Hálózati architektúrák és rendszerek Hozzáférési hálózatok Szélessávú vezetéknélküli elérés (BWA – Broadband Wireless Access) – 2 WLAN-ok
1
Broadband Wireless Access Vezetéknélküli LAN-ok (WLAN-ok)
2
Miről lesz szó?
1. Bevezetés 2.Az IEEE 802.11 protokoll készlete, 3.Fizikai réteg: IR,FHSS,DSSS,OFDM 4.WLAN működési módok 5.MAC réteg hozzáférési módok 6.802.11b,802.11a,802.11g 7.WLAN biztonság (röviden) 8.WiFi nagyban: WiMax (röviden) 9.WiFi hotspotok Magyarországon 3
1.Bevezetés
A WLAN (wireless LAN) : rádióhullámot használó vezeték nélküli hálózat, ami szórt spektrum vagy ortogonális frekvencia-osztásos multiplexálás technológia segítségével lehetővé teszi a közeli számítógépek összekapcsolódását. Számítógépek vezetékes hálózathoz kapcsolására és önálló ad hoc hálózatok létrehozására egyaránt alkalmas. A legnépszerűbb WLAN szabványcsalád a WiFi (IEEE 802.11); a WiFi és a WLAN nevet gyakran egymás szinonimájaként használják. Leggyakoribb változatai a 802.11b (11 Mbit/s sávszélesség, 2.4 Ghz-es frekvencia), 802.11a (54 Mbit/s, 5 Ghz) és a 802.11g (54 Mbit/s, 2.4 Ghz). A készülőfélben levő 802.11n tervezett sebessége 248 Mbit/s.
4
1.Bevezetés (2) Jellegzetes alkalmazások: Épületen belüli LAN-ok részeként, különösen: kórházak, áruházak, hotelek, egyetemi campus, műemlék-épületek Közeli épületek közöttik kapcsolat, pl. utca felett Otthoni iroda, kisvállalati iroda (SOHO – small office – home office) Nyilvános Internet-elérési pont Ideiglenes hálózat Internet-elérésre kiállításokon, konferenciákon
5
1.Bevezetés (3) Piaci helyzet (Intel Developers Forum, 2004. szept.) Jelenleg: 51% állandó, 49% dial-up elérés Ebből WLAN: 8% Közeljövő (~2 év múlva): 70% lesz az állandóan élő internet-elérés aránya Ebből WLAN: 40%! Ebből WMAN: 8%! (Előretekintés) kb. 50 WMAN kísérleti rendszer
6
1.Bevezetés (4)
7
1.Bevezetés (5)
8
1.Bevezetés (6)
9
2. IEEE 802.11 protokoll készlete
10
2. IEEE 802.11 protokoll készlete (2)
Fizikai réteg
MAC alréteg – Medium Access Control
Nagyjából az OSI fizikai rétegének felel meg Különböző verziókban különböző átviteli módszerek Dönt a csatornakiosztásról Ki lesz a soron következő adó
LLC alréteg – Logical Link Control
Elrejti a különböző 802-es változatok eltéréseit a hálózati réteg elől Megbízható kommunikációt tud biztosítani az adatkapcsolati rétegben
11
12
3.Fizikai réteg
13
3.Fizikai réteg: Infravörös átvitel
Hasonló a televíziók távirányítójában lévő megoldáshoz
Előnyök:
Egyszerű, olcsó megoldás Az infravörös jelek nem hatolnak át a falakon a különböző helységekben lévő cellák jól elkülönülnek egymástól
Hátrányok:
Közvetlen rálátást nem igényel, hullámhossza 850-950nm
Kis sávszélesség 1 vagy 2 Mb/s sebesség Az infravörös jelek nem hatolnak át a falakon Az eléréshez a hozzáférési ponttal egy helységben kell lenni A napfény elnyomja az infravörös sugarakat
Nem népszerű megoldás
14
3.Fizikai réteg: miért szórt spektrum?
A szórt spektrum sávszélessége többszöröse az eredeti sávszélességnek Az ISM (Industry,Scietific,and Medical Applications) és az UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) sávokat használják. Követelmény az engedély nélküli készülékeknek Hagyományos keskenysávú vevő az átvitelt zajnak látja Csillapítja az interferenciát, de nem szünteti meg
Az interferencia az átviteli teljesítménytől függ
15
3.Fizikai réteg: FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum (frekvenciaugrásos szórt spektrum) 2.4 GHz-s ISM sávban 79 db 1 MHz-es csatorna 2.402 GHz és 2.480 GHz között (Európa, USA) 23 db csatorna 2.473 GHz és 2.495 GHz között (Japán) Álvéletlenszám generátorral előállított frekvencia ugrássorozatok Ha két állomás ugyanazt a kezdőértéket (seed) használja, akkor ugyanazokat a frekvenciákat fogjak egyszerre végigjárni Időben szinkronban kell maradniuk 78 db ugrássorozat, mindegyik 79 csatornával (USA, Európa) Az 1. sorozat az USA-ban 3,26,65,11,46,19,74,50,22,64,79,32,62... 12 db ugrássorozat, mindegyik 23 csatornával (Japán)
16
3.Fizikai réteg: FHSS (2)
A tartózkodási idő (dwell time) az egyes frekvenciákon állítható
Nem lehet nagyobb 400 ms-nál Leggyakrabban használt értékek: 32 ms vagy 128 ms
17
3.Fizikai réteg: FHSS (3)
Előnyök:
Hatékony spektrumkihasználás a szabályozatlan ISM sávban Valamennyire biztonságos Aki nem ismeri az ugrássorozatot vagy a tartózkodási időket, nem tud lehallgatni Jó védelem a többutas csillapítás (multipath fading) ellen:
A jel az adótól elindulva, különböző tárgyakról visszaverődve terjed Többször is eléri a vevőt A vevő csak egy rövid ideig hallgat azon a csatornán Nem fogják zavarni a késéssel érkező jelek a régi csatornán
Kevéssé érzékeny a rádiós interferenciára
A zavaró jelek egy adott frekvenciatartományra korlátozódnak A vevő hamar kiugrik onnan
18
3.Fizikai réteg: FHSS (4)
Jól használható nagyobb távolságok áthidalására, épületek közötti kapcsolatok kiépítésére
Hátrányok:
Kis sávszélesség (1 Mb/s)
19
3.Fizikai réteg: DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum (közvetlen sorozatú szórt spektrum) Átviteli kapacitás szintén 1 vagy 2 Mb/s A „hasznos” adatokat szétszórjuk a teljes frekvencia tartományban
XOR művelet 11 bitből álló chip-kóddal (zaj) Pseudo-random sorozat, 1-bol és 0-ból, sokkal nagyobb frekvencián mint az eredeti jel
A zajt a fogadó ki tudja szűrni Vissza tudja állítani a hasznos adatokat
20
3.Fizikai réteg: DSSS (2)
21
3.Fizikai réteg: DSSS (3)
A hasznos adatot szétszórjuk a teljes frekvenciatartományban A szélessávú jel nehezebben detektálható Aki le szeretne hallgatni csak „zajt” érzékel Nem tudja kiszűrni belőle az információt Eredetileg katonai alkalmazásokra vezették be 11 bites chip-kód esetén 22 MHz széles sávra szór 30 MHz két DSSS rendszer között, az interferenciák elkerülésére Az ISM sáv 83.5 MHz széles csak 3 DSSS rendszer működtethető egyszerre egy helyen interferencia nélkül 22
DSSS: detekció, zavarvédettség
Detekció: korrelációs vevő, a kódolásnál alkalmazott álvéletlen jelsorozattal, szinkronban
A korrelációs detektor maximumot ad az adott chip-időn belül és alacsony értékeket más helyeken A zajjal, zavarokkal nincs korreláció Többutas terjedés esetén az interferáló jelekkel kicsi a korreláció
A chip-frekvencia („processing gain”) megválasztása
Hosszú kód: jó zavarvédettség Rövid kód: kisebb sávszélességigény
FCC: min. 10 az ISM sávban 11-es érték nem túl nagy: mérsékelt zavarvédettség, de jó sávszélesség-gazdálkodás
IEEE 802.11 WLAN: 11 bites szórás
DSSS <-> CDMA
Közös ill. egyedi álvéletlen jelsorozatok A WLAN-okban nem használatos a CDMA-lehetőség 23
FHSS <-> DSSS Különböző sávszélességigény és adatsebeségek FHSS védettebb a keskenysávú zavarokkal szemben, mivel az egész ISM sávra kiterjed, a DSSS csak egy részére
24
3.Fizikai réteg: OFDM
A nagyobb sávszélesség érdekében újabb eljárásokat dolgoztak ki (‘99) OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing 5 GHz-es ISM sávban Akár 54 Mb/s-os átviteli sebesség A frekvenciatartomány több apró szeletre osztva Az átviendő jelet is részekre osztjuk Egyidejűleg több frekvencián (alvivőn) is átvitel, nagyobb átviteli sebesség A hagyományos FDM-ben védősávok az interferenciák elkerülésére Kevesebb lehetséges frekvenciaszelet Az OFDM-ben ortogonális frekvenciák Az egyes alvivők középfrekvenciáján a többi jel nulla értéket vesz fel Nagyon érzékeny a vevők szinkronizálására 52 frekvencia - 48 az adatoknak, 4 a szinkronizációhoz 25
26
4.WLAN működési módok Wireless Access Point
Ad hoc Mód
Infrastruktúra Mód
27
4.WLAN működési módok (2): Ad hoc
Minden csomópont közvetlenül kommunikál a hatósugarán belüli többi csomóponttal Távolabbi csomópontok közötti kommunikáció ad-hoc útválasztással: AODV, DSR, DSDV, stb. Minden állomás egyben router is
Többugrásos ad-hoc hálózatok Nincs szükség AP-ra
Nagyon gyorsan fel lehet építeni egy ideiglenes hálózatot
Egy rendezvény vagy konferencia résztvevői között
28
4.WLAN Infrastruktúra mód:
Cellás rendszer Basic Service Set (BSS) – cella Access Point (AP) – hozzáférési pont Minden cellát egy AP vezérel A csomópontokat periódikusan lekérdezve (polling) a csomagküldést vezérli Elosztó hálózat – Distribution System (DS) Az AP-kat egymáshoz kapcsoló vezetékes (Ethernet) vagy vezeték nélküli hálózat Több cella alkot egy kiterjesztett szolgáltatási hálózatot Extended Service Set – ESS
29
Csatlakozás egy új cellához
Egy állomás csatlakozhat egy létező BSS-hez... Bekapcsolás után Alvó módból való kilépéskor A BSS területére lépéskor Passive Scanning Az állomás egy Beacon Frame-et vár az AP-tól Az AP periódikusan küldi azt, szinkronizációs információt hordoz Active Scanning Az állomás megpróbál egy AP-t találni magának Probe Request kereteket küld Probe Response választ vár az AP-któl Ha több AP válaszol, kiválasztja a „legjobbat” Legjobb jel/zaj viszony
30
Wlan Topology (BSS and ESS) DS
BSS
BSS
Basic Service Set (BSS) – Single Cell Extended Service Set (ESS) – Multiple Cells Distribution System 31
Wireless Access Point (WAP)- Bridge
Wireless LAN
Wired LAN
802.11
802.3
Bridge MAC (802.11) MAC (802.3) PHY PHY
32
802.11 Keret formátum 2
2
6
Frame Control
Duration ID
Address 1
6 Address 2
6
2
Address Sequence 3 Control
Frame Body (0-2312 bytes)
6 Address 4
FCS Ref. IEEE 802.11 standards
Miért van szükség négy címmezőre a 802.11-ben?
33
802.11 Addresses To DS
From DS
Address 1
0
0
DA
SA
0
1
DA
Sending AP
SA
N/A
1
0
Receiving AP
SA
DA
N/A
1
1
Receiving Sending AP AP
DA
SA
DS: Distribution System BSSID: Basic Service Set ID
Address 2
Address Address 3 4 BSSID
N/A
DA: Destination Address SA: Source Address 34
Case - 00
11-22-33-01-01-01
A1: A2: A3: A4:
11-22-33-02-02-02
11-22-33-01-01-01 11-22-33-02-02-02 BSS ID not used
DA SA
35
Case 01 (wired to wireless)
Wireless
Wired
802.11
802.3
11-22-33-01-01-01
99-88-77-09-09-09
11-22-33-02-02-02
A1: 11-22-33-01-01-01
DA: 11-22-33-01-01-01
A2: 99-88-77-09-09-09
SA: 11-22-33-02-02-02
A3: 11-22-33-02-02-02 A4: not used 36
Case 10 (wireless to wired)
Wireless
Wired
802.11
802.3
11-22-33-01-01-01
99-88-77-09-09-09
11-22-33-02-02-02
A1: 99-88-77-09-09-09
DA: 11-22-33-02-02-02
A2: 11-22-33-01-01-01
SA: 11-22-33-01-01-01
A3: 11-22-33-02-02-02 A4: not used 37
Case 11 (via wireless) wired 802.3
11-22-33-01-01-01
wireless 802.11
99-88-77-09-09-09
DA: 11-22-33-02-02-02 SA: 11-22-33-01-01-01
99-88-77-08-08-08
A1:99-88-77-08-08-08 A2:99-88-77-09-09-09
wired 802.3
11-22-33-02-02-02
DA: 11-22-33-02-02-02 SA:11-22-33-01-01-01
A3:11-22-33-02-02-02 A4:11-22-33-01-01-01
38
Wireless Bridge Building A
Building B
Ethernet Backbone
Ethernet Backbone
Case 11 Wireless Bridge
Wireless Bridge
39
Wireless Repeater
LAN Backbone
Case 10 Case 11
Case 01 Wireless Repeater
40
5.MAC réteg hozzáférési módok
Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance: Eltér az Ethernet megfelelő protokolljától (CSMA/CD) Egy Ethernet állomás vár ameddig csend nem lesz, aztán elkezd adni Ha nem hall zajlöketet, akkor nem volt ütközés Vezeték nélküli környezetben nem működik Kétféle hozzáférési mód:
Distributed Coordination Function (DCF) Point Coordination Function (PCF)
41
5. Distributed Coordination Function
MAC alsó alréteg fukciója CSMA/CA Nincs ütközés detektálás (Egy állomás nem tudja venni az ütközés jelet a többi állomástól) Különböző kereten belüli időközök: Different Interframe Space (IFS)
Rövid IFS a vezérlő keretekhez: (Short IFS = SIFS) PCF IFS (PIFS) Adat keretekhez: DCF IFS (DIFS)
42
5. DCF Algoritmus
Ha a közvetítő eszköz szabad: Az állomás várakozik, hogy lássa, a közvetítő eszköz IFS (Interframe Space) ideig szabad marad-e Ha az még mindig nincs elfoglalva, elkezdi az adattovábbítást
Ha a közvetítő foglalt (vagy kezdettől fogva, vagy IFS alatt lett foglalt), az állomás folytatja a hallgatást Ha a közvetítő közeg szabaddá válik , az állomás vár egy IFS időnyit, majd utána választ egy véletlenszerű visszalépő ablakot (Random Back-off Window). Ha a visszalépő ablak eléri a nullát, elkezd adni.
43
CSMA/CA (DCF)
44
Az exponenciális backoff algoritmus Backoff_Time=INT(CW*RND())*Slot_ Time CW – contention window, kezdetben 31, majd 63, 127 stb. Slot_Time (résidő) Résidő: úgy van megválasztva, hogy azalatt az állomás biztosan érzékelhesse a csatorna foglaltságát; 20 us (DSSS), 50 us (FHSS) RND() – véletlen számot generáló függvény 0 és 1 között 45
RTS/CTS jelek (Handshaking)
Olyan hálózatokban alkalmazzák, ahol nagy a versenyhelyzet az adásban. Jelentékeny erőforrást igényel, számottevő késleltetést okoz (Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless) Virtuális csatornaérzékelés
A szeretne küldeni B-nek C az A állomás vételkörzetében van D a B állomás vételkörzetében, de az A vételkörzetén kívül
46
RTS/CTS jelek (2)
A egy RTS keretet küld B-nek, és engedélyt kér egy adatkeret küldésére Request To Send Ha B megadja az engedélyt, visszaküld egy CTS keretet Clear To Send A elküldi a keretet és elindít egy ACK időzítőt. (Acknowledgement) Ha B megkapja rendben az adatokat, válaszol egy ACK kerettel Ha az A időzítője lejár mielőtt megkapná az ACK-ot, újból kezdődik az egész
47
RTS/CTS jelek (3)
C hallja A-t, megkaphatja az RTS keretet Rájön, hogy nemsokára valaki adatokat fog küldeni Eláll adatküldési szándékától, amíg az üzenetváltás véget nem ér
Foglaltra állít magának egy virtuális csatornát
Hogy mikor lesz vége tudja az ACK időzítőből NAV – Network Allocation Vector
D nem hallja az RTS-t, de a CTS-t igen Ő is beállítja magának a NAV-ot A NAV belső emlékeztető hogy csendben kell lenni, nem küldik el
48
Fragment burst (részlöket)
Vezeték nélküli hálózatokban nagy zaj, nagy csomagvesztés Minél nagyobb egy keret, annál nagyobb a valószínűsége a hibának A kereteket fel lehet darabolni Ha RTS/CTS-el megszerzi a csatornát, több részt küldhet egymás után Fragment burst - részlöket Nő az átbocsátóképesség Ha hiba van, nem kell a teljes keretet újraküldeni A NAV eljárás csak az első részre kerüli el az ütközést Más megoldásokkal egy teljes részlöket átküldhető ütközés nélkül
49
PCF (Point Coordination Function)
A bázisállomás vezérli a kommunikációt
Nincsenek ütközések
A szabvány csak a körbekérdezés menetét szabályozza
Körbekérdezi a többi állomást, hogy van-e elküldésre váró keretük
A bázisállomás periódikusan elküld egy beacon frame-et
10-100 beacon/s Rendszerparamétereket tartalmaz
Nem szabja meg annak gyakoriságát, sorrendjét Nem írja elő, hogy minden állomásnak egyenlő kiszolgálásban kell részesülnie
Ugrási sorozatok és tartózkodási idő (FHSS-nél), óraszinkronizáció, stb.
Ezzel hívja az új állomásokat is, hogy csatlakozzanak a körbekérdezéshez
A bázisállomás utasíthatja az állomásokat, menjenek készenléti állapotba
Addig amíg a bázisállomás vagy a felhasználó fel nem ébreszti oket
Kíméli az állomások akkumulátorát
A bázisállomás puffereli a készenléti állapotban lévőknek szánt kereteket 50
PCF ÅÆDCF
A PCF és a DCF egy cellán belül egyszerre is működhet
Egyszerre elosztott és központosított vezérlés?
Gondosan definiálni kell a keretek közti időintervallumot Egy keret elküldése után kell egy holtidő, mielőtt bárki elkezdene küldeni valamit
Négy ilyen intervallumot rögzítettek SIFS – Short Inter-Frame Spacing
A legrövidebb intervallum, a rövid párbeszédet folytatókat részesíti előnyben A SIFS után a vevő küldhet egy CTS-t egy RTS-re Egy vevő küldhet egy ACK-ot egy részre vagy a teljes keretre A részlöket adója elküldheti az újabb részt, új RTS nélkül
51
PCF ÅÆDCF (2)
PIFS – PCF Inter-Frame Spacing PCF keretek közti időköz A SIFS után mindig egyvalaki adhat csak Ha ezt nem teszi meg a PIFS végéig, a bázisállomás elküldhet egy új beacon-t vagy egy lekérdező keretet Az adatkeretet vagy részlöketet küldő nyugodtan befejezheti a keretet A bázisállomásnak is van alkalma magához ragadnia a csatornát Nem kell a felhasználókkal versengenie érte
52
PCF ÅÆDCF (3)
DIFS – DCF Inter-Frame Spacing DCF keretek közti idoköz Ha a bázisállomásnak nincs mondanivalója, a DIFS elteltével bárki megpróbálhatja megszerezni a csatornát Szokásos versengési szabályok Kettes exponenciális visszalépés ütközés esetén EIFS – Extended Inter-Frame Spacing Olyan állomások használják, akik egy hibás vagy ismeretlen keretet vettek, és ezt próbálják jelenteni Legalacsonyabb prioritás
53
6. 802.11b,802.11a,802.11g
54
6. 802.11b,802.11a,802.11g (2)
55
6. 802.11b,802.11a,802.11g (3)
56
WLAN Performance 802.11b Link Rate (max)
802.11a
802.11g
11M bps
54M bps
54M bps
7.1M bps
30.5M bps
30.5M bps
5.9M bps
24.4M bps
24.4M bps
UDP TCP The test was conducted is a lab environment, and the distance is expected to be less than 10m. Ref. “WLAN Testing with IXIA IxChariot”, IXIA White Paper
57
WLAN Performance (line rate)
58
7.WLAN biztonság (röviden) Service Set Identification (SSID) Állomás azonosításhoz (nem biztonsághoz) Wired Equivalent Privacy (WEP) Megosztott kulcs kódolás Az állomások ugyanazt a kulcsot használják a kódoláshoz RC4-es titkosító algoritmus A kulcs 40 vagy 128 bites Felhasználó hitelesítés Nem specifikált a 802.11-ben 802.1x VPN
59
WEP Operation
60
WEP kulcs elosztásának kérdése A kulcs kézileg van a meghajtóba beállítva A kulcs nem védhető a helyi felhasználóktól Ha a felhasználó elhagyja a szervezetet, technikailag a kulcsot minden állomáson meg kell változtatni Mi van akkor,ha ellopnak egy állomást? Egy nagy szervezetnél szükség van a kulcs közzétételére, ami biztonsági probléma
61
WEP kialakításának kérdése http://www.crypto.com/papers/other s/rc4_ksaproc.pdf Gyengeség az RC4 kulcsgenerálásában A támadási idő hossza egyenes arányban áll a kulcs hosszával
62
Megoldások a biztonsági kérdésre Nem szabványos:
3.réteg – VPN (Virtual Private Network) 4.réteg – IP cím szabályozás és tűzfal 7.réteg – Proxy (a proxy server is a server that services the requests of its clients by forwarding requests to other servers )
Szabványos: Extensible Authentication Protocol (EAP) 802.1x (EAP-ot tartalmazó) 802.11i (802.1x-et tartalmazó)
63
64
65
66
8.WiFi nagyban: WiMax (röviden) „WiFi nagyban” Minden eddiginél nagyobb adatsebesség Nagy távolságok (~48 km) áthidalása
Minőségi különbségek Közvetlen rálátás nélkül is működik Többutas terjedés ellen véd QoS-támogatás 67
8. WiMax (2) Fizikai réteg: OFDM
Az alvivők ortogonálisak egymásra. Ahol az egyik vivőnek maximuma van, ott a többi vivő eltűnik. Vivők közötti távolság Δf =1/Ts. ISI nélküli átvitel
Időosztásos duplex (Time DivisionDuplex –TDD) Ezt az esetet más néven féldulplex(half-duplex) kapcsolatnak is szokták nevezni. Ekkor egyetlen egy csatorna áll rendelkezésre a kommunikációhoz, ez időben megosztva használják a kommunikálófelek. Frekvenciaosztásos duplex (FrequencyDivisionDuplex–FDD) Az előbbi esettel ellentétben nem egy csatornát –frekvenciát – használunk a kommunikációra, hanem két egymástól eltérő– WiMAXesetén 50 vagy 100 MHz-relévő-frekvenciát. Ekkor tehát valódi duplex (full-duplex) módról beszélhetünk. 68
8. WiMax (3)
69
9.WiFi hotspotok Magyarországon
http://www.hotspotter.hu/
Hotspot: Egy adott földrajzi terület, ahol egy hozzáférési pont (AP) segítségével publikus szélessávú internet hozzáférést biztosítanak mobil felhasználók számára egy WLAN-on keresztül.
70