Poslední aktualizace: 1. srpna 2011

Bezdrátové a mobilní sítě Šárka Vavrečková Ústav informatiky, FPF SU Opava http://fpf.slu.cz/~vav10ui Poslední aktualizace: 1. srpna 2011

Bezdrátové technologie jsou technologie vedení signálu vzduchem, bez podpory metalického nebo optického kabelu. Rozlišujeme rádiová rádiové vlny o určité frekvenci (Wi-Fi, WiMAX) sonická ultrazvuk, verbální komunikace optická laser, IR, ostatní (mávání vlajkou, blikání, posunková řeč apod.) Dělení: fixní sice bezdrátové, ale při pohybu připojeného zařízení se bud silně zhoršuje signál nebo se dokonce odpojí, mobilní připojené zařízení se může volně pohybovat, i vyšší rychlostí.

Princip Wi-Fi rádiový signál v bezlicenčním pásmu 2,4 GHz nebo 5 GHz kolizní metoda CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access, Collision Avoidance) Stanice naslouchá na síti, když chce vysílat a zjistí, že někdo vysílá, okamžitě se odmlčí na náhodně dlouhou dobu, pak opět poslouchá a když nikdo nevysílá, začne vysílat sama standardizována jako IEEE 802.11, o certifikaci se stará Wi-Fi Alliance

Režimy Wi-Fi 1. DCF (Distributed Coordination Function) bez podpory priorit, best effort, výchozí 2. PCF (Point Coordination Function) režim s podporou priorit, rozlišuje se doba boje o médium a doba bez boje o médium 3. RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send) řeší problém skrytých stanic každá stanice musí před začátkem vysílání odeslat žádost o rezervaci média (RTS) a čekat na potvrzení práva po stanovenou dobu vysílat (CTS)

Možnosti řešení sítě: ad-hoc řešení: každá komunikující stanice je vybavena Wi-Fi sít ovou kartou, komunikují spolu přímo (pro sítě o pár počítačích), infrastruktura: existuje přístupový bod (AC Access Point), přes který jde veškerá komunikace (point-to-multipoint), žádné dvě stanice spolu nekomunikují přímo.

přístupový bod Struktura sítě BSA (Basic Service Area) = základní oblast služeb, buňka Distribuční systém (DS Distribution system) více propojených přístupových bodů oblast pokrytá signálem = rozšířená oblast služeb (ESA Extended Service Area)

Služby přístupového bodu autentizace AP zjišt uje informace o stanici a rozhoduje, zda jí dovolí přístup do sítě asociace (přidružení) vzniká vazba mezi AP a stanicí, stanice je asociována k buňce daného AP de-asociace zrušení této vazby

SSID (Service Set IDentifier) řetězec 0 32 oktetů Identifikační kódy přístupový bod obvykle vysílá své SSID v rámcích beacon v intervalech několika sekund v otevřené formě SSID se vysílá v otevřené formě i při přidružování stanic do sítě ESSID (Extended SSID) nevysílá se v otevřené podobě, nelze snadno zachytit uzavřená sít Dva typy SSID: BSSID (Basic SSID) a ESSID (Extended SSID).

Gateway (brána) Režimy Wi-fi zařízení propojení ven ze sítě, NAT server Wi-fi router (směrovač) vidí na sít ovou vrstvu, umí směrovat podle IP adres NAT, firewall, DHCP server, obvykle i brána obsahuje funkčnost AP Access Point (AP) na 2. vrstvě, neběží NAT, připojuje se k Wi-fi routeru funguje jako switch (nebo bridge), jehož jeden port je bezdrátový

Režimy Wi-fi zařízení AP klient (Station) připojuje se k jinému AP (bezdrátově) zařízení jsou k němu připojena drátem pouze distribuce signálu jiného AP Repeater (opakovač) pouze přeposílá signál na fyzické vrstvě žádné směrování ani přepínání

Režimy Wi-fi zařízení WDS (Wireless Distribution System) WISP chceme distribuovat spojení ven na další mezilehlé prvky, chceme plynule přecházet mezi AP v WDS značné snížení přenosové rychlosti není standardizováno bezdrátová komunikace bude představovat WAN port (máme poskytovatele Internetu přes Wi-fi) ostatní (fyzické) porty LAN, WAN: k nim se chová jako switch na 2. vrstvě

Fyzická vrstva Wi-Fi IEEE 802.11b frekvence 2,4 GHz, rychlost až 11 Mb/s IEEE 802.11a frekvence 5 GHz, rychlost až 54 Mb/s IEEE 802.11g frekvence 2,4 GHz, rychlost až 54 Mb/s IEEE 802.11n frekvence 2,4 nebo 5 GHz, rychlost až 600 Mb/s (spíše značně nižší) Modulace: podle 802.11b DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, rozprostřené spektrum), podle 802.11a/g OFDM.

Podvrstva MAC pro IEEE 802.11a/b/g stejná, odlišná je MAC pro IEEE 802.11n (za účelem dalšího zvýšení rychlosti) přidružení stanice k přístupovému bodu, autentizace, přenos dat, režimy DCF, PCF a RTS/CTS časový multiplex, poloviční duplex (sloty jsou využívány vždy jen v jednom směru)

AAA (autentizace, autorizace, účtování accounting) autentizace = ověřování a potvrzování totožnosti komunikujících stran, bud otevřená nebo podle autentizačního klíče autorizace = určení konkrétních přístupových oprávnění, po autorizaci je stanice přidružena k přístupovému bodu účtování = zaznamenávání všech činností provedených uživatelem v systému a případné následné reakce

Autentizační klíč WEP zastaralý, dávno prolomen WPA používá WEP klíče, ale dynamicky je mění (protokol TKIP), autentizace pomocí RADIUS Serveru (přihlašování jménem a heslem) nebo klíče PSK (Pre-Shared Key) WPA2 šifrování AES

WEP (Wired Equivalent Privacy) výhoda: plná kompatibilita statický tajný klíč (40 nebo 104 bitů) pro autentizaci i šifrování dat žádost o připojení přístupový bod odešle náhodně vygenerovaný řetězec stanice i přístupový bod tuto sekvenci zašifrují stanice odešle zašifrovaný řetězec přístupový bod porovná šifrování: symetrická šifra RC4, používá se kombinace tajného klíče a dynamicky se měnícího IV vektoru (Initialization Vector) o délce 24 bitů (jiný pro každý paket)

IEEE 802.1x mechanismus autentizace uživatelů, distribuce klíčů a zajištění integrity zpráv autentizační server (například RADIUS Remote Authentication Dial-In Usr Service) RADIUS: struktura typu klient-server RADIUS server klienty = přístupové servery (autentizátoři) volně dostupný SW: FreeRADIUS, DaloRADIUS

RADIUS komunikace uživatel požádá o připojení, přístupový server si vyžádá přihlašovací jméno a heslo, přístupový server odešle RADIUS serveru (přes lokální nebo rozlehlou sít ) žádost o připojení (RADIUS Access Request), RADIUS server ověří platnost přihlašovacího jména a hesla (dostal je v zašifrované podobě), podle výsledku ověření odešle přístupovému serveru souhlas nebo odmítnutí (RADIUS Access Accept/Deny). V komunikaci se běžně používá protokol EAP.

PC Wi-fi AP (RADIUS klient) RADIUS server EAPOL Start Žádost o přístup EAP Request/Id Autorizuj se EAP Response/ID Aut.informace (U) RADIUS Access Request/ID Aut. informace (U) EAP Request/OTP Další informace? RADIUS Acces-Challenge Další informace? EAP Response/OTP Další informace (U) RADIUS Access Request/OTP Další informace (U) EAP Success Spojeno (U) RADIUS Acces-Accept Spojeno (U) Využívání portu, pro který bylo zařízení autorizováno. EAPOL Logoff Ukončení relace

WPA (Wi-Fi Protected Access) dočasné řešení, které vzniklo před dokončením standardu IEEE 802.11i (WPA2) ořezání připravovaného WPA2 na pouze ty prvky, které nevyžadovaly změny v hardwaru používá IEEE 802.11x pro autentizaci a správu klíčů, data jsou pak šifrována pomocí TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) dynamicky se měnící klíč pro každý paket, IV vektor má délku 48 bitů v záhlaví paketu je také sekvence používaná pro kontrolu pořadových čísel paketů v domácnostech nebo menších firmách se místo TKIP používá PSK (Pre-Shared Key), kdy je klíč pevně zadán (WPA-PSK)

Integrita zpráv WPA (Wi-Fi Protected Access) mechanismus MIC (Message-Integrity Check) pro kontrolu integrity zpráv na konec šifrované části rámce před kontrolní součet se přidá 64 kontrolních bitů z cílové a zdrojové MAC adresy, dat, pořadového čísla adresy a náhodné hodnoty, je to obdoba digitálního podpisu

WPA2 (IEEE 802.11i) používá místo TKIP protokol CCMP s šifrováním AES (volitelně je možno použít TKIP s šifrováním RC4) autentizace bud přes IEEE 802.1x nebo přes PSK (WPA2-PSK) v datových rámcích se používá šifrování AES na 128 bitech, MIC pole o délce 64 bitů a číslování paketů

Blokování vysílání SSID Zabezpečení Wi-Fi sítí AP standardně vysílá své SSID, ale nemusí, pak sít není běžným způsobem viditelná dá se snadno překonat Filtrování MAC adres whitelist nebo blacklist také se dá překonat Změna přednastavených přístupových údajů přihlašovací údaje, případně SSID

Monitorování WLAN NetStumbler identifikuje přístupové body, dá se použít pro zjištění neautorizovaných přístupových bodů nebo možných zdrojů rušení vlastní sítě Ethereal analyzátor LAN sítí, at už drátových nebo bezdrátových AirSnort monitoring sítě Kismet monitoring sítě, IDS (Intrusion Detection System)

Antény signál se šíří kolmo na anténu všemi směry vysokofrekvenční zářič, měli bychom zkontrolovat sílu signálu (zdraví, rušení okolních sítí) zarušení špatný signál, padání přístupového bodu řešení: domluva se sousedy, volba kanálů, přechod na IEEE 802.11a naopak slabý signál (příliš velká oblast) pořídíme Wi-Fi router, který dokáže pracovat v režimu opakovače zesilovače

MIMO (Multiple Input Multiple Output) = využití více antén a hlavně algoritmus pro kombinování přijatého signálu z těchto antén prakticky se počítá s omezením na 4 antény pro vnitřní oblast budov a 16 antén pro použití venku pracuje na fyzické vrstvě, a tedy jeho konkrétní implementace hodně souvisí s IEEE 802.11a/b/g/n často u 802.11n, kde slouží také ke zvýšení přenosové kapacity v důsledku paralelního vysílání

Wi-fi 4. generace místo překrývajících se buněk blankety, centralizovaná sít jeden blanket přes všechny AP, všechny na stejném kanálu, AP jsou připojeny kabelem kompatibilní s IEEE 802.11a/b/g/n čím víc AP, tím lepší pokrytí, propustnost, rychlost kvalitní zabezpečení

WiMAX (IEEE 802.16, Worldwide Interoperability for Microwave Access) bezdrátová metropolitní sít (WMAN Wireless MAN) rychlý a spolehlivý přístup k Internetu QoS (u Wi-Fi jen s podporou IEEE 802.11e) licencované kmitočtové pásmo 2 11 GHz (u nás nejčastěji 3.5 GHz) nevyžadující přímou viditelnost komunikujících uzlů (NLOS, Non Line of Sight) teoretický dosah 50 km, v běžné zástavbě se počítá s dosahem 3 5 km přenosová kapacita je 75 Mb/s, tu však sdílejí všechny připojené stanice certifikace: WiMAX Forum

Zařízení WiMAX nebo prewimax WiMAX firma Alvarion, z dalších například RedMAX nebo AirSpan architektura: základnová stanice (většinou na vysokých budovách) vnější zařízení s anténou (na střechách nebo venkovních zdech domů) vnitřní koncová zařízení existují také vnitřní koncová zařízení s integrovanou anténou

Komunikace WiMAX časový (TDD) i frekvenční (FDD) duplex (ne multiplex, protože komunikace je na dvou kanálech jednom pro každý směr jen mezi dvěma uzly) symetrický i asymetrický, podle smluvní garance QoS v současné době na poměrně mnoha místech, ale pouze lokálně

Přehled Mobilní technologie 1G analogové sítě (NMT) 2G digitální sítě, přepínání okruhů, vytáčené spojení (GSM, CDMA) 2.5G přepínání paketů, tarifikace za přenesená data nebo paušál (GPRS, EDGE) 3G souběžné využívání několika služeb, optimalizace také pro datové přenosy, QoS (UMTS, HSPA) 4G ortogonální multiplex, nižší latence (FLASH-OFDMA, LTE)

První generace (1G) analogové sítě, frekvenční multiplex (FDMA) každý uživatel má přidělen jeden kanál (vyhrazený) NMT (Nordic Mobile Telephone) fungující nejdřív v Saudské Arábii a následně v severských zemích (Norsko, Švédsko) od roku 1981

GSM CDMA Druhá generace (2G)

GSM (Global System for Mobile Communications) zač. 90. let digitální sít, ale pořád ještě optimalizovaná pro hlas, přepojování okruhů TDMA over FDMA, různé frekvence GSM900 (900 MHz), GSM1800 (1800 MHz) a GSM1900 (1900 MHz) struktura: buňky, každá buňka má svou základnovou stanici (base transceiver station) Network Switching Subsystem (NSS) = páteřní sít operační a administrativní subsystém (OSS, Operation SubSystem)

NSS GSM BSC (Base Station Controller) řídicí uzel základnových stanic, až 9, zprostředkovává propojení do sítě, MSC (Mobile Switching Center) mobilní ústředna, k ní je připojeno více BSC (obvykle kabely), vede seznam připojených mobilních stanic, některé MSC jsou brány do jiných sítí další podpůrné uzly sítě, například autentizační databáze, registr stanic (identifikátory povolených stanic, identifikátory, o kterých je známo, že byly ukradeny, identifikátory porouchaných stanic), SMS centrum, atd.

GSM OSS administrace a údržba celé sítě registrace a tarifikace používá registry adatabáze z BSC

Vlastnosti: GSM buňky se překrývají, v oblasti inference se nesmí používat tytéž komunikační kanály handover (předávání mobilní stanice mezi buňkami) větší odolnost proti rušení a odposlechu než u 1G teoretická rychlost je 13 kb/s pro každý směr, reálně 9.6 kb/s

CDMA (Code Division Multiple Access) lze přenášet i hlas, ale u nás poskytována jen jako datová sít nižší frekvence (450 MHz), základnové stanice mohou být více vzdáleny než u GSM teoretická rychlost uploadu je 1024 kb/s (jen v Praze a Brně) download až 3.1 Mb/s, v reálu také méně, několik set kb/s kódový multiplex (v rámci jednoho sdíleného média se přenáší více digitálních signálů, které jsou rozlišovány pomocí kódování)

GPRS EDGE Přechodová generace (2.5G)

GPRS nástavba GSM, umožňuje stanici využívat až 8 GSM kanálů (pokud jsou zrovna volné), kanály nejsou blokovány po celou dobu připojení nová vrstva v páteřní síti uzly SGSN (Serving GPRS Support Node) podpůrné uzly sítě GPRS (obdoba MSC ústředen, ale také správa páteřní sítě a tarifikace) GGSN (Gateway GPRS Support Node) brány do datové paketové IP sítě BSC nadále zůstávají napojeny na MSC, ale navíc jsou napojeny na SGSN uzly SGSN a GGSN mezi sebou komunikují protokolem GTP (GPRS Tunelling Protocol), což je aplikační protokol využívající protokoly TCP a UDP

Rychlost GPRS různá kódování CS-1 až CS-4, různé rychlosti celková možná dosažená rychlost je 22.8 kb/s na jeden kanál, ale část rychlosti je pohlcena režií kódování (CS-1 dosahuje max. 9 kb/s na kanál, CS-4 max. 21 kb/s na kanál) volba kanálu je automatická podle vzdálenosti stanice od základnové stanice rychlost je ovlivněna množstvím kanálů, které stanice může využívat (maximálně 8 pro každý směr) v základním nastavení musí uživatel GPRS vzít zavděk tím, co zbude po uživatelích GSM hlasových přenosů, ale je možné využít QoS

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) také nástavbou GSM a má podobný princip signál moduluje metodou 8-PSK v reálu až trojnásobný nárůst rychlostí oproti GPRS

UMTS HSDPA, HSUPA, HSPA Třetí generace (3G)

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) zavedení UMTS znamenalo poměrně velké zásahy do infrastruktury sítě metoda WCDMA (Wideband CDMA), širokopásmová každý uživatel má přiděleno frekvenční pásmo, které používá, sdílí je s více uživateli, jsou odlišeni jednoznačným binárním kódem typicky ve velkých městech rychlost teoreticky až 2 Mb/s, obvykle několik desítek až stovek kb/s

Architektura sítě UMTS podobná síti GPRS a zčásti na ní staví uzel Node B je obdobou základnové stanice zajištění komunikace mezi koncovou stanicí a UMTS sítí, modulace, kódování, ochrana proti chybám řídicí jednotka rádiové sítě (RNC, Radio Network Controller) je obdoba BSC v GSM řídí uzly Node B, přidělují kanály, řídí handover, šifrují, atd. všechny RNC tvoří vrstvu UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) páteřní sít (CN, Core Network) obsahuje obvykle uzly patřící do sítě GSM/GPRS, uzly vyžadují drobné úpravy; zajišt uje navazování spojení, provoz bran, vedení provozních databází, směrování

HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) zvýšení rychlosti a snížení latence UMTS na downstreamu modulace QPSK (Quadrature Phase Shift Keying, používá se i v UMTS) nebo 16QAM jiné mechanismy plánování vysílání (více založeno na QoS) a řízení chyb používá také WCDMA, ale navíc přidává nové mechanismy a nový typ čistě datového kanálu v UMTS jsou pakety odesílány každých 10 ms, v HSDPA každé 2 ms je možné také využít technologii MIMO přenosové rychlosti v současné době kolem 1 Mb/s (nejnovější varianty až 14 Mb/s)

Další HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) obdoba HSDPA pro upstream HSPA = HSDPA + HSUPA

4G FLASH-OFDM (Fast Low-latency Access with Seamless Handoff-Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) ortogonální multiplex OFDM propojen s CDMA a TDMA vyšší přenosové rychlosti (download je většinou v rozmezí 200 300 kb/s, třebaže se teoreticky udává až 1.5 Mb/s) a nízká latence pokročilá možnost řízení kvality služeb (QoS)

LTE (Long Term Evolution) 4G velmi vysoké rychlosti (až 100 Mb/s na downstreamu, 50 Mb/s na upstreamu) při velmi nízké latenci (10 ms), v současnosti na downstreamu téměř 80 Mb/s nepoužívá CDMA, pouze OFDM šířka kanálů není pevná, adaptivní šířky signálů umístěných tak blízko u sebe, aby je bylo možné na druhém konci linky oddělit