شبکه های بیسیم و معرفی استاندارد 802.11

شبکه های بیسیم و معرفی استاندارد 802.11

چکیده:
کامپیوتر در زندگی ما روز به روز نقش بزرگ تر و مهم تری را بازی میکند. نیاز به از بین بردن محدودیت های موجود در این علم باعث بوجود آمدن تکنولوژی های تازه میشود . تکنولوژی بیسیم یکی از این تکنولوژی های تازه است. در این تحقیق سعی شده تا اطلاعات کامل و دقیقی در باره این گونه ارتباطات ارایه شود. بدیهی است این تحقیق خالی از اشکال نبوده و امیدوارم مرا از نظرات سازنده خود محروم نسازید. در پایان از زحمات استاد فیروزبخت کمال تشکر را دارم.


کلمات کلیدی:
ارتباط بیسیم-wireless-توپولوژی های بیسیم- پروتکل های بیسیم-تاریخچه بیسیم-802.11-802.X-امواج رادیویی- امواج مادون قرمز-spread spectrum
با نام خالق هستی
در این تحقیق میخوانید:
 مقدمه
 تعریف شبکه
 موارد استفاده شبکه های بیسیم
 تاریخچه ارتباطات بیسیم
 انواع روشهای برقراری ارتباط بیسیم
 انواع پروتکلهای بیسیم
 معرفی استاندارد های 802.X
 معرفی استاندارد 802.11
 لایه فیزیکی802.11
 امواج مادون قرمز
 امواج رادیوی
 معرفی روش باند گسترده
 انتقال داده 802.11
 توپولوژی های مختلف بیسیم
 نتیجه
 منابع

مقدمه
نیاز به برقراری ارتباط از ابتدای خلقت انسان وجود داشت . به علت کم بودن جمعیت و نیاز های ابتدایی که انسانها داشتند برقراری ارتباط با وسایل اولیه از جمله زبان و خط ممکن بود . بعد از زیاد شدن جمعیت و تغییر شکل نیازها روشها و وسایل ارتباطی متفاوت شد. تا قبل از دوره رنانس دنیا به صورت کندی در حال رشد بود . به نحوی که علوم در دست انسانهایی بود برترو این دانستنی ها به راحتی منتقل نمیشد. دنیا تغییر پیدا کرد و برقراری ارتباط و متعاقبا گسترش علوم رنگ دیگری به خود گرفت انتقال علوم به مردم عادی جهش بزرگی در جهت اختراعات و ارتباطات تازه بوجود آورد . بشر نیاز به دانستن را بیشتر و بیشتر حس کرد. تلفن و سپس کامپیوتر .در سال 1960 برقراری ارتباط شبکه ای باز هم تحول بزرگی در جهت توسعه و بالا رفتن علوم بوجود آورد با پیشرفتی که که بشر در راه برقرای ارتباط بوجود آورد معنا ها عوض شد و ارتباط معنای دیگری یافت نیاز ها متفاوت شد و انفجار تکنولوژی و فنون تازه بوجود آمد به نحوی که پیش بینی میشود هر 2 سال 1 بار علوم به اندازه تمام سالهای گذشته پیشرفت میکند و این پیشرفت را مدیون علم کامپیوتر و متعاقبا علم شبکه است .

تعریف شبکه
یک سری از کامپیوتر ها که به هم وصل شده اند و با هم ارتباط بر قرار کرده اند را شبکه مینامند . این ارتباط امکانات زیادی را برای ما بوجود آورده است از جمله:
 تبادل پیغام : دریافت پیغام درست در زمان مناسب یکی از نکات کلیدی موفقیت است
 توزیع بار شبکه : به این معنی که میتوان امکانات و تجهیزات شبکه را در بین تعداد زیادی از مصرف کننده ها تقسیم کرد
 استفاده از منابع اشتراکی شبکه ها : این منابع شامل کلیه علوم ، تکنولوژی ها و پایگاههای داده است.
برای برقراری ارتباط نیاز به محیط مناسب برای انتقال اطلاعات وجود دارد . در سالهای ابتدایی بوجود آمدن شبکه این ارتباط تنها بوسیله رسانه های مقید bounded media قابل برقراری بود. این گونه ارتباطات مشکلات خاص خودش را دارد از جمله :
 محدودیت در ارتباط : در هر مکانی امکان کابل کشی وجود ندارد.
 این رسانه ها اغلب پر هزینه اند
 با بوجود آمدن مشکل در رسانه ارتباط مختل میشود

برای رفع مشکلات ذکر شده ارتباط بوسیله رسانه های نامقید unbounded media پیشنهاد شد.
شکل 1 نمونه جالبی از کاربرد دنیای بیسیم در تکنولوژی های تازه میباشد.

شکل1

موارد استفاده از شبکه های بیسیم :
 سیستم های انبار داری که هم استفاده کننده های زیادی دارد و هم کالاهای امتفاوتی از نظر نوع و سطح وجود دارد
 سیستم های بیمارستانی که تعداد طبقات ، اتاقها زیاد است و تجهیزات حساسی وجود دارد که نیاز به پیاده سازی دقیق و امنیت گسترده دارند
 سیستم های هتلداری و مهمانداری که تعداد طبقات و اتاقها زیاد است
 مراکز دانشگاهی، آموزشی و مکانهای عمومی که در این مکانها به علت استفاده عموم از این شبکه مسایل امنیتی مطرح میشود
 بناهای تاریخی که سیم کشی در آنها غیر ممکن است
 و بسیاری از مراکز صنعتی و غیر صنعتی دیگر
تاریخچه ارتباط بیسیم
تاریخچه استفاده از این گونه ارتباطات به سال 1900 با اختراع تلگراف بر میگردد در میانه دهه دوم قرن بیستم رادیو و ارتباط عمومbroadcast برقرارا شد . در دهه چهارم همین قرن رادار بوجود آمد و در دهه ششم ارتباط ماهواره ای به جمع وسایل ارتباط بیسیم پیوست استفاده از تلفنهای سلولی، GPS، PCSو غیره در دهه اخرقرن بیستم ممکن شد.شکل 2 تاریخچه این گونه ارتباطات را نشان میدهد.


شکل 2

انواع روشهای برقراری ارتباط بیسیم
 Infrared
 Speared spectrum
 2.5G services
 broadband PCS
 narrow band PCS
 circuit & packet data
 satellite
 narrow band wireless
شکل 3 انواع روشهای برقراری ارتباط بیسیم را نشان میدهد

شکل 3

انواع پروتکل های بیسیم
شبکه های بیسیم از نظر وسعت جغرافیایی برقراری ارتباط به 4 ناحیه کلی تقسیم میشوند
 WPAN ناحیه های کاری کوچک را شامل میشود
 WLAN در حد ارتباط LAN و شبکه های با وسعت متوسط را در بر میگیرد
 WMAN در حد ارتباطات کلان شهری میباشند
 WWANدر حد ارتباطات کلان شهری میباشند
 Regional & Global ارتباطی گشترده تر از شهر ها را شامل میشوند
شکل 4 این ناحیه های کاری را نشان میدهد.

شکل 4


در هر ناحیه کاری و با توجه به قابلیتها و نیازهای آن ناحیه پروتکل های مختلفی ارائه شده است. رنج فرکانسی این ناحه ها با توجه به موقعیت هایشان متفاوت است. شکل 5 و6 این پروتکل ها را نشان میدهد سپس به تفصیل هر ناحیه کاری را معرفی خواهم کرد .



شکل5


شکل6

WPAN
 Bluetooth معروفترین پروتکل این ناحیه کاری میباشد. 2-10Mbps نرخ ارسال اطلاعات در این پروتکل است فاصله این پروتکل حدود 10 متر میباشد که با توجه به نکات بالا گزینه مناسبی برای تلفن های همراه میباشد و به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار میگیرد.
 802.15 بعد از Bluetooth مرکز استاندارد سازی IEEE این پروتکل را منتشر کرد. این پروتکل در 4 نوع مختلف و با قابلیتهای متفاوت رائه شد.802.15.3 با نرخ ارسال 10-55Mbps و فاصله حدود 10 مترو 802.15.4 با نرخ ارسال 2-200Kbps و فاصله حدود 10 متر میباشد
 IrDA در این پروتکل رسانه مربوط به برقراری ارتباط امواج مادون قرمز است این امواج با نرخ ارسال 9.4Kbps-16Mbps کار میکنند ولی فاصله تنها تا 2 متر یکی از دلایل عدم مقبولیت این پروتکل میباشد
 UWB این پروتکل از طرف DRAPA سازمان مربوط به پرونده های نظامی امریکا معرفی شد با فاصله ای کمتر از 10متر و سرعتی در حدود 100Mbps گزینه مناسبی در این محدوده میباشد نام این پروتکل UlteraWideBand به این علت است که از محدوده فرکانسی بزرگ با توان مصرفی پایین استفاده میکنند
 DECT در سال 1992 بوسیله موسسه استاندارد سازی اروپا ETSI معرفی شد این پروتکل با نرخ ارسال 200Mbps و فاصله 17Km میتواند رقیبی برای 802.11 و حتیBluetooth باشد در حالی که محدوده فرکانسی 1.9GHz که این پروتکل دارد در بسیاری ازکشورها ممنوع بوده و به همین دلیل نتوانست وارد رقابت جدی با پروتکل های دیگر شود

WLAN
 HomeRF در سال 1991 معرفی شد و سپس در سال 1999 SWAP را معرفی کرد در سال 2001 آخرین نسخه SWAP وارد بازار شد این پروتمل قابلیتهای DECT را به همراه رنج فرکانسی 2.4GHz عرضه کرد . SWAP1 با فاصله حدود 10 متر و نرخ ارسال اطلاعاتی حدود 1.6Mbps و HomeRF2 با نرخ 10Mbps کار میکنند اخیرا HomeRF3 معرفی شده است که سرعتی معادل 100Mbps را دارد.
 HIPERLAN در سال 1991 معرفی شد .ETSI نشخه کامل تری را در سال 1996 معرفی کرد که سرعتی معادل 200Mbps و فاصله ای حدودا 30-50m . نسخه بعدی این پرو تکل HIPELAN2 سرعتی معادل 54Mbps و با روش مدوبلاسیون OFDM کار میکند .
 OpenAir در سال 1996 معرفی شد که به علت ساختار آن مورد توجه واقع نشد
 802.11a/b/g در ادامه به معرفی کامل تر این پروتکل میپردازم.

WMAN
 LMDS این پروتکل بیسیم به صورت ثابت کار میکند یعنی هم فرستنده و هم گیرنده ثابت هستند و فقط تنها محیط انتقال بیسیم میباشد. این پروتکل در محدوده ای حدود 5Km کار میکند
 MMDS این پروتکل بیسیم هم به صورت ثابت کار میکند یعنی هم فرستنده و هم گیرنده ثابت هستند و فقط تنها محیط انتقال بیسیم میباشد.
 802.16 در سال 1996 معرفی شد انواع مختلفی از این پروتکل انتشار داده شده است.802.16.1 برای انتقال یک به چند و با نرخ انتقالی معادل 90Mbps مورد استفاده قرار میگیرد.802.16a در میانه سال 2002انتشار داده شد و از 2-11GHz نرخ رنج فرکانسی آن است .802.16b نسخه قدیمی تر 802.16a میباشد . 8.216.2 به همراه 802.16.2a از دیگر نسخه های این پروتکل میباشند.
 FSO محدودیت های باران ، برف ، مه و ... روی انتقال با این پروتکل اثر میگزارد در این پروتکل رسانه انتقال لیزر است که نرخ ارسال بالایی را در حدود 10Gbps دارد.

Regional & Global wireless network
 2G&2.5G&3G
 GSM
 iMode این پروتکل در سال 1999 به جهان معرفی شد کاربرد ها ی اصلی این پروتکل انتقال Email صورتحساب های بانکی و اخبار و اطلاعاتی از این قبیل استفاده میشود و سرعتی معادل 9.6Kbps دارد.
 SMS روی 2G و 2.5G تلفن های همراه قابل پیاده سازی است که برای انتقال پیام های کوتاه مورد استفاده قرار میگیرد
 CDPD در سال 1990 با سرعتی معادل 19.2Kbps . ولی به علت رواج تکنولوژی های دیگر مورد قبول واقع نشد
اکنون که با استانداردهای بیسیم آشنا شدیم نگاه دقیق تری به پروتکل 802.11 میاندازیم.
معرفی استانداردهای 802.X
این استاندارد ها همگی مربوط به لایه های فیزیکی و انتقال داده هستند و اصولا وارد لایه های بالاتر نمیشوند .لیست کامل این استاندارد ها در زیر آمده است
 802.0 Sponsor Executive Committee
 802.1 High-Level LAN Interface Working Group
 802.2 Logical Link Control Working Group (interactive)
 802.3 CSMA/CD (Ethernet) Working Group
 802.4 Token Bus Working Group (interactive)
 802.5 Token Ring Working Group (interactive)
 802.6 MAN Working Group (interactive)
 802.7 Broadband Technical Advisory Group (interactive)
 802.8 Fiber Optic Advisory Group (disbanded)
 802.9 Isosynchronous LAN Working Group (interactive)
 802.10 Interoperable LAN Security Working Group (interactive)
 802.11 WLAN Working Group
 802.12 Demand Priority Working Group (interactive)
 802.14 Cable Broadband Comm. Network Working Group (disbanded)
 802.15 Wireless Personal Area Network Working Group
 802.16 Broadband Wireless Access Working Group


معرفی استاندارد 802.11
در سال 1997 اولین نسخه استاندارد WLAN با نام 802.11 منتشر شد و سپس در سال 1999 802.11b با سرعتی معادل 5.5-11Mbps به بازار معرفی شد و سپس استاندارد های کامل تری منتشرشداین استاندارد برای پیاده سازی شبکه بیسیم در لایه های فیزیکی و دسترسی به شبکه طراحی شده است (MAC&PHA) . موسسه WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance)وظیفه معرفی و بررسی وسیله هایی که با این استاندارد مطابقت دارند را برعهده دارد. اصطلاح WiFi (wireless fidelity) توسط این موسسه انتشار داده شد به معنی وسیله هایی که با این استاندارد مطابقت دارند. آزمایش های WECA بر اساس استاندارد 802.11 است.
لیست کامل این استاندارد ها در زیر آمده است
 802.11 لایه شبکه و انتقال داده بیسیم
 802.11a لایه شبکه و انتقال داده بیسیم در محدوده 5GHz
 802.11b لایه شبکه و انتقال داده بیسیم در محدوده2.4GHz
 802.11c عملیات های میانی در لایه انتقال داده 802.11
 802.11d بسط 802.11 برای ناحیه های کاری مرتب
 802.11e QOSدر 802.11
 802.11f بررسی ارتباطات AP در 802.11
 802.11g ارتباط سریع تر در 802.11
 802.11h بالا بردن انتخاب کانال ها وتوان کنترلی
 802.11i بررسی امنیت و اهراز هویت در 802.11


لایه فیزیکی
وظایف لایه فیزیکی عبارتند از
 مدولاسیون وکد بندی اطلاعات
 پشتیبانی از سرعتهای مختلف
 بررسی کانال برای آزاد بودن خط
 ازسال و دریافت اطلاعات
این استاندارد از5نوع رسانه برای انتقال داده استفاده میکند شکل 10
 امواج مادون قرمزinfrared
 امواج رادیویی DSSS
 امواج رادیوییFHSS
 مدولاسیون OFDM
 مدولاسیون CCK
در شکل 11 ارتباط این لایه ها با هم نشان داده میشود در این شکل تنها به 3 نوع رسانه از این ارتباط اشاره شده است.


شکل 10

شکل 11

امواج مادون قرمز
 Line of sight د راین روش فرستنده و گیرنده باید هم دیگر را ببینند
 Scatter ارسال به صورت انتشار پس از برخورد به نقتاط مختلف و انتشار مجدد از روی آنها. در این روش محیط باید کمتر از 30.5 متر باشد
 Reflective در این روش ترنسیور های کوچکی در محیط های عمومی وجود دارند که انعکاس سیگنال تا دریافت کننده را ممکن میسازد
استفاده از امواج مادون قرمز با اقبال عموم مواجه نشد و در اغلب پیاده سازی های بیسیم از امواج رادیویی استفاده میکند .

امواج رادیویی
امواج رادیویی طیف گسترده ای را به خود اختصاص میدهند که در شکل 7 مشخصات کامل این طیف آورده شده است

شکل7

هر کدام از این امواج با توجه به قابلیتهایشان و محدوده جغرافیایی سیگنالهایی که دارند در موقعیت های مخصوص به خود استفاده میشوند بعضی از این امواج آزاد و برای بعضی گرفتن مجوزاز طرف دولتها الزامی است در شکل 8 مشخصات این امواج از لحاظ گواهینامه آمده است

شکل 8



همانطور که میبینید محدوده های مجاز محدوده های ISM میباشد که برای مصارف صنعتی علمی و پزشکی استفاده میشوند .این محدوده شامل 3 ناحیه زیر میباشد
 0.9-0.93GHz
 2.4-2.48GHz
 5.73-5.85GHz
به عبارتی دیگر استاندارد 802.11 تنها در رنج فرکانسی زیر کار میکند شکل9


شکل9
در 802.11 برای ارتباط رادیویی از روش باند گسترده استفاده میکنند. که معرفی این روش در زیر آمده است.

معرفی روش باند گسترده Speared Spectrum
در اغلب پیاده سازی های بیسیم از این روش استفاده میشود . ساختار این روش به این ترتیب است که رنج فرکانسی بزرگتری از آنچه که مورد نیاز است استفاده میشود . در این روش یک سیگنال باند باریکnarrow band را میگیرد آن را بین محدوده ای از فرکانسها تقسیم میکند در نتیجه سیگنال پهنای باند بیشتری خواهد داشت که بلند تر هم خواهد شد و در طرف گیرنده دریافت این سیگنال راحتتر شده و امکال استراق سمع این روش هم سخت تر میشود چون باید جلوی پهنای باند بیشتری را بگیرد .

FHSS(frequency hopping speared spectrum )
از یک کد از پیش تعیین شده برای انتقال شیفت فرکانسی استفاده میشود. برای پیاده سازی این روش نیاز به 79 کانال 1MHz میباشد .البته این کانالها در کشورهای مختلف متفاوت است. نکته ای که وجود دارد این است که نرخ تغییر سیگنال در انتقال با نرخ ارسال اطلاعات فرق میکند . در صورتی که نرخ جهش فرکانس سریعتر از نرخ تغییر سیگنال باشد fast hop system یا سیستم جهش سریع نام میگیرد .درحالی که اگر نرخ جهش فرکانس کند تر از نرخ بیت سیگنال باشد فناوری سیستم جهش کند نام میگیرد .این گونه برقراری ارتباط برای ارتباطات نظامی مناسب است.

DSSS (distributed signal speared spectrum )
در این روش سیگنالی که میخواهد ارسال شود بوسیله یک کد دیجیتالی به نام chip یا chipping code با نرخ بزرکتری از سیگنال داده تغییر میکند . کد chipping یک کد بیتی تکراری میباشد که هر بیت سیگنال را به چند بیت تبدیل میکند و با بزرگ تر شدن کدchipping سیگنال داده ارسالی هم بزرگتر میشود. که با بزرگتر شدن باعث دریافت راحتتر میشود و امکان تصییح خطا بوجود میآید. استراق سمع این گونه کد ها به راحتی امکان پذیر نمیباشد.
نکته ای که باید دقت شود این است که FHSS و DSSS روشهای مدولاسیون نمیباشند بلکه تنها روشهایی برای توزیع داده روی سیگنال میباشند . مدولاسیون روشی برای پوشش دادن اطلاعات در طول سیگنال رادیویی میباشد. سیگنال اصلی carrier بوده میتواند نسبت به فرکانس ، دامنه و یا فاز مدولاسیون را انجام دهد . این مدولاسیون های مختلف اثر زیادی روی نرخ دادهdata rate دارند. Data rate بالاتر پیاده سازی سخت تر و گران تری را دارد در حالیکه استفاده بهینه تر از پهنای باند از مزایای این روش است.
نکته دیگر مهم SNR است این مقدار به معنی نسبت سیگنال به نویز است . هر چه این مقدار بالاتر باشد دریافت بهتریخواهیم داشت و به ازای مقدار پایین مشکل ارسال مجدد و خرابی کنال مطرح میشود.

OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)
در 802.11a از این روش برای ارسال استفاده میکندو با کمک QAM ارسالی تا 54Mbps را میتواند داشته باشد .در این روش کانل به 52 کانال هم پوشان تقسیم میشود . به این کانال ها subcarrier میگویند . هم پوشانی این کانال ها باعث استفاده بهینه تر از پهنای باند فرکانسی و دریافت راحتتر توسط دریافت کننده میشود.48 تا از این زیر کانال ها برای ارسال داده و 4 تا برای ارسال اطلاعات کمکی مورد استفاده قرار میگیرد .این 4 کانال اجازه هم ترازی فرکانس را در دریافت کننده میدهند.

انتقال داده در 802.11
لایه انتقال دادهMAC در802.11 ب رای تمامی انواع مختلف لایه های فیزیکی قابل پیاده سازی بوده و و وظیفه تعریف توابع و پروتکل های مورد نیاز برای دستیابی و کنترل را بر عهده دارد . این لایه واسطی میان لایه فیزیکی و لایه های بالاتر میباشد . دستگاهها را در این لایه ایستگاه station مینامند این ایستگاهها میتواند نقاط انتهایی و یا میانی باشد . Access point ها نقاطی برای توزیع بار شبکه ای به طرف end point ها میباشد 9 وظیفه بر روی این لایه است:
 Authentication: مشخص کردن هر ایستگاه و اعلام مشخصه به بقیه
 Deauthenticatoin: باز شناسایی مشخصه هر ایستگاه
 Association: مشخص کردن موقعیت هر ایستگاه برای AP و قادر کردن AP به توزیع اطلاعات د رایستگاه
 Disassociation: تغییر دادن قوانین و شرایط بالا
 : Reassociationبرقراری ارتباط میان AP
 Distribution : آماده کردن ارسال اطلاعات میان AP و ایستگاهها
 Integration : آماده سازی برقراری اطلاعات میان شبکه های با پروتکل 802.11 و دیگر شبکه ها
 Policy : براقرای قوانین و ارتباطی امن از طریق WEP
 Data transition: ارسال اطلاعات میان AP و ایستگاهها
End point ها وظیفه 4 سرویس زیر را دارند
 Authentication
 Deauthenticatoin
 Policy
 Data transition

لایه MAC از روش CSMA/CD برای کشف و ترمیم خطا استفاده میکند که دقیقا شبیه آن چیزی است که در Ethernet مورد استفاده قرار میگیرد .


Topologyهای مختلف بیسیم

 Ad hoc : در این روش هیچ نود ثابتی وجود ندارد و همگی نود ها در حال حرکتند. در این روش مسیریابی توسط خود نود ها انجام میشود و دستگاه مستقلی به نام مسیریاب یا سرور وجود ندارد . در این روش از خود نود ها برای انتقال اطلاعات استفاده میشود .
 (Access point) Infrastructure: در این روش یک نقطه دسترسی وجود دارد. این نقطه دسترسی وظیفه انتقال داده ها را دارد و به عنوان یک مسیریاب یا پل عمل میکند که میتواند ثابت یا متحرک حتی میتواند نرم افزاری یا سخت افزاری باشد. در صورت متحرک بودن نقطه دسترسی وظیفه انتقال بر عهده این دستگاه است که با روش قبل متفاوت میباشد.
نتیجه :
ارتباط بیسیم از ابتدا یکی از اهداف بشر بوده است . تحول علم شبکه امکانات زیادی را برای ما بوجود آورده است .براقراری ارتباط بیسیم خیلی از محدودیت های ما را از بین میبرد . این در حالی است که این گونه ارتباطات فاقد مشکل نبوده ونیاز به بررسی ها و تحقیقات بیشتر وجود دارد . هنوز هم مدیران شبکه به این گونه ارتباطات با دیده شک مینگرند .و البته ارتباط بیسیم مانند همه اتفاقات تازه ، زندگی ما را متحول خواهد کرد قبل از اینکه باورش کنیم .
منابع:
 802.11demeystified:McGraw-Hill 2002 by James Larocca& Ruth Larocca
 802.11 Wireless LAN Fundamentals Cisco Systems by Pejman Roshan
 Designing Wireless 802.11 Networks Cisco Systems
 http://www.intel.com/netcomms/index.htm
 http://www.cs.vassar.edu/~cs395/Project/final-check.html
 http://www.extremetech.com/category2/0,1556,563,00.asp
 http://www.nwfusion.com/links/Encyclopedia/0-9/index.html
 http://www.wi-fiplanet.com/tutorials/
