Redes locais(Local Area Network - LAN) eram as redes de computadores mais simples. Suas características distintivas, como uma variedade de redes de computadores, consistiam em um número limitado de nós (na ordem das unidades), uma pequena distância entre computadores interligados (o território de um prédio, andar, escritório), a presença de linhas de comunicação autônomas entre os nós da rede (geralmente com fio). A topologia original das redes locais era a mais simples e consistia em conectar nós da rede (computadores) a uma linha com fio comum chamada de barramento. A lista de recursos típicos de LAN que sobreviveram até hoje inclui o número limitado de assinantes de rede, o território limitado no qual os assinantes são distribuídos e a presença de uma linha de telecomunicações entre os assinantes (nós). Em LANs modernas, os recursos originais mudaram em três aspectos:
1) mudanças na topologia das linhas de comunicação (em comparação com a topologia do tipo "bus");
2) mudanças no tipo de nós da rede (junto com os computadores, nós da rede podem ser dispositivos com vários tipos de conteúdo digital: vídeo, gráficos, telefonia, etc.);
3) a introdução da interconexão entre a LAN (incluindo todos os seus nós) e a rede backbone, que é usada para interconectar redes para vários fins (em particular, outras LANs).
O último dos aspectos elencados está associado à aquisição de LANs modernas de propriedades qualitativamente novas em relação ao seu propósito original, nomeadamente, devido à relação com a rede de backbone, a LAN adquiriu a capacidade de desempenhar as funções de uma rede de acessopara a espinha dorsal. As funções da interface entre a LAN e a rede de backbone são realizadas por um dos nós da LAN, que inclui um Controlador de Interface de Rede-NIC.
Sem fioLAN (Wireless LAN - WLAN) difere das com fio porque a interconexão entre os nós da rede é realizada por meio de sinais de rádio. Os nós incluem dispositivos de transmissão e recepção. O ambiente no qual os nós estão localizados é o ambiente de propagação dos sinais de rádio. Como resultado, a necessidade de linhas com fio é eliminada. O Ponto de Acesso (AP) WLAN atua como um hub LAN com fio.
A conexão sem fio à rede de backbone pode ser usada não apenas em relação a assinantes individuais, mas também em relação a assinantes de grupo, que são LANs com fio.
A necessidade e a conveniência de usar LANs sem fio junto com LANs com fio se devem às vantagens obtidas pela falta de conexões com fio. Esses benefícios se manifestam nas seguintes circunstâncias:
1) a necessidade de criar uma LAN entre nós separados por obstáculos naturais e artificiais (por exemplo, obstáculos de água, paredes de casas, pisos);
2) a necessidade de garantir a mobilidade dos nós unidos em uma rede local;
3) a necessidade de acesso à rede backbone com acesso à rede Internet em locais públicos de curta permanência (hotéis, estações de trem, salas de leitura de bibliotecas, etc.).
A demanda por comunicação local sem fio (do ponto de vista do consumidor) determina o lugar da WLAN nas telecomunicações sem fio modernas. A propriedade de consumidor mais importante da WLAN, junto com a conveniência de sua implantação para garantir a comunicação mútua dos assinantes, é fornecer aos assinantes acesso às redes de backbone. Este último, em particular, explica o uso do termo em inglês "hot spot"(hotspot) para implantações de WLAN públicas com acesso à Internet.
Aspectos históricos da formação WLAN
A demanda do consumidor por aplicativos WLAN foi prevista em todos os países industrializados com o uso generalizado de computadores pessoais (PCs) desde o início dos anos 1970.
A necessidade objetiva de garantir a compatibilidade de equipamentos WLAN de diferentes fabricantes levou à necessidade de desenvolver padrões apropriados, que foram produzidos simultaneamente pelos organismos de padronização das três regiões:
1) nos EUA - pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE);
2) na Europa - pelo European Telecommunications Standards Institute (ETSI);
3) no Japão - pela Association of Radio Industries and Business (ARIB).
Os mais famosos são os padrões desenvolvidos sob os auspícios do IEEE e ETSI.
No IEEE, os padrões WLAN foram criados pelo 802.11 Work Group WG do 802 LAN / MAN Standards Committee. Dentro do comitê IEEE 802, o grupo de trabalho WG 802.11 desenvolve padrões WLAN, e os padrões relacionados são conhecidos como padrões IEEE 802.11. O padrão IEEE 802.11 original (básico) foi adotado em 1987. No futuro, ele passou por constantes melhorias, que correspondem a versões com diferentes designações de letras - de uma x.
Os padrões WLAN desenvolvidos pela ETSI são conhecidos como HIPERLAN (High Performance Radio LAN). O desenvolvimento desses padrões foi realizado quase simultaneamente com o padrão IEEE 802.11 (com um ano de antecedência). Inicialmente, deveria desenvolver 4 versões desses padrões, mas na realidade estava limitado a duas versões: HIPERLAN 1 e HIPERLAN2. De acordo com o plano, foi assumido que a WLAN dos padrões HIPERLAN, com a utilização do recurso de frequência equivalente ao padrão IEEE 802.11, deveria ter maiores taxas de transferência de dados. O desenvolvimento de padrões foi apoiado por fabricantes de hardware conhecidos, em particular a Ericsson.
No entanto, o processo de implementação prática da WLAN (levando em consideração o estado atual do mercado) levou à necessidade de desenvolvedores e órgãos de padronização escolherem apenas uma das direções para o desenvolvimento de tecnologias de rede sem fio. Essa direção acabou sendo as redes da família de padrões IEEE 802.11.
As associações de fabricantes de equipamentos WLAN participaram ativamente do desenvolvimento dos padrões. O padrão IEEE 802.11 está em conformidade com a formação da WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), conhecida por sua popular marca Wi-Fi Alliance. O papel desta Associação manifestou-se no desenvolvimento de um sistema de certificação para produtos IEEE 802.11, pelo que são conhecidos como produtos Wi-Fi. Associações semelhantes de fabricantes de produtos HIPERLAN: a HIPERLAN Alliance e o HIPERLAN2 Global Forum são atualmente menos ativos. No entanto, é provável que seja impraticável negar completamente algumas das vantagens inerentes do HIPERLAN e a possibilidade de seu uso futuro não está excluída.
Fatores que determinam a arquitetura WLAN
Um dos diferenciais mais significativos das redes digitais locais em comparação com as globais é a presença de linhas de telecomunicações autônomas entre seus nós. A diferença entre a arquitetura da LAN sem fio e da LAN com fio se deve às propriedades do meio de propagação dos sinais utilizados:
- meio condutor condutor em LAN com fio;
- ambiente natural em LAN sem fio (LAN sem fio -WLAN).
Um uso relacionado de ambos os ambientes é que eles são ambientes de Acesso Múltiplo (MA).. Sinais de diferentes assinantes nas condições de seu funcionamento independente podem ser transmitidos simultaneamente, o que leva a uma superposição de sinais no ambiente. Esta sobreposição resulta na diferença entre o sinal total e cada um dos transmitidos e dificulta significativamente a possibilidade de sua correta recepção. A colisão pode ocorrer em um ambiente compartilhado, independentemente de suas propriedades físicas.sinais. A eliminação das colisões pressupõe o uso consistente do meio ambiente, sendo que um componente obrigatório é o monitoramento do seu emprego. O acesso à mídia com base na ocupação é conhecido como Carrier Sense Multiple Access.(Carrier Sense Multiple Access - CSMA). LANs de diferentes sabores (com e sem fio) usam vários derivados desse método de acesso.
O acesso dos nós ao ambiente de ambos os tipos é realizado por meio de adaptadores de rede(Network Interface Card - NIC, Wireless NIC - WNIC), que desempenham as funções das duas camadas inferiores do modelo básico de referência para interoperabilidade de sistemas abertos ISO / OSI, a saber:
- camada física (camada física - PHY);
- subcamada de controle de acesso ao meio (Media Access Control - MAC) da camada de enlace de dados (DLL).
Adaptadores de rede (com e sem fio) fornecem monitoramento do ambiente, acesso coordenado de vários nós a ele, geração, transmissão e recepção de sinais.
Em um ambiente com fio, que é uma longa linha de dois fios, como um cabo, a transmissão de sinais entre os nós é acompanhada por uma atenuação relativamente baixa durante sua propagação. A colisão de sinais de dois (ou mais) nós leva a uma mudança significativa nas características do sinal total (principalmente, o nível de energia), em comparação com sinais únicos. Dessa forma, cada nó que utiliza a NIC pode detectar o fato de haver uma colisão de sinais durante sua transmissão e tomar ações para garantir a prioridade de acesso ao ambiente dos diferentes nós. Acesso múltiplo ordenado para redução de colisão em ambientes com fio passou a ser conhecido como Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(CSMA / Detecção de colisão - CSMA / CD). A detecção de colisão é uma propriedade inerente de ambientes com fio.
Em um ambiente sem fio, que é o preenchimento natural e artificial do espaço ao redor dos nós, os sinais se propagam, atenuando significativamente com a distância da fonte. O sinal total das diversas fontes não possui características energéticas correspondentes ao fato da colisão. Este último pode ser detectado verificando a presença de erros no sinal digital WNIC recebido e processado após a conclusão de sua transmissão. Consequentemente, a reação ao fato de uma colisão pode ser realizada com atraso, e a prevenção de colisões torna-se uma necessidade essencial. Um método de acesso múltiplo sem fio associado foi desenvolvido em preparação para o padrão IEEE 802.11. É denominado Carrier Sense Multiple Access e Collision Avoidance.(CSMA / Prevenção de Colisão - CSMA / CA).
As redes digitais locais de grandes organizações são, via de regra, uma combinação de segmentos com e sem fio. Consequentemente, a arquitetura LAN deve fornecer um sistema de distribuição que execute as seguintes funções:
- garantir a interconexão entre diferentes segmentos de LAN (incluindo segmentos com e sem fio);
- garantir o acesso de todos os segmentos da LAN ao ambiente de backbone da Internet.
O acesso à rede backbone é fornecido por meio de servidores Web (servidores de serviço) com propriedades de interface apropriadas. Problemas de rede e camada de transporte (camada de rede, camada de transporte) de interoperabilidade de sistemas abertos vão além do padrão IEEE 802.11, que é limitado a problemas de MAC e PHY em implementações de WLAN. Conseqüentemente, a consideração da arquitetura WLAN é limitada no padrão às questões de construção de segmentos sem fio e sistemas de distribuição de LAN.
Elementos de arquitetura WLAN
A lista de elementos principais inclui kits de serviços básicos, portais e um sistema de distribuição. A estrutura e o conteúdo das funções desempenhadas pelos elementos listados são os seguintes.
1. Conjuntos de serviços básicos(Basic Service Set - BSS) são componentes de LAN sem fio que permitem que seus nós se comuniquem entre si e com outros nós de LAN transmitindo sinais usando ondas eletromagnéticas. Os componentes estruturais do BSS são estações(Estação - STA) e pontos de acesso(Ponto de Acesso - AP).
Estações BSSsão uma coleção de nós de rede e adaptadores de rede sem fio. Sob o nórede significa qualquer dispositivo que é a fonte de mensagens de pacote (computador, telefone digital, etc.). WNIC fornece recepção e transmissão de sinais de rádio (camada PHY), bem como desempenha as funções de um controlador de camada MAC.Em geral, o termo "estação" em relação a uma coleção de um nó e um WNIC corresponde ao conceito análogo fornecido pelo Regulamento de Rádio - é uma coleção de receptores e transmissores, incluindo dispositivos adicionais necessários para desempenhar as funções de uma radiocomunicação serviço.
Ponto de acesso(AP) é uma entidade que possui propriedades STA e fornece duas funções: coordenar o acesso dos BSSs ao ambiente sem fio comum e o acesso dos BSSs ao sistema de distribuição.
A necessidade de coordenar o trabalho das estações BSS deve-se ao uso de um recurso comum de frequência territorial. A área dentro da qual a comunicação entre os BSSs é fornecida é conhecida como área de serviço básico.(Área de Atendimento Básico - BSA). O peso dos BSSs compartilha uma faixa de freqüência comum para a troca de sinais de rádio, e colisões de sinais de rádio de diferentes estações resultam em interferências mútuas prejudiciais, o que impede a possibilidade de comunicação simultânea de várias estações. A comunicação entre as estações BSS é realizada em modo half-duplex com sinais de retransmissão (por analogia com a comunicação de relé de rádio) de diferentes pontos de acesso STA. O conjunto de funções desempenhadas pela STA e pelo AP para garantir a transferência de mensagens dentro do BSS é denominado serviço de estação.(Station Service - SS).
Os pontos de acesso são os elementos de infraestrutura do BSS; eles são usados em todas as instalações (áreas de serviço básicas) que são projetadas para operação contínua de WLAN (em particular, pontos de acesso). Como elementos de infraestrutura, os APs fornecem uma interface entre o BSS e o sistema de distribuição da LAN. Caso o BSS seja autônomo, o ponto de acesso pode fornecer acesso direto à rede backbone (Internet). Para isso, os desenhos industriais de AP são equipados com um roteador.
2. Sistema de distribuiçãoO Sistema de Distribuição (DS) é um elemento de rede que permite o envio de mensagens entre diferentes BSSs e também entre BSS e LANs com fio na rede. O ambiente que garante a transferência de mensagens entre os segmentos da rede (com e sem fio) é denominado ambiente do sistema de distribuição.(Distribution System Medium - DSM). O conjunto de funções desempenhadas pelo DS é conhecido como serviço do sistema de distribuição.(Serviço de Sistema de Distribuição - DSS). Os serviços de estação (SS) e o DSS juntos fornecem a capacidade de transferir mensagens entre STAs em diferentes segmentos de LAN. Uma característica essencial da mensagem via DS é que os protocolos de transmissão são protocolos da camada MAC, de forma que as estações de diferentes BSSs e segmentos de fio se comunicam entre si sem ultrapassar essa camada.
O ambiente do sistema de distribuição para redes digitais localizadas dentro de edifícios geralmente é cabeado. O ambiente de distribuição para LANs que abrangem segmentos que estão dispersos em uma área aberta de uma instituição (como um campus ou escritório) pode ser sem fio. O padrão IEEE 802.11 não impõe restrições sobre como o DSM é implementado, nem sobre a lista de funções da pilha de protocolo ISO / OSI que um ambiente pode executar. Em particular, essas funções podem ir além da 2ª camada (link) e cobrir a 3ª camada (rede). Este último corresponde à interconexão da LAN com redes de longa distância (WAN), em particular a Internet (neste caso, pode-se utilizar um roteador). A criação de uma interface entre o DS e a WAN corresponde a um dos usos mais comuns do Wi-Fi - WLAN - a criação de hotspots. Na estrutura do protocolo IEEE 802.11, a relação entre WLAN e WAN não é regulamentada.
3. Portaissão elementos de rede por meio dos quais segmentos de rede com fio são conectados ao sistema de distribuição (DS), operando de acordo com os requisitos dos padrões de LAN com fio (por exemplo, 802.3 - Ethernet). Os portais fornecem a transferência de mensagens entre segmentos de rede sem fio e com fio de acordo com os protocolos de nível MAC. A conexão de nós de segmentos com fio ao DS usando portais é chamada de integração (integração)para a rede.Devido à transferência de mensagens de acordo com os protocolos da mesma camada (camada MAC), os nós de todos os segmentos de rede, com e sem fio, são logicamente iguais.
A coleção de todas as redes BSS e segmentos com fio integrados (redes locais) é chamada de conjunto de serviço estendido(Conjunto de serviço estendido - ESS). A área ocupada pelos elementos ESS é chamada de área de serviço estendida.(Área de Serviço Estendida - ESA). O número máximo de nós ESS não é regulamentado pelo padrão IEEE 802.11. A infraestrutura ESS: seu sistema de distribuição, pontos de acesso, portais, interface WAN - é criada pela operadora ESS (provedor). A rede fornece, em primeiro lugar, a interconexão entre todos os nós incluídos nos segmentos com e sem fio e, em segundo lugar, a comunicação com os nós da rede global (se tal comunicação for fornecida).
A inequívoca identificação dos nós da rede durante a transmissão das mensagens entre eles é assegurada pelo sistema adotado de designação de código dos elementos da rede. Existem 3 tipos de identificadores de elemento:
- identificador ESS(Service Set Identifier - SSID), que é um nome ESS de 32 caracteres alfanuméricos;
- identificador BSS(Basic Service Set Identifier - BSSID), que corresponde ao endereço MAC do ponto de acesso do BSS correspondente;
- identificador STA, que corresponde ao endereço MAC da estação em questão.
Os endereços MAC são atribuídos ao AP e à STA de acordo com as regras geralmente aceitas: os primeiros três bytes do endereço são usados para designar o fabricante da NIC e os três restantes são usados para designar o número da NIC. Os identificadores de rede (SSIDs) são definidos por seus operadores e geralmente são um "nome de rede" textual. Todas as estações ESS devem ter o direito de usar seus recursos de telecomunicações. Os SSIDs são usados para a verificação inicial (inicial) da elegibilidade dos assinantes para trabalhar no ESS.
Interação de elementos arquitetônicos
Uma característica funcional essencial do ESS é o dinamismo de mudar sua composição de assinantes: os assinantes da rede podem se conectar a ela a qualquer momento, interromper a comunicação com a rede (sair), misturar-se entre diferentes redes BSS. O funcionamento dinâmico do ESS é assegurado pela interação entre os elementos (componentes) da sua arquitetura.
O conjunto de funções desempenhadas pelos elementos é chamado de serviços correspondentes.(Serviços). O padrão define 9 tipos de serviços:
- autenticação de assinante;
- associações de assinantes;
- desautenticação de assinantes;
- dissociação de assinantes;
- reassociação de assinantes;
- integração com LAN com fio;
- entrega de mensagem;
- confidencialidade das mensagens;
- distribuição de mensagens.
Os serviços são classificados de acordo com dois critérios principais:
1) com base no papel dos serviços na garantia do funcionamento da rede (de acordo com esta característica distinguem-se os serviços que garantem a formação de uma rede e os serviços que garantem a transferência de mensagens entre assinantes);
2) pelo tipo de elementos de rede que executam a função de serviço correspondente. Nesta base, os serviços são subdivididos em estação(Station Service - SS) e serviços de sistema de distribuição(Serviço de Sistema de Distribuição - DSS).
A formação de uma rede, sujeita à presença de todos os seus elementos infraestruturais (sistema de distribuição, pontos de acesso, portais), consiste em ligar / desligar os seus assinantes móveis. Conectar o último envolve verificar sua autenticidade(Autenticação) e associação(Associação) assinantes da rede. Quando os assinantes de celular deixam a rede, eles são desassociados(Desassociação) e desautenticação(Desautenticação). A movimentação de assinantes móveis de um BSS para outro sem sair do ESS é fornecida pelo serviço de reassociação(Reassociação). Autenticação / desautenticação são serviços de estação e associação / desassociação são serviços de sistema de distribuição. A conexão lógica ao DS da LAN com fio é feita pelo serviço de integração incluído no DSS.
A transferência de mensagens entre assinantes dentro da rede é realizada por serviços de entrega(Entrega MSDU), privacidade(Privacidade) e distribuição(Distribuição) mensagens. Os dois primeiros são baseados em estação, o último é um serviço DSS. A troca de informações entre os elementos da rede no processo de sua formação e operação envolve a transmissão de mensagens de dois tipos: mensagens de serviço que fornecem gerenciamento (Gerenciamento) e controle (Controle) de acesso ao meio sem fio, e mensagens de transmissão de dados (Dados). As mensagens são transmitidas na forma de frames (Frame), cuja lista de variedades é regulamentada pelo padrão.
No processo de conexão / desconexão e funcionamento na rede, as estações móveis podem estar em um dos três estados a seguir:
- Estado1 - estado inicial quando a STA não está autenticada e não está associada;
- estado 2 - um estado intermediário (durante a conexão / desconexão) quando a STA é autenticada, mas não associada;
- estado 3 - estado funcional operacional quando o STA é autenticado e associado.
O número do estado determina a lista de subtipos de quadro que podem ser usados neste estado; a lista mais estreita corresponde ao estado 1, a lista completa corresponde ao estado 3. Dependendo do número do estado, a partir do qual é permitido usar frames de vários tipos e subtipos, existem 3 classes de frames:
- classe 1, que inclui frames usados a partir do estado 1;
- classe 2, que inclui frames usados a partir do estado 2; - classe 3, que inclui frames usados apenas no estado 3.
Vamos observar as diferenças qualitativas entre os quadros:
1) Os frames Classe 1 permitem a execução de procedimentos relacionados à conexão STA à rede, acesso STA ao ambiente wireless (Wireless Medium, WM) e transferência de dados, mas a possibilidade de uso de DS está excluída para todos os procedimentos;
2) Quadros de Classe 2 garantem a execução de procedimentos de gerenciamento relacionados à associação, desassociação e reassociação de STA; a reassociação de STA é possível apenas se ela foi anteriormente associada;
3) os quadros de classe 3 fornecem transmissão de dados usando DS (esta é a diferença essencial dos quadros de dados de classe 1).
A transição da STA para o estado com um número maior é conseguida pela execução bem-sucedida dos procedimentos-chave do estado atual (autenticação - no estado 1, associações - no estado 2). A transição reversa para o estado com um número menor é alcançada pela notificação da saída do estado atual (desassociação - no estado 3; desautenticação - no estado 2). O quadro de desautenticação enviado pela STA no estado 3 assume que a desassociação é realizada e faz com que a STA vá para o estado 1.
