2006-08-20 Zasada działania sieci bezprzewodowej Divine

Jak to działa?
Sieć bezprzewodowa używa fal elektromagnetycznych (radiowych lub podczerwonych) do przesyłania informacji z jednego punktu do drugiego bez użycia medium fizycznego. Fale radiowe często są traktowane jako radiowy nośnik, ponieważ po prostu pełnią funkcję dostarczania energii do zdalnego odbiornika. Transmitowane dane są nakładane na nośnik radiowy tak, aby mogły być dokładnie wydobyte w punkcie odbioru. Zwykle określa się to modulacją nośnika przez informację przesyłaną. Gdy dane są nakładane (modulowane) do nośnika radiowego, sygnał radiowy zajmuje więcej niż pojedynczą częstotliwość, ponieważ częstotliwość lub (bit rate) modulowanej informacji dodaje się do nośnika. Wiele radiowych nośników może współistnieć w tym samym miejscu o tym samym czasie bez wzajemnej interferencji, jeśli fale radiowe są transmitowane na różnych częstotliwościach. W celu wydobycia danych, odbiornik radiowy dostraja się do jednej częstotliwości i odrzuca wszystkie pozostałe. W typowej konfiguracji bezprzewodowej, urządzenie nadawczo/odbiorcze, zwane punktem dostępowym, łączy się z siecią kablową z użyciem standardowego okablowania. W najprostszym przypadku, punkt odbiera, buforuje i transmituje dane pomiędzy siecią bezprzewodową i siecią kablową. Pojedynczy punkt może obsługiwać małą grupę użytkowników i może funkcjonować w zasięgu od 30 do 15 000 metrów. Punkt dostępowy, (lub antena podłączona do punktu dostępowego) jest zwykle montowana wysoko, lecz może być również instalowana gdziekolwiek, co jest praktyczne tak długo, jak pożądany zasięg jest osiągany. Pierwszym standardem sieci radiowej był IEEE 802.11. Dziś dla odróżnienia od rodziny oznacza się go jako 802.1y. 802.11 określa dwie szybkości transmisji: 1Mbps i 2Mbps oraz operuje w paśmie 2,4GHz-2,4835GHz. Pasmo to należy do grupy pasm ISM (ang. Industrial, Scientific & Medical) i w wielu krajach (USA, Europa Zachodnia) jest wolne od opłat i konieczności uzyskiwania indywidualnych zezwoleń, jednak korzystanie z niego wymaga stosowania najczęściej do 100 mW, mocy nadajników. Użytkownicy korzystają z sieci bezprzewodowej za pomocą bezprzewodowych kart sieciowych, które występują jako karty PC Card w komputerach przenośnych i podręcznych, lub jako karty w komputerach biurkowych, lub też jako zintegrowane urządzenia w komputerach podręcznych. Karty bezprzewodowe ustanawiają interfejs pomiędzy systemem sieciowym klienta a falami radiowymi poprzez antenę. Natura połączenia radiowego jest "przezroczysta" dla sieciowego systemu operacyjnego.

IEEE 802.11 - konfiguracje sprzętowe
Standard IEEE 802.11, jak już wcześniej pisałem, określa zasady pracy urządzeń do transmisji bezprzewodowej w sieciach lokalnych. Został zdefiniowany w roku 1997 przez IEEE, a później zaakceptowany przez ETSI pod symbolem ETS 300 328. W standardzie tym przewiduje się dwie konfiguracje sprzętowe:
- sieć tymczasowa (ad-hoc), która nie posiada elementów stałych (brak punktu dostępowego) Sieci tymczasowe tworzy się zazwyczaj na czas spotkań, konferencji, itp. Sieci te nie posiadają dostępu do sieci przewodowej. Służą jedynie do wymiany informacji między klientami mobilnymi.

- sieć stacjonarna (infrastructure), która zawiera elementy stałe oraz połączenie z siecią przewodową. Sieci stacjonarne mają zdecydowanie bardziej złożoną strukturę. Klienci nie łączą się już między sobą, ale podłączają się do punktu dostępowego (ang. access point), który ma dostęp do sieci przewodowej i pośredniczy w łączności między obiema sieciami.


Warstwa fizyczna
W warstwie fizycznej wyróżnia się dwie "podwarstwy":
- PLCP (ang. physical layer convergence protocol), która realizuje mechanizmy typowe dla warstwy fizycznej.
- PMD (ang. physical medium dependent), czyli warstwy, w przeciwieństwie do tej pierwszej, zależnej od medium, i obejmującej takie zjawiska jak kodowanie czy modulacja.
Przewidziano trzy warianty warstwy PLCP:
- fale radiowe z rozpraszaniem widma metodą kluczowania bezpośredniego (DSSS - direct sequence spread spectrum) Warstwa ta generuje nadmiarową sekwencję bitów, do każdego wysyłanego bitu. Ta dodatkowa sekwencja jest nazywana chip (lub kod wtrącony, ang. chipping code). Im dłuższy chip, tym większa szansa, że oryginalne dane będą odebrane (i oczywiście pochłania więcej pasma.) Zapewnia to korekcję błędów pozwalającą uniknąć częstych retransmisji. Dla niepożądanego odbiornika, DSSS wygląda jak szerokopasmowy szum o niskiej mocy i jest ignorowany przez większość wąskopasmowych odbiorników.) DSSS dzieli pasmo 2,4GHz na 14 22MHz kanały. Tylko trzy spośród 14 kanałów na siebie nie zachodzą. Pozostałe częściowo się pokrywają. W momencie, gdy jednocześnie więcej niż trzy kanały są wykorzystywane do transmisji danych, może dojść do sytuacji, w której urządzenia zgodne z 802.11, pracujące na różnych kanałach będą się wzajemnie zakłócać. Aby zwiększyć odporność danych na zakłócenia, każdy bit zamieniany jest na cykl bitów nadmiarowych. Warto podkreślić fakt, że FHSS i DSSS są ze sobą całkowicie niekompatybilne.
Pasmo pracy urządzeń pracujących w standardzie 802.11 przy modulacji DSSS ustalono w zakresie 2400 MHz - 2483,5 MHz. Do dyspozycji mamy 14 kanałów, poniższa tabelka przedstawia częstotliwości dla każdego z nich.

- fale radiowe z rozpraszaniem widma metodą przeskoków częstotliwości (FHSS - frequency hoping spread spectrum) używa ona wąskopasmowego nośnika, który zmienia częstotliwość według schematu znanego zarówno nadajnikowi jak i odbiornikowi. Właściwie zestrojona, sieć zachowuje pojedynczy kanał logiczny. W założeniach dzieli pasmo 2,4GHz na 75 jedno MHz kanałów. Nadawca i odbiorca, aby móc dokonać transmisji danych, muszą najpierw ustalić między sobą wzór skoków. Wzór skoków stanowi swoistą mapę, określającą kolejność kanałów, które będą wykorzystywane podczas transmisji. FHSS został zaprojektowany tak, aby zminimalizować możliwość wystąpienia dwóch nadawców wykorzystujących ten sam kanał równocześnie. Prędkość transmisji przy tej modulacji może wynosić najwyżej 2Mbps Dla niepożądanego odbiornika, FHSS wygląda jak krótkotrwałe impulsy szumów.
- fale optyczne z zakresu podczerwieni. Trzecia technologia, rzadko używana w komercyjnych sieciach bezprzewodowych to transmisja w podczerwieni. Systemy na podczerwień (IR) używają do przenoszenia danych bardzo wysokich częstotliwości, tuż poniżej pasma widzialnego w spektrum elektromagnetycznym. Podobnie jak światło, IR nie może przenikać obiektów nieprzeźroczystych, jest to technologia zarówno kierunkowa (linia widzialności) jak i rozproszona. Niedrogie systemy kierunkowe oferują bardzo krótkie zasięgi, rzędu 1 metra i są zwykle stosowane w indywidualnych sieciach lokalnych, lecz czasami używają specyficznych aplikacji bezprzewodowych. Wysokowydajne kierunkowe systemy IR są niepraktyczne dla użytkowników przenośnych, i przez to stosowane jedynie w połączeniach podsieci. Rozproszona (lub odblaskowa) technologia bezprzewodowa nie wymaga (linii widzialności), lecz komórki takiej sieci ograniczają się do jednego pomieszczenia. Podczerwień się nie przyjęła ze względu na konkurencję standardu IrDA.

Protokoły antykolizyjne.
W przypadku sieci WLAN kolizje nie mogą mieć miejsca. Systemy radiowe działają jedynie w trybie half-duplex'u, a zatem nie są w stanie jednocześnie nadawać i odbierać sygnału. W związku z tym jednoczesna transmisja danych i odbieranie informacji o kolizjach, nie jest w sieciach radiowych możliwe. Z tego powodu standard 802.11 używa protokołu znanego jako CSMA/CA(ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Pozwala on na unikanie kolizji (dzięki specjalnemu pakietowi potwierdzenia odbioru ACK (ang. Acknowledge)). Działanie CSMA/CA jest następujące: jeżeli nadawca chce przesłać dane poprzez medium i nie wykryje żadnej aktywności w sieci, odczekuje dodatkowo losowy okres czasu i rozpoczyna swoją transmisję, ale tylko pod warunkiem, że medium jest nadal wolne. Jeżeli pakiet zostanie odebrany w stanie nienaruszonym przez odbiorcę (jest cały i nie ma błędów), tworzy on i wysyła ramkę ACK (potwierdzenie), która raz poprawnie odebrana przez nadawcę informuje, że proces wysłania pakietu danych zakończył się sukcesem. Jeżeli jednak stacja wysyłająca nie otrzyma ramki ACK, obojętnie czy to z powodu zagubienia lub uszkodzenia ramki z danymi, czy też zagubienia wysłanej ramki ACK, protokół zakłada, że miał miejsce błąd i po odczekaniu innej losowej ilości czasu, rozpoczyna przesyłanie danych od początku. Właśnie w taki sposób protokół CSMA/CA zapewnia wielu użytkownikom dzielony dostęp do medium. Obok CSMA/CA pojawia się także protokół RTS/CTS (ang. Request to Send/ Clear to Send). Rozwiązuje on problem znany jako "hidden node". Polega on na tym, że dwie stacje po przeciwnych stronach Access Pointa (Access Point, nazywany także punktem dostępu, pełni rolę koncentratora w sieciach radiowych.) słyszą jego "ruch", ale nie słyszą siebie nawzajem z powodu zbyt dużego dystansu między nimi lub przeszkód terenowych (ściany, zbrojenia, drzewa, krzewy). Taka sytuacja pokazuje, że bez uporządkowania ruchu w sieci komunikacja może stać się wręcz niemożliwa. Kiedy protokół RTS/CTS jest w działaniu każda stacja, która chce przeprowadzić transmisję danych, wysyła do Access Pointa RTS. Jeżeli żadna inna stacja nie przeprowadza w tym momencie transmisji danych, Access Point odpowiada CTS'em zezwalając tym samym na rozpoczęcie przesyłania danych. W przeciwnym wypadku Access Point wstrzymuje wysłanie CTS'a do momentu, kiedy medium będzie wolne.

Zasięg i wydajność.
Zasięg i wydajność WLAN zależy od takich czynników jak:
· Czułość urządzeń radiowych i moc ich nadajników,
· Zysk zastosowanych obustronnie anten (ich typ i rzeczywiste parametry, -często nie takie, jakie podaje sprzedający),
· Długości i typ zastosowanego antenowego kabla koncentrycznego,
· Ilość i sposób wykonania konektorów, przejściówek do połączenia urządzeń z anteną,
· Lokalizacja anten: bazowej i klienta ( wysokość ich zamontowania: nad gruntem i nad dachem),
· Różnica wysokości pomiędzy tymi antenami,
· Dokładność stawienia w pionie dookólnej anteny bazowej,
· Dokładność ustawienia kierunkowej anteny klienta,
· Wolna strefa dla połączeń na dłuższym dystansie (kilka, kilkanaście km -siec i bezprzewodowe realnie są w stanie takie zasięgi uzyskać w praktyce)
· Okoliczne przeszkody mające właściwości odbijania sygnału radiowego, lub jego tłumienia
· Przejeżdżające w pobliżu duże obiekty (tramwaj, kolej, tir)
· Obecność w pobliżu WLAN silnych stacji nadawczych (telefonia komórkowa, radary lotnicze)
· Pogoda.


Ramka w standardzie IEEE 802.11
Ramka w standardzie IEEE 802.11 jest podstawą do wymiany informacji, i zawiera następujące pola:
- nagłówek dopasowujący do wymagań warstwy fizycznej (PHY-adaption header),
- typ ramki (type-field) - określa czy stosujemy kompresję bądź szyfrowanie,
- dane sterujące (control-field),
- identyfikator jednostki danych (narzucany przez protokół),
- adres odbiorcy + ID sieci (network ID),
- elementy sterujące,
- dane LLC (tylko w ramkach danych),
- CRC (8 lub 32 bit), zależnie od typu ramki.
W standardzie 802.11 długość ramki nie może przekraczać 1500 bajtów. Informacje sterujące, w tym nagłówki ramek, przesyłane są zawsze z prędkością równą 1Mb/s, niezależnie od wersji standardu 802.11.

Źródło: virturia.info