Πρωτόκολλα, Υπηρεσίες και Εφαρμογές Ασύρματων Δικτύων Εγχειρίδιο Μελέτης

Transcript

1

2

3

4 Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο», η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ ( ), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του Υ.ΠΑΙ.Θ. Πρωτόκολλα, Υπηρεσίες και Εφαρμογές Ασύρματων Δικτύων Εγχειρίδιο Μελέτης Σημείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδημαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

5 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΟΥ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ: ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΑΧΥΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Θεματική Ενότητα ΒΑΣΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Τόμος Α Πρωτόκολλα, Υπηρεσίες και Εφαρμογές Ασύρματων Δικτύων Εγχειρίδιο Μελέτης Συγγραφή ΔΑΜΙΑΝΟΣ ΓΑΒΑΛΑΣ Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστημίου Αιγαίου ΠΕΤΡΟΣ ΝΙΚΟΠΟΛΙΤΙΔΗΣ Επίκουρος Καθηγητής Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Κριτική Ανάγνωση ΠΕΡΙΚΛΗΣ ΧΑΤΖΗΜΙΣΙΟΣ Επίκουρος Καθηγητής ΤΕΙ Θεσσαλονίκης Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του Π.Σ. ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ Ν. ΣΚΟΔΡΑΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της Θ.Ε. ΔΑΜΙΑΝΟΣ ΓΑΒΑΛΑΣ Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστημίου Αιγαίου Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΖΩΝΤΗΡΟΣ Γλωσσική Επιμέλεια ΑΝΝΑ ΒΛΑΧΟΔΗΜΟΥ Τεχνική Επιμέλεια Καλλιτεχνική Επιμέλεια Σελιδοποίηση opus MAGNUM ISBN: Κωδικός Έκδοσης: ΣΔΥ 50/Α Copyright 2013 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Πάροδος Αριστοτέλους 18, Περιβόλα Πατρών Τηλ.: , Φαξ: To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.

6 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΟΥ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ: ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΑΧΥΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Θεματική Ενότητα ΒΑΣΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Τόμος Α Πρωτόκολλα, Υπηρεσίες και Εφαρμογές Ασύρματων Δικτύων Εγχειρίδιο Μελέτης ΔΑΜΙΑΝΟΣ ΓΑΒΑΛΑΣ Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστημίου Αιγαίου ΠΕΤΡΟΣ ΝΙΚΟΠΟΛΙΤΙΔΗΣ Επίκουρος Καθηγητής Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΠΑΤΡΑ 2013

7 Βιογραφικά Ο Δαμιανός Γαβαλάς είναι πτυχιούχος Πληροφορικής του ΕΚΠΑ (1995), με μεταπτυχιακές σπουδές στις τηλεπικοινωνίες (1997) και διδακτορικό δίπλωμα στην κατανεμημένη διαχείριση δικτύων υπολογιστών (2001) στο Πανεπιστήμιο του Έσεξ (Ηνωμένο Βασίλειο). Από το 2007 εργάζεται ως Επίκουρος Καθηγητής στο Τμήμα Πολιτισμικής Τεχνολογίας και Επικοινωνίας του Πανεπιστημίου Αιγαίου και από το 2010 ως Σύμβουλος Καθηγητής στο ΜΠΣ «Διάχυτα Συστήματα Υπολογισμού» (ΣΔΥ) του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου. Η ερευνητική του δραστηριότητα εκτείνεται στις περιοχές των τεχνολογιών διαδικτύου, κινητού/κατανεμημένου/διάχυτου υπολογισμού και ασύρματων ad hoc δικτύων. Έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 100 εργασίες στα παραπάνω θέματα σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά, συλλογικά έργα και πρακτικά διεθνών επιστημονικών συνεδρίων. Έχει συμμετάσχει ως συντονιστής και κύριος ερευνητής σε πλήθος έργων έρευνας και ανάπτυξης που έχουν χρηματοδοτηθεί από εθνικούς και ευρωπαϊκούς πόρους. O Πέτρος Νικοπολιτίδης αποφοίτησε από το Τμήμα Πληροφορικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης το Το 2002 αναγορεύθηκε Διδάκτορας από το ίδιο τμήμα. Από το 2004 έως το 2009 διατέλεσε Λέκτορας στο Τμήμα Πληροφορικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, όπου από το 2009 εργάζεται ως Επίκουρος Καθηγητής. Έχει δημοσιεύσει περισσότερες από 80 εργασίες σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και πρακτικά συνεδρίων. Έχει συ-συγγράψει το βιβλίο με τίτλο Wireless Networks (Wiley, 2003). Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα καλύπτουν τις περιοχές των ασύρματων δικτύων και των κινητών επικοινωνιών. Είναι Associate Editor του International Journal of Communication Systems της Wiley από το Είναι πρεσβύτερο μέλος (Senior Member) της IEEE.

8 Περιεχόμενα Πρόλογος ΚΕΦΑ Λ ΑΙΟ 1 Εισαγωγή στις ασύρματες επικοινωνίες Επισκόπηση ασύρματων υπηρεσιών Δ. Γαβαλάς Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά Εισαγωγή Βασικές έννοιες και χαρακτηριστικά των ασύρματων 1.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ασύρματων 1.4 Εφαρμογές και υπηρεσίες ασύρματων επικοινωνιών...21 επικοινωνιών...17 επικοινωνιών...19 Σύνοψη...24 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...25 Βιβλιογραφία...26 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...27 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...28 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...29 ΚΕΦΑ Λ ΑΙΟ 2 Ασύρματη διάδοση Π. Νικοπολιτίδης Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά Εισαγωγή Το ασύρματο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Κεραίες...37

9 8 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ, ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ: ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΜΕΛΕΤΗΣ 2.4 Απώλεια διάδοσης στον ελεύθερο χώρο Φαινόμενα ασύρματης διάδοσης Μοντέλα απώλειας διάδοσης...43 Σύνοψη...46 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...47 Βιβλιογραφία...48 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...49 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...50 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...52 ΚΕΦΑ Λ ΑΙΟ 3 Το φυσικό επίπεδο στα ασύρματα δίκτυα Π. Νικοπολιτίδης Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά Εισαγωγή Μέθοδοι διαμόρφωσης Διαμόρφωση μετατόπισης πλάτους Διαμόρφωση μετατόπισης συχνότητας Διαμόρφωση μετατόπισης φάσης Διαμόρφωση ευρέος φάσματος Διαμόρφωση Ορθογωνικής Πολυπλεξίας με Διαίρεση Συχνότητας 3.5 Ισοστάθμιση, διαποίκιλση, έλεγχος ισχύος, κωδικοποίηση...62 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) Ισοστάθμιση Διαποίκιλση Έλεγχος ισχύος Κωδικοποίηση...64 Σύνοψη...67

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 9 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...68 Βιβλιογραφία...69 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...70 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...71 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...73 ΚΕΦΑ Λ ΑΙΟ 4 Πολλαπλή πρόσβαση στα ασύρματα δίκτυα Π. Νικοπολιτίδης Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά Εισαγωγή Πρωτόκολλα σταθερής ανάθεσης Πολλαπλή Πρόσβαση με Διαίρεση Συχνότητας (Frequency Division Multiple Access FDMA) Πολλαπλή Πρόσβαση με Διαίρεση Χρόνου (Time Division Multiple Access TDMA) Πολλαπλή Πρόσβαση με Διαίρεση Κώδικα (Code Division Multiple Access CDMA) Πρωτόκολλα τυχαίας πρόσβασης ALOHA και ALOHA με σχισμές Πολλαπλή Πρόσβαση με Ακρόαση Φέροντος (Carrier Sense Multiple Access CSMA) Πολλαπλή Πρόσβαση με Ακρόαση Φέροντος και Αποφυγή Συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/CD)...81 Σύνοψη...84 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...85 Βιβλιογραφία...86 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...87

11 10 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ, ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ: ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΜΕΛΕΤΗΣ Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...88 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...90 ΚΕΦΑ Λ ΑΙΟ 5 Το επίπεδο μεταφοράς στα ασύρματα δίκτυα Π. Νικοπολιτίδης Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά Εισαγωγή Το πρωτόκολλο snoop Διάσπαση συνδέσεων Μέθοδοι βασισμένες σε διαχωρισμό απωλειών μετάδοσης και συμφόρησης Μέτρηση των χρόνων μεταξύ αφίξεων τμημάτων Χρήση σύνδεσης ελέγχου...97 Σύνοψη...99 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων ΚΕΦΑ Λ ΑΙΟ 6 Αρχιτεκτονικές και πρωτόκολλα ασύρματων δικτύων (WPAN, WLAN, WMAN, WWAN) Δ. Γαβαλάς Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά Εισαγωγή Ασύρματα δίκτυα προσωπικής περιοχής (WPANs) IrDA Bluetooth...112

12 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ultra Wide Band ή Ultraband (UWB) ZigBee Ασύρματα δίκτυα τοπικής περιοχής (WLANs) Ασύρματα δίκτυα μητροπολιτικής περιοχής (WMANs) Ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (WWANs) Ποιότητα υπηρεσιών στα ασύρματα δίκτυα Σύγχρονες τάσεις και το μέλλον στα ασύρματα δίκτυα Σύνοψη Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων ΚΕΦΑ Λ ΑΙΟ 7 Ασφάλεια στα ασύρματα δίκτυα Δ. Γαβαλάς Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά Εισαγωγή Απαιτήσεις ασφάλειας στα ασύρματα δίκτυα Απειλές κατά της ασφάλειας και τύποι επιθέσεων 7.4 Μηχανισμοί ασφάλειας στα ασύρματα δίκτυα στα ασύρματα δίκτυα Ασφάλεια σε κινητά κυψελωτά δίκτυα Ασφάλεια σε περιβάλλοντα WLAN Σύνοψη Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία...166

13 12 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ, ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ: ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΜΕΛΕΤΗΣ Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων Γλωσσάρι...173