2.1.1 Принципы работы беспроводных сетей
Известно, что существует 2 вида сетей, это традиционные проводные и беспроводные сети. В большинстве своем нам приходится сталкиваться с проводными сетями, где данные передаются по витой паре, коаксиальному кабелю, оптоволокну, телефонной линии и т.д. Основным минусом вышеописанных сетей является то, что они требуют определенных затрат на прокладку кабеля (порой невозможную) и лишают мобильности. Именно дабы этого избежать были придуманы беспроводные сети, где данные передаются по радиоканалу, что дает мобильность пользователям сети.
Беспроводные сети обладают гибкостью при конфигурации и расширении. Могут служить как добавлением, так и заменой стандартных проводных сетей при построении сетевой инфраструктуры. Также они достаточно просты в инсталляции. На основании всего вышенаписанного можно сделать вывод, что это действительно удобно и востребовано.
Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента (рисунок 2.3). Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Мбит/с каждые 100 мс. Так что 0.1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения.
Рисунок 2.2 — Архитектура Wi-Fi, соединение двух точек доступа по режиму Режим WDS with AP
1.1.2 Режимы работы Wi-Fi
Стандарт 802.11 вобрал в себя все ранее выходившие версии и на данный момент предоставляет следующие режимы:
Беспроводные сетевые адаптеры:
Режим Ad Hoc. В режиме Ad Hoc (рисунок 2.4) клиенты устанавливают связь непосредственно друг с другом. Устанавливается одноранговое взаимодействие по типу «точка-точка», и компьютеры взаимодействуют напрямую без применения точек доступа. При этом создается только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.
Основное достоинство данного режима – простота организации: он не требует дополнительного оборудования (точки доступа). Режим может применяться для создания временных сетей для передачи данных.
Однако необходимо иметь в виду, что режим Ad Hoc позволяет устанавливать соединение на скорости не более 11 Мбит/с, независимо от используемого оборудования.
Реальная скорость обмена данных будет ниже, и составит не более 11/N Мбит/с, где N – число устройств в сети. Дальность связи составляет не более ста метров, а скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния.
Для организации долговременных беспроводных сетей следует использовать инфраструктурный режим.
Инфраструктурный режим. В этом режиме точки доступа обеспечивают связь клиентских компьютеров (рисунок 2.5). Точку доступа можно рассматривать как беспроводный коммутатор.
Клиентские станции не связываются непосредственно одна с другой, а связываются с точкой доступа, и она уже направляет пакеты адресатам.
Точка доступа имеет порт Ethernet, через который базовая зона обслуживания подключается к проводной или смешанной сети – к сетевой инфраструктуре.
Рисунок 2.4 — Инфраструктурный режим
Режимы WDS и WDS WITH AP. Термин WDS (Wireless Distribution System) расшифровывается как «распределённая беспроводная система». В этом режиме точки доступа соединяются только между собой, образуя мостовое соединение. При этом каждая точка может соединяться с несколькими другими точками. Все точки в этом режиме должны использовать одинаковый канал, поэтому количество точек, участвующих в образовании моста, не должно быть чрезмерно большим. Подключение клиентов осуществляется только по проводной сети через uplink-порты точек (рисунок 2.6).
Рисунок 2.5 — 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. Это позволяет объединить в сеть филиалы и центральный офис, а также подключать клиентов к сети провайдера Интернет (рисунок 2.7).
Рисунок 2.6- Мостовой режим между зданиями
Беспроводный мост может использоваться там, где прокладка кабеля между зданиями нежелательна или невозможна. Данное решение позволяет достичь значительной экономии средств и обеспечивает простоту настройки и гибкость конфигурации при перемещении офисов.
К точке доступа, работающей в режиме моста, подключение беспроводных клиентов невозможно. Беспроводная связь осуществляется только между парой точек, реализующих мост.
Термин WDS with AP (WDS with Access Point) обозначает «распределённая беспроводная система, включая точку доступа», т.е. с помощью этого режима можно организовать не только мостовую связь между точками доступа, но и одновременно подключить клиентские компьютеры (рисунок 2.8). Это позволяет достичь существенной экономии оборудования и упростить топологию сети. Данная технология поддерживается большинством современных точек доступа.
Тем не менее, необходимо помнить, что 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.
Рисунок 2.7- Режим WDS with AP
Топология типа «шина». Топология типа «шины» самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов (рисунок 2.9).
Рисунок 2.8 — Топология типа «шина»
Здесь отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает ее надежность (ведь при отказе любого центра перестает функционировать вся управляемая этим центром система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто. Надо ввести параметры новой точки доступа в последнюю, что приведёт только кратковременную перезарузку последней точки.
Шине не страшны отказы отдельных точек, так как все остальные компьютеры сети могут нормально продолжать обмен между собой, но при этом оставшаяся часть компьютеров не смогут получить доступ в Интернет.
«Кольцо» — это топология, в которой каждая точка доступа соединена только с двумя другими (рисунок 2.10). Четко выделенного центра в данном случае нет, все точки могут быть одинаковыми.
Рисунок 2.9 — Топология тип «кольцо»
Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совершенно безболезненно, хотя и требует обязательной остановки работы двух крайних точек от новой точки доступа.
В то же время основное преимущество кольца состоит в том, что ретрансляция сигналов каждым абонентом позволяет существенно увеличить размеры всей сети в целом (порой до нескольких десятков километров). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии.
Топология связей между точками в этом режиме представляет собой ациклический граф типа дерево, то есть данные из Интернета от точки 4 к точке 2 может проходят по двум направлениям – через точку 1 и 3 (рисунок 2.10). Для устранения лишних связей, способных приводить к появлению циклов в графе, реализуется алгоритм Spanning tree.
Его работа приводит к выявлению и блокированию лишних связей. При изменении топологии сети, например – из-за отключения некоторых точек или невозможности работы каналов – алгоритм Spanning tree запускается заново, и прежде заблокированные лишние связи могут использоваться взамен вышедших из строя.
Рисунок 2.10 — Топология типа «звезда»
Топология типа «звезда». «Звезда» – это топология с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты (рисунок 2.11). Весь обмен информацией идет исключительно через центральную точку доступа, на которую таким образом ложится очень большая нагрузка.
Если говорить об устойчивости звезды к отказам точек, то выход из строя обычной точки доступа никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центральной точки делает сеть полностью неработоспособной.
Серьезный недостаток топологии «звезда» состоит в жестком ограничении количества абонентов. Так как все точки работают на одном канале, то обычно центральный абонент может обслуживать не более 10 периферийных абонентов из-за большого падения скорости.
В большинстве случаев, например для объединения нескольких районов в городе, используют комбинированные топологии.
При переходе от проводной архитектуры к беспроводной иногда можно обнаружить, что имеющиеся сетевые устройства поддерживают проводную сеть Ethernet, но не имеют интерфейсных разъемов для беспроводных сетевых адаптеров. Для подключения таких устройств к беспроводной сети можно использовать точку доступа – клиент (рисунок 2.12).
Рисунок 2.11 — Режим клиента
При помощи точки доступа-клиента к беспроводной сети подключается только одно устройство. Этот режим не включен в стандарт 802.11, и поддерживаются не всеми производителями.
Может возникнуть ситуация, когда оказывается невозможно, или неудобно, соединить точку доступа с проводной инфраструктурой, или какое-либо препятствие затруднит осуществление связи точки доступа с местом расположения беспроводных станций клиентов напрямую. В такой ситуации можно использовать точку в режиме повторителя (Repeater) (рисунок 2.13).
Рисунок 2.12 — Режим повторителя
Аналогично проводному повторителю, беспроводный повторитель просто ретранслирует все пакеты, поступившие на его беспроводный интерфейс. Эта ретрансляция осуществляется через тот же канал, через который они были получены.
При применении точки доступа-повторителя следует помнить, что наложение широковещательных доменов может привести к сокращению пропускной способности канала вдвое, потому что начальная точка доступа также «слышит» ретранслированный сигнал.
Режим повторителя не включен в стандарт 802.11, поэтому для его реализации рекомендуется использовать однотипное оборудование (вплоть до версии прошивки) и от одного производителя. С появлением WDS данный режим потерял свою актуальность, потому что функционал WDS заменяет его. Однако его можно встретить в старых версиях прошивок и в устаревшем оборудовании.
Чтобы пользователь мог передвигаться от одной точки доступа к другой без потери доступа к сетевым службам и разрыва соединения во всем оборудовании компании D-Link есть функция роуминга.
Роуминг – это возможность радиоустройства перемещаться за пределы действия базовой станции и, находясь в зоне действия «гостевой» станции, иметь доступ к «домашней» сети (рисунок 2.14).
При его организации все точки доступа, обеспечивающие роуминг,
конфигурируются на использование одинакового идентификатора зоны обслуживания (SSID). Все точки доступа относятся к одному широковещательному домену, или одному домену роуминга.
Механизм определения момента времени, когда необходимо начать процесс роуминга, не определен в стандарте 802.11, и, таким образом, оставлен на усмотрение поставщиков оборудования. Наиболее простой широко распространенный алгоритм переключения заключается в том, что адаптер взаимодействует с одной точкой вплоть до момента, когда уровень сигнала не упадет ниже допустимого уровня. После этого осуществляется поиск точки доступа с одинаковым SSID и максимальным уровнем сигнала, и переподключение к ней.
Роуминг включает значительно больше процессов, чем необходимо для поиска точки доступа, с которой можно связаться. Опишем некоторые из задач, которые должны решаться в ходе роуминга на канальном уровне:
— предыдущая точка доступа должна определить, что клиент уходит из ее области действия;
— предыдущая точка доступа должна буферизовать данные, предназначенные для клиента, осуществляющего роуминг;
— новая точка доступа должна показать предыдущей, что клиент успешно переместился в ее зону;
— предыдущая точка доступа должна послать буферизованные данные новой точке доступа.
— предыдущая точка доступа должна определить, что клиент покинул ее зону действия;
— точка доступа должна обновить таблицы МАС-адресов на коммутаторах инфраструктуры, чтобы избежать потери данных перемещающегося клиента [6].