Hálózati architektúrák és rendszerek

Átírás

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

2 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 Áramkörkapcsolt hálózatok PSTN, ISDN, 2. generációs cellás mobil-rendszerek Kapcsolat-orientált hálózatok SDH Synchronous Digital Hierarchy ATM Asynchronous Transfer Mode MPLS Multi-Protocol Label Switching 3. generációs mobil rendszerek Optikai kommunikáció Alapok Wavelength routing és csomagkapcsolás 2

3 A tárgy felépítése (2) Hozzáférési hálózatok: xdsl FTTx, xpon CATV Szélesávú vezetéknélküli hozzáférés (BWA Broadband Wireless Access) Áttekintés PAN, Bluetooth WiFi WiMAX Újgenerációs hálózatok (NGN Next Generation Networks) A távközlési megközelítés NGN a mobil világban: 4G vagy B3G (Beyond-3G) Tervezési kérdések Összefoglalás, tartalék 3

4 Hozzáférési hálózatok Access network a hálózati topológián belül a felhasználói rendszereket a távközlő hálózattal összekötő hálózatrész Gyakran: first mile/last mile network Klasszikus felosztás: access plusz a felhasználói hálózat distribution CPE Customer Premises Networks core v. backbone Jellegzetességei: 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 rézvezetéken optikán (fényvezetőn) vezetéknélküli techológiákon (rádiócsatornán) 4

5 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

6 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

7 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

8 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 PON passive optical network APON, WPON, EPON (Az EFM Ethernet in the First Mile, IEEE802.3ah alesete) 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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 Wireless PAN IEEE Wireless LAN IEEE Wireless MAN IEEE Wireless MAN w/mobility ETSI megfelelők: HiperLAN, HiperMAN 13

14 BWA-rendszerek: adatsebesség és lefedési területek Távolság, m G mobil 3G mobil WMAN 100 WLAN 10 WPAN adatsebesség 1 10k 100k 1M 10M 100M 1Gbit/s 14

15 IEEE WLAN Wireless Local Area Network A legelterjedtebb WLAN megoldást az IEEE szabvány definiálja Más megoldások: HiperLAN, HomeRF Mire jó? Épületen belüli WLAN-ok Épületek közötti összeköttetés Otthoni alkalmazás Vezetéknélküli kiterjesztése az otthoni szélessávú előfizetésnek Nyilvános Internetszolgáltatások (hotspot) Reptereken, szállodákban, internet-kávézókban Egyszerű alternatíva szélessávú internetezésre ott ahol vezetékes szolgáltatás (pl. ADSL) nem lehetséges Hálózati technológiák és alkalmazások

16 Az IEEE család c (2002. dec.) GHz 70 Mbit/s-ig, 50 km-ig a (2003. jan.) 2-11 GHz, LOS, NLOS 100 Mbit/s-ig 20 MHz-es csatornákon, 6-8 km cellasugárral b az 5 GHz engedélymentes sávban való működésre d, másnéven Magában foglalja a 16a-t és a 16c-t e (2004. szept.) mobilitás-támogatás átfedés a szal f, g (2004. aug.) hálózat-menedzsment Megj.: az ETSI HiperMAN = a részhalmaza (256 OFDM PHY) 16

17 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

18 Az IEEE.802.xx BWA-k architektúrája LLC WLAN WPAN WMAN 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

19 Personal Area Networks Wireless WPAN IEEE (Bluetooth) II. Harald Blaatand ( Kékfogú ) i.sz 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

20 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 nek Célkitűzések: olcsó eszközök (1-2 cm-es modul, pár $) rövidtávú kommunikáció (10 m) max. 1 Mbit/s IEEE szabvány (2002) Csak a fizikai és adatkapcsolati réteg

21 Hálózatszervezés, kommunikáció 1. piconet 2. piconet S S S M S M S S S Max. 7 aktív S (255 parkolt) Bridge-slave 21

22 Piconet-ek Helyi hálózat (LAN) Bluetooth hozzáférési pont 22

23 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

24 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

25 Bluetooth profilok Általában a hálózati protokollok csak csatornákat adnak a kommunikáló eszközök számára Nem szabják meg hogy mire használják azokat A Bluetooth SIG specifikáció más 27 konkrét támogatandó alkalmazást (profile-t) nevez meg Újabb és újabb profile-ok jelennek meg GAP Generic Access Profile 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) LAP LAN Access Profile A versenytársa Lehetővé teszi, hogy egy Bluetooth eszköz csatlakozzon a vezetékes hálózathoz Hálózati technológiák és alkalmazások

26 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

27 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

28 Architektúra (1) 28

29 Architektúra (2) Nem szabványos architektúra Transport protocols és a magasabb rétegbeli protokollok ( middleware protocols ) Transport protocols Radio (fr. sáv, rádiós jellemzők, adatsebességek, duplexelés, FH jellemzői Baseband (hálózatszervezés és kommunikáció) Link manager protocol (authentikáció, titkosítás) Logical Link Control & Adaptation Protocol (L2CAP) csomaginterfész a felső rétegek felé Middleware protocols SDP - Service Discovery Protocol RFCOMM soros interfész (RS232) TCS Telephony Control Signaling: modem vezérlő jelek 29

30 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

31 FHSS (frekvenciaugrásos szórt spektrum) 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 Jól használható nagyobb távolságok áthidalására, épületek közötti kapcsolatok kiépítésére Hátrányok Kis sávszélesség (1 Mb/s)

32 FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum (frekvenciaugrásos szórt spektrum) 2.4 GHz-s ISM sávban 79 db 1 MHz-es csatorna GHz és GHz között (Európa, USA) 23 db csatorna GHz és GHz között (Japán) Álvéletlenszám generátorral előállított frekvencia ugrássorozatok Ha két állomás ugyanazt a kezdőértéket (seed) használja, akkor ugyanazokat a frekvenciakat fogjak egyszerre végigjárni Hálózati technológiák és alkalmazások 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, 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

33 Nagysebességű PAN-ok -> IEEE Célkitűzés: média-kommunikáció digitális kamera tv, MP3 ide-oda, videójátékok 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 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) 33

34 Az UWB helye G mobil 3G mobil WMAN UWB 100 WLAN 10 WPAN UWB alapú PAN 1 10k 100k 1M 10M 100M 1Gbit/s 34

35 Szélessávú vezetéknélküli hozzáférési technikák: összehasonlítás 35

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