Jste zde

Co je to WiFi - úvod do technologie

Redakce HW serveru, 21. Červen 2003 - 11:46

WiFi (Wireless Fidelity) je bezdrátová, síť určená primárně k náhradě kabelového ethernetu v

bezlicenčním pásmu, které je dostupné prakticky v celém civilizovaném světě. Článek uvozuje sérii asi 5. článků,

které se budou zabývat bezdrátovými sítěmi a jejich aplikacemi.

Samotný název WiFi vytvořilo WECA – (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) a v principu jde o bezdrátovou technologii v bezlicenčním nekoordinovaném pásmu 2,4 GHz (ISM - Industry, Science, Medical), založenou na protokolu 802.11b. WiFi je pouze komerční název, který je fakticky pouze podmnožinou 802.11b, nicméně v textu používám občas tyto dva pojmy jako synonymum.

Hlavní výhodou této technologie je její nízká cena, způsobená mimo jiné tím, že certifikovaná zařízení jsou k dispozici ve velkých sériích. Protože požadavky na certifikaci zařízení jsou běžně dostupné a norma 802.11b dokonce volně k dispozici na webu, existují řádově desítky (možná již stovky) různých výrobců, počínaje NoName přidružená výroba věznice v Šen Čou a konče velkými korporacemi typu CISCO Systems, 3Com nebo Microsoft.
Cena a možnosti jednotlivých krabic na trhu se přirozeně velmi liší, nicméně jejich interoperabilita je zabezpečena právě logem WiFi.

Většina sítí založených na WiFi funguje na buňkovém principu, kdy centrální přístupový bod zprostředkovává připojení všem stanicím v dosahu a body dohromady tvoří jakousi plástev - analogicky s GSM sítí. Propojení těchto přístupových bodů je řešeno různě - nejlevněji vychází spojit je stejnou technologií (po lokální kabelové ethernet síti, nebo dokonce přenášet i sdílená data vzduchem), druhý extrém představuje vyhrazené optické vlákno.

Nekritičtí obhájci dokonce považují WiFi za funkční mobilní sítě čtvrté generace, které poskytují služby dříve než sítě generace třetí (založené například na UMTS). Pravdou je, že WiFi sítě sice disponují kapacitou, které budou sítě 3G jen obtížně dosahovat (11 Mb/s na médiu), nicméně UMTS sítě jsou budovány na výrazně robustnějších základech.
Hlavním argumentem je to, že WLAN v žádném případě není MOBILNÍ síť, mobilitu poskytuje
technologie jen v dosahu jedné sítě - samozřejmě je možné a pracuje se na tom, aby mezi hot-spoty existovala možnost plynulého přechodu, ale to zase ve většině případů vyžaduje, aby veřejné WLAN byly nějak propojeny (typicky GSM/GPRS nebo UMTS)..

WiFi samozřejmě není vrcholem dokonalosti (jako ostatně žádná lidmi produkovaná technologie) a hlavní výhrady směřují k zabezpečení proti zneužití. Přestože nová zařízení disponují podporou 128 bitového šifrování protokolem WEP (Wireless Encryption Protocol), obecné principy zabezpečení WiFi nejsou dostatečné pro všechny aplikace.

Další a možná největší výhrada je směřována k faktu, že pásmo 2,4 GHz je na exponovaných místech (například okolí prakticky veškerých výškových budov v centru Prahy) vyčerpáno a rušení je natolik silné, že je možné budovat pouze vnitřní pokrytí. Zarušení pásma je přitom dynamické a závisí na chování všech subjektů, které ho využívají. Spoj, který ještě včera perfektně fungoval, si dnes nemusí ani škrtnout, protože některý z provozovatelů otočil anténu.

Platí-li o kabelových počítačových sítích, že na rozdíl od položené RS-485 je ethernet živý organismus, který se vyvíjí, ať už jenom instalací nové verze firmware na routeru, je toto rčení u WiFi naprosto fatální, protože teoreticky může síť přestat jednoho dne fungovat a vám se nepodaří zjistit proč. Prakticky je to však poněkud složitější a technologie rozprostřeného spektra dokáže vskutku dělat divy..

WiFi sítě dnes slouží především ke dvěma účelům. Jako korporátní sítě a jako veřejné přístupové sítě k Internetu.

Než se do toho pustíme, jen stručně několik pojmů

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Fyzická vrstva pracující na DSSS používá k “rozprostření” dat před přenosem 11bitovou Barkerovu sekvenci (u rychlostí 11 Mbit a 5,5 Mbit 8-bitovou). Každý přenášený bit je zpracován touto sekvencí, každému informačnímu bitu je přiřazena určitá bitová sekvence. Do přenášených dat se tím zavádí mnohonásobná redundance, která na přijímací straně zlepšuje proces rekonstrukce dat.

Celý proces rozprostírá vysokofrekvenční energii na širší frekvenční pásmo než by odpovídalo přímé modulaci uživatelským datovým tokem. Spektrální výkonová hustota (úroveň signálu vysílaná na určitém kmitočtu) je přitom velice nízká, protože celkový vysílací výkon je rozložen do širokého kmitočtového pásma. Procesní zisk tohoto systému je definován jako desítkový logaritmus poměru rozprostření (chip rate) a dat. Přijímač obnovuje data zpětným pochodem. Hlavní výhodou technologie rozprostřeného spektra je především eliminace interferencí (rušení) úzkopásmových zdrojů při klasickém přenosu.

Vzhledem k typické šířce DSSS kanálu mohou v přiděleném bezlicenčním pásmu 2400 - 2483 MHz pracovat vedle sebe nezávisle 3 kanály DSSS. Jejich středové kmitočty musí být voleny tak, aby se vzájemně nedotýkaly ani okraji zabraných pásem. Uvažujeme-li označení kmitočtů dle ETSI (1. kanál 2412 MHz, 2. kanál 2417 MHz, dále s odstupem 5 MHz), vidíme, že 2 zařízení DSSS nelze provozovat na sousedních kmitočtových kanálech ETSI, ale je nutné zachovat rozestup min. 5 kanálů (5 x 5 MHz = 25 MHz).

 

 

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Fyzická vrstva, založená na FHSS, má k dispozici 22 modelů (skokové sekvence). Na této fyzické vrstvě je definováno 79 kanálů v okolí frekvence 2,4 GHz. Každý z těchto kanálů zabírá šířku pásma 1 MHz a “přeskakuje” minimálně 2,5krát za vteřinu (ve Spojených státech), typicky 20krát.

Oba popisované systémy mají definovaný vlastní inicializační sekvenci bitů (hlavičku – header), aby přijímač byl schopen rozpoznat použitý modulační formát a očekávanou délku datového řetězce. Tyto hlavičky jsou vždy přenášeny na rychlosti 1,6 Mb/s a obsahují pole, na základě kterého následná rychlost přenosu dat může být zvýšena na 3,2 Mb/s. Tuto technologii typicky používá Izraelský Breezcom (zařízení breeznet).

Shrnutí a porovnání FHSS a DSSS

  • DSSS je dokáže přenést větší šířku pásma než FHSS.
  • DSSS ale vysílá na jednom frekvenčním kanále, přičemž data vysílá víckrát, čímž je zajištěna robustnost přenosu dat a znemožněno snadné zarušení úzkopásmovým vysílačem.
  • DSSS rozděluje pásmo 2,4 GHz prakticky na 3 nezávislé kanály - 1,6 a 11 (kmitočty 2412, 2437 a 2462 MHz). Ostatní kanály se navzájem překrývají.
  • FHSS umožňuje provozovat omezeném prostoru více zařízení pracujících na různých technologiích ve stejném frekvenčním pásmu.
  • Přenos dat na FHSS je pomalejší, robustnost přenosu dat je dána nepoužíváním kanálů, které již používá jiná technologie.

 

Vrstva přístupu k médiu

Specifikace této vrstvy ve standardu 802.11 má určité společné prvky se standardem 802.3 pro klasický (rozuměj ne bezdrátový) Ethernet. Elektrikářsky řečeno, tato vrstva ověřuje před zahájením přenosu dat, zda na komunikačním médiu už nevysílá někdo jiný..

Standard 802.11 používá protokol CSMA/CA (Carrier-sense, multiple-access, collision avoidance). Tento protokol používá techniku předcházení kolizi (collision avoidance) oproti technice detekce kolize, kterou používá standard 802.3, a to z důvodu obtížnosti detekce kolizí v sítích používajících bezdrátové medium při vysokofrekvenčním přenosu.


CSMA/CA

Omezením bezdrátových LAN je problém tzv. “skrytého uzlu”, který může omezit komunikaci na síti až o 40 a více procent. Jedná se o uzel, který není schopen detekovat používání přenosového média a může se tak pokoušet k němu přistupovat právě v okamžicích, kdy je již síť používána. Tento problém řeší následující postup.

Protokol CSMA/CA zajišťuje minimum kolizí použitím čtyř rámců:

  • RTS (Ready to send),
  • CTS (Clear to send),
  • ACK (Acknowledge)
  • NAV (Network allocation vector)

Komunikace pak probíhá následujícím způsobem: jeden z uzlů bezdrátové sítě vyšle požadavek na komunikaci zasláním rámce RTS s udáním adresy příjemce a délkou zprávy. Na základě RTS se v každém uzlu vypočítá NAV, ostatní uzly jsou tak upozorněny, že síť je na nejbližší dobu již používána.

Adresát zprávy na RTS odpovídá zasláním CTS, čímž dává na vědomí, že je schopen přijímat. Neobdrží-li vysílací uzel CTS, je to považováno za kolizi a celý proces začíná znovu. Po úspěšném přijetí dat zasílá přijímací stanice potvrzení o přijetí (ACK).

Jan Řehák
Rehak@ HW.cz

Použitá literatura, DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: