Luděk Piskač Specifické charakteristiky sítí WLAN (fixní infrastruktura, pokrytí, provozní intenzita,...)

Luděk Piskač Specifické charakteristiky sítí WLAN (fixní infrastruktura, pokrytí, provozní intenzita,...) Úvod WLAN (Wireless Local Area Network) je zkratka pro bezdrátovou místní síť. Tyto sítě se začali vyvíjet v polovině 90.let. Technologie se stále velmi rychle rozvíjejí, takže vznikají nové a nové standardy, které si kladou za cíl zvýšení přenosové rychlosti a bezpečnosti, která v prvopočátcích byla velmi slabá. Mohou být řešeny více různými způsoby, z nichž každý má určité výhody, ale současně i nevýhody - včetně toho, jak vysokých přenosových rychlostí umožňuje dosáhnout, jaký má dosah, jak je ovlivněn prostorovými překážkami a jak je citlivý na vnější vlivy (rušení, zkreslení). Vše samozřejmě dále závisí i na tom, jaké frekvence jsou pro bezdrátové přenosy používány. Vyšší frekvence mají kratší dosah a horší schopnost prostupovat přes překážky než frekvence nižší. Na druhé straně na vyšších frekvencích bývají dostupné větší rozsahy frekvencí (širší pásma), která umožňují dosáhnout vyšších přenosových rychlostí. Vedle toho samozřejmě záleží i na konkrétní technice, jakou rádiový přenos používá. Pro WLAN je typické sdílení média a princip CSMA/CA (Carrier Sence Multiple Access / Collision Avoidance) - nedetekuje kolizi, přijímací strana posílá potvrzující signál ACK, na rozdíl od CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) (metoda náhodného přístupu) např. u Ethernetu. Vždy jen jedno ze zařízení ve sdíleném segmentu vysílá, ostatní musí jen přijímat. Základnová stanice se tedy při využívání kanálu střídá se stanicemi mobilními. Režim využívání jediného kanálu s rozdělením do více subkanálů je označován jako časový duplex - TDD (Time Division Duplex). Je to zásadní rozdíl proti tzv. přepínaným sítím, kde současně mohou vysílat všechna zařízení a pracovat v plně duplexním provozu. Sdílení je velmi omezujícím faktorem, který snižuje efektivní rychlost přenosu v síti při použití více komunikujících zařízení současně. Proto standardizované rychlosti WLAN, např. 11 Mbit/s nebo 54 Mbit/s, jsou dosažitelné pro reálný přenos dat jen u bezdrátových sítí s málo klienty nebo u sítí s malou soudobostí požadavků na přenos. Dosah sítě je až 300 metrů ve volném prostoru, v budovách 10 až 100 metrů podle dispozic. Výhodou používání sítí WLAN je tedy poměrně vysoká rychlost a nízká cena připojení k internetu oproti např. mobilním sítím. Režimy činnosti Bezdrátové sítě mohou komunikovat ve dvou základních módech činnosti: s fixní infrastrukturou a adhoc. S fixní infrastrukturou - mobilní stanice komunikují navzájem i s externími sítěmi pouze prostřednictvím základnových stanic - přístupových bodů AP (Acces Point), provádějící veškerý management systému. Tento režim je pro WLAN nejobvyklejší. Adhoc režim - blízké mobilní uzly komunikují přímo (single-hopping), na stejné úrovni. Vzdálené mohou komunikovat pomocí mezilehlých uzlů (multi-hopping), v praxi se tato možnost příliš nevyužívá. Management provádějí uzly sami. Je tedy zřejmé, že tento režim nevyžaduje přístupový bod. Tento typ spojení je vhodný jen pro méně počítačů v síti. 1 2 5 3 4 1

Standardy Provoz bezdrátových přenosů je nastavován a řízen mezinárodními standardy a podléhá pravidlům národních regulátorů (ČTÚ). Nejznámější je celosvětově rozšířený americký standart IEEE 802.11 a evropský HiperLAN (HIgh PErformance Radio LAN). IEEE 802.11 Nestandardizované normy jednotlivých výrobců bránily většímu rozšíření bezdrátových sítí, a proto v roce 1990 začala organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) pracovat na normě, která by umožnila vzájemnou spolupráci zařízení od různých výrobců. V červenci 1997 vznikla norma IEEE 802.11, která využívala bezlicenční pásmo 2,4 GHz a definovala pro tři různé fyzické vrstvy jednu MAC (Media Access Control) podvrstvu (součást spojové vrstvy) podle referenčního modelu OSI (Open system Interconnection). Maximální přenosová rychlost 1 a 2 Mbit/s, ale byla nedostačující, a proto se pracovalo na navýšení této rychlost. Jednak možností využití jiného frekvenčního pásma (5 GHz) a jednak nalezením způsobu, jak lépe využít stávající pásmo. Vznikli tak doplňky IEEE 802.11a s maximální přenosovou rychlostí 54 Mbit/s a doplněk IEEE 802.11b (Wireless Fidelity, WiFi) s maximální přenosovou rychlostí 11 Mbit/s. Během několika dalších let došlo a stále dochází ke vzniku dalších doplňků původní normy, které se zabývají dalším nárůstem přenosových rychlostí, podporou kvality služeb (Quality of Service, QoS), lepším zabezpečením atp. IEEE 802.11a Jedná se o vysokorychlostní normu, schválenou v roce 1999, pracující v kmitočtovém pásmu 5,15 5,35 GHz a 5,725 5,826 GHz v USA. Toto pásmo (šířka 20 MHz na kanál) je méně vytíženo a dovoluje využití více nezávislých, nepřekrývajících se kanálu bez vzájemného rušení. Poprvé se v paketových komunikacích používá ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM), který se dosud uplatňoval pouze ve systémech jako DAB (Digital Audio Broadcasting) nebo DVB (Digital Video Broadcasting). Díky tomu dosahuje nejvyšší rychlosti - teoreticky až 54 Mbit/s (skutečná přenosová rychlost se pohybuje do 30 36 Mbit/s). Používané modulace jsou BPSK (6 a 9 Mbit/s), QPSK (12 a 18 Mbit/s) a 16-QAM a 64-QAM (12, 18, 24, 36, 48 a 54 Mbit/s), s mnohonásobným přístupem a maximálním výkonem 40 mw (dolní frekvenční kanál), 200mW (střed frekvenční kanál) a 800 mw (horní frekvenční kanál). IEEE 802.11b Doplněk IEEE 802.11b, známý též jako WiFi (Wireless Fidelity), vznikl v roce 1999 jako vylepšení 802.11. Největším problémem původní normy pro WLAN (802.11) byla stále nízká přenosová rychlost. WiFi poskytuje vyšší rychlosti v pásmu 2,4 GHz (2,412 2,472 GHz a 2,41 2,462 GHz (USA)) se šířkou na kanál 1 MHz (FHSS) a 25 MHz (DS-SS), a to až 11 Mbit/s. Pro jejich dosažení používá nový způsob kódování, tzv. doplňkové kódové klíčování (Complementary Code Keying, CCK) s použitím DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) na fyzické vrstvě. Využívá modulace: DBPSK (1 Mbit/s), DQPSK (2 Mbit/s), a CCK (5,5 a 11 Mbit/s) s mnohonásobným přístupem CSMA/CA. Doplněk specifikuje, že podle momentální rušivosti prostředí se dynamicky mění rychlost na nižší nebo naopak na vyšší: 11 Mbit/s, 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s až 1 Mbit/s. Maximální rychlost na fyzické vrstvě je sice 11 Mbit/s, ale užitná rychlost je nižší, protože 30 40 procent teoretické kapacity tvoří režie. Testovaná uživatelská rychlost se udává kolem 6 Mbit/s. Dosah sítě je kolem 100 m, ale výkonnější vysílač s dobrou anténou může tuto vzdálenost přesáhnout. Maximální výkon je koncipován na 100 mw. Produkty pro 802.11b jsou testovány WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) na vzájemnou spolupráci. WiFi má však některé nedostatky, které odstraňují další doplňky. Především jde o stále 2

nedostatečnou přenosovou rychlost. Kromě tohoto problému u nich mohou nastat potíže s rušením s jinými zařízeními v otevřeném pásmu 2,4 GHz. V neposlední radě 802.11b nezajišťuje kvalitu služeb QoS a dostatečnou bezpečnost komunikace. IEEE 802.11c IEEE 802.11c je WiFi standard věnující se přemosťování v bezdrátových zařízeních. Jde o hotový standard doplňující standard IEEE 802.1D, který přidává požadavky na přemosťování Media Access Control (MAC), což je podvrstva linkové vrstvy. Standard IEEE 802.1D upravuje základní LAN standard pro 802.11 rámce. Zejména dodává do klauzule 2.5 Support of the Internal Sublayer Service podklauzuli, která pokrývá přemosťovací operace v rámci 802.11 MAC podvrstvy. Doplněk byl schválen v roce 1998. IEEE 802.11d IEEE 802.11d je standard často nazývaný také jako globální harmonizační standard z roku 2001. Je používaný v zemích, kde nejsou povoleny systémy používající jiné dodatky k IEEE 802.11 standardu. Definuje požadavky na fyzickou vrstvu k uspokojení regulačních domén nepokrytých existujícími standardy. Liší se v povolených frekvencích, vyzařovacích výkonech a propustnosti signálu. Specifikace eliminuje nutnost vývoje a výroby specifických produktů pro různé země. IEEE 802.11e Doplňuje podporu pro kvalitu služeb QoS pro zajištění přenosu hlasu, obrazu a jiných služeb citlivých na zpoždění či ztráty dat. IEEE 802.11e doplňuje sítě definované IEEE 802.11a/b/g a nahrazuje stávající metody pro přístup k médiu: DCF (Distributed Coordination Function) a PCF (Point Coordination Function). Nově použité přístupové metody jsou EDCF (Enhanced DCF) a HCF (Hybrid Coordination Function), ty umožňují uplatnění podpory pro QoS. Doplněk navíc zajišťuje zpětnou kompatibilitu se zařízeními, které nejsou podporou pro QoS vybaveny. IEEE 802.11F Doplněk IEEE 802.11F vylepšuje mechanismus předávání stanic (roaming) při přechodu mezi dvěma rádiovými kanály nebo z jedné sítě do sousední s připojením k jinému přístupovému bodu. Protokol IAPP (Inter-Access Point Protocol) umožňuje spolupráci přístupových bodů od různých výrobců s distribučním systémem na základě informací, které si při předávání stanice vyměňují. Stažen v březnu 2006. IEEE 802.11g V roce 2003 se objevil v dnešní době asi nejpoužívanější standard 802.11g. Norma 802.11g pracuje ve stejném pásmu 2,4 GHz jako norma 802.11b, avšak poskytuje vyšší rychlosti přenosu dat (až do 54 Mbit/s), na druhou stranu snižuje dosah (max. 30 m), neboť je maximální výkon stále 100 mw, jako u IEEE 802.11b. Výhodou je zpětná kompatibilita s 802.11b, která přináší možnost vzájemné spolupráce zařízení obou standardů. Komunikace na úrovni fyzické vrstvy probíhá s využitím OFDM, podobně jako 802.11a. Při komunikaci se zařízeními 802.11b se využívá technologie CCK (Complementary Code Keying), volitelně rovněž PBCC (Packet Binary Convolutional Coding). 802.11g obsahuje mechanismus pro koexistenci 802.11b a 802.11g klientů v jedné síti. Ten se v tomto případě spustí v okamžiku přidružení klienta 802.11b k síti 802.11g. Klient musí nejprve požádat přístupový bod o vysílání prostřednictvím zprávy RTS (Request-To-Send) a musí s vysíláním počkat, dokud od přístupového bodu nedostane povolení ve formě CTS (Clear-To-Send). Pro ostatní klienty CTS od přístupového bodu znamená povel nevysílat. Díky mechanizmu RTS/CTS se zamezí současnému vysílání (kolizím) klientů 802.11g a b, ale za cenu dost vysoké režie. Ve výsledku to znamená, že síť 802.11g bez klientů 802.11b bude mít lepší výkonnost zejména 3

s rostoucím počtem uživatelů připojených k síti. Zajímavé je porovnání 802.11a a g. Ukazuje se, že pokud v síti nejsou klienti 802.11b, je výkonnost sítě 802.11g prakticky shodná s výkonností 802.11a. S přítomností klientů 802.11b se reálná propustnost sítě snižuje až na třetinu (cca 8 Mb/s), což je sice více než u tradiční 802.11b, ale rozhodně ne o mnoho. K modulaci se používá podle kvality přenosového média QPSK, BPSK, 16-QAM či 64-QAM. Podporované rychlosti v závislosti na modulaci jsou následující: 54 Mbit/s (64-QAM), 48, 36 a 4 Mbit/s (16-QAM), 18 a 12 Mbit/s (QPSK), 9 a 6 Mbit/s (BPSK). Další rychlosti jsou stejné jako u 802.11b. IEEE 802.11h IEEE 802.11h je WiFi standard doplňující IEEE 802.11a, který je navržen s ohledem na evropské podmínky, aby bylo možné sítě využívat mimo budovy. Řeší například problémy s rušením od ostatních zařízeních pracujících na 5 GHz frekvenci. Na tomto pásmu pracují například radary nebo některé satelitní systémy. V podstatě mají bezdrátová zařízení v případě, že detekovaly rušení, omezit vysílací výkon nebo uvolnit kanál, na kterém toto rušení rozpoznaly. Tento standard upravuje fyzickou vrstvu a podčást linkové vrstvy MAC podvrstvu. Dynamickým výběrem kanálu přináší také lepší pokrytí jednotlivých kanálů. IEEE 802.11i Doplňuje lepší zabezpečení IEEE 802.11 sítí. Místo šifrovacího mechanismu WEP (WiredEquivalent Privacy) se používá nový způsob šifrování AES (Advanced Encryption Standard) s použitím dynamicky generovaného klíče. K autentizaci uživatelů se používá řízení přístupu podle 802.1x nebo s pomocí přednastaveného klíče PSK (PreShared Key). IEEE 802.11j IEEE 802.11j představuje řešení koexistence 802.11a a HiperLAN/2 na stejných kmitočtech. IEEE 802.11k Doplněk pro zefektivnění využití přenosového média na základě měření kvality jednotlivých kanálů: šumu, zahlcení a vzájemného rušení. Na základě těchto informací dojde k optimalizaci nastavení klientů a ke konfiguraci sítě tak, aby se dospělo k co nejlepším parametrům spoje. IEEE 802.11m Pracovní skupina, která se stará o opravu technických parametrů v normě IEEE 802.11 a v jejích dalších doplňcích. Dokumenty vydané ostatními skupinami jsou touto skupinou kontrolovány a jsou upravovány případné nesrovnalosti nebo chyby v původních specifikacích. IEEE 802.11n IEEE 802.11n je standard, který si klade za cíl upravit fyzickou vrstvu a podčást linkové vrstvy MAC tak, aby se docílilo reálných rychlostí přes 100 Mbit/s. Nicméně maximální rychlost může být až 540 Mbit/s. Zvýšení rychlosti se dosahuje použitím MIMO (Multiple Input Multiple Output) technologie, která využívá vícero vysílacích a přijímacích antén. Měl by se také zvýšit dosah. Standard bude finálně schválen nejdříve v červenci 2007. IEEE 802.11p První podpora mobility pro připojení rádiových stanic v automobilech k pevným bezdrátovým přístupovým bodům. 4

IEEE 802.11r Doplněk MAC pro rychlejší předávání uživatelů (roaming) mezi přístupovými body v rámci ESS (Extended Service Set) pro aplikace v reálném čase. IEEE 802.11s Zavádí podporu topologie tzv. mesh sítě s použitím automatické konfigurace. Každý klient bude zároveň přístupovým bodem a naopak (multi-hopping). IEEE 802.11u IEEE 802.11u specifikuje spolupráci s externími sítěmi. IEEE 802.11v IEEE 802.11v vytváří jednotné rozhraní pro management zařízení v bezdrátové síti. Stanice budou moci provádět funkce managementu zahrnující monitoring a konfiguraci buď centralizovaně, nebo distribuovaně prostřednictvím mechanismu na druhé vrstvě. Přispívá také k rekonfiguraci stávající MIB (Management Information Base), která obsahuje informace o měření kvality média. IEEE 802.11w Rozšíření stávající MAC vrstvy o mechanismy na podporu integrity dat, autenticity zdroje dat, utajení dat a ochrany před útoky typu replay pro vybrané rámce určené pro management. Cílem je zvýšení zabezpečení rámců pro management. IEEE 802.11y Doplněk, který by měl umožnit využití pásma 3,65 3,70 GHz v USA. HiperLAN Evropský institut ETSI (European Telecommunications Standards Institute) vyvíjel od roku 1990 alternativu k americkému standartu IEEE 802.11. Pracuje na krátké vzdálenosti 100 až 150 m v pásmu 5 GHz, které je rozděleno na dvě subpásma. Subpásmo 5,15 5,35 GHz je určeno pouze pro vnitřní sítě s maximálním středním vyzařovaným výkonem 200 mw, druhé: 5,4 5,725 GHz pro vnitřní a vnější sítě s výkonem 1 W. Vývoj však trval dlouho, takže po uvedení HiperLAN/1 v roce 1995 do praxe se již výrazně prosazovala technologie IEEE 802.11. Navíc již tato verze nesplňovala požadavky bouřlivě se rozvíjející digitalizace na přenos dat, takže vznikly další verze tohoto standardu - HiperLAN/2, HiperLAN/3, HiperLAN/4. Nicméně i přes docela sofistikované mechanismy přidělování kanálu i přenosu stojí tato technologie na pokraji trhu a prosazuje se pouze tam, kde se výrazněji projeví její vlastnosti. HiperLAN/1 Navržena pro použití jak v adhoc, tak i v sítích s fixní infrastrukturou. Předpokládá klasický přenos dat, bez specifických požadavků na kvalitu přenosové služby QoS. Pracuje v pásmu 5,15 5,25 GHz, má 5ti-úrovňové stanovení priority. Dosahuje rychlostí 1 Mbit/s (při vzdálenosti 800 metrů) až 23,5 Mbit/s (pro vzdálenost 50 metrů), za užití GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), která se běžně využívá např. u GSM. HiperLAN/2 Byla navržena pro sítě s fixní infrastrukturou. Důraz byl kladen především na podporu pro kvalitu služeb QoS. Efektivně řídí spotřebu energie bezdrátových zařízení a umožňuje autokonfiguraci (plug and play). Technologie používá, stejně jako IEEE 802.11a, přenos technologií OFDM a dovoluje po nepřekrývajících se kanálech o šířce 20 MHz přenášet data rychlostmi od 6 Mbit/s do 54 Mbit/s. Modulace a kódování odpovídají technologii 5

IEEE 802.11a. Od 802.11 se HiperLAN/2 liší řešením protokolu MAC. Řešení 802.11 vychází z principu Ethernetu (CSMA/CA). HiperLAN/2 zavádí deterministické přidělování práva na vysílání. Podvrstva MAC u HiperLAN/2 pracuje v režimu časového duplexu TDD, kdy rámce obsahující řídicí informace spolu s uživatelskými daty se v obou směrech (uplink, downlink) posílají v časových intervalech 2 ms. Efektivnost HiperLAN/2 ve využití kmitočtového spektra dovoluje pracovat s menším počtem přístupových bodů - o čtvrtinu až polovinu méně než u 802.11a. HiperLAN/3 (HiperAccess) Určena pro větší vzdálenosti, pracuje v mikrovlnném pásmu. Verze venkovní pevné bezdrátové sítě - obdoba FWA (Fixed Wireless Access) s delším dosahem. Pracuje v pásmu 40,5 43,5 GHz s typickými rychlostmi do 25 Mbit/s. Slouží pro přístup domácích uživatelů nebo malých podniků k IP, ATM nebo UMTS. Dosah cca 800 m. HiperLAN/4 (HiperLink) Vysokorychlostní dvoubodové statické připojení, pracuje opět v mikrovlnném pásmu 17 GHz. Rychlost až 155 Mbit/s. Do vzdálenosti cca 150 m. Závěr Největší nespornou výhodou WLAN sítí oproti standardním sítím je jejich mobilita s dokonalým širokopásmovým přístupem. Díky tomu mohou být pokryty těžko dostupná území. Dále především redukce nákladů při budování a provozu sítě, související se snadnou instalací, obsluhou, servisem a inovací. Pokročilé doplňky a normy již mají vyřešen problém s uplatněním systému kvality služeb QoS, dostačující přenosovou rychlostí, ochranou přenášených dat a vysokou účinností proti interferencím a rušení. Nevýhodou, která by snad stála za zmínku, je skutečnost, že způsob využívání spektra není celosvětově kompatibilní. Literatura [1] http://en.wikipedia.org/wiki/802.11 [2] http://en.wikipedia.org/wiki/hiperlan [3] http://www.tml.tkk.fi/studies/tik-110.300/1999/essays/hiperlan2.html [4] http://www.lupa.cz [5] http://standards.ieee.org 6