Bežični mrežni protokoli

Dana siječanj 10th, 2012, objavljeno u: Wireless advanced od strane Komentari isključeni za Bežični mrežni protokoli

Zbog brzog razvoja wireless tehnologija danas imamo cijeli niz proizvoda i protokola dostupnih kako kućnoj tako i profesionalnoj upotrebi. Da to ne bi bilo tako jednostavno svaka ta tehnologija ima svoje specifično tržište, a tako i uređaje. Uz to stvari komplicira i tolika masa samih uređaja na tržištu koji imaju svoj hardware, svoje protokole i svoj software što na kraju dovodi do nekompatibilnosti između njih, a još gore i do interferencije. U nastavku slijedi kratak uvod u danas najraširenije wireless network protokole na području potrošačke elektronike, a i šire.

O 802.11 standardu

802.11 standard definira protokol koji se tiče općenito svih ethernet uređaja okrenutim wireless prometu. No unutar samog standarda postoje pod standardi koji se takmiče za svoje mjesto na tržištu.

LAN i IEEE

Puno prije nego što su wireless mreže izašle iz na svijetlo dana, IEEE (Institute of Electricaland Electronics Engineers) je napravio sistem po kojem se nove tehnologije mogu certificirati. IEEE certifikat osigurava da neka tehnologije može biti kompatibilna sa dugim proizvodom koristeći istu certificiranu tehnologiju. Naravno jedna od mnogih tehnologija koja je prošla kroz taj postupak certifikacije su Lokalne Mreže (Local Area Network, skraćeno LAN). LAN je jednostavno lokalna grupa spojenih računala uz naravno hardware i software koji omogućuje komunikaciju između njih. Kakogod, ima mnogo pravila i specifikacija koje su potrebne da bi proizvod bio proglašen LAN kompatibilan. Iz tog razloga IEEE je napravio 802 grupu, koja je odgovorna za ispitivanje kako starih tako i novih mrežnih tehnologija da bi osigurao njihov pouzdan rad, a i također rad bez konflikata. Kada dođe nova tehnologija na certificiranje, grupa je pomno istraži i ispita uz naravno podosta testova koje mora proći da bi dokazala da je stvarno zaslužila certifikat.
802 certifikat sadrži i mnoge pod grupe, koje predstavljaju pojedina “odjeljenja” mreže. 802.3 primjera radi je standard koji definira Ethernet. Ako će se neki proizvod smatrati ethernet, on mora ispunjavati sve zahtjeve specificirane u 802.3. Ovo nas na kraju vodi i do wireless -a, koji je klasificiran i kontroliran sa strane 802.11 grupe.

Uz dodatak tome 802.11 je opet razdijeljen u vise manjih specifičnih certifikata, kao npr.802.11b, 802.11g. Svaka ta grupa definira metodu za omogućavanje wireless etherneta. Svaki taj protokol navodi razne aspekte prijenosa podataka koji ih dalje razlikuju od druge grupe.

Razumijevanje CSMA/CD

Jedan od najpopularnijih standarda postavljenih od 802 grupe je 802.3 standard. To je certifikat koji dobivaju ethernet ready uređaji. Tako svaki ethernet proizvod mora imati tehnologiju poznatu pod CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection).CSMA/CD nije ništa drugo nego podizanje ruke u učionici. Kada se prepolovi ta cijela riječ na dijelove CS znači da samo jedan uređaj može pričati u isto vrijeme. MA znači tehnički rečeno da ima više uređaja koji slušaju. Da se vratim na učionicu. Svi čuju što drugi pričaju no obraća li se netko određenoj osobi za nas je to potpuno nebitno i možemo to ignorirati. Sada nam još ostaje CD. To označava da svaki ethernet adapter (Network Interface Card, skraćeno NIC) može primijetiti da su dva uređaja počela pričati u isto vrijeme. Kada se to desi oboje zašute na tren (random broj). Uređaj sa manjim vremenom čekanja počinje prvi.
U wireless svijetu dosta se često susrećemo sa CA (Collision Avoidance). To je najava nekoga daće početi pričati pa tako neće doći do istovremenog rada dva uređaja.

Frekvencije

Svi 802.11x standardi koriste ISM (Industrial, Science, and Medical) frekvencije, postavljene sa strane FCC (Federal Communications Commission). Te su frekvencije otvorene frekvencije i može ih koristiti bilo tko. To su 900 MHz, 2,5GHz i 5GHz. Nakon što je IEEE prihvatio 802.11 u 1997, tri su tehnologije postale glavne za prijenos podataka u wireless svijetu. To su FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence SpreadSpectrum) i DFIR (Diffuse Infrared).

2,4GHz

2,4 GHz polje je otvoreno frekventno polje u kojem rade mnogi uređaji, uključujući telefone i mikrovalne. FCC je otvorio takvo polje da bi omogućio proizvođač ima da naprave uređaje koji ne trebaju posebno FCC odobrenje. Tako bilo tko može napraviti 2,4 GHz uređaj i služiti se njime bez straha daće upasti u radio Policije ili Hitne pomoći. To je na prvi pogled dobro rješenje no toliko je uređaja danas u ovome spektru, da ćemo prije ili kasnije naići na nekeinterferencije i smetnje.

DSSS

DSSS pomaže u sprječavanju interferencija tako da rastegne signal preko više frekvencija u isto vrijeme. Drugim riječima DSSS može prepoloviti podatke i poslati ga u više dijelova na različitim frekvencijama. To pomaže u bandwidth -u ali i omogućava više uređaja u jednom W-Lanu.

802.11a

802.11a je zapravo prvi potvrđeni (prihvaćeni) wireless standard mada je u komercijalnu uporabu zakasnio za b standardom. Može prenositi do 54Mbps, što je otprilike 5x brže nego b uređaji. 802.11a nije previše zaživio u svijetu, a glavni razlog je njegov 5Ghz spektar. Njegova metoda za prijenos također se razlikuje. On koristi OFDM metodu koja je opisana u nastavku.

5GHz

Kao što je navedeno 2,4GHz polje je odavno pretrpano uređajima. 5GHz spektar je recimo još uvijek dosta slobodan. Ovo duplo povećanje frekvencije je i preko 2 puta brže što uz promjenu prijenosne metode dovodi do oko 5 puta povećanja u brzini. No sve ima prednosti i mana. Cijena i smanjeni domet nisu išli na ruku A standarda i danas se ova frekvencija još uvijek ne koristi u tako širokoj primjeni kao 2,4GHz.

OFDM

802.11a koristi OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tako da uzme 5GHz i prepolovi ga u nekoliko preklapajućih frekvencija. Drugim riječima OFDM u jednom ciklusu može prenijeti puno više podataka. U nekom pogledu, 802.11a može slati podatke na frekvenciji od preko 15GHz. Slika ispod pokazuje primjer OFDM signala na kojoj se vidi zapravo poluperioda pune frekvencije razdijeljena u više manjih. To ne samo da ubrzava prijenos nego i sprječava kolizije wireless uređaja.

802.11b/g

Mada je b sporiji od a standarda ima neke prednosti koje su mu doprinijele tako veliku popularnost. Za razliku od a on ima stabilan signal na većim udaljenostima zbog duplo manje frekvencije te i nižu cijenu. Tu dolazi g standard. G radi također na 2,4GHz, a brzina mu je teoretski 54Mbps. Mada su se sada počeli pojavljivati i g uređaji sa teoretskom brzinom od 108 Mbps, tih 108 se ipak još uvijek odnosi na korištenje istih uređaja tj. istih proizvođača. G standard također koristi OFDM koja mu omogućuje povećanje brzine naspram B.

HomeRF

Otprilike kada je WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) odobrila 802.11 standard, nekoliko je tipova wireless tehnologije predstavljeno svijetu. Mada je malo njihu opće ušlo u PAN (Personal Area Network) tržište neke su tehnologije zamalo porazile 802.11. Jedna od tih je bila HomeRF. Koristeć i SWAP (Shared Wireless Access Protocol), HomeRF je spojila FHSS sa 6 glasovnih kanala temeljenih na DECT –u (Digital EnhancedCordless Telecommunications). Znači da HomeRF može prenositi kako data tako i voicestream koji mogu raditi u isto vrijeme. Uz to ova tehnologija ne zahtjeva centralne tačke, ona sve radi sama.

FHSS

HomeRF koristi novu frequency control tehniku (standard) FHSS. Kada se koristi u kombinaciji sa 2,4GHz frekvencijom, signal može promijeniti kanal 50 puta u sekundi. Ovo pomaže pri stabilnosti mreže, i uz neku drugu postojeću HomeRF mrežu. Koristeći cijeli frekvencijski spektar više mreža mogu djelovati u isto vrijeme bez straha od interferencije.

Sam FHSS se koristio i kod prvih implementacija 802.11 standarda. Tada je HomeRF koristila napredniju verziju i mogla postići 1,6Mbps, za razliku od 802.11 koje je mogao 1Mbps.Ova se tehnologija nije dugo zadržala na tržištu zbog relativno niskog bandwidtha, a isto tako i dometa. Glavna prednost bila joj je niska cijena ali i to kasnije, nakon pada cijena 802.11 uređaja, nije previše značilo.

IrDA

IrDA je skraćenica od Infrared Data Association. To je standard kontroliran od strane IrDAconsortium –a. IrDA specifikacije obuhvaćaju fizičke uređaje ali i protokole koji ih povezuju. IrDA je wireless tehnologija koja se ugrađuje u uređaje koji zahtijevaju bežični prijenos malih količina podataka. Zbog relativno niske cijene ove tehnologije integrira se u mnoge satove, PDA, telefone, laptope, tipkovnice, miševe itd. Mada je u zadnje vrijeme ugrožena sa strane Bluetooth tehnologije IrDA ne ide nigdje još neko vrijeme.

IrDA –ina snaga je u svestranosti. Ona je standard sam za sebe što rezultira jednostavnu i jeftinu ugradnju u skoro bilo što. Ali uz to ima i velike nedostatke što ga ograničava u funkcionalnošću. IrDA koristi vremenski pulsirajući snop svijetla za prijenos podataka. Paleći i gaseći ta svijetla ona prenosi bit po bit tako sve do 4Mbps. Ovo je dovoljno za neke uređaje no za mnoge nije jer se podatci od par MB prenose par minuta i sve to ako su jedan do drugoga.IrDA kao prijenosni medij koristi svijetlo što znači da ništa ne smije zapriječiti vidljivi pravac između dva uređaja. Isto tako je osjetljivost na jako osvijetljenu prostore zbog frekvencije treptanja žarulja. Sve te stvari vrlo lako dovedu do greške u prijenosu. Uz sve to udaljenost za normalan rad IrDA –e ne bi smjeo prelaziti 1m. To su glavni prepreke daljnjeg velikoga razvoja IrDA –e.

Bluetooth

Do sada je pisano o različitim wireless tehnologijama. Neke imaju veliku udaljenost i kompliciranije konfiguriranje dok drugi malu udaljenost i skoro nikakvo konfiguriranje. Tu između njih svoju upotrebu i tržište nalazi bluetooth.
On je nastao kao rezultat suradnje preko 1000 firmi. Zadaća im je bila napraviti tehnologiju koja je jeftina, kojom se jednostavno služiti i koja je naravno bežična. Kao i 802.11b i g, bluetooth radi u 2,4GHz ISM polju. Mada je to polje već dovoljno zagušeno i bez njega, njegov mali domet, od desetak metara, ne stvara velike probleme.
Bluetooth koristi FHSS ali ne na prije opisani način. On skače preko 79 kanala 1600 puta u sekundi. Ova tehnologija i mala izlazna snaga omogućuju Bluetooth –u funkcioniranje sa skoro zanemarivom interferencijom. BT nema nikakve basnoslovne brzine. Brzina mu ide do 730Kbps. No njegova snaga je u konfiguriranju tj. u ne konfiguriranju. Dovoljno je ući u domet i početi shareati podatke.
Kada BT uređaj zatraži podatke od drugog BT uređaja, prvi postaje master. Ovo je važan dio BT –a jer master uređaj kontrolira kako će podatci teći. Kao što sam rekao BT koristi FHSS komunikaciju. Znači da se frekvencija brzo mijenja dok uređaji komuniciraju. Svaka promjena frekvencije predstavlja drugi kanal. Tako je moguće imati više BT uređaja koji komuniciraju međusobno u malom prostoru. Master uređaj odlučuje koje frekvencije se koriste i po kojem redu. To se postiže pomoću identifikacijskog broja poznatog pod BD_ADDR (Bluetooth Device Address). Svaki uređaj ima jedinstveni BD_ADDR pa su vrlo male vjerojatnosti da će dvije BT komunikacije dijeliti istu frequency hopping shemu. No ni tu nije kraj BT mogućnostima. BT uređaj može posredovati prijenos i tako formirati takozvani piconet. Piconet isto koristi BD_ADDR za kontrolu prijenosa slave uređaja.

Na slici se vidi da ne komuniciraju svi uređaji direktno jedan sa drugim. Oni prenose podatke BT uređaja koji nisu u dometu mastera.
Sam BT ima nekoliko zaštitnih opcija za autentifikaciju, autorizaciju i enkripciju. Prvi je personalni identifikacijski broj (Personal Identification Number, skraćeno PIN). To je najpoznatiji tip zaštite koji ukoliko obje strane nemaju isti PIN komunikacija ne može početi. PIN inače nije kriptiran no ne može ga se tako lako otkriti jer bi za to trebao dosta napredan snifer. Snifer koji bi mogao prvo saznati BD_ADDR pa biti spreman na skok sa frekvencije ina kraju mora nadgledati podosta frekvencija da zna na koju će skočiti.
Enkripcija se isto može postići unutar BT –a. Uređaji tada kombiniraju BD_ADDR, PIN i ugrađeni ključ u master uređaju da bi napravili enkriptiranu komunikaciju. Uz to postoji i opcija napredne zaštite pomoću protokola koji se služi BT –om. To može biti i TCP/IP patako i SSL dolazi kao opcija.