K004214 Курсовая работа Особенности работы и характеристики беспроводных сетей Wi-Fi

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О WI-FI 7

1.1 Общие принципы работы 7

1.2 Обзор технологии доступа 10

1.3 Стандарты беспроводных сетей Wi-Fi 11

1.3.1 Стандарт 802.11b 13

1.3.2 Стандарт 802.11g 14

1.3.3 Стандарт 802.11i 14

1.3.4 Стандарты 802.11n и 802.11ac 15

1.4 Организация сети 19

1.4.1 Типы и разновидности соединений 20

1.4.2 Топологии сетей Wi-Fi 21

1.5 Беспроводное оборудование, применяемое в Wi-Fi сетях 23

1.5.1 Точки доступа Wi-Fi. 24

1.5.2 Комбинированные устройства 25

Глава 2 ПЕРСПЕКТИВЫ И БЕЗОПАСНОСТЬ В СЕТИ WI-FI 27

2.1 Перспективы применения сетей Wi-Fi 27

2.1.1 В промышленной и кооперативной средах 28

2.1.2 Бесплатный доступ к Интернету через Wi-Fi 29

2.1.3 Wi-Fi и сотовая связь 30

2.1.4 Международные проекты 30

2.2 Безопасность Wi-Fi сетей 32

2.2.1 Алгоритм обеспечения безопасности WEP 34

2.2.3 Алгоритм обеспечения безопасности WPA 36

2.2.3 Алгоритм обеспечения безопасности WPA2 37

Глава 3. ЮРИДИЧЕСКИЙ СТАТУС СЕТЕЙ 39

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 43

ВВЕДЕНИЕ

По данным компании Strategy Analytics, к концу 2013 года точки доступа Wi-Fi были установлены в 439 млн домашних хозяйств — четвертой части от общего количества домовладений в мире.

Самая высокая доля домохозяйств, имеющих доступ к Wi-Fi, зарегистрирована в Южной Корее. Там их чуть более 80%. Великобритания, Франция и Германия отстают от Южной Кореи, но во всех этих странах уровень распространенности Wi-Fi превышает 70%. В США же он составляет лишь 61%.

По их прогнозам, к 2017 году доступом к Wi-Fi будет снабжено почти 800 млн домохозяйств (42%). Основной рост придется на Китай. Уже сейчас Китай обладает самым большим в мире количеством домохозяйств, имеющих доступ к Wi-Fi, а к 2016 году он увеличится еще на 110 млн.

Популярность сетей Wi-Fi растет не только в потребительском секторе. Рынок оборудования для беспроводных корпоративных сетей в четвертом квартале 2013 года вырос до рекордной отметки в 893 млн долл. Хотя основная доля средств по-прежнему тратится на оборудование для сетей Ethernet, рост рынка обеспечивают беспроводные технологии.

C 2010 года в мире было продано свыше 9 млрд устройств с беспроводным интерфейсом Wi-Fi. Увеличивается число смартфонов, ноутбуков, планшетов, принтеров и автомобильной электроники, а самый быстрый рост отмечается в секторе телевизоров с подключением к сети. В 2013 году в мире было продано 17 млн таких телевизоров, а в 2014 — уже 30 млн. К 2017 году, по прогнозам аналитиков, их продажи увеличатся вчетверо.

В первые годы рост на рынке устройств Wi-Fi обеспечивался сетевым оборудованием, но вскоре главным сектором стали смартфоны, отмечают аналитики. Фактором роста в ближайшие годы будут мобильные приложения и домашние системы. Wi-Fi будет не только обеспечивать доступ в Интернет, но и связь между различными домашними электронными устройствами — телевизорами, планшетами и смартфонами. Появление стандарта беспроводного подключения дисплеев Miracast еще больше увеличит количество домашних устройств, снабженных интерфейсами Wi-Fi.

85% мирового рынка микросхем Wi-Fi делят между собой шесть производителей: Broadcom, Qualcomm, MediaTek, Marvell, Intel и Texas Instruments.

Существенным для развития беспроводных технологий являются домашние пользователи. С ростом числа устройств в домашней сети все более актуальной становится проблема множества проводов, соединяющих эти устройства между собой. А это — уже один из поводов для перехода на беспроводные технологии. Повышение степени комфортности современного дома, объединение в единое целое всех его структур и объектов (компьютеров, телевизоров, цифровых фотокамер, домашнего развлекательного центра, систем охраны, климатических систем, кухонных устройств и т.д.) — основа идеи создания интеллектуального цифрового дома – также реализуется с помощью беспроводных устройств.

Несмотря на то, что насчитывается огромное число единичных пользователей, наиболее быстро растущим сегментом потребителей беспроводных технологий является корпоративный. Беспроводная передача данных является важным стратегическим средством и обеспечивает рост производительности (сотрудники получают постоянный и быстрый доступ к корпоративной информации, они быстрее узнают новости), повышает качество обслуживания клиентов (можно мгновенно принимать жалобы и пожелания и мгновенно реагировать на них), создает конкурентные преимущества (повышение скорости обмена информацией и, следовательно, скорости принятия решения).

Целью данной работы является изучение истории возникновения, особенности работы, характеристики, а также перспективы беспроводных сетей Wi-Fi.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О WI-FI

1.1 Общие принципы работы

Wi-Fi был создан в 1996 году в лаборатории радиоастрономии CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) в Канберре, Австралия. Создателем беспроводного протокола обмена данными является инженер Джон О'Салливан (John O'Sullivan).

Термин «Wi-Fi» изначально был придуман как игра слов для привлечения внимания потребителя «намеком» на Hi-Fi (англ. High Fidelity — высокая точность). Несмотря на то, что поначалу в некоторых пресс-релизах WECA фигурировало словосочетание «Wireless Fidelity» («беспроводная точность»), на данный момент от такой формулировки отказались, и термин «Wi-Fi» никак не расшифровывается.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передает свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 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 приемник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Более подробно принцип работы описан в официальном тексте стандарта.

Однако стандарт не описывает всех аспектов построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по-своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения. Поэтому возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей.

По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

̶ Автономные точки доступа (называются также самостоятельные, децентрализованные, умные);

̶ Точки доступа, работающие под управлением контроллера (называются также «легковесные», централизованные);

̶ Бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера).

По способу организации и управления радиоканалами можно выделить беспроводные локальные сети:

̶ Со статическими настройками радиоканалов;

̶ С динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов;

̶ Со «слоистой» или многослойной структурой радиоканалов.

Основные преимущества сети Wi-Fi можно выразит такими параметрами:

̶ Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развертывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

̶ Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

̶ Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.

̶ Мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете пользоваться Интернетом в комфортной для вас обстановке.

̶ В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.

̶ Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона.

К недостаткам стоит отнести следующее:

̶ В диапазоне 2,4 ГГц работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др., и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость. Важно отметить, что современные Wi-Fi устройства могут работать и в диапозоне 5 ГГц

̶ Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создается иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные «накладные расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в Wi-Fi сети всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI).

̶ Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п.

В корпоративных беспроводных сетях применяется немного другой подход к информационной безопасности, чем в потребительских. Если в обычной Wi-Fi сети используется общий ключ, который через некоторое время знают все соседи, а, порой, и злоумышленники, то в корпоративной сети для каждого пользователя применяется персональная аутентификация, которую он может пройти с помощью собственного ключа.

Кроме того, в корпоративных сетях обязательно использование двухсторонней аутентификации (клиентской и серверной стороны) и надежного уровня шифрования с целью защиты данных от перехвата и подмены. Также, в целях безопасности, клиентским устройствам запрещено подключаться к сторонним Wi-Fi сетям, даже если сигнал корпоративной точки доступа слишком слабый, а публичная сеть имеет аналогичное название и более мощный уровень сигнала. Среди прочего, для этого используются дополнительные приложения, которые требуют от владельца подтверждения, что клиент переходит в другую сеть.

Потребительское Wi-Fi оборудование позволяет построить сеть, которая может состоять всего из нескольких точек доступа, причем периферийные точки будут, фактически, радиоудлинителями основной точки. В профессиональных сетях могут работать сотни точек доступа. При переходе пользователя из зоны действия одной точки к другой точке обеспечивается плавный, «бесшовный» роуминг.

Кроме того, частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США. В Японии есть еще один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Беларусь и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.

Как было упомянуто выше — в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.

1.2 Обзор технологии доступа

Беспроводные локальные сети создаются на основе семейства стандартов IEEE 802.11. Эти сети известны также как Wi-Fi (WirelessFidelity), и хотя сам термин Wi-Fi, в стандартах явным образом не прописан, бренд Wi-Fi получил в мире самое широкое распространение.

В 1990 г. Комитет по стандартам IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronic Engineers) сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11. Это группа занялась разработкой всеобщего стандарта для радиооборудования и сетей, работающих на частоте 2.4 ГГц со скоростями 1 и 2 Мбит/с. Работа по созданию стандарта были завершены через семь лет, и в июне 1997 г. была ратифицирована первая спецификация 802.11.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа (AP, от англ. access point) и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую».

Точка доступа передает свой идентификатор сети SSID (англ. Service Set IDentifier, Network name — идентификатор сети, сетевое имя) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 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, приемник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала.

Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения и роуминга. Последние версии операционных систем содержат функцию, называемую «zero configuration», которая показывает пользователю все доступные сети и позволяет переключаться между ними «на лету». Это означает, что роуминг будет полностью контролироваться операционной системой. Wi-Fi передает данные в эфире, поэтому он обладает свойствами, сходными с некоммутируемой сетью, и для него могут возникать такие же проблемы, как при работе с некоммутируемыми сетями.

1.3 Стандарты беспроводных сетей Wi-Fi

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 — это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передач. Он может быть сопоставлен со стандартом 802.3 для обычных проводных сетей Ethernet.

Стандарт RadioEthernet IEEE 802.11 определяет порядок организации беспроводных сетей на уровне управления доступом к среде (MAC-уровне) и физическом (PHY) уровне. В стандарте определен один вариант MAC (Medium Access Control) уровня и три типа физических каналов.

Подобно проводному Ethernet, IEEE 802.11 определяет протокол использования единой среды передачи, получивший название Сarrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA). Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизируется путем предварительной посылки короткого сообщения, называемого Ready to Send (RTS), оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция должна ответить на RTS посылкой Clear to Send (CTS). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему. После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение (ACK) факта безошибочного приема. Если ACK не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.

В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней, а также шифрование для защиты от подслушивания.

На физическом уровне стандарт предусматривает два типа радиоканалов и один инфракрасного диапазона.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура. Сеть может состоять из одной или нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP). Точка доступа и находящиеся в пределах радиуса ее действия рабочие станции образуют базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняется непосредственно рабочими станциями.

На данный момент из всех сущетсвующих стандартов во множетсве семейства IEEE 802.1 наиболее часто используются: 802.11b, 802.11g, 802.11n и 802.11ac.

1.3.1 Стандарт 802.11b

Это первый беспроводной стандарт, появившийся в России и применяемый повсеместно до сих пор.

В окончательной редакции широко распространенный стандарт 802.11b был принят в 1999 г. и благодаря ориентации на свободный от лицензирования диапазон 2,4 ГГц завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования. Пропускная способность (теоретическая 11 Мбит/с, реальная — от 1 до 6 Мбит/с) отвечает требованиям большинства приложений. Поскольку оборудование 802.11b, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала.

При, очевидно, невысокой скорости передачи данных безопасность находится на довольно низком уровне. При желании злоумышленнику может потребоваться меньше часа для расшифровки ключа сети и проникновения в Вашу локальную сеть. Для защиты используется протокол WEP, который охарактеризовал себя не с лучшей стороны и был взломан несколько лет назад.

Не рекомендуется применять данный стандарт ни дома, ни тем более в корпоративных вычислительных сетях. Исключение может составлять те случаи, когда оборудование не поддерживает другой, более защищенный стандарт.

Ключевые особенности стандарта:

• Скорость: 11 Мбит/с

• Радиус действия: 50 м

• Протоколы обеспечения безопасности: WEP

• Уровень безопасности: низкий

1.3.2 Стандарт 802.11g

802.11g — это более продвинутый стадндарт, регламентирующий метод построения WLAN, функционирующих в нелицензируемом частотном диапазоне 2,4 ГГц. Максимальная скорость передачи данных в беспроводных сетях IEEE 802.11g составляет 54 Мбит/с. При использовании оборудования, поддерживающего технологии super G или True MIMO предел максимально достижимой скорости составляет 125 Мбит/с. Одна из представленных технологий будет рассмотрена несколько

Стандарт 802.11g представляет собой развитие 802.11b и обратно совместим с 802.11b. Соответственно компьютер с адаптером, поддерживающим 802.11g сможет подключаться и к уже действующим точкам доступа 802.11b, и ко вновь создаваемым 802.11g. Теоретически 802.11g обладает достоинствами своего предшественника.

Кроме того, возрос и уровень защиты: при соблюдении всех необходимых условий при правильной настройке, его можно оценить как высокий. Данный стандарт совместим с новыми протоколами шифрования WPA и WPA2. Они предоставляют более высокий уровень защиты, нежели WEP.

• 54 Мбит/с, до 125 Мбит/с

• Радиус действия: 50 м

• Протоколы обеспечения безопасности: WEP, WPA, WPA2

• Уровень безопасности: высокий

1.3.3 Стандарт 802.11i

Это новый стандарт, который должен был прийти на смену 802.11g и свести на нет все попытки взлома.

В данном случае непосредственно в сам стандарт встроена поддержка самых современных технологий, таких как True MIMO и WPA2. Поэтому необходимость более тщательного выбора оборудования отпадает. Радиус действия: 50 м

• Скорость: 125 Мбит/с

• Протоколы обеспечения безопасности: WEP, WPA, WPA2

• Уровень безопасности: Высокий

1.3.4 Стандарты 802.11n и 802.11ac

Стандарт 802.11n, утвержденный утвержден 11 сентября 2009 года, повышает скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 450 Мбит/с. Устройства 802.11n работают в диапазонах 2,4 — 2,5 или 5,0 ГГц

В каждом стандарте есть дополнительные технологии и настройки для повышения уровня безопасности. Можно отметить следующие основные преимущества стандарта 802.11n:

• Большая скорость передачи данных (около 300 Мбит/с);

• Протоколы обеспечения безопасности: WEP, WPA, WPA2

• Уровень безопасности: Высокий

• Равномерное, устойчивое, надежное и качественное покрытие зоны действия станции, отсутствие непокрытых участков;

• Совместимость с предыдущими версиями стандарта Wi-Fi.

Недостатки:

• Большая мощность потребления;

• Два рабочих диапазона (возможная замена оборудования);

• Усложненная и более габаритная аппаратура.