Przemysłowe Sieci Informatyczne (PSI)

Transkrypt

1 Przemysłowe Sieci Informatyczne (PSI) Bezprzewodowa transmisja danych - przykłady wybrane Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Automatyka i Robotyka Studia stacjonarne I stopnia: rok II, semestr IV Opracowanie: dr inż. Tomasz Rutkowski Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 1

2 Przykładowe sposoby klasyfikacji technologii bezprzewodowych Przykłady Zastosowania Na co zwracają uwagę użytkownicy? 2

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

4 Podstawowy podział uwzględnienie zasięgu Systemy bezprzewodowej transmisji danych: o małym zasięgu (do kilkunastu metrów) o średnim zasięgu (do kilkudziesięciu/kilkuset metrów) o dużym zasięgu (od kilku do setek/tysięcy kilometrów) 4

5 Podstawowy podział uwzględnienie zasięgu Systemy bezprzewodowej transmisji danych: o małym zasięgu np.: IrDA, Bluetooth, Wibree (Bluetooth ultra low power) o średnim zasięgu np.: HomeRF, WiFi (802.11), ZigBee o dużym zasięgu np.: radiomodemy, sieci telefonii komórkowej GSM 5

6 Podstawowy podział uwzględnienie funkcji systemu Funkcje systemów bezprzewodowej transmisji danych: transmisja danych cyfrowych (wydzielone, nietelefoniczne kanały radiowe) transmisja danych cyfrowych + sygnały akustyczne (sieć telefonii komórkowej) telemetria pomiary na odległość telemechanika sterowanie na odległość czy zastąpienie z różnych powodów kabli/wiązek kabli miedzianych, kabli optycznych: o trudne warunki fizyczne do prowadzenia kabla o brak miejsca itp. 6

7 Podstawowy podział uwzględnienie funkcji systemu Funkcje systemów bezprzewodowej transmisji danych: transmisja danych cyfrowych radiomodemy transmisja danych cyfrowych + sygnały akustyczne sieci telefonii komórkowej GSM czy zastąpienie z różnych powodów kabli/wiązek kabli miedzianych, kabli optycznych IrDA, Bluetooth, HomeRF, WiFi (802.11), radiomodemy Drop in Networking dotyczy rozmieszczania sieci bezprzewodowych w środowisku, w którym niemożliwe jest wdrożenie sieci przewodowych 7

8 Podstawowy podział uwzględnienie wykorzystywanego pasma częstotliwości Pasma częstotliwości na których użytkowanie: trzeba mieć zezwolenie o pasma licencjonowane nad którymi czuwa Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE, np. operatorzy sieci komórkowych otrzymują zezwolenie w formie koncesji od UKE o za prawo do dysponowania częstotliwością należy uiszczać roczne opłaty opisane w odpowiednim Dzienniku Ustaw Rzeczypospolitej Polskiej (do wglądu np. na stronach UKE) 8

9 Podstawowy podział uwzględnienie wykorzystywanego pasma częstotliwości Pasma częstotliwości na których użytkowanie: nie trzeba mieć zezwolenia o pasma nielicencjonowane, miedzy innymi pasmo ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical), opisane w odpowiednim Dzienniku Ustaw Rzeczypospolitej Polskiej np. urządzenia pracujące w niektórych przedziałach ISM muszą posiadać homologację (800 MHz z mocą nadajnika 20 mw) 9

10 Pasmo ISM ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical): ISM jest pasmem nielicencjonowanym ISM to pasmo radiowe przeznaczone dla zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych ISM posiada wiele przedziałów, np.: 433,05 MHz 434,79 MHz (moc nadajnika 10 mw) 2,4 GHz 2,5 GHz (moc nadajnika 10 mw) 24,00 GHz 24,25 GHz (moc nadajnika 100 mw)

11 Popularne zastosowania komunikacji bezprzewodowej Zastosowania: Monitorowanie procesów, instalacji, produktów Sterowanie Zdalny dostęp do urządzeń, odczyt, serwis Systemy alarmowe Systemy bezpieczeństwa

12 Cechy urządzeń komunikacji bezprzewodowej istotne dla użytkowników Na co zwracają uwagę użytkownicy: ceny urządzeń, w tym koszt zakupu i użytkowania zasięg szybkość transmisji bezpieczeństwo oraz niezawodność przesyłania danych zastosowanie wewnątrz czy na zewnątrz pomieszczeń, stopień ochrony obudowy i odporność urządzenia na trudne warunki środowiskowe łatwość konfiguracji, łatwość obsługi i integracji modułów sieciowych marka urządzenia kwestia wykorzystanej w urządzeniach technologii komunikacyjnej (pasmo transmisji, kodowanie, protokół, itd.)

13 Systemy bezprzewodowej transmisji danych: o małym zasięgu IrDA Bluetooth 13

14 IrDA 14

15 IrDA- bezprzewodowa transmisja danych z promieniowaniem podczerwonym W 1993 r. powstała grupa IrDA (ang. Infrared Data Association) W skład grupy wchodzą między innymi: Acer, Apple Computer, Compaq, Ericsson, Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Philips, Sony, Toshiba IrDA opracowała firmowy system bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego IrDA przeznaczona jest przede wszystkim do tworzenia sieci tymczasowych, w których znajdują się komputery przenośne (laptopy, palmtopy), drukarki, telefony komórkowe itp. IrDA definiuje następujące standardy transmisji IrDA-Data, IrDA-Control, Advanced Infrared (AIr)

16 IrDA parametry łącza Zasięg Parametr Wartość typowa 1m Kąt odbioru ±15 Długość fali IR Czas trwania impulsu Szybkość transmisji Typ połączenia Liczba kanałów Emulacja portów nm 3/16 bitu UART 2,4kb/s -1 Gb/s punkt - punkt jeden do transmisji danych szeregowy,

17 IrDA warstwy protokołów źródło:

18 IrDA warstwy protokołów

19 IrDA warstwy/protokoły Cztery warstwy obowiązkowe (protokoły implementowane obowiązkowo): o o o o IrPLS (ang. Infrared Physical Layer Specification) IrLAP (ang. Infrared Link Access Protocol) IrLMP (ang. Infrared Link Management Protocol) IAS (ang. Information Access Service) Cztery warstwy opcjonalne (protokoły implementowane opcjonalnie), które mogą być użyte dowolnie w zależności od wymagań szczególnych danej aplikacji: o o o o TinyTP (ang. Tiny Transport Protocol) IrOBEX (ang. Infrared Object Exchange Protocol) IrCOMM (ang. Infrared Communications Protocol) IrLAN (ang. Infrared Local Area Network Access

20 IrDA warstwa fizyczna Warstwa IrPLS (ang. Physical Layer Specification): specyfikuje optyczny nadajnik-odbiornik, kształtuje sygnały w podczerwieni włączając do tego kodowanie danych opisuje specyfikację optyczną oraz zakres prędkości

21 IrDA warstwa fizyczna: przykład realizacji UART RS 232 Interfejs UART/IrDA Wzmacniacz i dioda IR Fotodioda i odbiornik

22 IrDA warstwa fizyczna: parametry łącza RZI: Return-to-Zero-Inverted 4 PPM: Four Pulse Position Modulation HHH: poprawiony 4 PPM źródło:

23 IrDA warstwa fizyczna: przykład modulacji RZI źródło:

24 Warstwa IrLAP (ang. Link Access Protocol): odpowiada warstwie łącza danych modelu ISO/OSI IrDA warstwa IrLAP dostarcza godnego zaufania mechanizmu przesyłu danych (retransmisja, kontrola potoku na niskim poziomie, detekcja błędów) wykorzystuje technologię master-slave (nadrzędny-podrzędny) do łączenia urządzeń może pracować w dwóch podstawowych trybach: NDM (ang. Normal Disconnect Mode) NRM (ang. Normal Response Mode) przesyłane dane zorganizowane są w ramki: 8 bitowe pole adresu (pierwszy bit odpowiada za kierunek danych, czy komenda czy odpowiedź) 8 bitowe pole kontroli określa funkcję ramki N*8 bitów pole informacji, danych

25 Warstwa IrLMP (ang. Link Management Protocol): IrDA warstwy posiada cechy multipleksera, co pozwala różnym klientom IrLMP korzystać z pojedynczego łącza IrLAP Warstwa IAS (ang. Information Access Service): zbiór obiektów, komponentów dostępnych dla danego połączenia informacje o udostępnianych usługach

26 IrDA warstwy TinyTP (ang. Tiny Transport Protocol): dostarcza usług kontroli przepływu danych przez połączenie, kanał (warstwa LMP) dostarcza usług segmentacji IrOBEX (ang. Object Exchange Protocol): umożliwia systemom dowolnych rozmiarów wymieniać szeroki zakres różnych danych oraz rozkazów za pomocą sprecyzowanych i standardowych modeli IrCOMM (ang. Communications Protocol): emuluje porty szeregowy lub równoległy IrLAN (ang. Local Area Network Access): służy do wygodnego połączenia między przenośnymi PC a siecią lokalną

27 Bluetooth 27

28 Bluetooth- historia W 1994 Ericsson zainteresował się możliwością łączenia telefonów komórkowych z innymi urządzeniami bez użycia kabla i z IBM, Intel, Nokia i Toshiba utworzył grupę SIG (ang. Special Interest Group), której głównymi celami było: standaryzacja bezprzewodowej technologii o niewielkim zasięgu, małym poborem prądu, niskim poziomem mocy promieniowanej niską ceną W 1999 roku Bluetooth SIG opublikowało specyfikację pierwszej wersji technologii Bluetooth (Bluetooth V1.0) W 2002 roku, IEEE zatwierdziło Bluetooth (IEE )

29 Bluetooth- bezprzewodowa transmisja danych w paśmie radiowym 2,402 do 2,4835 GHz Wykorzystuje pasmo ISM, wynika z tego problem ochrony transmisji przed zakłóceniami ze strony innych urządzeń pracujących w tym samym paśmie (np. mikrofalówka, piloty) wykorzystuje się modulację w widmie rozproszonym Integruje w ramach sieci PAN (ang. Personal Area Network) takie urządzenia jak: klawiatura, komputer, laptop, palmtop, telefon komórkowy, słuchawki Każde urządzenie ma swój indywidualny numer (adres) w postaci 32-bitowego słowa binarnego BDA (ang. Bluetooth Device Address) Kodowanie binarnego sygnału odbywa się metodą kluczowania częstotliwości FSK (ang. Frequency-Shift Keying)

30 Bluetooth- bezprzewodowa transmisja danych w paśmie radiowym 2,402 do 2,4835 GHz W tworzoną doraźnie sieć ad hoc systemu Bluetooth można włączyć do 8 urządzeń, z których każde może pełnić rolę nadajnika i odbiornika (tworzy się tzw. pikosieć) W pikosieci tylko jedno urządzenie pełni funkcje nadrzędne (master), pozostałe są pełnią funkcje podrzędne (slave) Urządzenie inicjujące taką pikosieć jest urządzeniem nadrzędnym (master) Każde z urządzeń może być częścią kilku pikosieci jednocześnie Komunikacja odbywa się w trybie półdupleks W określonej szczelinie czasowej (przedziale czasu) nadajnik przesyła informację tylko do jednego odbiornika, a odbiornik przyjmuje informacje od jednego nadajnika

31 Bluetooth- pikosieć

32 Bluetooth kodowanie sygnału binarnego -metodą kluczowania częstotliwości FSK (ang. Frequency-Shift Keying) źródło:

33 Bluetooth tworzenie kanałów transmisyjnych Wykorzystuje się modulację rozpraszania widma ze skokami częstotliwości FH (ang. Frequency Hopping) i dzieleniem czasu TDD (ang. Time Division Duplex) Przedział częstotliwości MHz dzieli się na 79 kanałów o odstępie 1 MHz System dzieli pasmo na kanały o zmieniającej się częstotliwości Zmiany częstotliwości nośnej odbywają się pseudolosowo (skokowo), według określonej sekwencji (powtarzanej co 23 h) Oprócz częstotliwości kanał jest zdefiniowany przez przydział szczeliny czasowej 625µs

34 Bluetooth tworzenie kanałów transmisyjnych W ramach jednej szczeliny czasowej transmitowany jest jeden pakiet danych Skokowa zmiany częstotliwości odbywa się z okresem 625µs co oznacza, że odbywa się 1600 razy na sekundę Sekwencję zmiany częstotliwości nośnej muszą znać nadajnik jak i odbiornik Sekwencja zmiany częstotliwości jest ustalana w wyniku danych zawartych w transmitowanym pakiecie

35 Bluetooth format pakietu danych Pakiet Bluetooth składa się z trzech części: Kod dostępu AC Nagłówek

36 Bluetooth format pakietu danych Kod dostępu AC Start AC preambuła Koniec AC koniec pierwszej części ramki Słowo synchronizacji zawiera informacje o pseudolosowej sekwencji zmian częstotliwości kanału o pierwsza część Słowa synchronizacji tworzona jest przez przypisanie 40 starszych bitów poprzedniego słowa o druga część Słowa synchronizacji jest wynikiem operacji modulo 2 (XOR) młodszych 24 bitów poprzedniego słowa i 24 bitów adresu BDA urządzenia nadającego

37 Bluetooth format pakietu danych Nagłówek AMA (ang. Active MemberAddress) 3 bitowy adres aktywnego urządzenia Typ 4 bity określające typ pakietu Płynność 1 bit kontroli płynności transmisji ARQ 1 bit automatycznej retransmisji pakietu Kontrola błędów 1 bit kontroli błędów

38 Bluetooth połaczenia Transmisja pakietu danych większych niż 2745 bitów odbywa się w przeciągu 3-5 szczelin czasowych Komunikacja odbywa się między urządzeniami master a slave Master zaczyna od zapytania a slave odpowiada Dwa urządzenia slave nie mogą komunikować się ze sobą bezpośrednio Urządzenie master ma prawo nadawać w parzystych szczelinach czasowych Pozostałe urządzenia nadają w szczelinach nieparzystych

39 Bluetooth model warstwowy

40 Fizyczna warstwa radiowa odpowiada warstwie fizycznej łącza danych Bluetooth model warstwowy określa transmisje radiową oraz modulację stosowaną w systemie Warstwa baseband layer jest zbliżona do podwarstwy łącza danych modelu OSI, ale zawiera także elementy warstwy fizycznej określa w jaki sposób urządzenie master kontroluje sloty czasowe i jak sloty są grupowane w ramki Link manager zajmuje się ustanowieniem logicznych kanałów między urządzeniami, zarządzaniem energią oraz jakością usługi(qos) Link control adaptation protocol zajmuje się szczegółowymi parametrami transmisji, uwalniając w ten sposób wyższe warstwy od tego obowiązku

41 Podwarstwa LLC standardu 802 Bluetooth model warstwowy została "wstawiona" przez IEEE, w celu zapewnienia kompatybilności z sieciami 802 RFcomm (ang. Radio Frequency communication) to protokół, który emuluje standardowy port szeregowy do podłączenia klawiatury, myszy, modemu oraz innych urządzeń Protokół telephony to protokół czasu rzeczywistego, używanym w profilach zorientowanych na rozmowy Protokół discovery service jest używany do umiejscowienia usługi wewnątrz sieci Profile opisują ogólne wymagania stawiane oprogramowaniu, umożliwiającemu realizację różnego typu usług telekomunikacyjnych służą zapewnieniu kompatybilności między aplikacjami oraz urządzeniami Bluetooth pochodzącymi od różnych producentów

42 Bluetooth zasięg Zasięg urządzeń Blutooth związany jest z klasą mocy nadajników: 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

43 Bluetooth szybkość transmisji Szybkość transmisji standardów Bluetooth: v kb/s v kb/s v kb/s v 2.0 3,1 Mb/s v HS (High Speed) 3 MB/s v HS (High Speed) - 5 MB/s v LE (Low Energy) 1 Mb/s

44 Systemy bezprzewodowej transmisji danych: o średnim zasięgu WiFi(802.11) ZigBee 44

45 WiFi (802.11) 45

46 Wybrane standardy transmisji bezprzewodowej WiFi Porównanie wybranych standardów: IEEE IEEE b IEEE a IEEE g IEEE n IEEE ac Zasięg 60 m 100 m 75 m 100 m > 100 m do m Max. Szybkość transmisji 2 Mb/s 11 Mb/s 54 Mb/s 54 Mb/s 540 Mb/s do 1300 Mb/s Medium fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe fale radiowe Dł. fali / Częstotliwość 2,4 GHz 2,4 GHz 5 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz lub 5 GHz 5 GHz Wrażliwość na zakłócenia Data zatwierdzenia średnia mała średnia duża średnia mała

47 Kanały w standardach: b i g (2,4 GHz) Nr kanału 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

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

49 Kanały pasmach 2,4 GHzi 5 GHz źródło:

50 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

51 Główne różnice pomiędzy standardami n i ac MU-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

52 Główne różnice pomiędzy standardami n i ac źródło:

53 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, n i ac :: Modulacja OFDM (ang. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) wykorzystująca wiele ortogonalnych względem siebie podnośnych (52 podnośne) Fizyczna transmisja np. za pomocą jednej z technik modulacji fazy BPSK (ang. Binary Phase Shift Keying) lub modulacji amplitudowofazowe QAM (ang. Quadrature Amplitude Modulation)

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

55 Modulacja 16QAM źródło:

56 Modulacja QAM źródło:

57 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

58 Standaryzacja Organizacja IEEE nie sprawdza jak producenci wywiązują się z zaleceń jej standardów W 1999 powstaje organizacja WECA (ang. Wireless Ethernet CompatibilityAlliance) 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

59 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

60 Struktury sieci WLAN Sieć Ad Hoc

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

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

63 Struktury sieci WLAN Sieć z mostem MOST BSS1 BSS2 ESS

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

65 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,

66 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

67 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

68 Ramki protokołów i Ramka (Ethernet) Ramka

69 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

70 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

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

72 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 współdzielony przez oba urządzenia (WEP)

73 Kojarzenie: Działanie protokołu 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

74 WEP (ang. Wired Equivalency Privacy) Bezpieczeństwo 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)

75 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

76 WPA2 (ang. WiFi Protected Access 2) Bezpieczeństwo 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

77 ZigBee 77

78 ZigBee - charakterystyka ZigBee zaprojektowano specjalnie z myślą o wykorzystaniu w produkcji różnego rodzaju czujników, urządzeń sterujących i urządzeń monitorujących ZigBee korzysta ze standardu łącza radiowego, zdefiniowanego przez IEEE (silny protokół pakietowy, zapewniający dużą niezawodność poprzez potwierdzanie odbioru, sprawdzanie błędów, priorytyzowaną łączność, transmisję z widmem rozproszonym, zdolność zmieniania częstotliwości dla uniknięcia interferencji i możliwości wyboru przez użytkownika poziomu bezpieczeństwa ZigBee uzupełnia IEEE o sieć logiczną oraz oprogramowanie związane z bezpieczeństwem i aplikacjami użytkownika

79 ZigBee - charakterystyka ZigBee aspiruje do pozycji globalnego standardu obsługującego sieci typu czujnik-system sterowania ZigBee jest nastawiony na częste przesyłanie drobnych, zwykle tekstowych komunikatów ZigBee jest rozwijane przez ZigBeeAlliance (organizacja zrzeszająca ponad 150 firm z całego świata)

80 Transmisja w paśmie: 2,4GHz lub 868/915MHz ZigBee -cechy Standardowa odległość transmisji 100m (5-500m zależnie od środowiska) Szybkość transmisji danych: 250 kb/s (2.4 GHz), 40 kb/s (915 MHz), 20 kb/s (868 MHz) Dostęp do kanału z użyciem CSMA/CA Modulacja BPSK (868/915 MHz) oraz O-QPSK (2,4 GHz) W paśmie 2,4 GHz przewidziano 16 kanałów o szerokości 5MHz Niski pobór mocy (czas zużywania baterii zasilających od wielu miesięcy do kilku lat)

81 64-bitowy adres IEEE (do 18,450,000,000,000,000,000 urządzeń) Możliwość wykorzystania do sieci ZigBee -cechy Wykorzystanie protokołu handshake w celu zapewnienia niezawodności transferu

82 ZigBee opisuje trzy typy urządzeń : ZigBee - podział I podział funkcjonalny I. koordynator (ang. ZigBee Coordinator - ZC): dla każdej sieci może występować tylko jedno takie urządzenie, służy jako węzeł początkowy do którego mogą się przyłączać pozostałe urządzenia (zazwyczaj pełni rolę urządzenia zbierającego dane) II. router (ang. ZigBee Router - ZR): przekazuje pakiety dalej III.urządzenie końcowe (ang. ZigBee End Device - ZED): przesyła dane do routera do którego jest przyłączone, może być czasowo usypiane w celu zmniejszenia zużycia energii

83 ZigBee -podział II -typy urządzeń Standard IEEE definiuje dwa typy urządzeń ZigBee: 1. Full Function Device (FFD): Może funkcjonować w dowolnej topologii sieci Może być koordynatorem sieci Może "rozmawiać" z każdym innym urządzeniem w sieci 2. Reduced Function Device (RFD): Może funkcjonować tylko w topologii gwiaździstej Nie może stać się koordynatorem sieci "Rozmawia" tylko z koordynatorem sieci Bardzo prosta implementacja

84 Typowe topologie sieci ZigBee: gwiaździsta peer-to-peer ZigBee - topologie sieci kratowa (ang. mesh) - gdy wybrana droga przesyłu informacji staje się niedrożna (zakłócenia lub awaria), sieć ma zdolność do automatycznej rekonfiguracji połączeń między punktami tak, aby mimo problemów przekazać informację

85 ZigBee - topologie sieci Gwiaździsta Drzewa Kratowa

86 ZigBee - model warstwowy Standard IEEE definiuje dwie najniższe warstwy: fizyczną (ang. PHYsical) oraz podwarstwę MAC (ang. Media Access Control) Zigbee Aliance wprowadziło warstwy: sieciową NWK (ang. Networking App Layer) aplikacji APL (ang. Application Layer) która zawiera: wsparcie podwarstwy aplikacji APS (ang. APlication Support), i zdefiniowanych przez producenta obiektów aplikacji ZDO (ang. Zigbee Device Objects) Każda warstwa zapewnia określony komplet usług Każda usługa wystawia własny interfejs dla wyższych warstw poprzez SAP (ang. Service Access Point)

87 ZigBee - model warstwowy

88 ZigBee - model warstwowy Warstwa PHY: definiuje standard łącza radiowego (m.in. modulacja, szybkość transmisji, wybór kanałów) Warstwa MAC: kontroluje dostęp kanałów radiowych używając mechanizmu CSMA- CA odpowiada za transmisję ramek sygnalizacyjnych beacon, odpowiada za synchronizację i dostarczenie mechanizmu transmisji

89 ZigBee - model warstwowy Warstwa NWK zawiera mechanizmy związane z: przyłączaniem i odłączania się do sieci zabezpieczenie ramek, odnalezienie i utrzymanie drogi ramek do zamierzonego celu odnalezienie sąsiadów i gromadzenie informacji o nich wykorzystano reaktywny (na żądanie) algorytm routinguaodv (ang. Hoc On-Demand DistanceVictor)

90 ZigBee - model warstwowy Warstwa APS: przekazuje wiadomości pomiędzy połączonymi urządzeniami odpowiada za odnajdywanie urządzeń w sieci oraz określanie, która usługa aplikacji powinna je prowadzić Warstwa ZDO: definiuje rolę urządzenia w sieci (np. koordynator Zigbee ) ustanawia bezpieczne połączenia pomiędzy urządzeniami sieci

91 ZigBee - ramka danych

92 Systemy bezprzewodowej transmisji danych: o dużym zasięgu siecitelefoniikomórkowejgsm radiomodemy 92

93 sieci telefonii komórkowej GSM 93

94 Sieci telefonii komórkowej Telefonia komórkowa pierwszej generacji (1G) Telefonia komórkowa drugiej generacji (2G) Telefonia komórkowa trzeciej generacji (3G) Telefonia komórkowa czwartej generacji (4G)

95 Sieci telefonii komórkowej 1G Telefonia komórkowa pierwszej generacji (1G) o System telefonii z analogową transmisją głosu o Pasmo częstotliwości 450 MHz i 900 MHz o NMT (ang. Nordic Mobile Telephone): Skandynawia, Polska o AMPS (ang. Advanced Mobile Phone System): USA o TACS (ang. Total Access Communication System), wersja AMPS zaimplementowana w Wielkiej Brytanii i Irlandii

96 Sieci telefonii komórkowej 2G Telefonia komórkowa drugiej generacji (2G) o System ruchomej telefonii cyfrowej, transmisja głosu oraz danych cyfrowych o Pasmo częstotliwości 900 MHz i 1800 MHz o GSM (ang. Global System of Mobile Communications): Europa o Digital AMPS: USA (1900 MHz) o JDC (ang. Japanese Digital Cellular System): Japonia

97 Sieci telefonii komórkowej 2G - struktura systemu telefonii komórkowej GSM źródło:

98 Sieci telefonii komórkowej 2G - struktura systemu telefonii komórkowej GSM BTS (ang. Base Transceiver Station) - stacja bazowa pełniąca funkcje stacji przekaźnikowej BSC (ang. Base Station Controler) - kontroler stacji bazowych jest odpowiedzialnym za zarządzanie stacjami bazowymi, oraz transmisję danych pomiędzy stacjami bazowymi a resztą sieci MSC (ang. Mobile Switching Centre) - cyfrowa centrala telefoniczna przystosowaną do pracy w sieci GSM GMSC (ang. Gateway Mobile Switching Centre) - cyfrowa MSC z dodatkową funkcjonalnością związaną z kontaktowaniem się z rejestrem stacji własnych (ang. Home Location Register, HLR), bazą danych, która przechowuje informacje o abonentach, którzy należą do danej sieci VLR (ang. Visitor Location Register) - rejestr abonentów przyjezdnych, baza danych abonentów znajdujących się w obszarze obsługiwanym przez dany MSC FNR (ang. Flexible Number Register) - opcjonalny element sieci wykorzystywany w mechanizmie przenoszenia numeru pomiędzy operatorami SMSC (ang. SMS Center) - centrala SMS, bierze udział w przesyłaniu SMS-ów pomiędzy abonentami i przechowujący te wiadomości, które nie mogą być w danej chwili dostarczone AuC (ang. Authentication Centre) - centrala autoryzacji odpowiedzialna za autoryzację abonentów, zezwala danemu abonentowi logującemu się do sieci na korzystanie z zasobów radiowych SCP (ang. Service Control Point) - element sieci, na którym oparte są sieci inteligentne (usługi dodatkowe, które mogą być wykupione przez abonenta, np. Virtual Private Network lub Prepaid) SDP (ang. Service Data Point) - to baza danych, która zawiera informacje o abonentach wykorzystywane przez programy działające na platformie sieci inteligentnych

99 Sieci telefonii komórkowej 2G - transmisja w systemie GSM Transmisja odbywa się w trybie dupleksowym (podwójny kanał transmisji) Wydziela się oddzielne pasma częstotliwości do tworzenia kanałów transmisji od stacji ruchomej do stacji bazowej kanał w górę od stacji bazowej do stacji ruchomej kanał w dół GSM 900 GSM 1800 Kanały w górę MHz Kanały w dół MHz Liczba podwójnych kanałów (częstotliwości)

100 Sieci telefonii komórkowej 2G - transmisja w systemie GSM Szerokość pasma każdego kanału wynosi 200 khz Pomiędzy kanałami w górę i w dół ustalono niezajęte przedziały częstotliwości o szerokości 100 khz Oprócz częstotliwości kanał transmisji jest definiowany przez przydział szczelin czasowych Stosowana jest technika wielodostępu w dziedzinie czasu TDMA (ang. Time Division Multiple Access) ramka TDMA o okresie 4,615 ms podzielona jest na 8 szczelin czasowych po 577 µs kanał fizyczny podzielony jest w czasie na szczeliny czasowe użytkownikowi na potrzeby transmisji przydzielana jest pewna liczba szczelin czasowych transmisja danych nie jest ciągła!!!

101 Sieci telefonii komórkowej 2G - transmisja w systemie GSM źródło:

102 Dla GSM 900 liczba kanałów 124 liczba szczelin 8 Sieci telefonii komórkowej 2G - transmisja w systemie GSM zatem liczba kanałów transmisyjnych równa 8x124 = 992 może być utworzona przez jedną stację bazową Dla GSM 1800 liczba kanałów 374 liczba szczelin 8 zatem liczba kanałów transmisyjnych równa 8x374 = 2992 może być utworzona przez jedną stację bazową źródło:

103 Sieci telefonii komórkowej 2G - transmisja w systemie GSM W sieciach GSM stosowana jest modulacja sygnału GMSK (ang. Gaussian Minimum Shift Keying) modulacja z minimalnym przeskokiem częstotliwości i gaussowską filtracją impulsu prostokątnego Modulacja GMSK jest szczególnym przypadkiem modulacji FSK źródło:

104 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych GPRS (2,5G) Modulacja GMSK

105 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych Usługi transmisji danych w systemie GSM SMS (ang. Short Message Service) CSD (ang. Circuit Switched Data) HSCSD (ang. High Speed Circuit Switched Data) GPRS (ang. General Packed Radio Service) EDGE (ang. Enhanced Data rates for GSM Evolution) GPRS, EDGE -> 2,5G

106 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych - SMS SMS (ang. Short Message Service) Umożliwia przesyłanie krótkich komunikatów alfanumerycznych do 160 znaków Najtańsza forma przesyłania danych Komunikat dociera do odbiorcy po pewnym czasie T W przypadku braku łączności z odbiorcą komunikat zostaje zapamiętany i przesłany po uzyskani z nim połączenia SMS-y są przesyłane przez centralę SMS SMSC Ramki PDU (ang. Protocol Data Unit) transmisji SMS: SMS-SUBMIT SMS od np. telefonu do SMSC SMS-DELIVER SMS od SMSC do np. telefonu

107 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych - SMS SMS-SUBMIT Rys 4.14 str 143 SMS-DELIVER Rys 4.14 str 143 PDU Type określa czy ramka SUBMIT czy DELIVER; MR numer identyfikacyjny komunikatu (0-255); DA numer telefonu nadawcy; OA numer telefonu odbiorcy; PID typ danych (tekst, telefax); DCS oznaczenie metody kodowania; VP ile czasu przechowywać SMS w SMSC gdy go nie dostarczono; UDL długość przesyłanego komunikatu; STCS informacja kiedy komunikat dotarł do SMSC;

108 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych - CSD Komutowana transmisja danych CSD transmisja zajmuje cały kanał prędkość 9,6 kb/s technika komutacji kanałów opłaty proporcjonalne do czasu połączenia Rys 4.4 str 130

109 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych - HSCSD Szybka transmisja danych HSCSD transmisja zajmuje kilka kanałów (do czterech) w jednym kanale fizycznym (realizowane przez przydział większej liczby szczelin czasowych do czterech) prędkość 14,4 kb/s (w jednym kanale transmisyjnym) wykorzystuje się kompresję danych transmisja z jedną z prędkości: 14,4 kb/s, 19,2 kb/s, 28,8 kb/s, 38,4 kb/s, 43,2 kb/s, 56,0 kb/s technika komutacji kanałów opłaty proporcjonalne do czasu połączenia wymaga modyfikacji stacji bazowych sieci GSM

110 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych - HSCSD Rys 4.5 str 131

111 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych GPRS (2,5G) Pakietowa transmisja danych GPRS użytkownik nie zajmuje tylko dla siebie całego kanału (każda ze szczelin czasowych może zawierać dane z wielu niezależnych transmisji należących do wielu użytkowników maksymalnie do 32 identyfikowanych po pięciobitowym parametrze TFI, Temporary Flow Identity) transmisja zajmuje osiem szczelin czasowych, zatem maksymalna prędkość transmisji w GPRS równa się 8x14,4 kb/s = 115,2 kb/s wykorzystuje się kompresję danych (wykorzystując niestandardowe metody kodowania transmisję można zwiększyć teoretycznie do 170 kb/s) opłaty są proporcjonalne do ilości wysłanych/odebranych danych technika komutacji pakietów danych tryb transmisji GPRS do Internetu, w wyniku stosowania protokołu IP, zmniejsza maksymalną transmisję w pojedynczym kanale do 13,4 kb/s wymaga modyfikacji stacji bazowych sieci GSM (większych niż przy HSCSD) modulacja GMSK

112 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych EDGE (2,5G) Modulacja 8-PSK

113 Sieci telefonii komórkowej 2G - usługi transmisji danych GPRS (2,5G) Rys 4.6 str 131

114 Sieci telefonii komórkowej 2G -usługi transmisji danych GPRS (2,5G) -sieć źródło: