استاندارد شبکه های محلی بی سیم
مقدمه
امروزه با بهبود عملكرد، كارایی و عوامل امنیتی، شبكه‌های بی‌سیم به شكل قابل توجهی در حال رشد و گسترش هستند و استاندارد IEEE 802.11 استاندارد بنیادی است كه شبكه‌های بی‌سیم بر مبنای آن طراحی و پیاده سازی می‌شوند.
در ماه ژوئن سال 1997 انجمن مهندسان برق و الكترونیك (IEEE) استاندارد IEEE 802.11-1997 را به عنوان اولین استانداردِ شبكه‌های محلی بی‌سیم منتشر ساخت. این استاندارد در سال 1999 مجدداً بازنگری شد و نگارش روز آمد شده آن تحت عنوان IEEE 802.11-1999 منتشر شد. استاندارد جاری شبكه‌های محلی بی‌سیم یا همانIEEE 802.11 تحت عنوان ISO/IEC 8802-11:1999، توسط سازمان استاندارد سازی بین‌المللی (ISO) و مؤسسه استانداردهای ملی آمریكا (ANSI) پذیرفته شده است. تكمیل این استاندارد در سال 1997، شكل گیری و پیدایش شبكه سازی محلی بی‌سیم و مبتنی بر استاندارد را به دنبال داشت. استاندارد 1997، پهنای باند 2Mbps را تعریف می‌كند با این ویژگی كه در شرایط نامساعد و محیط‌های دارای اغتشاش (نویز) این پهنای باند می‌تواند به مقدار 1Mbps كاهش یابد. روش تلفیق یا مدولاسیون در این پهنای باند روش DSSS است. بر اساس این استاندارد پهنای باند 1 Mbps با استفاده از روش مدولاسیون FHSS نیز قابل دستیابی است و در محیط‌های عاری از اغتشاش (نویز) پهنای باند 2 Mbpsنیز قابل استفاده است. هر دو روش مدولاسیون در محدوده باند رادیویی 2.4 GHz عمل می‌كنند. یكی از نكات جالب توجه در خصوص این استاندارد استفاده از رسانه مادون قرمز علاوه بر مدولاسیون‌های رادیویی DSSS و FHSS به عنوان رسانهانتقال است. ولی كاربرد این رسانه با توجه به محدودیت حوزه عملیاتی آن نسبتاً محدود و نادر است. گروه كاری 802.11 به زیر گروه‌های متعددی تقسیم می‌شود. شكل‌های 1-1 و 1-2 گروه‌های كاری فعال در فرآیند استاندارد سازی را نشان می‌دهد. برخی از مهم‌ترین زیر گروه‌ها به قرار زیر است:
- 802.11D: Additional Regulatory Domains
- 802.11E: Quality of Service (QoS)
- 802.11F: Inter-Access Point Protocol (IAPP)
- 802.11G: Higher Data Rates at 2.4 GHz
- 802.11H: Dynamic Channel Selection and Transmission Power Control
- 802.11i: Authentication and Security
كمیته 802.11e كمیته‌ای است كه سعی دارد قابلیت QoS اِتـِرنت را در محیط شبكه‌های بی‌سیم ارائه كند. توجه داشته باشید كه فعالیت‌های این گروه تمام گونه‌های 802.11 شامل a، b، و g را در بر دارد. این كمیته در نظر دارد كه ارتباط كیفیت سرویس سیمی یا Ethernet QoS را به دنیای بی‌سیم بیاورد.
كمیته 802.11g كمیته‌ای است كه با عنوان 802.11 توسعه یافته نیز شناخته می‌شود. این كمیته در نظر دارد نرخ ارسال داده‌ها در باند فركانسی ISM را افزایش دهد. باند فركانسی ISM یا باند فركانسی صنعتی، پژوهشی، و پزشكی، یك باند فركانسی بدون مجوز است. استفاده از این باند فركانسی كه در محدوده 2400 مگاهرتز تا 2483.5 مگاهرتز قرار دارد، بر اساس مقررات FCC در كاربردهای تشعشع رادیویی نیازی به مجوز ندارد. استاندارد 802.11g تا كنون نهایی نشده است و مهم‌ترین علت آن رقابت شدید میان تكنیك‌های مدولاسیون است. اعضاء این كمیته و سازندگان تراشه توافق كرده‌اند كه از تكنیك تسهیم OFDM استفاده نمایند ولی با این وجود روش PBCC نیز می‌تواند به عنوان یك روش جایگزین و رقیب مطرح باشد.
كمیته 802.11h مسئول تهیه استانداردهای یكنواخت و یكپارچه برای توان مصرفی و نیز توان امواج ارسالی توسط فرستنده‌های مبتنی بر 802.11 است.
فعالیت دو كمیته 802.11i و 802.11x در ابتدا برروی سیستم‌های مبتنی بر 802.11b تمركز داشت. این دو كمیته مسئول تهیه پروتكل‌های جدید امنیت هستند. استاندارد اولیه از الگوریتمی موسوم به WEP استفاده می‌كند كه در آن دو ساختار كلید رمز نگاری به طول 40 و 128 بیت وجود دارد. WEP مشخصاً یك روش رمزنگاری است كه از الگوریتم RC4 برای رمزنگاری فریم‌ها استفاده می‌كند. فعالیت این كمیته در راستای بهبود مسائل امنیتی شبكه‌های محلی بی‌سیم است.
شكل 1-1- گروه‌های كاری لایه فیزیكی
شكل1-2- گروه‌های كاری لایه دسترسی به رسانه
این استاندارد لایه‌های كنترل دسترسی به رسانه (MAC) و لایه فیزیكی (PHY) در یك شبكه محلی با اتصال بی‌سیم را دربردارد. شكل 1-3 جایگاه استاندارد 802.11 را در مقایسه با مدل مرجع نشان می‌دهد.
شكل 1-3- مقایسه مدل مرجعOSI و استاندارد 802.11
محیط‌های بی‌سیم دارای خصوصیات و ویژگی‌های منحصر به فردی می‌باشند كه در مقایسه با شبكه‌های محلی سیمی جایگاه خاصی را به این گونه شبكه‌ها می‌بخشد. به طور مشخص ویژگی‌های فیزیكی یك شبكه محلی بی‌سیم محدودیت‌های فاصله، افزایش نرخ خطا و كاهش قابلیت اطمینان رسانه، همبندیهای پویا و متغیر، تداخل امواج، و عدم وجود یك ارتباط قابل اطمینان و پایدار در مقایسه با اتصال سیمی است. این محدودیت‌ها، استاندارد شبكه‌های محلی بی‌سیم را وا می‌دارد كه فرضیات خود را بر پایه یك ارتباط محلی و با بُرد كوتاه بنا نهد. پوشش‌های جغرافیایی وسیع‌تر از طریق اتصال شبكه‌های محلی بی‌سیم كوچك برپا می‌شود كه در حكم عناصر ساختمانی شبكه گسترده هستند. سیـّار بودن ایستگاه‌های كاری بی‌سیم نیز از دیگر ویژگی‌های مهم شبكه‌های محلی بی‌سیم است. در حقیقت اگر در یك شبكه محلی بی‌سیم ایستگاه‌های كاری قادر نباشند در یك محدودهعملیاتی قابل قبول و همچنین میان سایر شبكه‌های بی‌سیم تحرك داشته باشد، استفاده از شبكه‌های محلی بی‌سیم توجیه كاربردی مناسبی نخواهد داشت.
از سوی دیگر به منظور حفظ سازگاری و توانایی تطابق و همكاری با سایر استانداردها، لایهدسترسی به رسانه (MAC) در استاندارد 802.11 می‌بایست از دید لایه‌های بالاتر مشابه یك شبكه محلی مبتنی بر استاندارد 802 عمل كند. بدین خاطر لایه MAC در این استاندارد مجبور است كه سیـّاربودن ایستگاه‌های كاری را به گونه‌ای شفاف پوشش دهد كه از دید لایه‌های بالاتر استاندارد این سیـّاربودن احساس نشود. این نكته سبب می‌شود كه لایهMAC در این استاندارد وظایفی را بر عهده بگیرد كه معمولاً توسط لایه‌های بالاتر شبكه انجام می‌شوند. در واقع این استاندارد لایه‌های فیزیكی و پیوند داده جدیدی به مدل مرجع OSI اضافه می‌كند و به طور مشخص لایه فیزیكی جدید از فركانس‌های رادیویی به عنوان رسانهانتقال بهره می‌برد. شكل1-4، جایگاه این دو لایه در مدل مرجع OSI را در كنار سایر پروتكل‌های شبكه سازی نشان می‌دهد. همانگونه كه در این شكل مشاهده می‌شود وجود این دولایه از دید لایه‌های فوقانی شفاف است
شكل 1-4- جایگاه 802.11 در مقایسه با سایر پروتكل‌ها
برای كسب اطلاعات بیشتر در خصوص گروه‌های كاری IEEE 802.11 می‌توانید به نشانی http://www.ieee802.org/11 مراجعه كنید. علاوه بر استاندارد IEEE 802.11-1999 دو الحاقیه IEEE 802.11a و IEEE 802.11b تغییرات و بهبودهای قابل توجهی را به استاندارد اولیه اضافه كرده است كه در ادامه این مقاله به بررسی آنها خواهیم پرداخت.
2.معماری شبكه‌های محلی بی‌سیم
معماری 802.11 از عناصر ساختمانی متعددی تشكیل شده است كه در كنار هم، سـّیار بودن ایستگاه‌های كاری را پنهان از دید لایه‌های فوقانی برآورده می‌سازد. ایستگاه بی‌سیم یا به اختصار ایستگاه (STA)، بنیادی‌ترین عنصر ساختمانی در یك شبكه محلی بی‌سیم است. یك ایستگاه، دستگاهی است كه بر اساس تعاریف و پروتكل‌های 802.11 (لایه‌های MAC و PHY) عمل كرده و به رسانه بی‌سیم متصل است. توجه داشته باشید كه براساس تعریف كلاسیكِ شبكه‌های كامپیوتری، یك شبكه كامپیوتری مجموعه‌ای از كامپیوترهای مستقل و متصل است كه منظور از اتصال در این تعریف، توانایی جابجایی و مبادله پیام‌ها است. ایستگاه‌های كاری بی‌سیم امروزی عمدتاً به صورت مجموعه سخت‌افزاری/نرم‌افزاری كارت‌های شبكه بی‌سیم پیاده‌سازی می‌شوند. همچنین یك ایستگاه می‌تواند یك كامپیوتر قابل حمل، كامپیوتر كفدستی و یا یك نقطه دسترسی باشد. نقطه دسترسی در واقع در حكم پلی است كه ارتباط ایستگاه‌های بی‌سیم را با سیستم توزیع یا شبكه سیمی برقرار می‌سازد. كوچكترین عنصر ساختمانی شبكه‌های محلی بی‌سیم در استاندارد 802.11 مجموعه سرویس پایه یا BSS نامیده می‌شود. در واقع BSS مجموعه‌ای از ایستگاه‌های بی‌سیم است.
2-1- همبندیهای 802.11
در یك تقسیم بندی كلی می‌توان دو همبندی را برای شبكه‌های محلی بی‌سیم در نظر گرفت. سـاده‌ترین همبندی، فی‌البداهه (Ad Hoc) و براساس فرهنگ واژگان استاندارد 802.11، IBSS است. در این همبندی ایستگاه‌ها از طریق رسانه بی‌سیم به صورت نظیر به نظیر با یكدیگر در ارتباط هستند و برای تبادل داده (تبادل پیام) از تجهیزات یا ایستگاه واسطی استفاده نمی‌كنند. واضح است كه در این همبندی به سبب محدودیت‌های فاصله هر ایستگاهی ضرورتاً نمی‌تواند با تمام ایستگاه‌های دیگر در تماس باشد. به این ترتیب شرط اتصال مستقیم در همبندی IBSS آن است كه ایستگاه‌ها در محدوده عملیاتی بی‌سیم یا همان بُرد شبكه بی‌سیم قرار داشته باشند. شكل 2-1 همبندی IBSSرا نشان می‌دهد.
شكل 2-1- همبندی فی‌البداهه یا IBSS
همبندی دیگر زیرساختار است. در این همبندی عنصر خاصی موسوم به نقطه دسترسی وجود دارد. نقطه دسترسی ایستگاه‌های موجود در یك مجموعه سرویس را به سیستم توزیع متصل می‌كند. در این هم بندی تمام ایستگاه‌ها با نقطه دسترسی تماس می‌گیرند و اتصال مستقیم بین ایستگاه‌ها وجود ندارد در واقع نقطهدسترسی وظیفه دارد فریم‌ها (قاب‌های داده) را بین ایستگاه‌ها توزیع و پخش كند. شكل 2-2 همبندی زیرساختار را نشان می‌دهد.
شكل2-2- همبندی زیرساختار در دوگونه BSS و ESS
در این هم بندی سیستم توزیع، رسانه‌ای است كه از طریق آن نقطه دسترسی (AP) با سایر نقاط دسترسی در تماس است و از طریق آن می‌تواند فریم‌ها را به سایر ایستگاه‌ها ارسال نماید. از سوی دیگر می‌تواند بسته‌ها را در اختیار ایستگاه‌های متصل به شبكه سیمی نیز قراردهد. در استاندارد 802.11 توصیف ویژه‌ای برای سیستم توزیع ارائه نشده است، لذا محدودیتی برای پیاده سازی سیستم توزیع وجود ندارد، در واقع این استاندارد تنها خدماتی را معین می‌كند كه سیستم توزیع می‌بایست ارائه نماید. بنابراین سیستم توزیع می‌تواند یك شبكه 802.3 معمولی و یا دستگاه خاصی باشد كه سرویس توزیع مورد نظر را فراهم می‌كند.
استاندارد 802.11 با استفاده از همبندی خاصی محدوده عملیاتی شبكه را گسترش می‌دهد. این همبندی به شكل مجموعه سرویس گسترش یافته (ESS) بر پا می‌شود. در این روش یك مجموعه گسترده و متشكل از چندین BSS یا مجموعه سرویس پایه از طریق نقاط دسترسی با یكدیگر در تماس هستند و به این ترتیب ترافیك داده بین مجموعه‌های سرویس پایه مبادله شده و انتقال پیام‌ها شكل می‌گیرد. در این همبندی ایستگاه‌ها می‌توانند در محدوده عملیاتی بزرگ‌تری گردش نمایند. ارتباط بین نقاط دسترسی از طریق سیستم توزیع فراهم می‌شود. در واقع سیستم توزیع ستون فقرات شبكه‌های محلی بی‌سیم است و می‌تواند با استفاده از فنّاوری بی‌سیم یا شبكه‌های سیمی شكل گیرد. سیستم توزیع در هر نقطه دسترسی به عنوان یك لایه عملیاتی ساده است كه وظیفه آن تعیین گیرنده پیام و انتقال فریم به مقصدش می‌باشد. نكته قابل توجه در این همبندی آن است كه تجهیزات شبكه خارج از حوزه ESS تمام ایستگاه‌های سیـّار داخل ESS را صرفنظر از پویایی و تحركشان به صورت یك شبكه منفرد در سطح لایه MAC تلقی می‌كنند. به این ترتیب پروتكل‌های رایج شبكه‌های كامپیوتری كوچكترین تأثیری از سیـّار بودن ایستگاه‌ها و رسانه بی‌سیم نمی‌پذیرند. جدول 2-1 همبندیهای رایج در شبكه‌های بی‌سیم مبتنی بر 802.11 را به اختصار جمع بندی می‌كند.
| 802.11 Topologies | | Independent Basic Service Set (IBSS) ("Ad Hoc" or "Peer to Peer") | Infrastructure | | Basic Service Set (BSS) | Extended Service Set (ESS) | |
جدول 2-1- همبندیهای رایج در استاندارد 802.11
شكل 2-3- روزنه‌های پنهان
شكل 2-6- تغییر فركانس سیگنال تسهیم شده به شكل شبه را پدید می‌آورند. واضح است كه در این روش تسهیم، دامنه سیگنال ثابت است. در روش تسهیم تفاضلی سیگنال اطلاعات با توجه به میزان اختلاف فاز و نه مقدار مطلق فاز تسهیم و مخابره می‌شوند. به عنوان مثال در روش pi/4-DQPSK، چهار مقدار تغییر فاز 3pi/4- ، 3pi/4، pi/4، و-pi/4 است. با توجه به اینكه در روش فوق چهار تغییر فاز به كار رفته است لذا هر نماد می‌تواند دو بیت را كُدگذاری نماید.
