شبکه‌های بی‌سیم

گستره دانش آکادمی تخصصی آی تی در مشهد دوره های تخصصی سیسکو مایکروسافت امنیت لینوکس برنامه نویسی وب اندروید

عصر شبکه : رؤیاهای انسان حد و مرز ندارد. تحقق یک رؤیا، نقطه تولد رؤیای دیگری است و دستیابی به یک فناوری، به معنای شروع تلاش برای دستیابی به یک فناوری دیگر است. هنگامی که استاندارد ۸۰۲٫۱۱n منتشر شد و بسیاری تجهیزات شبکه‌های بی‌سیم به آن مجهز شدند و رؤیای سرعت سیصد‌مگابیت بر‌ثانیه تحقق یافت، انقلابی در شبکه‌های وای‌فای به وجود آورد و احساس می‌شد که تا مدت‌ها این سرعت پاسخ‌گوی نیاز کاربران خواهد بود، اما خیلی زود تلاش‌ها و تکاپوها برای رسیدن به سرعت بیشتر شروع شد و ترفندهایی مانند استفاده از فناوری‌ MIMO (چند ورودی-چند خروجی) و دستیابی به سرعت ششصد مگابیت بر ثانیه نیز نتوانست مانع تولد یک رؤیای جدید شود: رؤیای وای‌فای گیگابیتی.

سرعت؛ هدف مشترک
افزایش حجم اطلاعات در قالب‌های مختلفی مانند صوت، تصویر، ویدیو، استریم و ایجاد شبکه‌های مبتنی بر سرویس‌های مالتی‌مدیا و مدیاسنتر نیاز به سرعت بیشتر را روی شبکه‌های بی‌سیم ایجاد کردند. به طوری که در عمل تجهیزات با سرعت‌های اسمی ۳۶۰ مگابیت بر ثانیه جوابگو نیستند و باید در کنار آن‌ها انواع تقویت‌کننده‌ها، سرویس‌های مبتنی بر کیفیت یا QoS (سرنام Quality of Service) و تجهیزات شبکه‌های کابلی مانند روترها به‌کار گرفته شوند. بنابراین، خیلی زود گروه‌هایی در Wi-Fi Alliance، مؤسسه توسعه استاندارد ۸۰۲٫۱۱ تشکیل شد تا روی استاندارد ۸۰۲٫۱۱WG کار کنند. WG مخفف دو عبارت Wireless و Gigabit است. پس از مدتی دو گروه با یک هدف، اما با نقشه راه متفاوت از هسته نخستین منشعب‌شدند و تحقیق و توسعه دو استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac و ۸۰۲٫۱۱ad را شروع‌کردند.
هدف هر دو گروه یک چیز مشخص‌است: دستیابی به سرعت‌های گیگابیتی روی شبکه‌های وای‌فای تحت استاندارد ۸۰۲٫۱۱، اما مکانیزم‌های پیشنهادی این دو گروه متفاوت است. در واقع، محوریت تفاوت این دو در استفاده از فرکانس کاری و تعداد کانال‌های ارتباطی است. فرکانس هوایی در شبکه‌های بی‌سیم نقش تعیین‌کننده‌ای دارد و عامل اصلی افزایش سرعت محسوب می‌شود. استانداردهای ۸۰۲٫۱۱b/g از فرکانس کاری ۲,۴ گیگاهرتز استفاده‌می‌کردند و کانال‌های ارتباطی به چهارده باند تعریف شده، محدود می‌شد. استاندارد ۸۰۲٫۱۱n مبنای خود را بر استفاده از فرکانس پنج گیگاهرتز و نزدیک به سیصد کانال ارتباطی قرار داد و توانست سرعت را از ۵۴ مگابیت بر ثانیه به سیصد و بعدها با فناوری MIMO به ششصد مگابیت بر ثانیه برساند. در حقیقت، افزایش فرکانس کاری و گسترده‌شدن محدوده پوشش‌دهی نقطه تمایز و قوت استاندارد ۸۰۲٫۱۱n بود.
اکنون اگر قرار باشد دوباره سرعت روی شبکه‌های بی‌سیم افزایش یابد، باید فرکانس تغییر کند؛ اما رفتن به سوی یک فرکانس بالاتر مانند شش گیگاهرتز درست‌تر است یا انتخاب یک محدوده فرکانسی پایین‌تر مانند شصت گیگاهرتز؟ پرسشی که چالش اصلی و نقطه تفریق توسعه‌دهندگان استاندارد ۸۰۲٫۱۱ است.

 

۸۰۲٫۱۱ac: سرعت و باز هم سرعت
گروه توسعه‌دهنده این استاندارد می‌خواهند از فرکانس کاری شش گیگاهرتز استفاده کنند و معتقدند، بعد از فرکانس پنج گیگاهرتز برای دستیابی به سرعت بیشتر باید یک فرکانس کاری جدید تعریف کرد. بنابراین، نخستین چالش آن‌ها طراحی مکانیزمی برای سازگاری تجهیزات بی‌سیم فعلی با فرکانس جدید است. در این استاندارد با استفاده از MIMO، به‌کارگیری روش‌های تقسیم و تسهیل فرکانسی OFDM و تغییر اندازه کانال‌های ارتباطی می‌توان به سرعت چند گیگابیتی انتقال اطلاعات با رسانه‌ای مانند هوا به صورت بی‌سیم دست یافت.
با کمک فناوری MIMO (سرنام Multi Input-Multi Output) که همزمان با استاندارد ۸۰۲٫۱۱n معرفی و به کار گرفته شد، می‌توان یک کانال را به چندین قسمت مجزا برای دریافت و ارسال سیگنال‌های ورودی و خروجی تقسیم کرد، یعنی تصور کنید یک فایل صد‌مگابایت به جای این‌که فقط از یک کانال ارسال و از یک کانال دریافت شود، به دو یا چند قسمت تقسیم شده و هر قسمت توسط یک کانال ارسال و دریافت شود. این کانال‌ها روی یکدیگر هم‌پوشانی ندارند (شکل‌۱). برای هر کانال می‌توان از یک آنتن مجزا استفاده کرد. در استاندارد ۸۰۲٫۱۱n حداکثر می‌توانستید از MIMO 4×۴ استفاده کنید؛ یعنی چهار آنتن برای ارسال و دریافت اطلاعات. در استاندارد جدید ۸۰۲٫۱۱ac عدد چهار به عدد هشت افزایش خواهد یافت. همچنین از یک فناوری پیشرفته‌تر MIMO به نام MU-MIMO یا Multi User MIMO استفاده خواهد شد. به زبان ساده، این فناوری امکان استفاده چندین نفر را از کانال‌های چند ورودی و خروجی فراهم می‌کند. شکل ۲ شمایی از چگونگی عملکرد این فناوری را نشان می‌دهد.

شکل 1- فناوری MIMO امکان ارتباط چند آنتن با چند آنتن و در نتیجه افزایش سرعت را فراهم می‌کند.
شکل ۱- فناوری MIMO امکان ارتباط چند آنتن با چند آنتن و در نتیجه افزایش سرعت را فراهم می‌کند.
شکل 2- MU-MIMO فناوری جدیدی است که در استاندارد 802.11ac استفاده می‌شود.
شکل ۲- MU-MIMO فناوری جدیدی است که در استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac استفاده می‌شود.

یک کانال برای K کاربر به K قسمت تقسیم می‌شود و هر قسمت با استفاده از یک آنتن، اطلاعات را برای دستگاه مورد‌نظر ارسال یا دریافت می‌کند. با کمک مفاهیمی مانند SDMA (سرنام Space-Division Multiple Access) این قابلیت وجود خواهد داشت که از یک کانال تقسیم شده چندین ورودی-خروجی متفاوت برای کاربران متفاوتی تعریف و استفاده کرد. MIMO 8×۸ و MU-MIMO هنوز به طور عملی پیاده‌سازی نشده‌اند و در حد یک مفهوم هستند. به یقین یکی از ملزومات انتشار استاندارد جدید شبکه‌های وای‌فای، گنجاندن این فناوری‌ها و قابلیت‌ها در تراشه‌های شبکه‌های بی‌سیم و تجهیزات شرکت‌های مختلف است. در کنار این مشکلات، بدون شک انتظار نخواهیم داشت که در آینده روتری با هشت آنتن ببینیم. بنابراین، باید آنتن‌های خارجی طراحی شود که خود شامل چندین آنتن داخلی باشند یا فناوری‌هایی مشابه به وجود آیند که بتوانند از MIMO 8×۸ پشتیبانی کنند.
تغییر گسترده بعدی در استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac به عرض کانال‌های ارتباطی مربوط است. پهنای عرضی بیشتر کانال‌های ارتباطی باعث افزایش سرعت‌می‌شود. در استاندارد ۸۰۲٫۱۱n پهنای هر کانال از بیست مگاهرتز به چهل مگاهرتز افزایش یافته بود. استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac امیدوار است که بتواند پهنای هر کانال را به هشتاد مگاهرتز و حتی بالاتر (۱۶۰ مگاهرتز) برساند. بزرگ‌ترین چالش در مقابل افزایش پهنای کانال در استاندارد جدید، باز هم شرکت‌های سازنده تجهیزات وای‌فای و پردازنده‌های کنونی هستند که حداکثر از چهل مگاهرتز برای هر کانال پشتیبانی می‌کنند. روش‌های مدولاسیون و تسهیم فرکانسی نیز در استاندارد جدید ارتقا خواهند‌داشت و از ۶۴-QAM با نرخ حداکثری پنج ششم به ۲۵۶-QAM با دو نرخ سه چهارم و پنج ششم می‌رسند. نخستین نتیجه این موضوع استفاده حداکثری از پهنای باند و ایجاد کانال‌های مختلف برای ارسال و دریافت اطلاعات است.
علاوه بر آن فناوری‌هایی که گفته شد و قرار است در استاندارد جدید شبکه‌های بی‌سیم شاهد آن‌ها باشیم، تغییرات کوچکی مانند بهبود ساختار لایه MAC برای پشتیبانی از تغییرات صورت گرفته و تغییر فرمت سیگنال‌های صوتی نیز در دستور کار قرار دارند. جدول‌۱ وضعیتی از سناریوهای مختلفی را که برای استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac ترسیم شده است، نشان می‌دهد. همان‌طور که در این جدول مشخص است، حداکثر سرعت هفت گیگابایت بر ثانیه است؛ سرعتی که اکنون حتی برای شبکه‌های کابلی نیز یک رؤیا است.
توسعه‌دهندگان استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac روی نسل جدید پردازنده‌های وای‌فای حساب ویژه‌ای باز‌کرده‌ و انتظار دارند، علاوه بر پشتیبانی از فناوری‌های ذکر شده در بالا، پیشرفت‌های ساخت پردازنده‌ها از نظر مصرف انرژی کمتر و پردازش بیشتر را برای استفاده از روش‌های بهتر و حساس‌تر کدگذاری و دریافت سیگنال‌های با قدرت بیشتر(پس از عبور از موانعی مانند دیوار) یا استفاده از بیت‌های کمتری برای بررسی صحت سیگنال‌ها را به کار گیرند تا سرعت و محدوده پوشش‌دهی این نوع شبکه‌ها را بهبود بخشند.پیش‌بینی‌ها از انتشار نسخه آزمایشی استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac در سال ۲۰۱۲ و انتشار رسمی در سال ۲۰۱۳ و به تبع آن ورود نخستین دستگاه‌های مجهز به این استاندارد در سال ۲۰۱۵ خبر می‌دهد. البته کارشناسان معتقدند، از سال ۲۰۱۲ شاهد ورود نخستین دستگاه‌ها با استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac خواهیم بود که از تمامی قابلیت‌های آن پشتیبانی نمی‌کنند. مانند اتفاقی که برای استاندارد ۸۰۲٫۱۱n افتاد و شاهد دستگاه‌های Lite-N بودیم.

 

۸۰۲٫۱۱ad: زندگی دیجیتالی بی‌سیم
این استاندارد توسط گروهی از دو مؤسسه Wi-Fi Alliance و WiGig Alliance در حال تدوین و توسعه است و همان هدف استاندارد ۸۰۲٫۱۱ac را دنبال می‌کند: سرعت چند گیگابیتی و مشخصاً هفت‌گیگابیتی. تفاوت اصلی این استاندارد با ۸۰۲٫۱۱ac در فرکانس کاری انتخاب شده‌است. توسعه‌دهند‌گان ۸۰۲٫۱۱ad فرکانس شصت‌گیگاهرتز را انتخاب کرده‌اند؛ در حالی که تا پیش از این فرکانس‌های ۴/۲ و ۵ گیگاهرتز و برای ۸۰۲٫۱۱ac فرکانس شش گیگاهرتز مورد استفاده قرار گرفته است. با وجود این که انتخاب فرکانس شصت گیگاهرتز یک محدوده کوچک‌تر ارتباطی را ایجاد می‌کند، اما این مزیت را به همراه خواهد داشت که دستگاه‌های بسیار کمی در این محدوده کار می‌کنند و در نتیجه ترافیک شبکه به یقین بسیار کم خواهد بود.
این فرکانس و باندهای ارتباطی روی آن، بیشتر برای تبادل اطلاعات با کیفیت و سرعت بالا مانند مالتی‌مدیا و ویدیو در فاصله‌های کم مناسب هستند؛ موضوعی که زیاد دور از انتظار نیست و نشان از اهداف توسعه‌دهندگان دارد. آن‌ها می‌خواهند یک استاندارد شبکه‌های بی‌سیم مخصوص شبکه‌های ویدیویی با حجم بالای محتوای جریانی (Stream) اطلاعات تعریف و عرضه کنند. در صفحه ابتدایی سایت WiGig به صراحت عنوان شده که: «می‌خواهیم با فرکانس شصت گیگاهرتز شما را به دنیای دیجیتال بی‌سیم دعوت کنیم تا بتوانید ویدیوهای Full HD را تماشا کنید.» تاکنون اطلاعات فنی بسیار کمی درباره این استاندارد منتشر شده و نمی‌توان سناریوها و پیش‌بینی‌های قطعی درباره آن انجام داد، اما یک موضوع بسیار مشخص است و آن سازگاری بیشتر این استاندارد با استانداردهای قبلی ۸۰۲٫۱۱a/b/g/n. چون این استاندارد مانند ۸۰۲٫۱۱ac نمی‌خواهد باندهای ارتباطی، مدولاسیون، فرکانس کاری و بسیاری از مشخصات موجود دیگر را تغییر دهد و به دنبال تلفیقی از استانداردهای قبلی و فرکانس شصت گیگاهرتز برای ایجاد شبکه‌های مبتنی بر اطلاعات و ویدیو است.
این موضوع در شکل ۳ نشان‌داده شده است. برای ایجاد ارتباط میان نقطه دسترسی و دستگاه‌های بی‌سیم درون شبکه از استانداردهای مبتنی بر فرکانس ۲,۴ و ۵ گیگاهرتز استفاده شده است، اما برای برقراری ارتباطات نزدیک و با کیفیت از استاندارد مبتنی بر فرکانس شصت گیگاهرتز استفاده می‌شود، همچنین به راحتی می‌توان میان این دو استاندارد سوییچ کرد. حامیان ۸۰۲٫۱۱ad روی یک موضوع دیگر نیز مانور می‌دهند؛ فرکانس شصت‌گیگاهرتز کمترین تغییرات سخت‌افزاری و نرم‌افزاری را در پی خواهد داشت، در صورتی که رفتن به سمت فرکانس شش گیگاهرتز، یعنی چندین سال صرف وقت و تغییر در معماری و بسیاری از ویژگی‌های کنونی تجهیزات بی‌سیم. موضوعی که از جنبه‌های مختلف قابل بررسی و تأمل است.

802-11ad

و اما امنیت …
آیا فقط سرعت، رؤیای آینده شبکه‌های بی‌سیم است؟ دستیابی به سرعت‌های گیگابیتی در استانداردهای ۸۰۲٫۱۱ac و ۸۰۲٫۱۱ad با ظرفیت‌های کنونی امنیت وای‌فای، کافی و مورد قبول است؟ به طور خاص، استاندارد ۸۰۲٫۱۱i در سال ۲۰۰۴ برای امن‌سازی شبکه‌های بی‌سیم ۸۰۲٫۱۱ منتشر شد که بزرگ‌ترین دستاورد آن WPA بود؛ پروتکلی که تمام شبکه‌های بی‌سیم، امنیت کنونی خود را مدیون آن هستند. در این پروتکل مکانیزم رمزنگاری دیگری به نام CCMP (سرنام CC Mode Protocol) نیزمنتشر شد، اما به دلیل داشتن مشکلات زیاد مورد استقبال قرار نگرفت و مهجور ماند. CCMP برای رمزنگاری یک رشته شانزده بیتی به دو عملگر AES نیاز دارد. هرچه تعداد عملگرهای AES در یک فرآیند رمزنگاری بیشتر باشند، انرژی، محاسبات و در نتیجه زمان بیشتری برای رمزنگاری و رمزگشایی نیاز است؛ پارامترهایی که به شدت برای شبکه‌های بی‌سیم کشنده هستند با CCMP برای یک رشته ۱۵۰۰ بیتی به دویست عملگر AES نیاز است که در عمل قابل‌استفاده نیست. مشکل دیگر CCMP استفاده از سیستم خطی و سری یا به اصطلاح زنجیره‌ای (Chain) برای تولید کلیدها و رمزنگاری است. باید یک مرحله رمزنگاری تمام شود تا مرحله بعدی رمزنگاری شروع شود (شکل ۴). همزمان با توسعه استانداردهایی برای افزایش سرعت، گروهی نیز روی CCMP مشغول کار شدند و پروتکل جدیدی به نام GCMP (سرنام Galois Counter Mode Protocol) را توسعه می‌دهند که بهبودیافته CCMP است.

شکل 4- متد رمزنگاری CCMP به محاسبات و زمان زیادی نیاز دارد که برای شبکه‌های بی‌سیم مناسب نیست.
شکل ۴- متد رمزنگاری CCMP به محاسبات و زمان زیادی نیاز دارد که برای شبکه‌های بی‌سیم مناسب نیست.

به طور مشخص در GCMP در هر مرحله فقط به یک عملگر AES نیاز است و همچنین فرآیند تولید اطلاعات رمزنگاری شده به صورت موازی و غیر زنجیره‌ای (Non Chain) انجام می‌شود. این دو مزیت در GCMP به شدت محاسبات و زمان مورد نیاز را برای رمزنگاری اطلاعات با طول رشته زیاد پایین می‌آورد.GCMP از دو روش ۸۰۲٫۱AE-2006 و IPSEC Encapsulation Security Payload استفاده‌می‌کند. گروه توسعه‌دهنده این پروتکل امیدوار است که بتواند استاندارد امنیتی جدیدی را برای رمزنگاری اطلاعات روی شبکه‌های وای‌فای تهیه و همراه با استاندارد ۸۰۲٫۱۱ad منتشر کند. چالش پیش روی این پروتکل امنیتی، کنترلر‌ها و سخت‌افزارهای لازمی است که باید طراحی و به تراشه‌های وای‌فای افزوده شوند.

 

ما آماده‌ایم؟!
در جمع‌بندی بررسی استانداردهای آینده شبکه‌های بی‌سیم، یک موضوع به شدت اهمیت دارد: آمادگی و استقبال کاربران برای دستیابی به شبکه‌های گیگابیتی. به نظر می‌رسد که کاربران بیش از بخش‌های دیگر برای این اتفاق آماده باشند و حتی پول‌های پس‌اندازشده خود را برای خرید دستگاه‌های نسل آینده وای‌فای آماده کرده‌اند. اما آیا شرکت‌های سازنده تجهیزات شبکه آماده‌هستند؟ پروتکل‌ها و استانداردهای لازم تعریف و تصویب و انطباق‌دهی شده‌اند؟ چگونه تجهیزات جدید می‌توانند با استانداردهای قبلی سازگار‌باشند؟ باید بگوییم چالش‌های بزرگی پیش روی تحقق شبکه‌های وای‌فای گیگابیتی وجود دارد و دست‌کم تا یکی دو سال آینده با این رؤیا همراه خواهیم بود.

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *