Dva základní provozní režimy sítí WLAN

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechnická ktedra radioelektroniky Dva základní provozní režimy sítí WLAN Semestrální práce MK Zdeněk Žák květen 2005

2 Organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) se specifikací bezdrátových LAN zabývá teprve od roku Již nyní má však na kontě některé standardy: IEEE Bezdrátové lokální sítě (Wireless Local Area Network, WLAN) IEEE Bezdrátové osobní sítě (Wireless Personal Area Network, WPAN) IEEE Širokopásmový bezdrátový přístup (bezdrátové metropolitní sítě) IEEE Pro mobilní širokopásmový bezdrátový přístup Nyní se zaměřím na WLAN, jichž dnes existuje několik typů. Všechny sdílejí stejný protokol přístupu k médiu (Media Access Protocol, MAC) a liší se pouze řešením fyzické vrstvy. Bezdrátová lokální síť (buňka) může pracovat ve dvou konfiguracích (Basic Service Set, BSS). 1)V nezávislé konfiguraci uzlů, které mezi sebou komunikují přímo a není třeba instalovat žádnou podpůrnou infrastrukturu. Taková konfigurace je mimořádně vhodná pro náhodná uspořádání (trvající podle potřeby hodiny, ale i měsíce), avšak nehodí se pro rozsáhlá řešení. 2)Konfigurace infrastruktury, s distribučním systémem, předpokládá existenci přístupového bodu (Access Point, AP), který funguje jako základnová rádiová stanice a současně datový most. Přístupový bod je centrem každé takovéto WLAN a je nepohyblivý. Tato konfigurace předpokládá propojení s distribučním systémem, tedy klasickou LAN (nejčastěji Ethernet). Každá koncová stanice (klient) si najde "svůj" přístupový bod (na základě pravidelně vysílaného signálu od AP) a komunikuje pouze s ním. Klienti WLAN používají síťový adaptér, který obsahuje vysílač, přijímač, anténu a hardware ( PC karta, PCI, ISA NIC apod.)

3 Add 1) V běžné bezdrátové síti (wireless network) se mobilní terminál spoléhá na pevnou strukturu základových stanic nebo přístupových bodů, které směrují data od jednoho uživatele k druhému. Mobilní terminály v podstatě nemohou komunikovat přímo mezi sebou. V kontrastu tohoto uspořádání klasické bezdrátové sítě jsou sítě, zvané v anglicky odborné literatuře,mobile ad hoc network (MANET). Takováto struktura bezdrátové sítě je schopna předávat a směrovat datové pakety z jednoho terminálu na další, dokud nedorazí do požadovaného místa v síti. MANET je defakto autonomní shromáždění mobilních uživatelů, kteří komunikují v šířce pásma jednotlivých bezdrátových linek mezi sebou. Každý uzel je vybaven vysílači, přijímači, všesměrovou nebo vysoce směrovou anténou a řídící jednotkou. Díky uzlové topologii může síť velice rychle a pružně měnit svoji strukturu. Síť je zcela decentralizovaná, proto síťová organizace a doručování zpráv musí být vykonáváno uzly samotnými tj. směrovací funkce budou začleněné do mobilních uzlů. Uzly se také musí potýkat s efekty radiové komunikace, počínaje interferencemi mezi jednotlivými uživateli, mnohacestným šířením a stínícím efektem způsobený terénem a budovami. MANET může fungovat jako samostatná síť nebo může být připojená do větší sítě intranetu nebo internetu. Návrh protokolu pro sítě typu MANET musí obsahovat mnoho komplexních položek. Tyto sítě potřebují efektivní algoritmy k zabezpečení síťové organizace, spojovacích a směrovacích úkolů. V ad hoc síti vždy neplatí, že nejkratší cesta mezi zdrojem a příjemcem dat je ta nejlepší, tak jak je tomu v pevných sítích. Musí zde být uvažovány faktory, jako různá kvalita signálu mezi jednotlivými spoji, úniky v prostředí, interference mezi uživateli a topologické změny v síti. Síť by měla být schopná adaptivní změny směrování mezi jednotlivými uzli na základě výše uvedených problémů

4 Kromě toho ve vojenském prostředí nastávají problémy s ochranou bezpečnosti, skrytosti, spolehlivosti a úmyslným rušením. Různé protokoly pro vytvoření směrování v síti MANET byly nedávno navrženy v IETF (Internet Engineering Task Force) Další tři projekty jsou navrhovány pro mobilní bezdrátové sítě sponzorované společností DARPA v globálním mobilním informačním systému. Zatím tyto protokoly nejsou přímo navrženy pro MANET, ale i tak přinesou vylepšení výkonu a mohutnosti směrovacích protokolů navržených IETF. Nastavení aplikací pro MANET je odlišné v rozsahu malých, statických sítí, které mají pevné napájení a u mobilním a vysoce dynamických sítích. Z tohoto důvodu neexistuje jediný protokol vhodný pro všechny tyto různorodé scénáře. Dobře fungující MANET protokol musí efektivně umět zvládat některé základní charakteristiky MANET sítích. Dynamickou topologii. Mobilita uzlů vede k nepředpokladatelné topologii sítě. Proměnlivou kapacitu bezdrátových linek. Bezdrátové linky jsou pásmově omezeny. Kromě toho mají bezdrátové spoje menší kapacitu jak pevné metalické nebo optické spoje a dochází často k přehlcení spoje. MANET však musí zavést stejné služby jako pevné sítě, proto se musí přibližovat v budoucnosti propustnostem pevných sítí. Strategií napájení. Úspora v napájení je kritická záležitost v mobilních bezdrátových systémech. Tyto sítě pracují typicky s limitně vypínanýmí zdroji, které rozhodují kdy síť bude zapnuta a kdy ne. Zabezpečení ochrany. Mobilní sítě jsou více zranitelné ve své ochraně, diky snadné možnosti odposlechu a rušení. Distribuce. Decentralizovaná přirozenost MANET sítě požaduje směrovací protokol, který bude využívat sofistikované distribuční algoritmy. Přihlášení a odhlášení síťového uzlu. MANET protokol by měl být schopen rychle začlenit nebo vyčlenit uzel do sítě, bez restrukturalizace celé sítě. add 2) Typická topologie WLAN využívá přístupové body (AP, Access Point). Přístupový bod je zařízení připojené ke klasické LAN. Tvoří komunikační most mezi LAN a WLAN. Všechny mobilní stanice, které chtějí komunikovat mezi sebou nebo se stanicí připojenou na LAN, komunikují prostřednictvím přístupového bodu (klient-server). Přístup ke komunikaci je řízen metodou CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Nepřipouští se současná komunikace více účastníků s tímtéž přístupovým bodem. Rádiová síť má ovšem ve srovnání s běžným Ethernetem, kde se CSMA/CA také používá, jednu odlišnost: zatímco na kabelu Ethernetu se všechny účastnické - 3 -

5 uzly navzájem slyší, v rádiové síti se může snadno stát, že dvě stanice jsou sice v dosahu jednoho přístupového bodu, ale nikoliv ve vzájemném dosahu. Není tedy možné, aby se vzájemně informovaly o požadavku komunikovat s přístupovým bodem. Proto je nutné metodu CSMA/CA poněkud modifikovat. Norma stanoví následující postup: Účastnická stanice, která chce komunikovat, vyšle zprávu RTS (Ready To Send). Tato zpráva obsahuje adresu a údaj o délce zprávy. Každá stanice, která RTS přijme, vezme požadavek na vědomí a uloží jej do své alokační tabulky (NAV, Network Allocation Vector ). Adresát zprávy, tj. přístupový bod, na RTS odpoví zprávou CTS (Clear To Send). Protože přístupový bod musí být v dosahu všech účastnických stanic schopných komunikace, přijmou CTS i ty účastnické stanice, které RTS nepřijaly. I ty si podle něj aktualizují NAV a nebudou se v daný okamžik pokoušet o komunikaci. Pro vysílající stanici je CTS současně signálem k zahájení přenosu dat. Po úspěšném přenosu dat příjemce přístupový bod pošle zprávu ACK (Acknowledge), kterou potvrdí příjem. Kolize nastává, neobdrží-li stanice, která se chystá vysílat, zprávu CTS, nebo, po ukončení vysílání, ACK. Kolizi vyřeší tak, že počká určitou, náhodně zvolenou dobu, zkusí znovu vyslat RTS a opakuje pokus o komunikaci. Obě tyto metody mají své silné a slabé stránky. V klasickém dnes převládajícím uspořádání, kdy WLAN používá access point, je hlavní výhodou, že provider se stará pouze o přístupový bod z kterého ovládá chod celé bezdrátové sítě. Pokud však vznikne problém na přístupovém bodu, ohrozí to chod cele sítě. Další výhodou je menší složitost směrovacích protokolů a nastavení jednotlivých klienstských stanic. V ad hoc sítích je hlavní devizou nezávislost a decentralizovanost, kdy nepotřebujeme žádný přístupový bod ani základnovou stanici. Stačí nám v blízkosti pouze uzel běžného uživatele. Tato struktura má velkou výhodu v možnostech své mobility, kdy se přepínáme na pro nás vhodný uzel ve svém okolí. Její malé rozšíření je způsobené složitější implementací do reálných podmínek, náročnějším správou a větší složitostí směrovacích protokolů. [1] Ad Hoc in Wireless Local Area Networks (WLAN), Jani Kaartinen, Control Engineering Laboratory [2] Wireless Information Technology for the 21st Century, Information Technology Laboratory National Institute of Standards and Technology [3] [4]