Wifi (2002) (0)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
Infotehnika teaduskond
Informaatikainstituut
Tarkvaratehnika õppetool
Anneli Kaldamäe
Wireless LAN
Referaat
Juhendaja: K. Allik
Tallinn 2002

Sisukord

Sisukord 2
Sissejuhatus 3
Wireless LAN’i tööpõhimõte 3
WLAN ’i rakendamise võimalused 4
WLAN topoloogiad 4
Laiendatud spekter 5
Rändlus 6
Aku jõudlus 6
Põrgete vähendamine 6
Turvalisus 7
Võrgulahendused 7
Kokkuvõte 9
Kasutatud kirjandus 9

Sissejuhatus

Vanasti olid telefonid juhtmega seina küljes kinni, praegu võib rääkida aga kasvõi aias õunapuu otsas istudes . Samamoodi on Internetiga: praegu levib ta enamjaolt läbi juhtmete, kuid päris lihtsate vahenditega saab oma majja või kontorisse tekitada õhus leviva interneti.
Juhtmeta võrk ehk wireless LAN ehk WLAN sobib nii laua-, süle- kui pihuarvutitele. Võrku lülitumiseks peab arvutil olema spetsiaalne võrgukaart (2000-3000 krooni), mõnedel uuematel sülearvutitel on see juba sisse ehitatud. Võrgu leviala tagab baasjaam ehk access point (umbes 10 000 krooni), mis ühendatakse Interneti-kaabli külge ning mis pakub siis mõnesaja meetri raadiuses võrgulevi. Üks baasjaam tuleb toime paarikümne kasutajaga.
Wireless võrgu saab iga hetk kaasa võtta ja viia uutesse ruumidesse, kui firma peaks millalgi jälle kolima . See investeering ei lähe kolimisel kaduma. Juhtmeta võrk sobib väga hästi ka koju, sest ühe-kahe baasjaamaga maja või korterit kattes pääseb siis internetti sealt kust parajasti vaja. Veebis võib surfata diivanil, köögilaua taga, vannis või õues päikesevarju all istudes.
Selles referaadis püüan ma näidata, mida kujutab endast Wireless LAN ja kuidas see töötab.

Wireless LAN’i tööpõhimõte

WLAN’i põhimõte on see, et arvutid liidetakse võrku raadioside abil. Kasutatakse raadiosagedust 2,4 GHz, andmeedastuskiirusega 2 Mbps. Andmeedastuseks kasutatakse laiaribalisi mürataolisi signaale (Spread Spectrum). Kasutusel on samuti keerukad kanalikoodid, millega moduleeritakse müra. Selline meetod võimaldab töötada üheaegselt ühes ja samas sagedusdiapasoonis üksteist mõjutamata paljudel analoogilistel seadmetel. Arvutitesse lisatavad raadiokaardid on kas ISA, MCA või PCMCIA siinidele. Neil on paigutatud üks ja seesama firma “ Motorola ” saatja -vastuvõtja 2,4 GHz diapasoonis. Kasutatav modulatsioonitehnoloogia on Spread Spectrum laiaribaline mürataoline signaal ja raadiokaardi WaveLAN või juurdepääsupunkti WavePoint II konfigureerimisel viiakse nende mällu kood, mida kasutab signaali moduleerimise algoritm. Raadioeetris näevad seda seadet vaid need seadmed , mis kasutavad sama koodi. Võrgud, mis töötavad erinevaid koode kasutades, võivad töötada samas tsoonis ühes ja samas sagedusdiapasoonis, segamata seejuures üksteist. Kasutatav sagedusdiapasoon (2,4 GHz) on küllalt häirekindel industriaalsetele ja atmosfääri häiretele. Raadiokaarti kiiratav võimsus diapasoonis 2,4 … 2,4835 GHz on 100 mW. Lisavõimsusvõimendi võimaldab võimsust suurendada 4 - 5 W-ni. Side kaugus lisavõimendusega küündib isegi 50 - 70 km. Lisavõimendita suudavad suundantennidega raadiokaardid tagada side kuni 12 km kaugusele, ringsuunadiagrammiga antenni korral kuni 6 km. Toaantennid tagavad sidekauguse 250 m ja on mõeldud majasisesteks rakendusteks. Oluline on siin otseraadionähtavuse tingimus.
Tabel 1. IEEE 802.11 standardid
IEEE 802.11 DSSS.FHSS
IEEE 802.11a OFDM
kasutusala
Wireless Ethernet (LAN)
Wireless ATM
sagedusala
2,4 GHz
5 GHz
kiirus
1-2Mb/s
20-25Mb/s
Tabel 2. Edastuskiirused standardi IEEE 802.11b järgi
edastuskiirus
Koodsõna pikkus
modulatsioon
sümb.edastuskiirus
Bitti/sümbol
1Mb/s
11 (Barkeri kood)
BPSK
1MS/s
1
2Mb/s
11 (Barkeri kood)
QPSK
1MS/s
2
5.5Mb/s
8(CCK)
QPSK
1.375MS/s
4
11Mb/s
8(CCK)
QPSK
1.375MS/s
8

WLAN’i rakendamise võimalused

WLAN rakendamiseks on seni valminud tehnoloogiatega mitu võimalust. Esimene põhineb RF modemitel, kuid see on suhteliselt kallis ühtsete standardite puudumise tõttu ja nõuab iga terminali ühendamise puhul RF modemi kasutamist.
Teine võimalus on tunduvalt odavam kui RF modemite kasutamine, sest arvutile pole mingeid lisaseadmeid vaja, kuna praegu toodetavatel arvutitel on infrapunane IrDA liides standardvarustuses. Seda tehnoloogiat on hea kasutada suuremates ruumides nagu näiteks lennujaamad, fuajeed, kontorid jne, kus ühte nurka pannakse EthIR saatja ja kõik selles ruumis olevad arvutid, milledel on IrDA liides on automaatselt võrku ühendatud. Alates 1999. aastal IrDA kiiruse laiendi VFIR ilmumisest võimaldatakse igale kasutajale 16 Mbit/s (allikas: www.irda.org) andmeedastuskiirust.
Üheks WLAN’i rakendamise tehnoloogiaks on ka UMTS ( universal mobile telecom system), mille andmeedastuskiirus küünib 2 Mbit/s, kuid see on alles väljatöötamisel (allikas: http://www.umts-forum.org/ ). UMTS on ühtlasi ka esimene GSM uuendus, mis toetab WLAN’i.
Eraisikul on võimalus kasutada traadita võrku juurdepääsuks RF modemi ühendust, mis on kahjuks suhteliselt kallis ühekordne väljaminek (ca 5000 EEK), kuid andmeedastuskiirus on sel juhul kuni 11 Mbps. Paberi peal on juba valmis ka 45 Mbps standard. RF modemite puudusteks on veel selle suhteliselt piiratud leviala, mis tihedalt asustatud aladel on 1-2 km, ja eraisiku jaoks suur tasu ISP pakkujale. Eelisteks on püsiühenduse olemasolu ja suur sidekiirus. Selline ühendusviis peaks sobima kontorite omavahelisteks ühendamiseks, kus mitu tavalist kohtvõrku erinevatest asukohtadest ühendatakse ühtseks kohtvõrguks kasutades raadiomodemeid.

WLAN topoloogiad

WLAN saab rajada kolme põhilise topoloogia baasil: sõltumatud põhiteenused (IBSS), põhiteenused (BSS) ja laiendatud teenused (ESS). Tüüpiline põhiteenuste (IBSS) WLAN võrk on selline, kus paljud jaamad suhtlevad omavahel otseselt. Samas ei ole nad ühenduses mingi suurema võrguga. Selle analoogina võib käsitleda kontori arvutivõrku, kus arvutite omavaheline suhtlemine toimub ilma serveri vahenduseta. Sellise ühenduse rakendamiseks LAN või WLAN võrgus on näiteks Windows süsteemil oma tarkvara .
Joonis 1. IBSS WLAN võrk
Tavalised 2,4 GHz juures töötavad seadmed, mis kasutavad radiaalantenni on nominaalse leviraadiusega 400 m. Selleks, et võimaldada suurema leviraadiusega WLAN produkte kasutatakse BSS konfiguratsiooni. BSS konfiguratsiooni korral käib jaamade vaheline suhtlemine läbi nn AP (Access Point) ehk juurdepääsu serveri kaudu, mis täidab loogilise serveri ülesandeid ühe kärje või kanali piires. AP serveri lisamisega kaasneb mitu head omadust nagu näiteks rändlemine (roaming). Lisaks saab AP abil minna WLAN võrgust LAN võrku ja vastupidi ning ühendada omavahel mitmeid kärgi või kanaleid . BSS kärgi saab tuumvõrguga ühendada ESS konfiguratsiooniga. ESS WLAN võimaldab laiendada võrgu ulatust kasutades mitme kärje ulatuses sama kanalit. Läbilaske suurendamiseks saab sama kärje või mitme kärje ulatuses kasutada ka mitut kanalit paralleelselt.
Joonis 2. ESS konfiguratsioon

Laiendatud spekter

OSI mudeli füüsiline kiht toetab nii DSSS’i (otsejada laiendatud spekter) kui ka FHSS’i (sageduse vaheldamise laiendatud spekter). Nende meetodite eesmärgiks on signaali spekter teha piisavalt laiaks, et signaali oleks võimalik müra taustalt ära tunda. Samale asjale lähenemine on nende puhul aga täiesti erinev ja seepärast ei ole nad omavahel ühildatavad. DSSS puhul laiendatakse riba kunstlikult kodeerides signaali laiendava koodiga kasutades selleks DBPSK ( differential binary phase shift keying) või DQPSK (differential quadrature phase shift keying) koode. Signaal tuvastatakse veatult isegi siis, kui kanalis on pidev müra. FHSS kasutab kitsaribalist edastust ja GFSK (gaussian phase shift keying) 2. või 4. taseme koodiga moduleerimist. FHSS muudab oma saatja kesksagedust mingi kindlaksmääratud jada alusel kindlate vaheaegade tagant. Selline tehnika võimaldab vältida kitsaribalist müra. Nii DSSS kui ka FHSS WLAN seadmed töötavad samadel sagedustel.

Rändlus

Kui mingis piirkonnas eksisteerib mitu AP serverit, mis on omavahel ühendatud kas juhtmega või õhu kaudu, siis oleks loogiline ka, et selles piirkonnas olevad jaamad saaksid valida, millise AP külge ennast ühendada. Kõik AP serverid saadavad iga 100 ms tagant nn majakasignaali, mis sisaldab endas infot: sünkronisatsiooni, liikluse , võimalike andmekiiruste jms kohta. Kui jaam peaks vastu võtma otsuse, et see signaal on nõrk, siis lülitub ta ümber teise AP külge. Uue AP leidmiseks viib jaam läbi skaneerimise saates sama või mingi teise kanali kaudu järelepärimise olemasolevatele jaamadele ja langetab seejärel otsuse kõige tugevama majakasignaaliga AP kasuks. Pärast uue serveri leidmist saadab jaam talle päringu ühenduse loomiseks, millele AP server peab vastama.

Aku jõudlus

Kuna paljud WLAN teenust kasutavad seadmed on akudel töötavad, siis pakub 802.11 standard välja MAC ( medium access control ) lahenduse, mis tagab aku pikema kestvuse. Juhul kui jaam peaks olema magavas olekus, siis peab olema tagatud tema perioodiline äratamine, et AP serverist temale määratud info ära võtta. AP on võimalik kinnitada aeg, mille möödudes serveris olevat infot jooksvalt kustutada . See variant töötab hästi BSS ja ESS puhul, kus on olemas AP server, millesse on võimalik infot koguda. IBSS lahenduses võivad kõik terminalid korraga olla magavas olekus. Kliendid vahetavad juhumeetodi järgi majakasignaali saatmise kohustust. Iga majakasignaali peale jaamad kontrollivad, kas infot tahetakse vahetada just temaga, eitava vastuse korral läheb masin taas magavasse olekusse.

Põrgete vähendamine

Põrgete vähendamiseks kasutab WLAN tehnoloogia RTS/CTS tehnikat . See aitab ka vältida nn varjatud terminali probleemi. Oletame, et meil on kolm jaama: J1, J2 ja J3, millest vaid J2 on seotud ülejäänud kahega, siis kui J1 tahab saata andmeid J2-le võib samal ajal saatma hakata ka jaam J3. Tekib põrge.
Joonis 3. RTS/CTS kasutamine
RTS/CTS aitab seda vältida. Kui nüüd J1 tahab J2-le midagi saata, siis kõigepealt saadab ta RTS signaali ja kuna J3 on samuti J2 kattealas, siis peale seda kui J2 on saatnud välja CTS signaali ei luba ta teistel jaamadel midagi endale saata. Meedia on mingiks kindlaks ajaks reserveeritud jaamale J1. WLAN kasutab veel teist meetodit põrgete vähendamiseks. PCF (Point Co-ordination Function ) töötab sarnaselt Token Ring reeglistikuga. AP annab igale jaamale mingi järjekorra alusel loa saatmiseks, mida jaam võib siis kasutada või teatada, et tema ei soovi praegu saata.

Turvalisus

WLAN kasutab kahte turvamise meetodit: autentimine ja salastamine. Nii FHSS kui ka DSSS nõuavad igalt jaamalt juurdepääsu teatud informatsioonile, et ühendust sünkroniseerida: FHSS korral sageduse vaheldamise mustri saamiseks ja koodi saamiseks DSSS puhul. Salastamiseks kasutab WLAN WEP ( Wired Equivalent Privacy ) meetodit. Selle, et kurjad inimesed kuskilt lähedusest teie võrku ei lülituks või liiklust pealt ei kuulaks, tagab õhu kaudu liiklevate andmete 128- bitine ehk sama turvaline krüpteering kui Interneti-pangas. Peale krüpteeringu on WLAN-i turvalisuse tagamiseks kasutusel mitmed paroolisüsteemid ning isegi võrgukaartide identifitseerimine, nii et võrku saavad lülituda vaid kindla ID-koodiga arvutid.

Võrgulahendused

Nagu juba mitmel korral mainitud on WLAN tooted saadaval nii punktist punkti kui ka punktist mitmesse punkti reeglistiku jaoks. Kui teenusepakkuja seisukohalt vaadata siis temal on ükskõik millise variandi klient valib. Teenusepakkuja saab oma raha igal juhul kätte kliendilt . Kliendi jaoks on aga hinnavahe küllalt suur ja tihtipeale ei otsustata oma vajadustest lähtuvalt vaid vaadatakse kõigepealt üle oma finantsvõimalused. Lisaks kahele reeglistikule on võrgu väljaehitamiseks füüsilisel kujul veel omakorda mitmeid võimalusi. Kõigepealt peaks teenusepakkuja endale selgeks tegema, kas minna turule lauspealetungiga või lähtuda iga kliendi soovist ja vastavalt sellele järk järgult oma võrk välja arendada. Lauspealetungiga on kasulik tulla neil, kes soovivad oma turuosa järsult suurendada sh uued tulijad. Headeks näideteks on siin Eesti telekommunikatsiooniturul Eesti Telefon oma Atlas andmeside teenusega ja Radiolinja Eesti mobiiliturul. Mõlemal oli tugev rahaline tugi olemas, et võtta suur osa turust enda kätte. Järk järguline WLAN võrgu ülesehitamine jääb juba tuntud turul tegijatele, kellel ei ole vaja võrgu tuumikut enam luua.
WLAN võrku ei ole otstarbekas kasutada selliselt , et iga arvuti ühendatakse raadiolainete kaudu juurdepääsu serveriga AP. Sellisel juhul peaks igale terminalile juurde ostma raadiomodemi kaardi ja see läheb väga kulukaks. Enamasti lahendatakse asi niimoodi , et need terminalid, mis asuvad piisavalt lähestikku ühendatakse omavahel kokku ja võrgu erinevad osad liidetakse omavahel WLAN tehnoloogia abil. See vähendab küll jaamade mobiilsust , mis PC puhul ei olegi eriti nõutav, kuid samas väheneb ka kulutus võrgu ehitusele.
Kogu WLAN võrgu aluseks on raadiolink kahe võrgu või terminali vahel. Seepärast võiks esimesena vaadelda kõige lihtsamat struktuuri ehituselt-ehitusele, mis on praeguste rendiliinide ekvivalendiks. Klient võib endale tellida lingi kas oma siseste võrkude ühendamiseks või enda võrgu ühendamiseks Internetiga.
Esimesel juhul peab ta ostma seadmed mõlemasse võrgu otsa samas kui teisel juhul on Interneti poolne ots juba seadmetega varustatud ISP poolt. Lingi ehitamisel on mõlemasse otsa vaja järgmisi seadmeid:

• Antenn – tavaliselt jagiantenn võimendusega ca 14 dBd
  
• Sild – ühendamaks traadita ja traadiga keskkondi
  
• PC kaart – ühendamaks silda ja antenni
  

Lisaks neile seadmetele on veel mitmed väiksemad kuid mitte vähemtähtsad asjad nagu: ühendusjuhtmed, tarkvara ja äikese kaitse. Kuna tegu on punktist punkti ühendusega, siis on antennide suunadiagrammid väikese nurgaga ja annavad seega suure võimendusteguri, mis omakorda võimaldab suurendada lingi ulatust. Lingi ulatus sõltub lisaks antenni võimendusele veel signaalist e tema ülekandekiirusest ja sellest kui pikad on antenni ja silla vahelised kaablid . Sõltuvalt neist parameetritest võib lingi pikkus olla vahemikus 1,5…12 km.
Nimetatud seadmete kasutamisel saab loodud linki kasutada vaid andmete ülekandeks. Riistvara tootjad pakuvad ka mitmeid seadmeid, millega saab luua lingi nii andmete kui ka heli ülekandeks kasutades selleks raadiomodemeid.
Teiseks levinud võrgulahendiks on ühelt hoonelt mitmele arhitektuur . See on sobiv just teenusepakkujatele mingi piirkonna ühtlaseks katmiseks Interneti teenuse pakkumise eesmärgil. Antud juhul ei ole võimalik kasutada väga kitsa ribalisi antenne, sest siis läheks neid väga palju ja pealegi võib tekkida oht, et mõnda kohta nad üldse ei valgusta. Võib kasutada kas 180º, 120º, 90º või mingi muu nurgaga suundantenne. Kliendi pool võib kasutada ka suundantenne, kuid eelkõige sõltub antenni valik sellest kui kaugel klient asub kesksaatjast e kui tugev on vastuvõetav signaal. Vastuvõtja poolel on üldjuhul samad seadmed, mis punktist punkti lahenduse puhul. Kesksaatjal on aga vajalik spetsiaalne seade CU (central unit ), mis suudab juhtida mitmekümnest sillast tulevaid signaale ja millel on Etherneti liides seadme Internetti ühendamiseks.
Need kaks võrgulahendust on peamised, mille abil on võimalik luua kohtvõrk, mis koosneb mitmete kilomeetrite kaugusel olevatest osadest. Neil lahendustel on mitmeid erinevaid realisatsioone vastavalt klientide paigutusele. Näiteks kui on vaja pakkuda Interneti ühendust mingile kontorite jaoks mõeldud majale , kus igal korrusel on erinev firma oma kohtvõrguga, siis võib terve maja võrku lülitamiseks panna vastasmaja külge antenn, mis on ühendatud ühe CUga. Igal firmal tuleb sel juhul hankida endale raadio moodul , mis juba ühendatakse kohtvõrgu HUBiga. Sellisel juhul vähenevad iga firma kulutused seadmete ostmiseks, sest neil piisab seadmesse integreeritud antennist, et saada signaali vajaliku võimsusega. Raadio moodul on tavaliselt varustatud väikese radiaalantenniga nii, et lisakulutusi kaabli ja antenni soetamiseks pole vaja teha.
Tavalise traadita kohtvõrgu rajamine ühe maja ulatuses toimub juba nimetatud AP serverite abil. Laiema võrgu saamiseks võib neid asetada mitu. Samas on tootmises ka WLAN võrgu laiendajad. Need on radiaalantennid, mis ühendatakse PC kaardiga ja sõltuvalt kontori struktuurist suurendab leviala 15% kuni 50%.

Kokkuvõte

Juhtmeta võrgu üheks miinuseks on see, et ta on umbes 10 korda aeglasem kui tavaline võrk ehk maksimumkiirus on umbes 11 Mbps tavalise võrgu 100 Mbps vastu, kusjuures juhtmeta võrgu tegelik läbilaskevõime on umbes 8 Mbps. Teiste juhtmeta võrgu puudustena toovad asjatundjad välja tema hinna ning töökindluse. Kaablite vedamine on küll kallis, kuid juhtmeta võrgu seadmete ostmine veelgi kallim. Pealegi võib raadioside tunduvalt tõenäolisemalt kõikvõimalike häirete tõttu alt vedada kui traatside. Siiski, võrgus surfamisest sellest kiirusest aga piisab. Kui juhtmeta võrgu küljes on tavaline töökoht, kus inimene kasutab Internetti, mille kiirus on praegu üldiselt kuni 1 Mbps, siis jääb võrgul kiirust ülegi. 

Kasutatud kirjandus

http://www.wirelessethernet.org/downloads/weca80211boverview.pdf
http://alpha.fdu.edu/~anandt/power.html
http://www.watmag.com/technologies/WirelessInternet/Internet-003/Internet-003.html
http://www.watmag.com/technologies/WirelessInternet/Internet-003/Internet-003.html
http://www.epl.ee/uudised/artikkel.asp/G=68/ID=114156
http://www.irda.org/about/index.asp
http://www.umts-forum.org
http://www.csdmag.com/main/feat9709.ht m
http://alpha.fdu.edu/~anandt/topologies.html
http://alpha.fdu.edu/~anandt/physical_layer.html
http://alpha.fdu.edu/~anandt/security.html
http://www.d2d.com/white80211.html
http://www.wireless.ee
9