Wi-Fi сейчас самая популярная технология передачи данных в беспроводных компьютерных сетях. Название Wi-Fi это торговая марка, которая принадлежит wi-fi alliance. Техническое описание технологии содержится в стандарте IEEE 802.11.
Раньше вай фай расшифровывался “Wireless Fidelity” беспроводная точность, но сейчас считается, что вай фай расшифровывается никак и просто похожа на игру слов Hi-Fi, то есть высокое качество.
Для того чтобы производитель мог назвать свое оборудование Вай Фай он должен сдать его на проверку в компанию Wi-Fi Alliance. Это компания проверяет насколько оборудование соответствуют требованиям стандарта IEEE 802.11. И право использования торговой марки вай фай дается после того, как вайфай альянс убедится, что оборудование полностью соответствует IEEE 802.11.
Для сравнения для ethernet такая проверка не производится, производитель может создавать оборудование которое работает по стандарту 802.3 и его модификациям и называть его коммутатором Ethernet
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.
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.
Также возможен и другой вариант подключения, одноранговая сеть, где компьютеры взаимодействуют без каких-либо точек доступа, напрямую друг с другом.
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.
Стандарты физического уровня Wi-Fi
Есть несколько разных вариантов реализации вайфай, они описаны в 6 стандартах. Самый первый стандарт 802.11 был принят в 1997 году и имел скорость 1 или 2 Мб/с, Ethernet в то время мог передавать информацию со скоростью 10 Мб/с. Современный стандарт wifi 802.11ас был принят в 2014 году, максимальная скорость передачи, больше 6 Гб/с.
Сейчас вайфай используют для передачи данных электромагнитное излучение или радиоэфир, но в первом варианте вай фай использовалось инфракрасное излучение, сейчас этот метод используется в пультах для телевизора.
Но уже со второго поколения стандарта 802.11b используется только электромагнитное излучение. Применяются две частоты 2.4 и 5 ГГц. Частоты в этом диапазоне можно использовать без лицензирования. Однако и другие устройства работают в том же самом диапазоне, например микроволновка и это создаёт помехи при передачи сигнала вайфай.
В современных стандартах wi-fi для передачи данных используется метод мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFMD). Данные передаются параллельно на разных частотах. Хотя на картинке частоты накладываются друг на друга, но метод OFMD позволяет надежно распознавать сигналы.
Каналы в диапазоне 2.4 ГГц для передачи данных используется 14 каналов, на картинке перечислены их частоты. Каналы немного сдвинуты друг относительно друга, но все равно частично перекрываются.
Таким образом количество вай фай сетей, которые находятся в одном и том же месте ограничены количеством каналов их не может быть больше, чем 14. Если в одной и той же области будет работать больше, чем 14 сетей, им не хватит каналов. Такая ситуация известна, “как вай фай джунгли” и она довольно часто встречается, например в жилых домах где установлен вайфай роутер для доступа в интернет в каждой квартире.
Вай фай может использовать каналы разной ширины. Ширина канала это разность между максимальной и минимальной частотой, на которые можно передавать данные. Чем шире канал, тем более качественно мы можем передавать данные, следовательно, тем выше скорость передачи данных.
В стандарте 802.11n появилась возможность использовать каналы шириной 40 МГц и засчет этого увеличивать скорость передачи. В последнем стандарте вайфай 802.11ас можно использовать ширину канала 80 МГц и 160 МГц. Однако поддержка каналов 160 МГц обеспечивается по возможности и желанию производителя.
В стандарте 802.11n появилась возможность использовать несколько антенн для передачи и приема данных. Эта возможность также используется в современном стандарте.
Если у нас есть несколько антенн, то мы можем использовать несколько пространственных потоков это сигнал который передается от одной антенны до другой.
Если мы параллельно передаем несколько пространственных потоков, то скорость передачи данных увеличивается. При этом используется специальный метод кодирования сигналов которые называются MIMO множественная передача и множественный прием.
Пример: у нас есть 3 антенны, на передающей станции и три на принимающей станции. Каждая антенна на передающей станции (Tx) отправляет свой пространственный поток, таким образом мы увеличиваем скорость передачи в 3 раза. На принимающей станции, все три антенны получают 3 пространственных потока, и с помощью метода кодирования mimo они умеют их разделять и повышать качество сигнала для каждого отдельного пространственного потока.
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.
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.
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.
