IEEE 802.11

IEEE 802.11 ir bezvadu datortīklu standartu kopa. Šie standarti definē fizisko un kanāla slāni. Šos standartus parasti atšķir pēc fiziskā slāņa definīcijas. Wi-Fi ir Wi-Fi aliansei piederošs zīmols, kuru lieto lai sertificētu dažādu ražotāju ierīču savstarpējo savietojamību. Wi-Fi standarti pilnībā nepārklājas ar 802.11 standartiem (bet lielākoties ir bāzētu uz tiem).

Fizikālais slānis

Sākotnējā 802.11 standartā, kurš tika pieņemts 1997. gadā bija definēti 3 fiziskā slāņa veidi:

• FHSS modulēts radio 2,4-2,5 GHz frekvencēs
• DHSS modulēts radio 2,4-2,5 GHz frekvencēs
• Infrasarkanais starojums

Šeit bija divi ātrumi: 1 un 2 Mbit/s. Iekārtas, kas darbojās ar infrasarkanajiem stariem neražoja, tāpēc tam nebija lielas nozīmes. Ātrumi bija pārāk mazi un dažādu ražotāju izstrādājumi bija slikti savietojami savā starpā.

802.11a

Tā, kā sākotnējā standarta ātrumi bija pārāk mazi, 1999. gadā pieņēma 802.11 papildinājumu - 802.11a, kur maksimālais fiziskā slāņa datu pārraides ātrums ir 54Mbit/s. Šis standarts lieto tādus pašus kanāla slāņa protokolus kā sākotnējais 802.11 standarts, taču darbojas 5GHz frekvencē un lieto OFDM modulāciju. Šim standartam atbilstošie izstrādājumi bija pieejami relatīvi vēlu un bija dārgi, jo 5GHz elektronika bija dārga un maz pieejama. Sākotnējajiem izstrādājumiem bija arī problēmas ar attālumu (bezvadu tīklam bija mazs apraides lauks). Šī standarta galvenās priekšrocības ir lielāks lietojamo kanālu skaits (4-8 reizes vairāk kā 2,4GHz standartiem, atkarībā no jurisdikcijas) un mazāk traucējumu (2,4GHz ierīces ir izplatītākas).

Šeit lietotā OFDM modulācijas shēma lieto 52 subnesējus, no kuriem datu pārraidei lieto 48 (atlikušie 4 ir sinhronizācijai). Subnesēju modulācija var būt BPSK, QPSK, 16QAM vai 64QAM. Katrs subnesējs aizņem 312,5kHz frekvenču joslu.

802.11b

Šo standartu arī pieņema 1999. gadā. Tas lieto 2,4 GHz frekvenci un DSSS modulāciju. Te maksimālais fiziskā slāņa datu pārraides ātrums ir 11Mbit/s. 802.11b ir visizplatītākais bezvadu tīklu standarts, un ar to sākās bezvadu tīklu izplatība.

802.11g

2003. gadā pieņema vēlvienu papildinājumu sākotnējam 802.11 standartam. Šeit lieto 802.11a modulāciju (OFDM) 2,4GHz frekvencē un maksimālais fiziskā slāņa datu pārraides ātrums ir 54Mbit/s. Šis standarts ir guvis plašāku izplatību nekā 802.11a, jo šādām frekvencēm aparatūru izgatavot sanāk lētāk.

802.11n

802.11 standarta versija Wi-Fi tīkliem, kas parādījās 2009. gadā. To sauc par Wi-Fi 4. Tas darbojas 2,4 un 5 GHz joslās (ierīces, kas atbalsta 5 GHz joslu, ir daudz retāk sastopamas), ļauj sasniegt ātrumu līdz 150 Mbps ar kanāla platumu 40 MHz katrai neatkarīgai antenai.

802.11ac

Wi-Fi bezvadu LAN standarts, kas darbojas 5 GHz frekvenču diapazonā. To sauc par Wi-Fi 5 Atpakaļ savietojams ar IEEE 802.11n (5 GHz josla) un IEEE 802.11a. 2019. – 2020. Gadā to aizstās IEEE 802.11ax standarts. 802.11ac ierīces arī ievieš 802.11n standartu 2,4 GHz joslā. Standarts ļauj ievērojami paplašināt tīkla joslas platumu, sākot no 433 Mbit/s.

802.11ax

IEEE 802.11ax ir paredzēts darbam esošajā 2,4 GHz un 5 GHz spektrā, taču 1 GHz līdz 7 GHz joslās var iekļaut papildu frekvenču joslas, tiklīdz tās kļūst pieejamas.To sauc par Wi-Fi 6. Papildus MIMO un MU-MIMO tehnoloģiju izmantošanai (uztveršanai un pārraidei tiek izmantotas vairākas antenas). Standarta IEEE 802.11ax galīgi tika iesniegts 2019. gadā. CES 2018. gadā demonstrētās ierīces ar maksimālo ātrumu līdz 11 Gbps, un galīgais apstiprinājums gaidāms 2020. gada septembrī.

802.11be

Izstrādātais bezvadu lokālo datortīklu standarta paplašinājums standartu komplektā 802.11. To sauc par Wi-Fi 7. IEEE 802.11be ir balstīts uz IEEE 802.11ax standartu un ir paredzēts iekštelpu un āra bezvadu LAN darbībai 2,4, 5 un 6 GHz frekvenču joslās.

Atveiglotie nosaukumi

Eksistē atviegloties Wi-Fi nosaukumi:

• 802.11n → Wi-Fi 4
• 802.11ac → Wi-Fi 5
• 802.11ax → Wi-Fi 6
• 802.11be → Wi-Fi 7

Wi-Fi ierīces izmantos ikonas, lai grafiski attēlotu izmantoto tīkla savienojumu, piemēram, parasti izmantoto signāla stipruma indikatoru ar uz tā novietotu skaitli. Ikona mainīsies, pārslēdzot ierīci starp dažādiem Wi-Fi tīkliem.

Kanāla slānis

Kanāla slāņa protokols ir bāzēts uz ethernet, tomēr te ir dažas atšķirības, kuras nosaka fizikālā slāņa daba. Atšķirībā no ethernet, šeit ierīces nevar vienlaikus raidīt un uztvert, tāpēc ethernet lietotā CSMA/CD metode šeit nedarbojas. 802.11 tīklos lieto CSMA/CA (carrier sense multiple access / collision avoidance). Raidot gaisā arī ir ievērojami lielāka iespējamība, ka dati pazudīs vai tiks bojāti, salīdzinot ar kabeli. Ethernet tīklā visi datori ir vienlīdzīgi. 802.11 ir iespējami divi veidi:

• ad-hoc - analogs ethernet, visi datori ir vienlīdzīgi. Šī metode dažādu iemeslu dēļ nav īpaši populāra.
• Infrastruktūra - šādos tīklos viena no ierīcēm (access point) ir privileģētā stāvoklī un nosaka kad raidīt pārējām ierīcēm.

Kadra struktūra

802.11 kadri sastāv no 3 daļām: hedera (10-30 baiti), datiem (0-2312 baiti) un kontrolsummas (treilera)(FCS)(4 baiti).

Nosaukums	Garums (baitos)
Frame control	2
Garums	2
Adrese1	6
Adrese2	6
Adrese3	6
Sequence control	2
Adrese4	6
Dati	0-2312
FCS	4

• Frame control - šis lauks sastāv no 11 apakšlaukiem un satur informāciju par protokola versiju un kadra tipu (skatīt tālāk).
• Garums - šis lauks apraksta kadra garumu un ļauj citiem datoriem noteikt, cik ilgu laiku būs aizņemts kanāls
• Adrese - šie lauki satur informāciju par to no kurienes kadrs nāk, un kur tam jānonāk. Pārējās 2 adreses lieto, ja kadru ir jāpārsūta caur vairākiem pieejas punktiem.
  • Adrese1 ir saņēmēja adrese, to lieto vienmēr
  • Adrese2 ir sūtītāja adrese, uz turieni sūta ACK
  • Adrese3 ad-hoc (IBSS) tīklā ir SSID, infrastruktūras tīklā tā ir sākotnējā sūtītāja adrese (paketēm, kas nāk no pieejas punkta, galvenā sūtītāja adrese ir pieejas punkta adrese)
  • Adrese4 - to lieto tikai tīklos ar vairākiem savienotiem pieejas punktiem (ESS), sakariem starp šiem pieejas punktiem, un tā ir sākotnējā sūtītāja adrese
• Sequence control - šo lieto fragmentu numurēšanai, no 16 pieejamajiem bitiem, 12 lieto lai identificētu kadru un 4 - lai identificētu fragmentu.
• Dati - pārsūtāmie dati. garums var būt no 0 līdz 2312 baitiem.
• FCS (frame check sequence) - kontrolsumma. To aprēķina visam kadram pēc tāda paša algoritma kā ethernet.

Frame control lauka struktūra:

Lauks	Versija	Tips	Apakštips	uz DS	no DS	MF	retry	PWR	more	W	O
Garums (bitos)	2	2	4	1	1	1	1	1	1	1	1

• Versija - protokola versija, lai nodrošinātu iespēju vienā bāzes stacijā lietot divu veidu protokolus
• Tips - kadra tips (data frame, control frame, management frame)
• Apakštips - šo lieto kadriem ar control frame vai management frame funkcijām (tās ir iespējams piesaistīt datu kadriem). Piemēram, var būt RTS vai CTS kadri.
• uz DS un no DS - norāda, ka kadrs tiek nosūtīts uz, vai pienāk no, plašāka tīkla (ESS) (ir ienācis pieejas punktā no cita pieejas punkta caur kabeli, vai arī iet atpakaļ pa to pašu ceļu)
• MF - norāda, ka kadrs ir fragmentēts un šis nav pēdējais fragments
• retry - norāda, ka šis nav pirmais šī kadra nosūtīšanas mēģinājums (iepriekšēji visi ir bijuši neveiksmīgi)
• PWR (power management) - šo lieto bāzes stacija lai izslēgtu vai ieslēgtu uztvērēju (lai samazinātu to ierīču elektrības patēriņu)
• More - norāda, ka sūtītājam ir vēl nosūtāmi kadri tam pašam saņēmējam
• W - norāda, ka kadra datu lauks ir šifrēts lietojot WEP algoritmu.
• O - kadrus, kam šis lauks ir 1, jāapstrādā secīgi vienu pēc otra, nevis jauktā secībā.

Adresācija

802.11 atšķirībā no 802.3 (ethernet) kadra hederī var būt līdz 4 adresēm. Šiem tīkliem ir iespējami arī vairāki darba režīmi (ad-hoc jeb IBSS), infrastruktūra (ar pieejas punktu) un ESS (extended service set) - ar vairākiem savienotiem pieejas punktiem. Tīklā izšķir divu veidu ierīces - klientus un pieejas punktus (access points). Paketēm, kuras nāk no, vai iet uz pieejas punktu, ir aktīvs "no DS" un "uz DS" flag kadra kontoles laukā.

no DS	uz DS	Apraksts
0	0	ad-hoc (IBSS) tīkls, paketes datori cits citam sūta pa taisno, visas paketes ir vienāda veida. Lieto 3 adreses (sūtītāja adrese, saņēmēja adrese un tīkla SSID (tā parasti ir pirmā ad hoc tīklu izveidojušā datora adrese, tā te identificē tīklu))
0	1	infrastruktūras tīkls, pakete nosūtīta no pieejas punkta uz datoru. Lieto 3 adreses - sūtītāja adrese (tā datora adrese, kas to paketi piegādāja pieejas punktam), saņēmēja adrese un pieejas punkta adrese
1	0	infrastruktūras tīkls, pakete nosūtīta no datora uz pieejas punktu. Lieto 3 adreses - sūtītāja adrese, saņēmēja adrese (kam to paketi būs beigās jāpiegādā) un pieejas punkta adrese
1	1	ESS tīkls (ar vairākiem pieejas punktiem), pakete nosūtīta no viena pieejas punkta uz citu pieejas punktu. Lieto 4 adreses - sūtītāja adrese (kas to paketi piegādāja raidošajam pieejas punktam), saņēmēja adrese (dators, kam to paketi beigās jāpiegādā, tas atrodas aiz saņemošā pieejas punkta), raidošā pieejas punkta adrese un saņemošā pieejas punkta adrese

Izmantotā literatūra

• https://web.archive.org/web/20070627131600/http://wow.eecs.berkeley.edu/ergen/docs/ieee.pdf
• https://web.archive.org/web/20060902085706/http://www.apl.jhu.edu/~hhsu/cs771/cs771-II.pdf - lekciju materiāli
• Computer networks, fourth edition. Andrew. S. Tanenbaum. Prentice Hall 2003.