آموزش شبكه های
بی سيم Wireless بخش2
امنیت و پروتکل WEP
از این قسمت بررسی روشها و استانداردهای امنسازی شبکههای محلی بیسیم مبتنی بر
استاندارد IEEE 802.11 را آغاز میکنیم. با طرح قابلیتهای امنیتی این استاندارد،
میتوان از محدودیتهای آن آگاه شد و این استاندارد و کاربرد را برای موارد خاص و
مناسب مورد استفاده قرار داد. استاندارد 802.11 سرویسهای مجزا و مشخصی را برای
تأمین یک محیط امن بیسیم در اختیار قرار میدهد. این سرویسها اغلب توسط پروتکل
WEP (Wired Equivalent Privacy) تأمین میگردند و وظیفهی آنها امنسازی ارتباط
میان مخدومها و نقاط دسترسی بیسیم است. درک لایهیی که این پروتکل به امنسازی آن
میپردازد اهمیت ویژهیی دارد، به عبارت دیگر این پروتکل کل ارتباط را امن نکرده و
به لایههای دیگر، غیر از لایهی ارتباطی بیسیم که مبتنی بر استاندارد 802.11 است،
کاری ندارد. این بدان معنی است که استفاده از WEP در یک شبکهی بیسیم بهمعنی
استفاده از قابلیت درونی استاندارد شبکههای محلی بیسیم است و ضامن امنیت کل
ارتباط نیست زیرا امکان قصور از دیگر اصول امنیتی در سطوح بالاتر ارتباطی وجود
دارد.
قابلیتها و ابعاد امنیتی استاندارد 802.11
در حال حاضر عملاً تنها پروتکلی که امنیت اطلاعات و ارتباطات را در شبکههای بیسیم
بر اساس استاندارد 802.11 فراهم میکند WEP است. این پروتکل با وجود قابلیتهایی که
دارد، نوع استفاده از آن همواره امکان نفوذ به شبکههای بیسیم را به نحوی، ولو سخت
و پیچیده، فراهم میکند. نکتهیی که باید بهخاطر داشت اینست که اغلب حملات موفق
صورت گرفته در مورد شبکههای محلی بیسیم، ریشه در پیکربندی ناصحیح WEP در شبکه
دارد. به عبارت دیگر این پروتکل در صورت پیکربندی صحیح درصد بالایی از حملات را
ناکام میگذارد، هرچند که فینفسه دچار نواقص و ایرادهایی نیز هست.
بسیاری از حملاتی که بر روی شبکههای بیسیم انجام میگیرد از سویی است که نقاط
دسترسی با شبکهی سیمی دارای اشتراک هستند. به عبارت دیگر نفوذگران بعضاً با
استفاده از راههای ارتباطی دیگری که بر روی مخدومها و سختافزارهای بیسیم،
خصوصاً مخدومهای بیسیم، وجود دارد، به شبکهی بیسیم نفوذ میکنند که این مقوله
نشان دهندهی اشتراکی هرچند جزءیی میان امنیت در شبکههای سیمی و بیسیمییست که
از نظر ساختاری و فیزیکی با یکدیگر اشتراک دارند.
سه قابلیت و سرویس پایه توسط IEEE برای شبکههای محلی بیسیم تعریف میگردد :
· Authentication
· Confidentiality
· Integrity
Authentication
هدف اصلی WEP ایجاد امکانی برای احراز هویت مخدوم بیسیم است. این عمل که در واقع
کنترل دسترسی به شبکهی بیسیم است. این مکانیزم سعی دارد که امکان اتصال
مخدومهایی را که مجاز نیستند به شبکه متصل شوند از بین ببرد.
Confidentiality
محرمانهگی هدف دیگر WEP است. این بُعد از سرویسها و خدمات WEP با هدف ایجاد
امنیتی در حدود سطوح شبکههای سیمی طراحی شده است. سیاست این بخش از WEP جلوگیری از
سرقت اطلاعات در حال انتقال بر روی شبکهی محلی بیسیم است.
Integrity
هدف سوم از سرویسها و قابلیتهای WEP طراحی سیاستی است که تضمین کند پیامها و
اطلاعات در حال تبادل در شبکه، خصوصاً میان مخدومهای بیسیم و نقاط دسترسی، در حین
انتقال دچار تغییر نمیگردند. این قابلیت در تمامی استانداردها، بسترها و شبکههای
ارتباطاتی دیگر نیز کموبیش وجود دارد.
خدمات ايستگاهی
بر اساس اين استاندارد خدمات خاصی در ايستگاههای كاری پيادهسازی میشوند. در
حقيقت تمام ايستگاههای كاری موجود در يك شبكه محلی مبتنی بر 802.11 و نيز نقاط
دسترسی موظف هستند كه خدمات ايستگاهی را فراهم نمايند. با توجه به اينكه امنيت
فيزيكی به منظور جلوگيری از دسترسی غير مجاز بر خلاف شبكههای سيمی، در شبكههای
بیسيم قابل اعمال نيست استاندارد 802.11 خدمات هويت سنجی را به منظور كنترل دسترسی
به شبكه تعريف مینمايد. سرويس هويت سنجی به ايستگاه كاری امكان میدهد كه ايستگاه
ديگری را شناسايی نمايد. قبل از اثبات هويت ايستگاه كاری، آن ايستگاه مجاز نيست كه
از شبكه بیسيم برای تبادل داده استفاده نمايد. در يك تقسيم بندی كلی 802.11 دو
گونه خدمت هويت سنجی را تعريف میكند:
- Open System Authentication
- Shared Key Authentication
روش اول، متد پيش فرض است و يك فرآيند دو مرحلهای است. در ابتدا ايستگاهی كه
میخواهد توسط ايستگاه ديگر شناسايی و هويت سنجی شود يك فريم مديريتی هويت سنجی
شامل شناسه ايستگاه فرستنده، ارسال میكند. ايستگاه گيرنده نيز فريمی در پاسخ
میفرستد كه آيا فرستنده را میشناسد يا خير. روش دوم كمی پيچيدهتر است و فرض
میكند كه هر ايستگاه از طريق يك كانال مستقل و امن، يك كليد مشترك سّری دريافت
كرده است. ايستگاههای كاری با استفاده از اين كليد مشترك و با بهرهگيری از
پروتكلی موسوم به WEP اقدام به هويت سنجی يكديگر مینمايند. يكی ديگر از خدمات
ايستگاهی خاتمه ارتباط يا خاتمه هويت سنجی است. با استفاده از اين خدمت، دسترسی
ايستگاهی كه سابقاً مجاز به استفاده از شبكه بوده است، قطع میگردد.
در يك شبكه بیسيم، تمام ايستگاههای كاری و ساير تجهيزات قادر هستند ترافيك
دادهای را "بشنوند" – در واقع ترافيك در بستر امواج مبادله میشود كه توسط تمام
ايستگاههای كاری قابل دريافت است. اين ويژگی سطح امنيتی يك ارتباط بیسيم را تحت
تأثير قرار میدهد. به همين دليل در استاندارد 802.11 پروتكلی موسوم به WEP تعبيه
شده است كه برروی تمام فريمهای داده و برخی فريمهای مديريتی و هويت سنجی اعمال
میشود. اين استاندارد در پی آن است تا با استفاده از اين الگوريتم سطح اختفاء
وپوشش را معادل با شبكههای سيمی نمايد.
Authentication
استاندارد 802.11 دو روش برای احراز هویت کاربرانی که درخواست اتصال به شبکهی
بیسیم را به نقاط دسترسی ارسال میکنند، دارد که یک روش بر مبنای رمزنگاریست و
دیگری از رمزنگاری استفاده نمیکند.
Authentication بدون رمزنگاری(Open System Authentication)
در روشی که مبتنی بر رمزنگاری نیست، دو روش برای تشخیص هویت مخدوم وجود دارد. در هر
دو روش مخدومِ متقاضی پیوستن به شبکه، درخواست ارسال هویت از سوی نقطهی دسترسی را
با پیامی حاوی یک SSID (Service Set Identifier) پاسخ میدهد.
در روش اول که به Open System Authentication موسوم است، یک SSID خالی نیز برای
دریافت اجازهی اتصال به شبکه کفایت میکند. در واقع در این روش تمامی مخدومهایی
که تقاضای پیوستن به شبکه را به نقاط دسترسی ارسال میکنند با پاسخ مثبت روبهرو
میشوند و تنها آدرس آنها توسط نقطهی دسترسی نگاهداری میشود. بههمین دلیل به
این روش NULL Authentication نیز اطلاق میشود.
در روش دوم از این نوع، بازهم یک SSID به نقطهی دسترسی ارسال میگردد با این تفاوت
که اجازهی اتصال به شبکه تنها در صورتی از سوی نقطهی دسترسی صادر میگردد که
SSIDی ارسال شده جزو SSIDهای مجاز برای دسترسی به شبکه باشند. این روش به Closed
System Authentication موسوم است.
نکتهیی که در این میان اهمیت بسیاری دارد، توجه به سطح امنیتیست که این روش در
اختیار ما میگذارد. این دو روش عملاً روش امنی از احراز هویت را ارایه نمیدهند و
عملاً تنها راهی برای آگاهی نسبی و نه قطعی از هویت درخواستکننده هستند. با این
وصف از آنجاییکه امنیت در این حالات تضمین شده نیست و معمولاً حملات موفق بسیاری،
حتی توسط نفوذگران کمتجربه و مبتدی، به شبکههایی که بر اساس این روشها عمل
میکنند، رخ میدهد، لذا این دو روش تنها در حالتی کاربرد دارند که یا شبکهیی در
حال ایجاد است که حاوی اطلاعات حیاتی نیست، یا احتمال رخداد حمله به آن بسیار کم
است. هرچند که با توجه پوشش نسبتاً گستردهی یک شبکهی بیسیم – که مانند شبکههای
سیمی امکان محدودسازی دسترسی به صورت فیزیکی بسیار دشوار است – اطمینان از شانس
پایین رخدادن حملات نیز خود تضمینی ندارد!
Authentication با رمزنگاری RC4
(shared key authentication )
این روش که به روش «کلید مشترک» نیز موسوم است، تکنیکی کلاسیک است که بر اساس آن،
پس از اطمینان از اینکه مخدوم از کلیدی سری آگاه است،
در این روش، نقطهی دسترسی (AP) یک رشتهی تصادفی تولید کرده و آنرا به مخدوم
میفرستد. مخدوم این رشتهی تصادفی را با کلیدی از پیش تعیین شده (که کلید WEP نیز
نامیده میشود) رمز میکند و حاصل را برای نقطهی دسترسی ارسال میکند. نقطهی
دسترسی به روش معکوس پیام دریافتی را رمزگشایی کرده و با رشتهی ارسال شده مقایسه
میکند. در صورت همسانی این دو پیام، نقطهی دسترسی از اینکه مخدوم کلید صحیحی را
در اختیار دارد اطمینان حاصل میکند. روش رمزنگاری و رمزگشایی در این تبادل روش RC4
است.
در این میان با فرض اینکه رمزنگاری RC4 را روشی کاملاً مطمئن بدانیم، دو خطر در
کمین این روش است :
الف) در این روش تنها نقطهی دسترسیست که از هویت مخدوم اطمینان حاصل میکند. به
بیان دیگر مخدوم هیچ دلیلی در اختیار ندارد که بداند نقطهی دسترسییی که با آن در
حال تبادل دادههای رمزیست نقطهی دسترسی اصلیست.
ب) تمامی روشهایی که مانند این روش بر پایهی سئوال و جواب بین دو طرف، با هدف
احراز هویت یا تبادل اطلاعات حیاتی، قرار دارند با حملاتی تحت عنوان
man-in-the-middle در خطر هستند. در این دسته از حملات نفوذگر میان دو طرف قرار
میگیرد و بهگونهیی هریک از دو طرف را گمراه میکند.
سرویس Privacy یا
confidentiality
این سرویس که در حوزههای دیگر امنیتی اغلب به عنوان Confidentiality از آن یاد
میگردد بهمعنای حفظ امنیت و محرمانه نگاهداشتن اطلاعات کاربر یا گرههای در حال
تبادل اطلاعات با یکدیگر است. برای رعایت محرمانهگی عموماً از تکنیکهای رمزنگاری
استفاده میگردد، بهگونهییکه در صورت شنود اطلاعات در حال تبادل، این اطلاعات
بدون داشتن کلیدهای رمز، قابل رمزگشایی نبوده و لذا برای شنودگر غیرقابل سوء
استفاده است.
در استاندارد 802.11b، از تکنیکهای رمزنگاری WEP استفاده میگردد که برپایهی RC4
است. RC4 یک الگوریتم رمزنگاری متقارن است که در آن یک رشتهی نیمه تصادفی تولید
میگردد و توسط آن کل داده رمز میشود. این رمزنگاری بر روی تمام بستهی اطلاعاتی
پیاده میشود. بهبیان دیگر دادههای تمامی لایههای بالای اتصال بیسیم نیز توسط
این روش رمز میگردند، از IP گرفته تا لایههای بالاتری مانند HTTP. از آنجایی که
این روش عملاً اصلیترین بخش از اعمال سیاستهای امنیتی در شبکههای محلی بیسیم
مبتنی بر استاندارد 802.11b است، معمولاً به کل پروسهی امنسازی اطلاعات در این
استاندارد بهاختصار WEP گفته میشود.
کلیدهای WEP اندازههایی از ۴۰ بیت تا ۱۰۴ بیت میتوانند داشته باشند. این کلیدها
با IV (مخفف Initialization Vector یا بردار اولیه ) ۲۴ بیتی ترکیب شده و یک کلید
۱۲۸ بیتی RC4 را تشکیل میدهند. طبیعتاً هرچه اندازهی کلید بزرگتر باشد امنیت
اطلاعات بالاتر است. تحقیقات نشان میدهد که استفاده از کلیدهایی با اندازهی ۸۰
بیت یا بالاتر عملاً استفاده از تکنیک brute-force را برای شکستن رمز غیرممکن
میکند. به عبارت دیگر تعداد کلیدهای ممکن برای اندازهی ۸۰ بیت (که تعدد آنها از
مرتبهی ۲۴ است) به اندازهیی بالاست که قدرت پردازش سیستمهای رایانهیی کنونی
برای شکستن کلیدی مفروض در زمانی معقول کفایت نمیکند.
هرچند که در حال حاضر اکثر شبکههای محلی بیسیم از کلیدهای ۴۰ بیتی برای رمزکردن
بستههای اطلاعاتی استفاده میکنند ولی نکتهیی که اخیراً، بر اساس یک سری آزمایشات
به دست آمده است، اینست که روش تأمین محرمانهگی توسط WEP در مقابل حملات دیگری،
غیر از استفاده از روش brute-force، نیز آسیبپذیر است و این آسیبپذیری ارتباطی به
اندازهی کلید استفاده شده ندارد.
Integrity
مقصود از Integrity صحت اطلاعات در حین تبادل است و سیاستهای امنیتییی که
Integrity را تضمین میکنند روشهایی هستند که امکان تغییر اطلاعات در حین تبادل را
به کمترین میزان تقلیل میدهند.
در استاندارد 802.11b نیز سرویس و روشی استفاده میشود که توسط آن امکان تغییر
اطلاعات در حال تبادل میان مخدومهای بیسیم و نقاط دسترسی کم میشود. روش مورد
نظر استفاده از یک کد CRC است. همانطور که در شکل قبل نیز نشان داده شده است، یک
CRC-32 قبل از رمزشدن بسته تولید میشود. در سمت گیرنده، پس از رمزگشایی، CRC
دادههای رمزگشایی شده مجدداً محاسبه شده و با CRC نوشته شده در بسته مقایسه
میگردد که هرگونه اختلاف میان دو CRC بهمعنای تغییر محتویات بسته در حین تبادل
است. متأسفانه این روش نیز مانند روش رمزنگاری توسط RC4، مستقل از اندازهی کلید
امنیتی مورد استفاده، در مقابل برخی از حملات شناخته شده آسیبپذیر است.
متأسفانه استاندارد 802.11b هیچ مکانیزمی برای مدیریت کلیدهای امنیتی ندارد و عملاً
تمامی عملیاتی که برای حفظ امنیت کلیدها انجام میگیرد باید توسط کسانی که شبکهی
بیسیم را نصب میکنند بهصورت دستی پیادهسازی گردد. از آنجایی که این بخش از
امنیت یکی از معضلهای اساسی در مبحث رمزنگاری است، با این ضعف عملاً روشهای
متعددی برای حمله به شبکههای بیسیم قابل تصور است. این روشها معمولاً بر سهل
انگاریهای انجامشده از سوی کاربران و مدیران شبکه مانند تغییرندادن کلید بهصورت
مداوم، لودادن کلید، استفاده از کلیدهای تکراری یا کلیدهای پیش فرض کارخانه و دیگر
بی توجهی ها نتیجه یی جز درصد نسبتاً بالایی از حملات موفق به شبکههای بیسیم
ندارد. این مشکل از شبکههای بزرگتر بیشتر خود را نشان میدهد. حتا با فرض تلاش
برای جلوگیری از رخداد چنین سهلانگاریهایی، زمانی که تعداد مخدومهای شبکه از
حدی میگذرد عملاً کنترلکردن این تعداد بالا بسیار دشوار شده و گهگاه خطاهایی در
گوشه و کنار این شبکهی نسبتاً بزرگ رخ می دهد که همان باعث رخنه در کل شبکه
میشود.
ضعفهای اولیهی امنیتی
WEP
در این قسمت به بررسی ضعفهای تکنیکهای امنیتی پایهی استفاده شده در این
استاندارد میپردازیم.
همانگونه که گفته شد، عملاً پایهی امنیت در استاندارد 802.11 بر اساس پروتکل WEP
استوار است. WEP در حالت استاندارد بر اساس کلیدهای ۴۰ بیتی برای رمزنگاری توسط
الگوریتم RC4 استفاده میشود، هرچند که برخی از تولیدکنندهگان نگارشهای خاصی از
WEP را با کلیدهایی با تعداد بیتهای بیشتر پیادهسازی کردهاند.
نکتهیی که در این میان اهمیت دارد قائل شدن تمایز میان نسبت بالارفتن امنیت و
اندازهی کلیدهاست. با وجود آن که با بالارفتن اندازهی کلید (تا ۱۰۴ بیت) امنیت
بالاتر میرود، ولی از آنجاکه این کلیدها توسط کاربران و بر اساس یک کلمهی عبور
تعیین میشود، تضمینی نیست که این اندازه تماماً استفاده شود. از سوی دیگر همانطور
که در قسمتهای پیشین نیز ذکر شد، دستیابی به این کلیدها فرایند چندان سختی نیست،
که در آن صورت دیگر اندازهی کلید اهمیتی ندارد.
متخصصان امنیت بررسیهای بسیاری را برای تعیین حفرههای امنیتی این استاندارد انجام
دادهاند که در این راستا خطراتی که ناشی از حملاتی متنوع، شامل حملات غیرفعال و
فعال است، تحلیل شده است.
حاصل بررسیهای انجام شده فهرستی از ضعفهای اولیهی این پروتکل است :
۱. استفاده از کلیدهای ثابت WEP
۲. Initialization Vector -IV
استفاده از کلیدهای ثابت WEP
یکی از ابتداییترین ضعفها که عموماً در بسیاری از شبکههای محلی بیسیم وجود دارد
استفاده از کلیدهای مشابه توسط کاربران برای مدت زمان نسبتاً زیاد است. این ضعف به
دلیل نبود یک مکانیزم مدیریت کلید رخ میدهد. برای مثال اگر یک کامپیوتر کیفی یا
جیبی که از یک کلید خاص استفاده میکند به سرقت برود یا برای مدت زمانی در دسترس
نفوذگر باشد، کلید آن بهراحتی لو رفته و با توجه به تشابه کلید میان بسیاری از
ایستگاههای کاری عملاً استفاده از تمامی این ایستگاهها ناامن است.
از سوی دیگر با توجه به مشابه بودن کلید، در هر لحظه کانالهای ارتباطی زیادی توسط
یک حمله نفوذپذیر هستند.
Initialization Vector - IV
این بردار که یک فیلد ۲۴ بیتی است در قسمت قبل معرفی شده است. این بردار به صورت
متنی ساده فرستاده می شود. از آنجاییکه کلیدی که برای رمزنگاری مورد استفاده قرار
میگیرد بر اساس IV تولید می شود، محدودهی IV عملاً نشاندهندهی احتمال تکرار آن
و در نتیجه احتمال تولید کلیدهای مشابه است. به عبارت دیگر در صورتی که IV کوتاه
باشد در مدت زمان کمی میتوان به کلیدهای مشابه دست یافت.
این ضعف در شبکههای شلوغ به مشکلی حاد مبدل میشود. خصوصاً اگر از کارت شبکهی
استفاده شده مطمئن نباشیم. بسیاری از کارتهای شبکه از IVهای ثابت استفاده میکنند
و بسیاری از کارتهای شبکهی یک تولید کنندهی واحد IVهای مشابه دارند. این خطر
بههمراه ترافیک بالا در یک شبکهی شلوغ احتمال تکرار IV در مدت زمانی کوتاه را
بالاتر میبرد و در نتیجه کافیست نفوذگر در مدت زمانی معین به ثبت دادههای رمز
شدهی شبکه بپردازد و IVهای بستههای اطلاعاتی را ذخیره کند. با ایجاد بانکی از
IVهای استفاده شده در یک شبکهی شلوغ احتمال بالایی برای نفوذ به آن شبکه در مدت
زمانی نه چندان طولانی وجود خواهد داشت.
ضعف در الگوریتم
از آنجاییکه IV در تمامی بستههای تکرار میشود و بر اساس آن کلید تولید میشود،
نفوذگر میتواند با تحلیل و آنالیز تعداد نسبتاً زیادی از IVها و بستههای رمزشده
بر اساس کلید تولید شده بر مبنای آن IV، به کلید اصلی دست پیدا کند. این فرایند
عملی زمان بر است ولی از آنجاکه احتمال موفقیت در آن وجود دارد لذا به عنوان ضعفی
برای این پروتکل محسوب میگردد.
استفاده از CRC رمز نشده
در پروتکل WEP، کد CRC رمز نمیشود. لذا بستههای تأییدی که از سوی نقاط دسترسی
بیسیم بهسوی گیرنده ارسال میشود بر اساس یک CRC رمزنشده ارسال میگردد و تنها در
صورتی که نقطهی دسترسی از صحت بسته اطمینان حاصل کند تأیید آن را میفرستد. این
ضعف این امکان را فراهم میکند که نفوذگر برای رمزگشایی یک بسته، محتوای آن را
تغییر دهد و CRC را نیز به دلیل این که رمز نشده است، بهراحتی عوض کند و منتظر
عکسالعمل نقطهی دسترسی بماند که آیا بستهی تأیید را صادر می کند یا خیر.
ضعفهای بیان شده از مهمترین ضعفهای شبکههای بیسیم مبتنی بر پروتکل WEP هستند.
نکتهیی که در مورد ضعفهای فوق باید به آن اشاره کرد این است که در میان این
ضعفها تنها یکی از آنها (مشکل امنیتی سوم) به ضعف در الگوریتم رمزنگاری باز
میگردد و لذا با تغییر الگوریتم رمزنگاری تنها این ضعف است که برطرف میگردد و
بقیهی مشکلات امنیتی کماکان به قوت خود باقی هستند.
ويژگیهای سيگنالهای
طيف گسترده
عبارت طيف گسترده به هر تكنيكی اطلاق میشود كه با استفاده از آن پهنای باند سيگنال
ارسالی بسيار بزرگتر از پهنای باند سيگنال اطلاعات باشد. يكی از سوالات مهمی كه با
در نظر گرفتن اين تكنيك مطرح میشود آن است كه با توجه به نياز روز افزون به پهنای
باند و اهميت آن به عنوان يك منبع با ارزش، چه دليلی برای گسترش طيف سيگنال و مصرف
پهنای باند بيشتر وجود دارد. پاسخ به اين سوال در ويژگیهای جالب توجه سيگنالهای
طيف گسترده نهفته است. اين ويژگیهای عبارتند از:
- پايين بودن توان چگالی طيف به طوری كه سيگنال اطلاعات برای شنود غير مجاز و نيز
در مقايسه با ساير امواج به شكل اعوجاج و پارازيت به نظر میرسد.
- مصونيت بالا در مقابل پارازيت و تداخل
- رسايی با تفكيك پذيری و دقت بالا
- امكان استفاده در CDMA
مزايای فوق كميسيون FCC را بر آن داشت كه در سال 1985 مجوز استفاده از اين
سيگنالها را با محدوديت حداكثر توان يك وات در محدوده ISM صادر نمايد.
سيگنالهای طيف گسترده با جهش فركانسی
در يك سيستم مبتنی بر جهش فركانسی، فركانس سيگنال حامل به شكلی شبه تصادفی و تحت
كنترل يك تركيب كننده تغيير میكند.
در اين شكل سيگنال اطلاعات با استفاده از يك تسهيم كننده ديجيتال و با استفاده از
روش تسهيم FSK تلفيق میشود. فركانس سيگنال حامل نيز به شكل شبه تصادفی از محدوده
فركانسی بزرگتری در مقايسه با سيگنال اطلاعات انتخاب میشود. با توجه به اينكه
فركانسهای pn-code با استفاده از يك ثبات انتقالی همراه با پس خور ساخته میشوند،
لذا دنباله فركانسی توليد شده توسط آن كاملا تصادفی نيست و به همين خاطر به اين
دنباله، شبه تصادفی میگوييم.
بر اساسی مقررات FCC و سازمانهای قانون گذاری، حداكثر زمان توقف در هر كانال
فركانسی 400 ميلی ثانيه است كه برابر با حداقل 2.5 جهش فركانسی در هر ثانيه خواهد
بود. در استاندارد 802.11 حداقل فركانس جهش در آمريكای شمالی و اروپا 6 مگاهرتز و
در ژاپن 5 مگاهرتز میباشد.
سيگنالهای طيف گسترده با توالی مستقيم
اصل حاكم بر توالی مستقيم، پخش يك سيگنال برروی يك باند فركانسی بزرگتر از طريق
تسهيم آن با يك امضاء يا كُد به گونهای است كه نويز و تداخل را به حداقل برساند.
برای پخش كردن سيگنال هر بيت واحد با يك كُد تسهيم میشود. در گيرنده نيز سيگنال
اوليه با استفاده از همان كد بازسازی میگردد. در استاندارد 802.11 روش مدولاسيون
مورد استفاده در سيستمهای DSSS روش تسهيم DPSK است. در اين روش سيگنال اطلاعات به
شكل تفاضلی تهسيم میشود. در نتيجه نيازی به فاز مرجع برای بازسازی سيگنال وجود
ندارد.
از آنجا كه در استاندارد 802.11 و سيستم DSSS از روش تسهيم DPSK استفاده میشود،
دادههای خام به صورت تفاضلی تسهيم شده و ارسال میشوند و در گيرنده نيز يك آشكار
ساز تفاضلی سيگنالهای داده را دريافت میكند. در نتيجه نيازی به فاز مرجع برای
بازسازی سيگنال وجود ندارد. در روش تسهيم PSK فاز سيگنال حامل با توجه به الگوی
بيتی سيگنالهای داده تغيير میكند. به عنوان مثال در تكنيك QPSK دامنه سيگنال حامل
ثابت است ولی فاز آن با توجه به بيتهای داده تغيير میكند.
در الگوی مدولاسيون QPSK چهار فاز مختلف مورد استفاده قرار میگيرند و چهار نماد را
پديد میآورند. واضح است كه در اين روش تسهيم، دامنه سيگنال ثابت است. در روش تسهيم
تفاضلی سيگنال اطلاعات با توجه به ميزان اختلاف فاز و نه مقدار مطلق فاز تسهيم و
مخابره میشوند. به عنوان مثال در روش pi/4-DQPSK، چهار مقدار تغيير فاز 3pi/4- ،
3pi/4، pi/4، و-pi/4 است. با توجه به اينكه در روش فوق چهار تغيير فاز به كار رفته
است لذا هر نماد میتواند دو بيت را كُدگذاری نمايد.
در روش تسهيم طيف گسترده با توالی مستقيم مشابه تكنيك FH از يك كد شبه تصادفی برای
پخش و گسترش سيگنال استفاده میشود. عبارت توالی مستقيم از آنجا به اين روش اطلاق
شده است كه در آن سيگنال اطلاعات مستقيماً توسط يك دنباله از كدهای شبه تصادفی
تسهيم میشود. در اين تكنيك نرخ بيتی شبه كُد تصادفی، نرخ تراشه ناميده میشود. در
استاندارد 802.11 از كُدی موسوم به كُد باركر برای توليد كدها تراشه سيستم DSSS
استفاده میشود. مهمترين ويژگی كدهای باركر خاصيت غير تناوبی و غير تكراری آن است
كه به واسطه آن يك فيلتر تطبيقی ديجيتال قادر است به راحتی محل كد باركر را در يك
دنباله بيتی شناسايی كند.
در تكنيك DSSS كه در استاندارد 802.11 مورد استفاده قرار میگيرد، از كد باركر با
طول 11 (N=11) استفاده میشود. اين كد به ازاء يك نماد، شش مرتبه تغيير فاز میدهد
و اين بدان معنی است كه سيگنال حامل نيز به ازاء هر نماد 6 مرتبه تغيير فاز خواهد
داد.
لازم به يادآوری است كه كاهش پيچيدگی سيستم ناشی از تكنيك تسهيم تفاضلی DPSK به
قيمت افزايش نرخ خطای بيتی به ازاء يك نرخ سيگنال به نويز ثابت و مشخص است.
استفاده مجدد از فركانس
يكی از نكات مهم در طراحی شبكههای بیسيم، طراحی شبكه سلولی به گونهای است كه
تداخل فركانسی را تا جای ممكن كاهش دهد.
طراحی شبكه سلولي
در اين طراحی به هريك از سلولهای همسايه يك كانال متفاوت اختصاص داده شده است
و به اين ترتيب تداخل فركانسی بين سلولهای همسايه به حداقل رسيده است. اين تكنيك
همان مفهومی است كه در شبكه تلفنی سلولی يا شبكه تلفن همراه به كار میرود. نكته
جالب ديگر آن است كه اين شبكه سلولی به راحتی قابل گسترش است. خوانندگان علاقمند
میتوانند دايرههای جديد را در چهار جهت شبكه سلولی شكل فوق با فركانسهای متمايز
F1,F2,F3 ترسيم و گسترش دهند.
مقایسه مدلهای 802.11
استاندارد 802.11b
همزمان با برپايی استاندارد IEEE 802.11b يا به اختصار .11b در سال 1999، انجمن
مهندسين برق و الكترونيك تحول قابل توجهی در شبكه سازیهای رايج و مبتنی بر اترنت
ارائه كرد. اين استاندارد در زير لايه دسترسی به رسانه از پروتكل CSMA/CA سود
میبرد. سه تكنيك راديويی مورد استفاده در لايه فيزيكی اين استاندارد به شرح زير
است:
- استفاده از تكنيك راديويی DSSS در باند فركانسی 2.4GHz به همراه روش مدولاسيون
CCK
- استفاده از تكنيك راديويی FHSS در باندفركانسی 2.4 GHz به همراه روش مدولاسيون
CCK
- استفاده از امواج راديويی مادون قرمز
در استاندار 802.11 اوليه نرخهای ارسال داده 1 و 2 مگابيت در ثانيه است. در حالی
كه در استاندارد 802.11b با استفاده از تكنيك CCK و روش تسهيم QPSK نرخ ارسال داده
به 5.5 مگابيت در ثانيه افزايش میيابد همچنين با به كارگيری تكنيك DSSS نرخ ارسال
داده به 11 مگابيت در ثانيه میرسد.
به طور سنتی اين استاندادر از دو فنّاوری DSSS يا FHSS استفاده میكند. هر دو روش
فوق برای ارسال داده با نرخ های 1 و 2 مگابيت در ثانيه مفيد هستند.
در ايالات متحده آمريكا كميسيون فدرال مخابرات يا FCC، مخابره و ارسال فركانس های
راديويی را كنترل میكند. اين كميسيون باند فركانس خاصی موسوم به ISM را در محدوده
2.4 GHz تا 2.4835 GHz برای فنّاوریهای راديويی استاندارد IEEE 802.11b اختصاص
داده است.
اثرات فاصله
فاصله از فرستنده برروی كارايی و گذردهی شبكههای بیسيم تاثير قابل توجهی دارد.
فواصل رايج در استاندارد 802.11 با توجه به نرخ ارسال داده تغيير میكند و به طور
مشخص در پهنای باند 11 Mbps اين فاصله 30 تا 45 متر و در پهنای باند 5.5 Mbps، 40
تا 45 متر و در پهنای باند 2 Mbps ، 75 تا 107 متر است. لازم به يادآوری است كه اين
فواصل توسط عوامل ديگری نظير كيفيت و توان سيگنال، محل استقرار فرستنده و گيرند و
شرايط فيزيكی و محيطی تغيير میكنند.
در استاندارد 802.11b پروتكلی وجود دارد كه گيرنده بسته را ملزم به ارسال بسته
تصديق مینمايد (رجوع كنيد به بخش 2-4 دسترسی به رسانه). توجه داشته باشيد كه اين
مكانيزم تصديق علاوه بر مكانيزمهای تصديق رايج در سطح لايه انتقال (نظير آنچه در
پروتكل TCP اتفاق میافتد) عمل میكند. در صورتی كه بسته تصديق ظرف مدت زمان مشخصی
از طرف گيرنده به فرستنده نرسد، فرستنده فرض میكند كه بسته از دست رفته است و
مجدداً آن بسته را ارسال میكند. در صورتی كه اين وضعيت ادامه يابد نرخ ارسال داده
نيز كاهش میيابد (Fall Back) تا در نهايت به مقدار 1 Mpbs برسد. در صورتی كه در
اين نرخ حداقل نيز فرستنده بستههای تصديق را در زمان مناسب دريافت نكند ارتباط
گيرنده را قطع شده تلقی كرده و ديگر بستهای را برای آن گيرنده ارسال نمیكند. به
اين ترتيب فاصله نقش مهمی در كارايی (ميزان بهرهوری از شبكه) و گذردهی (تعداد بسته
های غيرتكراری ارسال شده در واحد زمان) ايفا میكند.
پل بين شبكهای
بر خلاف انتظار بسياری از كارشناسان شبكههای كامپيوتری، پل بين شبكهای يا
Bridging در استاندارد 802.11b پوشش داده نشده است . در پل بين شبكهای امكان اتصال
نقطه به نقطه (و يا يك نقطه به چند نقطه) به منظور برقراری ارتباط يك شبكه محلی با
يك يا چند شبكه محلی ديگر فراهم میشود. اين كاربرد به خصوص در مواردی كه بخواهيم
بدون صرف هزينه كابل كشی (فيبر نوری يا سيم مسی) شبكه محلی دو ساختمان را به يكديگر
متصل كنيم بسيار جذاب و مورد نياز میباشد. با وجود اينكه استاندارد 802.11b اين
كاربرد را پوشش نمیدهد ولی بسياری از شركتها پيادهسازیهای انحصاری از پل بیسيم
را به صورت گسترش و توسعه استاندارد 802.11b ارائه كردهاند. پلهای بیسيم نيز
توسط مقررات FCC كنترل میشوند و گذردهی مؤثر يا به عبارت ديگر توان مؤثر ساطع شده
همگرا (EIRP) در اين تجهيزات نبايد از 4 وات بيشتر باشد. بر اساس مقررات FCC توان
سيگنالهای ساطع شده در شبكههای محلی نيز نبايد از 1 وات تجاوز نمايد.
پديده چند مسيری
در اين پديده مسير و زمان بندی سيگنال در اثر برخورد با موانع و انعكاس تغيير
میكند. پياده سازیهای اوليه از استاندارد 802.11b از تكنيك FHSS در لايه فيزيكی
استفاده میكردند. از ويژگیهای قابل توجه اين تكنيك مقاومت قابل توجه آن در برابر
پديده چند مسيری است. در اين تكنيك از كانال های متعددی (79 كانال) با پهنای باند
نسبتاً كوچك استفاده شده و فرستنده و گيرنده به تناوب كانال فركانسی خود را تغيير
میدهند. اين تغيير كانال هر 400 ميلی ثانيه بروز میكند لذا مشكل چند مسيری به شكل
قابل ملاحظهای منتفی میشود. زيرا گيرنده، سيگنال اصلی (كه سريعتر از سايرين
رسيده و عاری از تداخل است) را دريافت كرده و كانال فركانسی خود را عوض میكند و
سيگنالهای انعكاسی زمانی به گيرنده میرسد كه گيرنده كانال فركانسی قبلی خود را
عوض كرده و در نتيجه توسط گيرنده احساس و دريافت نمیشوند.
استاندارد 802.11a
استاندارد 802.11a، از باند راديويی جديدی برای شبكههای محلی بیسيم استفاده
میكند و پهنای باند شبكههای بیسيم را تا 54 Mbps افزايش میدهد. اين افزايش قابل
توجه در پهنای باند مديون تكنيك مدولاسيونی موسوم به OFDM است. نرخهای ارسال داده
در استاندارد IEEE 802.11a عبارتند از:6,9,12,18,24,36,48,54 Mbps كه بر اساس
استاندارد، پشتيبانی از سرعت های 6,12,24 مگابيت در ثانيه اجباری است. برخی از
كارشناسان شبكههای محلی بیسيم، استاندارد IEEE 802.11aرا نسل آينده IEEE
802.11تلقی میكنند و حتی برخی از محصولات مانند تراشههای Atheros وكارتهای شبكه
PCMCIA/Cardbus محصول Card Access Inc. استاندارد IEEE 802.11a را پيادهسازی
كردهاند. بدون شك اين پهنای باند وسيع و نرخ داده سريع محدوديتهايی را نيز به
همراه دارد. در واقع افزايش پهنای باند در استاندارد IEEE 802.11a باعث شده است كه
محدوده عملياتی آن در مقايسه با IEEE 802.11/b كاهش يابد. علاوه بر آن به سبب
افزايش سربارهای پردازشی در پروتكل، تداخل، و تصحيح خطاها، پهنای باند واقعی به
مراتب كمتر از پهنای باند اسمی اين استاندارد است. همچنين در بسياری از كاربردها
امكان سنجی و حتی نصب تجهيزات اضافی نيز مورد نياز است كه به تبع آن موجب افزايش
قيمتِ زيرساختارِ شبكه بیسيم میشود. زيرا محدوده عملياتی در اين استاندارد كمتر
از محدوده عملياتی در استاندارد IEEE 802.11b بوده و به همين خاطر به نقاط دسترسی
يا ايستگاه پايه بيشتری نياز خواهيم داشت كه افزايش هزينه زيرساختار را به دنبال
دارد. اين استاندارد از باند فركانسی خاصی موسوم به UNII استفاده میكند. اين باند
فركانسی به سه قطعه پيوسته فركانسی به شرح زير تقسيم میشود:
UNI-1@5.2 GHZ
UNI-2@5.7 GHZ
UNI-3@5.8 GHZ
يكی از تصورات غلط در زمينه استانداردهای 802.11 اين باور است كه 802.11a قبل از
802.11b مورد بهره برداری واقع شده است. در حقيقت 802.11b نسل دوم استانداردهای
بیسيم (پس از 802.11)است و 802.11a نسل سوم از اين مجموعه استاندارد به شمار
میرود. استاندارد 802.11a برخلاف ادعای بسياری از فروشندگان تجهيزات بیسيم
نمیتواند جايگزين 802.11b شود زيرا لايه فيزيكی مورد استفاده در هريك تفاوت اساسی
با ديگری دارد. از سوی ديگر گذردهی (نرخ ارسال داده) و فواصل در هريك متفاوت است.
اين سه ناحيه كاری 12 كانال فركانسی را فراهم میكنند. باند UNII-1 برای كاربردهای
فضای بسته، باند UNII-2 برای كاربردهای فضای بسته و باز، و باند UNII-3 برای
كاربردهای فضای باز و پل بين شبكهای به كار برده میشوند. اين نواحی فركانسی در
ژاپن نيز قابل استفاده هستند. اين استاندارد در حال حاضر در قارهاروپا قابل استفاده
نيست. در اروپا HyperLAN2برای شبكههای بیسيم مورد استفاده قرار میگيرد كه به طور
مشابه از باند فركانسی 802.11aاستفاده میكند. يكی از نكات جالب توجه در استاندارد
802.11a تعريف كاربردهای پل سازی شبكهای در كاربردهای داخلی و فضای باز است. در
واقع اين استاندارد مقررات لازم برای پل سازی و ارتباط بين شبكهای از طريق پل را
در كاربردهای داخلی و فضای باز فراهم مینمايد. در يكی تقسيم بندی كلی میتوان
ويژگی ها و مزايای 802.11a را در سه محور زير خلاصه نمود.
- افزايش در پهنای باند در مقايسه با استاندارد 802.11b (در استاندارد 802.11a
حداكثر پهنای باند 54 Mbps) میباشد.
- استفاده از طيف فركانسی خلوت (باند فركانسی 5 GHz)
استفاده از 12 كانال فركانسی غيرپوشا (سه محدودهفركانسی كه در هريك 4 كانال غيرپوشا
وجود دارد)
افزايش پهنای باند
استاندارد 802.11a در مقايسه با 802.11b و پهنای باند 11 Mbps حداكر پهنای باند 54
Mbps را فراهم میكند. مهمترين عامل افزايش قابل توجه پهنای باند در اين استاندارد
استفاده از تكنيك پيشرفته مدولاسيون، موسوم به OFDM است. تكنيكOFDM يك تكنولوژی
(فنـّاوری) تكامل يافته و بالغ در كاربردهای بیسيم به شمار میرود. اين تكنولوژی
مقاومت قابل توجهی در برابر تداخل راديويی داشته و تأثير كمتری از پديده چند مسيری
میپذيرد. OFDM تحت عناوين مدولاسيون چند حاملی و يا مدولاسيون چندآهنگی گسسته نيز
شناخته میشود. اين تكنيك مدولاسيون علاوه بر شبكههای بیسيم در تلويزيونهای
ديجيتال (در اروپا، ژاپن، و استراليا) و نيز به عنوان تكنولوژی پايه در خطوط
مخابراتی ADSL مورد استفاده قرار میگيرد. آندرو مك كورميك Andrew McCormik از
دانشگاه ادينبورو نمايش محاورهای جالبی از اين فناوری گردآوری كرده كه در نشانی
http://www.ee.ed.ac.uk/~acmc/OFDMTut.html قابل مشاهده است.
تكنيك OFDM از روش QAM و پردازش سيگنالهای ديجيتال استفاده كرده و سيگنال داده را
با فركانسهای دقيق و مشخصی تسهيم میكند. اين فركانسها به گونه ای انتخاب میشوند
كه خاصيت تعامد را فراهم كنند و به اين ترتيب عليرغم همپوشانی فركانسی هر يك از
فركانس های حامل به تنهايی آشكار میشوند و نيازی به باند محافظت برای فاصله گذاری
بين فركانسها نيست. برای كسب اطلاعات بيشتر در خصوص اين تكنيك میتوانيد به نشانی
زير مراجعه نماييد:
http://wireless.per.nl/telelearn/ofdm
در كنار افزايش پهنای باند در اين استاندارد فواصل مورد استفاده نيز كاهش میيابند.
در واقع باند فركانسی 5 GHz تقريباً دوبرابر باند فركانسی ISM (2.4 GHz) است كه در
استاندارد802.11b مورد استفاده قرار میگيرد. محدوده موثر در اين استاندارد با توجه
به سازندگان تراشههای بیسيم متفاوت و متغير است ولی به عنوان يك قاعده سرراست
میتوان فواصل در اين استاندارد را يك سوم محدوده فركانسی 2.4 GHz (802.11b) در نظر
گرفت. در حال حاضر محدوده عملياتی (فاصله از فرستنده) در محصولات مبتنی بر 802.11a
و پهنای باند 54 Mbps در حدود 10 تا 15 متر است. اين محدوده در پهنای باند6 Mbps در
حدود 61 تا 84 متر افزايش میيابد.
طيف فركانسی تميزتر
طيف فركانسی UNII در مقايسه با طيف ISM خلوتتر است و كاربرد ديگری برای طيف UNII
به جز شبكههای بیسيم تعريف و تخصيص داده نشده است. در حالی كه در طيف فركانسی ISM
تجهيزات بیسيم متعددی نظير تجهيزات پزشكی، اجاق های مايكروويو، تلفنهای بیسيم و
نظاير آن وجود دارند. اين تجهيزات بیسيم در باند 2.4 GHz يا طيف ISM هيچگونه
تداخلی با تجهيزات باند UNII (تجهيزات بیسيم 802.11a) ندارند.
كانالهای غيرپوشا
باند فركانسی UNII ، دوازده كانال منفرد و غير پوشای فركانسی را برای شبكه سازی
فراهم میكند. از اين 12 كانال 8 كانال مشخص (UNII-1 , 2) در شبكههای محلی بیسيم
مورد استفاده قرار میگيرند. اين ويژگی غيرپوشايی گسترش و پياده سازی شبكههای
بیسيم را سادهتر از باند ISM میكند كه در آن تنها 3 كانال غير پوشا از مجموع 11
كانال وجود دارد.
همكاری Wi-Fi
ائتلاف "همكاری اتِرنت بیسيم" يا WECA )http://www.wi-fi.org)
كنسرسيومی از شركتهای Cisco, 3Com, Enterasys, Lucent و ساير شركتهای شبكهسازی
است. اعضاء WECA از طريق همكاری مشترك تلاش دارند تا قابليت همكاری تجهيزات بیسيم
با يكديگر را تضمين نمايند. برنامه گواهينامه Wi-Fi كه توسط اين گروه مطرح شده است
نقش كليدی در گسترش و پذيرش استاندارد IEEE 802.11 ايفا میكند. در حال حاضر اين
ائتلاف برای بيش از 100 محصول گواهی سازگاری Wi-Fi صادر كرده است و تعداد اين
محصولات رو به افزايش است. با گسترش فزآينده محصولات IEEE 802.11a، WECAبرنامه
ديگری برای صدور گواهينامه برای اين نوع محصولات نيز ارائه میكند.
استاندارد بعدی IEEE 802.11g
اين استاندارد مشابه IEEE 802.11b از باند فركانسی 2.4 GHz (يا طيف ISM)
استفاده میكند و از تكنيك OFDM به عنوان روش مدولاسيون بهره میبرد. البته PBCC
نيز يكی از روشهای جايگزين و تحت بررسی برای انتخاب تكنيك مدولاسيون در اين
استاندارد به شمار میرود. 802.11g از نظر فركانسی، تعداد كانال های غيرپوشا، و
توان مشابه 802.11b است. محدودههای عملياتی نيز كم و بيش مشابه هستند با اين تفاوت
كه حساسيت OFDM به نويز تاحدودی اين محدوده عملياتی را كاهش میدهد. پهنای باند 54
Mbps يكی از اهداف احتمالی اين استاندارد جديد به شمار میرود. يكی ديگر از مزايای
جالب توجه 802.11g سازگاری با 802.11b است. در نتيجه ارتقاء از تجهيزات 802.11b به
استاندارد جديد 802.11g امری سرراست خواهد بود.
--> بخش اول
منبع:
www.barnamenevis.org
نویسنده:
zolghadri
| 
