Przewodnik po bezprzewodowym świecie

Wraz z pojawianiem się coraz większej liczby urządzeń potrafiących komunikować się za pośrednictwem intertfejsu WLAN (tunerów HD i telewizorów, rzutników, drukarek, aparatów cyfrowych, smartfonów, sieciowych pamięci masowych czy konsoli do gier) coraz bardziej interesujący staje się pomysł nawiązywania spontanicznych połączeń bezprzewodowych. Z tego powodu wydzielone grupy robocze organizacji IEEE i stowarzyszenia producentów Wi-Fi Alliance (WFA) postawiły sobie za cel stworzenie ulepszonych metod bezpośredniej komunikacji WLAN.

Także grupa Bluetooth SIG (Special Interest Group) zauważyła znaczenie płynnej wymiany informacji i w specyfikacji Bluetooth 3.0 chce uwzględnić mechanizmy znane z sieci WLAN w warstwie transmisji danych. Pewną rolę odgrywa też jeszcze technologia ultraszerokiego pasma radiowego (UWB), choć w ostatnim czasie zrobiło się wokół niej nieco ciszej. Przy tak dużej liczbie standardów łatwo pogubić się w gąszczu pojęć i norm - dlatego chcemy zaprezentować przegląd aktualnych metod transmisji danych.

W 2008 roku tygodniowo sprzedawano około 19 milionów urządzeń z interfejsami Bluetooth, ale niektórzy uważają, że technologia ta będzie tracić na znaczeniu. Wprawdzie począwszy od 1999 roku, produkowane układy są coraz mniejsze i bardziej energooszczędne, jednak stanowiący bazę Bluetootha mechanizm rozpraszania widma z przeskokiem częstotliwości (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS ) gwarantuje dziś maksymalną przepustowość brutto na poziomie najwyżej 3 Mb/s. Tymczasem to właśnie prędkość jest głównym czynnikiem decydującym o sukcesie w dziedzinie transmisji bezprzewodowej. Podane na opakowaniach urządzeń parametry rozstrzygają o tym, jak dobrze pójdą interesy sprzedawcy.

Tym, co może pozostać z protokołu Bluetooth, są profile, które opisują komunikację między różnymi klasami urządzeń (np. między telefonem komórkowym a zestawem słuchawkowym lub też między laptopem a drukarką). Profile są jednak niezależne od metody transmisji danych. Dlatego też grupa Bluetooth SIG zdecydowała dodać do kolejnej generacji protokołu (Bluetooth 3.0) mechanizmy sieciowe WLAN, rezygnując jednocześnie z koncepcji UWB autorstwa WiMedia Alliance (Bluetooth 100x).

Po długotrwałych naciskach ze strony grup lobbystów amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) zadecydowała w 200. roku o przydzieleniu technologii UWB (Ultrawideband) zakresu częstotliwości między 3,1 a 10,6 GHz. Pierwsza wersja urządzeń UWB pracowała z wykorzystaniem bardzo krótkich, nanosekundowych sygnałów. Była to ultraszybka metoda bezpośredniego przekazywania danych, która właściwie nie różniła się zbytnio od zasady działania pierwszych nadajników radiowych z początków XX wieku. Ponieważ jednak w paśmie 3,1–10,6 GHz już od dawna świadczono (i nadal świadczy się) liczne usługi radiowe, FCC musiała zapobiec zakłóceniom. Komisja zaakceptowała więc niewielkie moce sygnału UWB: ich maksymalny poziom nie mógł wynieść więcej niż –41,3 dBm/MHz, czyli około 1/135 000 mocy, z jaką na terenie USA wolno prowadzić transmisję WLAN. Wystarcza to do szybkiej transmisji danych tylko na krótkich dystansach (sięgających kilku metrów).

Wkrótce po zaakceptowaniu UWB wewnątrz IEEE powstała odpowiednia grupa robocza działająca przy gremium normalizacyjnym, odpowiedzialnym za definiowanie protokołu Bluetooth jako standardu IEEE 802.15.1. Wyspecyfikowane w ramach IEEE 802.15.3a sieci WPAN (Wireless Personal Area Networks) miały osiągać przepustowość na poziomie co najmniej 100 Mb/s. Wśród firm lobbujących na rzecz UWB - w tym głównie ambitnych startupów – powstało wiele koncepcji związanych z transmisją impulsową i pojawiło się sporo patentów dotyczących specyfikacji 802.15.3a. Obok pomniejszych firm także Motorola i jej dawny dział półprzewodników (Freescale) bardzo interesowały się transmisją impulsową.

Niestety, reszta branży IT wyrażała wątpliwości co do w gruncie rzeczy starej i znanej, lecz niesprawdzonej w nowoczesnym wydaniu technologii. Z kolei propozycja Texas Instruments, aby w standardzie 802.15.3a zastosować po prostu wykorzystywaną w sieciach Wi-Fi (IEEE 802.11a/g) metodę zwielokrotniania OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), spotkała się z entuzjastycznym przyjęciem ze strony możnych uczestników rynku. W związku z tym zawiązane zostało stowarzyszenie Multiband OFDM Alliance (MBOA).

W ramach grupy normującej 802.15.3. starły się zatem dwa obozy, które nie potrafiły dojść do porozumienia w sprawie wspólnego standardu. Ostatecznie jednak zwyciężył rozsądek: w styczniu 2006 roku grupa 802.15.3a złożyła wniosek o samorozwiązanie.

Wzajemna blokada opóźniła wprowadzenie na rynek urządzeń UWB, pozostawiając pole innym technologiom. Obecnie nawet nie grzeszący energooszczędnością szybki WLAN 802.11. wdziera się do segmentów rynku, które pierwotnie były przewidziane dla UWB. Tymczasem grupa lobbująca na rzecz UWB ostatecznie zniknęła z rynku. Z kolei MBOA, która następnie przekształciła się w stowarzyszenie WiMedia Alliance, okazała się znacznie skuteczniejsza. Opracowany przez nią system transmisji radiowej został uznany za standard w wielu organizacjach (ECMA 368, 369, ETSI TS 102 455, ISO/IEC 26907 i 26908), zapewniając sobie dzięki temu międzynarodową popularność. Jednak dla niektórych współzałożycieli grupy problemem okazało się niewystarczające zaplecze finansowe przedsięwzięcia. W 2008 roku wycofały się z niego bowiem Intel i Texas Instruments, a ponadto dostawcy kapitału inwestycyjnego opuścili udzielającą się w pracach nad standardem firmę WiQuest.

W efekcie mimo zwycięskiej walki o mechanizmy stosowane w UWB organizacja WiMedia Alliance musi pogodzić się z wyraźną już perspektywą końca. Opracowane przez nią metody transmisji miały być wykorzystane przez grupy Bluetooth SIG oraz USB Implementers Forum. Niestety, nie wszyscy spośród 35. członków stowarzyszenia WMA chcieli się zgodzić na bezpłatne wykorzystywanie ich patentów, a Bluetooth SIG odrzuciła ideę opłat zaproponowaną przez WiMedia Alliance. Powodem takiej decyzji był fakt, że wytyczne obowiązujące w Bluetooth SIG nie przewidują uiszczania opłat za implementację standardu Bluetooth. Dlatego też w obecnej sytuacji technologia opracowana przez WMA może być zastosowana tylko w bezprzewodowej transmisji USB - ale i to nie jest pewne.

Tymczasem kuszący perspektywą przepustowości do 60. Mb/s standard IEEE 802.11n będzie coraz atrakcyjniejszy wraz z pojawianiem się kolejnych generacji układów radiowych. Najbliższa przyszłość Bluetootha wydaje się natomiast związana ze specyfikacją 802.11g. Zaprezentowany w 2009 roku Bluetooth 3.0 nadal przewiduje podstawową metodę transmisji o szybkości 3 Mb/s – ma ona służyć wymienianie informacji sterujących i kluczy sesyjnych. Osiągające maksymalną prędkość 54 Mb/s łącze 802.11g posłuży jedynie jako dodatkowy kanał (tzw. offload channel) w momencie, gdy konieczne okaże się przesłanie dużej ilości danych. Cały mechanizm działa bez obecności punktu dostępowego (access pointa, AP) sieci WLAN. Ponieważ urządzenia Bluetooth 3.0 dopasowują moc nadawczą modułu 802.11g do ogólnej sytuacji w eterze, działające w okolicy komórki WLAN nie powinny być zakłócane.

Bluetooth 3.0 zdołałby nawet osiągnąć prędkość 5. Mb/s w paśmie 2,4 GHz – "czysta" transmisja danych 802.11g jest znacznie wydajniejsza w porównaniu z tradycyjnymi mechanizmami Bluetootha. Można uznać, że Bluetooth 3.0 to nie rewolucja, a raczej wyraz czystego pragmatyzmu. Tymczasem Wi-Fi Alliance stara się sprawić, aby standard 802.11 stał się rozwiązaniem uniwersalnym i znajdującym coraz szersze pole zastosowań.

W klasycznej sieci WLAN mamy stację bazową, będąca zazwyczaj zintegrowanym wraz z routerem punktem dostępowym, oraz urządzenia klienckie. Access point pośredniczy w komunikacji z przewodową siecią LAN, a za pomocą routera - także z Internetem. Klienty zawsze wysyłają dane za pośrednictwem access pointa - nawet jeśli byłyby w stanie zestawić lepsze bezpośrednie połączenie z innymi uczestnikami komunikacji WLAN. Taki tryb pracy określany jest mianem infrastrukturalnego. W jego przypadku punkty dostępowe rozszerzają istniejącą strukturę sieciową dla urządzeń przenośnych.

Ponieważ topologia gwiazdy jest łatwa do zarządzania, a usługami sieciowymi da się sterować z jednego centralnego punktu, niemal wszystkie sieci WLAN są konstruowane na bazie access pointa. Twórcy normy IEEE 802.1. przewidzieli także tryb pracy ad hoc (Independent BSS, IBSS), w którym nie korzysta się z punktu dostępowego, a komunikacja między klientami WLAN odbywa się - podobnie jak w przypadku standardu Bluetooth - na zasadzie zestawianych spontanicznie wzajemnych połączeń. Tryb IBSS nie został jednak określony wystarczająco konkretnie, co powoduje, że producenci urządzeń muszą w przypadku wielu detali implementacyjnych ufać własnej intuicji.

Dlatego też często pojawiają się problemy w bezpośredniej komunikacji ad-hoc między urządzeniami WLAN pochodzącymi od różnych producentów. Gremium certyfikacyjne WFA, które obrało sobie za cel interoperacyjność produktów działających w oparciu o specyfikację 802.11. wychodzi nawet z założenia, że około 60 procent kosztów testowania produktów ubiegających się o certyfikat zgodności ze standardami z Wi-Fi przypada na funkcje obsługi trybu ad hoc. IBSS nie definiuje ponadto bezpiecznego szyfrowania połączenia.

Standard IEEE 802.11e, określający nadawanie priorytetów poszczególnym strumieniom danych przesyłanych przez sieć WLAN i pozwalający tym samym na zastosowanie mechanizmów zapewniania jakości usług (Quality of Service, QoS), został uzupełniony o metodę, która umożliwia bezpośrednią komunikację między urządzeniami w trybie pracy IBSS. Dzięki temu nie muszą one wysyłać danych do punktu dostępowego, który następnie przekazuje je dalej do właściwego odbiorcy, co z kolei prowadzi do obniżenia wydajności, gdyż te same dane muszą zostać przesłane dwa razy. Dlatego też tzw. Direct Link Setup (DLS) przydaje się szczególnie wtedy, kiedy np. telewizor HD stoi tuż obok odtwarzacza Blu-ray: materiał wideo zamiast dwukrotnego pokonywania długiej drogi do punktu dostępowego w przedpokoju może obrać połączenie na znacznie krótszej, mniej zakłóconej i tym samym szybszej trasie połączenia bezpośredniego.

Ponieważ swego czasu mogło się wydawać, że standaryzacja 802.11. nigdy nie dojdzie do końca, w 2004 roku organizacja WFA zdecydowała się uwzględnić część projektu 802.11e we własnej specyfikacji Wi-Fi Multimedia (WMM). Niestety, zabrakło tam mechanizmu DLS i dlatego dzisiaj prawie nie ma punktów dostępowych, które by go obsługiwały. Nie sposób dostosować doń wielu działających obecnie access pointów, ponieważ nie pozwalają na to zastosowane w nich układy albo producenci nie przygotowują odpowiednich aktualizacji oprogramowania.

Z uwagi na to, że coraz więcej urządzeń elektroniki rozrywkowej mogłoby korzystać z bezpośrednich połączeń, począwszy od 200. roku, jest opracowywana specyfikacja IEEE 802.11z (Tunneled Direct Link Setup, TDLS) opisująca mechanizm DLS aktywowany (lub blokowany) podczas pracy z punktem dostępowym. Opcjonalnie sprzęt mógłby nawet okresowo zmieniać kanał radiowy w celu przekazywania w nim danych bez obciążania działającej już sieci WLAN z access pointem. Autorzy projektu przewidują, że biorące udział w komunikacji urządzenia będą zgłaszać punktowi dostępowemu, że przechodzą w przejściowy stan spoczynku. Dwa urządzenia komunikujące się z wykorzystaniem TDLS w osobnym kanale muszą zatem regularnie odpytywać punkt dostępowy na kanale bazowym, czy są nowe dane do przekazania. Negocjacja połączenia w TDLS jest opakowywana w specjalne ramki Ethernet (tzw. kontenery). AP przekazuje je dalej, a szczegóły komunikacji TDLS są przed nim ukryte.

Prace standaryzacyjne IEEE przyczyniły się do powstania projektu mającej szansę na konkurowanie z Bluetoothem specyfikacji Wi-Fi Direct. Jej autorem jest WFA; samą technologię będziemy dalej określać mianem P2P-WLAN. Pierwszą jej implementację - My Wifi - zdążył już opracować Intel.

W sieci P2P-WLAN jedno z urządzeń biorących udział w komunikacji pełni rolę punktu dostępowego i nosi nazwę P2. Group Owner. Wiele urządzeń przenośnych (zwłaszcza laptopy) ma wystarczającą moc obliczeniową, aby obsługiwać programową implementację punktu dostępowego (Access Point in Software, Soft-AP). W Linuksie demon HostAP i sterowniki madwifi już od dłuższego czasu pozwalają uruchamiać w jednym module 802.11 wiele działających równocześnie interfejsów, które realizują różne zadania.

To, co na pierwszy rzut oka wydaje się mało innowacyjne, ma dla WFA tę zaletę, że stosuje mechanizmy już ustandaryzowane przez IEEE - takie jak punkt dostępowy czy klient sieci bezprzewodowej. Tym samym ustalanie szczegółów komunikacji można przenieść do wyższych warstw modelu sieciowego.

Pomysł sprawdza się przy wykorzystaniu istniejących urządzeń WLAN - z punktu widzenia aparatu cyfrowego z interfejsem sieci bezprzewodowej access point P2. wygląda tak samo jak tradycyjna stacja bazowa Wi-Fi. Z kolei komputer działający w charakterze punktu dostępowego typu P2P musi realizować odpowiednie usługi w wyższych warstwach (np. serwer DHCP do automatycznego przydzielania adresów IP albo usługę UPnP do realizacji mechanizmu Service Discovery).

Podczas gdy działający jako punkt dostępowy P2. laptop obsługuje urządzenia WLAN znajdujące się w okolicy, może jednocześnie pełnić rolę klienta w połączeniu z Internetem - za pośrednictwem hotspota, sieci firmowej bądź też domowego routera WLAN. Połączenie to da się dzielić z podłączonymi do notebooka klientami P2P. Trzeba jednak pamiętać o pewnym kruczku: proste przekazywanie pakietów WLAN (na zasadzie repeatera) tutaj nie działa. Niezbędny do tego celu tryb pracy - Wireless Distribution System (WDS) - nie został przewidziany dla połączeń na drodze innej niż AP-AP.

Pomocny w tej sytuacji jest standard IEEE 802.11s, który da się dokooptować w wyniku aktualizacji oprogramowania. Aby cała sieć była w stanie funkcjonować, wszystkie punkty dostępowe muszą koniecznie obsługiwać specyfikację 802.11s.

Specyfikacja P2. jest wprawdzie już dość zaawansowana, jednak wciąż budzi kontrowersje. Jedna z działających w gremium P2P frakcji nalega, aby każde certyfikowane urządzenie P2P mogło również pracować w charakterze punktu dostępowego. W przeciwnym wypadku klient musiałby pilnować, aby w "jego" bezprzewodowej sieci P2P zawsze znajdowało się co najmniej jedno urządzenie mogące pełnić funkcję access pointa - inaczej nie dałoby się uwierzytelnić sprzętu w sieci.

Z kolei przeciwnicy tego pomysłu twierdzą, że w takiej sytuacji rolę punktów dostępowych musiałyby pełnić także takie urządzenia, jak korzystające z sieci WLAN piloty lub zestawy słuchawkowe. Jednak tego typu sprzęt jest zawsze wyposażony w kiepskie baterie i procesory, w związku z czym powinien stosunkowo długo przebywać w stanie spoczynku, a nie pełnić non stop funkcji access pointa. Z tego powodu nie wydaje się, aby możliwe było w pełni dynamiczne przydzielanie funkcji AP któremukolwiek z urządzeń działających w bezprzewodowej sieci P2P.

Poza tym nie wiadomo, jak zachowa się laptop, który z jednej strony jest połączony jako klient z normalnym punktem dostępowym, a z drugiej sam działa jako AP dla urządzeń znajdujących się w pobliżu i - przykładowo - odnajdzie drukarkę potrafiącą działać w trybie P2P. Jeśli drukarka ta sama może być punktem dostępowym i obsługiwać inne urządzenia, które nie są w zasięgu laptopa, nie wolno jej tak po prostu przekazać roli właściciela grupy na rzecz tego ostatniego.

Problem ten znany jest ekspertom od Bluetootha. Zdefiniowane tam jako tzw. scatternety sieci typu multi-hop są trudne w implementacji i do tej pory nie odegrały wielkiej roli w zastosowaniach komercyjnych.

Na potrzeby zabezpieczenia transmisji w sieci P2. organizacja WFA przewiduje zastosowanie ustandaryzowanego już mechanizmu Wi-Fi Protected Setup (WPS). Uwzględnia on kilka sposobów uwierzytelniania: metoda łączności krótkozakresowej (NFC, Near Field Communication) pozwala urządzeniom WPS-NFC uzgadniać metodę szyfrowania w osobnym kanale radiowym. W tym celu należy przestawić je w tryb sprzęgania i ustawić blisko siebie. Natomiast metoda z zastosowaniem identyfikatora (numeru PIN) działa podobnie jak w przypadku Bluetootha. Klient albo punkt dostępowy określa ośmiocyfrowy numer, który musi zostać podany w urządzeniu, z którym chce się wymieniać informacje - to z kolei wymaga, aby sprzęt miał wyświetlacz i klawiaturę numeryczną. Najprostszym mechanizmem jest WPS-PBC (Push Button Configuration), w którego przypadku wystarczy wciśnięcie odpowiedniego przycisku na obydwu urządzeniach. Czwarta metoda przekazuje konfigurację WLAN za pośrednictwem pendrive’a USB, co z kolei ogranicza jej zastosowanie do urządzeń
dysponujących takim interfejsem.

W przypadku sieci P2. nie zmienia się sama obsługa WPS, lecz sposób jej wykorzystania. Obecny projekt bezprzewodowej sieci P2P nie uwzględnia działającego w punkcie dostępowym centralnego rejestru WPS, ponieważ sieć typu P2P powinna funkcjonować również wówczas, gdy dotychczasowy właściciel grupy przełączy się w tryb offline. Klienty mają ponadto zapamiętywać znane im sieci P2P, aby przy ponownym podłączeniu nie było potrzeby przeprowadzania kolejnej negocjacji - a sam proces ponownego podłączenia ma z 95-procentowym prawdopodobieństwem trwać mniej niż 5 sekund. Ponieważ dla wszystkich urządzeń P2P wymagana jest certyfikacja WFA, jako metodę szyfrowania określono WPA2 (AES) zamiast mniej bezpiecznej WPA (TKIP).

Oprócz zespołu Wi-Fi Direct stowarzyszenie WFA powołało jeszcze jedną grupę roboczą, której celem jest uwzględnienie w starym trybie IBSS szyfrowania WPA za pomocą mechanizmu WPS. Dzięki temu więcej urządzeń (np. odtwarzacz Blu-ray albo telewizor HD) mogłoby równocześnie tworzyć niezależną od punktu dostępowego spontaniczną sieć P2P, która byłaby w stanie obsługiwać także transmisję typu multicast. W przypadku zastosowania mechanizmu TDLS bezpośrednio ze sobą komunikują się zawsze tylko dwa urządzenia.

Jeśli pracujący w trybie IBSS sprzęt pełni też funkcję routera, możliwa jest łączność z Internetem i innymi sieciami. Dziedziny zastosowań Wi-Fi Direct i "bezpiecznego" IBSS częściowo się zatem pokrywają, ale to Wi-Fi Direct zyskuje znacznie większą popularność.

Równocześnie ze standaryzacją prostych, spontanicznych sieci opracowywany jest także jednolity standard bezprzewodowych połączeń wideo. Grupa Wi-Fi Display ma za zadanie zdefiniować wytyczne w sprawie gwarantowanych przepustowości i maksymalnych czasów opóźnień pozwalających na płynne transmitowanie filmów za pośrednictwem sieci WLAN. W celu zapewnienia interoperacyjności dostępne mają być też profile kodeków. Posłuży to nie tylko połączeniom między odtwarzaczem Blu-ray a telewizorem HD, ale również aplikacjom interaktywnym - takim jak prezentacje czy gry.

Celem WFA jest osiągnięcie trwałej pozycji na rynku elektroniki rozrywkowej. Ponieważ jednak przekraczające ściany dane radiowe mogą spędzać sen z powiek przemysłowi filmowemu i telewizyjnemu, specyfikacja Wi-Fi Display powinna też uwzględniać odpowiedni mechanizm zarządzania prawami autorskimi.

Dzięki koncepcjom P2. i (T)DLS WLAN z pewnością może stać się ogólnym narzędziem bezprzewodowej transmisji danych i konkurencją dla Bluetootha oraz UWB. Jednocześnie nowe elementy specyfikacji 802.11, a także wprowadzanie wyspecjalizowanych rozszerzeń dostosowanych do konkretnych nisz rynkowych mogą okazać się największym problemem. Przeciętny klient stojący przed pełną różnych urządzeń półką sklepową zazwyczaj ma kłopoty w zorientowaniu się w technologicznym gąszczu pojęć P2P, IBSS i (T)LDS.

Poza tym specyfikacja P2. autorstwa zrzeszenia WFA nie jest wystarczająco szczegółowa, aby rozsądnie stosować ją w elektronice rozrywkowej. Nie do końca wiadomo, czy urządzenia P2P będą w przyszłości obsługiwać (T)DLS w celu uniknięcia niepotrzebnej komunikacji za pośrednictwem centralnego punktu dostępowego. Z kolei znacznie bardziej zaawansowana specyfikacja sieci kratowych (IEEE 802.11s) opisuje mechanizmy obejmujące wszystkie niezbędne sposoby wymiany informacji: urządzenia w sieciach kratowych są w stanie transmitować dane za pośrednictwem więcej niż jednego węzła, a ich układ połączeń jest całkowicie zdecentralizowany.

Niestety, producenci urządzeń WLAN, mając na względzie przede wszystkim jak najszybsze opracowanie odpowiednich mechanizmów i osiągnięcie zysków, nie chcą doczekać do końca prac nad specyfikacją 802.11s i chwytają się skleconych naprędce technologii – takich jak P2P. Tymczasem konsekwencje tego stanu rzeczy znów na własnej skórze odczuje klient, ponieważ zamiast jasno określonych struktur będzie musiał zmagać się z ogromem funkcji topologii sieciowych.