الاستشعار المحمول: تحديد المواقع الداخلية لشبكة WiFi

مقدمة

في السنوات الأخيرة، أصبحت قضية الموقع أكثر أهمية من أي وقت مضى. جعلت خدمات مثل خرائط Google من السهل التنقل وتحديد نقاط محددة في أي مكان في العالم باستخدام الأقمار الصناعية. نظرًا لأن هذه الأنظمة تعمل بالفعل بدقة في الهواء الطلق، فإن الخطوة التالية هي تطبيق تقنية مماثلة داخل المباني، مثل المتاحف أو المراكز التجارية. يمكن للأنظمة التناظرية توجيه الأشخاص إلى أماكن الاهتمام، مثل عمل فني في متحف، أو تقديم محتوى يعتمد على الموقع، مثل الإعلانات عند المرور بجانب متجر في مركز تسوق. ومع ذلك، في البيئات المغلقة، تكون دقة الأقمار الصناعية منخفضة، مما يجعل من الضروري اللجوء إلى تقنيات أخرى لتحديد المواقع الفعال.

Indoor Location Technology

خدمات الموقع الداخلية قد أثارت اهتمامًا كبيرًا بسبب أهميتها الاجتماعية والنقدية، مع توقع وصول قيمتها السوقية إلى 10 مليارات دولار بحلول عام 2020. بسبب عدم كفاءة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في البيئات الداخلية، فإن التقنيات البديلة مثل WiFi أو Bluetooth ضرورية. تقوم أجهزة البيكون دائمًا بإرسال إشارة يمكن التقاطها بواسطة أجهزة أخرى متوافقة مع BLE. وهي مناسبة لأنظمة التموضع لأنها رخيصة وتستهلك طاقة أقل وسهلة الإعداد. ومع ذلك، فإن التطبيقات الحالية لخوارزميات التتبع الداخلية المختلفة باستخدام التقنيات اللاسلكية غالبًا ما تكون غير دقيقة. الخوارزميات القائمة على قياسات RSSI في شبكات WiFi عادة ما تكون غير دقيقة بسبب التباين الكبير في الإشارة المقاسة في كل لحظة. على الرغم من تحسن العديد من جوانب WiFi، إلا أن الدقة لا تزال أمامها طريق طويل. 

Wireless Communications

في الاتصالات اللاسلكية، تكون الوسيلة لإرسال المعلومات مشتركة دائمًا. هذا اختلاف كبير عن التقنيات السلكية. لتجنب تداخل النطاقات الترددية والتداخل، يجب أن تكون هناك قواعد صارمة حول كيفية استخدام الفضاء. بروتوكولات الاتصال المستخدمة من قبل كل جهاز مشارك هي المسؤولة عن تنسيق الوصول إلى الوسيط. تعتمد فعالية الشبكة اللاسلكية على عدة عوامل، بما في ذلك عدد أجهزة الكمبيوتر التي تشارك الشبكة، والظروف البيئية، والتداخل الكهرومغناطيسي، والعوائق، وزمن الوصول.

معدلات نقل البيانات القصوى لا تمثل أبدًا معدل نقل البيانات "المفيد" الأقصى حيث يتم احتلال جزء من الإطار بمعلومات حول التحكم في الوصول إلى الوسيط، التحكم في التدفق، التشفير، إلخ. يكون معدل نقل البيانات الفعلي دائمًا أقل مما هو محدد في المعايير. نظرًا لأن الشبكات اللاسلكية يتم بثها عبر الهواء، تصبح الأمان عاملاً حاسمًا، مما يتطلب المصادقة وتشفير البيانات لمنع الوصول غير المصرح به.

WiFi Indoor Localization

WiFi، الذي يعني Wireless Fidelity، نشأ من الحاجة إلى إنشاء آلية اتصال لاسلكي تكون متوافقة بين الأجهزة المختلفة. وبعبارة أخرى، Wi-Fi هي تقنية لاسلكية تتيح للمستخدمين الاتصال لاسلكيًا ببعضهم البعض من خلال أجهزة تُعرف بنقاط الوصول (APs) أو النقاط الساخنة. تعمل بشكل عام على ترددات 2.4 جيجا هرتز و5 جيجا هرتز وتم توحيدها من قبل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE). على مر السنين، تم تطوير العديد من معايير بروتوكول WiFi، مما أدى إلى تحسين عدة جوانب من الإصدارات السابقة.

The Evolution of Wi-Fi Technology

المعيار الرسمي الأول كان 802.11b، يليه 802.11a، 802.11g، 802.11n، و802.11ac. تعمل الإصدارات b وg في نطاق 2.4 جيجا هرتز وهي الأكثر استخدامًا. في عام 2019، تم إطلاق 802.11ax (يسمى Wi-Fi 6)، والذي يُقدّر أن يكون أداؤه أربعة أضعاف أداء 802.11ac. بينما تحقق شبكات 5 جيجا هرتز سرعات أعلى من 2.4 جيجا هرتز، إلا أنها أقل فعالية في اختراق العوائق مثل الجدران والأثاث، مما يؤدي إلى نطاق تغطية أقل. يبلغ متوسط نطاق شبكة Wi-Fi 300 قدم في الهواء الطلق أو 150 قدم في الداخل.

الفائدة الرئيسية لاستخدام شبكات Wi-Fi لتحديد المواقع هي أن البنية التحتية موجودة بالفعل في المباني. بسبب النمو السريع للشبكات اللاسلكية للاستخدام المنزلي والتجاري، من الشائع العثور على أكثر من نقطة وصول Wi-Fi في المبنى. يمكن تركيب نقاط الوصول هذه بشكل مستقل أو أن تأتي من أماكن أخرى قريبة. من ناحية أخرى، فإن أكبر مشكلة هي أن بروتوكول 802.11 لم يتم إنشاؤه لاستخدامه بهذه الطريقة. في كل مرة تريد فيها معرفة موقعك، يجب عليك إرسال رسائل إلى جميع نقاط الوصول Wi-Fi لطلب المعلومات الصحيحة، مما يؤدي إلى إبطاء الشبكة. بدوره، قد يحدث أن بعض نقاط الوصول التي تنتمي إلى طرف ثالث تمنع مثل هذه الطلبات.

تستخدم معايير IEEE 802.11 اللاسلكية بروتوكول وصول إلى الوسط يسمى CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). يشبه اسمه ذلك المستخدم في شبكات Ethernet السلكية (CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)، ولكن طريقة عمله مختلفة. في الحالة اللاسلكية، يشير CA إلى تجنب التصادم، بينما في Ethernet يتعلق الأمر باكتشاف التصادم. شبكات Wi-Fi هي نصف مزدوجة، مما يعني أن الأجهزة لا يمكنها الإرسال والاستقبال في نفس الوقت على نفس القناة اللاسلكية. لا يمكن للجهاز "الاستماع" في نفس الوقت الذي يقوم فيه بالإرسال، وبالتالي لا يمكنه اكتشاف التصادمات. بسبب هذا، استخدم خبراء IEEE آلية لتجنب التصادم أطلقوا عليها اسم DCF (Distributed Control Function).

WiFi Network Security

بما أن وسيط الإرسال هو الهواء، والذي يمكن الوصول إليه بشكل طبيعي من قبل أي جهاز، فمن الضروري التأكد من أن الوصول إلى الشبكة مقصور على الأجهزة المصرح بها. لتحقيق ذلك، يعرّف معيار 802.11i أنظمة مختلفة مثل WEP وWPA وWPA2، حيث تستخدم الأجهزة مفاتيح للتحقق من الهوية. تقوم نقاط الوصول ببث إعلان بشكل دوري يحتوي على SSID (معرف مجموعة الخدمة)، مما يسمح للمستخدمين بتحديد نقطة الوصول الصحيحة والاتصال بها. تبدأ عملية الاتصال بإجراء التحقق من الهوية، والذي يتم من خلاله إنشاء مفتاح. تحتوي شبكات WiFi على ثلاثة أنواع من التحقق من الهوية.

1. مفتاح الخصوصية المكافئ للشبكات السلكية (WEP):

The goal of this security system is to make wireless networks as secure as wired ones. Unfortunately, it was quickly compromised, and its use is not currently recommended. At the start of the authentication process, the client device sends an unencrypted text message, which the AP encrypts using a shared key and returns to the client. The keys are usually 128 or 256 bits. The main problem with WEP is key management. Generally, keys are distributed manually or through another secure route. WEP uses shared keys, meaning it uses the same key for all clients, so if the key is discovered, all users are at risk. To obtain the key, it is only necessary to listen until obtaining the return of the authentication frames. Using WEP is better than nothing; when there is nothing better, it is advisable to use it. A good recommendation is to use security in the upper layers, such as SSL, TSL encryption, etc.

2. الوصول المحمي عبر Wi-Fi (WPA)

للتغلب على الثغرات الأمنية في WEP، تم تطوير WPA. تم تصميم هذا النظام تحت رعاية تحالف WiFi واستخدم جزءًا من معيار 802.11i، الذي تم تحديثه لاحقًا ليحل محل WEP. أحد العناصر الرئيسية لـ WPA هو TKIP (بروتوكول تكامل المفتاح المؤقت)، وهو جزء من معيار 802.11i ويعمل عن طريق إنشاء مفاتيح ديناميكية. يمكن لـ WPA استخدام AES-CCMP (معيار التشفير المتقدم - وضع العداد مع بروتوكول مصادقة رسائل سلسلة الكتل) كبديل لـ TKIP بشكل اختياري.

3. WPA2/WPAv2:

إنها حاليًا أفضل تقنية متاحة لتأمين شبكة WiFi. تستخدم AES-CCMP الإلزامي وتستخدم في جميع الأجهزة المصنعة اليوم.

المعايير

نمتلك حاليًا إمكانية الوصول إلى شبكات لاسلكية مختلفة توفر لنا الاتصال بالأجهزة المتعددة التي نستخدمها يوميًا. تشمل معايير الاتصال المختلفة الشائعة الاستخدام تحت اسم „WiFi” ما يلي:

802.11a: شبكة لاسلكية ذات ناقل في نطاق 5 جيجا هرتز ISM وسرعة نقل بيانات تصل إلى 54 ميجابت في الثانية.

• 802.11b: a wireless network with a carrier in the 2.4 GHz ISM band and a data transfer rate of up to 11 Mbps.

• 802.11g: شبكة لاسلكية ذات ناقل في نطاق ISM 2.4 جيجا هرتز ومعدل نقل بيانات يصل إلى 54 ميجابت في الثانية.

• 802.11i: المصادقة والتشفير.

• 802.11n: شبكة لاسلكية ذات ناقل في نطاق ISM بتردد 2.4 جيجا هرتز و5 جيجا هرتز، مع سرعات نقل بيانات تصل إلى 600 ميجابت في الثانية.

• 802.11ac: شبكة لاسلكية ذات ناقل أقل من 6 GHz، بمعدلات نقل بيانات لا تقل عن 1 جيجابت في الثانية في التشغيل متعدد المحطات و500 ميجابت في الثانية في رابط واحد.

الخط السفلي

الحفاظ على أمان شبكة WiFi الخاصة بك يشبه إبقاء بابك الأمامي مغلقًا—لا تريد أن يدخل أي شخص بشكل عشوائي، أليس كذلك؟ في حين كان Wired-Equivalent Privacy (WEP) خيارًا في السابق لتأمين شبكتك، إلا أنه أصبح الآن قديمًا وله ثغرات معروفة. يعتبر Wi-Fi Protected Access (WPA) وخلفه WPA2/WPAv2 تدابير أمان أكثر فعالية. توفر معايير اتصال WiFi المختلفة سرعات نقل بيانات وترددات متنوعة، لذلك من المهم اختيار المعيار المناسب لاحتياجاتك. من خلال اتخاذ هذه التدابير، يمكنك الحفاظ على أمان شبكة WiFi الخاصة بك دون التضحية براحة الاتصال اللاسلكي.