Sieci bezprzewodowe - standardy, technologie, budowa

Sieci bezprzewodoweGwałtowny rozwój technologiczny XXI wieku sprawił, że coraz szersze grono osób uzyskało dostęp do narzędzi, które w przeszłości funkcjonowały tylko w ramach wielkich instytucji. Wynalazki takie jak internet stały się nieodzowną częścią codzienności.

W ostatnich latach proces wdrażania nowoczesnych rozwiązań jeszcze nabrał na prędkości. Ciężko sobie wyobrazić świat funkcjonujący bez technologii bezprzewodowych, w mgnieniu oka łączących odbiorców w różnych miejscach świata. O potędze i nieocenionej użyteczności sieci bezprzewodowych można mówić w nieskończoność. Czym jednak one tak naprawdę są? Jakie można wymienić ich rodzaje? Na czym polega topologia sieci, po co stosuje się zabezpieczenia? Jakie są standardy? - i wiele więcej.

Udostępnienie Internetu oraz miniaturyzacja rozwiązań informatycznych wiązało się jednocześnie ze zwiększeniem podaży, przez co automatycznie spadły ceny tych produktów. W konsekwencji coraz większe grono osób mogło z nich korzystać, przez co komputery znalazły się nie tylko na podstawowym wyposażeniu większości gospodarstw domowych, ale stały się czymś typowym dla niemalże wszystkich funkcjonujących w dzisiejszych czasach firm. Komputery ułatwiły nie tylko pracę związaną z wypełnianiem dokumentacji, ale także stały się jednym z podstawowych narzędzi komunikacji. Firmy zaczęły tworzyć z tego względu całe sieci komputerowe, co z kolei wymagało stworzenia nowych rozwiązań umożliwiających szybszą i łatwiejszą komunikację - do tego często na naprawdę duże odległości.

Sieć bezprzewodowa

Termin pochodzi z języka angielskiego - Wireless Network. Sieć bezprzewodowa to sieć, która do przesyłu informacji z jednego nośnika do drugiego nie potrzebuje fizycznie istniejącej infrastruktury (takiej jak np. kable). Transmisja danych przebiega bezprzewodowo, z użyciem fal elektromagnetycznych. W przeszłości stosowano także inne rodzaje połączeń, jak chociażby standard IrDA, czyli fale w kanale podczerwieni. Te ostatnie wymuszają jednak kierunkowe przesyłanie informacji, co wiąże się z licznymi wadami, dlatego też obecnie bazuje się na falach elektromagnetycznych, przy czym w tym zakresie także wypracowano na przestrzeni lat standardy - podstawowy IEEE 802.11. Transmisja z użyciem tego standardu wykorzystuje nielicencjonowane pasmo (używa się dwóch zakresów pasm - 2,4 GHz oraz 5 GHz), w związku z czym użytkowanie sieci bezprzewodowej nie wiąże się z ponoszeniem dodatkowych płatności, związanych z wykorzystywaniem pasma. Pasmo 2,4 GHz zawiera czternaście kanałów oddalonych od siebie w równych odstępach co 5 MHz, w związku z czym każdy z nich zawiera indywidualną częstotliwość, będącą następnie modulowaną w przypadku przekazywania danych. W związku z brakiem konieczności wykorzystywania kabli i przygotowania infrastruktury pod nie, a także ze względu na niskie koszty użytkowania, technologia sieci bezprzewodowych jest coraz chętniej stosowana przez różne podmioty gospodarcze, firmy i przedsiębiorstwa, a także klientów indywidualnych.

Standardy sieci bezprzewodowych

Sieci bezprzewodowe opierają się przede wszystkim na standardach z grupy IEEE 802.11.

Rodzina ta obejmuje cztery zupełnie niezależne protokoły skupiające się na kodowaniu (a, b, g, n).

Standard 802.11b

  • Pierwszy powszechnie zaakceptowany standard
  • Transmisja odbywa się w pasmie o częstotliwości 2,4 GHz
  • Maksymalna prędkość transmisji danych w sieci wynosi 11 Mb/s
  • Sieć tego typu oferuje przede wszystkim większy zasięg

Standard 802.11a

  • Transmisja odbywa się w pasmie o częstotliwości 5,15-5,35 GHz oraz 5,725-5,825 GHz
  • Maksymalna prędkość transmisji danych wynosi 54 Mb/s

Standard 802.11g

  • Został oficjalnie zatwierdzony w 2003 roku
  • Transmisja odbywa się w pasmie o częstotliwości 2,4 GHz
  • Maksymalna prędkość transmisji danych w sieci wynosi 54 Mb/s
  • Sieć posiada duży zasięg
  • Obecnie jest mocno zatłoczona ze względu na komunikację telefoniczną

Standard 802.11n

Standard 802.11n został zatwierdzony stosunkowo niedawno - w 2009 roku. Urządzenia komunikują się za pomocą transmisji, która odbywa się w pasmie o częstotliwości 2,4 GHz. Maksymalna prędkość transmisji danych w sieci pracującej w standardzie 802.11n wynosi 600 Mb/s. Mamy tu jednocześnie do czynienia z naprawdę dużym zasięgiem oraz zdecydowanie większą odpornością na zakłócenia.

Standardy sieci komórkowej

Prędkości uzyskiwane w poszczególnych standardach sieci komórkowej

Technologie sieci komputerowych

Porównanie sieci bezprzewodowych i przewodowych - wady i zalety

Sieci bezprzewodowe usprawniają działanie sieci komputerowych przede wszystkim z punktu widzenia ekonomicznego. Przewody bowiem trzeba rozciągnąć w budynkach, co wiąże się z koniecznością przebijania się przez ściany, omijania innej infrastruktury usytuowanej w pomieszczeniach itd. W razie konieczności przeformowania infrastruktury ponownie pojawiają się problemy związane z zarządzeniem sieciami opartymi na kablach - często trzeba dostosowywać się do istniejącego ułożenia kabli w planowaniu rozstawienia infrastruktury, co nie zawsze jest optymalne.

Stacja nadawczo-odbiorcza sieci bezprzewodowej

Wieża telekomunikacyjna - stacja nadawczo-odbiorcza sieci bezprzewodowych

Sieci bezprzewodowe unikają tych problemów i pozwalają zarządzać infrastrukturą niemalże całkowicie swobodnie. W niektórych przypadkach sieci bezprzewodowe są jedynie udogodnieniem, zaś w innych sytuacjach ich użycie jest niemalże koniecznością - chociażby w sytuacji, gdy sieć musi obejmować komputery rozmieszczona na stosunkowo dużym obszarze.

Z tego względu największymi zaletami sieci bezprzewodowych jest ich:

    1. łatwość montażu,
    2. możliwość bezproblemowego dojścia do kanału transmisji,
    3. łatwość jej rozbudowy i poszerzania,
    4. dobry zasięg wraz z pokonywaniem barier fizycznych takich jak ścian, sufitów pięter i innych przeszkód,
    5. możliwość mobilnej komunikacji.
    Niestety, użytkowanie technologii bezprzewodowych niesie za sobą także szereg ryzyk. Korzystając z sieci bezprzewodowej jesteśmy narażeni na próby złamania szyfrowania i uzyskania dostępu do ważnych informacji.

    Warto przy tym zaznaczyć, że sieci kablowe wciąż posiadają pewne zalety, takie jak:

    1. niski koszt budowy sieci,
    2. stosunkowo wysoki transfer wewnętrzny,
    3. względna bezawaryjność,
    4. łatwość rozbudowy.

    Cechy te, co także należy zaznaczyć, wynikają w dużej mierze z faktu, iż sieci bezprzewodowe nie są jeszcze tak rozwinięte, by posiadać również wspomniane cechy. Z roku na rok sytuacja zaczyna się jednak zmieniać. Sieci bezprzewodowe są zdecydowanie bardziej skomplikowane niż sieci przewodowe i tego najprawdopodobniej nie uda się zmienić, jednakże rozwój łączności bezprzewodowej na pewno zwiększy ich bezawaryjność, przyspieszy przepływ informacji czy też zmniejszy cenę ich użytkowania, co ostatecznie sprawi, że sieci kablowe tym bardziej stracą na znaczeniu, ponieważ zanikną pewne ich pozytywne cechy.

    Zabezpieczenia sieci bezprzewodowych

    Sieć bezprzewodowa jest narażona na nieustanne ataki hakerów i inne niebezpieczeństwa związane z utratą danych i ochroną informacji. Najczęściej stosowanym sposobem na zabezpieczenie takich sieci jest szyfrowanie. Jest to proces związany z przetwarzaniem informacji, dzięki którym treść jest łączona ze specjalnym kodem (ciąg liczb szesnastkowych), w celu uniemożliwienia sprawnego ich odczytania przez osobę bez dostępu do sieci WLAN.

    • Standard 802.11a/b/g/n umożliwia wykorzystanie technologii Wired Equivalent Privacy (WEB) w celu ochrony kryptograficznej sieci.
    • Protokół WPA - WiFi Protected Access jest również szeroko wykorzystywany w sieciach bezprzewodowych IEEE 802.11. Technologia ta została przedstawiona jako bezpieczniejszy następca WEP. Korzysta on z protokołów TKIP i 802.1. W odróżnieniu od standardu WEP, WPA korzysta z kluczy 128-bitowych (w starszym standardzie wykorzystywano klucze 40 i 104 bitowe, z wektorem IV przedłużającym klucz do rozmiarów 64 i 128 bitów).
    • Standard IPsec umożliwia szyfrowanie, a także uwierzytelnianie pakietów IP z wykorzystaniem technologii kryptografii. Zapewnia on bezpieczny przesył danych poprzez zachowanie ich integralności i możliwość bezproblemowej kontroli dostępu. Zabezpiecza on także przed atakami hakerskimi, które wymagają powtórnego przesłania informacji. Jego częściami składowymi jest nagłówek (AH - Authentication Header) posiadający informacje wymagane do autoryzacji, szyfrowanie domyślnego pakietu IP w dwóch trybach (transportowym i tunelowym) i obudowanie w ESP, a także Internet Key Exchange - uniwersalny algorytm wymiany klucza.

    W zabezpieczaniu hotspotów, czyli publicznie dostępnych sieci bezprzewodowych (WiFi), stosuje się przede wszystkim klucz WEP, a także WPA i wymagający dużej mocy obliczeniowej urządzenia WPA II. Wi-Fi Protected Access korzysta z dwóch możliwości działania: trybu Enterprise z użyciem serwera Radius (rozdysponowującym klucze dostępu poszczególnym użytkownikom), a także trybu Personal wykorzystującym PSK (jeden klucz przydzielony do wszystkich użytkowników).

    Rodzaje sieci bezprzewodowych

    Sieci bezprzewodowe można podzielić ze względu na zasięg ich oddziaływania na:

    1. WPAN (ang. Wireless Personal Area Network), która działa na stosunkowo niewielką odległość, która przydaje się głównie w przypadku wymiany informacji pomiędzy dwoma urządzeniami mobilnymi. Przykładem zastosowania jest technologia Bluetooth.
    2. WLAN (ang. Wireless Local Area Networ), która obejmuje wszystkie opisane powyżej standardy i obejmuje swym działaniem zdecydowanie większy obszar, choć wciąż ma pewien ograniczony zasięg. Obejmuje od kilku do zwykle kilkunastu urządzeń takich jak komputery osobiste. Jest to jeden z najpopularniejszych rodzajów sieci bezprzewodowych wykorzystywanych do łączenia się z internetem w biurach, a także w mieszkaniach.
    3. WMAN (ang. Wireless Metropolitan Area Network) - mniej popularne, ponieważ wykorzystywane są jedynie w dużych aglomeracjach miejskich. Dzięki zastosowaniu tych sieci możliwe jest łączenie się w ramach sieci bezprzewodowych wielu punktów w obszarze miasta (bądź kilku miast). Najczęściej stanowią one uzupełnienie sieci kablowej - na wypadek jej awarii.
    4. WWAN (ang. Wireless Wide Arena Network) - są to sieci globalne przez które możliwe jest nawiązywanie połączeń na ogromnych obszarach geograficznych. Przykładem zastosowania mogą być systemy sieci takie jak GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA, które posiadamy w telefonach komórkowych.

    Zazwyczaj zatem budowanie sieci komputerowych (w firmach czy gospodarstwach domowych) opiera się o ten drugi model, ponieważ w pierwszym wypadku zazwyczaj łączą się ze sobą pojedyncze urządzenia, zaś w ostatnim przypadku mowa jest przede wszystkim o telefonii komórkowej, czyli rynku niezwykle specyficznym.
    Najważniejszym elementem budowy sieci bezprzewodowej (poza urządzeniami, które chcą uzyskać dostęp do sieci) jest punkt dostępu, który stanowi swego rodzaju bramę, łączącym odbiornik z wolnymi falami. W związku z tym punkt dostępowy musi posiadać co najmniej dwa interfejsy sieciowe:

    1. bezprzewodowy działający w oparciu o standard IEEE 802. 11 (Wi-Fi);
    2. przewodowy służący połączeniu PD z siecią standardu IEEE 802. 3 (Ethernet) bądź modem standardu DSL.

    Niezwykle ważne są także karty sieciowe, które przekształcają dane w sygnał, który następnie przesyłany jest za pomocą sieci do innych odbiorników. Poza tym do budowy sieci bezprzewodowej potrzebną są elementy dodatkowe, jak chociażby anteny (służące do przekazywania i odbierania sygnału), a także przewodów, przejściówek i innych elementów, służących do podłączenia określonych urządzeń do odbiorników.

    Topologie sieci bezprzewodowych

    Topologia sieci będzie skupia się na ułożeniu jej poszczególnych elementów, specyfikę ich łączenia oraz metody wysyłania i odbierania informacji. Topologia może mieć wymiar fizyczny (czyli bezpośrednie ich podłączenie do urządzeń docelowych), jak i logiczny (sposób komunikacji między nimi). Przede wszystkim topologia sprowadza się do dwóch najważniejszych rodzajów:

    • Topologia gwiazdy - posiadająca jedną bazę, umieszczoną w centralnym jej punkcie (jądro gwiazdy). Informacje docierają do głównego punktu sieci, a następnie odprowadzane są do konkretnego miejsca (węzła). To, co charakteryzuje ten rodzaj topologii to duża wydajność i możliwość zastosowania wielu, mocno oddalonych od siebie, punktów dostępowych.
    • Topologia kraty - w tym przypadku wymiana informacji nie następuje za pośrednictwem połączenia się z główną bazą sieci, lecz dane wymieniane są bezpośrednio pomiędzy węzłami. Specjalne oprogramowanie punktów dostępu umożliwia bezproblemowe podejmowanie decyzji o kierowaniu pakietów informacji w konkretne punkty sieci.
    Szczegółowe zastosowania wyżej wymienionych typologii znajdują miejsce w różnych sposobach połączenia. Prezentują się one następująco:
    • Sieć ad-hoc - nie posiada centralnej struktury, urządzenia połączone w ramach takiej sieci mogą być klientami i punktami dostępu. Jest to struktura tymczasowa, która cechuje się duża nietrwałością i jest zwykle stosowana tymczasowo
    • Sieć infrastrukturalna - sieć posiadająca strefy Basic Service Set. Każda ze stref komunikuje się ze swoim punktem dostępu (Access Point). AP są ze sobą połączone przewodowo, a klienci mogą przemieszczać się z jednej strefy, do drugiej.
    • Sieci kratowe - strukturą przypominające siatkę. Łączą się za pomocą fal radiowych. Niektóre elementy sieci mogą być połączone ze sobą kablami. Ten rodzaj sieci cechuje wysoka wydajność i możliwość sprawnego zareagowania na występujące awarie - w ramach problemów można oprzeć sieć na innych węzłach.
    • Sieci sensorowe - tzw. Wireless Sensor Network. Obejmują zestaw urządzeń posiadających sensory, które są połączone w jedną sieć. Jest to sieć wykorzystywana przez instalatorów montujących urządzenia służące do monitorowania (kamery, fotokomórki, czujniki).

    Podsumowanie

    Należy zwrócić uwagę, że obecnie sieci bezprzewodowe stały się swoistym standardem. Oczywiście raczej trudno jest przypuszczać, by te sieci zupełnie wyparły połączenia przewodowe, ponieważ przewody wciąż posiadają szereg zalet, których nie zlikwiduje nawet gwałtowny rozwój połączeń bezprzewodowych. Te ostatnie z kolei posiadają także pewne wady, jak chociażby podatność na zakłócenia, czyli możliwość całkowitego zerwania połączenia w przypadku zaistnienia pewnych niekorzystnych warunków (w niektórych miejscach sieci tego typu mogą w ogóle nie funkcjonować albo też mogą być obciążone). Problemy istnieją także w zakresie bezpieczeństwa, ponieważ rozwój sieci bezprzewodowych wiąże się także z rozwojem cyberprzestępczości, a co za tym idzie pojawiają się coraz większe zagrożenia w tym zakresie. Tak czy inaczej sieci tego typu oferują bardzo duże możliwości w porównaniu do sieci przewodowych, dlatego też niewątpliwie na przestrzeni lat będą dalej się rozwijały.

    Źródła:

    1. Kurose J., Rose W., Sieci komputerowe. Wydanie V, Helion, Gliwice 2010
    2. Sieci bezprzewodowe, http://zcht.home.amu.edu.pl/pliki/Sieci%20bezprzewodowe.pdf