Seminarium Sieci Lokalnych Temat: Sieci bezprzewodowe standardy i sprzęt sieciowy

Transkrypt

1 Opole, dn. 24 stycznia 2008 Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Informatyka Seminarium Sieci Lokalnych Temat: Sieci bezprzewodowe standardy i sprzęt sieciowy Autorzy: Prowadzący: Piotr Nitner Dawid Najgiebauer Informatyka, rok 2005/06, sem. V, grupa sem. 7 (Cz. g. 8.20) dr inż. Mariusz Pelc Ocena:... Uwagi:... O P O L E

2 Spisy 2 1. Spisy 1.1. Spis treści 1. Spisy Spis treści Spis tabel Spis rysunków Wstęp Technologie transmisji Technologia wąskiego pasma (Narrow Band) Technologia szerokiego widma (Spread Spectrum) Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS) Technologia podczerwieni (IR) Standardy transmisji w sieciach bezprzewodowych IEEE IrDA Sprzęt Karty WLAN Routery WLAN Urządzenia WLAN dalekiego zasięgu Bibliografia Spis tabel Tabela 3.1. Standardy transmisji w sieciach bezprzewodowych... 6 Tabela 4.1. Oferta rynkowa routerów WLAN Spis rysunków Rysunek 1.1. Podział sieci radiowych ze względu na zasięg...3 Rysunek 2.1. Modulacja FHSS...4 Rysunek 2.2. Modulacja DSSS....5 Rysunek 3.1. Format ramki pakietu Rysunek 4.1. Karta sieciowa Hi-Gain Wireless-G (HWC54D) firmy Hawking Technology do laptopa wyposażona w obrotową antenę Rysunek 4.2. Router D-Link Super G z MIMO wyposażony w dwie anteny zewnętrzne i dwie wewnętrzne Rysunek 4.3. Routery Netgear RangeMax i Linksys Wireless-G z SRX...11

3 Wstęp 3 1. Wstęp Sieci komputerowe oparte o kilometry plączących się kabli dziś odchodzą powoli do przeszłości. Postęp technologiczny oraz niezaprzeczalny aspekt wynikający ze stosowania połączeń bezprzewodowych sprawia, że są one coraz częściej stosowane. Dziś zapewniają, przy użyciu niewielkich środków finansowych, bezpieczne, szybkie i wygodne łączenie urządzeń. Największą swą zaletę sieci bezprzewodowe (mając na myśli głównie sieci radiowe) wykazują tam, gdzie często następuje zmiana konfiguracji sieci oraz lokalizacji jej terminali. Także skalowalność sieci bezprzewodowej jest nieporównywalna z sieciami przewodowymi. Na rynku dostępnych jest obecnie kilka technologii sieciowych, od której wyboru należy rozpocząć projektowanie sieci. Obecnie najpopularniejszymi standardami są wśród sieci radiowych: Wi-Fi i Bluetooth. Zdecydowanie mniejszą popularność mają sieci IR (w których do przesyłania danych wykorzystuje się podczerwień). W typowej konfiguracji bezprzewodowej, urządzenie nadawczo/odbiorcze, zwane punktem dostępowym, łączy się z siecią kablową z użyciem standardowego okablowania. W najprostszym przypadku, punkt dostępowy odbiera, buforuje i transmituje dane pomiędzy siecią bezprzewodową i siecią kablową. Pojedynczy punkt dostępowy może obsługiwać małą grupę użytkowników i może funkcjonować w zasięgu od 50 do 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. Sieci bezprzewodowe można podzielić ze względu na ich zasięg na następujące: Rysunek 1.1. Podział sieci radiowych ze względu na zasięg. - WPAN (Wireless Personal Area Network) sieć o zasięgu kilku metrów służąca do wymiany informacji pomiędzy urządzeniami przenośnymi typu notebook, palmtop, telefon gsm itp. (obecnie do tych celów wykorzystuje się głównie technologię Blutooth). - WLAN (Wireless Local Area Network) sieć lokalna oparta o technologię bezprzewodową. Sieć WLAN zlokalizowana jest w stosunkowo niewielkim obszarze i obejmuje niewielką liczbę komputerów, zwykle kilka, kilkanaście. - WWAN (Wireless Wide Area Network) rozległa sieć komputerowa oparta o technologię bezprzewodową, która obejmuje dużą liczbę komputerów na dużej przestrzeni i o dużym zasięgu. W poniższym tekście podjęte zostaną zagadnienia związane ze sprzętem oraz standardami wykorzystywanymi do budowy sieci lokalnych, a więc WLAN.

4 Technologie transmisji 4 2. Technologie transmisji 2.1. Technologia wąskiego pasma (Narrow Band) Wąskopasmowy system radiowy nadaje i odbiera informacje na określonej częstotliwości radiowej. Utrzymuje częstotliwość sygnału radiowego w jak najwęższym paśmie wystarczającym do przekazu informacji. Niepożądane przesłuchy pomiędzy kanałami komunikacyjnymi są eliminowane poprzez przydzielanie użytkownikom określonych pasm częstotliwości. Prywatna linia telefoniczna jest podobna do częstotliwości radiowej. Każdy dom w okolicy ma swą własną linię telefoniczną. Ludzie w jednym domu nie mogą słyszeć rozmowy z innej linii. W systemie radiowym, prywatność i brak nakładania się sygnałów osiąga się przy użyciu oddzielnych częstotliwości radiowych. Odbiornik radiowy odfiltrowuje wszystkie sygnały radiowe oprócz sygnału o określonej dla niego częstotliwości Technologia szerokiego widma (Spread Spectrum) Większość sieci bezprzewodowych używa technologii szerokiego widma. Technologia ta została opracowana na potrzeby wojska do użycia w stabilnych i bezpiecznych systemach komunikacyjnych o krytycznym znaczeniu. Technologia Spread-spectrum jest zaprojektowana tak by poświęcić prędkość transmisji (wydajność) na rzecz niezawodności, integralności i bezpieczeństwa. Innymi słowy, większa część całkowitej przepustowości jest zużywana w porównaniu z transmisją wąskopasmową, lecz dzięki temu sygnał jest w efekcie "głośniejszy" i łatwiejszy do odbioru, jeśli odbiornik zna parametry nadawanego sygnału. Jeśli odbiornik nie jest dostrojony do właściwej częstotliwości, sygnał szerokiego widma wygląda dla niego jak szum tła. Są dwa rodzaje technologii szerokiego widma: ang. frequency hopping and direct sequence Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) Modulacja FHSS dzieli dostępne pasmo częstotliwości na oddzielne kanały i w sposób ciągły zmienia częstotliwość wąskopasmowej fali nośnej w 2-4 poziomowej sekwencji gaussowskiego kluczowania z przesuwem częstotliwości (GFSK). Innymi słowy: węzły sieci wysyłając i odbierając informację transmitują na częstotliwość zmieniającej się w sposób pseudolosowy. Dzięki temu warstwa fizyczna sieci jest w przyzwoity sposób zabezpieczona - haker w zasadzie nie będzie wiedział, na którą częstotliwość się przełączyć by odebrać cały sygnał. Jedną z zalet FSHH jest możliwość pracy we wspólnym paśmie wielu sieci, występujących na jednym terenie, bez wzajemnego zakłócania się. Rysunek 2.1. Modulacja FHSS.

5 Technologie transmisji Direct-Sequence Spread Spectrum (DSSS) Modulacja DSSS pracuje w zupełnie inny sposób. DSSS wiąże strumień danych z kodem cyfrowym o wyższej szybkości. Dla każdego bitu danych tworzony jest obrazujący go wzorzec bitowy, znany jedynie nadajnikowi i dedykowanemu odbiornikowi. Wzorzec ten, nazywany 'kodem chipów', jest losową sekwencją sygnałów zerojedynkowych oznaczających konkretny bit. W celu reprezentacji przeciwnego bitu w sekwencji danych, kod chipowy jest odwracany. Jeżeli transmisja jest właściwie zsynchronizowana to taki sposób modulacji częstotliwości zapewnia swoją własną korekcję błędów, a co za tym idzie większą tolerancję na interferencję. Nawet jeśli jeden lub więcej bitów w kodzie chip jest utracona podczas transmisji, techniki statystyczne zaimplementowane w odbiorniku pozwalają na odtworzenie danych bez potrzeby retransmisji. Dla niepożądanego odbiornika, DSSS wygląda jak szerokopasmowy szum o niskiej mocy i jest ignorowany przez większość wąskopasmowych odbiorników. Rysunek 2.2. Modulacja DSSS Technologia podczerwieni (IR) 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.

6 Standardy transmisji w sieciach bezprzewodowych 6 3. Standardy transmisji w sieciach bezprzewodowych Poniższa tabelka przedstawia najważniejsze cechy standardów transmisji w sieciach bezprzewodowych: Tabela 3.1. Standardy transmisji w sieciach bezprzewodowych. Standard Rok wprowadzenia Prędkość max. Pasmo Zasięg Typ sygnału Uwagi Mbps? 300m FHSS, DSSS, IR a Mbps 5,8 GHz 300m OFDM b Mbps 2,4 GHz 46m DSSS /96m g Mbps 2,4 GHz 300m DSSS, OFDM n Trwają 250 Mbps??? prace Bluetooth b/d 1 Mbps 2,4GHz 10m HomeRF 2.0 b/d 10 Mbps b/d b/d Do zastosowań multimedialnych; odporna na zakłócenia HiPeRLAN b/d 1 Mbps 24 Mbps 5 GHz 17 GHz 800m 50m FSK 2 GMSK a Trwają Duża 3-5GHz ~100m OFDM 1 prace a Trwają? 3-5GHz ~1m? Do urządzeń energooszczędnych prace WUSB Trwają prace 480 Mbps 100 Mbps 1m 10m? Następca Bluetooth jako bezprzewodowe USB IrDA MBps IR 1m IR VFIR Trwają 16 Mbps IR? IR Następca IrDA prace UFIR Trwają prace 100 Mbps IR? IR Następca IrDA 3.1. IEEE Standard IEEE określa zasady pracy urządzeń do transmisji bezprzewodowej w sieciach lokalnych. Został on zdefiniowany w 1997 roku przez IEEE, a także zaakceptowany przez ETSI pod nazwą ETS W standardzie sprecyzowano parametry różnych wariantów warstwy fizycznej oraz podwarstwy dostępu do łącza niezależnej od typu medium bezprzewodowego. W standardzie IEEE przewidziano możliwość tworzenia dwóch konfiguracji sieci bezprzewodowych: - Sieć tymczasowa (ang. ad-hoc), nie posiadająca elementów stałych, - Sieć stacjonarna (ang. infrastructure), zawierająca pewne elementy stałe, w tym połączenie z siecią przewodową. 1 Standard OFDM (COFDM) używana jest do transmisji m.in. naziemnej telewizji cyfrowej (DVB-T) dzięki swojej odporności na sygnały zakłócające (echa oraz wielokrotny odbiór tego samego sygnału z odbić), jak również na możliwość odbioru w poruszającym się pojeździe. W chwili obecnej skrót OFDM nie określa żadnego konkretnego typu modulacji, a jedynie fakt nadawania jednocześnie wielu nośnych (podnośnych) w jednym kanale cyfrowym. 2 Modulacja częstotliwości (FM) dla sygnałów cyfrowych, czyli kluczowanie z przesuwem częstotliwości FSK. Przy stałej amplitudzie harmonicznego sygnału nośnego następuje zmiana częstotliwości: niższej dla symbolu "zera logicznego" i wyższej dla "jedynki logicznej" informacji binarnej.

7 Standardy transmisji w sieciach bezprzewodowych 7 Sieci tymczasowe tworzone są zazwyczaj na czas spotkania, konferencji itp. Składają się one z pewnej liczby komputerów przenośnych, które mogą wymieniać między sobą informacje. Sieci tego typu nie posiadają dostępu do zasobów sieci przewodowej ze względu na brak elementów pośredniczących w transmisji. Sieci stacjonarne posiadają bardziej rozbudowaną strukturę, zawierającą elementy stałe. Należą do nich tzw. punkty dostępu (ang. access point), które pośredniczą w transmisji między siecią przewodową i bezprzewodową. Punkty dostępu są połączone przewodem sieciowym i pełnią w przybliżeniu funkcje stacji bazowych telefonii komórkowej. Sieć taka może składać się z jednej lub wielu komórek, zależnie od potrzeb mogą w niej także występować komputery posiadające wyłącznie środki łączności przewodowej. Dla każdego rodzaju medium (fale radiowe lub podczerwone) stosowane są prędkości 1 Mb/s oraz 2 Mb/s (dla specyfikacji podstawowej; dalszy rozwój przyniósł przyspieszenie transmisji), przy czym większa prędkość transmisji stosowana jest opcjonalnie podczas przesyłania danych użytkowych; informacje sterujące, w tym nagłówki ramek danych, przesyłane są zawsze z prędkością 1 Mb/s. W każdym z pasm wyszczególnia się tzw. kanały transmisyjne, czyli ściśle określone częstotliwości nośne, które mieszczą się w zadanym w specyfikacji spektrum oraz są od siebie dostatecznie oddalone. Spektrum b podzielone na 14 niezależnych kanałów o szerokości 22 MHz. Jednak w Polsce można wykorzystywać tylko pasma od 2400,0 do 2483,5 MHz czyli od 1 do a obejmuje 12 niezachodzących kanałów, 8 przeznaczonych do pracy w budynkach oraz 4 przeznaczone do pracy między dwoma punktami (ang. point to point). Istniały pewne próby uregulowania tego zakresu częstotliwości przez niektóre kraje, ale dziś większość państw pozwala na niekoncesjonowane wykorzystanie pasma dla a. Ramka w standardzie IEEE stanowi podstawową jednostkę informacji wymienianych pomiędzy stacjami, tym niemniej pełna jednostka protokołu może składać się z ciągu ramek. Każda ramka zawiera następujące pola: - nagłówek dopasowujący do wymagań warstwy fizycznej (ang. PHY Adaptation Header), - typ ramki (ang. type field), określający, czy w ramce stosowano kompresję bądź szyfrowanie oraz sposób dostępu do medium, - sterujące (ang. control field), - identyfikator protokolarnej jednostki danych, - adres odbiorcy i ewentualnie nadawcy wraz z identyfikatorem sieci (ang. Network ID), - elementy sterujące i zależne od typu ramki, - dane podwarstwy LLC (tylko w ramkach danych), - sumę kontrolną CRC 8- lub 32- bitową, zależnie od typu ramki. Rysunek 3.1. Format ramki pakietu Choć specyfikacja mówi o nie największych odległościach, to jednak można zdecydowanie powiększyć zasięg poprzez stosowanie odpowiednich urządzeń i anten. Odpowiednie anteny ze wzmacniaczami mogą zwykle osiągać zasięg do 8 km. Przeprowadzono nawet testy, w których połączenie b pracowało na dystansie 120 km. Praktycznym zastosowaniem tego typu urządzeń jest zastępowanie drogich połączeń operatora kablowego lub starszego sprzętu do komunikacji mikrofalowej. W styczniu 2004 IEEE ogłosiło rozpoczęcie prac nad nowym standardem n. Ma on obejmować rozległe sieci bezprzewodowe. Prędkości rzędu 100 Mb/s albo nawet 250 Mb/s mają stać się w pełni dostępne. Do tego celu zostanie prawdopodobnie wykorzystana technologia MIMO (Multiple Input, Multiple Output) wykorzystująca wiele fizycznych kanałów transmisyjnych do stworzenia jednego połączenia. Zapowiedziano też zwiększenie zasięgu.

8 Standardy transmisji w sieciach bezprzewodowych IrDA Obecnie standard ten wykorzystywany jest dość powszechnie w telefonach komórkowych. Realizuje sieci tymczasowe. Technologia IrDA wykorzystuje skupioną wiązkę światła w paśmie podczerwonym, której częstotliwość jest mierzona w terahercach (biliony herców). Warunkiem zastosowanie IrDA jest posiadanie co najmniej dwóch urządzeń pomiędzy, którymi nie ma niczego co by utrudniało ich wzajemną widoczność. Obecnie wykorzystywane są dwie wersje IrDA: 1.0 i 1.1. W pierwszej maksymalna prędkość transmisji wynosi 115 kb/s, a w drugiej 4 Mb/s. A najszybsza wersja pozwala na transmisję danych z szybkością 16 Mb/s. Urządzenia nawiązują połączenie z prędkością 9600 b/s oraz ustalają maksymalną prędkość transmisji. Każde połączenie jest typu punktpunkt, przy czym maksymalna odległość między urządzeniami wynosi do 3 m, muszą się one widzieć, maksymalny kąt odchylenia, przy którym transmisja będzie jeszcze zachodzić wynosi 15 ). W ten sposób wiele połączeń IrDA może pracować obok siebie bez zakłóceń.

9 Sprzęt 9 4. Sprzęt Obecnie w Polsce wykorzystuje się praktycznie wyłącznie sieci oparte na standardzie b lub g. Z racji tego, że urządzenia dla obu generacji nie różnią się znacząco także pod względem ceny, wykorzystuje się wyłącznie generacji g, dzięki czemu pracują znacznie szybciej, choć wciąż pozostają zgodne ze wszystkimi urządzeniami pracującymi w standardzie b. Ważną cechą jest także zgodność ze standardami zabezpieczeń Karty WLAN W przypadku notebooka karta WLAN ma postać karty PC wystarczy ją włożyć do gniazda. Do komputerów PC przeznaczone są karty rozszerzeń wkładane do odpowiedniego gniazda płyty głównej. Prostsza w instalacji jest karta dołączana przez gniazdo USB. Jednak warto zwrócić uwagę, gdy chce się w pełni wykorzystać przepustowość standardu g, aby zarówno komputer jak i karta były zgodne z USB w wersji 2.0; wersja 1.0 nie zapewni przepustowości wymaganej przez sieć. Wszystkie karty mogą pracować w dwóch trybach: ad hoc gdzie każda karta łączy się z każdą (rozwiązanie zalecane wyłącznie do łączenia dwóch terminali, choć możliwa jest i większa ich liczba; oraz infrastruktury karta nawiązuje wyłącznie jedno połączenie z punktem dostępowym, który pełni rolę rozdzielni. Ranking kart sieciowych: Routery WLAN Router przydaje się wtedy, gdy w domu jest kilka komputerów. Dodatkową cechą jest często możliwość podłączenia go do Sieci zarówno kablowej jak i innej bezprzewodowej. W ten sposób Mamy bezprzewodową łączność w domu, a wszystkie komputery mają dostęp do globalnej sieci Internet. Warto także, aby router taki miał funkcję przekierowania portów, dzięki której komputer w sieci może stać się serwerem widocznym na zewnątrz. Oczywiście istotnym jest także oferowanie zabezpieczeń. Poniżej zaprezentowano zestawienie kilku ciekawszych routerów WLAN dostępnych na rynku:

10 Sprzęt 10 Tabela 4.1. Oferta rynkowa routerów WLAN. Producent DrayTek Linksys ZyXEL Pentagram Model Vigor 2600G WAG54G Prestige 660W/HW Cerberus ADSL WiFi Cena 1 [zł] Liczba portów LAN Przepustowość LAN [Mb] Standard WLAN g g g b MultiNAT - Port Forwarding / Port Triggering / upnp / DMZ /-/ / / / / /-/ / /-/ / Ochrona DoS - Blokowanie portów - Blokowanie dostępu do internetu określonego adresu IP/MAC /- / /- -/- Podział łącza - - Sposoby zdalnego zarządzania SNMP, WWW, SNMP, WWW, SNMP, WWW WWW Telnet Telnet Rozmiar klucza WEP WPA - Ukrywanie SSID Średni transfer LAN [KB/s] Średni transfer WLAN [KB/s] Aktualne rankingi dostępne pod adresem: Urządzenia WLAN dalekiego zasięgu Obecnie na rynku zaczęły pojawiać się urządzenia oznaczone Pre-N albo MIMO, które podwajają a nawet potrajają zasięg standardowych urządzeń b i g. Niestety produkty te są dwu-, trzykrotnie droższe od standardowych urządzeń. Jednak jeśli w alternatywie pozostaje dokupowanie wielu dodatkowych punktów dostępowych, lub antena dużej mocy, to nowe rozwiązania mogą okazać się najkorzystniejsze. Urządzenia takie potrafią w locie dostosowywać parametry transmisji (w tym zmiana kanałów) lub wykorzystanie kombinacji wielu anten (nawet 7 na raz), aby zminimalizować efekty zakłóceń środowiska pracy. 1 Stan na dzień 3/2005.

11 Sprzęt 11 Rysunek 4.1. Karta sieciowa Hi-Gain Wireless-G (HWC54D) firmy Hawking Technology do laptopa wyposażona w obrotową antenę. Rysunek 4.2. Router D-Link Super G z MIMO wyposażony w dwie anteny zewnętrzne i dwie wewnętrzne. Rysunek 4.3. Routery Netgear RangeMax i Linksys Wireless-G z SRX.

12 Bibliografia Bibliografia 1. Z. Bednarek Rzeczywistość daleka od standardu PC World Komputer 1/ M. Doleżek, T. Wójcicki Szybki (Im)Puls PC World Komputer 12/ (wp) IrDA jak Fast Ethernet PC World Komputer 11/ B. Wargin, E. Albro, D. Rzeźnicki Rozciąganie WiFi PC World Komputer 7/ C. Kramp Router, okno na świat PC World Komputer 3/ M. Lejman Routery bez kabli PC World Komputer 9/ A. Strafford, A. Brandt, M. Lejman Sieci bez kabli i bez kłopotów PC World Komputer 7-8/ M. Lejman Instalacja sieci bezprzewodowej PC World Komputer 5/ M. Lejman Idzie nowe, bezprzewodowe PC World Komputer 3/