Введение
Тип компьютерной сети
Домашняя сеть или сеть домашней территории (HAN) — это тип компьютерной сети, обеспечивающий связь между устройствами в непосредственной близости от дома. Устройства, способные участвовать в этой сети, например, интеллектуальные устройства, такие как сетевые принтеры и портативные мобильные компьютеры, часто приобретают расширенные функциональные возможности благодаря возможности взаимодействия. Эти дополнительные возможности могут использоваться для повышения качества жизни в доме различными способами, например, для автоматизации рутинных задач, повышения личной продуктивности, усиления безопасности дома и упрощения доступа к развлечениям.
Происхождение
Из-за исчерпания адресов IPv4 большинство интернет-провайдеров вынуждены предоставлять только один IP-адрес, ориентированный на внешнюю сеть (WAN), для каждой домашней учетной записи. Несколько устройств в доме или небольшом офисе получают доступ в интернет путем создания локальной сети (LAN) для этих устройств с использованием IP-адресов, зарезервированных для частных сетей. Сетевой маршрутизатор настраивается с IP-адресом, предоставленным провайдером, на WAN-интерфейсе, который совместно используется всеми устройствами в LAN посредством преобразования сетевых адресов (NAT).
Инфраструктурные устройства
Некоторые устройства домашней сети в первую очередь предназначены для обеспечения или поддержки коммуникаций тех типов конечных устройств, с которыми пользователи дома взаимодействуют напрямую. В отличие от своих аналогов в центрах обработки данных, эти "сетевые" устройства компактны и пассивно охлаждаются, стремясь быть максимально простыми в использовании и незаметными: шлюз устанавливает физическое и канальное соединение с WAN через телекоммуникационную инфраструктуру провайдера. Такие устройства обычно содержат кабельный, DSL или оптический модем, подключенный к сетевому интерфейсу Ethernet. Для дополнительного удобства в эти устройства часто встраиваются маршрутизаторы. Маршрутизатор обеспечивает сетевое соединение между WAN и домашней сетью. Он также выполняет ключевую функцию преобразования сетевых адресов (NAT), позволяющую независимо адресуемым устройствам в одной домашней сети устанавливать транспортные соединения через WAN, используя один внешний IP-адрес WAN. Эти устройства часто оснащены встроенной беспроводной точкой доступа и 4-портовым коммутатором Ethernet. Сетевой коммутатор позволяет устройствам в домашней сети взаимодействовать друг с другом по Ethernet. Хотя встроенных беспроводных и/или коммутационных возможностей маршрутизатора обычно достаточно для большинства домашних сетей, в некоторых ситуациях требуется добавление отдельного коммутатора с расширенными функциями. Например: типичный домашний маршрутизатор имеет от 4 до 6 портов Ethernet LAN, поэтому пропускная способность коммутации маршрутизатора может быть исчерпана. Сетевому устройству может потребоваться нестандартная функция порта, такая как питание по Ethernet (PoE) (например, для IP-камер и IP-телефонов). Для подключения беспроводных устройств к сети требуется беспроводная точка доступа. Если маршрутизатор включает в себя эту функцию, он называется беспроводным маршрутизатором. Контроллер домашней автоматизации или "умного дома" выступает в качестве шлюза и маршрутизатора для беспроводных сетей с низким энергопотреблением, предназначенных для простых устройств, не требующих интенсивной передачи данных, таких как лампочки и замки. Сетевой мост соединяет два различных сетевых интерфейса друг с другом, часто для предоставления проводному устройству доступа к беспроводной сети.
A gateway establishes physical and data link layer connectivity to a WAN over a service provider's native telecommunications infrastructure. Such devices typically contain a cable, DSL, or optical modem bound to a network interface controller for Ethernet. Routers are often incorporated into these devices for additional convenience. A router establishes network layer connectivity between a WAN and the home network. It also performs the key function of network address translation that allows independently addressed devices within the same home network to establish transport layer connections across the WAN from a single, outward facing WAN IP address. These devices often come with an integrated wireless access point and 4 port Ethernet switch. A network switch is used to allow devices on the home network to talk to one another via Ethernet. While the needs of most home networks are satisfied with the built in wireless and/or switching capabilities of their router, some situations require the addition of a separate switch with advanced capabilities. For example:
A typical home router has 4 to 6 Ethernet LAN ports, so a router's switching capacity could be exceeded. A network device might require a non standard port feature such as power over Ethernet (PoE). (IP cameras and IP phones)
A wireless access point is required for connecting wireless devices to a network. When a router includes this device, it is referred to as a wireless router. A home automation or smart home controller acts as a gateway and router for low power wireless networks of simple, non data intensive devices such as light bulbs and locks. A network bridge binds two different network interfaces to each other, often in order to grant a wired only device access to a wireless network medium.
Физическая связь и протоколы
Домашние сети могут использовать проводные или беспроводные технологии для подключения устройств. Беспроводные технологии являются наиболее распространенным вариантом в домах благодаря простоте установки, отсутствию неэстетичных кабелей и сетевой производительности, достаточной для домашних нужд.
Беспроводная локальная сеть
Одним из самых распространенных способов создания домашней сети является использование технологии беспроводной радиосвязи, сети 802.11, сертифицированной IEEE. Большинство беспроводных домашних устройств работают на частоте 2,4 ГГц в соответствии со стандартами 802.11b и 802.11g или на частоте 5 ГГц в соответствии со стандартом 802.11a. Некоторые домашние сетевые устройства работают в обоих диапазонах радиосигналов и соответствуют стандартам 802.11n или 802.11ac. Wi-Fi – это маркетинговая и сертификационная программа соответствия для технологий IEEE 802.11. Альянс Wi-Fi тестирует продукты на соответствие стандартам и сертифицирует их для обеспечения совместимости.
Беспроводный PAN
Низкоэнергетическая связь малого радиуса действия, основанная на стандартах IEEE 802.15, широко распространена в домашних условиях. Bluetooth продолжает оставаться технологией выбора для большинства беспроводных аксессуаров, таких как клавиатуры, мыши, наушники и игровые контроллеры. Эти соединения часто устанавливаются временно, по мере необходимости, и не рассматриваются как постоянные элементы домашней сети.
Низкоскоростная беспроводная PAN
В качестве основы Zigbee была использована версия оригинального протокола WPAN с низкой скоростью передачи данных. Изначально технология разрабатывалась как стандарт для маломощной связи между устройствами в промышленных условиях, однако она оказалась хорошо пригодной для интеграции во встраиваемые решения "умного дома", которые должны длительное время работать от батарей. Zigbee использует mesh-сети для преодоления ограничений по дальности, свойственных традиционным WPAN, и создания единой сети адресуемых устройств, охватывающей всё здание. Z-Wave – это еще один стандарт, также основанный на 802.15.4, разработанный специально с учетом потребностей производителей устройств для домашней автоматизации.
Скрученные кабели
Большинство проводных сетевых инфраструктур в жилых помещениях используют витую пару кабелей категории 5 или 6 с разъемами RJ45. Эта среда обеспечивает физическое подключение между интерфейсами Ethernet, имеющимися во множестве домашних IP-совместимых устройств. В зависимости от категории кабеля и качества монтажа поддерживаются скорости до 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с или 10 Гбит/с.
Оптические волокна
Некоторые районы поддерживают прокладку оптоволоконных кабелей непосредственно в дома. Это позволяет провайдерам предоставлять интернет-услуги с существенно большей пропускной способностью и/или меньшей задержкой, обеспечиваемой сквозной оптической передачей сигнала.
Устройства и услуги конечных точек
Традиционно, устройства, ориентированные на обработку данных, такие как компьютеры и медиаплееры, являлись основными компонентами домашней сети. Однако, благодаря снижению стоимости вычислительных мощностей и повсеместному распространению смартфонов, многие категории домашнего оборудования, ранее не подключенные к сети, теперь включают в себя новые модели с возможностью управления или удаленного мониторинга через приложение на смартфоне. Как новые стартапы, так и известные производители бытовой техники, начали предлагать эти продукты в рамках линейки "Умный дом", "Интеллектуальный дом" или "Подключенный дом". Интерфейсы управления и/или мониторинга этих продуктов доступны через фирменные приложения для смартфонов, предназначенные для конкретной линейки продуктов.
Облачные сервисы
Удобство, доступность и надежность внешне управляемых облачных вычислительных ресурсов продолжает делать их привлекательным выбором для многих пользователей, не имеющих интереса или опыта в области ИТ. Для этих пользователей плата за подписку и/или риски для конфиденциальности, связанные с такими сервисами, часто кажутся менее затратными, чем настройка и поддержка аналогичных возможностей в домашней сети. В таких случаях локальные сервисы и устройства, обеспечивающие их работу, заменяются сервисами, размещенными в стороннем центре обработки данных, и становятся доступными для домашних устройств через WAN-соединение.
Конфигурация сетевого уровня
DHCP используется для назначения внутренних IP-адресов устройствам в домашней сети. DHCP-сервер обычно работает на маршрутизаторе, а конечные устройства выступают в качестве его клиентов. Сам маршрутизатор, в свою очередь, является клиентом внешних DHCP-серверов, принадлежащих интернет-провайдеру. Все DHCP-клиенты запрашивают параметры конфигурации, используя протокол DHCP, чтобы получить IP-адрес, маршрут по умолчанию и один или несколько адресов DNS-серверов. После применения этих настроек клиент сможет взаимодействовать с сетью интернет.
Встроенные устройства
Малые автономные встроенные домашние сетевые устройства обычно требуют удаленной настройки с компьютера в той же сети. Например, широкополосные модемы часто настраиваются через веб-браузер, запущенный на компьютере в той же сети. Эти устройства, как правило, используют минимальный дистрибутив Linux с легковесным HTTP-сервером, работающим в фоновом режиме, чтобы предоставить пользователю возможность удобно изменять системные переменные через графический интерфейс, отображаемый в браузере. На этих страницах широко используются HTML-формы и предпринимаются попытки создать стилизованные, визуально привлекательные и одновременно информативные и удобные в использовании интерфейсы.
Устройства экосистемы Apple
Устройства Apple стремятся сделать сетевое взаимодействие максимально незаметным и автоматическим, используя протокол автоматической настройки сети под названием Bonjour, встроенный в их фирменную линейку программного и аппаратного обеспечения.
Устройства экосистемы Microsoft
Microsoft предлагает простые функции управления доступом, встроенные в операционную систему Windows. Домашняя группа – это функция, позволяющая совместно использовать диски, принтеры и сканеры между всеми компьютерами и пользователями (как правило, членами семьи) в домашней сети, аналогично небольшой офисной рабочей группе, например, посредством распределенной одноранговой сети (без центрального сервера). Кроме того, для расширения функциональности можно добавить домашний сервер. Функция Windows HomeGroup была представлена в Microsoft Windows 7 для упрощения обмена файлами в домашних условиях. Все пользователи (обычно все члены семьи), за исключением гостевых учетных записей, могут получить доступ к любой общей библиотеке на любом компьютере, подключенном к домашней группе. Членам семьи не требуется вводить пароль при входе в систему. Вместо этого безопасный обмен файлами осуществляется с помощью временного пароля, который используется при добавлении компьютера в домашнюю группу.
Потеря беспроводного сигнала
Сила беспроводного сигнала стандартного домашнего беспроводного маршрутизатора может быть недостаточной для покрытия всего дома или для обеспечения связи на всех этажах многоэтажного жилья. В таких случаях может потребоваться установка одного или нескольких беспроводных повторителей.
"Просачивающийся" Wi-Fi
Wi-Fi часто выходит за пределы дома и может создавать покрытие там, где оно нежелательно, предоставляя канал, через который посторонние лица могут скомпрометировать систему и получить доступ к личным данным. Для предотвращения этого обычно достаточно обеспечить использование аутентификации, шифрования или VPN, требующих пароль для подключения к сети. Однако новые стандарты Wi-Fi, работающие на частоте 60 ГГц, такие как 802.11ad, позволяют с уверенностью утверждать, что локальная сеть не проникнет сквозь физические преграды, поскольку на этих частотах даже простая стена значительно ослабляет сигнал.
Шум электрической сети
Для домашних сетей, использующих технологию связи по электросети, основной проблемой остается борьба с электрическими помехами, создаваемыми стандартными бытовыми приборами. Включение или выключение любого прибора генерирует шум, который потенциально может прерывать передачу данных по электропроводке. Продукты IEEE, сертифицированные на соответствие стандарту HomePlug 1.0, разработаны таким образом, чтобы не создавать помех и не подвергаться помехам от других устройств, подключенных к той же домашней электрической сети.
Администрация
Управление растущим числом устройств и программного обеспечения в домашних сетях, а также увеличивающимся объемом личных данных, стремительно превращается в отдельную проблему. Необходимо поддерживать актуальную информацию о подключенных устройствах, своевременно устанавливать обновления программного обеспечения и исправления безопасности, контролировать безопасное использование интернета детьми, структурировать хранение и уровни доступа к личным файлам и другим данным, создавать резервные копии данных, обнаруживать и удалять вредоносные программы, настраивать виртуальные частные сети для удобного доступа к ресурсам домашней сети извне и многое другое. Все это требует внимания и продуманной, планомерной работы для обеспечения безопасной, надежной и стабильной домашней сети, удобной для всех членов семьи и гостей.