ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η / Υ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η / Υ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ WLAN ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Ε ΠΙΒΛΕΠΩΝ Κ ΑΘΗΓΗΤΗΣ: Θ ΩΜΑΣ Δ. Ξ ΕΝΟΣ Μ ΑΡΓΑΡΙΤΗΣ Γ ΕΩΡΓΙΟΣ 3728 Π ΡΟΚΙΔΗ Α ΝΘΗ 3156 Σ ΕΪΤΑΝΗΣ Δ ΗΜΗΤΡΙΟΣ 2783 Μάρτιος 2005

II

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εκμετάλλευση των νέων τεχνολογιών και συγκεκριμένα των ασύρματων τοπικών δικτύων (WLAN) αρχίζει να γίνεται πραγματικότητα στην Ελληνική αγορά. Επιχειρήσεις και ιδιώτες σταδιακά χρησιμοποιούν, όλο και περισσότερο, την ελεύθερη μπάντα των 2,4GHz για την ασύρματη δικτύωση υπολογιστών τόσο σε εσωτερικούς χώρους όσο και σε ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων για σύνδεση απομακρυσμένων σταθμών. Το ερώτημα που τίθεται είναι αν θα μπορούσε η τεχνολογία των WLAN να χρησιμοποιηθεί εσωτερικά σε κάποιο χώρο για την ασύρματη δικτύωση όλων των υπολογιστών που θα βρίσκονται εκεί. Ο σχεδιασμός ενός ασύρματου δικτύου όμως και ιδιαίτερα εντός κτιρίων δεν είναι απλή υπόθεση, αφού περιλαμβάνει μελέτη για τη δομή του δικτύου και το κυριότερο μελέτη της ραδιοκάλυψης μέσα στο κτίριο. Άλλωστε τα μοντέλα προσομοίωσης τέτοιων συνδέσεων δεν είναι πάντα ακριβή και πρέπει να συνδυάζονται με πειραματικές μετρήσεις. Η εργασία που ακολουθεί εξετάζει το πρωτόκολλο ασύρματης δικτύωσης 802.11b, την διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε κλειστούς χώρους και τελικά γίνονται πειραματικές μετρήσεις για την επαλήθευση των θεωρητικών υπολογισμών. Οι μετρήσεις έγιναν στο 31 ο Γυμνάσιο Θεσσαλονίκης και όλοι οι θεωρητικοί υπολογισμοί έγιναν για το συγκεκριμένο σχολικό συγκρότημα. Δεδομένης της ομοιότητας των σχολικών εγκαταστάσεων η συγκεκριμένη μελέτη μπορεί να έχει εφαρμογή στο σχεδιασμό WLAN για την πλειονότητα των σχολικών κτιρίων. III

IV

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία είναι το αποτέλεσμα συντονισμένων εργασιών μεταξύ των μελών της ομάδας μας, αποτέλεσμα στο οποίο δεν θα είχαμε φτάσει χωρίς την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγηση κάποιων ανθρώπων τους οποίους οφείλουμε να ευχαριστήσουμε. Πρώτα απ όλα λοιπόν να εκφράσουμε τις ευχαριστίες μας στον καθηγητή μας κ. Θωμά Ξένο για την ευκαιρία που μας έδωσε να ασχοληθούμε με ένα τόσο ενδιαφέρον και επίκαιρο θέμα καθώς και για την εμπιστοσύνη που μας έδειξε αναθέτοντας μας το θέμα αυτό. Επιπλέον, θα πρέπει να ευχαριστήσουμε την κ. Δάφνη Μεϊμαρίδου για την ά- ριστη συνεργασία μας από την πρώτη ως την τελευταία στιγμή της εκπόνησης της εργασίας αυτής, την προσφορά της σε χώρο, εξοπλισμό και τη βοήθεια που μας παρείχε κάθε στιγμή. Επίσης θα θέλαμε να εκφράσουμε την ευγνωμοσύνη μας προς τον διευθυντή του 31 ου Γυμνασίου Θεσσαλονίκης για τη διάθεση του χώρου του και των μηχανημάτων. Τέλος, πολύτιμη ήταν η βοήθεια της αρχιτέκτονος μηχανικού Μαρίας Παγκάλου για τη βοήθεια και την εκπαίδευση επί του σχεδιαστικού προγράμματος Arch- CAD. V

VI

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... III ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... V ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...VII 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ...1 1.2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ...5 1.3 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WLAN...7 1.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WLAN...9 1.5 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WLAN...12 1.6 ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ...13 2 ΨΗΦΙΑΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ 802.11b...15 2.1 ΚΥΡΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ...15 2.2 ΦΑΣΜΑ EΚΠΟΜΠΗΣ...15 2.3 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ...17 2.4 ΕΥΡΟΣ ZΩΝΗΣ...20 2.5 ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ (ACCESS METHOD)...20 2.6 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΕΝΟΣ AΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ WLAN...25 2.7 ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ ΚΡΥΜΜΕΝΟΥ KΟΜΒΟΥ (HIDDEN NODE)...29 2.8 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗΣ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ...31 3 Η ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ...33 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ...33 3.2 LARGE SCALE FADING...35 3.2.1 Μοντέλο διάδοσης ελεύθερου χώρου...35 3.3 SMALL SCALE FADING...36 3.4 ΟΙ ΤΡΕΙΣ ΒΑΣΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΔΟΣΗΣ...37 3.4.1 Ανάκλαση (Reflection)...38 3.4.2 Περίθλαση (Diffraction)...38 3.4.3 Σκέδαση (Scattering)...39 3.5 ΠΡΑΚΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΖΕΥΞΕΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΔΙΑΔΟΣΗΣ...40 3.5.1 Logarithmic-Distance Path Loss Model...40 3.6 ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ...42 3.6.1 Γενικά...42 3.6.2 Βάση δεδομένων...44 3.6.3 Τροποποιημένο μοντέλο ελεύθερου χώρου. (MF-Modified Free Space Model)...45 3.6.4 Μοντέλο Motley-Keenan...46 3.6.5 Μοντέλο COST Πολλαπλών Τοίχων (Multiple Successive Walls Cost Model)...47 3.6.6 Απώλειες διαμερισμάτων(ίδιου ορόφου)...50 3.6.7 Απώλειες διαμερισμάτων μεταξύ διαφορετικών ορόφων...50 3.6.8 Απόκλιση μοντέλων υπολογισμού απωλειών...51 3.6.9 Ericsson Multiple Breakpoint Model...51 VII

4 ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΔΙΚΤΥΟΥ WLAN ΣΕ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΧΩΡΟ...53 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...53 4.2 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΚΑΤΟΨΗΣ ΚΑΙ 3D ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΤΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ...54 4.3 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ...56 4.4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ WLAN...61 4.4.1 Η ισχύς του πεδίου στο φορητό δέκτη...61 4.4.2 Throughput (Mbps) - Response Time (seconds)...67 4.5 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ -n-...75 4.6 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ - ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ...81 5 ΠΟΡΙΣΜΑΤΑ...87 5.1.1 Τιμές ισχύος με μεγάλη απόκλιση...87 5.1.2 Ακρίβεια μοντέλων...87 5.1.3 Άλλοι παράγοντες που επηρέασαν τα αποτελέσματα των μετρήσεων 87 5.1.4 Βέλτιστη τοποθέτηση Access Point...88 5.1.5 Μεταβλητότητα του περιβάλλοντος...88 5.1.6 Δυσκολία χρήσης μοντέλων...88 5.1.7 Μειονεκτήματα μετρήσεων πραγματικού χρόνου...88 5.1.8 Πλεονεκτήματα της χρήσης Μοντέλων Διάδοσης...89 5.1.9 Συνδυασμός Μεθόδων...89 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ...91 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ...91 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β - ΟΡΟΛΟΓΙΕΣ...93 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ - SOFTWARE...101 NetIQ Chariot v5.0 Build 3186...101 WildPackets AiroPeek NX 2.0.2 - Wireless Network Analysis Tools...102 NetStumbler v0.4.0...103 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ - HARDWARE...105 Linksys BEFW11s4 Wireless-b Broadband Router...105 Linksys WPC11 v4 Wireless-b Notebook Adapter...106 Cisco Aironet 340 802.11b (AIR-PCM340-RF) Wireless Adapter...107 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ε ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ...109 ΠΗΓΕΣ...111 ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...111 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...114 ΔΙΑΔΙΚΤΥΑΚΟΙ ΤΟΠΟΙ...114 VIII

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Η ραγδαία τεχνολογική πρόοδος του περασμένου αιώνα δε θα μπορούσε να αφήσει ανεπηρέαστη την εξέλιξη των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Η βελτιστοποίηση των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και κυρίως η προσιτή τους τιμή τα ανέδειξε παγκοσμίως σε βασικά στοιχεία της καθημερινότητας του σύγχρονου ανθρώπου. Η εκτεταμένη χρήση τους επέβαλλε την αναζήτηση νέων λύσεων και μεθόδων στον τομέα των Τηλεπικοινωνιών. Τα δίκτυα υπολογιστών είναι ένας τομέας που γεννήθηκε περίπου στα μέσα του περασμένου αιώνα και σήμερα βρίσκεται σε ιδιαίτερη ανάπτυξη, αφού οι εφαρμογές των δικτύων καλύπτουν ένα πολύ μεγάλο μέρος του φάσματος των δραστηριοτήτων του σύγχρονου ανθρώπου. Από τη βιομηχανία έως και τη σύγχρονη κατοικία, τα δίκτυα αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της ζωής του ανθρώπου, προσφέροντας πολλές διευκολύνσεις και ανέσεις. Πράγματι, τα δίκτυα είναι παντού γύρω μας. Όταν χρησιμοποιούμε μία πιστωτική ή τηλεφωνική κάρτα καθώς και όταν χρησιμοποιούμε έναν υπολογιστή για να προσπελάσουμε το διαδίκτυο (Internet) ουσιαστικά χρησιμοποιούμε ένα δίκτυο υπολογιστών. Με απλά λόγια, το δίκτυο είναι ένα σύνολο από δύο ή περισσότερους υπολογιστές που είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους με καλώδια. Σε αυτό είναι δυνατόν να συνδέονται και άλλες συσκευές όπως εκτυπωτές και σαρωτές. Σκοπός του είναι η άνετη και γρήγορη διακίνηση πληροφοριών μεταξύ υπολογιστών, όπως η ανταλλαγή εγγράφων, αρχείων και δεδομένων, έτσι ώστε να μπορούμε να βλέπουμε, να συνομιλούμε ή και να παίζουμε με το χρήστη κάποιου άλλου υπολογιστή χωρίς να υπάρχει φυσική επαφή. Η δημιουργία δηλαδή των δικτύων έδωσε τη δυνατότητα στους χρήστες που είναι συνδεδεμένοι με αυτά να επεξεργάζονται και να μοιράζονται πολύ μεγάλου μεγέθους πληροφορίες, δεδομένα και εφαρμογές. Υπάρχουν πολλά είδη δικτύων, με βασικότερα τα τοπικά δίκτυα ή LAN (Local Area Networks), τα μητροπολιτικά δίκτυα MAN (Metropolitan Area Networks) και τα δίκτυα ευρείας περιοχής WAN (Wide Area Networks). Υπάρχει επίσης και μία τέταρτη κατηγορία δικτύων που έχει εμφανιστεί τα τελευταία χρόνια και αναμένεται να διαδοθεί ακόμα περισσότερο. Πρόκειται για τα PAN (Personal Area Networks), τα οποία ουσιαστικά αναφέρονται στην ασύρματη κυρίως επικοινωνία μεταξύ διαφόρων προσωπικών συσκευών που μπορούμε να μεταφέρουμε πάνω μας, όπως για παρά- 1

δειγμα το κινητό τηλέφωνο ή οι διάφοροι υπολογιστές χειρός και παλάμης (palmtop, handheld, PDA). Στο παρελθόν όλα τα τοπικά δίκτυα ήταν ενσύρματα και σε σταθερές θέσεις. Στις μέρες μας, τα ενσύρματα δίκτυα υπολογιστών έχουν φτάσει σε μία σημαντική ωριμότητα. Από το peer-to-peer και το client-server fast Ethernet σήμερα είμαστε στην εποχή του Gigabit Ethernet. Όμως, η ανάγκη για κινητικότητα είναι πολύ σημαντική για τους ανθρώπους. Για παράδειγμα, σε εργοστάσια ή αποθήκες, οι χρήστες θέλουν να μπορούν να συνδέονται στο δίκτυο ενώ βρίσκονται στη γραμμή παραγωγής. Στα νοσοκομεία θα ήταν πολύ χρήσιμο για τους γιατρούς να μπορούν να μεταφέρουν μαζί τους το ιστορικό των ασθενών τους το οποίο θα μπορεί να ενημερώνεται δυναμικά. Δυστυχώς, τα ενσύρματα δίκτυα δεν είναι σε θέση να παρέχουν τέτοιες δυνατότητες, καθώς βασίζονται στην υπόθεση ότι ο κάθε χρήστης δουλεύει από μία θέση στην οποία παραμένει καθ όλη τη διάρκεια της εργάσιμης μέρας του. Στη δυσκολία αυτή της αδυναμίας κίνησης κατά τη χρήση ενσύρματων δικτύων υπολογιστών προστίθενται και τα προβλήματα της καλωδιακής τους υποδομής καθώς και της επεκτασιμότητάς τους, που δύνανται να παρουσιαστούν στην προσπάθεια εγκατάστασης των δικτύων αυτών σε κτίρια παλαιάς κατασκευής ή κατά τη δικτυακή σύνδεση απομακρυσμένων περιοχών μεταξύ των οποίων παρεμβάλλονται πολλά φυσικά εμπόδια όπως π.χ. βουνά, λίμνες κλπ. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια παρουσιάστηκαν στην αγορά νέες τεχνολογίες οι οποίες βασίστηκαν στo πρότυπο 802.11 του IEEE για την ασύρματη δικτύωση. Τα ασύρματα δίκτυα δίνουν στους χρήστες τη δυνατότητα να έχουν τα δεδομένα εκεί που τα χρειάζονται, όταν τα χρειάζονται. Ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο (WLAN ή Wireless Local Area Network) αποτελεί ένα επικοινωνιακό σύστημα που δεν αποσκοπεί στην αντικατάσταση του κοινού ενσυρμάτου δικτύου (Ethernet), αντιθέτως λειτουργεί συμπληρωματικά ή εναλλακτικά, καθώς επιτρέπει την επέκταση του προϋπάρχοντας δικτύου. Τα τελευταία χρόνια τα WLANs βρίσκουν εφαρμογή διεθνώς σε διάφορους τομείς αφού επιτρέπουν τη σύνδεση χρηστών μέσα σε ένα κτίριο ή με άλλα γειτονικά χωρίς να απαιτούνται καλώδια. Οι τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης αποτελούν μια νέα φάση στην εξέλιξη της δικτύωσης δίνοντας περισσότερο βάρος από ποτέ στις ανάγκες των χρηστών. Με τη χρήση λοιπόν ασυρμάτων δικτύων ικανοποιείται η ανάγκη των κινητών χρηστών να είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο κάθε στιγμή, όπου κι αν βρίσκονται. Επιπλέον, η ασύρματη τεχνολογία αποτελεί τη μοναδική λύση δικτύωσης σε περιπτώσεις 2

όπου δεν υπάρχει καλωδιακή δομή, όπως σε παλιά κτίρια, ή σε περιπτώσεις όπου η δημιουργία ενσύρματης δομής είναι αδύνατη, για παράδειγμα όταν μεταξύ περιοχών παρεμβάλλονται βουνά ή λίμνες και σε κτίρια όπου κάθε είδους παρέμβαση είναι α- παγορευμένη, όπως π.χ. σε κτίρια ιστορικής αξίας. Ακόμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις προσωρινής δικτύωσης ή ανάγκες δικτύωσης όπου απαιτούνται συχνές μετακινήσεις εξοπλισμού, όπως σε προσωρινά γραφεία προεκλογικής εκστρατείας πολιτικών, κέντρα συνδιασκέψεων κλπ. Τα ασύρματα δίκτυα λειτουργούν σύμφωνα με μία σειρά προτύπων που βασίζονται στο πρότυπο του 802.11 του IEEE και στο πρωτόκολλο του TCP/IP. Τα πρότυπα 802.11 του IEEE καθορίζουν το φυσικό επίπεδο του μοντέλου δικτύωσης OSI. Επειδή το TCP/IP δεν ενδιαφέρεται για το υποκείμενο μέσο μετάδοσης πάνω στο ο- ποίο τρέχει, είναι δυνατόν να δημιουργήσουμε ένα δίκτυο χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε φυσικό μέσο όπως ένα ομοαξονικό καλώδιο, ένα μη θωρακισμένο καλώδιο συστραμμένων ζευγών (UTP), οπτικές ίνες και φυσικά ραδιοκύματα ή υπέρυθρες ακτίνες. Τυπικά, τα ασύρματα δίκτυα δεν είναι εντελώς ασύρματα. Συνήθως κατασκευάζονται παρόμοια με τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, με πολλαπλά σημεία ασύρματης πρόσβασης, τα οποία συνδέονται σε ένα ενσύρματο δίκτυο Ethernet. Παρόλο που οι έννοιες «ασύρματη δικτύωση» και «κινητή δικτύωση» είναι συχνά συσχετιζόμενες, δεν είναι παρόμοιες. Αξίζει επίσης να σημειωθεί πως τα χαρακτηριστικά που διακρίνουμε στα δίκτυα είναι η τοπολογία, το πρωτόκολλο και η αρχιτεκτονική. Κάθε ηλεκτρονικός υ- πολογιστής ή συσκευή που συνδέεται με το δίκτυο καλείται κόμβος (node). Ο αριθμός των κόμβων μπορεί να ξεκινά από δύο και να φτάνει μέχρι δεκάδες ή και εκατοντάδες. Με τον όρο τοπολογία εννοούμε τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται οι συσκευές και οι υπολογιστές μεταξύ τους. Οι πιο γνωστές τοπολογίες είναι τρεις : α) διαύλου (bus), β) δακτυλίου (ring) και γ) αστέρα (star). Η έννοια του πρωτοκόλλου αναφέρεται στους κανόνες σύμφωνα με τους οποίους θα επικοινωνούν μεταξύ τους οι κόμβοι, ενώ η αρχιτεκτονική αφορά στο αν θα υπάρχει ή όχι ένας κεντρικός υπολογιστής που θα παίζει το ρόλο του «αρχηγού» όλων των υπόλοιπων. Πρέπει βέβαια να τονίσουμε ότι, τόσο οι αναδυόμενες όσο και οι ήδη υπάρχουσες λειτουργίες προσωπικών επικοινωνιών για την ανάπτυξη νέων τεχνικών και την επέκταση των εγκατεστημένων συστημάτων, απαιτούν μία ακριβή πρόβλεψη των μηχανισμών διάδοσης των μικροκυμάτων. Επιπλέον, πρέπει να έχουμε πάντα υπόψη ότι 3

στις μέρες μας οι διατιθέμενες ζώνες ραδιοσυχνοτήτων υστερούν κατά πολύ των α- παιτήσεων σε εύρος ζώνης των χρηστών. Με άλλα λόγια, οι ραδιοσυχνότητες είναι είδος εν ανεπαρκεία, αλλά και αποτελούν σημαντική εθνική περιουσία. Επομένως, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται με μεγάλη φειδώ και προσοχή ενώ πάντα θα πρέπει να υπάρχει στο μυαλό του σχεδιαστή μηχανικού η έννοια της επαναχρησιμοποίησης του ραδιοφάσματος. Στόχος μιας καλής σχεδίασης είναι η ελαχιστοποίηση των παρεμβολών σε συνδυασμό με την εμβέλεια της ραδιοζεύξεως ανάλογα πάντα με τον τύπο της κυψέλης και των μηχανισμών ελέγχου της εκπεμπόμενης ισχύος. Η διαφοροποίηση π.χ. της συμπεριφοράς μεταξύ μάκρο- και μίνι- ή πίκο-κυψελών απαιτεί λεπτομερή γνώση της συμπεριφοράς των ραδιοκυμάτων όταν αυτά διαδίδονται μέσω του τοίχου ενός κτιρίου. Είναι προφανές ότι, οι αντίστοιχες απώλειες διάδοσης των ραδιοκυμάτων ή καλύτερα οι απώλειες διείσδυσής τους, θα εξαρτώνται και από ένα πλήθος παραμέτρων όπως είναι τα υλικά κατασκευής, η κατανομή και το μέγεθος των παραθύρων, η ύπαρξη ή όχι μεταλλικών πλαισίων ή δικτύων, η δομή των δωματίων εντός του κτιρίου, ο εσωτερικός οπλισμώς των τοίχων, φυλλώματα, ο τύπος των γειτονικών κτιρίων και φυσικά όλα αυτά θα καθορίζονται από τις θέσεις των πομπών και των δεκτών. Συνοψίζοντας, μπορούμε εύκολα να καταλάβουμε ότι τα ασύρματα τοπικά δίκτυα παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα. Το σημαντικότερο από αυτά είναι η εύκολη εγκατάστασή τους. Έτσι, η τοπική δικτύωση υπολογιστών με τη χρήση κεραιών είναι πολύ φθηνότερη και πολύ πιο πρακτική από την εισαγωγή ενός συστήματος καλωδίωσης το οποίο περιλαμβάνει την εγκατάσταση καλωδίων μέσα από τοίχους, ταβάνια, κάτω από πατώματα κλπ. Παρόλο που τα ασύρματα τοπικά δίκτυα έχουν το πολύ ισχυρό πλεονέκτημα της εύκολης εγκατάστασης, έχουν και πολύ σοβαρά μειονεκτήματα. Καταρχήν χαρακτηρίζονται από πολύ χαμηλότερες χωρητικότητες μεταφοράς δεδομένων από τα α- ντίστοιχα ενσύρματα τοπικά δίκτυα. Δηλαδή, ενώ σε ένα τυπικό ενσύρματο δίκτυο η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων μπορεί να φτάσει μέχρι τα 100Mbps (πρακτικά 40-80 Mbps), ανάλογα με την επεξεργαστική ισχύ των υπολογιστών του δικτύου, σε ένα ασύρματο δίκτυο η χωρητικότητα δεν ξεπερνά τα 54 Mbps (πρακτικά 18-22 Mbps λόγω του περιορισμού της χρήσης του ραδιοδιαύλου μόνο προς μία κατεύθυνση κάθε φορά). Ακόμη, η συχνότητα λαθών είναι υψηλότερη και οι παρεμβολές από τις μεταδόσεις γειτονικών σταθμών πολλές. 4

1.2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Τα ασύρματα δίκτυα είναι ευέλικτοι τρόποι μεταφοράς δεδομένων, Μπορούν να μεταφέρουν δεδομένα χρησιμοποιώντας μια ευρεία γκάμα κυμάτων, από το υπέρυθρο φάσμα έως τις συχνότητες της κινητής τηλεφωνίας. Για το λόγο αυτό, η ασύρματη και κινητή δικτύωση είναι συχνά συσχετιζόμενες. Τόσο στις ασύρματες ψηφιακές επικοινωνίες όσο και στις κινητές, οι πρώτες προσπάθειες αποτελεσματικών ζεύξεων εμφανίζονται γύρω στο 1880. Τα πρώτα πειράματα του Marconi πραγματοποιήθηκαν το 1897 στη συχνότητα των 2MHz και είχαν σαν αποτέλεσμα την εγκατάσταση του πρώτου δικτύου κινητής τηλεφωνίας στο νησί Wight της Αγγλίας, για λογαριασμό της βασίλισσας Βικτωρίας. Η κινητή μονάδα ήταν το βασιλικό γιοτ σε απόσταση 18 μιλίων από τη νήσο, στο οποίο τοποθετήθηκε ένας VHF πομποδέκτης με την αντίστοιχη κεραία. Ο σταθμός βάσης ήταν ένας πομποδέκτης με την κεραία του, αντίστοιχος με αυτόν της κινητής μονάδας, ο οποίος εγκαταστάθηκε στο παλάτι της Βασίλισσας. Πριν από τον δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο, οι Βρετανοί χρησιμοποιούσαν την κινητή τηλεφωνία για λογαριασμό της αστυνομίας. Η ζώνη των συχνοτήτων που χρησιμοποιούσαν ήταν 2-3 ΜΗz. Το έτος 1935, χρησιμοποίησαν για την υπηρεσία αυτή συχνότητες στην περιοχή VHF. Κατά την διάρκεια του δεύτερου παγκοσμίου πολέμου, η χρήση των συστημάτων αυτών επεκτάθηκε στις ένοπλες δυνάμεις και στις υπηρεσίες αμέσου επεμβάσεως (π.χ. στην πυροσβεστική υπηρεσία). Ο τύπος της διαμόρφωσης του μεταδιδόμενου σήματος, ήταν Διαμόρφωση Εύρους (ΑΜ) ενώ εκείνη την εποχή οι Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής (ΗΠΑ) χρησιμοποιούσαν δοκιμαστικά τη Διαμόρφωση Συχνότητας (FM), για τη βελτίωση της ποιότητας του λαμβανομένου σήματος από την προκαλούμενη εξασθένηση αυτού, με την εμφάνιση του ηλεκτρικού θορύβου. Το 1945 στο Ηνωμένο Βασίλειο (UK), υπήρχαν περίπου 1000 χρήστες των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας και ο αριθμός τους αυξανόταν συνεχώς. Το 1947 στα πλαίσια των εργασιών του Διεθνούς Συνεδρίου Ράδιο-Επικοινωνιών (International Radio-Communication Conference), το οποίο έλαβε χώρα στο Atlantic City των ΗΠΑ, πραγματοποιήθηκε η κατανομή του ραδιοφάσματος για τους χρήστες των κινητών επικοινωνιών. 5

Στα πλαίσια της διαχρονικής καταγραφής της κινητής τηλεφωνίας σε παγκόσμιο επίπεδο, οφείλουμε να δώσουμε μερικά ιστορικά σημεία της εξέλιξης των κινητών επικοινωνιών στις ΗΠΑ. Το 1921 στην Αστυνομία του Detroit, εγκαταστάθηκε το πρώτο σύστημα το οποίο λειτουργούσε στην περιοχή των 2 ΜΗz. Κατόπιν, περίπου το 1940, νέες συχνότητες στην περιοχή των 30 και 40 ΜΗz, καταχωρήθηκαν για τις κινητές επικοινωνίες. Επειδή ο αριθμός των χρηστών οι οποίοι ζητούσαν πρόσβαση στα συστήματα αυτά συνεχώς αυξανόταν, η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών των ΗΠΑ (Federal Communications Commission - FCC), παραχώρησε επιπλέον συχνότητες στην περιοχή των 30 και 500 ΜΗz για διάφορες ειδικές χρήσεις. Τα πρώτα αυτά συστήματα κινητών επικοινωνιών, λειτουργούσαν αυτόνομα και δεν υπήρχε επικοινωνία με το τηλεφωνικό δίκτυο της χώρας. Αμέσως μετά τον δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο, τα εργαστήρια Bell (Bell Laboratories) δρομολόγησαν ένα πρόγραμμα για παροχή επικοινωνιακών υπηρεσιών, με συστήματα τα οποία χρησιμοποιούσαν κοινό φορέα (common carrier), προκειμένου να εξυπηρετούνται πολλοί χρήστες μαζί, κινούμενοι σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές. Η υπηρεσία αυτή, καταχωρήθηκε στην FCC με το όνομα Δημόσια Ε- σωτερική Υπηρεσία Επίγειων Κινητών Ασύρματων Επικοινωνιών (Domestic Public Land Mobile Radio Service-DPLMRS). Η υπηρεσία αυτή δρομολόγησε τα δύο συστήματα, το πρώτο εκ των οποίων λειτούργησε το 1946, για την κάλυψη των επικοινωνιακών αναγκών των χρηστών οι οποίοι κινούνταν εντός της πόλης του St. Louis, χρησιμοποιώντας τρεις ράδιο-διαύλους στην περιοχή των 150 ΜΗz. Πρέπει να σημειωθεί ότι, στην αρχή, η FCC είχε καταχωρήσει έξι ράδιοδιαύλους για την κάλυψη των αναγκών, αλλά επειδή οι χρησιμοποιούμενοι πομποδέκτες δεν ήταν υψηλής τεχνολογίας (για την εποχή εκείνη), παρατηρήθηκαν έντονα προβλήματα από παρεμβολές γειτονικών ράδιο-διαύλων (καναλιών) στην ίδια γεωγραφική περιοχή, οπότε τελικά χρησιμοποιήθηκαν μόνο οι τρεις ράδιο-δίαυλοι. Το σύστημα του St. Louis ήταν γνωστό με το όνομα Urban System. Το 1947 εγκαταστάθηκε ένα δεύτερο σύστημα, για την κάλυψη των επικοινωνιακών αναγκών των χρηστών οι οποίοι κινούνταν στον αυτοκινητόδρομο New York - Boston. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιούσε συχνότητες στην περιοχή 35-44 ΜΗz και ήταν γνωστό με το όνομα Highway System. Το 1964, λειτούργησε ένα νέο σύστημα στα 150 ΜΗz, το οποίο ήταν γνωστό με την ονομασία MJ και το έτος 1969 εγκαταστάθηκε και λειτούργησε το σύστημα ΜΚ, χρησιμοποιώντας συχνότητες στην περιοχή του ράδιοφάσματος των 450 ΜΗz. Πρέπει να σημειω- 6

θεί ότι τόσο το MJ όσο και το ΜΚ, ήταν τμήματα του Βελτιωμένου Συστήματος Κινητής Τηλεφωνίας (Improved Mobile Telephone System-IMTS). 1.3 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WLAN Οι εφαρμογές ενός ασύρματου δικτύου είναι πολλές και περιορίζονται μόνο από τη φαντασία του χρήστη. Τα τελευταία χρόνια, τα WLANs βρίσκουν εφαρμογή διεθνώς σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένων αυτών της υγείας, της παιδείας, των απλών κατοικιών καθώς και των ακαδημαϊκών ιδρυμάτων. Στη συνέχεια παρατίθενται ορισμένες εφαρμογές των ασύρματων δικτύων, όπου φαίνεται τόσο η ευελιξία όσο και η ισχύς που προσφέρουν. 1.Οικιακές εφαρμογές-οικιακός χρηστής. Ένα ασύρματο δίκτυο στο σπίτι μπορεί να προσφέρει σημαντικές υπηρεσίες χωρίς τα προβλήματα μιας ενσύρματης δικτύωσης. Από αυτές οι πιο σημαντικές είναι: Κοινή χρήση του διαδικτύου. Με ένα ασύρματο δίκτυο, είναι πολύ εύκολο να γίνει κοινή χρήση της σύνδεσης στο διαδίκτυο από όλους τους υπολογιστές και ενδεχομένως και από τις συσκευές του σπιτιού μας. File sharing. Εξασφαλίζεται η δυνατότητα πρόσβασης στα αρχεία μας από οποιονδήποτε υπολογιστή. Streaming video και ήχος. Υπάρχουν ήδη αρκετά προγράμματα που επιτρέπουν το streaming video ή ήχου σε δίκτυο LAN, τα οποία λειτουργούν και με ασύρματο δίκτυο. Έτσι μπορούμε για παράδειγμα, να μοιράσουμε δορυφορικά προγράμματα τηλεόρασης ή μουσική από MP3 σε όλους τους υπολογιστές του δικτύου. 2.Ομάδες χρηστών. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η περίπτωση όπου αρκετοί χρήστες συνεργάζονται για τη δημιουργία μια ασύρματης υποδομής στη γειτονιά τους ή και ευρύτερα. Οι εφαρμογές εδώ είναι όντως πολλές. Online παιχνίδια. Αποτελεί την πιο διασκεδαστική εφαρμογή. Ξεχνάμε το διαδίκτυο με τη χρέωση και την εκνευριστικά χαμηλή ταχύτητά του και στήνοντας ένα ασύρματο δίκτυο μπορούμε να συναγωνιστούμε στο αγαπημένο μας παιχνίδι με πραγματικούς αντιπάλους. 7

Voice over IP (VoIP). Εξασφαλίζεται η δυνατότητα συνομιλίας με τους συνδεόμενους στο ασύρματο δίκτυο με χρήση VoIP. Η ποιότητα σε ένα καλά ρυθμισμένο δίκτυο είναι αποδεκτή, καθώς το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι υπεραρκετό. Εφικτή είναι επίσης και η χρήση real time video στις συνδιαλέξεις. Chat. Δυνατότητα για διασκέψεις μόνο με το απλό στήσιμο κάποιου chat server ή με τη χρήση προγράμματος LAN talk που δεν απαιτεί κεντρικό server. Streaming applications. Δυνατότητα δημιουργίας ενός τηλεοπτικού ή ραδιοφωνικού σταθμού. Σε εκθέσεις και γενικά εκδηλώσεις σε ανοικτό χώρο, ιδιαίτερα όταν οι συνδέσεις δεν έχουν μόνιμο χαρακτήρα. 3.Επιχειρήσεις Η μερική ή και ολική αντικατάσταση ενός ενσύρματου LAN με το α- ντίστοιχο ασύρματό του, προσφέρει σημαντικό μακροπρόθεσμο όφελος αλλά και αυξημένη ευελιξία στην εγκατάσταση και τη διαχείριση. Υπάρχουν ωστόσο και άλλες πιο αξιόλογες εφαρμογές. Ασύρματες ζεύξεις. Αν μια επιχείρηση καταλαμβάνει περισσότερα του ενός κτίρια, είναι θεμιτή η επικοινωνία μεταξύ των δικτύων τους. Η χρήση ασύρματης ζεύξης είναι η πιο απλή και οικονομική λύση, με μειονέκτημα την ενδεχόμενη παραβίαση της ασφάλειας. Σε περιπτώσεις που γίνονται διαρκείς μεταβολές στο χώρο, τα ασύρματα δίκτυα είναι πιο ευέλικτα σε σχέση με τα ενσύρματα. Για παράδειγμα, στους χώρους ενός καταστήματος λιανικής πώλησης οι ενσύρματες συνδέσεις συχνά είναι δυσχερείς. Σε αίθουσες διασκέψεων για πρόσβαση στις πληροφορίες του εταιρικού δικτύου. Hot spots. Εκτός του εσωτερικού δικτύου, μια εταιρεία μπορεί να επεκτείνει την πελατεία της, και κατά συνέπεια και τα κέρδη της, προσφέροντας διάφορες υπηρεσίες σε επιλεγμένα σημεία των εγκαταστάσεων της. Ήδη τέτοια σημεία εντοπίζονται σε εστιατόρια, καφέ, ξενοδοχεία, πανεπιστήμια, βιβλιοπωλεία, αεροδρόμια (ένα από αυτά είναι και το Διεθνές Αεροδρόμιο Αθηνών «Ελευθέριος Βενιζέλος»), νοσοκομεία, γραφεία, ακόμη και πάρκα. 8

4.Άλλες εφαρμογές: Γιατροί και νοσηλευτικό προσωπικό σε νοσοκομεία, χρησιμοποιούν ασύρματες φορητές συσκευές ή υπολογιστές για να έχουν άμεση πρόσβαση στα προσωπικά στοιχεία των ασθενών. Σύνδεση και συνεργασία μεταξύ σχολικών κτιριακών μονάδων. Σε αεροπορικές εταιρίες προσφέροντας τη δυνατότητα έκδοσης εισιτηρίων ή και ενημέρωση για τις πτήσεις. Υλοποίηση δικτύων σε παλιά ή διατηρητέα κτίρια, όπου η καλωδίωση είναι ασύμφορη ή ανεπίτρεπτη. Σε αποθήκες όπου υπάρχει κίνηση μηχανημάτων, τα οποία θα μπορούσαν να προκαλέσουν ζημιές στις καλωδιώσεις. Υλοποίηση ασύρματων δικτύων ως backup ενσύρματων εγκαταστάσεων, σε περίπτωση που οι τελευταίες παρουσιάσουν πρόβλημα. Σε περιπτώσεις όπου το κόστος της ενσύρματης λύσης είναι μεγάλο ή ο χρόνος για την υλοποίησή της είναι μεγαλύτερος από αυτόν που προβλέπεται για την ολοκλήρωση του έργου. Σε περιπτώσεις κατά τις οποίες ο ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος είναι τέτοιος που εμφανίζονται σημαντικές παρεμβολές στα ενσύρματα δίκτυα. 1.4 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WLAN Με ένα WLAN, οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα πρόσβασης σε δεδομένα χωρίς τους περιορισμούς των καλωδίων και διάφορων πολύπλοκων διαδικασιών εγκατάστασης. Ως κυριότερα πλεονεκτήματα των WLANs θα μπορούσαμε να αναφέρουμε τα εξής : Φορητότητα - Κινητικότητα. Το κατεξοχήν πλεονέκτημα που παρέχει ένα α- σύρματο δίκτυο στους χρήστες του, είναι η δυνατότητα πρόσβασης σε πραγματικό χρόνο σε βάσεις δεδομένων, ακόμα και όταν οι χρήστες βρίσκονται εν κινήσει. Φορητές εφαρμογές που απαιτούν πρόσβαση πραγματικού χρόνου σε 9

κεντρικές βάσεις δεδομένων, βρίσκουν ιδανικό περιβάλλον στην ασύρματη δικτύωση, όπως για παράδειγμα πολυκαταστήματα που χρησιμοποιούν ασύρματα δίκτυα μπορούν να ενημερώνουν σε πραγματικό χρόνο, τους φορητούς barcodes scanners των υπαλλήλων που εκτελούν την τιμολόγηση. Γρήγορη και εύκολη εγκατάσταση. Η εγκατάσταση ενός WLAN, απαιτεί ελάχιστο χρόνο. Επίσης είναι αρκετά εύκολη ως διαδικασία, αφού σε αντίθεση με τα ενσύρματα δίκτυα, δε συναντάμε ούτε προβλήματα καλωδίωσης ούτε λαμβάνεται υπόψη η κτιριακή υποδομή. Ευελιξία. Η ασύρματη τεχνολογία επιτρέπει στο δίκτυο να επεκτείνεται εκεί που είναι δύσκολη η εγκατάσταση ενσύρματων υποδομών (π.χ. σε απομονωμένες περιοχές), καθώς επίσης και σε χώρους που δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν καλώδια (π.χ. διατηρητέα κτίρια ή περιοχές όπου παρεμβάλλονται ε- μπόδια). Όλοι γνωρίζουμε πόσο δύσκολη είναι η εγκατάσταση και η διαχείριση των καλωδίων, αφού έχουν την τάση να μπερδεύονται μεταξύ τους, με τον πλέον παράδοξο τρόπο. Η αναδιοργάνωση ενός ενσύρματου δικτύου είναι ε- ξαιρετικά χρονοβόρα και δύσκολη, σε αντίθεση με εκείνη ενός Wireless Lan, όπου απλώς η μετακίνηση (ή προσθήκη) ενός access point αλλάζει και την έ- κταση του καλυπτόμενου χώρου. Μειωμένο κόστος συντήρησης. Ενώ το αρχικό κεφάλαιο που απαιτείται για την αγορά εξοπλισμού ενός ασύρματου τοπικού δικτύου, είναι υψηλότερο από το αντίστοιχο μιας ενσύρματης σύνδεσης, το συνολικό κόστος λειτουργίας μπορεί να είναι σημαντικά χαμηλότερο. Τα μακροπρόθεσμα κέρδη και οφέλη είναι μεγαλύτερα κυρίως σε περιπτώσεις δυναμικών χώρων εργασίας, όπου α- παιτούνται συχνά μετακινήσεις και αλλαγές. Ειδική περίπτωση είναι η δημιουργία ασύρματης ζεύξης μεταξύ δύο (ή περισσότερων) εγκαταστάσεων μίας εταιρίας. Η χρήση μιας ασύρματης ζεύξης κοστίζει όσο και το απαιτούμενο υλικό (hardware), ενώ η χρήση μίας μισθωμένης γραμμής (leased line) είναι εξαιρετικά δαπανηρή (σταθερό κόστος κάθε μήνα). Δυνατότητα επέκτασης. Τα ασύρματα δίκτυα μπορούν να υποστηρίξουν μια μεγάλη ποικιλία από τοπολογίες προκειμένου να ανταποκριθούν στις ανάγκες 10

συγκεκριμένων εφαρμογών. Οι τοπολογίες αυτές μπορούν εύκολα να αλλάξουν και περιλαμβάνουν, από απλά ισότιμα δίκτυα κατάλληλα για μικρό α- ριθμό χρηστών, έως πλήρως εκτεταμένα δίκτυα με δυνατότητες περιαγωγής, που μπορούν να υποστηρίξουν χιλιάδες χρήστες σε μεγάλες αποστάσεις. Αυξημένη αξιοπιστία (υπό προϋποθέσεις). Σε πολλές περιπτώσεις ένα wireless LAN μπορεί να είναι πιο αξιόπιστο από ένα ενσύρματο δίκτυο και επιπλέον μπορεί να διευκολύνει τον εντοπισμό προβλημάτων. Στα ενσύρματα δίκτυα η αστοχία του υλικού (π.χ. σε καλώδια) είναι δύσκολο να εντοπιστεί. Αύξηση της παραγωγικότητας. Όλα τα παραπάνω πλεονεκτήματα μπορούν να συμβάλλουν στην αύξηση της παραγωγικότητας. Καθώς οι δικτυακοί πόροι είναι πλέον προσβάσιμοι παντού μέσα στο χώρο εργασίας, οι χρήστες αποδίδουν καλύτερα διότι μπορούν να επιλέξουν οι ίδιοι πού θα εργαστούν και θα συνεργαστούν. Αντί να ξοδεύεται χρόνος για τη μετάβαση στην πηγή των δεδομένων (π.χ. τερματικό), ο χρόνος αυτός αξιοποιείται για την επεξεργασία τους. Αίσθημα ελευθερίας. Ένα ισχυρό πλεονέκτημα των προϊόντων ασύρματης δικτύωσης, αυτό που τα καθιστά ιδιαίτερα δελεαστική λύση στη συνείδηση των καταναλωτών, είναι το γεγονός ότι προσφέρουν το αίσθημα της ελευθερίας. Οι εταιρίες του χώρου, ερμηνεύοντας σωστά τα σημάδια των καιρών, σπεύδουν να παρουσιάσουν πλήθος προϊόντων ασύρματης επικοινωνίας. Οι προτεινόμενες λύσεις αποσκοπούν στο να ικανοποιήσουν τις ανάγκες των χρηστών τόσο σε επαγγελματικό όσο και σε προσωπικό επίπεδο, ενώ διαφοροποιούνται από πλευράς δυνατοτήτων αλλά και κόστους. Οι εκδόσεις του 802.11 (a, b, g), σε συνδυασμό με τις δυνατότητες σύνδεσης που εξασφαλίζει το Bluetooth, τελειοποιούν το προφίλ της ασύρματης δικτύωσης των συσκευών, χαράσσοντας έναν νέο δρόμο όπου απαλείφεται η ανάγκη χρήσης καλωδίων. Με τον τρόπο αυτό διευρύνεται το πλαίσιο των δραστηριοτήτων στον τομέα της επικοινωνίας, αφού πλέον μπορούν να συνδέονται δύο ή και περισσότεροι υπολογιστές οι οποίοι θα επικοινωνούν μεταξύ τους και θα διανέμουν τους πόρους, την πρόσβαση στο Internet και τις διάφορες εργασίες διατηρώντας παράλληλα τον απόλυτο έλεγχο της ροής τους. Βέβαια δεν μένουν 11

έξω απ το παιχνίδι τα κινητά τηλέφωνα, οι εκτυπωτές, οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, οι σαρωτές και κάθε είδους συσκευή που μπορεί να συνδεθεί με υπολογιστή ή είναι εξοπλισμένη με Bluetooth. 1.5 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ WLAN Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα τελευταία χρόνια τα WLANs βρίσκουν εφαρμογή διεθνώς σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένων αυτών της υγείας, της παιδείας, των απλών κατοικιών καθώς και των ακαδημαϊκών ιδρυμάτων. Εκτός όμως από τα πλεονεκτήματα των WLANs αξίζει να σημειωθούν και τα σημαντικότερα μειονεκτήματά τους. Τα κυριότερα μειονεκτήματα των ασυρμάτων δικτύων είναι : Ασφάλεια. Όπως συμβαίνει με όλες τις εφαρμογές δικτύωσης, έτσι και τα α- σύρματα δίκτυα υστερούν στον τομέα παρεχόμενης ασφάλειας, καθώς υπάρχουν πολλοί τρόποι επίθεσης από επίδοξους εισβολείς. Ενδεικτικά αναφέρουμε την υπερχείλιση καναλιών στις ασύρματες συχνότητες (channel flood), το μπλοκάρισμα συχνοτήτων (signal jamming) και την καταγραφή δεδομένων που κινούνται στο δίκτυο (sniffing). Παρόλ αυτά εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε κρίσιμες εφαρμογές. Έτσι για παράδειγμα, πολλές τράπεζες χρησιμοποιούν ασύρματες ζεύξεις για τη σύνδεση των υποκαταστημάτων τους, χωρίς να έχει αναφερθεί ως τώρα παραβίαση των συστημάτων. Παρεμβολές. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα, κυρίως όσα βρίσκονται σε ζώνες χαμηλής συχνότητας, είναι ευάλωτα στις παρεμβολές. Οι τελευταίες ενδέχεται να οφείλονται στην ύπαρξη γειτονικών ηλεκτρονικών συσκευών (για παράδειγμα, ασύρματα τηλέφωνα στα 900 MHz ή φούρνοι μικροκυμάτων στα 2,4 GHz), αλλά ακόμη και στην ίδια τη γεωμετρία του χώρου λειτουργίας. Το κυριότερο πρόβλημα ωστόσο, είναι η δυνατότητα που έχει οποιοσδήποτε με φθηνό και εύκολα διαθέσιμο εξοπλισμό, να προκαλέσει προβλήματα ή και την πλήρη κατάρρευση του δικτύου έστω και προσωρινά. Το νομικό καθεστώς δεν δίνει ολοκληρωμένη προστασία στον τομέα αυτό. 12

Ταχύτητα. Η μέγιστη ταχύτητα (με τα τωρινά πρότυπα) ενός ασυρμάτου δικτύου φτάνει τα 54Mbps, ενώ ένα κλασικό LAN μπορεί και να υπερβεί το 1Gbps. Πάντως προς το παρόν, τo σχετικά μικρό εύρος ζώνης δεν αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την πλειοψηφία των εφαρμογών. 1.6 ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ Οι κύριες εφαρμογές των WLAN στις μέρες μας αφορούν τα εξής : α. Τη δημιουργία hot-spots και επομένως την εξυπηρέτηση κινούμενων χρηστών ε- ντός μικρών και συγκεκριμένων περιοχών. β. Τη δημιουργία ζεύξεων σημείου προς σημείο με συγκεκριμένη χρήση. γ. Την αντικατάσταση του ενσύρματου δικτύου στο οικιακό ή το επιχειρηματικό περιβάλλον. Στην Ελλάδα, οι επίσημοι κόμβοι Wi-Fi έχουν πλέον αυξηθεί κατά πολύ, κυρίως στα αστικά κέντρα, ενώ πληθαίνουν τα hot-spots σε ξενοδοχεία, info-καφετέριες και κάθε είδους επιχειρήσεις. Γενικά, το να προσπαθήσει κανείς να προβλέψει το μέλλον είναι σίγουρα παρακινδυνευμένο. Ως αρκετά ελπιδοφόρο για τη μελλοντική εξάπλωση της ασύρματης τεχνολογίας μπορεί να ερμηνευθεί το γεγονός ότι οι μεγάλες κατασκευάστριες εταιρίες του χώρου αποφάσισαν να «συνεργαστούν» με γνώμονα το κοινό συμφέρον. Συγκεκριμένα, υπήρξε συμφωνία ως προς τα κοινά χαρακτηριστικά των ασυρμάτων δικτύων, προκειμένου τόσο η εν λόγω τεχνολογία όσο και οι χρησιμοποιούμενες συσκευές να είναι συμβατές μεταξύ τους. Με τον τρόπο αυτό προωθείται ο υγιής ανταγωνισμός ανάμεσα στους κατασκευαστές, με συνέπεια τη μείωση των τιμών των α- σύρματων συστημάτων αλλά και τη μεγαλύτερη προσήλωση των εταιριών στις ανάγκες του πελάτη. Θεωρώντας λοιπόν όλα τα παραπάνω, μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα ότι οι ασύρματες επικοινωνίες θα γνωρίσουν σημαντική ανάπτυξη στο μέλλον. Μέχρι το 2006 η αγορά των Wireless LANs αναμένεται να φτάσει τα 977 εκατομμύρια Ευρώ μόνο στην Ευρώπη. Είναι ιστορικά αποδεδειγμένο ότι το πρότυπο ασύρματης δικτύωσης που θα επικρατήσει τελικά δεν θα είναι απαραίτητα το καλύτερο ούτε το οικονομικότερο. Για την ώρα το 802.11b δείχνει να επικρατεί στην αγορά χωρίς ιδιαίτερο 13

ανταγωνισμό και οι τιμές των προϊόντων που βασίζονται σ αυτό σημειώνουν συνεχή μείωση. Το HiperLAN έχει πολύ καλά τεχνικά χαρακτηριστικά και σύμφωνα με τις διιστάμενες απόψεις αναλυτών της αγοράς πληροφορικής ίσως τελικά επικρατήσει έναντι του 802.11b. Ανεξάρτητα όμως από το νικητή των προτύπων σημασία έχουν οι εφαρμογές και οι επιπτώσεις της τεχνολογίας. Στο μέλλον τα ασύρματα δίκτυα θα υπάρχουν παντού και ο φόβος των τηλεπικοινωνιακών εταιριών είναι ότι σε πολλές περιπτώσεις θα μπορέσουν να αντικαταστήσουν τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας και ειδικότερα την επερχόμενη γενιά τους, τα 3G. Δεδομένου ότι θα υπάρχει πρόσβαση στο Internet σχεδόν από παντού, ακόμα και από δημόσιους χώρους, θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτό (με κάποιο PDA) για την επικοινωνία αντί για τα κινητά τηλέφωνα, είτε για την ανταλλαγή δεδομένων (κειμένου, φωτογραφιών) είτε για φωνητική επικοινωνία με voice over IP. Ο αντίλογος είναι ότι τα Wireless LANs δεν θα μπορούν να προσφέρουν την αξιοπιστία ενός δικτύου τηλεφωνίας επειδή στο μεγαλύτερο μέρος τους θα λειτουργούν από ερασιτέχνες που δεν θα διαθέτουν ούτε τους πόρους ούτε τον χρόνο να επιλύουν κάθε πρόβλημα. Υπάρχουν βέβαια κάποια ζητήματα που πρέπει οπωσδήποτε να αντιμετωπισθούν προκειμένου να καθιερωθούν τα ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας, με πρώτο και σημαντικότερο την ασφάλεια. Σύντομα, νέες τεχνικές θα διασφαλίσουν τα ασύρματα δίκτυα, καθιστώντας τα τουλάχιστον τόσο ασφαλή όσο είναι και τα ενσύρματα. Άλλο ένα αδύνατο σημείο των ασύρματων δικτύων, η ταχύτητά τους, ναι μεν αυξάνει συνεχώς, περιορίζεται όμως από τις διαθέσιμες ελεύθερες συχνότητες. Οι αυξημένες ανάγκες της αγοράς θα οδηγήσουν σε εμπορική εκμετάλλευση και νέες ζώνες ραδιοσυχνοτήτων και ίσως σε απελευθέρωση άλλων για ερασιτεχνική χρήση. 14

2 ΨΗΦΙΑΚΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ 802.11b 2.1 ΚΥΡΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ Το 802.11b είναι το πρώτο wireless πρωτόκολλο που κατάφερε να μπει τόσο δυναμικά στο χώρο της δικτύωσης, έναν χώρο που γνωρίζει ελάχιστες επαναστάσεις και αλλαγές. Το πρωτόκολλο 802.11, του οποίου το b αποτελεί επέκταση, είναι ένας ορισμός του Media Access Control (MAC) Layer καθώς και τριών διαφορετικών και ασύμβατων Physical Layers στο υπάρχον δικτυακό μοντέλο OSI. Το πρωτόκολλο ε- γκρίθηκε από την ομάδα 802 της IEEE στις 26 Ιουνίου του 1997 και θέτει το πλαίσιο για μια προτυποποιημένη ασύρματη δικτυακή επικοινωνία ευρείας ζώνης. Στις παρακάτω σελίδες δίνουμε μια περιγραφή του 802.11 πρωτοκόλλου και επεκτείνουμε την έρευνά μας στις επεκτάσεις και τροποποιήσεις που προσέθεσε το 802.11b. 2.2 ΦΑΣΜΑ EΚΠΟΜΠΗΣ Για την μετάδοση των δεδομένων το πρωτόκολλο χρησιμοποιεί την μπάντα των 2.4GHz. Για να αποφεύγονται παρεμβολές από ραδιοφωνικά σήματα, στις ΗΠΑ, η Federal Communications Commission (FCC) είναι υπεύθυνη για την εκχώρηση μικρών περιοχών στο φάσμα των ραδιοσυχνοτήτων. Η χρήση οποιασδήποτε από της ζώνες που ορίζει η FCC πρέπει να συνοδεύεται από ειδική άδεια. Η FCC παράλληλα χαρακτηρίζει ελεύθερα κάποια τμήματα του ραδιοφωνικού φάσματος. Αυτές οι μπάντες ονομάζονται ISM (Industrial Scientific and Medical) και μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς άδεια. Στο σχήμα μπορούμε να δούμε αναλυτικά το ραδιοφωνικό φάσμα και τις ελεύθερες περιοχές του. 15

Εικόνα 2.2.1 - Οι ελεύθερες συχνότητες Το 802.11b χρησιμοποιεί όπως βλέπουμε μια ελεύθερη ζώνη η οποία είναι πλήρως ελεύθερη για εκπομπή χαμηλής ισχύος. Όλα τα παραπάνω βέβαια, ισχύουν στις ΗΠΑ. Ευτυχώς και οι υπόλοιπες παρόμοιας ευθύνης οργανώσεις κάθε χώρας συμβαδίζουν, λιγότερο η περισσότερο με αυτά τα πρότυπα της FCC. Δυστυχώς, το νομικό πλαίσιο που διέπει τις λεπτομέρειες χρήσης αυτής της μπάντας, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την νομοθεσία κάθε χώρας. Μεγάλα είναι τα νομικά κενά σε πολλές χώρες, όπως και στην Ελλάδα, που αφήνουν πολλά ερωτηματικά ως προς την μέγιστη νόμιμη εκπεμπόμενη ισχύ, την εμπορική ή όχι χρήση του ραδιοφωνικού φάσματος αυτού και πολλά άλλα. Η ισχύς που ορίζειται από το standard στις εξόδους κεραίας των εμπορικών συσκευών είναι τα 0.2mW, η οποία με τις μικρές εργοστασιακές κεραίες που συνοδεύουν τις συσκευές WiFi, δίνει στο 802.11b εμβέλεια της τάξεως των 300μ σε ανοιχτό χώρο. Λόγω της φύσης των μικροκυματικών συχνοτήτων, η εμβέλεια συσκευών WiFi μειώνεται αισθητά όταν μεταξύ τους παρεμβάλλονται τσιμεντένιοι τοίχοι, δέντρα, αντικείμενα που περιέχουν νερό, μεταλλικές πόρτες. Μείωση της ποιότητας σύνδεσης σημαίνει αρχικά μειωμένο throughput του δικτύου με υψηλά error rates και στην χειρότερη περίπτωση, αδυναμία σύνδεσης των συσκευών. Για τον ίδιο λόγο, μακρινές συνδέσεις (>300μ) επιτυγχάνονται μόνο σε καταστάσεις όπου η μία συσκευή έχει οπτική επαφή με την άλλη (LOS-Line of Site), ένας κανόνας που ευτυχώς δεν είναι τόσο αυστηρός (καταστάσεις near-los). Αντανακλάσεις του σήματος μπορεί να επιτρέψουν σύνδεση χωρίς LOS. Βεβαίως, όπως είναι αναμενόμενο, για την επίτευξη ζεύξεων πολύ μεγάλων αποστάσεων, υπάρχει το φυσικό εμπόδιο της καμπυ- 16

λότητας της γης. Ακόμη και αν καταφέρουμε δηλαδή να ενισχύσουμε την εκπομπή και την λήψη των 802.11 συσκευών μας, προσπαθώντας να καταστήσουμε δυνατή μια σύνδεση μεγάλης απόστασης, δεν είναι δυνατό να ξεπεράσουμε την δεδομένη μέγιστη απόσταση (~20μίλια), στην οποία η ίδια η γη εμποδίζει την οπτική επαφή. 2.3 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Στο αρχικό πρωτόκολλο 802.11 καθορίζονται δύο τρόποι κωδικοποίησης, ο FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) και ο DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Στον FHSS, η εκπομπή-λήψη μοιράζεται σε 75 κανάλια του 1 MHz και εναλλάσσεται συνεχώς σε ένα από αυτά. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, ο εκπομπός στέλνει τα δεδομένα διαδοχικά σε μια ακολουθία από φαινομενικά τυχαίες συχνότητες (frequency hopping). Ο δέκτης ακολουθεί την ίδια ακολουθία εναλλαγής καναλιών συχνότητας με τον εκπομπό, και λαμβάνει το μήνυμα. Το μήνυμα μπορεί να ληφθεί ακέραιο μόνο όταν είναι γνωστή η ακολουθία της εναλλαγής συχνοτήτων. Καθώς μόνον ο δέκτης γνωρίζει την σωστή ακολουθία, το μήνυμα είναι αναγνώσιμο μόνο από τον πραγματικό του παραλήπτη. Με αυτήν την τεχνική, ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στον χώρο της λήψης θα επηρεάσουν μόνο ένα τμήμα του μηνύματος, έχοντας ως αποτέλεσμα την ανάγκη για επανεκπομπή μόνο μικρού όγκου μηνυμάτων. Ο συγκεκριμένος τρόπος κωδικοποίησης μπορεί να δώσει ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων έως και 2mbit. Ακολουθεί γράφημα που δείχνει την τεχνική FHSS συναρτήσει της ισχύος και του χρόνου. 17

Εικόνα 2.3.1 - FSSS συναρτήσει ισχύος και χρόνου Στον DSSS το φάσμα χωρίζεται σε 14 μερικώς επικαλυπτόμενα κανάλια (ανά ~4) πλάτους 22MHz, και χρησιμοποιείται ένα κάθε φορά για επικοινωνία. Εικόνα 2.3.2 - DSSS συναρτήσει ισχύος και χρόνου 18

Ένας εκπομπός direct sequence επικοινωνεί προσθέτοντας bits εφεδρείας που καλούνται chips, στα δεδομένα. Σε κάθε bit πληροφορίας προστίθενται τουλάχιστον 10 chips. Κατόπιν τα τμήματα των δεδομένων στέλνονται σε όσες περισσότερες συχνότητες είναι δυνατόν, εντός του καναλιού λειτουργίας, ταυτόχρονα. Η μέγιστη ταχύτητα φτάνει με αυτόν τον τρόπο τα 11mbit. Στο ακόλουθο σχήμα βλέπουμε την κατανομή των καναλιών στο φάσμα των 2.4GHz, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο ε- πικαλύπτονται. Εικόνα 2.3.3 - ΒSSS κανάλια Ας δούμε όμως αναλυτικά ποια κανάλια λειτουργίας του 802.11 είναι ελεύθερα σε μερικές χώρες. Εικόνα 2.3.4 Κανάλια σε μερικές χώρες 19

Τελικά, με την έλευση του 802.11b το Σεπτέμβρη του 1999, η επιτροπή αποφάσισε να αφήσει στο πρότυπο μόνο την κωδικοποίηση DSSS, παρόλο που το FHSS αρχικά φαίνονταν σαν ευκολότερο αλλά και φθηνότερο στην υλοποίηση του. Με αυτόν τον τρόπο το 802.11b απέκτησε ένα από τα μεγαλύτερά του πλεονεκτήματα, την υψηλή διαμεταγωγή δεδομένων. 2.4 ΕΥΡΟΣ ZΩΝΗΣ Η ταχύτητα σύνδεσης που ορίζει το ΙΕΕΕ 802.11b είναι τα 11mbps, και όπως εξηγήσαμε επιβάλλεται από την κωδικοποίηση BSSS που χρησιμοποιεί. Μιας και από την φύση τους οι ασύρματες συνδέσεις είναι επιρρεπείς σε σφάλματα μετάδοσης, το overhead μετάδοσης πακέτων ελέγχου και διόρθωσης λαθών μεταφράζεται σε πραγματική ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων πολύ χαμηλότερη της ονομαστικής. Επίσης, λόγω του γεγονότος ότι όλες οι συσκευές WiFi έχουν ένα και μόνο ραδιοφωνικό πομποδέκτη, η λειτουργία τους σαν δικτυακές συσκευές είναι σε half-duplex mode, καθώς ο πομποδέκτης μπορεί να ακούει το δίκτυο ή να στέλνει σε αυτό, αλλά όχι και τα δύο ταυτόχρονα. Έτσι το πραγματικό όριο για το bandwidth μιας 802.11b σύνδεσης διαμορφώνεται στα 5mbps. Πολλές εταιρίες υπόσχονται ονομαστικές ταχύτητες διπλάσιες ή και μεγαλύτερες. Τέτοια χαρακτηριστικά είναι εκτός του στάνταρ, και λειτουργούν μόνο μεταξύ των προϊόντων της ίδιας εταιρίας. Από την στιγμή που πραγματοποιείται σύνδεση με μια άλλη συσκευή WiFi, τότε ισχύουν όλοι οι κανόνες ενός κοινού Ethernet δικτύου. Εικόνα 2.4.1 Μορφή του 802.11 MAC πακέτου 2.5 ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ (ACCESS METHOD) Η μέθοδος που υποστηρίζεται από το 802.11 πρωτόκολλο για την πρόσβαση στο φυσικό μέσο, είναι το PCF (Point Coordination Function) και DCF (Distributed Coordination Function) με Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance 20

(CSMA/CA) σε αναλογία με το Ethernet που υλοποιεί το CSMA/CD(Collision Detection). To CSMA στο Ethernet λειτουργεί ως εξής: όταν κάποιος επιθυμεί να στείλει δεδομένα, ελέγχει αν το κανάλι είναι κατειλημμένο από μια άλλη μεταφορά δεδομένων. Αν είναι, τότε περιμένει ένα τυχαίο χρονικό περιθώριο (μικρό) σύμφωνα με τον αλγόριθμο exponential random backoff. Ο τρόπος πρόσβασης αυτός δεν μπορεί να είναι αποδοτικός στο 802.11 για δύο λόγους: 1. Η υλοποίηση αυτής της μεθόδου θα απαιτούσε ραδιοφωνικούς εκπομπούς που θα είχαν την δυνατότητα Full Duplex επικοινωνίας (αποστολή και λήψη ταυτόχρονα), κάτι το οποίο θα αύξανε το κόστος. 2. Σε ένα ασύρματο περιβάλλον δεν μπορούμε με ασφάλεια να υποθέσουμε ότι όλοι οι σταθμοί θα μπορούν να ακούν ο ένας τον άλλον. Ένας σταθμός ελέγχει το μέσο και το βρίσκει ελεύθερο αυτό όμως δεν σημαίνει και ότι είναι ελεύθερο στην περιοχή του λήπτη. Ας δούμε όμως πιο αναλυτικά από τι απαρτίζεται ο μηχανισμός. Το 802.11 ο- ρίζει πέντε διαφορετικά χρονικά διαστήματα για συγχρονισμό στο MAC επίπεδο, το short interframe space (SIPS), το slot time, το priority interframe space (PIFS), το distributed interframe space (DIFS), και το extended interframe space (EIFS). Τα δύο από αυτά θεωρούνται βασικά και καθορίζονται από το MAC: το χρονικό διάστημα SIPS (short interframe space) και το slot time. Τα υπόλοιπα διαστήματα καθορίζονται βάσει των παραπάνω διαστημάτων. Το SIPS είναι το μικρότερο όλων των χρονικών αυτών διαστημάτων, ακολουθούμενο από το slot time, το οποίο μπορεί να ερμηνευθεί ως η μονάδα χρόνου για το MAC του 802.11, παρόλο που το πρωτόκολλο δεν βασίζεται σε αρχιτεκτονική με χρονικές «θυρίδες» (time slots). Ειδικά στο 802.11b, οι χρόνοι SIFS και slot είναι 20μs, τιμή που επιλέχθηκε έτσι ώστε να δώσει ένα λογικό σε διάρκεια διάστημα για τις καθυστερήσεις διάδοσης και επεξεργασίας από τις συσκευές. Ο χρόνος PIFS ισούται με τον χρόνο SIFS επαυξημένο κατά ένα slot, και ο DIFS κατά δύο slots. Ο χρόνος EIFS είναι μεγαλύτερος και από τους τέσσερις προηγούμενους, και χρησιμοποιείται για την επανεκπομπή πακέτων που ελήφθησαν λανθασμένα. Το 802.11 υποστηρίζει δύο τρόπους λειτουργίας: τον PCF και τον DCF. Με την πρώτη μέθοδο λειτουργίας, το κεντρικό AP της κυψέλης (θα μιλήσουμε παρακάτω για αυτό) στέλνει μηνύματα στους σταθμούς πελάτες, κάνοντας Polling σε κάθε ένα από αυτούς, ρωτώντας στην ουσία για το αν έχει δεδομένα για αποστολή ή όχι. Αν ο σταθμός απαντήσει, μπορεί να στείλει την θετική του απάντηση (ACK) στο ίδιο 21

πακέτο με τα δεδομένα προς αποστολή. Αν δεν απαντήσει εντός του χρονικού ορίου SIFS, τότε το Access Point προχωρά στον επόμενο σταθμό. Εικόνα 2.5.1 Μέθοδος PCF στο 802.11b MAC Είναι σημαντικό να δώσουμε έμφαση στο γεγονός ότι οι απαιτήσεις χρονισμού SIFS και PIFS είναι πολύ αυστηρά ορισμένες από την επιτροπή προτυποποίησης 802.11b. Για την ακρίβεια, ένα ACK πακέτο, η απάντηση δηλαδή στην ερώτηση poll ενός σταθμού, πρέπει να φτάσει στο Access Point εντός του χρόνου SIFS, που είναι 10μs. Σε ένα ασύρματο δίκτυο που εκτείνεται σε μια ευρύτερη περιοχή (>1,5χλμ), o round trip χρόνος (χρόνος για να λάβει χώρα μια αίτηση-απάντηση) ενός σήματος είναι 15μs. Είναι δηλαδή ολοφάνερο ότι το ACK πακέτο θα εκπεμφθεί κα νονικά από τον σταθμό πελάτη, αλλά δεν θα διαβαστεί ποτέ από το Access Point λόγω έλλειψης σωστού χρονισμού. Έτσι η μέθοδος PCF δεν χρησιμοποιείται στις περισσότερες υλοποιήσεις του 802.11b, καθώς περιορίζει εμμέσως αλλά αυστηρώς την εμβέλεια ενός ασύρματου δικτύου. Στην μέθοδο λειτουργίας DCF, το 802.11 χρησιμοποιεί έναν μηχανισμό Αποφυγής Συγκρούσεων μαζί με αναγνώριση βεβαίωσης λήψης των πακέτων που στέλνονται. Αν ο εκπομπός, κατά την έναρξη διαδικασία αποστολής, δει ότι το μέσο είναι ελεύθερο (κανείς δεν χρησιμοποιεί το κανάλι) για χρόνο ίσο με DIFS, τότε αρχίζει την εκπομπή. Σε αντίθετη περίπτωση, συνεχίζει να ελέγχει το κανάλι για να δει αν βρίσκεται σε κατάσταση busy ή idle. Εφόσον βρει το κανάλι ελεύθερο για χρόνο DIFS, τότε ξεκινά να μετράει τον χρόνο χρήσης του καναλιού σε μονάδες slot time, παράγει τυχαία χρονικά διαστήματα αναμονής σε μονάδες slot time, σύμφωνα με κατάλληλο αλγόριθμο, και συνεχίζει τον έλεγχο της κατάστασης του καναλιού. Κατά το τελευταίο βήμα, για κάθε time slot που ο εκπομπός βρίσκει ελεύθερο το κανάλι, ο τυχαίος χρόνος αναμονής μειώνεται κατά ένα time slot. Όταν ο χρόνος αυτός μηδενιστεί, τότε και μόνον τότε ο εκπομπός μπορεί να εκκινήσει την διαδικασία μετάδοσης. 22

Με αυτή τη μέθοδο αποφεύγονται οι συγκρούσεις πακέτων διαφορετικών εκπομπών, αλλά και αποκλείεται η μονοπώληση του καναλιού από έναν και μόνο σταθμό που θα ίσως να προσπαθούσε να πραγματοποιεί συνεχείς εκπομπές. Εικόνα 2.5.2 Μέθοδος DCF στο 802.11b MAC Ο δέκτης θα ελέγξει την «υπογραφή» CRC του πακέτου που πήρε, και αν την βρει έγκυρη, τότε στέλνει ένα πακέτο ACK στον αποστολέα. Αν ο αρχικός αποστολέας δεν πάρει ACK πακέτο, τότε συνεχίζει να επανεκπέμπει την πληροφορία μέχρι να λάβει ένα ACK ή να σταματήσει να προσπαθεί και να απορρίψει το αρχικό πακέτο. Εικόνα 2.5.3 Απλουστευμένος αλγόριθμος εκπομπής Η επιτροπή ΙΕΕΕ εισήγαγε έναν μηχανισμό Virtual Carrier Sense στο 802.11 για να αμβλύνει το φαινόμενο κατά το οποίο δύο σταθμοί δεν μπορούν να ακούσουν 23

ο ένας τον άλλον και προκαλούνται συγκρούσεις. Ο μηχανισμός λέγεται CTS/RTS (clear to send /request to send). Όταν ενεργοποιείται, κάθε client πριν ξεκινήσει την αποστολή δεδομένων, στέλνει ένα ειδικό πακέτο με πληροφορίες που έχουν σχέση με το χρόνο που θα διαρκέσει η εκπομπή του. Αν το κανάλι είναι ελεύθερο, το AP στέλνει σαν απάντηση ένα πακέτο CTS. Ο client ξεκινά την εκπομπή του, και όλοι οι υπόλοιποι clients ακούν το CTS και αναβάλλουν τις δικές τους εκπομπές. Όλοι οι σταθμοί που ακούσουν το RTS και/ή το CTS, θέτουν το δείκτη Virtual Carrier Sense (που ονομάζεται NAV) για τον χρόνο που αναγράφει το πακέτο RTS, και χρησιμοποιούν την πληροφορία αυτή για να αποκτήσουν πρόσβαση στο μέσο. Μάλιστα, τα πακέτα RTS στέλνονται από client/ap, ανάλογα με κάποιο κατώφλι (RTS threshold). Αν το πακέτο που θα εκπεμφθεί, έχει μέγεθος μεγαλύτερο του κατωφλίου σε KB, τότε πριν το πακέτο αυτό, αποστέλλεται ένα RTS. (Βλέπε τις παρακάτω εικόνες για την ακριβή μορφή των πακέτων RTS/CTS, αλλά και για την χρονική ακολουθία της διαδικασίας αποστολής ενός πακέτου δεδομένων.) Εικόνα 2.5.4 - Το πλαίσιο RTS Εικόνα 2.5.5 To πλαίσιο CTS 24

Εικόνα 2.5.6 Η διαδικασία αποστολής των RTS-CTS 2.6 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΕΝΟΣ AΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ WLAN Το πρότυπο του Wi-Fi ορίζει τρεις τρόπους επικοινωνίας μεταξύ κόμβων ενός δικτύου, τον IBSS (Independent Basic Service Set) ή ad hoc,τον BSS (Basic Service Set ) ή infrastructure και τον ESS(Extended Service Set). Με τον πρώτο τρόπο, δύο ή περισσότερες συσκευές επικοινωνούν άμεσα η μία με την άλλη. Κάθε κόμβος θεωρείται ομότιμος (peer) και έτσι το δίκτυο απαρτίζεται από μονοπάτια. Συνήθως αυτός ο τρόπος χρησιμοποιείται για μικρά δίκτυα. Έ- χει παρόλ αυτά μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον, καθώς ένα ad hoc δίκτυο μπορεί να περιέχει πολλά μονοπάτια για επικοινωνία μεταξύ δύο κόμβων, και έτσι παρέχει μεγάλη αξιοπιστία λόγω εφεδρείας μονοπατιών, αλλά και αυξημένη ταχύτητα. Εικόνα 2.6.1 - IBSS 25

Στην δεύτερη τοπολογία, το 802.11 δίκτυο αποτελεί ένα κυψελωτό δίκτυο, παρόμοιο των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Η κυψέλη στην ορολογία του 802.11 ο- νομάζεται Basic Service Set (BSS). Όλα μέλη του επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω ενός κεντρικού διανομέα που ονομάζεται Base Station ή κοινώς Access Point, κατά το μοντέλο client server. Σε αυτή την περίπτωση δεν χρειάζεται η άμεση οπτική ε- παφή ανάμεσα σε όλους τους κόμβους. Αρκεί όλοι να μπορούν να επικοινωνήσουν με το Access Point. Κάθε Access Point, έχει ένα όνομα που το αναγνωρίζει ανάμεσα σε άλλα που ίσως να βρίσκονται στον ίδιο χώρο, το SSID. Το SSID είναι πολλές φορές και αυτό που πρέπει να ξέρουμε για να συνδεθούμε σε κάποιο ελεύθερο Access Point. Επίσης, κάθε Access Point εκπέμπει σε ένα από τα 14 κανάλια εκπομπής (λιγότερα ίσως σε κάποιες χώρες) που ορίζει το πρωτόκολλο. Για την μείωση των παρεμβολών μεταξύ των APs, είναι προτιμότερο να επιλέγονται κανάλια λειτουργίας που διαφέρουν κατά 4 (ας πούμε τα 1-5-9-13 για τέσσερα APs στον ίδιο χώρο) έτσι ώστε να μην επικαλύπτονται οι εκπομπές τους. Ένα Access Point χρησιμοποιεί πολυκατευθυντική κεραία (Omnidirectional). Οι πολυκατευθυντικές κεραίες είναι κεραίες που εκπέμπουν κυκλικά το σήμα τους, πράγμα που είναι και το ζητούμενο όταν θέλουμε να έχουμε την μέγιστη κάλυψη του περιβάλλοντος χώρου. Εν αντιθέσει, οι σταθμοί μπορούν να χρησιμοποιούν κατευθυντικές κεραίες για να επιτύχουν συνδέσεις με μακρινα (>300m) APs, κάτι βέβαια που εισάγει νέα προβλήματα στο δίκτυο (βλ. Κεφάλαιο hidden node). Για λειτουργία εντός της αποστάσεως των 300μ, είναι καλό να χρησιμοποιούνται πολυκατευθυντικές κεραίες πολύ μικρού κέρδους (<5dBi), καθώς επαρκούν για την επίτευξη σύνδεσης. Εικόνα 2.6.2 BSS 26