Беспроводные сети и системы связи: виды, устройство, топологии

Беспроводные технологии используются для передачи информации между находящимися на расстоянии точками без использования кабелей, проводов или других электрических проводников.

Выбор оптимальной технологии для беспроводных решений определяется множеством факторов:

● Объемом данных (сбор мегабитов в секунду/несколько раз за сутки);

● Временем отклика (получение команды в заданный момент времени);

● Надежностью отклика (гарантия получения команды, степень вероятности возникновения ошибок);

● Дистанцией связи (расположение узлов сети относительно друг друга);

● Количеством узлов связи (обслуживание одного/множества узлов);

● Стратегией оператора (предоставляемые и планируемые услуги);

● Целевой аудиторией (одна или несколько групп лиц, для которых предназначен продукт);

● Размером вложений в развитие сети, временем их окупаемости;

● Уже существующей сетевой инфраструктурой, наличием ресурсов для поддержания ее работоспособности;

● Временем, необходимым для запуска сети.

Беспроводной тип связи имеет несколько особенностей

● Расстояние передачи может варьироваться от нескольких метров до тысяч километров;

● Данный вид связи может использоваться для беспроводного доступа в Интернет, сотовой телефонии, беспроводной домашней сети и т. д.;

● Такая связь также применяется для GPS, спутникового, телевизионного вещания, беспроводных телефонов, различного типа гарнитур, радиоприемников.

Существует несколько основных классификаций беспроводных сетей:

1. По дальности действия:

● WPAN — беспроводные персональные сети (например, Bluetooth);

● WLAN — локальные беспроводные сети (Wi-Fi);

● WMAN — беспроводные сети масштаба города (WiMAX).

2. По типу сети:

● Автономные локальные (потоки данных территориально замкнуты в пределах конкретного объекта);

● Локальные, имеющие выход в транспортную (первичную) сеть (часть пользователей имеет выход за пределы локальной сети, например, доступ к Интернету);

● Открывающие потребителям непосредственный доступ к транспортной сети.

3. По применению:

● Корпоративные ведомственные (создаются компаниями для корпоративных нужд);

● Операторские (создаются операторами с целью возмездного оказания услуг).

4. По топологии:

● «Точка-многоточка»;

● «Точка-точка».

Основой беспроводной сети выступает протокол, который регламентирует ее топологию, адресацию, маршрутизацию, формат передаваемых пакетов, порядок доступа сетевых узлов к каналу передачи данных, набор управляющих команд, систему защиты информации.

Существует следующая классификация протоколов согласно радиусу их действия:

Сети сотовой связи, радиус которых измеряется десятками километров. К данному типу протоколов относятся GSM, iDEN, CDMAone, PDC, UMTS, GPS.

Беспроводные сети масштаба города, имеющие радиус действия в несколько километров. К таким сетям относится WiMAX.

Беспроводная вычислительная локальная сеть, где радиус действия составляет несколько сотен метров. Сюда относятся протоколы Wi-Fi, UWB, ZigBee.

Подобные протоколы связывают между собой различные устройства, а также используется для их коммутации с сетями более высокого уровня. Радиус действия сетей WPAN — от нескольких метров до нескольких десятков метров. К данному типу относятся протоколы Insteon, RuBee, X10, Bluetooth, ANT, Z-Wave, RFID.

Сетевая модель стека протоколов OSI. Использование этой модели позволяет сетевым устройствам взаимодействовать между собой на различных уровнях, каждый из которых выполняет определенные функции:

1. Физический — физический носитель или кабель;

2. Канальный — передача, прием пакетов данных, вычисление аппаратных адресов;

3. Сетевой — ведение учета, маршрутизация;

4. Транспортный — обеспечение бесперебойной сквозной передачи данных;

5. Сеансовый — аутентификация, контроль полномочий;

6. Интерпретации данных — представление, сжатие данных;

7. Прикладной — оказание услуг конечному пользователю: регистрация, почта и т. д.

Между OSI и TCP/IP есть несколько отличий:

1. TCP/ IP Suite представляет собой цифровую модель, применяемую для установления соединения и связи через сеть, тогда как OSI — это концептуальная модель, которая практически не используется в связи, а служит для проектирования, понимания архитектуры системы;

2. Модель OSI имеет семь уровней сетевой иерархии, TCP/IP — четыре;

3. TCP/IP использует горизонтальный подход, OSI — вертикальный;

4. OSI следует подходу «снизу вверх», TCP/IP — «сверху вниз».

Сети подобного типа функционируют в одном или нескольких вариантах.

Простой вариант организации сети, состоящей из пары устройств. Обеспечивает двунаправленную прямую связь по выделенным каналам, не требуя системы управления. Узлы этой сети обычно одноранговые, то есть равноправные. Топологию используют Bluetooth, RFID, Wi-Fi и др.

Осуществляет круговой многонаправленный трафик между центральной станцией и удаленными терминалами. Топология типа «звезда» выступает базовым вариантом организации сетей связи. Ее используют протоколы UWB, Insteon, Wi-Fi и т. д.

Полносвязная базовая топология сетей связи, где каждая сетевая рабочая станция соединяется с другими станциями этой же сети. Каждый узел располагает несколькими вариантами соединений с другими узлами, что придает топологии дополнительную устойчивость. Характерна для крупных сетей, отличается высокой отказоустойчивостью, но при этом сложностью настройки, дополнительным расходованием кабеля в проводных сетях. Используется протоколами WiMAX, GSM, GPRS и др.

Образуется из комбинаций вышеописанных топологий. Основание «дерева» расположено в точке («корень»), где собираются информационные коммуникационные линии («ветви»). Сети, имеющие древовидную структуру, используются там, где невозможно применение базовых топологий.

Такие методы позволяют передавать значительные объемы информации за короткий временной промежуток, а также поддерживать связь с несколькими пользователями в узких частотных диапазонах.

Расширение нескольких технологий доступа, где применяется инновационная схема кодирования, позволяющая нескольким абонентам одновременно обмениваться данными по одному физическому каналу. Каждой группе пользователей дается уникальный общий код, недоступный другим группам. Данная технология увеличивает количество сигналов для заданной полосы частот, используется для 3G-телефонии.

Сетевой вероятностный протокол канального уровня. Передавая пакет данных узел предварительно оценивает чистоту канала (определяет уровень шума). Если он свободен, узел передает пакет. Если же по каналу производится другая передача, узел «отстраняется» и выжидает время, прежде чем отправить пакет повторно.

Основная технология для мобильных сетей. Протокол представляет собой множественный доступ, имеющий разделение по времени. При этом в одном интервале частот одновременно находится несколько абонентов, а для передачи данных разным пользователям определены разные временные промежутки (слоты).

Выступает приложением GSM — частотного мультиплексирования в радиосвязи. Технология представлена множественным доступом, где распределение каналов производится по частоте. В одном диапазоне находится один пользователь, а разные абоненты используют различные частоты в пределах соты. Пока не закончен начальный запрос, канал остается закрытым для других сеансов связи.

Зависит от применения нескольких технологий: цифровой подписи, шифрования, смены ключей, паролей и т. д. От их использования зависит степень защищенности сети.

Существует несколько алгоритмов шифрования:

1. Е0 — данный поточный шифр применяется для стандарта Bluetooth. Построен на основании трех линейных генераторов сдвига;

2. AES — используется для защиты беспроводных каналов трансляции данных в протоколах ZigBee, UWB, RuBee, Wi-Fi, WiMAX;

3. Rolling Code System — шифр использует рекуррентный линейный регистр сдвига (основной — 32 бита, дополнительный — 5). Шифрование осуществляется побитным суммированием с ключом;

4. Crypto 1 — комбинация нелинейных и линейных рекуррентных регистров с длиной ключа, равной 48 бит;

5. А5 — шифрование потока данных осуществляется побитно. Происходит суммирование потока информации, получаемой по радиоканалу от пользователя и битового потока ключа, сгенерированного подобным алгоритмом.

К основным уязвимостям и рискам беспроводных протоколов можно отнести:

Точка доступа сообщает находящимся поблизости беспроводным узлам о своем присутствии с помощью широковещательного радиомаяка. Таким образом, любая находящаяся в режиме ожидания сторонняя рабочая станция может получить SSID (сервисный сетевой идентификатор) и добавить себя в соответствующую сеть.

Ведется для сбора информации о сетевых ресурсах с целью последующей атаки. Так как беспроводные сети позволяют соединяться с сетью устройствам, находящимся на расстоянии, подключиться может практически любой сторонний пользователь.

Имитируют реальные точки и сетевые ресурсы. Абоненты сообщают подобной точке важную информацию, которая таким образом попадает в руки злоумышленников.

Целью DDoS-атаки выступает создание помехи при доступе абонента к ресурсам сети. Атакующий включает устройство, заполняющее помехами и нелегальным трафиком весь спектр на рабочей частоте, тем самым парализуя работу системы.

Применяется для нарушения целостности, конфиденциальности связи путем подмены информации одного из сетевых ресурсов. Проведение подобной атаки требует наличия подробной информации о сети.

Не имеющие защиты беспроводные сети позволяют атакующим беспрепятственно выходить в мировую сеть, совершать там противоправные действия, не оставляя следов.

Подобный тип связи имеет несколько преимуществ.

Такие сети не требуют сложных способов обслуживания, использования проводов, а значит требуют меньших затрат.

Беспроводная связь обеспечивает общение пользователей независимо от их местоположения.

Беспроводные устройства (например, мобильные телефоны) просты в использовании, не привязаны к определенной локации за счет отсутствия кабелей, проводов и т. д.

Беспроводные сети имеют большую скорость, чем проводные, что обеспечивает быстрое реагирование на подаваемые команды.

Подобные технологии доступны даже для удаленных районов, где нет возможности правильно проложить заземляющие линии.

Беспроводные решения обеспечивают постоянное подключение независимо от передвижений пользователя, чего не может дать проводная связь.

Беспроводной канал связи характеризуется следующими параметрами:

Представлены отношением мощности транслируемого сигнала к мощности того же сигнала, который был принят приемником на данном пути.

Такие потери зависят от характера местности, используемой радиочастоты и могут быть описаны двумя моделями:

1. Распределение в свободном пространстве — простая модель, где сигнал прямого пути между приемником и передатчиком существует без многолучевых компонентов, ослабления в атмосфере;

2. Модель двух путей — предполагает достижение сигналом приемника по двум трактам, один из которых находится в прямой видимости, а другой расположен на пути, который осуществляет прием отраженной волны. Используется чаще модели первого типа.

Колебание уровня сигнала при попадании на приемник.

Замирание делится на два типа:

Возникает вследствие быстрых флуктуаций фазовых, амплитудных, многолучевых задержек принимаемого сигнала из-за помех, появляющихся между несколькими вариантами одного и того же передаваемого сигнала, который попадает на приемное устройство в разные моменты времени.

Происходит тогда, когда частично поглощающие передачу объекты находятся между приемником и передатчиком, что вызывает изменение мощности принимаемого сигнала. Длительность замирания варьируется от нескольких секунд до нескольких минут.

Беспроводные технологии должны противостоять идущим от различных источников помехам нескольких типов:

● Соседнего канала — находящиеся на на соседних частотах сигналы имеют компоненты, препятствующие текущей передаче на соседних частотах, находясь вне выделенных диапазонов;

● Совмещенного канала (узкополосные) — появляются из-за использования соседними системами аналогичной частоты передачи;

● Межсимвольным — искажение сигнала вызвано временным расширением отдельных сигнальных импульсов с их последующим перекрытием.

Представляет собой изменение частоты сигнала при перемещении приемника относительно передатчика.

Оптические линии, функционирующие в инфракрасном участке спектра, используются для соединения отдельных вычислительных локальных сетей (ЛВС), которые применяются в следующих случаях:

● Создание резервного и/или основного канала связи;

● Объединения нескольких ЛВС;

● Организация аварийной связи;

● Для связи «точка-точка» при максимальном расстоянии между точками до 1 километра;

● Создание магистральных каналов;

● Организация доступа к сети Интернет или к ведомственным, а также общим сетям передачи информации.

Принцип действия оптических беспроводных каналов связи (БОКС) следующий: сетевой трафик из кабеля через устройство сопряжения поступает к светодиоду, который функционирует в инфракрасном диапазоне спектра. Узконаправленным световым лучом сигнал подается на принимающий фотодиод, расположенный у другого конца сети. Далее осуществляется демодуляция полученного светового сигнала и его преобразование в коммуникационный протокол.

БОКС обладают рядом преимуществ:

● Низкая стоимость аппаратуры;

● Высокая надежность передачи данных;

● Компактность;

● Простота эксплуатации;

● Быстрая установка (2−3 часа);

● Высокая скорость распространения информации (10 Мбит/сек);

● Повышенная устойчивость к помехам;

● Функционирование при любых погодных условиях;

● Безопасность (инфракрасное излучение неопасно для человека).

Выбор беспроводной технологии определяется поставленной целью, имеющимся количеством времени, требуемой скоростью соединения, расстоянием, а также предельно допустимыми финансовыми затратами.