Báječný svět počítačových sítí
Část XXIV: Wi-Fi
Když se dnes řekne Wi-Fi, snad každý si pod tím představí nějaké zařízení pro bezdrátový přenos dat mezi počítači a dalšími zařízeními. Jenže technologií a standardů, ze kterých takováto zařízení mohou vycházet, je více. Vyznáte s tom, čím se liší IEEE 802.11b od IEEE 802.11a či IEEE 802.11g, a proč jen některé konkrétní produkty mají právo honosit se označením Wi-Fi, zatímco jiné nikoli?V předchozím dílu tohoto seriálu jsme si popisovali, jak se Ethernet v určitém stádiu svého vývoje zbavil drátů a začal fungovat jako bezdrátový. A tato jeho bezdrátová odnož začala žít natolik samostatným životem, že se na její Ethernetový původ záhy zcela zapomnělo. Dnes se proto již nehovoří o bezdrátovém Ethernetu. Místo toho se dnes můžeme setkat s označením WLAN (od „Wireless LAN“), které je ale generickým označením pro všechny bezdrátové varianty lokálních sítí, bez ohledu na jejich koncepci a standardy, ze kterých vychází. Navíc jde o označení, pocházející spíše ze zámoří, zatímco v Evropě se můžeme setkat také s označením RLAN (od: Radio LAN). I to je ale generickým označením, pod kterým se mohou skrývat opravdu nejrůznější řešení, včetně těch které vychází z evropských standardů jako je HIPERLAN1 (HIgh PErformance Radio Local Area Network) či HIPERLAN2.
Nás ale bude dnes zajímat jedna konkrétní „vývojová větev“, jejíž kořeny představuje právě bezdrátový Ethernet. Po přečtení předchozího dílu tohoto seriálu již určitě víte, že jde o větev vycházející ze standardů, které připravila a dodnes dále rozvíjí pracovní skupina 802.11 organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Jiná pracovní skupina stejného orgánu, konkrétně 802.3, vydala i specifikace a standardy původního „drátového“ Ethernetu, poprvé v roce 1982. Teprve o řadu let později, konkrétně v roce 1997, vydává IEEE 802.11 první specifikace „bezdrátového Ethernetu“, fungujícího ještě s maximální rychlostí jen 2 Mbit/s.
IEEE 802.11b a IEEE 802.11a
Ovšem už v době vydání prvního standardu bezdrátového Ethernetu bylo jeho řešení vnímáno jako překonané, a intenzivně se pracovalo na řešení novém a ještě rychlejším. To se podařilo najít a standardizovat poměrně rychle, již v roce 1999. Jak jsme si již také uvedli v předchozím dílu tohoto seriálu, jednalo se o standardy IEEE 802.11a a IEEE 802.11b, které skutečně dosáhly poměrně výrazného zrychlení, ovšem za cenu poměrně významné změny rádiové části celého řešení. Ukazuje to i následující obrázek, který jsme si ukazovali i minule, a podle kterého varianta IEEE 802.11b využívá ze tří původních technik bezdrátového rádiového přenosu již jen jednu (techniku DSSS, Direct Sequence Spread Spektrum), zatímco varianta IEEE 802.11a dokonce přišla s další technikou, tzv. ortogonálního frekvenčního multiplexu (OFDM).
 |
Podstatné také je, že varianta IEEE 802.11b, dodnes asi stále nejrozšířenější a nejpoužívanější po celém světě, nadále funguje v bezlicenční pásmu 2,4 GHz, kde dosahuje nominální přenosové rychlosti až 11 Mbitů. Naproti tomu varianta IEEE 802.11a se již posunula do pásma 5 GHZ, kde dokáže pracovat rychlostí až 54 Mbit/s (opět ale jen nominálně).
Nominální vs. efektivní přenosová rychlost
Jen pro připomenutí, nominální rychlost vypovídá spíše o tom, jak dlouho trvá přenos jednoho bitu, bez ohledu na to, zda jde o bit užitečný či režijní. Tzv. efektivní přenosová rychlost, která bere v úvahu již jen užitečná data, bývá v praxi menší, a to až o desítky procent, protože už bere v úvahu nejrůznější režii a také všelijaké nutné prodlevy, opakované přenosy apod. Může být a bývá závislá i na konstrukci rádiových zařízení, což naznačují nejrůznější praktické testy a srovnání, které sledují chování různých produktů ve stejných podmínkách. Obvykle se jimi dosahované rychlosti liší i dosti podstatně.
Nečekejme tedy od technologie, která deklaruje (nominální) přenosovou rychlost 11Mbitů za sekundu, že třeba za minutu přenese 60 * 11 megabitů. Bude to podstatně méně, a rozdíl jde právě na úkor rozdílu mezi nominální (a tedy spíše teoretickou) rychlostí a rychlostí efektivní (skutečně dosahovanou).
Následující tabulka uvádí příklad dosahovaných efektivních rychlostí pro technologie na bázi IEEE 802.11b, 802.11a a 802.11g (viz dále). Samozřejmě nejde o žádné závazné a oficiální hodnoty, ale spíše o orientační a zprůměrňované výsledky různých praktických testů.
|
Standard |
Max. nominální rychlost |
Reálná efektivní rychlost |
|
802.11b |
11 Mbit/s |
do 6 Mbit/s |
|
802.11g |
54 Mbit/s |
do 22 Mbit/s |
|
802.11a |
54 Mbit/s |
do 25 Mbit/s |
Není rychlost jako rychlost
Úvaha o rozdílu mezi nominální a efektivní rychlostí přitom platí obecně, pro všechny technologie, drátové i bezdrátové. Ovšem bezdrátové technologie se navíc musí potýkat i s tím, že se jim podmínky pro přenos mohou měnit doslova „pod rukama“ a velmi dynamicky, Například v důsledku jejich pohybu, aktivit jiných stanic či jen v důsledku nejrůznějšího rušení, často předem neodhadnutelného a nepredikovatelného.
Řada bezdrátových technologií proto dokáže pracovat i nižšími (nominálními) rychlostmi, což je činí přeci jen odolnějšími vůči různým nepříznivým vlivům. Navíc se nominální rychlosti mohou měnit poměrně dynamicky, na základě vlastního uvážení bezdrátových stanic, které průběžně monitorují podmínky pro přenos. Pokud zjistí jejich významnější zhoršení (či zlepšení), mohou samy a ihned přejít na nižší (či vyšší) nominální přenosovou rychlost.
První technologie bezdrátového Ethernetu, ještě podle standardu IEEE 802.11 (z roku 1997 a bez rozlišujícího písmene), dokázala pracovat jen dvěma různými nominálními rychlostmi, a to 1 a 2 Mbit/s. Standard IEEE 802.11b z roku 1999 již počítal s širším výběrem možných nominálních rychlostí: 1, 2, 5.5 a 11 Mbit/s. Stejně starý standard IEEE 802.11a, který předpokládá fungování v pásmu 5 GHz, počítá s ještě větší škálou možných (nominálních) přenosových rychlostí: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 a 54 Mbit/s.
Frekvenční kanály v bezlicenčních pásmech
Dosahování co možná nejvyšších (nominálních i efektivních) přenosových rychlostí je u technologií IEEE 802.11 komplikováno také tím, že rozsahy frekvencí v příslušných bezlicenčních pásmech jsou omezené, a to poměrně výrazně. Například když se hovoří o tom, že IEEE 802.11b pracuje „v pásmu 2,4 GHz“, ve skutečnosti to znamená jen možnost fungování v rozsahu 2,400 až 2,4835 GHz, neboli v pásmu širokém pouze 83,5 MHz. A toto pásmo je navíc v různých částech světa různé, viz dále.
Podobně „v pásmu 5 GHz“ znamená (např. v ČR) ve třech různých pásmech:
- 5,150 až 5,250 GHz (šířka 100 MHz)
- 5,250 až 5,350 GHz (šířka 100 MHz)
- 5,47 až 5,725 GHz (šířka 255 MHz)
Přitom technologie IEEE 802.11b potřebují ke své práci frekvenční kanály o šířce 22 MHz. Na otázku, kolik se jich „vejde“ do pásma 2,400 až 2,4835 GHz, alias 83,5 MHz, je jednoduchá odpověď: pokud se nemají překrývat, pak jen tři! To znamená, že v celém tomto bezlicenční pásmu, vyhrazeném pro bezdrátové přenosy, jsou jen tři nepřekrývající se frekvenční kanály, a tudíž prostor jen pro tři vzájemně se neovlivňující (nerušící) přenosy!
Praxe ale počítá s přeci jen větším počtem kanálů, které ovšem „nahušťuje“ do stejně širokého rozsahu – takže se přitom nutně z části překrývají. Konkrétně tak, že odstup mezi těmito kanály, širokými 22 MHz, je pouze 5 MHz. Příslušné přenosy na takto „sousedních“ frekvenčních kanálech pak jsou stále možné, ale vzhledem k částečnému překrytí nedosahují takových výsledků, jako při využití nepřekrývajících se kanálů.
Kolik takovýchto vzájemně se překrývajících kanálů je k dispozici, je závislé na šířce celého bezlicenčního „pásma 2,4 GHz“, vyhrazeného pro tyto účely. A jak jsme si už řekli, v různých částech světa je situace různá. Jak moc, ukazuje následující tabulka:
|
Kanál č. |
Rozsah frekvencí |
USA |
Evropa |
Japonsko |
|
1 |
2401-2423 |
x |
x |
x |
|
2 |
2406-2428 |
x |
x |
x |
|
3 |
2411-2433 |
x |
x |
x |
|
4 |
2416-2438 |
x |
x |
x |
|
5 |
2421-2443 |
x |
x |
x |
|
6 |
2426-2448 |
x |
x |
x |
|
7 |
2431-2453 |
x |
x |
x |
|
8 |
2436-2458 |
x |
x |
x |
|
9 |
2441-2463 |
x |
x |
x |
|
10 |
2446-2468 |
x |
x |
x |
|
11 |
2451-2473 |
x |
x |
x |
|
12 |
2456-2478 |
- |
x |
x |
|
13 |
2461-2483 |
- |
x |
x |
|
14 |
2466-2488 |
- |
- |
x |
V ČR, podle posledního rozhodnutí (všeobecného oprávnění VO-R/12/08.2005-6) našeho správce frekvenčního spektra (Českého telekomunikačního úřadu) máme k dispozici celkem 13 takovýchto frekvenčních kanálů. Z nich pak můžeme vybrat 3 vzájemně se nepřekrývající kanály, a to 1, 7 a 13, které navíc mají i poněkud větší odstupy mezi sebou. Obdobně je tomu i ve většině zemí Evropy.
Naopak v USA mají k dispozici jen poněkud užší celkový rozsah frekvencí, do kterého se jim „vejde“ pouze 11 vzájemně se překrývajících kanálů o šířce 22 MHz. Tři nepřekrývající se z nich stále lze vybrat, ale jsou jiné než v Evropě: jsou to kanály 1, 6 a 11. Jejich odstupy mezi sebou jsou menší než u „evropské trojice“, a tak je zde přeci jen větší nebezpečí vzájemného ovlivňování jednotlivých přenosů.
 |
Situace „pásmu 5 GHz“ je přeci jen příznivější. Jak jsme si již uvedli výše, zde jsou k dispozici fakticky tři rozsahy frekvencí, o 100 + 100 + 255 MHz. Navíc technologie IEEE 802.11, které v těchto pásmech pracují, používají poněkud užší frekvenční kanály, a to o šířce 20 MHz. Takže i kanálů, které se nepřekrývají, zde mají k dispozici přeci jen více.
Bezlicenční neznamená bez pravidel
Připomeňme si nyní ještě jednu zásadní skutečnost, se kterou jsme se seznámili již v předchozích dílech tohoto seriálu. Jde o samotný bezlicenční princip využití určitých frekvencí.
Tento princip říká, že ten, kdo chce tyto frekvence využít, k tomu nepotřebuje žádné individuální oprávnění (dříve: individuální licenci). Místo toho stačí, když správce kmitočtového spektra vydá jedno „společné“ rozhodnutí, u nás ve formě tzv. všeobecného oprávnění (dříve: generální licence), a v něm stanoví podmínky, za kterým může kdokoli předmětné frekvence využít. Rozhodně to tedy neznamená, že by si na frekvencích, určených pro takovéto bezlicenční využití, mohl kdokoli dělat cokoli uzná za vhodné. To opravdu nemůže.
Podmínky, které stanovuje všeobecné oprávnění (generální licence), mohou být i dosti přísné, a jejich nedodržení může být sankcionováno vysokými pokutami. Takže pozor na to, a vždy se nejprve seznamte s jejich zněním. U zde popisovaných pásem a technologií je relevantní rozhodnutí regulátora (ČTÚ) v podobě již zmiňovaného všeobecného oprávnění VO-R/12/08.2005-6, které lze nalézt (například) na webu ČTÚ.
Nejvýznamnější podmínkou tohoto (i obdobných všeobecných oprávnění) je omezení toho, s jakou „silou“ (tzv. vyzářeným výkonem) mohou vysílače vysílat v tom kterém frekvenčním pásmu. Tak například v „pásmu 2,4 GHz“, přesněji v rozsahu 2,400 až 2,4835 GHz, nesmí být překročeno 100 mW EIRP (Effective Isotropical Radiated Power, alias „efektivní izotropický vyzářený výkon“).
V případě „pásma 5GHz“ je to ještě složitější, protože zdejší tři dílčí pásma se liší právě tím, jak silné je u nich omezení vysílacího výkonu:
- pásmo 5,150 až 5,250 GHz: možnost využití pouze uvnitř budov, max. 200 mW EIRP
- pásmo 5,250 – 5,350 GHz: možnost využití pouze uvnitř budov, max. 200 mW EIRP s regulací výkonu, jinak o 3 dB méně
- pásmo 5,47 až 5,725 GHz: možnost využití i vně budov, max. 1 W EIRP s regulací výkonu a výběrem frekvencí (DFS a TPC), jinak o 3 dB méně
Omezení výkonu
Podrobnější vysvětlení toho, co vlastně je EIRP (efektivní izotropický vyzářený výkon) by asi vydalo na samostatný díl tohoto seriálu, proto jen velmi stručně a s velkým zjednodušením: jde o výkon, vyzářený do prostoru ideální bodovou anténou (která vyzařuje do všech směrů a stejně). Takováto ideální bodová anténa ale v praxi neexistuje, protože reálné antény vždy vyzařují v některých směrech více a v jiných méně. Tam, kde reálné antény vyzařují v určitém směru více, než ideální bodová anténa, se hovoří o jejich zisku. Čím větší má anténa zisk, tím intenzivněji vyzařuje v příslušném směru – ale toto její vyzařování nesmí překročit mezní hodnotu, stanovenou ve všeobecném oprávnění pro bezlicenční pásmo.
Konkrétní „sílu“ vyzařování v praxi vypočítáme tak, že sečteme výstupní výkon vysílače (neboli „sílu“ toho, co vystupuje z vysílače), od toho odečteme ztráty vzniklé na kabelovém vedení k anténě, a naopak přičteme zisk použité antény. Výsledkem bude číslo (v dBm), které se přepočítá na mW a porovná s maximální povolenou hodnotou.
V praxi je třeba dávat pozor hlavně na situace, kdy se chystáte použít externí anténu s velkým ziskem (typicky více směrovou anténu), protože zde nejspíše bude třeba snížit výstupní výkon vysílače. Zde je proto velmi vhodné požádat o pomoc odborníka, který vám vše propočítá. Naopak, pokud si kupujete nějaké „krabicové“ zařízení s integrovanou anténou, pak nejspíše nemusíte mít žádný strach z překročení stanovených limitů.
IEEE 802.11g a IEEE 802.11h
Po malé exkurzi do oblasti vysílacích výkonů si již můžeme říci o dvou dalších standardech bezdrátových lokálních sítí, které připravilo IEEE, jako standardy 802.11g a 802.11h (oba z roku 2003).
První z nich, IEEE 802.11g, si můžeme představit jako vylepšenou verzi 802.11b: sále funguje v pásmu 2,4 GHz, na stejných frekvenčních kanálech jako 802.11b, ale díky dokonalejšímu a vyspělejšímu technologickému řešení (mimo jiné i díky technice OFDM) zde dokáže dosahovat maximální (a samozřejmě jen nominální) rychlosti 54 Mbit/s. V případě horších podmínek pro přenos pak může fungovat i s nižšími nominálními rychlostmi. Konkrétně 1, 2, 5.5, 6, 9, 11, 12, 18, 22, 24, 33, 36 a 48 Mbit/s.
Ještě zajímavější je pak standard IEEE 802.11h. Ten navazuje na předchozí standard IEEE 802.11a, a pracuje obdobně – v pásmu 5 GHz a s maximální (nominální) rychlostí 54 Mbit/s. Od svého předchůdce se liší v tom, že povinně podporuje dva mechanismy, napomáhající k „ekologičtějšímu“ chování v éteru. Jde konkrétně o schopnost dynamické volby frekvencí (DFS, Dynamic Frequency Selection), která vybírá takové frekvenční kanály, které jsou volné, resp. kde neprobíhá jiný provoz. Dále jde o schopnost regulovat vysílací výkon (TPC, Transmit Power Control), tak aby tento přesně odpovídal potřebám požadované komunikace a nebyl zbytečně vyšší (což by zvyšovalo možnost rušení jiných přenosů).
Pokud se znovu podíváte o pár odstavců výše, do místa kde se hovořilo o maximálním vyzařovacím výkonu, pak zmínky o nutnosti použít regulaci výkonu a výběr frekvencí se týkaly právě volby mezi standardy IEEE 802.11a a IEEE 802.11h. V případě 802.11h, který má obě funkce, lze vysílat plným (výše uvedeným) výkonem, tj. 200 mW, resp. 1 W. Pokud ovšem zařízení těmito mechanismy vybaveno není (jako například zařízení dle standardu 802.11a), mohou vysílat jen s výkonem o 3 dB nižším, neboli polovičním (protože -3 dB znamená poměr 1:2).
IEEE 802.11N, aneb: budoucnost je MIMO
Vývoj standardů v rámci pracovní skupiny IEEE 802.11 samozřejmě neskončil verzemi „h“ a „g“, ale pokračuje dál. Je z jedné strany motivován neutuchající poptávkou po ještě rychlejších bezdrátových přenosech, a z druhé strany dostupností nových technik, které rychlejší přenosy umožňují.
Jednou takovou technikou, na kterou sází jak připravované verze standardů IEEE 802.11 (pro WLAN), tak třeba i technologie WiMAX (pro nasazení spíše v rozlehlejších sítích včetně sítí metropolitní), a také budoucí mobilní technologie 4G, je technika označovaná jako MIMO. Její kuriózní název je zkratkou od „Multiple Input and Multiple Output“, a zaslouží si malé zastavení a vysvětlení.
U klasických rádiových přenosů jsou různé odrazy (odražené vlny, například od zdí apod.) nežádoucí a zhoršují celkovou kvalitu příjmu. Například u televizního vysílání se projevují známými „duchy“. Nicméně dostatečně inteligentní a propracovaný přijímač dokáže takovéto odražené vlny naopak využít ke zlepšení příjmu, díky tomu že je dokáže zbavit jejich „chybovosti“ a jakoby je započítat k užitečnému signálu. Teorie kolem toho je velká a složitá, ale v praxi to funguje.
Co ale tato technika ke svému fungování nutně potřebuje, je více antén. Proč, to by opět bylo na delší a podstatně odbornější povídání, ale určitou paralelu můžeme najít třeba i u počtu očí u člověka a dalších živých tvorů. I s jedním okem vidíme, ale se dvěma vidíme lépe a máme šanci vnímat více detailů. A podobně je to i s počtem antén.
Samotný princip MIMO tedy počítá s více anténami (například se dvěma či třemi) na straně vysílače i přijímače. Proto také ono “Multiple Out“, čímž se míní více antén na straně vysílače (a tedy „out“ znamená směrem ven do éteru), a „Multiple In“, čímž se míní naopak více antén na straně přijímače. Systémy MIMO tak v praxi poznáme poměrně snadno, podle většího počtu antén, či spíše malých antének. Mobily vzdálenější budoucnosti, které budou využívat techniku MIMO k dosažení rychlejších mobilních datových přenosů, je už nejspíše budou mít integrované ve svém těle, a nebudou z něj nijak vyčuhovat.
Ovšem dnes jsme s aplikací techniky MIMO stále ještě na začátku, a to i v oblasti sítí WLAN, vycházejících ze standardů od pracovní skupiny IEEE 802.11. Ta na novějším a ještě rychlejším standardu pracuje již od roku 2004, a už pro něj má i jméno: bude to IEEE 802.11n. Zatím - počátkem března 2007 - je ale tento standard teprve v návrhu, a nic nenasvědčuje tomu, že by jeho definitivní schválení bylo otázkou dnů. Spíše dalších měsíců.
Přesto už na trhu existují konkrétní produkty od konkrétních výrobců, kteří deklarují že jejich zařízení již vychází ze standardu IEEE 802.11n a fungují s rychlostí 100 Mbit/s, či dokonce ještě rychleji. Realita je taková, že vzhledem k absenci definitivního standardu jde jen o jakési „pre N“ verze, či „Draft-N“, které sice mohou různě předjímat, jak bude výsledný standard vypadat, ale případné změny vyloučit nemohou. A už z principu takovéto výrobky nemohou získat nálepku „Wi-Fi Certified“, viz dále, protože není podle čeho je certifikovat.
Na druhé straně to ale vůbec nemusí znamenat, že by tato zařízení byla nepoužitelná. Stejná řešení, od stejného výrobce, budou “proti sobě“ nejspíše řádně fungovat a dosahovat o něco rychlejších přenosů. Ale při kombinování „pre N“ zařízení od různých výrobců už je na místě obezřetnost, hlavně kvůli absenci možnosti ověřit a certifikovat jejich kompatibilitu se standardy a interoperabilitu s produkty jiných výrobců.
Co je a co není Wi-Fi?
Připravit specifikace určitého řešení a vydat je ve formě standardu je jen jedním z kroků, které jsou nutné pro prosazení určitého řešení do života a každodenní praxe. Sebelepší standard nebude nic platný tam, kde konkrétní implementace nebudu tento standard dostatečně přesně dodržovat. Nebo ho sice budou dodržovat, ale přesto si různé produkty od různých výrobců nebudou rozumět navzájem. A právě u bezdrátových řešení, kde se spolu velmi často setkávají a chtějí vzájemně komunikovat produkty od různých výrobců, je jejich vzájemná kompatibilita (slučitelnost) a interoperabilita (schopnost vzájemné spolupráce) velmi důležitá.
A tak zde, podobně jako i v dalších oblastech, vznikají zvláštní opatření a řešení pro testování kompatibility a shody se standardy, a současně testy vzájemné interoperability konkrétních produktů, vycházejících ze stejných standardů. V případě bezdrátového Ethernetu, resp. řešení na bázi standardu IEEE 802.11, se příslušným testováním zpočátku zabývala organizace WECA (Wireless Ethernet Compatibility Aliance), založená v srpnu 1999 firmami 3Com, Aironet, Harris Semiconductor, Lucent Technologies, Nokia a Symbol Technologies.
Právě tato organizace pak udělovala nálepku Wi-Fi (od: Wireless Fidelity) těm konkrétním produktům od konkrétních výrobců, založeným na standardech IEEE 802.11, které úspěšně prošly jejími testy kompatibility a vzájemné interoperability. Získání takovéto nálepky pak značí, že příslušný produkt získal Wi-Fi certifikaci, resp. že je „certifikován pro Wi-Fi“ (Wi-Fi Certified).
To tedy znamená, že právo honosit se označením Wi-Fi (resp. Wi-Fi Certified) nemají automaticky všechny produkty, které vychází ze standardů IEEE 802.11. Jsou to jen ty, které jejich výrobci přihlásí do příslušného testování, a tím úspěšně projdou. Spolu se získáním příslušného loga pak jsou takovéto produkty také zařazeny do oficiální databáze Wi-Fi produktů, kde si je může kdokoli vyhledat (i po Internetu, na adrese http://www.wi-fi.org/) a přesvědčit se, zda se eventuelně nějaký produkt neohání označením Wi-Fi, aniž by na to měl právo.
 |
 |
 |
 |
Není Wi-Fi jako Wi-Fi
 |
 |
 |
 |
Nejspolehlivější je podívat se přes Internet do databáze Wi-Fi zařízení, na adrese http://www.wi-fi.org. Ale co když přístup k Internetu právě nemáte? I pak se dá stále orientovat podle loga Wi-Fi, které mají právo používat pouze ta zařízení, která úspěšně prošla testy a získala příslušnou certifikaci. Příklady vidíte na obrázcích.