Беспроводные сети стандартов 802.11x стали настолько привычными, что может показаться, будто в этой области все бурные события уже позади. Но такое впечатление обманчиво

Сейчас стало модно цитировать сакраментальную фразу, оброненную Биллом Гейтсом еще в 80-е годы: глава Microsoft утверждал, что для настольного компьютера всегда будет достаточно 640 Кбайт оперативной памяти. Похожие курьезы случаются и в мире телекоммуникаций. В конце 90-х на выставке «Связь-Экспокомм» автор услышал от топ-менеджера одного из ведущих производителей оборудования для беспроводных сетей, что просто не существует проектов, в которых от таких сетей требовалась бы пропускная способность больше 1,5 Мбит/с (реальное быстродействие сетей стандарта 802.11).

Сегодня эти высказывания могут только вызвать улыбку. Информационные и телекоммуникационные технологии не стоят на месте, и погоня за рекордными цифрами продолжается.

Новые буквы алфавита

Эксперты подсчитали: существуют 25 стандартов, относящихся только к физическому уровню беспроводных сетей. Если же не ограничиваться PHY-спецификациями, цифра возрастет в несколько раз. Как и следовало ожидать, подавляющее большинство этих документов приняты институтом IEEE, а доминирует среди них семейство 802.11x, более известное как Wi-Fi. Число технологических аспектов, относящихся к функционированию WLAN и требующих регламентации, столь велико, что для обозначения соответствующих спецификаций скоро не хватит букв английского алфавита. Дабы решить эту проблему на веки вечные, консорциуму IEEE, видимо, стоит перейти на китайские иероглифы.

Помимо рабочих комитетов 802.11a, b и g, результаты деятельности которых хорошо известны и нашли воплощение в продуктах множества фирм (см. обзоры в № 9 журнала Сети за 2001 год, №№ 10 и 14 за 2003 год), в составе IEEE 802.11 прилежно трудится еще с десяток рабочих групп. За последние месяцы в деятельности некоторых из них произошли знаменательные события, и уже появились соответствующие им коммерческие продукты. Следуя алфавитному принципу, начнем не с рекордных показателей производительности, а с более приземленных материй.

Безопасность в эфире

Не стихают разговоры вокруг многочисленных уязвимостей беспроводных сетей и возможных методов их устранения. Принятие в 2002 году стандарта 802.1X, регламентирующего использование механизма аутентификации RADIUS, индивидуальных и часто сменяемых ключей протокола Wired Equivalent Privacy (WEP) для каждого соединения в проводных и беспроводных локальных сетях, казалось бы, частично сняло остроту проблемы. Тем не менее в стенах специализированного комитета IEEE 802.11 продолжается активная деятельность, направленная на повышение безопасности WLAN. Прежде всего, речь идет о рабочей группе 802.11i, которая в июле текущего года приняла окончательный вариант одноименного стандарта.

Этот документ заменил существовавшее доселе весьма скудное описание протокола WEP, который, увы, так и не сумел доказать свою эффективность. Вместо него на свет появились 200-страничные рекомендации по защите беспроводной среды от злоумышленников. Основное отличие официальной версии стандарта 802.11i от более раннего и притом упрощенного варианта, опубликованного консорциумом Wi-Fi Alliance под названием WPA (Wi-Fi Protected Access), заключается в применении процедуры Advanced Encryption Standard (AES).

Алгоритм потокового шифрования RC4, используемый в протоколах WEP и WPA, изначально не был ориентирован на пакетные сети Ethernet-типа. Наличие пакетной передачи заставляло запускать процедуру RC4 заново в начале передачи каждого пакета, а это открывало брешь для всевозможных сетевых атак. Пришедшая на смену RC4 процедура AES позволила устранить указанную проблему.

С другой стороны, подобно алгоритму WPA, стандарт 802.11i в качестве базового метода защиты использует схему аутентификации сетевых устройств, предусмотренную спецификацией 802.1X. Последняя, как известно, базируется на применении открытых ключей, а это — далеко не лучший вариант обеспечения безопасности беспроводной среды, особенно если на практике такие ключи имеют недостаточную длину и редко обновляются.

Консорциум Wi-Fi Alliance развил свой исходный подход к защите беспроводных сетей, опубликовав спецификацию WPA2 (подмножество стандарта 802.11i). В начале сентября появилась информация о том, что продукты шести производителей (в том числе Atheros, Broadcom, Intel и Realtek) получили сертификат соответствия WPA2. А значит, компании, использующие в своих устройствах микросхемы этих фирм, смогут реализовать поддержку 802.11i на программном уровне, и новый стандарт может получить повсеместную прописку в WLAN уже в ближайшее время.

Некоторые поставщики реализовали в своих продуктах отдельные функции, предусмотренные стандартом 802.11i, еще до его окончательной ратификации. В качестве примеров можно назвать беспроводные точки доступа Access Point 8750 компании 3Com, WLAN-коммутаторы Airespace 4000, высокоскоростные беспроводные маршрутизаторы F5D7230 производства Belkin, точки доступа ORiNOCO AP-4000 фирмы Proxim и 2555W-AG корпорации SMC.

Новый взгляд на управление

Базовый стандарт 802.11 и его основные разновидности не регламентируют процедуру доступа беспроводных систем к клиентскому частотному ресурсу, а это связывает администратора беспроводной сети по рукам и ногам. Спецификация 802.11k призвана восполнить пробел: она обеспечивает доступ к параметрам, измеряемым на первом и втором уровнях модели OSI, с более высоких уровней. В результате, становится возможной обратная связь между клиентскими устройствами, с одной стороны, и точками доступа и коммутаторами WLAN — с другой. Будущий стандарт определяет несколько видов запросов и отчетов, относящихся к статистическим параметрам функционирования терминалов. В большинстве случаев запрос на пересылку служебных данных поступает от точки доступа, но инициировать этот процесс может и клиентское устройство.

Спецификация 802.11k предусматривает обмен несколькими служебными параметрами. Часть из них связана с процедурой внутрисетевого роуминга и позволяет оптимизировать распределение трафика по сети.

Как известно, в беспроводной среде клиентское устройство устанавливает соединение с точкой доступа по принципу «максимизации» уровня сигнала. При определенном числе и расположении пользователей вполне возможно, что какая-то точка доступа окажется перегруженной, а остальные будут работать «вполсилы»; это приведет к снижению общей производительности сети.

В беспроводной сети стандарта 802.11k при полной загрузке точки доступа с максимальным уровнем сигнала клиентские запросы на установление соединений будут переадресовываться другим устройствам. В итоге, благодаря более рациональному использованию ресурсов, суммарная пропускная способность сети только возрастет. Само решение о перенаправлении клиента на другую точку доступа принимается на основе полученной от терминальных устройств информации обо всех распознанных ими точках доступа, интенсивности сигналов, поддерживаемых сервисах, типах шифрования и т. д.

Другая группа параметров имеет отношение к зашумленности радиоканалов. Точка доступа может запросить у клиента сведения об уровне шумов в канале, не относящихся к работе устройств стандарта 802.11, о загрузке и продолжительности использования данного канала. Эта информация будет использоваться при выборе радиоканала для установления соединения. На улучшение качества сервиса нацелен и сбор данных о так называемых скрытых узлах, т. е. точках доступа и клиентах, не распознаваемых другими сетевыми устройствами. Их наличие снижает эффективность работы механизма предотвращения коллизий и, как следствие, общую производительность сети. Спецификация 802.11k предусматривает передачу клиентами на точки доступа сведений о выявленных скрытых узлах.

Будущий стандарт 802.11k предполагает и получение точками доступа от клиентов полной статистической информации о сетевых параметрах и событиях, а также применение процедур управления излучаемой мощностью в различных частотных диапазонах в соответствии с требованиями регулирующих органов разных стран. В этом смысле 802.11k станет расширением стандарта 802.11h, окончательная версия которого была утверждена IEEE в сентябре нынешнего года.

Как известно (подробнее см. Сети, 2004, № 12, с. 44), спецификации 802.11h регламентируют использование в частотном диапазоне 5 ГГц процедур динамического выбора частоты (DFS) и управления излучаемой мощностью (TPC), которые в свое время были предложены Европейским институтом стандартов по телекоммуникациям (ETSI). Эти спецификации призваны обеспечить соответствие параметров функционирования оборудования 802.11a требованиям Международного союза электросвязи в области гармонизации радиоспектра и ориентированы преимущественно на европейский рынок. Благодаря 802.11k, заложенный в них подход станет универсальным.

Хотя работа над 802.11k в основном завершена, пока невозможно сказать, когда эта спецификация будет принята в качестве официального стандарта. Еще меньше ясности — в отношении того, насколько быстро будут воплощены в готовых продуктах предлагаемые в ней методы обмена служебными данными и управления. Оптимисты заверяют, что администраторы и пользователи ощутят положительные результаты управления загрузкой каналов и сетевых ресурсов уже в будущем году. Аналитики более консервативного толка считают, что выпуск изделий, соответствующих спецификации 802.11k, затянется еще на несколько лет.

WLAN в n-ной степени

Но главная интрига, которая на наших глазах разворачивается в стенах комитета IEEE 802.11, связана с попыткой поднять сразу в несколько раз пропускную способность WLAN. Эта деятельность сосредоточена в рабочей группе TGn (Task Group «n»), образованной в сентябре 2003 года. Соответствующая спецификация получила наименование 802.11n.

Одним из основных игроков на этом поле сегодня является корпорация Intel, которая на протяжении последних полутора лет демонстрирует завидную активность в сегменте беспроводных сетей. Если полистать технические и маркетинговые материалы Intel, может сложиться впечатление, что все технологические проблемы уже решены и беспроводному сообществу остается лишь дождаться утверждения документа 802.11n в качестве официального стандарта.

На деле же все не так просто. Вокруг нового стандарта разгорелась нешуточная борьба, заставляющая вспомнить жесткое противостояние второй половины 90-х годов: тогда две группы пытались навязать консорциуму IEEE свои версии стандарта на «ускоренные» сети 802.11. Как известно, дело закончилось тем, что в 1999 году IEEE утвердил сразу две несовместимые спецификации — 802.11a и 802.11b.

Прошедшее пятилетие показало, что в рыночной схватке сетей 802.11a и b победителем, вроде бы, выходят... сети 802.11g. Чем завершится конфликт интересов, развернувшийся вокруг будущего стандарта, мы узнаем в лучшем случае года через два. А на сегодняшний день ситуация выглядит следующим образом.

Благие намерения

На январском совещании в канадском Ванкувере группа TGn официально начала сбор предложений, направленных на разработку «высокоскоростного дополнения» к стандарту 802.11. Основная цель создания этого документа — довести скорость передачи данных в WLAN минимум до 100 Мбит/с (как тут не вспомнить упомянутые в начале статьи 1,5 Мбит/с). При этом, в отличие от более ранних стандартов IEEE, речь идет о пропускной способности, измеряемой не на физическом, а на MAC и более высоких уровнях.

Столь существенное изменение подхода к определению скорости передачи обусловлено простым обстоятельством: реальная скорость, с которой «сталкиваются» пользователи беспроводных сетей, имеет мало общего с теоретическими максимумами, относящимися к физическому уровню модели OSI. Скажем, в сетях 802.11b реальная скорость передачи данных практически никогда не превышает 5—6 Мбит/с, тогда как в стандарте фигурирует величина 11 Мбит/с. А в сетях 802.11a и 802.11g вместо теоретического максимума 54 Мбит/с на уровне радиоинтерфейса скорость передачи самих данных не превышает 25 Мбит/с (см. таблицу).

Причина такого расхождения общеизвестна: значительная часть пропускной способности сети расходуется на служебную информацию (заголовки пакетов, подтверждения, межкадровые заполнители и т. д.), которая не имеет прямого отношения к полезному трафику. С ростом суммарной пропускной способности сети доля этих «накладных расходов» в общем объеме трафика возрастает. Переход на измерение скорости передачи на MAC-уровне означает, что отныне регламентируемая стандартом максимальная скорость передачи не будет сильно отличаться от реальной.

Резкое увеличение «полезной» скорости передачи обуславливает изменения и физического, и MAC-уровней WLAN. Изначально условия TGn сводились к тому, что новые спецификации должны учитывать требования базового стандарта 802.11 и всех дополнений к нему, в том числе, находящихся в процессе разработки. Другими словами, необходимо полностью сохранить функциональность, уже реализованную в сетях WLAN.

Не менее существенным является требование обратной совместимости, по крайней мере — со стандартами 802.11a и g. Правда, наученная горьким опытом использования устройств 802.11b и g в одной сетевой среде, группа TGn требует лишь того, чтобы продукты 802.11n были в принципе способны взаимодействовать с унаследованным оборудованием. В реальных сетях эту возможность можно не использовать.

К перечисленным требованиям консорциум Wi-Fi Alliance, принимающий самое непосредственное участие в разработке нового стандарта, добавил свои собственные. В частности, оборудование 802.11n должно поддерживать более широкий диапазон скоростей передачи, иметь повышенную устойчивость к помехам в эфире и обеспечивать более равномерное покрытие в пределах сети.

Кроме того, важное требование — повышение эффективности использования частотного спектра по сравнению с присущей сетям 802.11a/g. Это означает, что на роль стандарта не могут претендовать технологии, основанные на простом расширении спектра, например, за счет объединения нескольких радиоканалов. И еще оборудование 802.11n должно поддерживать два частотных диапазона — 2,4 и 5 ГГц.

Жесткая реальность

Январское приглашение присылать проекты стандарта 802.11n произвело эффект разорвавшейся бомбы. За семь месяцев в рабочую группу поступил 61 вариант спецификаций, подготовленных как компаниями, так и группами производителей. Из них эксперты выделяют двух явных фаворитов — TGn Sync (Task Group «n» Synchronization) и WWiSE (WorldWide Spectrum Efficiency). В состав первой группы вошли, в частности, Agere, Atheros, Intel, Matsushita, Philips и Sony, а в состав второй — Airgo, Broadcom, Connexant, Mitsubishi, Motorola, STMicroelectronics и Texas Instruments.

Различий в предложениях этих групп явно больше, чем сходства. Если отбросить частности, два лагеря сошлись только в необходимости использования технологии с не очень благозвучным названием MIMO (Multiple Input Multiple Output — «несколько входов и несколько выходов»). Она предполагает установку нескольких антенн на передающем и принимающем концах беспроводного соединения, что делает возможной одновременную обработку нескольких пространственно разделенных потоков данных, занимающих один и тот же частотный диапазон. Пространственное разнесение антенн и мультиплексирование сигналов — ключевые особенности технологии MIMO, позволяющие заметно повысить эффективность радиосвязи.

Автором технологии MIMO OFDM является молодая калифорнийская компания Airgo Networks; она же выпустила первый набор микросхем, реализующий эту технологию и совместимый со стандартами 802.11a/b/g. В конце октября фирма объявила, что разработанные ею рекомендации по построению MIMO-систем прошли сертификацию практически во всех экономически развитых странах. И это дает весомые основания утверждать, что технология MIMO OFDM станет неотъемлемой частью будущего стандарта.

Позиции TGn Sync и WWiSE кардинально расходятся в области использования радиоспектра. Корпорация Intel и ее союзники ратуют за формирование 40-МГц каналов в частотном диапазоне 5 ГГц, который фигурирует в стандарте 802.11a. Члены WWiSE, напротив, настаивают на сохранении существующих правил «нарезки» спектра на 20-МГц каналы и на использовании в сетях следующего поколения диапазона 2,4 ГГц, в котором работают сегодняшние сети 802.11b и g.

У каждой группы есть свои аргументы, базирующиеся, в первую очередь, на нынешнем распределении частот в США. Ставка на радиоканалы шириной 20 МГц в сегодняшних условиях позволяет сформировать в диапазоне 2,4 ГГц три таких канала. Однако в 5-гигагерцовой области хватит места для 24 каналов, и при этом не возникнет спектрального перекрывания с существующими сетями 802.11b и g.

Члены TGn Sync полагают, что увеличение ширины радиоканалов позволит значительно превысить установленный IEEE минимум пропускной способности. По утверждению Мэри Крэмер, менеджера по стратегическому маркетингу Agere, которая представляет интересы компании в рабочей группе TGn, физическая пропускная способность 40-мегагерцевого канала может быть поднята до 125 Мбит/с (см. рисунок), а установка до четырех антенн на каждый приемник и передатчик, в соответствии с технологией MIMO, позволит довести этот показатель до 500 Мбит/с. В результате, скорость передачи полезного трафика в такой сети окажется на уровне 200 Мбит/с.

В то же время члены WWiSE полагают, что выбор ширины радиоканалов на нынешнем уровне (20 МГц) позволит сохранить существующий частотный план в диапазоне 2,4 ГГц, который во многих странах остается нелицензируемым и в котором уже почти не осталось свободных частот. В таком случае пропускная способность будет увеличена за счет применения более изощренных схем кодирования сигналов, хотя это может привести к удорожанию оборудования. Согласно недавно обнародованным оценкам группы WWiSE, даже при использовании 20-МГц каналов и варианта 2x2 (по две антенны на каждой стороне) технологии MIMO скорость передачи данных может быть доведена до 135 Мбит/с.

Взгляд за горизонт

Консорциум Wi-Fi Alliance предполагает, что оборудование WLAN нового поколения будет служить для построения домашних и офисных беспроводных сетей, а также БЛС общего пользования (хот-спотов). При этом одно и то же решение должно быть пригодно для всех трех сфер применения, что создает дополнительные проблемы для производителей, зато сулит ускоренный переход пользователей на новый стандарт.

В этом отношении любопытен прогноз экспертов ABI Research. По их мнению, технология 802.11n будет востребована домашними пользователями, желающими запускать видеоприложения в беспроводной среде. Для такой цели вполне подходит технология Ultra-Wideband (UWB), но промедление с ее стандартизацией привело к тому, что «свято место» потихоньку стало занимать оборудование 802.11b/g. А это заметно упростило последующее проникновение устройств 802.11n в беспроводные сети данной категории. Аналитики из ABI Research полагают, что к тому моменту, когда UWB-продукты в массовых количествах хлынут на рынок, уже подоспеют первые коммерческие решения стандарта 802.11n.

Правда, точно никто не знает, когда это произойдет. Руководство Wi-Fi Alliance считает, что первый черновой вариант стандарта появится не раньше середины 2005 года, а работы над ним окончательно завершатся лишь к ноябрю 2006 года. Принимая во внимание неопределенность в ряде принципиальных вопросов, относящихся к принципам функционирования сетей 802.11n, логично предположить, что и этот срок не будет выдержан. Еще какое-то время уйдет на принятие окончательной версии стандарта и тестирование первых соответствующих продуктов на совместимость друг с другом. Члены консорциума всеми силами стараются ускорить этот процесс, но неизвестно, удастся ли им преодолеть высокую инерционность «маховика» IEEE.

В общем, перспектива пока вырисовывается не радужная, и понятно, что пропускную способность на уровне 100 Мбит/с пользователи WLAN получат в лучшем случае в 2007 году. Правда, всегда найдутся выскочки, готовые бежать впереди паровоза.

Так, компания Belkin в октябре приступила к поставкам беспроводных карт и маршрутизаторов, соответствующих, как заверяет производитель, предварительной версии 802.11n. Утверждается, в частности, что в этих продуктах применена технология множественных антенн, которая с большой вероятностью будет закреплена в окончательной версии стандарта. Аналогичным образом позиционируют свои последние решения в области передачи ТВ-сигналов высокой четкости (HDTV) и потокового видео по сверхскоростным беспроводным сетям фирмы Agere и Atheros. Отдельные функции, которые могут войти в окончательную версию стандарта 802.11n, начали встраивать в свои продукты Intel, Nokia и Texas Instruments.

В условиях жесткой конкуренции подобные попытки стимулировать продажи своей продукции за счет намеренного ввода покупателей в заблуждение рискуют приобрести массовый характер. Видимо, по этой причине они вызвали беспрецедентно резкую реакцию со стороны Wi-Fi Alliance. В специальном заявлении от 11 октября нынешнего года консорциум предупреждает, что все изделия, которые наделены функциональностью 802.11n, но негативно влияют на совместимость других сертифицированных устройств, будут лишены сертификата Wi-Fi.

Консорциум уже сталкивался с аналогичной ситуацией: тогда на рынке появились устройства 802.11g, соответствовавшие так называемой предварительной версии этого стандарта. Но на практике довольно быстро обнаружилось, что они не обладают заявленными характеристиками, и это на какое-то время дискредитировало технологию 802.11g в глазах пользователей. В заявлении Wi-Fi Alliance говорится, что повторения такой ситуации консорциум не потерпит. Будем надеяться, что ему это удастся.

Ускоряя роуминг

Весной в составе IEEE появилась еще одна структура — рабочая группа 802.11r. Она разрабатывает спецификации, регламентирующие быстрый хендовер клиентских устройств между разными точками доступа. Технология, которая должна быть положена в основу этих спецификаций, в какой-то степени заимствуется из документов 802.11i и 802.11k, а потому некоторые аналитики считают, что деятельность группы 802.11r лишена смысла.

В самом деле, процедуры, описанные в спецификации 802.11k, позволяют клиентскому устройству выбрать точку доступа, к которой следует подключиться перед разрывом текущего соединения. Использование же алгоритма кэширования, предусмотренного стандартом 802.11i, обеспечивает установление нового защищенного соединения за 20—30 мс. В результате, переключение абонентского устройства на новую точку доступа в сети, поддерживающей механизмы управления 802.11k, занимает не более 50 мс — даже при наличии самых изощренных средств защиты. Такая задержка не будет замечена пользователем, ведь наш порог восприятия находится на уровне 150 мс.