Wprowadzenie do Wi-Fi

Bezprzewodowa sieć lokalna i Wi-Fi

W sieci przewodowej urządzenie łączy się z lokalną infrastrukturą za pomocą kabla Ethernet. Takie połączenie może zapewniać przewidywalną przepływność, ale ogranicza miejsce pracy do punktów, w których są dostępne gniazda. Bezprzewodowa sieć lokalna usuwa ten warunek na odcinku między urządzeniem a punktem dostępowym. Odcinek radiowy kończy się w AP, który mostkuje ramki z lokalnym systemem dystrybucyjnym. Nie oznacza to automatycznie dostępu do Internetu. Dostęp do Internetu zależy także od routera lub bramy, łącza operatora i dalszej sieci.

Wi-Fi pozwala komputerom, smartfonom, tabletom i urządzeniom automatyki domowej bezprzewodowo łączyć się z lokalną siecią i wymieniać dane. Zamiast przewodu wykorzystuje fale radiowe. Termin WLAN (Wireless Local Area Network)opisuje kategorię sieci lokalnych, a IEEE 802.11 określa jej mechanizmy radiowe. "Wi-Fi" jest znakiem towarowym i nazwą certyfikacji Wi-Fi Alliance, używaną także potocznie dla zgodnych urządzeń. Wi-Fi opisuje lokalny dostęp radiowy, podczas gdy Internet jest zewnętrzną siecią.

Jak działa Wi-Fi w sieci lokalnej

Wi-Fi przenosi ramki danych między stacją a punktem dostępowym za pomocą sygnału radiowego. Nadajnik koduje dane cyfrowe w sygnale, a odbiornik wykonuje proces odwrotny i sprawdza poprawność odebranej ramki. Wymiana obejmuje adresowanie, dostęp do medium, potwierdzenia i retransmisje po nieudanej transmisji. W typowej sieci infrastrukturalnej biorą w tym udział dwa podstawowe rodzaje urządzeń.

1. Punkt dostępowy (Access Point, AP) oraz router bezprzewodowy

   Punkt dostępowy zapewnia łączność radiową i przekazuje ramki do sieci lokalnej. Router wykonuje dodatkowo przekazywanie pakietów IP między sieciami. Domowa brama często łączy AP, router, NAT, DHCP i zaporę w jednej obudowie. Po stronie zewnętrznej może łączyć się z modemem, terminalem światłowodowym albo innym urządzeniem operatora, ale sam standard Wi-Fi nie zapewnia dostępu do Internetu.

2. Klient bezprzewodowy lub stacja (STA)

   Jest to urządzenie korzystające z interfejsu Wi-Fi, na przykład laptop, smartfon, konsola do gier albo telewizor. Musi mieć adapter sieciowy, znany także jako bezprzewodowa karta sieciowa (WNIC). Stacja wysyła ramki do AP i odbiera ramki z sieci lokalnej. Jej oprogramowanie może także wybierać punkt dostępowy, pasmo i parametry transmisji.

Wi-Fi korzysta przede wszystkim z pasm $2.4$ GHz i $5$ GHz. W części państw dostępne jest także pasmo $6$ GHz. Niższe pasmo zwykle propaguje dalej i ma mniej szerokich kanałów, natomiast wyższe pasma mogą zapewniać szersze kanały przy większym tłumieniu przez ściany. Określenie widmo bez licencji nie oznacza braku reguł. Domena regulacyjna określa dostępne kanały, maksymalną moc, wymagania ochrony innych użytkowników widma i dozwolone tryby pracy. W Polsce oraz w innych państwach europejskich urządzenie musi spełniać wymagania właściwych przepisów, a jego obsługa 6 GHz zależy także od certyfikacji i konfiguracji.

Rodzina standardów IEEE 802.11

Aby urządzenia mogły wymieniać dane, muszą uzgodnić format ramek, procedurę dostępu do medium i parametry radiowe. Te elementy opisują standardy Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE). IEEE 802.11 rozdziela funkcje warstwy dostępu do medium (MAC) i warstwy fizycznej (PHY). Rodzina wymagań dla bezprzewodowych sieci LAN nosi nazwę IEEE 802.11.

Standard IEEE 802.11 był rozszerzany między innymi o nowe warstwy PHY, szersze kanały, większą liczbę strumieni przestrzennych i mechanizmy zarządzania. Oznaczenia literowe, takie jak 802.11b, 802.11g, 802.11n i 802.11ac, wskazują konkretne poprawki lub generacje możliwości. Samo oznaczenie nie określa jeszcze kanału, liczby anten ani osiąganej przepływności.

Aby uprościć oznaczenia urządzeń, Wi-Fi Alliance wprowadziła nazwy generacji. Oficjalny przewodnik tej organizacji przypisuje Wi-Fi 4 do 802.11n, Wi-Fi 5 do 802.11ac i Wi-Fi 6 do 802.11ax. Wcześniejsze określenia Wi-Fi 1, Wi-Fi 2 i Wi-Fi 3 spotyka się jako skróty retrospektywne, lecz nie są one nazwami nadanymi przez ten przewodnik.

Uwaga. Podane wartości są maksymalnymi szybkościami warstwy PHY dla określonych szerokości kanałów, modulacji i liczby strumieni. Przepływność danych użytkownika jest niższa i zależy między innymi od odległości, zakłóceń, współdzielenia medium oraz narzutu protokołów.

Urządzenie zgłasza tylko obsługiwane tryby, a połączenie wybiera najwyższy tryb możliwy do zdekodowania przez oba końce w aktualnych warunkach radiowych. Wartość 600 Mb/s dla 802.11n zakłada określoną szerokość kanału, modulację, kodowanie i cztery strumienie przestrzenne. Wartość 9.6 Gb/s dla 802.11ax opisuje zagregowaną szybkość PHY w określonej konfiguracji, podczas gdy pojedyncza aplikacja otrzymuje niższą przepływność. Retransmisje i współdzielenie medium obniżają użyteczną szybkość jeszcze bardziej.

Podstawowe elementy sieci Wi-Fi

Do opisu sieci Wi-Fi potrzebne są pojęcia dotyczące identyfikacji sieci, dostępu do kanału oraz grupowania punktów dostępowych.

• SSID (Service Set Identifier)

  SSID jest identyfikatorem zestawu usług. W typowej konfiguracji odpowiada nazwie widocznej na liście sieci, na przykład "Kawiarnia_WiFi" albo "DomowaSiec". Pozwala odróżnić wiele sieci działających w tym samym obszarze, choć administrator może wyłączyć rozgłaszanie identyfikatora.

• Kanały

  Pasmo jest dzielone na kanały o określonej szerokości. Punkt dostępowy i klient muszą używać zgodnego kanału, a urządzenia w zasięgu współdzielą czas transmisji. Dla kanałów 20 MHz plan 1, 6 i 11 jest często stosowany w Ameryce Północnej. W innych domenach regulacyjnych dostępne są inne kanały i plany, dlatego numer kanału, szerokość oraz wymagania ochrony widma trzeba dobierać do regionu. Nakładanie się transmisji i zatłoczenie zwiększają opóźnienia oraz liczbę retransmisji.

• BSS (Basic Service Set)

  BSS to najbardziej podstawowy element składowy sieci Wi-Fi. Składa się z jednego punktu dostępowego i wszystkich klientów bezprzewodowych (stacji), które są z nim skojarzone. AP koordynuje wymianę radiową i może przekazywać ruch między skojarzonymi stacjami zgodnie z konfiguracją sieci. Wszystkie urządzenia w BSS mogą komunikować się ze sobą za pośrednictwem AP.

• ESS (Extended Service Set)

  W większym budynku można połączyć dwa lub więcej BSS przez Distribution System, czyli system dystrybucyjny. Może on korzystać z Ethernetu albo z innego mechanizmu transportu. Punkty dostępowe często otrzymują ten sam SSID, aby klient mógł wybrać inny AP, ale wspólny SSID nie definiuje ESS i nie gwarantuje przełączenia bez przerwy. Roaming może wymagać obsługi po obu stronach i może powodować krótką przerwę. Klient ocenia sygnał i informacje o sieci, po czym wykonuje ponowne skojarzenie albo inną procedurę przejścia.

Ograniczenia transmisji radiowej

Medium radiowe jest współdzielone, podatne na zakłócenia i zależne od warunków propagacji. Te cechy wpływają na opóźnienie, przepływność i zasięg.

• Współdzielone medium i kolizje

  W przeciwieństwie do dedykowanego kabla Ethernet kanał radiowy jest współdzielony. Urządzenia stosują CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Stacja nasłuchuje kanału i odkłada transmisję, gdy wykryje aktywność. Dwie stacje mogą jednak nie usłyszeć się wzajemnie albo rozpocząć transmisję w podobnym czasie. Mechanizm ogranicza liczbę kolizji, lecz nie usuwa ich całkowicie.

• Zakłócenia:

  Sygnały Wi-Fi mogą być zakłócane przez inne systemy korzystające z tego samego pasma oraz przez sąsiednie sieci. W paśmie 2.4 GHz znaczenie mają między innymi urządzenia Bluetooth, kuchenki mikrofalowe i transmisje na nakładających się kanałach. Zakłócenia podnoszą poziom tła, zmniejszają dostępny czas transmisji i mogą powodować retransmisje.

• Kwestie Bezpieczeństwa:

  Ponieważ sygnał radiowy może zostać odebrany poza pomieszczeniem, sieć musi stosować uwierzytelnianie i ochronę ramek. WEP nie zapewnia dziś odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. WPA2 (Wi-Fi Protected Access 2) często używa CCMP z szyfrem AES, a WPA3-Personal używa SAE i również wymaga zgodnego zestawu szyfrów. Sama nazwa trybu nie chroni słabego hasła ani błędnej konfiguracji. Punkt dostępowy i stacja muszą ponadto uzgodnić profil zabezpieczeń przed wymianą chronionych ramek.

• Zasięg i Degradacja Sygnału:

  Sygnał radiowy słabnie z odległością, a ściany, stropy, meble i ludzie mogą go tłumić, odbijać lub rozpraszać. Na wynik wpływają także moc nadajnika, czułość odbiornika, szerokość kanału i interferencje. Wydajność zależy między innymi od Stosunku Sygnału do Szumu (SNR), czyli relacji mocy sygnału Wi-Fi do mocy niepożądanego tła.