شبکه‌های وای فای چگونه کار می‌کنند؟

وای‌فای چیست؟

یک شبکه بی‌سیم است که برای برقراری ارتباط کلاینت‌ها با شبکه از امواج رادیویی استفاده می‌کند، درست مشابه تلفن‌های همراه و رادیوها که از سیگنال‌های رادیویی برای دریافت داده‌های صوتی یا تصویری استفاده می‌کنند. در واقع، ارتباط از طریق شبکه بی‌سیم بسیار شبیه به ارتباط رادیویی دو طرفه است. برای آن‌که درک دقیقی از عملکرد شبکه وای‌فای داشته باشید، اجازه دهید نگاه اجمالی به عملکرد آن داشته باشیم.آداپتور بی‌سیم کامپیوتر، داده‌ها را به سیگنال رادیویی تبدیل می‌کند و آن را با استفاده از آنتن ارسال می‌کند. روتر بی‌سیم، سیگنال را دریافت کرده و آن‌را رمزگشایی می‌کند. روتر، اطلاعات را با استفاده از یک اتصال اترنت فیزیکی برای شبکه محلی دیگری از طریق اینترنت ارسال می‌کند. به بیان دقیق‌تر، روتر اطلاعات را در قالب فریم از کلاینت‌ها دریافت می‌کند، تغییراتی در سرآیند فریم‌ها اعمال می‌کند و در ادامه بسته‌ها را از طریق لایه 3 یا همان لایه شبکه از طریق الگوریتم‌های مسیریابی برای مقصد ارسال می‌کند. این فرآیند حالت معکوس نیز دارد؛ به این صورت است که روتر اطلاعات را از طریق اینترنت از گره‌ای که در یک شبکه محلی قرار دارد، دریافت می‌کند، به سرآیند بسته نگاه می‌کند تا ببیند متعلق به شبکه وای‌فای محلی کاربر است یا خیر، در صورتی که پاسخ مثبت باشد، بسته‌ها را پردازش کرده، از طریق مک‌آدرس درون بسته، دستگاه کلاینت هدف را شناسایی کرده و در ادامه فریم را به سیگنال رادیویی ترجمه کرده و برای آداپتور بی‌سیم هدف ارسال می‌کند. 

امواج رادیویی وای‌فای چه تفاوت‌هایی با امواج رادیویی دستگاه‌های بی‌سیم دارند؟

امواج رادیویی که برای ارتباط وای‌فای استفاده می‌شوند شبیه امواج رادیویی‌ای هستند که واکی‌تاکی‌ها، تلفن‌های همراه و سایر دستگاه‌ها از آن‌ها استفاده می‌کنند. آن‌ها می‌توانند داده‌ها را ارسال و دریافت کنند، یک‌ها و صفرها را به امواج رادیویی تبدیل کنند و عکس این فرآیند را انجام دهند. اما امواج رادیویی‌ وای‌فای چند تفاوت قابل توجه با دیگر امواج رادیویی دارند. 

امواج رادیویی وای‌فای در فرکانس‌های 2.4، 5 گیگاهرتز و در نمونه‌های جدیدتر 6 گیگاهرتز ارسال و دریافت می‌شوند. به طور کلی، این امواج فرکانس بالاتری نسبت به فرکانس‌های مورد استفاده در تلفن‌های همراه، واکی‌تاکی و تلویزیون دارند. فرکانس بالاتر به سیگنال اجازه می‌دهد تا داده‌های بیشتری را حمل کند.

استانداردهای روز دنیای وای‌فای

اتصالات 2.4 گیگاهرتز اکنون تا حدودی به حاشیه رفته‌اند، زیرا سرعت انتقال داده‌های کمتری نسبت به باند فرکانسی 5 گیگاهرتز دارند. با این حال، باند 2.4 هنوز هم مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا این فرکانس در دامنه پایین‌تری کار می‌کند و قادر است اطلاعات را تا مسافت‌های بیشتری نسبت به فرکانس 5 گیگاهرتز انتقال دهد. در شرایط ایده‌آل، باند 5 گیگاهرتز حداکثر برد در حدود 200 فوت (61 متر) دارد، اما در دنیای واقعی، به‌دلیل موانعی مثل دیوارها، درها و سایر اشیاء این فاصله کمتر می‌شود. در نقطه مقابل، باند 2.4 ممکن است برای کاربری که قصد دارد از چند اتاق دورتر به روتر متصل شود عملکرد بهتری دارد، در حالی که 5 گیگاهرتز برای اتصال نزدیک سریع‌تر مناسب است. وای‌فای بر مبنای استانداردهای مختلف 802.11 پیاده‌سازی می‌شود که در طول چند دهه گذشته تکامل پیدا کرده‌اند. 

• استاندارد 802.11b در سال 1999 میلادی معرفی شد و در گروه کندترین و کم‌هزینه‌ترین استاندارد وای‌فای شناخته می‌شود. این استاندارد به‌دلیل هزینه پایین پیاده‌سازی برای مدت زمانی محبوب بود، اما امروزه به‌دلیل کاهش هزینه پیاده‌سازی استانداردهای سریع‌تر، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. استاندارد 802.11b در باند فرکانسی 2.4 گیگاهرتز قابلیت ارسال طیف رادیویی را دارد و قادر به پشتیبانی از نرخ انتقال داده‌های 11 مگابیت داده بر ثانیه است. این استاندارد از مدولاسیون کلیدسازی کد مکمل (CCK) برای بهبود سرعت استفاده می‌کند.
• استاندارد 802.11a پس از استاندارد 802.11b معرفی شد و قابلیت کار در فرکانس 5 گیگاهرتز را دارد. این فناوری نرخ انتقال داده‌ها را بهبود بخشید و به 54 مگابیت بر ثانیه رساند. فناوری مذکور، از مکانیزم همتافت‌ساز (مالتی‌پلکس) تقسیم فرکانسی عمودبرهم یا همان متعامد (OFDM) استفاده می‌کند که یک تکنیک کدگذاری کارآمدتر است. فناوری فوق، سیگنال‌های رادیویی را قبل از رسیدن به گیرنده به چند سیگنال فرعی تقسیم می‌کند تا تداخل را به کمترین حد ممکن برساند. 
• استاندارد 802.11g شبیه به استاندارد 802.11b از فرکانس 2.4 گیگاهرتز برای ارسال داده‌ها استفاده می‌کند، اما سریع‌تر است و قادر به ارسال داده‌ها با نرخ 54 مگابیت بر ثانیه است. 802.11g نیز از همان مکانیزم کدگذاری OFDM 802.11a استفاده می‌کند.
• استاندارد 802.11n در سال 2009 میلادی معرفی شد و سازگار با شبکه‌های وای‌فای a، b و g است. این استاندارد که امروزه به‌شکل گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، سرعت و برد بیشتری نسبت به اسلاف خود دارد. به‌عنوان مثال، اگرچه 802.11g به‌لحاظ تئوری از نرخ انتقال 54 مگابیت داده بر ثانیه پشتیبانی می‌کند، اما به‌دلیل وجود ازدحام در شبکه، در دنیای واقعی دسترسی به سرعت 24 مگابیت بر ثانیه را امکان‌پذیر می‌کند. در نقطه مقابل، استاندارد 802.11n می‌تواند به سرعت 140 مگابیت در ثانیه دست یابد. استاندارد مذکور می‌تواند از چهار کانال برای انتقال داده‌ها استفاده کند. به همین دلیل، به‌لحاظ تئوری، قادر به پشتیبانی از حداکثر سرعت 150 مگابیت بر ثانیه است. با این‌حال، بخش عمده‌ای از روترهای موجود در بازار تنها از دو یا سه جریان برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کنند. استاندارد 802.11ac در سال 2014 به دنیای شبکه وارد شد و تنها در فرکانس 5 گیگاهرتز کار می‌کند. استاندارد 802.11ac با استاندارد 802.11n و استانداردهای دیگر سازگار است. این استاندارد کمتر مستعد تداخل فرکانس‌ها است و سرعت بیشتری نسبت به استاندارهای قبلی دارد، به‌طوری‌که به‌لحاظ تئوری، حداکثر سرعت 450 مگابیت بر ثانیه را ارائه می‌کند، هرچند در دنیای واقعی سرعت کمتری برای انتقال اطلاعات را ارائه می‌کنند. این استاندارد نیز شبیه به استاندارد 802.11n امکان انتقال داده‌ها از طریق استریم فضایی را ارائه می‌کند و قادر به استفاده از هشت کانال برای ارسال بسته‌های داده‌ای است. این استاندارد گاهی‌اوقات به‌نام وای‌فای 5 نیز شناخته می‌شود. علاوه بر این، به‌دلیل ظرفیت بالایی که در انتقال داده‌ها در مقیاس گیگابیت بر ثانیه دارد، به‌نام وای‌فای گیگابیتی (Gigabit WiFi) یا شبکه توان عملیاتی بالا VHT سرنام Very High Throughput  نیز نامیده می‌شود.
• استاندارد 802.11ax که به‌نام وای‌فای 6 معروف است، در سال 2019 میلادی به دنیای فناوری اطلاعات وارد شد. این استاندارد قابلیت‌های 802.11ac را بر مبنای چند راهکار کلیدی گسترش داد. اول از همه، روترهای جدید نرخ انتقال اطلاعات را به رقم باور نکردنی 9.2 گیگابیت بر ثانیه رساندند. علاوه بر این، وای‌فای 6  به سازندگان اجازه می‌دهد آنتن‌های بیشتری را روی یک روتر نصب کنند و چند اتصال را به‌شکل همزمان بدون هیچ‌گونه نگرانی از تداخل و کاهش سرعت برقرار کنند. دستگاه‌هایی که از سال 2019 میلادی به بعد به بازار عرضه شده‌اند توانایی کار با باند فرکانسی 6 گیگاهرتز را دارند و در شرایط ایده‌آل حدود 20 درصد سریع‌تر از 5 گیگاهرتز هستند. 
• استاندارد بعدی که قرار است در سال 2024 میلادی به‌شکل رسمی از آن رونمایی شود، استاندارد 802.11be است که به‌نام استاندارد وای‌فای ۷ نیز شناخته می‌شود. این استاندارد برد بهتری دارد، از اتصالات بیشتری پشتیبانی می‌کند و سرعت انتقال داده‌ها را به میزان قابل توجهی سریع‌تر از نسخه‌های قبلی می‌کند. 
• دیگر استانداردهای 802.11 بر کاربردهای خاص شبکه‌های بی‌سیم متمرکز هستند که از آن جمله باید به شبکه‌های گسترده (WAN) مورد استفاده در وسایل نقلیه یا فناوری‌هایی اشاره کرد که اجازه می‌دهند به‌شکل یکپارچه از یک شبکه بی‌سیم به شبکه دیگر سوییچ کنید. 

رادیوهای وای‌فای می‌توانند در هر باند فرکانسی داده‌ها را ارسال کنند یا می‌توانند در زمان کوتاهی به باندهای مختلف پرش فرکانس (Frequency Hop) انجام دهند. پرش فرکانس به کاهش تداخل کمک می‌کند و به چند دستگاه اجازه می‌دهد از یک اتصال بی‌سیم به‌طور همزمان استفاده کنند.

اکنون که اطلاعات کلی درباره استانداردهای وای‌فای به‌دست آوردیم، وقت آن رسیده تا نحوه اتصال به اینترنت از طریق هات‌اسپات وای‌فای را بررسی کنیم. 

هات‌اسپات در قلب شبکه‌های وای‌فای 

همان‌گونه که اشاره کردیم، وای‌فای به مردم این امکان را می‌دهد از هر نقطه‌ای که قرار دارند سیگنال‌ها را دریافت کنند، البته به‌شرطی که در محدوده شبکه وای‌فای قرار داشته باشند. 

هات‌اسپات، ناحیه‌ای تحت پوشش شبکه بی‌سیم است که به کلاینت‌ها اجازه می‌دهد به شبکه متصل شوند. این اصطلاح اغلب برای اشاره به شبکه‌های بی‌سیم در مناطق عمومی مانند فرودگاه‌ها و کافی‌شاپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در شرایطی که برخی از هات‌اسپات‌ها رایگان هستند، در مقابل برخی دیگر تجاری هستند و برای اتصال به آن‌ها باید هزینه اشتراک را پرداخت کنید. این شبکه‌ها به‌ویژه هنگامی که در حرکت هستید، اجازه می‌دهند به اینترنت دسترسی داشته باشید. 

اگر قصد استفاده از هات‌اسپات وای‌فای عمومی یا خانگی را دارید، اولین کاری که باید انجام دهید این است که مطمئن شوید رایانه‌تان مجهز به تجهیزات مناسب است. امروزه، اکثر لپ‌تاپ‌ها و گوشی‌های هوشمند جدید و برخی از مادربوردهای کامپیوترهای شخصی و حتا سرورها به فرستنده‌‌ بی‌سیم داخلی تجهیز شده‌اند. در عین حال، اگر کامپیوتر شخصی شما فاقد چنین تراشه‌ای است، با خرید یک آداپتور بی‌سیم و اتصال آن به درگاه یو‌اس‌بی سیستم یا شکاف توسعه، قادر به اتصال به شبکه از طریق امواج رادیویی هستید. خوشبختانه، بیشتر آداپتورهای موجود در بازار از استانداردهای  مختلف شبکه پشتیبانی می‌کنند. 

هنگامی که یک آداپتور بی‌سیم و درایورهای مخصوص آن روی دستگاهی مثل کامپیوتر خانگی نصب می‌شود، کامپیوتان به‌طور خودکار شبکه‌های موجود را پیدا می‌کند. به بیان دقیق‌تر، وقتی قابلیت وای‌فای روی کامپیوتر یا لپ‌تاپ‌تان را در یک نقطه‌ مجهز به اتصال وای‌فای روشن می‌کنید، شبکه‌های موجود را نمایش می‌دهد و اجازه می‌دهد به ساده‌ترین شکل به اینترنت از طریق هات‌اسپات‌های عمومی متصل شوید. با این‌حال، فرآیند اتصال به شبکه‌های بی‌سیم خانگی ساده‌تر است. هر دو شبکه توانایی پشتیبانی از کلاینت‌های مختلف را دارند و قادر هستند بدون قطعی یا کابل‌کشی به کاربران مختلف اجازه دهند به‌‌‌شکل همزمان به شبکه متصل شوند. 

چگونه یک شبکه بی‌سیم را طراحی کنیم؟

یک روتر بی‌سیم اجازه می‌دهد با استفاده از سیگنال‌های بی‌سیم اتصال کامپیوترها و دستگاه‌ها به یک‌دیگر، شبکه محلی و اینترنت را برقرار کنید. امروزه، بیشتر روترهای موجود در بازار ایران، توانایی پشتیبانی از فضایی به مساحت 30 متر را دارند. البته، موانعی مثل دیوارها و درها می‌توانند تا حدودی فرآیند دریافت و ارسال سیگنال‌ها را محدود کنند، از این‌رو، اگر در خانه‌ بزرگی زندگی می‌کنید برای افزایش پوشش بهتر منطقه باید از تجهیزاتی مثل تکرارگرها استفاده کنید. به‌طور معمول، برای پیاده‌سازی یک شبکه بی‌سیم به ملزومات زیر نیاز داریم:

•  خرید یک اشتراک اینترنتی 
•  روتر
•  هاب اترنت
•  فایروال
•  اکسس‌پوینت بی‌سیم

روتر بی‌سیم به شما امکان می‌دهد با استفاده از سیگنال‌های بی‌سیم یا کابل‌های اترنت، رایانه‌ها و دستگاه‌های سیار را به یک‌دیگر متصل کنید. همچنین، شما باید یک کارت شبکه یا دانگل هم خریداری کنید. هر دستگاهی که قرار است به شبکه محلی بی‌سیم (WLAN) متصل شود باید کارت شبکه بی‌سیم داشته باشد. از این‌رو، برای اتصال کامپیوترهای دسکتاپی به شبکه محلی بی‌سیم باید کارت شبکه‌ بی‌سیم خریداری کرده و از طریق پورت یو‌اس‌بی به سیستم متصل کنید. 

هنگامی که روتر خود را به خط تلفنی که اینترنت روی آن فعال شده متصل کردید، در مرحله بعد باید تنظیمات پیش‌فرض روتر را متناسب با اطلاعات شبکه خود پیکربندی کنید. اکثر روترها به شما اجازه می‌دهند از طریق یک رابط وب تنظیمات زیر را ویرایش کنید:

•  نام شبکه که به‌عنوان شناسه مجموعه سرویس SSID شناخته می‌شود. به‌طور معمول، نام شبکه پیش‌فرض، یکسان با نام سازنده روتر است. 
•  کانالی که روتر از آن استفاده می‌کند. اکثر روترها به‌شکل پیش‌فرض از کانال 6 استفاده می‌کنند. اگر در آپارتمان زندگی می‌کنید و همسایگان نیز از کانال 6 استفاده می‌کنند، ممکن است با تداخل روبه‌رو شوید. در این حالت، تغییر به کانال دیگر باید مشکل را برطرف کند.
•  گزینه‌های امنیتی روتر، تنظیم بعدی است که باید پیکربندی کنید. در اولین مرحله باید نام کاربری و رمزعبور قدرتمندی برای شبکه تنظیم کنید. امنیت بخش مهمی از یک شبکه بی‌سیم خانگی یا هات‌اسپات‌های تجاری است. اگر روتر خود را طوری تنظیم کنید که هات‌اسپات باز ایجاد کند، هر فردی که دستگاهش مجهز به کارت شبکه بی‌سیم است، قادر به دریافت سیگنال‌ها خواهد بود. با این حال، اکثر مردم ترجیح می‌دهند شبکه بسته‌ای را پیاده‌سازی کنند که افراد غیرمجاز توانایی اتصال به شبکه را نداشته باشند. 

موضوع مهم بعدی که باید به آن دقت کنید، تنظیم الگوریتم‌های رمزگذاری اطلاعات است. این الگوریتم‌ها مانع از آن می‌شوند تا هکرها به‌راحتی قادر به شنود اطلاعات باشند. برای ایمن‌ نگه داشتن شبکه، پیشنهاد می‌کنیم از روش‌های زیر استفاده کنید: 

الگوریتم رمزگذاری WPA2 سرنام WiFi Protected Access که جانشین WEP و WPA شده و اکنون استاندارد امنیتی توصیه‌شده در ارتباط با شبکه‌های وای‌فای است. همچنین، در هنگام راه‌اندازی شبکه وای‌فای از TKIP یا رمزگذاری استاندارد رمزگذاری پیشرفته (AES) استفاده کنید. AES امن‌ترین مکانیزم امنیتی برای محافظت از شبکه‌های بی‌سیم است. قابلیت دیگری که برخی از کاربران آن‌را فعال می‌کنند WPS سرنام WiFi Protected Setup است که راهکاری ساده برای اتصال کلاینت‌ها به شبکه بی‌سیم ارائه می‌کند. در این حالت، کلاینت‌ها از طریق وارد کردن یک پین‌کد قادر به اتصال به شبکه هستند. با این‌حال، این روش اتصال به شبکه بی‌سیم، آسیب‌پذیری‌هایی دارد که هکرها قادر به سوء‌استفاده از آن هستند. بنابراین، پیشنهاد ما این است که در صورت امکان WPS را خاموش کنید.

استاندارد پیشرفته دیگر در این زمینه WPA3 است که در سال 2018 میلادی منتشر شد و از سال 2020 به استاندارد امنیتی تبدیل شد. هدف از انتشار استاندارد فوق برطرف کردن آسیب‌پذیری‌های WPA2 از طریق به‌کارگیری رمزگذاری بسیار پیچیده‌تر در سمت روتر و کلاینت است. عملکرد مکانیزم فوق به این صورت است که به‌شکل مستمر الگوهای امنیتی را تغییر می‌دهد؛ به این معنی که اگر یک هکر موفق شده باشد از طریق یک رخنه امنیتی به یک هات‌اسپات متصل شود در تلاش بعدی برای اتصال ناکام خواهد بود. متاسفانه، همه دستگاه‌های موجود در بازار قادر به پشتیبانی از استاندارد WPA3 نیستند، به همین دلیل، گزینه مطمئن استاندارد WPA2 است. 

فیلتر کردن آدرس‌های کنترل دسترسی رسانه (MAC)، راهکار دیگری برای ایمن‌سازی شبکه بی‌سیم است. مکانیزم فوق به این صورت عمل می‌کند که کاربر دستگاه‌های کلاینتی را که قادر به اتصال به شبکه بی‌سیم هستند بر مبنای مک‌آدرس آن‌ها تعریف می‌کنند. در این حالت، تنها کلاینت‌هایی که مک‌آدرس آن‌ها توسط کاربر مشخص شده، قادر به اتصال به شبکه هستند. در نتیجه، هر زمان کلاینت جدیدی به شبکه اضافه شد، کاربر باید به‌شکل دستی مک‌آدرس دستگاه را در تنظیمات روتر تعریف کند تا توانایی برقراری ارتباط با شبکه را داشته باشد. 

هنگامی که قصد راه‌اندازی شبکه بی‌سیم را دارید به این نکته دقت کنید که سیر انتشار سیگنال‌های وای‌فای همواره از بالا به پایین است، بنابراین هرچه روتر در ارتفاع باشد وضعیت آنتن‌دهی آن بهتر خواهد بود. به همین دلیل، بهتر است روتر را در نقطه مرکزی خانه و ارتفاع قرار دهید تا دستگاه‌های کلاینت بتوانند به‌شکل بهتری امواج را دریافت کنند. 

کلام آخر

همان‌گونه که مشاهده کردید، راه‌اندازی شبکه‌های بی‌سیم آسان و کم‌‌هزینه است و همگی آن‌ها داشبورد وب‌محوری برای پیکربندی روتر در اختیار کاربران قرار می‌دهند.