Štěpán Vávra
Současné normy a trendy WLAN aneb kam směřují technologie bezdrátových sítí standardu 802.11 Bezdrátové sítě WiFi se od vzniku v roce 1992 pomalu ale jistě staly součástí našich životů. Přestože jejich šíření bránila na počátku malá dostupnost vysokorychlostního internetu (za rozumnou cenu) a především poněkud vyšší ceny potřebného hardwaru, situace je v současné době velmi optimistická. Standardy 802.11b a 802.11g považujeme již za samozřejmost. Technologie se stále velmi rychle vyvíjejí, takže vznikají nové a nové standardy, které si kladou za cíl zvýšení přenosové rychlosti a bezpečnosti v bezdrátových sítích, která v prvopočátcích byla velmi slabá. Toto překotné tempo ve vývoji ale způsobuje, že člověku, který není úplným odborníkem v oblasti WiFi, může situace připadat poněkud nepřehledná. Nejasnosti v trendech vývoje přinášejí ale i ryze praktické důsledky. Stavíme-li si novou bezdrátovou síť, je nasnadě otázka, kterou si asi položíme jako první. Jaký hardware si koupíme, resp. jaké technologie by vybíraný hardware měl podporovat? Aby se nám nestalo, že za čtvrt roku zjistíme, že přeci jenom tehdy před třemi měsíci by se bylo vyplatilo investovat o trochu více a mít teď kvalitně zabezpečenou síť nebo mít dostačující kapacitu spoje. Za nepřehledností v oblasti schválených norem a standardů stojí ale podle mého názoru do jisté míry i sám mezinárodní standardizační institut IEEE, který přístup k normám mladším půl roku zpoplatňuje. Celkový přehled nových standardů, jak již schválených, tak i na schválení čekajících, si klade za úkol tento článek. Závěrem se zmíním o konkurenční technologii sítí HIPERLAN, resp. HIPERLAN2, které jsou vlastně obdobou bezdrátových sítí typu 802.11a. V některých parametrech je i překonávají, za což ale platí cenu vyšší implementační náročnosti. Aby byl přehled ve standardech zcela kompletní, článek poskytne krátký popis i těch několika nejstarších standardů 802.11. Myslím, že je užitečné uvést, kdo všechno je odpovědný za vznik těchto norem. Zaprvé je to již zmíněný Mezinárodní standardizační institut IEEE a zadruhé evropský regulátor ETSI a jeho americký protějšek FCC. O patřičný výklad dále uváděných standardů těchto bezdrátových zařízení se stará certifikační autorita WECA, která také testuje schopnost WiFi zařízení spolupracovat. Tato instituce, která se pro zvýšení transparentnosti své činnosti v roce 2003 přejmenovala na WiFi Alliance (WiFi = Wireless Fidelity), uděluje vyhovujícím výrobkům logo Wifi.
Obr. 1: Logo Wifi Alliance zaručující kompatibilitu. Barevné oválné značky s písmeny dále zpřesňují, které standardy zařízení splňuje.
Příčinou vzniku této organizace byly problémy s prvními sériemi výrobků pracujícími dle standardu 802.11b, kdy mezi sebou často nebylo možné jednotlivé výrobce a výrobky kombinovat. To samozřejmě vedlo k nedůvěře uživatelů a k jejich nezájmu o bezdrátové sítě.
1
Štěpán Vávra Logo představuje záruku toho, že pokud si takto označené výrobky zakoupíte, neměl by teoreticky existovat problém je mezi sebou propojit. S tím omezením, že výrobky dle standardu 802.11a nelze propojit s výrobky 802.11b/g. Že byste museli řešit tento problém se vám ale přihodí asi opravdu zřídka. Pokud se někde používá málo rozšířené a v Evropě nepovolené 802.11a, pak pracuje v duálním režimu i s 802.11b nebo g. Značku WiFi nedostává výrobek automaticky, jeho výrobce si o toto označení musí sám zažádat. Nicméně většina výrobků od renomovaných výrobců ho již nese. Tím netvrdím, že je nutno hned odsuzovat levnější výrobky asijské provenience. Při dodržení standardu byste neměli mít problémy i s neoznačenými výrobky. Pravdou ale je, že právě WiFi označení dává značnou záruku propojitelnosti. Termínem WiFi by se správně měla označovat tedy pouze zařízení odpovídající podmínkám WiFi Alliance. V poslední době se ale tohoto termínu používá v širším slova smyslu, a to vlastně pro technologii bezdrátových sítí tohoto typu jako takovou. Je to proto, že opakovat stále „bezdrátová síť standardu 802.11x“ je prostě příliš zdlouhavé. I já se v tomto článku dopustím této malé nepřesnosti a doufám, že po tomto vysvětlení nezpůsobím žádné nejasnosti.
802.11 Technologie WiFi se zrodila v roce 1992, kdy bylo shodně americkým FCC a evropským ETSI uvolněno bezlicenční radiové pásmo ISM 2,4 GHz. V něm pracují i další zařízení, z nichž nejzajímavější jsou asi zařízení bluetooth (pro která později vznikla samostatná norma 802.15), mikrovlnné trouby a americké bezdrátové telefony. Zkratka ISM znamená Industrial Scientific and Medical – tedy pásmo vyhrazené pro průmyslové, vědecké a lékařské potřeby. V roce 1997 došlo ke vzniku první normy – 801.11, která specifikovala standard bezdrátové sítě v pásmu ISM a nabízela rychlosti 1 a 2Mb/s.
802.11b O dva roky později, roku 1999, se objevily dvě specifikace na kvalitativně vyšší úrovni. Byly odpovědí na nízké přenosové rychlosti definované předchozím standardem 802.11. Přece jenom maximálně 2 Mb/s v době 100 Mb/s Ethernetu bylo opravdu, ale opravdu málo. Byly to 802.11a a 802.11b. Standard 802.11b se zrodil o něco dříve, jelikož implementace v pásmu 2,4 GHz, kde se podle něj vysílá, je o něco snazší. Nabízí přenosovou rychlost max. 11Mb/s a dané frekvenční pásmo poskytuje tři kanály bez překryvu. Jistou nevýhodou je absence odpovídajícího zabezpečení přenosů, které tedy následně řeší až další normy. Taktéž zde není zajištěna kvalita služeb (QoS1). Oba nedostatky platí samozřejmě i pro 802.11a. Systémy pracující se standardem 802.11b využívají tzv. přímé sekvence DSSS2. Pokud se budeme malinko více probírat v technických specifikacích různých WiFi zařízení, můžeme ještě narazit na výraz 802.11b+. Je to zavádějící označení používané výrobci a znamená, že zařízení podporuje technologii paketového binárního konvolučního kódování PBCC3 (Packet Binary Convolutional Coding) vyvinutého společností Texas Instruments.
802.11a 802.11a schválená v roce 1999 specifikovala bezdrátové sítě v dalším nově uvolněném bezlicenčním pásmu 5 GHz o rychlosti až 54Mb/s. Vysílání v tomto pásmu bylo dlouho zakázáno, ale v současné době je již situace jiná. Ta ale platí pro novější 802.11h, 802.11a neodpovídá platným předpisům ETSI. Situace v ČR je ale bohužel stále nepříznivá (viz 802.11h). Pásmo 5 Ghz bylo původně vyhrazeno organizací ETSI technologiím pokročilejším
2
Štěpán Vávra než 802.11a, nabízejícím automatickou regulaci vysílacího výkonu TPC4 (Transmitter Power Control) a dynamickou volbu frekvence DFS5 (Dynamic Frequency Selection) - konkurenční HIPERLAN (viz závěr). Objevil se ale zdokonalený standard 802.11h, který již evropským předpisům vyhovoval a jeho vysílání je tedy povoleno. Zajímavostí je, že pro dosažení rychlosti 54Mb/s, v reálu však pouze 30-36 Mb/s (v tzv. turbo režimu), byl poprvé využit v paketových komunikacích ortogonální frekvenční multiplex OFDM6 (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Velkou výhodou 802.11a je fakt, že pásmo 5 GHz je daleko méně zarušené než pásmo 2,4 GHz a díky velké šířce tohoto pásma je možno využít více kanálů bez toho, aby docházelo k jejich překrývání. Pásmo nabízí až osm nepřekrývajících se kanálů. Je ale pochopitelné, že rozdílná pásma 802.11a a 802.11b znemožňují jejich spolupráci.
802.11g V roce 2003 se objevil v dnešní době asi nejpoužívanější standard 802.11g. Stejně jako 802.11b pracuje v pásmu 2,4GHz (3 kanály bez překryvu), ovšem nabízí rychlost až 54Mb/s (podobně jako u 802.11a), což na druhou stranu snižuje dosah (cca 30m). Výhodou je zpětná kompatibilita s 802.11b, která přináší možnost vzájemné spolupráce zařízení obou standardů. Komunikace na úrovni fyzické vrstvy probíhá s využitím OFDM, avšak při komunikaci se zařízeními 802.11b se využívá technologie DSSS. Klienti 802.11b nerozumí komunikaci s OFDM (chápou ji jako šum). 802.11g obsahuje ochranný mechanizmus 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 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 trojnásobně (na 8 Mb/s), což je sice více než u tradiční 802.11b, ale rozhodně ne o moc. Typ Frekvence [GHz]
801.11b 2,412 - 2,484
802.11g 2,412 - 2,484
11 54 54
až 6 až 22 až 25
Přenosová rychlost [Mb/s] Reálná uživatelská rychlost [Mb/s] Typ rozprostřeného spektra
802.11a 5,150 - 5,350 a 5,725 – 5,825 DSSS OFDM/DSSS OFDM
Tabulka 1: Porovnání WLAN
V předchozích čtyřech odstavcích jsme si vysvětlili ty nejzákladnější normy týkající se WiFi. Dají se považovat za stěžejní a na základě jich se vyvinuly nebo jsou připravovány normy následující.
802.11c Tato norma vznikla již v roce 1998 a řeší komunikaci mostů (bridgů) v rámci podvrstvy MAC7 (Media Access Control). Jedná se o užitečný standard pro přístupové body a tvoří doplněk jiné normy IEEE 802.1d o transparentních mostech.
3
Štěpán Vávra
802.11d Tato norma slouží k mezinárodní harmonizaci. Je označována též jako „internacionalizace“. Upravuje standard 802.11b tak, aby bylo možno využívat i jiné kmitočty v oblastech, kde pásmo 2,4 GHz není dostupné. Týká se především využívání pásma 5 GHz a snaží se o sjednocení legislativy, protože toto pásmo bylo využíváno v mnoha zemích různě. Pravdou ovšem je, že pásmo 2,4 GHz je již ve všech zemích uvolněno a neznám případ, že by tomu tak nebylo.
802.11e Norma 802.11e je poměrně důležitým rozšířením standardu 802.11. Zavádí totiž konečně podporu pro kvalitu služeb QoS a opravu chyb do podvrstvy MAC. K jejímu schválení mělo dojít již loni, ale nedošlo k němu bohužel ještě do teď. A k čemu že potřebujeme QoS? Jestliže chceme realizovat multimediální nebo hlasové přenosy, pořádat videokonference, prostě jen telefonovat po internetu, případně používat jiné interaktivní služby citlivé na zpoždění nebo ztrátu paketů, stávající specifikace 802.11 nám to dostatečně spolehlivě neumožňují. Bezdrátové spoje jsou daleko choulostivější než metalické nebo optické. Mají daleko větší útlum signálu a vyšší šum. Vše je závislé na místě a prostředí, ve kterém se signál šíří. To vše vede k chybám a také v čase se měnící přenosové rychlosti. Pro přenos dat citlivých na zpoždění, kolísání zpoždění či ztrátu paketů je potřeba zaručit správné zacházení v síti při přenosu od zdroje k cíli, tedy určitou kvalitu služby (QoS). Stávající normy řady 802.11 tomu tak nečiní. Existují sice různá firemní řešení (zejména pro přenos hlasu) po WLAN (např. Symbol Technologies, SpectraLink a Vocera Communications), ale jsou zatím vzájemně nekompatibilní z toho důvodu, že právě ještě norma 802.11e nebyla schválena. Výše zmíněné služby jsou zejména náchylné na koncové zpoždění (doba mezi vysláním paketu od zdroje a jeho doručením zamýšlenému příjemci), kolísání zpoždění (jitter, rozdíl v intervalech mezi přijímanými pakety), ztrátu paketů (podíl přijatých paketů a vyslaných paketů za jednotku času) a šířku pásma (přenosová kapacita) související s propustností (objem dat úspěšně přenesený za jednotku času). Připravovaná norma musí zajistit, aby byly dodržovány všechny tyto parametry a zároveň musí zajistit také zpětnou slučitelnost se zařízeními nevybavenými podporou pro QoS. Jelikož je poptávka po QoS v bezdrátových sítích vysoká, vznikla technologie WME (Wireless Multimedia Extensions), která se dá označit jako dočasné řešení. Podporuje pouze některé prvky pro QoS z budoucí normy, jako označování rámců podle priorit a odpovídající řazení do front (priority tagging and queueing) a podporuje jen čtyři místo osmi úrovní priorit, které budou v 802.11e. V blízké době však bude nutno vytvořit další rozšíření normy 802.11e, protože již dnes se ukazuje, že existuje zájem o roaming ve WLAN a pro zajištění jeho dostatečné kvality a bezpečnosti bude nutno přenosové parametry ještě dále zkvalitnit.
802.11f V polovině roku 2003 byla schválena poměrně užitečná norma 802.11f s názvem Inter Access Point Protocol (IAPP), která má umožnit bezproblémový roaming. Stávající specifikace 802.11 totiž nezahrnují standardizaci komunikace mezi jednotlivými access pointy pro zajištění bezproblémového roamingu, tedy přechodu uživatele od jednoho přístupového bodu k druhému. Z toho důvodu bylo do uvedení této normy velmi problematické stavět bezdrátové sítě bez využití síťových prvků od jednoho výrobce.
4
Štěpán Vávra Výrobky mezi sebou často velmi neochotně komunikovali a tak bylo třeba vše řešit úplně mimo přístupové body. Protokol IAPP tedy specifikuje informace, které si musí přístupové body vyměňovat při přechodu klienta od jednoho bodu k dalšímu.
802.11h Norma 802.11h je na světě zhruba dva roky a podle mého názoru je tou úplně nejproblematičtější mezi ostatními normami 802.11. Proč? Je to z toho důvodu, že specifikuje vysílání v pásmu 5 GHz, o kterém se diskutuje v Evropě již opravdu ale opravdu dlouho a Evropští normalizátoři se stále nemohou konečně sjednotit. K problémům přispívá ještě konkurenční technologie HIPERLAN/2, která je postavena také na pásmu 5 GHz a donedávna byly snahy, aby toto pásmo zůstalo pouze jí. Norma zavádí použití dynamického výběru kanálu (DCS) pro venkovní i vnitřní komunikaci a řízení vysílacího výkonu (TPC) jako odpověď na připomínky regulátorů evropských zemí. Jejich přáním bylo, aby šlo sítě v pásmu 5 GHz využívat i mimo budovy. Systémy 802.11a totiž mohou mít nepříznivý vliv na radarové systémy a průzkumné satelitní systémy jako EESS (Earth Exploration Satellite Service) a SRS (Space Research Service). Norma tak umožňuje dostát evropské regulaci i požadavkům konference World Radiocommunication Conference ´03 ITU (International Telecommunications Union). ITU požaduje, aby bezdrátové systémy detekovaly přítomnost radarů, systémů EESS a SRS a aby v případě hrozícího rušení volily jiný vysílací kanál nebo omezily vysílací výkon. Pásmo 5 GHz je v Evropě tak nepřehledné, že mu raději věnuji ještě další odstavce. Ono totiž toto pásmo má několik subpásem a ty mají nebo budou mít odlišnou regulaci. •
•
•
•
•
5150-5250 MHz – Povoleno v Americe i Evropě, avšak pouze pro vnitřní sítě s max. 200 mW EIRP, v ČR ne. Toto pásmo je podporováno standardy IEEE 802.11a a 802.11h. 5250-5350 MHz – Povoleno v Amerika i Evropě, avšak pouze pro vnitřní sítě s max. 1 W EIRP (Amerika) a max. 200 mW EIRP (Evropa), v ČR ne. Toto pásmo je podporováno standardy IEEE 802.11a a 802.11h. 5470-5725 MHz – V Amerika se připravuje uvolnění tohoto pásma, v Evropě se tak již stalo - pro venkovní i pro vnitřní sítě s max. výkon 1 W EIRP. V ČR opět ne. Toto pásmo ovšem nespecifikuje žádný IEEE standard! 5725-5825 MHz – V Americe je v tomto pásmu možno vysílat venku i uvnitř budov s max. 4 W EIRP, v Evropě včetně ČR jen v rámci nespecifikovaných stanic s maximálním vyzářeným výkonem 25 mW. Opět není podporováno IEEE standardy. 5825-5875 MHz – Povoleno v Evropě včetně ČR jen v rámci nespecifikovaných stanic s maximem 25 mW vyzářeného výkonu. Není podporováno IEEE standardy.
Jak si pozorný čtenář z výše uvedeného přehledu mohl povšimnout, v Evropě je již vysílání na všech těchto frekvencích povoleno, jenže bohužel stále ne v České republice. Výjimkou jsou tedy pásma 5725-5825 MHz a 5825-5875 MHz, jenže jen s max. výkonem 25 mW. Česká republika stále čeká na generální licenci ČTÚ, která byla však již pětkrát odložena těsně před slíbeným povolením. ČTÚ se stále zaštiťuje rozhodnutími Evropské komise a harmonizačními opatřeními v Evropě, nicméně faktem zůstává, že pásmo 5 GHz je uvolněné ve všech státech na západ od České republiky a dokonce i na Slovensku. Důvody, proč to ČTÚ dělá jsou nepochopitelné. Možným důvodem snad mohlo být nařízení vlády, která se snažila maximalizovat zisk z prodeje Českého Telecomu. Ten je teď již ale konečně prodán španělské společnosti Telefónica, takže by se situace mohla pohnout z mrtvého bodu.
5
Štěpán Vávra Poslední prohlášení o odkladu bylo vydáno 12. 3. letošního roku s tím, že schvalovací procedury Evropské komise by měly být dokončeny v červnu tohoto roku, počátkem následujícího měsíce by měly být oficiálně zveřejněny a to by tedy teoreticky mělo znamenat uvolnění pásma 5 GHz i u nás. Jaký bude skutečný vývoj ukáže ale až čas.
802.11i V červnu 2004 byla konečně IEEE schválena dlouho očekávaná norma definující doplňkové bezpečnostní mechanizmy bezdrátových sítí 802.11a/b/g. Jejím velkým přínosem je odstranění známých problémů s šifrováním WEP, zdokonaluje autentizaci i šifrování. Standardy 802.11b ani 802.11g v sobě nemají implementováno zabezpečení. Aby se zvýšila důvěryhodnost sítí standardu 802.11 i pro firemní použití, muselo se na zabezpečení udělat hodně práce Její dokončování a zejména schvalování trvalo opravdu dlouho, ale teď už je skoro rok tady. Co přináší samotná norma pozitivního? Jaké mechanizmy pro zabezpečení WLAN nabízí? Úkolem standardu bylo odstranit zásadní nedostatky protokolu WEP, tzn. téměř žádnou autentizaci a velmi chabé šifrování statickým klíčem. Autentizace je výrazně kvalitnější díky využití obecného rámce řízení přístupu podle 802.1x (Port-Based Network Access Control ), EAP (Extensible Authentication Protocol) a alternativně přednastaveného sdíleného klíče (PSK, PreShared Key). Pro šifrování je místo WEP použit nově vytvořený protokol pro šifrování dynamickým klíčem, TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) a zavedl se také management klíčů. Navíc se kontroluje integrita zpráv pomocí algoritmu označovaného Michael (MIC, Message Integrity Check). Za nejpodstatnější přínos této normy se ale považuje šifrovací mechanizmus AES, který se zdá být dostatečný i pro vládní účely, na rozdíl od slabého mechanizmu RC4, který se používal v protokolu WEP. Dříve útočníkovi pouze stačilo, aby odposlechnul dostatečný objem zpráv, aby mohl prolomit klíč WEP, v 802.11i se však šifrovací klíče mění automaticky. Nevýhodou protokolu je, že je poměrně náročný na výkon zařízení a za další od nich vyžaduje takové schopnosti, které většina z nich dnes ještě nemá. Nová technologie šifrování je označována jako WPA2 a specifikuje povinnou "výbavu" zařízení pro zajištění bezpečnosti. Je samozřejmé, že žádná šifra není neprolomitelná. Ani nová norma 802.11i nezaručuje, že odolá všem budoucím útokům. Pokud se jedná ale o domácí a malé podnikové využití, myslím si, že to alespoň větší část potencionálních útočníků odradí.
802.11j. Standard 802.11j vznikl primárně z toho důvodu, aby se nově uvolněná pásma 4,9 a 5 GHz v Japonsku mohla též využívat pro přenosy podle protokolů řady 802.11. Dále se snaží řešit problémy koexistence sítí 802.11a a HIPERLAN/2. Alokuje uvedené nové frekvenční rozsahy pro multimediální služby bezdrátových sítí.
802.11k Připravovaná norma 802.11k s názvem Radio Resource Measurement má sloužit k měření a správě radiových zdrojů tak, aby vyhovovaly novým bezdrátovým sítím. Norma se snaží optimalizovat WLAN v závislosti na jejich okamžitých parametrech – vzájemném rušení mezi jednotlivými sítěmi, šumem, zahlcením – aby výsledná výkonnost sítě byla co nejvyšší. To zatím současné sítě dle standardů 802.11a/b/g neumí. Očekávaná norma umožní obohatit současná jednoduchá měření o další parametry a informace a navíc ještě o ukládání měření (MIB). Norma tedy umožní klientům v síti poskytovat přístupovým bodům informace 6
Štěpán Vávra o měření, které si budou moci AP vyměňovat např. při roamingu, kdy pak bude možno snadno zvolit ten nejlepší přístupový bod. Nová technologie také dále umožní efektivněji volit nezatížené kanály. Norma by měla být v ideálním případě schválena někdy v druhé polovině letošního roku a jelikož bude implementována softwarově, bude jednoduše možné vaše zařízení vybavit její podporou pouhou změnou firmwaru. Poskytne nám tedy zlepšení situace při roamingu a zvýšení výkonnosti ve WLAN. Na normu bude navazovat standard 802.11r (viz dále).
802.11m Připravovaná norma, která si klade za úkol začleňovat potřebné změny do stávajících norem 802.11 (1999), 802.11a (1999), 802.11b (1999) a 802.11d (2001).
802.11n Připravovaná norma 802.11n má přinést zcela průlomové zvýšení rychlosti ve WLAN. Cílem je nabídnout uživatelům reálnou rychlost 100Mb/s a hovoří se dokonce o rychlostech až 320Mb/s. Stávajících 54Mb/s, resp. reálných cca 20Mb/s standardu 802.11g nevyhovuje vysokým nárokům uživatelů, kteří by rádi v bezdrátové síti provozovali VoIP nebo třeba pořádali videokonference. V březnu letošního roku ale se ale bohužel normalizátoři na zasedání IEEE nedohodli. A jaký je důvod, proč schválení normy trvá tak dlouho? Situace je taková, že na trhu existuje již řada „firemních“ řešení a každý z výrobců se snažil, aby zrovna jeho řešení odpovídalo vznikající normě. V současné době zůstaly na stole poslední dva návrhy skupin TGn Synch zastřešující společnosti Agere, Cisco, Intel, Mitsubishi, Panasonic, Philips, ... a konsorcia WWiSE (World Wide Spectrum Efficiency), ve kterém jsou zastoupeny společnosti Broadcom, Conexant, France Telecom, Motorola, ....Obě technologie připadající v úvahu využívají technologii MIMO (Multiple Input – Multiple Output), která spočívá ve využití více antén jak na přijímači, tak na vysílači. Původní návrhy počítaly s šířkou pásma 40 MHz, ale z důvodu zpětné kompatibility se nakonec rozhodlo pro šířku 20 MHz. Využití rychlých WLAN se předpokládá především pro podniková řešení sítí nebo v pro hot spoty. V březnu ani jeden zmiňovaný návrh nezískal potřebnou většinu hlasů. Schválení se tedy odkládá a předpokládané přijetí se posouvá někdy na rok 2006 nebo 2007.
802.11p 802.11p je připravovaná norma, jejímž úkolem je doplnit stávající normu o podporu komunikace mezi vozidly a vysílači v jejich okolí, a to vozidly, která se pohybují rychlostí až 200 km/h na vzdálenost až 1 km. Norma počítá s využitím pásma 5 GHz, konkrétně v Americe subpásma 5.850-5.925 GHz. Cílem je zvýšení mobility a bezpečnosti při provozu na silnicích, železnicích i po vodě. Tento úkol je velmi specifický, protože to vyžaduje, aby v některých případech se data vyměňovala v intervalu 4 až 50ms. S přijetím normy se počítá až někdy po roce 2007.
802.11r 802.11r je připravovaná norma, jejímž úkolem je rozšířit podvrstvu řízení přístupu k přenosovému médiu MAC, aby umožňovala při roamingu rychlejší předávání klientů mezi access pointy, přičemž nesmí dojít k oslabení bezpečnosti. K tomu bude využívat tzv. ESS (Extended Service Set). Standard bude opět potřebný pro využívání multimediálních služeb ve WLAN. Předpokládá se, že norma by měla být schválena po roce 2007.
7
Štěpán Vávra
802.11s Norma 802.11s má vytvořit standard pro samostatně se sestavující tzv. mesh sítě. U nás je to zatím hodně málo známý pojem. Významné firmy jako Microsoft nebo Intel v této oblasti značně investují a tak se dá předpokládat, že si od nich mnohé slibují. O co se jedná? Mesh sítě jsou založeny na principu peer-to-peer. To znamená, že každý klient je zároveň přístupovým bodem a naopak. Libovolné síťové zařízení splňuje obě tyto funkce. Znamená to, že pokud se budete chtít připojit k internetu a ve vašem dosahu zrovna nebude žádný přístupový bod, připojíte se přes jiného klienta. Tato technologie se označuje jako multihopping, protože k internetu vlastně „dohopsáte„ přes jiné klienty. Přijetí standardu se přepokládá po roce 2007.
Obr. 3: Multi-hopping
802.11t Připravovaná norma 802.11t neboli 802.11.2 bude částečně navazovat na 802.11k a vytváří soubor metrik, metodologií pro měření a podmínek pro testování zařízení WLAN.
802.11u Připravovaná norma 802.11u má úkol doplnit stávající normy, aby byla umožněná hladká spolupráce WLAN s externími sítěmi.
802.11v Připravovaná norma 802.11v má umožnit, aby stanice mohly provádět funkce managementu (např. monitoring, konfiguraci nebo aktualizace), a to centralizovaně nebo distribuovaně. Norma zreviduje stávající MIB (Managent Information Base) tak, aby vyhovovalo rostoucím požadavkům na bezdrátová zařízení.
802.11w Připravovaná norma rozšíří stávající MAC podvrtvu o mechanismy integrity dat, autenticity zdroje dat, utajení dat a ochrany před útoky typu replay pro vybrané rámce určené pro management. Úkolem je zvýšit zabezpečení rámců pro management včetně rámců pro deautentizaci a deasociaci. Tím uzavírám zevrubný přehled všech existujících a připravovaných standardu 802.11. Je očividné, že od roku 1992, kdy se technologie WiFi objevila, udělala obrovský pokrok a
8
Štěpán Vávra že nás v blízké době čekají významná zlepšení. Pryč jsou již doby, kdy jsme se museli spoléhat na nedostatečně bezpečné šifrování WEP nebo se museli spokojit s nedostačujícími přenosovými rychlostmi. Budoucnost v této oblastí je nanejvýš slibná.
IR Než se dostanu k v úvodu slíbené síti HIPERLAN/2, považuji za užitečné zmínit, že bezdrátové sítě dle standardu 802.11 nemusejí zcela nezbytně využívat pásma řádu GHz. Na jejich zrodu se vážně uvažovalo o oblasti THz. Ano, jedná se o vysílání v infračerveném pásmu. Když standard vznikal, vypadalo to, že by bylo velice výhodné využít již existující IrDa (Infrared Data Association) adaptéry, které se v té době již hojně vyskytovali třeba v notebookách. Jejich cena byla tehdy až padesátinásobně nižší než cena mikrovlnných adaptérů. Výraznou nevýhodou takového přenosu je samozřejmě dosah, protože útlum tohoto vlnění je pochopitelně mnohem větší. Na druhou stranu pásmo THz je ničím nerušené a hlavně neregulované. Vývoj šel jiným směrem, ale kdo ví. Pásmo 2,4 GHz se stane třeba časem tak zarušené, že bude myšlenka přenosu v infračervené oblasti opět oprášena. V současné době existují dokonce na trhu výrobky např. společnosti Spectrix, které mají přenosovou rychlost až 4 Mb/s a dosah těchto zařízení je srovnatelný s výrobky 802.11.
Obr. 2: Umístění využívaných frekvenčních pásem ve spektru
HIPERLAN HIPERLAN, jak již bylo několikrát zmíněno, je konkurenční technologie k 802.11a pracující v pásmu 5 GHz na krátké vzdálenosti – 100 – 150 m. HIPERLAN je zkratkové slovo a znamená High PErformance Radio Local Area Network. Umožňuje přenosovou rychlost až 54MB/s (reálně 30 – 42 MB/s), tedy podobně jako 802.11g. Vysílací pásmo se dále dělí na dvě subpásma: • •
5 150-5 350 MHz - Vnitřní sítě v Evropě (max. střední vyzařovaný výkon 200 mW) 5 470-5 725 MHz - Vnitřní / vnější sítě (s limitem pro střední vyzařovaný výkon 1 W)
Pásmo 5 GHz bylo evropskou ETSI dlouho vyhrazeno právě jen pro HIPERLAN. ETSI trvala na přísných parametrech, zmiňovaném dynamickém výběru pracovní frekvence a řízení vysílacího výkonu, které v té době plnila jen HIPERLAN. Po vzniku 802.11h a přijetí
9
Štěpán Vávra ještě dalších norem 802.11 se ale situace zcela změnila, protože sítě dle standardu 802.11h začaly splňovat závazné požadavky také. HIPERLAN umožňuje přenášet hlas i obraz, protože má zabudovanou podporu pro zajištění kvality služeb (Quality of Service, QoS). To bohužel sítě 802.11 stále nemají, čeká se pořád na přijetí specifikace IEEE 802.11e.
HIPERLAN2 HIPERLAN/2 je nejnovější specifikace této bezdrátové lokální sítě, která již má plně vyhovovat současným i budoucím potřebám komunikace a aplikacím s různými nároky na zpoždění či šířku pásma (zejména multimediálním přenosům v reálném čase). HIPERLAN/2 nabízí vysokou přenosovou rychlost a ekonomické využití spektra. Poskytuje kvalitní zabezpečení, podporu QoS, efektivně řídí spotřebu energie bezdrátových zařízení a umožňuje autokonfiguraci (plug 'n' play). Ostatní principy sítě jsou ve většině případů shodné se sítěmi 802.11. Klienti v síti mohou komunikovat buď přímo mezi sebou (direct mode) nebo přes přístupový bod (centralized mode). AP provádí centrální plánování provozu, které je účelné zejména při zvyšujícím se počtu účastníků a při různých kvalitách služeb. Hlavním rozdílem mezi HIPELAN a HIPERLAN2 je využití technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Od 802.11 se HIPERLAN2 liší řešením MAC. Řešení 802.11 vychází z principu Ethernetu (CSMA/CA). HIPERLAN2 zavádí deterministické přidělování práva na vysílání. Podvrstva MAC u HIPERLAN2 pracuje v režimu časového duplexu (Time-Division Duplex, TDD), kdy rámce obsahující řídicí informace spolu s uživatelskými daty se v obou směrech (uplink, downlink) posílají v délce (časových úsecích) 2 milisekundy (na úrovni MAC jde tedy o komunikaci se spojením, connection-orinted). Tyto krátké intervaly umožňují řešení QoS, zejména pro provoz citlivý na zpoždění a výkyvy. Sítě HIPERLAN2 také jednodušeji spolupracují o ostatními sítěmi Ethernet nebo třeba mobilními 3G. Zabezpečení přenosu HIPERLAN2 spočívá v autentizaci uživatelů a šifrování podle různého klíče na každou relaci. Používají se jak sdílené klíče, tak PKI (Public Key Infrastructure) spolu s DES/3DES (Data Encryption Standard). Náklady na provoz HIPERLAN2 a 802.11a jsou srovnatelné, HIPERLAN2 má ale ve srovnání s Americkou 802.11a lepší poměr cena/výkon. Efektivnost HIPERLAN2 ve využití kmitočtového spektra dovoluje pracovat s menším počtem přístupových bodů - o čtvrtinu až polovinu méně než u 802.11a. A jaký bude další vývoj sítí HIPERLAN2? Žádný! Této technologii, stejně tak ale jako i sítím 802.11a zasadil smrtelnou ránu příchod 802.11g. Co se týče HIPERLAN2, výrobci nemají zájem vyrábět tato zařízení, když vidí zisky ve stále populárnějších zařízeních 802.11g a 802.11a bude v dohledné době nahrazeno zařízeními 802.11h.
Vysvětlivky: 1. QoS V poslední době dochází k rozvoji služeb, jejichž úspěšnost z pohledu uživatele významně závisí na časových charakteristikách komunikace přes počítačovou síť. Jde například o služby Internet telefonie, videokonference a další interaktivní služby. Uživatel požaduje, aby mu byla poskytnuta určitá definovaná kvalita služby (QoS). Například
10
Štěpán Vávra videosignál určitého rozlišení o určitém počtu obrázků za sekundu, zvuk určité šířky pásma nebo přenos souboru dat v určitém čase. Zmíněné požadavky na QoS aplikací lze splnit, pokud se vhodným způsobem mapují na QoS počítačové sítě. Nejvýznamnější parametry, které definují QoS počítačové sítě jsou následující: • Ztrátovost paketů - kolik procent paketů nedorazí od odesílatele k adresátovi • Průchodnost - objem dat v bajtech přenesený za jednotku času • Zpoždění - doba potřebná k přenosu paketu od odesílatele k adresátovi • Změna zpoždění - jak se mění zpoždění jednotlivých paketů během přenosu Zdroj: http://www.cesnet.cz/qos/
2. DSSS Systém je založen na rozprostření vysílaných informací do 22MHz širokého pásma pomocí kódování (Bakerova kódu), čímž se stává více odolným vůči rušení. V přijímači dochází inverzním postupem k dekódování informace.
3. PBCC O tomto typu modulace se dá říci, že bylo přechodným řešením před příchodem 802.11g. Někteří výrobci ho nicméně využívají. Umožňuje dosahovat přenosové rychlosti 22 – 44 Mb/s, avšak vyžaduje vyšší rozlišovací schopnost přijímače a hlavně vyšší odstup signálu od šumu. Velkým problémem jsou pro PBCC odrazy signálu mezi vysílačem a přijímačem. Asi všichni známe takzvané duchy na televizní obrazovce způsobené odrazem signálu. Odražený signál cestuje po delší trase a tím vzniká na obrazovce druhý slabší obraz. Pokud však odražený signál s dříve odeslaným symbolem zasáhne později odeslaný symbol u PBCC, může jej zcela zlikvidovat.
4. TPC Kvalita signálu je sledována a vyhodnocována s ohledem na výstupní vysílací výkon, který je automaticky přizpůsobován minimální nutné úrovni pro ještě spolehlivý příjem. Díky této funkci je velmi omezena možnost detekce i odposlechu. Dále snižuje nároky na napájení, což je velmi důležité pro mobilní zařízení, ale nejpodstatnější věcí je fakt, že při automatické regulaci vysílacího výkonu nedochází ke zbytečnému zarušování vysílacího pásma.
5. DFS Technologie spočívající v možnosti výběru nejvhodnější vysílací frekvence v závislosti na podmínkách v síti. Pokud nebude v dané lokalitě žádná volná frekvence, nebude možné síť provozovat. To má zamezit stávajícím problémům konkurujících si sítí.
6. OFDM Technologie spočívá v tom, že přenosové pásmo se rozdělí na velké množství úzkých subkanálů, s cílem dosáhnout co nejvyšší celkové přenosové rychlosti. Té je dosaženo tak, že na každý z těchto kanálů jsou namodulována data, kanál je přenáší relativně pomalu, ale výsledný signál pak vznikne složením z těchto subkanálů. Modulování na jednotlivé kanály je adaptivní, tzn. že se sleduje, jaké jsou přenosové schopnosti daného kanálu v daném časovém okamžiku. Je-li tedy některý kanál momentálně zarušený, jsou po něm data přenášena s nižší přenosovou rychlostí a naopak.
7. MAC Podvrstva řízení přístupu k přenosovému médiu. Nižší podvrstva sítě, v níž je implementována příslušná přístupová metoda. Tato podvrstva definuje protokol linkové vrstvy pro komunikaci mezi stanicemi včetně formátu rámce, přístupu k médiu, atd. 11
