Wi-Fi 802.11n: průlom nebo propadák?

Wi-Fi představuje standard bezdrátových sítí a ač si někteří jedinci dodnes myslí, že tato zkratka je akronym vzniklý jakožto zkrácenina slovního spojení „Wireless Fidelity“ a které se dá volně přeložit jako „Bezdrátová věrnost“, opak je pravdou. Toto označení se používá pouze neformálně, protože podle samotné Wi-Fi Alliance termín Wi-Fi neznamená zhola nic. A jak toto mylné označení vlastně vzniklo? Nejspíše v důsledku porovnání s termínem „Hi-Fi“ čili „High-Fidelity“, který zná pravděpodobně úplně každý z nás.

Principy a funkce Wi-Fi

V dnešní době (2008) Wi-Fi dále zaštiťuje až neskutečné množství samostatných norem, které se značí jednotlivými písmeny latinské abecedy. Nejpoužívanějšími a zároveň i nejznámějšími z nich jsou standardy „a“, „b“ a „g“, přičemž každý z nich má svá určitá specifika jako konkrétní přenosovou rychlost, frekvenci či používanou modulaci.
Na první pohled tyto standardy vypadají poměrně dobře a i ona rychlost se zdá být dobrá, ovšem kdyby nebyla pouze teoretická. Této hodnoty v praxi nikdy nedosáhnete.

Skutečnou rychlost ovlivňuje veliké množství faktorů od místního zarušení, vlivu počasí, překážek na cestě signálu až po samotnou fyzickou vzdálenost komunikujících klientů. Obzvláště zarušení zde sehrává obrovskou roli, protože v důsledku toho, že je ve většině případů využíváno bezlicenčního pásma, může toto spojení využívat opravdu kdokoliv, a tak i v té nejzapadnější vesničce naší republiky můžete nalézt až neskutečné množství nejrůznějších bezdrátových sítí.

Vraťme se ale zpět ke standardům bezdrátových sítí a k jejich reálné propustnosti, která typicky bývá o něco více než třetinová oproti přenosové rychlosti. Na tom má vliv také mnohem vyšší režie linkové vrstvy ISO/OSI modelu, který se pro standardizaci počítačových sítí bere jako referenční, a jakožto takový byl v roce 1984 přijat jako mezinárodní norma ISO 7498. Oproti metalickým sítím je tato režie až několikanásobně vyšší a spotřebuje pro sebe až 30 – 40% celkové kapacity. Svou vlastní režii má též protokol TCP/IP.

Další zpoždění představuje také fakt, že už z principu komunikace v bezdrátových sítích funguje tato jako pouhý half duplex a je i tak navržena, čili buď se vysílá, nebo se přijímá, ale nikdy ne obojí najednou. Full Duplex by sice bylo teoreticky možné použít, ovšem za cenu dvojnásobné šířky zabraného kmitočtového pásma - vysílat by se muselo současně na jiných kanálech s dostatečným odstupem, aby se přijímač nezahltil. Nezbytné by byly dvě antény, duplexer nebo podobné zařízení.

802.11g oproti normě „b“ využívá přenosovou techniku s rozprostřeným spektrem OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), které rozdělí přenosový kanál na překrývající se subkanály. Díky použití vícestavových modulací a paralelního přenosu dat je poté také lépe využit.
Data se jednoduše rozdělí do několika paralelních front a jejich celý objem je následně přenesen po několika úzkopásmových kanálech, každý na jiném kmitočtu. Tímto způsobem je také lépe dosaženo menšího zarušení. Jako modulace potom může sloužit QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) nebo 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Oba druhy zmíněných modulací, tedy QPSK i QAM, se krom toho také používají při přenosu digitální pozemní televize DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial). 64-QAM je jedna z nejčastěji používaných a nejvýkonnějších variant QAM, která dokáže v jednom symbolu přenést až 64 stavů, a tedy až 6 bitovou informaci.

Konkrétní podporovaná rychlost klienta pracujícího v „géčkovém“ pásmu závisí především na použité modulaci, přičemž podporovaných rychlostí je oproti 802.11b daleko více. Díky zpětné kompatibilitě mezi „béčkovou“ a „géčkovou“ normou navíc můžeme k 802.11g připočíst i rychlosti podporované starším standardem. Ty však vyžadují použití metody DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), čili techniky přímého rozprostření spektra, která se u této starší normy využívá.


DSSS oproti QFDM pracuje tak, že každý přenášený bit je před samotným přenosem nejprve nahrazen určitou skupinou bitů, které se také jinak říká chip. Pro jeho vytvoření se mohou využít různé kódy (u Wi-Fi se používá kódování Barkerovo) – jedná se tedy o sekvence de facto náhodné, což představuje obrovskou výhodu v tom, že je díky tomu možné, aby v jednom místě koexistovalo více nezávislých sítí – každá má jiný sekvenční kód. Až dojde k vytvoření této sekvence, může se teprve začít vysílat a tedy modulovat na nosný signál.

Díky tomu je celá zpráva šířena v daleko širším spektru a ne všechny chipy jsou pro správnou demodulaci signálu potřebné. Bez znalosti způsobu, jak je každý bit zakódován, se každému náhodnému posluchači jeví přenos jako směť nesouvislých a rušivých signálů, tedy jako náhodný šum, a proto není možné jej demodulovat.

Sdílení přenosového pásma sítí IEEE 802.11g

U „géčka“ je to při určování přenosové rychlosti ještě trochu pikantnější a při uvažování musíme také rozlišit, zda bude daný klient pracovat též se zařízeními z rodiny 802.11b. Ten jako takový totiž OFDM rozhodně nerozumí. Pokud bychom takového klienta do sítě 802.11g připojili, došlo by ke spuštění ochranného mechanizmu RTS/CTS, který je v normě „g“ implementován.

Klient by nejprve musel zaslat zprávu RTS (Request-To-Send), čímž by vlastně přístupový bod požádal o povolení k vysílání. To by mu bylo umožněno až po přijetí zprávy CTS (Clear-To-Send). Od této chvíle mají ostatní klienti vysílat zakázáno, což představuje poměrně dobré zabezpečení proti kolizím klientů 802.11b a 802.11g. Na druhou stranu ale za cenu hodně vysoké režie.

Toto potvrzování bylo původně vyvinuto jako doplněk pravděpodobnostní techniky přístupu k médiu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, Naslouchání nosné / Vícenásobný přístup s předcházením kolizí) pro řešení problému skrytého uzlu ve Wi-Fi sítích, který představuje pro venkovní sítě poměrně velký problém.

Jde o to, že jednotliví klienti sice vidí na AP, ale už vůbec nemusí vidět sebe navzájem. Není potom problém, aby začalo několik klientů vysílat ve stejné době, protože se budou domnívat, že je kmitočtové pásmo volné (na sousedního klienta přece nevidí, a tak nemohou zaregistrovat jeho vysílání). Přípojný bod se poté stává až přespříliš „zahlušeným“.
V důsledku skrytého uzlu se poté síť stává slabým místem, které má za vinu snížení přenosové rychlosti a propustnosti sítě včetně nárůstu chybovosti a ztrátovosti paketů. Vzpomínáte na situace, kdy jste měli na své bezdrátové kartě slušný signál, avšak přístup k internetu byl přesto až neskutečně pomalý? A že jich nebylo málo? Tak právě to může být důsledek skrytého uzlu.

Pokud by ke kolizi došlo, tak si klienti vygenerují náhodně dlouhou dobu čekání, po jejímž překročení se pokusí opět zahájit vlastní přenos dat. Přičemž zase tak náhodná není, AP si může vybrat z několika předem připravených variant, přičemž u sítí „géčkového“ typu jsou tyto intervaly o něco kratší, což znamená, že po připojení klientů 802.11b do sítě 802.11g můžeme očekávat vyšší čekací lhůty. Norma se potom totiž přizpůsobí pomalejším klientům.

Warchalking aneb zajímavost na konec kapitoly

V naší republice je ráj tzv. Warchalkingu, činnosti, jež je většinou chápána jako ne zcela legální a spočívá v pohybování se po městě s notebookem či PDA, skenování okolního prostředí a zjišťování informací o konkrétních bezdrátových sítích. Pokud se „Warchakerovi“ podaří nalézt bezdrátovou síť, poznamená si souřadnice místa, na kterém se momentálně nachází, a to včetně dalších údajů a informací o nalezeném připojení. Tyto informace poté také nezřídka poskytne dalším lidem přes celosvětou síť – Internet.

Počátek tohoto počínání se datuje do roku 2002, kdy přišel londýnský designer Matt Jones s několika značkami, kterými označoval nejrůznější místa jako třeba budovy, silnice nebo chodníky, a to pokud byla někde poblíž přítomna nějaká bezdrátová síť. U nadšenců Wi-Fi sítí se to velice brzy ujalo a začali tyto značky používat ke svému vzájemnému dorozumívání a podrobnějšímu informování vůči konkrétní lokalitě, čímž se právě tohle "čmárání" po zdech stalo základním rysem Warchalkingu.
Podobnou činnost představuje též tzv. Wardriving, který se od předchozí zmíněné techniky liší pouze ve způsobu pohybu. Zde je totiž používáno dopravných prostředků, což přináší výhodu nejen v tom, že u sebe v autě můžete mít GPS navigaci, která velmi usnadní zápis správných souřadnic, ale také v tom, že autem bezesporu zmapujete mnohem větší oblast za zlomek času.