Langattomat lähiverkot

21.11.1998

Henrik Petander

Sähkötekniikan Osasto

Teknillinen Korkeakoulu

lpetande@cc.hut.fi

1. Tiivistelmä

Langattomat lähiverkot perustuvat tiedon langattomaan siirtoon tietokoneiden välillä. Ne käyttävät yleensä siirtomediana joko radio- tai mikroaaltoja tai infrapunavaloa. Langattomat lähiverkot tai oikeastaan niihin liittyvät standardit ovat vielä kehitysvaiheessa ja eri valmistajien tuotteet eivät vielä ole täysin yhteensopivia. Langattomat lähiverkot eli WLANit ovat standardien puutteesta huolimatta leviämässä nopeasti varsinkin yrityskäytössä.

2. Johdanto

Mobiliteetin merkitys on kasvanut vuosi vuodelta tietoliikenteessä ja tämä kehitys on entisestään kiihtymässä. Tähän asti langaton tiedonsiirto on keskittynyt lähinnä puheeseen kapeakaistaisten ratkaisujen kuten GSM:n takia, mutta painopiste on siirtymässä datansiirtoon. Langattomia lähiverkkoja voidaan käyttää datan, äänen ja videon siirtoon rakennuksissa kampusalueillaja jopa yksittäisen kaupungin alueella. Lähiverkot ovat perinteisesti olleet kiinteitä, joko kuparikaapelin tai valokuidun päälle rakennettuja. Haluttaessa siirtää tietoa kannettavien tietokoneiden välillä ne joko täytyy liittää kiinteään lähiverkkoon tai niiden on pystyttävä kommunikoimaan käyttäen ilmaa väliaineena. Jälkimmäisellä vaihtoehdolla on selviä etuja monen sovelluksen kannalta. Esimerkiksi sairaalassa sairaanhoitajalle on merkittävästi helpompaa olla liittämättä kannettavaa tietokonetta jokaisen potilaan kohdalla seinässä olevaan verkkoliittimeen syöttäessään potilastietoja kierroksellaan.

3. Verkkoarkkitehtuurit

Toisin kuin kiinteässä lähiverkossa langattomassa lähiverkossa siirtotie ei määrää verkon muotoa vaan pikemminkin verkon tarkoitus. Verkon tarkoitus voi olla tarjota helppoa liikkuvuutta esimerkiksi toimistoympäristössä, jolloin kyseessä on tyypillisesti niin sanottu infrastruktuuriverkko. Toisaalta joukko tietokoneita (tai niiden käyttäjiä) voi haluta kommunikoida spontaanisti muodostaen ilman mitään verkkoinfrastruktuuria lähiverkon, jolloin puhutaan ns. Ad Hoc- tyyppinen verkosta.

3.1 Ad-hoc verkko

Ad Hoc langattomassa lähiverkossa useampi tietokone muodostaa siis lähiverkon kommunikoiden keskenään käyttäen ilmaa väliaineena. Yhteydet ovat point-to-point tyyppisiä ja koneiden välimatka on rajattu. Koneiden välinen maksimietäisyys riippuu pitkälti siirtotiestä, vaihdellen radiotaajuuksien useista kilometreistä infrapunataajuuden suoraan näköyhteyteen. Ad Hoc-verkon käyttöä rajoittaa yhteydet kiinteään verkkoon ja sitä kautta palvelimiin [3].

3.2 Infrastruktuuriverkko

Infrastruktuurilähiverkossa langaton lähiverkko on yhdistetty kiinteään lähiverkkoon ns. access pointeilla. Tällainen ratkaisu mahdollistaa langallisten lähiverkkojen yhdistämisen käyttäen esimerkiksi mikroaaltolinkkiä.

Toisaalta kannettavaan tietokoneeseen voidaan asentaa esimerkiksi radiomodeemi, jolloin käyttäjä voi hyödyntää lähiverkon tarjoamia palveluita koko rakennuksessa. Tällaisessa peer-to-peer verkossa on tyypillisesti yksi tai useampi access point, jota useampi kannettava tai desktop-kone käyttävät liittyäkseen lähiverkkoon. Tyypillisesti radiotekniikalla toteutetussa infrastruktuuri WLANissa voidaan käyttää roamingia, jolloin accesspoint, jonka kanssa kone kommunikoi vaihtuu koneen liikkuessa. Access pointit mahdollistavat myös pidemmät etäisyydet etäpäätteiden välillä lähettäjän access pointin vastaanottaessa signaalin ja vastaanottajaa lähinnä olevan access pointin uudelleen lähettäen signaalin suuremmalla teholla.[3]

4 Siirtotiet

Siirtomedialla on suuri vaikutus langattoman lähiverkon ominaisuuksiin ja siten myös käyttösovelluksiin. Siirtomatka, siirtokapasiteetti ja näköyhteys päästä päähän muodostavat kenties suurimmat rajoitteet eri siirtotavoille. Radiotaajuuksilla siirtomatkat voivat olla kohtalaisen pitkiä, mutta kapasiteetti on pienehkö. Sen sijaan mikroaaltotaajuuksilla siirtokapasiteetti on suuri, mutta maksimi siirtomatka jää lyhyeksi. Laser ja infrapunalinkki vaativat molemmat näköyhteyden ja infrapunavalo lisäksi lyhyen matkan, mikä rajoittaa niiden käyttöä lähiverkoissa.

4.1 Radiotaajuuksinen verkko

Eniten käytössä oleva siirtomedia on radiotie, erityisesti radiotaajuuksilla. Nykyään mobiilitietoliikenteessä eniten käytetty tekniikka GSM on esimerkki kapeakaistaisesta radiotietä hyväksikäyttävästä siirtotekniikasta. Koska radioaallot läpäisevät fyysisiä esteitä, kuten seiniä, helposti ja niiden kantama on useita kilometrejä, niin taajuusalueiden käyttöä säännellään tiukasti. Jokainen sovellus tarvitsee luvan tietyn radiotaajuuden käyttöön. Usein taajuusalueiden käytöstä sovitaan kansainvälisellä tasolla, jolloin sovelluksien toteuttaminen on helpompaa. Taajuusalueen rajaus kuitenkin tekee lähetys- ja vastaanottoelektroniikasta monimutkaisempaa ja nostaa myös hintoja, mutta tuotantomäärien kasvaessa on oletettavissa että hinnat tulevat laskemaan myös radiomodeemien osalta.

Koska radiosignaalin teho pienenee suhteessa etäisyyden neliöön täytyy lähetystehon olla mahdollisimman suuri. Erityisesti sisätiloissa seinät ja teräsrakenteet vaimentavat signaalin tehoa. Toisaalta kannettavissa tietokoneissa akku rajoittaa radiomodeemin tehonkäyttöä. Tästä johtuen Ad Hoc-WLANien koko jää väistämättä pienemmäksi kuin lankainfrastruktuuria hyödyntävän WLANIn. Ad Hoc verkossa kaistanleveys täytyy jakaa kaikkien yhtäaikaa lähettävien koneiden kesken, jolloin yksittäisen koneen saama siirtokapasiteetti pienenee. Infrastruktuuri WLANissa voidaan käyttää solutekniikkaa, jossa taajuusalue jaetaan vain viereisten solujen kanssa ja saadaan siten paremmin hyödynnettyä.

4.2 Mikroaaltotaajuuksilla toimiva lähiverkko

Mikroaaltotekniikalla toteutetut lähiverkot ovat pitkälti samanlaisia kuin radioaalloilla toteutetut. Korkeampi taajuus kuitenkin aiheuttaa voimakkaamman absorption väliaineeseen, eli seinät, ovet ym. vaimentavat mikroaaltoja huomattavasti enemmän kuin radioaaltoja. Suuremmat taajuudet kuitenkin mahdollistavat, välillisesti, suuremman siirtokapasiteetin.

4.3 Infrapunataajuudet, LED

Käytettäessä infrapunavaloa siirtokeinona ongelmaksi muodostuu auringon- ja keinovalon sisältämä infrapunasäteily, joka aiheuttaa häiriöitä. Jotta päästäisiin hyvään signaali-kohinasuhteeseen ja kohtalaiseen siirtonopeuteen lähetystehon on oltava suuri tai etäisyyden lyhyt. Yleensä infrapunayhteyksiä käytetäänkin vain hyvin lyhyillä matkoilla esimerkiksi kannettavan tietokoneen ja printterin välillä. Halsall mainitsee kirjassaan teoreettisen maksiminopeuden 10Mbit/s kun käytetään LEDejä valonlähteenä[3].

4.4 Laser

Käytettäessä LEDejä valonlähteenä siirtonopeutta rajoittaa matalampi tehotiheys, mutta käytettäessä koherenttia valoa tuottavaa laserdiodia päästään huomattavasti suurempiin siirtonopeuksiin. Kapeita säteitä voidaan myös käyttää usempia rajatussa tilassa, ilman että ne häiritsevät toisiaan. Laservalo soveltuu point to point yhteyksille hyvin point to multipoint on taas ongelmallisempi toteuttaa. Lasersäteen ongelmana vapaassa tilassa on sen suuri tehotiheys, sillä suuritehoinen laser voi vahingoittaa silmää[2].

5. Saantimenetelmät

Ethernetin suosion ansiosta CSMA eli kilpavaraus on levinnyt myös langattomiin lähiverkkoihin. CSMA/CD:n lisäksi käytetään myös CSMA/CA:ta eli Collision Avoidancea, jossa kone odottaa lyhyen ajan kuunnellen ennen lähetystä päätelläkseen onko toista lähetystä käynnissä. Mikäli tämän jakson aikana kukaan ei lähetä mitään kone aloittaa lähetyksen. CSMA/CA:ssa on tärkeätä valita oikeanpituinen satunnaisaika suhteessa koneiden määrään, jotta hyötysuhde saataisiin optimoitua. CSMA:n lisäksi langattomissa lähiverkoissa käytetään TDMA:ta ja FDMA:ta. TDMA:ssa jokaisella lähettäjällä on oma lähetysaika, joka toistuu tietyin aikavälein. FDMA:ssa jokaisella lähettäjällä on oma taajuuskaistansa. [3]

6. Standardit

Tällä hetkellä ainut valmis standardi langattomille lähiverkoille on ETSI:n DECT standardi, joka on jokseenkin rajoittunut, varsinkin siirtonopeuksien suhteen.Tällä hetkellä eri valmistajien systeemit eivät pääsääntöisesti ole yhteensopivia. Kuitenkin sekä IEEE että ETSI ovat laatimassa standardeja, jotka valmistunevat kohtalaisen pian.

6.1 Hiperlan

ETSI:n standardi, HIPERLAN, on tarkoitettu sekä infrastruktuuri, että Ad Hoc WLANeihin. Toteutus olisi radiotaajuuksinen siirtonopeuden ollessa 1-20Mbit/s asynkronisessa siirrossa ja synkronisessa siirrossa 64k-2,048Mbit/s. Etäisyys verkon solmujen välillä olisi noin 50m. HIPERLAN määrittelee miten rakentaa yksityisen WLANin ja siihen käytettävien komponenttejen ominaisuudet.[3]

6.2 IEEE 802.11

IEEE:n WLAN-standardi 802.11 sisältää laajemman joukon fyysisen kerroksen standardeja, jotka käyttävät radio- ja infrapunaaaltoja siirtokeinona. IEEE802.11 tarjoaa 1 ja 2Mbit/s nopeuksia radiotaajuuksilla ja 1,4 ja 10Mbit/s nopeuksia infrapunataajuuksilla.[3]

7. IPv6 ja WLAN

Koska langattomassa lähiverkossa kone vaihtaa paikkaa ja sen mukana access pointia muuttu sen IP-osoitekin aina tukiaseman vaihtuessa. Tämä aiheuttaa ongelmia, jos halutaan lähettä jotain koneelle eikä tiedetä tarkkaan missä osoitteessa se on fyysisesti. IPv6:ssa joka tulee tosin käyttöön ilmeisesti vasta vuoden 2000 jälkeen on ratkaistu joukko koneen liikkuvuuteen liittyviä ongelmia. Koneella on kotiosoite, jota ylläpitää koneen kotiverkon serveri. Toisen koneen lähettäessä kyselyn eli palvelupyynnön tähän osoitteeseen se uudelleenohjautuu koneen fyysiseen olinpaikkaan, josta kotiverkon serveri pitää kirjaa. Tällä hetkellä käytössä oleva IPv4 ei tue liikkuvuutta kunnolla, mikä vaikeuttaa langattomien lähiverkkojen toteuttamista.[4]

8. Langattomien lähiverkkojen turvallisuus

Koska tieto siirretään ilmassa käyttäen sähkömagneettista säteilyä, se leviää väistämättä jossakin määrin ympäristöön. Leviäminen on verrannollista aallonpituuteen, infrapunavalo ei läpäise ohuintakaan seinää, kun taas radioaallot voivat kantaa useiden kilometrien päähän. Käytettäessä radiotaajuuksia kaikki WLANin läpi siirrettävä tieto on käytännössä jaettu kaikkien lähialueella olevien kanssa. Käytettäessä WLANia luottamuksellisen tiedon asiirtoon haitat ovat ilmeisiä. Ainoa toimiva ratkaisu tähän ongelmaan on tiedon salaus. Salaus voidaan laittaa protokollapinoon lähes mihin tahansa kerrokseen, mutta alemmissa kerroksissa sillä voidaan saavuttaa suurempia hyötyjä kuin sovelluskerroksessa. Käytännössä salattu verkkokerros on hyvä tai jopa välttämätön WLANin mielekkäälle käytölle esimerkiksi yrityksissä.[1]

Lähdeluettelo

[1] Brenner, P., A Technical Tutorial on the IEEE 802.11 Protocol, 18.7.1996,
< http://www.breezecom.com/pdfs/802.11Tut.pdf >

[2] Engdahl,T.,Heijola A., Langattomat Lähiverkot,harjoitustyö, Teknillinen Korkeakoulu, Teletekniikan Laboratorio, Espoo, 18.4.1995,
< http://www.hut.fi/~then/lan/langaton.html >

[3] Halsall F., Data Communications, Computer Networks and Open Systems,4. painos, Addison Wesley Longman Limited, Harlow UK, 1997,907 s.

[4] The Internet Engineeering Task Force, Internet Draft ,Mobility Support in IPv6, 23.7.1998,
< http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-mobileip-ipv6-06.txt >

Lisätietoja