Nástup bezdrôtových spojení je taký veľký, že počet bezdrôtových spojení už presiahol počet spojení cez drôt. Bezdrôtovo sa už nepripájame do internetu iba počítačmi, ale aj mobilnými telefónmi, či rôznymi zabezpečovacími systémami.
Bezdrôtové siete musia riešiť dva hlavné problémy:
- bezdrôtové spojenie, t.j. schopnosť komunikácie dvoch a viacerých zariadení „vzduchom“
- mobilita spojenia, t.j. schopnosť stanice viac-menej kontinuálne komunikovať aj pri zmene miesta, cez ktoré sa pripája (napr. prechode medzi BTS anténami mobilných operátorov)
Pri realizácii bezdrôtového spojenia musí tvorca protokolu zohľadniť niektoré špecifiká bezdrôtového spojenia ako sú:
- Zoslabovanie signálu – Signál, ktorý prijímame, je oveľa slabší ako signál, ktorý vysielame.
- Zmena frekvencie signálu – Prejavuje sa pri odraze od objektov v priestore a pri vzájomnom pohybe vysielača a prijímača.
- Interferencie z iných zdrojov žiarenia – Vo voľnom prostredí nie je signál chránený pred interferenciami z okolia tak ako v izolovaných drôtoch. Interferencie môžu spôsobovať iné zariadenia vysielajúce na rovnakej frekvencii, ale aj na prvý pohľad nevinné zdroje žiarenia, ako sú mikrovlnné rúry, či elektromotory.
- Hidden terminal problem (problém skrytej stanice) a zoslabovanie signálu spôsobujú to, že ak na jednom prenosovom pásme komunikuje viac zariadení, môže sa stať, že dve zariadenia si vzájomne rušia komunikáciu s tretím zariadením aj keď o tom nevedia, lebo sa kvôli prekážke medzi nimi alebo veľkej vzájomnej vzdialenosti nepočujú, aj keď sa s tretím zariadením počuť môžu.
Prvé tri špecifiká majú vplyv hlavne na fyzickú vrstvu, no je vhodné ich poznať pri návrhu prístupovej metódy.
Technológií pri bezdrôtovej komunikácii je veľké množstvo. Líšia sa od seba hlavne prenosovými rýchlosťami, maximálnou vzdialenosťou komunikácie dvoch antén, aj spôsobom napojenia a vysielania. Nás budú zaujímať hlavne protokoly a štandardy, ktoré sú bežné u nás, teda hlavne WLAN (Wi-Fi) – štandardy IEEE 802.11 najmä verzie g, a, n, ac, Bluetooth (z ktorého vznikol štandard 802.15), WiMAX (štandard 802.16) a technológie využívané u mobilných telefónnych operátorov: GSM, GPRS, EDGE, UMTS, UMTS+ a LTE.
5.11.1 Wireless LAN (Wi-Fi) – IEEE 802.11
Štandard IEEE 802.11 definuje bezdrôtovú LAN sieť, ktorá sa najviac podobá káblovému Ethernetu (ten ako vieme je definovaný v štandarde IEEE 802.3). Wi-Fi nepoužíva prístupovú metódu CSMA/CD ako v drôtovom Ethernete, ale jeho modifikáciu CSMA/CA. K rozdielom medzi týmito prístupovými metódami sa dostaneme neskôr.
Technológia Wireless LAN IEEE 802.11 počas svojho vývoja prešla niekoľkými verziami, ktoré sa líšia prenosovými rýchlosťami a frekvenčnými pásmami, na ktorých vysielajú.
- verzie 802.11g a 802.11a umožňujú rovnaké prenosové rýchlosti do 54 Mbit/s, ale líšia sa frekvenčnými pásmami. 802.11g pracuje na frekvenciách 2,4-2,485 GHz a 802.11a na frekvenciách 5-6GHz.
- verzia 802.11n, ktorá sa štandardizovala v októbri 2009 pracuje tiež na frekvenčných pásmach v rozsahu 2,4-2,485 GHz, ale umožňuje prenosové rýchlosti až do 200 Mbit/s, teoreticky až do 600 Mbit/s.
- verzia 802.11ac, štandardizovaná od decembra 2013, ktorá oproti 802.11n používa širšie kanály na frekvenciách blízkych 5 GHz. Teoretické maximum prenosovej rýchlosti tohto štandardu je 1.69 Gbit/s.
Frekvenčné pásma sú delené na niekoľko kanálov šírky 20-40MHz (802.11ac až do 160 Hz). Niektoré kanály sa navzájom prekrývajú. Tak napríklad 802.11g má 13 kanálov šírky 20 MHz (v Amerike len 11 kanálov), ale ak chceme vybrať iba neprekrývajúce sa, tak okrem krajných (prvého a trinásteho) už môžeme vybrať iba jeden „stredný“ – šiesty, siedmy alebo ôsmy. Ak vaši susedia majú tiež Wi-Fi antény, tak je vhodné, aby ste si nastavili kanály koordinovane tak, aby sa Vám navzájom neprekrývali a nespôsobovali interferencie a teda aj spomalenie prenosových rýchlostí.
Ak sa chceme napojiť na prístupový bod (access point), musíme poznať jeho meno (SSID) a MAC adresu. Celý postup sa dá zjednodušene opísať nasledovne. Prístupové body vysielajú v istých časových intervaloch (typicky 1 sekunda) takzvaný signálny rámec, v ktorom vysielajú svoje SSID a MAC adresu. Stanica si dokonca môže požiadať o okamžité zaslanie signálnych rámcov vyslaním požiadavky hľadania prístupových bodov. Stanica potom ladí cez jednotlivé kanály a odchytáva tieto signálne rámce. Keď si vyberie prístupový bod, na ktorý sa chce napojiť, pošle rámec požiadavky na napojenie na tento prístupový bod. Typicky nasleduje autentifikácia cez WEP, WPA alebo WPA2. Po úspešnej autentifikácii je už spojenie vytvorené a je možné začať komunikovať (napríklad opýtať si IP adresu cez DHCP).
WLAN umožňuje napojenie cez prístupový bod (access point) aj ad-hoc. Pri komunikácii cez prístupový bod susedné zariadenia komunikujú vždy cez prístupový bod. Pri ad-hoc spojení komunikujú zariadenia medzi sebou priamo, alebo sprostredkovane cez iné stanice v prípade, že sa komunikujúce stanice nepočujú (napr. pre hidden terminal problem).
Prístupová metóda CSMA/CA (carrier sence multiple access/collision avoidance)
V sieťach WLAN sa namiesto CSMA/CD (collision detection = detekcia kolízií) používa protokol CSMA/CA (collision avoidance = vyhýbanie sa kolíziám). Detekcia kolízií, teda zistenie vysielania iného zariadenia počas vlastného vysielania, ktorá úspešne funguje v drôtových spojoch sa pri bezdrôtových spojeniach nedá použiť. Dôvodom je zoslabovanie signálu. Keďže práve vysielajúca stanica vysiela signál oveľa väčšej intenzity, ako je intenzita prijímaného signálu vysielaného inými stanicami, nie je možné tento slabý signál počas vlastného vysielania odhaliť. Inými slovami keď stanica vysiela je hluchá.
Čo však ostalo je CSMA, teda počúvanie okolia pred začiatkom vlastného vysielania. Pokiaľ stanica registruje iné vysielanie, nezačne vysielať. Žiaľ aj tento princíp nie je v prípade bezdrôtových spojení až taký účinný ako v drôtových spojeniach. Je tu totiž známy hidden terminal problem a zoslabovanie signálu, ktoré môžu zapríčiniť, že stanica neregistruje vysielanie inej stanice, lebo aj keď je signál tohto vysielania dostatočne silný pre prístupový bod, nemusí byť registrovateľný pre stanicu za prekážkou alebo z opačnej strany prístupového bodu ako vysielajúca stanica.
Samotný algoritmus CSMA je kvôli neschopnosti odhaliť kolízie jemne pozmenený. Hlavnou zmenou je zabezpečenie spoľahlivosti spojenia cez potvrdzovacie (ACK) rámce. Na rozdiel od spoľahlivého TCP protokolu, je potvrdenie realizované po každom rámci. Potvrdzovanie je nutné kvôli zvýšenému riziku interferencií, ale hlavne kvôli neschopnosti detekcie kolízií. Pri použití prístupovej metódy CSMA/CD stanica po odoslaní rámca bez odhalenia kolízie pokladá rámec za úspešne odoslaný. Pri bezdrôtovom spojení si musí počkať na potvrdenie o úspešnom prijatí.
Odosielateľ:
- Ak neregistrujeme vysielanie počas daného krátkeho času (pre zaujímavosť zvaného DIFS, čo znamená DCF Interframe space, kde DCF je „distributed coordination function“), pošleme celý rámec. Nevieme totiž počas vysielania odhaliť kolíziu.
- Ak registrujeme vysielanie:
- vygeneruj si číslo
- ak nik nevysiela, znižuj toto číslo, ak vysiela neznižuj ho
- ak dopočítaš do nuly pošli celý rámec
- ak nepríde potvrdenie, začni znova bodom 1.
Príjemca:
Ak prišiel rámec v poriadku, počkaj daný krátky čas (kratší ako DIFS – zvaný SIFS=short interframe space) a pošli potvrdenie o prijatí rámca. Tento čas sa čaká kvôli tomu, aby sa stanice stihli prepnúť z módu prijímania do módu vysielania a naopak.
Rozšírenie tohto algoritmu o „/CA“, teda o collision avoidance = vyhýbanie sa kolíziám, sa snaží eliminovať vznikanie kolízií na maximálne možnú mieru a to hlavne pre zariadenia, ktoré sa navzájom nepočujú. Idea tohto rozšírenia je taká, že prístupový bod vyšle rámec (nazývaný CTS=clear-to-send) všetkým zariadeniam s informáciou o tom, ktoré zariadenie bude v najbližšom čase vysielať. Ostatné zariadenia sú v tom čase ticho a tak počas tohto vysielania nevznikne kolízia ani so zariadeniami, ktoré toto vysielanie nepočujú.
Ak si chce nejaká stanica rezervovať čas na svoje vysielanie, pošle RTS (request-to-send) rámec prístupovému bodu a ten potom pre túto stanicu rezervuje vysielací čas cez CTS rámec. Samozrejme sa úplne všetky kolízie týmto neodstránia. Stále môže dochádzať ku kolíziám RTS rámcov viacerých staníc, alebo ku kolízii RTS a CTS rámcov. Tieto rámce sú však malé a tak kolízie netrvajú tak dlho ako v prípade oveľa väčších dátových rámcov.
Nasledujúci obrázok ukazuje situáciu, keď sa o rezerváciu pokúsili súčasne stanice A a B. Keďže došlo ku kolízii, prístupový bod (AP) nebol schopný prečítať ani jeden z rezervačných RTS rámcov. Následne si obe stanice vygenerovali číslo používané pri čakaní na vysielanie. Keďže si stanica A vygenerovala menšie číslo, stanica B nestihla vysielať a ku kolízii nedošlo. Prístupový bod prijal RTS rámec a vyslal CTS rámec s informáciami o tom, že bude vysielať stanica A počas daného množstva času. Stanica B tento CTS rámec prijme a musí sa na tento čas odmlčať. Zatiaľ stanica A tiež prijme tento CTS rámec a môže začať vysielať. Po prijatí potvrdenia o prijatí sa môžu opäť všetky stanice usilovať o rezerváciu vysielacieho času.
Rámec štandardu IEEE 802.11
Rámec pre WLAN IEEE 802.11 (Wi-Fi) spojenia má omnoho zložitejšiu hlavičku ako rámec 802.3 drôtového Ethertnetu. V hlavičke totiž musia byť informácie potrebné na zabezpečenie spoľahlivosti (potvrdzovanie), informácie zahrnuté v signálnych rámcoch, ktoré posielajú prístupové body, podpora pre šifrovanie, informácie v RTS a CTS paketoch, ale napríklad aj informácie na riadenie výkonu vysielača a prijímača.
Čo je možno na prvý pohľad zarážajúce, je to, že rámec 802.11 obsahuje až 4 MAC adresy. Dve adresy slúžia rovnako ako v rámci 802.3 na identifikáciu odosielateľa a príjemcu rámca v sieti. Ďalšie dve adresy identifikujú zariadenia, ktoré si práve posielajú rámec po bezdrôtovom spoji, pričom ani jedno z nich nemusí byť pôvodný odosielateľ alebo cieľový príjemca rámca. Rámec totiž môže v sieti putovať cez viacero prístupových bodov alebo staníc (v prípade ad-hoc spojenia), kým sa dostane k cieľovej stanici v sieti. Koncová a cieľová stanica dokonca ani nemusia byť napojené bezdrôtovo. Stačí, že na ceste k cieľovej stanici prechádza tento rámec nejakým bezdrôtovým spojom. V drôtových spojoch na ceste sa používa stále rámec 802.3. Na rámec 802.11 sa prekladá iba na tej časti cesty, kde je bezdrôtový spoj. Je potrebné si všimnúť, že každý prístupový bod má svoju MAC adresu na rozdiel od hubov a switchov v drôtovom Ethernete.
5.11.2 Bluetooth a IEEE 802.15
Technológia Bluetooth a z neho vytvorený štandard IEEE 802.15 (pre Bluetooth v1.2) sú navrhnuté iba pre ad-hoc architektúru bez prístupových bodov. Sú určené na komunikáciu na menšie vzdialenosti (do 10 metrov) a predpokladá menšie energetické výdaje ako WLAN 802.11. Prenosové rýchlosti sú o niečo menšie ako pri WLAN 802.11. Bluetooth v2.1 zvyšuje túto rýchlosť na 3Mb/s. Verzia 3.0 sa používa na riadenie spojenia a veľké dáta posiela cez Wi-Fi. Bluetooth 4.0, nazývaný „Bluetooth Smart“, priniesol klasický Bluetooth (pre legacy podporu), vysokorýchlostný Bluetooth (založený na používaní Wi-Fi) a nízkoenergetický protokol (určený pre baterkové zariadenia). Bluetooth 5 dosahuje rýchlosti 2 Mbit/s bez použitia Wi-Fi so zameraním sa na IoT. Zámerom Bluetooh nie je mať vysoké prenosové rýchlosti (na to tu máme Wi-Fi) ale jednoduché a rýchle pripojenie ľubovoľných dvoch či viacerých zariadení medzi sebou. Zapojené zariadenia sa delia na master zariadenie a slave zariadenia. Master rozdeľuje, kto bude vysielať. Zariadenia si dokonca môžu meniť role a ľubovoľný slave sa môže stať mastrom a naopak.
5.11.3 WiMAX – IEEE 802.16
Siete typu WiMAX sú navrhnuté iba pre architektúru napojenia cez prístupové body. Výhodou WiMAXu je oveľa väčšia komunikačná vzdialenosť ako v prípade WLAN 802.11 a to až 10-20 km. Prenosové rýchlosti dosahujú 14 Mbit/s. Protokol WiMAXu je navrhnutý tak, že komunikácia je rozdelená na kolá, v ktorých má každé zariadenie vyhradený čas na vyslanie nejakej informácie. Na začiatku kola vždy najprv prístupový bod posiela dáta všetkým zariadeniam, pre ktoré má dáta. Ak informácia od stanice hovorí o tom, že chce odosielať dáta, v ďalšom kole je jej pridelený väčší priestor na odoslanie dát. Každý odosielateľ má v čase jeho vysielania vyhradené celé pásmo iba pre seba, aby nevznikali kolízie.
5.11.4 Vysielanie v širokom pásme
Regulačný úrad špecifikuje výkon signálu, ktorý môže vyžarovať jeden vysielač. Tento výkon môže byť sústredený do úzkeho frekvenčného pásma alebo rozložený do viacerých pásiem. Vysielanie v úzkom pásme má vysokú citlivosť na iné vysielania a prípadná interferencia v tomto pásme spôsobuje znehodnotenie signálu. Tieto problémy sa dajú riešiť prístupovými metódami k zdieľanému spoju. Iným riešením je využiť široké pásmo a interferencie obmedziť takzvaným frekvenčným skákaním, pri ktorom odosielateľ aj príjemca niekoľkokrát za sekundu preladia na inú, vopred známu frekvenciu a vyšlú kúsok dát na nej a potom sa zas preladia. Ak je takýchto prelaďovaných frekvencií veľa a prelaďovanie využívajú všetky vysielače, výrazne sa znižuje pravdepodobnosť interferencie. Túto techniku využíva napr. technológia Bluetooth, ktorá využíva prelaďovanie až 1600x za sekundu.
Vysielanie v širšom pásme má nižšiu intenzitu vo svojich podpásmach a aj vyššiu pravdepodobnosť, že v niektorej časti pásma dôjde k interferencii a v inej nie. Ak sa vysiela rovnaká informácia vo všetkých pásmach súčasne, tak ak dôjde k interferencii iba v niektorých z nich a ostatné budú prijaté v poriadku, príjemca je schopný extrahovať dáta správne. Takéto riešenie využívajú napríklad technológia DSSS využívaná napríklad v signále GPS alebo CDMA v mobilných sieťach.