Semestrální práce do př edmětu Mobilní komunikace Standardy WLAN dle IEEE 802.11 Vypracovala: Marie Velická
Úvod do bezdrátových sítí Během posledních pěti let se naše společnost stala neuvěřitelně mobilní. Výsledkem toho je, že tradiční způsoby komunikace přestávají být dostačující našemu novému životnímu stylu. Jestliže uživatel musí být připojen do sítě fyzickými kabely, jeho schopnost přemisťovat se dramaticky klesá. Bezdrátová konektivita nepředstavuje takové omezení a tudíž umožňuje více volného pohybu v uživatelské části sítě. Stojíme před hlubokými změnami v počítačových sítích. Mobilní telefony jsou úspěšné, protože umožňují lidem vzájemnou komunikaci bez ohledu na jejich pozici. Nové technologie zaměřené na počítačové sítě slibují totéž. Dosud nejúspěšnější bezdrátová technologie je založena na standardech IEEE 802.11 (Institute of Electrical and Electronics Enineers). Proč bezdrátově? Nejzřejmější výhodou bezdrátových sítí je mobilita. Dalším důležitým faktorem je flexibilita. Infrastruktura sítě je stejná pokud bude připojen jeden účastník nebo uživatelů tisíc, samozřejmě pokud je stávající síť dobře dimenzována. Vše co potřebujete k pokrytí daného místa jsou antény a základové stanice. Přidání dalšího zákazníka je už jen otázkou ověření, tedy žádné další tahání kabelů, nastavování a konfigurace počítače. Flexibilita je důležitým faktorem pro poskytovatele připojení. Jeden z trhů, na který se výrobci soustřeďují je tzv. hotspot trh. Letiště i vlaková nádraží už začínají poskytovat připojení pro cestovatele čekající na další spoj. Hotely a různé kavárny jdou stejnou cestou. V současné době je to pro ně spíš otázkou prestiže než zdroj velkých příjmů. Důvodů, proč použít zrovna bezdrátové připojení, je mnoho. Dnes je tato technologie velkým hitem a můžeme říci, že ji čeká velká budoucnost.
Síť různých názvů Bezdrátová konektivita je velice žhavým segmentem trhu. Několik technologií bylo primárně určeno pro přenos dat. Bluetooth je standard používaný k přenosu dat mezi periferními zařízeními počítače, mobilními telefony či PDA. Slouží převážně jako náhrada klasického kabelu. Tato technologie je dnes velice oblíbená a používaná hlavně u mobilních telefonů. Třetí generace mobilních telefonů slibuje přenosovou rychlost dat v megabitech za sekundu, stejně jako always on technologie, která se hodně osvědčila uživatelům DSL (Digital Subscriber Line). Navzdory všemu humbuku a tlaku výrobců 3G (3rd Generation) zařízení, start 3G služeb nebyl a není tak rychlý jak se očekávalo. Ovšem zařízení zejména na bázi standardu IEEE 802.11b měla udivující úspěch. Zatímco mobilní sítě 3G mohou být úspěšné v budoucnosti, standardy IEEE 802.11 jsou úspěšné již teď. Díky rapidnímu poklesu cen v roce 1999 se stala zařízení velice dostupná nejen pro velké společnosti, ale také pro domácí uživatele. Tento standard má mnoho různých názvů. Někteří lidé standardy IEEE 802.11 nazývají bezdrátový Ethernet, pro zdůraznění stejné vývojové linie s klasickým Ethernetem (IEEE 802.3). Nedávno sdružení Wi Fi Aliance (kdysi Wireless Ethernet Compatibility Aliance) prosadila svůj Wi Fi (Wireless Fiddelity) certifikační program. Každý výrobce může své produkty otestovat na schopnost užívat části nebo zařízení jiného systému. Produkty, které tímto testem projdou, mohou užívat známku Wi Fi. Porovnání IEEE 802.11a, b, g Standard IEEE 802.11a byl schválen v roce 1999. Práce na ní byla zahájena dříve než na IEEE 802.11b, ale vyžádala si delší čas vzhledem ke složitějšímu způsobu přenosu na fyzické vrstvě. Na rozdíl od IEEE 802.11b pracuje již v licenčním pásmu 5 GHz a s výrazně vyšší teoretickou rychlostí: 54 Mbit/s (skutečná přenosová rychlost se pohybuje do 30 36
Mbit/s). Pro její dosažení se poprvé v paketové komunikaci používá ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), který se dosud uplatňoval pouze v systémech jako DAB (Digital Audio Broadcasting) nebo DVB (Digital Video Broadcasting). Výhoda IEEE 802.11a oproti IEEE 802.11b není ale jen ve vyšších rychlostech, ale také v použitém kmitočtu: kmitočet 5 GHz je méně vytížen, má větší šířku pásma a dovoluje tedy využití více kanálů bez vzájemného rušení. Rozdílně využívané kmitočty u obou typů WLAN (Wireless Local Area Network) znemožňují jejich vzájemnou spolupráci. IEEE 802.11a nabízí až osm nezávislých, nepřekrývajících se kanálů. Kmitočet 5 GHz nutný pro IEEE 802.11a je ale v Evropě přidělen konkurenční WLAN, HIPERLAN/2. V současné době se usilovně pracuje na synchronizaci využití kmitočtového pásma kolem 5 GHz v rámci Evropské Unie. To bude realizováno standardem IEEE 802.11h. V České Republice se standard IEEE 802.11a zatím výslovně nezakázal. Bylo povoleno pouze použití s omezeným vyzařovacím výkonem antény a ještě pouze v určitém kmitočtovém subpásmu. Zatímco produkty dle IEEE 802.11b jsou již ve velkém výběru značek k dispozici a otestovány Wi Fi Aliancí na vzájemnou spolupráci, o prvcích produktech dle IEEE 802.11a se totéž říci nedá. Proto provozovatelé stávajících sítí dle IEEE 802.11b zřejmě nebudou v rámci modernizace přecházet na IEEE 802.11a, ale budou čekat na specifikaci a produkty na bázi standardu IEEE 802.11g. Krokem k větší rychlosti je právě standard IEEE 802.11g. Pracuje v pásmu 2,4 GHz, ve kterém operují i jednotky dle IEEE 802.11b, Bluetooth, analogové zařízení s modulací FM pro přenos audio a video signálů v domácnostech, HomeRF (Home Radio Frequency), zařízení ISM (Industrial, Scientific and Medical) a mikrovlné trouby. V pásmu 2,4 GHz je k dispozici jen 83 MHz část spektra (oproti 200 MHz v pásmu 5,15 5,35 GHz), což v případě větší firemní budovy nemusí být až tak nepříjemné, přeci jenom jednoduchým frekvenčním plánováním se dá zamezit vzájemnému rušení sousedních přístupových bodů. Horší je to však v případě vícepodlažní budovy, ve které je vícero menších firem nebo
v případě obytného bloku, kde se na koordinované využívání kanálů asi nedá příliš spoléhat. V takových případech bude pravděpodobně výhodnější nasazení WLAN dle IEEE 802.11a pracující v pásmu 5 GHz, ve kterém je k dispozici více nepřekrývajících se kanálů. Maximální bitová rychlost neznamená max. datovou rychlost. Kromě užitečných dat je potřebné přenášet například i hlavičky paketů a kontrolní součet. Některé aplikace, jako třeba digitalizovaný přenos videa (streaming), používají jednodušší protokol UDP (User Datagram Protocol), kde je potřebné obětovat méně bitů na signalizaci a nedochází ke zpětné kontrole přijatých paketů jako u protokolu TCP (Transmission Control Protocol). Je proto možné dosáhnout vyšší rychlosti. Propustnost závisí i na délce paketů a údaje v tabulce předpokládají 1500 bajtové pakety, nulovou chybovost přenosu a malou vzdálenost mezi WLAN jednotkami, kdy se dá využít celá šířka pásma. Se vzrůstající vzdáleností jednotky postupně přeřazují na nižší rychlosti: 54 48 36 24 18 12 9 6 Mbit/s v případě IEEE 802.11a. Specifikace IEEE 802.11g má další rychlosti 11 5,5 2 1 Mbit/s převzaté z IEEE 802.11b. Někteří dodavatelé využívají spřažení více kanálů (TURBO), což je však mimo rámec standardů. V tomto případě je možné dosáhnout i rychlosti 72 Mbit/s nebo až 108 Mbit/s. Čipy Texas Instruments umožňují, také nad rámec specifikace, dosáhnout pomocí různých vylepšení implementace IEEE 802.11b bitovou rychlost až 22 Mbit/s. IEEEstandard Max. Max. Max. bitová teoretická teoretická Rychlost TCP rychlost UDP rychlost 802.11a až do 54 Mbit/s 24,4 Mbit/s 30,5 Mbit/s 802.11a TURBO 108 Mbit/s 42,9 Mbit/s 54,8 Mbit/s 802.11b 11 Mbit/s 5,9 Mbit/s 7,1 Mbit/s 802.11g až do 54 Mbit/s 24,4 Mbit/s 30,5 Mbit/s Frekvenční pásmo 5,150-5,250 5,250-5,350 (5,725-5,825) GHz 2,400-2,4835 GHz 802.11g (b+) 54 Mbit/s 14,4 Mbit/s 19,5 Mbit/s
Tab. 1 Porovnání různých standardů IEEE 802.11 IEEE 802.11b nezajišťuje kvalitu služeb QoS (Quality of Service) a dostatečnou bezpečnost komunikace. Z těchto důvodů se IEEE zabývá řadou doplňků k IEEE 802.11 (802.11d, e, f, h, i, j) a dalších variant WLAN. Vyvíjené typy standardů Práce na vylepšení a nových specifikacích pro WLAN podle IEEE 802.11 pokračují, takže se podívejme, co která specifikace přináší/přinese (v abecedním pořadí). IEEE 802.11c Tento dokument řeší práci komunikačních mostů v rámci podvrstvy MAC (Media Access Control). IEEE 802.11a je doplňkem k mezinárodní normě IS 10038 (IEEE 802.1D) o transparentních mostech (konkrétně protokolu STP (Spanning Tree Protocol)). Doplněk byl schválen v roce 1998. IEEE 802.11d Norma IEEE 802.11d upravuje IEEE 802.11b pro jiné kmitočty s cílem umožnit nasazení WLAN v místech, kde pásmo 2,4 GHz není dostupné (většina zemí tento kmitočet na základě doporučení ITU T(International Telecommunications Union Telecommunications Standardizartion Sector) uvolnila). Norma, která je někdy nazývána jako "internacionalizace" IEEE 802.11, byla schválena v roce 2001. IEEE 802.11e IEEE 802.11e doplňuje podporu pro kvalitu služeb QoS s využitím TDMA (Time Division Multiple Access) a opravu chyb do podvrstvy MAC na podporu všech fyzických
vrstev používaných v IEEE 802.11 sítích, kromě sítí typu ad hoc. Využití najde například u telefonování přes Wi Fi a v dalších multimediálních aplikacích. IEEE 802.11f Nový projekt IEEE 802.11f vylepšuje mechanismus předávání stanic při přechodu mezi dvěma rádiovými kanály nebo z jedné sítě do sousední s připojením k jinému přístupovému bodu. Protokol IAPP (Inter Access Point Protocol) má umožnit spolupráci přístupových bodů od různých výrobců ve WLAN s distribučním systémem na základě specifikace informací, které si musí při předávání stanic vyměňovat. Původní norma IEEE 802.11 se nezabývala podrobnostmi implementace přístupových bodů a distribučního systému, které navíc zahrnují i záležitosti vyšších vrstev (nejen nejnižších dvou, které definuje WLAN). Volnost v návrhu jednotlivých systémů zákonitě vede k neschopnosti spolupráce mezi zařízeními různých výrobců. IEEE 802.11g Norma IEEE 802.11g rozšiřuje IEEE 802.11b a umožňuje použití přenosové rychlosti 54 Mbit/s. Systémy podle ní mají být slučitelné s 11 Mbit/s WLAN, včetně všech připravovaných doplňků: IEEE 802.11d internacionalizace, IEEE 802.11e kvalita služeb a IEEE 802.11i bezpečnost. IEEE 802.11g znamená vlastně další alternativu k IEEE 802.11a a IEEE 802.11b. Řešení fyzické vrstvy je zde založeno na OFDM, podobně jako IEEE 802.11a. Pro zpětnou slučitelnost s IEEE 802.11b podporuje také CCK (Complementary Code Keying); volitelně rovněž modulaci PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) jako ústupek vůči firmě Texas Instruments (nepřináší nic nového). Tři modulační mechanismy budou moci pracovat simultánně, takže přístupové body podle IEEE 802.11g budou schopny podporovat jak stávající uživatele, tak nové klienty s vyššími rychlostmi. Práce IEEE 802.11b CCK, IEEE 802.11b PBCC a IEEE 802.11g
OFDM vedle sebe, na stejném kmitočtu a v totožném místě ale může vést ke vzájemnému rušení. IEEE 802.11h Tento doplněk IEEE 802.11h vylepšuje řízení využití kmitočtového spektra (výběr kanálu a řízení vysílacího výkonu) a doplňuje IEEE 802.11a. Evropští regulátoři požadují pro schválení produktů 802.11a použití dynamického výběru kanálu DCF (Dynamic Channel Selection) a řízení vysílacího výkonu TPC (Transmit Power Control) u zařízení pracujících na kmitočtu 5 GHz. IEEE 802.11h má právě tyto možnosti doplnit do normy IEEE 802.11a. Tyto doplňky se budou tedy týkají pouze pásma 5 GHz, nikoli pásma 2,4 GHz. IEEE 802.11i IEEE 802.11i doplňuje bezpečnost do podvrstvy MAC na podporu všech fyzických vrstev používaných v IEEE 802.11 sítích; místo WEP (Wireless Encryption Privacy) použije nový způsob šifrování AES (Advanced Encryption Standard). IEEE 802.11j IEEE 802.11j představuje nejnovější záměr IEEE pro řešení koexistence IEEE 802.11a a HIPERLAN/2 na stejných vlnách. HIPERLAN/2 je evropská norma využívající pásmo 5 GHz a podporující rychlosti (na fyzické vrstvě) do 54 Mb/s. Mezi výhody HIPERLAN/2 patří, že používá OFDM a má zabudovanou podporu pro QoS (řešení fyzické vrstvy totiž vychází z bezdrátového ATM (Asynchronous Transfer Mode)).