Страница 28 из 64
Рис. 1.29. Передача мобильного телефона: a — до, б — после
В связи с этим возникает дополнительная проблема — необходимость найти мобильный телефон в первый момент при входящем вызове. У каждой мобильной сети есть HSS (Home Subscriber Server) в базовой сети, которая знает местоположение каждого абонента, а также другую информацию о профиле, использующуюся для аутентификации и авторизации. Таким образом, каждый мобильный телефон может быть обнаружен с помощью HSS.
Последнее, что осталось обсудить, это вопросы безопасности. Исторически телефонные компании относились к вопросам безопасности более серьезно, чем интернеткомпании. Это было связано с необходимостью своевременного выставления счетов за выполненные услуги и с задачей избежать мошенничества при оплате. К сожалению, это не все. Однако в развитии технологий от 1G до 3G компании мобильной связи смогли выработать некоторые основные механизмы безопасности.
Начиная с 2G систем, мобильный телефон состоит из двух частей — собственно телефонного аппарата и сменного чипа, который содержит идентификатор подписчика и информацию об учетной записи. Чип неофициально называют SIM-картой (сокращение от Subscriber Identity Module). SIM-карты могут вставляться в различные телефонные трубки, и они обеспечивают базис безопасности. Когда клиенты GSM путешествуют, отправляются в другие страны или уезжают в командировку, они часто берут с собой свой телефон, но по прибытии на место покупают за несколько долларов новую SIM-карту, чтобы делать местные звонки без платы за роуминг.
Чтобы сократить мошенничество, информация о SIM-картах также используется сетью, позволяет подтвердить подлинность абонентов и проверить, что они имеют право использовать сеть. В UMTS мобильный телефон также использует информацию о SIM-карте, чтобы проверить, что он законно использует сеть.
Другой аспект безопасности — частная жизнь. Беспроводные сигналы передаются всем получателям одновременно, поэтому, чтобы помешать подслушивать переговоры, SIM-карты используют ключи шифрования, позволяющие зашифровать информацию. Этот подход обеспечивает намного лучшую защиту частной жизни, чем это было в Ю-системах, которые легко прослушивались, но не является панацеей из-за дыр в схемах шифрования.
Мобильные сети разработаны так, чтобы играть центральную роль в будущих сетях. Теперь они в большей степени занимаются мобильными широкополосными приложениями, чем голосовыми сообщениями. Наиболее важными следствиями этого стало появление радиоинтерфейсов, изменение архитектуры базовых сетей и обеспечение безопасности будущих сетей. 4G-технологии, которые быстрее и лучше, пока находятся в разработке под названием LTE (Long Term Evolution), а развитие 3G продолжается. Существуют и другие беспроводные технологии, которые также предлагают широкополосный доступ к Интернету стационарным и мобильным клиентам, например 802.16 сети под общим названием WiMAX. Технологии LTE и WiMAX можно назвать конкурирующими и трудно предсказать, что произойдет с ними в будущем.
1.5.3. Беспроводные ЛВС: 802.11
Почти одновременно с появлением ноутбуков у людей появились мысли о том, что неплохо было бы иметь возможность, например, по пути на работу каким-нибудь волшебным образом выйти в Интернет и почитать последние новости. Разумеется, многие компании стали заниматься разработкой соответствующих аппаратных решений. Вскоре был найден очень практичный подход. Он состоял в том, чтобы оборудовать ноутбук и настольный компьютер, находящийся в офисе, радиопередатчиком небольшого радиуса действия, что позволило бы им связываться между собой.
Вскоре на рынке появились первые беспроводные локальные сети, созданные разными производителями. Проблема была в том, что сети разных фирм оказались совершенно несовместимы между собой. Например, компьютер, оборудованный передатчиком фирмы А, был не способен работать в помещении, в котором находилась базовая станция фирмы Б. В середине 1990-х годов было решено привести все беспроводные ЛВС к единому стандарту. Разобраться во всем многообразии существующих технологий и выработать единую концепцию было поручено институту IEEE, который уже имел опыт стандартизации обычных ЛВС.
Первое решение было самым легким: название. У всех других стандартов ЛВС были номера 802.1, 802.2, 802.3 и так до 802.10, таким образом, беспроводный стандарт ЛВС был назван 802.11.
На профессиональном жаргоне стандарт получил название WiFi. Но этот стандарт важен и заслуживает уважения, поэтому мы будем называть его как положено —
802.11.
Дальнейшее было труднее. Первая проблема — найти подходящий диапазон частот, который был бы доступен, желательно во всем мире. Решение сильно отличалось от варианта, используемого в мобильных сетях. Отказавшись от необходимости покупать дорогую лицензию на конкретный диапазон частот, 802.11 работает на частотах ISM-организаций (для некоммерческого использования в промышленности, научных и медицинских организациях), например, 902-928 МГц, 2.4-2.5 ГГц, 5.725-5.825 ГГц. Всем устройствам разрешается использовать эти частоты при условии, что они ограничивают свою мощность передачи, чтобы не создавать помех в работе других устройств. Конечно, это означает, что 802.11-передатчики могут помешать работе домашних беспроводных телефонов, устройств, открывающих двери гаражей, и микроволновых печей.
802.11-сети образуются ноутбуками, мобильными телефонами и AP-инфраструктурами (AP, access point — точка доступа), которые располагаются в зданиях. Точки доступа иногда называют базовыми станциями. Точки доступа соединяются с проводной сетью, и вся связь между клиентами сети проходит через точку доступа. Кроме того, клиенты сети могут общаться друг с другом напрямую, например пара офисных компьютеров может обмениваться информацией без точки доступа в здании. Такая конфигурация называется беспроводной локальной сетью (ad hoc network). Она используется намного менее часто, чем режим с точкой доступа. Оба режима показаны на рис. 1.30.
Рис. 1.30. Беспроводная сеть с точкой доступа (а); специальная сеть (б)
Передача сигналов в 802.11 осуществляется через воздушное пространство, а условия сильно зависят от окружающей среды. На частотах, используемых 802.11, радиосигналы отражаются от твердых объектов, таким образом, получатель может регистрировать не только основной сигнал, но и многократное эхо с нескольких направлений одновременно. Переотраженные сигналы могут заглушать или усиливать друг друга, приводя к колебанию уровня полученного сигнала. Это так называемые замирания вследствие многолучевого распространения. Данный эффект продемонстрирован на рис. 1.31.
Основной способ, позволяющий преодолеть меняющиеся условия беспроводной передачи, — передача информации несколькими независимыми путями. Таким образом, данные, вероятно, будут получены, даже если один из путей окажется заглушен из-за эффекта замирания. Эти независимые пути, как правило, встраиваются в цифровую схему модуляции на физическом уровне. Вариантов много — использование нескольких частот в пределах разрешенной полосы, варьирование путей передачи между разными парами антенн или повторение битов через некоторые промежутки времени.
Различные версии 802.11 использовали все перечисленные методы. Согласно начальному (1997) стандарту беспроводная ЛВС работала на скорости 1 или 2 Мбит/с, скачкообразно переключая частоты или размазывая сигнал по разрешенному частотному диапазону. Почти сразу люди стали жаловаться, что это слишком медленно, и началась разработка более быстрого стандарта. Вариант с широкополосными сигналами стал стандартом в 1999 году, 802.11b работал со скоростью до 11 Мбит/с. Стандарты 802.11a (1999) и 802.11g (2003) стали использовать другую схему модуляции — OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов). Данная схема делит широкую полосу спектра на множество узких фрагментов, по которым параллельно передаются различные биты. Улучшенная схема, которую мы изучим в главе 2, повысила скорость передачи 802.11a/g до 54 Мбит/с. Это — существенное увеличение, но люди все еще хотели, чтобы поддерживалась большая пропускная способность. Последняя версия — 802.11n (2009) — использует более широкие частотные диапазоны и до четырех антенн на компьютер, что позволяет достигнуть скоростей около 450 Мбит/с.