Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Automatyka i Robotyka Studia stacjonarne I stopnia: rok I, semestr II

Transkrypt

1 SIECI KOPMPUTEROWE I TECHNOLOGIE INTERNETOWE (SKiTI) Wykład 9 Sieci WLAN - WiFi Opracowanie: dr inż. Tomasz Rutkowski Katedra Inżynierii Systemów Sterowania Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Automatyka i Robotyka Studia stacjonarne I stopnia: rok I, semestr II SKiTI

2 Plan Wykładu 1. Komunikacja bezprzewodowa 2. Wybrane standardy z rodziny Struktury sieci WLAN 4. Działanie protokołu Standard a bezpieczeństwo SKiTI

3 Komunikacja bezprzewodowa Główne obawy użytkowników komunikacji bezprzewodowej: teoretyczna możliwość przechwycenia transmisji bezprzewodowej (nieuprawniony i niepożądany dostęp do łącza komunikacyjnego) sabotaż Działania firm wprowadzających nowe technologie: pokazy sprawnie działających urządzeń i sieci, wykorzystujących technologię bezprzewodową przedstawianie dowodów, że sygnał informacyjny jest wystarczająco silny, że przesyłane dane nie ulegają przekłamaniu, że efektywne algorytmy kodowania informacji SKiTI

4 Przykłady wykorzystania transmisji bezprzewodowej Systemy informowania pasażerów na bieżąco o czasie przyjazdu tramwajów i autobusów Systemy sterowania pomp z wysięgnikiem do rozlewu betonu Hydrologiczne i meteorologiczne systemy telemetryczne (np. polski system SMOK) Zdalne monitoring procesów oraz ich parametrów (np. monitoring stanu pracy pomp w sieci wodociągowej) SKiTI

5 Przykłady wykorzystania transmisji bezprzewodowej Bezprzewodowe odczyty pomiarów liczników energii elektrycznej (ENERGA) Bezprzewodowe odczyty z oksymetrów (urządzeń do bezinwazyjnego określania poziomu hemoglobiny we krwi, na podstawie jej nasycenia tlenem) Połączenia w ramach pól aktywnych (ang. hotspot) ) instalowanych w kawiarniach, hotelach, centrach konferencyjnych, kampusach, parkach itp... SKiTI

6 Komunikacja bezprzewodowa przykładowe technologie o małym zasięgu (do kilkunastu metrów) o średnim zasięgu (do kilkudziesięciu/kilkuset metrów) o dużym zasięgu (od kilku do setek/tysięcy kilometrów) SKiTI

7 Komunikacja bezprzewodowa przykładowe technologie o małym zasięgu np.: IrDA, Bluetooth, Wibree (Bluetooth ultra low power) o średnim zasięgu np.: HomeRF, WiFi, ZigBee o dużym zasięgu np.: radiomodemy, sieci telefonii komórkowej SKiTI

8 Komunikacja bezprzewodowa media transmisyjne Rodzaje stosowanych łączy bezprzewodowych: Podczerwone Radiowe Mikrofalowe Ultradźwiękowe Laserowe SKiTI

9 Widmo promieniowania elektro-magnetycznego źródło: A fale akustyczne B fale radiowe C mikrofale D podczerwień E światło widzialne F ultrafiolet Promieniowanie: G rentgenowskie H gamma SKiTI

10 Pasmo ISM ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical): ISM to pasmo radiowe przeznaczone dla zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych ISM jest pasmem nielicencjonowanym Przykładowe przedziały: 2,4 GHz 2,5 GHz 5,7 GHz 5,8 GHz Urządzenia radiowe pracujące w tych zakresach muszą stosować rozpraszanie widma sygnału Moc nadajnika nie może być większa niż 1W (USA), 100mW (Europa), 10mW (Japonia) SKiTI

11 Pasmo 2 GHz i 5 GHz wykorzystywane są: sieci WLAN, WPAN do komunikacji radiowej między instytucjami bezpieczeństwa publicznego t.j.. policja, straż do zbierania danych za pomocą radarów naziemnych i morskich (systemy radiolokacyjne)... i wiele innych... SKiTI

12 Wybrane standardy transmisji bezprzewodowej Porównanie wybranych standardów: IrDA Bluetooth IEEE IEEE b IEEE a IEEE g IEEE n IEEE ac Zasięg 1 m 10 m 60 m 100 m 75 m 100 m > 100 m > 100 m Max. Szybkość transmisji 4 Mb/s 1 Mb/s 2 Mb/s 11 Mb/s 54 Mb/s 54 Mb/s 600 Mb/s 1,3 Gb/s Medium pod-czerwień fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe Dł. fali / nm 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz 5 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz lub 5 GHz 5 GHz Częstotliwość Wrażliwość na zakłócenia duża średnia średnia mała średnia duża średnia mała Data zatwierdzenia SKiTI

13 Nr kanału Kanały w standardach: b i g (2,4 GHz) Częstotliwość [MHz] Dostępne pasmo dzieli się na 14 nakładających się na siebie kanałów Częstotliwości środkowe kanałów oddalone są od siebie o 5 MHz Kanały 1, 6 i 11 nie pokrywają się Gdy w danej przestrzeni będą działały 3 sieci WLAN to aby wyeliminować możliwość wzajemnych zakłóceń, należy przydzielić im co piąty kanał SKiTI

14 l.p. Nr kanału Częstotliwość [MHz] Kanały w standardzie: n (5 GHz) Dostępne pasmo dzieli się na 19 odseparowanych kanałów Szerokość kanału 20MHz SKiTI

15 źródło: Kanały pasmach 2,4 GHz i 5 GHz SKiTI

16 Główne różnice pomiędzy standardami g i n MIMO (Multiple Input Multiple Output) - umożliwia transmisję zduplikowanych lub całkowicie różnych radiowych strumieni danych poprzez dwie, trzy lub nawet cztery anteny ale do jednego klienta (tzw. Single User MIMO) Scalanie kanałów - możliwość korzystania z pasma dwóch przyległych do siebie kanałów radiowych (szerokość 40 MHz) wraz z zarezerwowanym i niewykorzystywanym wcześniej pasmem pomiędzy nimi pozwala ponad dwukrotnie zwiększyć szybkość transmisji danych Agregacja ramek - po uzyskaniu dostępu do kanału nadajnik agreguje ramki, transmitując w ten sposób dłuższe pakiety niż ma to miejsce normalnie, poprawiając wydajność SKiTI

17 Główne różnice pomiędzy standardami n i ac MU-MIMO MIMO (Multi User Multiple Input Multiple Output) pozwala stacji bazowej na wysyłanie w tym samym czasie i w tym samym kanale radiowym wielu różnych strumieni danych przeznaczonych dla różnych klientów Scalanie kanałów - możliwość korzystania z kanałów o szerokości 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 160 MHz Rozwinięcie techniki modulacji - najbardziej złożona modulacja 64 QAM standardu n zostaje podniesiona do 256 QAM w standardzie ac SKiTI

18 źródło: Główne różnice pomiędzy standardami n i ac SKiTI

19 Modulacja: Modulacja to celowy proces zmiany parametrów fali umożliwiający przesyłanie danych (informacji) urządzenie dokonujące modulacji to modulator Demodulacja: proces odwrotny do modulacji urządzenie dokonujące demodulacji to demodulator demodulator dekoduje sygnał do jego wyjściowej postaci (przed modulacją) SKiTI

20 źródło: Modulacja Amplitudy SKiTI

21 źródło: Modulacja Częstotliwości SKiTI

22 źródło: Modulacja Fazy SKiTI

23 Modulacja Standard b: Modulacja DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) - bezpośrednie modulowanie nośnej sekwencją kodową (technika rozpraszania widma) Fizyczna transmisja np. za pomocą jednej z technik modulacji fazy BPSK (ang. Binary Phase Shift Keying) Standardy a, g i n : Modulacja OFDM (ang. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) ) wykorzystująca wiele ortogonalnych względem siebie podnośnych Fizyczna transmisja np. za pomocą jednej z technik modulacji fazy BPSK (ang. Binary Phase Shift Keying) SKiTI

24 źródło: Modulacja BPSK Faza może przyjmować jedną z dwóch wartości przesuniętych względem siebie o 180 reprezentując logiczne "0" lub "1" SKiTI

25 źródło: Modulacja QAM SKiTI

26 źródło: Modulacja QAM SKiTI

27 Mechanizm ACT ACT (ang. Air Trafic Control): Umożliwia komunikację pomiędzy różnymi urządzeniami standardu Inna modulacja urządzeń a i g (OFDM) oraz urządzeń b (DSSS) nie wykrywają się nawzajem Urządzenia a i g przed nadawaniem wysyłają krótką informację w modulacji DSSS, informując urządzenia b o transmisji i rezerwując medium na jej czas SKiTI

28 Standaryzacja Organizacja IEEE nie sprawdza jak producenci wywiązują się z zaleceń jej standardów W 1999 powstaje organizacja WECA (ang. Wireless Ethernet Compatibility Alliance) wydająca certyfikaty zgodności z normą Po przejściu testów zgodności z normą urządzenie otrzymuje certyfikat Wi-Fi (ang. Wireless Fidelity) W 2002 organizacja WECA zmieniła nazwę na Wi-Fi Alliance SKiTI

29 Struktury sieci WLAN Sieć Ad Hoc Sieć BSS (ang. Basic Service Set) Sieć ESS (ang. Extended Service Set) Sieć z mostem Sieć WLAN z roamingiem SKiTI

30 Struktury sieci WLAN Sieć Ad Hoc SKiTI

31 Struktury sieci WLAN Sieć BSS (ang. Basic Service Set) BSS AP (ang. Access Point) SKiTI

32 Struktury sieci WLAN Sieć ESS (ang. Extended Service Set) ESS BSS1 BSS2 Internet AP AP SKiTI

33 Struktury sieci WLAN Sieć z mostem MOST BSS1 BSS2 ESS SKiTI

34 Struktury sieci WLAN Sieć WLAN z roamingiem ESS BSS3 BSS2 Internet AP AP BSS1 SKiTI

35 Kontrola dostępu do medium Metoda CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Acess with Colision Avoidance): Jeżeli stacja przez określony czas nie wykryje transmisji to przełącza się w tryb gotowości do nadawania i czeka jeszcze trochę Jeżeli nadal nikt nie prowadzi nadawania to stacja rozpoczyna transmisję Dla każdej przesłanej ramki, do nadawcy musi dotrzeć potwierdzenie poprawności odbioru ACK (ang. Acknowledge), wysłane przez odbiorcę Mechanizm ten nazywa się skrótem CCA (ang. Clear Chanel Assessment) Przypadek dwie stacje, brak pośrednictwa punktu dostępowego, np.: sieć Ad Hoc. SKiTI

36 Kontrola dostępu do medium Mechanizm DCF (ang. Distributed Coordination Function): W tym przypadku nadawca wysyła ramkę RTS (ang. Request to send) będącą informacją dla stacji w jego zasięgu o zamiarze nadawania Pośredni odbiorca danych (punkt dostępowy) wysyła ramkę CTS (ang. Clear to send) informującą o gotowości odbioru. W tym momencie odbiorca docelowy otrzyma informacje o rozpoczynającej się transmisji. Rozpoczyna się właściwa wymiana ramki danych, której otrzymanie odbiorca potwierdza ramką ACK Jeżeli nadawca nie otrzyma ramki ACK musi ponowić transmisję Przypadek dwie stacje komunikują się za pośrednictwem punktu dostępowego, np. sieć BSS. SKiTI

37 Mechanizm transmisji 1) Każda stacja prowadzi nasłuch pasma (stacja nasłuchuje wtedy gdy nie nadaje!!!) 2) W polu ramki protokołu stacja umieszcza informację o planowanym czasie nadawania aktualnej ramki. Czas rezerwacji łącza nazywany jest wektorem alokacji sieci (wirtualna funkcja wykrywania zajętości kanału transmisyjnego) 3) Po tym czasie następuje okno czasowe rywalizacji i stacje rywalizują o dostęp i rezerwację pasma dla siebie SKiTI

38 Ramka (Ethernet) Ramki protokołów i Ramka SKiTI

39 Działanie protokołu Stacja bezprzewodowa może się znajdować w trzech stanach: 1)Stan początkowy nieuwierzytelniony i nie skojarzony z żadnym punktem dostępowym 2)Uwierzytelniony 3)Połączony i skojarzony z danym punktem dostępowym SKiTI

40 Działanie protokołu Skanowanie: W wyniku skanowania użytkownik otrzymuje raport, zawierający listę wykrytych sieci BSS oraz ich parametr, np.: BSSID identyfikator BSS SSID nazwa sieci ESS BSS Type typ sieci: Ad-Hoc lub BSS SKiTI

41 Działanie protokołu Przyłączenie: Proces w całości wykonywany przez stację Wybierany jest BSS do którego się podłącza stacja Następnie dostosowywane są parametry połączenia SKiTI

42 Działanie protokołu Uwierzytelnianie: W standardzie zakłada się że punkty dostępowe są wiarygodne Obowiązek uwierzytelniania spada na poszczególne stacje Uwierzytelnianie typu open-system Uwierzytelnianie typu shared-key wykorzystuje klucz wspołdzielony przez oba urządzenia (WEP) SKiTI

43 Działanie protokołu Kojarzenie: Jest to powiązanie stacji z punktem dostępowym Polega na przydzieleniu stacji numeru AID (ang. Association ID) ), który identyfikuje stację w procesie buforowania ramek przez punkt dostępowy SKiTI

44 Bezpieczeństwo WEP (ang. Wired Equivalency Privacy) Klucze szyfrujące muszą być skonfigurowane na każdym z urządzeń Autoryzacja stacji odbywa się na podstawie adresu MAC (który można zmienić!) Od 2001 pojawiają się opracowania naukowe z serii Jak złamać WEP, a zaraz po nich odpowiednie programy (Obecnie 95% szansa złamania klucza 128 bitowego zajmuje: - niecałe 2 minuty na przechwycenie 95 tysięcy pakietów - niecałe 3 sekundy na uzyskanie klucza na komputerze Pentium 1,7 GHz) SKiTI

45 Bezpieczeństwo WPA (ang. WiFi Protected Access) Standard WPA został opracowany w 2003 przez Wi-Fi Alliance WPA oparty jest na drafcie standardu i Standard WPA zarządza dynamicznie kluczami szyfrowania i zapewnia potwierdzenia tożsamości stacji mobilnych Dla każdego klienta w określonych odstępach czasu generowane są niepowtarzalne klucze szyfrowania SKiTI

46 Bezpieczeństwo WPA2 (ang. WiFi Protected Access 2) Standard WPA2 został opracowany w 2004 roku przez Wi-Fi Alliance Jest uzupełniony o szyfrowanie protokołem AES WPA3 (ang. WiFi Protected Access 3) Kolejny udoskonalony standard WPA SKiTI

47 Inne ciekawe projekty WLAN p Zapewnienie WLAN dla pojazdów mobilnych Specyfikacja osobistych sieci bezprzewodowych Grupa standardów dotyczących miejskich sieci bezprzewodowych MAN - WiMax SKiTI

48 Elementy sieci WLAN Bezprzewodowe karty sieciowe Punkty dostępowe Anteny SKiTI

49 Zalety WI-FI Możliwość budowy sieci bezprzewodowej, np. w domu lub biurze Darmowy Internet poprzez HotSpot-y (dostępne w większych miastach, na uczelniach w kampusach) Swoboda i mobilność Łatwo dostępne, coraz tańsze urządzenia Urządzenia proste w instalacji Relatywne szybkie w porównaniu do standardowych wymagań użytkowników SKiTI

50 Relatywnie mały zasięg Wady WI-FI Połączenia na większe odległości mogą okazać się niestabilne, gdy odbierany sygnał z punktu dostępowego jest zbyt słaby Szybkość transmisji zależy od odległości między urządzeniami Podatne na zakłócenia W przypadku niepoprawnej konfiguracji, może się stać łatwym celem ataku Tłok w eterze (szczególnie w dużych miastach) Wymagają rezerwacji odpowiedniego pasma SKiTI

51 Bibliografia Przykładowa Literatura: K. Krysiak. Sieci Komputerowe. Gliwice, Helion J. Duntemann. Przewodnik po sieciach Wi-Fi. Poznań, Nakom SKiTI

52 Dziękuję za uwagę!!! SKiTI