Vezeték nélküli LAN-ok: 802.11

Már kevéssel a hordozható számítógépek megjelenése után is sokan álmodtak arról, hogy egyszer majd csak besétálnak az irodába, és a hordozható számítógépük valamilyen varázslatos módon azonnal felkapcsolódik az internetre. Amint ez az igény felmerült, több csoport is elkezdett módszereket kidolgozni a cél elérésére. A leggyakorlatiasabb megközelítés az, hogy mind az irodai számítógépeket, mind a noteszgépeket kis hatósugarú rádió-adóvevőkkel szereljük fel, így téve lehetővé köztük a kommunikációt.

Ez a munka hamar eredménnyel járt: megjelentek a vezeték nélküli LAN-ok, amelyeket sok cég forgalmazott. A baj az volt, hogy esélyünk sem volt két, egymással kompatibilis LAN-t találni köztük. A megoldások számának ilyen mértékű növekedése azt eredményezte, hogy egy X márkájú rádióval épített számítógépet nem lehetett működésre bírni egy Y márkájú bázisállomással felszerelt szobában. Végül az 1990-es évek közepén az iparág úgy döntött, hogy jó ötlet lenne kidolgozni egy vezeték nélküli LAN-szabványt, ezért megbízták az IEEE azon bizottságát, amelyik a vezetékes LAN-okat is szabványosította, hogy dolgozzon ki egy szabványt a vezeték nélküli LAN-okra.

Az első kérdés volt a legkönnyebb: mi legyen a neve? Az összes többi LAN-szabvány számozva volt 802.1-től 802.10-ig, így a vezeték nélküli szabványt 802.11-nek nevezték el. Ennek az egyik gyakori beceneve a Wi-Fi,¹¹ de mivel ez egy fontos szabvány, és megérdemli a tiszteletet, a rendes nevén, 802.11-nek fogjuk nevezni.

A többi már nehezebbnek bizonyult. Az első probléma az volt, hogy találni kellett egy alkalmas frekvenciasávot, amely – lehetőleg világszerte – használható. A használt megközelítés a mobiltelefon-hálózatok esetében látottak ellenkezője volt. A drága, engedélyköteles spektrum helyett a 802.11 rendszerek olyan szabadon felhasználható sávokban működnek, mint az ITU-R által kijelölt ISM (Industrial, Scientific and Medical –ipari, tudományos és orvosi) sávok (például 902–928 MHz; 2,4–2,5 GHz; 5,725–5,825 GHz). Ezt a spektrumot bármilyen eszköz használhatja, ha betartja azt a szabályt, hogy úgy korlátozza az adó teljesítményét, hogy más eszközök is működhessenek a környezetében. Természetesen ez azt is jelenti, hogy a 802.11 rádióknak esetleg vetélkedniük kell a vezeték nélküli telefonokkal (cordless phones), garázsajtó-nyitókkal és mikrohullámú sütőkkel.

A 802.11 hálózatok alkotóelemei a kliensek, például noteszgépek és mobiltelefonok, valamint az épületben elhelyezett infrastruktúra, mely AP-kból (Access Point –hozzáférési pont) áll. A hozzáférési pontokat gyakran

11 Hivatalosan Wi-Fi a neve, de sok helyen WiFi, Wifi, wifi névvel is illetik. A betűszó a Hi-Fi mintájára készült szójáték. (A lektor megjegyzése)

nevezik bázisállomásnak (base station) is. A hozzáférési pont a vezetékes hálózathoz csatlakozik, és a kliensek közötti összes kommunikáció egy-egy hozzáférési ponton keresztül zajlik. Az is lehetséges, hogy két, egymás hatósugarában levő kliens közvetlenül kommunikáljon egymással, például két számítógép egy hozzáférési pont nélküli irodában. Ezt a felállást alkalmi vagy ad hoc hálózatnak (ad hoc network) nevezzük. Sokkal ritkábban használt, mint a hozzáférési pont által vezérelt mód. Mindkét működési mód látható az 1.33. ábrán.

1.33. ábra - (a) Vezeték nélküli hálózat bázisállomással. (b) Ad hoc hálózat

A 802.11 adatátvitelt nehezíti, hogy a vezeték nélküli átviteli feltételek a környezet legkisebb változásával is módosulhatnak. A 802.11 által használt frekvenciákon a rádiójeleket a szilárd testek visszaverhetik, így a jelek (több útvonal mentén) többször is megérkezhetnek a vevőhöz. A visszhangok kiolthatják vagy felerősíthetik egymást, a vett jel nagyfokú ingadozását okozva. Az így létrejövő interferencia jelenség az úgynevezett többutas terjedés miatti jelgyengülés vagy féding (multipath fading), mely az 1.34. ábrán figyelhető meg.

1.34. ábra - Jelgyengülés többutas terjedés esetén

A kulcsötlet ahhoz, hogy úrrá legyünk a vezeték nélküli átvitel változó körülményei fölött, az útvonal-diverzitás (path diversity), vagyis az információ több, független útvonalon történő elküldése. Ily módon az információ még abban az esetben is valószínűsíthetően megérkezik, ha az egyik útvonal gyenge a féding miatt.

A független útvonalak kezelése jellemzően a digitális modulációs eljárásba épül be a fizikai rétegben. A lehetőségek között megtaláljuk az engedélyezett sávon belüli különböző frekvenciák használatát, az eltérő antennapárok közötti eltérő útvonalak meglétét, vagy a bitsorozatok különböző ideig tartó ismétlését.

A 802.11 különböző verziói felhasználták ezeket a módszereket. A kezdeti (1997-es) szabvány olyan vezeték nélküli LAN-t definiált, mely azáltal tudott elérni 1 vagy 2 Mb/s sebességet, hogy a különböző frekvenciák között ugrásokat végzett vagy szétszórta a jelet a teljes engedélyezett spektrumban. Az emberek szinte azonnal panaszkodni kezdtek, hogy túl lassú, így további munka kezdődött a gyorsabb változatok kidolgozására. A szórt spektrumú működést kiegészítették, és ebből lett az (1999-es) 802.11b szabvány, mely akár 11 Mb/s sebességre is képes. A 802.11a (1999) és a 802.11g (2003) szabványok egy másik, OFDM-nek (Orthogonal Frequency Division Multiplexing –ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelés) nevezett modulációs eljárásra váltottak. Ez a spektrum egy széles sávját sok kis szeletre bontja fel, melyeken keresztül párhuzamosan küldi az egyes biteket. Ez a javított működési mód, melyet a 2. fejezetben tanulmányozunk majd, egészen 54 Mb/s sebességig tornázta fel a 802.11a/g hálózatok sebességét. Ez jelentős növekedés, de az emberek még ennél is nagyobb átviteli teljesítményre mutattak igényt. A legújabb verzió a 802.11n (2009). Szélesebb frekvenciasávokat használ, valamint számítógépenként legfeljebb négy antennát, hogy akár 450 Mb/s sebességet érjen el.

Mivel a vezeték nélküli technológiák természetüknél fogva adatszórásos átviteli közeggel dolgoznak, a 802.11-es rádióknak is meg kell küzdeniük azzal a problémával, hogy az egy időben küldött adások ütközni fognak, ami zavart okozhat a vételben. Ennek a problémának a kiküszöbölésére a 802.11 a CSMA- (Carrier Sense Multiple Access –vivőjel-érzékeléses többszörös hozzáférés) módszert használja, mely a klasszikus vezetékes Ethernetből vesz ötleteket, amelyet – ironikus módon – egy Hawaii-on fejlesztett, ALOHA-nak nevezett korai vezeték nélküli hálózatból merített. Az adás megkezdése előtt a számítógép mindig vár egy rövid, véletlenszerű hosszúságú ideig, és elhalasztja az adást, ha azt hallja, hogy valaki más már éppen ad. Ezzel a módszerrel sokkal kisebb a valószínűsége annak, hogy két számítógép egyszerre adjon. Mindazonáltal ez mégsem működik annyira jól, mint a vezetékes hálózatok esetében. Hogy lássuk az okát, nézzük meg az 1.35. ábrát. Tegyük fel, hogy az A számítógép a B számítógépnek ad, de A rádiójának hatótávolsága túl kicsi ahhoz, hogy a C számítógépet elérje. Ha CB-nek akar adni, belehallgathat az éterbe az adás megkezdése előtt, de az a tény, hogy nem hall semmit, még nem jelenti azt, hogy az adás sikeres is lesz. Mivel C nem hallhatja A-t az adás megkezdése előtt, ütközés fog történni. Minden ütközés után a küldő egyre hosszabb, de továbbra is véletlenszerű hosszúságú időt vár, majd újraküldi a csomagot. Ennek és más nehézségek ellenére a gyakorlatban elegendően jól működik ez a módszer.

1.35. ábra - Az egyes rádiók hatósugara nem feltétlenül fedi le a teljes rendszert

A következő probléma a mobilitás. Valamilyenfajta átadás-átvételre van szükség, amikor egy hordozható számítógépet átvisznek az általa éppen használt bázisállomás hatókörzetéből egy másik bázisállomás hatókörzetébe. A megoldás az, hogy a 802.11 hálózat több cellából épül fel, melyek közül mindegyik rendelkezik egy-egy bázisállomással, valamint egy olyan elosztórendszerből, ami összeköti a cellákat. A elosztórendszer gyakran kapcsolt Ethernet, de bármilyen más technika is lehet. A kliens a mozgása közben találhat olyan hozzáférési pontot, melynek erősebb a jele, mint amit éppen használ, és megváltoztathatja a társításukat. Kívülről az egész rendszer egyetlen vezetékes LAN-nak tűnik.

Mindezek tudatában a mobilitás a 802.11 hálózatokban még csak korlátozott értékkel bír a mobiltelefon-hálózatokban megvalósított mobilitással összehasonlítva. Jellemzően a 802.11-et ritkán mozgó (ún. nomád) kliensek használják, melyek egyik rögzített helyről egy másikra mennek ahelyett, hogy mozgás közben használnák azokat a felhasználóik. A mobilitásra nincs igazán szükség ebben a vándorló felhasználási módban.

Amikor pedig ténylegesen kihasználjuk a 802.11 mobilitását, általában csak egyetlen 802.11 hálózaton belül tesszük azt, ami akár egy nagyobb épületet is lefedhet. A jövőbeli módszereknek eltérő hálózatok és technikák (például 802.21) között is biztosítaniuk kell majd a mobilitást.

Végezetül lássuk a biztonság kérdését. Mivel a vezeték nélküli adás adatszórással történik, a közelben levő számítógépek könnyen megkapják a nem nekik szánt csomagokat. Ennek megelőzésére a 802.11 szabvány egy titkosító eljárást is tartalmazott, melyet WEP (Wired Equivalent Privacy –vezetékessel egyenértékű titkosság) néven ismerhetünk. A cél az volt, hogy a vezeték nélküli biztonsági szint összemérhető legyen a vezetékessel. Az ötlet dicsérendő, de sajnálatos módon a titkosító eljárás hibás volt, és hamarosan fel is törték [Borisov és mások, 2001]. Azóta újabb, eltérő kriptográfiai módszereket alkalmazó algoritmusok váltották fel a 802.11i szabvány formájában, melyet Wi-Fi Protected Access (Wi-Fi védett hozzáférés) névvel is illetnek (kezdetben ez a WPA volt, de mára a WPA2 leváltotta).

A 802.11 forradalmat okozott a vezeték nélküli hálózatok terén, mely a jövőben is folytatódni fog. Az épületeken túlmenően gyors ütemben telepítik ezeket a hálózatokat vonatokon, repülőkön, hajókon és gépjárművekben, hogy az emberek bárhol használhassák a világhálót, amerre járnak. A mobiltelefonok és mindenféle fogyasztói elektronikus eszköz, kezdve a játékkonzoloktól a digitális fényképezőgépekig, képes kommunikálni ezzel a technikával. Részletesen visszatérünk majd rá a 4. fejezetben.