Systémy pro sběr a přenos dat. bezdrátové SPD systémy WiFi, WiMax BlueTooth, ZigBee RFID

Transkript

1 Systémy pro sběr a přenos dat bezdrátové SPD systémy WiFi, WiMax BlueTooth, ZigBee RFID

2 Obecné vlastnosti bezdrátových SPD Využívají rádiový komunikační kanál jeho základní vlastnosti jsou uvedeny ve 2. přednášce Výhodou je vysoká flexibilita žádná nezbytná infrastruktura kromě napájení jednoduché změny topologie přemístění uzlů, rozšiřování Nevýhodou je potřeba frekvenčního pásma v SPD aplikacích nejčastěji využívána pásma ISM při dodržení podmínek není třeba povolení je třeba počítat s případnou koexistencí s dalšími uživateli možnost dočasné (trvalé) nedostupnosti uzlů vzhledem k rušení nebo omezenému výkonu vysílání

3 Obecné vlastnosti bezdrátových SPD Patří sem především bezdrátové sítě podle IEEE802.x a RFID systémy V principu sem patří i radiomodemové sítě ty ale využívají infrastrukturu vlastníka sítě ty ale mají obvykle licencované vlastní frekvence zejména pokud jsou provozovány komerčně a také sítě na báze GSM (GPRS) specielní případ radiomodemové sítě z pohledu uživatele s omezenou funkčností vůči klasickým radiomodemovým sítím omezená podpora protokolů vyšších vrstev omezená možnost přímé komunikace

4 IEEE 802.x Tento standard již byl zmíněn v předchozí přednášce definuje např. varianty Ethernetu Jeho další části definují technologie pro bezdrátové sítě

5 Přehled IEEE původní specifikace ISM pásmo 2.4 GHz, 1 (2) Mbit/s komunikace v rozprostřeném spektru FHSS 75 kanálů s šířkou 1 MHz DSSS 14 kanálů s šířkou 22 MHz přístupová metoda CSMA/CA dosah 30/90 m (uvnitř budov/volné prostranství) a pásmo 5 GHz, maximálně 54 Mbit/s výhodou je nižší využití pásma OFDM modulace, 52 nosných, BPSK, QPSK, 16(64)QAM se zhoršujícími se vlastnostmi kanálu se volí robustnější modulace 12 (někde 24) kanálů po 20 MHz v Evropě nejsou (nebyly) k dispozici frekvence

6 Přehled IEEE b první inovace původního standardu ISM pásmo 2.4 GHz, maximálně 11 Mbit/s pouze DSSS (FHSS je kvůli zpětné kompatibilitě) s anténami s vyšším ziskem se lze dostat až na několik km g druhá inovace původního standardu ISM pásmo 2.4 GHz, maximálně 54 Mbit/s výhradně OFDM, DSSS pouze kvůli zpětné kompatibilitě opět 16/64QAM, pro nižší rychlosti BPSK a QPSK zařízení jsou obvykle kompatibilní i s variantou b (značí se b/g) h varianta a pro Evropu pásmo 5GHz zahrnuje dynamický výběr kanálu a řízení výkonu odolnější vůči rušení

7 Přehled IEEE n poslední varianta ISM pásma 2.4 GHz nebo 5 GHz využívá prostorové multiplexování MIMO (Multiple In/Multiple Out) technologie více vysílacích (přijímacích) antén dostupné rychlosti jsou až 100 Mbit/s Pásmo 2.4 GHz je dnes využito následovně 14 částečně se překrývajících kanálů (odstup 5 MHz) 11 USA, 13 Evropa, 14 Japonsko povolen EIRP 100 mw (20 dbm) při použití směrových antén je třeba snížit výkon!!

8 Struktura sítě IEEE Ad-hoc sítě přímá komunikace mezi uzly bez síťové infrastruktury dočasná peer-to peer komunikace Stacionární sítě infrastruktura (DS, Distribution System) využívající (obvykle) stacionární přístupové body (AP, Access Point) součástí AP je i most do pevné sítě (typicky Ethernet) každý AP obsluhuje oblast označovanou jako BSA (Basic Service Area) skupina uzlů řízených jedním AP se označuje BSS (Basic Service Set) oblast pokrytá více AP propojených DS se nazývá ESA (Extended Service Area) kompletní bezdrátová síť pak ESS (Extended Service Set) síť je identifikována prostřednictvím SSID (v Beacon rámci)

9 Struktura sítě IEEE Stacionární síť

10 Příklad stacionární sítě IEEE802.11

11 Přístupová metoda CSMA/CA CSMA/CA ( /Collision Avoidance) ne všechny uzly sdílející fyzický kanál se slyší navzájem nejsou schopny detekovat kolize před vysláním rámce uzel čeká po dobu mezirámcové mezery a teprve pokud je kanál stále volný, vysílá v případě obsazeného kanálu se doba čekání prodlužuje čekání na rámec volné médium? Ano čekání IFS stále volné médium? Ano vyslání rámce Ne exponenciální prodlužování čekání při volném médiu vyslání rámce Ano čekání na ukončení vysílání čekání IFS stále volné médium? Ne

12 Rezervace pásma Realizována virtuálním odposlechem kanálu předpoklad: všechny uzly slyší AP uzel nejprve vyšle žádost o přidělení kanálu (RTS Request To Send)!! neplést se signálem EIA/TIA 232!! s využitím CSMA/CA AP odpoví přidělením vysílacího času (CTS Clear To Send) ostatní slyší a pokládají kanál za obsazený, i když nedetekují obsazený kanál výrazně se snižuje pravděpodobnost vzniku kolize teoreticky by neměla vzniknout vůbec pokud uzly slyší rámec CTS

13 Formát MAC rámce

14 Formát MAC rámce Frame Control Protocol Version - verze protokolu Type řídicí, správa, datový Subtype funkce rámce To DS cíl rámce je v DS From DS zdroj rámce je v DS More fragments původní rámec byl fragmentován Retry opakované vysílání Power management stanice v režimu Sleep More data stanice potřebuje odeslat další data WEP indikace Order vyžadováno zachování pořadí rámců

15 Formát MAC rámce D/I Duration/Connection ID doba přidělení kanálu/identifikace spojení Address adresy podle typu rámce (i v DS) SC Sequence Control číslování rámců Frame Body data nebo fragment dat CRC 32 bitová kontrolní informace

16 Řídicí a datové rámce Řídicí rámce Power save poll (PS-poll) Request to send (RTS) Clear to Send (CTS) Acknowledgement (ACK) Contention free end (CF end) CF end + CF Ack Datové rámce (existují i tytéž bez dat) Data (Null bez dat) Data + CF-Ack (CF-Ack bez dat) Data + CF-Poll (CF-Poll bez dat) Data + CF-Ack + CF-Poll (CF-Ack + CF-Poll bez dat)

17 Rámce správy Association request Association response Re-association request Re-association response Probe request Probe response Beacon Announcement traffic indication message Dissociation Authentication De-authentication

18 Zabezpečení WEP (Wired Equivalent Privacy) součást původního standardu proudová šifra RC4 se 40 bitovým klíčem spolu s 24 bitovým inicializačním vektorem 64 bitů inicializační vektor se mění pro každý rámec po odstranění vládních (USA) restrikcí 104 bitů (celkem 128) cílem bylo zajistit stejnou úroveň bezpečnosti jako po metalickém vedení lze prolomit v řádu minut (i delší klíče) WPA (WiFi Protected Access) podle pracovní verze (draft 3) IEEE802.11i stejná šifra (RC4), ale delší inicializační vektor (48 b) a klíč (128 b) dynamická změna klíče autentikace rámců detekce podvržených rámců

19 Zabezpečení IEEE802.11i (WPA2) využívá blokovou šifru AES (Advanced Encryption Standard) umožňuje zajistit integritu, utajení a autentikaci Základní zabezpečení vypnout vysílání Beacon rámců (síť se sama aktivně nepropaguje ) a změnit standardní SSID lze odposlechnout omezit přístup podle MAC lze odposlechnout využívat WEP, WPA pro WiFi vyhradit zvláštní VLAN omezení škod při průniku použít šifrování (autentikaci ) ve vyšších vrstvách VPN (Virtual Private Network)

20 Přehled IEEE (WiMAX) Určen jako bezdrátová alternativa přístupových sítí (např. ADSL, kabelových apod.) nebo pro připojení lokálních WiFi sítí Na rozdíl od WiFi má zabudované mechanismy QoS TDMA s proměnnou délkou časového slotu nově i proměnná šířka kanálu, prostorový multiplex IEEE původní standard určen pro provoz mezi GHz (ne v celém pásmu najednou!!) využívá OFDM modulaci (256 nosných) IEEE a update i pro 2 11 GHz nevyžaduje přímou viditelnost IEEE d (správně ) také nazýván fixed WiMAX podle této verze pracuje velká většina současných implementací

21 Přehled IEEE (WiMAX) IEEE e (správně e-2005) také nazýván mobile WiMAX SOFDMA (Scalable OFDMA) mění počet OFDM nosných při změně šířky kanálu (konstantní rozestup) využití MIMO technologie využití adaptivních anténních systémů směrování vysílání bez natočení antén výkonné FEC Turbo kódy, LDPC kódy přidána QoS podpora pro VoIP přidána podpora pro mobilitu síťového terminálu

22 Přehled IEEE (WiMAX)

23 Přehled IEEE (WiMAX) Základnová stanice a koncové zařízení architektura point - multipoint dosah až 50 km (8000 km 2 ) přenosová rychlost až 100 Mbit/s

24 Porovnání WiFi - WiMAX Kanály o šířce 20 MHz se vzájemně překrývají AP je schopen efektivně obsluhovat několik málo desítek uživatelů Nedeterministické řízení pouze prioritní přístup negarantuje maximální zpoždění pro audio a video Deklarovaný dosah do 100 m komunikace se vzdálenými uživateli brzdí i ty blízké Nepřekrývající se kanály s šířkou pásma od 1.5 do 20 MHz Základnová stanice může obsluhovat tisíce uživatelů Deterministické řízení QoS podpora pro audio a video možnost separátního řízení QoS pro jednotlivé uživatele Deklarovaný dosah do 50 km nezáleží na rozdílu vzdáleností uživatelů

25 Porovnání WiFi - WiMAX Toleruje vícecestné šíření s rozdílem do 0.8 s Podpora pro inteligentní antény až v připravovaném n Zpočátku problémy se zabezpečením Osvědčená technologie, dlouholeté provozní zkušenosti Velmi levné řešení Pouze bezlicenční pásma mohou být problémy s rušením Toleruje vícecestné šíření s rozdílem do 10 s Podporuje i mesh struktury a moderní inteligentní antény Od počátku kvalitní zabezpečení komunikace Nová technologie mnoho implementací nedosahuje maxima možností nyní dostupná jen d Zatím dražší Licencovaná i bezlicenční pásma

26 Přehled IEEE WPAN (Wireless Personal Networks) Bluetooth koexistence s dalšími službami v bezlicenčních pásmech vysokorychlostní WPAN (UWB, mm vlny) několik různých standardů fyzické vrstvy u UWB (Ultra Wide Band) stále není rozhodnuto mezi dvěma soupeřícími technologiemi nízkorychlostní WPAN na něm postaven např. protokol ZigBee existuje i řada proprietárních nadstaveb

27 IEEE Bluetooth Pracuje v ISM pásmu 2.4 GHz Jedná se o komplexní protokolový zásobník až na úroveň aplikační vrstvy Různé komunikační rychlosti, vysílací výkony a dosah zařízení Typická aplikace je ad-hoc formovaná pikosíť zařízení s dočasnou funkcí existuje i podpora routování mezi pikosítěmi scatternets Dobře vyřešena bezpečnost před započetím komunikace je nutné párování podpora šifrování komunikace Specifická podpora pro různé typy přenosů soubory, video, audio

28 Bluetooth pikonet a scatternet Piconet Scatternet

29 IEEE Bluetooth Architektura User Interface Voice Intercom Headset Cordless Group Call Telephony Control Protocol vcard vcal vnote OBEX vmessage Dial-up Networking RFCOMM (Serial Port) Fax Service Discovery Protocol HOST L2CAP Host Control Interface Link Manager Link Controller Baseband RF MODULE Silicon Bluetooth Stack Applications

30 IEEE Bluetooth RF vrstva ISM pásmo 2.4 GHz FHSS, 79 kanálů po 1 MHz 1600 skoků za sekundu nově adaptivní FHSS vynechává rušené kanály sekvenci určuje master pikosítě GFSK modulace vysílací výkon rádiové části definuje třídu zařízení class 1 do 100 mw, dosah až 100 m class 2 do 2.4 mw, dosah do 10 m class 3 do 1 mw, dosah do 1 m komunikační rychlost až 720 kbit/s (1 Mbit/s) verze 2.0 nabízí EDR (Enhanced Data Rate) až 2.1 Mbit/s (3 Mbit/s)

31 IEEE Bluetooth Baseband vrstva Link Control Protocol (LC) definuje fyzické subkanály mezi masterem pikosítě a jednotlivými účastníky Master Slave struktura vysílání řízeno prostřednictvím TDMA Master může současně komunikovat s až 7 aktivními zařízeními v jedné pikosíti další mohou být neaktivní (celkem max. 255) Master přiděluje zařízením jednotlivé časové sloty slot má délku 1/1600 s rámec může obsadit několik po sobě jdoucích slotů (až 5) volitelný ARQ mechanismus

32 IEEE Bluetooth Link Manager vrstva správa logických spojení Link Manager Protocol (LMP) standardní vyhrazené ACL spojení pro management multiplexování jednotlivých spojení do fyzického subkanálu synchronní přenos (Synchronous Connection Oriented SCO) synchronní přenosy nebo isochronní přenosy s konstantní bitovou rychlostí asynchronní (Asynchronous Connection Oriented - ACL) nepravidelný přenos nebo isochronní přenos s proměnným bitovým tokem poskytuje rozhraní pro data obsahující interně rozdělení do rámců nebo pro čisté datové streamy

33 IEEE Bluetooth L2CAP vrstva Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) vytváří logické kanály pro jednotlivé aplikace a služby zajišťuje segmentaci a zpětné spojování dat doplňuje členění dat na pakety zajišťuje multiplexování více kanálů do logického spojení jednotlivé kanály mohou zajišťovat lepší zabezpečení obsahu potřebné především pro přenosy delších rámců a potvrzování více rámců (okno jako u TCP) apod. obvykle už implementována v SW

34 IEEE Bluetooth Nejdůležitější protokoly vyšších vrstev zajišťují interoperabilitu na nejvyšší úrovni RFCOMM emulace sériové linky využit např. profilem SPP OBEX (Object Exchange) výměna objektů mezi zařízeními využit např. profilem GOEP (a tedy i FTP) AVCTP (Audio/Video Control Transport Protocol) ovládání funkcí A/V zařízení využit např. profilem AVRCP AVDTP (Audio/Video Distribution Transport Protocol) distribuce A/V BNEP (Bluetooth Network Encapsulation Protocol) využívá např. PAN profil

35 IEEE Bluetooth Nejdůležitější profily aplikací a služeb zajišťují interoperabilitu na nejvyšší úrovni GAP (Generic Access Profile) povinně ve všech zařízeních umožňuje vytvořit spojení mezi Bt zařízeními BPP (Basic Printing Profile) tisk z/na BT zařízení FTP (File Transfer Profile) přenos souborů mezi Bt zařízeními GAVDP (General A/V Distribution Profile) distribuce audia/videa GOEP (Generic Object Exchange Profile) výměna objektů (např. souborů, vizitek )

36 IEEE Bluetooth Nejdůležitější profily aplikací a služeb HFP (Hands-Free Profile) HSP (Headset Profile) bezdrátová sluchátka HID (Human Interface Device Profile) klávesnice, myš PAN (Personal Network Profile) připojení k síti LAN SPP (Serial Port Profile) vytváří virtuální sériové porty SDAP (Service Discovery Application Profile) umožňuje zjistit služby a aplikace podporované jiným Bt zařízením

37 IEEE Bluetooth Shrnutí komunikace především na krátkou vzdálenost bezdrátová náhrada USB nebo sériové linky omezená podpora směrování dobrá úroveň zabezpečení poměrně dlouhá doba na vytvoření pikosítě poměrně vysoký spotřeba nelze dlouhodobě (měsíce, roky) napájet z baterií protokol definován až na aplikační úroveň (profily) dobrá interoperabilita pro průmyslové aplikace jsou vhodnější buď WiFi (802.11) nebo sítě podle (např. ZigBee). Bt je parametry někde mezi především kvůli dostupnosti zařízení

38 IEEE a ZigBee Aplikace ZigBee definuje systémový integrátor definuje ZigBee Aliance IEEE /915 MHz PHY IEEE MAC IEEE MHz PHY definuje IEEE

39 IEEE Definuje fyzickou a linkovou (MAC) vrstvu Komunikace v bezlicenčních pásmech, DSSS ISM 2.4 GHz 16 kanálů, QPSK modulace max. 250 kbit/s ISM 915 MHz, pouze USA 10 kanálů, BPSK max. 40 kbit/s 868 MHz, pouze Evropa 1 kanál, BPSK max. 20 kbit/s Hvězdicová nebo peer-to peer struktura Nízký vysílací výkon (1 mw), krátký dosah (10 30 m uvnitř) Velmi nízká spotřeba

40 IEEE Rámec fyzické vrstvy Preamble 32 bitů, slouží k synchronizaci přijímačů Start of Packet Delimiter 8 bitů, začátek rámce PHY hlavička 8 bitů, délka rámce PSDU data rámce Preamble Start of Packet Delimiter PHY Header PHY Service Data Unit (PSDU) 6 Octets Octets

41 IEEE MAC vrstva 3 typy zařízení Koordinátor udržuje informace o celé síti FFD (Full Function Device) může komunikovat s jakýmkoliv zařízením v síti a převzít úlohu koordinátora mohou vytvářet libovolnou topologii RFD (Reduced Function Device) omezená (jednodušší) implementace může komunikovat pouze s FFD pouze hvězdicová topologie nemůže být koordinátorem sítě typické pro koncová zařízení

42 IEEE MAC vrstva příklad struktury sítě Full Function Device Reduced Function Device

43 IEEE MAC vrstva struktura MAC rámce Payload MAC Layer MAC Header (MHR) MAC Service Data Unit (MSDU) MAC Footer (MFR) PHY Layer Synch. Header (SHR) PHY Header (PHR) MAC Protocol Data Unit (MPDU) PHY Service Data Unit (PSDU) 4 typy rámců datový (DATA) synchronizační (BEACON) potvrzovací (Acknowledge) příkazový (MAC Command)

44 IEEE MAC vrstva přístupová metoda 2 varianty s BEACON rámcem a bez něj bez BEACON rámce klasická CSMA/CA s BEACON rámcem CSMA/CA s časovými sloty (slotted CSMA/CA) implementována struktura superrámce (super-frame) BEACON je vysílán koordinátorem sítě v pravidelných intervalech (15 ms 252 s)» zařízení mohou být mezitím v režimu spánku mezi BEACON rámci je definováno 16 časových slotů umožňuje časovou synchronizaci a rezervaci kanálů pro jednotlivá zařízení CSMA metoda využita jen pro žádosti o rezervaci pásma

45 IEEE MAC vrstva typy přenosů dat periodický sběr dat ze senzorů aperiodický (řízený událostmi) vyvolaný např. stiskem spínače opakovaný s nízkým zpožděním např. řídicí smyčka MAC vrstva zabezpečení dat kontrola přístupu (Access Control) seznam zařízení, s nimiž je povolená komunikace šifrování dat AES-128 standard klíč sdílen buď po dvojicích nebo skupinách

46 ZigBee Nadstavba nad IEEE Umožňuje vytvářet libovolné topologie sítí star, mesh, cluster tree Dosah mezi 10 a 30 metry uvnitř budov vysílací výkon je 1 mw Umožňuje bateriové napájení některých uzlů sítě vysoký poměr mezi dobou spánku a aktivity až 2 roky z AA baterií Definuje obecný framework a aplikační profily nízké nároky na zdroje 32 kb ROM (4 kb pro jednoduchá zařízení) 8 kb RAM (1 kb i méně pro jednoduchá zařízení)

47 ZigBee Model ZigBee sítě

48 ZigBee Architektura

49 ZigBee Síťová vrstva směrování využívá algoritmus AODV (Ad Hoc On Demand Distance Vector) definován v RFC3561 cesta se hledá při vzniku požadavku vysílají se specielní rámce (discovery pakety) pro nalezení cesty k cíli uzel, který již zná cestu k cíli, posílá odezvu není výpočetně náročný při větším počtu záznamů ve směrovací tabulce paměťově náročný

50 ZigBee Aplikační vrstva podvrstva APS ZigBee device objekt obsahuje informace popisující zařízení a jeho roli v síti aplikační objekty adresace jednotlivých objektů prostřednictvím koncových bodů (endpoint) Endpoint 0 ZigBee Device Object komunikace je postavena na profilech standardně se využívá sériový profil

51 Porovnání bezdrátových technologií pro průmyslové aplikace SHORT < RANGE > LONG TEXT GRAPHICS INTERNET HI-FI AUDIO ZigBee Bluetooth 2 Bluetooth1 STREAMING VIDEO b DIGITAL VIDEO MULTI-CHANNEL VIDEO a/HL2 & g LAN PAN LOW < DATA RATE > HIGH

52 Radio Frequency Identification (RFID) Bezdrátová náhrada čárových kódů, magnetických pásků, kontaktních identifikátorů apod. RFID systém = RFID prvek (Tag) + čtečka Velikost RFID prvků podle provedení a aplikace od < 1 mm do rozměrů stránky knihy Typy funkcí RFID prvků pouze ID typicky 8-16 bajtů jedinečné identifikace vybavené pamětí (ROM, RW) obsahující senzory (tlak, teplota) Nejen pouhá identifikace lékařské záznamy bankovní záznamy

53 Aplikace RFID První aplikace už ve 2. světové válce Britové využívali k identifikaci letadel (friend or foe) Značení nebezpečných materiálů Přístupové systémy pasy Dopravní systémy identifikace zásilek sklady, kontejnery i lokalizace!!! výběr mýtného Prodejny ochrana vůči odcizení automatické pokladny Výrobní technologie identifikace komponent a výrobků Identifikace zvířat velkochovy, domácí zvířata

54 Radio Frequency Identification (RFID) Zabezpečení komunikace žádné nejčastější případ autentikace heslem šifrovaná komunikace Ukončení činnosti senzoru (Kill feature) např. u pokladny supermarketu Napájení RFID prvků aktivní vlastní baterie, vyšší dosah a spolehlivost, omezená životnost pasivní energie získána absorbcí VF pole čtečky nízký dosah, nižší spolehlivost semi-aktivní baterie jen pro napájení paměti nízký dosah, spolehlivost jako u aktivního napájení

55 Radio Frequency Identification (RFID) V případě více RFID v jednom místě dochází k interferenci ve vysílání řešením je protokol pro selektivní výběr jednoho prvku Lze realizovat duplexní přenos příjem (a napájení) na jedné a vysílání na jiné frekvenci Největším problémem je anténa a její rozměry u LF se využívá induktivní vazby (až několik set závitů) u HF stačí několik závitů planární technologií u UHF se využívají modifikované antény Nejčastěji jsou využívána bezlicenční pásma u nízkých frekvencí (LF, 125 khz, 134 khz) komunikace v blízkém poli u vyšších frekvencí (HF, MHz) ve vzdáleném v Evropě i 868 MHz, v USA 915 MHz (UHF)

56 Radio Frequency Identification (RFID)

57 Radio Frequency Identification (RFID) Pro aplikaci je třeba zvolit vhodný frekvenční rozsah a typ RFID