itmo_conspects

Extra

Extra 1. Технология Wi-Fi

Wi-Fi - семейство беспроводных сетевых протоколов, основанных на семействе стандартов IEEE 802.11

Wi-Fi был создан в 1991 году компаниями NCR Corporation и AT&T и предназначался для систем кассового обслуживания. Создатель Wi-Fi, Вик Хейз, был одним из разработчиков стандартов IEEE 802.11b, IEEE 802.11a и IEEE 802.11g

11 сентября 2009 года был утвержден стандарт IEEE 802.11n. Позднее новые стандарты выходили в 2012, 2015, 2019 годах

Wi-Fi использует радиоволны (то есть электромагнитные волны) в воздушной среде. Тут появляются множество проблем, которых нет при передаче по медных кабелям или оптоволокну:

Сигнал быстро затухает, так как мощность уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника, радиоволны поглощаются проводником
Теневые зоны: электромагнитные волны плохо проходят через бетон, металлы, землю, воду и так далее
Замирание сигнала - ситуация, при которой вследствие отражения и задержки в других средах сигнал доходит до приемника разными путями, из-за чего в ходе интерференции амплитуда уменьшается
Временные задержки, на передачу сигнала на один метр уходит 3.3 нс

IEEE стандарт	Максимальная пропускная способность	Год	Частоты	Дальность
802.11	2 Мбит/с	1997	2.4 ГГц	20–30 м
802.11b	11 Мбит/с	1999	2.4 ГГц	30–50 м
802.11a	54 Мбит/с	1999	5 ГГц	15–30 м
802.11g	54 Мбит/с	2003	2.4 ГГц	30–50 м
802.11n (Wi-Fi 4)	до 600 Мбит/с	2009	2.4 / 5 ГГц	30–70 м
802.11ac (Wi-Fi 5)	до 6.9 Гбит/с	2013	5 ГГц	20–40 м
802.11ad (WiGig)	до 6.8 Гбит/с	2012	60 ГГц	1–10 м
802.11ax (Wi-Fi 6)	до 9.6 Гбит/с	2019	2.4 / 5 ГГц	30–70 м
802.11ax (Wi-Fi 6E)	до 9.6 Гбит/с	2021	6 ГГц	20–40 м
802.11be (Wi-Fi 7)	до 46 Гбит/с (источники разнятся)	2024	2.4 / 5 / 6 ГГц	20–40 м
802.11bn (Wi-Fi 8)	до 46 Гбит/с (источники разнятся)	еще не вышел(	2.4 / 5 / 6 ГГц	неизвестно

Стандарты Wi-Fi определяют множество вещей:

Поддерживаемые полосы частот
Ширина полос канала
Расстояние между поднесущими частотами
Мощностные характеристики
Длительность символа
Длительность защитного интервала
Схема передачи (OFDM или OFDMA)
Схема модуляции
Количество пространственных каналов (MIMO)

Всего Wi-Fi использует 4 частотных диапазона:

2.4 ГГц - 2.4-2.4835 ГГц
5 ГГц - 5.15-5.825 ГГц
6 ГГц для Wi-Fi 6/6E/7 - 5.925-7.125 ГГц
ну и 60 ГГц (57-71 ГГц) для WiGig, который используется реже и для соединения близлежащих устройств

Выбор частот связан с соблюдением требований законодательств. На эти частоты также действуют ограничения по мощности. Также нужно учитывать, что, чем ниже частота, тем длиннее волны и тем лучше они проходят через среду. Но также с понижением частоты понижается пропускная способность радиоканала

Далее диапазоны делятся на каналы. Диапазон 2.4 ГГц делится на 14 каналов длиной 20-22 МГц (22 МГц было в старых стандартах). Очевидно, что каналы перекрываются, из-за этого используются чаще всего каналы 1, 6, 11, 14 (14 канал разрешен только в Японии)

Каналы для Wi-Fi 2.4 ГГц

Каждый канал - это отдельная Wi-Fi сеть. Для роутера с точкой доступа можно указать свой канал. Можно использовать программу, которая просканирует диапазон и скажет, какой канал менее всего занят, чтобы избежать конкуренции

В Wi-Fi 5 ГГц таких каналов 20-25 (в зависимости от законодательства). Ширина каналов также может быть больше

Далее, чтобы увеличить пропускную способность, используется метод OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов):

Поток данных делится на несколько потоков
Далее набор битов кодируется и модулируются
Частотный канал делится на так называемые поднесущие. Канал шириной 20 МГц делится на 64 поднесущих (по 312.5 КГц), некоторые из которых используются не для передачи данных, а для разделения других поднесущих друг от друга. В них будут параллельно передаваться данные внутри одной сети. Они находятся в разных частотных диапазонах, поэтому не мешают друг другу
Далее сигнал проходит обратное быстрое преобразование Фурье, которое разделяет ортогональные компоненты
И, пройдя через цифро-аналоговый преобразователь, передается как радиоволна

В OFDM для Wi-Fi все поднесущие выделены только одному пользователю в один момент времени. Расширенный алгоритм OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) объединяет поднесущие в ресурсные единицы. По ресурсным единицам передается информация одному пользователю в один момент времени, то есть получатель данных от конкретной ресурсной единицы меняется в ходе работы

Для OFDMA канал 20 МГц делится на 256 поднесущих (по 78.125 КГц), а ресурсная единица представляется из числа поднесущих, кратного 26. QFDMA появился в стандарте Wi-Fi 6

OFDM и OFDMA

Сигнал перед обратным быстрым преобразованием Фурье кодируется помехозащищенным кодом и модулируется. Модуляция может быть:

BPSK (Binary Phase Shift Keying) - для 0 используется один фазовый сдвиг, а для 1 другой сдвиг
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) - аналогично BPSK два бита модулируются разными фазовыми сдвигами
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - набор битов модулируется фазовым сдвигом и амплитудой. В стандарте IEEE 802.11ac появился 256-QAM (8 битов модулируются в 256 комбинаций фазы и амплитуды), а в 802.11ax 1024-QAM

Большинство роутеров в наше время имеют больше одной антенны для передачи. Такие роутеры используют технологию MIMO (Multiple Input Multiple Output), в которой полоса пропускания увеличивается за счет приема и передачи несколькими антеннами

Оборудование, поддерживающее MIMO, имеет характеристику TxR:S, где T - число антенны для передачи, R - число антенна для приема, а S - число пространственных потоков. От количества пространственных потоков зависит максимальная канальная скорость

Изначально все антенны передавали данные одному пользователю (Single User MIMO), но позже появилась возможность передачи и приема одному пользователю от одной или нескольких антенн

Также несколько антенны позволяют усиливать сигнал устройству пользователя в зависимости от его положения. Несмотря на то, что антенны всенаправленные, пробная передача позволяет определить фазу и амплитуду сигнала на устройстве, которое передает эту информацию обратно роутеру. Далее роутер корректирует фазу и амплитуду для антенн так, что бы волны в ходе интерференции сложились, давая улучшенное покрытие и снижение помех. Такая технология известна как Beamforming

В Ethernet используется CSMA/CD, тогда как в Wi-Fi используется CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). В беспроводных сетях:

Нельзя передавать и слушать одновременно на одной частоте
Коллизию нельзя обнаружить на стороне передатчика
Два устройства могут не слышать друг друга, но передатчик может

Поэтому в Wi-Fi используется избегание коллизий:

Если радиопространство занято, то есть прослеживается радиосигнал или внутренний таймер NAV (Network Allocation Vector) прошлых передачи других узлов истек, то передатчик ждет
Если радиопространство не занято, то передатчик ждет межкадровый интервал DIFS (DCF InterFrame Space, обычно 34 мкс), а затем еще случайный промежуток времени random(0, CW) * T, где CW - это размер конкурентного окна (Contention Window), а T - размер слота ожидания (обычно 9 мкс)
Передается кадр с данными
Приемник, получив кадр с данными, ждет короткий межкадровый интервал SIFS (Short InterFrame Space, обычно 16 мкс)
И отправляет кадр с подтверждением передачи
Если передатчик не получил подтверждение, то передача считается неудачной и конкурентное окно увеличивается на 1

Проблема двух скрытых узлов решается так: передатчик отправляет сигнал RTS (Request To Send) с длительностью передачи приемнику, если приемник видит свободность радиопространства, то он отправляет сигнал CTS (Clear To Send), дублируя длительность передачи. Получивший его приемник начинает передачу, а другие устанавливают таймер NAV и не мешают передаче

CMSA/CA

В итоге, последние стандарты Wi-Fi сочетают MU MIMO, модуляцию 1024-QAM, OFDMA, направленный сигнал и до 8 пространственных потоков, что позволяет достичь передачи до 10 гигабит в секунду

Оборудование для беспроводных сетей может работать в разных режимах:

Ad-Hoc - объединение двух узлов во временную беспроводную сеть для обмена данных
Точка доступа (Access Point, AP) - точка доступа Wi-Fi для передачи данных. Большинство роутеров работают в таком режиме. В Linux точку доступа можно включить с помощью утилиты hostapd, а в Windows и в Android с помощью графического интерфейса

Также точка доступа может работать как повторитель другого беспроводного сигнала для его усиления в другом месте

Роутер же помимо выполнения в режиме точки доступа также работает как сетевой переключатель и компьютер, выполняющий функции сервера для DHCP и другого
Мост (Bridge) - беспроводной мост между двумя сетями в местах, где проводное подключение невозможно (например, через дорогу между зданиями)
Беспроводная распределенная система (Wireless Distribution System, WDS) - режим работы для воссоздания практически любой топологии из комбинации типов “Точка-Точка” и “Точка-Многоточка”

Также беспроводное оборудование может выполнять авторизацию пользователей с помощью пароля или веб-страницу, групповую конфигурацию других точек доступа и другого

Формат кадра Wi-Fi состоит из этих полей:

Поля контроля кадра, 16 бит, а именно
- Версия протокола, 2 бита, 00 - это WLAN (PV0), а 01 - это PV1
- Тип кадра, 2 бита, и субтип кадра, 4 бита
  
  Используются для обозначения типа сообщений с данными и служебных сообщений, таких как подтверждение, RTS и CTS
- Флаг “В распределенную систему”, 1 бит
- Флаг “Из распределенной системы”, 1 бит
  
  Эти флаги используются в WDS
- Флаг “Больше фрагментов”, 1 бит - установлен, если за этим кадром последуют еще кадры в пределах фрагмента
- Флаг “Повтор”, 1 бит - установлен при повторной передачи кадра, подтверждение приема которого передатчик не получил
- Флаг “Управление питанием”, 1 бит - установлен приемник, если используется энергосбережение. Тогда передатчик будет использовать буферизацию кадров
- Флаг “Больше данных”, 1 бит - установлен, если буфер передатчик для отправки не пуст, а приемник не должен закрывать прием
- Флаг “Защищенный кадр”, 1 бит - установлен, если кадр зашифрован
- Флаг “HTC”, 1 бит - установлен, если есть управление высокой пропускной способности (HT, High Throughput)
Длительность последующей передачи в мкс для таймера NAV или идентификатор энергосберегающего приемника, 16 бит
Адрес 1, 48 бит
Адрес 2, 48 бит
Адрес 3, 48 бит
Контроль последовательности, 16 бит. Первые 4 бита - номер фрагмента, последние 12 бит - номер последовательности
Адрес 4, 48 бит
Контроль качества сервиса для классификации очереди кадров, 16 бит
Контроль высокой пропускной способности, 32 бита. Используется для направленной передачи и выбора антенны
Полезная нагрузка
Контрольная сумма кадра, 32 бита

Формат кадра Wi-Fi

В зависимости от флагов “В распределенную систему” и “Из распределенной системы” назначение адресов меняется:

Режим работы	Значение “В распределенную систему”	Значение “Из распределенной системы”	Адрес 1	Адрес 2	Адрес 3	Адрес 4
Управляющие кадры	0	0	Адрес получателя	Адрес отправителя	Пусто	Пусто
Ad-Hoc	0	0	Адрес получателя	Адрес отправителя	Идентификатор сети	Пусто
Клиент -> Точка доступа	1	0	Адрес получающей точки доступа	Адрес конечного получателя	Адрес отправителя	Пусто
Точка доступа -> Клиент	0	1	Адрес конечного получателя	Адрес отправляющей точки доступа	Адрес исходного отправителя	Пусто
Беспроводной мост	1	1	Адрес получающей точки доступа	Адрес отправляющей точки доступа	Адрес конечного получателя	Адрес исходного отправителя

Источники: http://www.dcrwireless.com/2018/03/chapter-3-80211ac-frame-fields.html, https://en.wikipedia.org/wiki/802.11_frame_types

Так как сигнал Wi-Fi не ограничен средой, то для защиты данных используются следующие технологии:

WEP (Wired Equivalent Privacy)

Здесь используется симметричное шифрование. Ключ делится на секретную часть, 40 или 104 бита, известную пользователю, и вектором инициализации - 24 рандомных бита, которые открыто передаются в пакете

На основе ключа алгоритмом RC4 генерируется псевдослучайная последовательность, с которой берется побитовое исключающее ИЛИ с исходными данными

Сейчас WEP считается небезопасным, так как вектор инициализации слишком маленький, псевдослучайный, и WEP можно взломать с помощью статистики (например, с помощью программы WEPcrack)
WPA (Wi-Fi Protected Access) появился как временное решение для WEP. В нем используются протокол смены ключей TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), проверка целостности MIC (Message Integrity Check), размер вектора инициализации увеличивается

Авторизация происходит по мастер-ключу (Pairwise Master Key) от хеша пароля (от 8 до 63 символов) и 4-стороннему рукопожатию, в ходе которого происходит генерация сессионного ключа

Далее по сессионному ключу и 48-битному вектору инициализации (который является счетчиком пакетов) генерируется последовательность по алгоритму RC4, вычисляется код MIC и производится исключающее ИЛИ от пакета + MIC + вектор и сгенерированной последовательности

Также WPA реализует стандарт 802.1x IEEE 802.1x, основанный на протоколе EAP (Extensible Authentication Protocol), сервере доступа RADIUS (Remote Access Dial-in User Server) и протоколе защиты транспортного уровня TLS (Transport Layer Security)
WPA2 пришел как замена WPA и реализация стандарта IEEE 802.11i

В нем используется CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol). Пакеты шифруются с помощью потокового ассиметричного алгоритма AES (Advanced Encryption Standard)

Для каждого пакета генерируется 48-битный номер, на основе его, адресов и других пакетов генерируется поток для шифрования, вычисляется CBC-MAC, аналогичный MIC, а исходный пакет шифруется

Для авторизации используется 4-стороннее шифрование. Поддерживается 2 режима авторизации: с помощью общего пароля (WPA2-Personal) или с помощью логина/пароля или сертификата (WPA2-Enterprise) по стандарту IEEE 802.1x

This site is open source. Improve this page.