Mobil Távközlési és Informatikai Laboratórium BME-HIT
Wireless LAN Mérés
Mérés helye: Híradástechnikai Tanszék Mobil Kommunikációs Laboratórium I.B.113.
Összeállította: Pol Gábor Schulcz Róbert Utolsó módosítás: 2004. február 25.
Technológiai áttekintés: Architektúrális komponensek: A WLAN egy celluláris architektúrára épül, ahol a rendszer a GSM rendszerhez hasonlóan cellákra van osztva (1. ábra). Az egyes cellákat Basic Service Set-nek (BSS) nevezik, ezeket a bázisállomások irányítják, melyeket hozzáférési pontnak (Access Point - AP) neveznek. A kliens egy vezeték nélküli hálózati csatolóval ellátott számítógép.
WLAN architektura
Elméletileg egyetlen cellával is kialakítható vezeték nélküli hálózat, leggyakrabban mégis több cellából álló rendszereket valósítanak meg, ahol a hozzáférési pontok valamilyen (általában vezetékes) gerinchálózaton, elosztórendszeren (Distribution System - DS) keresztül kapcsolódnak egymáshoz, azaz egyben bridge-ként is funkcionálnak a vezetékes hálózat felé.
Hálózati topológiák: Szövevényes topológia esetén nincs központi állomás, minden eszköz azonos szerepet tölt be (peer-to-peer hálózat). Ilyenkor mindegyik csomópont szabadon kommunikálhat a hatósugarán belül levő bármelyik másikkal külső eszköz igénybevétele nélkül. Ezt a működési módot WLAN hálózatok esetén ad-hoc módnak nevezzük, hiszen egyszerűen, bármilyen előre telepített infrastruktúra nélkül működik a hálózat. Ezzel szemben a csillag topológia, olyan hálózatot jelent, ami egy hozzáférési pont segítségével működik. Az egyik mobil csomópont elküldi az információt a központi állomásnak, ami azt a célcsomópont felé továbbítja, ez az elrendezés az infrastruktúrahálózat.
Fizikai réteg átteknintése: A keskenysávú mikrohullámú átvitel nem kívánja meg a közvetlen rálátást, bár a nagyobb fémfelületek és teherhordó falak árnyékolják az adást. Ideális esetben 4-6 km-es sugarú körben van lehetőség adatátvitelre a 18,82 és 19,205 GHz FCC frekvenciatartományban. A rádiófrekvenciás eszközök az ún. ISM (Industrial, Scientific, and Medicine) sávban működnek, ezek a frekvenciasávok a világ legtöbb országában szabadon használhatók bizonyos adóteljesítmény-korlátok betartása mellett ezek a 902-928 MHz, 2400-2483,5 MHz és 5725-5850 MHz közötti sávok. A legmegbízhatóbb átvitelt biztosítják, emellett az eszközöket sem drágítják meg az adó-vevők. A 802.11 szabvány és a család későbbi tagjai éppen ezért használják, de két szórt spektrumú rádiófrekvenciás átvitel mellett megengedik az infravörös átvitelt is. A két technológia a frekvencia ugratásos szórt spektrumú (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) és a direkt szekvenciás szórt spektrumú (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) hozzáférés. A frekvencia ugratásos módszer lényege, hogy a használható rádiófrekvenciás tartományt több csatornára osztják és az átvitel során ezeket a csatornákat egymást váltogatva használják átvitelre. A módszer megnehezíti a lehallgatást, csökkenti annak lehetőségét, hogy szándékos, vagy véletlen zavarással a kommunikációt lehetetlenné tegyék, valamint biztosítja több rendszer párhuzamos működését.
A közeg-hozzáférési réteg funkciói: Üzenetszórásos csatornával rendelkező hálózatok esetében egyetlen közös kommunikációs csatorna van és ezen az egy csatornán osztozik az összes hálózatba kapcsolt számítógép (állomás). Ehhez az egy csatornához való hozzáférést (adós lehetőségét) kell szabályozni. Az átviteli közeg hozzáférésére számos eljárást használnak, a vezetékes Ethernet hálózatokban az ütközést jelző vivőérzékeléses többszörös hozzáférést (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD), ez azt jelenti, hogy mielőtt egy állomás adatokat küldene, először belehallgat a csatornába, hogy megtudja, hogy van-e éppen olyan állomás amelyik használja a csatornát (ezért nevezik vivőérzékeléses
módszernek). Ha a csatorna üres, azaz egyik állomás sem használja, a elküldheti az üzenetét. Az állomás által küldött üzenet a csatornán keresztül minden állomáshoz eljut, minden állomás veszi az üzenetet a bennfoglalt cím alapján eldöntheti hogy az neki szólt (ilyenkor feldolgozza), vagy pedig nem (ekkor figyelmen kívül hagyja). A vezetékes LAN-oknál bevált ütközésérzékeléses mechanizmust (CSMA/CD) két okból kifolyólag nem lehet alkalmazni vezeték nélküli LAN-oknál. Egy ilyen mechanizmus full-duplex rádiócsatornát követel meg, amelyen át lehetőség van egyidejű adásra és vételre. Ez azonban jelentős árnövekedést okozna. Vezeték nélküli környezetben nem feltételezhetjük, hogy minden állomás hallja a másikat. (Ez a CSMA/CD-nél alapfeltevés) Ha egy adni szándékozó állomás szabadnak érzékeli az átviteli közeget, az még nem jelenti azt, hogy a közeg szabad a vevő környezetében. Az állomások ütközés elkerülő, vivőérzékeléses többszörös hozzáférési eljárást alkalmaznak (CSMA/CA). Az állomások figyelik a közeget. Ha foglalt, várnak egy véletlenszerű ideig. Ha a közeget szabadnak érzékelték DIFS ideig, akkor a terminálok elkezdik a véletlenszerű késleltetési idő csökkentését. Adást akkor kezdhetnek, ha késleltetési idejük 0-ra csökken. Ütközésnél is véletlenszerű késleltetési időt alkalmaznak. Ennek az időnek a csökkentése akkor kezdődhet meg, ha a közeg DIFS ideig szabad. Az ütközések száma tovább csökkenthető az RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) vezérlő keretek cseréjével. Az adóállomás először egy RTS üzenettel jelzi, hogy adni kíván, erre egy CTS üzenetet kap válaszul. Az adatküldés után a vevő egy nyugtázó ACK (Acknowledgement) üzenettel tudatja, hogy megkapta az adatot. Az adóállomás újraadja a keretet, ha nem kap rá nyugtát. Ekkor ismét alá kell vetnie magát a közeghozzáférésért folytatott versenynek. Az RTS, CTS, adat és ACK keretekkel megvalósított négy utas kézfogás (Four Way Handshaking) több más helyen is alkalmazzák Az RTS és CTS cseréjét virtuális vivőérzékeléses mechanizmusnak, vagy „négyutas kézfogás”-nak is nevezik.
RTS/CTS keretek
A rejtett terminál problémájával állunk szemben, ha két állomás (A és C jelű) kíván egyszerre adni egy harmadik (B jelű) állomás felé, de egymás jeleit nem képesek venni a köztük lévő távolság miatt. Ilyenkor mindkét állomás szabadnak érzékeli a csatornát és adni kezd, ami viszont a vevő állomásnál csomagütközéshez vezet. Ez lehetetlenné teszi a kommunikációt.
Rejtett terminál
Barangolás(roaming): A roaming a kapcsolatvesztés nélküli BSS váltást jelenti, ez művelet két alapvető ponton eltér a cellás telefonoknál alkalmazott cellaváltástól. Egy csomagkapcsolt LANrendszerben a cellaváltás létrejöhet két csomag átvitele között, ellentétben a telefonos megfelelőjétől, ahol beszélgetés közben is meg kell tudni valósítani a cellák közti átmenetet. Míg egy beszédátviteli rendszerben egy pillanatnyi kapcsolatszakadás nem befolyásolja jelentősen a beszélgetést, addig egy csomagkapcsolt környezetben a felsőbb réteg-protokollok újraadása komolyan lecsökkenti a teljesítményt. A Beacon-keret egy olyan speciális keret, amelyet a hozzáférési pontok sugároznak periodikusan és szinkronizációs információt tartalmaznak, illetve leírják a hozzáférési pont képességeit, stb. Passzív cellaváltásnál az állomás vár, hogy kapjon egy Beacon-keretet a hozzáférési ponttól, aktív cellaváltás esetén az állomás megpróbál egy hozzáférési pontot találni egy ún. Probe Request keret küldésével, amelyre válaszként egy Probe Response-ot vár a hozzáférési ponttól. A teljesítményfelvétel és a hálózati teljesítmény optimalizálásának érdekében mindkét módszer használható
Felhasznált eszközök: • • • •
Több típusú - WLan kártya 802.11b Több típusú - Access Pointok Több típusú - NoteBook Operációs Rendszer - Linux, Windows XP
Mérési feladatok: Mérések célja, hogy képet kapjunk egy WLAN mintahálózat működéséről Linux és Windows operációs rendszer alatt. Megismerjük a vezetéknélküli hálózatok
tejesítményét, lefedettségi jellemzőit és technológiai korlátait. A méréseket a hálózat felépítéséből adódóan infrastruktúra módban végezzük. 1. WLAN alapok A WLAN kártyát notebookban üzemeltetjük, mivel a mérés során mobil felhasználót szimulálva különböző elhelyezkedési pontokban kell vizsgálni a vezetéknélküli hálózat paramétereit. Helyezzük be a WLAN kártyát a notebookba, majd indítsuk el. A linux bootmanagerének a LILOnak betlötése utána operációs rendszert kell választanunk. Operációs rendszer lehet Linux vagy Windows XP. • • •
Bootolás után a megfelelő parancsok használatával állapítsa meg, hogy milyen hálózatokat érhetők el a WLAN kártya segítségével! (SSID=?) Próbáljon belépni az egyes hálózatokba, mit tapasztal? Végül maradjon az MCL (SSID=mcl) hálózatában és írja le a hálózati paramétereket! (A kartya MAC cime, ip cim, alhálózati netmask, hálózat cime, gateway cime) Segítség: Linux esetében az ifconfig és iwconfig parancsok használata ajánlott. WinXPnél a WLAN kártya driverének beállításait keressük meg! A driver közli velünk a méréshez szükséges információkat.
2. Lefedettségi mérés A lefedettségi mérés célja, hogy meghatározzuk a hozzáférési pontok által látott terület nagyságát, az egyes access pointok lefedési jellemzőit. A kapott eredményekből következtetéseket vonhatunk le a jel terjedési tulajdonságairól beltéri környezetben és az egyes tereptárgyak csillapító hatásairól. • • •
A notebook mozgatásával kb. 1x1 méteres (1 lépés) léptékkel mérje meg a kártya által érzékelt jelszintet (signal level, noise level, link quality), majd a méréshez mellékelt tervrajzon ábrázolja a mért értékeket! Ezen, mért értékek alapján állapítsa meg, hogy hol helyezkednek el az egyes Access Ponitok és mekkora a hálózat lefedettsége(hol vannak a határok?)! Egy a hálózat határán lévő (107 szoba felé) Access Pointhoz csatlakozva átlagosan milyen arányban csökken a térerősség (jel/zaj viszony) a távolság([lépés]) függvényében? Készítsen garfikont amin a jel/zaj viszonyt a távolság függvényében ábrázolja! Milyen mértékben függ a csillapítási arány az egyes akadályoktól (falak anyaga,fémszálas üveg)? Segítség: Linux esetében szintén az iwconfig parancsot kell alkalmaznunk, ami kiírja a WLAN kártya által mért jelszinteket. Mivel nekünk folyamatosan mért értékek kellenek, így általunk meghatározott időközönként frissítenünk kell az iwconfig
által közölt értékeket, amit a watch parancs segítségével tudunk megtenni. Watch utasítás egy adott utasítást frissít megadott időközönként.
3. Forgalmi jellemzők mérése Forgalmi jellemzők mérése során a jel/zaj viszony függvényében fogjuk vizsgálni a WLAN hálózat sebességét és a cellaváltás (roaming) során megfigyeljük a hálózat viselkedését. Ahogy távolodunk a hozzáférési ponttól a térerő csökkenésével, egyre csökken a jel/zaj viszony, így nő a bithiba valószínűség. Bizonyos mennyiségű bithiba után a csomág eldobásra kerül és az adónak újra kell adnia, ami csökkenti az adatátviteli sebességet. •
•
Maximális forgalmi terhelés esetén figyelje meg, hogy az Access Pointtól egyre távolabb a térerő csökkenésével hogyan változik az adatátviteli sebesség! Készítsen grafikont az adatátviteli sebességet ábrozolva a jel/zaj viszony függvényében. (Min,Max,Avarage Mbps) Az 1. mérés során meghatározott cellák valamelyikét kiválasztva, annak határán vizsgálja meg, hogy cellaváltásnál milyen átviteli jelenségek figyelhetők meg! Segítség: Linux és Windows alatt is használhatja a ping parancsot forgalom generálására. A parancsnak paraméterezve megadhat frissítés időtartamot, így a mérés során meg tudja figyelni az átviteli jelenségeket!
Ellenőrző kérdések: • • • • • • • •
Milyen hálózati topológiák lehetségesek a 802.11b protokol esetében? Mi ezen topológiák jellemzői? Milyen architekturális egységekből épül fel egy WLAN hálózat? Milyen közeghozzáférési protokolt használnak a vezetékes Ethernet halózatokban? Miért nem megfelelő ez vezetéknélküli Ethernet halózatok esetében? Milyen közeghozzáférési protokolt használ a 802.11b? Röviden írja le működési elvét! Mit jelent a rejtett terminál problémája vezetéknélküli hálózatok esetében? Mire szolgálnak az RTS/CTS vezérlő keretek? Miben tér el a barangolás a WLAN-ok esetében a cellás telefonoknál alkalmazottól? Mi a Beacon keret? Mire használják?
