Aktuální vydání

celé číslo

01

2019

Automatizace v potravinářství a farmacii

celé číslo

Bezdrátové sítě WLAN v průmyslu

Automa 11/2001

Ing. Petr Bartošík

Bezdrátové sítě WLAN v průmyslu

Bezdrátová síť WLAN (Wireless LAN) je určena pro lokální aplikace, kde je spojení jednotlivých účastníků sítě kabelovým rozvodem obtížné nebo nemožné. Lokální aplikací je myšleno použití sítě v rámci jedné místnosti či budovy, do vzdálenosti stanic řádově ve stovkách metrů. Zatímco hlavní konkurent této sítě, standard Bluetooth, trochu zaspal – přes velká očekávání je počet jeho aplikací zatím mizivý –, možnost instalovat kartu WLAN mají v současné době téměř všechny vyráběné notebooky, včetně průmyslových. K dispozici je široký sortiment zařízení a kart WLAN pro různá rozhraní: PCMCIA, PCI, USB, PC/104, a to i v odolném provedení do průmyslového prostředí (např. [6]).

Obr. 1.

Fyzická vrstva
Bezdrátové sítě WLAN ve smyslu normy IEEE 802.11 z roku 1997 zahrnují nejen rádiové sítě, ale i sítě s přenosem signálu pomocí infračerveného paprsku. V původní normě se hovoří o přenosu dat s využitím rádiových vln v pásmu 2,4 až 2,4835 GHz a pomocí infračerveného paprsku 300 až 428 GHz. Přenosová rychlost je 1 až 2 Mb/s. Využívá se metoda rozprostřeného spektra, a to jak s frekvenčními přeskoky (FHSS, Frequency Hopped Spread Spread Spectrum), tak s přímou sekvencí (DSSS, Direct Sequence Spred Spectrum). Vzhledem k malé rychlosti přenosu zakotvené v původní normě se nyní používá především novelizovaná norma IEEE 802.11b, schválená v roce 1999. Ta hovoří pouze o rádiové síti, stanoví frekvenční pásmo RF 2,4 GHz, jako jedinou metodu přenosu signálu připouští DSSS a rychlost přenosu zvyšuje na 11 Mb/s.

V dalším výkladu se soustředíme právě jen na WLAN podle normy IEEE 802.11b.

Topologie
Typická topologie WLAN (obr. 1) využívá přístupové body (AP, Access Point). Přístupový bod je zařízení připojené ke klasické LAN. Tvoří komunikační most mezi LAN a WLAN. Všechny mobilní stanice, které chtějí komunikovat mezi sebou nebo se stanicí připojenou na LAN, komunikují prostřednictvím přístupového bodu (klient-server).

Přístup ke komunikaci je řízen metodou CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Nepřipouští se současná komunikace více účastníků s tímtéž přístupovým bodem. Rádiová síť má ovšem ve srovnání s běžným Ethernetem, kde se CSMA/CA také používá, jednu odlišnost: zatímco na kabelu Ethernetu se všechny účastnické uzly navzájem „slyší“, v rádiové síti se může snadno stát, že dvě stanice jsou sice v dosahu jednoho přístupového bodu, ale nikoliv ve vzájemném dosahu. Není tedy možné, aby se vzájemně informovaly o požadavku komunikovat s přístupovým bodem. Proto je nutné metodu CSMA/CA poněkud modifikovat. Norma stanoví následující postup: Účastnická stanice, která chce komunikovat, vyšle zprávu RTS (Ready To Send). Tato zpráva obsahuje adresu a údaj o délce zprávy. Každá stanice, která RTS přijme, vezme požadavek na vědomí a uloží jej do své alokační tabulky (NAV, Network Allocation Vector ). Adresát zprávy, tj. přístupový bod, na RTS odpoví zprávou CTS (Clear To Send). Protože přístupový bod musí být v dosahu všech účastnických stanic schopných komunikace, přijmou CTS i ty účastnické stanice, které RTS nepřijaly. I ty si podle něj aktualizují NAV a nebudou se v daný okamžik pokoušet o komunikaci. Pro vysílající stanici je CTS současně signálem k zahájení přenosu dat. Po úspěšném přenosu dat příjemce – přístupový bod pošle zprávu ACK (Acknowledge), kterou potvrdí příjem. Kolize nastává, neobdrží-li stanice, která se chystá vysílat, zprávu CTS, nebo, po ukončení vysílání, ACK. Kolizi vyřeší tak, že počká určitou, náhodně zvolenou dobu, zkusí znovu vyslat RTS a opakuje pokus o komunikaci.

Druhou variantou je topologie ad-hoc bez přístupového bodu. V tomto uspořádání mohou mezi sebou komunikovat pouze stanice WLAN (peer-to-peer). Řízení přístupu ke komunikaci je obdobné jako v předchozím případě.

Kromě klasických přístupových bodů spojujících LAN a WLAN existují také bezdrátové opakovače (repeater) a rozbočovače (hub). Umožňují vytvořit složitější topologickou strukturu. Mohou být použity také pro spojení mezi budovami. Protože se u běžných stanic využívají všesměrové antény, jejichž výkon je normou omezen, je dosah (podle umístění antény a rušení) 30 až 100 m. Pro spojení mezi budovami lze použít směrovou anténu, jež umožní přenášet signál na větší vzdálenost (stovky metrů). Je ovšem třeba si uvědomit, že WLAN není pro tyto účely navržena, a zvážit, zda nepoužít jiné řešení, třeba rádiový směrovač (např. outdoor router Orinoco firmy Lucent Technologies, [7]), který využívá jinou rádiovou technologii a dovoluje dosáhnout větších rychlostí přenosu dat.

Zabezpečení komunikace
Technologie WLAN vychází z vojenských aplikací. Není tedy divu, že zabezpečení komunikace byla od počátku věnována velká pozornost.

Norma IEEE 802.11 specifikuje tzv. WEP (Wired Equivalent Privacy). K zabezpečení komunikace se používají dvě metody: ověření účastníka a kódování. Užívají systém veřejného a tajného klíče. Systém však má určité slabiny (jde především o metodu distribuce klíčů) a v současné době se přepracovává.

S otázkou zabezpečení úzce souvisí i tzv. roaming. Zařízení musí být schopno vyhledat síť IEEE 802.11, která je k dispozici, a přihlásit se do ní. Je-li jich k dispozici několik (tj. v dosahu je více přístupových bodů), přihlásí se do preferované sítě. Přístupový bod potom vysílá svým klientům synchronizační impulsy. O tom, přes který přístupový bod je stanice dostupná, musí mít informaci také poštovní server, firewall a prohlížeče. Podrobnosti, jak podporuje roaming v sítích WLAN operační systém Windows XP, se lze dočíst v [5].

Interoperabilita
Norma IEEE 802.11b nezaručuje, že zařízení různých výrobců budou bez problémů spolupracovat. Aby byla tato potíž odstraněna, založili významní výrobci zařízení WLAN sdružení WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). Toto sdružení uděluje výrobkům certifikát Wi-Fi a zaručuje, že zařízení označená tímto certifikátem budou navzájem kompatibilní.

Aplikace
WLAN lze použít všude, kde by bylo třeba použít LAN, ale instalace kabelových rozvodů by byla příliš náročná nebo nemožná. Typickou oblastí použití jsou učebny a přednáškové sály. V obchodních domech může WLAN spojovat pokladní terminály s centrálním databázovým serverem. Na veletrzích lze pomocí WLAN vybudovat síť s počítači, serverem, internetovým modemem a tiskárnou bez použití kabelů. Ve světě již existují i veřejné přístupové body WLAN s možností připojit se na internet, použít tiskárnu apod. Ocení je především cestující obchodníci, novináři, ale koneckonců každý, kdo potřebuje z nádraží nebo letiště např. odeslat e-mail s dokumentem, který cestou vytvořil na svém notebooku.

WLAN se samozřejmě uplatňuje i v průmyslu. Na MSV v Brně byl k vidění přenosný operátorský panel Mobipanel firmy Advantech. Kartu WLAN formátu PCMCIA lze integrovat také do přenosného průmyslového počítače Mobic firmy Siemens, o němž jsme již v časopise informovali, a mnoha dalších průmyslových počítačů a operátorských panelů různých výrobců.

Výhledy
Systém WLAN se dále vyvíjí. O přepracování bezpečnostních standardů jsem se v článku již zmínil. Snahou vývojových pracovníků bude také zvýšit přenosovou rychlost. Samozřejmě bude nutné dále pracovat na standardizaci s cílem zaručit vzájemnou kompatibilitu zařízení.

Literatura:

[1] ZYREN, J. – PETRICK, A.: IEEE 802.11 Tutorial. Weca, Mountain View, USA. 1999. http://www.wirelessethernet.org/downloads/IEEE_80211_Primer.pdf

[2] LOUGH, D. L. – BLANKENSHIP, T. K. – KRIZMAN, K. J.: A Short Tutorial on Wireless LAN and IEEE 802.11. The IEEE Computer Society’s Student Newsletter, Vol. 5 (1997), No. 2. Virginia Polytechnic Institute and State Univerzity, Blacksburg, USA.

[3] –: What is a Wireless LAN? White Paper, Proxim, Inc., 1998, Mountain View, USA.

[4] –: Introduction to Wireless LANs. The Wireless LAN Alliance. www.wlana.com

[5] FOUT, T. a kol: Wireless LAN Technologies and Windows XP. Microsoft Corp., 2001. www.microsoft.com/windowsxp

[6] –: Wireless LAN series are ready now! Automation Link, Jan./Feb. 2001. Advantech, Co., Ltd., Taipei, Taiwan.

[7] –: Standardy IEEE 802.11. Eastnet, a. s., Praha. http://www.eastnet-cr.cz/wireless/ieee.htm#top