docInternet ja tietoverkot 811338A 6 Langattomat ja mobiilit
download 
Report Transcription
Internet ja tietoverkot 811338A 6 Langattomat ja mobiilit
Internet ja tietoverkot 6 811338A Langattomat ja mobiilit tietoverkot Oulun yliopisto Tietojenkäsittelytieteiden laitos Periodi 3 2014 / 2015 Langattomat ja mobiilit tietoverkot Luento pohjautuu kirjan James F. Kurose, Keith W. Ross, Computer Networking, A Top-Down Approach, 6th (International) ed., Pearson Education Limited, 2013, ISBN 10: 0-27376896-4, ISBN 13: 978-0-273-76896-4 kuudenteen lukuun. Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 2 Mitä käsitellään 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Johdanto Langatttomien linkkien ja verkkojen ominaispiirteitä Wi-Fi: 802.11 langattomat LAN – verkot Internet – yhteys matkapuhelimella Mobiilisuuden hallinta: periaatteet Mobiili IP Mobiilisuuden hallinta matkapuhelimissa Langattomuuden ja mobiilisuuden vaikutus ylempien kerrosten protokolliin Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 3 Mitä käsitellään (2) 1. Johdanto 2. Langatttomien linkkien ja verkkojen ominaispiirteitä 2.1 CDMA 3. Wi-Fi: 802.11 langattomat LAN – verkot 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 802.11:n arkkitehtuuri 802.11:n MAC – protokolla IEEE 802.11:n kehys Mobiilisuus samassa IP – aliverkossa 802.11:n kehittyneet piirteet Likiverkot: Bluetooth ja Zigbee Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 4 Mitä käsitellään (3) 4. Internet-yhteys matkapuhelimella 4.1 Matkapuhelinverkon arkkitehtuuri: yleiskuva 4.2 3G – verkko: Internetin laajentaminen matkapuhelintilaajille 4.3 Kohti 4G – verkkoa: LTE 5. Mobiilisuuden hallinta: periaatteet 5.1 Osoitteistus 5.2 Reititys mobiilisolmuun 6. Mobiili IP 7. Mobiilisuuden hallinta matkapuhelimissa 7.1 Puhelujen reitittäminen mobiilikäyttäjälle 7.2 Tukiaseman vaihto 8. Langattomuuden ja mobiilisuuden vaikutus ylempien kerrosten protokolliin Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 5 1. Johdanto • viime vuosikymmen matkapuhelinten esiinmarssin aikaa; liittymiä 34 miljoonaa v. 1993 2.4 miljardia v. 2006 5.5 miljardia v. 2011 • tapahtuuko sama ilmiö langattomien verkkolaitteiden kohdalla? • langattomat verkot ja mobiilipalvelut ovat tulleet jäädäkseen • teemme eron langattomien linkkien ja niiden mahdollistaman mobiilisuuden välillä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 6 Langattoman verkon elementit • langattomat isäntäkoneet päätelaitteita, joilla sovellukset toimivat kannettavat, kämmenmikrot, tabletit, älypuhelimet, pöytäkoneet voivat olla liikkuvia (mobiileja) tai kiinteitä • langattomat linkit isäntäkone yhdistyy tukiasemaan langattoman linkin välityksellä • tukiasemat: vastaavat tiedonvälityksestä isäntäkoneiden ja laajemman verkon välillä infrastruktuuriverkot ad hoc -verkot • verkkoinfrastruktuuri se laajempi verkko, johon langaton iverkko on yhteydessä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 7 Kuva 1 Periodi 3 20014/2015 Langattoman verkon elementit Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 8 Langattomien verkkojen luokitteleminen Ylimmällä tasolla kahden kriteerin mukaan tekeekö paketti langattomassa verkossa täsmälleen yhden langattoman hypyn (’hop’) vai useita langattomis hyppyjä onko verkko infrastruktuuriverkko (eli siinä on sisäistä rakennetta, esim. tukiasema) vai ei (sisäistä rakennetta ei ole, esim. ad hoc – verkko) 1. yksi hyppy & infrastruktuuriverkko tavalliset langattomat kotiverkot 2. yksi hyppy & ei infrastruktuuria Bluetooth 3. useita hyppyjä & infrastruktuuriverkko sensoriverkot, ’mesh networks’ Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 9 Langattomien verkkojen luokitteleminen (2) 4. useita hyppyjä & ei infrastruktuuria mobiilit ad hoc –verkot (mobile adhoc networks, MANET) ajoneuvoverkot (vehicular ad hoc networks, VANET) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 10 Kuva 2 Periodi 3 20014/2015 Langattomien verkkostandardien ominaisuuksia Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 11 2. Langattomien linkkien ja verkkojen ominaisuuksia 2.1 CDMA Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 12 Taustaa • siirryttäessä ’tavallisesta’ langallisesta (Ethernet-) paikallisverkosta langattomaan (Ethernet-) paikallisverkkoon muutoksia ei juurikaan tapahdu verkkokerroksessa eikä sen yläpuolella • erot pääasiassa verkkoyhteyskerrroksessa • langallisten ja langattomien linkkien eroja vähenevä signaalinvoimakkuus • elektromagneettinen säteily vaimenee kohdatessaan esteitä (esim. radiosignaali kohdatessaan seinän), jopa vapaassa tilassa signaali hajaantuu ja heikkenee eri lähetysten sekottuminen • samalla taajuudella toimivat radioasemat häiritsevät toisiaan ’monipolkueteneminen’ (multipath propagation) • tapahtuu, kun radioaalto kimpoaa esteisstä ja kulkee eripituisia polkuja pitkin kohteeseen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 13 Taustaa (2) • edellisen nojalla langattomissa verkoissa bittivirheet yleisempiä kuin langallisissa • langattomissa käytetään vahvoja CRC –virheentarkastuskoodeja luotettavia tiedonsiirtoprotokollia, kehysten uudelleenlähettämistä • oletetaan, että isäntäkone toimii langattomassa verkossa ja vastaanottaa heikentynyttä signaalia, jossa on lisäksi taustakohinaa • signaali – kohinasuhde (signal-to-noise ratio) SNR mittaa vastaanotetun signaalin voimakkuutta suhteessa taustakohinaan desibeleinä: SNR = 20 log10 [A signal / A noise ] missä A signal on signaali- ja A noise kohinaamplitudi Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 14 Taustaa (3) • mitä suurempi SNR sitä helpompi on erottaa signaali taustakohinasta • bittivirheaste (bit error rate) BER on karkeati ottaen todennäköisyys sille, että bitti muuttuu välityksessä eli että vastaanotettu bitti on virheellinen • Kuva 3 esittää BER:n ja SNR:n suhdetta kolmessa modulaatiotekniikassa (BPSK, QUAM16, QUAM256), joilla eri välitysasteet, kanava on ideaalisoitu • Kuva 3 kertoo seuraavaa kussakin modulaatiotekniikassa: mitä suurempi SNR, sitä matalampi BER kiinteällä SNR:n arvolla: mitä korkeampi on modulaatiotekniikan välitysaste, sitä korkeampi on sen BER modulaatiotekniikka voidaan valita dynaamisesti kanavan ominaisuuksien perusteella Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 15 Kuva 3 Periodi 3 20014/2015 Bittivirheaste, välitysaste ja SNR Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 16 Taustaa (4) • ’piilossa olevan pääteaseman ongelma’ (’hidden terminal problem’): asemat A ja C eivät kuule toisiaan, mutta niiden lähetykset sekottuvat B:ssä (Kuva 4) • piilossa olevan pääteaseman ongelma voi johtua esim. esteestä (Kuva 4 a) tai signaalin vaimenemisesta (Kuva 4b) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 17 Kuva 4 Periodi 3 20014/2015 Piilossa olevan päätelaitteen ongelma: syynä a: este b: signaalin vaimeneminen Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 18 2.1 CDMA • Code Division Multiple Access • kolmentyyppisiä monipääsyprotokollia kanavanjako– ; satunnaispääsy– ; ja vuorotteluprotokollat. • CDMA on kanavanjakoprotokolla käytetään langattomissa LAN – teknologioissa ja matkapuhelimissa kullakin lähettäjällä oma koodi, jonka perusteella vastaanottaja kykenee erottelemaan lähetykset Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 19 CDMA (2) • oletetaan, että A lähettää databittijonon B:lle CDMA:ta käyttäen • tällöin jokainen lähettäjän A databittijonon bitti koodataan ennen lähettämistä kertomalla se signaalilla (tai koodilla) joka vaihtuu huomattavasti nopeammin (’chipping rate’ – lohkomisaste) kuin alkuperäinen databittijono • oletetaan seuraavassa, että alkuperäiset databitit saapuvat CDMA – koodaajaan nopeudella yksi bitti aikayksikössä; yhden databitin välittäminen vaatii yhden aikavälin (slot); ja yksi aikaväli jakaantuu M : ään miniaikaväliin (minislot) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 20 CDMA (3) • lähettäjän A CDMA-koodi on jono ACDMA=(c1, c2, . . . , cM), missä kukin alkio ci on joko luku +1 tai -1 • oletetaan, että lähetettävä bitti on di ; tällöin joko +1 tai -1 • CDMA:ssa bitti di koodataan jonoksi ACDMA(di)=(Zi,1, Zi,2 , . . . , Zi,M) missä Zi,m = di cm kun m =1,2,...,M • jono ACDMA(di)=(Zi,1, Zi,2 , . . . , Zi,M) lähetetään B :lle Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 21 CDMA (4) • vastaanottaja B saa alkuperäisen bitin arvon laskemalla • Kuvassa 5 on M = 8 ja A:n CDMA –koodi ACDMA=(1,1,1,-1,1,-1,-1,-1) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 22 Kuva 5 Yksinkertainen CDMA – esimerkki: lähettäjä koodaa, vastaanottaja dekoodaa Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 23 CDMA (5) • oletetaan nyt, että N lähettäjää, kukin omalla koodillaan, lähettää databitin tietyssä aikavälissä; olkoon lähettäjän s koodattu jono (Zsi,1, Zsi,2 , . . . , Zsi,M), missä s=1,2,...,N • vastaanottajan ajatellaan saavan m. minislotissa luvun • jos lähettäjien koodit on valittu huolellisesti, saa vastaanottaja palautettua lähettäjän A koodillaan ACDMA=(c1, c2, . . . , cM) koodatun bitin käyttäen yhtälöä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 24 Kuva 6 Periodi 3 20014/2015 Kahden lähettäjän CDMA - esimerkki Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 25 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Wi-Fi: 802.11 langattomat LAN – verkot 802.11:n arkkitehtuuri 802.11:n MAC – protokolla IEEE 802.11:n kehys Mobiilisuus samassa IP – aliverkossa 802.11:n kehittyneet piirteet Likiverkot: Bluetooth ja Zigbee Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 26 3. WiFi: 802.11 langattomat LAN-verkot • langattomat paikallisverkot kehittyivät 1990 – luvulla • voittajateknologia IEEE 802.11 langaton LAN eli WiFi 802.11b, taajuus 2.4 – 2.485 Ghz, välitysaste 11 Mbps 802.11a, taajuus 5.1 – 5.8 Ghz, välitysaste 54 Mbps (suosituin vuonna 2004) 802.11g, taajuus 2.4 – 2.485 Ghz, välitysaste 54 Mbps • jokaisessa kolmessa 802.11 – standardissa yhteinen pääsyprotokolla (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA) sama kehysrakenne kyetään ulottuvuuden lisäämiseksi vähentämään välitysastetta on sekä infrastruktuuri– että ad hoc –moodi Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 27 Taulukko 1 Periodi 3 20014/2015 Yhteenveto IEEE 802.11 – standardeista Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 28 3.1 802.11:n arkkitehtuuri • pääkomponentit yksi tai useampia peruspalvelusetti (pps, basic service set, BSS), joita yhdistää kytkin tai reititin peruspalvelusetti koostuu yhdestä tai useammasta langattomasta asemasta (wireless station, WS) ja yhdestä perusasemasta (base station) eli pääsypisteestä (access pont, AP) • Kuvassa 7 kaksi perusalvelusettiä on kytketty reitittimeen tai kytkimeen, joka puolestaan on yhteydessä Internetiin • jokaisella langattomalla asemalla on kuustavuinen MACosoite talletettuna aseman verkkokorttiin • jokaisella pääsypisteellä on MAC-osoite langattomalle että rajapinnalleen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 29 802.11:n arkkitehtuuri (2) • pääsypisteellä ei sensijaan ole MAC-osoitetta sille langalliselle rajapinnalle, joka johtaa reitittimeen • paikallisiverkot, jotka käyttävät pääsypistettä, implementoivat langatonta infrastruktuuriverkkoa • Kuvassa 7 infrastruktuuri muodostuu tällöin yhdestä pääsypisteistä ja langallisesta linkeistä pääsypisteiden ja reitittimen (tai kytkimen) välillä • IEEE 802.11 – asemat voivat muodostaa myös ad hoc –verkon (Kuva 8), jolloin verkkorakenne muodostetaan ’lennosta’ mobiililaitteista, jotka havaitsevat toistensa läsnäolon ja joilla on tarve kommunikoida keskenään Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 30 Kuva 7 Periodi 3 20014/2015 IEEE 802.11 LAN - arkkitehtuuri Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 31 Kuva 8 Periodi 3 20014/2015 IEEE 802.11 LAN – ad hoc–verkko Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 32 Kanavat ja assosioituminen • kun verkon ylläpito asentaa pääsypisteen, sille annetaan palvelusettitunnistin (Sevice Set Identifier, SSID) ja kanavanumero (esim. 802.11b operoi taaajuualueella 2.4 – 2.485 Ghz ja määrittää siinä yksitoista osittain päällekäistä kanavaa; kanavat 1, 6 ja 11 ovat pareittain täysin erilliset) • Wi Fi–viidakko (WiFi Jungle): sijainti, jossa langaton asema on useamman kuin yhden pääsypisteen signaalin kuuluvuusalueelle • pääsypiste lähettää säännöllisin väliajoin viittakehyksiä (beacon frame), jotka sisältävät pääsypisteen SSID:n ja MAC – osoitteen • langaton asema skannaa kanavia voidakseen perustaa yhteyden, assosioitua, johonkin pääsypisteeseen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 33 Kanavat ja assosioituminen (2) • skannaaminen voi olla passiivista tai aktiivista passiivinen skannaus: asema etsii eri pääsypisteiden lähettämiä viittakehyksiä aktiivinen skannaus: asema itse lähettää (radiolähetyksenä) selvityskehyksen, joka saapuu kaikille pääsypisteille, jotka sijaitsevat aseman toimintasäteellä • valittuaan sopivan AP:n, langaton asema lähettää tälle assosioitumispyynnön, johon AP vastaa assosioitumisvastauksella; sekä pyyntö että vastaus koostuvat yhdestä kehyksestä • assosioiduttuaan pääsypisteeseen, langaton asema liittyy AP:n aliverkkoon ja saa (AP:n kautta ja tavallisesti DHCP-protollan välityksellä) itselleen IP-osoitteen • langaton asema voi joutua autentikoimaan itsensä AP:lle Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 34 Kanavat ja assosioituminen (3) • autentikointi voi tapahtua MAC-ositteen; tai käyttäjätunnuksen ja salasanan perusteella • autentikoinnin yhteydessä AP tavallisesti kommunikoi autentikointiserverin kanssa välittäen langattoman aseman ja serverin välistä informaatiota • autentikointiprotokollana on tavallisesti RADIUS tai DIAMETER, tällöin puhutaan RADIUS– tai DIAMETER – palvelimista • yksi autentikointiserveri voi palvella useaa pääsypistettä: autentikointi- ja pääsypäätös keskitetään yhdelle palvelimelle ja AP:n kustannukset ja kompleksisuus pysyvät pieninä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 35 Kuva 9 Periodi 3 20014/2015 Passiivinen ja aktiivinen skannaus pääsypisteen löytämiseksi Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 36 3.2 802.11:n MAC – protokolla • kun langaton asema on assosioitunut AP:hen, se alkaa lähettää kehyksiä AP:lle ja vastaanottaa niitä AP:ltä • moni muukin asema haluaa tehdä samaa: tarvitaan monipääsyprotokolla koordinoimaan välitystä • 802.11:n MAC – protokolla on satunnaissaantityyppiä oleva CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access / Colision Avoidance) • Ethernetissä MAC – protokolla oli CSMA / CD • CSMA / CA :ssa jokainen laite (langaton asema tai AP) havainnoi kanavaa ennen lähettämistä ja pidättäytyy lähettämisestä mikäli kanava on varattu Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 37 CSMA / CA :n ominaisuuksia • CSMA / CA käyttää törmäyksen välttämistä; ja siirtoyhteyskerroksen kuittaus /uudelleenlähetys – protokollaa (Automatic Repeat reQuest Protocol, ARQ) • CSMA / CA ei käytä törmäyksen havainnointia (collision detection, CD) koska törmäyksen havaitseminen edellyttää kykyä lähettää ja vastaanottaa yhtä aikaa; koska vastaanotettu signaali on yleensä heikko lähetettyyn verrattuna, on törmäyksen havaitsemiseen käytetty tekniikka kallista rakentaa vaikka verkkokortti kykenisikin lähettämään ja vastaanottamaan yhtä aikaa, jää jäljelle ’piilossa olevan päätelaiteen ongelma’ Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 38 CSMA / CA :n ominaisuuksia (2) • kerran aloitettuaan asema lähettää kehyksen kokonaisuudessaan • CSMA / CA käyttää linkkikerroksen kuittauksia kun vastaanottaja saa kehyksen, jonka CRC-koodi täsmää, se odottaa lyhyen SIFS – ajan (Short Inter-frame Space) verran ja kuittaa sen jälkeen kehyksen mikäli lähettäjä ei saa kuittausta tietyn ajan kuluessa, se olettaa virheen tapahtuneen ja lähettää kehyksen uudelleen käyttäen CSMS / CA – protokollaa kanavaan pääsemiseksi mikäli kuittausta ei saavu muutaman uudelleenlähetyskerran jälkeen, lähettäjä hylkää kehyksen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 39 Kuva 10 Periodi 3 20014/2015 802.11 käyttää linkkikerroksen kuittauksia Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 40 CSMA / CA – protokollan toiminta Oletetaan, että laitteella (langaton asema tai AP) on kehys lähetettävänä. Tällöin tapahtuu seuraavaa. 1. Jos laite huomaa, että kanava on vapaa, se odottaa lyhyen DIFS – ajan (Distributed Inter-frame Space) verran ja lähettää kehyksen. 2. Jos laite huomaa, että kanava on varattu, se valitsee satunnaisen perääntymisarvon ja suorittaa paketille lähtölaskentaa tätä lukua vähentäen aina, kun kanava on vapaa; lähtölaskenta keskeytetään aina siksi aikaa, kun kanava on varattu. 3. Kun lähtölaskenta on lopussa (huomaa, että tällöin kanavan täytyy olla vapaa), laite lähettää koko paketin ja jää odottamaan kuittausta. Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 41 CSMA / CA – protokollan toiminta (2) 4. Jos kuittaus saapuu, lähettävä laite tietää, että sen kehys on saapunut vastaanottajalle asianmukaisesti. Mikäli laitteella on vielä kehys lähetettävänä, se jatkaa askeleesta 2. Jos kuittausta ei tule tietyssä ajassa, lähettäjä menee kohdan 2 odotustilaan, satunnainen perääntymisarvo valitaan nyt suuremmalta väliltä. Muistetaan, että Ethernet CSMA / CD –protokollassa asema alkaa lähettää heti, kun havaitsee, että kanava on vapaa. 802.11 CSMA / CA –protokollassa asema pidättäytyy lähettämisestä tietyn ajan, vaikka kanava olisi vapaakin. Miksi? Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 42 CSMA / CA – protokollan toiminta (3) Oletetaan, että kaksi kanavaa haluaa kumpikin lähettää kehyksen, mutta molemmat huomaavat, että kanava on varattu: joku kolmas asema lähettää. Ethernet CSMA / CD –protokollassa molemmat asemat alkavat lähettää heti, kun kanava on vapaa. Tapahtuisi törmäys, joka ei aiheuttaisi vaikeuksia, koska molemmat asemat katkaisisivat kehyksensä lähettämisen heti, kun havaitsisivat törmäyksen. 802.11 CSMA / CA :ssa tilanne on toinen, koska se ei havaitse törmäyksiä eikä keskeytä lähettämistä; kehykset lähetetään kokonaaan ja menetetään törmäyksessä. Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 43 CSMA / CA – protokollan toiminta (4) 802.11 CSMA / CA yrittää välttää törmäyksiä kaikin keinoin. Jos kaksi laitetta on yhtä aikaa lähettämässä kehystä ja kanava on varattu, ne kumpikin odottavat satunnaisen perääntymisajan ja kanavan vapauduttua se laite, jolla on lyhyempi perääntymisaika, pääsee lähettämään kehyksensä kokonaisuudessaan ensin ja toinen odottaa kunnes kanava on vapaa Yhteentörmäys voi kuitenkin tapahtua, jos laitteet ovat piilossa toisiltaan laitteiden satunnaiset perääntymisajat ovat niin lähellä toisiaan, että toisen aseman lähetyssignaali ei ehdi toiselle asemalle ennekuin tämä alkaa lähettää Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 44 Apu piilossa oleviin päätelaitteisiin: RTS ja CTS 802.11:n MAC-protokollassa on näppärä menetelmä välttää piilossa olevan päätelaitteen ongelma Kuvassa 11 asemat H1 ja H2 ovat piilossa toisiltaan Tarkastellaan tilannetta, jossa tietyllä ajanhetkellä H1 alkaa lähettää kehystä ja puolivälissä H1:n lähetystä H2 haluaa lähettää oman kehyksensä AP:lle. Asema H2 ei kuule H1:n lähetystä ja, odotettuaan DIFS –ajan verran, aloittaa oman lähetyksensä. Tapahtuu yhteentörmäys ja koko kanavan kapasiteetti memetetään H1:n ja H2:n lähetyksen ajaksi. Apu ongelmaan: RTS – kontrollikehys (Request to Send, lähetyspyyntö) ja CTS – kontrollikehys (Clear to Send, kanavan varaus, lupa lähettää) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 45 Kuva 11 Periodi 3 20014/2015 Esimerkki piilossa olevasta päätelaitteesta: H1 on piilossa H2:lta ja päinvastoin Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 46 RTS – ja CTS – kehysten käyttö 1. Ennen DATA-kehyksen lähettämistä H1 (Kuva 11) lähettää radiolähetyksenä lyhyen RTS-kehyksen; kaikki asemat H1:n toimintasäteellä kuulevat. 2. AP vastaa lyhyellä CTS-kehyksellä; kaikki asemat AP:n toimintasäteellä, myös H2, kuulevat. 3. Asema H2 pidättäytyy lähettämästä CTS-kehyksessä ilmoitetun ajan. RTS- ja CTS-kehysten käytön etuja: piilossa olevan aseman ongelma vältetään; RTS- ja CTS-kehykset ovat lyhyitä; niitä koskevat törmäykset vievät kanavakapasiteettia vain vähän Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 47 RTS – ja CTS – kehysten käyttö (2) RTS- ja CTS-kehykset lisäävät viiveitä ja kuluttavat jonkin verran kanavakapasiteettia. Tämän vuoksi RTS / CTS – vaihtoa on lupa käyttää ja kanava varata vain jos datakehyksen koko ylittää tietyn kynnysarvon eli kehys on riittävän pitkä. Kynnysarvo voidaan asettaa pääsypiste tai jopa laitekohtaisesti. Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 48 Kuva 12 Periodi 3 20014/2015 Törmäyksien välttäminen RTS – ja CTS – kehyksiä käyttäen Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 49 802.11 – protokollan käyttö pisteestä pisteeseen –linkkinä • kun kahdella solmulla on suunta-antennit, ne voivat tähdätä antenninsa kohden toisiaan ja ajaa 802.11protokollaa periaatteessa yli pisteestä pisteeseen –linkin • tällöin luodaan langaton pisteestä pisteeseen –yhteys, jossa solmujen etäisyys voi olla kymmeniä kilometrejä • yhdistämällä langattomia pisteestä pisteeseen –yhteyksiä monihyppyrakenteiksi, saadaan aikaan tehokkaita langattomia tiedonsiirtoverkkoja, joilla on pitkä toimintasäde Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 50 3.3 IEEE 802.11:n kehys • 802.11:n kehyksessä samankaltaisuuksia Ethernetkehyksen kanssa • useat kentät liittyvät langattomuuteen • kehyksen ydin on kuorma (payload) sisältö tavallisesti IP – datagrammi tai ARP – paketti koko enintään 2 312 tavua, tavallisesti yläraja on 1 500 tavua • kehys sisältää syklisen redundanssitarkistuksen (CRC), jotta vastaanottaja kykenee bittivirheiden tarkastukseen • bittivirheet ovat langattomissa paikallisverkoissa yleisempiä kuin langallisissa, joten CRC-koodin rooli on tärkeä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 51 Kuva 13 IEEE 802.11 kehysrakenne Kehys (kenttien koot tavuina) 2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 2 Frame control Duration Address 1 Address 2 Address 3 Seq. control Address 4 Payload CRC Frame control – kenttä (alikenttien koot bitteinä) 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 Protocol version Type Subtype To AP From AP More frag Retry Power mgt More data WEP Rsvd Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 52 IEEE 802.11 – kehyksen osoitekentät • kehys sisältää neljä osoitekenttää, kussakin kuusitavuinen MAC – osoite kolmea kentistä tarvitaan tavanomaiseen verkkotoimintaan (esim. siirtämään datagrammi langattomalta asemalta pääsypisteen kautta reitinrajapinnalle) neljäs on käytössä ad hoc – verkoissa • osoite 2 (Address 2) on sen aseman MAC – osoite, joka välittää kehystä langattoman aseman tapauksessa langattoman aseman MAC – osoite pääsypisteen tapauksessa pääsypisteen MAC – osoite Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 53 IEEE 802.11 – kehyksen osoitekentät (2) • osoite 1 (Address 1) on sen langattoman aseman MAC – osoite, joka on kehyksen vastaanottaja jos langaton asema välittää kehystä, osoite 1 on pääsypisteen MAC - osoite jos pääsypiste välittää kehystä, osoite 1 on vastaanottavan langattoman aseman MAC – osoite osoite 3 sisältää peruspalvelusetin (BSS) reititinrajapinnan MAC – osoitteen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 54 Kuvan 14 selitys • Kuvasssa 14 on kaksi pääsypistettä, joissa molemmissa useita langattomia päätelaitteita • molemmista pääsypisteistä on suora yhteys reitittimeen, joka puolestaan yhdistyy Internetiin • AP on siirtoyhteyskerroksen laite, joka ei ymmärrä IPprotokollaa • tarkastellaan tilannetta, jossa reititin välittää datagrammin asemalle H1 • reititin ei tiedä, että sen ja H1:n välillä on pääsypiste, koska pääsypisteellä ei ole MAC-osoitetta reitittimeen johtavalla linkkirajapinnallaan Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 55 Kuvan 14 selitys (2) • reitittimen näkökulmasta näkökulmasta H1 on vain isäntäkone aliverkossa, johon reititn on yhteydessä reititin tuntee H1:n IP-osoitteen (joka löytyy datagrammin kohdeosoitekentästä) ja käyttää ARP-protokollaa määrittääkseen H1:n MAC-osoitteen reititin kapseloi datagrammin Ethernet-kehykseen, jonka kohdeosoitekenttään tulee H1:n MAC-osoite ja lähdeosoitekenttään R1:n MAC-osoite kun Ethernet-kehys tulee pääsypisteeseen, se muutetaan 802.11kehykseksi ennenkuin pääsypiste toimittaa kehyksen langattomaan kanavaan; kehyksen osoite 1 –kenttään tulee tällöin H1:n MAC-osoite, osoite 2 –kenttään pääsypisteen langattoman rajapinnan MAC-osoite ja osoite 3 –kenttään reitittimen sen langallisen rajapinnan MAC-osoite, joka vie BBS 1:een Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 56 Kuva 14 Osoitekenttien käyttö 802.11 – kehyksissä: kehysten lähettäminen H1:n ja R1:n välillä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 57 Kuvan 14 selitys (3) • mitä tapahtuu, kun H1 vastaa siirtämällä edellisen datagrammin lähettäjälle osoitetun IP-paketin reitittimelle R1? H1 sulkee IP-paketin 802.11-kehykseen ja täyttää osoitekentät: osoite 1 –kenttään tulee AP:n langattoman rajapinnan MAC-osoite, osoite 2 –kenttään H1:n MAC-osoite ja osoite 3 –kenttään reitittimen MAC-osoite kun 802.11-kehys tulee pääsypisteeseen, se muutetaan Ethernetkehykseksi, jossa kohdeosoitekentässä on R1:n MAC-osoite ja lähdeosoitekentässä H1:n MAC-osoite Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 58 IEEE 802.11 – kehyksen muut kentät • kun asema 802.11 – standardissa asianmukaisesti vastaanottaa kehyksen, se toimittaa kuittauksen lähettäjälle • vastaanottaja erottaa uudelleenlähetykset uusista kehyksisitä järjestysnumeroiden (sequence number) avulla • 802.11 – standardissa lähettävä asema varaa kanavan tietyksi ajaksi; kesto (duration) kertoo tämän ajan • kehyskontrollikenttä (frame control field) sisältää useita alikenttiä tyyppi (type) ja alityyppi (subtype) kertovat paketin tyypistä kenelle (to) ja keneltä (from) määrittävät osoitekenttien tulkinnan WEP ilmaisee onko salaus käytössä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 59 3.4 Mobiilisuus samassa IP – aliverkossa • organisaatiot käyttävät saman IP-aliverkon yhteydessä monesti useaa peruspalvelusettiä • miten langattomat asemat siirtyvät pp-setistä toiseen TCP – istuntojen katkeamatta? • mobiilisuus voidaan ratkaista suhteellisen yksinkertaisesti silloin, kun pps:t sijitsevat samassa IP-aliverkossa • Kuvassa 15 on kaksi toisiinsa yhteydessä olevaa peruspalvelusettiä ja isäntäkone H1, joka siirtyy BSS 1:stä ppsettiin BSS 2 • koska pp-settejä yhdistävä laite on kytkin (eikä reititin), kaikki kuvan laitteet kuuluvat samaan IP-aliverkkoon Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 60 Mobiilisuus samassa IP – aliverkossa (2) • siispä kun H1 siirtyy BSS 1:stä BSS 2.een, se voi pitää IP-osoitteensa ja TCP-yhteytensä • kun H1 siirtyy BSS 1:stä pp-settiin BSS 2, tapahtuu seuraavaa; asema H1 havaitsee AP 1:n signaalin heikkenevän ja alkaa skannata vahvempaa signaalia; vastaanottaa AP 2:n lähettämiä viittakehyksiä, joiden SSID on tavallisesti sama kuin AP 1:n lähettämissä viittakehyksissä irtaantuu AP 1:stä ja assosioituu pääsypisteeseen AP 2; käynnissä olevat TCP-yhteydet eivät keskeydy • siirtymäongelma (handoff problem) H1:n ja pääsypisteiden näkökulmasta ratkaistu Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 61 Mobiilisuus samassa IP – aliverkossa (3) • miten kytkin saa tietää H1:n siirtymisestä? • muistetaan, että kytkimet ovat itseoppivia ja rakentavat automaattisesti omat kytkintaulunsa • kytkimiä ei ole suunnitetutukemaan vahvaa mobiilisuutta ja TCP-yhteyksien säilyttämistä • kytkimen eteenpäinohjaustaulu yhdistää alunperin H1:n MAC-osoitteen AP 1:n MAC-osoitteeseen • kytkin pystyy päivittämään taulunsa, jos pääsypiste AP 2 (heti H1:n assosioitumisen jälkeen) lähettää kytkimelle Ethernet – radiolähetyskehyksen, jonka lähdeosoitekentässä on H1:n MAC – osoite Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 62 Kuva 15 Periodi 3 20014/2015 Mobiilisuus samassa aliverkossa Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 63 3.5 802.11:n kehittyneet piirteet • 802.11 – protokolassa on kaksi kehittynyttä piirrettä, joita ei ole täysin spesifioitu 802.11 – standardissa • piirteiden käyttöönotto tapahtuu standardin määrittämillä mekanismeilla; eri toimijat voivat implementoida piirteet omia (yksityisiä) lähetymistapoja käyttäen • kehittyneet piirteet ovat 1. Lähetysasteen sopeuttaminen. 802.11 – implemntaatiossa voidaan fyysisen kerroksen modulaatiotekniikka (ja kehysten lähetysaste) valita kanavan ominaisuuksien perusteella. 2. Virrankulutuksen hallinta. 802.11 – solmut kykenevät minimoimaan sen ajan, jolloin niiden havainnointi-, välitys- ja vastaanottotoiminnot ovat päällä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 64 3.6 Likiverkot: Bluetooth ja Zigbee • likiverkko - Personal Area Network (PAN) • IEEE 802.11 WiFi – standardi on tarkoitettu kommunikointiin, jossa laitteiden välimatka on enintään 100 metriä • IEEE 802 – protokollat Bluetooth (IEEE 802.15.1) ja Zigbee (IEEE 802.15.4) on tarkoitettu lyhyen välimatkan kommunikointiin • WiMAX (IEEE 802.16d, IEEE 802.16e) on protokolla pitkien etäisyyksien yli tapahtuvaan kommunikointiin Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 65 Bluetooth 802.15.1 • lyhyt etäisyys, alhainen virrankukutus, vähäiset kustannukset • tarkoitettu ’kaapelikorviketeknologiaksi’ muistikirjamikroille, oheislaitteille sekä matka- ja älypuhelimille • Bluetooth: langaton likiverkko • 802.15.1 perustuu vanhaan Bluetooth-speksiin ja operoi 2.4 GHz:n radiokaistalla TDM-kanavointia soveltaen: kukin aikaväli (time slot) on 625 mikrosekuntia jokaisella aikavälillä välitys tapahtuu yhdellä 79:stä eri taajuudella olevasta kanavasta kanava vaihtuu aikavälistä toiseen pseudosatunnaisesti etukäteen määrätyllä tavalla Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 66 Bluetooth 802.15.1 (2) • edellä kuvattu ’kanavahyppely’ tunnetaan taajuushyppelyhajaspektrinä eli FHSS – tekniikkana (frequency-hopping spread spectrum) • FHSS levittää lähetykset eri taajuuksille ajasta riippuen ja sillä päästään 4 Mbps välitysasteeseen • 802.15.1 – verkot ovat ad hoc –tietoverkkoja, jossa solmujen on järjestäydyttävä keskenään • solmut organisoituvat pikoverkoksi, jossa voi olla max kahdeksan aktiivista laitetta • yksi laite toimii isäntänä, muut ovat orjia • isäntälaite hallitsee: sen kello määrää pikonetin Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 67 Bluetooth 802.15.1 (3) • isäntä voi välittää jokaisessa parittomassa aikavälissä • orja saa lähettää dataa vain isännälle ja vain jos isäntä e on kommunikoinut sen kanssa edellisessä aikavälissä • orjien lisäksi pikoverkossa voi olla korkeintaa 255 pysäköityä laitetta • pysäköity laite saa kommunikoida vasta siotten, kun isäntä on muutettanut sen statuksen pysäköidystä aktiiviseksi Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 68 Kuva 16 Periodi 3 20014/2015 Bluetooth - pikoverkko Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 69 Zigbee • tarkoitettu Bluetoothia vähäisemmällä virrankulutuksella, välitysasteella ja toimintapasiteetilla toimiville laitteille • käyttö: kotilämpömittarit, valosensorit, turvalaitteet ja virtakytkimet • määrittää kanavan välitysasteiksi 10, 40, 100 ja 250 Kbps kanavataajuudesta riippuen • Zigbee - verkko on kahdelaisia solmuja vähäisen toiminnon laite: toimii orjana täyden toiminnon laite: toimii isäntänä isännät voivat toimia yhdessä ja välittää kehyksiä toisilleen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 70 Zigbee (2) • Zigbeessä on samoja mekanismeja kuin muissa siirtoyhteyskerroksen protokollissa viittakehykset linkkikerroksen kuittaukset kanavanhavainnointia suorittavat satunnaispääsyprotokollat kiinteä ja taattu aikaväliallokointi • oletetaan, että yksi Zigbee-verkossa yksi täyden toiminnon laite kontrolloi useaa vähäisen toiminnon laitetta • Zigbee-verkko jakaa ajan peräkkäisiin superkehyksiin (Kuva 17), joista kukin alkaa viittakehyksellä Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 71 Zigbee (3) • viittakehys jakaa superkehyksen aktiiviperiodiin (active period; solmut voivat siirtää tietoa) ja passiiviperiodiin (inactive period; kaikki solmut ’nukkuvat’ ja säästävät energiaa) • aktiiviperiodi koostuu 16 aikavälistä osaa aikaväleistä laitteet voivat käyttää CSMA / CA –tapaan satunnaissaantia soveltaen jotkut aikavälit täyden toiminnon laite allokoi tietyille verkon laitteille, joille tällöin on taattu pääsy kanavaan Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 72 Kuva 17 Periodi 3 20014/2015 Zigbee 802.14.4 – superkehyksen rakenne Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 73 4. Internet-yhteys matkapuhelimella 4.1 Matkapuhelinverkon arkkitehtuuri: yleiskuva 4.2 3G – verkko: Internetin laajentaminen matkapuhelintilaajille 4.3 Kohti 4G – verkkoa: LTE Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 74 4. Internet-yhteys matkapuhelimella • useimpien Wi – Fi –verkkojen toimintasäde on 10 – 100 metriä • mitä tehdään, kun Internet – yhteyttä tarvitaan eikä langatonta verkkoa ole saatavilla? • luonnollinen strategia: laajennetaan olemassaolevien matkapuhelinverkkojen käyttöä koskemaan Internetiä • langaton Internet – yhteys ja saumaton liikkuvuus voidaan säilyttää ja taata matkustettaessa esim. bussilla tai junalla • useat matkapuhelinyhtiöt tarjoavat pääsyä Internetiin satojen kbps välitysasteella kohtuullisin kustannuksin Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 75 4.1 Matkapuhelinverkon arkkitehtuuri: yleiskuva • käytämme GSM-standardin (Global System for Mobile Communications, alkup. nimi Groupe Spécial Mobile) terminologiaa • matkapuhelintekniikan kehittäminen aloitettiin 1980luvulla Euroopassa • kehitys johti GSM-standardiin 1992 • tällä hetkellä 80 % maailman matkapuhelimsta käytetään GSM-tekniikkaa Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 76 Matkapuhelinstandardit ja -teknologiat • matkapuhelinteknologiat jaetaan useaan sukupolveen 1. sukupolvi: analoginen radioähetys, äänikommunikointi • ARP (Autoradiopuhelin,1970 – luku, Suomi) • NMT (Nordic Mobile Telephone, 1970 – luku, Pohjoismaat) • AMPS (Advanced Mobile Phone, 1970 – luku, USA) • N-AMPS (Narrowband Advanced Mobile Phone Service, 1980 – luku, USA) • TACS (Total Access Communication System, 1980 – luku, Eurooppa) 2. sukupolvi: digitaalinen lähetys, äänikommuikointi • GSM (Global System for Mobile communications, 1990 – luku, Eurooppa) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 77 Matkapuhelinstandardit ja –teknologiat (2) 2. sukupolvi (jatkuu ... ) • IS – 136 TDMA (Interim Standard 136 Time Division Multiple Access, 1990 – luku, USA) • IS – 95 CDMA (Interim Standard 95 Code Division Multiple Access, 1990 – luku, USA, Etelä – Korea) • D – AMPS (Digital Advanced Mobile Phone, 1990 – luku, USA) • PDC (Personal Digital Cellular, 1990 – luku, Japani) 2.5. sukupolvi: digitaalinen lähetys, äänikommunikointi, datanvälitys • GPRS (General Packet Radio Service, gsm- verkossa toimiva pakettikytkentäinen tiedonsiirtopalvelu, 1990 – luku, Eurooppa) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 78 Matkapuhelinstandardit ja –teknologiat (3) 2.5. sukupolvi (jatkuu ... ) • EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution, 2000 – luku, USA) • CDMA 2000 Phase 1 (Code Division Multiple Access 2000 Phase 1, 2000 – luku, USA) 3. sukupolvi digitaalinen lähetys, multimedia • UMTS (Universal Mobile Telecommunication Service, 2000 – luku, Eurooppa), • WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access, 2000 – luku, Eurooppa), UMTS:n radiorajapinta • CDMA 2000 (Code Division Multiple Access, 2000 – luku, USA), jenkkivariaatio WCDMA-tekniikasta Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 79 Matkapuhelinverkkoarkkitehtuuri, 2G: ääniyhteydet puhelinverkkoon • termi cellular (phone) viittaa siihen, että tietty maantieteellinen alue on jaettu peitealueisiin eli soluihin (cell) • kukin solu (Kuvassa 18 kuusikulmio) sisältää tukiaseman (base tranceiver station, BTS), joka lähettää ja vastaanottaa signaaleja vaikutuspiiriinsä kuuluvilta mobiilitilaajilta (mobile subscriber) • tukiaseman toimintasäde (solun koko) riippuu (1) tukiaseman ja mobiililaitteen lähetystehosta (2) rakennusten ja luonnon muodostamista esteistä (3) tukiaseman antennin pituudesta • kukin tukiasema liittyy laajempaan verkkoon (esim. PSTN tai Internet) lankaliittymää käytttäen tukiasemavalvonnan (base station controller, BSC) ja mobiilikytkentäkeskusten (mobile switching center, MSC), kautta Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 80 Matkapuhelinverkkoarkkitehtuuri, 2G: ääniyhteydet puhelinverkkoon (2) • tukiasema välittää useita puheluja yhtäaikaa; kukin puhelu käyttää tiettyä osaa operaattorille allokoidusta radiospektristä (-taajuudesta) • kaksi tapaa jakaa radiotaajuus taajuusjaksoisen kanavoinnin (Frequency Division Multiplexing, FDM) ja aikajaksoisen kanavoinnin (Time Division Multiplexing, TDM) avulla; kanava ositetaan taajuuden perusteella alikanaviin ja sen jälkeen aika jaetaan kehyksiin ja väleihin (slot) CDMA (Code Division Multiple Access), jossa kaikki käyttävät samaa radiotaajuutta ja vastaanottaja erottaa oikean lähetyksen useasta samanaikaisesta käytetyn koodin perusteella; etu: taajuutta ei tarvitse erikseen allokoida, taajuuden uusiokäyttö on mahdollista Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 81 Tukiasemavalvonnan ja mobiilikytkentäkeskuksen tehtävät • tukiasemavalvonta (base station controller, BSC) palvelee kymmeniä tukiasemia allokoi tukiasemalle mobiilikasemien radiokanavat etsii solun, jossa mobiiliasaema on toiminnassa tukiasemavalvonta yhdessä piirissään olevien tukiasemien (ja mobiiliasemien) kanssa muodostaa tukiasemajärjestelmän (Base Station System, BSS) • mobiilikytkentäkeskus (mobile switching center, MSC) käyttäjien (mobiiliasemien) autorisointi ja seuranta puhelinyhteyksien perustaminen ja purku siirtymien (mobiiliasema vaihtaa tukiasemaa, handoff) hoitaminen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 82 Kuva 18 Periodi 3 20014/2015 GSM 2G – matkapuhelinverkon arkkitehtuuri Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 83 4.2 3G – verkko: Internetin laajentaminen matkapuhelintilaajille • matkapuhelimen käyttäjät haluavat myös muita kuin äänipalvelun, esim. e-mail, web, kartta- ja varauspalvelut (ns. paikasta riippumattomat palvelut), multimedia • vaatimus: matkapuhelin pystyy ajamaan täyttä TCP / IP – protokollapinoa ja kytkeytyy Internetiin matkapuhelinverkon kautta • mobiilidataverkojen (cellular data networks) tekniikat villi joukko standardeja, joten eri sukupolvien tekniikkojen vaatimuksia ei ole virallis-tettu eri standardien ominaisuuksien vertailu vaikeaa • keskitymme UMTS 3G –standardiin (Universal Mobile Telecommunicatios Service) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 84 3G – ydinverkko (3G Core Network) • yhdistää radiopääsyverkot Internettiin • toimii yhdessä perinteisen GSM-verkon kanssa mobiilikytkentäkeskusten (Mobile Switching Center, MSC) kautta • jättää olemassaolevan äänensiirtoon keskittyvän GSMverkon koskemattomaksi ja lisää mobiilidatatoiminnallisuutta perinteisen GSM-verkon rinnalle • 3G – ydinverkossa on kahdenlaisia solmuja: SGSNsolmuja (Serving GPRS Support Nodes) ja GGSN-solmuja (Gateway GPRS Support Nodes) • GPRS – Generalized Packet Radio Service (kehittynyt versio) Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 85 SGSN- ja GGSN-solmujen tehtävät • SGSN-solmu välittää datagrammeja mobiilisolmuihin ja mobiilisolmuista radiopääsyverkossa on yhteistoiminnassa alueen GSM-verkon mobiilikytkentäkeskuksen kanssa ja suorittaa käyttäjäautorisointia sekä siirtymäkontrollia, ylläpitä tietoa mobiilisolmuista, ohjaa datagrammeja eteenpäin radiopääsyverkossa johon on kytkeytynyt • GGSN-solmu toimii yhdyskäytävänä yhdistäen useita SGSN-solmuja Internetiin on viimeinen osa 3G-infrastruktuuria datagrammille, joka on matkalla mobiilisolmusta Internetiin on Internetiin päin kuten mikä tahansa yhdyskäytäväreititin ja kätkee 3G-solmut ulkopuoliselta maailmalta Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 86 3G – radiopääsyverkko: langaton reuna-alue • 3G Radio Access Network • ensimmäinen verkko, johon 3G-käyttäjä on yhteydessä • radioverkkovalvonta (Radio network Controller, RNC) kontrolloi useita tukiasemia ja on yhteydessä sekä GSMverkon mobiilikytkentäkeskukseen että Internetiin SGSNsolmun kautta Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 87 Kuva 19 Periodi 3 20014/2015 3G – järjestelmäarkkitehtuuri Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 88 4.3 Kohti 4G – verkkoa: LTE • 4G Long-Term Evolution (LTE) –standardissa kaksi uutta innovaatiota EPC-verkko (Evolved Packet Core) Yksinkertaistettu IP-ydinverkko, joka yhdistää piirikytkentäisen GSM-verkon ja pakettikyt-kentäisen mobiilidataverkon ja kuljettaa sekä ääntä että dataa IP-paketeissa. Kontrolloi resursseja korkeatasoisten palvelujen takaamiseksi. Tekee selvän eron verkkokontrollitason ja käyttäjä-datatason toisistaan. LTE-radiopääsyverkko (LTE Radio Access Network) Soveltaa kanavajaossa taajuusjaksoisen (FDM) ja aikajaksoisen kanavoinnin (TDM) kombinaatiota OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), kts. Kuva 20. Käyttää sofistikoituja MIMO-antenneja (Multiple Input Multible Output) • LTE:n välitysaste: 100 Mbps alavirta, 50 Mbps ylävirta Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 89 Kuva 20 Kaksikymmentä 0.5 ms:n slotia järjestettynä 10 ms kehyksiksi kullakin frekvenssillä. Kahdeksan slotin varaus näkyy varjostettuna Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 90 5. Mobiilisuuden hallinta: periaatteet 5.1. Osoitteistus 5.2 Reititys mobiilisolmuun Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 91 5. Mobiilisuuden hallinta: periaatteet • tark. seur. langattomien linkkien mahdollistamaa liikkuvuutta eli mobiilisuutta • mobiili solmu: verkon solmu, jonka sijainti verkkoon nähden muutttuu ajan mukanan • tulevaisuussa kasvava osa Internetin päätelaitteista on liikkuvia • mobiilisuuden dimensioita verkkokerrosnäkökulma: kuinka liikkuva on käyttäjä kuinka tärkeä on mobiilin laitteen osoite: riippuu sovellukseta millaista liikkuvuutta tukevaa langallista infrastruktuuria on saatavilla: ad-hoc –verkot ilman langallista infrastruktuuria Seuraavassa tarkastellaan tilannetta, jossa verkon solmu (päätelaite) haluaa säilyttää osoitteensa ja yhteyden liikkuessaan verkosta toiseen. Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 92 Kuva 21 Periodi 3 20014/2015 Mobiilisuuden asteita; näkökulma verkkokerroksesta Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 93 Mobiilisuuden hallinta • mobiilisolmun ’pysyvä’ sijaintipaikka: kotiverkko (home network) • kotiverkon järjestelmä, joka ylläpitää solmun liikkuvuutta on kotiagentti (home agent) • verkko, jossa mobiilisolmu väliaikaisesti sijaitsee, on vierasverkko (foreign network) • vierasverkon järjestelmä, joka ylläpitää mobiilisolmun liikkuvuutta on vierasagentti (foreign agent) • yhteyskumppani (correspondent) on osapuoli, joka haluaa kommunikoida mobiilisolmun kanssa Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 94 Kuva 22 Periodi 3 20014/2015 Mobiiliverkon alkuelementit Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 95 5.1 Osoitteistus • jotta mobiilisuus olisi sovellukselle näkymätöntä, on tärkeää, että siirtyessään verkosta toiseen, mobiilisolmu säilyttää IP-osoitteensa muuttumattomana • mobiilisolmun ollessa vierasverkossa, kaikki solmulle lähetetyt paketit tulee ohjata vierasverkkoon • miten ohjaus tapahtuu 1. vaihtoehto: vierasverkko voi ilmoittaa kaikille muille verkoille, että mobiilisolmu on sillä hetkellä vierasverkossa; heikkous: skaalautuvuuden puute, mobiilisuuden hallinta siirtyisi reitittimille 2. vaihtoehto: siirretään liikkuvuuteen liittyvät toiminnot verkon ytimestä sen reunalle: mobiilisolmun kotiagentti jäljittää mobiilisolmun sijainnin verkossa • tarkastellaan seuraavassa vierasagenttia yksityiskohtaisemmin Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 96 Osoitteistus (2) • yksinkertainen ratkaisu (Kuva 22): vierasagentit sijoitetaan vierasverkon reunareitittimiin • vierasagentti luo mobiilisolmulle COA-osoitteen (Care-OfAddress) vierasverkkoon; COA-osoitteen verkko-osa on tällöin vierasverkon IP-osoite • mobiilisolmulla kaksi osoitetta: pysyvä osoite (Kuva 22:n esim. 128.119.40.186) ja vierasosoite (Kuva 22:n esim. 79.129.13.2) eli COA-osoite • vierasagentti ilmoittaa mobiilisolmun kotiverkolle mobiilisolmun sijainnin ja COA-osoitteen; koti ja vierasagentin väliseen kommunikointiin tarvitaan uusi protokolla • COA-osoitetta käytetään reitittämään datagrammit uudelleen mobiilisolmulle vierasagentin kautta Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 97 5.2 Reititys mobiilisolmuun • kysymys: kuinka datagrammit varustetaan osoittella ja ohjataan mobiilisolmuun? • koska reitittimet eivät tunne kotiagentin sijaintia, tarvitaan lisämekanismeja • kaksi lähestymistapaa: hyödynnetään COA-osoitetta ja lähetetään paketit joko epäsuoraa reititystä; tai suoraa reititystä käyttäen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 98 Epäsuora reititys • yhteyskumppanilta tulevat viestit kotiagentin kautta • datagrammit kapseloidaan (varustetaan uudella IPosoitteella); sovellus ei välttämättä tietoinen mobiilisuudesta • vierasagentti purkaa kapseloinnin • neljä uutta protokollaa mobiilisolmu - vierasagentti: rekisteröinti ja sen purku vierasagentti - kotiagentti: rekisteröinti ja sen purku kotiagentti: datagrammien kapselointi vierasagentti: datagrammien kapseloinnin purku Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 99 Kuva 23 Periodi 3 20014/2015 Epäsuora reititys mobiiliin solmuun Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 100 Kuva 24 Periodi 3 20014/2015 Kapselointi ja sen purku Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 101 Suora reititys • epäsuora reititys kärsii ns. kolmioreititysongelmasta, se on tehoton • suorassa reitityksessä uusi toimija: yhteys(kumppani)agentti (correspondent agent), joka saa tietoonsa mobiilisolmun COA-osoitteen (Kuva 11, askeleet 1 ja 2) tunneloi datagrammit suoraan COA-osoitteeseen (Kuva 11, askeleet 3 ja 4) • uusia protokollia yhteysagentti - kotiagentti: mobiilikäyttäjän paikantamisprotokolla protokolla datan reititystä varten, kun mobiilikäyttäjä vaihtaa vierasverkkoa • ilmoitetaan yhteysagentille COA:n mutoksesta; tai • reititetään data alkuperäisen vierasverkon (ankkuri)vierasagentin kautta Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 102 Kuva 25 Periodi 3 20014/2015 Suora reititys mobiilille käyttäjälle Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 103 Kuva 26 Periodi 3 20014/2015 Mobiili siirtyminen verkosta toiseen suoraa reititystä käyttäen Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 104 6. Mobiili IP • RFC 3344 (IPv4) • joustava, tukee useita käyttömoodeja toiminta vierasagentin kanssa tai ilman sitä agenteilla ja mobiilisolmuilla monta tapaa löytää toisensa yhden tai useamman COA-osoitteen käyttö monta tapaa kapseloida tieto • mobiili IP:n kolme pääosaa agentin löytäminen • miten koti- ja vierasagentti tiedottavat palveluistaan mobiilisolmulle • miten mobiilisolmu pyytää palveluja koti-/vierasagentilta rekisteröityminen kotiagentin kanssa • miten mobiilisolmu ja/tai vierasagentti rekisteröivät COA:t mobiilisomun kotiagentin kanssa ja miten rekisteröinti puretaan Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 105 Mobiili IP - protokolla (2) • mobiili IP:n kolme pääosaa (jatkuu) epäsuora reititys • miten kotiagentti ohjaa datagrammit mobiilisolmuun, miten virheenkorjaus suoritetaan, miten kapselointi toteutetaan (RFC 2003, RFC 2004) • tietoturva osa mobiili IP -standardia; esim. mobiilisolmun autentikointi on tarpeen, jotta hyökkääjä ei kykene rekisteröimään väärennettyä COA-osoitetta kotiagentille • kun mobiili IP-solmu saapuu uuteen verkkoon (tai palaa kotiverkkoon), sen täytyy oppia tuntemaan vierasagentti (tai kotiagentti): kyseessä on agentin löytäminen • agentin löytäminen: joko mobiiliagentti-ilmoitusta (agentti suorittaa) tai mobiiliagenttipyyntöä (mobiilisolmu suorittaa) käyttäen Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 106 Kuva 27 ICMP:n reitittimen hakuviesti, jossa laajennusosa mobiiliagentti-ilmoitusta varten Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 107 Kuva 28 Agentti – ilmoitus ja mobiili IP – rekisteröinti Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 108 7. Mobiilisuuden hallinta matkapuhelinverkoissa • matkapuhelinverkot soveltavat epäsuoraa reititystä; soittajan puhelu reititetään aluksi käyttäjän kotiverkkoon ja vasta sieltä verkkoon, jossa käytttäjä paraikaa vierailee • terminologiaa Public Land Mobile Network (PLMN) – matkapuhelinverkko Home PLMN – home system – home network – käyttäjän kotiverkko Visited PLMN – visited system – visited network – vierasverkko: verkko, jossa käyttäjä vierailee (roam = vierailla, kuljeskella, harhailla) Home Location Register (HLR) – kotiverkon tietokanta, joka sisältää kukin tilaajan (pysyvän) matkapuhelinnumeron ja tilaajaprofiilin; sisältää myös tietoa tilaajan tämänhetkisestä vierasverkosta Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 109 Liikkuvuuden hallinta matkapuhelinverkoissa (2) • Terminologiaa (jatkuu ...) Gateway Mobile services Switching Center (GMSC) – home MSC – kotivaihde – vaihde, johon soittaja ensin ottaa yhteyttä, kun haluaa puhua asiakkaan kanssa Visitor Location Register (VLR) – vierasverkon tietokanta, joka sisältää jokaisen vierasverkossa sillä hetkellä toimivan käyttäjän tiedot; VLR päivittyy sitä mukaa, kun verkossa vierailijat sinne tulevat tai sieltä poistuvat Mobile Station Roaming Number (MSRN) – roaming number – vaellusnumero – väliaikainen numero, jonka kävijä saa vierasverkolta; numero, johon kotivaihde reitittää kävijälle tulevat puhelut Mobile Switching Center – mobiilivaihde Base Station (BS) – tukiasema Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 110 Kuva 29 Periodi 3 20014/2015 Puhelun välittäminen mobiilille käyttäjälle: epäsuora reititys Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 111 Kuva 30 Skenaario siirrosta, kun kyseessä yhteinen mobiilivaihde Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 112 Kuva 31 Tukiasemien välisen siirron vaiheet, kun kyseessä yhteinen mobiilivaihde Periodi 3 20014/2015 Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 113 Kuva 32 Periodi 3 20014/2015 Uudelleenreititys ankkurivaihteen kautta Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 114 Taulukko 2 Periodi 3 20014/2015 Mobiili IP ja GSM: elementtien vastaavuus Internet ja tietoverkot Langattomat ja mobiilit tietoverkot 115
