BEZDRÁTOVÉ POČÍTAČOVÉ SÍTĚ

Evropský polytechnický institut, s.r.o. 1. soukromá vysoká škola na Moravě BEZDRÁTOVÉ POČÍTAČOVÉ SÍTĚ Prof. Ing. Imrich Rukovanský, CSc., Honorary professor, Ing. Oldřich Kratochvíl, Dr.h.c. Kunovice, 2007

Prof. Ing. Imrich Rukovanský, CSc., Honorary professor, Ing. Oldřich Kratochvíl, Dr.h.c. Bezdrátové počítačové sítě Vydavatel, nositel autorských práv: Evropský polytechnický institut, s.r.o. Kunovice, 2007 ISBN 978-80-7314-112-7

OBSAH ÚVOD... 9 1 OBECNĚ O BEZDRÁTOVÝCH SÍTÍCH... 11 1.1 Klasifikace bezdrátových sítí... 12 1.2 Kategorie bezdrátových sítí podle normy IEEE... 14 1.3 Kontrolní otázky...14 2 BEZDRÁTOVÉ LOKÁLNÍ SÍTĚ... 15 2.1 Přechod od Ethernetu... 15 2.2 Architektura bezdrátových lokálních sítí... 15 2.2.1 Fyzická vrstva...16 2.2.2 MAC vrstva... 18 2.3 Mechanismus fragmentace a znovusestavení paketů... 19 2.4 Kontrolní otázky...20 3 STANDARD IEEE 802.11 WLAN... 21 3.1 IEEE 802.11b... 21 3.2 IEEE 802.11a... 22 3.3 IEEE 802.11g... 22 3.3.1 DSSS versus OFDM... 23 3.3.2 Výkonnost IEEE 802.11g... 24 3.4 Další rozšíření a nové normy: Standardy 802.11c - y... 25 3.4.1 IEEE 802.11c...25 3.4.2 IEEE 802.11d...25 3.4.3 IEEE 802.11e...25 3.4.4 IEEE 802.11f... 25 3.4.5 IEEE 802.11h...26 3.4.6 IEEE 802.11i... 26 3.4.7 IEEE 802.11j... 26 3.4.8 IEEE 802.11k Radio Resource Measurement... 26 3.4.9 Parametry, typy měření a komunikace... 27 3.4.10 Proč IEEE 802.11k?... 28 3.4.11 IEEE 802.11m... 28 3.4.12 IEEE 802.11n... 29 3.4.13 IEEE 802.11p... 29 3.4.14 IEEE 802.11r... 29 3.4.15 IEEE 802.11s... 29 3.4.16 IEEE 802.11.2 (802.11T)... 29 3.4.17 IEEE 802.11u... 29 3.4.18 IEEE 802.11v... 30 3.4.19 IEEE 802.11w... 30 3.5 Bezpečnost WLAN... 30 3.5.1 Největší slabiny systému... 32 3.5.2 Typy útoků na wireless sítě... 33 3.5.3 Od WPA ke standardu 802.11i... 34 3.5.4 Testování bezpečných produktů... 35 3.6 Přehled doplňků standardu IEEE 802.11... 36 3.7 Kontrolní otázky... 37 4 BEZDRÁTOVÉ OSOBNÍ SÍTĚ... 39 4.1 Bluetooth... 40 4.1.1 Popis činnosti...40 4.1.2 Maximální rychlost a dosah... 41 4.1.3 Bezpečnost... 41 4.1.4 Další vývoj... 41 4.2 WiMedia... 42 4.2.1 Rozdíly oproti Bluetooth... 42

4.3 UltraWideBand... 42 4.3.1 MBOA... 43 4.3.2 DS-UWB... 43 4.3.3 Výsledné řešení?... 43 4.3.4 Budoucí nasazení... 44 4.4 ZigBee... 44 4.4.1 Rozdíly oproti Bluetooth... 44 4.4.2 Komunikace... 45 4.5 WirelessUSB... 46 4.5.1 Rozdíly oproti Bluetooth... 46 4.5.2 Komunikace... 47 4.5.3 Dodávaná řešení... 47 4.6 Magnetická indukce... 48 4.6.1 Princip... 48 4.6.2 Výhody a nevýhody... 48 4.6.3 Dodávaná řešení... 48 4.7 Závěrem k bezdrátovým osobním sítím... 49 4.8 Kontrolní otázky... 49 5 BEZDRÁTOVÉ METROPOLITNÍ SÍTĚ... 51 5.1 WiMAX versus ADSL... 52 5.2 Mobilita... 52 5.3 Problémy s kmitočtovým spektrem... 53 5.4 Testování a certifikace... 53 5.5 Výrobci a komerční nasazení... 53 5.6 Potenciál WiMAX... 54 5.7 Kontrolní otázky...55 6 DALŠÍ NORMY IEEE 802 K BEZDRÁTOVÝM SÍTÍM... 57 6.1 Bezdrátový přístup v pohybu... 57 6.2 Bezdrátové regionální sítě... 58 6.3 Koexistence různých bezdrátových sítí... 58 6.4 Kontrolní otázky... 58 7 SÍTĚ MOBILNÍCH OPERÁTORŮ... 59 7.1 Technologie GSM... 59 7.2 Technologie GPRS... 60 7.2.1 Historie GPRS... 60 7.3 Princip činnosti... 60 7.4 Výhody GPRS... 61 7.5 Technologie EDGE... 61 7.6 Technologie HSCSD... 62 7.7 Technologie CDMA... 63 7.8 Standard UMTS... 64 7.8.1 Koncová zařízení... 65 7.8.2 Co naznačil Eurotel? (použil bych O2, všude)... 65 7.8.3 Záměry T-Mobile... 66 7.8.4 Párové a nepárové pásmo, TDD a FDD... 66 7.9 Závěrem k sítím mobilních operátorů... 68 7.10 Kontrolní otázky...68 8 HARDWARE... 69 8.1 Pasivní prvky... 69 8.1.1 Kabely... 69 8.1.2 Konektory... 70 8.1.3 Antény... 71 8.2 Aktivní prvky... 73 8.2.1 PCI... 73 8.2.2 PCMCIA... 74 8.2.3 USB... 75

8.2.4 Hardwarové Access Pointy... 76 8.3 Kontrolní otázky...78 9 LITERATURA... 79

Úvod Předkládané učební texty navazují na skripta Rukovanský Kratochvíl: Počítačové sítě vydané EPI Kunovice v roce 2001. Ta dosud představují ve 13 kapitolách souhrn obecných principů tvorby počítačových sítí. Avšak v důsledku rozvoje informačních a komunikačních technologií je již dnes řada tvrzení neaktuálních. Proto jsme se rozhodli původní texty o počítačových sítích budeme rozšiřovat a doplňovat o samostatné učební pomůcky vždy zaměřené na aktuální tématické okruhy související s návrhem, výstavbou a využíváním počítačových sítí. Předkládaná skripta Rukovanský Kratochvíl: Bezdrátové počítačové sítě si kladou za cíl předložit ucelený pohled na problematiku bezdrátových a mobilních počítačových sítí. Při jejich zpracování jsme kromě rozsáhlých monografických, časopiseckých, firemních a dalších podkladů využili bakalářských a semestrálních prací našich studentů oboru Elektronické počítače. 9

10

1 OBECNĚ O BEZDRÁTOVÝCH SÍTÍCH V poslední době došlo k prudkému rozvoji telekomunikační techniky. Vyvíjejí se stále nové technologie, které dovolují přenášet nejen video, hlas, ale i přenos dat, což poskytuje fundamentální podmínky pro vznik a využívání rozsáhlých počítačových sítí a informačních systémů. Nejnovějším požadavkem, kladeným na telekomunikační sítě je, aby uživatel nebyl odkázán na fixní připojení k síti a navíc, pokud možno, aby se svým koncovým zařízením měl možnost mobilního přístupu ke všem službám sítě z libovolného místa. Vznikají bezdrátové počítačové sítě. Ve firmách se běžně zavádějí vedle kabelových LAN bezdrátové lokální sítě WLAN Wireless LAN. Procházejí bouřlivým vývojem, dochází k jejich standardizaci, klesají jejich pořizovací náklady, zvyšují se přenosové rychlosti mezi uzly sítě. Možnost rychlého a jednoduchého bezdrátového připojení koncových uživatelů k síti způsobuje jejich nasazení všude tam, kde instalace pevných spojů je buďto nemožná, nebo alespoň komplikovaná (stavebně komplikované oblasti, terén, konferenční místnosti, městská zástavba, a pod). Bezdrátovou počítačovou sítí můžeme tedy definovat jako síť propojených počítačů, které ke vzájmenému propojení uzlů místo pevných spojů využívají k přenosu informací rádiových nebo optických spojů. K nejvýznamnějším výhodám bezdrátových sítí bezesporu patří mobilita. Poskytují nám svobodu pohybu. S notebookem nebo PDA můžeme surfovat na internetu třeba z náměstí našeho města. Uživatelé, kteří jsou v neustálém pohybu, mohou mít neustále přístup ke svým souborům nebo elektronické poště, mohou si vytisknou svou prezentaci na tiskárně, aniž by byli připojeni jediným kabelem. Vyznačují se rovněž vysokou flexibilitou. Bezdrátové počítače, PDA, nebo mobilní telefony se mohou dostat na místa, kde s kabelem není možno se dostat. Staré domy nebo kanceláře nemají k dispozici jednoduše přístupné prostory ve stěnách či stropech. Podniky, které jsou umístěny ve více budovách mohou být propojeny nejsnadněji pomocí bezdrátových spojů, bez nutnosti instalace kabelových vedení. Umožňují nám prakticky nonstop mobilní přístup k internetu díky stále hustějším bezdrátovým přístupovým bodům u benzinových pump, na letištích, nádražích, v metru, veřejných budovách, obchodních domech, restauracích a kavárnách. Stejné výhody podskytuje možnost přístupu do podnikových sítí hostům nebo zákaznmíkům různých firem využitím svých PDA nebo notebooků. Nezanedbatelná je také úspora nákladů vyloučením instalace kabelových rozvodů. Vedle prokazatelných výhod je třeba také uvést některé nevýhody bezdrátových sítí. K nejzávažnějším patří problémy související s kvalitou přenosu v bezlicenčním pásmu, kde může docházet ke vzájemnému rušení jednotlivých sítí. Další nevýhodou je možnost odposlechu přenášených dat, pokud není síť zabezpečena. Využívání licenčních pásem zase znamená prodražení komunikace v síti. U některých forem bezdrátové komunikace se vyžaduje přímá viditelnost mezi spoji. 11

1.1 Klasifikace bezdrátových sítí V bezdrátových sítích se aplikuje několik typů bezdrátových technologií. Můžeme je dělit podle několika kritérií: a) Podle způsobu použití: bezdrátové osobní sítě (např. Bluetooth, ZigBee, UWB WiMedia, Wireless USB) bezdrátové lokální sítě (např. WIFI) bezdrátové metropolitní sítě (např. Hiperman, WiMAX) sítě mobilních operátorů (GSM, GPRS, EDGE, UMTS, CDMA, HSDPA) a další b) Podle podpory mobility uživatelů: Mobilní mobilní bezdrátové sítě umožňují transparentní pohyb uživatele a jeho zařízení v rámci jedné bezdrátové sítě i mezi více sítěmi. Fixní umožňují pouze pevné připojení k bezdrátové síti. c) Podle typu signálu: Rádiové sítě jsou to nejčastější bezdrátové sítě a mají různý dosah. Jsou vhodná pro domácí uživatele i širokopásmový přístup. Rádiový signál proniká zdmi i stropy, ovšem některé tyto sítě potřebují přímou viditelnost bez překážek. Rádiová síť pracuje v rámci rádiových buněk, tj. prostorových oblastí, v nichž mohou stanice komunikovat prostřednictvím základové stanice nebo přístupového bodu. Optické bezdrátové sítě tyto sítě mají dosah řádově stovky metrů v přímé viditelnosti. Jsou vhodné pro podnikové sítě, pro komunikaci mezi budovami nebo pro domácí sítě pro přístup k Internetu. Infračervené sítě přenos vyžaduje přímou viditelnost, tzn. vysílač a přijímač musí na sebe vidět a nesmějí mezi sebou mít žádnou překážku, která je pro infračervený paprsek nepropustná. Infračervená komunikace se hodí na vnitřní použití, protože propojuje zařízení na velmi krátké vzdálenosti a signál neproniká zdmi, takže poskytuje i vysokou bezpečnost, nicméně infračervený signál negativně ovlivňují překážky i v podobě pohybujících se lidí nebo vlhkosti. Patří sem například Bluetooth, IRDA. Satelitní sítě nabízejí velkou kapacitu a celosvětové pokrytí. Družicová komunikace se uplatnila nejdříve v mezikontinentálním měřítku, ale ovládnutím kmitočtových pásem nad 10 GHz začala postupně pronikat i do regionálních, národních a soukromých sítí, a to jak v rámci monopolních provozovatelů, tak i soukromých provozovatelů nebo jednotlivců. d) Podle způsobu přenosu: Simplex (simplexní přenos) Komunikace mezi uživateli probíhá vždy jen jedním směrem a využívá se pro ni jen jeden kanál (Obr. la). Tohoto se využívá pro distribuci informací jako např. jednosměrný paging. Poloduplex (poloduplexní přenos) v tomto případě může komunikace probíhat dvěma směry, ovšem ne současně (Obr. 1b). I zde postačí jeden kanál. Jením z nejčastějších je využití v rádiovém spojení služeb (policie, apod.) 12

Duplex (plněduplexní přenos) - komunikace probíhá současně oběma směry a z tohoto důvodu je zapotřebí vymezit dva kanály. Aby bylo možno zabezpečit obousměrný provoz, je nezbytné oddělení kanálů. Toto oddělení lze provést, podobně jako v případě výše zmiňovaných přístupových technik, v oblasti kmitočtové a časové. (Obr. 1c) Kódového oddělení se nyní nepoužívá. Tato technika se uplatňuje v systémech pro radiotelefonní spojení. Obr. 1.1. Typy přenosu mezi vysílačem a přijímačem e) Podle typu spojování dat: Komutované spojování (s přepínáním okruhů) - při komutovaném spojování se vytváří datový okruh, který je k dispozici po celou dobu komunikace a po skončení přenosu se rozpadá. Pro komunikaci s jiným zařízením se vytváří nový okruh. K sestavení spojení je potřebná jistá doba (set-up). Takovýto druh spojování je vhodný zejména pro přenos hlasu a velkých objemů dat. Používá se například v sítích GSM. Paketové spojování - v tomto případě je přenášená zpráva rozdělena na menší části, které se opatřují záhlavím. Takto vznikají pakety, jež se vysílají do sítě. V přepojovacím uzlu se pakety uloží, podle záhlaví identifikují a zařadí do čekací fronty pro odeslání. Výhodou paketové sítě je, že zde neexistuje doba vytváření spojení a síť je prakticky neustále připravená přijímat data. Mezi nevýhody patří problematické využití při komunikaci v reálném čase, např. při přenosu hlasu. Paketový přenos můžeme rozdělit na tzv. službu bez spojení a službu se spojením. V prvním případě obsahuje záhlaví s adresami každý paket a v síti se mohou pakety pohybovat po různých fyzických kanálech. U služby se spojením obsahuje adresu první neboli vyhledávací paket. Mez oběma zařízeními vyznačí trasu, tzv. virtuální okruh, po které se zbývající pakety přenášejí. Tato varianta je vhodnější pro přenos velkých objemů dat. Hannover - znamená přepojení spoje během komunikace na jiný kanál. Dochází k němu tehdy, pokud systém vyhodnotí nový kanál jako vhodnější pro přenos. Podstatné je, která část sítě rozhoduje o přepojení a jak samotné přepojování probíhá. Podle způsobu přepínacího procesu dělíme handover na tzv. tvrdý, bezešvý a měkký. 13

1.2 Kategorie bezdrátových sítí podle normy IEEE Bezdrátové sítě, jak již bylo řečeno jsou hitem v mobilní komunikaci hlasové i datové. Provedením mohou být nejen rádiové, ale také optické či infračervené. Nyní se podíváme na standardy IEEE, organizaci, která se v rámci svého výboru 802 zabývá specifikací počítačových sítí a pracuje na řadě zajímavých norem. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) je mezinárodně uznávaná organizace sdružující elektro-inženýry (v současnosti je jich kolem čtvrt milionu ze 150 zemí světa). Členství v IEEE je individuální, otevřené všem dobrovolníkům. Kromě vzdělávací a publikační činnosti vytváří IEEE důležité technické normy (IEEE Standards Association, IEEE-SA). Ve svém portfoliu má přes 870 schválených norem a přes 400 ve vývoji. Asi nejznámější normy IEEE se týkají oblasti komunikačních sítí: výbor IEEE 802 normalizoval prakticky všechny lokální a metropolitní sítě (LAN a MAN), jako 802.3 (normalizovaný Ethernet), 802.5 (normalizovaný Token Ring). Výjimkou je pouze FDDI (Fiber Distributed Data Interface) a Fibre Channel, které spadají do působnosti ANSI (American National Standards Institute). IEEE se specifikací bezdrátových počítačových sítí zabývá teprve od roku 1990. V současnosti pracují tyto podvýbory: IEEE 802.11 - Bezdrátové lokální sítě (Wireless Local Area Network, WLAN) IEEE 802.15 - Bezdrátové osobní sítě (Wireless Personal Area Network, WPAN) IEEE 802.16 - Širokopásmový bezdrátový přístup (bezdrátové metropolitní sítě) IEEE 802.19 - Koexistence různorodých sítí (Koexistence různých bezdrátových sítí) IEEE 802.20 - Bezdrátový přístup v pohybu (Mobile Broadband Wireless Access) IEEE 802.22 - Bezdrátové regionální sítě (Wireless Regional Area Networks WRAN) Poznámka: Normy IEEE 802 jsou v současnosti volně k dispozici ke stažení (zpřístupněny po šesti měsících od schválení, dříve je možné je zakoupit v elektronické nebo tištěné podobě). Stav přípravy a publikování norem lze zjistit v celkové zprávě IEEE Standards Status Report nebo konkrétně vyhledat. 1.3 Kontrolní otázky 1. Uveďte výhody bezdrátových počítačových sítí. 2. Jaké jsou nevýhody bezdrátových počítačových sítí? 3. Uveďte přehled možných klasifikací bezdrátových sítí. 4. Podrobně popište klasifikaci podle způsobu přenosu dat. 5. Vyjmenujte druhy bezdrátových sítí podle způsobu použití uveďte konkrétní příklady. 6. Uveďte hlavní kategorie bezdrátových sítí dle normy IEEE. 14

2 BEZDRÁTOVÉ LOKÁLNÍ SÍTĚ 2.1 Přechod od Ethernetu Proč vlastně pro bezdrátovou variantu LAN nepoužít zase Ethernet, který je odzkoušený a levný? Důvodů je několik - jsou totiž vlastnosti, které Ethernet nemá nebo neumí, ale které jsou pro vlastní fungování lokální bezdrátové sítě se sdíleným médiem naprosto podstatné. Tyto důvody jsou zejména následující: Detekce kolize (Collision Detection). Detekce kolize by vyžadovala plně duplexní radiový kanál, což by stejně nepomohlo při detekci kolize na straně přijímače. Detekce nosné (Carrier Sense). To, že stanice neslyší žádný provoz neznamená, že žádný provoz není (stanice se nemusí vzájemně slyšet). Problém rozdělení. Jak rozdělit dvě lokální sítě v jedné lokalitě (překrývající se)? Mobilita. Jak řešit přecházení v rámci sítě i mezi sítěmi? Bezpečnost. Kabel může připojit jen povolaná osoba, ale do dosahu rádiového signálu se může mnohdy dostat kdokoliv. Požadavky na šetření energií. Valná většina využití se předpokládá z mobilních zařízení (notebooky, PDA) která musí šetřit energií baterie. 2.2 Architektura bezdrátových lokálních sítí U bezdrátové lokální sítě rozlišujeme dvě základní topologie. První z nich je tzv. ad-hoc bezdrátová síť, která je svým způsobem specifická. Využívá se v ní totiž přímého propojení mezi několika koncovými zařízeními (počítači) bez jakéhokoliv dalšího centrálního prvku. Částečně jako při kabelové síti byla možnost provozu peer-topeer, zde však může být zařízení vyšší počet, než jen dvě. Ale i tak je tento režim práce určený spíše pro sítě v rozsahu do tří počítačů.např. v obýváku a dětském pokoji, které navíc nemají připojení do internetu, případně pro takové sítě, které vznikají na přechodnou dobu kvůli určité potřebě. Bezdrátová síť u níž počítače komunikují prostřednictvím přístupového bodu (AP, Access Point) lze přirovnat k bezdrátovému hubu. Jinými slovy bezdrátové stanice (station, STA) spolu nikdy nekomunikují přímo (jako u ad-hoc sítí), ale vždy prostřednictvím přístupového bodu. Přístupový bod pokrývá signálem základní oblast služeb (BSA, Basic Service Area), stručně řečeno vytváří buňku. Skupina stanic v jedné buňce, připojených k jednomu AP, vytváří základní soubor služeb (BSS, Basic Service Set). Oblast pokrytí jednoho AP (access pointu) je samozřejmě geograficky limitována a pro pokrytí větší oblasti je potřeba více AP. Tyto AP jsou propojeny prostřednictvím distribučního systému (DS, Distribution Systém) a dohromady vytvářejí rozšířenou oblast 15

služeb (ESA, Extended Service Area). Stanice v této oblasti pak tvoří rozšířený soubor služeb (ESS, Extended Service Set). Buňky se mohou překrývat částečně (např. BSA#3, BSA#4) a umožňují pak roaming, tzn. plynulý přechod mobilní stanice z jedné buňky do druhé bez ztráty spojení, nebo úplně (BSA#5, BSA#6, BSA#7). Pak mohou jednotlivá AP (collocated AP) sdílet zátěž (load sharing). V jedné oblasti mohou existovat i naprosto nezávislé sítě, aniž by o sobě teoreticky musely vědět. Pro připojení (association) k buňce je nutné znát jedinečný identifikátor (tzv. ESSID), kterým se každá stanice musí prokázat během připojování k AP. Pokud více sítí v jedné lokalitě používá jiný identifikátor, pak tyto sítě fungují de facto jako fyzicky oddělené (ESA/ESS #1, ESA/ESS #2). Mimo připojení (association) k AP patří k základním službám přepojení (re-association) z jednoho AP na druhé během roamingu a odpojení (dis-association) při přechodu z jedné buňky do druhé. 2.2.1 Fyzická vrstva Jako všechny standardy řady 802.x zahrnuje popis první a druhé vrstvy OSI modelu, přesněji řečeno fyzické a MAC vrstvy Obr. 2.1. Pro fyzickou vrstvu je definován přenos pomocí infračerveného světla a rádiový přenos v rozprostřeném spektru a to technikou přímé sekvence (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) nebo technikou přeskoku kmitočtů (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum). Systémy pracující infračerveným přenosem pracující v pásmu 850 950 nm jsou schopny pokrýt prakticky jen jednu místnost, protože pevné překážky infračervené světlo nepropouští, a z tohoto důvodu nejsou příliš zajímavé. Co si představit pod pojmem rozprostřené spektrum? Šířka pásma vysílaného signálu je mnohem větší než šířka pásma originálního přenášeného datového signálu - zprávy. Vysílaný signál je určen datovou zprávou a rozprostírací funkcí (kódovou sekvencí, Spreading code), nezávislou na datové zprávě a známou jen vysílači a určenému přijímači. 16

Obr. 2.2. Co to znamená v praxi? Tyto systémy jsou imunní vůči interferencím generovaným jinými signály, ať už rozprostřenými nebo úzkopásmovými, přítomnými ve stejném frekvenčním pásmu. Také jsou obtížně zachytitelné. V důsledku mohou být systémy s rozprostřeným spektrem umístěny v jednom místě bez nutnosti koordinace, jinými slovy bez přidělování frekvencí. Výsledkem toho je, že jejich provoz není zpoplatňován. Pro bezlicenční provoz je nejen u nás vyhrazeno pásmo 2,4 2,4385 GHz. U DSSS jsou jednotlivé bity přenášeny pomocí jedenácti tzv. chipů. Důsledkem toho je, že zpráva je přenášena v širším frekvenčním spektru, každý datový bit je reprezentován známou sekvencí a ne všechny chipy jsou tudíž potřebné pro správnou demodulaci. Použití odlišných sekvenčních kódů pak umožňuje umístění více DSSS systémů v jednom místě. U FHSS je jako sekvenční kód použita sekvence až 78 možných frekvencí. Datová zpráva je tak vysílána pomocí mnoha nosných frekvencí tzv. hops. Vysoké spolehlivosti je dosaženo díky tomu, že nepotvrzené tj. chybně přenesené rámce jsou znovu přenášeny s jinou nosnou frekvencí tj. v dalším hopu. Umístění více systémů v jednom místě je umožněno použitím různých sekvencí v každém systému. Standard podporuje rychlosti 1 a 2 Mbps pro oba systémy. Nový standard 802.11b definuje rychlost 11Mb; 5,5Mb; 2Mb a 1Mbps, ale pouze pro systémy pracující DSSS technikou. Oba systémy mají své výhody a nevýhody: FHSS umožňuje koexistenci více systémů (System Collocation) v jedné lokalitě. Teoreticky až 26, prakticky cca 15. U DSSS jsou to pouze 3 systémy bez vzájemného rušení. Je to dáno tím, že pro koexistenci více systémů by byl nutný větší počet chipů, např. pro 16 systému by to bylo 255 chipů. To by znamenalo požadavek na mnohonásobně rychlejší rádiový přenos což je prakticky nemožné. DSSS systém má větší propustnost. FHSS spotřebovává část času na přeskok a synchronizaci na jinou frekvenci. FHSS má menší problémy s vícecestným šířením signálů. DSSS pracuje s vyšší modulační frekvencí, tím pádem s kratšími symboly a je tak více citlivý na různá zpoždění přijímaných signálů. DSSS systém je schopný si poradit s vyšší úrovní interferencí. Při silném rušení, které blokuje některé frekvence, je naopak FHSS systém schopný fungovat na nerušených frekvencích. Totéž platí pro tzv. near/far problém, kdy blízký zdroj interferencí může 17

způsobit zablokování přijímače. FHSS systém může dále fungovat na neblokovaných frekvencích. DSSS používá pro příjem a vysílaní různá oddělená pásma, může tak i v plném duplexu používat pouze jednu anténu s filtrem na vstupu přijímače. Pok ud jde o složitost rádiové části a tím de facto i ceny, platí trochu zjednodušeně, že implem entace FSK (Frequency Shift Key) pro FHSS je jednodušší než PSK (Phase Shift Key) používané DSSS systémy. 2.2.2 MAC vrstva Standard 802.11 definuje dvě přístupové metody DCF (Distributed Coordination Function) a PCF (Point Cordination Function). PCF je pouze volitelný mechanismus, který slouží pro přenos aplikací citlivých z hlediska času, například hlasu a videa. Základním přístupovým mechanismem neboli distribuční koordinační funkcí je CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). CSMA je mechanismus použitý u klasického Ethernetu. CS (Carrier Sense) znamená, že stanice před vysíláním naslouchá na médiu a začne vysílat pouze pokud je médium volné. MA (Multiple Access) znamená, že je umožněn současný přístup více stanic k médiu. Rozdíl je v tom, že klasický Ethernet používá mechanismus detekce kolizí (Carrier Detection). U bezdrátového Ethernetu je použit mechanismus předcházení kolizí (Collision Avoidance). Proč? U klasického Ethernetu, např. na koaxu, může každá stanice slyšet vysílání jiné stanice a detekovat kolizi. Tento základní předpoklad pro detekování kolizí u bezdrátového Ethernetu neplatí. Stanice může detekovat volné médium ve svém okolí, to však neznamená, že je volné i u přijímače. Jak je uvedeno výše, stanice komunikují prostřednictví AP a nemusí se tak vůbec přímo slyšet s jinou stanici ani detekovat její vysílání. Proto je použit mechanismus předcházení kolizím spolu s kladným potvrzováním. To znamená, že stanice naslouchá a pokud je médium volné počká ještě určený čas (DIFS, Distributed Inter Frame Space) a teprve pak začne vysílat. Přijímající stanice zkontroluje kontrolní součet (CRC) přijatého paketu a odešle potvrzení (ACK). Přijetí potvrzujícího paketu znamená pro odesílající stanici, že nedošlo ke kolizi. Pokud stanice ACK paket nedostane, opakuje vysílání. Pro snížení pravděpodobnosti kolizí způsobených tím, že se stanice nemohou slyšet, definuje standard virtuální naslouchací mechanismus. Stanice, která chce vysílat, pošle nejdříve krátký řídící paket (RTS, Request To Send), který obsahuje kromě zdroje a cíle i trvání následujícího přenosu. Cílová stanice odpoví jiným řídícím paketem (CTS, Clear To Send), který rovněž obsahuje dobu trvání následujícího přenosu. Stanice slyšící RTS a/nebo CTS paket si nastaví indikátor virtuálního naslouchání, tzv. NAV (Network Allocation Vector) na dobu trvání přenosu. Jinými slovy bude po tuto dobu brát médium jako obsazené. Snižuje se tak pravděpodobnost kolize ze strany ostatních stanic v lokalitě příjemce pouze na dobu vysílání RTS, protože pak už zachytí paket CTS a budou brát médium jako obsazené. Takový mechanismus je efektivní pouze pro delší pakety, proto standard umožňuje také přenos bez 18

RTS/CTS mechanismu. Tato možnost je volitelně nastavitelná na stanici (RTS Treshold). Rovněž multicasty a broadcasty se nepotvrzují. 2.3 Mechanismus fragmentace a znovusestavení paketů Pakety u Ethernetu mohou mít délku až 1518 B. V případě bezdrátového přenosu je vhodnější používat spíše kratší pakety. Důvod? V případě větší chybovosti rádiového spoje je pravděpodobnost, že dojde k poškození paketu úměrná jeho délce. Také retransmise menšího paketu např. v důsledku kolize představuje menší zátěž pro síť. Nemělo by samozřejmě smysl zavádět nový protokol, který by neuměl pracovat s takto dlouhými pakety. Byl proto definován mechanismus fragmentace a znovusestavení paketů na MAC vrstvě. Jedná se o jednoduchý algoritmus pošli a čekej, kdy vysílající stanice vysílá další fragment teprve na základě potvrzení, nebo opakuje vysílaní nepotvrzeného fragmentu. Po určitém počtu neúspěšných retransmisí daného fragmentu je zahozen celý rámec. Předtím se však stanice musí připojit do sítě. Jak? Musí se synchronizovat se svým AP. Standard připouští pasivní a aktivní skenování. V prvém případě stanice čeká na speciální synchronizační rámec, tzv. Beacon, který je posílán AP v pravidelných intervalech. Beacon slouží především k synchronizaci, která je kritická zvláště pro systémy FHSS, kdy všechny zúčastněné stanice musí měnit frekvenci neboli hopovat v jednom okamžiku. V druhém případě se sama stanice snaží najít AP vysíláním rámce Probe Request, na který AP odpovídá rámcem Probe Response. V okamžiku kdy stanice najde AP následuje ověření, kdy si obě strany vymění heslo. Po úspěšném ověření dojde k samotné asociaci stanice s AP, během které si stanice s BSS vymění informace o svých vlastnostech a stanice je lokalizována v rámci distribučního systému. Teprve pak je stanici umožněno posílat data. Volitelně může být tato procedura ještě rozšířena o WEP algoritmus popsaný výše. Jednou z nejzajímavějších vlastností bezdrátových sítí je roaming, tzn. přechod stanice z jedné buňky do druhé bez ztráty spojení. Standard 802.11 nedefinuje, jak by měl roaming probíhat, definuje pouze základní služby pro jeho podporu (aktivní/pasivní skenování, reasociaci,...). Proto se i možnosti roamingu u jednotlivých výrobců liší. Nejdále je v současné době zřejmě firma BreezeCom, podporující roaming až do rychlosti 60 km/h. Bez zajímavosti není ani to, že bezdrátové sítě podporují i úsporný režim (Power Saving) u notebooků. AP si v tomto případě udržuje informace o stanicích pracujících v tomto režimu a pakety určené pro ně ukládá do vyrovnávací paměti. Součástí Beacon rámce je pak i informace o tom, které stanice mají pakety uložené v bufferu. Stanice se "vzbudí" v okamžiku vysílání Beacon rámce, zkontroluje obsažené informace a pokud zjistí, že v bufferu AP je paket určený pro ní, zůstane v aktivním stavu a vyšle požadavek na poslání paketu (Polling Message) ve vyrovnávací paměti AP. 19

2.4 Kontrolní otázky 1. Popište základní topologie bezdrátových lokálních počítačových sítí. 2. Uveďte význam přístupového bodu (Access Point). 3. Připojování a přepojování k AP v buňce i mezi buňkami (roaming). 4. Přenos v rozprostřeném spektru technikou DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)-. metodou přímo rozprostřeného spektra (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) princip. 5. Přenos v rozprostřeném spektru technikou FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) s přeskakováním kmitočtů - princip. 6. Jak je řešen problém přístupu více stanic k médiu u bezdrátového Ethernetu a u klasického Ethernetu? 7. Proč je u bezdrátového Ethernetu výhodnější používat spíše kratších paketů ve srovnání s klasickým Ethernetem? 8. Jak je definován mechanismus fragmentace a znovusestavení paketů na MAC vrstvě? 20

3 STANDARD IEEE 802.11 WLAN První bezdrátové lokální sítě IEEE 802.11 (1997) mohou být fyzicky řešeny jedním ze tří způsobů: přenos rádiových vln o kmitočtech v pásmu od 2,4 do 2,4835 GHz metodou přímo rozprostřeného spektra (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) - DSSS vysílač přeměňuje tok dat (bitů) na tok symbolů, kde každý symbol reprezentuje skupinu jednoho či více bitů. Za použití modulační techniky jako QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) vysílač moduluje nebo násobí každý symbol pseodonáhodnou šumovou sekvencí (na tzv. čip). Tato operace uměle zvětšuje použitou šířku pásma v závislosti na délce sekvence. DSSS dělí pásmo na 14 kanálů po 22 MHz, které se částečně překrývají (pouze tři z nich se nepřekrývají vůbec). Sítě 802.11 založené na DSSS nabízejí povinně rychlost 1 nebo 2 Mbit/s (nižší rychlost je jako záloha pro případy s rušeným prostředím); přenos rádiových vln o kmitočtech v pásmu od 2,4 do 2,4835 GHz metodou rozprostřeného spektra s přeskakováním kmitočtů (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) - FHSS vysílá jeden nebo více datových paketů po jednom kmitočtu (pásmo se dělí do 75 podkanálů, každý o jednom MHz), pak přeskočí na jiný kmitočet a vysílá dál. Způsob přeskakování mezi kmitočty se jeví jako náhodný, ale ve skutečnosti se jedná o periodické pořadí známé vysílači i přijímači. Různé konverzace ve WLAN se odehrávají podle odlišných klíčů, aby se minimalizovala možnost současného využití téhož podkanálu. FHSS nabízí povinně rychlost 1 Mbit/s, volitelně 2 Mbit/s. přenos infračerveným zářením (Diffused Infrared, DFIR) - povinně rychlostí 1 Mbit/s, volitelně 2 Mbit/s. Infračervená varianta lokální datové komunikace je zásadně omezena na jedinou kancelář nebo jiný souvislý prostor, neboť infračervené paprsky neprocházejí pevným materiálem, a naopak dochází k odrazu. (Řešení na bázi infračerveného záření je podstatně dražší než u rádiových sítí, takže se tato varianta používá jen zřídka.) Volné kmitočtové pásmo 2,4 GHz využívají zařízení jako bezdrátové telefony, mikrovlnné trouby i Bluetooth (průmyslová specifikace bezdrátové osobní sítě), takže může docházet ke vzájemnému rušení. 3.1 IEEE 802.11b Největším problémem původní normy pro WLAN (802.11) byla nízká přenosová rychlost. Rychlé rozšíření (High Rate, HR) základní normy IEEE 802.11b (1999), přezdívané také Wi-Fi (Wireless Fidelity), poskytuje vyšší rychlosti v pásmu 2,4 GHz, a to až 11 Mbit/s. Pro jejich dosažení využívá nový způsob kódování, tzv. doplňkové kódové klíčování (Complementary Code Keying, CCK) v rámci DSSS na fyzické vrstvě. Norma 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. 21

Dosah sítě je kolem 100 m, ale výkonnější vysílač může tuto vzdálenost přesáhnout. Bezdrátové lokální sítě (WLAN) podle 802.11b (WiFi) se rychle ujímají vlády nad místní komunikací, ať firemní nebo domácí. Aby však skutečně mohly zvítězit na plné čáře, několik drobností jim chybí. Především jde o přenosovou rychlost, která se pohybuje u 802.11b v řádu jednotek Mb/s. Kromě tohoto problému u nich mohou nastat potíže s rušením s jinými zařízeními v otevřeném pásmu 2,4 GHz. V neposlední řadě 802.11b nezajišťuje kvalitu služeb (QoS) 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, jako 802.11a a 802.11g. 3.2 IEEE 802.11a WLAN podle normy IEEE 802.11a (norma byla schválena 1999 - práce na ní byla zahájena dříve než na 802.11b, ale vyžádala si delší čas vzhledem ke složitějšímu způsobu přenosu na fyzické vrstvě). Na rozdíl od 802.11b pracuje již v licenčním pásmu 5 GHz a s výrazně vyšší teoretickou rychlostí: 54 Mb/s (skutečná přenosová rychlost se pohybuje do 30-36 Mb/s, v tzv. turbo režimu a podle použitých antén a kabelů ). Pro její dosažení se poprvé v paketových komunikacích používá ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením (Orthogonal Frequency- Division Multiplexing, OFDM). Jedná se o přenosovou techniku pracující s tzv. rozprostřeným spektrem, kdy je signál vysílán na více nezávislých frekvencích zároveň, což zvyšuje odolnost vůči interferenci. Dosud se uplatňoval pouze ve systémech jako DAB (Digital Audio Broadcasting) nebo DVB (Digital Video Broadcasting). Výhoda 802.11a oproti 802.11b není ale jen ve vyšších rychlostech, ale také v použitém kmitočtu. Kmitočet 5 GHz je méně vytížen a dovoluje využití více kanálů bez vzájemného rušení. Rozdílně využívané kmitočty u obou typů WLAN znemožňují jejich vzájemnou spolupráci. Verze 802.11a nabízí až osm nezávislých, nepřekrývajících se kanálů. Kmitočet 5 GHz nutný pro IEEE 802.11a je ale v Evropě přidělen konkurenční bezdrátové lokální síti a to HIPERLAN/2. Zatímco výrobky (produkty) pro tvorbu sítí dle 802.11b jsou již ve značné míře k dispozici a otestovány WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) na vzájemnou spolupráci, o prvcích pro 802.11a se totéž říci nedá. Testy se zatím připravují pod označením Wi-Fi5. Proto stávající sítě 802.11b zřejmě nebudou v rámci modernizace přecházet na 802.11a, ale budou čekat na specifikaci a produkty 802.11b vylepšené podle 802.11g. 3.3 IEEE 802.11g Příznivci bezdrátové technologie mohou již také využívat WLAN podle normy 802.11g. Všeobecně se ví, že jde o rychlejší Wi-Fi, pracující v pásmu 2,4 GHz a umožňující spolupráci s klienty WiFi. Ovšem méně se ví o tom, jaký vliv tato spolupráce má na výkonnost sítě a jakou rychlost mohou uživatelé 802.11g skutečně očekávat. IEEE 802.11g-2003 (Higher Speed Physical Layer (PHY) Extension to IEEE 802.11b), norma pracuje ve stejném bezlicenčním pásmu 2,4 GHz jako WiFi (802.11b), ovšem maximální rychlostí na fyzické vrstvě dosahující 54 Mbit/s (podobně jako u 802.11a). Obdobně jako 22

802.11b může podporovat maximálně tři nepřekrývající se kanály; podobnost je i v dosahu sítě (u stejných rychlostí, s vyššími rychlostmi dosah u 802.11g klesá až na 30 metrů). 802.11g je zpětně slučitelná s 802.11b, takže v jedné síti mohou pracovat klienti obou typů sítí. Obě specifikace se ovšem liší řešením fyzické vrstvy: WiFi používá DSSS a 802.11g OFDM (pro spolupráci s Wi-Fi navíc také DSSS). Porovnání existujících norem IEEE pro WLAN ukazuje následující tabulka. Typ Kmitočet Kapacita na fyzické vrstvě Reálná uživatelská rychlost Mechanismus přenosu 802.11b 2,4-2,485 GHz 11 Mbit/s Do 6 Mbit/s DSSS 802.11g 2,4-2,485 GHz 54 Mbit/s Do 22 Mbit/s OFDM DSSS 802.11a 5.1-5,3 GHz 5,725-5,825 GHz 54 Mbit/s Do 30 Mbit/s OFDM Tabulka 3.1. Porovnání parametrů WLAN 3.3.1 DSSS versus OFDM Připomeňme, že 802.11b používá na fyzické vrstvě metodu rozprostřeného spektra DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) s klíčováním CCK (Complementary Code Keying). CCK mapuje čtyři bity na symbol (na 8 Mbit/s) a současně mírně zvyšuje přenosovou rychlost symbolů na 1,375 Msymbol/s, čímž se dosáhne na fyzické vrstvě maximální rychlost 11 Mbit/s. WiFi nabízí celkem čtyři podporované rychlosti na fyzické vrstvě: vedle 11 Mbit/s ještě 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s a 1 Mbit/s. Pro všechny WLAN totiž platí, že se přenosová rychlost na fyzické vrstvě podle situace mění: snižuje se s růstem chybovosti nebo zvyšuje při zlepšení podmínek prostředí, takže maximální rychlost jednotlivých WLAN lze předpokládat pouze na krátkou vzdálenost v prostředí bez rušivých vlivů na přenos. Tedy maximální rychlost WiFi na fyzické vrstvě je 11 Mbit/s, rychlost užitečná (pro uživatelská data) je ale nižší (viz též tabulka TAB. 3.1), protože 30-40 procent teoretické kapacity spolkne režie protokolu MAC, která je např. ve srovnání s Ethernet/802.3 (také sdílené médium) u WLAN vyšší. Je také potřeba si uvědomit, že WLAN pracují v režimu polovičního duplexu - buď data vysílají, nebo přijímají (na rozdíl od 802.3, kde je možný režim plného duplexu, tj. současně stanice může data vysílat i přijímat). Uživatelská datová rychlost u WiFi proto dosahuje maximálně 6 Mbit/s. Pro dosažení vyšší rychlosti se u 802.11g používá ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), jedna z přenosových metod MCM (MultiCarrier Modulation), kdy se data k vysílání nejprve rozdělí do několika paralelních toků bitů o mnohem nižší bitové rychlosti. Každý z toků se používá pro modulaci jiné nosné. Zatímco tradiční kmitočtový multiplex dělí kmitočtové pásmo do N nepřekrývajících se kmitočtových subkanálů vzájemně oddělených ochranným kmitočtovým pásmem (guard), OFDM používá překrývající se subkanály, takže kmitočtové pásmo se využívá účinněji. Přísně vzato není OFDM modulační metoda, ale metoda pro generování a modulaci více 23

nosných současně, každé s malou částí datového toku. Jako konkrétní modulace lze pak použít jakýkoli typ digitální modulace včetně QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) či 64-QAM. Způsobem paralelního vysílání se OFDM účinně brání zkreslení při přenosu signálu různými cestami (multipath distortion), protože každý přenášený symbol trvá na dílčí nosné déle, takže se prakticky vyloučí nepříznivý dopad zpoždění signálu delší cestou. Navíc se používá více úzkopásmových nosných a jejich vzájemné rušení ovlivní jen velmi malou část signálu. Přenosových rychlostí umožňovaných standardem 802.11g je víc než u WiFi. Rychlosti podporované pomocí OFDM jsou následující (v závislosti na modulaci): 54, 48, 36 a 24 Mbit/s (16-QAM); 18 a 12 Mbit/s (QPSK), 9 a 6 Mbit/s (BPSK, BiPhase Shift Keying). Další rychlosti jsou v souladu s 802.11b a vyžadují použití DSSS a 11 Mbit/s; 5,5 Mbit/s; 2 Mbit/s a 1 Mbit/s. 3.3.2 Výkonnost IEEE 802.11g Výkonnost sítě 802.11g závisí velmi na tom, zda podporuje také 802.11b klienty. Protože klienti WiFi nerozumí komunikaci s OFDM (chápou ji jako šum). Standard 802.11g obsahuje ochranný mechanizmus pro koexistenci 802.11b a 802.11g klientů v jedné síti. Jedná se o mechanizmus RTS/CTS, původně vyvinutý jako doplněk k naslouchání nosné podle CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) pro řešení problému skrytého uzlu ve WiFi. 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 802.11b, ale za cenu dost vysoké režie. Pokud dojde ke kolizi, musí si klienti zvolit náhodně dlouhou dobu čekání (back off), než se znovu pokusí vysílat. Tuto dobu si volí výběrem jednoho z časových úseků. U sítí WiFi jich je k dispozici 31 o délce 20 s, u 802.11g (po vzoru 802.11a) pouze 15 o délce 9 s. To znamená, že 802.11g bez klientů WiFi bude mít kratší dobu čekání a lepší výkonnost zejména s rostoucím počtem uživatelů připojených k síti. Pokud se budou v jedné síti nacházet klienti také WiFi, pak 802.11g přejde na režim WiFi s delší dobou čekání. V síti pouze s klienty 802.11g je výkonnost sítě prakticky shodná s výkonností 802.11a (samozřejmě s tím rozdílem, že se pracuje v jiném kmitočtovém pásmu), tedy kolem 25 Mbit/s. S přítomností klientů WiFi se reálná propustnost sítě snižuje až trojnásobně (na 8 Mbit/s), což je sice více než u tradiční WiFi, ale rozhodně ne o moc. Proč 802.11g Standard 802.11g je rozhodně zajímavá nadstavba pro populární Wi-Fi, protože umožňuje výrazně vyšší rychlosti. Ale výhoda zpětné slučitelnosti s 802.11b se promítá do zvýšení režie a následného snížení propustnosti v případě kombinované sítě s klienty 802.11b/g a s tím je třeba při implementaci počítat. Nicméně v pásmu 2,4 GHz zatím rychlejší bezdrátovou lokální síť, založenou na otevřených specifikacích, nenajdeme. 24

3.4 Další rozšíření a nové normy: Standardy 802.11c - y Práce na vylepšení a nových specifikacích pro WLAN podle 802.11 pokračují, takže se podívejme, co která specifikace přináší/přinese (v abecedním pořadí). 3.4.1 IEEE 802.11c Tento dokument řeší práci komunikačních mostů v rámci podvrstvy MAC (Media Access Control) 802.11 a je doplňkem k mezinárodní normě IS 10038 (IEEE 802.1D) o transparentních mostech (konkrétně protokolu Spanning Tree Protocol, STP). Doplněk byl schválen v roce 1998. 3.4.2 IEEE 802.11d Norma IEEE 802.11d upravuje 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 802.11, byla schválena roku 2001. 3.4.3 IEEE 802.11e Norma IEEE 802.11e doplňuje podporu pro kvalitu služeb QoS (s využitím Time Division Multiple Access, TDMA) a opravu chyb do podvrstvy MAC na podporu všech fyzických vrstev používaných v IEEE 802.11 sítích, kromě ad hoc typů sítí. Norma měla být schválena už v loňském roce, ale momentálně se návrh doplňku reviduje. 3.4.4 IEEE 802.11f Nový projekt 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) 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 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. 25

3.4.5 IEEE 802.11h Připravovaný doplněk IEEE 802.11h vylepšuje řízení využití kmitočtového spektra (výběr kanálu a řízení vysílacího výkonu) a doplňuje 802.11a. Evropští regulátoři požadují pro schválení produktů 802.11a použití dynamického výběru kanálu (Dynamic Channel Selection, pro venkovní i vnitřní komunikaci) a řízení vysílacího výkonu (Transmit Power Control) u zařízení pracujících na kmitočtu 5 GHz. Standard IEEE 802.11h má právě tyto možnosti doplnit do normy 802.11a. Tyto doplňky se budou tedy týkat pouze pásma 5 GHz, nikoli 2,4 GHz. 3.4.6 IEEE 802.11i Standard 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: Advanced Encryption Standard (AES). 3.4.7 IEEE 802.11j Norma IEEE 802.11j představuje nejnovější záměr IEEE pro řešení koexistence 802.11a a HIPERLAN/2 na stejných vlnách. HIPERLAN/2 je evropská norma (ETSI viz. Zpravodaj 2) 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 Asynchronous Transfer Mode, ATM). Specifikace pro HIPERLAN/2 ještě nebyla schválena, očekává se až v příštím roce, podobně jako produkty na ní založené. 3.4.8 IEEE 802.11k Radio Resource Measurement Zastavme se podrobněji u dokončované normy 802.11k. Jejím úkolem je lépe práci WLAN přizpůsobit momentálním podmínkám bezdrátového prostředí, jinými slovy dobře porozumět podmínkám jednotlivých kanálů, šumu, zahlcení, vzájemnému rušení a následně optimalizovat nastavení klientů a konfiguraci sítě tak, aby byla výkonnost rádiového spoje co nejlepší. Popularita WLAN, za niž vděčí pohodlí a nízkým nákladům, s sebou nese nebezpečí vzájemného rušení překrývajících se WLAN i dalších technologií pracujících ve stejném bezlicenčním pásmu, typicky 2,4 GHz. Systémy WLAN podle stávajících specifikací (802.11a/b/g) zatím neumí posoudit rádiové prostředí na straně klienta tak, aby mohly dosahovat optimálních výsledků a aby bylo možné je také efektivně spravovat. Dnešní WLAN sice umožňují základní měření, ale většinou se omezují na statistická počítadla. 802.11k je doplňuje o další parametry a informace o měření a také o ukládání měření (MIB). Rozpracovaná norma 802.11k má právě klientům zajistit možnost poskytovat informace přístupovým bodům a přepínačům pro RRM (Radio Resource Measurement). Definuje 26

parametry měření a požadavky a hlášení o měření, které si mohou vyměňovat nejen klienti a přístupové body, ale také přístupové body mezi sebou (802.11k nepodporuje ad hoc režim). Většinou jsou to přístupové body a přepínače, které požadují od klientů informace, ale v některých případech klienti generují požadavky na přístupové body. Mezi nově definovanými měřeními 802.11k najdeme: statistiky klienta (nad rámec stávajících statistik přístupových bodů zahrnujících pokusy o opětovné přidružení, počet přijatých a odeslaných paketů), stav rádiového kanálu (šum, doba využívání, zátěž), skryté uzly (klienti informují přístupové body o existenci uzlů na okraji jejich dosahu), řízení vysílacího výkonu (TPC, Transmit Power Control) podle 802.11h (doplněk pro 802.11a pro evropské prostředí), rozhodování o roamingu. Díky 802.11k budou moci přístupové body (AP) požadovat od klientů jakýsi histogram šumu (přehled o rádiové energii generované mimo 802.11). Pro volbu vhodného kanálu na straně přístupového bodu nebo přepínače bude také možné využít informace o zátěži a době používání kanálů, takže bude zřejmé, který kanál kvůli značnému rušení nebo zátěži nebude vhodné používat. Jedním z povinných měření v 802.11k je RCPI (Received Channel Power Indicator). V současnosti 802.11 používá RSSI (Received Signal Strength Indicator), který ale není jednotně definován a výrobci se liší v jeho implementaci. RSSI se používá pro porovnání síly signálu na různých kanálech a výběr přístupového bodu. RCPI podle 802.11k je jeho vylepšením jako jednotné měření signálu. Např. stanice může při aktivním skenování vyslat sondu (probe) AP, ten následně změří hodnotu RCPI této sondy a vyšle zpět tuto hodnotu v odpovědi na sondu. Typicky pro roaming může měření napomoci zvolit skutečně nejvhodnější přístupový bod: stávající přístupový bod si vyžádá od klienta informace o všech přístupových bodech, jejichž pravidelné hlášení (beacon) slyší na specifickém kanále (v rámci pasivního skenování). Na základě těchto údajů pak přístupový bod (případně přepínač) analyzuje informace v zachycených zprávách beacon a porovnává je jednak podle nabídky služeb a zabezpečení a jednak podle síly signálu. Na základě toho přístupový bod nebo přepínač poskytne klientovi již seřazený seznam nejvhodnějších kandidátů dalších přístupových bodů pro roaming. 3.4.9 Parametry, typy měření a komunikace V rámci rádiových parametrů rozlišuje 802.11k dvě kategorie: informace sítě a rádiová měření. V první kategorii jsou jako základní dvě zprávy: zpráva AP o kanálu (pásmo a seznam kanálů, které AP podporuje) a seznam sousedních AP, kandidátů pro roaming (BSID, funkční kanály, podporované služby a bezpečnost). 802.11k definuje dva typy měření: vyhrazené a průběžné. V prvním případě musí stanice všeho nechat, přepnout na zadaný kanál a provést rádiové měření. V druhém případě se měření provádí na používaném kanálu, takže k žádnému přerušení datového provozu nedochází. 27

Příklad komunikace mezi přístupovým bodem a stanicí na základě 802.11k měření zátěže kanálu ukazuje následující obrázek (IE=Information Element). Stanice ale nemusí vždy pozitivně reagovat na požadavek přístupového bodu na měření, když na to nemá čas (např. uprostřed volání VoIP). Obr. 3.1. 3.4.10 Proč IEEE 802.11k? Na 802.11k se pracuje od roku 2003 a mohla by být již schválena. Bude představovat doplněk ke stávajícím normám, a protože se bude implementovat softwarově, bude možné dnešní systémy o její prvky snadno obohatit. Účinnost samozřejmě závisí na implementaci jak na klientech, tak v infrastruktuře (přístupové body a přepínače). Měření bude možné uplatnit v efektivním výběru přístupového bodu při roamingu (ne vždy je nejlepší AP s nejsilnějším kanálem) a při adaptivním přístupu k médiu (MAC, Media Access Control), kdy lze dynamicky měnit statické parametry MAC pro zvýšení propustnosti a snížení latence. Na co se tedy lze s očekávaným schválením 802.11k těšit? Na lepší výkonnost WLAN ve stávajícím prostředí, méně výpadků i v případě roamingu klientů (větší pomoc ale přinese 802.11r) i rychlejší komunikaci jako pozitivní výsledek lepšího využití WLAN. To vše ovšem za předpokladu správného využití výsledků měření, protože to jde již nad rámec dokončované normy. 3.4.11 IEEE 802.11m Dokumenty vydané ostatními skupinami jsou skupinou IEEE 802.11m kontrolovány a jsou upravovány případné nesrovnalosti nebo chyby v původních specifikacích. 28

3.4.12 IEEE 802.11n Skupina IEEE 802.11n studuje různé možnosti nastavení parametrů fyzické vrstvy a MAC podvrstvy pro zvýšení datové propustnosti. Mezi tyto možnosti patří použití více antén, změny kódovacích schémat a změny MAC protokolů. Aktuální cíl skupiny je přenosová rychlost minimálně 100 Mbit/s nad MAC vrstvou. Navíc má IEEE 802.11n zajistit vyšší dosah se zachováním co největší rychlosti a zvětšit odolnost proti rušení. 3.4.13 IEEE 802.11p Wireless Access for the Vehicular Environment (WAVE) - ve spektru 5,9 GHz pro komunikaci mezi vozidly, mezi automobilem a pevnou dopravní infrastrukturou (plánované schválení červen 2008). 3.4.14 IEEE 802.11r Doplněk MAC pro rychlejší předávání uživatelů (Roaming) mezi přístupovými body v rámci ESS (Extended Service Set) pro aplikace v reálném čase (např. pro telefonní služby). 3.4.15 IEEE 802.11s Mesh Networking - topologie smyčky (mesh) s přístupovými body propojenými bezdrátově fungujícími jako směrovače paketů mezi koncovými stanicemi po nejlepší cestě sítí (multihop), s podporou pro mobilní uživatele (scénář využití: domácí, podnikový, armádní a komunitní/veřejný sektor a ochrana veřejnosti), pro zlepšení pokrytí a dosahu bezdrátových sítí a snížení nákladů na instalaci a páteřní propojení (vybrán základní návrh pro normu a plánované schválení červen 2008). 3.4.16 IEEE 802.11.2 (802.11T) Návrh pro vytvoření souboru metrik, metodik pro měření a podmínek pro testování zařízení WLAN. 3.4.17 IEEE 802.11u Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: IEEE 802.11 Interworking with External Networks - doplněk má harmonizovat možnosti spolupráce 802.11 a externích sítí. 29