Wireless LAN

WLAN tekniikka

1. Yleistä

WLAN käyttää sähkömagneettisia aaltoja tiedon välittämiseen kommunikoivien osapuolien välillä, erillistä fyysistä siirtotietä ei tarvita. Radioaallot toimivat kantoaaltona, jolle siirrettävä data liitetään moduloimalla. Tyypillisessä WLAN konfiguraatiossa lähetin-/vastaanotinlaite, tukiasema (access point, AP), on liitetty myös perinteiseen verkkoon käyttäen Ethernet-kaapelia. Tukiasema vähintään vastaanottaa, puskuroi ja lähettää dataa langattoman ja langallisen lähiverkon välillä, myös monipuolisemmat toiminnot ovat mahdollisia. Loppukäyttäjät pääsevät käsiksi verkkoon WLAN adaptereilla, jotka ovat tietokoneeseen liitettäviä kortteja tai kiinteästi laitteistoon integroituja. Kortissa on lähetin ja vastaanotin, joiden avulla radioyhteys toiseen laitteeseen (tukiasema tai tietokone) voidaan toteuttaa.

2. Standardit

Aiemmin standardien puute aiheutti eri valmistajien laitteiden yhteensopimattomuuden. IEEE:n standardin 802.11 valmistelu alkoi vuonna 1990 ja valmistui 1997. Standardissa määritellylle taajudelle, 2,4-2,483 GHz, ei tarvitse hankkia radio-operaattorin lupaa. Eli kuka tahansa voi ostaa ja asentaa tukiasemia ja pystyttää oman verkkonsa. Käytettyä taajuuskaistaa kutsutaan myös ISM-kaistaksi (band for the Industrial, Scientific and Medical use).

2.1. IEEE 802.11

Tämä on perusstandardi langattomille lähiverkoille (WLAN) ja tarjoaa nopeudeksi 1 ja 2 Mbps. Standardin hyöty on siinä, että nykyään eri valmistajien laitteet ovat yhteensopivia. IEEE 802.11 määrittelee kolme menetelmää tiedon siirtämiseksi, suorasekvenssi- (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum), taajuushyppely- (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) ja infrapunatekniikat ja kaksi verkkotyyppiä, Ad hoc ja Infrastruktuuri (Infrastructure).

2.2. IEEE 802.11a

Toimii 5 Ghz:n alueella ja siirtonopeus maksimissa 54 Mbps. Käytännön sovellutuksia ei ole vielä olemassa.

2.3. IEEE 802.11b

Alkuperäisen standardin nopeus on liian alhainen multimedian tarpeisiin, joten syyskuussa 1999 ratifioitiin "High Rate" -standardi. Uudet siirtonopeudet ovat 5,5 ja 11 Mbps. Jotta suurempi nopeus saavutettiin, jouduttiin valitsemaan DSSS-tekniikka ja hylkäämään taajuushyppely. 802.11b toimii alkuperäisen standardin mukaisten suorasekvenssijärjestelmien kanssa, mutta ei FHHS-tekniikalla toteutettujen systeemien kanssa.

3. Topologiat

WLAN konfiguraatiot jaetaan kahteen päätyyppiin, ad hoc- (tai peer-to-peer) ja infrastruktuuriverkkoihin.

3.1. Ad hoc -verkot

Kuva 1.

Yksinkertaisimmassa tapauksessa joukko laitteita, joissa on WLAN adapteri ja jotka ovat tarpeeksi lähellä toisiaan, muodostavat itsenäisen verkon. Katso kuvaa 1. Jos asemien välinen etäisyys kasvaa liian suureksi, verkkoyhteys katkeaa. Kun asemat palaavat kantaman sisälle, muodostuu yhteys uudelleen muutamassa sekunnissa. Käyttämällä tukiasemaa toistimena, voidaan itsenäisen verkon kantamaa kasvattaa jopa kaksinkertaiseksi kuten kuvassa 2.

Kuva 2.

Tämän tyyppiset verkot toimivat yleensä itsestään eli eivät tarvitse etukäteiskonfigurointia tai verkonhallintaa.

3.2. Infrastruktuuri-verkot

Infrastruktuuri muodossa yksi asemista toimii tukiasemana, jonka kanssa muut asemat keskustelevat. Tukiasemana voi toimia tavallinen tietokone tai erillinen tukiasemalaite. Useista tukiasemista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa, muodostuu langaton lähiverkko. Verkko ei yleensä kuitenkaan ole täysin langaton, vaan tukiasemat ovat kiinni perinteisessä lähiverkossa ja niiden välinen liikenne siis kulkee kaapelissa. Tästä on kuva 3.

Kuva 3.

Joissain tapauksissa myös tukiasemien välinen liikenne voidaan hoitaa radioteitse. Tukiasemat toimivat siltoina langattoman ja langallisen lähiverkon välillä ja ovat yhteydessä reitittimiin ja/tai kytkimiin. Tämä kaikki näkyy OSI -mallin ylemmille kerroksille yhtenä verkkona. Useat tukiasemat voivat muodostaa yhtenäisen peittoalueen, kattaen esimerkiksi rakennuksen tai kampuksen. Tällöin jokaisen tukiaseman peittoalue muodostaa solun kuten matkapuhelinverkoissa. Tukiasemien alueet peittävät toisensa osittain, jolloin laitteet pystyvät liikkumaan peittoalueella solusta toiseen tiedonsiirron katkeamatta. Tämä toiminto on nimeltään 'roaming'.

3.3. Kanavat

Tilanteissa, joissa on useampi kuin yksi tukiasema, kohdataan samanlaisia ongelmia kuin soluverkoissa yleensä. Ensimmäinen ja tärkein tehtävä on määritellä tukiasemille kanavat. Jos kaksi vierekkäistä tukiasemaa käyttävät samoja kanavia, on kommunikaatio päällekkäisten solujen kesken vaikeaa tai mahdotonta. Niinpä vierekkäisille soluille määritetään eri taajuusalueet (tai FHSS:n ollessa kyseessä, eri hyppelykuviot) ja samaa aluetta käyttävien solujen välillä on ainakin kaksi eri alueita käyttävää solua.

3.4. WLANin erityisongelmat

Kuva 4.

Lisäksi WLANin kanssa on omat erityistilanteensa verrattuna tavalliseen soluverkkoon. Jos kaksi laitetta käyttävät samaa tukiasemaa, mutta eivät kuule toisiaan kuten kuvassa 4, on törmäys mahdollinen. Jos toinen asemista alkaa lähettää samaa aikaa kuin toinenkin tai samalla kuin toinen asema jo lähettää, tapahtuu tukiasemalla törmäys. Asema ei tätä huomaa, eikä näin ollen tajua peräytyä, koska sen ei tarvitse huolehtia kuin ainoastaan siitä, että se on tukiaseman kantaman sisällä. Ongelma on ratkaistu lisäämällä delay- ja busy-indikaattorit yhteysprosessiin ja käyttämällä proxyä. Fragmentoitumisen estämiseksi tukiasema lähettää verkon varausvektorin (NAV, net allocation vector), joka kertoo asemalle kuinka kauan odottaa paketin kuittausta proxyn aiheuttamien aikaerojen kompensoimiseksi.

4. Protokollat

4.1. Protokollapino

802.11 protokolla määrittelee Media Access Control kerroksen (MAC), joka keskustelee kolmen erilaisen fyysisen kerroksen kanssa. MAC-kerros huolehtii radiotien saatavuudesta fyysisestä kerroksesta riippumattomin proseduurein. OSI-mallin fyysinen kerros tuo rajapinnan varsinaisen mediaan ja hoitaa varsinaisen signaloinnin verkon ylitse. MAC-alikerros on erillään fyysisestä, jotta mahdolliset uudet taajuuskaistat ja modulointimenetelmät voitaisiin päivittää järjestelmiin. Kuva 5 näyttää IEEE 802.11 ja 802.11b:n alimmat kerrokset verrattuna muihin protokollapinoihin.

Kuva 5.

4.2. Fyysinen kerros (OSI 1)

IEEE 802.11 tarjoaa kolme eri vaihtoehtoa fyysisen kerroksen toteuttamiseksi. Kaksi radiotaajuus teknologiaa, suorasekvenssi- (DSSS) ja taajuushyppely hajaspektrin (FHSS) sekä infrapunan. Näitä eri ratkaisuja voi verrata tavallisen lähiverkon eri kaapelointivaihtoehtoihin. Kolmen eri vaihtoehdon perusominaisuudet ovat:

• Suorasekvenssi hajaspektri (Direct Sequence spread spectrum, DSSS); 2,4-2,4835 GHz
  1. Käyttää jatkuvasti suurta taajuuskaistaa, 22 MHz
  2. Kalliimpi kuin kaksi muuta.
  3. Nopeudet 1, 2 ja 11 Mbps, nopein.
  4. Nopempi vasteaika kuin FHSS:llä
• Taajuushyppely hajaspektri (Frequency Hopping spread spectrum, FHSS); 2,4-2,4835 GHz
  1. Käyttää yhtä taajuutta kerallaan, hyppien satunnaisesti kaikkien taajuuksien välillä
  2. Helpompi ottaa käyttöön ja halvempi kuin DSSS
  3. Jos yhdellä taajuudella häiriöitä, voidaan jättää käyttämättä
  4. Nopeus 1-2 Mbps ja vasteaika hitaampi kuin DSSS:llä
• Infrapuna
  1. Halpa
  2. Nopeus 1 tai 2 Mbps
  3. Vaatii näköyhteyden tai heijastavan ympäristön
  4. Peittoalue radiotaajuus tekniikoita pienempi

Kuva K6.

802.11b:n dynaaminen nopeus tarkoittaa sitä, että laite osaa muuttaa yhteyden nopeutta sen pituuden ja laadun mukaan. Ideaalitapauksessa käyttäjällä on kaistaa 11 Mbps, mutta tilanteesta riippuen käytännön nopeus vaihtelee. Nopeutta säädellään fyysisellä kerroksella, eikä se vaikuta ylempien kerroksien toimintaan. Fyysinen kerros myös huolehtii virransäästöominaisuuksista.

4.2.1 Hajaspektri

Useimmat langattomat lähiverkot käyttävät radiotaajuusalueella toimivaa leveäkaistaista hajaspektritekniikka. Tämä tekniikka kehitettiin alunperin sotilaskäyttöön, luotettavaan ja turvalliseen kommunikointiin. Tähän päästään tehokkaan kaistankäytön kustannuksella. Eli lähetys vaatii enemmän kaistanleveyttä kuin perinteinen kapeakaistainen tekniikka, mutta tuloksena on signaali, joka on itseasiassa voimakkaampi ja helpompi havaita, edellyttäen että käytetyn hajaspektrin parametrit ovat tiedossa. Ulkopuolisesta kuulijasta hajaspektrilähetys kuullostaa taustakohinalta.

4.2.2. Suorasekvenssi hajaspektri, DSSS

Kuva 7.

Suorasekvenssitekniikka on luultavasti kaikkein tunnetuin hajaspektri. Systeemit käyttävät tekniikka, joka on samankaltainen kuin GPS satelliiteissa. Verrattuna taajuushyppelyyn suorasekvenssi tarjoaa paremman kantaman. DSSS:ssä bitit muunnetaan pidemmiksi sarjoiksi, esimerkiksi 1:n muotoon 00100101010 ja 0 käänteiseen muotoon kuten kuvassa 7, modulointimenetelminä ovat erilaiset PSK:t (Phase Shift Keying). Tämän jälkeen data lähetetään käyttäen leveää kaistaa. Vastaanottajan on tiedettävä koodi (spreading code), jota käyttäen lähetys on salattu, jotta salaus voitaisiin purkaa. Vaikka yksi tai useampi biteistä olisivat virheellisiä, voidaan lähetys tulkita tilastollisin menetelmin oikeaksi. Koodin käyttö mahdollistaa usean lähettimen samanaikaisen toiminnan samalla alueella ilman häiriöitä toisistaan. Ulkopuolinen kuulee vain laajakaistaista matalatehoista kohinaa. Kuvassa 8 näkyyvät normaalia ja suorasekvenssitekniikkaa käyttävien lähetysten spektrit.

Kuva 8

4.2.3 Taajuushyppely hajaspektri

Taajuushyppelyssä radio lähettää ja vastaanottaa datapurskeen yhdellä taajuudella ja sitten se vaihtaa taajuutta, lähettää ja vastaanottaa, vaihtaa taajuutta jne. Käytetyt taajuudet ja kaavan jonka mukaan niiden välillä hypitään tietävät vain lähettäjä ja vastaanottaja, jolloin muut eivät pysty seuraamaan lähetystä. WLANin käyttämä ISM-kaista on jaettu 78:aan 1 MHz kanvavaan ja yhtä kanavaa käytetään 100 ms. Kanavien valinta perustuu pseudosatunnaisalgoritmiin. Erilaiset hyppelykuviot mahdollistavat useita samanaikaisia yhteyksiä samalla taajuusalueella samanaikaisesti. Jos sattumalta jollakin kanavalla ilmenee häiriöitä, voidaan data lähettää seuraavan hypyn jälkeen uudestaan. Modulointiin käytetään FSK:ta (Frequency Shift Keying).

4.2.4. Infrapuna

IR-spesifikaation mukaan sekä lähetin, että vastaanotin ovat ei-suuntaavia ja käyttävät LEDejä (tai laseria) synnyttämään aallonpituudeltaan noin 900 nm IR-valoa. Valo heijastuu hyvin tyypillisistä sisätilojen materiaaleista ja etenee useiden heijastuksien kautta ympäristöön. Juuri tästä syystä pulssit saapuvat vastaanottimeen erilaisen viiven jälkeen, mutta tästä ei aiheudu merkittäviä ongelmia alle 10 Mbps:n nopeuksilla. Suuremman ongelman aiheuttavat lähettimen ja vastaanottimen välillä olevat kohteet, jotka voivat aiheuttaa merkittävää vaimennusta, jota kutsutaan varjostukseksi (shadowing). Vaimennusta ei voida kompensoida kasvattamalla lähetystehoa, sillä käyttäjät altistuvat säteilylle suoraan. Turvallisuussäädökset rajoittavat keskimääräisen välitetyn tehon muutamaan sataan milliwattiin. Esimerkiksi 1 Mbps nopeudella huipputeho on 2 W ja keskimäärin 125 mW. Infrapuna WLANia ei pidetä todellisena vaihtoehtona pitkällä tähtäimellä, koska näköyhteyden säilyttäminen on välttämätöntä.

4.3 Linkkikerros (OSI 2)

Linkkikerros on jaettu kahtia, kuten perinteisissäkin lähiverkoissa, LLC- (Logical Link Control) ja MAC- (Media Access Control) kerroksiin. MAC -kerros huolehtii fyysisen (tässä siis radioaallot) siirtomedian saatavuudesta. IEEE 802.11 standardin mukaan WLANissa informaation välittämiseen tulisi käyttää CSMA/CA- (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) menetelmää. Tiedonsiirron lisäksi MAC-kerros vastaa langattomien linkkien muodostamisesta, roamingista ja virransäästötoiminnoista.

5. Turvallisuus

Turvallisuusnäkökohdat on otettava huomioon mitä tahansa verkoa pystytettäessä. Perinteisten ongelmien, kuten autentikoinnin ja palomuurien lisäksi WLAN tuo mukanaan uusia riskejä. Radioaallot etenevät seinien läpi, mahdollistaen langattomien lähiverkkojen käytön sisätiloissa. Mutta on myös muistettava, että sama signaali on kenen tahansa saavutettavissa peittoalueella ja vaimentuneena vielä huomattavasti kauempanakin. Infrapunaratkaisun hyvänä puolena on, että silloin tieto pysyy taatusti seinien sisäpuolella. Hajaspektritekniikka sinällänsä vaikeuttaa salakuuntelua (eavesdropping), muttei tee sitä mahdottomaksi. Niinpä olisi syytä harkita verkossa lähetettävän tiedon salausta, ainakin luottamukselliselle informaatiolle. Tämä taas hidastaa yhteyksiä jonkin verran. /2,3,4/