслуживания, один узел должен выполнять контроль и действовать как своего рода авиадиспетчер. Однако этот «главный» узел не обязательно должен монтироваться на стене или подключаться к проводной сети. И Bluetooth, и HomeRF гарантируют качество обслуживания для произвольных сетей между мобильными устройствами. При этом узлы автоматически превращаются в главный и подчиненный в соответствии с предписанными критериями. Нет никаких препятствий к тому, чтобы стандарт HiperLAN2 поддерживал те же возможности.

Критики HiperLAN утверждают, что интерес к этой технологии раздувается искусственно, поскольку европейские власти отдают предпочтение именно ему, а не 802.11a. Хотя это действительно так, решение властей обусловлено не протекционизмом, а требованиями, чтобы система могла использовать службы 4G. Участники форума HiperLAN2 заявили даже, что они не будут препятствовать распространению 802.11a, при условии, что стандарт будет удовлетворять их требованиям к качеству обслуживания, управлению питанием и защите.

Теперь IEEE работает над решением этих вопросов, чтобы будущая версия 802.11a могла быть принята в Европе. Кроме того, ETSI и IEEE занимаются совместным проектом, получившим название 5GHz Partnership Project (5-UP). Его целью является объединение протоколов 802.11а и HiperLAN2 в единый стандарт с рабочим названием 5GHz Unified Protocol (5-UP). Но, объединяя два или даже три канала вместе, он сможет предложить более высокие скорости передачи данных, чем существующие системы. Три канала позволят достичь пропускной способности около 100 Мбит/с, т. е. больше, чем способны поддерживать многие мобильные ПК.

Новые системы начнут появляться на рынке в 2003 г. Благодаря высокой скорости передачи данных, гарантированному качеству обслуживания и надежной защите, они могут стать реальной альтернативой 3G и кабельным сетям.

802.что?

Стандартов IEEE 802.11 так много, что в них можно запутаться. Помимо трех основных спецификаций, где определены полные системы для беспроводных локальных сетей (802.11a, 802.11b, а теперь еще 802.11g), IEEE работает над устранением недостатков в существующих протоколах. Это не новые системы беспроводных локальных сетей, а расширения, которые в конечном итоге дополнят одну или все три имеющиеся спецификации.

• 802.11d предназначен для создания версий 802.11b, но работающих на других частотах. Это важно для тех регионов мира, где нельзя использовать полосу частот 2,4 ГГц. Большинство стран теперь освободило этот диапазон, в соответствии с рекомендацией ITU и активным лоббированием со стороны производителей аппаратного обеспечения. Этого пока не сделала Испания, но и она вскоре последует примеру остальных государств.
• 802.11e будет со временем поддерживать качество обслуживания в сети 802.11. Он заменит Ethernet-подобный уровень MAC на координированную схему Time Division Multiple Access (TDMA) и обеспечит дополнительные возможности коррекции ошибок для приоритетного трафика. Эта технология аналогична Whitecap, внутреннему протоколу, разработанному компанией Sharewave и используемому в прототипах 802.11a компанией Cisco. Стандарт предполагалось завершить к концу 2001 г., чему помешал так и не разрешенный спор о том, сколько классов обслуживания необходимо предоставлять и как именно они должны быть реализованы.
• 802.11f призван улучшить механизм передачи полномочий в 802.11 таким образом, чтобы пользователи могли поддерживать соединение при перемещении между двумя различными коммутируемыми сегментами (радиоканалами) или между точками доступа, подключенными к двум различным сетям. Это имеет жизненно важное значение для беспроводных локальных сетей, поскольку они должны обеспечивать ту же мобильность, на которую привыкли рассчитывать пользователи сотовых телефонов.
• 802.11h позволяет улучшить контроль над уровнем энергопотребления при передаче и выборе радиоканалов для 802.11a. Наряду с 802.11e, он представляет интерес для европейских властей.
• 802.11i должен устранить самый очевидный недостаток 802.11 - слабую защиту. В отличие от WEP, это будет абсолютно новый стандарт на основе Advanced Encryption Standard (AES), "официального" алгоритма шифрования, принятого правительством США. Рабочая группа, которая занимается этой спецификацией, пока не выбрала протокол аутентификации. Некоторые члены группы хотят работать с новой системой под названием Offest Codebook (OCB), но на нее выдано три различных патента; другие члены группы отдают предпочтение решению, которое можно было бы использовать бесплатно.
• 802.11j - настолько новый, что IEEE пока официально не сформировал рабочую группу для ее обсуждения, не говоря уже о выпуске проекта стандарта. Как предполагается, он будет решать вопросы, связанные с параллельной работой сетей 802.11a и HiperLAN2 на одних и тех же радиоканалах.

назад

Ресурсы Internet

Лучшими источниками информации о различных стандартах на беспроводные локальные сети являются форумы, организованные с целью их пропаганды. Самый крупный из них — Wireless Ethernet Compatibility Alliance (http://www.wi-fi.org) — тестирует продукты 802.11b на совместимость и присваивает марку Wi-Fi тем из них, кто прошел тестирование. Другие форумы — это HiperLAN2 Global Forum (http://www.hiperlan2.com) и HomeRF Working Group (http://www.homerf.org).