Bežične lokalne mreže Bežične lokalne mreže Wireles LANs Wireles LANs ( ( WLANs WLANs ) ) Studij FER-2 Studijski program Računarstvo VI semestar Modul Telekomunikacije i informatika Predmet Lokalne mreže (preporučeni izborni predmet modula) doc. dr.sc. Željko Ilić
Bežične lokalne mreže Wireles LANs ( WLANs ). Studij FER-2 Studijski program Računarstvo VI semestar Modul Telekomunikacije i informatika Predmet Lokalne mreže (preporučeni izborni predmet modula). doc. dr.sc. Željko Ilić. IEEE 802.11: arhitektura. - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Bežične lokalne mrežeBežične lokalne mrežeWireles LANsWireles LANs ( (WLANsWLANs) ) Bežične lokalne mrežeBežične lokalne mreže
Wireles LANsWireles LANs ( (WLANsWLANs) )
Studij FER-2Studijski program Računarstvo
VI semestarModul Telekomunikacije i informatika
Predmet Lokalne mreže
(preporučeni izborni predmet modula)
doc. dr.sc. Željko Ilić
Bežične lokalne mreže 2/27
IEEE 802.11: arhitekturaIEEE 802.11: arhitekturaIEEE 802.11: arhitekturaIEEE 802.11: arhitektura
ESS
AP1 AP2 AP4AP3
BSS1 BSS2 BSS3 BSS4
usmjeriteljInternet
prijenosni sustav
skup osnovne usluge (BSS, engl. Basic Service Set) SSID (Service Set IDentifier) oznaka BSS-a;
skup proširene usluge (ESS, engl. Extended Service Set)
Standard IEEE 802.11 (1997.) definira fizički sloj (engl. Physical layer) i podsloj kontrole pristupa mediju (engl. Medium Access Control sublayer) za bežične lokalne mreže (engl. Wireless LANs)
prijenosni ili distribucijski sustav (DS, engl. Distribution System)
Convergence Procedure); PMD (engl. Physical Medium
Dependent). sloj podatkovnog linka
podsloj kontrole pristupa mediju (MAC, engl. Medium Access Control);
podsloj logičke kontrole linka (LLC, engl. Logical Link Control);
podsloj kontrole pristupa mediju (MAC)
upravljanje podslojem MAC
podsloj ovisan o fizičkom prijenosnom mediju (PMD)
upravljanje fizičkim
podslojem
podsloj procedure konvergiranja fizičkom sloju
(PLCP)
upravljanje stanicom
LLC
fizič
ki s
loj
MAC MIB
PHY MIB
upravljanje podslojem MAC (engl. MAC Layer Management Entity) čuvanje informacije o vremenskoj usklađenosti stanica i pristupne točke; reguliranje snage odašiljanja za pojedinu stanicu; pridruživanje i preusmjeravanje pridruživanja stanice s pristupne točke; održavanje baze upravljačkih informacija (MIB, engl. Management Information Base) o sloju MAC;
upravljanje fizičkim slojem prilagodba različitim uvjetima na linku; održavanje baze upravljačkih informacija (MIB) o fizičkom sloju;
upravljanje stanicom međudjelovanje između upravljanja podslojem MAC i upravljanja fizičkim slojem;
TehnTehnikaika i izrzravnog slijedaavnog slijedaTehnTehnikaika i izrzravnog slijedaavnog slijeda
Ideja: proširenje spektra izvornog signala
DSSS predajnik: NRZ koder + koder pseudoslučajnog (PS) slijeda
standard IEEE 802.11 koristi 11-bitni Barkerov PS slijed (10110111000) Širina spektra odaslanog signala jednaka je dvostrukoj brzini slanja chipova. Ako je brzina
11 Mchip/s, tada širina spektra prijenosnog signala nakon modulatora iznosi 22 MHz;
Barkerov PS slijed se koristi za prijenosne brzine 1 i 2 Mbit/s uz modulacijske tehnike DBPSK (1 Mbit/s) i DQPSK (2 Mbit/s)
za prijenosne brzine 5,5 Mbit/s i 11 Mbit/s koristi se metoda komplementarnog kodiranja (CCK, engl. Complementary Code Keying) i modulacija QPSK
f
P
PS sekvencija (chip )
1 0
m odulo 2zbra ja lo
f
P
kana ln i filta r /m odu la to r
010010001110
Bežične lokalne mreže 6/27
TehnTehnikaika izravnog slijedaizravnog slijeda - radni kanali - radni kanaliTehnTehnikaika izravnog slijedaizravnog slijeda - radni kanali - radni kanali
14 radnih kanala svaki širine 5 MHz
ISM (engl. Industrial, Scientific and Medical) pojas prijenosa (902-928 MHz, 2,4 – 2,4835 GHz, 5,725 – 5,85 GHz)
Max. snaga odašiljanja ETSI 100 mW; FCC do 1W.
f
P
kana l 1
25M H z
kana l 6 kana l 11
u cilju smanjenja interferencije između susjednih BSS-va minimalni potrebni međukanalni razmak je 22 MHz (praktično je to 5 kanala tj. 25 MHz)
domena kanaliS A D (FC C ) 1-11 (2 ,412-2 ,462 G H z)E uropa (E TS I) 1-13 (2 ,412-2 ,472 G H z)Francuska 10-13 (2 ,457-2 ,472 G H z)Š pan jo lska 10-11 (2 ,457-2 ,462 G H z)Japan (M K K ) 14 (2 ,484 G H z)
frekvencije prijenosnog signala s nominalnom vrijednošću; odabir antene (za stanice koje imaju više antena); SFD: označava početak okvira i osigurava sinkronizaciju na nivou bita.
PLCP zaglavlje signal: označava prijenosnu brzinu i modulaciju za
MAC PDU (MAC Protocol Data Unit) polje; service: rezervirano za buduću uporabu; length: određuje vrijeme potrebno za prijenos MAC okvira; CRC: štiti od pogrešaka prethodna tri polja.
IEEE 802.11IEEE 802.11:: podsloj kontrole pristupa mediju podsloj kontrole pristupa mediju - MAC - MACIEEE 802.11IEEE 802.11:: podsloj kontrole pristupa mediju podsloj kontrole pristupa mediju - MAC - MAC
pristupne metode na podsloju MAC: DCF (engl. Distributed
Coordination Function) osnovna pristupna metoda
standarda IEEE 802.11 temeljena na CSMA/CA pristupnom mehanizmu (engl. Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance);
nadopuna pristupne metode DCF s RTS-CTS (engl. Request to Send – Clear to Send) porukama;
slučajni algoritam backoff; PCF (engl. Point Coordination
Function) pristup mediju bez “natjecanja”
(Contention-Free Period); princip prozivanja stanica od
strane koordinatora WLAN-a; ima veći prioritet u odnosu na
DCF; opcionalna metoda pristupa;
određuje pravila pristupa bežičnom mediju
sloj MAC je zajednički za sve četiri prijenosne tehnologije na fizičkom sloju (DSSS, FHSS, IC i OFDM) i neovisan je o brzinama prijenosa
fragmentacija paketa
preusmjeravanje okvira između pristupnih točaka
upravljanje snagom odašiljanja za pojedinu stanicu
IEEE 802.2
PCF
DCF
802.11(FHSS/
DSSS/IC)
802.11b(DSSS)
802.11a(OFDM)
802.11g(OFDM)
802.11n(MIMO-OFDM)
pristup mediju bez «natjecanja»
«natjecanje» za prstup mediju
podsloj MAC
podsloj LLC
fizič
ki s
loj
slo
j pod
atko
vnog
lin
ka
Bežične lokalne mreže 11/27
IEEE 802.11IEEE 802.11:: MAC MAC (format okvira i adresiranje)(format okvira i adresiranje)IEEE 802.11IEEE 802.11:: MAC MAC (format okvira i adresiranje)(format okvira i adresiranje)
međuokvirne praznine za različite vrste okvira (kontrolni, podatkovni i okviri za održavanje veze) osiguravaju različite prioritete
tri/četiri različite vremenske praznine (IFS, engl. Interframe Spaces) između okvira, koje su neovisne o brzinama na fizičkom sloju SIFS (engl. Short IFS) je najkraća praznina i koristi se za sve neposredne akcije (npr. prijenos
ACK, RTS/CTS poruka); PIFS (engl. Point Coordination Function IFS) se koristi za prozivanje čvorova s vremenski
ograničenim zahtijevima; DIFS (engl. Distributed Coordination Function IFS) je najduži IFS koji se koristi kao minimalni
razmak između uspješno poslanih okvira; EIFS (engl. Extended IFS) nema stalno trajanje i koristi se jedino kad nastane pogreška kod
algoritam backoff - izbjegavanje kolizije među stanicama
backoff brojač slučajno generiranje iz intervala [0, CW]; CW – tzv. prozor nadmetanja (engl.
contention window); brojač se smanjuje za jedan vremenski
odsječak svaki put kad je medij slobodan i zaustavlja kad je medij zuauzet;
za različite pristupne tehnologije algoritam backoff zadržava isti princip rada uz različite polazne veličine prozora nadmetanja (CWmin) Primjer: CWmin= (31 za 802.11b, 15 za 802.11g);
CW udvostručuje svoju vrijednost sa svakom kolizijom na mediju CW=2i ͯ (CWmin+1) S 1 za 0 ≤ i < backOfLimit (Npr. za DSSS backOfLimit=6)
CW=CWmaks za backOfLimit ≤ i ≤ m m – maksimalni broj ponavljanja (engl. retry)
prethodni okvir
DIFS
t
31 odsječak
prethodni okvir
DIFS
t
63 odsječka
prethodni okvir
DIFS
t
127 odsječaka
...
...
...
prethodni okvir
DIFS
t
255 odsječaka
...
prethodni okvir
DIFS
t
511 odsječaka
...
prethodni okvir
DIFS
t
1023 odsječka
...
prethodni okvir
DIFS
t
1023 odsječka
...
polazna vrijednost
prvo ponavljanje
drugo ponavljanje
treće ponavljanje
četvrto ponavljanje
peto ponavljanje
šesto ponavljanje
Primjer: CW za IEEE 802.11b
Bežične lokalne mreže 17/27
Kako radi CSMA/CA?Kako radi CSMA/CA?Kako radi CSMA/CA?Kako radi CSMA/CA?
dva načina rada (ovisno o stanju kanala) kanal u mirnom stanju
stanica čeka DIFS vremena, potom odašilje okvir s podacima
kanal zauzet stanica slučajno odredi vrijednosti prozora
nadmetanja – CW(n), potom čeka DIFS vremena i pokreće algoritam backoff
Primjer: Tx A i Tx B svaki za sebe slučajno odrede
vrijednost svog brojača (Br). U primjeru su to vrijednosti 4 i 7, slijedno gledano.
Pristupna metoda DCFPristupna metoda DCFPristupna metoda DCFPristupna metoda DCF
pristupna metoda CSMA/CA osluškivanje medija + eksponencijalni algoritam backoff (natjecanje za medij, Contention-Based Access, Contention Period)
cilj: odvojiti stanice u manje grupe gdje svaka koristi različite vremenske odsječke
D IFS
okvir 1(s tan ica A )
okvir 1(s tan ica B )
okvir 1(s tan ica C )
stan ica A počin jeoslušk ivati m edij
s tan ica C počin jeoslušk ivati m edij
s tan ica B počin jeoslušk ivati m edij
D IFS backoffin terva l (B )
backoff in terva l (C )
D IFS
stanica Cprim jećuje paket
stan ice B
preosta li backoffin terva l (C )
Bežične lokalne mreže 19/27
Pristupna metoda DCFPristupna metoda DCF ++ ( (RTS-CTSRTS-CTS))Pristupna metoda DCFPristupna metoda DCF ++ ( (RTS-CTSRTS-CTS))
pristupna metoda DCF (CSMA/CA) može biti poboljšana mehanizmom virtualnog osluškivanja medija (rješavanje problema skrivenog terminala)
izmjena RTS-CTS poruka između predajnika i prijamnika
poruke RTS-CTS ne prenose korisničke informacije
RTS
t
SIFS
t
RTS=3xSIFS+okvir+ACK
t
pošiljatelj
primatelj
ostali (NAV)
CTS
okvir
ACK
NAV CTS=RTS-(CTS+SIFS)
SIFS
SIFS
okvir=ACK+SIFS
Bežične lokalne mreže 20/27
Pristupna metoda PCFPristupna metoda PCFPristupna metoda PCFPristupna metoda PCF
period u kojem nema “natjecanja” za pristup mediju (CFP) mora trajati toliko dugo koliko je potrebno za prijenos najmanje jednog okvira s pripadajućim potvrdama
poruka “beacon” označava početak i trajanje perioda u kojem nema “natjecanja” za medij
koordinator pristupa (najčešće AP) regulira pristup mediju (pooling list)
beaconC F -P o ll(S T . #1 )
C F-Poll (ST .#2)+C F-
AC K(ST .#1)
podac i+C F -A C K
S IF S
S IF S
S IF S
podac i(S T .
#4 )+C F -P o ll
C F-AC K
C F -E nd
P IF S
S IF S
S IF S
t
pris tup m ed iju bez "na tjecan ja " (C F P )
t
N A V (beacon )
C SM A/C A(C P)
superokv ir
A PS T
osta li
Bežične lokalne mreže 21/27
Problem skrivenog terminala i ostaliProblem skrivenog terminala i ostali nedostaci nedostaci bežičnih LAN mrežabežičnih LAN mrežaProblem skrivenog terminala i ostaliProblem skrivenog terminala i ostali nedostaci nedostaci bežičnih LAN mrežabežičnih LAN mreža problem skrivenog terminala (engl. hidden node problem)
Rješenje: korištenje poruka RTS-CTS;
1 2 3
1 2 3
RTS
CTSCTS
okvir
ACK ACK
t t t
nema točno definirane granice
ograničen frekvencijski spektar
gubitak snage signala uslijed prostiranja (engl. path loss)
višestazno prostiranje signala (engl. Multipath signal propagation)
frekvencijski spektar se dijeli između više mobilnih stanica
složenost sustava se povećava uslijed funkcija pokretljivosti (engl. handover)
loša zaštita podataka na bežičnom mediju (kriptiranje)
fragmentacija paketa, iz viših slojeva, se provodi kada je njihova duljina veća od praga fragmentacije definiranog u bežičnom LAN-u od strane mrežnog administratora
fragmentacija (veća propusnost i manji broj kolizija u sustavu) poruke RTS-CTS poruke ACK
R TS
t
R TS
t
pošilja te lj
prim ate lj
osta li(N AV)
C TS
fragm en t0
A C K0
C TS
D IF Sfragm en t
1A C K
1
fragm en t2
A C K2
fragm en t 0 fragm en t 1
A C K 0 A C K 1
S IF S
S IF S
S IF S
S IF S
S IF S
S IF S
S IF S
backoffodsječc i
Fram eC ontro l
D ura tion/ID
A ddress 1 A ddress 2 A ddress 3 S eq-c tl address 4 F C SF ram eB ody
2 ok te ta
F ragm entnum ber
S equence num ber
4 b ita 12 b ita
Bežične lokalne mreže 23/27
Primjer: Utjecaj zaglavlja okvira na propusnost mrežePrimjer: Utjecaj zaglavlja okvira na propusnost mrežePrimjer: Utjecaj zaglavlja okvira na propusnost mrežePrimjer: Utjecaj zaglavlja okvira na propusnost mreže
0
2
4
6
8
10
12
1 Mb/s 2 Mb/s 5.5 Mb/s 11 Mb/s
Pro
pu
sn
os
t M
b/s
IFS
LLC/SNAP
TCP/IP
MAC+ACK
PHY
Podaci
Primjer: Jedna stanica odašilje jedan okvir. Potrebno odrediti propusnost (T) na podsloju MAC.
Primjer: Povezivanje IEEE 802.11 mreže s Ethernet Primjer: Povezivanje IEEE 802.11 mreže s Ethernet mrežommrežomPrimjer: Povezivanje IEEE 802.11 mreže s Ethernet Primjer: Povezivanje IEEE 802.11 mreže s Ethernet mrežommrežom
pokretna stanica
pristupna točka
računalo poslužitelj
aplikacija
TCP
802.11 PHY
802.11 MAC
IP
802.3 MAC
802.3 PHY
aplikacija
TCP
802.3 PHY
802.3 MAC
IP
802.11 MAC
802.11 PHY
prijenosni sustav
Bežične lokalne mreže 25/27
Dodatak - I: IEEE 802.11 fizički sloj - dodaci na Dodatak - I: IEEE 802.11 fizički sloj - dodaci na standard standard Dodatak - I: IEEE 802.11 fizički sloj - dodaci na Dodatak - I: IEEE 802.11 fizički sloj - dodaci na standard standard
Slika preuzeta iz: G. R. Hiertz, D. Denteneer, L. Stibor, Y. Zang, X. P. Costa, B. Walke, “The IEEE 802.11 Universe”, “IEEE Communications Magazine”, vol. 48, no. 1, pp. 62-70, January 2010.
Bežične lokalne mreže 26/27
Dodatak - II: IEEE 802.11 podsloj MAC - dodaci na Dodatak - II: IEEE 802.11 podsloj MAC - dodaci na standard standard Dodatak - II: IEEE 802.11 podsloj MAC - dodaci na Dodatak - II: IEEE 802.11 podsloj MAC - dodaci na standard standard
Slika preuzeta iz: G. R. Hiertz, D. Denteneer, L. Stibor, Y. Zang, X. P. Costa, B. Walke, “The IEEE 802.11 Universe”, “IEEE Communications Magazine”, vol. 48, no. 1, pp. 62-70, January 2010.
Bežične lokalne mreže 27/27
Pitanja za provjeru znanjaPitanja za provjeru znanjaPitanja za provjeru znanjaPitanja za provjeru znanja
Koliko iznosi maksimalna duljina MAC PDU polja u IEEE 802.11 okviru? Kod pristupne metode CSMA/CA mobilna stanica započinje s algoritmom backoff nakon što istekne vremenska
praznina _____. (Nadopuni odgovor!) Protokol CSMA/CA (IEEE 802.11 mreže) može biti poboljšan koristeći kontrolne okvire RTS i CTS. Koja
vremenska praznina se koristi između slanja navedenih okvira? Koji od ponuđenih odgovora rješavaju problem skrivene stanice u bežičnim LAN-ovima?
korištenje RTS/CTS okvira povećanje snage odašiljanja skrivenim stanicama smanjenje snage odašiljanja skrivenim stanicama povećanje snage odašiljanja pristupne točke
Ako stanica pošiljatelj u bežičnom LAN-u ne primi potvrdu za poslani okvir od stanice primatelj tada ona podrazumijeva da je
pokrenuta pristupna metoda koja koristi kontrolne okvire RTS i CTS nastupila kolizija na mediju pokrenuta pristupna metoda PCF (engl. Point Coordination Function) pokrenuta pristupna metoda DCF (engl. Distributed Coordination Function)
Koliko iznosi maksimalna duljina prozora nadmetanja (engl. Contention Window) u bežičnom LAN-u, koji podržava prijenosne brzine 1-, 2-, 5.5- i 11-Mbit/s, nakon trećeg ponavljanja pristupa mediju?
Na slici je dan izgled okvira koji se koristi u IEEE 802.11b mrežama za prijenos podataka na fizičkom sloju. Za svaki dio okvira navedena je njegova duljina (u bitima ili oktetima) kao i brzina kojom se prenosi. Koliko iznosi trajanje PLCP zaglavlja?
PLCP preambula PLCP zaglavlje MAC zaglavlje MAC SDU FCS