رؤياهاي انسان حد و مرز ندارد. تحقق يك رؤيا، نقطه تولد رؤياي ديگري است و دستيابي به يك فناوري، به معناي شروع تلاش براي دستيابي به يك فناوري ديگر است.  هنگامي كه استاندارد 802.11n منتشر شد و بسياري تجهيزات شبكه‌هاي بي‌سيم به آن مجهز شدند و رؤياي سرعت سيصد‌مگابيت بر‌ثانيه تحقق يافت، انقلابي در شبكه‌هاي واي‌فاي به وجود آورد و احساس مي‌شد كه تا مدت‌ها اين سرعت پاسخ‌گوي نياز كاربران خواهد بود، اما خيلي زود تلاش‌ها و تكاپوها براي رسيدن به سرعت بيشتر شروع شد و ترفندهايي مانند استفاده از فناوري‌ MIMO (چند ورودي-چند خروجي) و دستيابي به سرعت ششصد مگابيت بر ثانيه نيز نتوانست مانع تولد يك رؤياي جديد شود: رؤياي واي‌فاي گيگابيتي.

 

سرعت؛ هدف مشترك 
افزايش حجم اطلاعات در قالب‌هاي مختلفي مانند صوت، تصوير، ويديو، استريم و ايجاد شبكه‌هاي مبتني بر سرويس‌هاي مالتي‌مديا و مدياسنتر نياز به سرعت بيشتر را روي شبكه‌هاي بي‌سيم ايجاد كردند. به طوري كه در عمل تجهيزات با سرعت‌هاي اسمي 360 مگابيت بر ثانيه جوابگو نيستند و بايد در كنار آن‌ها انواع تقويت‌كننده‌ها، سرويس‌هاي مبتني بر كيفيت يا QoS (سرنام Quality of Service) و تجهيزات شبكه‌هاي كابلي مانند روترها به‌كار گرفته شوند. بنابراين، خيلي زود گروه‌هايي در Wi-Fi Alliance، مؤسسه توسعه استاندارد 802.11 تشكيل شد تا روي استاندارد 802.11WG كار كنند. WG مخفف دو عبارت Wireless و Gigabit است. پس از مدتي دو گروه با يك هدف، اما با نقشه راه متفاوت از هسته نخستين منشعب‌شدند و تحقيق و توسعه دو استاندارد 802.11ac و 802.11ad را شروع‌كردند.


هدف هر دو گروه يك چيز مشخص‌است: دستيابي به سرعت‌هاي گيگابيتي روي شبكه‌هاي واي‌فاي تحت استاندارد 802.11، اما مكانيزم‌هاي پيشنهادي اين دو گروه متفاوت است. در واقع، محوريت تفاوت اين دو در استفاده از فركانس كاري و تعداد كانال‌هاي ارتباطي است. فركانس هوايي در شبكه‌هاي بي‌سيم نقش تعيين‌كننده‌اي دارد و عامل اصلي افزايش سرعت محسوب مي‌شود. استانداردهاي 802.11b/g از فركانس كاري 2,4 گيگاهرتز استفاده‌مي‌كردند و كانال‌هاي ارتباطي به چهارده باند تعريف شده، محدود مي‌شد. استاندارد 802.11n مبناي خود را بر استفاده از فركانس پنج گيگاهرتز و نزديك به سيصد كانال ارتباطي قرار داد و توانست سرعت را از 54 مگابيت بر ثانيه به سيصد و بعدها با فناوري MIMO به ششصد مگابيت بر ثانيه برساند. در حقيقت، افزايش فركانس كاري و گسترده‌شدن محدوده پوشش‌دهي نقطه تمايز و قوت استاندارد 802.11n بود.


 اكنون اگر قرار باشد دوباره سرعت روي شبكه‌هاي بي‌سيم افزايش يابد، بايد فركانس تغيير كند؛ اما رفتن به سوي يك فركانس بالاتر مانند شش گيگاهرتز درست‌تر است يا انتخاب يك محدوده فركانسي پايين‌تر مانند شصت گيگاهرتز؟ پرسشي كه چالش اصلي و نقطه تفريق توسعه‌دهندگان استاندارد 802.11 است.

 

802.11ac: سرعت و باز هم سرعت 
گروه توسعه‌دهنده اين استاندارد مي‌خواهند از فركانس كاري شش گيگاهرتز استفاده كنند و معتقدند، بعد از فركانس پنج گيگاهرتز براي دستيابي به سرعت بيشتر بايد يك فركانس كاري جديد تعريف كرد. بنابراين، نخستين چالش آن‌ها طراحي مكانيزمي براي سازگاري تجهيزات بي‌سيم فعلي با فركانس جديد است. در اين استاندارد با استفاده از MIMO، به‌كارگيري روش‌هاي تقسيم و تسهيل فركانسي OFDM و تغيير اندازه كانال‌هاي ارتباطي مي‌توان به سرعت چند گيگابيتي انتقال اطلاعات با رسانه‌اي مانند هوا به صورت بي‌سيم دست يافت.


 با كمك فناوري MIMO (سرنام Multi Input-Multi Output) كه همزمان با استاندارد 802.11n معرفي و به كار گرفته شد، مي‌توان يك كانال را به چندين قسمت مجزا براي دريافت و ارسال سيگنال‌هاي ورودي و خروجي تقسيم كرد، يعني تصور كنيد يك فايل صد‌مگابايت به جاي اين‌كه فقط از يك كانال ارسال و از يك كانال دريافت شود، به دو يا چند قسمت تقسيم شده و هر قسمت توسط يك كانال ارسال و دريافت شود. اين كانال‌ها روي يكديگر هم‌پوشاني ندارند (شكل‌1). براي هر كانال مي‌توان از يك آنتن مجزا استفاده كرد. در استاندارد 802.11n حداكثر مي‌توانستيد از MIMO 4×4 استفاده كنيد؛ يعني چهار آنتن براي ارسال و دريافت اطلاعات. در استاندارد جديد 802.11ac عدد چهار به عدد هشت افزايش خواهد يافت. همچنين از يك فناوري پيشرفته‌تر MIMO به نام MU-MIMO يا Multi User MIMO استفاده خواهد شد. به زبان ساده، اين فناوري امكان استفاده چندين نفر را از كانال‌هاي چند ورودي و خروجي فراهم مي‌كند. شكل 2 شمايي از چگونگي عملكرد اين فناوري را نشان مي‌دهد.

 

 

شکل 1- فناوري MIMO امكان ارتباط چند آنتن با چند آنتن و در نتيجه افزايش سرعت را فراهم مي‌كند.

شکل 2- MU-MIMO فناوري جديدي است كه در استاندارد 802.11ac استفاده مي‌شود.


 يك كانال براي K كاربر به K قسمت تقسيم مي‌شود و هر قسمت با استفاده از يك آنتن، اطلاعات را براي دستگاه مورد‌نظر ارسال يا دريافت مي‌كند. با كمك مفاهيمي مانند SDMA (سرنام Space-Division Multiple Access) اين قابليت وجود خواهد داشت كه از يك كانال تقسيم شده چندين ورودي-خروجي متفاوت براي كاربران متفاوتي تعريف و استفاده كرد. MIMO 8×8 و MU-MIMO هنوز به طور عملي پياده‌سازي نشده‌اند و در حد يك مفهوم هستند. به يقين يكي از ملزومات انتشار استاندارد جديد شبكه‌هاي واي‌فاي، گنجاندن اين فناوري‌ها و قابليت‌ها در تراشه‌هاي شبكه‌هاي بي‌سيم و تجهيزات شركت‌هاي مختلف است. در كنار اين مشكلات، بدون شك انتظار نخواهيم داشت كه در آينده روتري با هشت آنتن ببينيم. بنابراين، بايد آنتن‌هاي خارجي طراحي شود كه خود شامل چندين آنتن داخلي باشند يا فناوري‌هايي مشابه  به وجود آيند كه بتوانند از MIMO 8×8 پشتيباني كنند.


تغيير گسترده بعدي در استاندارد 802.11ac به عرض كانال‌هاي ارتباطي مربوط است. پهناي عرضي بيشتر كانال‌هاي ارتباطي باعث افزايش سرعت‌مي‌شود. در استاندارد 802.11n پهناي هر كانال از بيست مگاهرتز به چهل مگاهرتز افزايش يافته بود. استاندارد 802.11ac اميدوار است كه بتواند پهناي هر كانال را به هشتاد مگاهرتز و حتي بالاتر (160 مگاهرتز) برساند. بزرگ‌ترين چالش در مقابل افزايش پهناي كانال در استاندارد جديد، باز هم شركت‌هاي سازنده تجهيزات واي‌فاي و پردازنده‌هاي كنوني هستند كه حداكثر از چهل مگاهرتز براي هر كانال پشتيباني مي‌كنند. روش‌هاي مدولاسيون و تسهيم فركانسي نيز در استاندارد جديد ارتقا خواهند‌داشت و از 64-QAM با نرخ حداكثري پنج ششم به 256-QAM با دو نرخ سه چهارم و پنج ششم مي‌رسند. نخستين نتيجه اين موضوع استفاده حداكثري از پهناي باند و ايجاد كانال‌هاي مختلف براي ارسال و دريافت اطلاعات است.


علاوه بر آن فناوري‌هايي كه گفته شد و قرار است در استاندارد جديد شبكه‌هاي بي‌سيم شاهد آن‌ها باشيم، تغييرات كوچكي مانند بهبود ساختار لايه MAC براي پشتيباني از تغييرات صورت گرفته و تغيير فرمت سيگنال‌هاي صوتي نيز در دستور كار قرار دارند. جدول‌1 وضعيتي از سناريوهاي مختلفي را كه براي استاندارد 802.11ac ترسيم شده است، نشان مي‌دهد. همان‌طور كه در اين جدول مشخص است، حداكثر سرعت هفت گيگابايت بر ثانيه است؛ سرعتي كه اكنون حتي براي شبكه‌هاي كابلي نيز يك رؤيا است.


 توسعه‌دهندگان استاندارد 802.11ac روي نسل جديد پردازنده‌هاي واي‌فاي حساب ويژه‌اي باز‌كرده‌ و انتظار دارند، علاوه بر پشتيباني از فناوري‌هاي ذكر شده در بالا، پيشرفت‌هاي ساخت پردازنده‌ها از نظر مصرف انرژي كمتر و پردازش بيشتر را براي استفاده از روش‌هاي بهتر و حساس‌تر كدگذاري و دريافت سيگنال‌هاي با قدرت بيشتر(پس از عبور از موانعي مانند ديوار) يا استفاده از بيت‌هاي كمتري براي بررسي صحت سيگنال‌ها را به كار گيرند  تا سرعت و محدوده پوشش‌دهي اين نوع شبكه‌ها را بهبود بخشند.پيش‌بيني‌ها از انتشار نسخه آزمايشي استاندارد 802.11ac در سال 2012 و انتشار رسمي در سال 2013 و به تبع آن ورود نخستين دستگاه‌هاي مجهز به اين استاندارد در سال 2015 خبر مي‌دهد. البته كارشناسان معتقدند، از سال 2012 شاهد ورود نخستين دستگاه‌ها با استاندارد 802.11ac خواهيم بود كه از تمامي قابليت‌هاي آن پشتيباني نمي‌كنند. مانند اتفاقي كه براي استاندارد 802.11n افتاد و شاهد دستگاه‌هاي Lite-N بوديم. 

802.11ad: زندگي ديجيتالي بي‌سيم
اين استاندارد توسط گروهي از دو مؤسسه Wi-Fi Alliance و WiGig Alliance  در حال تدوين و توسعه است و همان هدف استاندارد 802.11ac را دنبال مي‌كند: سرعت چند گيگابيتي و مشخصاً هفت‌گيگابيتي. تفاوت اصلي اين استاندارد با 802.11ac در فركانس كاري انتخاب شده‌است. توسعه‌دهند‌گان 802.11ad فركانس شصت‌گيگاهرتز را انتخاب كرده‌اند؛ در حالي كه تا پيش از اين فركانس‌هاي 4/2 و 5  گيگاهرتز و براي 802.11ac  فركانس شش گيگاهرتز مورد استفاده قرار گرفته است. با وجود اين كه انتخاب فركانس شصت گيگاهرتز يك محدوده كوچك‌تر ارتباطي را ايجاد مي‌كند، اما اين مزيت را به همراه خواهد داشت كه دستگاه‌هاي بسيار كمي در اين محدوده كار مي‌كنند و در نتيجه ترافيك شبكه به يقين بسيار كم خواهد بود.


اين فركانس و باندهاي ارتباطي روي آن، بيشتر براي تبادل اطلاعات با كيفيت و سرعت بالا مانند مالتي‌مديا و ويديو در فاصله‌هاي كم مناسب هستند؛ موضوعي كه زياد دور از انتظار نيست و نشان از اهداف توسعه‌دهندگان دارد. آن‌ها مي‌خواهند يك استاندارد شبكه‌هاي بي‌سيم مخصوص شبكه‌هاي ويديويي با حجم بالاي محتواي جرياني (Stream) اطلاعات تعريف و عرضه كنند. در صفحه ابتدايي سايت WiGig به صراحت عنوان شده كه: «مي‌خواهيم با فركانس شصت گيگاهرتز شما را به دنياي ديجيتال بي‌سيم دعوت كنيم تا بتوانيد ويديوهاي Full HD را تماشا كنيد.» تاكنون اطلاعات فني بسيار كمي درباره اين استاندارد منتشر شده و نمي‌توان سناريوها و پيش‌بيني‌هاي قطعي درباره آن انجام داد، اما يك موضوع بسيار مشخص است و آن سازگاري بيشتر اين استاندارد با استانداردهاي قبلي 802.11a/b/g/n. چون اين استاندارد مانند 802.11ac نمي‌خواهد باندهاي ارتباطي، مدولاسيون، فركانس كاري و بسياري از مشخصات موجود ديگر را تغيير دهد و به دنبال تلفيقي از استانداردهاي قبلي و فركانس شصت گيگاهرتز براي ايجاد شبكه‌هاي مبتني بر اطلاعات و ويديو است.


 اين موضوع در شكل 3 نشان‌داده شده است. براي ايجاد ارتباط ميان نقطه دسترسي و دستگاه‌هاي بي‌سيم درون شبكه از استانداردهاي مبتني بر فركانس 2,4 و 5 گيگاهرتز استفاده شده است، اما براي برقراري ارتباطات نزديك و با كيفيت از استاندارد مبتني بر فركانس شصت گيگاهرتز استفاده مي‌شود، همچنين به راحتي مي‌توان ميان اين دو استاندارد سوييچ كرد. حاميان 802.11ad روي يك موضوع ديگر نيز مانور مي‌دهند؛ فركانس شصت‌گيگاهرتز كمترين تغييرات سخت‌افزاري و نرم‌افزاري را در پي خواهد داشت، در صورتي كه رفتن به سمت فركانس شش گيگاهرتز، يعني چندين سال صرف وقت و تغيير در معماري و بسياري از ويژگي‌هاي كنوني تجهيزات بي‌سيم. موضوعي كه از جنبه‌هاي مختلف قابل بررسي و تأمل است.

شکل 3- استاندارد 802.11ad مي‌تواند همزمان با استانداردهاي قبلي شبكه‌هاي واي‌فاي كار كند.

 

و اما امنيت ... 
آيا فقط سرعت، رؤياي آينده شبكه‌هاي بي‌سيم است؟ دستيابي به سرعت‌هاي گيگابيتي در استانداردهاي 802.11ac و 802.11ad با ظرفيت‌هاي كنوني امنيت واي‌فاي، كافي و مورد قبول است؟ به طور خاص، استاندارد 802.11i در سال 2004 براي امن‌سازي شبكه‌هاي بي‌سيم 802.11 منتشر شد كه بزرگ‌ترين دستاورد آن WPA بود؛ پروتكلي كه تمام شبكه‌هاي بي‌سيم، امنيت كنوني خود را مديون آن هستند. در اين پروتكل مكانيزم رمزنگاري ديگري به نام CCMP (سرنام CC Mode Protocol) نيزمنتشر شد، اما به دليل داشتن مشكلات زياد مورد استقبال قرار نگرفت و مهجور ماند. CCMP براي رمزنگاري يك رشته شانزده بيتي به دو عملگر AES نياز دارد. هرچه تعداد عملگرهاي AES در يك فرآيند رمزنگاري بيشتر باشند، انرژي، محاسبات و در نتيجه زمان بيشتري براي رمزنگاري و رمزگشايي نياز است؛ پارامترهايي كه به شدت براي شبكه‌هاي بي‌سيم كشنده هستند با CCMP براي يك رشته 1500 بيتي به دويست عملگر AES نياز است كه در عمل قابل‌استفاده نيست. مشكل ديگر CCMP استفاده از سيستم خطي و سري يا به اصطلاح زنجيره‌اي (Chain) براي توليد كليدها و رمزنگاري است. بايد يك مرحله رمزنگاري تمام شود تا مرحله بعدي رمزنگاري شروع شود (شكل 4).  همزمان با توسعه استانداردهايي براي افزايش سرعت، گروهي نيز روي CCMP مشغول كار شدند و پروتكل جديدي به نام GCMP (سرنام Galois Counter Mode Protocol) را توسعه مي‌دهند كه بهبوديافته CCMP است.

شکل 4- متد رمزنگاري CCMP به محاسبات و زمان زيادي نياز دارد كه براي شبكه‌هاي بي‌سيم مناسب نيست.


 به طور مشخص در GCMP در هر مرحله فقط به يك عملگر AES نياز است و همچنين فرآيند توليد اطلاعات رمزنگاري شده به صورت موازي و غير زنجيره‌اي (Non Chain) انجام مي‌شود. اين دو مزيت در GCMP به شدت محاسبات و زمان مورد نياز را براي رمزنگاري اطلاعات با طول رشته زياد پايين مي‌آورد.GCMP از دو روش 802.1AE-2006 و IPSEC Encapsulation Security Payload استفاده‌مي‌كند. گروه توسعه‌دهنده اين پروتكل اميدوار است كه بتواند استاندارد امنيتي جديدي را براي رمزنگاري اطلاعات روي شبكه‌هاي واي‌فاي تهيه و همراه با استاندارد 802.11ad منتشر كند. چالش پيش روي اين پروتكل امنيتي، كنترلر‌ها و سخت‌افزارهاي لازمي است كه بايد طراحي و به تراشه‌هاي واي‌فاي افزوده شوند.




ما آماده‌ايم؟! 
در جمع‌بندي بررسي استانداردهاي آينده شبكه‌هاي بي‌سيم، يك موضوع به شدت اهميت دارد: آمادگي و استقبال كاربران براي دستيابي به شبكه‌هاي گيگابيتي. به نظر مي‌رسد كه كاربران بيش از بخش‌هاي ديگر براي اين اتفاق آماده باشند و حتي پول‌هاي پس‌اندازشده خود را براي خريد دستگاه‌هاي نسل آينده واي‌فاي آماده كرده‌اند. اما آيا شركت‌هاي سازنده تجهيزات شبكه آماده‌هستند؟ پروتكل‌ها و استانداردهاي لازم تعريف و تصويب و انطباق‌دهي شده‌اند؟ چگونه تجهيزات جديد مي‌توانند با استانداردهاي قبلي سازگار‌باشند؟ بايد بگوييم چالش‌هاي بزرگي پيش روي تحقق شبكه‌هاي واي‌فاي گيگابيتي وجود دارد و دست‌كم تا يكي دو سال آينده با اين رؤيا همراه خواهيم بود.

 

منبع: ماهنامه شبکه