Hálózati technológiák és alkalmazások. Vida Rolland

Hálózati technológiák és alkalmazások

Vida Rolland 2012.04.12.

1

IEEE 802.11 n

WLAN – Wireless Local Area Network ¡ ¡

n

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 n

¡

Vezetéknélküli kiterjesztése az otthoni szélessávú előfizetésnek

Nyílvános internetszolgáltatások (hotspot) n

Reptereken, szállodákban, internet-kávézókban


2

2012.04.12.

A 802.11 protokollkészlete n

Fizikai réteg ¡ ¡

n

Nagyjából az OSI fizikai rétegének felel meg Különböző verziókban különböző átviteli módszerek

MAC alréteg – Medium Access Control ¡

Dönt a csatornakiosztásról n

n

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

Adatkapcsolati réteg

Felsőbb rétegek LLC alréteg MAC alréteg 802.11

Infravörös

802.11 FHSS


802.11 DSSS

802.11a OFDM 3

802.11b HR-DSSS

802.11g OFDM

Fizikai réteg 2011.04.12.

Fizikai réteg n

A 802.11-es szabvány (1997) három átviteli módszert rögzít a fizikai rétegben: ¡ ¡ ¡

n

802.11a, 802.11b (1999) - új eljárások, a nagyobb sávszélesség eléréséhez ¡ ¡

n

Infravörös FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum

OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing HR-DSSS – High Rate DSSS

802.11g (2001) - új OFDM modulációs változat, más frekvenciasávban


4

2012.04.12.

Infravörös átvitel n

Hasonló a televíziók távirányítójában lévő megoldáshoz ¡

n

Közvetlen rálátást nem igényel

Előnyök: ¡ ¡

Egyszerű, olcsó megoldás Az infravörös jelek nem hatolnak át a falakon n

n

Hátrányok ¡

Kis sávszélesség n

¡ ¡

1 vagy 2 Mb/s sebesség

Az infravörös jelek nem hatolnak át a falakon n

n

a különböző helységekben lévő cellák jól elkülönülnek egymástól

Az eléréshez a hozzáférési ponttal egy helységben kell lenni

A napfény elnyomja az infravörös sugarakat

Nem egy népszerű megoldás


5

2012.04.12.

FHSS n

Frequency Hopping Spread Spectrum (frekvenciaugrásos szórt spektrum) ¡

2.4 GHz-s ISM sávban n n

¡

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 n

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

n

78 db ugrássorozat, mindegyik 79 csatornával (USA, Európa) ¡

n

¡

Időben szinkronban kell maradniuk 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)

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

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


6

2011.04.12.

FHSS


7

2011.04.12.

FHSS n

Előnyök ¡

Hatékony spektrumkihasználás a szabályozatlan ISM sávban

¡

Valamennyire biztonságos n

¡

Aki nem ismeri az ugrássorozatot vagy a tartózkodási időket, nem tud lehallgatni

Jó védelem a többutas csillapítás (multipath fading) ellen n

A jel az adótól elindulva, különböző tárgyakról visszaverődve terjed ¡

n

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 n

A zavaró jelek egy adott frekvenciatartományra korlátozódnak ¡

n

Többször is eléri a vevőt

A vevő hamar kiugrik onnan

Hátrányok ¡

Kis sávszélesség (1 Mb/s)


8

2011.04.12.

DSSS n

Direct Sequence Spread Spectrum (közvetlen sorozatú szórt spektrum) ¡ ¡

Átviteli kapacitás szintén 1 vagy 2 Mb/s A „hasznos” adatokat szétszórjuk a teljes frekvencia tartományban n

XOR művelet 11 bitből álló chip-kóddal (zaj) ¡

n

Pseudo-random sorozat, 1-ből és 0-ból, sokkal nagyobb frekvencián mint az eredeti jel

A zajt a fogadó ki tudja szűrni ¡

Vissza tudja állítani a hasznos adatokat Data

1 bit period

XOR Out

0100100011110110111000

PRN 11 chips

11 Bit Barker Code: 10110111000


9

2011.04.12.

DSSS n

A hasznos adatot szétszórjuk a teljes frekvenciatartományban ¡

A szélessávú jel nehezebben detektálható n

Aki le szeretne hallgatni csak „zajt” érzékel ¡

n ¡

Nem tudja kiszűrni belőle az információt

Eredetileg katonai alkalmazásokra vezették be

11 bites chip-kód esetén 22 MHz széles sávra szór n n

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


10

2011.04.12.

802.11a (Wi-Fi5) n n

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 n

A frekvenciatartomány több apró szeletre osztva Az átvivendő jelet is részekre osztjuk

n

Egyidejűleg több frekvencián (alvivőn) is átvitel, nagyobb átviteli sebesség

n

¡

A hagyományos FDM-ben védősávok az interferenciák elkerülésére n

¡

Kevesebb lehetséges frekvenciaszelet

Az OFDM-ben ortogonális frekvenciák n

Az egyes alvivők középfrekvenciáján a többi jel nulla értéket vesz fel


11

2008.04.15.

802.11b (Wi-Fi) n

Wireless Fidelity ¡

n

Ez az első 802.11x szabvány ¡

n

Vezetéknélküli torzításmentesség Nem a 802.11a utóda, egyszerre fejlesztették őket

HR-DSSS ¡

High Rate Direct Sequence Spread Spectrum n

¡

4 átviteli sebesség a 2,4 GHz-es sávban n

¡

n

Hatékonyabb moduláció mint a hagyományos DSSS-ben 1, 2, 5.5 és 11 Mb/s

Gyakorlatban szinte mindig 11 Mb/s, 100 méteres hatótávolságon

Kisebb sebesség mint a 802.11a-nál ¡

Nagyobb működési tartomány


12

2012.04.12.

802.11g n

2001-ben fogadták el ¡ ¡

OFDM-et használ (mint a 802.11a) A 2,4 GHz-es ISM tartományban (mint a 802.11b) n

Ugyanúgy érzékeny az interferenciákra

n

54 Mb/s-os adatátviteli sebesség

n

A jelenlegi legjobb WLAN technológia ¡

Viszont nagyon sok telepített 802.11b hálózat, eszköz létezik n

Ameddig ezek beszerzési költsége amortizálódik, nem terjed olyan könnyen


13

2012.04.12.

Ad-hoc mód n n

Minden csomópont közvetlenül kommunikál a hatósugarán belüli többi csomóponttal Távolabbi csomópontok közötti kommunikáció ad-hoc útválasztással ¡

n

Minden állomás egyben router is ¡ ¡

n

AODV, DSR, DSDV, stb. Többugrásos ad-hoc hálózatok Nincs szükség AP-ra

Nagyon gyorsan fel lehet építeni egy ideiglenes hálózatot ¡

Egy rendezvény vagy konferencia résztvevői között


14

2008.04.15.

Infrastruktúra mód n

Cellás rendszer ¡ ¡

Basic Service Set (BSS) – cella Access Point (AP) – hozzáférési pont n n

¡

Elosztó hálózat – Distribution System (DS) n

n

Minden cellát egy AP vezérel A csomópontokat periódikusan lekérdezve (polling) a csomagküldést vezérli Az AP-kat egymáshoz kapcsoló vezetékes (Ethernet) vagy vezeték nélküli hálózat

Több cella alkot egy kiterjesztett szolgáltatási hálózatot ¡

Extended Service Set – ESS

Elosztó hálózat

AP2

AP1 BSS-A


BSS-B

15

ESS

2008.04.15.

802.11b csatornák n

n

Milyen frekvencián kommunikáljunk a cellán belül? 802.11b a 2.4 GHz-es ISM sávban ¡ ¡

n

Max. 14 csatorna Részben egymásra lapolódnak

Országonként változó szabályozás ¡

¡ ¡

Magyarországon és Európában általában az 1-13 csatornák Az USA-ban 1-11 csatornák Japánban mind a 14 csatorna


Csatornák

Frekvenciák (GHz)

1

2.412

2

2.417

3

2.422

4

2.427

5

2.432

6

2.437

7

2.442

8

2.447

9

2.452

10

2.457

11

2.462

Az USA-ban használt IEEE 802.11b csatorna frekvenciák 16

2008.04.15.

802.11b csatornák ¡

Kis cellákat alakítunk ki n n

Minden szomszédos cella más-más frekvencián kommunikál A cellákban használt frekvenciák nem fedik egymást

11

6

1 11 Hálózati technológiák és alkalmazások

1 17

2008.04.15.

802.11b csatornák n

A csatornák az adóvevők által használt központi frekvenciát jelentik ¡

Pl. 2,412 GHz az 1. csatorna, 2,417 GHz a 2. csatorna n

¡

A 802.11b jel kb. 30 MHz-es spektrumot fed le n n

¡

Csak 5 MHz eltérés a központi frekvenciák között A jel kb. 15 MHz-et foglal el a központi frekvencia mindkét oldalán Átfedés jön létre több szomszédos csatorna frekvenciasávja között

Cellás megoldásban a szomszédos cellák frekvenciatávolságának legalább 5 csatornának kell lennie n

Használhatjuk pl. az (1, 6, 11) kombinációt


18

2012.04.12.

Csatlakozás egy új cellához n

Egy állomás csatlakozhat egy létező BSS-hez... ¡ ¡ ¡

n

Passive Scanning ¡ ¡

n

Az állomás egy Beacon Frame-et vár az AP-tól Az AP periódikusan küldi azt, szinkronizációs információt hordoz

Active Scanning ¡ ¡ ¡

n

Bekapcsolás után Alvó módból való kilépéskor A BSS területére lépéskor

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 n

SNR – Signal to Noise Ratio


19

2012.04.12.

802.11 MAC alréteg

20

ALOHANET n

Hawaii – 70-es évek elején nem volt telefonhálózat ¡

n

A távoli szigeteken lévő felhasználókat a Honoluluban lévő központi számítógépekhez kellett csatolni

Megoldás: ALOHANET – kis hatósugarú rádiózás ¡ ¡

Norman Abramson, Hawaii Egyetem Minden felhasználó terminálon kis rádió n

Két frekvencián üzemelt ¡

n n

Lefele csak a központ küldött, nem volt gond Felfele versenyhelyzet, többen használták ugyanazt a csatornát ¡ ¡

¡

Egy a lefele, egy a felfele menő adatoknak

Ha sikerült elküldeni valamit, a központ visszaküldte a csomagot a másik csatornán Ha nem jött vissza, a csomag valószínűleg elveszett n Újra próbálkozott

Alacsony terhelés mellett egész jó, nagy upstream terhelés mellett szinte használhatatlan


21

2012.04.12.

Aloha vs. Slotted Aloha


22

2012.04.12.

Carrier Sense Multiple Access - CSMA n

Először ellenőrzi, hogy van-e adás, és csak akkor küld ha nincs

n

Különböző verziók ¡

1-perzisztens n

n

¡

p-perzisztens n

n

¡

Ha foglalt a csatorna, addig hallgatja folyamatosan, ameddig felszabadul, és akkor elküld egy keretet Ha ütközés, véletlen ideig vár, majd újra próbálkozik Ha foglalt a csatorna, addig hallgatja folyamatosan, ameddig felszabadul, és p valószínűséggel akkor elküld egy keretet Ha azt választja, hogy nem küld (1-p valószínűséggel), akkor a következő szabad időrésnél ,megint küld, p valószínűséggel

Non-perzisztens n

Ha foglalt a csatorna, nem hallgatja folyamatosan, hanem vár egy véletlen ideig, és utána próbálkozik újra


23

2012.04.12.

802.11 MAC alréteg n n

Vezeték nélküli környezetben a CSMA nem működik Rejtett állomás problémája ¡

Nem minden állomás tartózkodik az összes többi vételkörzetében n n n

C ad a B-nek A nem hall semmit a csatornán Ő is elkezd adni B-nek

C rádiójának hatósugara

A

B

C C adása


24

2008.04.15.

Látható állomás problémája n

B akar küldeni C-nek ¡ ¡ ¡

Belehallgat a csatornába, és látja hogy foglalt A által Arra következtet, hogy nem küldhet C-nek Lehet, hogy A D-nek küld, nem zavarná C-t

A rádiójának hatósugara

D Hálózati technológiák és alkalmazások

A A adása

B 25

C 2008.04.15.

DCF vs. PCF n

Két másik megoldás: ¡

DCF – Distributed Coordination Function n n

¡

Nem használ központi vezérlést Minden megvalósításnak támogatnia kell

PCF – Point Coordination Function n n

A bázisállomás segítségével vezényel minden tevékenységet a cellában Támogatása opcionális


26

2012.04.12.

802.11 DCF

n

CSMA/CA-t használ ¡

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance n

CSMA ütközéselkerüléssel


27

2012.04.12.

MACAW n

Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless ¡

n

Virtuális csatornaérzékelés

A szeretne küldeni B-nek ¡ ¡

C az A állomás vételkörzetében van D a B állomás vételkörzetében, de az A vételkörzetén kívül A rádiójának hatósugara

C Hálózati technológiák és alkalmazások

B rádiójának hatósugara

A

B 28

D 2008.04.15.

MACAW n

A egy RTS keretet küld B-nek, és engedélyt kér egy adatkeret küldésére ¡

n

Ha B megadja az engedélyt, visszaküld egy CTS keretet ¡

n

Request To Send Clear To Send

A elküldi a keretet és elindít egy ACK időzítőt ¡ ¡

Ha B megkapja rendben az adatokat, válaszol egy ACK kerettel Ha az A időzítője lejár mielőtt megkapná az ACK-ot, újból kezdődik az egész Adat

RTS

C Hálózati technológiák és alkalmazások

A

B

CTS 29

ACK

D 2008.04.15.

MACAW n

C hallja A-t, megkaphatja az RTS keretet ¡ ¡

Rájön, hogy nemsokára valaki adatokat fog küldeni Eláll adatküldési szándékától, amíg az üzenetváltás véget nem ér n

¡

Foglaltra állít magának egy virtuális csatornát n

n

NAV – Network Allocation Vector

D nem hallja az RTS-t, de a CTS-t igen ¡

n

Hogy mikor lesz vége tudja az ACK időzítőből

Ő is beállítja magának a NAV-ot

A NAV belső emlékeztető hogy csendben kell lenni, nem küldik el NAV

C A

RTS

B

Adat CTS

ACK NAV


Idő

30

2008.04.15.

Fragment burst Vezeték nélküli hálózatokban nagy zaj, nagy csomagvesztés

n

¡

Minél nagyobb egy keret, annál nagyobb a valószínűsége a hibának

A kereteket fel lehet darabolni

n

¡

Ha RTS/CTS-el megszerzi a csatornát, több részt küldhet egymás után n

¡

Nő az átbocsátóképesség n

¡

Fragment burst - részlöket Ha hiba van, nem kell a teljes keretet újraküldeni

A NAV eljárás csak az első részre kerüli el az ütközést n

Más megoldásokkal egy teljes részlöket átküldhető ütközés nélkül

Részlöket NAV

C A

RTS

B

1. rész CTS

ACK

3. rész ACK

ACK

NAV


2. rész

Idő

31

2008.04.15.

802.11 PCF n

A bázisállomás vezérli a kommunikációt ¡

n

Nincsenek ütközések

Körbekérdezi a többi állomást, hogy van-e elküldésre váró keretük ¡

A szabvány csak a körbekérdezés menetét szabályozza n n

n

A bázisállomás periódikusan elküld egy beacon frame-et ¡ ¡

10-100 beacon/s Rendszerparamétereket tartalmaz n

¡

n

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 őket n

Kíméli az állomások akkumulátorát

¡ A bázisállomás puffereli Hálózati technológiák és alkalmazások

a készenléti állapotban lévőknek szánt kereteket 32

2008.04.15.

PCF vs. DCF n

A PCF és a DCF egy cellán belül egyszerre is működhet ¡

Egyszerre elosztott és központosított vezérlés? n n

n

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 n n n n

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

SIFS

Itt lehet elküldeni a vezérlőkeretet vagy a következő részkeretet

ACK Hálózati technológiák és alkalmazások

33

Idő

2012.04.12.

PCF vs. DCF n

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 n n

Az adatkeretet vagy részlöketet küldő nyugodtan befejezheti a keretet A bázisállomásnak is van alkalma magához ragadnia a csatornát ¡

Nem kell a mohó felhasználókkal versengenie érte

SIFS

Itt lehet elküldeni a vezérlőkeretet vagy a következő részkeretet Itt lehet elküldeni a PCF kereteket PIFS


Idő

34

2012.04.12.

PCF vs. DCF n

DIFS – DCF Inter-Frame Spacing ¡ ¡

DCF keretek közti időköz Ha a bázisállomásnak nincs mondanivalója, a DIFS elteltével bárki megpróbálhatja megszerezni a csatornát n n

n

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 n

Legalacsonyabb prioritás

SIFS

Itt lehet elküldeni a vezérlőkeretet vagy a következő részkeretet Itt lehet elküldeni a PCF kereteket PIFS

Itt lehet elküldeni a DCF kereteket

DIFS EIFS

Itt kezdődhet a hibás keretek javítása


Id ő

35

2008.04.15.

Hotspot n

Egy adott földrajzi terület, ahol egy hozzáférési pont segítségével publikus szélessávú internet hozzáférést biztosítanak mobil felhasználók számára egy WLAN-on keresztül ¡

Általában forgalmas helyeken n

¡

reptér, pályaudvar, bevásárlóközpont, könyvtár, szállodák, stb.

Viszonylag kis területek

Hotspot keresők


36

2008.04.15.

Hotspot-ok Magyarországon n

Hotspotter.hu ¡

Magyarországi hotspot adatbázis n

¡ ¡ ¡

Budapest (567), Siófok (32), Sopron (32), Eger (28), stb. étterem (280), hotel (204), kávézó (113), üzlet/bevásárlóközpont (91) közterület (30), iskola/egyetem (20), stb. Nagyobb szolgáltatók: n n n

n

> 1100 hotspot, >120 városban

Fizetős: T-Com, Wiera, T-Mobile Ingyenes: HuWiCo FON hotspotok

HuWiCo – Hungarian Wireless Community ¡ ¡ ¡

Non-profit közösség Vezeték nélküli technológiák terjesztése, népszerűsítése Egy ingyenes Wi-Fi hálózat kiépítése (41 hotspot)


37

2012.04.12.

Hotspot-ok Budapesten


38

2012.04.12.

WLAN rendszerek külföldön n

MobileStar ¡ ¡

1996-ban alapították Az egyik első hotspot üzemeltető n

¡ ¡

n

Az egész USA-ban kiterjedő hálózat

Wi-Fi hotspot-ok a Starbucks Coffee láncban 2001-ben megvásárolja a VoiceStream Wireless

Cometa Networks ¡ ¡

Az AT&T, az IBM és az Intel közös vállalkozása McDonalds éttermekben – 1 órás ingyenes hozzáférés minden menühöz n

2004-ben a McDonalds a Wayport-ot bízza meg egy WiFi hálózat kiépítésével ¡

A Cometa bezár


39

2012.04.12.

Wayport hálózat Több mint 12.000 hotspot, 35 országban


40

2008.04.15.

WLAN rendszerek külföldön n

Boingo ¡ ¡

A világ (egyik) legnagyobb hotspot szolgáltatója Több mint 100.000 hotspot n n

¡

n

$21.95 korlátlan havi előfizetés

iPass ¡ ¡

n

Több mint 10.000 Angliában és Oroszországban Magyarországon 143

Több mint 90.000 hotspot, a világ 70 országában Több mint 40.000 Európában, 75 Budapesten

Rengeteg más szolgáltató nagy hotspot hálózattal ¡

Korea Telecom, Metronet, Netcheckin, NTT DoCoMo, SingTel, Sonera, Starhub, stb.


41

2008.04.15.

Hálózati technológiák és alkalmazások. Vida Rolland

Recommend Documents