Презентация на тему "Технологии wi-fi"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Отдел аспирантуры, Кандзюба Е.В. 2016 год. Технологии Wi-Fi

• 
  Слайд 2

  Технологии Wi-Fi

  Отцом-основателем Wi-Fi является австралийский инженер Джон О’Салливан, который в 1991 году разработал первую версию протокола. В этом же году американская компания At&t выпускает первое устройство беспроводной передачи данных, которое работает на частоте 2.4gHz. Устройство назвали WaveLan. Стоит отметить, что скорость передачи данных составляла не более 2 Мбит/с 1997 год - выходит спецификация IEEE802.11, которая не имела особых отличий от WaveLan. Скорость передачи данных не более 2 Мбит/с. 2000 год появляется новая спецификация 802.11b. Скорость передачи данных до 11 Мбит/с. 2002 год — выходит новая версия — 802.11a. Частота 5 gHz. Скорость обмена до 54  Мбит/с. 2003 год ознаменован появлением 802.11g. 54  Мбит/с теперь возможно и на частоте 2.4gHz. Появился протокол шифрования WPA. 2004 год — шифрование переходит на новый уровень безопастности. Мир увидел WPA2. Хакеры ищут новые способы взлома. 2009 год — официально представлены устройства с поддержкой стандарта 802.11n. Скорость передачи данных до 600 Мбит/с на частотах 5 gHz и 2.4gHz. Данный стандарт используется в большинстве современных смартфонов 2016 года. 2014 год — появляется стандарт 802.11ac. Скорость передачи данных более 1 Гбит/с. 2016 год — ведется разработка стандарта 802.11ad. Скорость передачи данных от 7 Гбит/с. Работа в диапазоне 60 гГц. Эволюция технологии

• 
  Слайд 3
  

  Место Wi-Fi в модели OSI Физический Канальный Сетевой Транспортный Сеансовый Представления Прикладной Подуровень управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC) Подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC)

• 
  Слайд 4
  

  Место Wi-Fi в модели OSI Физический уровень – способ передачи сигналов 6 стандартов IEEE серии 802.11 Уровень MAC – способ доступа к общей среде: Один общий способ для всех 6 вариантов физического уровня Уровень LLC – передача данных Один общий способ

• 
  Слайд 5
  

  Режимы работы Wi-Fi Инфраструктурный режим Произвольный режим (ad hoc)

• 
  Слайд 6
  

  Wi-Fi и Ethernet Технология Wi-Fi похожа на Ethernet Адресация – MAC-адреса Разделяемая среда: Ethernet – кабели Wi-Fi – радиоэфир Общий формат кадра уровня LLC Стандарт IEEE 802.2

• 
  Слайд 7
  

  Стандарты физического уровня Wi-Fi

• 
  Слайд 8
  

  Физический уровень Wi-Fi Инфракрасное излучение 802.11, устаревший метод Электромагнитное излучение: 2,4 ГГц – 802.11b, 802.11g, 802.11n 5 ГГц – 802.11a, 802.11n, 802.11ac 60 ГГц – 802.11ad Диапазоны 2,4,5 ГГци 60 ГГц не требуют лицензирования: Можно использовать свободно Для частот 2,4 и 5 ГГц другие устройства также используют этот диапазон и создают помехи .

• 
  Слайд 9
  

  Особенности радиоканала Необходима прямая видимость между точкой доступа AP и станцией STA Характер распространения определяется следующими процессами: Отражение при наличии на трассе гладких поверхностей, много превышающих длину волны (12-13 см) Дифракция – огибание препятствий, препятствующих прямому прохождению сигнала (на краях стен, зданий, крышах) Рассеяние – наблюдается при наличии шероховатой поверхности на пути радиоволны, размеры которой соизмеримы с длиной волны (столбы, вывески, знаки, деревья)

• 
  Слайд 10
  

  Особенности радиоканала: Замирания сигнала (фединг) Крупномасштабные замирания - связаны с расстоянием до приемной антенны Мелкомасштабные замирания – связаны с изменением амплитуды и фаз сигнала

• 
  Слайд 11
  

  Особенности радиоканала: Многолучевое распространение Межсимвольная интерференция Отрицательная интерференция (Downfade) Положительная интерференция (Upfade) Обнуление сигнала (Nulling)

• 
  Слайд 12
  

  Особенности радиоканала: Многолучевое распространение: Влияние на результирующий сигнал Векторная диаграмма

• 
  Слайд 13
  

  Особенности радиоканала: Бюджет мощности LdB(2.4ГГц ) = 80дБ трасса 100м LdB(5ГГц ) = 87дБ трасса 100м LdB(60ГГц ) = 88дБтрасса 10м LdB(60ГГц ) = 108дБ трасса 100м минимальный уровень сигнала для работы 802.11ad на минимальной скорости (385Mbps PHY) равен -68dBm, что значит при передатчике в 10dB нужна усиливающая антена ещё в 10dB для растояния в 10 м.

• 
  Слайд 14
  

  Особенности использования 802.11ad

• 
  Слайд 15
  

  Зависимость скорости от отношения сигнал/шум (rate vs SNR) Факторы, уменьшающие SNR AP,работающие в неперекрывающихся каналах (1,6,11) , интерференция АР, работающие в смежном канале, уровень коллизий Оборудование DECT Оборудование Bluetooth Микроволновое излучение

• 
  Слайд 16
  

  Зависимость скорости от отношения сигнал/шум (rate vs SNR)

• 
  Слайд 17
  

  Зависимость скорости от отношения сигнал/шум (rate vs SNR)

• 
  Слайд 18
  

  «Неперекрывающиеся» каналы

• 
  Слайд 19
  

  «Неперекрывающиеся» каналы Все считают, что ширина канала — 22МГц (так и есть). Но, как показывает иллюстрация, сигнал на этом не заканчивается, и даже непересекающиеся каналы перекрываются: 1/6 и 6/11 — на ~-20dBr, 1/11 — на ~-36dBr, 1/13 — на -45dBr.

• 
  Слайд 20
  

  Все ли каналы одинаковы с точки зрения клиента? Убольшинства клиентских устройств мощность передатчика снижена на «крайних» каналах (1 и 11/13 для 2.4 ГГц). Вот пример для iPhone из документации FCC (мощность на порту антенны). Причина в том, что Wi-Fi – связь широкополосная, удержать сигнал чётко в пределах рамки канала не удастся. Вот и приходится снижать мощность в «пограничных» случаях, чтобы не задевать соседние с ISM диапазоны.

• 
  Слайд 21
  

  Особенности радиоканала: Адаптация скорости Wi-Fi позволяет менять скорость при разном уровне сигнала: Высокий уровень – скорость увеличивается Низкий уровень – скорость уменьшается Адаптация скорости реализуется за счет изменения: Количества используемых каналов «Ширины» используемых каналов Методов кодирования Интервала между сигналами (Guard Interval)

• 
  Слайд 22
  

  Особенности радиоканала: Адаптация скорости

• 
  Слайд 23
  

  Особенности радиоканала: Пространственный поток Использование нескольких антенн для передачи и приема сигнала: Появилось в 802.11n, используется в 802.11ac Пространственный поток – сигнал, распространяющийся от одной антенны до другой Использование нескольких пространственных потоков позволяет увеличить скорость передачи данных Multiple Input Multiple Output (MIMO): Метод кодирования сигнала для использования несколькихантенн

• 
  Слайд 24
  

  Уровень MAC в Wi-Fi: коллизии Wi-Fi использует разделяемую среду передачи данных Возможны коллизии Задача уровня MAC в Wi-Fi: Обеспечить доступ к разделяемой среде только одного компьютера в каждый момент времени Безопасность передачи данных Передаваемый сигнал намного мощнее принимаемого Проблемы «Скрытой» и «засвеченной» станции Сигнал о коллизии может не дойти до всех компьютеров Wi-Fi использует подтверждение доставки кадра: Обнаружение коллизий, по отсутствию подтверждения Обнаружение ошибок При отсутствии подтверждения кадр пересылается повторно

• 
  Слайд 25
  

  Уровень MAC в Wi-Fi: коллизии Метод доступа к среде в Ethernet: CSMA/CD - Множественный доступ с прослушиванием несущей частоты и распознаванием коллизий Метод доступа к среде в Wi-Fi: CSMA/CA - Множественный доступ с прослушиванием несущей частоты с предотвращением коллизий Кадр 1 Передача кадра Межкадровыйинтервал ACK Передача подтверждения Кадр 2 3 4 5 Период молчания Слоты ожидания Передача кадра Короткий межкадровыйинтервал Модель CSMA/CA

• 
  Слайд 26
  

  CSMA/CA В Wi-Fi компьютеры прослушивают несущую чтобы определить, свободен ли канал Если канал занят, компьютер устанавливает таймер ожидания = время резервации канала + период молчания Время резервации канала – время, необходимое на полную передачу сообщения: время передачи кадра + короткий межкадровый интервал + время передачи подтверждения Период молчания – сумма слотов ожидания Кадры в Wi-Fi имеют приоритет: Определяет длительность межкадрового интервала Кадры с наивысшим приоритетом отправляются после короткого межкадрового интервала Кадры подтверждения (ACK) всегда имеют наивысший приоритет Длительность межкадрового интервала = короткий межкадровыйинтервал + 2*слот ожидания

• 
  Слайд 27
  

  CSMA/CA Слот ожидания – промежуток времени фиксированной длины Количество слотов ожидания компьютеры выбирают случайным образом в промежутке от 0 до 31 и уменьшают выбранное число

• 
  Слайд 28
  

  CSMA/CA Передача нового кадра начинается по истечении межкадрового интервала и достижении нулевого слота ожидания Начинает передачу тот компьютер, который выбрал наименьшее число слотов ожидания Компьютер передает кадр и ожидает подтверждения Если подтверждение не пришло: Произошла ошибка Произошла коллизия Производится повторная передача кадра Время ожидания увеличивается экспоненциально с каждой новой попыткой (как в Ethernet)

• 
  Слайд 29
  

  Протокол MACA Метод доступа CSMA/CA не решает проблему скрытой и засвеченной станции Теоретически это так На практике CSMA/CA почти всегда достаточно Протокол Multiple Access with Collision Avoidance (MACA) Предназначен для решения проблем скрытой и засвеченной станции Может использоваться в Wi-Fi (не обязательно) Применяется в основном в произвольном режиме (Ad-hoc) Перед отправкой данных компьютер отправляет управляющее сообщение: Request To Send (RTS) Сообщение короткое, коллизий почти не бывает Включает размер сообщения с данными Принимающий компьютер отвечает сообщением: Clear To Send (CTS) Также включает размер ожидаемого сообщения Компьютеры, увидевшее сообщение CTS ждут Время на передачу данных (размер данных в CTS) Время на передачу подтверждения

• 
  Слайд 30
  

  Протокол MACA: скрытая станция A B C RTS, 1500 байт

• 
  Слайд 31
  

  Протокол MACA: скрытая станция A B C СTS, 1500 байт СTS, 1500 байт

• 
  Слайд 32
  

  Протокол MACA: скрытая станция A B C Данные, 1500 байт

• 
  Слайд 33
  

  Протокол MACA: засвеченная станция A B C D RTS, 1500 байт RTS, 1500 байт

• 
  Слайд 34
  

  Протокол MACA: засвеченная станция A B C D СTS, 1500 байт СTS, 1500 байт

• 
  Слайд 35
  

  Протокол MACA: засвеченная станция A B C D Данные, 1500 байт Данные, 1500 байт

• 
  Слайд 36
  

  Формат кадра Wi-Fi уровня MAC

• 
  Слайд 37
  

  Формат кадра Wi-Fi уровня MAC Почему в кадре Wi-Fi четыре адреса? Назначение адресов: Адрес отправителя Адрес получателя Адрес точки доступа отправителя Адрес точки доступа получателя

• 
  Слайд 38
  

  Формат кадра Wi-Fi уровня MAC Почему в кадре Wi-Fi четыре адреса? Назначение адресов: Адрес отправителя Адрес получателя Адрес точки доступа отправителя Адрес точки доступа получателя

• 
  Слайд 39
  

  Адреса в кадре Wi-Fi RA – Receiver address TA – Transmitter address DA – Destination address SA - Source address BSSID – идентификатор сети

• 
  Слайд 40
  

  Типы кадров Wi-Fi Кадры данных Передача данных Кадры контроля Управление передачей данных Примеры: RTS, CTS Кадры управления Реализация сервисов Wi-Fi Примеры: ассоциация с точкой доступа Кадр данных Кадр формата LLC Максимальная длина 2304 байт (в Ethernet 1500 байт!) Может быть пустым (0 байт для кадра ACK) Кадры контроля и управления Управляющая информация Тело кадра Wi-Fi

• 
  Слайд 41
  

  Поле управления кадром Версия протокола Версия протокола 802.11 Тип кадра Данных, контроля, управления Подтип кадра Какой именно кадр заданного типа К DS/ От DS (к/от распределительной системы) Направление движения кадра при инфраструктурном режиме работы RT (ReTransmission) – признак повторной передачи кадра

• 
  Слайд 42
  

  Фрагментация кадров в Wi-Fi Ошибки при передаче случаются часто 1 ошибка на 1000 байт Можно ли передавать данные? Да, можно! Длинные кадры нужно разбить на фрагменты менее 1000 байт Скорость упадет, но данные будут передаваться Схема работы: Отправитель разбивает большой кадр на маленькие фрагменты Каждый фрагмент передается по сети отдельно Получатель записывает фрагменты в буфер Из фрагментов в буфере собирается один большой кадр Флаг MF в поле «Управление кадром» More Fragments (еще фрагменты) Признак использования фрагментации Фрагменты большого кадра передаются с установленным флагом MF Последний фрагмент передается без этого флага Поле «Управление очередностью»кадра уровня MAC Sequence Control (управление последовательностью/очередностью) Номер фрагмента

• 
  Слайд 43
  

  Управление питанием Wi-Fi часто используется в мобильных устройствах Очень важно экономить электроэнергию чтобы продлить срок работы батареи Стандарт IEEE 802.11 PSM Режимы работы станции: активный и спящий В спящем режиме станция не принимает и не передает данные Точка доступа записывает кадры для «спящей» станции в буфер «Спящая» станция регулярно просыпается и читает все кадры от точки доступа Передавать кадры станция может в любое время Флаг PM Power Management (управление питанием) Показывает, в каком режиме находится станция Флаг MD More Data (больше данных) Сигнализирует, что есть еще кадры для получения

• 
  Слайд 44
  

  Безопасность Wi-Fi Wi-Fi использует электромагнитное излучение для передачи данных: Данные доступны всем Защита данных встроена в Wi-Fi Шифрование Флаг Protection Frame в заголовке кадра Шифруются только данные, заголовки 802.11 передаются в открытом виде Wired Equivalent Privacy (WEP) – первоначальная схема, высокая уязвимость Выпущен в 1999, первая атака опубликована в 2001 Wi-Fi Protected Access (WPA) – временная улучшенная схема Выпущен в 2003 Wi-Fi Protected Access 2 (WPA2): Выпущен в 2004 Используется сейчас Стандарт 802.11i Шифрование на основе AES (Advanced Encryption Standard)

• 
  Слайд 45
  

  MIMO – Multiple Inputs / Multiple Outputsмножественные входы / множественные выходы

• 
  Слайд 46
  

  MIMO – Multiple Inputs / Multiple Outputs: различные варианты

• 
  Слайд 47
  

  MIMO – Multiple Inputs / Multiple Outputs: различные варианты

• 
  Слайд 48
  

  MIMO: Технология MRC – maximum ratio combining направлена на подъем уровня сигнала в направлении от Wi-Fi клиента к Точке Доступа WiFi

• 
  Слайд 49
  

  MIMO: ТехнологияTransmit beamforming управление диаграммой направленности ДН

• 
  Слайд 50
  

  MIMO: ТехнологияTransmit beamforming управление диаграммой направленности ДН Процесс калибровки выглядит следующим образом: Точка доступа формирует и отправляет специализированный кадр (NullDataPacketAnnouncement – NDPA) для оповещения клиента. В нем содержится информация о количестве передатчиков, количестве потоков и другие сопутствующие данные. Далее клиенту отправляется NullDataPacket (NDP). Это делается для того, чтобы клиент, анализируя информацию в заголовках на физическом уровне, смог сформировать отчет о полученном сигнале и отправить его обратно точке доступа. Клиент анализирует полученный (на всех антеннах) сигнал по каждой поднесущей и формирует матрицу направленности с определенной амплитудой и фазой. Данная матрица занимает достаточно большой объем (особенно с учетом ширины каналов в 11ac), поэтому ответ отправляется в сжатом виде. Получатель (точка доступа) на основании полученной от клиента информации формирует диаграмму направленности.

• 
  Слайд 51
  

  MIMO: ТехнологияTransmit beamforming управление диаграммой направленности ДН Формирование диаграммы направленности происходит следующим образом: каждая антенная начинает передавать некую суперпозицию всех пространственных потоков с определёнными коэффициентами (фаза, амплитуда). Причём коэффициенты для каждого потока на каждой антенне будут свои.Стоит обратить внимание, что реальный выигрыш от технологии формирования диаграммы направленности мы получаем только в том случае, если количество антенн на передачу у нас превосходит количество передаваемых пространственных потоков.Для многопользовательской передачи (multi-userbeamforming), процесс схожий, однако калибровка происходит для каждого клиента в отдельности.

• 
  Слайд 52
  

  MIMO: ТехнологияTransmit beamforming управление диаграммой направленности ДН Для реализации данной функции потребовалось изменить формат кадра на физическом уровне, добавив специализированные заголовки для согласования параметров с несколькими пользователями. Кроме того, появилось разделение кадра на получателей (кадр адресованный всем, кадр для конкретного клиента).

• 
  Слайд 53
  

  MIMO: ТехнологияTransmit beamforming управление диаграммой направленности ДН Для предотвращения интерференции передаваемого сигнала при многопользовательской передаче, диаграмма направленности для каждого клиента строится таким образом, что сигнал для соседних клиентов приходит в противофазе.

• 
  Слайд 54
  

  Администрирование сетей Wi-Fi: Контроллеры Wi-Fi + AP’s

• 
  Слайд 55
  

  Администрирование сетей Wi-Fi: SDN Контроллеры Wi-Fi

• 
  Слайд 56
  

  Администрирование сетей Wi-Fi: SDN Контроллеры Wi-Fi

• 
  Слайд 57
  

  High Density Wi-Fi - Wi-Fi высокой плотности

• 
  Слайд 58
  

  High Density Wi-Fi - Wi-Fi высокой плотности