Przegląd urządzeń Wi-Fi - cz.I. wprowadzenie do Wi-Fi

Jedną z dziedzin, która w ostatnich latach nabiera coraz większego tempa rozwoju, są sieci bezprzewodowe. Dla wielu osób mogą być one bardzo przydatną a niekiedy nawet jedyną alternatywą, dzięki której będzie możliwość kontaktu z innymi użytkownikami lub z Internetem. Przez wielu jednak jest ona traktowana jako "nowinka" i raczej nie jest planowane w najbliższej przyszłości skorzystanie z jej usług. Tempo, w jakim pojawiają się coraz to nowsze rozwiązania (transfery, zasięg, bezpieczeństwo) może to jednak zmienić. Szczególnie w ostatnich miesiącach praktycznie codziennie można znaleźć informację, która nawiązuje do tego tematu. Serwis benchmark.pl postanowił przyjrzeć się tym urządzeniom i dokładnie sprawdzić, jakie oferują możliwości. Pierwszy artykuł z tej serii poświęcony będzie wyłącznie urządzeniom bezprzewodowym tworzącym lokalną sieć. Będą to zarówno punkty dostępowe (Access Point, AP), bezprzewodowe karty PCI jak i adapter korzystający z portu USB. W teście tym jako priorytet postawiliśmy dokładne pomiary przepustowości przy różnych odległościach pomiędzy urządzeniami. Sprawdzimy również stabilność pracy, gdyż w przypadku urządzeń sieciowych jest ona bardzo pożądana. Czyli w zasadzie to, o co najczęściej pytają osoby chcące zbudować własną sieć bezprzewodową. Nie pominiemy również kwestii bezpieczeństwa, gdyż jest o czym mówić (a raczej napisać) w przypadku sieci bezprzewodowych, nawet jeśli jest to sieć lokalna.

Bezprzewodowa sieć lokalna to komputerowa sieć komórkowa, w której dane są wysyłane i odbierane nie przewodami, lecz drogą radiową. Sieci takie są coraz powszechniej wprowadzane w domach, biurach oraz w miejscach publicznych, takich jak porty lotnicze, kawiarnie i budynki uniwersyteckie. Nowatorskie sposoby wykorzystywania technologii WLAN ułatwiają użytkownikom pracę i komunikowanie się. Większa mobilność, wynikająca z braku okablowania i innych elementów infrastruktury stacjonarnej, okazała się dla wielu użytkowników cenną zaletą. W sieci bezprzewodowej można używać tych samych aplikacji, co w sieci stacjonarnej. Karty sieci bezprzewodowej używane w laptopach i komputerach biurkowych obsługują te same protokoły, co karty sieci Ethernet.

Technologia Wi-Fi (ang. Wireless Fidelity) pozwala połączyć ze sobą komputery na dość niewielkie odległości, ale bez użycia jakichkolwiek kabli (skrętka, koncentryk czy światłowód). Jako medium transmisyjne wykorzystywane są tu fale radiowe korzystające z pasma 2.4 GHz, które na całym świecie zarezerwowane są dla urządzeń nielicencjonowanych. Ponieważ maksymalne uzyskiwane odległości mogą dochodzić do kilku kilometrów (dotyczy domowych zastosowań bez profesjonalnych anten) sieć taką możemy zaliczyć do sieci lokalnej LAN (Local Area Network). W związku z tym, że komunikacja odbywa się drogą radiową sieć taką oznaczono w skrócie jako WLAN (WLAN - Wireless Local Area Networks).

Elastyczność uzyskaną dzięki zastosowaniu różnych bezprzewodowych komponentów sieciowych doceniają zwłaszcza użytkownicy komputerów przenośnych. W ten sposób, bez uciążliwego kładzenia kabli, możemy tworzyć całe sieci łączące wielu użytkowników. Ta zaleta jest szczególnie kusząca dla wszelkiego rodzaju firm, gdzie często zachodzi potrzeba zmiany miejsca pracy przy ciągłej łączności z siecią.

Technologia ta znajduje wiele zastosowań, a korzystają z niej, między innymi:

• pracownicy firm, którzy wymagają mobilności w obrębie przedsiębiorstwa, lub chcących rozbudować swoją tradycyjną sieć przewodową;
• właściciele lub dyrektorzy firm, którzy stają przed koniecznością częstych zmian okablowania sieci LAN w obrębie firmy lub określonego obszaru;
• firmy, które nie mogą zbudować przewodowej sieci LAN. Przyczyną mogą być ograniczone finanse lub konstrukcja budynku (stara budowla, dzierżawiona lub jest to tylko przejściowa lokalizacja);

Aby rozszerzyć funkcjonalność i zasięg, punkty dostępowe mogą być połączone i pełnić funkcję centralnego węzła topologii gwiazdy, jednocześnie wykonując mostkowanie do sieci Ethernet.

Coraz bardziej popularne są tzw. "hot spot-y", które oferują dostęp do Internetu na znacznie szerszym obszarze. "Hot spot" możemy znaleźć już na większości lotnisk (także niektórych polskich), hotelach, restauracjach czy w innych publicznych miejscach gdzie w jednym czasie przebywa znaczna ilość osób, które mają ochotę skorzystać z dostępu do sieci. Na terenie naszego kraju w prawie każdym większym mieście można już znaleźć miejsca, gdzie będziemy mogli za pomocą urządzeń wyposażonych w Wi-Fi połączyć się z Internetem. Nas stronie www.wi-fizone.org znajdziemy trochę informacji o hot-spotach znajdujących się w naszym kraju (słabo aktualizowane).

Na popularność WLAN wpływają trzy czynniki: pasmo które nie wymaga licencji, nie wygórowany koszt instalacji oraz w miarę wysoka przepustowość. Warto zwrócić uwagę na ten pierwszy warunek, czyli brak wydatków na licencję dla pasma 2.4 GHz. Na rynku telefonii trzeciej generacji (3G), operatorzy w Europie Zachodniej na same licencje musieli wydać ponad 100 miliardów euro. Wynika z tego również inna zaleta, brak opłat wejściowych dla nowego operatora, co może bardzo dobrze wpłynąć na rozwój rynku Wi-Fi. Jak przewidują analitycy z firmy Gartner, do początku 2008 roku już ponad 90% wszystkich PDA i notebooków będzie standardowo wyposażonych w układy umożliwiające łączność poprzez WLAN.

Rozdział ten poświecimy historii powstania technologii Wi-Fi, a jak to bywa z historią potrafi być momentami nudna;). Jeśli ktoś już zna ten temat, albo nie ma ochoty się w to zagłębiać ... to zapraszamy do następnego działu;).

Same początki powstania bezprzewodowych sieci lokalnych WLAN sięgają roku 1994. Jednak wówczas karty oferujące tą usługę były nieporównywalnie droższe (około 5 razy od obecnych), co w skuteczny sposób blokowało ich rozwój. W roku 1997 organizacja IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) opracowała standard tworzenia i eksploatacji bezprzewodowych sieci lokalnych WLAN. Standard ten uzyskał oznaczenie 802.11 i przydzielono mu pasmo radiowe 2.4 GHz. Jednak bardzo szybko o nim zapomniano, głównie ze względu na niskie przepustowości, które wynosiły 1 Mb/s i 2 Mb/s.. Dzięki pracy w zakresie 2.4 GHz nie ma zagrożenia zakłóceniami pochodzącymi z urządzeń mikrofalowych, napędów sterowanych częstotliwościowo lub silników prądu zmiennego, gdyż one generują zakłócenia w zakresie kHz oraz MHz. Dopiero w 1999 roku wprowadzono standard IEEE 802.11b, który umożliwił wzrost przepustowości z dotychczasowych 2 Mb/s do 11 Mb/s. Opracowanie tego standardu było krokiem milowym, gdyż od razu tą technologią zainteresowali się najwięksi światowi producenci, tacy jak: Cisco Systems czy 3COM. Później przyszła kolej na teoretycznie szybszy standard 802.11a. Oferował on już przepustowość rzędu 54 Mb/s i korzystał z pasma powyżej 5 GHz. Ważnym jego atutem było również posiadanie ośmiu nie interferujących się kanałów. Co w porównaniu do standardu "b" czyniło go teoretycznym faworytem. Jednak standard 802.11a nie zyskał poparcia. Po pierwsze przyczyniła się do tego bardzo wysoka cena urządzeń, po drugie brak kompatybilności ze standardem 802.11b (różne pasma, choć pojawiły się już urządzenia obsługujące oba standardy "a/b"). Po trzecie, jak się okazało ich efektywny zasięg był mniejszy aniżeli w przypadku standardu 802.11b.

Przysłowiowym gwoździem do trumny były targi Comdex 2002, gdzie po raz pierwszy zaprezentowano urządzenia pracujące w nowym standardzie IEEE 802.11g. W roku 2003 standard ten otrzymał ostateczną akceptację organizacji IEEE i pojawił się w ofertach u większości producentów. Jego atutami okazała się przepustowość rzędu 54 Mb/s (tyle oferował standard 802.11a) oraz zasięg zbliżony do tego, jaki mieliśmy przy standardzie 802.11b. Jednak i w tym przypadku, podobnie jak w standardzie "b", wykorzystuje się tylko trzy niezależne kanały. Standard 802.11g jest całkowicie zgodny z 802.11b, co oznacza, iż bez żadnych nowych sterowników będziemy mogli współpracować z urządzeniami opartymi o ten standard. Niestety, są i złe strony tej zgodności. Również tutaj nasz sygnał będzie mógł być zakłócany poprzez bezprzewodowe telefony (korzystające z pasma 2.4 GHz) lub w mniejszym stopniu kuchenki mikrofalowe czy nawet (teoretycznie) technologię Bluetooth. Teoretycznie, gdyż te dwie technologie, mimo korzystania z tego samego pasma wykorzystują dwa różne typy transmisji (FHSS i DSSS), przez co urządzenia te nie przeszkadzają sobie w pracy. Czyli, jeśli ktoś miał problemy z poprawną pracą urządzeń pracujących w standardzie 802.11b to wystąpią one również i tutaj.

Warto już na początku zaznaczyć, iż podawane przepustowości są wartościami teoretycznymi i praktyce przedstawiają się one trochę inaczej, co postaramy się dokładnie zaprezentować.

W tym miejscu można kilka słów napisać o organizacji Wi-Fi Alliance www.wi-fi.org, która zajmuje się standaryzacją oraz promocją wszelkich dostępnych na rynku urządzeń Wi-Fi i jeśli wykażą się one pełną zgodnością z przyjętymi normami otrzymują certyfikat.

Ta organizacja "nonprofit" rozpoczęła swoją działalność w 1999 roku. W maju 2000 przyznano pierwsze certyfikaty i do chwili obecnej posiada je ponad 1000 urządzeń, a liczba firm, których urządzenia poddane zostały rejestracji przekracza liczbę 200 www.wi-fi.org/OpenSection/certified_products.asp?TID=2. W tym miejscu trzeba zaznaczyć, iż brak takiego certyfikatu nie pociąga za sobą żadnych sankcji prawnych i urządzenia te mogą być tak samo sprzedawane i rozpowszechniane jak te, które owe certyfikaty posiadają.

Odmienne medium transmisyjne powoduje, iż topologie znane z sieci kablowych (magistrala, pierścień, itp.) nie mają już zastosowania. W standardzie 802.11 dostępne są dwie konfiguracje:

• ad-hoc - sieć tymczasowa, w której nie występują punkty dostępowe
• infrastructure - sieć stacjonarna, w której występują punkty dostępowe i jest możliwe połączenie z siecią przewodową

Rysunki przedstawiają strukturę trybu pracy "ad-hoc" oraz "infrastructure". Za zgodą właściciela -firmy D-link.

Sieci tymczasowe (ad-hoc) tworzone są zazwyczaj na krótki okres czasu, np. konferencja, wykład, spotkanie itp. Brak punktu dostępowego jest z jednej strony zaletą (niższe koszty) ale z drugiej strony nie mamy tutaj możliwości podłączenia do istniejącej sieci kablowej. Sieci stacjonarne wykorzystują jako punkt centralny urządzenie dostępowe (najczęściej access point), który może mieć dostęp do sieci przewodowej. Sytuacja ulega nieco zmianie gdy mamy do czynienia z kilkoma niezależnymi sieciami bezprzewodowymi a naszym zadaniem jest zapewnienie im prawidłowej współpracy. Postaramy się krótko opisać w jakich sytuacjach mogą nam się przydać inne tryby pracy naszych punktów dostępowych. Pomijając pierwszy z trybów, którym domyślnie zazwyczaj jest Access Point, przechodzimy do trybu klienta (Wireless Client). W trybie tym nasz punkt dostępowy pełni rolę adaptera, czyli połączony z komputerem umożliwi kontakt z innym punktem dostępowym. Przy ustawieniu tego trybu wymagane jest wprowadzenie adresu MAC zdalnego punkt dostępowego. Praktycznie w każdym z obecnie dostępnych AP mamy do dyspozycji tryb mostka (Wireless Bridge/Multi-point Bridge/Bridge). Tryb ten służy do łączenia dwóch lub więcej sieci bezprzewodowych. Niejednokrotnie wymagane jest podanie adresu MAC punktów dostępowych z którymi będziemy się łączyć. Oczywiście na pozostałych urządzeniach również musi być ten tryb uaktywniony. Co ważne, w przypadku Wireless Bridge punkt dostępowy nie obsługuje bezprzewodowych klientów, którzy pozostają w zasięgu. Rozszerzeniem tego trybu jest Multi-point Bridge, który może się łączyć z kilkoma innymi punktami dostępowymi. U niektórych producentów (np. D-Link) dostępny jest również tryb repeater, który jest bezprzewodowym odpowiednikiem znanych z sieci kablowych urządzeń zwanych repeaterami. Jego zadaniem jest wzmocnienie sygnału, który tym samym będzie mógł objąć znacznie większy obszar.

(praca w trybie repeater) rys. za zgodą właściciela pochodzi ze strony Dlink.de

Wielu użytkowników może poczuć się zagubionymi, czytając różne recenzje sprzętu Wi-Fi gdzie na przemian używane są jednostki dBm oraz mW. Wyjaśnijmy w skrócie jednostki z jakimi możemy się spotkać. Za pomocą decybeli (dB), można określić wpływ różnych urządzeń na moc sygnału. Producenci urządzeń radiowych (np. Access Point) określają moc wyjściową za pomocą dBm (dB miliWatt). Natomiast w przypadku anten pojawiają się jeszcze dwie nowe jednostki, a są to: dBi (dB isotropic) oraz dBd (dB dipole). Postaramy się krótko zaprezentować jak można łatwo przeliczać z mW na dBm i odwrotnie.

Pierwszy wzór:

P [mW] = 10^(P[dBm]/10)

i w drugą stronę: P [dBm] = 10log10 (P[W])+30

dBm	mW	dBm	mW	dBm	mW	dBm	mW
1	1,259	6	3,981	11	12,589	16	39,811
2	1,585	7	5,012	12	15,849	17	50,119
3	1,995	8	6,31	13	19,953	18	63,096
4	2,512	9	7,943	14	25,119	19	79,433
5	3,162	10	10	15	31,623	20	100

Ostatnią pozycją w tabeli jest wartość 100 mW (20 dBm) i jest to właśnie graniczna moc z jaką można nadawać na paśmie 2.4 GHz. Należy pamiętać, iż całkowita moc sygnału wyjściowego wzrośnie po dołączeniu anteny zewnętrznej. Jeśli wartość ta będzie przekroczona, wówczas wymagana jest zgoda URTiP (Urząd Regulacji Telekomunikacji i Poczty).

Te dwa czynniki są jednymi z kluczowych, jakie występują w sieciach bezprzewodowych WLAN. To od nich również zależy czy dana sieć będzie spełniała założenia, które nałożył na nią administrator.

Czynniki te w przypadku tradycyjnych sieci kablowych nie mają aż tak dużego znaczenia.

Inaczej przedstawia się sprawa w przypadku sieci bezprzewodowych. Biorąc dla przykładu standard 802.11b, który oferuje teoretyczna przepustowość 11 Mb/s, stopniowo oddalając odbiornik od źródła sygnału, obserwujemy spadek zarówno jakości jak i mocy. Oprócz odległości wpływ na te parametry mają również przeszkody jakie się znajdą na trasie przesyłanego sygnału. Tak więc w sieciach bezprzewodowych odnotowuje się duże większe straty w porównaniu do tradycyjnych sieci kablowych.

Jak już wspomnieliśmy, wraz z odległością maleje jakość oraz moc sygnału. Jeśli w przypadku standardu 802.11b deklarowana jest przepustowość 11 Mb/s to dotyczy ona niestety tylko najbliższych metrów od nadajnika i to nawet już w tym miejscu osiągana przepustowość będzie odbiegać od przyjętych 11 Mb/s, co zobaczymy w dalszej części artykułu. Jak podaje większość producentów, w przypadku urządzeń ze standardem 802.11b (w 802.11g zresztą również) zasięg powinien dochodzić do około 100 metrów (czasami 150 metrów) w terenie zabudowanym. Jednak stwierdzenie takie jest zbyt ogólne i nieprecyzyjne, gdyż każdy z nas w odległości 100 metrów od siebie będzie posiadał różnego rodzaju przeszkody.

Inaczej sprawa będzie wyglądać w przypadku domków jednorodzinnych a całkowicie inaczej w bloku (tzw.: "blaszakach"). W jednym przypadku na trasie 100 metrów będziemy mieli 2 lub 3 ściany a w drugim przypadku może ta liczba wzrosnąć do kilkunastu. W dokumentacji jednego z producentów można przeczytać, iż owe 100 metrów dotyczy przypadku gdy sygnał przechodzi przez ... jedną ścianę (ciężko mi sobie wyobrazić "teren zabudowany" gdzie na odległości 100 m jest tylko jedna ściana).

Przyjęło się, iż każda pojedyncza ściana lub strop (bez żadnych elementów metalowych) może skracać całkowity zasięg sygnału od 1 do 30 metrów, czyli jeśli ma on przechodzić przez 3 lub 4 ściany, może być z nim niewesoło. Ważny jest również kąt pod jakim przesyłane są sygnały z punktu dostępowego do odbiornika. Należy dążyć do tego, aby pomiędzy nimi przechodziły przez ściany prostopadle. Przykładowo jeśli sygnał przechodzi przez ścianę o grubość 0.5 metra pod kątem 45 to jest on osłabiony tak, jakby przechodził przez ścianę o grubości 1 metra. Jeśli przez tą samą ścianę sygnał będzie przechodził pod kątem 2 stopni, to ta pozorna grubość ściany wzrasta do 14 metrów!

Najlepszym rozwiązaniem jest, gdy nadajnik z odbiornikiem "widzą się", wówczas możemy być praktycznie pewni uzyskania połączenia. Dobrym rozwiązaniem jest również umieszczanie punktów dostępowych jak najwyżej (oczywiście bez przesady) aby ograniczyć liczbę przeszkód, tych stałych czy nawet tych ruchomych. Przykładowo access point podwieszony pod sufitem może zaoferować nam znacznie lepszą jakość połączenia aniżeli taki stojący na biurku.

Warto wspomnieć o kanałach (dla typu transmisji DSSS), na jakich możemy pracować oraz szkodliwej interferencji, jeśli tylko w pobliżu pojawi się inna sieć bezprzewodowa, korzystająca także z tego pasma. Na terenie Europy do dyspozycji dostajemy ich 13 (kanałów). Aby komunikacja przebiegała poprawnie, oba urządzenia muszą korzystać z tego samego. KKanały są dość szerokie dzięki temu zyskuje na tym przepustowość. Minusem jest jednak to, że kanały niejako "zachodzą" na siebie przez co sygnał może być zakłócany innymi urządzeniami także pracującymi w tym paśmie (2.4 - 2.5 GHz). Rozwiązaniem może być praca sieci na różnych kanałach, ale w odpowiedniej odległości (przynajmniej 25 MHz). Odległość taka odpowiada pracy na kanałach 1, 6 i 11 oraz 2, 7 i 12. Dzięki temu można pogodzić sieci pracujące na tym samym obszarze.

Sprzętowe minimum komputera, który będzie korzystał z bezprzewodowej sieci WLAN, czy to za pomocą karty PCI czy to adaptera poprzez port USB, to procesor z zegarem 300 MHz. Wielkość pamięci RAM warunkuje raczej zainstalowany system operacyjny, aniżeli samo urządzenie Wi-Fi. Zaprezentujemy teraz wszystkie urządzenia, jakie mamy do dyspozycji, opiszemy pokrótce ich parametry oraz bardzo króciutko sposób instalacji.