Langattomat lähiverkot

29.10.1999

Janne Gustafsson
45433e
Tfy IV
Teknillinen korkeakoulu
Janne.Gustafsson@hut.fi

Tommi Gustafsson
45434f
Tfy IV
Teknillinen korkeakoulu
Tommi.Gustafsson@hut.fi


Tiivistelmä

Viime vuosien kehityksen tuloksena langattomat lähiverkot ovat tulleet varteenotettavaksi vaihtoehdoksi langallisten lähiverkkojen rinnalle. Vapaa liikkuminen työpaikalla sekä ylläpidettävyys ja skaalautuvuus tekevät langattomasta lähiverkosta houkuttelevan vaihtoehdon, mutta toistaiseksi vaatimattomat tiedonsiirtonopeudet ja korkea hinta ovat estäneet ratkaisun yleistymisen. Uusien teknologioiden myötä tilanne on kuitenkin muuttunut.


1 Johdanto

2 Edut ja käyttökohteet

3 Teknologiat

4 Standardit

5 Arviointia

6 Pohdintoja

Lähdeluettelo

Lisätietoja


1 Johdanto

Langaton lähiverkko (Wireless Local Area Network, WLAN) koostuu liikkuvista päätteistä (Mobile Terminal, MT), jotka kommunikoivat radioaalloilla tukiaseman (Access Point, AP) kanssa. Yleensä MT:t ovat WLAN-kortilla varustettuja kannettavia tietokoneita. Tukiasema on tavallisesti pienehkö laite, joka sijoitetaan alueelle, jossa lähiverkkoa halutaan käyttää. Mitä suurempi alue, sitä enemmän tukiasemia tarvitaan kuuluvuuden takaamiseksi. Periaatteessa langaton lähiverkko toimii kuin matkapuhelinverkko, mutta pienemmässä mittakaavassa ja pienemmillä tehoilla. MT kiinnittyy aina parhaiten kuuluvaan tukiasemaan (ainakin uusimmissa verkoissa), ja se voi vaihtaa asemaa kuuluvuuden heiketessä verkkoyhteyden katkeamatta. [5]

Langattomia lähiverkkoja on ollut käytössä Yhdysvaltojen armeijalla jo pitkään, mutta kaupallista merkitystä ne alkoivat saada vasta 90-luvun alun jälkeen, ja nyt niiden kehitykseen panostetaan hyvin paljon. Ensimmäisiä WLAN-toimittajia olivat RadioLAN sekä Proxim, joka on kehittänyt OpenAir-standardin. Langattomien lähiverkkojen ensimmäinen kansainvälinen standardi, IEEE 802.11, saatiin valmiiksi vasta vuonna 1997 seitsemän vuoden työn tuloksena. Sen ilmestyttyä alettiin välittömästi kehittää uudempia standardeja tiedonsiirron nopeuden parantamiseksi. Vuoden 1999 lokakuussa ilmeistyivät ensimmäiset IEEE 802.11b-standardiin perustuvat WLAN-tuotteet, ja vuonden 2000 keväällä on tarkoitus saada ETSI:n kehittämään HiperLAN/2-standardiin perustuvat laitteet kauppoihin. [3, 4, 5]

Langaton lähiverkko voi olla joko tavallisen LANin osa tai sen korvaava kokonaisuus. Tulevaisuudessa vanhat lähiverkot todennäköisesti säilyvät, mutta niihin lisätään langattomia segmenttejä. Kuitenkin osa lähiverkoista tulee muuttumaan kokonaan langattomiksi, varsinkin sellaisilla työpaikoilla, joissa liikkuvuus on hyvin tärkeää kuten sairaaloissa. [6]


2 Edut ja käyttökohteet

Kiinteissä LANeissa käyttäjä on usein sidottu työskentelemään verkkopistokkeiden läheisyydessä, mutta langattoman verkon käyttäjä voi kulkea vapaasti tukiasemaverkon kuuluvuusalueella. Langattomuus hyödyttää käyttäjien lisäksi verkon ylläpitäjää, jonka ei tarvitse vetää johtoja pystyttääkseen verkkoa. Myös uusien koneiden lisääminen verkkoon käy käden känteessä. [6]

Sen lisäksi, että langattoman lähiverkon käyttäjät voivat liikkua vapaasti tukiasemien läheisyydessä, voi koko verkkoa siirtää paikasta toiseen siirtämällä tukiasemia. Tämä mahdollistaa lähiverkon nopean muodostamisen esimerkiksi kokoustiloihin. Verkon että käyttäjien liikkuvuus on omiaan nostamaan ihmisten tuottavuutta. Lisäksi verkko voidaan tuoda paikkoihin, joihin johtoja ei voida vetää. [6]

Langaton lähiverkko on käytännöllinen esimerkiksi sairaaloissa, joissa lääkärit ja sairaanhoitajat voivat hakea potilastietoja välittömästi, kun niitä tarvittaan. Konsultointiryhmät taas voivat muodostaa vaivattomasti oman lähiverkkonsa asiakasyrityksen tiloihin. Opetuslaitoksissa langaton lähiverkko mahdollistaisi tiedon hakemisen luentojen aikana. Sen avulla myös varastotyöntekijät pystyisivät tutkimaan tietokantoja missä päin tahansa varastoa. [6]

Lisäksi langatonta tekniikkaa voidaan käyttää korvaamaan local loop Internetiin pääsyssä. Tällöin puhutaan langattomasta Internettiin pääsystä (Wireless Internet Access, WIA), mutta se ei varsinaisesti liity WLANeihin. [2]


3 Teknologiat

Tällä hetkellä langattomissa lähiverkoissa on käytössä kolme eri tekniikkaa: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) ja infrapuna (IR). IR:ää ei käytetä paljoakaan, koska infrapunasäteily ei läpäise läpinäkymättömiä esineitä, ja se vaimenee melko voimakkaasti ilmassa. Spread Spectrumit ovat radioaaltotekniikoita, joissa osa kaistanleveydestä on käytetty luotettavuuden ja turvallisuuden takaamiseen. FHSS:ssä sekä lähetin että vastaanotin vaihtavat taajuutta hyvin lyhyin väliajoin tietyn kaavan mukaisesti. Jos vaihtelukaava ei ole tiedossa, vaikuttaa FHSS taustahälyltä. DSSS:ssä generoidaan lähetykseen redundantti bittikoodi, jonka avulla lähetyksessä vioittunutta dataa voidaan korjata tilastollisilla menetelmillä. [7]

Tällä hetkellä WLANeissa käytössä olevat radioaallot ovat 2 - 6 GHz:n mikroaaltoja. Mikroaallot kulkevat hyvin ilmassa, mutta vaimenevat matalataajuisempia radioaaltoja voimakkaammin seinien läpi kulkiessaan. Myös rankka sade voi haitata niitä. Tukiaseman kuuluvuus riippuu lähetystehosta, mutta tyypillisessä toimistotilassa siihen voidaan kiinnittyä 30 - 60 m päästä.

Langattomat lähiverkot voidaan asentaa toimimaan monella eri tavalla. Yksinkertaisimmillaan kaksi konetta (MT:tä) voidaan asentaa toimimaan peer-to-peer-verkkona, jolloin molemmat lähettävät ja vastaanottavat toistensa viestejä. Kun koneita on useampia, tarvitaan vähintään yksi tukiasema. Tukiasemaan voi yleensä kiinnittyä 15 - 128 konetta, mutta kaistanleveys joudutaan jakamaan näiden kesken. Lisäksi koska tukiaseman kantoalue on rajattu, joudutaan suuremmissa tiloissa käyttämään niitä useampia. Monen AP:n verkot tukevat melkein aina tukiaseman vaihtoa (roaming), eli MT kiinnittyy aina parhaiten kuuluvaan tukiasemaan ja voi vaihtaa sitä yhteyden katkeamatta. [6]

Lisäksi langattoman lähiverkon kuuluvuutta voidaan parantaa lisäasemilla (Extension Point, EP), jotka ainoastaan laajentavat tukiaseman kuuluvuusaluetta. Kuuluvuutta voidaan parantaa myös suunnatuilla ja erikoisantenneilla. Joihinkin tukiasemamalleihin voi lisäksi kiinnittää useita antenneja. [6]


4 Standardit

Tällä hetkellä on käytössä useita eri langattomien lähiverkkojen standardeja. OpenAir on Proximin kehittämä standardi, jota se käyttää RangeLAN2-tuoteperheessään. Ensimmäiset kansainvälisesti hyväksytyt standardit ovat IEEE 802.11, IEEE 802.11a ja IEEE 802.11b. Uusin standardi on ETSI:n kehittämä HiperLAN/2, mutta siihen perustuvia laitteita ei vielä ole markkinoilla. Kaikki nämä standardit toimivat ilmaisilla IMS-taajuuksilla (Instrumentation, Medical, Science) [6].

OpenAir toimii 2.4 GHz:n taajuudella, ja pystyy siirtämään tietoa 1.6 Mbps nopeudella. OpenAir käyttää FHSS-tekniikkaa ja 20-bittistä laitekohtaista avainta tiedon suojaamiseen. [8]

IEEE 802.11 käyttää 2.4 GHz:n taajuutta ja pystyy 2 Mbps tiedonsiirtonopeuteen. Tieto voidaan lähettää FHSS-, DHSS- tai IR-tekniikalla. Tiedon suojaus RC4-algoritmillä määritellään Wired Equivalent Privacy -lisäoptiossa (WEP). IEEE 802.11a:ssa taajuus nostetaan 5 GHz:iin, jolloin tietoa voidaan siirtää 54 Mbps. 2.4 GHz:n taajuudelle on määritelty lisäksi IEEE 802.11b standardi, joka nostaa tiedonsiirtonopeuden 11 Mbps:iin. [5, 9]

HiperLAN/2 on pyritty suunnittelemaan tehokkaaksi, seuraavan vuosituhannen standardiksi. Se toimii 5 GHz:n taajuusalueella ja kykenee 54 Mbps tiedonsiirtonopeuteen. Se tarjoaa Quality of Service -palveluja sekä sisältää hyvät tietoturvaominaisuudet. Tieto suojataan DES tai 3DES-algoritmillä, ja sekä AP että MT voivat autentikoida toisensa tarvittaessa. [5]


5 Arviointia

Spread Spectrumia käyttävien WLAN-lähettimien kantomatka on tyypillisesti 30 m - 100 m riippuen seinien määrästä ja lähettimen tehosta. Avonaisessa tilassa tai ulkoilmassa kantama on huomattavasti suurempi, parhaillaan useita satoja metrejä. Infrapunasäteilyä käyttävien lähiverkkojen kantama on vaatimattomampi eikä säteilyn tiellä saa olla läpinäkymättömiä esineitä. Tästä johtuen IR-verkkoja voidaan käyttää ainoastaan erikoissovellutuksissa.

Olemassa olevien langattomien lähiverkkojen tiedonsiirtonopeus on tyypillisesti 2 Mbps (IEEE 802.11-standardin mukaiset verkot), ja uusimmat markkinoilla olevat laitteet pystyvät 11 Mbps (IEEE 802.11b). Tulevaisuudessa IEEE 802.11a- ja HiperLAN/2-standardit mahdollistavat 54 Mbps nopeudella tapahtuvan tiedon siirron. Tekniikan kehittyessä tiedonsiirtonopeus luonnollisesti kasvaa tästäkin. WLANit pystyvät jo kilpailemaan melko hyvin 10 Mbps LANien kanssa, ja verrattuna 56 kbps modeemeihin ne ovat omaa luokkaansa. Onkin mahdollista, että local loopit voidaan tulevaisuudessa korvata FTTC:llä (Fiber To The Curb) ja langattomalla yhteydellä jakolaatikkoon.

Langattoman tiedonsiirron tekniikat (FHSS ja DHSS) on kehitetty USA:n puolustusvoimissa luotettaviksi ja turvallisiksi. Lisäksi hyvin suunnitellut standardit lisäävät varmuutta. Langattomat lähiverkot ovat paljon turvallisempia kuin matkapuhelimet ja siirrettävän tiedon eheyden säilyminen on samaa luokkaa kuin langallisissa verkoissa. FHSS:llä ja DHSS:llä lähetettyä tietoa on hyvin vaikea kuunnella, ja kryptaus ja autentikointitekniikat tekevät verkkoon tunkeutumisesta erittäin hankalaa. [6]

Samalla taajuudella toimivat laitteet, erityisesti mikroaaltouunit, voivat häiritä WLANeja. Laitteet suunnitellaan kuitenkin yleensä niin, ettei mikroaaltouunien vaikutus ole häiritsevä. Lähekkäin toimivat erilliset WLANit voivat myös häiritä toisiaan. Ongelmaan ei ole standardoitua ratkaisua, vaan kukin laitevalmistaja voi ratkaista asian haluamallaan tavalla. [6]

Vaikka WLAN toimii samalla taajuusalueella kuin mikroaaltouuni, sen käyttö on turvallista, koska lähetystehot ovat hyvin pieniä - paljon pienempiä kuin esimerkiksi matkapuhelimilla. WLANit ovat olleet pitkään puolustusvoimien ja teollisuuden käytössä, eikä toistaiseksi niiden ole todettu aiheuttavan minkäänlaisia terveyshaittoja. [6]

Vaikka langattomat lähiverkkotuotteet ovat toistaiseksi kalliimpia kuin langalliset, pidemmän päälle niiden käyttö voi vähentää kustannuksia, koska ylläpito on monessa suhteessa helpompaa kuin tavallisissa LANeissa. Nykyisin 11 Mps WLAN-kortti maksaa kannettavaan 1500 mk - 3000 mk ja tukiasema 3000 mk - 10000 mk, mutta tekniikan yleistyessä hinta tulee putoamaan.


6 Pohdintoja

Langattomat lähiverkot ovat nykyisin varteenotettava vaihtoehto langalliselle lähiverkolle. Esimerkiksi Teknillisen Korkeakoulun sähkötekniikan osaston tietoliikennelaboratoriolla on olemassa Lucent Technologiesin WaveLAN-verkko. Samanlaista, mutta hieman nopeampaa verkkoa ollaan hankkimassa myös teknillisen fysiikan ja matematiikan osaston systeemianalyysin laboratorioon ryhmäpäätöksenteon tukivälineeksi. Hyödyksi nähdään erityisesti se, että langattoman lähiverkon avulla kokoustiloissa voidaan käyttää tietokoneita ilman, että ne näyttävät mikroluokilta. Myös langattoman lähiverkon siirtäminen kokoustilasta toiseen käy suhteellisen vaivattomasti. Tarvittaessa verkko voidaan siirtää myös yhteistyöyrityksen tiloihin, jolloin kiireiset johtajat saadaan paremmin osallistumaan päätöksenteon analyysiin.

Markkinoilla on useita eri valmistajia. Lucent Technologies valmistaa WaveLAN-tuoteperhettä, josta vast'ikään (25.10.1999) ilmestyi IEEE 802.11b-standardiin perustuva 11 Mbps laitteisto. BreezeCOM puolestaan valmistaa BreezeNET-tuoteperhettä, josta on saatavilla 11 MBps DS.11-tuoteryhmä. Proxim on yksi vanhimmista langattomien lähiverkkojen valmistajista ja tarjoaa nykyään RangeLAN2, RangeLAN802 ja RangeLAN5 -tuoteperheet, joista viimeiseksi mainittu pystyy 24 Mbps tiedonsiirtonopeuteen. Lisäksi langattomia lähiverkkoja tarjoavat Aironet, Bay Networks ja monet muut yritykset. Ala on kuitenkin murrosvaiheessa, eikä selviä voittajia ole vielä näkyvissä. [1,3]


Lähdeluettelo

[1] Edwards, M., Is it time to take another look at wireless LANs?, Communications News, Nokomis, Jun 1999, Vol. 36, Iss. 6
[2] Gohring, N., Wireless LANs to take broad band access, Telephony, Chicago, Jun 21, 1999, Vol. 236, Iss. 25
[3] Harbaugh, L., Wireless Networking, InformationWeek Labs, Jun 7, 1999.
[4] HiperLAN/2 Global Forum, Specification FAQ's, [viitattu 7.10.1999]
< http://www.hiperlan2.com/site/specific/specmain/specfaq.html >
[5] Johnsson, Martin, HiperLAN/2 - The Broadband Radio Transmission Technology Operating in the 5 GHz Frequency Band, 1999 [viitattu 7.10.1999]
< http://www.hiperlan2.com/site/specific/whitepaper.exe >
[6] Proxim, Inc., What is a Wireless LAN?, [viitattu 7.10.1999]
< http://www.proxim.com/wireless/whiteppr/whatwlan.shtml >
[7] The Wireless LAN Alliance, Introduction to Wireless LANs, 1.4.1996 [viitattu 7.10.1999]
< http://www.wlana.com/intro/introduction/intro.pdf >
[8] WLI Forum, OpenAir Specification Overview, 14.7.1999 [viitattu 7.10.1999]
< http://www.wlif.com/tech/spec_overview_699.html >
[9] WLI Forum, What is the IEEE 802.11 Wireless Standard, 10.7.1999 [viitattu 7.10.1999]
< http://www.wlif.com/tech/wp_80211.html >

Lisätietoja

AiroNET
AiroNet-tuoteperheen valmistaja.
BreezeCOM
BreezeNET Pro.11 ja BreezeNET DS.11 -tuotteiden valmistaja.
Proxim, Inc.
RangeLAN2:n ja RangeLAN802:n valmistaja.
RadioLAN
MobiLINKin valmistaja.
WaveLAN
Lucent Technologiesin WaveLAN-tuoteperhe.