Принцип действия и характеристики Wi-Fi

Wi-Fi – технология беспроводной передачи сетевых пакетов информации. Означает полный отказ от проводов, что очень удобно во многих ситуациях. Например, российские СМИ похвастались: отныне наземная трансляция телеметрии (бортовых параметров) ракет Союз-5 будет осуществляться посредством Wi-Fi (группа стандартов IEEE 802.11). Система имитирует связку роутер-рабочая станция. Проект проходит стадию разработки конструкторской документации. Руководству космодрома надоели кабели, устилающие взлётную полосу. Новая система ощутимо повысит надёжность, удобство эксплуатации.

Беспроводная связь позволит подключить, собрать воедино буквально несовместимые иным образом устройства. Недавно инженеры Q-Stick предложили владельцам телевизоров оригинальное решение: сделайте аппарат полнофункциональным настольным компьютером. Неудивительно, умное устройство уже снабжено процессором, графическими ускорителями, операционной системой. Осталось немного оперативной памяти добавить, а встроенная точка доступа поможет наладить общение домашним гаджетам.

Использование

Ядром системы выступает широковещательный роутер (точка доступа, базовая станция). Чтобы стать участником сети, компьютер, телефон, должны быть оснащены беспроводными модулями. Указанную комбинацию оборудования принято называть станцией. Передача пакета центром происходит широковещательно. Приём несущей не гарантирует стопроцентную доставку. Многое определяется внешними условиями, уровнем сигнала.

Провайдеры, общественные заведения украшают стены характерными стикерами, предоставляя безлимитный, либо платный доступ. Дома ставят роутеры, настраивая условия использования ресурса самостоятельно.

Роутер

Эволюционно роутером стала базовая станция топологии звезда, использованной доисторическими гавайскими разработчиками (60-70-е годы XX века). Принцип широковещательной трансляции доныне эксплуатируется сетевым оборудованием. Причём не только эфирным. Удивительно, но сегодня изложение принципа действия роутера логично начинать кабельными вариантами. Радиоканал больше напоминает общественное мероприятие, где диктор, захвативший микрофон, доводит информацию аудитории. Соседние ряды слышат друг друга, и это стало технической подоплёкой внедрения концепции ad-hoc (связь без роутера), Однако голос диктора все-таки громче.

Маршрутизатором традиционно называют блок оборудования, занимающийся перенаправлением сетевых пакетов данных. Подразумевается наличие минимум двух компьютерных сетей. Домашний домен отделяется от внешнего значениями присваиваемых IP-адресов. Иногда (офис крупной компании) блок выступает приёмников услуг нескольких провайдеров, подразделений и т. п. Снаружи все ПК видятся наблюдателю имеющими одинаковый IP. Хотя mac различаются.

Беспроводной роутер характеризуется возможностью направлять информацию через эфир посредством использования радиоканала и электромагнитных волн.

Движение сетевого пакета часто представляют цепочкой передачи информации меж узловыми роутерами. Электроника считывает адрес пакета, передавая информацию в нужном направлении. Нисходящий беспроводной поток часто организуется широковещательно. Информацию передают одновременно всем участникам. Профессиональный маршрутизатор пользуется таблицей адресов, протоколом, подменяя адреса, однако домашние администраторы зачастую избегают сложной настройки.

Общеизвестные роутеры просто организуют шлюз меж домашним сегментом и тем, что находится снаружи (провайдер, интернет и так далее).

Интерфейсы и возможности

Отвечая запросам аудитории, производители непременно снабжают роутер беспроводным каналом. Входящий трафик минует физический канал Ethernet, либо оптическое волокно. Не исключены гибридные варианты, однако это касается больше крупных предприятий.

Внутренние таблицы позволят создавать плеяды подсетей, однако домашний пользователь редко оценивает полный спектр возможностей. Выходными интерфейсами чащи выступают кабели Ethernet и беспроводной канал Wi-Fi. Корпоративные версии, наподобие Cisco CRS-1, по-настоящему уникальны. Многие модели по-прежнему снабжены возможностью вещать протокол IEEE 802.11.

Разновидности

Часто роутеры набираются ветками древовидной структуры, где пропускная способность каналов понемногу снижается. Домашний интернет не является исключением. Абонентские модели принято обозначать ёмким термином SOHO. Согласно традиции сюда входит оборудование, обслуживающее 1-10 рабочих станций. Законодательство отдельных стран проводит дальнейшее уточнение, согласно которому закупается, выпускается оборудование. Например, новозеландцы считают малым офисом группу 6-19 служащих. Цифры ниже описывают термином «микро».

Модели каждого уровня древовидной структуры сильно отличаются. Выпускают специальные модели для домашних пользователей, организаций, провайдеров. Коммерческий успех технологии обеспечивается охватом максимальной целевой аудитории минимальными усилиями. Приходится сильно снижать цены, делая концепцию доступной широким массам.

SOHO

Ниже будет показано разнообразие беспроводных стандартов, как дань европейским традициям. Пока же отметим особенности аппаратной реализации роутеров, отвечающие историческим аспектам развития офисов на западе. Крупным достижением техники компьютерных коммуникаций конца XX века стала возможность территориального разнесения (деления) крупных отделов. Децентрализация зачастую сильно повышала производительность, вызывая необходимость производства роутеров SOHO.

Постепенно малогабаритные модели достигли частных домовладений. И сегодня ещё число каналов роутера ощутимо превышает среднестатистические запросы населения. Некоторые модели даже оснащены собственными операционными системами (Linux).

Масштабируемость

Типичные роутеры нацелены легко масштабировать сеть путём простой экспансии и использования центральной станции. Скорость периферии ощутимо падает, резко снижая пользу технологии. Отдельной строкой стоит безопасность. Сегодня считается доказанным вред излучения СВЧ-диапазона, включая 2,4 ГГц, используемые коммерческой связью.

Этимология

Коммерческое использование ныне существующего названия началось не ранее августа 1999 года. С Wi-Fi возилась американская рекламная компания Interband с британскими корнями. Среди детищ креативного гиганта 5-уровневый метод оценки экономической стоимости бренда. Годовой отчёт 2016 года содержит следующие первые 10 строчек:

1. Apple.
2. Google.
3. Coca-Cola.
4. Microsoft.
5. Toyota.
6. IBM.
7. Samsung
8. Amazon
9. Mercedes-Benz.
10. General Electric.

В августе 1999 года менеджеров компании нанял Фил Белангер придумать название благозвучнее, нежели «Прямая последовательность IEEE 802.11b». Результат задуман пародией на hi-fi (акустическое оборудование высокой точности). Первый слог намекал на беспроводную (wireless) природу канала связи. Вдобавок компания предложила общеизвестный сегодня логотип, имитирующий китайскую мандалу борющихся противоположностей (инь и ян).

Рекламный слоган Альянса обыгрывал несуразное сочетание беспроводной чёткости. Остряки немедля окрестили объединение Альянс беспроводной чёткости Inc. Хотя IEEE частично подтверждал слухи, указанное словосочетание никогда не было официальным названием.

Как правильно пишется

Буквоеды организации придерживаются однотипного написания Wi-Fi. Учитывая специфику логотипа-мандалы (см. выше), можно усмотреть в этом противостояние понятия качества факту передачи информации беспроводным методом. Проще говоря, несовместимость этих двух понятий. Реально качество беспроводной передачи неуклонно повышается. Следующим написания считаются неправильными:

• WiFi
• Wifi
• wifi

История

Наверное, интересно, зачем люди создали миллиард беспроводных технологий. К Wi-Fi следует добавить:

1. Поколения мобильной связи (далеко не один стандарт).
2. Bluetooth.

Одно время наблюдалось серьёзное соперничество, однако победила высокая специализация. Каждый протокол решает узкий круг задач. Постановка вопроса вызывает привычное удивление отечественных специалистов. Российские вузы продолжают готовить кадры сравнительно широкой компетенции. Западные учебные заведения остро затачивают диплом под выделенный сегмент рынка рабочей силы. Продолжая аналогию, видим полное сходство разнообразия узкоспециализированных стандартов с легендарными монополиями времён начала промышленной революции. Возьмись СССР диктовать моду планете, все могло выглядеть иным образом.

Начало истории положила концепция интерфейсного компьютера, сформулированная (1966) Дональдом Дэвисом. Фактически машина выполняла работу роутера, перенаправляя пакеты. До этого могли общаться строго два узла сети, напрямую соединённые кабелем. Использованием маршрутизаторов сильно упрощало организацию коммуникаций. Изначально идею обозначали кратким терминов «врата», первой реализацией считают плату IMP, призванную обеспечить связь оборонных вычислителей США.

Гавайские острова

Середина 60-х наполнена страхами Холодной войны. Канады прорезали линии противовоздушной обороны, значительная протяжённость укреплений потребовала создания центральной координационной компьютеризированной системы, занимающейся вычислениями алгоритмов дальнейших действий союзников. Американцы быстро оценили преимущества зарождающихся цифровых технологий. Вопрос появления первых сетей стал делом времени. Вскорости (1969) супербольшие вычислители объединили кабельным хозяйство.

1974 год соединил канадские линии обороны сонмом информационных перемычек. Параллельно США, памятуя опыт Перл Харбор, задумали подключить Гавайи. Острова стали вещать (1971) материку, используя протокол ALOHA, заложивший основу будущего стандарта IEEE 802.11.

ALOHA

Тёплым июнем прошла демонстрация работоспособности. Видите? Новая технология могла стать доминирующей у сотовых операторов, поскольку покрывала океан, однако борьба стандартов создала иную картину. Выделенные частоты появились только в 1985 год.

Протокол ALOHA использовал новый способ доступа к среде (ресурсам канала). Беспроводная связь дублировала проводной и спутниковый каналы. ALOHA быстро опробовали в указанных двух категориях:

• Ethernet
• Marisat

Разработчики Университета Гавайи под командованием Нормана Абрамсона стартовали в сентябре 1968 года. Состав участников:

1. Томас Гаардер.
2. Франклин Куо.
3. Шу Лин.
4. Весли Петерсон.
5. Эдвард Велдон.

Планировалось приспособить сравнительно дешёвое коммерческое оборудование для локальной связи вычислителей островов. Июнь 1971 порадовал первыми успехами. Пакет, минуя эфир, затем посредством RS-232 (COM-порт 9,6 кБит/с) достиг терминала. Первая топология сильно напоминала звезды. Центральный хаб производил широковещательную передачу. Факт успешного приёма послания подтверждал утвердительный пакет. Станция при необходимости повторяла посылку. Технология вполне решала вопрос возникновения коллизий. Использование адресации упрощало решение любых конфликтов. Передача, приём велись одновременно: любая неудавшаяся попытка (коллизия) обязывала узел выждать, прежде чем начинать повторный сеанс.

ALOHA впервые применила широковещательную трансляцию, ныне выступающую основой создания сетей Ethernet. Первые правительственные коммуникации (ARPANET) посылали пакеты строго меж двумя узлами. Отсутствие необходимости захвата маркера (token) существенно упрощало как саму реализацию протокола, так и используемое оборудование.

• Канал получил название линии с произвольным доступом.

Новая технология быстро захватила умы разработчиков, послужив основой создания Ethernet, Wi-Fi, спутниковой связи, сетей ARDIS, CDPD, GSM, Mobitex. Существенным недостатком первой реализации называют неполное использование ресурса канала, поскольку отсутствует возможность предотвратить коллизии. Сотовым оператора концепция тоже понравилась. Сигнализация сетей 1G частично реализована с ALOHA.

Методика произвольного доступа знакома европейским разработчикам GSM, задававшим локальную моду мобильной связи. Вспомогательные каналы помогали передавать SMS (2G) и даже служили верным средством доставки пакетов интернет (GPRS).

Режим ad-hoc

Позже выпустили вариант протокола взаимодействия клиентов напрямую, минуя базовую станцию-центр звезды (Access Point). Впервые (1996) концепция предложена Чай То и реализована (IEEE 802.11a) модулем Lucent WaveLAN в линейке ThinkPads компании IBM. Первоначально предполагалось охватить радиус в одну милю. Попытка увенчалась успехом, отмеченным журналом Mobile Computing (1999).

Формально ad-hoc стал частью стандарта только в 2002 году. Сегодня технология готова составить серьёзную конкуренцию Wi-Fi Direct. Сети, лишённые роутеров, немедля полюбились геймерам. Соответствующие опции помогают «виртуальным» точкам доступа расшарить доступ в интернет.

Внимание! Излучение СВЧ наносит вред здоровью пользователя.

IEEE 802.11

Сегодня Wi-Fi использует несколько диапазонов:

1. 900 МГц.
2. 2,4 ГГц.
3. 3,6 ГГц.
4. 5 ГГц.
5. 60 ГГц.

Базовая версия датирована 1997 годом, однако протяжённость предшествующих наработок покрывает свыше 10 лет. Первые вариант IEEE 802.11a, используемый поныне, появился двумя годами позже. Засекреченные военные технологии не позволяли мирным гражданам пользоваться преимуществами наукоёмких концепций. Начавшаяся Перестройка СССР в 1985 году позволила комитету FCC выработать частотный план ISM band, допускающий эксплуатацию выделенных диапазонов медиками, промышленностью. Долгое время область ограничивалась специфическим использованием.

В 1991 году американские гиганты AT&T, NCR Corporation предложили Нидерландам использовать беспроводные кассовые аппараты. Технология передачи данных (1-2 Мбит/с) получила имя WaveLAN. Вариант IEEE 802.11 1997 года сильно напоминает магазинный вариант:

• Две скорости (1-2 Мбит/с).
• Технология опережающей коррекции ошибок.
• Три вариант реализации физического слоя: инфракрасный канал (только 1 Мбит/с), псевдослучайная перестройка частоты радиоканала, метод расширения спектра прямой последовательностью.

Устранение багов заняло 2 года, ныне возможности проекта 1997 года полностью устарели.

Отец Wi-Fi

Вик Хейз и до внедрения протокола IEEE 802.11a 10 лет занимал кресло члена стандартизирующей организации. Это позволяет историкам называть упомянутую личность отцом Wi-Fi. Главной фишкой стало внедрение ортогонального мультиплексирования с частотным делением. Первоначально был предложен диапазон 5,8 ГГц. Похожая технология описана разделом 18 релиза 2012 года, перекрывает отрезок скоростей 1,5 – 54 Мбит/с. Хотя первоначальная концепция существенно изменилась, производители поныне употребляют термин IEEE 802.11a, описывая характеристики оборудования 5,8 ГГц.

«Благодаря» ошибкам, реальная скорость первой реализации редко превышала 20 Мбит/с. Существенным плюсом стало использование малоценного диапазона частот, однако особенности распространения СВЧ сильно снизили радиус действия новых систем. Первая версия протокола сильно уступает b/g. Теоретически отмечается практически нулевая проницаемость через стены. Практически вариант b демонстрирует аналогичные недостатки. Подражая прочим беспроводным каналам, IEEE 802.11a подвержен влиянию интерференции. Недостаток компенсируется невысокой проницаемостью сигнала (значит, мало шансов пересечь соседский роутер).

Базисом создания канала выступают 52 ортогональные поднесущие. Поддерживаются скорости передачи данных: 48, 36, 24, 18, 12, 9, 6 Мбит/с. Выделено 12-13 непересекающихся каналов. Реализация сильно зависит от законодательства страны. Некоторые государства допускают размещение свыше 24 каналов внутри полосы 5,47-5,725 ГГц. Совершенны исключены конфликты с b, поскольку порядок частот иной.

Родительский патент

Хотя Вика Чейза боготворя владельцы беспроводных устройств, новое изобретение стало возможным, благодаря наличию патентов 1992, 1996 годов. Австралийский астроном Джон О`Салливан и К (Грэхэм Дэниэлс, Теренс Персиваль, Джон Дин) разработали ключевой принцип, как часть неудачной программы CSIRO, описываемую специалистами, как:

• Провалившийся эксперимент обнаружения взрывающихся черных дыр размеров сопоставимых атомным.

Поэтому серьёзные исследователи все-таки отдают родительские права указанной группе исследователей космоса. На апрель 2009 года CSIRO получила свыше 1 млрд. долларов от 14 компаний, желающих заняться совершенствованием технологии. Сказанное стало причиной рейдерского захвата титула создателя технологии. Хочешь работать через Wi-Fi – нужен допуск монополиста. Поступление капитала продолжаются. Американские компании отстегнули родине кенгуру (2012) ещё 220 миллионов за право использовать технологию.

Это интересно! Локальная сеть Тест Бед выбрана участником национальной экспозиции Истории 100 мировых объектов.

Развитие

Поколение b впятеро перекрыло возможности кассовых аппаратов. Подключение обеспечило битрейт 11 Мбит/с. Именно такое положение вещей обеспечило массовый коммерческий успех, а 1999 считают годом создания всемирно известной организации Wi-Fi Alliance. Прибыль делили десяток крупных компаний:

1. 3Com.
2. Nokia.
3. Zebra Technologies.
4. Aironet.
5. Harris Semiconductor.

Затее помогали многочисленные спонсоры (более именитые): Apple, Samsung, LG, Microsoft, Qualcomm, Sony. Организация занималась сертификацией, тестированием. Фактически выступила законодателем отрасли. Отделившиеся в 1999 году члены IEEE стали называть себя WECA. Название Wi-Fi Alliance родилось в 2002 году. Ныне штаб находится в Остине (США), штат Техас, организация насчитывает свыше 550 компаний-участников.

Сертификация

Компания, желающая производить оборудование, предоставляет опытные образцы Альянсу. Участники Wi-Fi Alliance выступают полноправными правообладателями торговой марки и логотипа. Тестированию подвергаются электромагнитная совместимость, структура пакетов, протоколы безопасности, качество, режимы управления потреблением энергии. Оценивается взаимодействие с ранее сертифицированными устройствами. Происходит запуск набора стандартных приложений. Тремя китами получения положительной оценки выступают:

1. Успешное взаимодействие с любыми устройствами класса.
2. Наличие обратной совместимости. Необходимая мера обеспечения отсутствия необходимости постоянного апгрейда железа конечными пользователями.
3. Степень учёта инноваций. Комитет постоянно публикует последний писк моды. Преимуществом считается способность производителя правильно уловить глас прогресса.

Разделяют мандаторную и опциональную сертификацию. Кроме того организация занимается сопутствующими технологиями: Wi-Fi Direct, Wi-Fi Aware.

Будущее

Скорость передачи данных постоянно растёт. Вариант 2016 года совмещает базовые возможности сразу 5 реализацией:

1. ae
2. aa
3. ad
4. ac
5. af

Вариант ас впервые превзошёл технические возможности проводного Ethernet. Для этого используются несущая частота 5 ГГц, ширина канала – до 160 МГц, параллельная передача пакетов несколькими узлами (MIMO). Уровень модуляции достиг 256 QAM. Суммарная скорость реализации 2013 года (ширина канала 80 МГц, частота 5 ГГц) достигла 1,3 Гбит/с. Устройства, рассчитанные на полосу 160 МГц, поколения «второй волны» будут передавать одновременно 4 потока.

Ad введёт несущую 60 ГГц (миллиметровый диапазон). Поскольку значение значительно превышает стандартное, устоявшееся, продукты предполагается помечать стикером WiGig. Однако сертификацию проводит старый добрый Wi-Fi Alliance. Ожидается пиковая пропускная способность 7 Гбит/с. Первый коммерческий роутер анонсировал (январь 2016) TP-Link.

Реализация af задумала покрыть «белые пятна» телевизионного диапазона (54-790 МГц). Технологии когнитивного радио передадут базовой станции информации об уровне интерференции. Железо самостоятельно определит собственное местоположение, корректируя параметры трансляции согласно локальному законодательству.

Физический уровень сформирован ортогональным мультиплексированием с частотным делением. Протокол выступает логическим продолжением IEEE 802.11ac. Сравнительно низкие частоты телевизионного диапазона позволят существенно повысить дальность. Малая ширина каналов (6-8 МГц) позволит гибко подстраивать технические характеристики организуемого канала связи.

Диапазон характеризуется сравнительно низкими скоростями, однако применение одновременной передачи 4 частотных каналов четырьмя антеннами позволит достичь лимита 426-568 Мбит/с (зависит от ширины каналов).

Вдобавок к сказанному версия 2016 года устраняет отдельные устаревшие функции, иные – помечены как «лишние» (уберут позже). Информационная структура документа отличается высокой степенью упорядоченности.