IT История

Общей тенденцией развития компьютерных сетей в последние годы является постепенная замена проводных сетей их беспроводными аналогами. Это прослеживается на всех уровнях – от компьютерных и периферийных интерфейсов до магистральных сетей, от передачи информации до голосовой и видеотелефонии.

Все многообразие современных беспроводных технологий условно можно разбить на несколько типов:

1. Для связи оборудования в пределах рабочего места, например, сотового телефона и ноутбука (или компьютера, или принтера), предназначены персональные беспроводные сети WPAN (Wireless Personal Area Network). Очевидно, что такие сети обслуживаются самим пользователем или системным (сетевым) администратором без привлечения телекоммуникационного оператора. Среди WPAN-сетей наибольшей популярностью пользуется сеть Bluetooth, позволяющая связать портативные вычислительные или телекоммуникационные устройства (сотовые телефоны, КПК, ноутбуки) с беспроводной периферией и аксессуарами, расположенными в небольшом удалении (до 10 м, а в отдельных случаях – до 100 м) от пользователя.

2. Беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Network), которые, по ассоциации с наиболее популярной беспроводной сетью, также называют Wi-Fi (сокращение Wireless Fidelity) сетями, обеспечивают дальность связи в помещении порядка 50-150 м или до 300 метров на открытом пространстве. Предназначены они в основном для развертывания беспроводных сетей в пределах одного или нескольких помещений, хотя возможно их использование и на открытых площадках ограниченных размеров. Также определенной популярность пользуются так называемые хот-споты – беспроводные сети, развертываемые с целью обеспечения доступа в Интернет или корпоративную сеть в публичных местах (в гостиницах, аэропортах, кафе, ресторанах, выставочных залах и пр.).

3. Характерный радиус действия распределенных беспроводных сетей масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) составляет величину порядка 50 км. Такие сети призваны дополнить (а в перспективе и полностью заменить) в качестве «последней мили» инфраструктуру кабельных городских коммуникационных сетей, служащих для высокоскоростного доступа в Интернет и телефонии. К этой категории относятся сети широкополосного доступа WiMAX (семейства стандартов IEEE 802.16).

Всему этому многообразию современных стандартов беспроводных цифровых сетей и будет посвящена статья.

Стандарты персональных беспроводных сетей

Bluetooth

Стандарт Bluetooth (назван в честь короля викингов Харальда Синезубого, поэтому его часто называют просто «синий зуб») сегодня является одним из самых известных и распространенных. Его первая спецификация была выпущена в 1998 году компанией Ericsson (в разработке принимали участие также IBM, Intel, Nokia и Toshiba) для обмена данными без проводов между двумя и более устройствами. Поскольку эта компания занималась производством мобильных телефонов, то именно для них новая технология и предназначалась – как тривиальная замена интерфейсного кабеля. Именно поэтому от Bluetooth не требовалось ни большого радиуса действия, ни высокой скорости передачи данных, да и в какой-то особой функциональности нужды не было. Зато требовались простота подключения и максимально низкое энергопотребление.

Однако к настоящему времени область применения «синего зуба» существенно расширилась – он превратился в универсальный беспроводной интерфейс для персональных сетей, в которые могли входить практически любые устройства. Так, помимо сотовых телефонов и различных дополнений к ним (беспроводные гарнитуры и пр.), Bluetooth широко используется для передачи данных в КПК и ноутбуках, в беспроводных компьютерных мышках и клавиатурах. Многие принтеры (и не только мобильные) и МФУ используют этот интерфейс для «избавления» от проводов. Кроме того, он стал фактическим стандартом передачи данных между GPS-навигаторами и устройствами отображения (КПК или ноутбуками).

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в стандартном ISM-диапазоне (2,4 – 2,48 ГГц). Спектр сигнала формируется по методу частотных скачков FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего предусмотрено 79 рабочих частот) по псевдослучайному закону. Таким образом, если в одном и том же месте работают несколько устройств Bluetooth, то они не мешают друг другу. Передача цифровых данных происходит со скоростью 723,2 Кбит/с.

На сегодня известны следующие стандарты Bluetooth:

· Bluetooth 1.0 и 1.0B – самые первые версии стандарта, отличались «сыростью» и большим количеством ошибок, а также имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. Стандарт особой популярностью не пользовался и быстро «сошел со сцены».

· Bluetooth 1.1 – первая нормальная рабочая версия спецификации, в которой были устранены многие ошибки предыдущих версий, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI). Была сертифицирована как стандарт IEEE 802.15.1-2002.

· Bluetooth 1.2 – наиболее совершенная версия первого поколения «синего зуба». Сертифицирована в качестве стандарта IEEE 802.15.1-2005.

· Bluetooth 2.0 – усовершенствованная версия Bluetooth 1.2, в которой устранены многие ее ошибки. В отличие от Bluetooth 1.х, обеспечивающей работу только с одним устройством, в версии «2.0» предусмотрена возможность одновременной отправки одних и тех же данных сразу нескольким устройствам (Multi-Cast), появилась поддержка QoS (Quality of Service), в очередной раз улучшено энергосбережение. Но наиболее значимые изменения внесены в вариант Bluetooth 2.0 с расширенным пропускным диапазоном, на что явно указывает постфикс «EDR» (Enhanced Data Rate). Пиковая пропускная способность Bluetooth 2.0/EDR возросла до 3,0 Мбит/с. Правда, в реальных ситуациях она обычно не превышает 2,1 Мбит/с, но и этого для типичных мультимедийных задач зачастую вполне достаточно.

· Bluetooth 2.1 – последняя официально принятая версия стандарта Bluetooth 2.1, в которой, как водится, устранены ошибки предыдущих, упрощено сопряжение устройств, еще больше снижено энергопотребление, улучшена помехозащищенность и пр.

· Bluetooth 3.0 – проект поистине революционного преобразования стандарта Bluetooth на основе использования UWB-технологии (о ней чуть ниже). Что, по замыслу разработчиков, обеспечит повышение скорости обмена данными до 480 Мбит/с и позволит Bluetooth 3.0 успешно конкурировать с перспективной технологией Wireless USB, основанной на все той же спецификации UWB.

По «дальнобойности» все устройства Bluetooth подразделяются на 3 класса (дальность очень зависит от преград и помех):

· Class 1 – передатчик мощностью до 100 мВт обеспечивает радиус действия до 100 метров;

· Class 2 – передатчик мощностью до 2,5 мВт обеспечивает радиус действия до 10 метров;

· Class 3 – передатчик мощностью до 1 мВт обеспечивает радиус действия до 1 метра.

Естественно, что сегодня больше всего распространены устройства 1 и 2 классов, как обеспечивающие более или менее приемлемый радиус устойчивой работы.

Прочие стандарты персональных беспроводных сетей

Год назад компания Nokia анонсировала разработку собственного варианта стандарта персональной беспроводной сети Wibree.

По своим параметрам (рабочая частота 2,4 ГГц, максимальная пропускная способность – до 1 Мбит/с, радиус действия – до 10 метров) новинка соответствует первой версии Bluetooth и отличается от нее только ультранизким энергопотреблением. Предполагается, что модули Wibree будут применяться в устройствах вроде биометрических датчиков, отслеживающих параметры жизнедеятельности человека, различных сенсорах и прочих устройствах, способных работать от автономного источника питания время, исчисляемое годами. Так что Wibree в любом случае является сугубо нишевым продуктом и ни в коей мере не способен составить конкуренцию Bluetooth в качестве WPAN-устройства. А вот с другим сверхэкономичным решением – ZigBee(стандарт IEEE 802.15.4), в настоящее время единолично занимающим эту часть рынка, он способен потягаться.

Впрочем, ZigBee упоминается в контексте статьи лишь в качестве иллюстрации, так как он представляет собой типичный пример промышленного беспроводного стандарта средств связи между автономными приборами и оборудованием, не способным работать в режиме обмена данными, то есть абсолютно не пригоден для построения компьютерных сетей.

Технология ультраширокополосной передачи данных UWB (Ultra-Wide Band) предназначена для простого и быстрого беспроводного подключения всевозможной компьютерной периферии, обмена данными между мобильными устройствами, а также для дистанционного управления устройствами бытовой электроники. Основные ее характеристики описаны в стандарте IEEE 802.15.4a.

В отличие от большинства современных систем беспроводной связи, работающих в сравнительно узком частотном диапазоне, UWB для передачи сигнала задействует гораздо более широкий диапазон частот между 3,1 и 10,6 ГГц, который разделен на 14 поддиапазонов шириной по 528 МГц каждый, сгруппированных в 5 частотных участков (правда, на данный момент это касается лишь территории США и некоторых других стран). Способ передачи UWB-сигнала также принципиально отличается от всех остальных систем: данные передаются в виде одиночных сверхкоротких (длительностью всего несколько наносекунд) импульсов очень малой мощности, псевдослучайно распределяемых по всей ширине полосы передачи. При этом сигнал как бы размазывается по всему диапазону, что делает возможным работать без взаимных помех огромному количеству различных UWB-устройств. Дополнительным преимуществом UWB-устройств является их крайне низкое энергопотребление (на уровне 50-70 мВт).

Однако даже самые неоспоримые достоинства всегда компенсируются какими-то недостатками. Для UWB-оборудования самым существенным недостатком является сравнительно низкая дальность связи – стабильная скорость передачи данных 480 Мбит/с достигается на расстоянии не более трех метров. А уже на десяти метрах пропускная способность падает в четыре с лишним раза – до 110 Мбит/с, и с дальнейшим увеличением расстояния связь становится вообще невозможной. И это – без учета каких-либо препятствий (типа стен и прочего).

Выше уже упоминалось, что стандарт Bluetooth третьего поколения будет базироваться на технологии UWB. Кроме того, уже сейчас готовы спецификации основанных на UWB стандартов Wireless USB и Wireless HD.

Первый из них – Wireless USB (сокращенно WUSB), призванный дополнить (а в последующем и полностью заменить) стандартный интерфейс USB, в настоящее время медленно, но верно подбирается к массовому рынку – последняя спецификация WUSB 1.1 полностью закончена и вот-вот будет окончательно одобрена, так что начало массовой компании по внедрению беспроводного USB можно вполне ожидать уже в конце этого – начале следующего года. Главное достоинство WUSB – это полная совместимость с оригинальным проводным стандартом USB (естественно, с точки зрения протоколов и спецификаций, а не кабелей), что позволяет надеяться на то, что адаптация нового стандарта к существующему оборудованию пройдет быстро и безболезненно.

Что касается Wireless HD, то он, как и его брат-близнец WHDI (Wireless Home Digital Interface), ориентируется в основном на передачу аудио- и видеоконтента в системах потребительской электроники и является своего рода беспроводной инкарнацией интерфейса HDMI. В стандарте Wireless HD частотный диапазон выходит далеко за рамки UWB и простирается от 55 до 65 ГГц, скорость передачи потоковых данных составляет 2-5 Гбит/с (в первых версиях стандарта, тогда как теоретический предел составляет 20-25 Гбит/с), а радиус действия всего 10 метров. Которых, впрочем, вполне достаточно для организации беспроводного домашнего кинотеатра. Тогда как WHDI (рассматриваемый многими производителями как временное решение, пока не будет окончательно доведен «до ума» Wireless HD) использует частоту 5 ГГц, такую же, как и некоторые Wi-Fi-устройства. WHDI способен передавать несжатое видео со скоростью до 3 Гбит/с, при этом расстояния могут достигать 30 метров, невзирая на преграды (вроде стен). Таким образом, интерфейс WHDI может передавать изображение на приличные дистанции, хотя с увеличением расстояния качество картинки снижается.

Стандарты беспроводных локальных сетей

Wi-Fi

Из всех рассматриваемых в этой статье стандартов беспроводной связи Wi-Fi, наряду с Bluetooth, является самым известным и распространенным. Термин «Wi-Fi» объединяет группу стандартов оборудования беспроводных сетей, разработанных консорциумом Wi-Fi Alliance.

Первая спецификация Wi-Fi (IEEE 802.11-1997) появилась в далеком 1997 году. Однако до 2003 года Wi-Fi не имел особой популярности. И только лишь с появлением мобильной платформы Intel Centrino, одной из составляющих частей которой стал адаптер Wi-Fi, беспроводные сети обрели массовое признание.

Ниже перечислены актуальные на сегодняшний день стандарты беспроводных сетей Wi-Fi (не стоит забывать, что подавляющее большинство современных беспроводных устройств поддерживают 2 или более различных стандарта одновременно):

· IEEE 802.11b – принят в 1999 году, работает в частотном диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивает максимальную скорость передачи данных 11 Мбит/с (при этом доступны также скорости 5,5, 2 и 1 Мбит/с). В рабочем диапазоне предусмотрены три непересекающихся частотных канала, поэтому на одной территории, не влияя друг на друга, могут работать три различные беспроводные сети. Существует также и не сертифицированный IEEE вариант 802.11b+, который может работать на удвоенной максимальной скорости 22 Мбит/с, однако совместимость оборудования разных производителей при этом не гарантируется. Впрочем, спецификация 802.11b/b+ на сегодняшний день является устаревшей;

· IEEE 802.11a – принят в 1999 году, работает в частотном диапазоне 5 ГГц (также разделенном на три непересекающихся поддиапазона) и обеспечивает максимальную скорость передачи данных 54 Мбит/с, при этом доступны также скорости 48, 36, 24, 18, 12, 9 и 6 Мбит/с;

· IEEE 802. 11g – принят в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b/b+ и полностью совместим с ним. Он работает в том же самом частотном диапазоне 2,4 ГГц, но обеспечивает максимальную скорость передачи данных до 54 Мбит/с. Существует также не сертифицированный IEEE вариант 802.11g+, который может работать на скоростях вплоть до 140 Мбит/с, однако совместимость оборудования разных производителей при этом чаще всего не обеспечивается;

· IEEE 802. 11n – может быть окончательно принят в конце 2008 года, хотя его черновые спецификации (Draft) уже с прошлого года используются достаточно широко. Максимальная скорость передачи данных может достигать 450 Мбит/с за счет технологии одновременной передачи данных по нескольким независимым каналам связи MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), благодаря которой также обеспечивается и гораздо большая зона покрытия одного передатчика. Технология особенно эффективна в помещениях в условиях интерференции, когда существуют различные пути распространения радиосигнала. Режимы функционирования MIMO обозначаются как количество каналов, работающих на передачу и на прием (например, 2x3 MIMO: два канала на передачу и три – на прием). При этом в устройствах используется несколько (чаще всего – 2 или 3) отдельных антенн. Оборудование стандарта 802. 11n может работать в частотных диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц и совместимо со стандартным оборудованием 802.11a/b/g.

Любая сетевая карта Wi-Fi (Wireless Network Interface Card, WNIC) позволяет без всяких проблем установить соединение с другой такой же, т.е. наладить сетевое соединение между двумя ноутбуками или между ноутбуком и настольным ПК. Такой режим работы называется Ad Hoc (в переводе с латыни ad hoc означает «для конкретной цели») или IBSS (Independent Basic Service Set). А вот для того, чтобы подключить к этой паре еще одного участника сети (в качестве которого может выступать и Интернет), потребуется уже дополнительное устройство – точка доступа (Access Point, AP). Точка доступа обеспечивает всем клиентам сети равноправный доступ к среде передачи данных, т.е. выполняет функции роутера проводной локальной сети. Такой режим работы называется клиент/сервер (или режим инфраструктуры – Infrastructure Mode). Существует два режима взаимодействия с точками доступа – основной BSS (Basic Service Set) и расширенный ESS (Extended Service Set). В режиме BSS все участники сети связываются между собой только через одну точку доступа, которая может выполнять также роль моста к внешней сети. В режиме ESS нескольких сетей BSS могут взаимодействовать друг с другом, что позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Между собой точки доступа соединяются с помощью сегментов кабельной сети или радиомостов.

В отличие от кабельных сетей, где перехват информации невозможен без физического доступа к среде передачи, беспроводные сети, если не применять специальных мер, оказываются практически беззащитными от несанкционированного доступа. Для защиты Wi-Fi обычно используют шифрование данных. Первый и наиболее простой из стандартов шифрования, WEP (Wired Equivalent Privacy), в настоящее время считается не очень стойким. На смену ему пришли более серьезные алгоритмы шифрования WPA (Wi-Fi Protected Access) и его усовершенствованный вариант WPA2, которые взломать, конечно, можно, однако сделать это будет гораздо сложнее.

Сетевые карты Wi-Fi имеют как внутреннее исполнение (обычные карты расширения формата PCI или PCI Express), так и внешнее (подключаются по шине USB 2.0). Для ноутбуков также существуют встроенные версии (в виде mini-PCI или mini-PCI Express карт) и внешние – в формате PCMCIA (PC Card) или ExpressCard.

Помимо стандартных точек доступа Wi-Fi, которые служат для объединения нескольких компьютеров в беспроводную сеть, существуют еще и беспроводные маршрутизаторы, с помощью которых возможно реализовать для всех компьютеров сети разделяемый доступ в Интернет с использованием DSL-модема, подключенного к телефонной линии, кабельного модема или Ethernet-подключения.

В последнее время круг устройств, поддерживающих Wi-Fi, существенно расширился и стал включать еще и сотовые телефоны (с поддержкой VoIP), цифровые фотоаппараты и веб-камеры, принтеры, мультимедийные центры, проекторы и телевизоры и многое другое.

Стандарты городских беспроводных сетей

WiMAX

Само название WiMAX представляет собой вольную аббревиатуру от Worldwide Interoperability for Microwave Access (Всемирное объединение сетей для микроволнового доступа). Главное отличие нового стандарта от всех предыдущих заключается в радиусе действия, который, в зависимости от используемых передатчиков, может достигать 50 км, что позволяет говорить о WiMAX как о своего рода аналоге сотовой связи. Одна из главных его задач – обеспечить высокоскоростной доступ к Интернету небольших населенных пунктов или отдельных районов большого города. Кроме того, эта технология позволяет передавать не только данные (пакетные и голосовые), но и видео - и аудиопотоки, что делает возможным интеграцию и унификацию всех существующих коммуникационных сетей на единой базе WiMAX.

Архитектура сетей WiMAX, несколько напоминающая соты традиционных GSM-сетей (только с более крупной «ячейкой»), подразумевает размещение антенно-фидерных устройств на высоких зданиях, сооружениях и мачтах при соблюдении условия прямой видимости между станциями.

Изначально для WiMAX был отведен диапазон частот 10-66 ГГц, в котором пиковая скорость передачи может достигать 120 Мбит/с. Однако особенности распространения сверхвысоких частот ограничивают зону покрытия одной базовой станции дальностью прямой видимости, поэтому высокочастотное соединение в настоящее время используется лишь для связи между базовыми станциями. А для соединения базовой станции и клиентского оборудования в WiMAX используются более низкий частотный диапазон 2-11 ГГц (спецификация IEEE 802.16-2004, иначе – IEEE 802.16а), гораздо более эффективный в городских условиях и обеспечивающий пропускную способность до 75 Мбит/c. Разумеется, для оборудования сетей WiMAX задействуется не весь этот диапазон, а выделяется лишь нескольких частотных каналов (каждый шириной от 1,5 до 20 МГц), что, в большинстве случаев, позволяет решить проблему с лицензированием частот в различных странах.

Всего предусмотрено четыре основных режима работы WiMAX:

1. Fixed WiMAX – фиксированный доступ. Использует высокочастотный диапазон 10-66 ГГц, предназначенный для объединения удаленных объектов, находящихся в пределах прямой видимости;

2. Nomadic WiMAX – сеансовый доступ. В отличие от Fixed WiMAX обеспечивает возможность переключения соединения (сессии) от одной базовой станции на другую. Подобный режим позволяет перемещать клиентское оборудование и использовать соединение, не привязанное к определенной базовой станции;

3. Portable WiMAX – доступ в режиме перемещения. Позволяет автоматически переключать сессии из зоны действия одной базовой станции к другой без обрыва соединения, но использует более низкий частотный диапазон 2-11 ГГц, благодаря чему абонент может перемещаться со скоростью до 40 км/ч;

4. Mobile WiMAX – мобильный доступ. Версия стандарта IEEE 802.16-2005 (или 802.16e) была принята в качестве решения для мобильных устройств. За счет еще большего ограничения частотного диапазона (до 2 – 6 ГГц) и снижения быстродействия до 15 Мбит/с позволяет принимать сигнал на большей скорости – до 120 км/ч. Для сравнения: обычная сотовая связь устойчиво работает на скоростях до 250 км/ч.

Следующей версией протокола беспроводной передачи данных WiMAX, обеспечивающей увеличение скорости передачи данных до 1 Гбит/с, может стать IEEE 802.16m (временное рабочее наименование). Новый стандарт будет базироваться на технологии MIMO/OFDM, предполагающей использование нескольких антенн для передачи и приема данных. Ожидается, что после 2009 года новый протокол может стать основой для мобильных сетей четвертого поколения (4G).

Впрочем, WiMAX толком еще нигде не внедрился. Развернуты лишь десятки пробных сетей по всему миру, включая и Россию. Также пока еще в продаже практически не встречаются клиентские устройства WiMAX. Все надежды новой технологии связаны с включением в конце текущего года в состав мобильной платформы Intel Centrino 2 новых версий беспроводных сетевых карт WiFi/WiMAX Link 5150/5350, которые могут стать таким же толчком для рынка, каким в свое время стала первая Intel Centrino для Wi-Fi.

Итог

Основными преимуществами беспроводных сетей, по сравнению с традиционными кабельными, являются простота развертывания и подключения к ним новых пользователей, а также мобильность пользователей в зоне ее действия. Только двух этих достоинств достаточно, чтобы говорить об их радужных перспективах, несмотря на имеющиеся (пока имеющиеся) недостатки. И действительно, если сегодня еще можно говорить о недостаточной пропускной способности наиболее популярных современных беспроводных сетей Bluetooth и Wi-Fi по сравнению с проводными сетями, то, если действительно состоится переход первой на UWB и широкое распространение спецификации 802.11n (после ее окончательного утверждения) для второй, в ближайшем будущем их возможности, как минимум, сравняются. А ведь еще ожидается появление новых, достаточно агрессивно настроенных игроков рынка, таких как Wireless USB и Wireless HD. Да и «дальнобойный» WiMAX, несмотря на то что этот стандарт лучше всего подходит для интернет-провайдеров, еще не сказал своего последнего слова.