Projektowanie Sieci Lokalnych i Rozległych wykład 10: sieci światłem i zębem robione

Transkrypt

1 Projektowanie Sieci Lokalnych i Rozległych wykład 10: sieci światłem i zębem robione Dr inż. Jacek Mazurkiewicz Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki Jacek.Mazurkiewicz@pwr.wroc.pl

2 Laserem daleko (1) trzeba daleko i szybko dane przesłać cienko z pasmami radiowymi klasycznym łączem się nie da technologia bezprzewodowej łączności optycznej Free Space Optics rozwijana jest już od ponad 10 lat obecnie dojrzała i sprawdzona technologia tworzenie zarówno połączeń szkieletowych typowe połączenia ostatniej mili

3 Laserem daleko - zalety (2) duże przepustowości - od 100Mbit/s do nawet 2,5Gbit/s żadnych zezwoleń - łącza optyczne nie wymagają żadnych licencji i zezwoleń - montaż urządzenia - praktycznie natychmiast szybkość i łatwość instalacji - instalacja łącza trwa kilka godzin - rozwiązanie na wypadek uszkodzenia światłowodu ogromne bezpieczeństwo transmisji - w praktyce niemożliwe jest podsłuchanie transmisji bez jej przerwania. niska cena - optolinie dobry stosunek ceny do przepustowości

4 Laserem daleko wady i zasady (3) ograniczony zasięg działania - w praktyce do 1000m wymaganie stabilnego miejsca instalacji - nie mogą być instalowane na masztach i wieżach telekomunikacyjnych przesyłanie wiązki światła laserowego w przestrzeni bezprzewodowe łącze optyczne to w zasadzie światłowód ale bez włókna stosowane jest tutaj światło podczerwone wiązka laserowa jest zupełnie niewidoczna i bardzo trudna do wykrycia zachowanie dużej dyskrecji transmisji

5 Laserem daleko zasady (4) bardzo trywialnego porównania do łącza IrDA podczerwień jest nośnikiem informacji zestawienia połączenia = wzajemna widoczność dwóch urządzeń optolinia pracuje w trybie pełnego dupleksu optolinia ma dużo większą przepustowość oraz zasięg optolinie pracują wyłącznie w technologii punkt-punkt systemy radiowe wymagają widoczności w pierwszej strefie Fresnela optolinie zadowalają się stosunkowo niewielkim prześwitem pomiędzy przeszkodami wiązka laserowa jest spójna

6 Laserem daleko zasady (5) Strefa Fresnela obszar propagowania energii sygnału radiowego znajdujący się wzdłuż linii łączącej nadajnik i odbiornik fal Strefy Fresnela numerowane liczbami naturalnymi, przy czym energia propagowana wewnątrz strefy pierwszej jest największa, a poza nią maleje Strefy Fresnela w przestrzeni pozbawionej przeszkód kształtem przypominają elipsoidę obrotową ulokowaną pomiędzy masztami radiowymi nadajnika i odbiornika Im wyższa częstotliwość, tym kształt strefy Fresnela jest smuklejszy

7 Laserem daleko zasady (6) wiązka światła laserowego daje się modulować bardzo wysokimi częstotliwościami optolinie oferują wyjątkowo duże przepustowości - nawet 2,5 Gbit/s podstawowym interfejs to Fast Ethernet 100 Mbit/s bez większego problemu Gigabit Ethernet 1,25 Gbit/s dostępne interfejsy PDH (n*e1: 2048 kb/s - 30 kanałów 64 kb/s) oraz SDH (STM-1, STM-4) możliwe jest również stosowanie multiplekserów = równoczesna i niezależna transmisja różnych sygnałów np. Fast Ethernetu i kanału E1 bardzo małe opóźnienie w transmisji pakietów = 1 ms

8 Laserem daleko - zasady (7) zdolność do transmitowania dużych ilości małych pakietów w sieciach IP łącza laserowe działają podobnie jak światłowody - wiązka przesyłana jest w atmosferze a nie w rdzeniu - osiągane parametry transmisyjne są zbliżone łącze laserowe to para głowic nadawczo-odbiorczych głowica nadawczo-odbiorcza posiada: - jeden lub kilka modułów nadawczych (transmiterów) - jeden lub kilka modułów odbiorczych konstrukcja umożliwia pracę w trybie pełnego dupleksu - podobnie jak radiolinie na pasma licencjonowane

9 Laserem daleko - zasady (8) w zaawansowanych urządzeniach: - systemy automatycznego śledzenia wiązek transmisyjnych - optymalnego pozycjonowania wiązek transmisyjnych - kompensacja ruchów budynku - systemy podgrzewania i mycia szyb

10 Laserem daleko atmosfera (9) prawidłowo dobrane i zainstalowane łącze optyczne jest praktycznie niewrażliwe na warunki atmosferyczne w warunkach klimatycznych Polski na działanie łącza ma wpływ właściwie tylko mgła jesienne mgły limitują zasięg do 1000m większe nominalne zasięgi (2500m) - suche obszary pustynne 1000m nie jest oczywiście granicą sztywną - częstotliwość występowania mgieł oraz czas ich trwania do każdej lokalizacji należy tutaj podchodzić indywidualnie - doświadczenie osób dobierających i instalujących urządzenia

11 Laserem daleko - atmosfera (10) śnieżyca - ograniczenie widoczności i fizycznie (zaspy na dachu) zasłonięcie linii widoczności głowica nadawczo-odbiorcza zainstalowana tak by nie była zasłaniana przez osoby czasami przebywające na dachu na działanie łącza nie mają wpływu przelatujące przez wiązkę ptaki wiązka transmisyjna jest na tyle szeroka, że pojedynczy ptak czy nawet przelatujące całe stado nie jest w stanie jej zasłonić kontakt z wiązką jest bezpieczny nie tylko dla zwierząt ale i dla ludzi - klasy ochronności 1M lub 3B

12 Laserem daleko - zastosowania (11) odległość 500 m - wymagana przepływność na poziomie STM-1 - brak wolnych kanałów dla licencjonowanej radiolinii odległość 60 m - dwie lokalizacje rozdzielone ulicą - brak zgody na położenie światłowodu - wymagane łącze Gigabit Ethernet odległość 700 m - dwie lokalizacje połączone światłowodem - ze względu na planowane prace ziemne na działce przez którą przebiega światłowód wymagane jest łącze zapasowe o przepływności 100 Mbit/s idealnym miejscem dla zastosowania optolinii jest łącze na niewielkim dystansie, gdy wymagana jest duża przepustowość

13 Laserem daleko - instalacja (12) proces zestrojenia w zależności od odległości zajmuje od 15 minut do 1 godziny optolinie mają dużo większe wymagania odnośnie stabilności zamocowania niż radiolinie nie można ich instalować na: - typowych wieżach telekomunikacyjnych - wysokich kominach - konstrukcjach stalowych i drewnianych idealnym miejscem instalacji jest murowana ściana ceglana lub ściana betonowa dobrym rozwiązaniem jest mocowanie do elewacji budynku może pracować przez szybę - uwaga na powłoki ochronne

14 IrDA (1) przesył plików między komputerami drukowanie dostęp do sieci bezprzewodowej transmisja mowy i danych: komórka komputer sterowanie urządzeniami telekomunikacyjnymi IrCOMM RS i Centronics IrOBEX wymiana obiektów IrLAN sieć lokalna IrMC telekomunikacja IrTran-P obrazy cyfrowe IrTTP transport, IrLAP - łącze

15 IrDA (2) Warstwa fizyczna: - prędkość: 2,4kb/s 4 (16) Mb/s - transmisja asynchroniczna, półdupleksowa - łączność dwu- i wielopunktowa - odległość: 1cm 1 (8) m - kąt widzenia min. 15 stopni - transmisja przy różnych prędkościach, - nie wykrywamy kolizji, - długość fali nm Zakresy: - SIR Serial Infrared: 2,4 115,2 kb/s - MIR Medium Infrared: 576 i 1152 kb/s - FIR Fast Infrared: 4 Mb/s

16 IrDA (3) Protokół dostępu do łącza: - IrLAP (Link Access Procedure) to HDLC - ten sam format ramki, - ino inny początek i koniec ramki: - SIR: begin C0h, end C1h - MIR: begin 7Eh, end 7Eh - FIR: umawiane sekwencje bitów Współpraca z sieciami: - z punktem dostępu każda stacja ma swój adres sieciowy - partnerska brak dostępu do sieci przewodowej - z komputerem nadrzędnym stacje dzielą jeden adres sieciowy

17 Bluetooth wstęp (1) darmowy standard - specyfikacja IEEE technologia bezprzewodowej komunikacji krótkiego zasięgu pomiędzy różnymi urządzeniami elektronicznymi zasięg około 10 m, choć w praktyce, w otwartym terenie może on wynieść nawet do 200 m używa fal radiowych w paśmie 2,4 GHz nazwa od przydomka króla duńskiego Haralda Sinozębego (Blåtand) ok. roku 970 podporządkował sobie Norwegię i tym samym przyczynił się do zjednoczenia rywalizujących plemion z Danii i Norwegii Bluetooth zaprojektowany, aby "zjednoczyć" różne technologie jak: komputery, telefonię komórkową, drukarki, aparaty cyfrowe logo Bluetooth łączy znaki alfabetu runicznego (Haglaz) i (Berkanan), będące odpowiednikami liter alfabetu łacińskiego H i B

18 Bluetooth historia (2) w 1994 roku Ericsson zainteresował się możliwością łączenia telefonów komórkowych z innymi urządzeniami bez użycia kabla wspólnie z czterema innymi firmami (IBM, Intel, Nokia i Toshiba) uformowała SIG (Special Interest Group) standaryzacja bezprzewodowej technologii cechującej się niewielkim zasięgiem, małym poborem prądu, niskim poziomem mocy promieniowanej oraz niską ceną pierwotny zamiar wyeliminowania kabli połączeniowych szybko przekształcił się w prace na obszarze bezprzewodowych sieci LAN standard stał się bardziej praktyczny i stał się konkurencją dla standardu

19 Bluetooth - architektura (3) podstawową jednostka pikosieć (ang. Piconet): - węzeł typu master - maksymalnie 7 węzłów typu slave wiele pikosieci może istnieć w jednym pomieszczeniu mogą być ze sobą połączone = węzeł typu bridge połączone ze sobą pikosieci = scatternet

20 Bluetooth - architektura (4) oprócz 7 węzłów typu slave, w 1 pikosieci może pracować do 255 węzłów węzły pozostają w stanie synchronizacji z urządzeniem typu master - tryb wyczekiwania i niskiego poboru mocy urządzenia te nie uczestniczą w wymianie danych mogą tylko otrzymać sygnał aktywacyjny lub nawigacyjny od węzła typu master 2 przejściowe stany hold oraz sniff podział węzłów na master i slave - minimalizacja kosztów technologii węzły slave są w 100% podporządkowane węzłom master

21 Bluetooth - architektura (5) pikosieć to scentralizowany system TDM urządzenie master kontroluje zegar i określa, które urządzenie i w którym slocie czasowym może się z nim komunikować wymiana danych może nastąpić tylko pomiędzy węzłem master i slave komunikacja slave slave nie jest możliwa zasięg urządzenia determinowany jest przez klasę mocy: klasa 1 (100 mw) ma największy zasięg do 100 m, klasa 2 (2,5 mw) jest najpowszechniejsza w użyciu, zasięg do 10 m klasa 3 (1 mw) rzadko używana z zasięgiem do 1 m.

22 Bluetooth architektura (6)

23 Bluetooth - transfer (7) Bluetooth kb/s + 57,6kb/s, 2 x 432,6kb/s Bluetooth kb/s + 57,6kb/s, 2 x 432,6kb/s Bluetooth kb/s + 57,6kb/s, 2 x 432,6kb/s Bluetooth 2.0-2,1 Mb/s - Enhanced Data Rate wzmocniło transfer do 3,0 Mb/s standard Bluetooth = wiele protokołów, pogrupowanych w warstwy struktura warstw nie odpowiada żadnemu znanemu modelowi IEEE prowadzi prace nad zmodyfikowaniem systemu Bluetooth, aby dopasować go do modelu określonego standardem 802

24 Bluetooth - transfer (8) najniższa warstwa fizyczna warstwa radiowa: - odpowiada warstwie fizycznej łącza danych - określa ona transmisje radiową oraz modulację stosowaną w systemie warstwa druga baseband layer: - jest zbliżona do podwarstwy MAC modelu OSI - zawiera także elementy warstwy fizycznej - określa w jaki sposób urządzenie master kontroluje sloty czasowe i jak sloty są grupowane w ramki

25 Bluetooth - transfer (9) kolejna warstwa grupuje powiązane ze sobą protokoły: - link manager zajmuje się: - ustanowieniem logicznych kanałów między urządzeniami - zarządzaniem energią oraz jakością usługi (QoS) - link control adaptation protocol - L2CAP: - szczegółowe parametry transmisji - uwalnia wyższe warstwy od tego obowiązku - protokół analogiczny do podwarstwy LLC standardu 802, - protokoły audio i control to dźwięk i kontrola: - aplikacje mogą z nich korzystać pomijając protokół L2CAP

26 Bluetooth - transfer 10 kolejna warstwa przejściowa = mieszanina różnych protokołów: - podwarstwa LLC standardu 802, została wstawiona tu przez IEEE - zapewnienie kompatybilności z sieciami RFcomm (Radio Frequency communication) jest protokołem: - emulacja standardowego port szeregowego - podłączenie klawiatury, myszy, modemu oraz innych urządzeń - protokół telephony jest protokołem czasu rzeczywistego: - używany w profilach zorientowanych na rozmowy - zarządza również zestawieniem i rozłączeniem połączenia - protokół discovery service jest używany: - do umiejscowienia usługi wewnątrz sieci w ostatniej warstwie umiejscowione są aplikacje oraz profile: - używają one protokołów warstw niższych - każda aplikacja ma swój podzbiór używanych protokołów - zazwyczaj korzysta tylko z nich i pomija inne

27 Bluetooth warstwa radiowa (11) warstwa odpowiedzialna jest za transport danych od urządzenia master do slave i vice versa system o małym poborze mocy działający na w zależności od klasy na różnych zasięgach operujący w paśmie ISM 2,4 GHz pasmo jest podzielone na 79 kanałów, po 1MHz każdy system wykorzystuje modulacje FSK (Frequency Shift Keying) prędkość transmisji 1 Mbit/s duża cześć tego widma jest zajęta przez nagłówek wykorzystuje się skakanie częstotliwości (1600 skoków na sekundę) sekwencję skoków dyktuje węzeł master systemy oraz Bluetooth operują na tych samych częstotliwościach z takim samym podziałem pasma na 79 kanałów zakłócają się wzajemnie skoki częstotliwości są znacznie szybsze w systemie Bluetooth Bluetooth bardziej zakłóca transmisję w

28 Bluetooth baseband layer (12) warstwa zbliżona do podwarstwy MAC modelu OSI upakowuje ona luźne bity w ramki master w każdej pikosieci definiuje sloty czasowe o długości 625 μs transmisja mastera zaczyna się od slotów parzystych transmisja slave od slotów nieparzystych tradycyjna multipleksacji w dziedzinie czasu (TDM) master zajmuje polowe slotów, a slave pozostałą ich część ramki mogą mieć długość 1, 3 lub 5 slotów czasowych skakanie częstotliwości pozwala ustawić czas μs na skok, aby umożliwić stabilizacje układów radiowych dla ramki składającej się z jednego slotu czasowego, po tym czasie, zostaje 366 z 625 bitów 126 z nich zawierają kod dostępu oraz nagłówek pozostałe 240 są dla danych gdy ramka składa się z 5 slotów, tylko 1 okres stabilizacji jest wymagany i dla warstwy baseband pozostaje 2781 bitów

29 Bluetooth baseband layer (13) dłuższe ramki są znacznie bardziej efektywne niż ramki zbudowane z jednego slota czasowego każda ramka jest transmitowana przez kanał logiczny - link, pomiędzy masterem i urządzeniem slave istnieją dwa rodzaje kanałów logicznych ACL (Asynchronous Connection-Less): - używany w połączeniu z komutacją pakietów - dane są dostępne w nieregularnych odstępach czasu - dane te pochodzą od warstwy L2CAP po stronie nadawczej - są dostarczane do warstwy L2CAP po stronie odbiorczej - nie ma żadnych gwarancji, ze ramka dotrze do celu - ramki mogą zostać utracone i wymagać retransmisji - slave może mieć tylko jeden kanał typu ACL z urządzeniem master SCO (Synchronous Connection Oriented): - używany do transmisji w czasie rzeczywistym rozmowa - ramki transmitowane nie mogą być retransmitowane - korekta błędów, aby zapewnić wysoką niezawodność - slave może mieć maksymalnie 3 kanały SCO w kierunku mastera - łącze SCO może transmitować 1 kanał telefoniczny PCM, 64 kb/s

30 Bluetooth warstwa L2CAP (14) warstwa L2CAP spełnia trzy główne funkcje: przyjmuje pakiety o maksymalnym rozmiarze do 64 KB od wyższych warstw i dzieli je na ramki w celu transmisji, na końcu ramki są ponownie składane w całość; zajmuje się multipleksacją i demultipleksacją złożonych pakietów, gdy pakiet jest składany w całość, warstwa L2CAP określa, któremu protokołowi warstwy wyższej go przekazać, np. do RFcomm lub telephony; zajmuje się wymaganiami na jakość usługi, zarówno podczas zestawiania połączenia oraz podczas realizacji usługi.

31 Bluetooth - ramka (15) istnieje 12 formatów ramki w systemie Bluetooth 4 typy ramek sterujących klasyczna: - kod dostępu = identyfikuje mastera - slave w zasięgu 2 masterów może określić, skąd transmisja - 54 bity - nagłówek ramki - standardowe pola podwarstwy MAC - maksymalnie do 2744 (dla ramki z 5 slotów) bitów danych - dla transmisji 1-slotowej ramka zawiera 240 b pola danych

32 Bluetooth (16) pole adres nagłówka identyfikuje jedno z 8 aktywnych urządzeń, dla którego przeznaczona jest ramka pole typ określa typ ramki (ACL, SCO, pool albo null), rodzaj korekcji błędów używany w polu danych oraz liczbę slotów w ramce pole Flow jest ustawiane przez slave, gdy jego bufory są pełne i nie może on przyjąć więcej danych bit Acknowledgement jest potwierdzeniem transmisji - ARQ bit Sequence jest używany w celu numeracji ramek aby wykryć retransmisje ostatnie 8 bitów to suma kontrolna CRC 18 bitów nagłówka są powtarzane 3 razy dając w efekcie nagłówek 54 bitowy kod 1/3 FEC Forward Error Correction strona odbiorcza sprawdza wszystkie 3 kopie każdego bitu - jeśli wszystkie są takie same, wówczas bit jest zaakceptowany - jeśli nie, wartość bitu przyjęta większością głosów

33 Bluetooth parowanie (17) parowanie urządzeń: - urządzenie A szuka innych w otoczeniu - urządzenie B musi potwierdzić kod - kod ma do 16 znaków ustawianych lub nadanych fabrycznie słuchawki - od tego momentu urządzenia są zaufane - urządzenia muszą być widoczne prezentować nazwę - każde połączenie już zaufanych może być automatyczne lub wymagające potwierdzenia - szyfrowanie możliwe ale się go nie robi - uwaga na przesterowania regulacja mocy praktycznie nie istnieje