Kopioi artikkelin PDF-versio
IEEE:n WLAN-standardi on vaivihkaa kypsynyt tuotteiksi ja tietokoneverkkona se on vallannut alaa sekä kotona että toimistoissa. WiFi-yhteenliittymän myötä laitteista on tullut käytännössäkin yhteensopivia, joten verkon voi rakentaa edullisesti ja nopeasti. IEEE:n 802.11b-standardin ominaisuudet eivät kuitenkaan usein riitä muutoin WLAN-tekniikalle sopiviin langattomiin palveluihin. TUTWLAN on TTKK:lla toteutettu lähiverkko, jonka suunnittelu aloitettiin vuonna 1997 IEEE:n standardin valmistumisvaiheessa. TUTWLAN-järjestelmässä otettiin turvallisuus, palvelun laatu ja tehokkuus keskeisiksi ominaisuuksiksi alusta asti.
Aikakriittiset ja pakkaustekniikoista huolimatta edelleen suurta siirtokaistaa vaativat multimediasovellukset asettavat langattomalle verkolle aivan eri luokan haasteet verrattuna perinteiseen verkkoon. Videon toimittaminen päätelaitteeseen jatkuvasti muuttuvan yhteyden yli vaatii uutta toiminnallisuutta ja suorituskykyä verkon protokollilta ja päätelaitteilta. Toisaalta esimerkiksi teollisuusautomaatiosovelluksissa voi verkon luotettavuus olla siirtokapasiteettia ja viivettä merkittävämpi vaatimus. Sovellusten palvelunlaatuvaatimusten (Quality of Service, QoS) tukeminen onkin ollut tärkein vaatimus TUTWLAN-kehitystyössä.
TUTWLAN-tutkimus aloitettiin TEKESin ja yritysten rahoittamassa tutkimushankkeessa vuonna 1997 määrittelemällä järjestelmälle yleiset vaatimukset niin verkon palveluiden, hallittavuuden, kuin laitteistonkin suhteen. Erityisesti tutkittiin valmistumisvaiheessa ollutta IEEE:n 802.11-standardia sekä valmistajakohtaisia WLAN-tekniikoita.
Ensimmäinen TUTWLAN-prototyyppiverkko valmistui vuonna 2000. Tutkimustyö jatkuu edelleen sisältäen niin verkkoarkkitehtuurien suunnittelua ja sovelluskonseptien kehitystä, kuin myös käytännön linkkitason protokollien kehitystyötä ja laitteistoalustojen toteuttamista.
Verkkoarkitehtuuri
TUTWLAN-verkon topologia koostuu tukiasemasta, joka hallitsee joukkoa liikkuvia päätelaitteita. Päätelaitteiden määrä tukiaseman muodostamassa solussa riippuu verkon asetuksista, jotka mitoitetaan sovellusten ja ympäristön mukaan. Päätelaitteiden tulee ennen liikennöinnin aloittamista rekisteröityä tukiasemalle, joka liittää uuden aseman osaksi solua ja TUTWLAN-verkkoa. Rekisteröitymisen yhteydessä suoritetaan päätelaitteen tunnistus eli autentikointi, sovitaan käytettävistä salausavaimista ja -algoritmeista, sekä synkronoidaan päätelaite mukaan solun kanavajakoon.
Rekisteröitynyt asema vaihtaa ajoittain tukiaseman kanssa verkonhallintaviestejä, mutta ei vielä siirrä varsinaista sovellustason informaatiota. Siirtymällä tähän tilaan asema voi liikennöintien välillä myös säästää tehoa. Aktiivisen tiedonsiirron aloittaminen tapahtuu varaamalla siirtokaistaa tukiasemalta. Normaalitilanteessa kaikki liikenne kytketään eteenpäin tukiaseman kautta joko kiinteään verkkoon, tai edelleen toiselle TUTWLAN-päätelaitteelle. Tehokkuussyistä saman solun päätelaitteet voivat tukiaseman hallinnan alaisina liikennöidä suoraan keskenäänkin.
TUTWLAN-verkon joustavuus takaa hyvinkin eri tyyppisten asemien liittämisen verkkoon, PC-tietokoneista aina yksinkertaisiin mittausantureihin asti.
MAC-protokolla
Varsinaisesta langattoman siirtomedian jakamisesta päätelaitteiden välillä vastaa käytettävä TUTMAC-protokolla. TUTMAC jakaa radiotien dynaamisesti varattaviin lyhyisiin TDMA-kanaviin. TDMA-kehysrakenne voidaan määritellä verkon kuormituksen ja käyttäjien määrän mukaan. Päätelaite varaa tukiasemalta siirtoyhteyttä varten käyttöönsä yhden tai useamman aikajakson, joiden määrä pysyy vakiona tai vaihtelee tehdyn varauksen yhteysluokan parametrien perusteella. Tällä tavoin hallitaan sekä joustavuus että palvelun laatu.
Langattoman lähiverkon MAC-protokollan tulee perinteisen siirtotien jakamisen lisäksi hallita myös verkon muuttuva topologia ja päätelaitteiden liikkuminen, sekä radiotiellä tapahtuvat vaihtelut, jota aiheuttaa esimerkiksi häiritsevän WLAN-aseman saapuminen solun alueelle. Myös virransäästön ja turvallisuuden hallinta vaatii oman toiminnallisuutensa. Siirtovirheiltä suojautumiseksi protokolla toteuttaa uudelleenlähetykset ja suurten pakettien pilkkomisen pienempiin osiin.
Tiedonsiirto toteutetaan varatun yhteyden ylitse määriteltyjen palveluluokkien perusteella. Palveluluokkamäärittely TUTMAC-protokollassa sisältää tiedonsiirron suojaamisen siirtovirheitä vastaan uudelleenlähetyksien ja FEC-koodauksen avulla, sekä prioriteetit ja informaation vanhentumisajan määrittelyn. Vanhentumisajan ylittänyttä pakettia protokollan jonossa ei enää lähetetä.
Tiedonsiirrolle määritellään myös turvallisuusluokka. Määrittely sisältää päätelaitteen tunnistamisen rekisteröitymisen yhteydessä, sekä tiedonsiirron salaamisen joko solun kesken jaetulla avaimella tai muodostamalla suojattu yhteys kahden päätelaitteen välille. TUTMAC sisältää oman IWEPiksi ristityn tunnistus- ja salausalgoritmin, sekä tukee IDEA-, DES-, 3DES-, ja AES-salausalgoritmeja MAC-tasolla.
TUTMAC-protokollan toteutus SDL-kielellä
TUTMAC-protokollan suunnittelussa ja toteutuksessa on käytetty SDL-kieltä. SDL on puhelinjärjestelmien protokollamäärittelyyn jo 70-luvulla kehitetty määrittelykieli, jota on jatkuvasti kehitetty ITU-T-standardointiorganisaation toimesta. Myös kieltä tukevat työkalut ovat kehittyneet nopeasti viime vuosina.
SDL on formaali, modulaarinen ja oliopohjainen korkean tason kieli, joka sisältää helposti omaksuttavan graafisen notaation. Kieli soveltuu parhaiten erilaisten hajautettujen kontrollijärjestelmien suunnitteluun, helpottaen järjestelmän jakamista pienenpiin moduuleihin ja monimutkaisen toiminnallisuuden hahmottamista. SDL-kieltä käytetään laajasti protokollastandardien yhteydessä, jolloin jokin toiminnan osa tai koko protokolla on kuvattu perinteisen määrittelyn lisäksi myös SDL-kielellä.
Motivaatio SDL-kielen käyttöön TUTMAC-protokollan yhteydessä on ollut saumaton kehitysvuo aina vaatimusmäärittelystä käytännön toteutukseen. Protokollan kehitys on aloitettu arkkitehtuurin kuvauksella SDL-kielellä, ja varsinaista toiminnallisuutta on täydennetty suunnittelun edetessä. Lisäksi SDL-kuvaukseen voidaan liittää jo valmiita C-kielellä toteutettuja komponentteja ja näin hyödyntää esimerkiksi valmista algoritmitoteutusta osana kehitettävää järjestelmää. TUTMAC-protokollan toteutuksessa salausalgoritmeja on osin toteutettu erillisinä C-kielisinä komponentteina.
SDL-toteutus käännetään C-kieliseksi ohjelman lähdekoodiksi ja edelleen ajettavaksi ohjelmaksi joko simulointia varten työasemaympäristöön tai varsinaiseksi ohjelmakoodiksi laitteistoalustalle. Simulointien avulla mahdolliset loogiset toimintavirheet pystytään löytämään jo varhaisessa vaiheessa kehitysvuota. Kehitysvuon loppuvaiheessa lopullista ohjelmakoodia voidaan ajaa reaaliaikasimulaationa. Reaaliaikasimulointien kautta voidaan arvioida muun muassa protokollan suorituskykyä kuormitettuna, laskentatehovaatimuksia ja muistintarvetta.
SDL-kielellä toteutettu TUTMAC-protokolla on täysin alustariippumaton. Niinpä protokollan viemiseksi lopulliseen ympäristöönsä tarvitaan erillinen sovituskerros, jota kutsutaan ympäristöfunktioiksi. Nämä funktiot sovittavat SDL-toteutuksen ja sen ympäristön vaihtamat SDL-signaalit esimerkiksi kirjoitus- ja lukuoperaatioiksi alustan prosessoriportteihin. SDL voi toimia myös erillisen käyttöjärjestelmän päällä, ja ympäristöfunktiot voivat näin hyödyntää käyttöjärjestelmän tarjoamia valmiita palveluita.
Laitteistoalusta
TUTWLAN-lähiverkko on toteutettu käytännössä prototyyppilaitteistona, joka sisältää tällä hetkellä neljä asemaa. Kukin päätelaite voi toimia joko liikkuvana päätteenä tai tukiasemana, riippuen halutusta verkkoympäristöstä. Verkon päätelaite koostuu erikseen toteutetusta TUTWLAN-verkkokortista, erillisestä radiokortista, sekä PC-tietokoneesta, joka kytketään TUTWLAN-korttiin PCI-väylän kautta. PC-puolella on verkkoa varten toteutettu laiteajuri Windows NT -käyttöjärjestelmään, TUTWLAN-verkon hallintaohjelmisto, sekä tukiaseman ajuri TUTWLAN-solujen yhdistämiseksi toisiinsa Ethernet-verkon välityksellä. Myös erilaisia testi- ja mittaussovelluksia on toteutettu järjestelmää varten.
Tällä hetkellä radio-osana käytetään 2,4 gigahertsin radiotaajuudella toimivaa 11 Mbit/s radiokorttia, joka ei itsessään sisällä mitään MAC-protokollan toiminnallisuutta. Varsinainen TUTMAC-protokolla sijaitsee TUTWLAN-kortin DSP-prosessorissa, ja kaikkein tiukinta reaaliaikaisuutta vaativat toiminnot, kuten synkronoituminen TDMA-aikajaksoihin, osa salausalgoritmeista, sekä CRC-tarkistussummien laskenta, on toteutettu FPGA-piirillä. Lisäksi kortti sisältää runsaasti lisämuistia erilaisten SDL-kielellä toteutettujen protokollaversioiden ja sulautettujen sovellusten testaamiseksi käytännössä.
Kokemukset ja tulevat suuntaviivat
TUTWLAN-kehitystyössä on pureuduttu langattoman lähiverkon toteutusratkaisuihin kattavasti kaikilta osin RF-piirejä lukuun ottamatta. Suunnitteluvuon ansiosta alustalla voidaan toteuttaa TUTMAC-protokollan ohella myös 802.11b-standardin mukainen MAC, tai täysin uusi protokolla. Toisaalta vuo mahdollistaa myös muunlaisten radio-osien käytön, jolloin voidaan toteuttaa vaikkapa HIPERLAN tai Bluetooth-asema.
Nykyisiä 802.11b verkkoja ajatellen TUTWLAN-tutkimustyö tarjoaa mahdollisuuden räätälöidä esimerkiksi tukiaseman toiminnallisuutta ilman, että liikkuviin verkkokortteihin vaadittaisiin muutoksia. Yleisesti juuri protokollatoteutuksen optimoiminen sovellusten vaatimusten ja toimintaympäristön mukaan, kuitenkin säilyttäen yhteensopivuus verkko- tai sovellustasolla, on osoittautunut tehokkaaksi ja jopa välttämättömäksi WLAN-järjestelmien yleistyessä.
Taustat
Kirjoittajat: DI Marko Hännikäinen, Prof. Timo D. Hämäläinen
Yhteyshenkilö: marko.hannikainen@tut.fi, timo.d.hamalainen@tut.fi
Tutkimushanke: AWT -- Advanced Wireless Terminals (Kehittyneet langattomat päätelaitteet)
Yhteistyössä: Nokia Research Center, TTKK Digitaali- ja tietokonetekniikka
Ohjelma: TLX
Tämän hetken langattomat lähiverkkotuotteet tukevat lähes poikkeuksetta IEEE:n 802.11 standardia. Alkuperäinen standardi vuodelta 1997 tukee 2 Mbit/s nopeuksia kahden erityyppisen radiotekniikan ja yhden infrapunalinkin yli.
Radiokerros toimii lisensioimattomalla 2,4 GHz ISM-kaistalla, ja vaatii joko suorasekvenssiin tai taajuushyppelytekniikkaan perustuvan hajaspektritekniikan.
IEEE päivitti radiokerroksen määrittelyjä 1999, jolloin julkaistiin nykyisin suosituin standardi 802.11b tarjoten 11 Mbit/s siirtonopeuden, sekä 802.11a, joka on tarkoitettu 5 GHz taajuusalueelle ja tavoitteena jopa 54 Mbit/s siirtonopeudet. Lisäksi työryhmässä 802.11g kehitetään standardia 22 Mbit/s liikennöintinopeutta tukevalle 2,4 GHz:n radiolle. Kaikki versiot käyttävät samaa MAC-kerrosta, jota ollaan kuitenkin päivittämässä palvelun laadun tukemiseksi (työryhmä 802.11e) sekä korkeamman turvallisuustason saavuttamiseksi (802.11i).
Bluetooth-konsortiossa on kehitetty 1 Mbit/s siirtonopeuksia tukeva langattoman henkilökohtaisen verkon (WPAN) sovellusalueelle sijoittuvaa tekniikkaa. Bluetooth on myös siirtymässä tuotetasolle, tekniikan yleistymistä odotetaan lähinnä ensi vuoden aikana.
Bluetooth Special Interest Group:n eli SIG:n työryhmissä ollaan Bluetooth-määrittelyn toista versiota viemässä kohti WLAN-aluetta. Siirtonopeudeksi kaavaillaan 10 Mbit/s ja soveltuvuutta muun muassa multimedian vaatimuksiin.
Toinen tulevaisuudessa merkittävä IEEE:n työryhmä langattomien lähiverkkojen alueella on 802.15, joka määrittelee Bluetoothin mukaisia WPAN-tekniikoita. Itse asiassa 802.15 työryhmä 1 on ottanut Bluetooth spesifikaation suoraan pohjaksi omalle standardilleen. Sen lisäksi työryhmä 3 on Bluetooth SIG:n mukaisesti kehittämässä standardia kohti suurempia siirtonopeuksia. Tavoitteena on yli 20 Mbit/s nopeus, hyödyntäen edelleen 2,4 GHz taajuusaluetta.
IEEE 802.15 työryhmässä 4 ollaan standardia kehittämässä kohti erittäin matalaa virrankulutusta ja halpaa hintaa vaativia järjestelmiä. Siirtonopeuden jäädessä alle 200 kbit/s sovellusalueina ovatkin koti- ja teollisuusautomaatio, sekä erilaiset vapaa-ajan tuotteet.
Oman sektorinsa tulevaisuuden langattomien lähiverkkojen kentässä muodostaa ETSIn kehittämä HIPERLAN, joka on osa ETSIn BRAN-standardeja. HIPERLAN toimii 5 GHz:n lisensoimattomalla kaistalla, ja ensimmäisiä tuotteita odotetaan markkinoille mahdollisesti ensi vuoden aikana.
HIPERLAN tyyppi 2 on potentiaalisin BRAN-tekniikka ensimmäisiin sovelluksiin. Se tukee yhteysnopeuksia 54 Mbit/s saakka ja on ottanut palvelun laadun tukemisen mukaan järjestelmään. Sopivia sovellusalueita ovatkin esimerkiksi kodin langattomat multimediajärjestelmät.
HIPERLAN 2:n radiokerros on tekniikaltaan IEEE 802.11a:n kaltainen, mikä lisännee komponenttien saatavuutta ja alentaa hintoja tulevaisuudessa.
Tavoitteet Suunnitteluvaatimukset langattomalle lähiverkolle
Multimedia - Palvelun laadun tukeminen yhteyspohjaisesti
- Reaaliaikainen tiedonsiirto
- Verkon mitoittaminen sovellusten tarpeiden, käyttäjien määrän,
ja toimintaympäristön mukaan
Turvallisuus - Turvallisuuden ottaminen mukaan protokollien toimintaan
- Mahdollisuus eri salausalgoritmien käyttöön ja vaihtamiseen
- Koko lähiverkon alueelle ulottuva tiedonsiirtoyhteyden salaus
Yhteensopivuus - Langattoman siirtotien eritysvaatimuksien piilottaminen
sovelluksilta
- Toiminta TCP/IP protokollapinon kanssa
- Yhteensopivuus olemassa olevaan kiinteään LAN verkkoon
Virran säästäminen - Tehon säästäminen rakennetaan mukaan lähiverkon protokolliin
- Laitteistotason virransäästötilat
Verkon helppo hallittavuus - Tukiasema huolehtii liikkuvien asemien toiminnasta
- Verkon ylläpitäjälle tarjotaan keskitetty hallinta koko verkolle
Kustannus- ja - Modulaarinen suunnittelu
suunnittelutehokkuus - Uudelleenkonfiguroitavuus, myös käytön aikana
- Mahdollisuus hyödyntää valmiita algoritmeja ja komponentteja
- Lisensoimaton radiotaajuus
- Saumaton suunnittelu- ja toteutusvuo
BS Base Station
MAC Medium Access Control
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
WWAN Wireless Wide Area Network
SDL Specification and Description
Language
TDMA Time Division Multiple Access
MIB Management
Information Base
WPAN Wireless Personal Area Network
BRAN Broadband Radio Access Networks
ETSI European Telecommunications Standards Institute
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
SAP Service Access Point
M-SAP Management
Service Access Point
DSP Digital Signal
Processor
TUTWLAN is a new Wireless Local Area Network (WLAN) that has been developed at Tampere University of Technology (TUT) in the Institute of Digital and Computer Systems. The design requirement has been to develop a system capable for different multimedia components, while still maintaining simplicity that enables a wide range of applications, including simple remote control systems.
TUTWLAN research consists of a number of areas around local area networking, covering wireless network architectures, application concepts, MAC-protocols, and terminal architectures. In the TUTWLAN research, a new MAC protocol (TUTMAC), prototype platform hardware, Windows NT drivers and applications for TUTWLAN management have been developed. The TUTMAC protocol for the prototype has been implemented in SDL. The goal of using SDL has been to achieve a seamless design flow from initial functional requirements into the realisation of a physical device.
The project is led by Marko Hännikäinen (marko.hannikainen@tut.fi) and Timo Hämäläinen (timo.d.hamalainen@tut.fi) at Tampere University of Technology.