Презентация на тему Технологии wi-fi

О’Салливан, который в 1991 году разработал первую версию протокола.

В этом же году американская компания At&t выпускает первое устройство беспроводной передачи данных, которое работает на частоте 2.4gHz. Устройство назвали WaveLan. Стоит отметить, что скорость передачи данных составляла не более 2 Мбит/с

1997 год - выходит спецификация IEEE 802.11, которая не имела особых отличий от WaveLan. Скорость передачи данных не более 2 Мбит/с.
2000 год появляется новая спецификация 802.11b. Скорость передачи данных до 11 Мбит/с.
2002 год — выходит новая версия — 802.11a. Частота 5 gHz. Скорость обмена до 54  Мбит/с.
2003 год ознаменован появлением 802.11g. 54  Мбит/с теперь возможно и на частоте 2.4gHz. Появился протокол шифрования WPA.
2004 год — шифрование переходит на новый уровень безопастности. Мир увидел WPA2. Хакеры ищут новые способы взлома.
2009 год — официально представлены устройства с поддержкой стандарта 802.11n. Скорость передачи данных до 600 Мбит/с на частотах 5 gHz и 2.4gHz. Данный стандарт используется в большинстве современных смартфонов 2016 года.
2014 год — появляется стандарт 802.11ac. Скорость передачи данных более 1 Гбит/с.
2016 год — ведется разработка стандарта 802.11ad. Скорость передачи данных от 7 Гбит/с. Работа в диапазоне 60 гГц.

Эволюция технологии

логическим каналом
(Logical Link Control, LLC)
Подуровень управления доступом к среде
(Media

Access Control, MAC)

способ передачи сигналов
6 стандартов IEEE серии 802.11
Уровень MAC –

способ доступа к общей среде:
Один общий способ для всех 6 вариантов физического уровня
Уровень LLC – передача данных
Один общий способ

– MAC-адреса
Разделяемая среда:
Ethernet – кабели
Wi-Fi – радиоэфир
Общий формат кадра

уровня LLC
Стандарт IEEE 802.2

ГГц – 802.11b, 802.11g, 802.11n
5 ГГц – 802.11a, 802.11n,

802.11ac
60 ГГц – 802.11ad
Диапазоны 2,4, 5 ГГц и 60 ГГц не требуют лицензирования:
Можно использовать свободно
Для частот 2,4 и 5 ГГц другие устройства также используют этот диапазон и создают помехи .

AP и станцией STA
Характер распространения определяется следующими процессами:
Отражение при

наличии на трассе гладких поверхностей, много превышающих длину волны (12-13 см)
Дифракция – огибание препятствий, препятствующих прямому прохождению сигнала (на краях стен, зданий, крышах)
Рассеяние – наблюдается при наличии шероховатой поверхности на пути радиоволны, размеры которой соизмеримы с длиной волны (столбы, вывески, знаки, деревья)

связаны с расстоянием до приемной антенны
Мелкомасштабные замирания –
связаны

с изменением амплитуды и фаз сигнала

интерференция (Upfade)
Обнуление сигнала (Nulling)

сигнал
Векторная диаграмма

трасса 100м
LdB(5ГГц ) = 87дБ трасса 100м
LdB(60ГГц ) =

88дБ трасса 10м
LdB(60ГГц ) = 108дБ трасса 100м

минимальный уровень сигнала для работы 802.11ad на минимальной скорости (385Mbps PHY) равен -68dBm, что значит при передатчике в 10dB нужна усиливающая антена ещё в 10dB для растояния в 10 м.

SNR)
Факторы, уменьшающие SNR
AP, работающие в неперекрывающихся каналах (1,6,11) ,

интерференция
АР, работающие в смежном канале, уровень коллизий
Оборудование DECT
Оборудование Bluetooth
Микроволновое излучение

SNR)

SNR)

22МГц (так и есть). Но, как показывает иллюстрация, сигнал

на этом не заканчивается, и даже непересекающиеся каналы перекрываются: 1/6 и 6/11 — на ~-20dBr, 1/11 — на ~-36dBr, 1/13 — на -45dBr.

клиента?
У большинства клиентских устройств мощность передатчика снижена на «крайних»

каналах (1 и 11/13 для 2.4 ГГц). Вот пример для iPhone из документации FCC (мощность на порту антенны).

Причина в том, что Wi-Fi – связь широкополосная, удержать сигнал чётко в пределах рамки канала не удастся. Вот и приходится снижать мощность в «пограничных» случаях, чтобы не задевать соседние с ISM диапазоны.

при разном уровне сигнала:
Высокий уровень – скорость увеличивается
Низкий уровень

– скорость уменьшается
Адаптация скорости реализуется за счет изменения:
Количества используемых каналов
«Ширины» используемых каналов
Методов кодирования
Интервала между сигналами (Guard Interval)

передачи и приема сигнала:
Появилось в 802.11n, используется в 802.11ac
Пространственный

поток – сигнал, распространяющийся от одной антенны до другой
Использование нескольких пространственных потоков позволяет увеличить скорость передачи данных
Multiple Input Multiple Output (MIMO):
Метод кодирования сигнала для использования нескольких антенн

среду передачи данных
Возможны коллизии
Задача уровня MAC в Wi-Fi:
Обеспечить доступ

к разделяемой среде только одного компьютера в каждый момент времени
Безопасность передачи данных

Передаваемый сигнал намного мощнее принимаемого
Проблемы «Скрытой» и «засвеченной» станции
Сигнал о коллизии может не дойти до всех компьютеров
Wi-Fi использует подтверждение доставки кадра:
Обнаружение коллизий, по отсутствию подтверждения
Обнаружение ошибок
При отсутствии подтверждения кадр пересылается повторно

среде в Ethernet:
CSMA/CD - Множественный доступ с прослушиванием несущей

частоты и распознаванием коллизий
Метод доступа к среде в Wi-Fi:
CSMA/CA - Множественный доступ с прослушиванием несущей частоты с предотвращением коллизий

Кадр

1

Передача кадра

Межкадровый интервал

ACK

Передача подтверждения

Кадр

2

3

4

5

Период молчания

Слоты ожидания

Передача кадра

Короткий межкадровый интервал

Модель CSMA/CA

свободен ли канал
Если канал занят, компьютер устанавливает таймер ожидания

= время резервации канала + период молчания
Время резервации канала – время, необходимое на полную передачу сообщения: время передачи кадра + короткий межкадровый интервал + время передачи подтверждения
Период молчания – сумма слотов ожидания
Кадры в Wi-Fi имеют приоритет:
Определяет длительность межкадрового интервала
Кадры с наивысшим приоритетом отправляются после короткого межкадрового интервала
Кадры подтверждения (ACK) всегда имеют наивысший приоритет
Длительность межкадрового интервала = короткий межкадровый интервал + 2*слот ожидания

слотов ожидания компьютеры выбирают случайным образом в промежутке от

0 до 31 и уменьшают выбранное число

интервала и достижении нулевого слота ожидания
Начинает передачу тот компьютер,

который выбрал наименьшее число слотов ожидания
Компьютер передает кадр и ожидает подтверждения
Если подтверждение не пришло:
Произошла ошибка
Произошла коллизия
Производится повторная передача кадра
Время ожидания увеличивается экспоненциально с каждой новой попыткой (как в Ethernet)

скрытой и засвеченной станции
Теоретически это так
На практике CSMA/CA почти

всегда достаточно
Протокол Multiple Access with Collision Avoidance (MACA)
Предназначен для решения проблем скрытой и засвеченной станции
Может использоваться в Wi-Fi (не обязательно)
Применяется в основном в произвольном режиме (Ad-hoc)
Перед отправкой данных компьютер отправляет управляющее сообщение:
Request To Send (RTS)
Сообщение короткое, коллизий почти не бывает
Включает размер сообщения с данными
Принимающий компьютер отвечает сообщением:
Clear To Send (CTS)
Также включает размер ожидаемого сообщения
Компьютеры, увидевшее сообщение CTS ждут
Время на передачу данных (размер данных в CTS)
Время на передачу подтверждения

байт

байт

байт

байт

Wi-Fi четыре адреса?
Назначение адресов:
Адрес отправителя
Адрес получателя
Адрес точки доступа отправителя
Адрес

точки доступа получателя

Wi-Fi четыре адреса?
Назначение адресов:
Адрес отправителя
Адрес получателя
Адрес точки доступа отправителя
Адрес

точки доступа получателя

– Transmitter address
DA – Destination address
SA - Source address
BSSID

– идентификатор сети

данных
Примеры: RTS, CTS
Кадры управления
Реализация сервисов Wi-Fi
Примеры: ассоциация с точкой

доступа

Кадр данных
Кадр формата LLC
Максимальная длина 2304 байт (в Ethernet 1500 байт!)
Может быть пустым (0 байт для кадра ACK)
Кадры контроля и управления
Управляющая информация

Тело кадра Wi-Fi

контроля, управления
Подтип кадра
Какой именно кадр заданного типа
К DS/ От

DS (к/от распределительной системы)
Направление движения кадра при инфраструктурном режиме работы
RT (ReTransmission) – признак повторной передачи кадра

часто
1 ошибка на 1000 байт
Можно ли передавать данные? Да,

можно!
Длинные кадры нужно разбить на фрагменты менее 1000 байт
Скорость упадет, но данные будут передаваться
Схема работы:
Отправитель разбивает большой кадр на маленькие фрагменты
Каждый фрагмент передается по сети отдельно
Получатель записывает фрагменты в буфер
Из фрагментов в буфере собирается один большой кадр
Флаг MF в поле «Управление кадром»
More Fragments (еще фрагменты)
Признак использования фрагментации
Фрагменты большого кадра передаются с установленным флагом MF
Последний фрагмент передается без этого флага
Поле «Управление очередностью» кадра уровня MAC
Sequence Control (управление последовательностью/очередностью)
Номер фрагмента

важно экономить электроэнергию чтобы продлить срок работы батареи
Стандарт IEEE

802.11 PSM
Режимы работы станции: активный и спящий
В спящем режиме станция не принимает и не передает данные
Точка доступа записывает кадры для «спящей» станции в буфер
«Спящая» станция регулярно просыпается и читает все кадры от точки доступа
Передавать кадры станция может в любое время
Флаг PM
Power Management (управление питанием)
Показывает, в каком режиме находится станция
Флаг MD
More Data (больше данных)
Сигнализирует, что есть еще кадры для получения

данных:
Данные доступны всем
Защита данных встроена в Wi-Fi
Шифрование
Флаг Protection Frame

в заголовке кадра
Шифруются только данные, заголовки 802.11 передаются в открытом виде
Wired Equivalent Privacy (WEP) – первоначальная схема, высокая уязвимость
Выпущен в 1999, первая атака опубликована в 2001
Wi-Fi Protected Access (WPA) – временная улучшенная схема
Выпущен в 2003
Wi-Fi Protected Access 2 (WPA2):
Выпущен в 2004
Используется сейчас
Стандарт 802.11i
Шифрование на основе AES (Advanced Encryption Standard)

входы / множественные выходы

различные варианты

различные варианты

на подъем уровня сигнала в направлении от Wi-Fi клиента к Точке

Доступа WiFi

ДН

ДН
Процесс калибровки выглядит следующим образом:
Точка доступа формирует и отправляет

специализированный кадр (Null Data Packet Announcement – NDPA) для оповещения клиента. В нем содержится информация о количестве передатчиков, количестве потоков и другие сопутствующие данные.
Далее клиенту отправляется Null Data Packet (NDP). Это делается для того, чтобы клиент, анализируя информацию в заголовках на физическом уровне, смог сформировать отчет о полученном сигнале и отправить его обратно точке доступа.
Клиент анализирует полученный (на всех антеннах) сигнал по каждой поднесущей и формирует матрицу направленности с определенной амплитудой и фазой. Данная матрица занимает достаточно большой объем (особенно с учетом ширины каналов в 11ac), поэтому ответ отправляется в сжатом виде.
Получатель (точка доступа) на основании полученной от клиента информации формирует диаграмму направленности.

ДН
Формирование диаграммы направленности происходит следующим образом: каждая антенная начинает

передавать некую суперпозицию всех пространственных потоков с определёнными коэффициентами (фаза, амплитуда). Причём коэффициенты для каждого потока на каждой антенне будут свои. Стоит обратить внимание, что реальный выигрыш от технологии формирования диаграммы направленности мы получаем только в том случае, если количество антенн на передачу у нас превосходит количество передаваемых пространственных потоков. Для многопользовательской передачи (multi-user beamforming), процесс схожий, однако калибровка происходит для каждого клиента в отдельности.

ДН
Для реализации данной функции потребовалось изменить формат кадра на

физическом уровне, добавив специализированные заголовки для согласования параметров с несколькими пользователями. Кроме того, появилось разделение кадра на получателей (кадр адресованный всем, кадр для конкретного клиента).

ДН
Для предотвращения интерференции передаваемого сигнала при многопользовательской передаче, диаграмма

направленности для каждого клиента строится таким образом, что сигнал для соседних клиентов приходит в противофазе.