Bežične i mobilne mreže standard 802.11

1. Bežične i mobilne mreže standard 802.11

2. Elementi bežične mreže

3. Elementi bežične mreže - produžetak • bežični host-ovi – host-ovi su krajnji uredjaji koji izvršavaju aplikaciju • bežični putevi – host se povezuje sa baznom stanicom ili drugim bežičnim host-om preko bežične komunikacione veze • bazna stanica (BS) - ključni je gradivni blok bežične mrežne infrastrukture. Nasuprot bežičnim host-ovima i bežičnim putevima (vezama), BS nema svoj jasno izdiferenciran ekvivalenat (tzv. pandan uredjaj) kod ožičenih veza. Tačke pristupa (Access Points) kod 802.11 bežičnog LAN-a su tipični primeri BS-ova. AP-ovi ne kontrolišu samo pristup medijumu nego deluju i kao mostovi ka drugim bežičnim i ožičenim mrežama.

4. Karakteristike veze kod tipičnih bežičnih mrežnih standarda

5. Standard IEEE 802.11 Organizacija IEEE je definisala specifikacije WLAN-a, nazvan IEEE 802.11, koje se odnosena 1) fizički nivo i 2) nivo veze. Standardom IEEE 802.11 definisana su sledeća dva tipa servisa (usluga): a) skup osnovnog servisa (basic service set- BSS), i b) prošireni skup servisa (extended service set- ESS).

6. Osnovni skup servisa IEEE 802.11 definiše BSS kao gradivni blok WLAN-a. BSS se sastoji od stacionarnih ili mobilnih bežičnih stanica i opciono centralnu baznu stanicu, poznata kao tačka-pristupa (access point- AP). BSS bez AP-a je samostalna mreža koja ne može slati podatke drugim BSS-ovima. Za ovaj tip mreže kažemo da karakteriše ad-hoc arhitektura. Kod ad-hoc arhitekture stanice mogu formirati mrežu bez potrebe da postoji AP, pri čemu se stanice mogu medjusobno locirati i složiti (dogovoriti) da budu deo BSS-a.

7. Prošireni skup servisa ESS čini dva ili veći broj BSS-ova sa AP-ovima. ESS koristi dva tipa stanica: mobilne i stacionarne. Mobilne stanice su standardne stanice u okviru BSS-a. Stacionarne stanice su AP stanice koje su deo žičanog LAN-a. Na slici je prikazan ESS.

8. Tipovi stanica U zavisnosti od stepena mobilnosti kod WLAN-ova, standardom se definišu sledeća tri tipa stanica: i) nema-prelaska (no-transition), ii) prelazak u okviru BSS-a (BSS transition), i iii) ESS prelazna mobilnost (ESS transition mobility). Stanica tipa no-transition ne karakteriše mobilnost i stacionarnog je tipa. To znači da se ona, u krajnjem slučaju, može premeštati samo u okviru BSS-a. Stanica koju karakteriše BSS mobilnost možemo premeštati iz jedne BSS mrežu u drugu. Stanica koju karakteriše ESS prelazna mobilnost možemo premeštati iz jedne ESS mreže u drugu.

9. Struktura jedne mreže • Strukturu mreže čine: 3 AP-a, 3 bežične mreže (WN) i 1 ožičena mreža

10. Infrastrukturno i ad-hoc bazirane WN WN mogu biti: • infrastrukturno bazirane • Za host-ove koji su pridruženi baznoj stanici često kažemo da rade u infrastrukturnom režimu rada (infrastructure mode) • Svi tradicionalni mrežni servisi (dodela adresa i rutiranje) se obezbedjuju od strane mreže na koju je taj host povezan preko BS-a • ad-hoc • Kod ad-hoc mreža, bežični host-ovi ne koriste infrastrukturu da bi se povezali. • Svaki čvor može direktno da komunicira sa drugim čvorovima, tako da nije potrebno da postoje AP-ovi koji će, ako je potrebno, kontrolisati pristup medijumu.

11. Infrastrukturno bazirane WN Struktura

12. Ad-hoc bazirane WN Struktura

13. Handoff • Kada jedan mobilni host predje iz oblasti pokrivanja jedne BS u oblast koju pokriva druga BS, tada on promeni svoju tačku pridruživanja (pristupa) u odnosu na veću mrežu. • Ovaj proces se naziva handoff. • Ovakva mobilnost radja veći broj problema. • Kao prvo, ako je host pokretan, postavlja se pitanje na koji način se odredjuje njegova tekuća pozicija u mreži tako da se podaci mogu proslediti mobilnom host-u? • Kao drugo, na koji način se vrši adresiranje, ako host može da se nadje u jednu od mnogo mogućih lokacija? • Ako se host premešta u toku TCP konekcije (ili telefonskog poziva kod GSM-a) tada se ponovo pitamo na koji način se obavlja rutiranje podataka, a da pri tome ne dodje do prekida veze? • Ova i mnoga druga pitanja čine da bežično i mobilno umrežavanje predstavlja jedno izuzetna i izazovna oblast rada.

14. Struktura jedne tipične LAN • Povezivanje WN na Internet vrši se žičanim povezivanjem AP-ova na hub, switch ili router, a zatim na Internet

15. Ključne razlike između žičanih i bežičnih veza • Ključne razlike između žičanih i bežičnih veza su: • slabljenje • interferencija • propagacija duž više različitih puteva

16. Slabljenje • Jačina elektromagnetnog polja slabi nakon prolaska talasa kroz neku sredinu, kao na primer zid. • Šta više i u slobodnom prostoru dolazi do disperzije radio talasa, a to dovodi do slabljenja signala. Ovaj efakat se naziva path-loss. • Takodje do slabljenja signala na prijemnoj starni dolazi i kada se rastojanje izmedju predajnika i prijemnika povećava.

17. Interferencija • Ako dva izvora radio signala emituju u istom frekventnom opsegu tada dolazi do medjusobne interferencije. • Tako na primer bežični telefon i bežični LAN 802.11 rade u istom frekventnom opsegu od 2.4 GHz. Zbog toga za očekivati je da ako oba sistema rade istovremeno tada i oba neće raditi dobro, prvenstveno zbog medjusobne interferencije. • Pored toga usled smetnji od drugih izvora, kakve su recimo smetnje od motora ili mikrotalasnihpeći, može doći do indukcije elektromegnetnog šuma, a to će takodje rezultirati do pojave interferencije.

18. Antennas: simple dipoles

19. y y z directed antenna x z x side view (xy-plane) side view (yz-plane) top view (xz-plane) z z sectorized antenna x x top view, 3 sector top view, 6 sector Antennas: directed and sectorized • Often used for microwave connections or base stations for mobile phones (e.g., radio coverage of a valley)

20. refraction shadowing reflection scattering diffraction Propagacija signala • Propagation in free space always like light (straight line) • Receiving power proportional to 1/d²(d = distance between sender and receiver) • Receiving power additionally influenced by • fading (frequency dependent) • shadowing • reflection at large obstacles • refraction depending on the density of a medium • scattering at small obstacles • diffraction at edges

21. Višestruka refleksija

22. Refrakcija i Frenelove zone

23. sender transmission distance detection interference Propagacija signala • Transmission range • -- communication possible • -- low error rate • Detection range -- detection of the signalpossible • -- no communicationpossible • Interference range -- signal may not bedetected -- signal adds to thebackground noise

24. Propagacija duž različitih puteva multipath propagation • Javlja se kada se deo elektromagnetnih talasa reflektuje od objekata ili zemlje, pri čemu dužine puteva talasa od predajnika do prijemnika su različiti. • Pokretni objekti izmedju predajnika i prijemnika mogu uzrokovati multipath propagation koja je promenljiva sa vremenom. • Multipath propagation zbog uticaja refleksije talasa od jonosfere ili drugih objekata može da dovede do pojave fadding-a, tj privremenog gubitka signala na prijemnoj strani.

25. multipath pulses LOS pulses signal at sender signal at receiver Multipath propagation • Signal can take many different paths between sender and receiver due to: • reflection • scattering • diffraction

26. long term fading power t short term fading Efekt mobilnosti • Channel characteristics change over time and location signal paths changedifferent delay variations of different signal partsdifferent phases of signal parts • quick changes in the power received (short term fading) • Additional changes indistance to senderobstacles further away •  slow changes in the average power received (long term fading)

27. Pouzdanost bežičnog prenosa • Bežične komunikacije su nepouzdanije od žičanih. • Zbog toga, kod 802.11 protokola koristi se ne samo moćna CRC tehnika za otkrivanje grešaka u prenosu, nego i ARQ protokol na nivou-veze kojim se zahteva kompletna retransmisija puruka u slučaju kada dodje do greške u prenosu.

28. Standardi kod bežičnih LAN-ova • U toku devedesetih godina prošlog veka razvijen je veliki broj novih tehnologija i donešen veći broj standarda koji se odnosi na bežične LAN-ove. • Najšire prihvaćen standard bio je IEEE 802.11 bežični LAN, alternativno pozant i kao Wi-Fi. • Postoji nekoliko 802.11 standarda za bežičnu LAN tehnologiju, uključujući 802.11b, 802.11a, 802.11g i dr. • Tekuće na tržištu preovladjuju LAN-ovi bazirani na standardu 802.11b, ali u skoroj budućnosti očekuje se zanačajan razvoj i na polju standarda 802.11a kao i 802.11g. • Sva tri standarda koriste isti protokol za pristup medijumu, CSMA-CA.

29. ISM opsezi

30. Dodela kanala na 2.4 GHz

31. Dodela kanala kod 802.11 na 2.4 GHz

32. Dodela kanala kod 802.11 na 5 GHz Lower and Middle Upper

33. Sistemska arhitektura kod 802.11 • Komponente 802.11 infrastruktorno-bazirane LAN

34. Komponente 802.11 infrastruktorno-bazirane LAN • Nekoliko čvorova STA (stations) se povezuje na AP • Osnovni gradivni makroblok 802.11 je BSS (Basic Service Set) • BSS sadrži jedan ili veći broj STA-ova i jednu AP • Svi STA i AP koji koriste isti radio kanal formiraju BSS • BSS1, BSS2, ... BSSn se povezuju u distribucioni sistem • Preko AP-ova svi BSS-ovi se povezuju na sprežnu mrežu a dalje na Internet • Mreža se naziva ESS (Extended Service Set)

35. Roaming kod distribucionih sistema • AP-ovi podržavaju roaming (promena tačke pristupa) • Distribucioni sistem je zadužen za manipulacije pri prenosu podataka izmedju različitih AP-ova. • AP-ovi pružaju podršku: • održavanju sinhronizacije izmedju BSS-ova; • power-management-u; i • kontroli pristupa medijumu radi podrške rada vremensko-ograničenim (kritičnim) servisima.

36. Arhitektura bežičnih ad-hoc mreža • IEEE 802.11 takodje podržava formiranje ad-hoc mreža izmedju STA-a, tj. formiranje jedne ili više nezavisnih BSS-ova nazvanih IBSS (Independent BSS) • IBSS čini grupu stanica koje koriste istu radio frekvenciju. Tako na primer stanice STA1, STA2 i STA3 pripadaju grupi IBSS1, a ST4 i ST5 grupi IBSS2. To znači da STA3 može direktno da komunicira sa STA2, ali ne i sa STA5. • IEEE 802.11 ne specificira bilo kakav specijalni čvor koji podržava rutiranje, dalje prosledjivanje podataka, ili promenu informacije o topologiji kao na primer što je to slučaj sa bežičnim mrežama tipa Bluetooth ili Hiperlan 1.

37. Protokol arhitektura • Protokoli koji su specifično definisani za LAN, MAN i WAN prenos, zaduženi su za prenos blokova podataka preko mreže. • Sa aspekta OSI referentnog modela komuniciranja, viši nivoi protokola (nivoi od 3 do 7) nezavisni su od mrežne arhitekture i mogu se primeniti na sve LAN, MAN i WAN mreže. • Nivoi od 3 do 7 su identični kako za žičane tako i bežične mreže.

38. Odnos izmedju IEEE 802 i OSI referentnog modela

39. Uloga fizičkog nivoa • Najniži nivo IEEE 802 referentnog modela odgovara fizičkom nivou OSI modela, i obavlja funkcije koje se odnose na: • kodiranje i dekodiranje signala • generisanje preambula / rešavanje problema koji se tiću sinhronizacije • predaja / prijem bitova • Pored toga, fizički nivo kod 802 modela uključuje i specifikacije koje se odnose na prenosni medijum i topologiju mreže.

40. Funkcije iznad fizičkog nivoa • Iznad fizičkog nivoa funkcije koje obezbedjuju servise LAN korisnicima su sledeće: • u toku predaje - vrši se asembliranje podataka u okvire. Svaki okvir prati adresno polje za detekciju grešaka u prenosu podataka • u toku prijema - disasembliraju se oikviri, prepoznaju adrese i detektuju greške u prenosu ako postoje • reguliše se pristup LAN - ovom prenosnom medijumu • ostvaruje se sprega - sa višim nivoima i kontroliše se tok podataka i greške koje mogu nastati (za slučaj da se ne prime svi paketi ili da je neki okvir primljen sa greškom) • Nabrojane funkcije od a) do d) svojstvene su nivou 2 OSI modela. • Kada je u pitanju model 802, skup funkcija koje se odnose na stavku d) se obično pridružuje LLC-ovom (Logical Link Control) nivou, dok se funkcije definisane stavkama a), b) i c) tretiraju kao poseban nivo koji se naziva MAC (Media Access Control).

41. MAC podnivo • Postoje dva različita MAC podnivoa kod ovog protokola. • Ipak, najčešće se koristi onaj koji se zasniva na CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance). Na slici je prikazan dijagram toka ove tehnike pristupa medijumu za prenos.

42. Zašto se ne može implementirati CSMA/CD? • Postoje sledeća 3 razloga: • 1. Da bi detektovala koliziju stanica mora biti istovremeno u stanju predaje i prijema signala. Kako je amplituda prijemnog signala mnogo manja (slabljenje signala kroz etar slabi sa kvadratom rastojanja) veoma je teško realizovati prijemnik koji će izdvojiti prijemni signal od predajnog signala (prijemni signal biće tretiran više kao šum). • 2. Kolizije se ne mogu detektovati kod problema koji se javlja kod skrivenih terminala. • 3. Rastojanje izmedju dve stanice može biti veliko. Feding u signalu može da dovede do toga da jedna od stanica koja osluškuje medijum (etar) ne detektuje koliziju koja se javlja zbog toga što i neka druga stanica u tom trenutku emituje signal.

43. Razdvajanje LLC i MAC nivoa • Razdvajanje LLC i MAC nivoa je izvršeno iz sledećih razloga: • logika koja je potrebna da se upravlja pristupom nad deljivim medijumom ne sreće se kod tradicionalnog upravljanja na nivou 2 OSI modela, • za isti LLC postoje po nekoliko MAC opcija

44. Razdvajanje LLC i MAC nivoa

45. Odnos između nivoa i arhitektura kod IEEE 802 • IP nivo predaje podatke LLC-u. LLC pridružuje upravljačku informaciju kao zaglavlje i formira LLC-ov PDU koji se predaje prema MAC-u. MAC nivo pridružuje informaciju na početku i na kraju paketa i formira MAC okvir. Upravljačka informacija okvira je potrebna za rad MAC protokola.

46. Protokoli kod IEEE 802

47. Protokoli kod IEEE 802

48. Nivovska protokol arhitektura • Najčešći scenario: Povezivanje bežičnog 802.11 LAN-a na komutirani 802.3 Ethernet koje je ostvareno preko mosta/komutatora (bridge/switch-a). • Veći broj laptop-ova se povezuje preko WLAN-a na backbone (kičmu) žičanog LAN-a. U svakom laptop-u instalirana je kartica kojom se ostvaruje bežična veza, a tačka povezivanja sa backbone-om je AP. Sa svoje strane i AP ima karticu koja obezbedjuje povezivanja sa bežičnim LAN-on i portalom.

49. Praktična implementacija • Kartice u laptop-u i AP uredjaju podržavaju MAC i PHY nivoe standarda 802.11. • Ostatak AP uredjaja deluje kao most i konvertuje protokol 802.11 u MAC i PHY nivoe backbone-a DS-a koji je tipično IEEE 802.3 Ethernet LAN. • Laptop-ovi koji se povezuju na LAN preko AP-a mogu da komuniciraju sa drugim uredjajima, kakvi su server • ESS (Extended Service Set) se formira instaliranjem većeg broja AP-ova na različitim lokacijama backbone-a didtribuiranog sistema (DS-a) čime se želi ostvariti veća pokrivenost neke oblasti.

50. Celine protokol stack-a standarda 802.11 • Sa ciljem da se specifikacije procesa učine lakšim definicije standardnih MAC i PHY nivoa kod IEEE 802 se razbijaju na druge podnivoe. • U konkretnom slučaju MAC nivo se deli na sledeće celine: • MAC podnivo • MAC management podnivo