Перспективные беспроводные интерфейсы локальных сетей

       Стандарт 802.11 регламентирует применение физического  уровня с использованием ИК-излучения, однако в настоящее время на рынке  отсутствуют продукты, соответствующие  этой версии стандарта[2].

2. Уровень MAC канального уровня стандарта 802.11

       Стандарт 802.11 описывает один уровень MAC, на котором  обеспечивается выполнение множества  функций с целью обеспечения  работоспособности беспроводных локальных  сетей стандарта 802.11. Уровень MAC осуществляет управление и поддержку связи  между станциями стандарта 802.11 (радиоплатами интерфейса сети и точками доступа), координируя доступ к совместно  используемой среде (в данном случае к радиоэфиру). Считающийся "мозгом" сети, уровень MAC стандарта 802.11 управляет  физическим уровнем стандарта 802.11, таким как 802.11а, 802.11b или 802.11g, с целью решения задач по определению занятости или незанятости среды, осуществления передачи и приема фреймов стандарта 802.11.

       Прежде  чем передать фрейм, станция должна получить доступ к среде, т.е. совместно  используемому станциями радиоканалу. Стандарт 802.11 регламентирует две формы  доступа к среде: распределенная функция координации (distributed coordination function, DCF) и точечная функция координации (point coordination function, PSF).

       Поддержка режима DCF обязательна и основана на протоколе, обеспечивающем множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). При работе в режиме DCF станции вступают в конкуренцию за право доступа к среде и пытаются передать фреймы, если в это время никакая другая станция не осуществляет передачу (Рисунок 2.1). Если какая-то станция передает фрейм, остальные ждут освобождения канала.

Рисунок 2.1 Распределенная форма доступа к среде [2]

       В качестве условия доступа к среде (Рисунок 2.1) уровень MAC проверяет значение своего вектора распределения сети (network allocation vektor, NAV), который представляет собой размещенный на каждой станции счетчик, значение которого соответствует времени, необходимому для передачи предыдущего фрейма. Значение NAV должно быть равно нулю, чтобы станция могла попытаться отправить фрейм. Прежде чем послать фрейм, станция вычисляет необходимое для его передачи время на основе объема фрейма и скорости передачи данных в сети. Станция помещает значение, соответствующее названному времени, в поле продолжительности (duration field) заголовка фрейма. Когда станция получает фрейм, она проверяет значение в его поле продолжительности и использует его в качестве основы для установки своих NAV. Благодаря этому процессу среда резервируется для использования ее передающей станцией[2].

       Важным  аспектом режима DCF является таймер отката (back-off timer), который станция использует в случае, если среда передачи оказывается  занятой. Если канал используется другой станцией, желающая передать фрейм  станция должна находиться в режиме ожидания некоторый случайный промежуток времени и лишь после этого  вновь попытаться получить доступ к  среде. Благодаря этому исключается  возможность того, что несколько  станций, намеревающихся передать фреймы, начнут их отправку одновременно. Из-за случайной задержки разные станции ожидают права на передачу в течение разных периодов времени, поэтому не проверяют среду на занятость в один и тот же момент времени и, обнаружив, что канал свободен, не начинают передачу, создавая тем самым коллизию. Таймер отката существенно снижает число коллизий и, соответственно, повторных передач, особенно когда количество активных пользователей велико.

       При использовании локальных сетей  на основе радиоканалов передающая станция  не может прослушивать среду на предмет  возникновения коллизии во время  отправки данных, поскольку она не способна использовать свой приемник во время передачи данных. Поэтому  приемная станция должна послать  подтверждение (acknowledgement, ACK) того, что  она не обнаружила в полученном фрейме ошибок.

       Если  передающая станция не получит АСК  в течение определенного промежутка времени, она предполагает, что произошла  коллизия или фрейм был поврежден  из-за радиопомех, и передает его повторно.

       С целью поддержки оперативной  передачи фреймов (например, видеосигналов) стандарт 802.11 опционально предлагает механизм PCF, при использовании которого точка доступа гарантирует конкретной станции доступ к среде путем  опроса станции в период, свободный  от конкуренции. Станции не могут  передавать фреймы до тех пор, пока точка доступа не опросит их на предмет наличия фреймов для  передачи. Периоды времени для  трафика данных на основе механизма PCF (если это возможно) наступают  поочередно с периодами конкуренции.

       Точка доступа опрашивает станции в  соответствии с опросным листом, затем  переходит в режим конкуренции, при котором станции используют механизм DCF.

       Благодаря этому поддерживаются оба режима работы — синхронный и асинхронный. Однако на рынке пока отсутствуют  беспроводные платы интерфейса сети или точки доступа, способные работать в режиме PCF.

       Одна  из проблем, связанных с PCF, состоит  в том, что мало кто из поставщиков поддерживает его в своих продуктах. Поэтому обычно предоставляемые этим механизмом возможности оказываются недоступными для пользователей. Однако в будущем продукты будут поддерживать PCF, поскольку этот механизм позволяет получить необходимое качество обслуживания (QoS).

       Рассмотрим  основные функции, выполняемые на уровне MAC стандарта 802.11.

1.  Сканирование

       Стандарт 802.11 регламентирует оба варианта сканирования—  активное и пассивное. В ходе этого  процесса радиоплата интерфейса сети отыскивает точку доступа. Пассивное  сканирование является обязательным, при его осуществлении каждая плата интерфейса сети сканирует  отдельные каналы с целью обнаружения  наилучшего сигнала от точки доступа. Точки доступа периодически в  широковещательном режиме посылают маячковый сигнал (beacon). Радиоплаты интерфейса сети принимают эти маячковые  сигналы и принимают к сведению уровень соответствующего сигнала. Эти маячковые сигналы содержат информацию о точке доступа, включая  ее идентификатор зоны обслуживания (service set ifentifier, SSID) и поддерживаемую скорость передачи данных. Радиоплата интерфейса сети может использовать эту информацию наряду с данными  об интенсивности сигнала для  сравнения точек доступа и  принятия решения о том, к какой  из них следует подключиться[3].

       Опциональное  активное сканирование осуществляется похожим способом, заисключением  того, что этот процесс инициируется радиоплатой интерфейса сети. Она  посылает широковещательный зондирующий  фрейм (probe frame), а все точки доступа, находящиеся в радиусе действия, посылают ей ответ на зондирующий  фрейм (probe responce). Благодаря активному  сканированию радиоплата интерфейса сети может немедленно получить ответы от точек доступа, не дожидаясь передачи маячкового сигнала. Однако при активном сканировании в сети возникают непроизводительные затраты, обусловленные передачей  зондирующих фреймов запроса  и ответов на них.

       Станции, работающие в режиме неплановой сети, в стандарте 802.11 называются независимой  базовой зоной обслуживания (independent basic service set, IBSS). При работе в этом режиме одна из станций всегда посылает маячковые сигналы, извещая тем  самым новые станции о наличии  сети. Ответственность за передачу этого маячкового сигнала лежит на каждой станции, ожидающей завершения маячкового интервала (beacon interval) еще некоторое случайное время. Станция передает маячковый сигнал, если по истечении маячкового интервала и некоторого случайного промежутка времени эта станция не получит маячковый сигнал от какой-либо другой станции. Таким образом, ответственность за передачу маячковых сигналов распределяется между всеми станциями.

2.  Аутентификация

       Аутентификация  — это процесс, в ходе которого проверяется идентичность. Стандарт 802.11 регламентирует две ее формы: открытая система аутентификации и аутентификация с совместно используемым ключом. Открытая система аутентификации является обязательной и проводится в два  этапа. Радиоплата интерфейса сети инициирует процесс аутентификации, посылая  точке доступа фрейм запроса  на аутентификацию. Точка доступа  отвечает фреймом ответа на запрос об аутентификации, содержащий разрешение или отказ в аутентификации, что  указывается в поле кода состояния (status code) тела фрейма[3].

       Аутентификация  с совместно используемым ключом является опциональной и осуществляется в четыре этапа. Процесс основан  на определении того, имеет ли аутентифицируемое  устройство правильный WEP-ключ.' Радиоплата интерфейса сети начинает его, посылая  точке доступа фрейм запроса  на аутентификацию. Точка доступа, поместив текст вызова (challenge text) в тело фрейма ответа, посылает его радиоплате интерфейса сети. Радиоплата интерфейса сети использует свой WEP-ключ для шифрования текста вызова и посылает его назад точке  доступа в другом фрейме аутентификации. Точка доступа дешифрует текст  вызова и сравнивает его с первоначальным. Если оба текста эквивалентны, точка  доступа предполагает, что радиоплата интерфейса сети имеет корректный ключ. Точка доступа завершает последовательность обменов путем отправки радиоплате интерфейса сети фрейма аутентификации с разрешением или отказом. Многие хакеры знают, как можно преодолеть барьер, создаваемый посредством  аутентификаций с совместно используемым ключом, поэтому полагаться на такую  систему защиты, если нужно обеспечить высокий уровень безопасности, не стоит.

3.  Привязка

       После завершения процесса аутентификации радиоплата интерфейса сети должна привязаться  к точке доступа, только после  этого она сможет посылать фреймы данных.

       Привязка (association) необходима для обмена важной информацией между радиоплатой  интерфейса сети и точкой доступа, например, о поддерживаемых скоростях передачи данных. Радиоплата интерфейса сети инициирует процесс привязки путем отправки фрейма с запросом на привязку, содержащим такие данные, как SSID и поддерживаемая скорость передачи данных. Точка доступа отвечает, отправляя фрейм ответа на запрос о привязке, содержащий идентификатор ассоциации и другую информацию по точке доступа. После того как радиоплата интерфейса сети и точка доступа завершат процесс привязки, они могут передавать одна другой фреймы данных[3].

4.  WEP

       Если  опциональный режим WEP доступен, плата  интерфейса беспроводной сети, прежде чем передать какой-либо фрейм, шифрует  его тело (но не заголовок) с использованием общего ключа. Приемная станция, получив  фрейм, дешифрует его с помощью  общего ключа. Стандарт 802.11 не регламентирует метод распределения ключа, что  делает беспроводные локальные сети стандарта 802.11 уязвимыми для подслушивания. Однако версия 802. Hi этого стандарта  повышает степень защищенности за счет введения в стандарт механизмов 802.11х  и более надежного шифрования[3].

5.  RTS/CTS

       Опциональные  механизмы определения готовности к передаче (request to send) и готовности к приему (clear to send) позволяют точке  доступа контролировать процесс  использования среды передачи станциями, у которых активизирована функция RTS/CTS. При использовании большинства  радиоплат интерфейса сети пользователи могут устанавливать максимальный объем фрейма, при превышении которого радиоплата интерфейса сети активизирует режим RTS/CTS. Например, при задании  объема фрейма, равного 1000 бит, режим RTS/CTS будет использован для всех фреймов  объемом свыше 1000 бит. За счет использования  режима RTS/CTS смягчаются проблемы скрытого узла (когда две или более радиоплаты интерфейса сети не могут слышать  одна другую, хотя и привязаны к  одной точке доступа)[3].

       Если  радиоплата интерфейса сети активизировала режим RTS/CTS, она, прежде чем посылать фрейм данных, отправляет точке доступа  фрейм RTS. Точка доступа отвечает на него фреймом CTS, указывая тем самым, что радиоплата интерфейса сети может  послать фрейм данных. Одновременно с отправкой фрейма CTS точка доступа  предлагает значение поля продолжительности  заголовка фрейма, которое удерживает другие станции от передачи, чтобы  станция, передавшая фрейм RTS, могла  передать и свой фрейм данных. Это  позволяет избежать коллизий, вызванных  проблемой скрытого узла. Обмен фреймами RTS/CTS сопровождает передачу каждого  фрейма данных, объем которого превышает  порог, установленный на соответствующей  радиоплате интерфейса сети.

3. Физические  уровни стандарта 802.11

       Несколько физических уровней стандарта 802.11 удовлетворяют  различным требованиям, предъявляемым  к сети разными приложениями[8].