Домашние сети: Ethernet vs HomePNA vs IEEE 802.11b

По просьбам наших читателей мы продолжаем публикацию цикла статей про новые сетевые стандарты домашних сетей.

Сейчас во многих квартирах можно встретить уже не один, а даже два или три компьютера. В последнее время явно намечается тенденция увеличения компьютеров дома, что требует появления дешевых и удобных средств для объединения компьютеров в сеть. По этой причине в последнее время мы видим развитие таких технологий, как IEEE 802.11b, HomePNA и т.д. Конечно, в России они пока не так сильно распространены, как в США, но насколько можно судить по нашему опыту, это всего лишь вопрос времени.

Самая неприятная проблема, которую необходимо решать при установке сети – прокладка кабеля. Хотя в некоторые экспериментальные дома в стены стали встраивать проводку Ethernet, это, конечно же, исключение, а не правило. Пробить стену для прокладки кабеля – дорогое и трудоемкое удовольствие. Многие пользователи идут самым легким путем и протягивают витую пару CAT5 под ковром или за мебелью, но согласитесь, кабель – это не лучший предмет домашнего интерьера. Именно для таких людей лучше всего подойдут средства для связи по телефонной проводке или беспроводные сети.

Мы уже говорили, что в последнее время значительно усилилось внимание к новым сетевым технологиям. Сегодня наиболее используемыми (в США) и перспективными стандартами домашних сетей являются IEEE 802.11b (WiFi) и HomePNA 2.0.

Старые стандарты, типа HomePNA 1.0 и беспроводные HomeRF и IEEE 802.11, не снискали особой популярности, и сейчас они вычеркнуты из линеек устройств большинства производителей. Также мы наблюдали попытки внедрения стандартов, базирующихся на экзотических технологиях, например, на передаче информации по электрической проводке. Но такой способ не стал успешным, поскольку возникали различные проблемы с надежностью и совместимостью.

Итак, не-Ethernet технологии переживают период своего бурного развития. Новый стандарт IEEE 802.11a обеспечивает скорость 54 Мбит/с, значительно обгоняя 802.11b по производительности. Он должен вытеснить 802.11b в ближайшем будущем, однако пока мы видим применение этого стандарта лишь в дорогих корпоративных сетях и тестовых лабораториях. 802.11a поддерживает и «двойной режим» обратной совместимости с 802.11b, но следует отметить, что прямой совместимости между этими стандартами нет.

Происходит доработка и совершенствование стандартов передачи информации по электропроводке. В ближайшие 6-9 месяцев мы должны увидеть появление как HomePlug 1.0, так и CEA R7.3.

Сеть по телефонной проводке

Сеть по телефонной проводке базируется на стандарте HomePNA 2.0, разработанном Home Phoneline Networking Alliance, и обеспечивает пропускную способность примерно 10 Мбит/с по медной проводке, уже имеющейся у вас дома. Стандарт не мешает работе телефонных линий и дополнительных сервисов, типа АОН, DSL и т.д. То есть вы сможете пользоваться телефоном (и даже аналоговым модемом) как обычно, на работу сети это не повлияет.
В теории, HomePNA 2.0 работает на тех же принципах, что и IEEE 802.3 Ethernet, то есть передача осуществляется по существующей медной паре (телефонной линии), способ доступа к среде передачи – конкуренция, соответственно, здесь также происходит автоматическое обнаружение коллизий. Однако стандарты PNA отличаются большей устойчивостью к внешним помехам и к затуханию сигнала в кабеле, который далеко не идеален для высокоскоростной передачи данных.

На самом деле, скорость передачи данных HomePNA 2.0 не является 10 Мбит/с, такое число было выбрано для сравнения с 10 Мбит/с стандартом Ethernet IEEE 802.3. Технически, он работает на переменной сигнальной скорости 2 Мбод или 4 Мбод и использует вариативную амплитудную модуляцию 4-256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Проще говоря, сеть может работать на любой скорости от 4 Мбит/с до 32 Мбит/с. При обычных условиях сеть HomePNA 2.0 работает на скорости примерно 16 Мбит/с.

Одна из самых интересных особенностей "шинной" топологии HomePNA 2.0 заключается в очень простой организации сети с помощью прямого соединения нескольких телефонных сегментов друг с другом (то же самое происходит при подключении нескольких телефонных аппаратов к линии). Таким образом, вам не нужен концентратор. Вы также можете организовывать каскадное соединение компьютеров параллельно к одной телефонной розетке. Еще раз отметим: сеть HomePNA 2.0 работает независимо от установленного телефонного оборудования (и не мешая ему).

Безопасность

Нам пришлось сталкиваться с ошибочным мнением, что трафик сети по телефонной проводке можно легко отловить снаружи, прослушав линию на АТС. В большинстве случаев это не так, сетевой трафик не выходит за пределы вашего дома. Конечно, информацию можно перехватить точно так же, как это происходит при прослушивании телефонных разговоров, но в любом случае требуется физическое подключение к телефонной линии.

Если же вас заботит безопасность, то вы должны задействовать программную систему шифрования трафика. Не следует целиком полагаться на ограничения физической среды передачи. Хуже всего в HomePNA то, что в крупных домах телефонные линии вынесены на коммутационные панели, и злоумышленник может подключиться к сети, если панель недостаточно защищена. Впрочем, обычному пользователю не следует беспокоиться, что его данные станут причиной для атаки.

Беспроводная связь

Сегодня доступно несколько беспроводных стандартов, большинство из которых работают на частоте 2,4 ГГц, которая является нерегулируемой (открытой) в США. Наиболее широко сейчас распространен стандарт IEEE 802.11b, который часто называют WiFi. Он был разработан IEEE, обеспечивает максимальную теоретическую скорость передачи 11 Мбит/с, что опять же сравнимо с 10 BaseT Ethernet, но в отличие от кабельных стандартов, сети IEEE 802.11b портативны, незаметны и мобильны.

IEEE 802.11b использует широкополосную передачу со скачкообразной перестройкой частоты (Frequency hopping DSS Spectrum). При этом многие производители обещают работу сети на расстояние более 100 м. Следует отметить, что такие обещания работают, как правило, только при условии прямой видимости, что, согласитесь, редко выполняется в домашней сети. Препятствия типа стен, пола, металлических панелей, труб и т.д. сильно снижают расстояние.

При низкой силе сигнала адаптер 802.11b будет автоматически понижать скорость связи для обеспечения надежности соединения. Альтернативные скорости включают 5 Мбит/с, 2 Мбит/с и 1 Мбит/с. Для увеличения дальности возможно применение усиливающих антенн. При точной ориентации антенны возможна работа IEEE 802.11b на расстоянии более 10 км.

Безопасность

Безопасность – одна из главных проблем беспроводных сетей. Стандарт IEEE 802.11b предусматривает несколько встроенных уровней шифрования. Используется схема шифрования WEP (Wired Equivalent Privacy), как 40/64 бит, так и 128 бит.

Но не обольщайтесь, эти схемы шифрования эффективны лишь для предотвращения случайного прослушивания, они слишком слабы для отражения атаки опытного хакера. Хотя эти схемы шифрования считаются довольно стойкими, 64-битное шифрование можно взломать в считанные минуты, а 128-битное, несмотря на то, что эта схема намного устойчивее, также может быть взломано при должном старании. Так что всю конфиденциальную информацию, передающуюся по таким сетям необходимо шифровать, по безопасности следует относиться к IEEE 802.11b как к Интернету.

Несмотря на то, что технология связи выглядит исчерпывающей, проблема безопасности беспроводных сетей связана еще и с передачей сигнала на такую большую площадь. Так что атакующему вовсе не нужно получать физический доступ к вашей сети, он может быть даже весьма удален от сети при условии использования антенн с усилением. Причем вы не сможете узнать факт прослушивания вашей сети. В отличие от традиционных атак по Интернету, здесь вас уже не спасет firewall.

Если вас не сильно заботит утечка данных, но вы все же хотите обезопасить сеть от проникновения посторонних людей, в большинство продуктов встроены дополнительные средства. Доступ к сети может быть ограничен по MAC адресам или посредством аутентификации пользователей. И опять же, все это надежно лишь до поры до времени, пока хакер не скопирует эти средства. Подмена MAC адреса трудна, но все же возможна. А отгадывание паролей и подбор их по словарю – любимые средства взлома во всем мире.

Ясно поймите: организовать 100% безопасную сеть на IEEE 802.11b вы не сможете, поэтому администратору следует учитывать все возможные риски и защищать данные соответствующим образом (скажем, с помощью хороших VPN средств).

Тестирование

Мы сравним как теоретическую, так и реальную пропускную способность. Оценим работу как при обычных условиях, так и в идеальных (короткое расстояние, малые помехи) для максимально достоверной оценки производительности каждой технологии в разных условиях.

Тесты производились с помощью NetIQ Qcheck. Эта программа позволяет получить статистику на соединении точка-точка, включая пропускную способность и задержки при использовании различных протоколов, среди которых TCP, UDP, IPX и SPX. Поскольку IPX и SPX уже пора списывать на покой, мы сфокусируем наше внимание только на производительность TCP и UDP.

Тестовые платформы

Windows 2000 Server SP2
Athlon 900
512MB RAM
3Com 905c 10/100 PCI Ethernet (for access point interface)

Windows 2000 Professional SP2
Dell Inspiron 3700 Laptop
Mobile Celeron 433
160MB RAM

Для беспроводного теста мы использовали широко известную карту Lucent Orinoco на PCMCIA, совместно с точкой доступа 2wire.

Для тестирования HomePNA 2.0 применялась PCMCIA карта Linksys в комбинации с Linksys PCI адаптером.

Хотя поначалу мы хотели использовать адаптеры от DLink (как беспроводный, так и PNA) для удаленного компьютера, но поскольку оба они упираются в ограничение 12 Мбит/с по USB, мы остановили свой выбор на Linksys.

Производительность – пропускная способность

Теоретическая пропускная способность различных стандартов отличается друг от друга, при этом следует учитывать и передачу служебных данных (в цифрах, приведенных в начале статьи служебные данные не учитываются). Как и в любой сети Ethernet, реальная пропускная способность находится где-то в промежутке 50-80% от заявленной. Очевидно, что беспроводные и PNA сети более устойчивы к помехам и должны работать в менее дружественных условиях, чем стандартный Ethernet по изолированной и сертифицированной витой паре категории 5. При беспроводной связи возникают проблемы затухания сигнала на большом расстоянии, что не так актуально для проводных сетей.

Идеальные условия

Идеальные условия редко случаются в обычной жизни, но результаты тестирования в таких условиях наглядно покажут преимущества и недостатки каждой технологии.

- беспроводные устройства располагались так, чтобы их антенны были направлены друг на друга и находились на расстоянии 7-8 см. Антенны были экранированы от внешних помех с помощью оловянного кожуха.

- адаптеры PNA были связаны друг с другом с помощью 1 м сегмента UTP телефонного кабеля.

При идеальных условиях лидер очевиден. Сеть PNA обеспечивает значительно большую пропускную способность, что связано с большей частотой работы. Первоначально мы протестировали точку доступа от 2wire для HomePNA 2.0 и 802.11b. Но мы быстро обнаружили, что в таком случае узким местом становится 10 Мбит/с Ethernet соединение, и нам пришлось тестировать передачу в режиме точка-точка.

Интересно заметить, что шифрование WEP добавляет некоторые данные к трафику, что снижает полезную пропускную способность. Мы не тестировали 128-битное шифрование, поскольку ни один из наших адаптеров не оснащен такой возможностью. 64-битное шифрование распространено намного больше, и похоже, что 128-битное шифрование будет сильнее снижать полезную пропускную способность.

Обычные условия

Если идеальные условия хорошо подходят для изучения фундаментальных принципов, лежащих в основе той или иной технологии, то практическая производительность становится очевидна лишь из приближенного к реальным условиям тестирования. Хотя наше понимание «обычных условий» многим покажется спорным, все же при использовании такого же оборудования вы должны получить схожие результаты.

К сожалению, пользователь, как правило, не может регулировать условия функционирования HomePNA 2.0. То есть он не может выбирать тип кабеля, который будет прокладываться в доме, точно также как и выбирать путь прокладки кабеля для предотвращения сторонних помех. Впрочем, в большинстве квартир применяется стандартная схема, поэтому наше тестирование будет верно для большинства пользователей. Результаты тестирования получены при связи через сеть HomePNA 2.0, при этом адаптеры были расположены в разных комнатах. Всего в квартире находится 4 телефона и 640 кбит/с DSL соединение, которое было активным на момент выполнения тестов. Важно заметить, что DSL и HomePNA не мешают друг другу, поскольку они работают на разных частотах, следовательно, на одной телефонной линии может сосуществовать как DSL, так и HomePNA. Пользователям DSL важно знать, что фильтры, защищающие голосовую связь от DSL помех, будут блокировать сетевой трафик HomePNA. Поэтому следует убрать все фильтры из HomePNA сети и установить их на выходном контакте HomePNA устройства, благо почти все они имеют сквозную телефонную розетку. Конечно, у пользователей с встроенными DSL фильтрами возникнут проблемы.

Впрочем, пользователь в какой-то мере может влиять на окружающую среду при использовании беспроводной связи. Многие параметры, включая расстояние от передатчика, электронные помехи и физические препятствия могут оказывать влияние на производительность. Беспроводные антенны должны быть расположены очень аккуратно, особенно в ситуациях плохого приема сигнала. Небольшие изменения, типа передвижения металлической мебели, или закрытой двери, или даже перемещение человека, могут изменять силу сигнала. Наши тесты проводились с тщательно измеренным 20 дБ отношением сигнал/шум на удаленной станции, в соответствие с программой Lucent Link Diagnostic. Такое отношение считается минимальным, однако его все еще достаточно для передачи данных со скоростью 11 Мбит/с.

При условиях, близким к нормальным, разрыв в производительности слегка увеличился. Беспроводная связь ухудшается по причине затухания сигнала и возникновения помех, связанных с большим расстоянием. Как видим, сеть HomePNA работает по проводам и сильно не ослабляется при увеличении расстояния.

Масштабируемость сети

Для исследования поведения сети при большой нагрузке мы повторили наш предыдущий тест, каждый раз добавляя еще один компьютер. Для измерения масштабируемости сети мы передавали данные из нескольких источников на разных получателей в одной и той же сети. Во время тестирования каждый дополнительный компьютер передавал данные на другой интерфейс в той же сети, что увеличивало требования к пропускной способности примерно в два раза.

Обратите внимание: по оси абсцисс показано количество узлов, которые были добавлены к двум начальным.

Важно отметить, что масштабируемость зависит от топологии. HomePNA 2.0 базируется на шине, когда все компьютеры общаются друг с другом, подобно старому коаксиальному Ethernet 10Base2. 802.11b – основывается на топологии "звезда", в центре которой находится точка доступа, обрабатывающая все данные, посылаемые по сети. Точка доступа работает как мост между беспроводным сегментом и сегментов Ethernet. По этой причине сеть 802.11b работает несколько иначе, чем сеть на основе топологии шина.

По графику очевидно, что HomePNA 2.0 масштабируется прямо пропорционально количество узлов в сети. С двумя узлами скорость достигает 10 Мбит/с, при добавлении третьего – скорость падает до 5 Мбит/с. С добавлением четвертого – падает до 3,3 Мбит/с. То есть мы наблюдаем вполне нормальную масштабируемость, которая позволяет подключить порядочное число узлов без значительного падения производительности.

Сеть 802.11b сложнее анализировать, потому что мост (точка доступа) явно отдает преимущество данным, поступающим из сегмента Ethernet на беспроводный сегмент. Скорость передачи данных от одного беспроводного компьютера к другому значительно снижается при одновременной работе. Это можно рассматривать и как плюс, и как минус, но, скорее всего, такая особенность связана с конкретным мостом, который мы использовали.

Заключение

По результатам тестирования явный победитель – HomePNA 2.0. Она обеспечивает большую скорость, стабильное масштабирование и небольшое ухудшение при увеличении расстояния, так что если вы ищете замену Ethernet, то сеть HomePNA 2.0 – лучший выбор.

Однако у беспроводной связи существуют очевидные преимущества. Во-первых, она позволяет вам получать доступ к сети из любой точки внутри и снаружи дома, независимо от наличия телефонного гнезда. Также вы можете свободно передвигаться по дому с ноутбуком, не заботясь о проводах. С недавним введением беспроводных адаптеров Compact Flash 802.11b даже PDA можно подключать к такой сети.

Безопасность – довольно острый вопрос в обеих системах. Беспроводные сети наиболее подвержены опасности вторжения, поскольку домашние пользователи обычно редко скрупулезно изучают свои системы и включают встроенное WEP шифрование. Но даже 64-битное шифрование не остановит опытного хакера.

Если вы желаете проложить альтернативную Ethernet сеть дома или в офисе, вам следует учесть несколько вещей, но главным вопросам остается: нужна ли вам скорость и надежная масштабируемость или удобство и мобильность.