Построение сетей Wi-Fi. Краткий ликбез

Беспроводные сети с каждым годом получают все большую популярность, однако многие администраторы сталкиваются с трудностями при построении подобных сетей. Действительно, технология Wi-Fi имеет свои особенности, которые следует учитывать еще на стадии планирования. Сегодня мы постараемся дать краткий ликбез, необходимый для успешного планирования и развертывания беспроводной сети.

Онлайн-курс по устройству компьютерных сетей
На углубленном курсе "Архитектура современных компьютерных сетей" вы с нуля научитесь работать с Wireshark и «под микроскопом» изучите работу сетевых протоколов. На протяжении курса надо будет выполнить более пятидесяти лабораторных работ в Wireshark.

Давайте прежде всего разберемся, что такое Wi-Fi, какие преимущества и недостатки имеет данная технология. Собственно термин Wi-Fi возник как игра слов и не имеет расшифровки, в настоящий момент он применяется для обозначения беспроводных сетей по стандарту IEEE 802.11, точнее группы стандартов. Наиболее распространены стандарт 802.11g предусматривающий работу на скорости до 54 Мб/с и 802.11n, теоретически допускающий работу на скоростях до 600 Мб/с, наиболее распространенные устройства стандарта n поддерживают скорости до 150 Мб/с.

В России для работы Wi-Fi устройств выделено 13 каналов в диапазоне 2,4 ГГц, без регистрации можно эксплуатировать сети только внутри помещений и производственных территорий, также с 15 июля 2010 года разрешено использование диапазона 5 ГГц, однако переход на него затруднен из-за необходимости обеспечивать совместимость с оборудованием не поддерживающим работу в этом диапазоне частот (а это практически все оборудование ввезенное, как минимум, до июля 2010 года). Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать работу в диапазоне 2,4 ГГц.

Сейчас мы подошли к очень важному моменту, понимание которого необходимо для грамотного планирования и развертывания сетей. Для передачи данных Wi-Fi использует некий частотный канал, шаг сетки каналов составляет 5 МГц, а ширина канала - 20 МГц. Это значит, что работающее на соседних каналах устройства будут оказывать взаимные помехи друг другу. Для лучшего понимания ситуации ниже приведено схематическое изображение распределения каналов в диапазоне 2,4 ГГц.

Как можно заметить, в диапазоне есть только три независимых канала, которые могут работать без взаимных помех, например 1, 6 и 11. В диапазоне 5 ГГц дела обстоят лучше, можно использовать 22 независимых канала, однако, как мы уже говорили, развертыванию сетей в этом диапазоне препятствуют проблемы совместимости. Стандарт 802.11n допускает использование широких каналов (шириной 40 МГц), которые используют полосу двух смежных непересекающихся каналов, например 1+5 или 5+9, таким образом можно организовать работу только двух, условно независимых каналов.

Почему мы уделяем этому так много внимания? Потому что данные факторы напрямую влияют на скорость работы беспроводного канала. Следует помнить, что полоса пропускания канала используется для передачи данных в обоих направлениях, в том числе служебной информации, также скорость сильно зависит от расстояния между точками и наличия помех. Максимально достижимая скорость на практике обычно не превышает половины доступной скорости канала, для 802.11g это значение редко превышает 20-22 Мб/с. Доступная полоса канала делится между использующими ее устройствами, что тоже следует учитывать при планировании сети и расчете ее пропускной способности.

Все это серьезно осложняет построение производительных Wi-Fi сетей, особенно при наличии соседних сетей, поэтому стоит использовать беспроводные сети в основном для доступа в интернет, электронной почте, терминальным службам и т.п. сервисам, не требующих высокой пропускной способности сети. Категорически не рекомендуем использовать беспроводное подключение для требовательных к скорости канала узлов сети.

Перед тем как приступить к планированию не помешает произвести разведку обстановки в эфире. Для этих целей можно использовать бесплатную программу inSSIDer, ниже показана ситуация в диапазоне 2,4 ГГц в обычном многоэтажном жилом доме.

Программа позволяет видеть, что по соседству работает большое количество устройств стандарта 802.11n, использующих широкий канал. В тоже время реальные помехи нашей сети способен создать передатчик стандарта 802.11g, работающий на канале 11. Располагая подобной информацией можно выбрать наименее загруженные участки диапазона для использования в своей сети. Однако не все так радужно, большинство оборудования "из коробки" настроено на автоматический выбор канала, поэтому через некоторое время ситуация может измениться.

Для построения беспроводной сети нам потребуется, как минимум, одна точка доступа. Если вы разворачиваете сеть масштаба предприятия или планируете в дальнейшем расширять область покрытия, то мы рекомендуем применять именно точки доступа, отказавшись от беспроводных маршрутизаторов и прочих комбинированных устройств. Дело в том, что стандарт не описывает взаимодействие между точками доступа и разные производители используют разные технологии, что делает их несовместимыми с оборудованием других производителей или даже собственным оборудованием других типов. Поэтому мы советуем использовать оборудование одного производителя и желательно одной модели, в противном случае необходимо дополнительно уточнять возможность совместной работы в интересующем режиме.

Первая и единственная точка доступа должна работать в одноименном режиме (Acceess Point), в этом случае устройство обслуживает клиентские подключения, но не устанавливает соединений с другими точками доступа. Отличительной чертой любой беспроводной сети является ее идентификатор SSID, уникальный для каждой сети, в пределах одной сети все устройства должны иметь одинаковый идентификатор, в тоже время несколько SSID позволяют разбить сеть на подсети, например с разным уровнем безопасности.

Дома или в малом офисе одной точки доступа обычно достаточно и большинство перечисленных нами проблем вряд ли окажутся актуальными, другое дело сети с относительно большой площадью покрытия, когда мощности одного устройства недостаточно. Здесь можно пойти двумя путями: использовать антенну с более высоким коэффициентом усиления или развертывать инфраструктуру используя несколько точек доступа.

Первый путь при всей своей простоте таит ряд опасностей, ваша сеть может оказаться доступной за пределами здания (территории) и может создавать помехи соседним сетям, в этом случае не избежать проблем с контролирующими органами. Также это не всегда приемлемо с точки зрения безопасности.

Что-же делать когда одной точки доступа недостаточно? Поставить вторую. Ниже мы рассмотрим какими способами это можно сделать, их достоинства и недостатки.

Если вам нужна сеть с высокой пропускной способностью и в местах расположения точек доступа есть проводная сеть, то дополнительные точки также стоит включать в режиме "точки доступа" (Acceess Point), в этом режиме каждая точка доступа обеспечивает в зоне своего покрытия полную скорость канала, не разделяя его с другими точками.

Обе точки должны иметь одинаковый SSID и одинаковые параметры шифрования, но должны работать на разных каналах, лучше всего на независимых. Взаимное расположение точек следует подобрать таким образом, чтобы зоны покрытия пересекались без существенного ослабления сигнала. Клиентские устройства принимают решение о подключении к той или иной точке доступа автоматически, на основании уровня сигнала. Таким образом мобильные пользователи могут свободно перемещаться по все зоне покрытия без обрыва связи. Если необходимо использовать более 3 точек, то необходимо чередовать независимые каналы таким образом, чтобы зоны их покрытия не пересекались.

Данная схема оптимальна, когда требуется развернуть беспроводную сеть поверх проводной, например гостевой интернет для клиентов фирмы или в кафе. Однако ее реализация сопряжена с наибольшими сложностями, так как требуется использовать несколько независимых каналов, что может быть не всегда возможно.

Бывают ситуации когда надо расширить зону покрытия на площадь не имеющую проводных коммуникаций, что делает невозможным применение первой схемы, в таком случае дополнительную точку доступа можно сконфигурировать как повторитель (Repeater), которая будет ретранслировать сигнал основной точки доступа.

Обе точки должны иметь одинаковый SSID, одинаковые параметры шифрования и работать на одном канале, в настройках повторителя нужно указать MAC адрес точки доступа или другого повторителя, сигнал которого нужно ретранслировать. При этом повторитель должен находиться в зоне уверенного приема другого устройства, что несколько снижает общую площадь покрытия. Следует также помнить, что канал делится на все устройства в общей зоне покрытия. При использовании повторителей скорость работы каждого следующего звена падает, так как канал делится на передачу одной и той-же информации между участками сети (устройство-повторитель и повторитель-точка доступа). Т.е. если клиентское устройство, работающее через повторитель будет использовать канал на 1 Мб/с, общая загрузка канала составит 2 Мб/с, при использовании двух повторителей 3 Мб/с и т.д.

Существует еще один режим точки доступа - беспроводной мост, он может быть типов Point-to-point или Point-to-Multipoint, в этом случае точки доступа устанавливают соединение между собой. В режиме Point-to-point можно соединить только две точки доступа, в режиме Point-to-Multipoint одна точка может устанавливать соединение с несколькими. Данный режим обычно используют для связи двух участков сети, когда проложить кабель между ними невозможно или нецелесообразно, и не предъявляется особых требований к пропускной способности. Например для подключения тонких клиентов в отдельно стоящем складе на территории фирмы. В этом случае целесообразно использовать направленные антенны, чтобы уменьшить зону покрытия и не создавать помех другим сетям.

Каждая точка должна иметь одинаковый SSID, канал и параметры шифрования, в настройках потребуется указать MAC адрес точки, с которой нужно установить соединение. В этом режиме точки доступа не обслуживают беспроводных клиентов. Использование беспроводного моста имеет свои особенности, так как точки принимают передают пакеты только друг другу, то обнаружить работающий мост клиентским устройством невозможно, inSSIDer также покажет чистый диапазон. В то-же время сети использующие смежные каналы могут испытывать сильные помехи в зоне покрытия моста. Поэтому используйте данную схему только внутри своих помещений или территорий, не допуская пересечения иных зон, где могут быть развернуты другие беспроводные сети, также всегда старайтесь использовать направленные антенны с минимально необходимым коэффициентом усиления.

Ну и напоследок самое вкусное, режим WDS, он сочетает режим точки доступа и моста, в данном режиме точки могут устанавливать соединения друг с другом и одновременно обслуживать клиентов. Данный режим позволяет создавать самые разнообразные конфигурации беспроводных сетей абсолютно прозрачных для клиентских устройств, точка может работать как в режиме мост, так и в режиме мост+точка доступа, что позволяет, в отличии от цепочки повторителей, обеспечить беспроводное покрытие только там, где вам надо. Например вам нужно пробросить гостевой интернет в другой корпус, но вы совсем не хотите, чтобы он был доступен на стоянке, где придется расположить промежуточную точку.

В этом случае также следует использовать один канал, SSID и настройки шифрования для всех точек, а также помнить что с каждым звеном скорость работы будет падать за счет передачи повторяющихся данных в общей полосе. Также стоит избегать кольцевых схем соединения точек, если они не поддерживают Spanning Tree Protocol, так как скорость работы сети резко упадет из за широковещательного шторма. При настройке точек следует указать режим и MAC адреса точек с которыми надо установить соединение.

В заключение хочется дать общие рекомендации: при проектировании и развертывании сетей помните о том, что частотный диапазон выделенный для Wi-Fi весьма тесен, поэтому старайтесь не использовать антенн с коэффициентом усиления больше чем необходимо, а также примите меры для недопущения помех соседним сетям. Помните нарушение правил эксплуатации беспроводных сетей влечет административную ответственность по статьям 13.3 и 13.4 КоАП, предусматривающие штраф с возможной конфискацией оборудования.