Hálózati technológiák és alkalmazások Vida Rolland 2012.04.12. 1
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 Nyílvános internetszolgáltatások (hotspot) Reptereken, szállodákban, internet-kávézókban Hálózati technológiák és alkalmazások 2 2012.04.12.
A 802.11 protokollkészlete Fizikai réteg Nagyjából az OSI fizikai rétegének felel meg Különböző verziókban különböző átviteli módszerek MAC alréteg Medium Access Control 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 Felsőbb rétegek MAC alréteg LLC alréteg Adatkapcsolati réteg 802.11 Infravörös 802.11 FHSS 802.11 DSSS 802.11a OFDM 802.11b HR-DSSS 802.11g OFDM Fizikai réteg Hálózati technológiák és alkalmazások 3 2011.04.12.
Fizikai réteg A 802.11-es szabvány (1997) három átviteli módszert rögzít a fizikai rétegben: Infravörös FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum DSSS Direct Sequence Spread Spectrum 802.11a, 802.11b (1999) - új eljárások, a nagyobb sávszélesség eléréséhez OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing HR-DSSS High Rate DSSS 802.11g (2001) - új OFDM modulációs változat, más frekvenciasávban Hálózati technológiák és alkalmazások 4 2012.04.12.
Infravörös átvitel Hasonló a televíziók távirányítójában lévő megoldáshoz Közvetlen rálátást nem igényel Előnyök: Egyszerű, olcsó megoldás Az infravörös jelek nem hatolnak át a falakon a különböző helységekben lévő cellák jól elkülönülnek egymástól Hátrányok 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 egy népszerű megoldás Hálózati technológiák és alkalmazások 5 2012.04.12.
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) 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 6 2011.04.12.
FHSS Hálózati technológiák és alkalmazások 7 2011.04.12.
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 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 Hátrányok Kis sávszélesség (1 Mb/s) Hálózati technológiák és alkalmazások 8 2011.04.12.
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-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 PRN 11 chips 11 Bit Barker Code: 10110111000 Hálózati technológiák és alkalmazások 9 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 2011.04.12.
DSSS 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 Hálózati technológiák és alkalmazások 10 2011.04.12.
802.11a (Wi-Fi5) 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 átvivendő 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 Hálózati technológiák és alkalmazások 11 2008.04.15.
802.11b (Wi-Fi) Wireless Fidelity Vezetéknélküli torzításmentesség Ez az első 802.11x szabvány Nem a 802.11a utóda, egyszerre fejlesztették őket HR-DSSS High Rate Direct Sequence Spread Spectrum Hatékonyabb moduláció mint a hagyományos DSSS-ben 4 átviteli sebesség a 2,4 GHz-es sávban 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 Hálózati technológiák és alkalmazások 12 2012.04.12.
802.11g 2001-ben fogadták el OFDM-et használ (mint a 802.11a) A 2,4 GHz-es ISM tartományban (mint a 802.11b) Ugyanúgy érzékeny az interferenciákra 54 Mb/s-os adatátviteli sebesség A jelenlegi legjobb WLAN technológia Viszont nagyon sok telepített 802.11b hálózat, eszköz létezik Ameddig ezek beszerzési költsége amortizálódik, nem terjed olyan könnyen Hálózati technológiák és alkalmazások 13 2012.04.12.
Ad-hoc mód 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 Hálózati technológiák és alkalmazások 14 2008.04.15.
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 Elosztó hálózat AP1 AP2 BSS-A BSS-B Hálózati technológiák és alkalmazások 15 2008.04.15. ESS
802.11b csatornák Milyen frekvencián kommunikáljunk a cellán belül? 802.11b a 2.4 GHz-es ISM sávban 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 Hálózati technológiák és alkalmazások 16 2008.04.15.
802.11b csatornák Kis cellákat alakítunk ki Minden szomszédos cella más-más frekvencián kommunikál A cellákban használt frekvenciák nem fedik egymást 1 6 11 11 1 Hálózati technológiák és alkalmazások 17 2008.04.15.
802.11b csatornák A csatornák az adóvevők által használt központi frekvenciát jelentik Pl. 2,412 GHz az 1. csatorna, 2,417 GHz a 2. csatorna Csak 5 MHz eltérés a központi frekvenciák között A 802.11b jel kb. 30 MHz-es spektrumot fed le 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 Használhatjuk pl. az (1, 6, 11) kombinációt Hálózati technológiák és alkalmazások 18 2012.04.12.
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 SNR Signal to Noise Ratio Hálózati technológiák és alkalmazások 19 2012.04.12.
802.11 MAC alréteg 20
ALOHANET Hawaii 70-es évek elején nem volt telefonhálózat 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 Két frekvencián üzemelt Egy a lefele, egy a felfele menő adatoknak Lefele csak a központ küldött, nem volt gond Felfele versenyhelyzet, többen használták ugyanazt a csatornát Ha sikerült elküldeni valamit, a központ visszaküldte a csomagot a másik csatornán Ha nem jött vissza, a csomag valószínűleg elveszett Újra próbálkozott Alacsony terhelés mellett egész jó, nagy upstream terhelés mellett szinte használhatatlan Hálózati technológiák és alkalmazások 21 2012.04.12.
Aloha vs. Slotted Aloha Hálózati technológiák és alkalmazások 22 2012.04.12.
Carrier Sense Multiple Access -CSMA Először ellenőrzi, hogy van-e adás, és csak akkor küld ha nincs Különböző verziók 1-perzisztens Ha foglalt a csatorna, addig hallgatja folyamatosan, ameddig felszabadul, és akkor elküld egy keretet Ha ütközés, véletlen ideig vár, majd újra próbálkozik p-perzisztens 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 Ha foglalt a csatorna, nem hallgatja folyamatosan, hanem vár egy véletlen ideig, és utána próbálkozik újra Hálózati technológiák és alkalmazások 23 2012.04.12.
802.11 MAC alréteg Vezeték nélküli környezetben a CSMA nem működik Rejtett állomás problémája Nem minden állomás tartózkodik az összes többi vételkörzetében C ad a B-nek A nem hall semmit a csatornán Ő is elkezd adni B-nek C rádiójának hatósugara A B C adása C Hálózati technológiák és alkalmazások 24 2008.04.15.
Látható állomás problémája 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 A B C A adása Hálózati technológiák és alkalmazások 25 2008.04.15.
DCF vs. PCF Két másik megoldás: DCF Distributed Coordination Function Nem használ központi vezérlést Minden megvalósításnak támogatnia kell PCF Point Coordination Function A bázisállomás segítségével vezényel minden tevékenységet a cellában Támogatása opcionális Hálózati technológiák és alkalmazások 26 2012.04.12.
802.11 DCF CSMA/CA-t használ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA ütközéselkerüléssel Hálózati technológiák és alkalmazások 27 2012.04.12.
MACAW 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 A rádiójának hatósugara B rádiójának hatósugara C A B D Hálózati technológiák és alkalmazások 28 2008.04.15.
MACAW 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 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 A CTS B D Hálózati technológiák és alkalmazások 29 2008.04.15. ACK
MACAW C hallja A-t, megkaphatja az RTS keretet Rájön, hogy nemsokára valaki adatokat fog küldeni Eláll adatküldési szándékától, amíg az üzenetváltás véget nem ér Hogy mikor lesz vége tudja az ACK időzítőből Foglaltra állít magának egy virtuális csatornát 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 C A RTS NAV Adat B CTS ACK NAV D Idő Hálózati technológiák és alkalmazások 30 2008.04.15.
Fragment burst 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 C Más megoldásokkal egy teljes részlöket átküldhető ütközés nélkül NAV Részlöket A RTS 1. rész 2. rész 3. rész B CTS ACK ACK ACK NAV D Idő Hálózati technológiák és alkalmazások 31 2008.04.15.
802.11 PCF A bázisállomás vezérli a kommunikációt Nincsenek ütközések Körbekérdezi a többi állomást, hogy van-e elküldésre váró keretük A szabvány csak a körbekérdezés menetét szabályozza Nem szabja meg annak gyakoriságát, sorrendjét Nem írja elő, hogy minden állomásnak egyenlő kiszolgálásban kell részesülnie A bázisállomás periódikusan elküld egy beacon frame-et 10-100 beacon/s Rendszerparamétereket tartalmaz 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 Kíméli az állomások akkumulátorát A bázisállomás puffereli a készenléti állapotban lévőknek szánt kereteket Hálózati technológiák és alkalmazások 32 2008.04.15.
PCF vs. DCF 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 SIFS Itt lehet elküldeni a vezérlőkeretet vagy a következő részkeretet ACK Hálózati technológiák és alkalmazások 33 2012.04.12. Idő
PCF vs. DCF 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 mohó felhasználókkal versengenie érte SIFS Itt lehet elküldeni a vezérlőkeretet vagy a következő részkeretet Itt lehet elküldeni a PCF kereteket PIFS ACK Hálózati technológiák és alkalmazások 34 2012.04.12. Idő
PCF vs. DCF DIFS DCF Inter-Frame Spacing DCF keretek közti időköz 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 ACK SIFS Itt lehet elküldeni a vezérlőkeretet vagy a következő részkeretet Itt lehet elküldeni a PCF kereteket PIFS DIFS EIFS Itt lehet elküldeni a DCF kereteket Itt kezdődhet a hibás keretek javítása Id ő Hálózati technológiák és alkalmazások 35 2008.04.15.
Hotspot Egy adott földrajzi terület, ahol egy hozzáférési pont segítségével publikus szélessávú internet hozzáférést biztosítanak mobil felhasználók számára egy WLAN-on keresztül Általában forgalmas helyeken reptér, pályaudvar, bevásárlóközpont, könyvtár, szállodák, stb. Viszonylag kis területek Hotspot keresők Hálózati technológiák és alkalmazások 36 2008.04.15.
Hotspot-ok Magyarországon Hotspotter.hu Magyarországi hotspot adatbázis > 1100 hotspot, >120 városban 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: 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) Hálózati technológiák és alkalmazások 37 2012.04.12.
Hotspot-ok Budapesten Hálózati technológiák és alkalmazások 38 2012.04.12.
WLAN rendszerek külföldön MobileStar 1996-ban alapították Az egyik első hotspot üzemeltető 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 2004-ben a McDonalds a Wayport-ot bízza meg egy WiFi hálózat kiépítésével A Cometa bezár Hálózati technológiák és alkalmazások 39 2012.04.12.
Wayport hálózat Több mint 12.000 hotspot, 35 országban Hálózati technológiák és alkalmazások 40 2008.04.15.
Boingo WLAN rendszerek külföldön A világ (egyik) legnagyobb hotspot szolgáltatója Több mint 100.000 hotspot Több mint 10.000 Angliában és Oroszországban Magyarországon 143 $21.95 korlátlan havi előfizetés ipass 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. Hálózati technológiák és alkalmazások 41 2008.04.15.