Топологии беспроводных сетей

-Wireless wide area network (WWAN) Покрытие больших областей (GPRS, LTE, GSM)
-Wireless metropolitan area network (WMAN) Покрытие городских и пригородных территорий (WiMAX)
-Wireless personal area network (WPAN) соединение устройств в непосредственной близости от пользователя (напр. ноутбука игровых устройств, смартфонов, планшетов.) Bluetooth
-Wireless local area network (WLAN) Сети в пределах здания или кампуса.

Топологии 802.11
Основной компоненет сети 802.11 это радио, которое стандарт обозначает как станцю (station, STA). Также стандартом выделяются 4 основные топологии (service set), описывающие каким образом эти радио могут общаться между собой:
-BSS basic service set
-ESS extended service set
-IBSS Inependent basic service set
-MBSS Mesh basic service set

Типы обмена данными:
-Симплекс (simplex) одно устройство может только передавать, второе только принимать. Например, FM радио.
-Полудуплекс (half-duplex) оба устройства могут как передавать так и принимать, но в один момент времени передавать может только одно из них. Все устройства 802.11
-Полный дуплекс (full-dulex) оба устройства могут передавать и принимать одновременно. Например, телефонный разговор.

Точка доступа (AP, access point) по сути является хабом (hub) и работает в полудуплексном режиме. Большинство современных точек имеют функционал коммутатора (switch like intelligence), в частности поддерживают таблицу MAC адресов и направляют трафик второго уровня в соответствии с этой таблицей.
Также точка доступа или контроллер может отправлять трафик в бэкбон или обратно в беспроводной сегмент. В заголовке 802.11 как правило содержится 3 MAC адреса (может быть до 4). Информация в заголовке 2 уровня используется для принятия решения о направлении информации уровней 3-7. Информация верхних уровней в теле фрейма 802.11 называется MAC Service Data Unit (MSDU). Передача MSDU и есть функционал коммутатора, как в отдельно стоящих (standalone) точках доступа, так и в контроллерах.  Также многие точки доступа поддерживают VLAN.

Любое радио, не используемое как точка доступа, обычно называют клиентской станцией (client station). Когда клиентская станция имеет связь на 2 уровне с точкой доступа, ее называют ассоциированной (associated).

Integration Service (IS) - передача MSDU между distribution system (DS) и не-IEEE-802.11 LAN посредством т.н. портала (точки доступа или WLAN контроллера), например из 802.11 в 802.3 (Ethernet).

Distribution system (DS) используется для соединения несколько BSS для создания ESS. Состоит из 1. DSM (distribution system media) - логичесекая и физическая среда, служащая для соединения точек доступа (например Ehternet).

2. DSS (Distribution System Services) - системные сервисы, встроенные в точку доступа, как правило в виде ПО. DSS обеспечивает switch-like intelligence. Данные сервисы используются для управления ассоциацими клиентских станций и передачи MSDU.

WDS (wireless distribution system) стандартом определяется механизм для беспроводной связи, использующий 4 MAC адрес. Данный механизм известен как WDS. Примером реализации могут служить mesh-сети и мосты между репитерами (bridging repeaters). Еще один пример - настройка точек таким образом, что они предоставляют как покрытие определенной площади для подключение клиентских станции, так и магистраль (backhaul), т.е. дополнительно соединяются между собой (так точки с 2 радио модулями могут использовать диапазон 2.4 для подключения клиентов и 5 для формирования магистрали).

Предпочтительной всегда является проводная DSS.

Другой пример - беспроводные репитеры, которые обеспечивают покрытие в местах, куда нет возможности проложить Ethernet кабель. В схеме с репитером, репитер и точка доступа будут работать в одном и том же канале (т.е. он только расширяет зону покрытия). При передаче данных от клиента, подключенного к репитеру до сервера, подключенного к проводному сегменту за точкой доступа будет использоваться 4 MAC адреса: DA (destination address) , SA (source address), TA (transmit address, repeater), RA (receiver address, access point).

Обратить внимание: при добавлении в топологию репитера, зоны покрытия точки доступа и репитера должны пересекаться по крайней мере на 50%.
При использовании репитеров пересылка фреймов по радио происходит дважды, что уменьшает пропускную способность и повышает задержку. Для того, чтобы решить эту проблему большинство производителей выпускает репитеры с 2 радиомодулями (1 для подключения клиентов и 1 для формирования магистрали).

SSID (service set identifier) - логическое имя, используемое для идентификации беспроводной сети 802.11. 32 символа, чувствительно к регистру. SSID можно скрывать, но данная меря не предоставляет сколько-нибудь надежной гарантии безопасности.

BSS - точка доступа с одним клиентом или более. Клиентские станции присоединяются к точке доступа и взаимодействуют друг с другом через эту точку. Как правило, точка подключается к среде распределения (DS), и служит порталом (portal, обеспечивает доступ из проводного в беспроводной сегмент). Подключение к DS не является обязательным для BSS. Клиенты могут взаимодействовать друг с другом напрямую, если поддерживают Wi-Fi Direct. 

Состоящий из 48 бит (6 октетов) MAC адрес точки доступаназывается BSSID (basic service set identifier). BSSID - идентефицирует каждый BSS на 2 уровне модели OSI (чаще всего это MAC-адрес радио интерфейса точки доступа). Например, если 2 точки доступа анонсируют один и тот же SSID клиентские станции используют BSSID для того, чтобы их идетифицировать. Стоит обратить внимание на то, что некоторые вендоры предлагаю возможность анонсирования нескольких SSID а также виртуальных BSSID.

Физическая зона покрытия, которую обеспечивает точка доступа BSS называется BSA (basic service area). Перемещаяся в пределах BSA клиенты могут менять битрейты  (dynamic data rate switching).
Размер и форма BSA зависят от ряда факторов, включая КУ антенн, мощность передатчика, физические свойства окружающих объектов. В теории BSA изображается в виде круга, но в реальности она может иметь самые разнообразные формы.

ESS - два или более BSS, соединенных средой распределения (DS). Как правило, это набор точек доступа и подключенных к ним клиентов, объедиенных одной средой распределения (чаще всего Ethernet). Наиболее распространенная реализация ESS - с частично перекрывающимися зонами покрытия точек доступа для обеспечени бесшовного (seamless) роуминга клиентов.
ESS не всегда характериуются бесшовным роумингом. Иногда зоны покрытия точек не перекрываются, в таких случаях, клиентское устройство, покинув зону покрытия одной точки теряет связь с сетью и восстанавливает ее только при попадании в зону покрытия другой точки. Это называется nomadic roaming.
Еще один вариант - colocation, когда зоны покрытия точек доступа перекрываются, чтобы обеспечить подключение большего количества клиентов.

ESSID (логическое имя ESS) - синоним SSID.

IBSS. Только клиентские станции без точек доступа. При этом фреймы передаются только напрямую.
Единовременно передавать может только одно устройство. IBSS часто называют peer-to-peer или ad-hoc сетью. Первое устройство, начачинающее передачу создает виртуальный BSSID.

Стандарт 802.11-2012 дополнительно описывет mesh топологию (MBSS). В этой топологии одна или более точек доступа подключется к проводной инфратсруктуре. Такие точки называют mesh point portal или mesh root. Остальные точки доступа к проводной инфраструктуре не подключаются и формируют беспроводную магистраль до mesh point portal. Такие точки называют mesh point.

Работа узлов в mesh сети во многом похожа на работу маршрутизаторов: их цель обнаружить соседние mesh-станции, выбрать возможные и лучшие соединения и распространить информацию о соседях. В качестве протокола для выбора пути (path selection protocol) стандартом определен HWMP (hybrid wireless mesh protocol). Обмен информацие между точками происходит на втором уровне. Многие вендоры используют собственные проприетарные протоколы.

При построении беспроводной инфраструктуры рекомендуется испольовать точки одного производителя.

Режимы работы точек доступа:
По умолчанию используется режим root (root mode, AP mode, access mode) точка работает как distribution portal передвая данные из беспроводного сегмента в DS.
-Мост (bridge)  - устройство обучается и поддерживает таблицу MAC адресов.
-Мост рабочей группы (workgroup bridge) - устройство обеспечивает подключение к беспроводной магистрали проводных 802.3 клиентов.
- Повторитель (repeater) - точка расширяет область действия другой точки в том же канале.
-Mesh - точка работает для формирования беспроводной магистрали для mesh-сети. В зависимости от производителя может одновременно предоставлять доступ клиентам.
-Режим сканирования (scanner mode) - точка доступа работает в режиме сканирования, позволяя точке интергироваться в WIDS (wireless intrusion detection). В режиме сканирования точка только "слушает" постоянно меняя каналы.

Данные режимы не описаны в 802.11, поэтому у разных вендоров могут встречаться разные режимы.

Режимы работы клиентских станций:
-Infrastructure mode - подключение к точке доступа, работа в BSS или ESS.
-Ad hoc (peer-to-peer) mode - работа в IBSS без точки доступа.

Источник: D. Coleman, D. Wescott - Certified Wireless Network Administratio Official Study Guide 

Технологии расширенного спектра (spread sprectrum)

Диаапазон частот от 2.4ГГц до 2.4835ГГц входит в Industrial Scientific and medical bands (ISM). Другие ISM диапазоны: 900МГц - 928МГ, 2.4ГГц - 2.5ГГЦ, 5.725ГГц - 5.875ГГц

900МГц редко используется в беспроводных сетях, т.к предпочтительны более высокие частоты, позволяющие достичь более высокой пропускной способности. Тем не менее применяются в домашней технике (беспроводные телефоны, беспроводные наушники). Существуют не-802.11 устройства, позволяющие организовывать сети на данной частоте.

2.4ГГц - самый распространенный ISM диапазон. В этом диапазоне работают радиомодули 802.11 (FHSS, DSSS), 802.11b (HR-DSSS), 802.11g (ERP), 802.11n (HT). Также используется микроволновками, беспроводными телефонами, радионянями, т.е. существует много потенциальных причин возникновения помех.

5.8ГГц 5.725ГГц - 5.875ГГц - ISM диапазон (не путать с U-NII-3 5.725 - 5.85 ГГЦ).

U-NII 3 5гигагерцовых диапазона по четыре канала каждый. В данных диапазонах работают радиомодули 802.11a (OFDM), 802.11n (HT),802.11a/n 802.11ac (VHT).

3.6ГГц. 802.11y.

Существует два основных метода передачи радиосигнала: узкая полоса пропускания (narrowband) и расширенный спектр (spread spectrum). Технология узкой полосы пропускания использует высокую мощность и одну частоту (или очень узкий диапазон частот). Технология расширенного спектра использует низкую, по сравнению с технологией узкой полосы пропускания мощность и широкий частотный диапазон. Так как технология расширенного спектра использует широйкий частотный диапазон, она менее подвержена целенаправленному глушению или помехам а также негативным эффектам многолучевого распространения. Технологию узкой полосы пропускания используют, например, AM и FM радиостанции.

802.11 (DSSS), 802.11b (HR-DSSS), 802.11g (ERP) устойчивы к мгноголучевому распространению до определенного предела. HR-DSSS, например, устойчив к задержке распространения до 500 наносекунд. Однако, чем чем задержка распространения ниже, тем выше производительность. Так передатчик 802.11b переходит на более низкий битрейт при высокоой задержке распространения.

FHSS (frequency hopping spread spectrum) - изначальный стандарт 802.11 позволят получить битрейт 1 и 2 Мбит/с в ISM диапазоне 2.4ГГц. Приницип действия: данные передаются на определенной частоте в рамках заданного диапазона в течении определенного периода времени (dwell time), когда данный период истекает, система переключается на другую частоту и передает на ней в течении такого же периода. Каждый раз когда истекает заданный временной промежуток, частота меняется. FHSS использует заранее определенную последовательность прыжков (hop sequence), состоящую из набора несущих частот (carrier frequncies) или прыжков (hops). Т.о. передатчик, использующий FHSS передает данные на одной из этих частот, периодически переключаясь между ними. Каждый раз когда последовательность прыжков завершена, она повторяется. Для успешной передачи данных, все передатчики и приемники должны менять частоту в одно и то же время.
Как правило период времени, который FHSS-устройство передает на одной частоте ограничивается регуляторами.
Время прыжка (hop time) - не заранее определенный промежуток, а измеренное время, нужное передатчику для смены частоты. Как правило это 200-300 микросекунд. Каким бы коротким не был этот промежуток, на всем его протяжении передача данных не осущствляется, следовательно это время теряеся. Т.о. чем выше dwell time тем реже меняются частоты, тем выше пропускная способность.
FHSS использует GFSK (gaussian frequency shift, гауссова частотная манипуляция) для кодирования данных. 2GFSK (two-level GFSK) использует 2 частоты для кодирования 0 и 1. 4GFSK использует 4 частоты для кодирования 2 бит (00,01,10,11).
Уменьшение dwell time может уменьшить влияние помех.
В данный момент FHSS не используется в беспроводных сетях, однако другие технологии, например Bluetooth до сих пор используют именно эту технологию.

DSSS (Direct sequence spread spectrum). Изначально определен в стандарте 802.11 и позволят получить битрейт 1 и 2 Мбит/с в ISM диапазоне 2.4ГГц. Обновленная реализация DSSS - HR(High-Rate)-DSSS (802.11b) позволяет получить битрейт 5 и 11 Мбит/с в ISM диапазоне 2.4ГГц. Устройства HR-DSSS обратно совместимы с DSSS, но несовсместимы с FHSS.
Так как радиосигнал подвержен помехам и искажениям, чтобы избежать их влияния, каждый бит данных кодируется и передается в виде нескольких бит. Добавление избыточной информации называется processing gain (выигрыш при обработке?). Система преобразует 1 бит данных в серию  бит, которые называют чипами (chips) путем выполнения булевой операции XOR и использования псевдослучайного числового кода битовой последовательности фиксированной длиы (fixed length bit sequence pseudorandom number (PN) code), известный как код Баркера (Barker code). Чипы для двоичных 0 и 1 выглядят следующим образом:
binary 1 = 10110111000
binary 0 = 01001000111
Эта последовательность чипов распределяется по разным частотам, и, если для того, чтобы передать 1 бит данных требуется 2 МГц частотного диапазона, 11 чипов требуют 22МГц. Процесс преобразования отдельного бита в последовательность называется spreading или chipping. Приемник осуществляет обратный процесс (de-spreading). Если данные передаются в виде чипов и некоторые из них не приняты должным образом, устройство все равно сможет интерпретировать полученные данные, используя неповрежденные чипы. При использовании кода Баркера, 9 из 11 чипов могут быть повреждены, но система все равно сможет интерпретировать данные. В HR-DSSS используется более сложный код CCK, который может кодировать 8 бит даных 8 чипами (11Мбит/с).

Модуляция. После того, как данные закодированы в виде чипов, передатчику требуется модулировать сигнал, чтобы создать сигнал несущей (carrier signal -  Сигнал с фиксированной частотой, который может быть модулирован для передачи данных) содержащий эти чипы. Модуляция DBPSK использует два сдвига по фазе (phase shifts), один представляет чип 1, другой - чип 0. Для повышеия пропусной способности DQPSK испольузует 4 сдвига по фазе, позволяя модулировать чипы 00, 01, 10 и 11.

PBCC - технология модуляции, поддерживающия битрейты 5.5, 11, 22 и 33 Мбит/с.

OFDM - одна из самых популярных технологий, используемая как в проводных так и в беспроводных технологиях. В соответствии с 802.11-2012 в частотном диапазоне 5ГГц используется OFDM,  в частотном диапазоне 2ГГц используется ERP-OFDM.
OFDM не является технологие расширенного спектра, хотя и имеет схожие свойства, такие как низкая мощность передачи и использование полосы более широкой, чем необходимо для передачи данных.  OFDM передает на 52 отдельных четко разделенных частотах, называемых поднесущими (subcarriers). Ширина каждой поднесущей 312.5KHz. У каждой поднесущей невысокий битрейт, но за счет большого их количества, в общем битрейт гораздо выше. Также благодаря низким битрейтам поднесущих снижается вероятность межсимвольной интерференции (ISI). 52 поднесущие нумеруются от -26 до +26. 48 из них используются для передачи данных. Другие 4 называются пилотными несущими (pilot carriers)  и используются демодулятором для синхронизации.

Для повышения устойчивости  OFDM к узкополосным (narrowband) помехам используется т.н. свёрточное кодирование (convolutional coding), позволяющее принимающей системе обнаруживать и исправлять поврежденные биты (Forward Error Correction, FEC).
Существует много уровней сверточного кодирования. Уровень определяется соотношением переданных и закодированный битов. Чем ниже соотношение, тем ниже устойчивость к помехам и выше битрейт.
Так напримем, при модуляции 64-QAM и коэффициенте кодирования (coding rate) 2/3 можно получить битрейт 48 Мбит/с, при той же модуляции, но с коэффициентом кодирования 3/4 - 54 Мбит/с

OFDM использует BPSK и QPSK для низких битрейтов, 256-QAM, 64-QAM и 16-QAM для высоких.
Сигнальное созвездие (constellation diagram) - двухмерная диаграмма, часто используемая для представления модуляции QAM. На этой диаграмме по горизонтальной оси откладываются сдвиги по амплитуде, по вертикальной - сдвиги по фазе. Различные сочетания сдвигов по фазе и амплитуде кодируют различные последовательности бит. Например, модуляция 16-QAM использует 16 таких сочетаний для кодирования 16 разлчных последовательностей, состоящих из четырех бит (0000, 0001 и т.д.).

Маска сигнала (spectrum  mask) - в реальности, помимо сигнала на несущей частоте передатчик генерирут сгнал и на смежных частотах . IEEE определено, что первая боковая частота (sidebar frequncy, от -11 МГц до -22 МГц от несущей и от +11 до +22 МГц от несущей) должна иметь мощность меньше по крайней мере на 30 дБ, все последующие боковые частоты - как минимум на 50Дб меньше. Данная маска определяется, чтобы минимизировать взаимное влияние устройств на назных частотах.
Помимо частотного разнесения, также важно разностить точки доступа в пространстве (1.5 до 3 м)

Аггрегированная пропускная способность беспроводной сети (aggregate througput) составляет примерно 50% процентов битрейта для 802.11a/b/g и 60-70% битрейта для 802.11n/ac (помним о том, что беспроводные коммуникации по природе своей half-duplex, плюс существует т.н. medium contention overhead, т.е. накладные расходы создаваемые CSMA/CA). Также следует помнить о том, что радио среда является раздеяемой, т.е. при большом количестве клиентов пропускная способность (throughput) будет делиться примерно поровну между всеми клиентами.

Все упомянутые выше технологии так или иначе повышают устойчивость соединения к помехам.

● ISM 902 – 928 MHz—industrial
● ISM 2.4 – 2.5 GHz—scientific
● ISM 5.725 – 5.875 GHz—medical
● U-NII-1 5.150 – 5.250 GHz—lower
● U-NII-2 5.250 – 5.350 GHz—middle (also known as U-NII-2A in the proposed frequency updates)
● U-NII-2 extended 5.470 – 5.725 GHz—Extended (also known as U-NII-2C in the proposed frequency updates)
● U-NII-3 5.725 – 5.85 GHz—upper
● Proposed U-NII-2B 5.35 – 5.47 GHz
● Proposed U-NII-4 5.85 – 5.925 GHz
In addition to the ISM and U-NII bands, the following bands were discussed:
● 4.94–4.99 GHz—US public safety
● 4.9–5.091 GHz—Japan
● 60 GHz
● < 1 GHz—White-Fi

Источник: D. Coleman, D. Wescott - Certified Wireless Network Administratio Official Study Guide