WLAN , rozšíření a použití Historie: Bezdrátové sítě mají za sebou již více než dvacetiletou historii. První radiové spoje se používaly např. v telemetrii a jejich přenosová rychlost byla daleko pod 1 Mbps. V současné době komerčně využívané produkty pracují s teoretickou rychlostí 54 Mbps, vysokorychlostní standarty dokonce s 155 Mbps. Vývoj v této oblasti podmiňují digitální multimedia náročná na propustnost, kterou omezují jednak současná technologie (použité frekvenční pásmo vs. šířka pásma tak, aby byly cenově přijatelné) a jednak nutnost sdílení frekvenčních pásem ve volném prostoru s mnoha dalšími subjekty.
Popis: Bezdrátové sítě WLAN nabízejí v principu podobné služby jako sítě metalické či optické (kupříkladu ethernet). Slouží primárně k propojení počítačů a terminálů. Stejně jsou zde definovány pojmy server-klient i PPP. Z hlediska funkčnosti jsou jim ekvivalentní, zásadně se samozřejmě liší ve své skutečné podstatě, v tom, jak fungují. Používané médium pro přenos je vzduch, volný prostor a proto mají bezdrátové spoje mají jiné charakteristiky než pevné spoje. Ovlivňuje je útlum signálu, rušení a šum, které závisejí na místě a době vysílání a které následně vedou k chybám a také v čase se měnící kapacitě kanálu. Při plánování vysílání se v bezdrátových sítích na rozdíl od pevných sítí musí zohlednit právě nepříznivé podmínky na kanálu, distribuovaný přístup ke kanálu (kooperace více blízkých zařízení) a jelikož jsou uvažována zejména pro mobilní zařízení, i spotřeba energie. Právě pro jejich vlastnosti se jejich existence opírá o infrastrukturu sítí pevných, stavěných na metalickém či optickém médiu. Samostatnou kapitolou je bezpečnost. Otevřenost těchto sítí leckdy není je pro citlivá data tím nejlepším médiem, a tak od začátku vývoje WLAN se vždy uvažoval nějaký způsob enkrypce. Podrobný popis není posláním tohoto textu a tak proto zdůrazním nejužívanější: WEP – používá se u 802.11, opírá se o kryptografický mechanismus RC4. Je to dnes už málo účinný, prolomitelný mechanismus, nativně jej podporují všechna zařízení 802.11. WPA – alternativa k WEP IPSec, L2TP – implementační mechanismy vyšších vrstev virtualních privátních sítí. PKI (Public Key Infrastructure), DES/3DES (Data Encryption Standard) – použití u HiperLAN FHSS – dnes používá pouze Bluetooh. a další. V následujícím textu budou popsány tři současné nejpoužívanější standarty (IrDA, WiFi a BlueTooth), v závěru se zmíníme o některých méně známých či používaných standartech.
IrDA: Tento standart není obecně znám jako prvek který by mohl tvořit síť, nicméně svými specifiky sem patří. Pracuje v optickém pásmu, v oblasti infračervervených vln (875nm), což jej předurčuje pro kratší vzdálenosti při přímé viditelnosti, zejména interiérech. Praktické aplikace tohoto standartu zůstaly u přenosu dat mezi přenosnými terminály, většinou pro dávkový přenos, nejsou výjimkou ani spojení trvalá, vlivem geometrie optiky výhradně pro spojení PPP; používá se u PDA, mobilních telefonních stanic, tiskáren, notebooků… Charakteristiky: Nízká cena i spotřeba, poloviční duplex, spojení PPP, rychlost, adaptivnost.
IrDA Standart byl definován v září 1993. Je postaven na sériovém rozhraní UART, podporuje stejné rychlostní módy (od 2.4 do 115 Kbps), s velmi podobným transportním protokolem., avsak s pulsni modulaci, coz umožňuje použít větších proudů IR diodou a snížení spotřeby. IrDA v1.0 schválen v dubnu ’94 s přidanými protokoly IrLAP (access) a IrLMP (management) Modulace pulsní, se střídou 3/16 délky bitu nebo fixní 1,63us Protokol: asynchronní, se start-stopbitem (UART) Rychlosti: 2,4 … 115 Kbps (UART) IrDA v1.1 vznikl v říjnu ’95 jako odezva na stoupající požadavky na rychlost. Modulace pulsní, se střídou 1/4 délky bitu, pro 4Mbps tzv. 4PPM (position pulse modul.) Protokol: synchronní, se start-stopbitem, half-duplex, CRC16 Rychlosti: 2,4 … 115 Kbps + 0,576; 1,152 a 4 Mbps Pro tento standart byly vyvinuty přenosové protokoly umožňující integraci do sítě LAN, IrLAP (link access protocol) – řídí přístup k fyzickému médiu IrLMP (link management protocol) – zajišťuje komunikaci mezi službami a IrLAP TinyTP (tiny transport protocol) – udržuje spojení, opravuje výpadky, chyby..
802.11: Tento standart je notoricky znám pod pseudonymem WiFi, avšak zastřešuje více komunikačních prostředků. Je to nejvíce známý a používaný prostředek pro stavbu bezdrátových sítí WLAN. Používají se jak pro stavbu privátních sítí (podnikové, domácí), tak i pro veřejné poskytování služeb (letiště, školy, hotely, konference). Od ethernetu se liší pouze používaným médiem, což je zde opět vzduch. Jako ethernet má specifikovány přenosové vrstvy v duchu modelu OSI; dvě nejnižší vrstvy jsou ale specificky odlišné od pevných sítí díky radiovému rozhraní: PHY (physical, fyzická) a DLL (data link layer, linková), pod kterou bychom mohli shrnout 2 subvrstvy, MAC (media access control) a LLC (logical link control). Vrstvu PHY tvoří vysílačpřijímač, detektor demodulátor, její konstrukce (výkon, modulace) určí rychlost a dosah. Vrstva MAC určí přístup k médiu, což je v případě víceuživatelského přístupu vždy problematické, zvláště pokud není možnost duplexního provozu. Zde se pro řízení přístupu používají CSMA/CA (carrier sense multiple access-collision avoid), MACA (muliple access collision avoid) a případně RTS-CTS (request-clear to send). Vrstva LLC slouží k propojení s logickou, vyšší vrstvou. Standart podporuje jak deterministický CF (contention-free, řídící stanice předem určí, kdo bude vysílat) i náhodný přístup (contention). Ke všeobecnému prosazení tohoto standardu jistě přispěla i vzájemná kompatibilita produktů na bázi 802.11 od různých výrobců. O testování této kompatibility se úspěšně stará sdružení WECA (Wireless Ethernet Compatibility Aliance), které úspěšně otestovaným produktům vydává osvědčení, všeobecně uznávaná a respektovaná na trhu. Specifikace 802.11 umožňuje dva režimy komunikace: DCF a PCF. Režim PCF ( Point Coordination Function) je synchronní, pracuje s přístupem RTS/CTS, přístupové body AP (access point) periodicky vysílají rámce typu beacon, kterými sdělují stanicím v síti specifické parametry pro identifikaci a management. Podporuje toky dat citlivé na zpoždění. Lze využít pouze v sítích s přístupovým bodem, tedy s infrastrukturou, nikoli v ad hoc sítích.
Režim DCF (Distributed Coordination Function) je založený na metodě přístupu CSMA/CA. Stanice musí nejprve naslouchat, zda nevysílá někdo jiný. Mechanizmus pro zabránění kolizí pracuje jako u ethenetu, přidává náhodnou prodlevu doplněnou o exponenciální ustupování. DCF je jednoduchý mechanizmus vhodný pro asynchronní datové přenosy. Nepodporuje však požadavky na QoS a negarantuje zpoždění ani šířku pásma, pouze poskytuje službu best effort. Charakteristiky: Nízká cena, nenáročnost na instalaci a provoz, rychlost až 54Mbps, rozšiřitelnost.
802.11 Standard 802.11 vznikl v roce 1997 a definoval přenos v pásmu 2,4 GHz o rychlostech 1 a 2 MHz. Byl definován jak pro přenos radiovými kmitočty tak i pro optickou cestou. Další vývoj se ubíral pouze pro přenos radiem. Od počátku se předpokládal provoz v nelicencovaném (=nekoordinovaném) pásmu ISM, proto byly zvoleny systemy s rozprostřeným spektrem. Předpokládalo se použití tří alternativ použití spektra: DSSS, FHSS a pro optický přenos PCM. Opravný kód nebyl implementován (nepotvrzený paket byl vyslán znovu), pouze kontrola CRC16. Rychlost: 1 Mbps, 2 Mbps Modulace: DSSS (CDMA-CCK), 11 chips – BPSK (1Mbps), QPSK(2 Mbps) FHSS v 79 kanálech - 2GFSK (1Mbps), 4GFSK(2 Mbps) PCM pro prenos infračerveným zářením Pásmo: 2.400 až 2.4835 GHz Tento standart byl (a je i nadále) vyvíjen. Modifikace tohoto původního standartu jsou odlišeny písmeny, za číslem standardu, viz následující:
802.11a – Přesazení provozního kmitočtu do pásma 5,7 GHz znamená zvýšení rychlosti přenosu na teoretických 54 Mbps. Docíleno toho jest použitím OFDM a širšího pásma. Zavedeno opravné kódování FEC (redundancí). Jednotlivé stanice využívají 20 MHz široké pásmo s 52 nosnými. Standart specifikován v r.1999. Rychlost: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps Modulace: OFDM 52 nosných - BPSK (6,9), QPSK(12,18), M-QAM (12-54 Mbps) Pásmo: 5.15 až 5.35 GHz; 5.725 až 5.825 Ghz
802.11a+ Vylepšený standart 802.11a. Maximální přenosová rychlost zvednuta na 108 Mbps. Rychlost: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54, 108 Mbps Modulace: OFDM 52 nosných - BPSK (6,9), QPSK(12,18), M-QAM (12-108 Mbps) Pásmo: 5.15 až 5.35 GHz; 5.725 až 5.825 GHz
802.11b - WLAN v pásmu 2,4 GHz - tento standard z roku 1999 přináší zrychlení přenosů až na 11 Mbps, přičemž stále pracuje ve stejném bezlicenčním pásmu 2,4 GHz jako původní 802.11. Celého zrychlení bylo dosaženo použitím jiné metody modulace CCK (Complementary Code Keying). Na úrovni fyzické vrstvy již nejsou na výběr tři varianty jako u původního 802.11, ale pouze varianta s přímo rozprostřeným spektrem (DSSS). Je zajištěna zpětná kompatibilita s původním standardem 802.11. Tento standart je dnes své kategorii zdaleka nejrozšířenější.. WECA prosadilo označení Wi-Fi (Wireless Fidelity). Rychlost: 1, 2, 5.5, 11 Mbps Modulace: DSSS 14 kanálů po 22 MHz (tyto se částečně překrývají), BPSK(1;5.5 Mbps), QPSK(2; 11 Mbps) Pásmo: 2.400 až 2.4835 Ghz
802.11c - definice procedur pro síťové bridge. Ve skutečnosti s to WLAN má jen málo společného, jde ale o užitečný standard pro AP (Access Pointy).
802.11e - rozšíření MAC pro QoS (Quality of Service) zajišťující vyrovnanou kvalitu služby důležitou pro multimédia, tj. minimalizování výpadků. To upřednostní hlasové a videopřenosy.
802.11f – IAPP (Inter Access Point Protocol), specifikace standartizující komunikace mezi jednotlivými AP pro zajištění roamingu, tedy přechodu uživatele od jednoho access pointu k druhému.
802.11g – Standart, pokoušející se využít výhod OFDM v ISM pásmu 2.4 GHz znamená zvýšení rychlosti až na 54Mbps, kvůli kompatibilitě zahrnující 3 modulační mechanismy (OFDM, CCK a PBCC od TI), se zpětnou kompatibilitou s 802.11b. Zahrnuje (nebo měl by) předchozí 3 standarty – handover a QoS. Dále se nově objevují na trhu varianty se zvýšenými rychlostmi, např. 802,11g+ či G super se 108Mbps, či afterburner se 125 Mbps. Rychlost: [1, 2, 5.5, 11] Mbps + OFDM standart Modulace: DSSS + CCK, DSSS+PBCC, OFDM Pásmo: 2.400 až 2.4835 GHz
802.11i - zlepšení bezpečnosti v 802.11 bezdrátových sítích vylepšením autentifikačního a šifrovacího algoritmu. Doplňuje bezpečnost do podvrstvy MAC na podporu všech fyzických vrstev používaných v 802.11 sítích; místo WEP (Wireless Encryption Privacy) použije nový způsob šifrování:AES (Advanced Encryption Standard).
802.11j - práce na alokaci nových frekvenčních rozsahů pro multimediální služby bezdrátových sítí. Jde o vysoké frekvence a ještě chvíli potrvá, než uvidíme první výsledky. 802.11j představuje nejnovější záměr IEEE pro řešení koexistence 802.11a a HIPERLAN/2 na stejných vlnách. HIPERLAN/2 je evropská norma, viz dále.
Bluetooth: Technologie dovolující propojení zařízení na krátke vzdálenosti, typicky jednotky až desítky metrů.Tento standart vytvořila skupina firem Bluetooth SIG, založená firmou Ericson. Využitím ji lze přirovnat k IrDA, též se používá zejména k dvoubodovým spojům, je však vybavena mechanismy pro vytváření malých sítí typu Master-Slave, tzv. piconet, rozšíření je možné přes mosty – další stanice (tzv. scatternet). Aktivně můze v této síti pracovat 7 podřízených stanic, pasivně až 255. Komunikační kanál může být symetrický (z hlediska propustnosti, 1/2 pro uplink, 1/2 pro downlink) anebo nesymetrický, 1:16 ve prospěch downloadu. ISM pásmo 2,4 .. 2,4835 je rozděleno na 79 kanálů šířky 220 kHz, modulace FHSS, při více účastnících se používá časový duplex TDD. Definovány 3 třídy výkonu: [1; 2.5; 100] mW. Protichybová opatření: FEC, Hammingův kód, CRC8, potvrzování ACK-NAK. Typická rychlost přenosu je 1 Mbps, při dvoubodovém spoji a symetrickém kanálu lze dosáhnout 433.2 Kbps (pro uplink a to samé pro downlink), v asymetrickém režimu 732.2/57.6 Kbps down/uplink. Při více účastnících se o rychlost pochopitelně dělí. Komunikace možná v synchronním režimu (do tří účastníků), i asynchonním. Rychlost: až 732 Kbps jednosměrně Modulace: FHSS, pokud více účastníků, používa TDD Pásmo: 2.400 až 2.4835 GHz
HIPERLAN: Evropský institut ETSI vyvíjel od roku 1990 alternativu k americkému standartu IEEE 802.11. Od začátku stanovila provoz v pásmu 5 Ghz, úsek 5.15-5.35 GHz je určen pro mobilní komunikace s EIRP=200mW, 5.400-5.725 Ghz pro pevné spoje s EIRP 1W (povoleno v ČR).. Vývoj však trval dlouho, takže po uvedení HIPERLAN/1 v roce 1995 do praxe se již výrazně prosazovala technologie IEEE802.11. Navíc již tato verze nesplňovala požadavky bouřlivě se rozvíjející digitalizace na přenos dat, takže vznikly další verze tohoto standartu, HiperLAN/2, HiperLAN/3, HiperLAN/4. Nicméně i přes docela sofistikované mechanismy přidělování kanálu i přenosu stojí tato technologie na pokraji trhu a prosazuje se pouze tam, kde se výrazněji projeví její vlastnosti.
HiperLAN/1: Navržena pro použití jak v ad-hoc, tak i v sítích s infrastrukturou. Předpokládán klasický přenos dat, nepodporuje QoS. Pětiúrovňové stanovení priority. Rychlost: 1Mbps až 23,5 Mbps Modulace: GMSK, (ochrana BCH)
HiperLAN/2: Navržena pro sítě s infrastrukturou (pomocí AP). Podobné vlastnosti jako 802,11a, komunikace využívá TDD. Řízené využívání kapacity kanálu (deterministické přidělování), lze implementovat podporu QoS. Možnost autokonfigurace. Rychlost: 6 Mbps až 54 Mbps Modulace: OFDM, v 20 Mhz pásmech
HiperLAN/3 (HiperAccess): Určena pro větší vzdálenosti, pracuje v mikrovlnném pásmu. Verze venkovní pevné bezdrátové sítě – obdoba FWA, s delším dosahem, pracující v pásmu 40,5 - 43,5 GHz, s typickými rychlostmi do 25 Mbit/s, Slouží pro přístup domácích uživatelů nebo malých podniků k IP, ATM nebo UMTS. Dosah cca 800m.
HiperLAN/4 (HiperLink): Vysokorychlostní dvoubodové statické připojení, pracuje opět v mikrovlnném pásmu 17 Ghz. Rychlost až 155 Mbps. Do vzdálenosti cca 150 m.
Použité zkratky: bps CCK DSSS ETSI FHSS FWA HIPERLAN IEEE ISO MAC OFDM OSI QoS RF UMTS WECA WEP WLAN
- baud per second, jedmotka přenosové rychlosti, u binárního systému [bit/s] - Complementary Code Keying - Direct sequence Spread Spectrum - European Telecommunication Standarts institute - Frequency Hoping Spread Spectrum - Fixed Wireless Access - High Performance Radio LAN - Institute of Electrical and Electronics Engineers - international standart organization - media access layer, u bezdrátových sítí výlučně vzduch - orthogonal frequency multiplex - open systém interconnection, model propojení definovaný dle ISO - Quality of Service - radio frequency (rádiový, vysokofrekvenční) - Universal Mobile Telecommunication System - Wireless Ethernet Compatibility Aliance - Wireless Encryption Privacy - wireless local area network (bezdrátové lokální sítě)
Literatura: [J. Janeček, M. Bílý] : Lokální sítě [A. Santamaria, F.J.Hernandez] : Wireless LAN, standarts and applications [IEEE]: Specifications of standart IEEE 802.11 http://www.lupa.cz/clanek.php3?show=2312
Další info lze získat: http://www.elektrorevue.cz/clanky/02009/ http://home.zcu.cz/~zenis01/skola/pd/prezentace/bezpecnost/
