Bezprzewodowe sieci danych
Określenie, które pojawiło się w tytule tego podrozdziału, jest mylące. Bezprzewodowe sieci danych nie są całkowicie bezprzewodowe, ale wykorzystują fale radiowe lub promieniowanie podczerwone do łączenia węzła albo grupy węzłów do głównego systemu sieciowego. Trudno jest klasyfikować bezprzewodowe systemy sieciowe, ponieważ mogą one wykorzystywać wiele różnych architektur. Niektóre produkty współpracują tylko z sieciami Ethernet lub Token-Ring, podczas gdy inne zastępują okablowanie w niektórych segmentach sieci. Przymiotnik bezprzewodowy jest aktualnie najmodniejszym terminem w sieciach komputerowych, ale nikt nie może go przejąć wyłącznie na swój użytek i dla różnych ludzi będzie on miał różne znaczenie. Istnieje przynajmniej pięć głównych obszarów bezprzewodowej łączności sieciowej:
sale konferencyjne,
budynki/kampusy,
miasta/regiony,
kontynenty,
cały świat.
Każdy obszar sieci bezprzewodowych dotyczy różnych grup potencjalnych użytkowników, a żeby nie było zbyt łatwo, poszczególne kategorie nakładają się na siebie. Zanim jednak wejdziemy głębiej w temat, należy jasno powiedzieć: sieci bezprzewodowe każdej kategorii są zawsze rozszerzeniem sieci przewodowych,
a nie ich zamiennikiem. Całkowicie bezprzewodowe sieci to w zasadzie jedynie doraźne połączenia pomiędzy kilkoma laptopami.
Prawa fizyki stosują się do połączeń bezprzewodowych tak samo, jak do przewodowych, jednak wynikające z nich ograniczenia są w przypadku środowisk bezprzewodowych większe. Fale radiowe przemierzając przestrzeń, napotykają na znacznie bardziej nieprzyjazne warunki niż elektrony płynące przewodem miedzianym. Połączenia bezprzewodowe mogą mieć daleki zasięg albo mogą być szybkie czy tanie. Nie mogą jednak spełniać tych trzech warunków jednocześnie. Zasięg
i prędkość transmisji są zawsze odwrotnie proporcjonalne i zwiększenie jednego
z tych parametrów przy jednoczesnym utrzymaniu drugiego na stałym poziomie zawsze wiąże się ze wzrostem kosztów. Te zależności powodują, że trudno zbudować system bezprzewodowy, który byłby tańszy lub szybszy od systemu opartego na przewodach miedzianych.
Aby zatem system bezprzewodowy miał rację bytu, trzeba znaleźć dla niego zastosowania , w których miedź z różnych powodów jest gorszym nośnikiem. Dwa najbardziej obiecujące obszary takich zastosowań dla rozwiązań bezprzewodowych to lokalizacje, w których nie można zainstalować kabli miedzianych lub w których użytkownicy są zmuszeni lub po prostu chcą zapłacić za mobilność.
Bezprzewodowe sieci LAN
Bezprzewodowe połączenia w sieciach LAN to nic nowego. Producenci oferują urządzenia dla bezprzewodowych sieci LAN w postaci kart ISA i PC Card już od roku 1990. Idea polega na tym, że kilka komputerów używa kart sieciowych z połączeniami radiowymi zamiast kablowych. System operacyjny każdego komputera widzi kartę bezprzewodową, tak jak każdą inną kartę sieciową i używa sterowników dla protokołów typu TCP/IP lub IPX. Bezprzewodowe połączenia w sieciach LAN zdają się być odpowiedzią na zapotrzebowanie menedżerów działów informatyki. Bezprzewodowe karty sieciowe zainstalowane w pecetach i komputerach przenośnych eliminują potrzebę drogiego okablowania sieciowego i pozwalają pracownikom pozostawać on-line podczas wędrówek po budynku lub kampusie.
Od strony radiowej karty używają określonych pasm częstotliwości i technik transmisji. W IEEE wyodrębniono podkomisję 802.11 w ramach komisji standardów 802.x, która opracowała standard dla bezprzewodowych systemów radiowych dla sieci LAN, jednak producenci są zastanawiająco powolni w dostosowaniu się do wymagań tego standardu.
Na drodze rozwoju łączności bezprzewodowej było kilka ograniczeń. Technologia, regulacje prawne i brak zgodności pomiędzy dostawcami ograniczały rozwój produktów dla bezprzewodowych sieci LAN.
Jednak nowe techniki przetwarzania sygnałów i modyfikacje uregulowań prawnych otworzyły przed tą technologią nowe możliwości.
Na początku roku 2000 możliwości współpracy pomiędzy produktami dla bezprzewodowej sieci LAN, pochodzącymi od różnych producentów były znikome. Zwykle nabywcy kupują wszystkie produkty dla sieci bezprzewodowych od jednego dostawcy.
Niektórzy producenci twierdzą, że ich produkty są zgodne ze standardami IEEE 802.11, inni używają własnych rozwiązań.Jeśli produkty naprawdę współpracują
w oparciu o pierwszy zestaw standardów 802.11, to znaczy, że mogą przesyłać dane z prędkościami 1 lub 2 Mb/s. Wielu producentów opracowało i wciąż sprzedaje produkty działające z prędkością 10 i 11 Mb/s w oparciu o własne standardy.
Jednak jest nadzieja, że ten ponury obraz powinien się znacznie rozjaśnić w roku następnym. Pod koniec roku 1999 komisja standardów 802.11b otrzymała ostateczne zatwierdzenie standardu 802.11 HR, czyli High Rate (wysoka prędkość). Standard ten opisuje transmisję z prędkością 11 Mb/s poprzez łącza radiowe. Odwołuje się on do konfiguracji sieci LAN z punktem dostępowym (access point), czyli urządzeniem radiowym podłączonym do przewodowego Ethernetu w celu umożliwienia dostępu do sieci lokalnej. Druga konfiguracja opisana w standardzie to połączenie punkt-punkt (nazywane ad hoc - doraźny), łączące grupy komputerów bez punktu dostępowego. Z oczywistych względów tryb doraźny jest bardzo interesujący na przykład dla tymczasowych zespołów roboczych, w salach konferencyjnych, hotelach, a nawet w samolotach. Standard 802.11 HR znalazł poparcie wśród takich gigantów, jak Aironet, Lucent, Nokia i 3Com. Firmy te pracują nad serią testów nad współpracą swoich urządzeń zgodnych ze standardem 802.11 HR.
Sieci bezprzewodowe w skali mikro
Nowa technologia o roboczej nazwie Bluetooth stawia sobie za cel zapewnienie bezprzewodowej łączności pomiędzy wszystkimi urządzeniami w biurze, a może nawet pomiędzy sprzętem kuchennym. Bluetooth to zestaw standardów i produktów, a w tym sprzętu i oprogramowania, które umożliwiają urządzeniom rozpoznawać się
i automatycznie łączyć ze sobą przy użyciu sygnałów radiowych o niewielkim zasięgu. Urządzeniem Bluetooth może być telefon komórkowy. Jeśli tylko jego właściciel wraz z nim znajdzie się w pobliżu swojego peceta, ten za pomocą połączenia w paśmie 2,4 GHz zaktualizuje rejestr połączeń i harmonogram spotkań. Sprzęt gospodarstwa domowego wyposażony w technologię Bluetooth będzie w stanie wymieniać informacje o temperaturze, zawartości i nieprawidłowych warunkach pracy.
Prędkość transmisji dla tej technologii to tylko 720 kb/s, więc nadaje się ona jedynie do przekazywania komunikatów o statusie i poleceń zarządzających. W przeciwieństwie jednak do technologii wykorzystujących podczerwień, urządzenia w systemie Bluetooth nie muszą się nawzajem „widzieć”. W obszarze o promieniu do 10 metrów przy braku fizycznych przegród może wymieniać między sobą informacje aż do ośmiu urządzeń Bluetooth.
Połączenia w budynkach i między budynkami
Może się zdarzyć wiele sytuacji, w których trudno jest doprowadzić kabel do budynku lub do kompleksu budynków. Na przykład - kiedy trzeba podłączyć do lokalnej sieci samotnego peceta, który znajduje się w oddalonym magazynie lub inną sieć LAN osobnego budynku, a odległość między tymi lokalizacjami przekracza zasięg pojedynczego odcinka kabla sieciowego. Problem można rozwiązać używając pary routerów, co jednak znacznie podnosi koszt podłączenia pojedynczego węzła. W takim wypadu łącze bezprzewodowe wydaje się znacznie tańsze niż kabel miedziany, a ponadto jest łatwiejsze w instalacji.
Może się również zdarzyć, że położenie kabli uniemożliwia konstrukcja budynku lub brak stosownego pozwolenia od właściciela budynku. W takich przypadkach idealnym rozwiazaniem również okaże się połączenie bezprzewodowe.
Istnieją dwie klasyczne metody rozszerzenia sieci na inne budynki: zainstalowanie kabli lub ich wydzierżawienie. Instalacja kabli (co dzisiaj prawie zawsze odnosi się do kabli światłowodowych) wymaga nakładów inwestycyjnych, które wiążą się
z robocizną i materiałami, niewielkich kosztów związanych z utrzymaniem linii oraz potencjalnie dużych problemów z uzyskaniem pozwolenia na napowietrzną lub podziemną instalację kabli. Można próbować wielu strategii, na przykład dzierżawy miejsca na słupach linii wysokiego napięcia od przedsiębiorstw energetycznych lub kopania rowów na wydzierżawionej ziemi. Jednak koszty robocizny dla takich instalacji prawie zawsze przekraczają koszty materiałów. Kiedy kable są już położone, największe wydatki są już poniesione.
Gdy jednak nie chcemy borykać się z początkowymi problemami związanymi z instalowaniem własnych kabli, możemy próbować dzierżawić łącza pomiędzy budynkami od lokalnego operatora sieci telefonicznej.
Jeśli takie usługi są w ogóle w konkretnej sytuacji dostępne, brać pod uwagę opłatę instalacyjną i miesięczne opłaty za dzierżawę. Należy się liczyć z dłuższym czasem oczekiwania z uwagi na konieczność rozpoznania przez operatora „technicznych warunków przyłączenia” oraz ewentualnej rozbudowy sieci. Największą zaletą takiego rozwiązania jest to, że linie dzierżawione nie wymagają z naszej strony żadnego utrzymania. Kiedy jednak potrzebna będzie jakakolwiek zmiana, zwiększenie pasma lub podniesienie poziomu niezawodności, trzeba pogodzić się z dodatkowymi opłatami. Możne je odjąć od podstawy opodatkowania zamiast stosować odpisy amortyzacyjne, jak w przypadku własnych sieci, ale i tak po kilku latach koszty użytkowania własnych kabli okażą się niższe od kosztów dzierżawy.
Trzecia droga
Jest tylko jeden sposób, aby połączyć budynki bez kabli, bez kłopotów z pozwoleniem czy bez miesięcznych opłat: połączenie bezprzewodowe. Bezprzewodowe alternatywy obejmują zarówno systemy radiowe, jak i optyczne. Teletransmisyjne systemy optyczne od takich firm, jak SilCom czy TTI Wireless, są bardzo szybkie
i kosztują od 10 000 do 20 000 USD za łącze. Maksymalna prędkość transmisji to 155 Mb/s, a maksymalny zasięg to około 600 m. Chociaż systemy te nie są odporne na ograniczenie widoczności spowodowane przez wpływy atmosferyczne i zanieczyszczenia, to jednak dla krótkich odcinków pomiędzy budynkami systemy optyczne mogą być interesującą alternatywą.
Radiowe systemy transmisji mają znacznie większe zasięgi niż systemy optyczne,
a ich maksymalne prędkości transmisji wciąż się zwiększają. Podobnie jak dla systemów optycznych, instalacja systemów radiowych przebiega szybko i bezproblemowo. Wystarczy jedno przedpołudnie, aby zainstalować łącze radiowe pomiędzy budynkami w odległości do 30 km, które będzie w stanie przesyłać dane szybciej niż dzierżawiona linia T1 o prędkości 1,5 Mb/s.
Jednorazowy koszt systemów radiowych tego rodzaju waha się od 5 000 USD do 12 000 USD na łącze, ale sprzęt można zdemontować i wykorzystać gdzie indziej,
a poza tym po instalacji nie wymaga on praktycznie żadnych nakładów związanych z utrzymaniem.
Systemy bezprzewodowe o niskiej mocy nie wymagają licencji. Wprawdzie anteny muszą się „widzieć”, ale można ten wymóg ominąć, używając wtórników.
Mosty
Bezprzewodowe systemy pomiędzy budynkami i kompleksami budynków działają zwykle tak, jak urządzenia sieciowe zwane mostami (bridges). W przeciwieństwie do routerów mosty działają niezależnie od używanych protokołów sieciowych (takich jak IPX czy IP) i nie wymagają czasochłonnej instalacji czy konfiguracji. Jako, że mosty są przezroczyste dla protokołów sieciowych, nie są one zazwyczaj użytecznym rozwiązaniem dla sieci LAN, gdyż przesyłają pomiędzy segmentami wszystkie dane, także i te, które tego nie wymagają. Na szczęście jednak większość nowych mostów potrafi uczyć się adresów MAC wszystkich pecetów po obu stronach łącza i przesyłają one tylko te dane, które mają trafić na drugą stronę. „Inteligentne” mosty mogą zatem eliminować niepotrzebny ruch, który zmniejsza wydajność sieci.
Skonfigurowanie mostu do odrzucania grupy określonych adresów MAC może także być elementem wewnętrznego systemu bezpieczeństwa. Jeśli ze względów bezpieczeństwa niektóre pecety nie powinny mieć możliwości łączenia się z segmentem po drugiej stronie mostu, można za pomocą podłączonego do mostu terminala wpisać adresy tych komputerów na listę filtrowania. Można również ręcznie filtrować ruch dla niektórych pecetów lub serwerów, aby ograniczyć ilość danych przesyłanych przez most.
Do wysyłania danych w eter bezprzewodowe mosty używają techniki radiowej zwanej techniką widma rozproszonego (spread spectrum). Metoda widma rozproszonego to metoda modulacji lub zmiany sygnału z danymi w ten sposób, że zajmuje on większe pasmo częstotliwości radiowych niż jest faktycznie potrzebne do przesłania informacji. Takie rozproszenie danych zabezpiecza sygnał przed podsłuchem i chroni go przed zakłóceniami zewnętrznymi. Inną zaletą metody widma rozproszonego jest to, że korzysta ona z pasma częstotliwości widma elektromagnetycznego zwanego pasmem ISM (industrial/scientific/medical).
Pasmo ISM pokrywa zakresy częstotliwości od 902 do 928 MHz i od 2,4 do 2,484 GHz i nie wymaga licencji FCC (informacje na temat wykorzystania poszczególnych pasm częstotliwości w Polsce można znaleźć na stronie Państwowej Agencji Radiokomunikacyjnej: www.par.gov.pl - przyp. tłum.).
Istnieją dwa rodzaje transmisji z rozproszeniem widma: skoki częstotliwości i kolejność bezpośrednia. Większość bezprzewodowych mostów używa techniki skoków częstotliwości (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS). Polega ona na tym, że nadajnik podczas transmisji zmienia skokowo częstotliwość przy czym tempo, w jakim odbywają się przeskoki i ich kolejność są ustalone. Na przykład nadajnik wykorzystujący tę metodę może nadawać sygnał według następującego schematu: kanał 20, kanał 3, kanał 15. Kanały w tym wypadku to pasma częstotliwości określone przez FCC.
Nadajniki FHSS wykorzystują kanały o szerokości 500 kHz w paśmie 900 MHz i kanały o szerokości 1 MHz w paśmie 2,4 GHz. Aby prawidłowo odtworzyć transmitowane dane, odbiornik musi znać schemat przeskoków stosowany przez nadajnik. Ponieważ jednak tylko odbiornik „zna” ten schemat, dane są zabezpieczone przed podsłuchem.
Bezprzewodowe mosty używają zaskakująco małych anten, łatwych do zamontowania i ukrycia. Używane są anteny dwóch typów: dookólne i kierunkowe. Pierwsze wysyłają sygnały we wszystkich kierunkach i odbierają sygnały ze wszystkich. Anteny kierunkowe pracują tylko w określonym kierunku. Anteny dookólne są wskazane w przypadku kilku komputerów znajdujących się wokół mostu. Anten jednokierunkowych natomiast używa się do łączenia dwóch lokalizacji znajdujących się w większej odległości. Anteny te łączą się z mostem (niewielkie urządzenie wielkości modemu zewnętrznego) za pomocą specjalnego kabla koncentrycznego. Im dłuższy kabel, tym mniejszy jest możliwy dystans pomiędzy antenami, zatem najlepiej jest umiejscowić most tak blisko anteny, jak to możliwe.
Chociaż bezprzewodowe mosty są doskonałym rozwiązaniem w sytuacji, gdy poprowadzenie kabla nie wydaje się możliwe, jest kilka kwestii, nad którymi trzeba się zastanowić. Po pierwsze - urządzenia te nie są tanie. Można przyjąć kwoty od 3000 do 10000 zł. dla każdej lokalizacji w ramach połączenia za pomocą bezprzewodowego mostu, zależnie od typu używanej anteny. Jeśli jednak nie ma możliwości położenia kabla lub takie łącze musiałoby być bardzo długie, bezprzewodowy most wydaje się być najlepszym rozwiązaniem.
Dalszy zasięg
Więcej możliwości połączeń bezprzewodowych powinno pojawić się w przyszłości. Na niektórych obszarach usługi telefoniczne i transmisji danych w ramach tak zwanej „ostatniej mili” (albo „ostatniego kilometra”, czyli do ostatecznych użytkowników tych usług w mieszkaniach i biurach - przyp. tłum.) taniej będzie dostarczyć drogą bezprzewodową.
W niektórych systemach komputerowych już teraz traktuje się telefony komórkowe jako tak zwanych „uproszczonych klientów” (thin client). Odpowiedni interfejs programowy może uczynić z ich ograniczonych wyświetlaczy i klawiatur użyteczne narzędzia obliczeniowe. Łączność bezprzewodowa staje się obecnie jedną z najważniejszych opcji w systemach sieciowych.
Oczywista popularność telefonów komórkowych gwarantuje wpływy z opłat za urządzenia przenośne i możliwość łączności. Urządzenia te przełamują paradygmat okablowanych komputerów biurowych, a wystarczy wzbogacić je w dobre możliwości transmisji danych, aby uczynić z nich użyteczne, kieszonkowe narzędzia pracy. Dziedzina ta stanowi połączenie pieniędzy i innowacji, więc można się spodziewać raczej rewolucyjnego rozwoju urządzeń kieszonkowych, a nie liniowej ewolucji.
Systemy bezprzewodowe stanowią praktycznie idealne rozwiązanie problemu „ostatniej mili”. Dostępne są dwie technologie. Wielokanałowe, wielopunktowe systemy dystrybucyjne MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System), tak zwane „bezprzewodowe kable”, działają w paśmie 2,4 GHz. Z kolei lokalne, wielopunktowe usługi dystrybucyjne LMDS (Local Multipoint Distribution System) lub „bezprzewodowe modemy” działają w olbrzymim wycinku pasma skrajnie wysokich częstotliwości pomiędzy 26 a 30 GHz. Zaletą LMDS jest szerokość pasma umożliwiająca dużą przepustowość połączeń (teoretycznie 500 kb/s, ale nominalnie od 300 do 500 kb/s na węzeł) bez konieczności skomplikowanego określania granic przyległych komórek, które mogą być od siebie oddalone od 3 do 5 km.
Biorąc pod uwagę, że są firmy, które na początku roku 1999 wydały 300 milionów dolarów na zakup licencji FCC dla części widma odpowiadającego usługom LDMS, można przyjąć, że technologia ta stanie się podstawową technologią dostępną po roku 2001. Zanim technologia LMDS w pełni rozkwitnie, potrzeba jeszcze wiele prac badawczych, targów i bitew o odpowiednie regulacje prawne, ale mimo to wydaje się, że będzie ona doskonałym sposobem na pokonanie problemów połączeń w obrębie „ostatniej mili”. Należy zauważyć, że LMDS skupia się na użytkownikach pozostających we względnie bliskiej odległości. Większe zasięgi staną się domeną innych rozwiązań, które powinny się pojawić po roku 2001.
Obecnie na rynku bezprzewodowych połączeń cyfrowych konkuruje ze sobą kilka technologii, ale oferowana przez nie przepustowość łączy odpowiada możliwościom modemów analogowych 14,4 kb/s sprzed kilku lat. Celem systemów łączności komórkowej trzeciej generacji, planowanych na rok 2001 i lata następne, jest umożliwienie jednoczesnego połączenia z prędkością 64 kb/s wielu mobilnym klientom.
Wyższe prędkości transmisji i nowe usługi dla operatorów systemów łączności komórkowej mają zapewnić systemy satelitów, krążących po niskich orbitach okołoziemskich (low Earth orbit - LEO). Technologia grupy małych satelitów, poruszających się wokół Ziemi na wysokości od 1300 km w górę nie jest niczym nowym. Systemy LEO obsługują komunikację typu „zapisz i prześlij dalej” od lat 80. Najpierw robiły to na potrzeby instytucji wojskowych i wywiadowczych, a ostatnio dla globalnych spedytorów transportu kontenerowego. Jednak praca w czasie rzeczywistym i duża liczba usług naziemnych bram spowoduje istotną różnicę
w przydatności tych systemów po roku 2001.
Wspierana przez Billa Gatesa i Craiga McCaw inicjatywa Teledisc stawia sobie za cel bycie „Internetem w przestworzach”. Z kolei system Globalstar, który jest finansowany przez Loral Space & Communications Limited oraz QUALCOMM Incorporated, korzysta ze wsparcia potentatów technologii komunikacji cyfrowej. To prawda, że niektóre z tych innowacyjnych projektów powstrzymały bariery finansowe, jednak zostało to spowodowane przeszacowaniem potencjalnego kręgu odbiorców, a nie samymi wadami podstawowych koncepcji. Wydajne metody bezprzewodowej transmisji danych będą przyczyną wielu gospodarczych i socjologicznych zmian w tej dekadzie.