Postępy w standaryzacji i analiza kierunków rozwoju pakietowych sieci bezprzewodowych. K. Gierłowski

Transkrypt

1 Postępy w standaryzacji i analiza kierunków rozwoju pakietowych sieci bezprzewodowych K. Gierłowski

2 Ponad 300 instalacji w obszarze 3 km 2.

3

4 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), Złożone: Homogeniczne, Heterogeniczne.

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

6 Sieci WLAN Zapewniają łączność bezprzewodową na odległość do m. Znane są przypadki komunikacji na odległość kilkudziesięciu kilometrów. Mogą służyć jako: sieci dostępowe, łącza punkt-punkt, sieci lokalne peer-to-peer.

7 Sieci WMAN Pozwalają na transmisje na maksymalną odległość od kilku do kilkudziesięciu kilometrów. Są wykorzystywane jako: sieci dostępowe, sieci szkieletowe, awaryjne systemy łączności.

8 Złożone sieci bezprzewodowe Systemy heterogeniczne integracja sieci, integracja usług. 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)

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

10 WLAN/WPAN rys historyczny

11 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: kanały rozgłoszeniowe, zarządzanie topologią, alternatywne rozwiązania warstwy fizycznej i łącza danych

12 IrDA IrBURST transmisja mediów cyfrowych zdjęcia, muzyka, filmy krótkotrwała transmisja (rzędu kilkunastu sekund) wysoka przepływność (100 Mb/s, w przygotowaniu do 500 Mb/s) IrFM Infrared Financial Messaging płatności takie jak bony, kupony, mikropłatności IrSC Simple Connect transmisja ciągła zdjęć cyfrowych do telewizorów, projektorów

13 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) przepływność Mb/s (obecnie 200 Mb/s) MB-OFDM Mulit Band OFDM pasmo podzielone na podzakresy o szerokości 528 MHz transmisja realizowana na części podzakresów (3 14) każdy podzakres podzielony na 128 podkanałów o szerokości 4,125 MHz, w którym stosowana jest modulacja OFDM przepływność Mb/s zastosowania: transmisja danych multimedialnych

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

15 NFC NFC Near Field Communication rozwinięcie technologii RFID praca w nielicencjonowanym paśmie 13,56 MHz komunikacja urządzeń w odległości 0 20 cm przepływność kb/s aplikacje zbliżone do IrFM mikropłatności, identyfikacja, wiadomości tekstowe

16 IEEE praca ukierunkowana w stronę oszczędności energii przepływność rzędu 250 kb/s zastosowania: rozproszony monitoring (sieci sensorowe typu ad hoc) automatyka domowa (sterowanie urządzeniami powszechnego użytku)

17 ZigBee rozwinięcie standardu IEEE w kierunku warstw modelu OSI wyższych niż 2 kontrola topologii sieci

18 ZigBee

19 Aplikacje WPAN niska przepływność wysoka przepływność PIM, zdalne sterowanie Bluetooth, ZigBee identyfikacja, monitoring, usługi płatnicze ZigBee, NFC, RFID intergracja różnych rozwiązań NFC transmisja zdjęć, muzyki Bluetooth dane multimedialne bezprzewodowe wyświetlacze, drukarki, precyzyjna lokalizacja UWB

20 Technologia WiFi (IEEE ) Do niedawna: Zasoby: przepływność do 54 Mbps. Efektywność: dostęp rywalizacyjny i opcjonalny tryb dostępu kontrolowanego (PCF). Zasięg: m (sieci dostępowe: m, łącza PtP: 10+ km). Niezawodność: zawodne. Bezpieczeństwo: fałszywe. Zarządzanie: Brak mechanizmów monitoringu i zarządzania. Quality of Service: Brak mechanizmów QoS. Brak wsparcia dla tworzenia systemów złożonych.

21 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 T - Wireless Performance Prediction (WPP) - test methods and metrics recommend. (cancelled) IEEE A new release of the standard. Includes amendments a, b, d, e, g, h, i& j. (July 2007) IEEE k - Radio resource measurement enhancements (2008) IEEE n - Higher throughput improvements using MIMO (2009) IEEE p - WAVE - Wireless Access for the Vehicular Environment (2010) IEEE r - Fast roaming (2008) IEEE s - ESS Extended Service Set Mesh Networking (2011) IEEE u - Interworking with non-802 networks (for example, cellular) (2011) IEEE v - Wireless network management (2011) IEEE w - Protected Management Frames (2009) IEEE : A new release of the standard that includes amendments k, n, p, r, s, u, v, w, y and z (March 2012)

22 Standard IEEE IEEE aa - Robust streaming of Audio Video Transport Streams (June 2012) IEEE ad - Very High Throughput 60 GHz (Dec 2012) IEEE ae - Prioritization of management frames (Mar 2012) IEEE ac - Very High Throughput <6 GHz (~Feb 2014) IEEE af - TV Whitespace (~ Jun 2014) IEEE ah - Sub 1 GHz (~Jan 2016) IEEE ai - Fast Initial Link Setup (~Feb 2015) IEEE aq - Pre-association Discovery (~ May 2015)

23 WiFi dzisiaj(ieee ) Zasoby: 54 Mbps 300 Mbps. ( a/b/g/n) Bezpieczeństwo: Uwierzytelnianie i silna ochrona kryptograficzna. Rozszerzalna architektura systemu zabezpieczeń. ( i/m) Quality of Service: priorytyzacja, dostęp z rezerwacją, transmisje bezpośrednie, transmisje typu burst. Efektywność: dostęp rywalizacyjny z opcją odstępu kontrolowanego. Zarządzanie: wiele rozwijanych standardów (k, s, v, m) Kontrolery sieci bezprzewodowych i punkty dostępowe typu LWAPs. Niezawodność: bez zasadniczych zmian, lecz obecność mechanizmów monitoringu i zarządzania umożliwia stabilną pracę. Metodologia testowania i certyfikacji urządzeń: Best practice T Tworzenie systemów złożonych: wiele rozwijanych standardów (d, p, r, s, u).

24 Ewolucja metod transmisji w sieciach WiFi b g 2003 pasmo 2,4 GHz a n 2007 pasmo 5 GHz Standard Efektywność wykorzystania pasma [b/s/hz] IEEE ,1 IEEE b 0,55 IEEE a/g 2,7 IEEE n 3,61 IEEE ac 5,42 IEEE ad 3,0

25 802.11e Quality of Service Definiuje 2 metody dostępu: EDCA Dostęp rywalizacyjny. 4 klasy ruchu (TC). HCCA Dostęp kontrolowany. Klasy ruchu (TC) i strumienie ruchu (TS). Informacja zwrotna o długości kolejek u klientów. Możliwe jest wysyłanie grup ramek. Kilka trybów potwierdzania ramek. Piggybacking przenoszenie ramek potwierdzeń w innych ramkach kontrolnych.

26 i/m -Bezpieczeństwo Elementy bezpieczeństwa: Uwierzytelnianie wzajemne protokół EAP. Poufność koder AES w trybie CTR. Integralność koder AES w trybie CBC. Mechanizm generacji i bezpiecznej wymiany kluczy oparty na protokole EAP. Opracowywany dodatek m ma rozszerzyć zabezpieczenia na ruch kontrolno-zarządzający sieci.

27 Extensible Authentication Protocol EAP jest platformą pozwalającą na: uzgodnienie wspólnego zbioru mechanizmów uwierzytelniania, przeprowadzenie procesu uwierzytelniania. Umożliwia łatwą integrację nowych mechanizmów. Niektóre mechanizmy oferują dodatkową funkcjonalność np. wymianę materiału kryptograficznego. Łatwość wdrożenia MD5 PPP EAP-OPEN TLS EAP-MD5 PAP CHAP TTLS EAP EAP 802.1X EAP PEAP LEAP MS-CHAPv EAP-FAST PEAP EAP-TTLS EAP-TLS Bezpieczeństwo

28 Nowoczesny koder zastosowany do ochrony: integralności, poufności, W odróżnieniu od poprzednich rozwiązań, obecne mają charakter kryptograficzny. Szyfrowanie AES Nagłówek Dane MIC Integralność (CBC) Poufność (CTR)

29 802.11T Certyfikacja Udostępnia standaryzowane metody testowania urządzeń WiFi i metryki pomiarowe. Pomiary w kontekście usługi (dane, VoIP, streaming). Metryki: Primary: mające bezpośredni wpływ na poziom usługi (voice quality vs range/network load). Secondary: mające pośredni wpływ na poziom usługi (latency, jitter). Inne: przełączanie, pojemność AP, czas asocjacji Testy: Infrastruktury, Urządzeń klienckich, Systemowe efektywność działania mechanizmów systemów złożonych.

30 Konfiguracja z centralnym zarządzaniem siecią bezprzewodową Zastosowanie LWAP (LightWeight Acces Points) i kontrolera (Wireless Control System). dynamiczne przydzielanie kanałów. wykrywanie i unikanie interferencji, dzielenie obciążenia, wykrywanie i likwidacja dziur pokrycia. kontrola mocy nadawania. Bezpieczeństwo i (WPA2), WPA, WEP, 802.1x: PEAP, EAP-TSL, EAP- TTLS, LEAP, VPN: IPSec, L2TP, IDS, RF Security, usługi lokalizacyjne, NAC. Obsługa mobilności. Obsługa QoS (802.11e).

31 802.11k Monitorowanie RF Pozwala na oszacowanie radiowego środowiska pracy sieci. Pomiary prowadzone są przez AP i stacje robocze. AP mogą zażądać pomiarów od stacji dotyczących dowolnego kanału. Klienci otrzymują raport (site raport) wyliczającym najlepsze dla nich punkty dostępowe. Mierzone parametry: Poziom szumu, Zajętość kanału, Pracujące systemu i ich parametry, Lokalizacja urządzeń, Statystyki pracy urządzeń.

32 802.11v Zarządzanie siecią Oferuje możliwość kontroli sieci nad urządzeniami klienckimi. Funkcjonalność: sterowanie klientem, wybór AP/sieci, optymalizacja sieci, zbieranie statystyk i monitorowanie, minimalizacja ruchu kontrolnego. Pozwala na: równomierne rozkładanie obciążenia, podnosi bezawaryjność.

33 802.11s Architektura mesh

34 Wymagania funkcjonalne Most (bridge) 802.1D Jedno / wieloskokowe wykrywanie topologii (sąsiadów) Rozszerzalne wykrywanie tras i przekazywanie ramek Bezpieczeństwo łączy i Rozszerzenia MAC Autokonfiguracja sieci

35 Zasięg i niezawodność Znakomite rozwiązanie dla gęstych środowisk sieciowych. Brak konieczności tworzenia i utrzymania infrastruktury przewodowej, za wyjątkiem ograniczonej liczby portali. Znacznie lepsze pokrycie. Pokrycie wielokrotne. W przykładowym budynku biurowym sieć mesh funkcjonuje pomimo losowej dezaktywacji ponad 85% jej węzłów.

36 Kontrola topologii i wyznaczanie tras Kontrola topologii i zarządzanie pasmem jest krytycznie ważne w sieci mesh szczególnie gęstej. Mechanizmy wyznaczania tras mogą wykorzystywać rzadko spotykane funkcje: Routing wielościeżkowy / rozproszeniowy. Wirtualne łącza dalekiego zasięgu (VBB) do transmisji ruchu tranzytowego.

37 Zalety sieci s Poprawia pokrycie terenu. Zmniejsza koszt i ułatwia wdrożenie dzięki rezygnacji z infrastruktury przewodowej. Zapewnia bardzo dobą skalowalność i pojemność sieci. Wprowadza zaawansowane mechanizmy: Autokonfiguracji, Monitorowania i zarządzania, Współpracy sieci w począwszy od warstwy 1 ISO-OSI. Nadmiarowość ścieżek transmisji danych w sieci pozwala na: Uzyskanie dużej niezawodności, Routing wg różnych parametrów, Tworzenie dynamicznych łączy szkieletowych, Stanowi bardzo dobre rozwiązanie dla środowisk gęstych.

38 Enterprise WLAN Product Evolution 1 st Pre nd Stand-Alone 3 rd Centralized 4 th Traffic-Optimized Core controllers Edge controllers Coordinated Single-span channels Overlays Cisco 350 ORiNOCO RoamAbout Basic Connectivity Cisco 1200+SWAN Symbol Aruba, Trapeze, Airespace Central Management Security Meru Networks RF Intelligence High Density QoS Zero Handoff Source: Gartner, Meru Networks

39

40 Meru Air Traffic Control Technology Zero Handoff Today s WLAN Meru WLAN Virtual Cell Architecture BSSID = A BSSID = B BSSID = M BSSID = M 01:00 00:00 100ms 3 sec between handoff No Handoff For Client Source: Gartner, Meru Networks

41

42 WiMAX nowości w standardzie WiMAX Wireless Interoperability for Microwave Access handlowa nazwa rodziny standardów IEEE

43 MIMO Multiple Input Multiple Output wykorzystanie kilku anten po stronie nadawczej i odbiorczej możliwość zastosowania kodowania przestrzeń czas i multipleksacji przestrzennej

44 Stacje przekaźnikowe WiMAX Stacje przekaźnikowe (Relay Stations RS) obsługują użytkowników pracując pod kontrolą stacji bazowej (Base Station BS). Nie wymagają infrastruktury przewodowej. Koszt stacji RS zależny jest od jej typu, lecz znacząco niższy od kosztu stacji BS zarówno koszt instalacji (CAPEX) jak i użytkowania (OPEX). Podstawowym zastosowaniem stacji RS jest zwiększenie zasięgu stacji BS.

45 Inne zastosowanie stacji RS Poprawa jakości pokrycia np. ciasne ulice, wnętrza budynków, tunele itp. Zwiększenie liczby obsługiwanych użytkowników, w obrębie obecnego zasięgu. Obsługa specyficznych lokalizacji, takich jak: wnętrza pojazdów, tunele, wnętrza budynków. Zmniejszenie interferencji z sąsiednimi systemami. Oszczędność energii terminali mobilnych.

46 Ewolucja 2G / 2.5G 2G Wireless Network (GSM) Base Station Subsystem (BSS) Network Switching Subsystem (NSS) BTS BSC MSC PSTN T1/E1 Backhaul BSC GMSC HRL/VRL BTS PCU SGSN Internet GGSN SGSN GSM EDGE Radio Access Network (GERAN) 2.5G Wireless Network (EDGE) GPRS Core Network (GPRS CN)

47 Ewolucja 2.5G / 3G 2.5G Wireless Network (EDGE) GSM EDGE Radio Access Network (GERAN) GPRS Core Network (GPRS CN) BTS T1/E1 Backhaul BSC MSC PSTN PCU SGSN GMSC HLR/VLR NodeB Bonded T1/E1 ATM Backhaul RNC SGSN GGSN Internet UMTS Radio Access Network (UTRAN) 3G Wireless Network (UMTS)

48 GenericAccess Network (GAN) / Universal Mobile Access Fixed-mobile covergence Core-based approach klienci korzystają z usług różnych sieci w zależności od technologii odstępu. Access-based approach klienci korzystają z usług tej samej sieci niezależne od technologii dostępu. IP Multimedia Services (IMS) Pozwala na łatwe tworzenie usług o łatwym dostępie dla zróżnicowanych urządzeń (Interworked-WLAN). Universal/Unlicesed Mobile Access Pozwala na dostęp do usług z użyciem zróżnicowanych technologii sieciowych.

49 GenericAccess Network (GAN) / Universal Mobile Access

50 Universal Mobile Access

51 Ewolucja 3G / 4G 3G Wireless Network (UMTS) UMTS Radio Access Network (UTRAN) GPRS Core Network (GPRS CN) NodeB Bonded T1/E1 ATM Backhaul RNC MSC HLR/VLR Services PSTN SGSN GGSN enodeb IP MME PCRF Internet Serving GW PDN GW LTE Evolved UTRAN (E-UTRAN) 4G Wireless Network (LTE/EPC) Evolved Packet Core (EPC)

52 CALM / WAVE WAVE(Wireless Access for Vehicles) Komunikacja między-pojazdowa z użyciem sieci IEEE CALM (Continuous Air interface for Long and Medium distances) Platforma komunikacji bezprzewodowej dla potrzeb pojazdów drogowych. CALM M5 Wykorzystanie WAVE, GSM/UMTS, multiradio w CALM

53 802.11p WAVE Sieci typu spełniają większość wymogów (zasięg, przepływność, QoS, koszt), lecz wymagają dostosowania. Problemem jest szybkość zamiany otoczenia i konieczność realizacji błyskawicznej wymiany wiadomości. Do dyspozycji jest czas krótszy niż czas asocjacji i uwierzytelnienia w Dodatek p wprowadza: WAVE Service Information (WSI) Informacja o usługach Możliwość wymiany danych bez przyłączenia do sieci, WAVE BSS Do uzyskania łączności konieczne jest jedynie przyłączenie do sieci (join), bez uwierzytelnienia (authentication) i asocjacji (association).

54 CALM Rodzaje komunikacji: Bezpośrednia IPv6/NonIP, Wieloskokowa IPv6/NonIP, Za pośrednictwem Intersieci IPv6.

55 Usługi CALM Carrier Vehicle Interface łącza pokładowe, zarządzanie flotą pojazdów, kontrole graniczne, techniczne i bezpieczeństwa Opłaty opłaty drogowe, paliwowe, parkingowe, żywnościowe Traffic information informacje o ruchu drogowym, aktualizacje map i oprogramowania, sygnalizacja pojazdów uprzywilejowanych, transmisja audio/video. Vehicle Safety Communication ostrzeżenia o zakrętach, przeszkodach, znakach, prawdopodobieństwie kolizji, wspomaganie kierowania pojazdem. Inne transmisja danych, informacja serwisowa pojazdu.

56

57 Decyzja o przełączeniu IEEE Przygotowanie przełączenia Wykonanie przełączenia IEEE Wyszukanie nowego łącza Wykrywanie sieci Wybór sieci Negocjacja przełączenia Zestawienie nowego łącza Łączność w warstwie 2 Łączność IP Przekazanie połączeń Sygnalizacja przełączenia Przeniesienie kontekstu Przekazywanie pakietów IEEE wspomaga decyzję o przełączeniu, wybór sieci i aktywację interfejsu.

58 Media Independent Information Service Serwer informacyjny WMAN WLAN WWAN Global Network Map Lista dostępnych sieci /16/22, GSM, UMTS Informacja warstwy 2 ISO-OSI Neighbor Maps Usługi warstw wyższych ISP, MMS,. Network SSID/ BSSID Operator Security EAP NW Type Channel QoS Physical Data Rate Type Cell ID Layer GSM GSM N/A N/A Oper-1 AT&T AT&T NA NA NA NA N/A N/A N/A N/A 9.6 Kbps kbps 9.6 kbps n b Enterprise Intel 00:00: 00:00: Oper-2 Intel.11i.11i EAP-PEAP EAP-PEAP 6.11e.11e OFDM OFDM 100 Mbps 11 Mbps e NA NA Oper-3 PKM EAP-PEAP 11 Yes OFDM 40 Mbps

59 Przykład wykorzystania Praca na 3G WWAN 3G WWAN Strefa 1 Strefa 2 Strefa 3 Aktywacja Wi-Fi Podłączenie zasilania Uruchomienie WiFi Kontynuacja sesji na WiFi Strefa 4 Strefa 5 Strefa 6 Podłączenie do Wi-Fi Kontynuacja sesji na WiFi Dom Zainicjowane przez operatora przełączenie na WiMAX Kontynuacja sesji na WiMAX Wyłączenie WiFi Utrata łącza WiFi Lotnisko Kontynuacja sesji na 3G WWAN Niski poziom baterii Wyłączenie WiMAX Przełączenie na 3G WWAN Radio Otoczenie State 3G WWAN Wi-Fi WiMAX GPS Strefa 7 WiMAX Strefa 8 WiMAX Strefa 9 IEEE , SIP, VCC, IMS dla wsparcia wyboru sieci i zachowania , VCC, IEEE SIP, SIP, IMS IMS do do wykrywania do zachowania dostępnych ciągłości usług sieci. (3G (Wi-Fi WWAN WiMAX) Wi-Fi) ciągłości usług przy zamianie technologii (3G Wi-Fi WiMAX)

60 Wireless RAN (IEEE ) Tworzy: zarządzalną i częściowo samo-konfigurującą sieć, z użyciem wolnych kanałów i częstotliwości ochronnych w paśmie MHz. Pojedynczy kanał TV (6-8 MHz) umożliwia transmisję 19 Mbps na odległość 30 km. Możliwe jest łączenie kanałów. Sieć jest: w pełni kontrolowana przez BS, CPE nie nadają bez pozwolenia, wszystkie urządzenia znają swoją lokalizację. Zarządzanie pasmem: Baza danych/lokalizacja podstawa, Lokalne transmisje kontrolne, Rozproszony mechanizm wykrywania weryfikacja i stała kontrola.

61 Regional Area Network Stacja bazowa WRAN Przekaźnik WRAN Nadajnik TV Stacja bazowa WRAN Stacja bazowa (WRAN BS) Przekaźnik WRAN Typowy zasięg: ~33km Zasięg maksymalny: 100km Punkt dostępowy WRAN-WLAN lub terminal kliencki

62 IEEE af Przy mocy transmisji ~100 mw standard IEEE af ma być używany jako rozszerzenie zasięgu instalacji WiFi i pozwoli zminimalizować potrzebę przełączeń do sieci komórkowych. Możliwe problemy w koegzystencji z IEEE

63 Podsumowanie Stały rozwój Zrealizowane Opracowywane Powstają Mechanizmy transmisji danych Quality of service Bezpieczeństwo Monitorowanie Zarządzanie Kooperacja Usługi dedykowane Integracja usług Rozwój bezprzewodowych sieci komputerowych osiągnął poziom pozwalający na ich zastosowanie w systemach produkcyjnych. Prowadzone obecnie prace koncentrują się na: Optymalizacji wykorzystania pasma radiowego, Tworzeniu systemów złożonych, Integracji systemów, Tworzeniu i integracji usług niezależnych od technologii dostępu.