3. Trådlösa nätverkstopologier

Numera finns det mer trådlösa än trådbundna enheter på den synliga delen av ett nätverk. För ungefär 10 år sedan hade de flesta kontor bara stationära datorer och några andra nätverksenheter som skrivare. Alla dessa var kopplade till trådbundna nätverk. Idag har de flesta användare en bärbar dator, smartphone och surfplatta. Det är minst tre trådlösa enheter för varje användare i det lokala trådlösa nätverket. Dessutom har de trådlösa hastigheter ökat avsevärt.

Bild 1: Nätverkstyper

Trådlösa nätverkstyper

Trådlösa nätverkstyper innebär diverse implementationer av trådlösa nätverk. Generellt finns det följande nätverkstyper:

  • Wireless Wide Area Network (WWAN)
  • Wireless Metropolitan Area Network (WMAN)
  • Wireles Local Area Network (WLAN)
  • Wireless Personal Area Network (WPAN)

Wireless Local Area Network är fokus i denna kurs. WLAN använder standarden 802.11 som de flesta av oss har sett, eller hört talas om, hur 802.11 har ändrats från 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n och / eller 802.11ac.

Vi har också Wi-Fi Alliance som hjälper till med att utvecklat trådlöst nätverk. IEEE har till exempel beskrivit autentisering och kryptering i 802.11i-standarden. Wi-Fi alliansen har baserat krypteringsmetoder WEP, WPA och WPA2 på 802.11i standard.

Trådlösa nätverkstopologier

Två enheter sammankopplade via en frekvens (kanal) och samma moduleringsteknik där avsändare skickar datasignaler till mottagare är ett exempel på enkelriktat trådlös kommunikation.

Bild 2: Enkelriktad kommunikation

Men en fullständig kommunikation bör inkludera möjligheten för mottagaren att svara till avsändare, det vill säga en dubbelriktade trådlös kommunikation.

Bild 3: Dubbelriktad kommunikation

När avsändaren och mottagaren är överens om vem som får sända och vem som får ta emot datasignalerna bör det inte uppstå någon interferens mellan de.

Bild 4: Interferenser

Men om flera trådlösa enheter skickar och tar emot datasignaler samtidigt uppstår interferenser. Eftersom flera host delar samma kanal bör enbart en enhet överföra datasignaler vid vilken tidpunkt som helst. I ett sådant nätverk ska en enhet som behöver överföra datasignaler annonsera sin intention innan överföringen sker. Då  alla andra enheterna väntar tills transmissionskanalen är ledig.

Independent BSS – IBSS

Independent BSS betyder att klientstationer kommunicerar med varandra utan en AP, ett sådant nätverk är känd som AD-HOC nätverk. Namnet AD HOC kommer från latin och betyder syfte. Det är precis det som ett AD HOC nätverk är, ett nätverk med syfte att kommunicera direkt och tillfälligt.

Bild 5: IBSS topologi

Hur bygger man ett AD HOC nätverk? På en Windows 10-dator kan göras som följande:

  1. Starta CMD som administratör
  2. För att verifiera stöd för ad hoc nätverk exekvera: c:\> netsh wlan show drivers
  3. Sök efter ”Authentication and cipher supported in ad-hoc mode:
    • open – none
    • open – WEP 40 bit
    • open – WEP 104 bit
    • open WEP
    • WPA2 personal – CCMP
  4. För att skapa ett AD HOC nätverk exekvera:
    • c:\> netsh wlan set hostednetwork mode=allow ssid=diginto key=Digintopass 
  5. För att starta diginto exekvera:
    • c:\> netsh wlan start hostednetwork
Bild 6: netsh vlan
  1. Ta fram kontrollpanelen och navigera fram till Network and Internet, Network Connections och välj fliken Sharing för att tillåta uppkopplingen till diginto. I/På fliken Sharing välj Allow other network users to connect through this computers Internet connection.
  2. Välj diginto och klicka på OK.
    Ett ad hoc nätverk kräver också att varje enhet ansluts till en och samma kanal. Kanalen kan väljas på konfigurationsmenyn för varje trådlöst nätverkskort. Frekvensbandet 2,4 Gigahertz använder 1, 6, eller 11 kanaler. Nu är det aktuellt IEEE 802.11n och IEEE 802.11ac som använder också 5 GHz frekvensband. Denna frekvensen stödjer fler kanaler.

Basic service Set

Eftersom vilken enhet som helst som har en trådlös nätverksadapter kan i princip delta i vilken trådlös kommunikationsprocess som helst måste åtkomsten till det trådlösa nätverket begränsas. Vid konfiguration av ett trådlöst nätverk inställs flera krav som begränsar åtkomsten till ett trådlöst nätverk, exempelvis moduleringsteknik, kanalbredd och så vidare. Utöver det borde det finnas ett sätt att kontrollera vilken/vilka enhet/enheter (och användare) får vara med i det trådlösa nätet. Dessa tjänster kallas för grundläggande serviceuppsättning eller Basic Service Set.

Bild 7: Basic Service Set – BSS

I centrum av ett BSS-topologi finns en trådlös åtkomstpunkt (A) som erbjuder de grundläggande tjänster (BSS) som är nödvändiga för att vara med i ett trådlöst nätverk.

Eftersom driften av en BSS hänger på AP, är en BSS topologi avgränsad av området där åtkomstpunktens signaler är användbara. Detta är känt som det grundläggande serviceområdet (BSA) eller cellen. I bild 5 visas cellen som ett enkelt cirkulärt område utformat av en omnidirectional antenn. BSS celler kan också ha andra former beroende på vilken antenn som är ansluten till åtkomstpunkten.

Åtkomstpunkten fungerar som den enda kontaktpunkt för varje enhet som vill vara med i BSS-topologin. Det annonserar nätverkets namn, en unik BSS-identifierare (BSSID) som är baserad på AP: s egen radio MAC-adress.
Medlemskap med BSS kallas en association. En enhet som vill delta i det trådlösa nätverket måste skicka en begäran så att åtkomstpunkten antingen godkänner åtkomsten eller nekar den. När enheten är associerad med åtkomstpunkten är denne en 802.11-klientstation (STA) i det specifika BSS-topologin.

Vad händer då Kommunikationen till och från klienten överförs via åtkomstpunkten?

Med hjälp av standarden 802.11 och de grundläggande tjänster för trådlösa nätverk skapas associationer mellan åtkomstpunkter och klientstationer. AP erbjuder sina tjänster inom en viss area och klientstationer som identifierar sig kan bygga upp en association med åtkomstpunkten. Det är då som kommunicerande stationer får skicka och ta emot trådlösa signaler via en AP eftersom klientstationer inte kan kommunicera direkt med varandra.

Bild 8: Basic Service Set – BBS

Service Set Identifier – SSID

Ett logiskt namn som identifierar ett trådlöst nätverk. SSID kan byggas upp med 32 bokstäver och den är “case sensitive“.

Basic Service Set Identifier

MAC-adressen (48 bitar) är känd som åtkomstpunkt identifierare, BSSID.

Tidigare har vi definierad en BSS som ett trådlös nätverk där klientstationer kommunicerar med varandra via en AP. En sådan association bildas inte bara med nätverksnamnet (SSID) också med åtkomstpunktens MAC-adress eller BSSID.

Bild 9: BSSID – AP MAC-adress

Låt oss placera två liknande nätverk nära varandra där åtkomstpunkterna publicerar samma SSID, samma nätverksnamn. Klientstationer behöver nu identifiera varje åtkomstpunkt och inte bara nätverksnamnet. Varje åtkomstpunkt har en egen MAC-adress som identifikation, BSSID.

Distribution system

Observera att trådlösa nätverk är anslutna till trådbundna nätverk som oftast består av andra nätverksenheter som har ingen association med åtkomstpunkter.

802.11-2012 standarden definierar ett distributionssystem (DS) som det trådbundet nätverk som stödjer trådlösa nätverk via åtkomstpunkter. Det innebär att åtkomstpunkter har inbyggda teknologier för trådbundet och trådlösa nätverk så att de kan brygga två olika nätverkstyper och översätta deras datasignaler.

Bild 10: Infrastructure Mode

Bilden nedan illustrerar hur en switch ansluter samman de två nätverkstypen, trådlös och trådbundet. Med VLAN-teknik kan en L2-switch identifiera olika trådlösa nätverk anslutna till switchen. Det görs genom att förse varje ram en etikett som associerar ett VLAN med ett specifikt trådlöst nätverk. Att transportera och identifiera nätverkstrafiken för olika VLAN/nätverk kallas “Trunking” och det görs med hjälp av ett trunk-protokoll, exempelvis DOT1Q.

Bild 11: Ett BSS anslutet till ett DS

Ett Distributionssystem består av två huvudkomponenter:

  • Distribution System Medium (DSM) – transmissionsmedia, logiska och fysiska mellan AP.
  • Distribution System Services (DSS) – tjänster i form av mjukvara som finns i AP. Mjukvaran används för att hantera kommunikation mellan AP och anslutna klientstationer.

Extended Service Set

En extended Service Set (ESS)  är en samling av flera åtkomstpunkter och deras associerade klientstationer, alla sammankopplade till ett distributionssystem. Med andra ord flera BSS tillsammans utgör en ESS. Lägger vi till ordet Area så här vi Basic Service Area (BSA) och Extended Service  Area (ESA).

Bild 12: BSA och ESSA

Roaming

När vi tittar på stora företagsnätverk räcker inte en enda åtkomstpunkt. Tänk dig ett nätverk med hundratals eller tusentals användare anslutna till en uppkopplingsenhet, inte alls optimerande. När du går runt på kontoret vill du inte kopplas bort varje gång när din klientstation växlar från en åtkomstpunkt till en annan. Du vill ha en stabil trådlös anslutning, var du än går. Byte av AP utan att kopplas bort kallas roaming.

13: Roaming – exempel från kanal 1 till 6

Mesh Basic Service Set – MBSS

Standarden 802.11 har definierat tjänster för trådlöst kommunikation som BSS, ESS och IBSS. En aktualisering av standarden gjordes år 2012 där inkluderas MBSS.

Bild 14: Mesh BSS

MBSS kräver speciella funktioner som inte behöver finnas på de andra tjänsttopologier. I ett MBSS tjänsttopologi finns minst en åtkomstpunkt som är alltid ansluten till trådbundet nätverket. En sådan AP kallas MPP eller Mesch Point Portal, alltså en portal genom vilken kommer klientstationer åt det trådbundet nätverket. De andra åtkomstpunkter tillhandahåller anslutning till MPP därmed kallas de “wireless backhauls”. Åtkomstpunkter i ett Mesh BSS kallas generellt “mesh points” eller MPs.

När dataöverföringshastigheterna ökar minskar räckvidden för trådlösa signaler och ett sätt att förlänga signalernas räckvidd är att installera flera åtkomstpunkter, vilket ökar investeringskostnaderna. Istället kan ett flexibel nätverksarkitektur implementeras i form av ett Mesh-nätverk.

Begrepp och definitioner

Några grundläggande begrepp relaterade till nätverk, trådlösa och trådbundna, behöver tas upp, exempelvis dialogmetoder:

  • Simplex – en kommunikationsenhet sänder signaler och den andra tar emot signaler. RF radio är ett exempel på simplex kommunikationsmetod.
  • Halv-Duplex – Båda kommunikationsparter är kapabla att sända och ta emot signaler, men inte samtidigt. Endast en kommunikationspart kan sända medan den andra tar emot. Men den som tar emot kan också sända signaler ut dock inte samtidigt. Ett exempel är walkie-talkies på halv-duplex kommunikationsmetod.
  • Full-Duplex – Bägge kommunikationsparter är kapabla att sända och ta emot signaler samtidigt. Ett telefonsamtal är ett exempel på en sådan kommunikationsmetod. Med dagens teknik är trådlösa nätverksenheter kapabla att använda full-duplex genom två tvåvägs kommunikationskanaler, den ena för att sända och den andra för att ta emot trådlösa signaler.

Enligt standard IEEE 802.11 är kommunikationen i WLAN alltid halv-duplex när transmissionen sker i en och samma frekvens. För att möjliggöra full-duplex kommunikation måste användas olika frekvenser vilket är fullständigt möjligt men inte tillåtet av 802.11 standarden från 2012. Dock med MIMO teknik och standarden 802.11ac implementeras full-duplex kommunikation.

Integration service

Översiktligt gör integrationstjänster (IS) en konvertering av nätverkstrafiken mellan ett bundet nätverk och ett trådlös nätverk.

Wireless Distribution System – WDS

Wireless Distribution System är en funktion som möjliggör trådlöst kommunikationen mellan flera 802.11 åtkomstpunkter, AP. Enkelt sagt WDS gör det det möjligt att ansluta trådlösa AP-enheter i stället för att använda en kabelansluten Ethernet-anslutning.

Bild 15: Trådbundet DS och Trådlös DS eller WDS

WDS-anslutningar är MAC-adress-baserade och använder en speciell typ dataram som använder alla fyra (MAC) adressfält i stället för de tre adresser som används i standarden 802.11

WDS kan användas för att tillhandahålla två arbetslägen för trådlös AP-till-AP-anslutning:

  • Wireless Bridging – Trådlös överbryggning där WDS-åtkomstpunkter får endast kommunicera med varandra och inte med trådlösa klienter eller stationer. Denna teknik används för att binda ihop två separata nätverk där den ena AP är en WDS trådlös router och den andra enbart AP.
  • Wireless Repeating – Trådlös upprepning där AP: er kommunicerar med varandra och med trådlösa stationer. Ett sätt att förlänga nätverkets räckvidden.
Bild 16: WDS bridgning

Basic Service Area

Räckvidden som tillhandahåller en åtkomstpunkt kallas BSA. Klientstationer kan flytta på sig inom den specifika BSA utan att den trådlösa kommunikationen förhindras.

Bild 17: Basic Service Area, BSA