Μια εισαγωγή στην ασύρματη δικτύωση. Δρ. Χατζημίσιος Περικλής

Ασύρματα Δίκτυα και Επικοινωνίες: Μια εισαγωγή στην ασύρματη δικτύωση Δρ. Χατζημίσιος Περικλής

Εισαγωγή στην ασύρματη δικτύωση Αύξηση ενδιαφέροντος για ασύρματη τοπική δικτύωση στα μέσα της δεκαετίας του 90 Ετερογενείς συσκευές, αδυναμία επικοινωνίας λόγω ασυμβατότητας Ανάγκη ύπαρξης ενός κοινά αποδεκτού προτύπου Προτυποποίηση ΙΕΕΕ 802.11 τον Ιούλιο του 1997 2

Standards Τοπικών Ασύρματων Δικτύων Πρόσβασης Wireless LAN 2.4 GHz 5 GHz 802.11 (2 Mbps) 802.11b (11 Mbps) 802.11g (22-54 Mbps) HiSWANa (54 Mbps) 802.11a (54 Mbps) HiperLAN2 (54 Mbps) HomeRF 2.0 (10 Mbps) 802.11e (QoS) Bluetooth (1 Mbps) 802.11i (Security) HomeRF 1.0 (2 Mbps) Προσωπικά Ασύρματα Δίκτυα (PANs) 802.11n (248 Mbps based on MIMO)

Τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης Οικογένεια προτύπων 802 Στοίβα OSI 802.2 LLC Επίπεδο Ζεύξης εδομένων[ 2] 802.5 (Token Ring) MAC & PHY 802.3 MAC & 802.11 MAC Φυσικό Επίπεδο [1] 802.11g ERP PHY 802.11b HR/DSSSS PHY 802.11a OFDM PHY 802. 11 InfraRe ed PHY 802. DSSS 802. FSS S PHY 11 PHY 11 PHY 1997 1999 2003 4 802.1 ιαχείριση

Πρότυπο Τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.11 802.11 2.4 GHz Συχνότητα Τεχνική Μεγ. Ρυθμός Έτος Λειτουργίας Διαμόρφωσης Μετάδοσης Προτυποποίησης Frequency Hopping 2 Mbps 1997 802.11 2.4 GHz Direct Sequence 2 Mbps 1997 802.11 2.4 GHz Infrared 2 Mbps 1997 802.11b 2.4 GHz HR / Direct Sequence 11 Mbps 1999 802.11a 5 GHz OFDM 54 Mbps 1999 802.11g 2.4 GHz ERP (DSSS,OFDM) 54 Mbps 2003 5

Τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης Το πρότυπο 802.11 Υπό επίπεδα Φυσικού επιπέδου 802.11 Υπό-επίπεδο PLCP: Physical Layer Convergence Procedure : MAC Αντιστοιχεί τα πλαίσια MAC στα μεταδιδόμενα πλαίσια PLCP Προσθέτει επιπλέον δική του επικεφαλίδα Επίπεδο PLCP Ζεύξης PMD: Physical Medium Dependent: Φυσικό Διαμόρφωση πληροφορίας Επίπεδο Μετάδοση πλαισίων στο μέσο PMD 6

Εισαγωγή στην ασύρματη δικτύωση Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Κινητικότητα Προβλήματα μετάδοσης Εγκατάσταση σε λήψης δυσπρόσιτες περιοχές ραδιοσυχνοτήτων Ευκολία εγκατάστασης Επιπρόσθετη Αυξημένη αξιοπιστία κατανάλωση ισχύος Ταχύτητα Ετερογενείς συσκευές εγκατάστασης Ασφάλεια Οικονομικά οφέλη Μελέτη εγκατάστασης Επίδραση στην υγεία 7

Τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης Τοπολογία δικτύου Βασικό σετ υπηρεσιών Εκτεταμένο σετ (BSS) υπηρεσιών (ESS) Αποτελείτε από ένα AP και πολλούς σταθμούς Η επικοινωνία μεταξύ των σταθμών πραγματοποιείτε διάμεσου του AP Οι σταθμοί πρέπει να είναι συσχετισμένοι με κάποιο AP ώστε να αποτελούν μέλος του δικτύου. Απουσία AP Ad Hoc δίκτυα Είναι μια ομάδα περισσότερων του ενός BSS δικτύου Επικοινωνία μεταξύ των AP διάμεσου του συστήματος διανομής (DS) 8

Τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης Αρχιτεκτονική δικτύου Independent BSS δίκτυο Independent BSS δίκτυο (Ad hoc) 9

Τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης Αρχιτεκτονική δικτύου Infrastructure BSS δίκτυο 10

Τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης Αρχιτεκτονική δικτύου ESS δίκτυο 11

WLANs με υποδομή 802.11 LAN ESS BSS 1 STA 1 802.x LAN STA 2 AP Portal Distribution System AP STA 3 BSS 2 STA 4 802.11 LAN Access Point Σημείο Πρόσβασης Σταθμός, ο οποίος επικοινωνεί τόσο με το ασύρματο τοπικό δίκτυο, όσο και με το σύστημα διανομής (distribution system) Station (STA) Σταθμός τερματικό με μηχανισμούς πρόσβασης στο ασύρματο μέσο και δυνατότητα επικοινωνίας με το Access Point Basic Service Set (BSS) ομάδα σταθμών που χρησιμοποιούν την ίδια ραδιοσυχνότητα Portal γέφυρα μεταξύ του συστήματος διανομής και εξωτερικών δικτύων Distribution System Σύστημα Διανομής δίκτυο διασύνδεσης πολλών BSS σε ένα ESS (Extended dservice Set)

WLANs χωρίς υποδομή (ad hoc WLANs) 802.11 LAN STA 1 IBSS 1 STA 2 Station (STA) Tερματικό με μηχανισμούς πρόσβασης στο ασύρματο μέσο STA 3 Independent Basic Service Set (IBSS) Oμάδα σταθμών που χρησιμοποιούν την ίδια ραδιο συχνότητα, χωρίς την παρεμβολή σημείου πρόσβασης STA 1 STA 2 IBSS 2 802.11 LAN

Το επίπεδο MAC Εκ των σημαντικότερων τμημάτων του προτύπου Κοινό για όλες τις εκδόσεις προτύπων 802.11 >χαμηλό κόστος σχεδίασης, υλοποίησης συσκευών Ζητούμενα από το MAC επίπεδο Αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων Καταμερισμός χρήσης του μέσου μετάδοσης Προστασία δεδομένων 14

Αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων Προβλήματα Το μέσο διάδοσης είναι επιρρεπές και αναξιόπιστο Αδυναμία ανίχνευσης συγκρούσεων στην ασύρματη επικοινωνία Το πρόβλημα των κρυφών σταθμών Λύσεις Ανίχνευση φορέα. Φυσική και εικονική (NAV) Θετική επιβεβαίωση λήψης πλαισίων (ACK) Διαδικασία πλαισίων RTS/CTS Κατάτμηση πλαισίων 15

Ανίχνευση φορέα Φυσική ανίχνευση Εικονική ανίχνευση (NAV) Έλεγχος μέσω φυσικού επιπέδου για ύπαρξη σήματος στο κανάλι Κάθε μεταδιδόμενο πλαίσιο φέρει το πεδίο Duration που αναφέρεται στην χρονική Εάν το κανάλι ανιχνευτεί διάρκεια κατάληψης του ελεύθερο, τότε ο σταθμός μέσου. μπορεί να εκπέμψει Ο NAV είναι ένας μετρητής Ειδάλλως, αναμένει ένα που ενημερώνεται από το τυχαίο χρονικό διάστημα πεδίο Duration κάθε σύμφωνα με τον αλγόριθμο λαμβανομένου πλαισίου random backoff και ξαναπροσπαθεί Ο σταθμός δεν επιχειρεί εκπομπή εκτός εάν το NAV=0 16

Θετική επιβεβαίωση λήψης πλαισίων (ACK) 1. Το πλαίσιο δεδομένων αποστέλλεται στον παραλήπτη 2. Εάν το πλαίσιο ληφθεί σωστά, ο αποδέκτης σταθμός στέλνει ένα πλαίσιο ACK στον αποστολέα. Εάν το πλαίσιο ACK ληφθεί σωστά, ημετάδοση πραγματοποιήθηκε επιτυχώς. 3. Αλλιώς (το πλαίσιο δεδομένων ή το πλαίσιο ACK δεν ελήφθει σωστά), αύξησε τον μετρητή προσπαθειών μετάδοσης 4. Εάν ο μετρητής < MAX_RETRY_COUNTER πήγαινε στο 1 5. Αλλιώς (υπερχείλιση μετρητή) Αποτυχία μετάδοσης 17

Το πρόβλημα των κρυφών κόμβων STA 1 STA 2 STA 3 Ο σταθμός 1 αγνοεί την ύπαρξη του σταθμού 3, και αντιστρόφως. Πιθανή παρουσίαση σύγκρουσης λόγω ταυτόχρονης εκπομπής πλαισίων των 2 σταθμών 18

Λύση προβλήματος κρυφών κόμβων 1.RTS 2.CTS STA 1 STA 2 STA 3 περιοχή καθαρισμένη απο το RTS περιοχή καθαρισμένη απο το CTS Εκπομπή πλαισίου RTS (Request To Send) πριν την μετάδοση των δεδομένων Κάθε σταθμός που ακούει το RTS, αποκρίνεται με ένα πλαίσιο CTS (Clear To Send) ώστε να ενημερωθούν και οι τυχόν κρυφοί. 19

Έλεγχος πρόσβασης στο κοινό μέσο Distributed Coordination Function (DCF) Πολλαπλή προσπέλαση με ανίχνευση φορέα και αποφυγή συγκρούσεων CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Παρόμοιος μηχανισμός με αυτό του Ethernet (CSMA/CD) Point Coordination Function (PCF) Μοιάζει με την τεχνολογία ενσύρματων δικτύων Token. Ο έλεγχος πρόσβασης υλοποιείται σε ένα κεντρικό σημείο Ελάχιστη εμπορική εκμετάλλευση του μηχανισμού 20

Distributed Coordination Function Χρησιμοποιεί τον μηχανισμό πρόσβασης CSMA/CA A με χρήση αλγορίθμου δυαδικής εκθετικής υποχώρησης Μηχανισμός LBT (Listen Before Talk) για αποφυγή συγκρούσεων Αποτελεί την κύρια μέθοδο κοινής πρόσβασης, υλοποιείται στην συντριπτική πλειονότητα των ασύρματων δικτύων 21

Λογική λειτουργία DCF ΕΝΑΡΞΗ NAV =0? ΕΛΕΓΧΟΣ ΜΕΣΟΥ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΜΕΣΟ? NAI NAI NAI ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ? ΟΧΙ ΟΧΙ ΟΧΙ ΕΠΙΤΥΧΗΣ ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ RANDOM BACKOFF 22

Λειτουργία DCF IFS STA 1 STA 2 STA 3 STA 4 NAV NAV NAV NAV DIFS τυχαίο backoff (4 slot) RTS SIF FS CTS SIFS DATA SIF FS ACK τυχαίο backoff (7 slot) DIFS τυχαίο backoff (5 slot) DIFS Αναβολή μετάδοσης (υπόλοιπα slots = 1) DIFS Ενημέρωση NAV με RTS απο σταθμό 1 υπόλοιπο backoff (1 slot) NAV Αναβολή εκπομπής DATA SIFS ACK STA 5 SIFS ACK Ενημέρωση NAV με RTS απο σταθμό 1 STA 6 DATA Ενημέρωση NAV με CTS απο σταθμό 2 (κρυφός κόμβος για τον 1) χρόνος 23

Διαστήματα χρόνου (Interframe Space) SIFS SLOT PIFS DIFS EIFS... αύξηση χρόνου Slot: Βασική μονάδα χρόνου στο 802.11 MAC PIFS: SIFS + 1 Slot. Χρησιμοποιείται στην μέθοδο προσπέλασης PCF DIFS: SIFS + 2 Slot. Το SIFS: Το μικρότερο χρονικά μεγαλύτερο σταθερού διάστημα. Χρησιμοποιείτε μεγέθους μγ διάστημα. μεταξύ μεταδόσεων πλαισίων Χρησιμοποιείται από όλους μεγίστης προτεραιότητας, τους σταθμούς. αλληλουχίας κατατετμημένων πλαισίων, EIFS: Μεταβλητό μέγεθος. RTS/CTS, ACK 24

Το Φυσικό επίπεδο Διαφορετικό Φυσικό επίπεδο για κάθε έκδοση του προτύπου Μηχανισμός ανίχνευσης φορέα (CCA, Clear Channel Assessment) Διαμόρφωση πληροφορίας και αποστολή στο μέσο Σχετική ασυμβατότητα μεταξύ των διαφορετικών Φυσικών επιπέδων Στοίβα OSI 802.2 LLC Επίπεδο Ζεύξης 802.1 ιαχείριση 802.11 FSSS PHY 802.11 DSSS PHY 802.11 MAC 802.11 InfraRed PHY 802.11a OFDM PHY 802.11b HR/DSSS PHY 802.11g ERP PHY 802. 3 MAC & PHY 802.5 (Token Ring) MAC & PHY εδομένων[ 2] Φυσικό Επίπεδο [1] 1997 1999 2003 25

Θεωρητική εκτίμηση απόδοσης ασύρματου δικτύου χρόνος STA 1 DIFS PLCP PLCP MAC preamble επικεφ. επικεφαλίδα 48 bits 144 bits 30 bytes DATA 1-2304 12304 bytes FCS 4 bytes STA 2 SIFS PLCP preamble 144 bits PLCP επικεφ. 48 bits ACK 14 bytes Κάθε μετάδοση πλαισίου επιβαρύνεται με επικεφαλίδες και trailers που προσθέτουν τα επίπεδα κατά την ενθυλάκωση των δεδομένων Αποτέλεσμα: Μείωση του πραγματικού ρυθμού μεταφοράς δεδομένων, δηλαδή της ρυθμαπόδοσης Επιπλέον, στα ασύρματα δίκτυα : Θετική επιβεβαίωση λήψης πλαισίου (ACK) + χρόνοι αδράνειας δικτύου IFS. 26

Παράγοντες επηρεασμού ποιότητος μετάδοσης Εξασθένηση σήματος λόγω διάδοσης στο μέσο Πολύοδη διάδοση Επίκτητος θόρυβος, θόρυβος ηλεκτρονικών συσκευής Παρεμβολές άλλων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και συσκευών Παρεμβολές από αλλά ασύρματα δίκτυα 802.11 λόγω χρήσης γειτονικών ή ίδιων καναλιών επικοινωνίας Αποτέλεσμα: υποβάθμιση ποιότητας επικοινωνίας δυσκολία αναδιαμόρφωσης πληροφορίας, παρουσία λαθών μετάδοσης 27

Σχέση μεταξύ SNR και B.E.R. Η τιμή του B.E.R. εξαρτάται ως επί το πλείστον από το λόγο SNR SNR B.E.R. SNR B.E.R. Υψηλό B.E.R. (χαμηλό SNR) Μείωση ρυθμαπόδοσης Αύξηση καθυστέρησης Αυξημένη απώλεια πλαισίων 28

Κατάσταση κορεσμού (Saturation Conditions) Ορισμός: Η κατάσταση κορεσμού (στα ασύρματα δίκτυα) ) ορίζεται ως η κατάσταση κατά την οποία κάθε κόμβος του δικτύου έχει έτοιμο ένα προς αποστολή πακέτο πληροφορίας μετά την επιτυχημένη μετάδοση προηγούμενου Giuseppe Bianchi, Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function, IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 18, NO. 3, MARCH 2000. Αποτελεί την χειρότερη κατάσταση του δικτυού από άποψη συναγωνισμού των σταθμών Κάθε σταθμός επιθυμεί συνεχώς κατάληψη του μέσου και αποστολή πληροφορίας Αυξημένη πιθανότητα παρουσίασης σύγκρουσης λόγω ταυτόχρονης εκπομπής σε ίδια backoff θυρίδα 29

Υλοποίηση κατάστασης κορεσμού Ο ρυθμός δημιουργίας δεδομένων που φτάνουν στο επίπεδο MAC πρέπει να είναι μεγαλύτερος από αυτό που μπορεί να εξυπηρετήσει το σύστημα, δηλαδή να αποστείλει στο μέσο. Έτσι, η ουρά δεδομένων του σταθμού δεν αδειάζει ποτέ και πάντα υπάρχει έτοιμο πλαίσιο προς αποστολή. 30

Υλοποίηση συνθηκών θορύβου, παρεμβολών Οι περιβάλλουσες συνθήκες επιδρούν στην ποιότητα της επικοινωνίας, υποβαθμίζοντας το ωφέλιμο σήμα που λαμβάνει ο δέκτης Έτσι, ο σηματοθορυβικός λόγος (SNR) λαμβάνει μικρότερες τιμές SNR B.E.R. Μελέτη ρυθμαπόδοσης / καθυστέρησης συναρτήσει του B.E.R. 31