Διπλωματική Εργασία Tεχνικές Συνάθροισης Πλαισίων στο Πρότυπο του IEEE 802.11n Στάθης Μαυριδόπουλος Επιβλέπων: κ. Πέτρος Νικοπολιτίδης ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΟ ΕΤΟΣ 2012-2013
ii
Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή 1 1.1 Ασύρματα Δίκτυα..................... 1 1.2 Τύποι Ασύρματων Δικτύων................. 3 1.2.1 Κυψελικά δίκτυα................... 3 1.2.2 Δορυφορικά τηλέφωνα................ 4 1.2.3 Aσύρματα τοπικά δίκτυα............... 5 1.2.4 Ασύρματα προσωπικά δίκτυα.............. 5 1.2.5 Ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα............ 5 1.2.6 Ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής........... 6 1.3 Προκλήσεις........................ 6 1.3.1 Περιορισμοί των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων....... 6 1.3.2 Χρήση φάσματος................... 8 1.3.3 Διαχείριση ισχύος.................. 9 1.3.4 Διασύνδεση με ενσύρματα δίκτυα............ 9 1.3.5 Εντοπισμός και δρομολόγηση.............. 9 1.3.6 Ποιότητα υπηρεσιών................. 10 1.3.7 Ασφάλεια..................... 10 2 Ασύρματα τοπικά δίκτυα 13 2.1 Γενικές πληροφορίες.................... 13 2.2 Αρχιτεκτονική....................... 13 2.3 Ζητήματα ασύρματων τοπικών δικτύων............ 15 iii
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 2.3.1 Σφάλματα..................... 15 2.3.2 H πρόσβαση στο ασύρματο μέσο............ 16 2.3.3 Ποιότητα υπηρεσιών................. 17 2.3.4 Ασφάλεια..................... 18 2.3.5 Εξοικονόμηση ενέργειας................ 18 2.3.6 Συμβατότητα.................... 18 3 Το πρωτόκολλο IEEE 802.11 21 3.1 Γενικές πληροφορίες.................... 21 3.2 Το φυσικό επίπεδο του IEEE 802.11.............. 22 3.2.1 Φυσικό επίπεδο υπερύθρων.............. 22 3.2.2 Φυσικό επίπεδο FHSS................. 23 3.2.3 Φυσικό επίπεδο DSSS................. 24 3.2.4 Φυσικό επίπεδο OFDM................ 24 3.3 Το επίπεδο MAC του IEEE 802.11.............. 25 3.3.1 Τα διαπλαισιακά διαστήματα, IFS............ 25 3.3.2 Η κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού, DCF....... 27 3.4 Το πρωτόκολλο IEEE 802.11n................ 29 3.4.1 Οι βελτιώσεις του ΙΕΕΕ 802.11n............. 30 3.4.2 Συνάθροιση πλαισίων................. 30 3.5 Ερευνητικές Εργασίες................... 34 4 Μοντελοποίηση και προσομοίωση 37 4.1 Προδιαγραφές και σχεδιασμός της προσομοίωσης......... 37 4.2 Το περιβάλλον της προσομοίωσης............... 40 5 Μελέτη της απόδοσης 43 5.1 Ρυθμίσεις προσομοίωσης.................. 43 5.2 Αποτελέσματα...................... 45 5.2.1 Μεταβάλλοντας το μέγεθος των πακέτων......... 46 iv
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 5.2.2 Μεταβάλλοντας το διάστημα παραγωγής πακέτων..... 48 6 Συμπεράσματα 51 Βιβλιογραφία 52 v
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ vi
Κατάλογος σχημάτων 1.1 Σύμβολο ασύρματου τοπικού δικτύου............. 2 1.2 Τύποι ασύρματων δικτύων.................. 4 1.3 Εξασθένιση λόγω Ανάκλασης (Α), Περίθλασης (Π) και Διασποράς (Δ). 7 1.4 Η κοινή επίθεση στα ασύρματα δίκτυο, Man in the Middle...... 11 2.1 Διαφορές μεταξύ αδόμητων (ad hoc) δικτύων και δικτύων υποδομής (infrastructure)....................... 14 2.2 Το πρόβλημα του κρυφού και του εκτεθειμένου τερματικού..... 17 3.1 Διαφορές μεταξύ FHSS και DSSS................ 23 3.2 Η αρχιτεκτονική του 802.11 και το μοντέλο OSI.......... 25 3.3 Η λειτουργία της κατανεμημένης συνάρτησης συντονισμού (DCF)... 29 3.4 Η τεχνική συνάθροισης Α-MSDU (a) και A-PSDU (b)........ 31 3.5 Η τεχνική συνάθροισης δύο επιπέδων (two-level aggregation)..... 33 5.1 Ρυθμαπόδοση σε σχέση με το μέγεθος των πακέτων για σταθερό διάστημα παραγωγής πακέτων................. 46 5.2 Ρυθμαπόδοση σε σχέση με το διάστημα παραγωγής αποστολής πακέτων για μέγεθος πακέτου 1.000 bits................ 48 5.3 Ρυθμαπόδοση σε σχέση με το διάστημα παραγωγής αποστολής πακέτων για μέγεθος πακέτου 500 bits................ 49 vii
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ viii
Κατάλογος πινάκων 3.1 Εξέλιξη του πρωτοκόλλου 802.11............... 22 3.2 Τα διαπλαισιακά διαστήματα του 802.11............ 26 5.1 Μεταβλητές περιβάλλοντος προσομοίωσης........... 44 ix
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ x
Αφαιρετική Περίληψη Σ αυτή την εργασία μελετάμε την ρυθμαπόδοση του πρωτοκόλλου IEEE 802.11. Συγκεκριμένα, επικεντρωνόμαστε στην βελτίωση της αποδοτικής χρήσης της χωρητικότητας του μέσου που καταφέρνουν οι τεχνικές συνάθροισης πακέτων A-MSDU, A-MPDU και two-level aggregation οι οποίες προβλέπονται από το πρωτόκολλο IEEE 802.11n. Για τις ανάγκες αυτής της εργασίας κατασκευάστηκε ένα περιβάλλον προσομοίωσης το οποίο και χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων που παρουσιάζουμε. Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν την ανωτερότητα των νέων τεχνικών και συγκεκριμένα της συνάθροισης δύο επιπέδων. xi
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ xii
Abstract In this thesis we present a study on the throughput of IEEE 802.11 protocol. Specifically, we focus on the improvements to throughput that the frame aggregation methods A-MSDU, A-MPDU and two-level aggregation described in IEEE 802.11n provide. For the purposes of this study we developed a new simulation environment, which we used in order to obtain the results we present here. In those results the superiority of the aggregation methods and specifically the benefits of two-level aggregation will be demonstrated. xiii
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ xiv
Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ασύρματα Δίκτυα Ασύρματη μετάδοση είναι η μετάδοση δεδομένων χωρίς την χρήση ενσύρματων μέσων, δηλαδή χωρίς καλώδια ή οπτικές ίνες. Τα ασύρματα επικοινωνιακά συστήματα χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως και αποτελούν χρήσιμο ή ακόμα και απαραίτητο εργαλείο στην προσωπική και επαγγελματική ζωή πολλών ανθρώπων. Ο τομέας αυτός είναι ένας από τους ταχύτερα αναπτυσσόμενους τομείς της βιομηχανίας των τηλεπικοινωνιών. Το πρώτο ασύρματο δίκτυο επικοινωνίας μεταξύ υπολογιστών ανέπτυξε ο Norman Abramson, καθηγητής του University of Hawaii, το 1971. Το δίκτυο ονομαζόταν ALOHAnet και χωρίς την χρήση τηλεφωνικών γραμμών εξυπηρετούσε επτά υπολογιστές σε τέσσερα νησιά, τους οποίους συνέδεε με κεντρικό υπολογιστή στο Oahu Island. [5] Τα κύρια πλεονεκτήματα των ασύρματων συστημάτων είναι η κινητότητα και το χαμηλό τους κόστος. Η κινητότητα (mobility) συγκεκριμένα είναι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των ασύρματων συστημάτων και είναι ο λόγος που είναι τόσο δημοφιλή και χρήσιμα. Κάποια παραδείγματα κινητότητας είναι η δυνατότητα ενός χρήστη να χρησιμοποιήσει το κινητό του τηλέφωνο από όποια φυσική θέση και αν βρίσκεται, σε εξωτερικό η εσωτερικό χώρο, η δυνατότητα για επικοινωνία σε μέρη μακρία από τον πολιτισμό με την χρήση δορυφορικών τηλεφώνων ή η ευκολία ανταλλαγής αρχείων και 1
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ η κοινή χρήση συσκευών από πολλά άτομα σε μία επιχείρηση χωρίς να χρειάζεται η δημιουργία περίπλοκων και ακριβών ενσύρματων συνδέσεων. Η κινητότητα των ασύρματων συστημάτων δίνει την δυνατότητα στις οντότητες του συστήματος για πρόσβαση ανεξαρτήτως της σχετικής ή απόλυτης θέσης τους. Τα μέλη του δικτύου, είτε είναι χρήστες είτε συσκευές, μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους από απόσταση ακόμη και αν κινείται το ίδιο το σύστημα. Αυτό το χαρακτηριστικό κάνει τα ασύρματα δίκτυα όχι μόνο εύχρηστα αλλά και απαραίτητα σε ένα πλήθος περιπτώσεων. Επιπλέον χαρακτηριστικό των ασύρματων συστημάτων είναι καταρχάς το χαμηλό κόστος των εξαρτημάτων τους και δεύτερον η εξοικονόμηση χρημάτων σε σχέση με τις ενσύρματες εναλλακτικές, όχι μόνο λόγω του κόστους της φυσικής καλωδίωσης, αλλά και λόγω του υψηλότερου κόστους διαχείρισης και συντήρησης των ενσύρματων συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, τα ασύρματα δίκτυα είναι χρήσιμα στην μείωση των δαπανών σε περιπτώσεις όπου: 1. H εγκατάσταση καλωδίων για την δημιουργία δικτύου είναι δύσκολη ή αδύνατη. 2. H εγκατάσταση καλωδίων απαγορεύεται, όπως για παράδειγμα γίνεται σε ιστορικά κτίρια. Σχήμα 1.1: Σύμβολο ασύρματου τοπικού δικτύου 2
1.2. ΤΥΠΟΙ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ 3. Υπάρχει ανάγκη εγκατάστασης προσωρινού δικτύου, ή κινητού δικτύου. Η χρήση ενός ασύρματου δικτύου αποτελεί μία πολύ καλή και οικονομική λύση σε τέτοιες περιπτώσεις με το επιπλέον πλεονέκτημα ότι η εγκατάσταση του μπορεί να γίνει εξαιρετικά πιο γρήγορα και πιο εύκολα από τον σχεδιασμό και την εγκατάσταση φυσικών ζεύξεων με την χρήση καλωδίων. [2] 1.2 Τύποι Ασύρματων Δικτύων Τα ασύρματα επικοινωνιακά συστήματα μπορούν να χωριστούν σε κατηγορίες αναλόγως τον τύπο των συσκευών που εξυπηρετούν, η την έκταση που καταλαμβάνουν. Ενδεικτικά αναφέρονται κάποιοι τύποι ασύρματων δικτύων στην συνέχεια. 1.2.1 Κυψελικά δίκτυα Τα κυψελικά δίκτυα (cellular networks) χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στις τηλεπικοινωνίες. Το κάθε υποδίκτυο χρησιμοποιεί ραδιοκύματα και αποτελείται από έναν ισχυρό σταθερό πομποδέκτη, ο οποίος παρέχει υπηρεσίες σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Μία τέτοια δομή λέγεται κυψέλη. Κάθε κυψέλη χρησιμοποιεί διαφορετικές συχνότητες από τις γειτονικές της, οπότε με την χρήση αρκετών τέτοιων κυψελών μπορούμε να καλύψουμε μεγάλες περιοχές με μεγάλη απόδοση και καλή επαναχρησιμοποίηση των συχνοτικών καναλιών. Παρόλο που αρχικά αναπτύχθηκαν για να την εξυπηρέτηση δικτύων κινητών τηλεφώνων, παρέχοντας υπηρεσίες φωνής η κειμένου (SMS), με την έλευση των smartphones, χρησιμοποιούνται και για την μεταφορά δεδομένων παρέχοντας υπηρεσίες internet στους χρήστες. Το πρώτο τέτοιου τύπου δίκτυο ήταν αναλογικό και ονομαζόταν AMPS (Advanced Mobile Phone System). Η πρώτη του εμπορική εμφάνιση έγινε στις ΗΠΑ το 1983. Το διαδέχτηκαν τα δεύτερης γενιάς ψηφιακά κυψελικά δίκτυα, το ευρωπαϊκό GSM και η αντίστοιχη αμερικάνικη τεχνολογία CDMA. Το πρώτο GSM δίκτυο εμφανίστηκε στην Φιλανδία το 1991. Τα ψηφιακά κυψελικά δίκτυα είδαν ραγδαία ανάπτυξη καθώς 3
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ συνέπεσαν με τις εξελίξεις στις συσκευές κινητής τηλεφωνίας, οι οποίες άρχισαν να γίνονται μικρότερες και με μεγαλύτερες μπαταρίες. Κάποιες από τις υπηρεσίες που παρείχαν για πρώτη φορά ήταν τα μηνύματα κειμένου (SMS) και η πρόσβαση σε περιεχόμενο πολυμέσων. Οι ανάγκες για πρόσβαση σε όλο και περισσότερα δεδομένα οδήγησαν στην ανάπτυξη των 3G και 4G. Τα τελευταία εμπορικά πρότυπα που είναι διαθέσιμα στο 4G είναι τo WiMAX και το LTE. 1.2.2 Δορυφορικά τηλέφωνα Αυτές οι συσκευές επιτρέπουν την μετάδοση δεδομένων από και προς δυσπρόσιτα μέρη όπου η εγκατάσταση καλωδίων είναι αδύνατη ή οικονομικά ασύμφορη. Επικοινωνούν μέσω δορυφόρων με μικροκυματική ακτινοβολία και μπορούν να συνδεθούν με άλλα δίκτυα τηλεφωνίας ή με τον παγκόσμιο ιστό αναλόγως τις υπηρεσίες που προσφέρει η εταιρία που διαχειρίζεται το κάθε δίκτυο. Σχήμα 1.2: Τύποι ασύρματων δικτύων. 4
1.2. ΤΥΠΟΙ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ 1.2.3 Aσύρματα τοπικά δίκτυα Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (Wireless local area network, WLAN) συνδέουν δύο ή περισσότερες συσκευές με κάποια ασύρματη μέθοδο διαμοιρασμού του μέσου, όπως την διασπορά φάσματος ή την διαμόρφωση με πολύπλεξη συχνότητας ορθογώνιων φερουσών, και συνήθως σκοπός τους είναι η σύνδεση τους με το Internet μέσω κάποιου σημείου πρόσβασης. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα είναι ευρέως διαδεδομένα καθώς δίνουν στον απλό χρήστη όλες τις δυνατότητες και ευκολίες που χαρακτηρίζουν τα ασύρματα δίκτυα, όπως την κινητότητα και την επεκτασιμότητα, με εξαιρετικά χαμηλό κόστος. Αναλόγως των αναγκών και προδιαγραφών του δικτύου που επιθυμεί να δημιουργήσει ένας χρήστης προσφέρεται μεγάλο πλήθος εμπορικών λύσεων και εφαρμογών. Τα δύο ποιο σημαντικά και περισσότερο χρησιμοποιούμενα πρότυπα ασύρματων τοπικών δικτύων είναι το HiperLAN και το WiFi. Το WiFi έχει κατακτήσει την αγορά καθώς είναι το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο επικοινωνίας ασύρματων τοπικών δικτύων και βασίζεται στα πρότυπα του IEEE 802.11. 1.2.4 Ασύρματα προσωπικά δίκτυα Τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα (Wireless personal area networks/wpans) συνδέουν προσωπικές συσκευές που βρίσκονται μερικά μέτρα ή εκατοστά από το σώμα του χρήστη. Συνήθως αποτελούν κομμάτι μεγαλύτερων δικτύων, όπως το WLAN. Κάποιες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα δίκτυα για την μεταφορά δεδομένων είναι το Bluetooth, οι υπέρυθρες και το ευρύτερα χρησιμοποιημένο Wi-Fi. 1.2.5 Ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα Τα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (Wireless metropolitan area networks/wmans) στόχο έχουν να διασυνδέσουν περιοχές μεγαλύτερες από αυτές που επιτρέπει η εμβέλεια των WLAN. Συνήθως δομούνται χρησιμοποιώντας πολλαπλά ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) τα οποία συνδέονται μεταξύ τους είτε μέσω των υπαρχόντων δομών 5
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ενσύρματου δικτύου είτε με οπτικές ίνες. Χρησιμοποιούνται για να παρέχουν υπηρεσίες δικτύου σε μεγάλες γεωγραφικά περιοχές, όπως ένας δήμος ή μια πόλη. Τέτοιες υπηρεσίες μπορεί να είναι η πρόσβαση στο internet σε ασύρματες συσκευές ή η δημιουργία υποδομών έξυπνης πόλης (smart city), όπου μπορεί για παράδειγμα να υπάρχει κάποιο δίκτυο ανιχνευτών φωτιάς καλύπτοντας μία ολόκληρη πόλη το οποίο και να δίνει σε πρώτο χρόνο την δυνατότητα αντιμετώπισης πυρκαγιών. Ένα παράδειγμα τέτοιου τύπου δικτύου είναι το WiMAX, το οποίο περιγράφεται στο IEEE 802.16. 1.2.6 Ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής Τα ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (wireless wide area network/wwans) χρησιμοποιούνται για να παρέχουν πρόσβαση σε υπηρεσίες τηλεφωνίας ή internet (VoIP, video streaming, κτλ.) καλύπτοντας μεγαλύτερες περιοχές, σχετικά με τους άλλους τύπους ασύρματων δικτύων. Για να το καταφέρουν αυτό χρησιμοποιούν την υπάρχουσα υποδομή και τις τεχνολογίες των κυψελικών δικτύων κινητής τηλεφωνίας. 1.3 Προκλήσεις Πέρα από τις δυσκολίες που αντικειμενικά υπάρχουν στην θεωρητική περιγραφή και στην πρακτική υλοποίηση ενός δικτύου είτε είναι ενσύρματο, οπτικών ινών ή ασύρματο, στα ασύρματα δίκτυα οι περισσότερες προκλήσεις οφείλονται στο μέσο μετάδοσης. 1.3.1 Περιορισμοί των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Το ασύρματο μέσο, ο αέρας δηλαδή, είναι καταρχάς αναξιόπιστο. Ο Claude Shannon το 1948 απέδειξε ότι το άνω όριο W του ρυθμού μετάδοσης bit για έναν κανάλι εύρους H Hz, όπου ο λόγος σήματος προς θόρυβο είναι S/N, δίνεται από την σχέση: 6
1.3. ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ W = H log 2 (1 + S N ) (1.1) Δηλαδή ο μέγιστος θεωρητικός ρυθμός μετάδοσης που μπορούμε να επιτύχουμε εξαρτάται από το εύρος του καναλιού που χρησιμοποιούμε και από τον θόρυβο του μέσου μετάδοσης. Όμως το φάσμα των ραδιοκυμάτων είναι πεπερασμένο και πολλές περιοχές συχνοτήτων χρησιμοποιούνται ήδη για άλλους σκοπούς. Οπότε ένα ασύρματο δίκτυο θα πρέπει να είναι σε θέση να χρησιμοποιεί το υπάρχον φάσμα με αποδοτικό τρόπο. Επιπλέον σε ένα πραγματικό δίκτυο εμφανίζεται σε διάφορα μέρη του συστήματος θόρυβος. Οι πραγματικές ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων που επιτυγχάνονται απέχουν από το όριο του Shannon. Αρχικά θερμικός θόρυβος δημιουργείται στις κεραίες, άρα εμφανίζονται σφάλματα στην αποστολή και λήψη του σήματος. Όμως, οι περισσότεροι παράγοντες θορύβου σε ένα ασύρματο δίκτυο οφείλονται στους ίδιους τους μηχανισμούς διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Συγκεκριμένα οι πιο σημαντικοί από αυτούς τους μηχανισμούς είναι [2]: Απώλεια ελεύθερου χώρου (free space path loss) Αναφέρεται στην εξασθένηση του ηλεκτρομαγνητικού σήματος μόνο λόγω της διάδοσής του σε ελεύθερο χώρο, δηλαδή αγνοεί την ύπαρξη εμποδίων ή άλλων Σχήμα 1.3: Εξασθένιση λόγω Ανάκλασης (Α), Περίθλασης (Π) και Διασποράς (Δ). 7
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ παραγόντων, και είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ πομπού και δέκτη. Μετατόπιση Doppler Το φαινόμενο της μετατόπισης Doppler προκαλείται από την σχετική κίνηση μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Στην περίπτωση που μετακινούνται πλησιάζοντας ο ένας τον άλλο η συχνότητα του λαμβανόμενου κύματος φαίνεται να αυξάνει, ενώ στην αντίθετη περίπτωση να μειώνεται. Αποτέλεσμα είναι να μειώνεται η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος. Μηχανισμοί εξασθένισης (fading), ανάκλαση, διασπορά και περίθλαση Ανάκλαση (reflection) συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει σε ένα αντικείμενο με διαστάσεις πολύ μεγαλύτερες από αυτές του μήκους κύματός του. Αποτέλεσμα είναι να μεταδίδεται προς διαφορετική κατευθύνση από την αρχική του. Διασπορά (scattering) συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει σε ένα εμπόδιο με διαστάσεις της ίδιας τάξης μεγέθους με το μήκος κύματός του. Το φαινόμενο προκαλεί τη διάχυση της ενέργειας του κύματος προς πολλές κατευθύνσεις, και ειναι το δύσκολο στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς του. Τέλος, η περίθλαση (diffraction), γνωστή και ως εξασθένιση, λαμβάνει χώρα όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει σε ένα αδιαπέραστο αντικείμενο. Σε αυτήν την περίπτωση παρατηρούνται δευτερεύοντα κύματα στην άλλη πλευρά του αντικειμένου, παρά την έλλειψη οπτικής επαφής με τον πομπό από εκείνο το σημείο. Αυτοί είναι οι πιο σημαντικοί μηχανισμοί που εξασθενούν και παραμορφώνουν ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα. 1.3.2 Χρήση φάσματος Το φάσμα που διατίθεται για χρήση από εφαρμογές ασύρματων επικοινωνιών είναι πεπερασμένο. Αν λάβουμε υπόψιν ότι το φάσμα εκτός από περιορισμένος πόρος είναι 8
1.3. ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ και ακριβός, τότε γίνεται φανερή η επιτακτική ανάγκη της αποδοτικής διαχείρισής του από τις ρυθμιστικές αρχές, όπως η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών (FCC) των ΗΠΑ και το Ευρωπαϊκό Ίδρυμα Προτύπων Τηλεπικοινωνιών (ETSI). Η μεγαλύτερη πρόκληση είναι η διαρκώς διογκούμενη ανάγκη του χρήστη για τεχνολογίες που απαιτούν ολοένα και μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Η λύση βρίσκεται είτε σε τεχνολογίες που παρέχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα πάνω σε ένα συγκεκριμένο εύρος φάσματος είτε στην χρήση των πιο υψίσυχνων περιοχών συχνοτήτων, η οποία όμως απαιτεί γενικά ακριβότερες και με μεγαλύτερη κατανάλωση συσκευές. 1.3.3 Διαχείριση ισχύος Στα ενσύρματα δίκτυα, οι σταθμοί δεν υπόκεινται σε ενεργειακούς περιορισμούς. Αντίθετα, ένα από τα πλεονεκτήματα των ασύρματων δικτύων είναι η καταλληλότητα τους για την διασύνδεση ασύρματων φορητών συσκευών, οι οποίες ανέφικτα χαρακτηρίζονται από τέτοιους περιορισμούς. Τέτοιου τύπου συσκευές συνήθως χρησιμοποιούν μικρού μεγέθους και ισχύος μπαταρίες, για να διατηρούν το βάρος και το κόστος χαμηλό. Άρα είναι σημαντικό το ασύρματο δίκτυο να εξασφαλίζει την ελάχιστη κατανάλωση ισχύος για την λειτουργία του. 1.3.4 Διασύνδεση με ενσύρματα δίκτυα Σημαντική είναι η ανάπτυξη πρωτοκόλλων και διασυνδέσεων (interfaces) που να επιτρέπουν στα κινητά τερματικά να αποκτούν πρόσβαση σε ένα ενσύρματο δίκτυο κορμού (bacobone network). Αυτό θα έδινε στους κινητούς χρήστες πρόσβαση σε υπηρεσίες όπως τη μεταφορά αρχείων, την ανάγνωση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου και την πρόσβαση στο διαδίκτυο. 1.3.5 Εντοπισμός και δρομολόγηση Οι περισσότερες συσκευές που χρησιμοποιούνται στα ασύρματα δίκτυα χαρακτηρίζονται από κινητότητα. Έτσι, σε αντίθεση με την στατική τοπολογία ενός ενσύρματου 9
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ δικτύου, η τοπολογία ενός ασύρματου δικτύου μπορεί να αλλάζει με το χρόνο, ανάλογα με τις κινήσεις των χρηστών. Για παράδειγμα στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας είναι σημαντικό να εντοπίζονται τα κινητά τερματικά αποδοτικά, ενώ θα πρέπει να υποστηρίζονται οι τρέχουσες κλήσεις κατά την διάρκεια της μεταπομπής, όταν δηλαδή το τερματικό περνάει από τα όρια της μίας κυψέλης σε κάποια άλλη. Επομένως, στα ασύρματα δίκτυα απαιτούνται πρωτόκολλα δρομολόγησης που να λαμβάνουν υπόψη τις δυναμικά μεταβαλλόμενες τοπολογίες του δικτύου. 1.3.6 Ποιότητα υπηρεσιών Σημαντική έννοια για ένα ασύρματο δίκτυο είναι η ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service ή QoS). Ένας μεγάλος αριθμός εφαρμογών, όπως video streaming, VoIP και gaming, βασίζονται σε αυτήν την παράμετρο του δικτύου για λειτουργήσουν αποδεκτά. Για παράδειγμα, είναι σημαντικό στην τηλεφωνία μέσω internet τα πακέτα που στέλνονται να φτάνουν σε μία συγκεκριμένη σειρά χωρίς απώλειες, αλλιώς δεν θα είναι εφικτή οποιαδήποτε συνομιλία. Καθώς το ασύρματο μέσο είναι αναξιόπιστο, η αρχιτεκτονική του ασύρματου δικτύου θα πρέπει να προβλέπει και να διαχειρίζεται τις απώλειες πακέτων, εξασφαλίζοντας ποιότητα υπηρεσιών. 1.3.7 Ασφάλεια Σε ένα ενσύρματο δίκτυο είναι πολύ δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να υποκλέψει κάποιος κακόβουλος χρήστης την κίνηση των δεδομένων που γίνεται εντός του. Για να καταφέρει κάτι τέτοιο θα πρέπει να αποκτήσει φυσική πρόσβαση σε αυτό, παραβιάζοντας με κάποιον τρόπο την καλωδίωση του δικτύου στόχου σε κατάλληλο σημείο. Ένα ασύρματο δίκτυο όμως, από την φύση του είναι πιο ευάλωτο. Χρησιμοποιεί τον αέρα σαν μέσο μετάδοσης, επιτρέποντας την εύκολη πρόσβαση στα δεδομένα που ανταλλάσσονται σε έναν κακόβουλο χρήστη. Επίσης ένα ασύρματο δίκτυο μπορεί εκτείνεται σε μεγαλύτερες αποστάσεις από αυτές που πραγματικά χρειάζονται, καθώς είναι δύσκολος ο περιορισμός των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε έναν συγκεκριμένο 10
1.3. ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ χώρο. Για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων πρέπει να χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι κρυπτογράφησης, αλλιώς μπορεί κάποιος πολύ εύκολα να καταγράψει όλη την κίνηση του δικτύου, η οποία μπορεί να περιέχει ευαίσθητες πληροφορίες όπως συνομιλίες ή στοιχεία πιστωτικών καρτών. Η κρυπτογράφιση πρέπει να μετατρέπει τα δεδομένα σε τέτοια μορφή, από την οποία κανείς να μην μπορεί να τα ανακτήσει, εκτός αν κατέχει τα κατάλληλα κλειδιά. Το θέμα της ασφάλειας στα ασύρματα δίκτυα δεν τελειώνει εδώ, καθώς θέλει μεγάλη προσοχή στην επιλογή της μεθόδου κρυπτογράφισης. Οι καλύτερες και οι πιο δύσκολες στο να παραβιαστούν τεχνικές απαιτούν συνήθως μεγάλο υπολογιστικό κόστος, οπότε να μην μπορούν να υλοποιηθούν σε όλες τις περιπτώσεις. Επίσης σημαντική είναι η μέθοδος επιλογής των κλειδιών. Σε κάθε περίπτωση το θέμα της ασφάλειας στα ασύρματα δίκτυα είναι πολύ μεγάλης σημασίας, ειδικά όσο γίνονται όλο και πιο δημοφιλή και αντικαθιστούν προηγούμενα ενσύρματα δίκτυα. Σχήμα 1.4: Η κοινή επίθεση στα ασύρματα δίκτυο, Man in the Middle. 11
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 12
Κεφάλαιο 2 Ασύρματα τοπικά δίκτυα 2.1 Γενικές πληροφορίες Ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο (wireless local area network, WLAN) δημιουργεί διάυλους επικοινωνίας μεταξύ δύο ή περισσοτέρων συσκευών χρησιμοποιώντας κάποια μέθοδο διαμοιρασμού του ασύρματου μέσου. Συνήθως αυτή η μέθοδος είναι η διασπορά φάσματος (spread spectrum) ή η διαμόρφωση με πολύπλεξη συχνότητας ορθογώνιων φερουσών (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM). Τα περισσότερα σύγχρονα ασύρματα τοπικά δίκτυα βασίζονται στα πρότυπα του ΙΕΕΕ 802.11 υπό την εμπορική ονομασία Wi-Fi. 2.2 Αρχιτεκτονική Όλες οι συσκευές και τα εξαρτήματα που μπορούν να συνδεθούν σε ένα δίκτυο ονομάζονται σταθμοί ή κόμβοι του δικτύου. Στην περίπτωση των ασύρματων δικτύων οι σταθμοί είναι είτε ασύρματα σημεία πρόσβασης (access point) είτε συσκευές-πελάτες (client). Ασύρματα σημεία πρόσβασης, ή αλλιώς σταθμοί βάσης, είναι συνήθως δρομολογητές (routers), συσκευές δηλαδή που επιτρέπουν την μεταξύ τους σύνδεση ασύρματων συσκευών για τον σχηματισμό του ασύρματου δικτύου και συνήθως συνδέονται με κάποιο ενσύρματο δίκτυο. Πελάτες ονομάζονται οι συσκευές που συνδέονται σε 13
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ένα σημείο πρόσβασης. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες, αναλόγως της αρχιτεκτονικής τους. Η μία κατηγορία είναι τα ασύρματα δίκτυα υποδομής (infrastructure wireless networks), όπου χρησιμοποιείται κάποιο υψηλότερης ταχύτητας ενσύρματο ή ασύρματο δίκτυο κορμού (backbone network). Σε αυτήν την τοπολογία, οι κόμβοι προσπελάσουν το ασύρματο κανάλι υπό τον συντονισμό ενός σταθμού βάσης (base station, BS). Η προσέγγιση αυτή μετατοπίζει την πολυπλοκότητα υλοποίησης από τους κόμβους πελάτες στο σημείο πρόσβασης. Τα πλεονεκτήματα μίας τέτοιας μεθόδου μπορούν να είναι πολλά, όπως εξοικονόμηση ενέργειας στους κόμβους, σταθερότητα, ασφάλεια δικτύου και αποδοτική χρήση του μέσου. Εν αντιθέσει με την παραπάνω τοπολογία, τα αυτοοργανωμένα ασύρματα δίκτυα ή αδόμητα δίκτυα (ad hoc networks) δεν βασίζονται σε κάποια προϋπάρχουσα υποδομή, αλλά ο κάθε κόμβος λαμβάνει μέρος στην δρομολόγηση προωθώντας δεδομένα προς άλλους κόμβους αν κριθεί κάτι τέτοιο απαραίτητο. Ο αποκεντρωμένος χαρακτήρας των ad hoc δικτύων τα καθιστά κατάλληλα για ποικίλες εφαρμογές, ενώ υπάρχουν και περιορισμοί ή δυσκολίες στην υλοποίηση αυτής της αρχιτεκτονικής. Για παρά- Σχήμα 2.1: Διαφορές μεταξύ αδόμητων (ad hoc) δικτύων και δικτύων υποδομής (infrastructure). 14
2.3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΤΟΠΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ δειγμα, τα αδόμητα δίκτυα είναι χρήσιμα σε περιπτώσεις που χρειάζεται ασύρματο δίκτυο γρήγορα και με ελάχιστο κόστος. Το μόνο που χρειάζεται είναι οι συσκευέςκόμβοι των χρηστών. Από την άλλη, σημαντική πτυχή αυτών των δικτύων είναι ότι σε καμία περίπτωση δεν μπορεί να θεωρηθεί δεδομένη η ύπαρξη πλήρως συνδεδεμένων τοπολογιών [2], γεγονός που οφείλεται στην κινητότητα των κόμβων. Κάθε ένα από τα δύο μοντέλα καλύπτει διαφορετικές ανάγκες και απαιτήσεις, όποτε ο χρήστης θα πρέπει να επιλέξει αναλόγως του ασύρματου τοπικού δικτύου που θέλει να υλοποιήσει. 2.3 Ζητήματα ασύρματων τοπικών δικτύων Ένα τοπικό ασύρματο δίκτυο αναμένεται να καλύπτει τις ίδιες ανάγκες με ένα παραδοσιακό ενσύρματο τοπικό δίκτυο. Επειδή όμως χρησιμοποιεί το ασύρματο μέσο για την μετάδοση δεδομένων προκύπτουν διάφορα ζητήματα και αντίστοιχα ένα πλήθος πρωτοκόλλων που προσπαθούν να τα επιλύσουν. 2.3.1 Σφάλματα Το βασικό μειονέκτημα της ασύρματης μετάδοσης είναι ο αυξημένος ρυθμός σφαλμάτων. Το ασύρματο μέσο χαρακτηρίζεται από ρυθμούς σφαλμάτων δυαδικών ψηφίων (Bit Error Rate, BER) μέχρι και δέκα φορές μεγαλύτερους από τους αντίστοιχους σε ένα ενσύρματο τοπικό δίκτυο. Τα κύρια αίτια του αυξημένου ρυθμού σφαλμάτων είναι ο ατμοσφαιρικός θόρυβος, τα φυσικά εμπόδια που παρεμβάλλονται της πορείας του σήματος, η πολύδρομη διάδοση και οι παρεμβολές από άλλα συστήματα. Τα σύγχρονα πρωτόκολλα ασύρματων τοπικών δικτύων είναι σχεδιασμένα ώστε να αντιμετωπίζουν την αυξημένη πιθανότητα σφάλματος στην κίνηση τους. Κάποιες από τις τεχνικές που χρησιμοποιούν είναι ο ευθύς έλεγχος σφαλμάτων (Forward Error Control, FEC) και τα αιτήματα αυτόματης επανάληψης όσον αφορά το επίπεδο MAC, και οι εναλλακτικές τεχνικές διαμόρφωσης, ο διαφορισμός κεραίας και η εξίσωση 15
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ανάδρασης όσον αφορά το φυσικό επίπεδο. 2.3.2 H πρόσβαση στο ασύρματο μέσο Η αποδοτική πρόσβαση στο ασύρματο μέσο είναι μια από τις πρώτες δυσκολίες που πρέπει να επιλύσει ένα πρωτόκολλο ασύρματου τοπικού δικτύου. Καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις για εμβέλεια και για τον αριθμό των κόμβων, γίνεται πιο δύσκολη η διαχείριση του ασύρματου μέσου. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές που προτείνονται αναλόγως της εφαρμογής, οι οποίες χωρίζονται στις κατηγορίες σταθερής ανάθεσης, ανάθεσης κατ απαίτηση και τυχαίας πρόσβασης [2]. Οι τεχνικές σταθερής ανάθεσης, π.χ. TDMA και FDMA, διαχειρίζονται το ασύρματο μέσο μοιράζοντας εκ των προτέρων στους κόμβους. Δεν μπορούν να προσαρμοστούν στις αλλαγές της τοπολογίας και παρουσιάζουν χαμηλή απόδοση σε ασύρματες εφαρμογές. Τα πρωτόκολλα τυχαίας ανάθεσης, π.χ. ALOHA, CSMA/CD και CSMA/CA, λειτουργούν αποτελεσματικά όταν δεν έχουν γνώση της τοπολογίας, καθώς και σε συνθήκες με μεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά [2]. Από την φύση τους παρουσιάζουν μη ντετερμινιστική συμπεριφορά, η οποία προκαλεί προβλήματα στην υποστήριξη της εγγυημένης ποιότητας υπηρεσιών (QoS). Τα πρωτόκολλα ανάθεσης κατ απαίτηση προσπαθούν να συνδυάσουν τα πλεονεκτήματα των τεχνικών της σταθερής και τυχαίας πρόσβασης. Παρ όλα αυτά, δεν καταφέρνουν να είναι αποδοτικά καθώς απαιτούν κάποια γνώση της τοπολογίας του δικτύου, κάτι που είναι δύσκολο στα δυναμικά μεταβαλλόμενα ασύρματα δίκτυα. Επιπλέον η χρήση σκυτάλης (token) πάλι κρίνεται ανεπαρκής, καθώς υπάρχει αυξημένη πιθανότητα να χαθεί λόγω των υψηλών ρυθμών λαθών που επικρατούν στο ασύρματο μέσo. Ένα άλλο ζήτημα που ανήκει σε αυτήν την κατηγορία είναι τα πρόβληματα του κρυμμένου και εκτεθειμένου τερματικού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2, στην περίπτωση του κρυμμένου τερματικού το τερματικό B είναι εκτός εμβέλειας του τερματι- 16
2.3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΤΟΠΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ κού Α. Αν λοιπόν το τερματικό Β κάνει κάποια μετάδοση, το τερματικό Α δεν μπορεί να την ακούσει και μπορεί και αυτό να επικοινωνεί με το τερματικό C. Το αποτέλεσμα είναι μια κατεστραμμένη επικοινωνία για το τερματικό C. Αντίστοιχα στην περίπτωση του εκτεθειμένου τερματικού, ο κόμβος A θα μπορούσε να μεταδώσει τα δεδομένα του την στιγμή που ο κόμβος C επικοινωνεί με τον B, καθώς ο κόμβος Β βρίσκεται εκτός εμβέλειας του A. Αν δεν έχει όμως γνώση της τοπολογίας του δικτύου, αναγκάζεται να περιμένει το τερματικό C, πριν ξεκινήσει την δική του μετάδοση. Σχήμα 2.2: Το πρόβλημα του κρυφού και του εκτεθειμένου τερματικού. 2.3.3 Ποιότητα υπηρεσιών Συνοψίζοντας, το σημαντικό για ένα ασύρματο δίκτυο είναι να καταφέρει να παρέχει παρόμοια ποιότητα υπηρεσιών με ένα ενσύρματο δίκτυο. Δεν αρκεί μόνο η ρυθμαπόδοση να είναι υψηλή, αλλά θα πρέπει να είναι ελάχιστες και οι καθυστερήσεις (delay). Μεγάλο πλήθος εφαρμογών, όπως η τηλεφωνία μέσω internet, είναι πολύ ευαίσθητες σε καθυστερήσεις, ενώ άλλες μπορεί να έχουν απαίτηση και για υψηλή ρυθμα- 17
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ πόδοση, αλλά και για μικρές καθυστερήσεις, όπως οι κλήσεις video μέσω internet. Πολύ σημαντική επίσης είναι η σταθερότητα του δικτύου. Το ασύρματο μέσω χαρακτηρίζεται από απρόβλεπτη συμπεριφορά και υψηλούς ρυθμούς σφαλμάτων, ενώ τα τερματικά που συμμετέχουν σε ένα ασύρματο δίκτυο, συνήθως είναι κινητοί σταθμοί με περιορισμένη εμβέλεια. Δηλαδή, πέρα από τις δυσκολίες που χαρακτηρίζουν το ασύρματο μέσο μετάδοσης, ένα πρωτόκολλο ασύρματων δικτύων θα πρέπει να χειριστεί τις δυσκολίες που προέρχονται από την περιορισμένη γνώση της τοπολογίας. 2.3.4 Ασφάλεια Η δυνατότητα πολλαπλοί κόμβοι να χρησιμοποιούν ταυτόχρονα το ίδιο μέσο αποτελεί πλεονέκτημα αλλά και μειονέκτημα για ένα ασύρματο δίκτυο. Ακριβώς αυτή η διαφορά με τα ενσύρματα δίκτυα, κάνει τα ασύρματα δίκτυα λιγότερο ασφαλή, καθώς οποιοσδήποτε μπορεί να αποκτήσει πρόσβαση στα δεδομένα που ανταλλάσσονται. Όλα τα σύγχρονα πρωτόκολλα ασύρματων δικτύων προβλέπουν και χρησιμοποιούν κάποια μέθοδο κρυπτογράφησης για να ασφαλίζουν την κίνηση του δικτύου. 2.3.5 Εξοικονόμηση ενέργειας Χαρακτηριστικό της φύσης των τερματικών ενός ασύρματου δικτύου είναι συνήθως η κινητότητα, η οποία συσχετίζεται με την περιορισμένη ενεργειακή δυνατότητα. Όντως, για οι συσκευές όπως τα κινητά τηλέφωνα είναι μεγάλης σημασίας η πρόσβαση στο μέσο να γίνεται όσο πιο ενεργειακά οικονομικά γίνεται, καθώς η διάρκεια ζωής της μπαταρίας τους είναι περιορισμένη. Μία τακτική είναι η δυνατότητα των κόμβων να εναλλάσσουν την λειτουργία τους μεταξύ δύο καταστάσεων, μία κανονική και μία ύπνου, κατά την οποία χρησιμοποιεί ελάχιστη ενέργεια. 2.3.6 Συμβατότητα Τέλος, καθώς οι τεχνολογίες των ασύρματων δικτύων είναι σχετικά καινούριες, υπάρχει μεγάλη και συνεχής εξέλιξη στις λύσεις που προτείνονται. Από την άλλη η 18
2.3. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΤΟΠΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ διείσδυση των ασύρματων δικτύων στην καθημερινή μας ζωή και κατ επέκταση στην αγορά καθιστούν δύσκολες έως αδύνατες τις ριζικές αλλαγές στα υπάρχονται δίκτυα. Άρα για να καταφέρει ένα πρωτόκολλο την εμπορική επιτυχία, θα πρέπει να είναι συμβατό με τις παλαιότερες διαδεδομένες τεχνολογίες. Αυτά τα ζητήματα προσπαθεί να επιλύσει το πρωτόκολλο IEEE 802.11. Χρειάστηκαν πολλά χρόνια, ενώ δημιουργήθηκαν πολλές εκδόσεις του, για να φτάσει πλέον να ανταγωνίζεται τα χαρακτηριστικά ενός ενσύρματου δικτύου. 19
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ 20
Κεφάλαιο 3 Το πρωτόκολλο IEEE 802.11 3.1 Γενικές πληροφορίες Η οικογένεια των προτύπων του IEEE 802.11 αποτελείται από ένα σύνολο προτύπων ασύρματης και εναλλασσόμενης κατεύθυνσης (half duplex) μεταγωγής δεδομένων, τα οποία βασίζονται στο ίδιο βασικό πρωτόκολλο. Τα πιο δημοφιλή πρότυπα είναι τα 802.11b, 802.11g και πλέον το 802.11n, τα οποία αποτελούν αναθεωρήσεις του αρχικού προτύπου. Το 802.11-1997 ήταν το πρώτο πρότυπο της οικογένειας των προτύπων ασύρματων τοπικών δικτύων, αλλά το 802.11b ήταν το πρώτο που χρησιμοποίησε εκτενώς η βιομηχανία με τα 802.11a, 802.11g και 802.11n να ακολουθούν. Τα άλλα πρότυπα της οικογένειας (c f, h, j) αποτελούν αναθεωρήσεις και επεκτάσεις ή διορθώσεις των προηγούμενων. Η οικογένεια προτύπων του IEEE 802.11 αποτελείται από τα πιο διαδεδομένα πρωτόκολλα επικοινωνίας στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Τα πρότυπα αυτά τα χρησιμοποιεί μια μεγάλη ποικιλία συσκευών για να δημιουργήσουν ή να αποκτήσουν πρόσβαση σε ασύρματα τοπικά δίκτυα. Τα πρότυπα του ΙΕΕΕ 802.11 αποτελούνται από δύο μέρη, το φυσικό επίπεδο (physical layer) και το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο κοινό μέσο (Media Access Control, MAC). Κάθε καινούρια έκδοση είναι σχεδιασμένη ώστε να είναι συμβατή με τις προηγούμενες. 21
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11 Πρωτόκολλο Έτος Μέγιστη Ταχύτητα Μετάδοσης (Μbit/s) Συχνότητα (GHz) Εύρος (MHz) 802.11 1997 2 2.4 20 802.11a 1999 54 5 20 802.11b 1999 11 2.4 20 802.11g 2003 54 2.4 20 802.11n 2009 150 2.4/5 20/40 Ζώνης Πίνακας 3.1: Εξέλιξη του πρωτοκόλλου 802.11 3.2 Το φυσικό επίπεδο του IEEE 802.11 Το φυσικό επίπεδο του πρωτοκόλλου 802.11 χρησιμοποιεί διάφορες τεχνικές για την μετάδοση δεδομένων με ραδιοκύματα ή υπέρυθρες ακτίνες. Οι προδιαγραφές που περιγράφονται σε αυτό το επίπεδο ορίζουν τις μεθόδους συντονισμού μεταξύ των κόμβων ενός δικτύου και λαμβάνουν υπόψιν τους περιορισμούς των κυκλωμάτων και των κεραιών αναλόγως της έκδοσης του πρωτοκόλλου 802.11. Υπάρχουν τέσσερις παραλλαγές του φυσικού επιπέδου του πρωτοκόλλου 802.11 όσον αφορά την μετάδοση σήματος, το φυσικό επίπεδο υπερύθρων, το φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας (frequency-hopping spread spectrum, FHSS), το φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας (direct-sequence spread spectrum) και το φυσικό επίπεδο ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM). 3.2.1 Φυσικό επίπεδο υπερύθρων Το φυσικό επίπεδο υπερύθρων χρησιμοποιεί τις υπέρυθρες ακτινοβολίες για την μετάδοση δεδομένων. Πλεονεκτήματά του είναι το φθηνό κόστος κατασκευής συσκευών αποστολής και λήψης σημάτων, οι υψηλές ταχύτητες μετάδοσης που μπορούν να επιτευχθούν και η ευκολία ελέγχου του χώρου μετάδοσης του σήματος, καθώς οι υπέρυθρες δεν διαπερνούν αδιαφανή υλικά. Το σημαντικότερο τους μειονέκτημα, και ίσως ο λόγος που δεν αξιοποιήθηκαν ποτέ εμπορικά με επιτυχία είναι ότι οι συσκευές υπερύθρων χρησιμοποιούν ένα μέρος του 22
3.2. ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΤΟΥ IEEE 802.11 φάσματος που χρησιμοποιείται και από τον ήλιο και τις λάμπες φθορισμού. Το αποτέλεσμα είναι τα ασύρματα τοπικά δίκτυα που χρησιμοποιούν υπέρυθρες να είναι πρακτικά μόνο για εσωτερικές εφαρμογές. Σχήμα 3.1: Διαφορές μεταξύ FHSS και DSSS. 3.2.2 Φυσικό επίπεδο FHSS Στο φυσικό επίπεδο διασπορά φάσματος με μεταπήδησης συχνοτήτων (FHSS) το σήμα εκπέμπεται σε ένα φαινομενικά τυχαίο σύνολο καναλιών συχνότητας, μεταπηδώντας από συχνότητα σε συχνότητα ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Ο αποστολέας και ο δέκτης βρίσκονται σε συγχρονισμό καθώς εκτελούν την ίδια μεταπήδηση η οποία βασίζεται σε κάποια ακολουθία ψευδοτυχαίων αριθμών, την οποία και οι δύο γνωρίζουν. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα FHSS είναι πολύ ανθεκτικά στις παρεμβολές στενής ζώνης, ενώ θεωρούνται ασφαλή καθώς για να παρακολουθήσει κάποιος την κίνηση του δικτύου θα πρέπει να γνωρίζει την ακολουθία ψευδοτυχαίων αριθμών που χρησιμοποιείται. Επιπλέον πλεονέκτημά τους είναι ότι είναι δυνατόν να λειτουργούν ταυτόχρονα περισσότερα από ένα δίκτυα FHSS στην ίδια γεωγραφική περιοχή. Αυτό επιτυγχάνεται με την κατάλληλη ρύθμιση των δικτύων ώστε να χρησιμοποιούν ορθογώνιες 23
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11 ακολουθίες μεταπήδησης και να μην επικαλύπτονται μεταξύ τους οι μεταδόσεις. 3.2.3 Φυσικό επίπεδο DSSS Στην διασπορά φάσματος με άμεση ακολουθία, κάθε bit του αρχικού σήματος αντιπροσωπεύεται στο διεσπαρμένο σήμα από ένα πλήθος bit. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιείται δυαδικός πολλαπλασιασμός (XOR) των bit του αρχικού σήματος με μία ακολουθία ψευδοτυχαίων bit υψηλότερου ρυθμού. Ενώ το φυσικό επίπεδο DSSS φαινομενικά μοιάζει να σπαταλά εύρος ζώνης, αυτή η τεχνική δίνει τη σημαντική δυνατότητα να εξάγει ένα σήμα δεδομένων μέσα από παρεμβολές και θόρυβο στενής ζώνης, καταφέρνοντας σε λιγότερες αναμεταδόσης και ενισχύοντας τη συνολική απόδοση του συστήματος. Τα δίκτυα DSSS εμφανίζουν μικρότερη πιθανότητα εμφάνισης παρεμβολών από αυτά που χρησιμοποιούν FHSS. Επιπλέον δίνουν την δυνατότητα για ταυτόχρονη λειτουργία πολλαπλών δικτύων στον ίδιο γεωγραφικό χώρο. 3.2.4 Φυσικό επίπεδο OFDM Η πολύπλεξη OFDM αποτελεί μια μορφή μετάδοσης πολλαπλών φορέων (multicarrier) και διαιρεί το διαθέσιμο φάσμα σε πολλούς φορείς, καθένας από τους οποίους διαμορφώνεται από μια ροή δεδομένων χαμηλού ρυθμού με την χρήση διαμόρφωσης μετατόπισης φάσης (Phase Shift Keying, PSK). Η OFDM δίνει την δυνατότητα για την πρόσβαση πολλών χρηστών με την υποδιαίρεση του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε πολλά κανάλια, τα οποία ανατίθενται κατόπιν στους χρήστες. Η πολύπλεξη OFDM χρησιμοποιεί το φάσμα με πολύ αποδοτικό τρόπο, τοποθετώντας τους φορείς ορθογώνια μεταξύ τους, οπότε και αποτρέπονται οι παρεμβολές μεταξύ των γειτονικών φορέων [2]. Παρόμοια τεχνική χρησιμοποιείται στα modems, παρέχοντας υψηλές ταχύτητες. Κάποια από τα πλεονεκτήματα είναι η αποδοτική χρήση του μέσου συγκριτικά με άλλες μεθόδους, η ανθεκτικότητα σε παρεμβολές στενής ζώνης και μεταξύ συμβόλων 24
3.3. ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ MAC ΤΟΥ IEEE 802.11 και η ευκολία εφαρμογής της με την χρήση των γρήγορων μετασχηματισμών Φουριέ (FFT). Σχήμα 3.2: Η αρχιτεκτονική του 802.11 και το μοντέλο OSI. 3.3 Το επίπεδο MAC του IEEE 802.11 Το 802.11 χρησιμοποιεί ένα πρωτόκολλο CSMA/CA για το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC). Το πρωτόκολλο αυτό ονομάζεται κατανεμημένη θεμελίωση MAC (distributed Foundation Wirelless MAC, DFWMAC) ή αναφέρεται ως κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού (Distributed Coordination Function, DCF). Το πρωτόκολλο προσφέρει μόνο μια υπηρεσία καλύτερης δυνατής προσπάθειας (best-effort service), αλλά υπάρχει προαιρετική υποστήριξη για χρονικά εξαρτώμενες υπηρεσίες μέσω της χρήσης ενός μηχανισμού που δεν απαιτεί ανταγωνισμό (contention-free), την υπηρεσία σημειακή συνάρτηση συντονισμού (Point Coordination Function, PCF). Το υποεπίπεδο MAC του IEEE 802.11 προσφέρει επίσης μηχανισμούς για πιστοποίηση, εξασφάλιση απορρήτου, κρυπτογράφηση και εξοικονόμηση ενέργειας. 3.3.1 Τα διαπλαισιακά διαστήματα, IFS Η κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού είναι η θεμελιώδης τεχνική του επιπέδου MAC του πρωτοκόλλου IEEE 802.11. Χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο CSMA/CA με 25
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11 Πρότυπο IEEE slot time (μs) sifs (μs) difs (μs) 802.11 (FHSS) 50 28 128 802.11 (DSSS) 20 10 50 802.11b 20 10 50 802.11a 9 16 34 802.11g 9 ή 20 10 28 ή 50 802.11n (2.4 GHz) 9 ή 20 10 28 ή 50 802.11n (5 GHz) 9 16 34 Πίνακας 3.2: Τα διαπλαισιακά διαστήματα του 802.11 χρονικές σχισμές, με αποτέλεσμα οι μεταδόσεις των δεδομένων να μπορούν να ξεκινήσουν μόνο στην αρχή κάθε σχισμής. Το πρότυπο IEEE 802.11 χρησιμοποιεί ένα σύνολο καθυστερήσεων που είναι γνωστές ως διαπλαισιακά διαστήματα (Interframe Spaces, IFS). Ως χρονική σχισμή (slot time) ορίζεται δύο φορές το χρονικό διάστημα που χρειάζεται ένας ηλεκτρομαγνητικός παλμός για να διασχίσει την απόσταση μεταξύ του αποστολέα και το λήπτη. Στα πρότυπα IEEE 802.11 έχει σταθερή τιμή όπως φαίνεται στον πίνακα 3.2. Η χρονική σχισμή χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του μικρού IFS (SIFS). Ξεκινώντας από το χρονικά συντομότερο, τα διαπλαισιακά διαστήματα είναι: Μειωμένο IFS (RIFS) Είναι ένα από τα καινούρια χαρακτηριστικά που εισήγαγε το IEEE 802.11n για να βελτιώσει την αποδοτικότητά του. Χρησιμοποιείται αντί του SIFS σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως μεταξύ των MPDU πακέτων. Η τιμή του είναι πάντα 2μs. Μικρό IFS (SIFS) Χρησιμοποιείται κυρίως μεταξύ του πλαισίου δεδομένων και του πακέτου επιβεβαίωσης. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για μεταδόσεις υψηλής προτεραιότητας, σε περιπτώσεις που θέλουμε την πιο άμεση πρόσβαση στο μέσο. Η τιμή του πλαισίου είναι σταθερή και υπολογισμένη ώστε να δίνει αρκετό χρόνο στους σταθμούς που κάνουν μετάδοση ώστε να αλλάξουν την λειτουργία τους για να μπορέσουν να δεχτούν εισερχόμενη κίνηση. IFS σημειακής συνάρτησης συντονισμού (PIFS) Αυτό το διαπλαισιακό διάστημα εί- 26
3.3. ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ MAC ΤΟΥ IEEE 802.11 ναι μικρότερο του DIFS για να δίνει προτεραιότητα στο σταθμό βάσης στην περίπτωση που χρησιμοποιείται η προαιρετική σημειακή συνάρτηση συντονισμού (CFP). Κατανεμημένο IFS (DIFS) Το διάστημα αυτό είναι σημαντικό για το πρωτόκολλο DCF του προτύπου ΙΕΕΕ 802.11 καθώς ορίζει τον χρόνο που πρέπει να είναι αδρανές το δίκτυο πριν προσπαθήσει ένα τερματικό να προσπελάσει το ασύρματο μέσο. Το DIFS ισούται με: DIF S = SIF S + 2 slot_time (3.1) όπου DIFS, SIFS είναι οι χρόνοι των διαπλαισιακών διαστημάτων και slot_time είναι ο χρόνος σχισμής. 3.3.2 Η κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού, DCF Η τεχνική της κατανεμημένης συνάρτησης συντονισμού DCF είναι θεμελιώδης για το πρότυπο IEEE 802.11. Περιγράφει την ανταγωνιστική πρόσβαση των σταθμών στο ασύρματο μέσο και είναι η πιο πετυχημένη λύση για τα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Όταν ένας σταθμός επιθυμεί να μεταδώσει δεδομένα ακούει πρώτα το κανάλι για χρονικό διάστημα DIFS. Αν το κανάλι είναι αδρανές μέσα σε αυτό το διάστημα, τότε αποστέλλει τα δεδομένα του. Αν το κανάλι είναι απασχολημένο, τότε αναβάλλει την μετάδοση του. Όμως υπάρχει η πιθανότητα την ίδια χρονική στιγμή να θέλουν να μεταδώσουν δεδομένα περισσότεροι από έναν κόμβοι, οπότε αν απλά περιμένουν όλοι να τελειώσει η τρέχουσα αναμετάδοση, μετά θα ξεκινήσουν να μεταδίδουν όλοι μαζί, με αποτέλεσμα την πιθανή καταστροφή όλων των αποστολών. Η λύση που δίνει η DCF, δίνεται με την αναμονή όλων των σταθμών, στην περίπτωση που βρήκαν το μέσο κατειλημμένο για ένα χρονικό διάστημα. To χρονικό αυτό διάστημα, είναι τυχαίο και δίνεται για τον κάθε σταθμό από έναν δυαδικό εκθετικό αλγόριθμο υπαναχώρησης (binary exponential backoff): 27
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11 BackoffT ime = [2 2+i ranf()] slot_time (3.2) όπου i είναι ο αριθμός των προσπαθειών, ranf() είναι μία συνάρτηση ψευδοτυχαίων αριθμών από το 0 έως το 1, και slot_time είναι ο χρόνος σχισμής. Οι διαδοχικές συγκρούσεις προκαλούν την εκθετική αύξηση του μεγέθους παραθύρου υπαναχώρησης, που είναι γνωστό και ως παράθυρο ανταγωνισμού (Contention Window, CW). Όταν φτάσει στην μέγιστη τιμή, η οποία ορίζεται από τον χρήστη και είναι γνωστή ως μέγιστο παράθυρο ανταγωνισμού (CWMax), το i λαμβάνει ξανά την αρχική τιμή 2. Μετά από ένα ορισμένο πλήθος αναμεταδόσεων για ένα συγκεκριμένο πλαίσιο, το πλαίσιο απορρίπτεται. Αν ο παραλήπτης παραλάβει επιτυχώς την κίνησή του, τότε αποστέλλει ένα πακέτο επιβεβαίωσης ACK. Αν δεν αποστείλει τίποτα, ο αποστολέας καταλαβαίνει ότι υπήρξε κάποιο πρόβλημα στην αποστολή και θα δοκιμάσει να στείλει τα δεδομένα ξανά. Αν επανειλημμένα ο αποστολέας δεν καταφέρει μία επιτυχή μετάδοση, μετά από έναν συγκεκριμένο αριθμό αποστολών που ορίζεται στις παραμέτρους του συστήματος, τότε το πακέτο χάνετε και δεν γίνεται ξανά προσπάθεια αποστολής. Το πρωτόκολλο DCF προβλέπει επίσης μια προαιρετική τεχνική ανίχνευσης του μέσου με τα πακέτα Request-to-send (RTS) και Clear-to-send (CTS), για να λύσει το πρόβλημα του κρυφού και εκτεθειμένου τερματικού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.3. Πριν ένας κόμβος δοκιμάσει να μεταδώσει ένα πακέτο δεδομένων, αποστέλλει πρώτα το ειδικό πλαίσιο RTS, αφού περιμένει πρώτα για χρόνο DIFS. Όλοι οι υπόλοιποι κόμβοι εντός της εμβέλειας του αποστολέα λαμβάνουν το RTS πλαίσιο και αντιλαμβάνονται ότι θα προσπαθήσει την μετάδοσή του. Στην συνέχεια ο κόμβος λήπτης περιμένει χρόνο SIFS και ανταποκρίνεται με το ειδικό πλαίσιο CTS. Ο αποστολέας ξεκινάει την μετάδοσή του αφού λάβει το πλαίσιο CTS και περιμένει για χρόνο SIFS. Με την χρήση αυτής της τεχνικής αποφεύγονται οι συγκρούσεις καθώς ο αποστολέας δηλώνει στους γύρω κόμβους του ότι ετοιμάζεται να ξεκινήσει μία μετάδοση με 28
3.4. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11N την χρήση του πλαισίου RTS αποφεύγοντας το πρόβλημα του εκτεθειμένου τερματικού, ενώ ο λήπτης αποφεύγει το πρόβλημα του κρυφού τερματικού με την αποστολή του CTS πλαισίου, καθώς οι γειτονικοί κόμβοι αντιλαμβάνονται ότι θα γίνει αναμετάδοση, ακόμα και βρίσκονται εκτός εμβέλειας του αποστολέα. Το πλαίσιο RTS όπως και το πλαίσιο CTS, είναι μικρά στο μέγεθος ώστε να μην καταναλώνουν μεγάλο διάστημα χρόνου από την συνολική μετάδοση. Παρ όλ αυτά μειώνουν σε σημαντικό βαθμό την ρυθμαπόδοση του ασύρματου δικτύου και χρησιμοποιούνται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις. Σχήμα 3.3: Η λειτουργία της κατανεμημένης συνάρτησης συντονισμού (DCF). 3.4 Το πρωτόκολλο IEEE 802.11n Το 802.11n αναπτύχθηκε για να βελτιώσει την απόδοση ενός δικτύου σε σχέση με τα δύο προηγούμενα πρωτόκολλα, τα 802.11a και 802.11g. Επιτυγχάνει υψηλότερους μέγιστους θεωρητικούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων στο φυσικό επίπεδο από τα 54 Mbit/s στα έως 600Mbit/s. Σχεδιάστηκε ώστε να είναι συμβατό με συσκευές που χρησιμοποιούν τα παλαιότερα πρωτόκολλα επικοινωνίας της ομάδας εργασιών του 802.11. 29
3.4.1 Οι βελτιώσεις του ΙΕΕΕ 802.11n ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11 Το 802.11n είναι το πρώτο πρωτόκολλο της ομάδας εργασίας 802.11 που καθιέρωσε σαν πρότυπο την υποστήριξη σε συσκευές πολλαπλής εισόδου-εξόδου σήματος (multiple-input multiple-output, MIMO) και σε συσκευές με δυνατότητα συνάθροισης πακέτων (frame aggregation). Ο αριθμός των καναλιών που μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα σε ένα ασύρματο δίκτυο περιορίζεται από των αριθμό των κεραιών που χρησιμοποιούν ο αποστολέας και ο δέκτης. Το αναθεωρημένο πρότυπο 802.11n επιτρέπει την μέγιστη χρήση ως τεσσάρων κεραιών στους κόμβους. Ο μέγιστος αριθμός καναλιών που μπορούν να επιτευχθούν είναι τέσσερα, αρκεί ο αποστολέας, αλλά και ο δέκτης να χρησιμοποιούν αυτόν τον αριθμό κεραιών. Επίσης, τα κανάλια πλέον μπορούν να λειτουργούν με πλάτος 40 MHz, αντί των 20 MHz που επέτρεπαν οι παλαιότερες εκδόσεις του IEEE 802.11, και άρα διπλασιάζοντας το πλάτος των καναλιών διπλασιάζεται και ο ρυθμός μετάδοσης του φυσικού επιπέδου. Σε συνδυασμό με την χρήση τεσσάρων καναλιών, το 802.11n μπορεί να καταφέρει μέγιστους θεωρητικούς ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των 600 Mbit/s. Επιπλέον χαρακτηριστικά του, σε σχέση με παλαιότερα πρωτόκολλα, είναι οι βελτιωμένες τεχνικές ασφάλειας που καθιέρωσε και η δυνατότητα λειτουργίας του σε οποιαδήποτε από τις δύο ζώνες συχνοτήτων των 2.4 GHz ή των 5 GHz. 3.4.2 Συνάθροιση πλαισίων Η συνάθροιση πλαισίων είναι μία καινούρια τεχνική που εισήγαγε το πρότυπο IEEE 802.11n. Κάθε πλαίσιο που αποστέλλεται από κάποια συσκευή που χρησιμοποιεί το πρότυπο 802.11 περιλαμβάνει ένα σημαντικό ποσό πλεονάζουσας κίνησης (overhead) η οποία οφείλεται στις επικεφαλίδες του φυσικού και MAC επιπέδου, στα διαπλαισιακά διαστήματα που προβλέπονται από το πρωτόκολλο και πακέτα επιβεβαίωσης (ACK). Σε υψηλές ταχύτητες διαμεταγωγής, αυτή η επιπλέον κίνηση μπορεί να καταναλώνει περισσότερο εύρος ζώνης από τα ίδια τα δεδομένα που προσπαθούμε να αποστείλουμε. Το IEEE 802.11n βελτιώνει την ρυθμαπόδοση αποστέλλοντας πολλα- 30
3.4. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11N πλά πλαίσια σε μία μετάδοση, συναθροίζοντάς τα (frame aggregation). Η μελέτη της βελτίωσης της ρυθμαπόδοσης είναι το αντικείμενο αυτής της εργασίας και τα αποτελέσματα από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 5. Υπάρχουν τρεις τεχνικές συνάθροισης πλαισίων, αναλόγως το επίπεδο του πρωτοκόλλου στο οποίο πραγματοποιούνται, η συνάθροιση Α-MSDU, η συνάθροιση Α-MPDU και η συνάθροιση δύο επιπέδων (two-level aggregation). Σχήμα 3.4: Η τεχνική συνάθροισης Α-MSDU (a) και A-PSDU (b). Συνάθροιση A-MSDU MAC Service Data Unit ή MSDU ονομάζεται το πλαίσιο που παραλαμβάνεται από τα ανώτερα επίπεδα του MAC επιπέδου. Περιλαμβάνει επικεφαλίδα στην οποία αναγράφονται η διεύθυνση του αποστολέα και του παραλήπτη, το μέγεθος του πλαισίου, τις κεφαλίδες MAC δηλαδή, και τα δεδομένα του. MAC Protocol Data Unit ή PSDU ονομάζεται το πλαίσιο που εξέρχεται από τα χαμηλότερα επίπεδο του MAC και παραλαμβάνεται από το φυσικό επίπεδο. Περιλαμβάνει επιπλέον τα δεδομένα έλεγχου σφαλμάτων πλαισίου. Και τα δύο πλαίσια έχουν ένα μέγιστο μέγεθος το οποίο καθορίζεται από το εκάστοτε πρότυπο. Στην συνάθροιση MSDU το μέγιστο μέγεθος δεδομένων είναι 3839 ή 7935 bytes. Όλα τα συναθροιζόμενα πλαίσια πρέπει να έχουν το ίδιο αναγνωριστικό χρόνου (TID) 31
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11 και να έχουν τις ίδιες διευθύνσεις αποστολής και παραλαβής. Η συνάθροιση MSDU μειώνει αισθητά τον όγκο των πλεονάζοντων δεδομένων και αυξάνει την ρυθμαπόδοση του δικτύου, ειδικά όταν χειρίζεται πολλά και μικρού μεγέθους αρχικά MSDU πλαίσια. Το κύριο μειονέκτημα της συνάθροισης MSDU είναι η χρήση της σε κανάλια με υψηλό ρυθμό σφαλμάτων. Καθώς αντί να χρησιμοποιείται έλεγχος σφαλμάτων για κάθε μεμονωμένο πλαίσιο, στην συνάθροιση A-MSDU γίνεται έλεγχος για όλα τα συναθροιζόμενα πλαίσια, στην περίπτωση που καταστραφεί ένα A-MSDU πλαίσιο θα πρέπει αναγκαστικά να αποσταλούν όλα τα πλαίσια από τα οποία αποτελούνταν ξανά. Συνάθροιση A-MPDU Η βασική διαφορά των A-MSDU και A-MPDU είναι το επίπεδο στο οποίο γίνεται η συνάθροιση. Στην περίπτωση της A-MPDU συναθροίζονται τα MSDU πλαίσια αφού τους έχει προστεθεί η κεφαλίδα MAC. Αποτέλεσμα είναι να μην χρειάζεται να έχουν όλα τα συναθροιζόμενα πλαίσια το ίδιο αναγνωριστικό χρόνου. Παρ όλ αυτά, θα πρέπει να έχουν όλα τα πλαίσια τον ίδιο αποστολέα και παραλήπτη. Το μέγιστο μέγεθος ενός πακέτου MPDU είναι τα 65.535 bytes και ο μέγιστος αριθμός πλαισίων που μπορεί να περιέχει είναι τα 64. Ένα πλεονέκτημα της A-MPDU είναι η δυνατότητα χρήσης της προαιρετικής τεχνικής μαζικής επιβεβαίωσης (block acknowledgement). Με την χρήση αυτής της τεχνικής ο παραλήπτης μπορεί να επιβεβαιώσει την απροβλημάτιστη λήψη 64 πλαισίων, αριθμός που είναι και το όριο των πλαισίων που μπορεί να περιέχει ένα A-MPDU, με ένα μόνο πακέτο ACK μεγέθους 128 bytes, ενώ στην περίπτωση που κάποια πλαίσια δεν παραληφθούν σωστά μπορεί να ενημερώσει τον αποστολέα για το ποια ήταν αυτά ώστε να μην χρειαστεί η αποστολή όλων των πλαισίων ξανά. Αυτός είναι και ένας λόγος της καλύτερης απόδοσης που πετυχαίνει η A-MPDU σε περιβάλλοντα με υψηλό ρυθμό σφαλμάτων. 32
3.4. ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE 802.11N Σχήμα 3.5: Η τεχνική συνάθροισης δύο επιπέδων (two-level aggregation). Συνάθροιση δύο επιπέδων H συνάθροιση δύο επιπέδων (two-level aggregation) αποτελεί έναν συνδυασμό της A-MSDU και της Α-MPDU. Στο πρώτο στάδιο συναθροίζονται όσα MSDU πλαίσια βρίσκονται στην προσωρινή μνήμη του αποστολέα. Όταν φτάσουμε στο μέγιστο μέγεθος που προβλέπεται για τα πλαίσια MSDU ή αν υπάρχουν MSDU με διαφορετικά αναγνωριστικά χρόνου, δημιουργείται το επόμενο Α-MSDU πλαίσιο. Αν συνεχίζουν να καταφθάνουν πλαίσια πριν ξεκινήσει η μετάδοση αυτά γίνετε προσπάθεια να συναθροιστούν στο καλύτερο MSDU πλαίσιο, επιλέγοντας για παράδειγμα ήδη έτοιμα MSDU πλαίσια με το ίδιο αναγνωριστικό χρόνου ή MSDU πλαίσια τα οποία είναι κοντά στο να γεμίσουν με τον μέγιστο αριθμό δεδομένων που τους επιτρέπεται. Τέλος, όλα τα MSDU πλαίσια συναθροίζονται σε ένα MPDU πλαίσιο, αρκεί να μην ξεπερνούν τα 64. Τα εναπομείναντα πλαίσια παραμένουν στην προσωρινή μνήμη του αποστολέα για κάποια επόμενη μετάδοση. Πέρα από την αυξημένη ρυθμαπόδοση που πετυχαίνει η συνάθροιση δύο επιπέδων σε σύγκριση ακόμη και με την τεχνική A-MPDU, επιπλέον επιτρέπει την βελτιστοποί- 33