Что такое Wi-fi — история создания, основные особенности

 

Wi-Fi остается одной из наиболее перспективных технологий беспроводной связи. Она стремительно развивается и принимает в себя новые беспроводные решения, позволяющие увеличить скорость передачи данных. Даже с развитием LTE-сетей, Wi-Fi не остается в стороне, а скорее получает дополнительную ветку развития, разгружая трафик в наиболее востребованных участках сети.

Wi-Fi для применения внутри помещений в рамках установленной законодательством мощности излучения  не требует получения разрешения на использование частот. Кроме того, организация Wi-Fi-сети в условиях дома или небольшого офиса довольно проста, благодаря чему, зачастую, можно обойтись своими силами. Тем не менее, при проектировании сети с высокими требованиями к качеству связи, плотности покрытия и пропускной способности, как правило, прибегают к помощи специалистов.  Развертывание Wi-Fi-сети занимает на порядок меньше времени по сравнению с прокладкой СКС до рабочих мест. Именно за простоту настройки, развертывания, относительную дешевизну и удобство, Wi-Fi по праву считают одной из перспективных и активно развивающихся технологий.

Требования к Wi-Fi-оборудованию описаны в наборе стандартов IEEE 802.11. С выпуском каждого нового стандарта, к 802.11 добавлялась буква, например, 802.11a/b/n и т.д. На сегодняшний день насчитывается несколько десятков разновидностей стандартов Wi-Fi. Не все стандарты были направлены на увеличение скорости передачи данных, некоторые из них затрагивают вопросы безопасности (например, 802.11i), другие включали описание работы роуминга (802.11r) и т.д.

В таблице ниже приведены стандарты беспроводной связи Wi-Fi, в которых производилось увеличение скоростей передачи данных:

  Стандарт    Диапазон   Год выхода    Примерная скорость, Мбит/с  
802.11 2.4 ГГц 1997
802.11b 2.4 ГГц 1999 5 (11) 
802.11a 5 ГГц 2001 54 
802.11g 2.4 ГГц 2003 54 
802.11n 2.4 / 5 ГГц 2009 600 
802.11ac 5 ГГц 2014 7000
802.11ad 60 ГГц 2009 7000
802.11ax 2.4 / 5 ГГц 2019 11 000
802.11ay 60 ГГц в разработке 20 000

При этом следует отметить, что не все перечисленные стандарты Wi-Fi служат для организации беспроводных локальных сетей как привычные нам роутеры, работающие в диапазонах 2.4 и 5 ГГц (стандарты 802.11 a/b/g/n/ac). Такие стандарты как 802.11ad и 802.11ay изначально планировалось выпустить для передачи данных на небольшие расстояния – от 1 до 10 метров – и, в перспективе, использовать их для организации высокоскоростных интерфейсов передачи данных, например для подключения мониторов к ПК и передачи изображения в формате 8K. Однако, в результате развития 5G-сетей и переходом в диапазон до 100 ГГц, устройства с поддержкой 802.11ad стали применяться для организации радиодоступа вне помещений (но для таких частот должны быть обеспечены условия прямой видимости).

Таким образом, у Wi-Fi большое будущее, которое позволит использовать данную технологию в совершенно разных приложениях. Несомненно, данная технология найдет свое место как в 5G-сетях, IoT-решениях, так и в VR-приложениях:

Применимость различных стандартов Wi-Fi
Применимость различных стандартов Wi-Fi 

 

Что это такое: суть технологии

Wi-Fi – это технология беспроводной передачи данных в рамках локальной сети, осуществляемой устройствами на основе стандарта IEEE 802.11. Это официальное определение Wi-Fi.

Простыми словами, «для чайников» — это технология передачи данных без проводов, по воздуху, с помощью невидимых радиоволн. «Родственники» вайфай — сотовая связь, Bluetooth, радио. До появления этой технологии к интернету можно было подключиться только по проводам, через кабель.

Кстати, технология была придумана в 1991 году. Первая локальная вайфай-сеть  связывала между собой кассовые аппараты.

Принцип работы следующий:

  1. Проводится интернет-кабель.
  2. Кабель подключается к роутеру, с помощью которого создается локальная сеть. Без него использовать вайфай невозможно.
  3. К роутеру по беспроводной сети подключаются различные устройства: ноутбуки, смартфоны, телевизоры и т.д. Создается локальная сеть с выходом в интернет.

вайфай сеть

Вайфай не равно интернет. Технология создает локальную сеть, в которой разные устройства (ноутбуки, принтеры, смартфоны) могут обмениваться данными без выхода во Всемирную сеть. При подключении к провайдеру (через роутер, модем, точку доступа) устройства этой сети получают доступ в интернет.

Подключиться к Wi-Fi можно только при условии, если сетевая карта устройства (ноутбука, смартфона, компьютера и т.д.) поддерживает беспроводное подключение. У мобильных устройств и ноутбуков с этим проблем нет, а вот компьютеры не всегда комплектуются поддержкой Wi-Fi, следовательно, могут подключиться к локальной сети роутера только по проводам LAN.

Отсюда вывод: Wi-Fi сеть – это локальная сеть из устройств, подключенных по беспроводной технологии к маршрутизатору, который и обеспечивает для них выход в интернет. Количество подключаемых устройств ограничивается техническими параметрами роутера.

Например, у вас не получится подключиться к Wi-Fi, если устройство находится за пределами области покрытия роутера. Если к сети вайфай подключено много устройств, которые одновременно используются, то они могут начать конфликтовать между собой. Это приведет к снижению скорости и стабильности подключения.

Сейчас существует несколько разновидностей Wi-Fi сетей. Если на роутере стоит соответствующий логотип, значит он прошел сертификацию в Wi-Fi Alliance. Альянс проверяет работоспособности беспроводной сети на маршрутизаторе на соответствие своим требованиям, которые представляют международный стандарт беспроводных сетей интернет-передачи. Сертификация проводится по стандарту IEEE 802.11.

этикетка на роутере

В технических характеристиках роутера может стоять IEEE 802.11n или другой стандарт. Буква или буквы на конце определяют поколение, к которому принадлежит этот Wi-Fi.

Как работает беспроводная сеть WiFi

Wi-Fi работает несколько иначе, нежели проводная сеть. Источник доступа в Интернет в данном случае – это технология пакетной передачи данных Ethernet. Доступ к ней обеспечивается посредством стационарного подключения. Чтобы пользоваться удобствами Всемирной паутины, нужно иметь т. н. роутер, или маршрутизатор, который будет осуществлять передачу информации через каналы определенной частоты.

Как работает WiFi

Чтобы не спутать сети, передающиеся каждая на своей частоте, при помощи стационарного компьютера, к которому подключен роутер, каждой сети присваивается свое название. Сеть может быть общедоступной, то есть к ней может подключиться кто угодно, имея подходящее устройство и находясь в пределах зоны покрытия, либо защищенной при помощи пароля, который задает пользователь. Ввод пароля, как правило, необходим лишь при первом подключении к сети, после чего он сохраняется в базе устройства.

Роль точки раздачи Wi-Fi может исполнять не только маршрутизатор, но и смартфон, в котором присутствует специальный модуль. Научить свой роутер «раздавать» беспроводной Интернет можно самостоятельно, воспользовавшись инструкциями, которые в Сети встречаются в изобилии.

§ 2. Период неопределённости и создание единого стандарта Wi-Fi.

    Как показало время, голландцы не сумели как следует воспользоваться пальмой первенства для захвата рынка. В итоге, на него со своими беспроводными технологиями начали выходить и другие производители. Казалось бы, что конкуренция — вещь хорошая. Но только не в этом случае.

    Наличие многих производителей и отсутствие единого стандарта беспроводной связи привело к тому, что их продукция редко когда была совместимой. Это, в свою очередь, не только создало серьёзные неудобства для конечных потребителей, но и надолго затормозило развитие рынка перспективной технологии.

    Прошло ещё 6 лет, прежде чем ведущие компании отрасли пришли к долгожданному решению о переходе на единый международный стандарт беспроводной передачи данных. В 1997 году им стал стандарт 802.11, который был успешно утверждён Институтом инженеров электротехники и электроники (англ. — Institute of Electrical and Electronics Engineers). Последний является главным международным органом в сфере разработки стандартов по электротехнике и радиоэлектронике.

    Через два года всё та же группа крупнейших ИТ-разработчиков (3Com, Cisco, Nokia, Symbol Technologies и др.) стала инициатором создания некоммерческой организации Wi-Fi Alliance, а также официально зарегистрировала новую технологию под маркой Wi-Fi. Главная цель упомянутого альянса — продвигать эту технологию путём разработки, тестирования, сертифицирования и поддержки форматов беспроводной связи Wi-Fi.

Первые шаги развития

История создания Wi-Fi и развитие технологии Wireless Fidelity

В большинстве исследовательских источников указано, что появился Вай-Фай в 1998 году в лаборатории радиоастрономии CSIRO, в австралийском городе Канберра. Протокол для обмена данными «по воздуху» был создан инженером Джоном О`Салливаном. Им же ещё в 1991 году была разработана первая версия протокола Wi-Fi, которая была фундаментом для дальнейшего совершенствования первого беспроводного оборудования.

Имеются сведения, что история создания Вай-Фай имеет свои истоки ещё в 1985 году. Тогда в Федеральном агентстве по связи США (Federal Communications Commission) одобрили возможность нелицензированного использования определённых частот радиоспектра любым желающим пользователям. Такому законодательному начинанию в США последовали государственные структуры других государств. Поэтому во всём мире приступили к активной разработке соответствующих устройств для беспроводных сетей.

Лишь в 1991 году голландские компании NCR Corporation и AT&T подготовили версию готовой для использования технологии беспроводной передачи данных. У их совместного продукта было наименование «WaveLAN». Он был предназначен для того, чтобы оптимизировать работу кассовых систем за счёт беспроводного соединения.

История создания Wi-Fi и развитие технологии Wireless Fidelity

Альтернативная история

Наиболее интересной версией при выяснении периода, когда появился Вай-Фай, считается история, уходящая корнями аж к 1940 году. Тогда свои права на изобретение запатентовала известная актриса Хеди Ламарр, но она так им никогда и не пользовалась. Это был патент на систему, при помощи которой можно было управлять торпедами.

История создания Wi-Fi и развитие технологии Wireless Fidelity

Лишь в 1969 году в Гавайском университете была разработана беспроводная сеть, схожая с нынешней WLAN. Данная технология позволяла осуществлять беспроводное соединение между островами, где располагались разные здания университета.

В 1988 году компанию Lucent заинтересовала эта идея, и она выпускает WaveLan. Они были монополистами, потому что не делились какой-либо информацией о технологии. Wi-Fi – это было дорогое удовольствие, поэтому его использование не было общедоступным и повседневным.

В 1999 году компанией Apple был выпущен iBook. Он поддерживал технологию «Airport-Technologie», функционирующую вместе с базовой станцией. Стоимость на оборудование была уже более доступной.

История создания Wi-Fi и развитие технологии Wireless Fidelity

О том, кто был создателем Вай-Фай, мы писали тут.

Диапазон 2.4 ГГц

Большинство обычных клиентских маршрутизаторов и бытовых Wi-Fi-устройств работает в двух частотных диапазонах: 2,4 ГГц (802.11 b/g/n) и 5 ГГц (802.11 a/n/ac). 

В диапазоне 2,4 ГГц стандартами определено 14 каналов. Некоторые из них могут быть недоступны в ряде стран (например, 14 канал разрешен для использования только в Японии). Каналы с номерами 1, 6 и 11 считаются полностью не пересекающимися по частотам и называются, как ни странно, «непересекающимися». Но на деле всегда остается «неучтенка», и если точки доступа расположены достаточно близко друг к другу, то и непересекающиеся каналы становятся пересекающимися:

Каждый канал занимает ширину в 20 МГц. В некоторых случаях, стандартами разрешено использовать ширину канала равную 40 МГц (см. раздел Агрегация каналов). Номера каналов и их центральные частоты приведены на рисунке.

Каналы Wi-Fi в диапазоне 2.4 ГГц
Каналы Wi-Fi в диапазоне 2.4 ГГц

Использование непересекающихся каналов удобно в том случае, когда требуется организовать равномерное радиопокрытие таким образом, чтобы рядом расположенное оборудование не мешало друг другу, увеличивая тем самым стабильность и качество связи:

Одним из недостатков диапазона 2,4 ГГц является его высокая загруженность и малое количество каналов. Помехи для Wi-Fi-сети могут создавать не только другие Wi-Fi-устройства и точки доступа, но и Bluetooth-устройства, работающие в этом же частотном диапазоне. Даже обычная бытовая СВЧ-печь способна очень сильно влиять на качество соединения в диапазоне 2,4 ГГц. Для минимизации взаимных влияний мощность Wi-Fi-передатчиков строго ограничена и регламентирована. Использование мощного передатчика требует получения разрешения в радиочастотном центре. 

Более перспективным, с точки зрения меньшей загруженности и наличия большего числа каналов, является частотный диапазон 5 ГГц.

 

Режим работы Wi-Fi 

Вай фай может работать в двух режимах, чаще всего используется инфраструктурный режим wifi в котором есть беспроводное оборудование, так называемые точки доступа, которые подключаются к проводной сети и затем к интернету. Сейчас вайфай чаще всего используется для подключения к интернету. Поэтому инфраструктурный режим самый популярный. 

Инфраструктурный режим вайфай

Также возможен и другой вариант подключения, одноранговая сеть, где компьютеры взаимодействуют без каких-либо точек доступа, напрямую друг с другом. 

Для чего нужен вайфай

Изначально скорость передачи данных по беспроводной сети была ниже, чем по кабелю. Сегодня она практически сравнялась. Через Wi-Fi удобно работать на устройствах, которые невозможно или сложно подключить через кабель: смартфоны, планшетники, ноуты.

Возможности вайфай позволяют использовать его не только в рамках одной квартиры, дома или офиса, но и промышленного объекта. Технология применяется на удаленных, опасных, секретных объектах. Рядовому пользователю Wi-Fi позволяет оставаться мобильным и не быть привязанным к проводам. В будущем предполагается, что вайфай сможет вытеснить традиционные сотовые сети.

Вайфай нужен для обмена данными между самыми разными устройствами.

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.

Корпоративная Cisco CRS-1

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).

Роутер SOHO

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.

Компания Apple

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.

Место Wi-Fi в модели OSI

Wi-Fi также, как Ethernet находится на физическом и канальном уровне, причём на канальном используется два подуровня, подуровень управления доступа к среде MAC и подуровень управления логическим каналом LLC. 

История

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

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

Технология 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.

Стандарт IEEE 802.11

Wi-Fi и Ethernet 

Технология ВайФай очень похожа на технологию Ethernet, можно сказать, что это Ethernet адаптированный в беспроводной среде. Для адресации wifi также, как и в Ethernet используются MAC-адреса. 

Для передачи данных используется разделяемая среда, как и в классическом Ethernet. Только в классическом Ethernet сигнал передаётся по кабелю, а в wifi используется электромагнитное излучение (радиоэфир). 

Формат кадра на уровне LLC у вайфай и Ethernet одинаковый, IEEE 802.2. На практике это означает, если вы используете wireshark для перехвата пакетов которые идут по сети, то независимо от того, пришел ваш кадр из Ethernet или из вайфай, его формат будет одинаковый. Хотя в процессе передачи по беспроводной среде на уровне MAC, вайфай используется другой формат кадр. 

Где используется Wi-Fi

Пользоваться благами беспроводного доступа к Сети в своей квартире/доме может любой частный пользователь, приобретший и настроивший Wi-Fi роутер. Оснастить Wi-Fi модулем можно любую современную электронику, будь то компьютер, телевизор или чайник, после чего при наличии маршрутизатора и пульта управления ей можно будет управлять дистанционно, расширив ее возможности.

В общественных заведениях вайфай также используется почти повсеместно. Подключиться к Интернету при помощи своего ноутбука, планшетного ПК или смартфона можно практически в любом ресторане, баре, кафе, ТРК, гостинице. Точки доступа WiFi сегодня также работают во многих библиотеках, ПКиО и вокзалах. Это делает пребывание пользователя в общественном месте более комфортным и продолжительным.

Юридические лица тоже используют достоинства подключения Wi-Fi в своих целях. Установив мощную точку доступа к беспроводной сети с расширенной зоной покрытия, можно дополнить стационарное подключение к Всемирной паутине или даже вовсе его заменить. И чем больше у сотрудников фирмы ноутбуков и других переносных технических устройств, тем целесообразнее использование вайфая.

Тем не менее, сферы применения Wi-Fi не ограничиваются вышеперечисленными местами. Беспроводным подключением в Сети сегодня можно воспользоваться и в трамваях, и в медицинских учреждениях, и даже в самолете.

Плюсы и минусы

Однозначно ответить, что лучше — кабельный интернет или Вайфай — нельзя, так как много зависит от устройств и требований пользователя.

У Wi-Fi выделяют такие преимущества:

  • Для использования не нужно прокладывать кабель;
  • Можно подключать мобильные устройства к домашнему интернету;
  • Повышается уровень мобильности, так как вы больше ограничены длинной интернет-кабеля и можете выходить в интернет из любой точки, входящей в зону покрытия;
  • В пределах зоны покрытия интернетом могут пользоваться сразу несколько пользователей;
  • Все сетевое оборудование, прошедшее сертификацию у Wi-Fi Alliance, полностью совместимо друг с другом;
  • Зона покрытия Wi-Fi сигнала может быть расширена при необходимости.

Из недостатков Wi-Fi выделяют:

  • Большинство роутеров работает только с частотой 2,4 GHz. В этой же частоте работаю мобильные телефоны, Bluetooth, микроволновые печи и другие роутеры. Устройства могут перекрывать сигнал друг друга, создавая помехи. Современные роутеры поддерживают другие частоты, позволяя минимизировать этот недостаток.
  • Реальная скорость практически всегда ниже скорости, указанной производителем и скорости при подключении через кабель. Это связано с тем, что на скорость беспроводной сети виляет множество факторов.
  • К Wi-Fi, даже если он защищен паролем, легко подключиться. Хорошо, если кто-то просто будет пользоваться вашей точкой доступа бесплатно, но иногда хакеры могут взламывать Wi-Fi сети для своих нужд. Обычно это случается с общественными сетями, а не частными.
  • В некоторых странах законодательно могут накладываться ограничения на точки беспроводного доступа. Например, в России Wi-Fi, работающий вне помещения, требуется обязательно регистрировать.

Carrier Aggregation — агрегация каналов

Под агрегацией следует понимать логическое объединение нескольких параллельных каналов передачи в один. Стандартами допускается использование полосы пропускания 40 МГц в диапазоне 2,4 ГГц. В диапазоне 5 ГГц ширина каналов может быть увеличена до 40, 80, 160  МГц с занятием частот соседних каналов для увеличения пропускной способности сети:

Это и называется агрегированием. В случае использования широкой полосы пропускания, стабильность соединения может снижаться в силу взаимных влияний различных сетей друг на друга. Однако, несомненно, увеличение ширины канала позволяет многократно увеличить скорость передачи данных.

 

В этом разделе приводится описание технологий, которые нашли применение в беспроводных сетях стандарта 802.11 и позволили многократно увеличить скорости передачи данных – MIMO и Beamforming.

 

История возникновения

В связи с высокой популярностью возникает вопрос: кто изобрел Wi-Fi и когда было сделано открытие. Новинка зародилась в далеком 1940 году, причем сделали изобретение не военные. Коллектив единомышленников, в состав которого входили австралийская актриса Хеди Ламарр и музыкант Джордж Антейл, столкнувшись с проблемой синхронизации 16 играющих пианино, решили запатентовать метод «прыгающих частот».

Большой вклад внес муж актрисы, производитель оружия Фриц Мандлем, который имел доступ к засекреченным материалам. Оформить заявку на изобретение они смогли при помощи профессора по электротехнике, правда, воспользоваться полученным патентом не получилось. Документ описывал не интернет, а дистанционный способ управления торпедами.

В современном виде вай-фай появился спустя 20 лет, когда в 1969 г. Гавайский университет построил на схожих принципах локальную сеть под названием Aloha-Net. Она соединила корпуса ВУЗа, расположенные на разных островах Гавайского архипелага.  В дальнейшем технология стала стандартом беспроводного соединения, поэтому ее стали использовать в своих устройствах ведущие производители электроники, в том числе компания Apple.

Радиус действия

Средний радиус действия Wi-Fi покрытия зависит от модели роутера и того, какие помехи на его пути возникнут. Например, в чистом поле радиус может быть до нескольких сотен метров, но в многоквартирном доме или офисе сокращается до 30-40 метров. Сигнал заглушают стены и другие устройства, в том числе и другие роутеры.

Есть маршрутизаторы с большим количеством антенн и улучшенной конструкцией, что позволяет добиться увеличенной зоны действия. Дополнительно ее можно расширить за счет установки репитеров (повторителей сигнала) или роутеров, которые будут выполнять роль репитера. Правда, в этом случае качество сигнала все равно будет падать с расстоянием.

MIMO — Multiple Input Multiple Output

Технология MIMO оказала большое влияние на развитие Wi-Fi. Буквально несколько лет назад никто не думал о том, что будут существовать беспроводные устройства с пропускной способностью в сотни мегабит в секунду. Возникновение новых скоростных стандартов связи, в том числе 802.11n произошло во многом благодаря MIMO.

Наиболее простое определение, которое можно дать технологии MIMO – это многопотоковая передача данных. Аббревиатура переводится с английского как «несколько входов, несколько выходов». В отличие от своего «родителя» (Single Input / Single Output), в устройствах с поддержкой MIMO сигнал передается на одном радиоканале с помощью нескольких приемников и передатчиков. 

Одной из основных характеристик технологии MIMO является количество антенн, работающих на прием и передачу. Обозначается NxM, где N — количество передающих антенн, а M — приемных. Например, MIMO типа 3х2 означает, что радиосистема имеет 3 передающие антенны и 2 принимающие. Кроме того, в MIMO применяется пространственное мультиплексирование. Иначе говоря,  технология одновременной передачи данных нескольких пакетов по одному каналу. Благодаря такому «уплотнению» канала, его пропускную способность можно увеличить в два и более раз.

Как только технология беспроводной передачи данных Wi-Fi начала пользоваться большим спросом, быстро стали возрастать и требования к скорости. Впервые технология MIMO появилась в стандарте 802.11n, который дал возможность увеличить канальную скорость беспроводного соединения с 54 Мбит/сек до 600 Мбит/сек. Стандарт 802.11n дает возможность применять как стандартную ширину канала в 20 МГц, так и использовать широкополосную линию в 40 МГц. Таким образом можно получить в несколько раз увеличенную пропускную способность каналов, которые используются в данный момент. С помощью объединения MIMO с более широкой полосой пропускания канала, получается достаточно мощный способ повышения физической скорости передачи.

 Типы MIMO

Для различного количества пользователей, между которыми в одно и тоже время идет передача данных, существует два типа технологий:

SU-MIMO – система для одного пользователя (Single User — SU). Используется, когда в определенный промежуток времени потоки данных идут только к одному пользователю. Технология предоставляет многоканальные входные и выходные потоки одному устройству. Пока Wi-Fi-устройство адресата получает или принимает данные, другие пользователи находятся в ожидании.

MU-MIMO – система для нескольких пользователей (Multi User — MU). Позволяет нескольким пользователям принимать одновременно потоки данных. Она опирается на технологии SU-MIMO, но дает одновременную связь точки доступа с несколькими устройствами. MU-MIMO создает до 4 одновременных подключений, передавая по 4 потока данных одновременно. В результате пользователи не делят между собой соединение и улучшается производительность сети.

Разница между технологиями SU и MU-MIMO
Разница между технологиями SU и MU-MIMO

Особенности технологии

До появления стандарта 802.11ax, технология MU-MIMO  работала только в диапазоне 5 ГГц. С появлением 802.11ax MU-MIMO стала доступной и на 2.4 ГГц. В продаже сетевого оборудования появляется все больше двухдиапазонных маршрутизаторов с поддержкой данной технологии.

MU-MIMO использует технологию Beamforming. Благодаря ей, сигналы распространяются не хаотично, а в направлении беспроводного устройства. Эта направленность позволяет увеличить дальность сигнала и повысить скорость передачи данных.

К сожалению, невозможно обслуживать бесконечное количество пользователей и потоков данных. Например, роутер с поддержкой трех потоков может одновременно работать только  с тремя Wi-Fi-устройствами без задержек.

Чтобы пользоваться преимуществами метода, принимающее устройство должно иметь поддержку MU-MIMO. В данном случае, достаточно одной антенны и пользовательское устройство примет поток данных от роутера.

Компании, выпускающие смартфоны, роутеры, точки доступа и другие сетевые устройства уже заложили в них поддержку технологии. Как гарантируют производители, во многих современных устройствах, они учли также аппаратные требования для поддержки MU-MIMO, и теперь достаточно обновить ПО на своем гаджете, и пользователь получит поддержку данной технологии.

Сигнал, который передается с помощью архитектуры MU-MIMO, сложно перехватить, что повышает безопасность беспроводной сети.

На первых этапах развития технологии существовала трудность совмещения устройств, работающих с поддержкой MIMO и без нее. Однако на данный момент это уже не так актуально – практически каждый современный производитель беспроводного оборудования использует ее в своих устройствах. Также, одной из проблем при появлении технологии передачи данных с помощью нескольких приемников и нескольких передатчиков, являлась цена устройства.

 

Wi-Fi: от Второй мировой до наших дней

Apple Airport-Technologie сделала первый сравнительно дешевый приемник Wi-Fi
Apple Airport-Technologie сделала первый сравнительно дешевый приемник Wi-Fi

Хотя многие считают, что WLAN – современное изобретение, первые идеи этой технологии появились уже во время Второй мировой войны в 1940 году. Но они не принадлежали военным.

Это были не известные инженеры, а австрийская актриса Хеди Ламарр и музыкант Джордж Антейл, у которых возникла идея получить патент на так называемые Frequency Hopping или «прыгающие частоты». К этой мысли они пришли, когда столкнулись с проблемой синхронизации 16 самостоятельно играющих пианино друг с другом и с пленкой.

Пианино вдохновило людей придумать Wi-Fi?
Пианино вдохновило людей придумать Wi-Fi?

Благодаря браку Хеди Ламарр с фабрикантом оружия Фрицем Мандлем, у нее, возможно, был доступ к секретной информации о беспроводной технологии. С помощью профессора по электротехнике Хеди Ламарр и Джордж Антейл смогли подать заявку на патент, но никогда не воспользовались им.

Это был патент на систему, позволяющую дистанционно управлять торпедами. Они могли часто менять свою частоту, чтобы попасть в цель до того, как враг засечет их и обезвредит. Эта идея намного опередила свое время. Только 20 лет спустя, в 1969 году, Гавайский университет разработал беспроводную сеть, которая была очень близка к сегодняшней сети WLAN.

Предполагалось, что Aloha-Net соединит разные места университета, которые были расположены на разных островах. С центрального компьютера на острове Оаху здания университета были успешно соединены друг с другом.

Когда появился Wi-Fi? Заглянем в историюПрошло еще более десяти лет, когда компания Lucent заинтересовалась этой идеей и первой выпустила на рынок WaveLan в 1988 году. У Lucent была практически монополия на необходимые компоненты. Поскольку они не распространяли информацию о технологиях, другим производителям было сложно воссоздать систему. И даже если бы они это сделали, только Lucent имел право устанавливать чипсеты. А без них система не функционировала, несмотря на все остальные компоненты.

Таким образом, в то время Wi-Fi был дорогостоящим удовольствием и все еще далек от повседневного и доступного использования. Эксперты считали, что сеть еще долго будет доступна только для небольшого круга избранных.

iBookВ конце концов, именно компания Apple выпустила в 1999 году iBook. Он был оснащен технологией Airport-Technologie, которая работала вместе с базовой станцией. Она стоила 300$, а беспроводная карта для WLAN со встроенным чипсетом от Lucent — еще 100$. По сравнению с началом деятельности Lucent эти цены считались не такими уж и высокими.

Поскольку iBook от Apple была разработана для студентов, школьников и частных клиентов и была более дешевой переносной версией iMac, производители поняли, что продавать устройства с Wi-Fi простым пользователям довольно выгодно. Растущий спрос, прогрессивное развитие и исследования в этой области позволили и другим производителям поставить себя в один ряд с Lucent и разработать собственные чипсеты.

Одним из первых стала компания Harris Semiconductor. Ее философия в отношении передачи информации была гораздо менее жесткой, чем у Lucent, и в дополнение к техническому прогрессу цены стали значительно ниже. В настоящее время почти в каждом доме в есть сеть WLAN. Невозможно представить себе ни одной компании или предприятия, где не было бы Wi-Fi.

Кстати, существует своего рода «дочка» WLAN — Voice over IP или VoIP — интернет телефония. Обе системы передают информацию в виде пакетов данных. В случае с VoIP пользователи могут вполне недорого общаться по интернету, который заменяет привычную телефонную сеть.

Читайте также:

  • История гения: Джон фон Нейман — прародитель ПК
  • Хорошие боты: кто на самом деле редактирует Википедию
  • Эволюция мобильника: чем дальше, тем интереснее

Фото: pixabay.com, компании-производители

Недостатки Wi-Fi

  • В диапазоне 2,4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Blue­tooth, и др., и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость.
  • Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные «накладные расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в сети Wi-Fi всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п.
  • Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.
  • Как было упомянуто выше — в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.
  • Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенные протоколы шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало возможным применение более безопасной схемы связи, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля и активные атаки KRACK, поэтому рекомендуется использовать сложные цифробуквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.
  • В режиме точка-точка (Ad-hoc) стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.

§ 6. Каковы перспективы у Wi-Fi?

    На мой взгляд, самые что ни на есть радужные… Очевидные преимущества беспроводной связи будут и дальше подстёгивать разработчиков трудиться во имя усовершенствования данной технологии. А коль так, то Wi-Fi будет становиться более быстрым, надёжным, безопасным и менее дорогим. Вместе с этим будет расти и шириться рынок Wi-Fi оборудования. По оценкам авторитетных аналитических агентств, его объёмы ежегодно увеличиваются на 60-100%.

    Ещё одной отличительной особенностью будущего развития Wi-Fi непременно станет переход от коммерческого использования технологии к бесплатному. Коммерческий доступ к сервисам на базе Wi-Fi традиционно ассоциируется с возможностью использовать Интернет в торговых центрах, аэропортах, ресторанах, кафе и т.п. Иначе говоря, если ты тратишь деньги в этих местах, то можешь в качестве бонуса получить доступ в Сеть. Конечно же, при наличии у тебя соответствующего Wi-Fi устройства: ноутбука, смартфона и т.д.

    В то же время сегодня всё чаще можно встретить бесплатный Wi-Fi. Его инициаторами являются как юридические лица (органы городской власти, студенческие городки, библиотеки и т.д.), так и обычные люди, позволяющие всем желающим совершенно бесплатно использовать их точки доступа в Глобальную паутину. Причём прослеживается чёткая тенденция к росту такого рода альтруизма по всему миру.

    И если она сохранится, то не за горами то время, когда территории многих городов, а затем и стран будут полностью покрыты бесплатным Wi-Fi Интернетом. Пионером в этом плане уже стал Иерусалим — первый город на планете, жители и гости которого могут бесплатно подключаться к Сети с помощью Wi-Fi устройств.

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.

Преимущества Wi-Fi

  • Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.
  • Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.
  • Устройства Wi-Fi широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.
  • Мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете пользоваться интернетом в комфортной для вас обстановке.
  • В пределах зоны Wi-Fi в интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.
  • Излучение от устройств Wi-Fi в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона.

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:

Wi-Fi Alliance

  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.

Адаптация скорости

В Ethernet скорость оборудования фиксирована, она будет одинакова для всех устройств в сети. Вайфай же позволяет менять скорость в зависимости от качества сигнала. Если качество сигнала высокое то скорость увеличивается, а если низкое то скорость уменьшается. Для того чтобы увеличивать или уменьшать скорость, вайфай меняет несколько параметров: 

  • Можно использовать разную ширину канала от 20 МГц до 160 МГц. 
  • Поддерживает различные модуляции, которые позволяют передавать данные с разной скоростью и надежностью 
  • Есть возможность менять интервал данных между символами которые передаются по вайфай. 

Таблица которая показывает разные варианты скорости для одного пространственного потока вайфай. Самая низкая скорость 6.5 Мб/с получается при использовании двоичной фазовой модуляции BPSK канала 20 МГц и интервала между символами 800 нс. Самая большая скорость 866 Мб/с получается, если использовать квадратурную амплитудную модуляцию  у которой 256 состояний, канал шириной 160 МГц и интервал между символами 400 нс. 

адаптация скорости вайфай

Данные представлены для одного пространственного потока, если ваша точка доступа и ваша станция имеют несколько антенн, то можно использовать несколько пространственных потоков и за счет этого еще больше увеличить скорость передачи. 

Beamforming — автоматическое формирование луча

В последних моделях Wi-Fi-маршрутизаторов все чаще можно увидеть такую «опцию» как Beamforming. Beamforming, согласно техническим спецификациям современных Wi-Fi-устройств, это технология, позволяющая направлять излучаемый сигнал не во все стороны, как это происходит обычно, а «концентрированно» в сторону абонента. Это увеличивает отношение сигнал/шум, и как следствие — скорость передачи данных:

Особенно это актуально в местах, где много различных перекрытий сигналов и множество других источников радиопомех, работающих в нелицензируемом диапазоне частот 2.4 и 5 ГГц.

Следует отметить, что главной сложностью при внедрении beamforming в устройства является сложность настройки антенн в сочетании с грамотным программным обеспечением. В недорогих моделях роутеров зачастую наличие beamforming является лишь маркетинговым ходом. Сильно повысить стабильность приема в отдаленных участках помещения не получится. Beamforming стал частью стандарта, начиная с 802.11ac, во втором поколении этих устройств (wave 2).

 

Вред излучения: правда или миф

Да, эта технология использует радиодиапазон. Но распространенное представление про вред Wi-Fi в большей степени является мифом. От того же мобильника (с выключенным интернетом) излучение намного сильнее. Излучение от маршрутизаторов не способно вызвать серьезных изменений в теле человека. Исключения могут составлять замкнутые пространства, где находится много одновременно работающих роутеров.

В таком случае Wi-Fi может представлять опасность для здоровья. Однако роутеры, устанавливаемые в квартирах, офисах и общественных местах, во-первых, находятся не так близко друг от друга, во-вторых, они не настолько мощные, чтобы оказывать значимое влияние на здоровье человека.

Отвечая на вопрос, вредно или нет излучение от Wi-Fi роутера, можно сказать, что существенного вреда здоровью оно не принесет. В обычных условиях, например, квартиры, оно безобидно.

Заключение

WI-FI сейчас наиболее популярная технологию в компьютерных сетях. Рассмотрели как устроен физический уровень вайфай. Существует 6 стандартов IEEE 802.11. Если понравилась статья делись ею с друзьями, одногрпниками. Читай продолжение статьи «WI-FI доступ к разделяемой среде«.