Sieci WLAN struktura i opis

Zobacz jak działa od wewnątrz sieć Wi-Fi. Poznaj strukturę sieci bezprzewodowej WLAN by lepiej zrozumieć mechanizmy przesyłu danych w takiej sieci. Przedstawiamy obszerny artykuł na temat budowy bezprzewodowej sieci lokalnej, w którym poznasz budowę ramki WLAN, standardy sieci a także podział zasięgu sieci bezprzewodowych i architekturę.

1. Rodzaje mediów transmisyjnych w sieciach bezprzewodowych

W sieciach bezprzewodowych standardu IEEE 802.11 wyróżniamy różne rodzaje mediów transmisyjnych:
IEEE 802 – jest to grupa standardów IEEE stosowana w lokalnych sieciach komputerowych i miejskich sieciach komputerowych przesyłających dane w pakietach.)

1. radiowe – korzystają z fal elektromagnetycznych do przesyłania informacji między dwoma jednostkami,

2. laserowe – medium korzysta z promieni światła laserowego, które służą do przenoszenia danych w powietrzu,

3. podczerwień – medium połączenia krótkiego zasięgu. Zwykle wymagana jest widoczność elementu nadawczego i odbiorczego,

4. ultradźwięki – są używane głównie w środowisku wodnym,

5. mikrofale – czyli fale o wyższej częstotliwości niż fale radiowe. Używane w połączeniach o charakterze radioliniowym w oparciu o skierowane na siebie anteny.

2. Budowa ramek w sieciach WLAN

Podstawową jednostką informacji, jaka jest wymieniana pomiędzy stacjami w standardzie IEEE 802.11 jest ramka. Schemat budowy ramki przedstawiliśmy na rysunek 2.1.

Rysunek 2.1. Wzór ramki zgodnej ze specyfikacją IEEE 802.11.
[Źródło obrazka: http://wisniewski.wf/wp-content/uploads/2013/12/ramka-IEEE80211.png]

1. Kontrola Ramki (ang. Frame Control) Jest to 2-bitowe podpole rozpoczynające każdą ramkę. Składa się ono z m.in. następujących elementów:

• protocol Version (wersja protokołu),
• pola type i subtype (typ i podtyp) – identyfikacja typu ramki,
• bity ToDS i FromDS – wskazują czy ramka jest przeznaczona dla systemu dystrybucyjnego,
• bit Retry (ponowienia),
• bit WEP – jeżeli ramka została przetworzona przez schemat szyfrowania WEP bit ten jest ustawiony na 1

2. Pole Duration/ID (długość trwania identyfikacji), przenosi wartość wektora alokacji sieci NAV (ang. Network Allocation Vector).

3. Pola adresowe W ramce 802.11 jest do czterech 48-bitowych pól adresowych.

• adres 1. dla odbiorcy,
• adres 2. dla nadawcy,
• adres 3. dla filtrowania przez odbiornik.

4. Pole Sequence Control (kontroli sekwencji) 16-bitowe pole kontroli sekwencji służące do defragmentacji oraz usuwania ramek zduplikowanych.

5. Treść ramki, czyli pole Data przenosi ładunek wyższych warstw od jednej stacji do drugiej. Maksymalną pojemność ramki to 2304 bajtów.

2.3 Standardy sieci Wi-Fi

Sieci bezprzewodowe opierają się przede wszystkim na standardach z rodziny IEEE 802. W tej rodzinie sieci bezprzewodowych Wi-Fi dotyczy grupa standardów IEEE 802.11.

2.3.1 802.11a

Standard sieci Wi-Fi wprowadzony w 1999 roku. Wykorzystuje częstotliwość 5 GHz, kanał
o szerokości 20 MHz. Pozwala na prędkość transmisji wynoszącą do 54 Mb/s.
W praktyce, ze względu na zarządzanie transmisją i kolizje, przepustowość netto wynosi ok 20 Mb/s.

2.3.2 802.11b

Standard również wprowadzono w 1999 roku. Jest pierwszym rozpowszechnionym standardem na szeroką skalę głównie ze względu na niskie koszt sprzętu. Wykorzystuje częstotliwość 2.4 GHz, kanał o szerokości 20 MHz i ma maksymalną przepustowość wynoszącą 11 Mb/s, przepustowość netto wynosi ok 6 Mb/s.

2.3.3 802.11g

Standard wprowadzony w 2003 roku. Jest wstecznie kompatybilny z 802.11b. Oficjalna prędkość wynosi 54 Mb/s, netto 25Mb/s. Wykorzystuje częstotliwość 2.4 GHz, kanał
o szerokości 20 MHz.

2.3.4 802.11n

Standard wprowadzony w 2009 roku. Wykorzystuje częstotliwość 2.4 GHz i 5 GHz. Kanały o szerokości 20 MHz i 40 MHz. W standardzie tym wprowadzono MIMO (ang. multiple-input multiple-output) oraz agregację ramek, dzięki czemu maksymalna prędkość transmisji wzrosła nawet do 600 Mb/s.

2.3.5 802.11ac

Standard rozszerza maksymalną prędkość do 866 Mb/s dzięki ośmiu strumieniom MIMO, użyciu tylko 5 GHz i zastosowaniu 80 MHz kanałów.

2.4 Podział zasięgu sieci bezprzewodowych

Pod względem zasięgu działania sieci bezprzewodowych możemy podzielić na trzy kategorie:

1. sieci PAN (ang. Personal Area Network ) – działają na odległości do 10 metrów. Jako przykład tej sieci można podać standard Bluetooth,

2. sieci WLAN (ang. Wireless Local Area Network ) – działają w zakresie do 100 metrów
   w otwartej przestrzeni,

3. sieci WWAN (ang. Wireless Wide Area Network) – działają na odległości nawet do 5 kilometrów. To przede wszystkim systemy sieci telefonii komórkowej np. GSM.

2.5 Wydajność transmisji Wi-Fi

Rysunek 2.2. Standardy sieci bezprzewodowych

Skrócony opis standardów z rodziny 802.11 został przedstawiony na rysunku 2.1. W sieciach Wi-Fi zachodzi degradacja siły i jakości sygnału radiowego wraz ze zwiększaniem się odległości między urządzeniami. Mechanizm zarządzania kolizjami będzie powodował większe narzuty wraz ze spadkiem jakości sygnału. Transmisja w takich sieciach określana jest, jako best-effort, oznacza to to, że niezawodność transmisji musi być realizowana w wyższych warstwach.

Zasięg w pomieszczeniu zamkniętym jest bardzo silnie zależny od rodzaju ściany i przedmiotów stojących na drodze sygnału. Na przykład ściana wewnętrzna o grubości 30 cm zbudowana
z cegły tłumi sygnał z mocą 9 dB. Urządzenia, takie jak AP będące w swoim zasięgu mogą się wzajemnie zakłócać. Problem ten może rozwiązać automatyczne wybieranie wolnego kanału przez urządzenie, jak również automatyczne kierowanie mocą transmisji. Możemy też zmienić kanał pracy sieci Wi-Fi ręcznie poprzez konfigurację punktu dostępowego. Sygnał Wi-Fi w paśmie 2.4 GHz zajmuje pięć kanałów. Wybierając kanału numer trzy używamy kanałów od jeden do pięć. Zatem, dopiero para kanałów różniących się numerem o minimum pięć nie zachodzi na siebie. Rozwiązaniem problemu dużej ilości użytkowników na paśmie 2.4 GHz jest przejście na pasmo 5 GHz. Standard 802.11n posiada różne mechanizmy zwiększające zasięg transmisji, dzięki czemu poprawi się wydajność sieci.

Można także optymalizować wydajność sieci przy użyciu QoS (Quality of Service). Dzięki QoS możemy przydzielać odpowiednie zasoby określonym użytkownikom sieci. Możemy na przykład przydzielić większą przepustowość dla transmisji głosu czy wideo.

Protokołem w sieciach Wi-Fi zapewniającym dostęp do łącza wraz ze śledzeniem stanu nośnika i unikaniem kolizji jest CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Schemat działania protokołu wygląda następująco, jeżeli łącze jest wolne to rozpoczyna się transmisja, w innym wypadku stacja jest zobowiązana do wstrzymania transmisji do czasu zwolnienia łącza.

2.6 Architektura sieci Wi-Fi

Architektura sieci Wi-Fi może bazować na topologiach:

1. ad-hoc – gdzie urządzenia kontaktują się bezpośrednio ze sobą,
2. managed/Infrastructure – gdzie w sieci istnieje centrala zwana Access Pointem, z którym kontaktują się wszystkie urządzenia w ramach danej sieci.

W przypadku, gdy istnieje potrzeba pokrycia dużego obszaru stosowane są rozwiązania:

1. podpięcie każdego AP do okablowania sieci lokalnej kablowej,
2. AP w tzw. trybie most (ang. Bridge). AP, który nie jest podłączony do sieci LAN, pośredniczy w transmisji pomiędzy urządzeniem końcowym a kolejnym AP.