Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Δίκτυα Ευρείας Ζώνης WLAN

Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα Πρόσβασης (WLANs) • WLAN (Wireless Local Area Networks) • Επίσης (κακώς) γνωστά και ως WiFi (Wireless Fidelity) • Κίνητρο: Αντικατάσταση του καλωδίου και ώθηση της ad-hoc επικοινωνίας (π.χ. υπολογιστές σε ένα meeting) • Υπάρχουν πολλά standards για τα WLANs (ευρωπαϊκά, αμερικανικά, ιαπωνικά) με επικρατέστερο το ΙΕΕΕ 802.11 Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Standards Τοπικών Ασύρματων ΔικτύωνΠρόσβασης WirelessLAN 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) Προσωπικά Ασύρματα Δίκτυα (PANs) HomeRF 2.0(10 Mbps) Bluetooth(1 Mbps) HomeRF 1.0(2 Mbps) 802.11n(248 Mbps based on MIMO) 802.11e(QoS) 802.11i(Security) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Πλεονεκτήματα των WLANs • Δεν απαιτείται κανένα είδος καλωδίωσης • Τα κινητά τερματικά είναι ευέλικτα (εννοείται: μέσα στην περιοχή κάλυψης) • Εύκολη δημιουργία ad-hoc δικτύου χωρίς κανέναν σχεδιασμό εκ των προτέρων Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Μειονεκτήματα των WLANs • Παρουσιάζουν μικρότερο throughput (~11 – 54 Mbps) σε σύγκριση με τα αντίστοιχα ενσύρματα τοπικά δίκτυα (10Mbps – 100Mbps – 1Gbps), λόγω περιορισμών στην ασύρματη μετάδοση, όπως: • Μεγαλύτεροι ρυθμοί λαθών (error rates), λόγω παρεμβολών • Μεγαλύτερη καθυστέρηση (delay), λόγω μηχανισμών διεξοδικού ελέγχου λαθών (error detection) • Μεγαλύτερη διακύμανση καθυστέρησης (jitter), λόγω μηχανισμών διεξοδικής διόρθωσης λαθών (error correction) >> χαμηλή ποιότητα υπηρεσίας (QoS) • Πολλές ιδιοταγείς (proprietary) λύσεις προσφέρονται από εταιρίες, επειδή τα standards αργούν να οριστικοποιηθούν, με αποτέλεσμα την επίτευξη διαλειτουργικότητας μόνο σε ομογενή περιβάλλοντα (μόνο π.χ. όταν όλοι οι χρήστες έχουν εξοπλισμό της ίδιας εταιρίας) • Τα προϊόντα των ασύρματων τοπικών δικτύων δεν είναι παγκόσμιας εμβέλειας (υπακούουν σε “εθνικούς περιορισμούς”), οπότε δεν αποτελούν παγκόσμια λύση Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Οι βασικότεροι Στόχοι των WLANs • Να είναι ομοιόμορφη η λειτουργία των προϊόντων WLAN και να παρέχει διαλειτουργικότητα • Να επιτευχθεί χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (μπαταρία), με χρήση κανόνων διαχείρισης ενέργειας ανάλογα με τη λειτουργία • Να μην χρειάζεται ειδική άδεια για την εκπομπή (license-free band) • Nα χρησιμοποιήσει εύρωστη και σταθερή τεχνολογία μετάδοσης • Να είναι εύκολο προς τον καθένα να το χρησιμοποιήσει και να μην επιβάλει πολυπλοκότητα στη διαχείριση του δικτύου • Να προσφέρει διαλειτουργικότητα με τα αντίστοιχα ενσύρματα τοπικά δίκτυα (υποστηρίζοντας ίδια πρωτόκολλα, υπηρεσίες και μηχανισμούς) • Να παρέχει ασφάλεια και ιδιοτικότητα (privacy), ώστε να μην μπορεί να έχει πρόσβαση ο ένας στα δεδομένα του άλλου • Να χρησιμοποιεί χαμηλή ισχύ εκπομπής, ώστε ένα τέτοιο δίκτυο να είναι όσο το δυνατόν λιγότερο βλαβερό για τον άνθρωπο Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Ασύρματα τοπικά δίκτυα τύπου ΙΕΕΕ 802.11 Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

WLANs με υποδομή 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 ραδιο-συχνότητα Portal γέφυρα μεταξύ του συστήματος διανομής και εξωτερικών δικτύων Distribution System – Σύστημα Διανομής δίκτυο διασύνδεσης πολλών BSS σε ένα ESS (Extended Service Set) ESS 802.11 LAN BSS 1 802.x LAN STA 1 STA 2 Portal AP Distribution System AP STA 3 STA 4 BSS 2 802.11 LAN Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

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

Applications Δεδομένα Εφαρμογής Application Διάφανη υποστήριξη IP εφαρμογών Διευθυνσιοδότηση και Δρομολόγηση TCP/IP stack IP routing TCP/IP Bridge control 802.11 WLAN radio Ethernet 802.11 – Ασύρματη Επέκταση του Ethernet 802.11 WLAN radio Ethernet Ethernet Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

802.2(LLC, Logical Link Control) 802.11(MAC, Medium Access Control) - Μετάδοση στο φυσικό μέσο - Διαμόρφωση σήματος - Επεξεργασία • - Έλεγχος Πολλαπλής Πρόσβασης • Ανίχνευση/Διόρθωση Λαθών • - Επαναμετάδοση πακέτων Στοίβα πρωτοκόλλων στο ΙΕΕΕ 802.11 DSSS FHSS IR Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer (IR) • IR (InfraRed) • Ορίστηκε και χρησιμοποιούνταν στην πρώτη original version του standard το 1997 (“IEEE 802.11 Legacy”) ΒΑΣΙΚΟΤΕΡΑ MEIONEKTHMAΤΑ: • Χαμηλοί ρυθμοί μετάδοσης (~1-2 Mbps) • και μεγάλη εξασθένιση από φυσικά εμπόδια Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

S(f) Sc(f) S(f)*Sc(f) 1/Tb Tc 1/Tc ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer (DSSS-α) • DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) • Χρησιμοποιείται από το ΙΕΕΕ 802.11b • Αποκαλείται από πολλούς και ως DS-CDMA, διότι η μεταδιδόμενη πληροφορία διαμορφώνεται πολλαπλασιαζόμενη με μία ακολουθία, όπως ο κώδικας του CDMA • Η ακολουθία s(t) των data bits διαμορφώνεται από τον «κώδικα», την λεγόμενηchip sequencesc(t) s(t) sc(t) Tb=KTc Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer (DSSS-β) • s(t)=±1, sc(t)=±1 • Το σήμα που στέλνεται είναι: x(t)=s(t) (XNOR) sc(t) • Αυτό διευρύνει το χρησιμοποιούμενο εύρος ζώνης κατά ένα μεγάλο παράγοντα K • Η αποκωδικοποίηση γίνεται με πολλαπλασιασμό (XNOR) πάλι με το sc(t) στον δέκτη ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Τι κερδίζουμε από αυτή τη “σπατάλη” φάσματος? • Ανοσία σε διάφορους τύπους θορύβου και στη παρεμβολή πολλαπλών διαδρομών • Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απόκρυψη και κρυπτογράφηση σημάτων • Πολλαπλοί χρήστες μπορούν να χρησιμοποιήσουν το ίδιο κανάλι φάσματος με πολύ μικρή παρεμβολή Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer (DSSS-γ) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer (FHSS-α) • FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) • Το σήμα μεταδίδεται πάνω από μια ψευδοτυχαία ακολουθία από ραδιοσυχνότητες • Ανατίθεται ένας αριθμός καναλιών για το FH σήμα • Το εύρος κάθε καναλιού αντιστοιχεί στο εύρος ζώνης του σήματος εισόδου • Το σήμα αναπηδά από συχνότητα σε συχνότητα σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα • Ο πομπός λειτουργεί σε ένα κανάλι κάθε στιγμή • Στο κάθε επόμενο χρονικό διάστημα επιλέγεται μια νέα φέρουσα • Η ακολουθία καναλιών καθορίζεται από τον κώδικα διεύρυνσης(spreading code) • Ο δέκτης αναπηδά ανάμεσα στις συχνότητες σε συγχρονισμό με τον πομπό και λαμβάνει το μήνυμα Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer (FHSS-β) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer (FHSS-γ) Frequency Δίκτυα Ευρείας Ζώνης time

ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer (FHSS-δ) ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: • Έχει ως αποτέλεσμα ένα σύστημα, το οποίο είναι αρκετά ανθεκτικό στην παρεμβολή από τρίτους (jamming) • Ο κακόβουλος παρεμβολέας πρέπει να παρεμβάλει όλες τις συχνότητες... • Προσπάθειες για παρεμβολή σήματος σε μια συχνότητα καταφέρνουν μόνο να καταστρέψουν μερικά bit (όχι όμως όλα) • Οι «ωτακουστές» (υποκλοπείς), μπορούν να λάβουν μόνο μέρος της πληροφορίας (το κομμάτι πληροφορίας που μεταδίδεται στην συχνότητα που υποκλέπτεται) • Με δεδομένη συνολική ισχύ, μειώνεται η ισχύς της παρεμβολής σε κάθε περιοχή συχνοτήτων (αφού η ισχύς διασπείρεται σε διάφορες συχνότητες για μικρό χρονικό διάστημα) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

ΙΕΕΕ 802.11 – Physical Layer ΣΥΝΟΨΙΖΟΝΤΑΣ, ΣΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΧΟΥΜΕ: Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

MAC (Medium Access Control) • Αναλαμβάνει να ελέγχει την προσπέλαση στο μέσο • Ακολουθεί το πρωτόκολλο CSMA (Carrier Sense Multiple Access), Πολλαπλής Προσπέλασης Ανίχνευσης Φέροντος • Ένας κόμβος μπορεί να “ακούσει” αν άλλοι κόμβοι μεταδίδουν • Εφόσον οι κόμβοι μπορούν να “ακούσουν” μεταδόσεις άλλων, μπορούν να αναβάλουν τη μετάδοσή τους, ώστε να αποφύγουν μια βέβαιη σύγκρουση • Παραλλαγές: • Μη επίμονο (non-persistent) CSMA • 1-Επίμονο (1-Persistent) CSMA • p-Επιμονο (p-Persistent) CSMA • Δεν αποφεύγονται όλες οι συγκρούσεις εξαιτίας της αργοπορημένης ανίχνευσης μετάδοσης (καθυστέρηση διάδοσης σήματος) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

MAC στο IEEE 802.3 (Ethernet) • Ακολουθεί το πρωτόκολλο CSMA με «ανίχνευση σύγκρουσης» - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) • Ο χρήστης ακούει το μέσο (να διαπιστώσει αν είναι ελεύθερο ή όχι) • Αν το μέσο είναι απασχολημένο, περιμένει έως ότου ελευθερωθεί • Αν το μέσο είναι ελεύθερο, ξεκινά τη μετάδοση των δεδομένων συνεχίζοντας να ακούει το μέσο • Αν - κατά τη διάρκεια της μετάδοσης – αντιληφθεί σύγκρουση (ότι δηλ. κάποιος άλλος πήγε να μεταδώσει) τότε σταματά τη μετάδοση Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

MAC στο IEEE 802.11 (I) • To CSMA έχει νόημα και στο ασύρματο τοπικό δίκτυο: • Αν μόνο ένας μεταδίδει, καλό είναι να χρησιμοποιεί όλο το διαθέσιμο bandwidth (όπως και στο Ethernet) • Αν ακούς κάποιον να μεταδίδει, προσπάθησε να μην προξενήσεις σύγκρουση • Ποια είναι όμως τα προβλήματα??? • Η ισχύς του σήματος μειώνεται σημαντικά βάσει του τετραγώνου της απόστασης, μπορεί δηλαδή να μην «ακούει καθαρά» το μέσο ή να μην «ακούσει καθαρά» μία σύγκρουση • Τα δύο σημαντικότερα προβλήματα για τον καθορισμό της πρόσβασης στο μέσο: • Κάποιος χρήστης να μην ακούει το μέσο επειδή το τερματικό του είναι «κρυμμένο» ( “Hidden Terminal” Problem ) • Κάποιος χρήστης να ακούει το μέσο (το οποίο είναι κατειλημμένο) και για τον λόγο αυτόν δεν εκπέμπει προς κάποιον τρίτο. Γνωστό και ως πρόβλημα του «Εκτεθειμένου Τερματικού» (“Exposed Terminal” Problem) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

MAC στο IEEE 802.11 (II) • Hidden Terminal Problem (Πρόβλημα Κρυμμένου Τερματικού) • O A στέλνει στον B • ο C δεν μπορεί να λάβει από τον A (π.χ. λόγω κάποιου εμποδίου) • Ο C θέλει να στείλει στον B, οπότε «ακούει»το μέσο • Δηλ. το Carrier Sense (από το CSMA/CD) αποτυγχάνει...γιατί???? • O C αρχίζει κι αυτός να στέλνει στον Β (προκαλώντας σύγκρουση στον Β) • Ο Α δεν μπορεί να αντιληφθεί τη σύγκρουση • Δηλ. το Collision Detection (CSMA/CD) αποτυγχάνει...γιατί??? • Λέμε ότι ο Α είναι «κρυμμένος» για τον C Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

MAC στο IEEE 802.11 (III) • Exposed Terminal Problem (Πρόβλημα Εκτεθειμένου Τερματικού) • O Βστέλνει στον Α • Ο C θέλει να στείλει σε ένα άλλο τερματικό (όχι στο Α ή στο Β), έστω στο D • O C πρέπει να περιμένει, αφού «ακούει» (λόγω του CS) ότι γίνεται χρήση του μέσου(αφού βρίσκεται στην εμβέλεια του Β, ο οποίος εκπέμπει) • Όμως ο A είναι εκτός εμβέλειας του C, με αποτέλεσμα να μην απαιτείται στην πράξη αναμονήγια εκπομπή (για να στείλει στον D) • Λέμε ότι ο C είναι «εκτεθειμένος» στον Β Εμβέλεια του Α Εμβέλεια του Β D Δίκτυα Ευρείας Ζώνης Εμβέλεια του C

MAC στο IEEE 802.11 (IV) • Η λύση: CSMA/CA (Collision Avoidance – Αποφυγή Σύγκρουσης) • Η ανίχνευση φέροντος (Carrier Sensing) συνδυάζεται με μηνύματα σηματοδοσίας για την αποφυγή σύγκρουσης και την επίτευξη πιο «δίκαιου» τρόπου κατανομής του μέσου μεταξύ των τερματικών • RTS (Request to Send): ένα τερματικό που θέλει να μεταδώσει (Αποστολέας), πριν στείλει τα πακέτα δεδομένων, ζητά πρώτα την άδεια από τον μελλοντικό Παραλήπτη (με την αποστολή ενός RTS πακέτου σηματοδοσίας) • CTS (Clear to Send): ο Παραλήπτης αποκρίνεται στον Αποστολέα και του δίνει το δικαίωμα να στείλει πακέτα δεδομένων, όταν είναι σε θέση να μπορεί να δεχτεί (με την αποστολή ενός CTS πακέτου σηματοδοσίας) • Τα πακέτα σηματοδοσίας (RTS και CTS) περιέχουν • Διεύθυνση αποστολέα • Διεύθυνση παραλήπτη • Μήκος πακέτου (που πρόκειται να στείλει/δεχτεί κατά τη μετάδοση) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

MAC στο IEEE 802.11 (V) • Με το CSMA/CA αποφεύγεται το πρόβλημα του «κρυμμένου» τερματικού • Έστω ότι ο A και ο C θέλουν να στείλουν στον B • Και έστω ότι ο A στέλνει πρώτος RTS [ RTS(A, B, x bytes) ] • Ο Β στέλνει CTS στην εμβέλειά του, δηλαδή και στον Α και στο C [ CTS(A, B, x bytes) ] • Κατά συνέπεια ο C βλέπει ότι ο Β είναι «απασχολημένος» με τον Α, άραπεριμένει και δεν στέλνει δεδομένα και αποφεύγεται η σύγκρουση («μπλοκάρεται» ο C από το CTS του Β) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

MAC στο IEEE 802.11 (VΙ) • Με το CSMA/CA αποφεύγεται το πρόβλημα του «εκτεθειμένου» τερματικού • O B θέλει να στείλει στον Α, οπότε στέλνει RTS στην εμβέλειά του, δηλαδή στον Α και στον C [ RTS(Β, Α, x bytes) ] • O A βλέποντας τη 2η παράμετρο του RTS απαντά με CTS στην εμβέλειά του, εφόσον είναι ελεύθερος να δεχτεί δεδομένα [ CTS(Β, Α, x bytes) ] • Ο C θέλει να στείλει σε κάποιο άλλο τερματικό (π.χ. στο D) και δεν χρειάζεται να περιμένει, αφού δεν λαμβάνει το CTS του Α • Τι θα γινόταν αν ο C λάμβανετο CTS του Α(αν ήταν στην εμβέλεια του Α)? D Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Ασφάλεια στο IEEE 802.11 • Όπου απαιτείται κρυπτογράφηση και πιστοποίηση 3 παράγοντες λαμβάνονται υπόψη • οι ανάγκες του χρήστη για ασφάλεια και πόσο αυτές θα κοστίσουν • η ευκολία στη χρήση του μηχανισμού • οι κυβερνητικοί/εθνικοί περιορισμοί στις μεθόδους κρυπτογράφησης, ειδικά όσον αφοράτην εξαγωγή τους Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Wired Equivalent Privacy (WEP) Protocol • Σχετικά ισχυρό, σε σχέση με το κόστος και τις ανάγκες που καλύπτει • «Αυτο-συγχρονιζόμενο» (σταθμοί μπαίνουν και βγαίνουν εύκολα) • Χαμηλών υπολογιστικών αναγκών • Μπορεί να εξάγεται εκτός ΗΠΑ • Προαιρετικό στην υλοποίηση • Περιλαμβάνει δύο διαδικασίες (κρυπτογράφηση και πιστοποίηση) Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Κρυπτογράφηση (Encryption) • Υλοποιείται με ένα κρυφό κλειδί μήκους 40 bits αποθηκευμένο μόνιμα στους σταθμούς • Το κλειδί αυτό περνά από μια γεννήτρια για να παραχθεί μια ακολουθία χαρακτήρων βασισμένη στο κρυφό κλειδί • Η ακολουθία και τα δεδομένα τροφοδοτούν μια συνάρτηση XOR • Το αποτέλεσμα τροφοδοτείται για μετάδοση Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Παράδειγμα Κρυπτογράφησης Έστω ότι το «δυαδικό 2» (00000010) είναι το κλειδί κρυπτογράφησης. Περνάει από μια XOR με το κείμενο που θέλουμε να μεταδώσουμε. Για το παράδειγμά μας το κείμενο είναι το “HI” H I 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 XOR 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 Κρυπτογραφημένο κείμενο Όταν λαμβάνεται το κρυπτογραφημένο κείμενο περνά πάλι από μια XOR με το ίδιο κλειδί για να ανακτηθεί το αρχικό κείμενο. 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 Κρυπτογραφημένο κείμενο XOR 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1Αποκρυπτογραφημένο κείμενο H I Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

να γιατί... Πιστοποίηση (Authentication) • Χρησιμοποιεί το ίδιο κρυφό κλειδί με την κρυπτογράφηση (όχι ιδιαίτερα καλό από άποψη ασφάλειας). Γιατί???? Τι θα συμβεί αν παρεμβληθεί κάποιος «ωτακουστής»?? Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Shared Key Authentication Node Access Point Authentication Req Challenge Text WEP Decryption of Encrypted Challenge Text WEP Encryption of Challenge Text Encrypted Challenge Text Authentication Decision Node Approval based on Decision Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Κινητικότητα και μεταπομπή στο ΙΕΕΕ 802.11 Ένα τερματικό είναι συνδεδεμένο σε ένα Basic Service Set (BSS) No Χαμηλή ποιότητα σύνδεσης? Yes Αναζήτηση νέου μέσου Εύρεση καλύτερης ποιότητας σύνδεσης? No Yes Αίτηση συσχέτισης στο νέο Access Point No Θετική Απάντηση Συσχέτισης από το νέο Access Point Yes Το τερματικό μεταπέμπεται στο νέο Access Point. To νέο Access Point ειδοποιεί το προηγούμενο, μέσω του Distribution System. Τα IP πακέτα που έχουν ήδη φτάσει στο προηγούμενο Access Point προωθούνται στο νέο Access Point. Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Δίκτυα Ευρείας Ζώνης

Presentation Transcript