Организация беспроводных Ad Hoc и Hot Spot сетей в среде ОС Windows : учебное пособие для СПО

219 Pages·2021·10.223 MB·Russian

by  Заяц А.М., С.П. Хабаров

А. М. ЗАЯЦ,
С. П. ХАБАРОВ
ОРГАНИЗАЦИЯ
БЕСПРОВОДНЫХ AD HOC
И HOT SPOT СЕТЕЙ
В СРЕДЕ ОС WINDOWS
Учебное пособие
САНКТ(cid:7)ПЕТЕРБУРГ
МОСКВА
КРАСНОДАР
2021
УДК 004.77
ББК 32.973(cid:7)018.1я723
З40 Заяц А. М. Организация беспроводных Ad Hoc и Hot Spot
сетей в среде ОС Windows : учебное пособие для СПО /
А. М. Заяц, С. П. Хабаров.— Санкт(cid:7)Петербург : Лань, 2021.—
220с.: ил.— Текст : непосредственный.
ISBN 978(cid:25)5(cid:25)8114(cid:25)6974(cid:25)1
В пособии после изложения сущности гибридных приложений на основе
Apache Cordova (ранее PhoneGap) и NativeScript, их особенностей,
достоинств и недостатков обсуждается базовая технология Cordova, а в ка(cid:7)
честве примера строится простое приложение, использующее данные гео(cid:7)
локации. Дан краткий обзор ряда наиболее известных библиотек JavaScript
и фреймворков на их основе. Объяснено, как устанавливать и использовать
инструменты командной строки для управления жизненным циклом при(cid:7)
ложения Sencha Ext JS Modern и интеграции его с Cordova. Полные листинги
кодов представлены в приложении. Особое внимание уделено вопросам
разработки гибридных приложений под iOS. Подробно рассматривается так
называемое Ad Hoc(cid:7)распространение приложений через защищенное
соединение с web(cid:7)сервером.
Может быть использовано в качестве учебного пособия для студентов
средних профессиональных учреждений, обучающихся по специальностям
направлений подготовки «Информационная безопасность» и «Информатика
и вычислительная техника».
УДК 004.77
ББК 32.973(cid:7)018.1я723
Îáëîæêà
П. И. ПОЛЯКОВА
© Издательство «Лань», 2021
© А. М. Заяц, С. П. Хабаров, 2021
© Издательство «Лань»,
художественное оформление, 2021
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время бурное развитие получили беспроводные технологии,
которые нашли свое применение в промышленности, сфере бизнеса, а также в
быту и средствах связи. Одни из этих технологий нацелены на передачу боль-
ших объемов данных с высокой скоростью, другие на низкоскоростную пере-
дачу небольших объемов данных, но с очень низким потреблением электро-
энергии. Третьи обеспечивают интеллектуальное взаимодействие между уст-
ройствами, в которых они используются.
Различных стандартов беспроводных технологий и сетей, построенных на
их основе, существует великое множество, однако их все можно подразделить
на три группы: WPAN (Wireless Personal Area Network — беспроводная персо-
нальная сеть), WLAN (Wireless Local Area Network — беспроводная локальная
сеть), WMAN (Wireless Metropolitan Area Network — беспроводная сеть мас-
штаба города).

Общим для этих сетей является то, что устройства можно объединить в
сеть без наличия кабельных соединений, а передача данных будет осуществ-
ляться через радиоэфир. Но самым важным при любой радиосвязи является ор-
ганизация передачи в обоих направлениях. При построении беспроводных се-
тей, как правило, используют дуплексную связь: либо дуплекс с разделением по
частоте (Frequency Division Duplex, FDD), либо дуплекс с временным разделе-
нием (Time Division Duplex, TDD). Метод FDD определяет такой режим работы
линии связи, при котором частоты передачи и приема находятся в разных поло-
сах частот, разделенных защитным промежутком. Во втором случае обмен ин-
3
формацией идет по одной линии связи, но с уплотнением каналов приема и пе-
редачи в разных временных интервалах одного кадра.
Разные классы беспроводных сетей используют разный набор техноло-
гий, стандартов и протоколов. Так, например, термины WiMAX и WiFi созвуч-
ны между собой. В их основе стандарты, разработанные IEEE, название кото-
рых начинается с «802._». Обе технологии используют беспроводное соедине-
ние, как для связи между узлами, так и для подключения к сети Интернет. Но,
несмотря на это, они направлены на решение совершенно различных задач.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) — это телеком-
муникационная технология для предоставления универсальной беспроводной
связи на больших расстояниях для разных классов устройств: от обычных и пор-
тативных компьютеров до мобильных телефонов. Стандарт IEEE 802.16 отно-
сится к так называемой технологии «последней мили», которая использует диа-
пазон частот от 10 до 66 ГГц. Так как это сантиметровый и миллиметровый диа-
пазон, то он работает в условиях прямой видимости. Стандарт поддерживает то-
пологию точка-многоточка, технологии FDD и TDD. Возможна передача звука и
видео. Стандарт определяет пропускную способность 120 Мб/с на каждый канал
в 25 МГц. Более новый стандарт 802.16a использует уже диапазон частот от 2 до
11 ГГц, что позволило снять ограничение на «прямую видимость». Более того,
он стал поддерживать ячеистую топологию (Mesh Networking).
Под аббревиатурой WiFi (Wireless Fidelity), которую можно дословно пе-
ревести как «беспроводное качество» или «беспроводная точность», в настоящее
время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков дан-
ных по радиоканалам. Системы WiFi используют нелицензированные диапазоны
частот. Имеют, по сравнению с WiMAX, малый радиус покрытия в несколько
десятков или сотен метров. Обычно WiFi используют для доступа к частной ло-
кальной сети или для подключения к точке доступа общественной сети с целью
выхода в Интернет. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то WiFi
скорее похож на стационарный беспроводной телефон.
WiMAX и WiFi имеют совершенно разный механизм Quality of Service
(QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения
между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение ос-
новано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать
параметр QoS для каждого соединения. WiFi в свою очередь использует меха-
низм QoS, подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты по-
лучают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS
для каждого соединения.
Заканчивая сравнение сетей класса WMAN и WLAN, следует отметить,
что технология WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких
скоростях и с гораздо большим покрытием, чем технология WiFi. Это позволя-
ет использовать WiMAX в качестве магистральных каналов, продолжением ко-
торых выступают традиционные выделенные линии, а также локальные сети, в
том числе WLAN на базе технологии WiFi.
Что касается сетей класса WPAN, то надо отметить, что одним из наибо-
лее актуальных направлений использования беспроводных технологий, особен-
4
но в эпоху Интернета вещей, являются беспроводные сенсорные сети (БСС) —
распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказу отдельных её
элементов. Каждый узел БСС имеет автономный источник питания, микроком-
пьютер, приемник/передатчик и ведет обмен данными с другими узлами, ис-
пользуя радиоэфир.
Область покрытия БСС от нескольких метров до нескольких километров,
в зависимости от типа модуля и антенны, а также за счет способности ретранс-
ляции сообщений от одного узла сети к другому. Обмен данными между двумя
конечными узлами может осуществляться через ретранслятор, в том случае ес-
ли дальность работы устройств не позволяет их взаимное обнаружение. Таким
образом, устройства с малым радиусом действия и очень низким потреблением
энергии с помощью системы ретрансляторов могут общаться друг с другом.
Обычно БСС применяется для сбора данных с устройств, оснащенных
сенсорами: датчиком температуры, влажности, освещения и т. д. Например,
миниатюрные сенсоры могут быть использованы в медицине для наблюдения
за пациентами. Устройства, которые пациент носит с собой, могут контролиро-
вать работу жизненно важных органов и в случае отклонений сообщать об этом
врачу. Сенсоры могут использоваться для автоматического включения освеще-
ния, когда человек входит в комнату, использоваться для управления любыми
устройствами в системе «умный дом». Иногда требуется следить за подвижно-
стью или разрушением каких-либо объектов, когда трудно или даже невозмож-
но проложить кабели. В этих условиях БСС единственно возможный способ
решения данной задачи, так как у датчиков автономные источники питания и
они могут передавать данные по беспроводным каналам.
На текущий момент наиболее распространены БСС, построенные на ос-
нове стандартов группы WPAN (Wireless Personal Area Network), которые пред-
назначены для организации беспроводной связи между различными устройст-
вами на ограниченной площади. Стандарты, определяющие методы функцио-
нирования таких сетей, описаны в семействе спецификаций IEEE 802.15.
К числу основных стандартов, используемых для построения маломощных бес-
проводных сетей, обычно относят:
• IEEE 802.15.4;
• ZigBee;
• Bluetooth;
• Wibree.
Стандарт IEEE 802.15.3 разрабатывался как высокоскоростной стандарт
WPAN-сетей для высокотехнологичных бытовых устройств, предназначенных,
как правило, для передачи мультимедийных данных. Использование полосы
2,4 ГГц и технологии модуляции O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying,
квадратурная манипуляция фазовым сдвигом со смещением) позволяют дости-
гать скорости передачи в 55 Мб/с на расстояние до 100 м. Защита данных мо-
жет производиться по стандарту AES. В модификации стандарта 802.15.3a
предполагается увеличение пропускной способности до 480 Мб/с, а в случае
спецификации 802.15.3b пропускная способность составит от 100 до 400 Мб/с.
5
Однако данный стандарт, предусматривая большие скорости передачи данных,
требует высокого энергопотребления от устройств, поддерживающих этот
стандарт, что не очень подходит для построения БСС.
Стандарт Bluetooth (802.15.1) на сегодняшний день хорошо развит и при-
меняется для связи мобильных телефонов, КПК, периферии. Однако он не рас-
считан на сети с низким энергопотреблением, что существенно ограничивает его
распространение в сенсорных сетях. Устройства по стандарту Bluetooth могут
объединяться в пикосети (не более 7 на одну сеть). В сети имеется ведущее и ве-
домое устройство. Для обмена данными используется так называемый нижний
ISM-диапазон (Industry, Science and Medicine — промышленный, научный и ме-
дицинский) 2,4–2,5 ГГц, который распространен в бытовых приборах и беспро-
водных сетях. Для использования этих частот лицензия не требуется. При мощ-
ности передатчика на кристалле от 1 до 2,5 мВт дальность действия до 10 м.
Увеличение мощности до 100 мВт повышает дальность действия до
100 м. Этот стандарт мог бы использоваться при построении БСС, однако пока
нет устройств, работающих по данному стандарту с низким энергопотреблени-
ем, они только предполагаются к выпуску.
Таблица 1
Основные параметры стандартов беспроводных сетей
Bluetooth Wibree ZigBee
Частота 2,4 ГГц 2,4 ГГц 2,4 ГГц
Потребляемая мощность 100 мВт ~10 мВт 30 мВт
Срок работы батареи До 6 мес. 1–2 года 0,5–2 года
Диапазон 10–30 м 10 м 10–75 м
Скорость передачи 1–3 Мб/с 1 Мб/с 25–250 Кб/с
Цена 3 $ 3,2 $ 2 $
Топологии Звезда, точка-точка, смешанная
Безопасность 128-битное шифрование
Время отклика 3 с 3 с 15 мс
Стандарт Wibree разработан фирмой Nokia в 2001 г. Wibree предназначен
для работы бок о бок с Bluetooth. Он работает в диапазоне 2,4 ГГц с физической
скоростью передачи 1 Мб/с. Основные области применения включают такие
устройства, как наручные часы, беспроводные клавиатуры, игрушки и спортив-
ные датчики, где низкое энергопотребление является одним из ключевых требо-
ваний. Данный стандарт можно отнести к стандарту Bluetooth, поэтому у него
имеются такие же недостатки — количество подключаемых устройств ограниче-
но, отсутствуют на рынке модули с низким энергопотреблением.
Стандарт IEEE 802.15.4 является одним из самых новых в серии беспро-
водных и принят в октябре 2003 г. На его основе ZigBee Alliance разработал
спецификацию протоколов сетевого и прикладного уровня. Спецификация
ZigBee описывает способ построения сети, вопросы безопасности и прикладное
программное обеспечение. Областью применения ZigBee/IEEE 802.15.4 являет-
ся передача информации от движущихся и вращающихся частей механизмов
(конвейеров, роботов), промышленные системы управления и мониторинга,
6
беспроводные сети датчиков, отслеживание маршрутов движения имущества и
инвентаря, «интеллектуальное» сельское хозяйство, системы охраны.
Как следует из таблицы 1, на текущий момент наиболее подходящим для
построения БСС является стандарт 802.15.4, так как является открытым и пред-
назначен для низкоскоростных сетей с низким энергопотреблением. При по-
строении беспроводных, а особенно сенсорных и медицинских, сетей важно
учитывать тот факт, что парализовать инфраструктуру связи могут не только
техногенные катаклизмы, но даже банальное отключение электропитания или
изменение профиля ландшафта. В подобных случаях все более привлекатель-
ным вариантом становится использование самоорганизующихся сетей.
Особенность заключается в возможности быстрой реконфигурации сети в
зависимости от текущего состояния узлов сети и/или помеховой обстановки,
что позволяет повысить стойкость и надежность (живучесть) сети. Это качество
сети обусловлено использованием специализированных протоколов маршрути-
зации (AODV, OLSR и др.). Их сравнение затруднено тем, что на передачу дан-
ных влияет множество факторов, многие из которых носят случайный характер
и слабо поддаются строгому математическому анализу. Основным инструмен-
том анализа беспроводных самоорганизующихся сетей является имитационное
компьютерное моделирование без применения реального оборудования или с
применением отдельных его блоков.
Но сегодня БСС — это не единственный тип сетей, которые построены на
стандартах класса WPAN. Если сенсорные сети имеют прикладное и промыш-
ленное применение, то наряду с ними развиваются и другие типы сетей этого
класса. Существенным развитием беспроводных технологий является их ис-
пользование домашними пользователями. С ростом числа устройств в домаш-
ней сети все более актуальной становится проблема множества проводов, со-
единяющих эти устройства между собой, что является поводом для перехода на
беспроводные технологии. Повышение комфортности современного дома, объ-
единение в одну сеть компьютеров, телевизоров, цифровых фотокамер, муль-
тимедийного центра — это также может быть реализовано с помощью беспро-
водных соединений.
В этом сегодня может помочь технология WiFi, для практического при-
менения которой в быту или на работе надо иметь некоторые общие сведения
об основных принципах ее работы, а также получить навыки как по настройке
беспроводных подключений к внешним WiFi-сетям, так и по организации со-
единений компьютер-компьютер (Ad Hoc) и настройке мобильных хот-спот
(Mobile hotspot) сетей. Тем более что для этого может быть достаточно про-
граммных средств, имеющихся в стандартных поставках разных версий опера-
ционной системы (далее — ОС) Windows.
7
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ WiFi
Под аббревиатурой WiFi в настоящее время развивается целое семейство
стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Изначально
WiFi предназначался для построения локальных беспроводных сетей, но сего-
дня он все активнее используется для подключения удаленных абонентов к се-
ти Интернет. По своей сути WiFi — это беспроводная сеть Ethernet. Она бази-
руется на семействе протоколов IЕЕЕ 802.11x (WLAN), которые в свою очередь
являются составной частью стандартов локальных сетей IЕЕЕ 802.x. Общим
для этих стандартов является то, что они охватывают только два нижних уров-
ня модели OSI — физический и канальный, в наибольшей степени отражающие
специфику локальных сетей. При этом беспроводные сети существенно отли-
чаются от кабельных сетей на физическом уровне и только частично на каналь-
ном уровне.
Физический уровень IEEE 802.11x представляет собой радиоканал, обес-
печивающий передачу сигналов, несущих информацию. Этот уровень характе-
ризует основные параметры физической среды передачи данных. Сети WiFi ра-
ботают на частотах 2,4 ГГц или 5 ГГц, обеспечивая в зоне прямой видимости
беспроводную связь в радиусе до 300 м от точки доступа. В закрытых помеще-
ниях связь возможна в пределах 50 м. Скорость передачи данных оборудования
стандарта 802.11b не превышает 11 Мб/с, а оборудование стандарта 802.11а,g
увеличивает ее до 54 Мб/с. Стандарт 802.11n способен обеспечить скорость пе-
редачи данных до 600 Мб/с, осуществляя передачу данных сразу по четырем
антеннам.
Что касается канального уровня, то на него возлагаются функции управ-
ления доступом к передающей среде и безошибочный обмен данными между
узлами сети. Канальный уровень разделяется на два подуровня: MAC (Media
Access Control) — управление доступом к среде передачи данных и LCC
(Logical Link Control) — управление логическим каналом. Ввиду того, что
WiFi-сети используют отличный от кабельных сетей Ethernet режим передачи
данных, алгоритмы работы подуровня MAC у этих стандартов несколько отли-
чаются. Так, проводные LAN используют метод доступа с контролем несущей
и обнаружением коллизий (CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access/
Collision Detect). В беспроводных WiFi-сетях используется метод множествен-
ного доступа с контролем несущей и предупреждением коллизий или столкно-
вений (CSMA/CA — Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).
Оба метода работают на уровне MAC и решают задачу доступа к среде
передачи данных. После того как доступ к среде будет получен, подуровень
LCC может её использовать для передачи кадров информации. Алгоритм его
работы будет одинаков, как в беспроводных сетях WiFi, так и в кабельных се-
тях с архитектурой Ethernet.
Для работы в стандарте 802.11x используется оборудование двух основ-
ных типов: точка доступа (Access Point) и беспроводные клиенты. В качестве
беспроводных клиентов могут выступать любые устройства, имеющие собст-
венный WiFi-адаптер. Точка доступа — это программно-аппаратное устройст-
8
во, которое состоит из приемопередатчика, выполняющего роль беспроводного
сетевого концентратора, сетевого адаптера для подключения к кабельной или
беспроводной сети и микроконтроллера для обработки данных.

Таким образом, WiFi с одной стороны — это семейство стандартов, а с
другой стороны это беспроводная технология передачи данных по радиоканалу,
которая позволяет объединить отдельные устройства с беспроводными адапте-
рами в единую мобильную или стационарную локальную сеть, а при желании
еще и подключить эти устройства к сети Интернет.
В настоящее время применяется несколько стандартов семейства 802.11.
Их основные различия в том, что они применяют разные способы кодирования
информации. Именно это и вызывает существенный разброс в скоростях рабо-
ты приемопередатчиков каждого из этих стандартов. Но, используя на практике
любой из этих стандартов, надо иметь хотя бы общее представление о беспро-
водной технологии передачи данных и используемых для этого методах коди-
рования на физическом уровне.
1.1. Технология расширения спектра
В основе всех беспроводных протоколов семейства 802.11 лежит техно-
логия расширения спектра (Spread Spectrum, SS), которая подразумевает, что
первоначально узкополосный (в смысле ширины спектра) полезный информа-
ционный сигнал при передаче преобразуется так, что его спектр оказывается
значительно шире спектра первоначального сигнала. То есть спектр сигнала как
бы «размазывается» по частотному диапазону. При этом происходит и перерас-
пределение спектральной энергетической плотности сигнала — энергия сигна-
ла также «размазывается» по спектру. Максимальная мощность преобразован-
ного сигнала становится значительно ниже мощности исходного сигнала, а
уровень полезного информационного сигнала может в буквальном смысле
сравняться с уровнем естественного шума. В результате сигнал становится не-
различимым — он теряется на уровне естественного шума.
Собственно, именно в изменении спектральной энергетической плотно-
сти сигнала и заключается идея расширения спектра. Дело в том, что если под-
9
ходить к проблеме передачи данных так же, как в обычном радиоэфире, где ка-
ждой радиостанции отведен свой диапазон вещания, то мы неизбежно столк-
немся с проблемой, что в ограниченном радиодиапазоне, предназначенном для
совместного использования, нельзя уместить всех желающих. Поэтому необхо-
димо найти такой способ передачи информации, при котором пользователи
могли бы сосуществовать в одном частотном диапазоне и при этом не мешать
друг другу.
Для безлицензионного использования в Европе и США отводится радио-
диапазон от 2400 до 2483,4 МГц, предназначенный для применения в промыш-
ленности, науке и медицине (Industry, Science and Medicine) и называемый ISM-
диапазоном. Он может использовать и частоты от 5725 до 5875 МГц, но при
этом строго регламентируется мощность передатчиков, которая ограничивается
величиной 100 мВт в Европе и 1 Вт в США. Именно для того, чтобы стало воз-
можным совместное использование доступного радиодиапазона в таких жест-
ких условиях, и используется технология расширения спектра.
Существуют разные технологии расширения спектра, но для начального
знакомства с протоколами беспроводной рассмотрим лишь одну из них, а
именно технологию расширения спектра методом прямой последовательности
(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).
1.1.1. Технология DSSS
Если используется обычное потенциальное кодирование, то информаци-
онные биты, т. е. логические нули и единицы, передаются прямоугольными
импульсами напряжений. При этом прямоугольный импульс длительности T
имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна его длительности.
Поэтому чем меньше длительность информационного бита, тем больший
спектр занимает такой сигнал.
Для преднамеренного расширения спектра первоначально узкополосного
сигнала при использовании технологии расширения спектра методом прямой
последовательности DSSS в каждый передаваемый информационный бит (ло-
гический 0 или 1) в буквальном смысле встраивается последовательность так
называемых чипов.

10