Δίκτυα Επικοινωνιών ΙΙ Ενότητα 3: Ασύρματα Δίκτυα και Δίκτυα Κινητών επικοινωνιών Διδάσκων: Νίκος Πασσάς Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών

Δίκτυα Επικοινωνιών ΙΙ Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Συνιστώμενο Βιβλίο: Computer Networking: A Top-Down Approach, by Kurose & Ross, Addison-Wesley Ελληνική Μετάφραση: Εκδόσεις : Μ. Γκιούρδας Θεματικές Ενότητες (ΘΕ) μαθήματος: ΘΕ1: Εισαγωγή (Κεφ. 1 του βιβλίου) ΘΕ2: Επίπεδο ζεύξης και δίκτυα τοπικής περιοχής (Κεφ. 6 του βιβλίου) ΘΕ3: Ασύρματα δίκτυα και δίκτυα κινητών επικοινωνιών (Κεφ. 7 του βιβλίου) ΘΕ4: Δικτύωση πολυμέσων (Κεφ. 9 του βιβλίου) ΘΕ5: Ασφάλεια σε δίκτυα υπολογιστών (Κεφ. 8 του βιβλίου) Οι περισσότερες από τις διαφάνειες αυτές αποτελούν προσαρμογή και απόδοση στα ελληνικά των διαφανειών που συνοδεύουν το βιβλίο Computer Networking : A Top-Down Approach, J.F Kurose and K.W. Ross, 6/E, Addison-Wesley. All material copyright 1996-2012 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Προσαρμογή και επιμέλεια της απόδοσης των πρωτότυπων διαφανειών στα ελληνικά : Λάζαρος Μεράκος

Διάρθρωση θεματικής ενότητας 7.1 Εισαγωγή Ασύρματη Επικοινωνία 7.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 7.3 IEEE 802.11 ασύρματα LANs (“Wi-Fi”) 7.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Διαδίκτυο αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 7.5 Διαχείριση κινητικότητα 7.6 Mobile IP 7.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 7.8 Ασύρματες επικοινωνίες και κινητικότητα 7.9 Ανασκόπηση Wireless, Mobile Networks

Ανάπτυξη κινητών επικοινωνιών Wireless, Mobile Networks

Ανάπτυξη κινητών επικοινωνιών Wireless, Mobile Networks

Ανάπτυξη κινητών επικοινωνιών Wireless, Mobile Networks

Ανάπτυξη κινητών επικοινωνιών Wireless, Mobile Networks

Ανάπτυξη κινητών επικοινωνιών 1 ExaByte = 1018 bytes Wireless, Mobile Networks

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Wireless, Mobile Networks

ISM Band (Industrial Scientific Medical) Ελεύθερη προς χρήση χωρίς άδεια Χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο από τα WLANs Wireless, Mobile Networks

Χαρακτηριστικά επιλεγμένων ασύρματων προτύπων 200 802.11n 54 802.11a,g 802.11a,g point-to-point 5-11 802.11b 4G: LTWE WIMAX 4 3G: UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO Data rate (Mbps) 1 802.15 .384 2.5G: UMTS/WCDMA, CDMA2000 .056 2G: IS-95, CDMA, GSM Indoor 10-30m Outdoor 50-200m Mid-range outdoor 200m – 4 Km Long-range outdoor 5Km – 20 Km Wireless, Mobile Networks

Wireless Standards Mobility 0,1 1 10 100 1000 Mbps (PHY layer) UMTS WAN 802.11b WLAN Outdoor Fixed Walk Vehicle Indoor Fixed/ Desktop LTE-A High performance WLAN 802.11a/g GSM Wired LAN Bluetooth 0,1 1 10 100 1000 Mbps (PHY layer) Wireless, Mobile Networks

Ασύρματα και Κινητά Δίκτυα Ο αριθμός ασύρματων (κινητών) τηλεφωνικών συνδρομητών πλέον ξεπερνάει τον αριθμό ενσύρματων τηλεφωνικών συνδρομητών (5-προς-1)! Ο αριθμός ασύρματων συσκευών συνδεδεμένων στο Internet ισούται με τον αριθμό ενσύρματων συσκευών συνδεδεμένων στο Internet laptops, τηλέφωνα με ενεργοποιημένο Internet υπόσχονται ασύρματη πρόσβαση ανά πάσα στιγμή Δύο σημαντικές (αλλά διαφορετικές) προκλήσεις ασύρματη επικοινωνία κινητικότητα: διαχείριση του κινητού που αλλάζει σημείο σύνδεσης στο δίκτυο Wireless, Mobile Networks

Στοιχεία ασύρματου δικτύου Υποδομή δικτύου Wireless, Mobile Networks

Στοιχεία ασύρματου δικτύου Ασύρματα τερματικά laptop, smartphone τρέχουν εφαρμογές μπορεί να είναι στατικά ή κινητά το «ασύρματο» δε σημαίνει πάντα κινητικότητα Υποδομή Δικτύου Wireless, Mobile Networks

Στοιχεία ασύρματου δικτύου σταθμός βάσης Συνήθως συνδέεται στο ενσύρματο δίκτυο αναμετάδοση – υπεύθυνος για αποστολή πακέτων μεταξύ τερματικών ενσύρματου και ασύρματου δικτύου στην “περιοχή” του π.χ., κεραίες κινητής, 802.11 σημεία πρόσβασης Υποδομή Δικτύου Wireless, Mobile Networks

Στοιχεία ασύρματου δικτύου ασύρματη ζεύξη συνήθως συνδέει κινητά με το σταθμό βάσης χρησιμοποιείται και ως ζεύξη κορμού πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης συντονίζει την πρόσβαση στη ζεύξη ποικιλία ρυθμών δεδομένων, απόστασης μετάδοσης Υποδομή Δικτύου Wireless, Mobile Networks

Στοιχεία ασύρματου δικτύου λειτουργία υποδομής ο σταθμός βάσης συνδέει κινητά στο ενσύρματο δίκτυο μεταπομπή: το κινητό αλλάζει σταθμό βάσης Υποδομή Δικτύου Wireless, Mobile Networks

Στοιχεία ασύρματου δικτύου ad hoc λειτουργία χωρίς σταθμούς βάσης κόμβοι μπορούν μόνο να μεταδώσουν σε άλλους κόμβους εντός της περιοχής κάλυψης της ζεύξης οι κόμβοι αυτό-οργανώνονται σε ένα δίκτυο: μεταξύ τους δρομολόγηση D2D (Device-to-Device) Wireless, Mobile Networks

Ταξινόμηση ασύρματων δικτύων ένα άλμα πολλαπλά άλματα Το τερματικό συνδέεται στο σταθμό βάσης (WiFi, WiMAX, κυψελωτό) που το συνδέει στο ευρύτερο Internet Tο τερματικό ίσως πρέπει να αναμεταδώσει μέσω αρκετών ασύρματων κόμβων για να συνδεθεί στο ευρύτερο Internet: δίκτυο πλέγματος (mesh network) υποδομή (π.χ., APs) Xωρίς σταθμό βάσης, χωρίς σύνδεση στο ευρύτερο Internet. Ίσως πρέπει να αναμεταδώσει για να φθάσει ένα δοσμένο ασύρματο κόμβο MANET, VANET Χωρίς σταθμό βάσης, χωρίς σύνδεση στο ευρύτερο Internet (Bluetooth, ad hoc δίκτυα) χωρίς υποδομή Wireless, Mobile Networks

Διάρθρωση θεματικής ενότητας 7.1 Εισαγωγή Ασύρματη Επικοινωνία 7.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 7.3 IEEE 802.11 ασύρματα LANs (“Wi-Fi”) 7.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Διαδίκτυο αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 7.5 Διαχείριση κινητικότητα 7.6 Mobile IP 7.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 7.8 Ασύρματες επικοινωνίες και κινητικότητα 7.9 Ανασκόπηση Wireless, Mobile Networks

Υψηλός αριθμός λαθών Εξασθένηση σήματος λόγω Απόστασης Φυσικών εμποδίων Wireless, Mobile Networks

Υψηλός αριθμός λαθών Παρεμβολές από άλλες πηγές Πολλές συσκευές στην ίδια συχνότητα π.χ., 2.4 GHz ασύρματο τηλέφωνο αλληλο-παρεμβάλεται με το WiFi Η/Μ θόρυβος (π.χ., φούρνος μικροκυμάτων) Wireless, Mobile Networks

Υψηλός αριθμός λαθών Πολλαπλές διαδρομές Αντανάκλαση σε εμπόδια Πολλαπλά μονοπάτια Σύγχυση του δέκτη receiver transmitter Wireless, Mobile Networks

Πως χειριζόμαστε τα λάθη Σταθερά vs. κινητά Σταθερά: Λάθη εξαιτίας συμφόρησης Ασύρματα: περισσότερα και με διαφορετικά αίτια Τι κάνουμε Αύξηση της ισχύος μετάδοσης Περισσότερη κατανάλωση ενέργειας (κακό για τη μπαταρία) Δημιουργεί παρεμβολές σε άλλους δέκτες Έλεγχος και διόρθωση λαθών Πιο ισχυροί κώδικες (επεξεργασία, κατανάλωση καναλιού) Επαναμεταδόσεις (κατανάλωση καναλιού) Wireless, Mobile Networks

Χαρακτηριστικά Ασύρματης Ζεύξης (1) σημαντικές διαφορές από ενσύρματη ζεύξη …. μειωμένη ισχύς σήματος: το ραδιοσήμα εξασθενεί καθώς διαδίδεται μέσω ύλης (απώλειες διαδρομής) παρεμβολές από άλλες πηγές: προτυποποιημένες συχνότητες ασύρματου δικτύου (π.χ., 2.4 GHz) μοιράζονται με άλλες συσκευές (π.χ., τηλέφωνα) διάδοση πολλαπλών διαδρομών : ραδιοσήμα ανακλάται από αντικείμενα στο έδαφος, φθάνοντας στον προορισμό σε ελαφρώς διαφορετικούς χρόνους …. κάνει την επικοινωνία κατά μήκος της ασύρματης ζεύξης (ακόμα και «σημείου προς σημείο») πολύ πιο “δύσκολη” Wireless, Mobile Networks

Χαρακτηριστικά Ασύρματης Ζεύξης (2) SNR: λόγος σήματος προς θόρυβο μεγαλύτερο SNR – ευκολότερο να εξάγει σήμα από το θόρυβο (είναι καλό) SNR και BER δεδομένου φυσικού επιπέδου: αύξηση ισχύος -> αύξηση SNR->μείωση BER δεδομένου SNR: επίλεξε το φυσικό επίπεδο που ικανοποιεί την απαίτηση BER, δίνοντας μέγιστη απόδοση το SNR μπορεί να αλλάξει με την κινητικότητα: δυναμική προσαρμογή φυσικού επιπέδου (τεχνική διαμόρφωσης, ρυθμός) 10-1 10-2 10-3 BER 10-4 10-5 10-6 10-7 10 20 30 40 SNR(dB) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) Wireless, Mobile Networks

Διαμόρφωση Σήματος (Modulation) s(t) = A(t) cos(f(t) t +(t)) (a) μη διαμορφωμένο (ψηφιακό) σήμα (b) διαμόρφωση εύρους (AM) s(t) = A(t) cos(f t +) (c) διαμόρφωση συχνότητας (FM) s(t) = A cos(f(t) t +) FSK (frequency shift keying) τεχνική για ψηφιακά σήματα (d) διαμόρφωση φάσης (PM) s(t) = A cos(f t +(t)) phase shift keying (PSK) f : φέρουσα συχνότητα Phase shift 180o Phase shift 90o Wireless, Mobile Networks

Sample Rate=Samples/sec (Baud Rate) During one Sample one “symbol” is sent Symbol=piece of information=level of voltage Στην απλούστερη περίπτωση: 1 symbol = 1 bit (0/1) = voltage/no voltage Για να αυξήσουμε την ταχύτητα μετάδοσης δε μπορούμε να μειώνουμε το sample επ’ άπειρον. Μπορούμε όμως να αυξάνουμε τον αριθμό των πιθανών symbols (επιπέδων έντασης μετάδοσης, δηλαδή εύρους σήματος) Συνηθέστερος συνδυασμός της τεχνικής αυτής με PSK. Wireless, Mobile Networks

QAM-16 = 4 phase shifts, 4 amplitude levels, 4 bits/symbol BPSK (Binary Phase Shift Keying) = 2 phase shifts, 1 amplitude level, 1 bit/symbol QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) = 4 phase shifts, 1 amplitude level, 2 bits/symbol QAM-16 = 4 phase shifts, 4 amplitude levels, 4 bits/symbol QAM-64 = 4 phase shifts, 16 amplitude levels, 6 bits/symbol QPSK QAM-16 QAM-64 Wireless, Mobile Networks

Χαρακτηριστικά Ασύρματης Ζεύξης (3) Πολλαπλοί ασύρματοι αποστολείς και παραλήπτες δημιουργούν επιπλέον προβλήματα (πέραν της πολλαπλής πρόσβασης): A B C C C’s signal strength A’s signal strength B A Πρόβλημα κρυμμένου τερματικού B, A ακούνε ο ένας τον άλλο B, C ακούνε ο ένας τον άλλο A, C δεν ακούνε ο ένας τον άλλο: σημαίνει πως οι A, C αγνοούν τις παρεμβολές τους στο B space Εξασθένηση σήματος: B, A ακούνε ο ένας τον άλλο B, C ακούνε ο ένας τον άλλο A, C αγνοούν τις παρεμβολές τους στο B Wireless, Mobile Networks

Code Division Multiple Access (CDMA) (Πολλαπλή Πρόσβαση με Διαίρεση Κώδικα) μοναδικός “κώδικας” ανατίθεται σε κάθε χρήστη όλοι οι χρήστες μοιράζονται την ίδια συχνότητα, αλλά ο καθένας έχει δική του “chipping” ακολουθία (π.χ., κώδικας) για την κωδικοποίηση των δεδομένων επιτρέπει σε πολλαπλούς χρήστες να “συνυπάρχουν” και να μεταδίδουν ταυτόχρονα με ελάχιστες παρεμβολές (αν οι κώδικες είναι “ορθογώνιοι”) κωδικοποιημένο σήμα = (αρχικά δεδομένα) x (ακολουθία chipping) αποκωδικοποίηση: εσωτερικό γινόμενο του κωδικοποιημένου σήματος και chipping ακολουθίας Wireless, Mobile Networks

CDMA κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση channel output Zi,m d1 = -1 1 - Zi,m= di.cm data bits d0 = 1 1 - 1 - 1 - πομπός slot 1 channel output slot 0 channel output code slot 1 slot 0 Di = S Zi,m.cm m=1 M received input 1 - 1 - d0 = 1 d1 = -1 slot 1 channel output slot 0 channel output code δέκτης slot 1 slot 0 Wireless, Mobile Networks

CDMA: παρεμβολή δύο αποστολέων το κανάλι προσθέτει τις μεταδόσεις των αποστολέων 1 και 2 Αποστολέας 1 Αποστολέας 2 χρησιμοποιώντας ίδιο κώδικα με τον αποστολέα 1, ο δέκτης ανακτά τα αρχικά δεδομένα του αποστολέα 1 από τα δεδομένα του αθροιστικού καναλιού! Wireless, Mobile Networks

Διάρθρωση θεματικής ενότητας 7.1 Εισαγωγή Ασύρματη Επικοινωνία 7.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 7.3 IEEE 802.11 ασύρματα LANs (“Wi-Fi”) 7.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Διαδίκτυο αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 7.5 Διαχείριση κινητικότητα 7.6 Mobile IP 7.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 7.8 Ασύρματες επικοινωνίες και κινητικότητα 7.9 Ανασκόπηση Wireless, Mobile Networks

IEEE 802.11 Ασύρματο LAN 802.11a 802.11b 5-6 GHz εύρος ως 54 Mbps 802.11g 2.4-5 GHz εύρος 802.11n: πολλαπλές κεραίες ως 200 Mbps 802.11b 2.4-5 GHz μη αδειοδοτημένο φάσμα ως 11 Mbps Διασπορά φάσματος άμεσης ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum-DSSS) στο φυσικό επίπεδο όλα τα τερματικά χρησιμοποιούν τον ίδιο chipping κωδικό όλα χρησιμοποιούν CSMA/CA για πολλαπλή πρόσβαση όλα έχουν εκδοχές δικτύων σταθμού βάσης και ad-hoc Wireless, Mobile Networks

802.11 LAN : αρχιτεκτονική το ασύρματο τερματικό επικοινωνεί με το σταθμό βάσης σταθμός βάσης = σημείο πρόσβασης (AP) Basic Service Set (BSS) (δλδ “κυψέλη”) σε λειτουργία υποδομής περιέχει: ασύρματα τερματικά σημεία πρόσβασης (AP): σταθμός βάσης ad hoc λειτουργία: μόνο τερματικά Internet hub, switch, router BSS 1 BSS 2 Wireless, Mobile Networks

802.11: Κανάλια, σύνδεση τερματικό: πρέπει να συνδεθεί με ένα AP 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz φάσμα, διαιρείται σε 13 κανάλια σε διαφορετικές συχνότητες Ο AP admin επιλέγει συχνότητα για το AP πιθανή παρεμβολή: το κανάλι μπορεί να είναι ίδιο με του γειτονικού AP! τερματικό: πρέπει να συνδεθεί με ένα AP σαρώνει τα κανάλια, ακούει για πλαίσια beacon που περιέχουν το όνομα (SSID) και την MAC διεύθυνση του AP επιλέγει AP για να συνδεθεί ίσως εκτελέσει πιστοποίηση [βλέπε ΘΕ4: ασφάλεια δικτύων] συνήθως θα τρέξει DHCP για να πάρει IP διεύθυνση στο subnet του AP Wireless, Mobile Networks

802.11: παθητική/ενεργητική σάρωση AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS 1 1 2 3 4 ενεργητική σάρωση: broadcast πλαίσιο αίτησης ανίχνευσης από H1 πλαίσια αίτησης ανίχνευσης από APs πλαίσιο αίτησης σύνδεσης : από H1 προς επιλεγμένο AP πλαίσιο απόκρισης σύνδεσης: από επιλεγμένο AP προς H1 BBS 1 BBS 2 1 1 AP 1 AP 2 2 3 H1 παθητική σάρωση: beacon πλαίσια από APs πλαίσιο αίτησης σύνδεσης: από H1 προς επιλεγμένο AP πλαίσιο απόκρισης σύνδεσης: από επιλεγμένο AP προς H1 Wireless, Mobile Networks 6-39

Πρωτόκολλα Πολλαπλής Πρόσβασης Τύποι Καναλιών Κανάλια εκπομπής (Broadcast channels) (τουλάχιστον) ένας μεταδίδει και (πιθανώς) πολλοί λαμβάνουν (ταυτόχρονα) Κανάλια πολλαπλής προσπέλασης (Multi-access channels) Πολλοί μεταδότες χρησιμοποιούν το (μονό) κανάλι για να επικοινωνήσουν με (τουλάχιστον) ένα παραλήπτη (όχι απαραίτητα ταυτόχρονα) Πιθανότατα επικοινωνούν μεταξύ τους Παράδειγμα:κινητό τηλέφωνο και ένας σταθμός βάσης Κινητό βάση (στην εγκατάσταση σύνδεσης):κανάλια πολλαπλής προσπέλασης (μόνο ο σταθμός βάσης μπορεί να λάβει) Βάση κινητό (π.χ. Κατά την σελιδοποίηση): μεταδίδει αλλά όχι μέσω καναλιού πολλαπλής προσπέλασης και μόνο η βάση μπορεί να μεταδώσει

ΑLOHA (Καθαρό - Pure) Συνεχής χρόνος, μετάδοση οποιαδήποτε χρονική στιγμή Δεν υπάρχει συγχρονισμός και ο κάθε κόμβος ξεκινά τη μετάδοση αμέσως μόλις δεχτεί το πακέτο στην ουρά του (άφιξη πακέτου) Εάν υπάρξει σύγκρουση το πακέτο επαναμεταδίδεται μετά από τυχαίο χρονικό διάστημα

Τεμαχισμένο ALOHA (Slotted) Σταθερό μέγεθος πακέτων Xρόνος μετάδοσης πακέτου =μέγεθος χρονοθυρίδας (slot) Κάθε πακέτο μεταδίδεται στην πρώτη χρονοθυρίδα μετά την άφιξη του Απαιτείται συγχρονισμός Σε περίπτωση σύγκρουσης η μετάδοση επαναλαμβάνεται μετά από τυχαίο αριθμό χρονοθυρίδων

Ρυθμαπόδοση (Throughput)

Πολλαπλή Προσπέλαση Ανίχνευσης Φέροντος (CSMA) Ένας κόμβος μπορεί να ακούσει αν άλλοι κόμβοι μεταδίδουν ύστερα από ένα χρονικό διάστημα Εφόσον οι κόμβοι μπορούν να ακούσουν μεταδόσεις άλλων, μπορούν να αναβάλουν τη μετάδοσή τους, ώστε να αποφύγουν μια βέβαιη σύγκρουση Δεν αποφεύγονται όλες οι συγκρούσεις εξαιτίας της αργοπορημένης ανίχνευσης μετάδοσης (καθυστέρηση διάδοσης σήματος)

Πολλαπλή Προσπέλαση Ανίχνευσης Φέροντος Mε Ανίχνευση Σύγκρουσης(CSMA/CD) κάθε κόμβος μπορεί να ακούσει το μέσο πριν μεταδώσει και οι φυσικές ιδιότητες του μέσου επιτρέπουν σε ένα κόμβο να ακούει το κανάλι ενώ μεταδίδει δύσκολο να εφαρμοστεί σε ασύρματες μεταδόσεις αμέσως μόλις ο κόμβος ανιχνεύσει την σύγκρουση: εγκαταλείπει τη μετάδοση περιμένει τυχαίο χρονικό διάστημα πριν ξαναπροσπαθήσει Χρησιμοποιείται στο Ethernet protocol stack framework kai downward flow of information RSVP/CBQ panw apo to IP. To CBQ (Class Based Queueing) exei prota0ei apo Floyd kai Jacobson gia na moirazei ierarxika to bandwidth anamesa se diafores klaseis (oi klaseis kai oi proteraiothtes kai bandwidth shares orizontai me allo mhxanismo, p.x. RSVP) kai na stelnei paketa, se ka0e gateway. Opote h logikh einai oti yparxei ena hop by hop scheduling panw apo to IP (ginetai setup me to RSVP kai to scheduling ginetai me to CBQ) kai sto link layer ta enhanced services pou prosferontai efarmozontai se ka0e paketo analoga me thn metaxeirish pou xreiazetai. Opote ef'oson RSVP/CBQ kanoun to bandwidth sharing, to diko mas link layer scheduler apla diathrei ayta ta bandwidth shares (ta priorites epishs orizontai apo to RSVP/CBQ, emeis loipon den asxoloumaste). Mesa sto link layer, o packet classifier stelnei ka0e paketo se ena protocol module (ARQ, FEC, tipota, mikto), kai to ka0e module stelnei ta paketa tou se mia xwristh oura (efarmozei fysika tous mhxanismous tous oi opoioi den aforoun oute ton scheduler oute ton classifier). O scheduler stelnei paketa dialegontas poia oura 0a e3yphrethsei, kai dinei to frame sto MAC sublayer for transmission. O scheduler dialegei poso bandwidth 0a dwsei analoga me to poso load was offered from IP (which is defined by the RSVP/CBQ mechanisms).

IEEE 802.11: πολλαπλή πρόσβαση αποφυγή συγκρούσεων: >1 κόμβοι μεταδίδουν την ίδια στιγμή 802.11: CSMA – “αφουγκράζεται” το κανάλι πριν μεταδώσει μη συγκρουστείς με εν εξελίξει μετάδοση από άλλο κόμβο 802.11: χωρίς ανίχνευση σύγκρουσης! δύσκολο να λάβει (ανιχνεύσει συγκρούσεις) όταν μεταδίδει λόγω αδύναμων λαμβανόμενων σημάτων (εξασθένιση) δεν μπορεί να αντιληφθεί όλες τις συγκρούσεις σε κάθε περίπτωση: κρυμμένο τερματικό, εξασθένιση στόχος: αποφυγή συγκρούσεων: CSMA/C(ollision)A(voidance) A B C A’s signal strength C’s signal A B C space Wireless, Mobile Networks 6-46

IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA 802.11 αποστολέας αν «αισθανθείς» το κανάλι αδρανές για DIFS τότε μετάδωσε ολόκληρο το πλαίσιο (όχι CD) αν «αισθανθείς» το κανάλι απασχολημένο τότε ξεκίνησε τυχαίο χρόνο οπισθοχώρησης χρονομετρητής μετράει αντίστροφα όταν το κανάλι είναι αδρανές μετάδωσε όταν λήξει ο χρονομετρητής αν δεν λάβεις ACK, αύξησε το τυχαίο διάστημα οπισθοχώρησης, επανάλαβε το 2 802.11 δέκτης αν το πλαίσιο παραληφθεί OK στείλε ACK μετά από SIFS (ACK χρειάζεται λόγω προβλήματος κρυμμένου τερματικού) sender receiver DIFS data SIFS ACK Wireless, Mobile Networks 6-47

802.11 - CSMA/CA access method Freie Universität Berlin Institut of Computer Science Mobile Communications 2002 802.11 - CSMA/CA access method Αποστολή πακέτων Ο κόμβος πρέπει να διαπιστώσει το κανάλι αδρανές για χρόνο ίσο με DIFS πριν στείλει δεδομένα Ο παραλήπτης επιβεβαιώνει (μετά από χρόνο SIFS) αν το πακέτο παρελήφθη σωστά (CRC) Σε περίπτωση λάθους, επαναμέταδοση μετά από τυχαίο χρόνο DIFS data sender SIFS ACK receiver DIFS data other stations t waiting time contention Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller 48

Αποφυγή συγκρούσεων (περισσότερα) ιδέα: επίτρεψε στον αποστολέα να “κάνει κράτηση” στο κανάλι αντί για τυχαία πρόσβαση των πλαισίων δεδομένων  αποφυγή συγκρούσεων μεγάλων πλαισίων δεδομένων ο αποστολέας πρώτα μεταδίδει μικρά πακέτα request-to-send (RTS) (αίτηση για αποστολή) στο BS (σταθμό βάσης) χρησιμοποιώντας CSMA τα RTS μπορεί να συγκρουστούν μεταξύ τους (αλλά είναι μικρά) BS εκπέμπει clear-to-send (CTS) σε απόκριση του RTS το CTS (clear to send – “ελεύθερο” για αποστολή) ακούγεται από όλους τους κόμβους ο αποστολέας μεταδίδει πλαίσιο δεδομένων οι άλλοι σταθμοί αναβάλλουν τις μεταδόσεις απόφυγε συγκρούσεις πλαισίων δεδομένων εντελώς, χρησιμοποιώντας μικρά πακέτα κράτησης! Wireless, Mobile Networks 6-49

Αποφυγή Συγκρούσεων: «κράτηση» καναλιού μέσω RTS-CTS A B AP RTS(A) RTS(B) σύγκρουση RTS(A) CTS(A) αναβολή DATA (A) ACK(A) χρόνος Wireless, Mobile Networks 6-50

Αποφυγή σύγκρουσης στον κόμβο Β RTS CTS C B A CTS CTS D

Collision Avoidance: RTS-CTS exchange Freie Universität Berlin Institut of Computer Science Mobile Communications 2002 Collision Avoidance: RTS-CTS exchange Αποστολή πακέτων Ο κόμβος πρέπει να διαπιστώσει το κανάλι αδρανές για χρόνο ίσο με DIFS πριν στείλει RTS Ο παραλήπτης επιβεβαιώνει (μετά από χρόνο SIFS) ότι μπορεί να λάβει στέλνοντας CTS Ο κόμβος στέλνει τα δεδομένα μετά από χρόνο SIFS Ο παραλήπτης επιβεβαιώνει (μετά από χρόνο SIFS) αν το πακέτο παρελήφθη σωστά (CRC) Σε περίπτωση λάθους, επαναμέταδοση μετά από τυχαίο χρόνο DIFS RTS data sender SIFS SIFS SIFS CTS ACK receiver DIFS NAV (RTS) data other stations NAV (CTS) t defer access contention Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller 52

Distributed Coordination Function Sense the medium No medium free for t > DIFS ? Yes Backoff and Send RTS Yes Collision ? No Backoff Receive CTS Send data Yes (Retransmission) Error ? No Receive ACK DIFS: DCF Interframe Space

Fragmentation Why fragment? DIFS RTS frag1 frag2 sender SIFS SIFS SIFS Freie Universität Berlin Institut of Computer Science Mobile Communications 2002 Fragmentation DIFS RTS frag1 frag2 sender SIFS SIFS SIFS SIFS SIFS CTS ACK1 ACK2 receiver NAV (RTS) NAV (CTS) DIFS NAV (frag1) data other stations NAV (ACK1) t contention Why fragment? Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller 54

Παράδειγμα Μετάδοσης με DCF CTS RTS 2 Το CW διπλασιάζεται μετά από κάθε σύγκρουση Initial CW -> 3 (τιμές backoff 0-3) CW after Collision 1  7 (τιμές backoff 0-7) CW after Collision 2  15 (τιμές backoff 0-15) CW after Collision 3  31 (τιμές backoff 0-31) CW after Collision 4  63 (τιμές backoff 0-63)

Βασικά Μειονεκτήματα DCF Απρόβλεπτος αριθμός συγκρούσεων Απρόβλεπτες καθυστερήσεις επιτυχούς μετάδοσης Απρόβλεπτη ρυθμαπόδοση (throughput) Μη ελεγχόμενη επιλογή σταθμού προς μετάδοση Και ένα πλεονέκτημα: Χαμηλή καθυστέρηση μετάδοσης και καλή απόδοση σε χαμηλό φόρτο

802.11 πλαίσιο: διευθυνσιοδότηση frame control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 0 - 2312 seq Διεύθυνση 4: χρησιμοποιείται μόνο σε ad hoc λειτουργία Διεύθυνση 1: MAC διεύθυνση ασύρματου τερματικού ή AP που λαμβάνει αυτό το πλαισίο Διεύθυνση 3: MAC διεύθυνση διεπαφής δρομολογητή στην οποία συνδέεται το AP Διεύθυνση 2: MAC διεύθυνση ασύρματου τερματικού ή AP που μεταδίδει αυτό το πλαίσιο Wireless, Mobile Networks 6-57

802.11 πλαίσιο: διευθυνσιοδότηση Internet router AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address 3 802.11 frame H1 R1 R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address 802.3 frame Wireless, Mobile Networks 6-58

802.11 πλαίσιο: περισσότερα # ακολουθίας πλαισίου (για έλεγχο λαθών) διάρκεια εκχωρημένου χρόνου μετάδοσης (RTS/CTS) frame control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 0 - 2312 seq Type From AP Subtype To More frag WEP data Power mgt Retry Rsvd Protocol version 2 4 1 τύπος πλαισίου (RTS, CTS, ACK, data) Wireless, Mobile Networks 6-59

802.11: κινητικότητα εντός του ίδιου subnet Ο H1 παραμένει στο ίδιο IP υποδίκτυο: η IP διεύθυνση μπορεί να παραμείνει ίδια μεταγωγέας: ποιό AP συνδέεται με τον H1; αυτο-εκμάθηση: ο μεταγωγέας θα δει το πλαίσιο από το H1 και θα “θυμηθεί” ποιά θύρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να φθάσει στον H1 H1 BBS 2 BBS 1 Wireless, Mobile Networks 6-60

802.11: προχωρημένες δυνατότητες Προσαρμογή ρυθμού σταθμός βάσης, κινητό δυναμικά αλλάζουν ρυθμό μετάδοσης (τεχνική διαμόρφωσης φυσικού επιπέδου) καθώς μετακινείται το κινητό, το SNR ποικίλλει 10-1 10-2 10-3 BER 10-4 10-5 10-6 10-7 10 20 30 40 SNR(dB) 1. SNR μειώνεται, BER αυξάνεται καθώς ο κόμβος απομακρύνεται από το σταθμό βάσης QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 2. Όταν το BER γίνεται πολύ μεγάλο, μεταβαίνει σε χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης αλλά με μικρότερο BER operating point Wireless, Mobile Networks 6-61

802.11: προηγμένες δυνατότητες διαχείριση ενέργειας κόμβος προς AP: “Θα κοιμηθώ μέχρι το πλαίσιο beacon” το AP γνωρίζει ότι δεν πρέπει να μεταδίδει προς αυτό τον κόμβο ο κόμβος “ξυπνάει” πριν το επόμενο beacon πλαίσιο πλαίσιο beacon : περιέχει λίστα των κινητών με πλαίσια από το AP προς το κινητό που περιμένουν για αποστολή ο κόμβος θα παραμείνει “ξύπνιος” αν υπάρχουν πλαίσια από το AP προς το κινητό που περιμένουν για αποστολή αλλιώς κοιμάται ξανά μέχρι το επόμενο beacon πλαίσιο Wireless, Mobile Networks 6-62

802.15: personal area network λιγότερο από 10 m διάμετρο αντικατάσταση καλωδίου (ποντίκι, πληκτρολόγιο, ακουστικά) ad hoc: χωρίς υποδομή master/slaves: slaves αιτούνται άδειας να στείλουν (στον master) master δέχεται αιτήματα 802.15: εξελίχθηκε από προδιαγραφή του Bluetooth 2.4-2.5 GHz ζώνη συχνοτήτων ως 721 kbps P S P radius of coverage M P S S P M S Master device Slave device Parked device (inactive) P Wireless, Mobile Networks 6-63

Frequency Ηopping Spread Spectrum time slot duration=625μsec (very short) Short slot = small collision probability On collision, transmission to the next slot in another frequency

Επικοινωνία στα 2,4GHz (II) Το Bluetooth χρησιμοποιεί ένα FHSS σχήμα υλοποιώντας 1600hops/sec Ο παραλήπτης πρέπει να γνωρίζει τον αλγόριθμο αλλαγής συχνότητας Παρέχει μειωμένη πιθανότητα συγκρούσεων πακέτων γρηγορότερη επίλυση συγκρούσεων ασφάλεια από υποκλοπές

Παράδειγμα Αρχιτεκτονικής (Ι) active slave master parked slave standby

Καταστάσεις Slave Active: Ακούει πάντα μεταδόσεις από το master άμεση ανταπόκριση, μεγάλη κατανάλωση Sniff: Ακούει περιοδικά το master, ο οποίος τότε μόνο μεταδίδει για το συγκεκριμένο slave μέτρια ανταπόκριση, μέτρια κατανάλωση Hold: Σταματά να ακούει για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα Park: Διατηρεί το συγχρονισμό αλλά δε θεωρείται ενεργός αργή ανταπόκριση, μικρή κατανάλωση Standby: Δεν είναι συνδεδεμένος με κανένα master

maximum polling interval = minimum guaranteed bandwidth Ποιότητα Υπηρεσίας Οι συνδέσεις που υποστηρίζει το Bluetooth χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Σύγχρονες (Synchronous - SCO): με σταθερό ρυθμό γέννησης κίνησης (τέτοιες είναι συνήθως οι συνδέσεις φωνής) Ασύγχρονες (Asynchronous - ACL): με μεταβλητό ρυθμό γέννησης κίνησης SCO mode: optional ACL mode: mandatory Τα πακέτα SCO έχουν προτεραιότητα απέναντι στα ACL Για τις ACL ορίζεται η παράμετρος: maximum polling interval = minimum guaranteed bandwidth

Παράδειγμα μετάδοσης SCO ACL ACL ACL ACL MASTER SLAVE 1 SLAVE 2 SLAVE 3 * Για το πότε γίνονται αποστολές/λήψεις σε/από slaves απαιτείται ειδικός αλγόριθμος (scheduling) που δεν ορίζεται στο πρότυπο του Bluetooth

Διάρθρωση θεματικής ενότητας 7.1 Εισαγωγή Ασύρματη Επικοινωνία 7.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 7.3 IEEE 802.11 ασύρματα LANs (“Wi-Fi”) 7.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Διαδίκτυο αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 7.5 Διαχείριση κινητικότητα 7.6 Mobile IP 7.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 7.8 Ασύρματες επικοινωνίες και κινητικότητα 7.9 Ανασκόπηση Wireless, Mobile Networks 6-70

Συστατικά αρχιτεκτονικής κυψελωτού δικτύου συνδέει κυψέλες σε ενσύρματα τηλεφωνικά δίκτυα διαχειρίζεται την εγκατάσταση κλήσης διαχειρίζεται την κινητικότητα MSC καλύπτει γεωγραφική περιοχή σταθμός βάσης (BS) ανάλογος με 802.11 AP κινητοί χρήστες συνδέονται στο δίκτυο μέσω του BS διεπαφή αέρα: πρωτόκολλο επιπέδων ζεύξης και φυσικού μεταξύ κινητού και BS κυψέλη Mobile Switching Center Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο ενσύρματο δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-71

Κυψελωτά δίκτυα: πρώτο άλμα 2 τεχνικές διαμοιρασμού ραδιοφάσματος από το κινητό και το BS συνδυασμένο FDMA/TDMA: διαιρεί το φάσμα σε υποκανάλια συχνότητας, διαιρεί κάθε κανάλι σε χρονοθυρίδες CDMA: code division multiple access frequency bands time slots Wireless, Mobile Networks 6-72

2G (φωνή) αρχιτεκτονική δικτύου Base station system (BSS) MSC BTS G BSC Public telephone network Gateway MSC Legend Base transceiver station (BTS) Base station controller (BSC) Mobile Switching Center (MSC) Mobile subscribers Wireless, Mobile Networks 6-73

3G (φωνή+δεδομένα) αρχιτεκτονική δικτύου MSC G Public telephone network radio network controller Gateway MSC G Public Internet SGSN Κεντρική εικόνα: το νέο κυψελωτό δίκτυο δεδομένων λειτουργεί παράλληλα (εκτός της άκρης) με το υπάρχον κυψελωτό δίκτυο φωνής δίκτυο φωνής αμετάβλητο στον πυρήνα GGSN Serving GPRS Support Node (SGSN) Gateway GPRS Support Node (GGSN) Wireless, Mobile Networks 6-74

3G (φωνή+δεδομένα) αρχιτεκτονική δικτύου MSC G Public telephone network radio network controller Gateway MSC G Public Internet SGSN GGSN διεπαφή ραδιοσυχνοτήτων (WCDMA, HSPA) δίκτυο ραδιοπρόσβασης Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) δίκτυο κορμού General Packet Radio Service (GPRS) Core Network δημόσιο Internet Wireless, Mobile Networks 6-75

Διάρθρωση θεματικής ενότητας 7.1 Εισαγωγή Ασύρματη Επικοινωνία 7.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 7.3 IEEE 802.11 ασύρματα LANs (“Wi-Fi”) 7.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Διαδίκτυο αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 7.5 Διαχείριση κινητικότητα 7.6 Mobile IP 7.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 7.8 Ασύρματες επικοινωνίες και κινητικότητα 7.9 Ανασκόπηση Wireless, Mobile Networks 6-76

Τι είναι η κινητικότητα; φάσμα κινητικότητας, από την άποψη του δικτύου: καθόλου κινητικότητα υψηλή κινητικότητα κινητός ασύρματος χρήστης, χρησιμοποιεί το ίδιο ΑΡ κινητός χρήστης, συνδέεται/ αποσυνδέεται από το δίκτυο με χρήση DHCP κινητός χρήστης, περνάει μέσω πολλαπλών ΑΡ ενώ διατηρεί τις τρέχουσες συνδέσεις (όπως το κινητό) Wireless, Mobile Networks 6-77

Κινητικότητα: Λεξιλόγιο οικιακό δίκτυο: μόνιμη “κατοικία” του κινητού (π.χ., 128.119.40/24) οικιακός πράκτορας: οντότητα που θα εκτελέσει λειτουργίες διαχείρισης κινητικότητας εκ μέρους του κινητού, όταν αυτό κινείται wide area network μόνιμη διεύθυνση: διεύθυνση οικιακού δικτύου, μπορεί πάντα να χρησιμοποιηθεί για να έρθουμε σε επαφή με το κινητό πχ, 128.119.40.186 Wireless, Mobile Networks 6-78

Κινητικότητα: περισσότερο λεξιλόγιο επισκεπτόμενο δίκτυο: δίκτυο στο οποίο το κινητό βρίσκεται προς το παρόν (π.χ., 79.129.13/24) μόνιμη διεύθυνση: παραμένει σταθερή (π.χ., 128.119.40.186) care-of-address: address in visited network. (e.g., 79,129.13.2) wide area network ξένος πράκτορας: οντότητα στο επισκεπτόμενο δίκτυο που θα εκτελέσει λειτουργίες κινητικότητας εκ μέρους του κινητού. ανταποκριτής: θέλει να επικοινωνήσει με το κινητό Wireless, Mobile Networks 6-79

Πώς επικοινωνείς με μια κινητή φίλη: Πως βρίσκεις μιά φίλη που αλλάζει συχνά διευθύνσεις; Πού να πήγε η Αλίκη; ψάχνεις όλους τους τηλεφωνικούς καταλόγους; καλείς τους γονείς της; περιμένεις να σε ενημερώσει για το που βρίσκεται; Wireless, Mobile Networks 6-80

Κινητικότητα: προσεγγίσεις άσε τη δρομολόγηση να το αναλάβει: οι δρομολογητές διαφημίζουν τη μόνιμη διεύθυνση των κινητών κόμβων μέσω της συνήθους ανταλλαγής πινάκων δρομολόγησης πίνακες δρομολόγησης υποδεικνύουν που βρίσκεται κάθε κινητό χωρίς αλλαγές στα τερματικά άσε τα τερματικά να το αναλάβουν: έμμεση δρομολόγηση: επικοινωνία από ανταποκριτή προς κινητό μέσω του οικιακού πράκτορα, μετά προωθείται στο κινητό άμεση δρομολόγηση: ανταποκριτής παίρνει την ξένη διεύθυνση του κινητού, στέλνει απευθείας στο κινητό Wireless, Mobile Networks 6-81

Κινητικότητα: προσεγγίσεις άσε τη δρομολόγηση να το αναλάβει: οι δρομολογητές διαφημίζουν τη μόνιμη διεύθυνση των κινητών κόμβων μέσω της συνήθους ανταλλαγής πινάκων δρομολόγησης πίνακες δρομολόγησης υποδεικνύουν που βρίσκεται κάθε κινητό χωρίς αλλαγές στα τερματικά άσε τα τερματικά να το αναλάβουν: έμμεση δρομολόγηση: επικοινωνία από ανταποκριτή προς κινητό μέσω του οικιακού πράκτορα, μετά προωθείται στο κινητό άμεση δρομολόγηση: ανταποκριτής παίρνει την ξένη διεύθυνση του κινητού, στέλνει απευθείας στο κινητό δεν κλιμακώνεται σε εκατομμύρια κινητά Wireless, Mobile Networks 6-82 82

Κινητικότητα: εγγραφή επισκεπτόμενο δίκτυο οικιακό δίκτυο wide area network 1 το κινητό επικοινωνεί με τον ξένο πράκτορα μπαίνοντας στο επισκεπτόμενο δίκτυο 2 ο ξένος πράκτορας επικοινωνεί με τον οικιακό πράκτορα: “αυτό το κινητό βρίσκεται στο δίκτυό μου” τελικό αποτέλεσμα: ο ξένος πράκτορας γνωρίζει για το κινητό ο οικιακός πράκτορας γνωρίζει τη θέση του κινητού Wireless, Mobile Networks 6-83

Κινητικότητα μέσω έμμεσης δρομολόγησης ξένος πράκτορας λαμβάνει πακέτα, τα προωθεί στο κινητό οικιακός πράκτορας παρακολουθεί τα πακέτα, τα προωθεί στον ξένο πράκτορα επισκεπτόμενο δίκτυο οικιακό δίκτυο 3 4 wide area network 1 2 ο ανταποκριτής κατευθύνει πακέτα χρησιμοποιώντας την οικιακή διεύθυνση του κινητού το κινητό απαντάει άμεσα στον ανταποκριτή Wireless, Mobile Networks 6-84

Έμμεση δρομολόγηση: σχόλια το κινητό χρησιμοποιεί 2 διευθύνσεις: μόνιμη: χρησιμοποιείται από τον ανταποκριτή (έτσι η θέση του κινητού είναι διαφανής στον ανταποκριτή) care-of: χρησιμοποιείται από τον οικιακό πράκτορα για να προωθεί datagrams στο κινητό λειτουργίες του ξένου πράκτορα: μπορεί να τις κάνει το κινητό από μόνο του τριγωνική δρομολόγηση: ανταποκριτής-οικιακό δίκτυο-κινητό αναποτελεσματικό όταν ανταποκριτής και κινητό είναι στο ίδιο δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-85

Έμμεση δρομολόγηση: μετακίνηση μεταξύ δικτύων υποθέστε ότι ο κινητός χρήστης μετακινείται σε άλλο δίκτυο εγγράφεται σε νέο ξένο πράκτορα ο νέος ξένος πράκτορας εγγράφεται στον οικιακό πράκτορα ο οικιακός πράκτορας ενημερώνει την care-of διεύθυνση του κινητού πακέτα συνεχίζουν να προωθούνται προς το κινητό (αλλά με νέα care-of διεύθυνση) κινητικότητα, αλλαγή ξένων δικτύων: οι τρέχουσες συνδέσεις διατηρούνται! Wireless, Mobile Networks 6-86

Κινητικότητα μέσω άμεσης δρομολόγησης ο ξένος πράκτορας λαμβάνει πακέτα, τα προωθεί στο κινητό ο ανταποκριτής προωθεί προς τον ξένο πράκτορα 1 2 3 4 οικιακό δίκτυο επισκεπτόμενο δίκτυο το κινητό απαντά ευθέως στον ανταποκριτή ο ανταποκριτής ζητάει, λαμβάνει τη ξένη διεύθυνση του κινητού Wireless, Mobile Networks 6-87

Κινητικότητα μέσω άμεσης δρομολόγησης: σχόλια ξεπερνάει το τριγωνικό πρόβλημα δρομολόγησης αδιαφανής προς τον ανταποκριτή: ο ανταποκριτής πρέπει να πάρει την care-of διεύθυνση από τον οικιακό πράκτορα αν το κινητό αλλάξει επισκεπτόμενο δίκτυο; 1 2 3 4 Wireless, Mobile Networks 6-88

Κινητικότητα με άμεση δρομολόγηση ξένος πράκτορας-άγκυρα (FA): FA στο πρώτο επισκεπτόμενο δίκτυο τα δεδομένα πάντα δρομολογούνται πρώτα προς το FA-άγκυρα όταν το κινητό κινείται: νέο FA κανονίζει να έχει δεδομένα προωθημένα από το παλιό FA (αλυσίδα) ξένο επισκεπτόμενο δίκτυο στην αρχή της συνόδου ξένος πράκτορας άγκυρα wide area network 2 1 4 3 5 νέο ξένο δίκτυο πράκτορας ανταποκριτή νέος ξένος πράκτορας ανταποκριτής Wireless, Mobile Networks 6-89

Mobile IP RFC 3344 πολλά χαρακτηριστικά που έχουμε δει: οικιακοί πράκτορες, ξένοι πράκτορες, εγγραφή ξένου πράκτορα, care-of διευθύνσεις, ενθυλάκωση (πακέτο μέσα σε πακέτο) τρία συστατικά με το πρότυπο: έμμεση δρομολόγηση datagrams ανακάλυψη πράκτορα εγγραφή με οικιακό πράκτορα Wireless, Mobile Networks 6-90

Mobile IP: άμεση δρομολόγηση dest: 128.119.40.186 πακέτο ξένου πράκτορα προς κινητό dest: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186 πακέτο στέλνεται από οικιακό πράκτορα σε ξένο πράκτορα: πακέτο μέσα σε πακέτο μόνιμη δ/νση: 128.119.40.186 Care-of δ/νση: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186 πακέτο που στέλνεται από τον ανταποκριτή Wireless, Mobile Networks 6-91

Mobile IP: ανακάλυψη πράκτορα διαφήμιση πράκτορα: ξένοι/οικιακοί πράκτορες διαφημίζουν υπηρεσίες μέσω broadcast ICMP μηνυμάτων (πεδίο τύπου = 9) H,F bits: οικιακός ή/και ξένος πράκτορας R bit: απαιτείται εγγραφή Wireless, Mobile Networks 6-92

Mobile IP: παράδειγμα εγγραφής visited network: 79.129.13/24 home agent HA: 128.119.40.7 foreign agent COA: 79.129.13.2 mobile agent MA: 128.119.40.186 ICMP agent adv. COA: 79.129.13.2 …. registration req. COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification:714 …. registration req. COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format …. registration reply HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 encapsulation format …. registration reply HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 …. time Wireless, Mobile Networks 6-93

Διάρθρωση θεματικής ενότητας 7.1 Εισαγωγή Ασύρματη Επικοινωνία 7.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 7.3 IEEE 802.11 ασύρματα LANs (“Wi-Fi”) 7.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Διαδίκτυο αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 7.5 Διαχείριση κινητικότητα 7.6 Mobile IP 7.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 7.8 Ασύρματες επικοινωνίες και κινητικότητα 7.9 Ανασκόπηση Wireless, Mobile Networks 6-94

Συστατικά αρχιτεκτονικής κυψελωτού δικτύου θυμηθείτε: ανταποκριτής wired public telephone network MSC MSC MSC MSC MSC διαφορετικά κυψελωτά δίκτυα, τα διαχειρίζονται διαφορετικοί πάροχοι Wireless, Mobile Networks 6-95

Αντιμετώπιση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα οικιακό δίκτυο: δίκτυο κυψελωτού παρόχου στο οποίο εγγράφεσαι (π.χ., Cosmote, Vodafone, Wind) home location register (HLR): βάση δεδομένων σε οικιακό δίκτυο που περιέχει τον μόνιμο # κινητού τηλεφώνου, πληροφορίες προφίλ (υπηρεσίες, προτιμήσεις, χρεώσεις), πληροφορίες για τρέχουσα τοποθεσία (θα μπορούσε να είναι σε άλλο δίκτυο) επισκεπτόμενο δίκτυο: δίκτυο στο οποίο βρίσκεται προς το παρόν το κινητό visitor location register (VLR): βάση δεδομένων με εγγραφή για κάθε χρήστη στο δίκτυο επί του παρόντος θα μπορούσε να είναι το οικιακό δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-96

GSM: έμμεση δρομολόγηση σε κινητό HLR οικιακό δίκτυο ανταποκριτής 2 οικιακό MSC συμβουλεύεται την HLR, παίρνει # περιαγωγής κινητού σε επισκεπτόμενο δίκτυο home Mobile Switching Center 1 κλήση δρομολογεί- ται προς οικιακό δίκτυο 3 οικιακό MSC “στήνει” 2ο σκέλος κλήσης προς το MSC στο επισκεπτόμενο δίκτυο Public switched telephone network VLR Mobile Switching Center 4 MSC σε επισκεπτόμενο δίκτυο ολοκληρώνει κλήση μέσω σταθμού βάσης προς το κινητό κινητός χρήστης επισκεπτόμενο δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-97

Διαδικασία ενημέρωσης θέσης ΜSC VLR MSC HLR (1) (2) (3) (4) (5) (6) LAi LAj STP SS7 Αποδοτικό σχήμα αλλά με επιβάρυνση σηματοδοσίας και καθυστερήσεις ανάλογα με τον αριθμό των χρηστών και τον μέγεθος των LAs

Διαδικασία παράδοσης της κλήσης GSM MSC VLR HLR (6) (1) (4) MSRN (3) IMSI (5) (2) MSN A B Paging Μέγεθος LA σημαντικό MSN IMSI Mapping STP MSRN TMSI Mapping Προβληματική τεχνική για δίκτυα >3G (πολλαπλά επίπεδα κυψελών)

Δρομολόγηση κλήσεων προς ΜΤ Αριθμός κλήσης MSRN GMSC MSC HLR IMSI 1 2 4 3 VLR Συστήματα Κινητών και Προσωπικών Επικοινωνιών

Mobile Number Lookup Service

Ενημέρωση θέσης και εντοπισμός δεδομένων STP SS7 MSC VLR HLR (6) (1) (4) (3) (5) (2) A B ΜSC LAi LAj

GSM: μεταπομπή με κοινό MSC στόχος μεταπομπής: δρομολόγηση κλήσης μέσω νέου σταθμού βάσης (χωρίς διακοπή) λόγοι μεταπομπής: ισχυρότερο σήμα προς/από νέο BSS (συνεχής συνδεσιμότητα, μκρότερη εξάντληση της μπαταρίας) εξισορρόπηση φόρτου: ελευθερώνει κανάλι στο τρέχον BSS GSM δεν ενδιαφέρεται γιατί εκτελεί μεταπομπή (πολιτική), μόνο πώς (μηχανισμός) μεταπομπή εκκινείται από παλιό BSS VLR Mobile Switching Center old routing new routing old BSS new BSS Wireless, Mobile Networks 6-103

GSM: μεταπομπή με κοινό MSC 1. το παλιό BSS πληροφορεί το MSC για επικείμενη μεταπομπή, παρέχει λίστα1+ νέων BSS 2. MSC δημιουργεί διαδρομή (αναθέτει πόρους) προς το νέο BSS 3. νέο BSS αναθέτει κανάλι για χρήση από το κινητό 4. νέο BSS στέλνει σήμα σε MSC, παλιό BSS: έτοιμο 5. παλιό BSS λέει στο κινητό: εκτέλεσε μεταπομπή προς νέο BSS 6. κινητό, νέο BSS στέλνουν σήμα για να ενεργοποιήσουν το νέο κανάλι 7. το κινητό στέλνει σήμα μέσω του νέου BSS στο MSC: μεταπομπή πλήρης. MSC αναδρομολογεί κλήση 8. πόροι για MSC - παλιό BSS ελευθερώνονται VLR Mobile Switching Center 2 4 1 7 8 3 old BSS 5 6 new BSS Wireless, Mobile Networks 6-104

Να μην γίνεται αντιληπτή από τον χρήστη Μεταπομπή Βασικές απαιτήσεις Να μην γίνεται αντιληπτή από τον χρήστη Ταχύτητα εκτέλεσης Αξιοπιστία και διαφάνεια ως προς τον χρήστη Να λαμβάνεται υπόψη η υπηρεσία Να μην αυξάνει το φορτίο σηματοδοσίας Περιορισμένη κατανομή της λειτουργικότητας της μεταπομπής

Μεταπομπή Φάσεις της μεταπομπής ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΠΟΦΑΣΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗ Κριτήρια μετρήσεων Αναφορές μετρήσεων Παράμετροι αλγορίθμων Κριτήρια έναρξης Σηματοδοσία μεταπομπής Εκχώρηση ασυρμάτων πόρων

Μεταπομπή Ανάλογα με το ποιος αρχίζει και εκτελεί τη μεταπομπή: μεταπομπή ελεγχόμενη από το δίκτυο (Network controlled HO, NCHO) μεταπομπή υποβοηθούμενη από το ΜΤ (Mobile Assisted HO, MAHO) μεταπομπή ελεγχόμενη από το ΜΤ (Mobile Controlled HO, MCHO)

Μεταπομπή intra-MSC MT Παλαιό BSC MSC Νέο BSC Απώλεια Σύνδεσης Ταξινομημένο κατάλογο BTSs MT Παλαιό BSC MSC HO Request REL RCh Measurements Νέο BSC HO Request Ack HO Command HO Access Channel Info HO Detect HO Comp REL RCh Comp Προσωρινή δέσμευση πόρων Απώλεια Σύνδεσης <150msec Μεταγωγή κυκλώματος

GSM: μεταπομπή μεταξύ MSCs MSC άγκυρα: πρώτο MSC που επισκέπτεται κατά την κλήση κλήση εξακολουθεί να δρομολογείται μέσω MSC άγκυρας νέα MSCs προστίθενται στο τέλος της MSC αλυσίδας καθώς το κινητό μετακινείται σε νέο MSC προαιρετικό βήμα ελαχιστοποίησης μονοπατιού για μείωση multi-MSC αλυσίδας home network Home MSC correspondent anchor MSC PSTN MSC MSC MSC (a) πριν τη μεταπομπή Wireless, Mobile Networks 6-109

GSM: μεταπομπή μεταξύ MSCs MSC άγκυρα: πρώτο MSC που επισκέπτεται κατά την κλήση κλήση εξακολουθεί να δρομολογείται μέσω MSC άγκυρας νέα MSCs προστίθενται στο τέλος της MSC αλυσίδας καθώς το κινητό μετακινείται σε νέο MSC προαιρετικό βήμα ελαχιστοποίησης μονοπατιού για μείωση multi-MSC αλυσίδας home network Home MSC correspondent anchor MSC PSTN MSC MSC MSC (b) μετά τη μεταπομπή Wireless, Mobile Networks 6-110

Mobility: GSM έναντι Mobile IP Οικιακό σύστημα Δίκτυο στο οποίο ο μόνιμος αριθμός τηλεφώνου του κινητού χρήστη ανήκει Οικιακό δίκτυο Gateway Mobile Switching Center ή “οικιακό MSC”. Home Location Register (HLR) Home MSC: σημείο επαφής για να αποκτήσει δρομολογήσιμη δ/νση για τον κινητό χρήστη. HLR: βάση δεδομένων στο σύστημα, περιέχει μόνιμο τηλεφωνικό αριθμό, πληροφορίες προφίλ, τρέχουσα τοποθεσία κινητού χρήστη, πληροφορίες εγγραφής Οικιακός πράκτορας Επισκεπτόμενο σύστημα Άλλο δίκτυο από το οικιακό σύστημα όπου βρίσκεται ο κινητός χρήστης Επισκεπτόμενο δίκτυο Visited Mobile services Switching Center. Visitor Location Record (VLR) Επισκεπτόμενο MSC: υπεύθυνο για δημιουργία κλήσεων από/προς κινητούς κόμβους σε κυψέλες που συνδέονται με το MSC. VLR: προσωρινή εγγραφή βάσης δεδομένων στο επισκεπτόμενο σύστημα, περιέχει πληροφορίες εγγραφής για κάθε επισκέπτη κινητό χρήστη Ξένος πράκτορας Mobile Station Roaming Number (MSRN) ή “αριθμός περιαγωγής” Δρομολογήσιμη δ/νση για τμήμα τηλεφωνικής κλήσης μεταξύ οικιακού MSC και επισκεπτόμενου MSC, μη ορατό τόσο στο κινητό όσο και στον ανταποκριτή Care-of δ/νση Wireless, Mobile Networks 6-111

Διάρθρωση θεματικής ενότητας 7.1 Εισαγωγή Ασύρματη Επικοινωνία 7.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 7.3 IEEE 802.11 ασύρματα LANs (“Wi-Fi”) 7.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Διαδίκτυο αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 7.5 Διαχείριση κινητικότητα 7.6 Mobile IP 7.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 7.8 Ασύρματες επικοινωνίες και κινητικότητα 7.9 Ανασκόπηση Wireless, Mobile Networks 6-112

λογικά, η επίδραση θα έπρεπε να είναι ελάχιστη… Ασύρματη ζεύξη, κινητικότητα: επίδραση σε πρωτόκολλα υψηλότερων επιπέδων λογικά, η επίδραση θα έπρεπε να είναι ελάχιστη… μοντέλο υπηρεσίας βέλτιστης προσπάθειας παραμένει αμετάβλητο TCP και UDP μπορούν και τρέχουν σε ασύρματο, κινητό … αλλά όσον αφορά την επίδοση: απώλεια πακέτων/καθυστέρηση λόγω λαθών bit (απορριφθέντα πακέτα, καθυστερήσεις για αναμεταδόσεις επιπέδου ζεύξης) και μεταπομπής TCP ερμηνεύει τις απώλειες ως συμφόρηση, θα μειώσει το παράθυρο συμφόρησης χωρίς να χρειάζεται διαταραχές καθυστέρησης για κίνηση πραγματικού χρόνου περιορισμένο εύρος ζώνης ασύρματων ζεύξεων Wireless, Mobile Networks 6-113

Tα πρωτόκολλα στο μοντέλο OSI HTTP, S-HTTP,SMPTE, FTP, TELNET, POP3, IMAP4 TCP,UDP, RUDP, XOT IP/IPv6 Ethernet, Token Ring, ARCnet, StarLAN, LocalTalk, FDDI, ATM ODI, NDIS TP, Coaxial, Fiber-Optic, Wireless TCP/IP Application (Εφαρμογής) Presentation (Παρουσίασης) Transport (Μεταφοράς) Network (Δικτύου) Data Link (Σύνδεσης Δεδ.) Physical (Φυσικό) Επίπεδα OSI Session (Συνόδου)

A B C D E The Internet Satellite IP backbone Broadcast Networks UMTS Broadcast Networks (DAB, DVB-T) Satellite GSM / GPRS IP-based micro-mobility Wireless LANs ISP A B C D E

A E D B C HTTP HTTP TCP TCP IP IP IP IP IP 802.11 MAC Ethernet ATM ATM Ethernet Ethernet 802.11 MAC Fiber-Optic Fiber-Optic Coaxial Coaxial 802.11 PHY 802.11 PHY Coaxial Coaxial

Λειτουργία TCP … … Source Destination Source Destination x Packet 1

Πιθανές προσεγγίσεις: Ασύρματη ζεύξη, κινητικότητα: επίδραση σε πρωτόκολλα υψηλότερων επιπέδων Πιθανές προσεγγίσεις: Τοπική διόρθωση στην ασύρματη ζεύξη – ARQ, FEC Ενημέρωση του αποστολές TCP για ασύρματες ζεύξεις Διαχωρισμένη σύνδεση Wireless, Mobile Networks 6-118

Πρωτόκολλα επιπέδου εφαρμογής: Ασύρματη ζεύξη, κινητικότητα: επίδραση σε πρωτόκολλα υψηλότερων επιπέδων Πρωτόκολλα επιπέδου εφαρμογής: Μειωμένος ρυθμός μετάδοσης λόγω της ασύρματης ζεύξης Το περιεχόμενο δεν μπορεί να είναι το ίδιο «πλούσιο» όπως σε μια ενσύρματη ζεύξη Ενημέρωση του αποστολέα και προσαρμογή του περιεχομένου Wireless, Mobile Networks 6-119

Τέλος Ενότητας

Άδεια Χρήσης

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Εθνικόν και Καποδιστριακόν Πανεπιστήμιον Αθηνών, Μεράκος Λάζαρος 2014. «Δίκτυα Επικοινωνιών ΙΙ. Ενότητα 3: Ασύρματα, Κινητά Δίκτυα». Έκδοση: 1.01. Αθήνα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://opencourses.uoa.gr/courses/DI15

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.