Hálózati architektúrák és rendszerek

Hálózati architektúrák és rendszerek Hozzáférési hálózatok Szélessávú vezetéknélküli elérés (BWA – Broadband Wireless Access) – 1. ea. †Bevezető áttekintés †WPAN

1

A tárgy felépítése (1) † †

† †

† †

Lokális hálózatok. Az IEEE architektúra. Ethernet Csomagkapcsolt hálózatok „ „ „

IP-komm. Az Internet Végpontok közötti kapcsolat, transzport-prot., TCP, UDP A TCP/IP protokoll-család. Alkalmazási példa: VoIP

„

PSTN, ISDN, 2. generációs cellás mobil-rendszerek

„ „ „

SDH – Synchronous Digital Hierarchy ATM – Asynchronous Transfer Mode MPLS – Multi-Protocol Label Switching

„ „

Alapok Wavelength routing és csomagkapcsolás

Áramkörkapcsolt hálózatok

Kapcsolat-orientált hálózatok

3. generációs mobil rendszerek Optikai kommunikáció

2

A tárgy felépítése (2) †

†

† † †

Hozzáférési hálózatok: „ „ „

xDSL FTTx, xPON CATV

„ „ „ „

Áttekintés PAN, Bluetooth WiFi WiMAX

„ „

A távközlési megközelítés NGN a mobil világban: 4G vagy B3G (Beyond-3G)

Szélesávú vezetéknélküli hozzáférés (BWA – Broadband Wireless Access)

Újgenerációs hálózatok (NGN – Next Generation Networks) Tervezési kérdések Összefoglalás, tartalék

3

Hozzáférési hálózatok † † †

†

Access network – a hálózati topológián belül a felhasználói rendszereket a távközlő hálózattal összekötő hálózatrész Gyakran: first mile/last mile network Klasszikus felosztás: plusz a felhasználói hálózat CPE – Customer Premises Networks

„ „ „

access distribution core v. backbone

„ „ „ „ „

korlátozott területi lefedés (néhány km – néhány tíz km) specifikus technikák (mások, mint a core-hálózatban) kisebb átviteli képességek el kell jutni a felhasználóhoz a technikák sokfélesége

Jellegzetességei:

† † †

rézvezetéken optikán (fényvezetőn) vezetéknélküli techológiákon (rádiócsatornán)

4

Vezeték nélküli adatátvitel •Marconi 1901-ben bemutatja a vezeték nélküli távírót •Modern vezeték nélküli digitális kommunikáció Hawaiiszgk-en kezdődött •Továbbítható információ mennyisége a sávszélességtől függ •Elektromágneses spektrum:

5

„Szélessávú” hozzáférés † Szélessáv (broadband)? „ nagysebességű „ a nyújtandó/igénybe veendő szolgáltatások szempontjából † † † †

internet-elérés VoIP média letöltés média-kommunikáció

„ többnyire aszimmetrikus az igény „ emellett: álladóan élő („always on”) 6

„Szélessávú” hozzáférés, folyt. † Mekkora a „szélessáv”? † ITU-T és mások: >ISDN, tehát >128 kbit/s † Ma világszerte a legelterjedtebb: ADSL – asymmetric digital subscriber line „ 2003-ban kb. 60 millió ADSL előfizető a világon (~1 milliárd vezetékes telefon, >1 milliárd mobil) „ Mo.: csak a Magyar Telekom 300 ezer ADSL „ Tipikus adatsebességek: 384/64, 512/128, 2048/… kbit/s 7

Hozzáférési hálózati megoldások vezetéken † † † † †

xDSL – különböző hatékonyságú technikák az előfizetői érpárakon CATV – kábeltv, optikai-koax infrastruktúra, eredetileg műsorszétosztásra, felfelé irányuló kisebb sebességű csatornák segítségével Internet-elérés, VoIP FTTx – fiber-to-the-x, pl.: x=H (home), x=C (curb) „

Általános elnevezés, különböző technikák vannak mögötte

„

APON, WPON, EPON (Az EFM – Ethernet in the First Mile, IEEE802.3ah alesete)

PON – passive optical network

PLC – Power Line Communications „ „

Az elektromos hálózat felhasználása, az épület bemenő pontjától a lakásokban lévő csatlakozókig, vagy már az alállomástól Internet-szolgáltatás és telefónia (VoIP)

8

Rádiófrekvenciás átvitel † † o o o o ‰ ‰

Széles körben használják bel- és kültéren Rádióhullámok: egyszerűen előállíthatók nagy távolságokra jutnak el áthatolnak az épületek falain minden irányba terjednek Terjedési tulajdonság frekvenciafüggő Frekvenciasávok: VLF<30kHz; LF<300kHz; MF<3MHz; HF<30MHz; UHF<3GHz; SHF<30GHz; EHF<300GHz 9

Mikrohullámú átvitel † 100 MHz felett szinte teljesen egyenes vonalban terjednek, nem követik a földfelszín görbületét † Magasra kell szerelni az antennákat † Előnyök az optikai kábellel szemben: elég pl 50 km-enként egy földdarabot megvenni

10

Infravörös és milliméteres hullámú átvitel † Felhasználás: elsősorban kis távolságok esetén pl. TV távirányító o o o o o o

Könnyen előállítható Olcsó Jól irányítható Nem hatol át a falakon – nem zavarjuk a szomszédot, lehallgatás elleni védelem szempontjából előnyös Napfény zavarja Hatalmas csillapítás

11

Hozzáférési hálózati megoldások (vezeték nélküli) † WPAN: /Wireless Personal Area Network/ egyetlen ember számára pl.számítógép és egér közt kis hatósugarú rádiókapcsolat † WLAN: /Wireless Local Area Network/ olyan rendszer, melyben a más rendszerekkel való kommunikációhoz minden sz.gép rendelkezik egy rádiós modemmel vagy egy antennával (max pár km) † WMAN: /Wireless Metropolitan Area Network/ Akár egy egész várost lefed szélessávú vezetéknélküli átvitellel

12

Hozzáférési hálózati megoldások – vezetéknélküli (rádiós) † Összefoglaló név: BWA – Broadband Wireless Access † Mekkora a „broadband” rádión? ITU-R: >=E1/T1 (2 ill. 1.5 Mbit/s) † Túlnyomórészt rádió, de a „wireless” lehet pl. szabadtéri optikai kommunikáció is (free-space optics) † Szabványos megoldások a PAN-tól a LAN-on keresztül a MAN-ig † Szabványok:

„ „ „ „

IEEE IEEE IEEE IEEE

802.15 802.11 802.16 802.20

– – – –

Wireless Wireless Wireless Wireless

PAN LAN MAN MAN w/mobility

† ETSI megfelelők: HiperLAN, HiperMAN

13

BWA-rendszerek: adatsebesség és lefedési területek Távolság, m

2.5G mobil

1000

3G mobil

WMAN

100

WLAN WPAN

10

adatsebesség 1 10k

100k

1M

10M

100M

1Gbit/s

14

IEEE 802.11 † WLAN – Wireless Local Area Network „ „

A legelterjedtebb WLAN megoldást az IEEE 802.11 szabvány definiálja Más megoldások: HiperLAN, HomeRF

† Mire jó? „ „ „ „ „

Épületen belüli WLAN-ok Épületek közötti összeköttetés Otthoni alkalmazás †

Vezetéknélküli kiterjesztése az otthoni szélessávú előfizetésnek

†

Reptereken, szállodákban, internet-kávézókban

Nyilvános Internetszolgáltatások (hotspot)

Egyszerű alternatíva szélessávú internetezésre ott ahol vezetékes szolgáltatás (pl. ADSL) nem lehetséges

Hálózati technológiák és alkalmazások

2008.04.01

15

Az IEEE 802.16 család † 802.16c (2002. dec.) – 10-66 GHz

„ 70 Mbit/s-ig, 50 km-ig

† 802.16a (2003. jan.) – 2-11 GHz, LOS, NLOS

„ 100 Mbit/s-ig 20 MHz-es csatornákon, 6-8 km cellasugárral

† 802.16b – az 5 GHz engedélymentes sávban való működésre † 802.16d, másnéven 802.16-2004. Magában foglalja a 16a-t és a 16c-t † 802.16e (2004. szept.) – mobilitás-támogatás

„ átfedés a 802.20-szal

† 802.16f, 802.16g (2004. aug.) – hálózat-menedzsment † Megj.: az ETSI HiperMAN = a 802.16-2004 részhalmaza (256 OFDM PHY) 16

WLAN – WiFi és WMAN - WiMAX † WiFi – WiFi Alliance (WiFi – „wireless fidelity” a HiFi mintájára) † WiMAX – WiMAX Forum – Worldwide Interoperability of Microwave Access † Együttműködés a gyártók és a piac más szereplői között „ a technikák bevezetésére, „ a szabványokkal való kompatibilitás tanúsítására „ a külöböző gyártók közötti együttműködés tanúsítására 17

Az IEEE.802.xx BWA-k architektúrája 802.2 LLC

802.3

…

802.11 WLAN

802.15 WPAN

802.16 WMAN

802.20 Wireless Metro LAN

Ez azt jelenti, hogy az Ethernet-hez hasonlóan MAC- és PHY-ből áll az architektúra, alrétegekkel, plusz security és management funkciók MAC alréteg – Medium Access Control: Dönt a csatornakiosztásról LLC alréteg – Logical Link Control: elrejti a különböző 802-es változatok eltéréseit a hálózati réteg elől. Megbízható kommunikációt tud biztosítani az adatkapcsolati rétegben 18

Personal Area Networks – Wireless WPAN – IEEE 802.15.1 (Bluetooth) † II. Harald Blaatand („Kékfogú”) „ „

i.sz. 940 – 981 Viking király, egyesítette Dániát és Norvégiát

† Ericsson kezdeményezés (1994) „ „

Összekötni mobiltelefonokat más eszközökkel (pl. PDA-kal) vezeték nélküli kapcsolaton Rövid hatósugarú, kis teljesítményű, olcsó rádiós adóvevők

† SIG – Special Interest Group 1999) „

Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba

Hálózati technológiák és alkalmazások

19

2008.04.01

Bluetooth † Eredeti cél – megszabadulni a kábelektől „

PAN – Personal Area Network †

„

Környezetünkben, egymáshoz közel elhelyezkedő eszközök hálózata

Betört a vezeték nélküli helyi hálózatok (WLAN) területére is †

Versenytársa lett az IEEE 802.11-nek

Célkitűzések: olcsó eszközök (1-2 cm-es modul, pár $) rövidtávú kommunikáció (10 m) max. 1 Mbit/s

† IEEE 802.15 szabvány (2002) „

Csak a fizikai és adatkapcsolati réteg

Hálózatszervezés, kommunikáció 1. piconet

2. piconet S

S

S M

S

S

S

Max. 7 aktív S (255 parkolt)

M

S Bridge-slave 21

Piconet-ek Helyi hálózat (LAN) Bluetooth hozzáférési pont

22

Hálózatszervezés, kommunikáció † Piconet: legf. 8 állomás † 1 master, a többi slave † Scatternet: piconet-ek hálózata, dinamikus, ad-hoc alapon † Van olyan node, amely >1 piconet-hez tartozik „ Pl. notebook – mobil (Internet cstl.-hoz) „ Notebook – PDA „ A két notebook összeköttetése: inter-piconet unit

† A Bluetooth nem rendelkezik a scatternetek kiépítésének módjáról 23

… folyt. † Szinkronizációs eljárás az elején, a slave-ek megtudják a master azonosítót és órájukat összevetik, hogy képessé váljanak a közös frekvenciaugratásos sorozat előállítására † A master megmondja, hogy melyik slave melyik időrésben † Hívásfelépítés az inquiry és page eljárásokkal „ Inquiry: megtudni, hogy melyek a további Bluetooth eszközök a hatótávolságon belül „ Page: felépíteni a kapcsolatot † Kérféle összeköttetés: „ SCO (Synchr. Conn. Oriented) – hangátvitel, előre lefoglalt időrések „ ACL (Asynchr. Conn. Less) - adat 24

Bluetooth profilok † †

Általában a hálózati protokollok csak csatornákat adnak a kommunikáló eszközök számára „

Nem szabják meg hogy mire használják azokat

„

27 konkrét támogatandó alkalmazást (profile-t) nevez meg

A Bluetooth SIG specifikáció más †

†

GAP – Generic Access Profile „ „ „

† †

Újabb és újabb profile-ok jelennek meg

Alap hozzáférés Nem egy alkalmazás, inkább egy bázis amire más alkalmazások épülnek Biztonságos csatornákat épít ki és tart fenn a mester és a szolgák között

SDP – Service Discovery Profile „ „

Protokoll a felkínált szolgáltatások felfedezésére Minden Bluetooth eszköznek implementálnia kell (az GAP-al együtt)

„ „

A 802.11 versenytársa Lehetővé teszi, hogy egy Bluetooth eszköz csatlakozzon a vezetékes hálózathoz

LAP – LAN Access Profile

Hálózati technológiák és alkalmazások

2008.04.01

25

Bluetooth profilok † DUN – Dial-up Networking Profile

„ Betárcsázós hálózati profil „ Egy laptop egy beépített modemet tartalmazó mobiltelefonon keresztül csatlakozhat az internethez

† IP – Intercom Profile

„ Két telefon rádiós adó-vevőként való összekötése

† HS – Headset Profile

„ Mobiltelefon és fejhallgató vezeték nélküli összekapcsolása „ A legelterjedtebb profil

Hálózati technológiák és alkalmazások

2008.04.01

26

Bluetooth-alkalmazások † Bluetooth a mobilban: telefonhívások „least-cost routing”-gal „ telefonhívás házon belül a mobilról, de Bluetoothkapcsolat segítségével a vezetékes telefonról † Internet-elérés mobilról és PDA-ról „ Bluetooth-csatlakozás a notebookhoz, vagy desktophoz, ami LAN-ra vagy WLAN-ra csatlakozik, vagy ADSL-lel a nyilvános hálózaton keresztül † Vezetéknélküli csatlakozások széles köre „ fejhallgató „ mobil kihangosító az autóban „ fényképezőgép és notebook „ PDA és notebook szinkronizálása 27

Architektúra (1)

28

Architektúra (2) †

Nem szabványos architektúra „

†

Transport protocols „ „

Radio (fr. sáv, rádiós jellemzők, adatsebességek, duplexelés, FH jellemzői Baseband (hálózatszervezés és kommunikáció) Link manager protocol (authentikáció, titkosítás)

„ „ „

SDP - Service Discovery Protocol RFCOMM – soros interfész (RS232) TCS – Telephony Control Signaling: modem vezérlő jelek

„

† †

„Transport protocols” és a magasabb rétegbeli protokollok („middleware protocols”)

Logical Link Control & Adaptation Protocol (L2CAP) – csomaginterfész a felső rétegek felé Middleware protocols

29

A rádiós interfész jellemzői † 10 m, 1 mW telj. (opcionálisan: 100 m, 100 mW) † A 2,4 GHz-es ISM-sávban † 3 db duplex 64 kbit/s-os hangcsatorna, 1 Mbit/s adatcsatorna † Frekvencia-ugratás, 1600-szor mp-nként, álvéletlen jelsorozattal a kb. 2.4 GHz-nél kezdődő 79 MHz-es sávon belül, 79 x 1 MHz † TDD, 625 μs-os időrések, adás-vétel időben egymás után, felváltva 30

FHSS †

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 „

†

„

Nem fogják zavarni a késéssel érkező jelek a régi csatornán

Kevéssé érzékeny a rádiós interferenciára †

A zavaró jelek egy adott frekvenciatartományra korlátozódnak „

„

Többször is eléri a vevőt

A vevő csak egy rövid ideig hallgat azon a csatornán „

†

(frekvenciaugrásos szórt spektrum)

A vevő hamar kiugrik onnan

Jól használható nagyobb távolságok áthidalására, épületek közötti kapcsolatok kiépítésére

Hátrányok „

Kis sávszélesség (1 Mb/s)

31

2008.04.01

FHSS † Frequency Hopping Spread Spectrum (frekvenciaugrásos szórt spektrum) „

2.4 GHz-s ISM sávban † †

„

Álvéletlenszám generátorral előállított frekvencia ugrássorozatok † † †

„

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)

Ha két állomás ugyanazt a kezdőértéket (seed) használja, akkor ugyanazokat a frekvenciakat fogjak egyszerre végigjárni „

Időben szinkronban kell maradniuk

„

Az 1. sorozat az USA-ban 3,26,65,11,46,19,74,50,22,64,79,32,62...

78 db ugrássorozat, mindegyik 79 csatornával (USA, Európa) 12 db ugrássorozat, mindegyik 23 csatornával (Japán)

A tartózkodási idő (dwell time) az egyes frekvenciákon állítható † †

Nem lehet nagyobb 400 ms-nál Leggyakrabban használt értékek: 32 ms vagy 128 ms

Hálózati technológiák és alkalmazások

32

2008.04.01

Nagysebességű PAN-ok -> IEEE 802.15.3 † † † † †

Célkitűzés: média-kommunikáció „

digitális kamera – tv, MP3 ide-oda, videójátékok

„ „

Igen nagy sávszélesség, sokkal nagyobb, mint a CDMA-nál Nincs vivő, igen rövid (pár ns) impulzusok, kis teljesítmény, nincs azonos csatornás zavar FCC a 3,1...10,6 GHz-es sávban engedélyezi, feltéve, ha UWB, azaz ha a relatív sávszélesség nagyobb, mint 0.2 ETSI, CEPT hasonlóan MAC: fejlesztés alatt, megoldandó problémák (pl. nem lehet üres csatornát érzékelni)

Új PHY specifikáció 55 Mbit/s-ig (11,22,33,44,55 Mbit/s), kb. 10 m-ig Másik munkacsoport még nagyobb sebességeken (110, 200, 480 Mbit/s) – házimozi, játékok A rádiós rétegre több lehetőség, a legígéretesebb az UWB UWB – Ultra-WideBand

„ „ „

33

Az UWB helye 2.5G mobil

1000

3G mobil

WMAN

UWB 100

WLAN WPAN

10

UWB alapú PAN

1 10k

100k

1M

10M

100M

1Gbit/s

34

Szélessávú vezetéknélküli hozzáférési technikák: összehasonlítás

35

Irodalom a Bluetooth-hoz Ch. Bisdikian, „An Overview of the Bluetooth Wireless Technology”, IEEE Communications Magazine, December 2001, pp. 86-94.

36