Что такое Вай-Фай и как он работает: для чайников

В современном мире сложно отыскать молодого человека, не пользующегося технологией Вай-Фай (Wi-Fi) для подключения к интернету. Понятие большинства потребителей этой технологии ограничивается лишь тем, что к беспроводной точке доступа (ТД) в виде чёрной коробки с лампочками может подключаться много смартфонов, планшетов и ноутбуков, соединение может защищаться паролем и имеет ограниченный радиус действия.

В рамках этой статьи мы постараемся устранить эти пробелы и расскажем об основах работы и построения беспроводных сетей.

Что такое Wi-Fi

Wi-Fi или Wireless Fidelity (значительная точность беспроводной передачи информации) – технология построения локальных сетей, где роль носителя сигнала (информации) выполняет сверхвысокочастотные электромагнитные волны в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Технология включает ряд стандартов обмена цифровой информацией по радиоканалам, развивающихся на протяжении более двух десятков лет. Это общепринятое понятие.

Правильнее будет: Wi-Fi – бренд альянса Wi-Fi Alliance – объединение крупных разработчиков компьютерной техники и оборудования для беспроводных сетей. Организация работает над развитием группы стандартов под названием 802.11, разработанных институтом IEEE, и сертификацией оборудования.

Как устроен и как работает Wi-Fi

Для передачи данных по беспроводной сети нужны 3 составляющих:

• Сама структуры сети;
• Носитель данных – радиосигналы;
• Формат, способ представления информации, алгоритмы её преобразования.

Самая простая структура представлена устройством с беспроводным модулем, которое обеспечивает возможность подключения клиентов к сети, и клиентским оборудованием.

К оборудованию с Wi-Fi относят: маршрутизаторы, точки доступа – беспроводные адаптеры, повторители, беспроводные мосты. Клиентские устройства – ноутбук, смартфон, планшет, внешние (USB) Wi-Fi-адаптеры и прочие портативные гаджеты.

Общая структура функционирования Wi-Fi сети

Для создания сетей в квартирах, домах, небольших офисах и предприятиях применяется преимущественно беспроводной маршрутизатор. В зависимости от возможностей самого девайса и прошивки он предоставляет ряд дополнительных функций вроде IPTV, ограничение пропускной способности для каждого клиента или их группы, организация локальной сети, удалённое управление.

Для информационного обмена посредством радиоволн применяется два частотных диапазона 2,4 ГГц и 5 ГГц.

Номера каналов и соответствующие им частоты 1 частотного диапазона

Первый (2,4 ГГц) разделён на 13 каналов шириной 22 МГц (от 2400 до 2484 ГГц) с шагом ~5 МГц между центральными частотами. Три канала, неперекрывающиеся (1, 6, 11) – не создают друг для друга помех.

Распределение каналов в диапазонах

Во втором диапазоне выделено две полосы: 5150-5350; 5650-6425 ГГц. Число и ширина каналов зависит преимущественно от страны и используемой спецификации 802.11. На повышенной частоте неперекрывающихся каналов, которые работают без взаимных помех, 20 штук.

Основные функции, характеристики Вай-Фай

Чаще всего Wi-Fi применяется для реализации следующих задач:

• беспроводное подключение пользователей к проводным сетям, преимущественно интернету;
• объединение нескольких подсетей в одну при невозможности или нежелательности использования кабельного соединения;
• подключение потребителей к беспроводным сетям интернет-провайдеров;
• удалённого управления электронными приборами, например, системой «умный дом»;
• предоставление доступа к интернету в общественных заведениях (библиотеки, общепит, гостиницы).

За время развития передачи цифровой информации по радиоканалам разработано и лицензировано более трёх десятков стандартов IEEE 802.11 для коммуникации в широком частотном диапазоне от 0,9 до 60 ГГц. К наиболее распространённым относятся:

• 11 – первый стандарт со скоростью до 1 Мбит/с;
• 11b – модифицированный предыдущий стандарт с шириной канала 5,5 и 11 Мбит/с. Первый широко распространённый стандарт, обладающий эффективным механизмом борьбы с сильными помехами и работы при слабом сигнале;
• 11a – обеспечивает максимальную теоретическую пропускную способность до 54 Мбит/с, стал первым, работающим на частоте 5 ГГц; она разгрузила диапазон 2,4 ГГц;
• 11g – высокоскоростной стандарт 802.11 b для диапазона 2,4 ГГц, скорость до 54 Мбит/с (возможно её повышение до 108 Мбит/с);
• 11n – оптимальный для бизнеса стандарт с поддержкой четырёх передатчиков, обеспечивает до 150 Мбит/с при одной антенне и до 600 Мбит/с при четырёх; обладает рядом физических технологий повышения производительности, например, формирование направленного луча;
• 11ac или Wi-Fi 5 – теоретически скорость достигает 6,7 Гбит/с при 8 антеннах;
• 11ax или Wi-Fi 6 – аналог предыдущего стандарта с увеличенной до 11 Гбит/с скоростью и дополнительными полосами частот в пределах 1…7 ГГц.

Алгоритмы защиты сети Wi-Fi

Перехватить данные в беспроводной сети проще, чем в проводной, поэтому Wi-Fi Alliance уделили много внимания механизмам защиты и целостности информации. Это протоколы WEP, CCMP и TKIP.

WEP – уязвимый криптографический алгоритм, где для шифрования и декодирования применяется один ключ. Его применение не желательно.

TKIP – усовершенствованный WEP, генерирующий ключи на этапе аутентификации. Из-за использования того же алгоритма шифрования, что и у предшественника, надёжностью не отличается.

CCMP – обязательный для современных устройств и основан на одном из режимов протокола AES. Обеспечивает целостность получаемой информации и её конфиденциальность. Для каждой сессии генерирует новый ключ.

Ныне в основном алгоритме применяется механизм защиты WPA2, где используется криптоустойчивый протокол CCMP и присутствует защита кадров управления (не только кадров данных).

Что такое Wi-Fi роутер и для чего он нужен

Роутер или маршрутизатор – прибор для организации сети, объединения различных сегментов уже существующей инфраструктуры. По адресу получателя, указанному в заголовке пакета (оформленному блоку данных передаваемому по сети), он определяет оптимальный путь к нему и отправляет данные. При отсутствии маршрута пакет сбрасывается. В быту применяется в качестве беспроводной точки доступа – организовывает общий доступ в интернет и локальные сети для быстрого обмена данными между клиентами (компьютер, телефон, планшет, ноутбук).

Наиболее популярные модели, маршрутизаторы от компании D-Link, оснащаются 1-8 LAN-интерфейсами для объединения локальных сетей и 1-2 WAN-портами для подключение локальных сетей (предприятий, организаций, домашних) к сетям провайдера.

Классический Wi-Fi роутер поставляется с 4-портовым коммутатором, WAN-интерфейсом и точкой доступа. Через неё клиенты обмениваются информацией и подключаются к распределительной системе – преимущественно проводному интернету, который поставляется от провайдера через Ethernet. Встречаются модели с USB для подключения сетевого принтера либо беспроводного модема.

Работают роутеры в одном (2,4 и 5 ГГц) или двух диапазонах. Некоторые модели способны одновременно функционировать в нескольких диапазонах, создавая две и более точек доступа. Отличия между маршрутизатором и точкой доступа:

• роутеры умеют объединять клиентов из разных сетей, точки доступа коммутируют устройства в пределах одной сети;
• передача пакетов роутерами основана на анализе IP, точки доступа работают с MAC-адресами;
• маршрутизаторы поддерживают трансляцию адресов – множество девайсов имеет один IP адрес для выхода в интернет;
• маршрутизаторы могут наделяться функциями брандмауэра и динамического присвоения IP-адресов.

Роутеры широко распространены при построении компьютерных сетей дома, на небольших предприятиях, в офисах, общественных заведениях, магазинах и т.д. Поддерживают возможности точки доступа.

Как настроить сеть Вай-Фай в доме

Для организации домашней сети и раздачи интернета, входящего по витой паре или оптоволокну, роутер необходимо правильно настроить.

✍ Подключение роутера

Сначала подключите сетевое устройство к ноутбуку или компьютеру.

1. В порт Power вставьте штекер от адаптера питания.
2. В разъём WAN – обжатый сетевой кабель от провайдера.
3. Один конец патч-корда (входящий в комплект поставки кусок обжатой с обеих сторон коннекторами витой пары) вставьте в любой LAN-интерфейс, второй – в соответствующее гнездо компьютера или ноутбука.

✍ Настройка

В принципе, после этого роутер будет раздавать интернет, осталось внести некоторые изменения в его конфигурацию. Попробуйте посетить несколько ресурсов, если они не загрузятся, в разделе «WAN» или «Интернет» нужно изменить протокол, на используемый провайдером, и ввести логин с паролем из договора с поставщиком услуг.

Консоль администрирования роутера от производителя Zyhel

1. 1. Откройте браузер и перейдите по адресу, указанному на наклейке, нанесённой на дно корпуса устройства. Обычно 192.198.0.1,  192.168.0.1 или 192.168.1.1.
   2. Введите указанные там же логин с паролем, чаще всего это слово «admin»

1. Посетите раздел «Сеть Wi‑Fi» (встречается «Беспроводной режим»).
2. Введите название сети, выберите стандарт 802.11.

Многие модели позволяют управлять мощностью сигнала, например, повышать её, если потребители находятся на границе радиуса распространения сигнала (зоны действия Wi-Fi) или за ней. Но, даже если роутер будет отправлять радиосигналы дальше привычного, смартфон сможет их принять, а вот мощности его беспроводного модуля для отправки сигналов обратно роутеру может не хватить.

5. Для двухдиапазонного маршрутизатора доступна опция выбора частотного диапазона, в котором заработает домашняя сеть. Некоторые модели позволяют создать сеть для каждого из диапазонов.
6. Выберите передовой режим шифрования данных «WPA2-PSK» и введите пароль для защиты подключения.
7. Желательно изменить логин и пароль для входа в веб-интерфейс настроек маршрутизатора в разделе с системными настройками.

Преимущества и недостатки Wi-Fi

К основным преимуществам Вай-Фая относят:

• скорость и экономичность организации общего доступа до интернета и локальной сети – не нужно прокладывать кабели;
• сеть легко расширяется насколько это позволяет ширина канала;
• огромное количество клиентов;
• совместимость оборудования различных производителей;
• мобильность – возможность перемещаться в пределах радиуса действия радиосигнала и между точками доступа без разрыва соединения;
• высокая скорость обмена данными;
• возможность создания небольших (домашних) локальных сетей.

Недостатки соединения:

• защищённость – многие точки доступа не шифруют трафик, а защищённые несложно взломать для перехвата данных;
• скорость сильно зависит от множества факторов: преград, помех, расстояния между устройствами;
• в диапазоне 2,4 ГГц работают десятки бытовых устройств, создающих помехи;
• ограниченный радиус действия, в зависимости от технологии, несколько десятков – и пара сотен метров;
• отрицательное влияние сверхвысокочастотного электромагнитного излучения на живую материю;
• перекрёстные помехи – излучения иных устройств, находящихся в радиусе действия, накладываются друг на друга, что отрицательно сказывается на скорости;
• нет чёткой границы распространения сигнала;
• преграды в виде стен, мебели, бытовых приборов и т.д. электромагнитные волны преодолевают проблематично, снижется стабильность и скорость соединения.

Как подключить устройство к Wi-Fi

Для коммутации беспроводного клиента с сетью клиент обязан пройти четыре состояния:

• начальное;
• аутентифицирован;
• аутентифицирован и ассоциирован (ожидание аутентификации RSN);
• все процедуры завершены успешно.

После 4-го этапа клиент сможет стать полноценным членом сети, передавать и принимать пакеты в ней.

✍ Сканирование

Частотные диапазоны разделены на каналы, и при включении точки доступа она отправляет сигнальные кадры во все поддерживаемые каналы со сведениями о своих возможностях, названием и скоростями. При активации Wi-Fi модуля на смартфоне он начинает сканировать каналы поддерживаемых частот на предмет сигнальных кадров и SSID – пассивное сканирование. При активном сканировании в каждый канал отправляются широковещательные пробные запросы.

Точка доступа отвечает на запрос при совпадении SSID. В ответе содержится информация о скорости, типе шифрования, уровне сигнала и прочих возможностях точки доступа.

✍ Аутентификация

Точка доступа сообщает рабочей станции об используемых криптографических методах, способах аутентификации. После выбора точки ей отправляется запрос на аутентификацию. Их схемы не описаны стандартом 802.11. Способ аутентификации зависит от типа передаваемой информации, требований к безопасности и конфиденциальности. Различают аутентификацию открытых систем и нулевую. Первая применяется для выхода в интернет в общественных местах – не нужно контролировать уровень доступа.

Процесс точка доступа может прервать по причине использования метода, отличного от аутентификации открытых систем.

✍ Ассоциация

После аутентификации отправляется запрос на ассоциацию. Если возможности клиентской станции совпадают с возможностями точки доступа, создаётся идентификатор ассоциации для ТД и ей посылается запрос ассоциации с кодом «успех». При проблемах код с состоянием ответа несёт в себе код ошибки.

Пользователю для подключения к сети Wi-Fi необходимо активировать радиомодуль на телефоне/ноутбуке и просканировать пространство на наличие сигнальных кадров. При обнаружении таких выбрать подходящую ТД и уставить с нею связь. Если соединение зашифровано, придётся ввести ключ, иначе авторизация завершится ошибкой.

Если маршрутизатор или точка доступа не вещает SSID, сеть нужно создать посредством ручного введения её идентификатора (названия) и пароля.

Для данного примера SSID сети — «TP-LINK»

Для упрощения процесса коммутации предусмотрен механизм WPS – W-Fi Protected Setup. Он исключает ввод пароля и поддерживает три методы настройки. PIN – для создания подключения нужно ввести персональный PIN-код.

PBC – обязательный механизм для роутеров и не обязательный для клиентов – заключается в нажатии кнопки «WPS» на роутере и клиентском устройстве для коммутации оборудования. Вследствие запускается процесс автоматической установки защищённого соединения.

NFC – подразумевает прямое подключение клиента к роутеру.

Заключение

Общепринятое понятие Wi-Fi, под которым принято подразумевать передачу цифровой информации по радиоканалам, не совсем верное. Под термином скрывается ряд технологий, решений и спецификаций, позволяющих организовывать, объединять, использовать и расширять беспроводные сети с применением различного оборудования, совместимого друг с другом. Они разрабатываются и совершенствуются ассоциацией крупных производителей компьютерной техники и сетевого оборудования.