Bezprzewodowe sieci LAN

Transkrypt

1 Bezprzewodowe sieci LAN Bezprzewodowe sieci LAN Klasyfikacja i przegląd Józef Woźniak Katedra Teleinformatyki Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej

2 Wymagania stawiane systemom transmisji danych Wzrost szybkości przekazu Poprawa jakości transmisji Wspieranie uŝytkowników mobilnych ZróŜnicowanie jakości obsługi róŝnych klas ruchu i czas przekazu Wideo TECHNOLOGIE ROZWIJAJĄ SIĘ POD WPŁYWEM RYNKU

3 Rynek sieci bezprzewodowych Popularyzacja: 10 krotny spadek cen w ciągu ostatnich 3 lat, Nowe technologie: UWB WiMAX Nowe usługi: ugi: ABC Nowe zastosowania: mobilne płatnop atności

4 Ponad 300 instalacji w obszarze 3 km 2.

5 Zalety sieci bezprzewodowych Mobilność swoboda poruszania Elastyczność i skalowalność łatwa modyfikacja; niewielkie koszty rozbudowy Szybkość i prostota instalacji - brak konieczności układania kabli Redukcja kosztów

6 Wady technologii bezprzewodowych Niewielkie przepływności mała szybkość transmisji ograniczone pasmo, silne tłumienie sygnału i rozpraszanie energii, szumy i zakłócenia zewnętrzne, wielodrogowość Niski poziom bezpieczeństwa podsłuch, celowe zakłócenia, nieautoryzowany odbiór, nieokreślony zasięg sieci

7 Klasyfikacja sieci bezprzewodowych Osobiste (Pesonal Area Networks PAN), Lokalne (Local Area Networks LAN), Metropolitalne (Metropolitan Area N. MAN), Rozległe (Wide Area Networks WAN), Regionalne (Regional Area Networks RAN), ZłoŜone: one: Homogeniczne, Heterogeniczne.

8 Klasyfikacja technologii sieci bezprzewodowych

9

10 Sieci WPAN SłuŜą wzajemnej komunikacji urządze dzeń na odległość do kilku metrów. Mogą zostać uŝyte do: Łączenia ze komputerem urządze dzeń peryferyjnych, Komunikacji między osobistymi urządzeniami elektronicznymi (np. telefonem komórkowym i zegarkiem), Wymiany danych pomiędzy urządzeniami osobistymi i infrastrukturą otoczenia (np( np. palmtopem i samochodem).

11 Wizja sieci osobistej WPAN (Wireless Personal Area Network)

12 Sieci WLAN Zapewniają łączno czność bezprzewodową na odległość do m. Znane sąs przypadki komunikacji na odległość kilkudziesięciu kilometrów. Mogą słuŝyć jako: sieci dostępowe, łącza punkt-punkt, punkt, sieci lokalne peer-to to-peer.

13 Sieci WMAN Pozwalają na transmisje na maksymalną odległość od kilku do kilkudziesięciu kilometrów. Są wykorzystywane jako: sieci dostępowe, sieci szkieletowe, awaryjne systemy łączno czności. ci.

14 ZłoŜone one sieci bezprzewodowe Systemy heterogeniczne integracja sieci, integracja usług. ug. WMAN BS Intersieć Rozległa sieć szkieletowa (WAN) Sieci satelitarne Sieci homogeniczne korporacyjne sieci dostępowe, osobiste, lokalne i metropolitalne sieci mesh. WLAN AP WPAN PDA Laptopy Telefony Sieci komórkowe (WWAN)

15 WPAN WPAN Wireless Personal Area Network bezprzewodowa sieć osobista Dostęp p do danych i usług ug oferowanych przez urządzenia w bezpośrednim otoczeniu Technologie: Bluetooth IrDA UWB RFID NFC ZigBee

16 WLAN/WPAN rys historyczny

17 Bluetooth Bluetooth IEEE Wersja 1.2: 1 Mb/s modulacja GFSK Wersja 2.0: 2 Mb/s modulacja /4-DQPSK 3 Mb/s 8DPSK, wsparcie technologii NFC Wersja 2.1: Przyszłość ść: kanały rozgłoszeniowe oszeniowe,, zarządzanie topologią, alternatywne rozwiązania zania warstwy fizycznej i łącza danych

18 Bluetooth/IEEE Bluetooth Core Specification Version EDR (Enhanced Data Rate) listopad wprowadzenie większej szybkości transmisji danych 2.1 Mb/s pod nazwą EDR (Enhanced Data Rate) - skrócenie czasów odpowiedzi urządzeń - zmniejszenie zuŝycia energii o połowę - zmniejszenie BER (Bit Error Rate) - zwiększenie moŝliwości tworzenia połączeń grupowych pomiędzy wieloma uŝytkownikami

19 IrBURST IrDA transmisja mediów w cyfrowych zdjęcia, muzyka, filmy krótkotrwa tkotrwała a transmisja (rzędu kilkunastu sekund) wysoka przepływno ywność (100 Mb/s, w przygotowaniu do 500 Mb/s) IrFM Infrared Financial Messaging płatności takie jak bony, kupony, mikropłatno atności IrSC Simple Connect transmisja ciągła a zdjęć cyfrowych do telewizorów, w, projektorów

20 UWB UWB Ultra Wide Band DS-UWB Direct Spectrum UWB transmisja w bardzo szerokim pasmie (3,1 4,85 GHz i 6,2 9,7 GHz) przepływno ywność Mb/s (obecnie 200 Mb/s) MB-OFDM Mulit Band OFDM pasmo podzielone na podzakresy o szerokości 528 MHz transmisja realizowana na częś ęści podzakresów w (3 14) kaŝdy podzakres podzielony na 128 podkanałów o szerokości 4,125 MHz,, w którym stosowana jest modulacja OFDM przepływno ywność Mb/s zastosowania: transmisja danych multimedialnych

21 UWB (Ultra Wide Band)/IEEE a Platforma dla przyszłych zastosowań - Wireless USB - UPnP - FireWire zasięg kilka metrów szybkość transmisji do 480 Mb/s (HR-WPAN) problemy ze standaryzacją dwie koncepcje DS-UWB i MB-OFDM

22 RFID RFID Radio Frequency Identification transmisja danych identyfikacyjnych towarów rodzaj asortymentu, numer partii identyfikatory mogą być pasywne lub aktywne zastosowanie w transporcie, spedycji, produkcji MoŜliwa praca w trzech pasmach < 100 MHz > 100 MHz UHF ( MHz)

23 NFC NFC Near Field Communication rozwinięcie technologii RFID praca w nielicencjonowanym paśmie 13,56 MHz komunikacja urządze dzeń w odległości 0 20 cm przepływno ywność kb/s aplikacje zbliŝone do IrFM mikropłatno atności,, identyfikacja, wiadomości tekstowe

24 NFC (Near Field Communications) Rozwiązanie skierowane do konsumentów elektroniki uŝytkowej Proponowane są 4 grupy rozwiązań uŝytkowych Touch and Go - bilety, wejściówki Touch and Confirm - transakcje na hasło Touch and Connect - transfer danych Touch and Explore - wybór informacji

25 NFC e-bilet promocje 120,78zł NFC zapłata NFC konfiguracja SKLEP reklamy

26 NFC (Near Field Communications) Urządzenia NFC pracują w paśmie MHz i oferują szybkości przekazu 106, 212 i 424 kb/s Po utworzeniu połączenia (zbliŝenie urządzeń na odległość 0-20 cm) dalsza wymiana moŝe być prowadzona zgodnie z zasadami Bluetooth bądź IEEE

27 IEEE praca ukierunkowana w stronę oszczędno dności energii przepływno ywność rzędu 250 kb/s zastosowania: rozproszony monitoring (sieci sensorowe typu ad hoc hoc) automatyka domowa (sterowanie urządzeniami powszechnego uŝytku) u

28 Przykład sieci WPAN WLAN WPAN

29 Sieć LR-WPAN - Pasma częstotliwości i szybkości pracy: MHz - 20 kb/s MHz - 40 kb/s MHz kb/s - Sieci sensorowe o niewielkiej przepływności, charakteryzująca się bardzo niskim poborem energii oraz nieskomplikowaną i tanią budową (wymiana baterii co 6-24 miesiące) - Standard zaprojektowany do obsługi aplikacji krytycznych czasowo: - czas rejestracji urządzenia 100 razy krótszy niŝ w Bluetooth - czas reakcji 200 razy krótszy niŝ w Bluetooth ZigBee/IEEE

30 rozwinięcie standardu IEEE w kierunku warstw modelu OSI wyŝszych niŝ 2 kontrola topologii sieci ZigBee

31 Aplikacje WPAN niska przepływno ywność wysoka przepływno ywność

32 Porównanie sieci WPAN IrDA Bluetoot h UWB ZigBee NFC Maksymalna przepływność 16 MB/s 2.1 MB/s 480 Mb/s 250 kb/s 424 kb/s Maksymalny zasięg < 2 m < 70 m 110 Mb/s 200 Mb/s < 30 m < 20 cm Pasmo światło 868 MHz nm 2.4 GHz GHz 915 MHz 2.4 GHz MHz

33 Hotspoty Miejsca uŝyteczności publicznej np. kawiarnie, biblioteki, hotele, centra kongresowe, itp.

34 Technologia WiFi (IEEE Do niedawna: ) Zasoby: przepływno ywność do 54 Mbps. Efektywność ść: dostęp p rywalizacyjny i opcjonalny tryb dostępu kontrolowanego (PCF). Zasięg: : m (sieci dostępowe powe: : m, łącza PtP: : 10+ km). Niezawodność ść: zawodne. Bezpieczeństwo stwo: fałszywe. Zarządzanie dzanie: Brak mechanizmów w monitoringu i zarządzania. Quality of Service: : Brak mechanizmów QoS. Brak wsparcia dla tworzenia systemów w złoŝonych. z onych.

35 Standard IEEE IEEE THE WLAN STANDARD was original 1 Mbit/s and 2 Mbit/s,, 2.4 GHz RF and IR standard (1997). IEEE a - 54 Mbit/s,, 5 GHz standard (1999, shipping products in 2001) IEEE b - Enhancements to to support 5.5 and 11 Mbit/s (1999) IEEE e - Enhancements: QoS,, including packet bursting (2005) IEEE g - 54 Mbit/s,, 2.4 GHz standard (backwards compatible with b) (2003) IEEE i - Enhanced security (2004) IEEE k - Radio resource measurement enhancements (proposed ?) IEEE n - Higher throughput improvements using MIMO (multiple input, multiple output antennas) (September 2008) IEEE p - WAVE - Wireless Access for the Vehicular Environment (such as ambulances and passenger cars) (working ?) IEEE r - Fast roaming Working "Task Group r" ? IEEE s - ESS Extended Service Set Mesh Networking (working ?) IEEE T - Wireless Performance Prediction (WPP) - test methods and metrics Recommendation (working ?) IEEE u - Interworking with non-802 networks (for example, cellular) (proposal evaluation -?) IEEE v - Wireless network management (early proposal stages -?) IEEE w - Protected Management Frames (early proposal stages ?) IEEE A new release of the standard. Includes amendments a, b, d, e, g, h, i & j. (July 2007)

36 WiFi/IEEE

37 IEEE

38 Bezprzewodowe sieci LAN Bezprzewodowe sieci LAN Ogólna charakterystyka Józef Woźniak Katedra Teleinformatyki Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej

39 Pasma częstotliwo stotliwości systemów w radiowych i optycznych AM radio S/W radio TV FM radio TV GSM Pasmo ISM MHz GHz GHz LF MF HF VHF UHF SHF EHF 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 100mm ν λ ν 1 khz 1 MHz 1 GHz 1 THz 1 PHz 1 EHz IR Prom. X widzialne UV Prom. Gamma Charakterystyki propagacyjne są odmienne w poszczególnych pasmach częstotliwości

40 Pasma nielicencjonowane (USA) λ 33cm 12cm 5cm 26 MHz 83.5 MHz 125 MHz 902 MHz 928 MHz 2.4 GHz GHz GHz GHz Bezprzewodowe telefony baby monitors WaveLan b Bluetooth mikrofalówki a

41 Systemy radiowe: Radiowe Sieci LAN (RLAN) Zalety: Wykorzystywanie pasm nielicencjonowanych => głównie: GHz, GHz Łatwy dostęp do kanału i zasobów sieci MoŜliwość komunikacji z/pomiędzy uŝytkownikami ruchomymi Łatwość rozbudowy Prostota instalacji bez konieczności okablowywania Skalowalność sieci MoŜliwy duŝy zasięg Wady: Ograniczoność pasma Wymagane dodatkowe wyposaŝenie sprzętowe DuŜe wymagania odnośnie kompatybilności elektromagnetycznej DuŜe rozpraszanie energii, wysoki poziom zakłóceń

42 Jednokomórkowa sieć WLAN ad-hoc obligatoryjna organizacja sieci moŝliwa transmisja wyłącznie w trybie asynchronicznym BSS grupa stacji w komórce BSA obszar obsługi komórki BSS (Basic Service Set) BSA (Basic Service Area)

43 Wielokomórkowa sieć WLAN o stałej architekturze DS (Distribution System) sieć dystybucji informacji (przewodowa lub bezprzewodowa) AP (Access Point) punkt dostępu AP (Access Point) punkt dostępu BSS 1 BSS 2 BSA 1 BSA 2 moŝliwa transmisja zarówno w trybie asynchronicznym jak i synchronicznym

44 Przemieszczanie się stacji pomiędzy komórkami Analogia do telefonów komórkowych Nieprzerwana komunikacja Roaming Wybór najsilniejszego sygnału

45 Optyczne Sieci LAN (OSLAN) Systemy optyczne z zakresu podczerwieni: Zalety: Szeroki uŝytkowy zakres widma - nawet do 200 THz Niewielkie lub Ŝadne zaniki sygnałów wynikające z wielodrogowości transmisji Wysoka odporność na interferencje elektromagnetyczne Wady: DuŜa wraŝliwość na zakłócenia z zakresu promieniowania widzialnego Wysoka tłumienność jednostkowa (od 1 do 10 db/km) Niewielki zasięg sygnałów

46 Bezprzewodowe sieci LAN Bezprzewodowe sieci LAN ZagroŜenia bezpieczeństwa i modele propagacji w WLAN Józef Woźniak Katedra Teleinformatyki Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej

47 Krótka charakterystyka systemów bezprzewodowych Systemy łączności bezprzewodowej wykorzystują wspólny kanał transmisyjny. Wzrost przepustowości w systemie WLAN jest trudniejszy niŝ w sieci przewodowej. Na propagację w systemie WLAN wpływ mają: Tłumienie spowodowane opadami czy przeszkodami Refrakcja Dyfrakcja Odbicia W WLAN (Wireless Local Area Network) wykorzystuje się dwa rodzaje mediów transmisji bezprzewodowej: Promieniowanie optyczne z zakresu poczerwieni Fale radiowe

48 Ilustracja podstawowych zagroŝeń bezpieczeństwa w sieci WLAN a. Przypadkowe zakłócenie/interferencja (interference) T R b. Nieautoryzowany odbiór/podsłuch (interception) c. Celowe zakłócenie lub nieautoryzowany dostęp (falcification) T a) b) R T R c)

49 Propagacja w kanale radiowym W kanale radiowym obserwujemy róŝne zjawiska, które w znaczący sposób wpływają na charakterystykę kanału. Są to: odbicia sygnału radiowego, dyspersja (rozpraszanie) sygnału, ugięcie (dyfrakcja) sygnału, wielodrogowość propagacji, zjawiska związane z efektem Dopplera.

50 Propagacja sygnału w wolnej przestrzeni Model propagacji w wolnej przestrzeni uŝywany jest do oceny mocy sygnału w warunkach istnienia linii bezpośredniej widoczności (LOS Line-Of-Sight): łączność satelitarna, transmisja typu punkt-punkt.

51 Propagacja sygnału w kanałach rzeczywistych Propagacja w kanałach rzeczywistych, róŝni się znacznie od propagacji w wolnej przestrzeni. Moc odebrana P r maleje proporcjonalnie do 1/d α, gdzie 2<α<5 zaleŝy od środowiska propagacyjnego Większe tłumienie sygnału związane jest ze zjawiskami, których nie uwzględniono w przypadku wolnej przestrzeni, a których nie moŝna pominąć.

52 Propagacja, a uwarunkowania środowiskowe Zasięgi radiowe w przykładowych materiałach: 1. Powietrze (brak przeszkód) 2. Drewno (ścianka działowa, parkiet) 3. Cegła (ścianka działowa, wysoki mur) 4. Tworzywa sztuczne (pleksi, panele) 5. Szkło (szyby, ścianki działowe) 6. Kamień (posadzka, ściana) 7. Cement (podłoga, ściana) 8. Szyba hartowana (okna) 9. Metal, Ŝelbeton (drzwi, stropy, ściany)

53 Wielodrogowość

54 Dyspersja sygnału Propagacja wielościeŝkowa h c ( t) = K 1 k = 0 α δ ( t k τ ) k α k waga trasy z uwzględnieniem wartości energetycznych τ 0 = 0 znormalizowane względne opóźnienie na trasie bezpośredniej Powstawanie interferencji międzysymbolowych (inter-symbol interference ISI) Narzut opóźnienia powodujący interferferencje w środowiskach miejskich jest rzędu 40ns 200ns Tłumienie niektórych częstotliwości zjawisko zaniku

55 Interferencje międzysymbolowe Wysłana sekwencja (101101) Sygnał odebrany