IEEE 802.11 Fazekas Péter
2011. május 19., Budapest
Mi az a Wireless LAN? A vezetékes LAN hálózat vezeték nélküli meghosszabbítása. Vezeték nélkül megvalósított számítógép hálózat.
1. csatorna
6. csatorna
Vezetékes LAN hálózat Access Point
kliensek CELLA 1
Access Point
kliensek CELLA 2
Mi az a Wireless LAN? A vezetékes LAN hálózat vezeték nélküli meghosszabbítása. Vezeték nélkül megvalósított számítógép hálózat.
Kliensek/szerverek
CELLA
IEEE 802.11 IEEE 802 802.11: 11: WLAN IEEE 802.3: Ethernet IEEE 802.5: Token Ring g Együttműködés: IEEE 802.2 közös LLC réteg specifikáció, a fenti szabványok ez alatt működnek
Felépítés alapegység: cella (Basic Service Set Set, BSS BSS, a 802 802.11 11 terminológiában) egy bázisállomás vezérel (Access Point, AP), egy WLAN állhat egyetlen cellából egyetlen APvel a legtöbb esetben több cella alkot egy hálózatot az AP-ket egy elosztó hálózat köti össze (Distribution System, DS) Az összekapcsolt WLAN cellákból és a hozzájuk tartozó APkbõl valamint az elosztó hálózatból áll, együtt egy 802.11 hálóza a felsõbb OSI rétegek számára a szabványbeli elnevezése: Extended Service Set (ESS) a Portal : Portál a 802.11 és egy másik 802 LAN összekapcsolására szolgáló eszköz eszköz, gyakorlatban: az AP tartalmazza, így ez „híd” (bridge) az Ethernet háló felé ez így: infrastruktúra mód. de létezik ezen kívül: ad-hoc mód, nincs infrastruktúra, infrastruktúra nincs bázisállomás, bázisállomás minden csp. csp egyenrangú és továbbítja egymás csomagjait
Elosztó hálózat
Az elosztó rendszer konkrét megvalósítását a szabvány nem definiálja, csak az általa nyújtott szolgáltatásokat topológia lehet gyűrű (token ring) sín í (Ethernet: (Eth t ez a tipikus), ti ik ) lehet l h t token t k bus b logikai gyűrű: sínen kialakítva csillag: központi egységen keresztül megy minden k kommunikáció, iká ió a kö közp. egység é llekérdezi, ké d i vagy ki kiosztja j h hogy melyik AP mikor Az elosztó rendszer kiterjesztett hálózati szolgáltatásokat nyújt a hozzákapcsolódó h ák lódó BSS BSS-ekk és é LAN iintegrációkon t á iók kkeresztül tül é és tetszõleges bonyolultságú vezeték nélküli hálózat kialakítását teszi lehetõvé az a elos elosztó tó rends rendszer er függetlenül definiálható bármel bármelyik ik fifizikai ikai megvalósítás jellegzetességeitõl, ezért a közeghozzáférést szabályzó réteg fölött elhelyezkedõ réteg számára úgy tûnik, mintha a különálló BSS-ek BSS ek egyetlen független BSS-et BSS et alkotnának
Protokoll rétegek Mi Mintt minden i d 802.x 802 protokoll, t k ll a 802 802.11 11 protokoll t k ll a MAC é és a Fizikai réteget definiálja
Protokoll rétegek MAC Entitás E titá • • • •
alap közeghozzáférés fragmentáció titkosítás szinkronizálás
MAC Layer Management Entity • • • •
szinkronizálás t lj ít é menedzsment teljesítmény d t roaming (cellaváltás) g Information Base)) fenntartás MAC MIB ((Management
Physical Layer Convergence Protocol (PLCP) • PHY-specifikus, közös PHY SAP-ot biztosít, azaz a MAC k t k t (MPDU) fizikai kereteket fi ik i csomagokká kká alakítja l kítj oda d és é vissza. i • Clear Channel Assessment jelet biztosít (vivõérzékelés)
Protokoll rétegek Physical Ph i l M Medium di D Dependent d tS Sublayer bl (PMD) • moduláció és kódolás
PHY Layer Management • csatorna hangolás – link adaptáció • PHY MIB fenntartás
Station Management • a MAC és a PHY menedzsmenttel mûködik együtt, illetve az együttmûködésüket hangolja össze
Protokoll rétegek A MAC rétegek ét k által ált l ellátott llát tt titipikus ik szabványos b á funkcionalitásokon túl a 802.11 MAC további funkciókat is ellát, melyeket tipikusan felsõbb rétegek szoktak pl. fragmentáció, csomag újraadás, új dá nyugtázás. tá á az IEEE802.11 szabvány egyetlen MAC-et definiál, ami 3 PHYvel tud együttmûködni, melyek 1 vagy 2 Mbps-os átvitelt biztosítanak • Frekvenciaugratásos szórt spektrumú (Frequency Hopping Spread p Spectrum,FHSS) p ) a 2.4 GHz sávban • Direkt szekvenciális szórt spektrumú (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) a 2.4 GHz sávban és • infravörös
MAC El Elosztott: t tt Distributed Di t ib t d C Coordination di ti F Function ti (DFC) (DFC): ahol h l a mobil bil terminálok ugyanazt az egyszerû szabályt alkalmazzák a rádiócsatorna megszerzésére, g mindenféle központi p „döntõbíró” nélkül. Az az időszak, amíg ez tart: CP, contention period Központosított: Point Coordination Function (PCF), ahol a terminálok kérései alapján az AP dönt a rádiócsatorna kiosztásáról, és a döntésének megfelelõen adja meg a jogot az egyes mobil állomásoknak az adásra. Az időszak, amíg ez tart: CFP, Contention Free Period Elvileg: a CFP és CP időszakok periodikusan váltják egymást, hosszuk arányuk beállítható de állandó, hosszuk, állandó nem alkalmazkodik a pillanatnyi forgalmi igényekhez.
MAC
Az alap közeghozzáférési módszer a Distributed Coordination Function alapvetõen CarrierSense Multiple Access megoldásra épül Collision Avoidance mechanizmussal kiegészítve (CSMA/CA) A CSMA protokollok jól ismertek az iparban iparban, ilyen pl pl. az Ethernet, ami CSMA/CD módszer használ Az adni kívánó állomás figyeli a közeget. Ha a közeg foglalt (másik állomás ad) akkor elhalasztja az adását egy késõbbi idõpontra. Ha a közeget szabadnak érzékelte, akkor megkezdheti akkor hatékony, hatékony ha a közeg nem túl terhelt, terhelt ilyenkor minimális késleltetéssel adhatnak elõfordulhat, hogy több állomás egyidejûleg szabadnak érzékeli a közeget és egyszerre kezd adni, ütközés ütközési helyzeteket fel kell tudni ismerni és így a MAC réteg újraadhatja a csomagot és nem a felsõbb rétegeknek kell ezzel g , ami jelentõs j késleltetést okozna foglakozni, Ethernet esetén az ütközést az adó állomás ismeri fel és ezután egy ún. újraadási fázisba megy át
MAC CD-t WLAN-oknál nem célszerû alkalmazni a következõk miatt: Collision Detection eljárás megvalósítása Full Duplex rádiós képességeket igényelnek, igényelnek ami jelentõsen növelné az árakat ütközés érzékelése nehézkes, mert a saját jel elnyomja az esetleg távoli másik terminál kis teljesítményű jelét vezeték nélküli környezetben nem tételezhetjük fel, hogy minden állomás hallja a többit (ami a Collision Detection alapja), pj ), így gy a tény, y, hogy gy egy gy állomás szabadnak érzékelte a közeget, nem jelenti azt, hogy az a vevõnél csakugyan szabad is
MAC – CSMA CA Az adni kívánó állomás érzékeli a közeget. Ha foglalt, akkor elhalasztja az adását. Ha szabad egy elõre definiált ideig (Distributed Inter Frame Space, Space DIFS) DIFS), akkor adhat adhat. A vevõ állomás ellenõrzi a vett csomag CRC-jét és nyugtát küld SIFS (Short Interframe Space) idő után (acknowledgment packet, ACK, MAC nyugta) A nyugta vétele jelzi az adónak, hogy nem történt ütközés. Ha az adó nem kapott nyugtát újra küldi a csomagot amíg nyugtát nem kap vagy el nem dobja adott számú próbálkozás után után. A SIFS azért kisebb, mint a DIFS, hogy a harmadik y g elküldése állomás ne kezdhessen el adni a nyugta elõtt. (Az egynél több célcímû csomagokra, pl. multicast, nincs nyugta).
MAC – CSMA CA
MAC – CSMA CA backoff: b k ff minden i d áll állomás á egy véletlen él tl számot generál n és 0 között és a generált számnyi üres időrést (slot) vár mielõtt a közeghez fordulna. egy állomás egy idõrést választ és az ütközik, akkor a véletlen szám generálás felsõ határát duplázza
MAC – CSMA CA amikor az elsõ átvitel elõtt az állomás figyeli a közeget és azt foglaltnak találja Ha nem jön ACK minden sikeres átvitel után (multipacket transmission során, így fair, esélyt adunk, hogy a többi is adáshoz jusson
MAC – CSMA CA nem használandó ez az eljárás, ha az állomás adni kíván és elõtte DIFS ideig szabadnak érzékelte a közeget késleltetési idõ csökkentése akkor kezdõdhet meg, ha a médium DIFS ideig szabad időrésenként eggyel csökkentik ez a folyamat egészen addig tart, míg a médiumon átvitelt nincs, ha van, a késleltetési idõ csökkentése befejezõdik a következõ DIFS idejû üresnek érzékelésig. egy terminál akkor adhat, ha a késleltetési ideje nullára csökken. csökken
Rejtett terminál probléma
virtual carrier sense adás előtt RTS SIFS után az AP CTS-t mindkettőben benne van az adás hossza (ack-kal együtt) minden terminál, aki az RTS-t, CTS-t hallja, megjegyzi (NAV: network allocation vector), addig nem próbálkozik óbálk ik RTS Threshold változó: csak az ennél hosszabb csomagokra alkalmazható az RTS/CTS eljárás (rövidnél nem érdemes)
DCF Operation
Központosított: PCF PIFS - Point Coordination Inter Frame Space, az AP használja a többi állomás elõtti közeghez való hozzáférésre értéke a SIFS plusz egy Slot Time (azaz SIFS
MAC Layer mgmnt egy állomás egy létezõ BSS-hez akar kapcsolódni Passive Scanning: egy Beacon Frame-t vár az AP-tól (a b beacon k t t az AP periodikusan keretet i dik küldi szikronizációs ik i á ió információval ellátva) Active Scanning: az állomás megpróbál egy AP AP-találni találni Probe Request Frame-ek küldésével és ezután Probe Response-ra vár az AP-tõl Probe responsok alapján á választ á egy AP-t, aminek association req. t küld megkezdődik a csatlakozás az APhez
MAC Layer mgmnt hitelesítési eljárás: csatlakozási kérelem és válasz után, mindkét fél hitelesíti magát csatlakozási eljárás: sikeres hitelesítés után, után információcsere a terminál és AP képességeiről, valamint néhány AP-s környezetben meglesz a mobil helye szinkronizáció megtartása: az AP által küldött beacon keretek segítségével, periodikusan (CSMA miatt némi késés lehet)
MAC Layer mgmnt energiatakarékos üzemmód: mobilok alvó állapota, nem hallgatják a csatornát az AP nyilvántartja hogy melyik MS-ek alszanak, alszanak tárolja a nekik szóló csomagokat a mobilok csak a beacon kereteket figyelik (periodikusan küldve) ebben jelzi az AP küldve), AP, ha van adat a mobilnak normál üzemmódba kell lépnie és lekérdeznie az AP-től a neki szóló adatot a beaconban jelezve, ha broadcast v. multicast üzenet jön, jelezve az idő is DTIM, amikor megkísérli küldeni
MAC Layer mgmnt energiatakarékos i k ék ü üzemmód: ód mobilok bil k alvó l ó áll állapota, nem hallgatják a csatornát az AP nyilvántartja hogy melyik MS-ek MS ek alszanak, alszanak tárolja a nekik szóló csomagokat a mobilok csak a beacon kereteket figyelik (periodikusan küldve), ebben jelzi az AP, ha van adat handover: mobil dönt, új AP passzív vagy aktív kiválasztása, a legjobbhoz csatlakozási kérelem kérelem, ez a hálózaton keresztül értesíti a régi AP-t
Keret típusok Data Frame-k: adatátvitel céljaira control Frame-k: a közeghozzáférés vezérlés céljaira (pl. RTS CTS, RTS, CTS és ACK), ACK) menedzsment Frame-k: az adat keretekkel megegyezõ módon küldik õket a menedzsment információk cseréje végett, de nem továbbítják õket a felsõbb rétegekhez (pl. authentication, probe request, stb.) MAC keret:
Keret típusok •
CONTROL RTS CTS ACK PS-Poll CF-End & CFEnd ACK
• • • • • • • • •
DATA • Data • Data+CF-ACK • Data+CF-Poll • Data+CFACK+CF-Poll • Null Function • CF-ACK (nodata) CF-Poll CF Poll (nodata) • CFACK+CF+Poll • •
MANAGEMENT Beacon Probe Request & Response Authentication Deauthentication Association Request & Response Reassociation Request q & Response Disassociation Announcement Traffic Indication Message (ATIM)
Keret típusok MAC keret frame control:
Protocol Version, Type and Subtype: pl. RTS, CTS, ACK, poll authentication, poll, authentication stb. stb ToDS, FromDS: hálózatba/ból a keret (tehát 0 pl. RTS, CTS), ), More Fragments: g a MAC keret egy gy nagyobb gy felső keret darabja, Retry: újraadott keret-darab Power Management: jelzi, hogy ezen keret átvitele után az állomása Power Management üzemmódba megy át át, azok az állomások használják, melyek Power Save állapotból Active állapotba lépnek vagy fordítva
Keret típusok More Data: jelzi, jelzi a Power Management-nek Management nek az AP révén, révén hogy további tárolt keretek vannak az állomás részére WEP: jelzi, hogy a keret törzsét a WEP-nek megfelelõen titkosították os o á MAC keret további mezők: Duration/ID: Power-Save Poll üzenetekben az Station ID., egyébként gy a NAV számításhoz időtartam Address Fields max. 4 címet tartalmazhat a ToDS-tõl és a FromDS bitektõl függõen: Address-1 mindig g a Recipient p Address, Address-2 mindig ga T Transmitter itt Address Add Address-3 a legtöbb esetben a maradék hiányzó cím. Egy keretben ahol FromDS=1, Address-3 az eredeti Source Address ha a keretben ToDS=1, Address,ha ToDS=1 akkor Address 3 a célcím célcím. Address-4 speciális esetekben használják, amikor Wireless Distribution System-t alkalmaznak és az éppen adás alatt levõ keretet egyik Ap Ap-tõl tõl a másiknak küldik. Ilyen esetben mind ToDS=1 és FromDS=1, így az eredeti cél és forrás cím is hiányzik.
Keret típusok Sequence Control A Sequence Control Field mutatja a egyazon kerethez tartozó különbözõ fragmentek sorrendjét és segít a csomagduplikációk felismerésében. Két almezõt tartalmaz, Fragment Number és Sequence Number, melyek megadják a keret és a fragment sorszámát á át a kkeretben. tb CRC A CRC 32 bites mezõ 32-bites Cyclic Redundancy Checkt (CRC) tartalmaz.
További verziók új fizikai rétegek a nagyobb sebességért 802.11a: 5.15-5.25 GHz, 5.25-5.35 GHz és 5.725-5.825 ISM sávban á b OFDM átvitel: 52 alvivő, ebből 4 pilot, 48 hasznos, 20 MHz egy sáv 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, vagy 54 Mbps alvivőnként BPSK, QPSK, 16, 64-QAM azaz 1, 2, 4, 6 bit sebesség: kódolástól és modulációtól függő
További verziók 802.11b : legelterjedtebb verzió lett (ezt hívták először WiFinek) 1, 2, 5.5, 11 Mbps sebességek ugyanaz a sáv, DSSS, de CCK(Complementary Code Keying) segíti a sebesség növekedést CCK: 5.5 Mbps: 2 bit alapján kiválasztanak egy 8 chipes kódot, másik 2 bit modulálja. 11 Mbps: 6 bit alapján 8 bites kód, 2 bit modulálja 22 Mbps verzió: PBCC(Packet-based binary Convolutional Code) konvolúciós kód és 64 szintű moduláció együtt Code),
További verziók 802.11e: MAC változtatások, QoS biztosítására • document was approved in November 2000. The first draft was available in late 2001. • Aim to support both IntServ and DiffServ • The new standard is still in debate and unstable • Wireless Multimedia Enhancement (WME) • Subset of 802.11e to be implemented by the industry • New QoS mechanisms • EDCF (Enhanced DCF): prioritások többféle IFS és CW-k definiálásával (Arbitration Interframe Space (AIFS)) • packet bursting engedélyezett: több keret átvihető SIFS közökkel, egy max-ig • HCF (Hybrid Coordination Function): PCF és EDCF együtt • Backwardly compatible with the DCF and PCF
További verziók 802.11i: új biztonsági rendszer 802.11g: 802 11g: nagysebességű nagysebességű, szintén max 54 Mbps OFDM alapú szabvány, 20 MHz 2.4 GHz sávban CCK-OFDM vagy PBCC – OFDM keverék 802.11n: MIMO + 2*20 MHz sáv
