Computer Networks.Wireless

ReteleRetele de de calculatoarecalculatoare

SabinSabin--CorneliuCorneliu BuragaBuraga 2006/2007 2006/2007 –– www.infoiasi.ro/~busacowww.infoiasi.ro/~busaco// [[11]]

ReteleRetele de de calculatoarecalculatoareReteleRetele wirelesswireless

Sabin-Corneliu [email protected]

http://www.infoiasi.ro/~busaco



CuprinsCuprins

• Preliminarii• Dispozitive• Retele wireless• Internet fara fir• Arhitecturi de aplicatii



PreliminariiPreliminarii• Dispozitive mobile vs. wireless

– Mobil: nu are o locatie fixa, comunicatiile avind loc si in momentul in care dispozitivul se misca

– Nomad: are abilitati de miscare, incepindsa comunice dupa ce isi stabileste o alta locatie

– Comunicatii mobile: abilitatea unui dispozitiv de a comunica via una sau mai multe legaturi de acces(i.e., Ethernet, 802.11 etc.) cu alte dispozitive aflatein alte locatii

• Wireless – se refera la transmisia de voce sidate prin intermediul undelor radio



PreliminariiPreliminarii• Pot exista situatii in care aplicatiile wireless

nu sunt mobile, dar folosesc o retea wireless– Acces via WLAN (Wireless Local Area Network)

• Exista si aplicatii mobile care nu sunt wireless– Exemplu: PDA (Personal Digital Assistant)

Mobile Mobile WirelessWireless



PreliminariiPreliminarii• Probleme:

– Acoperirea sipenetrarea

– Latimea de banda– Latenta– Fiabilitatea

transmiterii– Standardizarea

• Provocari:– Descoperirea locatiei– Detectarea mutarii– Actualizarea

comunicatiei– (Re)Stabilirea caii de

comunicare



PreliminariiPreliminarii• Solutiile privind mobilitatea vizeaza:

– Nivelul legatura de date• Probleme de scalabilitate

– Nivelul retea (IP, IP mobil)• Aplicatiile nu trebuie restartate la trecerea de la

wireless la comunicatii conventionale sau invers– Celelalte niveluri (transport, aplicatie)

• Necesita ca aplicatiile sa fie special conceputepentru a suporta mobilitatea

• Se folosesc rar in practica



DispozitiveDispozitive• Aspecte de interes:

– Marime & greutate– Memorie disponibila pentru aplicatii & date– Viteza procesorului– Caracteristicile ecranului

(rezolutie, adincime de culoare, utilizare in exterior etc.)

– Mecanismele de intrare (achizitie de date)– Suport pentru mobilitate

din partea sistemului de operare



DispozitiveDispozitive• Aspecte de interes (continuare):

– Slot-uri pentru extinderea ulterioara(memorie suplimentara, conectivitate cu alte dispozitive etc.)

– Timpul de viata a bateriei– Caracteristici integrate: camera digitala,

tastatura, porturi infrarosu, Bluetooth,…– Suport software: aplicatii, instrumente de

dezvoltare, navigatoare mobile, drivere pentru hardware etc.



DispozitiveDispozitive• Posibilitati de comunicare wireless

– Two-unit: necesita ca 2 echipamentesa poata conlucra (i.e.: telefon mobil + PDA)• Cablu / conexiune infrarosu / Bluetooth

via PAN (Personal Area Network)



DispozitiveDispozitive• Posibilitati de comunicare wireless

– Configuratii detasabile: folosirea unui plug-insau atasament clip-on pe dispozitiv, cu functiide conectivitate – necesita existenta unui slot• Dispozitivul se poate conecta la diverse tipuri de

retele wireless, folosind protocoale diferite– Configuratii integrate: conectivitatea wireless

este inclusa direct in dispozitiv



DispozitiveDispozitive

• Clasificare:



ReteleRetele wirelesswireless

• Categorii:–WPAN (Wireless Personal Area Network)

•Spatiu de operare ~10 m.•Inlocuieste cablurile de interconectarela alte echipamente

•Standarde: IrDA, Bluetooth, 802.15




• Categorii:–WLAN (Wireless Local Area Network)

•Spatiu de operare ~100 m. (cladiri, campus-uri etc.)

•Extensie/alternativa la LAN-ul conventional•Standarde: 802.11a, b, g, HIPERLAN/2




• Categorii:–WWAN (Wireless Wide Area Network)

•Acoperire nationala, via mai multe surse (carriers)

•Extensie a LAN/WAN-ului conventional•Standarde: GSM, TDMA, CDMA, GPRS, EDGE, WCDMA




• Categorii:–Retele de sateliti

•Acoperire mondiala•Extensie a WAN-ului conventional•Standarde: TDMA, CDMA, FDMA




• Standarde de conectivitate pentru WPAN:– IrDA (Infrared Data Association): comunicatie

punct-la-punct bidirectionala via porturi cu infrarosu– Bluetooth: interconectivitate intre dispozitive,

folosind frecventa 2.4 GHz • Un dispozitiv poate fi setat ca putind fi descoperit in mod

general, limitat sau deloc (descoperirea e automata)• 8 dispoz. formeaza un piconet (retea ad-hoc)• Mai multe piconet-uri = scatternet• Interoperabilitatea se realizeaza via profiluri de dispozitiv

(standardizate) – vezi www.bluetooth.com• Securitatea e tratata la nivel de legatura de date




• Standarde:– Bluetooth




• Standarde de conectivitate pentru WPAN:– IEEE 802.15: se bazeaza pe modelul Bluetooth,

pentru a oferi standarde de comunicare wireless– detalii la www.ieee802.org/15/• Ofera si interoperabilitate cu dispozitive suportind 802.11• 802.15.1 – latime de banda: 1 Mbps• 802.15.3 – latime de banda: 20 Mbps



ReteleRetele wirelesswireless• Moduri de interconectare (configuratii) WLAN:

– Peer-to-peer– Cu punct de acces (Access Point)

• pot utiliza si puncte de extensie (Extension Point)




• Standarde de conectivitate pentru WLAN:– 802.11b/Wi-Fi (Wireless Fidelity): www.wi-fi.org

• Foloseste frecventa de 2.4 GHz• Latimea de banda poate fi de maxim 11 Mbps• Aria de comunicare este ~100 m. (viteza de transfer

depinde de departarea dispozitivului)– E.g., pentru o distanta de 65 m. intre doua dispozitive,

transferul se efectueaza cu maxim 2 Mbps– 802.11a

• Mai complex, ofera 54 Mbps, foloseste 5 GHz (mai putinecoliziuni), dar necesita mai multa putere de procesare

– 802.11g• Combina facilitatile de la precedentele



ReteleRetele wirelesswireless• Standarde de conectivitate pentru WLAN:

– HomeRF (Radio Frequency)• Destinat comunicatiilor casnice• Suporta comunicatii de calitate prin voce

– HIPERLAN (High-Performance Radio Local Area Network) – HIPERLAN/2• Utilizeaza frecventa de 5 GHz• Transfer de maxim 54 Mbps, pe o raza de ~150 m.• Incorporeaza facilitati pentru asigurarea QoS

(pentru transmisii multimedia in timp-real)• Ofera interoperabilitate cu Ethernet, IEEE 1394 (Firewire)

si sisteme mobile 3G– UWB (Ultra Wide Band)

• Vizeaza utilizarea frecventelor >5 GHz




• Retelele WWAN:– Transferul de date se realizeaza

prin comutare de pachete (packet-switch)• Contrast cu modul de comutare

prin circuite virtuale• Nu necesita conexiuni dedicate• Permit mai multor utilizatori sa foloseasca

o singura conexiune(se maximizeaza spectrul de transmisie)



ReteleRetele wirelesswireless• Retelele WWAN:

– Celula (cell): zona geografica avind o arie de acoperire a semnalului• Depinde de protocol, puterea semnalului,

obstacole• Raza de actiune: 1-40 km.• Celulele sunt coordonate de un cell system• Ariile foarte populate contine micro-celule

(diam.~100m.)• Conexiunea dintre utilizatori din celule diferite

este pasata printr-un proces numit handoffsau handover



ReteleRetele wirelesswireless• Retelele WWAN:

– Reutilizarea frecventei de emisieconform gruparii celulelor

– Plasarea elementelor deretea se realizeazaconform unor strategiide optimizare a acopeririisi maximizarii semnalului




• Retelele WWAN:– Multiplexarea: semnalul este folosit (partajat)

de mai multi utilizatori• Frequency-division multiplexing (FDM): fiecare semnal

din cadrul canalului de comunicatie are o frecventa unica(modelul posturilor radio)

• Time-division multiplexing (TDM): se asigneaza fiecaruiutilizator segmente de timp in care poate comunica

• Code-division multiplexing (CDM): fiecare semnal are atasat un cod, toate semnalele fiind transmisepentru a “umple” intreaga latime de banda; receptorulva procesa doar semnalele avind codul “corect”




• Retelele WWAN de generatia 2 (2G):– Imbunatatire a generatiei 1 (’70-’80)– In afara transmiterii digitale de voce,

suporta transmisii de date (9.6-19.2 Kbps) – Code Division Multiple Access (CDMA IS-95)– Global System for Mobile Communications (GSM)– Facilitati: mesaje scurte (SMS), acces via WAP,

aplicatii de tip calendar, managementul informatiilorpersonale (PIM), tonuri, jocuri etc.




• Retelele WWAN de generatia 2.5 (2.5G):– Tranzitie de la comutare de circuite

la comutare de pachete– Rate de transfer ~115 Kbps– General Packet Radio Services (GPRS) →

Enhanced Data for Global Evolution (EDGE)– Code Division Multiple Access CDMA 2000 1x– Retele GPRS se comporta similar cu cele LAN

clasice, aplicatiile fiind mai usor de implementat– Un dispozitiv GPRS ≡ terminal




• Retelele WWAN de generatia 3 (3G):– Standardele 3GPP

(Third-Generation Partnership Project)• International Mobile Telecommunications

Beyond the Year 2000 (IMT-2000)• Wideband CDMA (W-CDMA)

– Rate de transfer de 144 Kbps – 2 Mbps– Mobilitate sporita, asigurarea QoS, bazate pe IP– Detalii la www.3gpp.org si www.3gpp2.org



ReteleRetele wirelesswireless• Protocoale (exemple):

– Paging: Flex/reflex (Motorola), ERMES (European Radio Message System)

– Doar pt. date: Cellular Digital Packet Data (CDPD)– Time-Division Multiple Access (TDMA) – America – Global System for Mobile Communications (GSM) –

frecv. 900 MHz & 1800 MHz in Europa, frecv. 1900 MHz in USA

– Wideband Code-Division Multiple Access (WCDMA) – in Europa: Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), in Japonia: Freedom of Multimedia Access (FOMA) – regasite la nivelul 3G



Wireless Wireless InternetInternet

• Mobile IP (RFC 3344)– Protocol de rutare dinamica in care dispozitivele

terminale (end devices) isi semnalizeaza propriileactualizari de rute si tunelele dinamice de date elimina necesitatea propagarii informatiilorprivitoare la rute

– Un utilizator poate folosi (roam) diverse sub-reteleIP si legaturi de acces, mentinindu-se o comunicarecontinua



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil

• Componente:– Nod mobil:

dispozitiv folosind IP, rulind un client IP mobil

– Home (home is where the route is)



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil• Componente:

– Home address: adresa IP a nodului mobil• Poate fi alocata static ori dinamic,

in timpul procesului de inregistrare– Home network: reteaua la care

este atasat un nod mobil– Home agent: responsabil cu

redirect. datelor spre locatiacurenta a nodului mobil• Proceseaza actualiz. de rutari IP

(registrations)• Expediaza date via tuneluri dinamice




– Care-of Address (CoA): adresa IP valida si rutabila• Desemneaza marginea retelei ce poate fi accesata

prin rutari obisnuite• Reprezinta punctul terminal al unui tunel• Punctul de legatura cu agentul strain (Foreign Agent)• Colocated CoA (CCoA): un nod mobil primeste un IP de la

reteaua straina via un protocol de management de adreseprecum DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) – nodul mobil are 2 adrese: Home Address (nerutabila) & CCoA (rutabila)

• Foreign Agent Care-of Address (FA CoA): mai multe noduri partajeaza aceeasi adresa IP oferita de agentul strain




– Foreign Agent (FA): e un router atasat la o legaturade acces, aflat la celalalt capat al tunelului stabilitcu un nod mobil• Ofera (advertises) una sau mai multe adrese IP referite

drept CoA• Cind un nod se inregistreaza la un Home Agent,

o face via un FA• FA trebuie sa fie conectat

direct cu nodul mobil



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil• Descoperirea agentilor

– Internet Control Message Protocol (ICMP)– Router advertisement – via multi/broad-cast– Router solicitation (se restrictioneaza TTL=1)



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobilInternet Protocol, Internet Protocol, SrcSrc AddrAddr: 192.168.100.6, : 192.168.100.6, DstDst AddrAddr: 255.255.255.255: 255.255.255.255

Version: 4Version: 4Header length: 20 bytesHeader length: 20 bytesDifferentiated Services Field: 0x00 (DSCP 0x00: Default; ECNDifferentiated Services Field: 0x00 (DSCP 0x00: Default; ECN: 0x00): 0x00)Total Length: 54Total Length: 54Identification: 0xd838Identification: 0xd838Fragment offset: 0Fragment offset: 0Time to live: 1Time to live: 1Protocol: ICMP (0x01)Protocol: ICMP (0x01)Header checksum: 0xbce0 (correct)Header checksum: 0xbce0 (correct)Source: 192.168.100.6 (192.168.100.6)Source: 192.168.100.6 (192.168.100.6)Destination: 255.255.255.255 (255.255.255.255)Destination: 255.255.255.255 (255.255.255.255)

Internet Control Message ProtocolInternet Control Message ProtocolType: 9 (Type: 9 (Router advertisementRouter advertisement))Checksum: 0x6ba4 (correct)Checksum: 0x6ba4 (correct)Number of addresses: 1Number of addresses: 1Address entry size: 2Address entry size: 2Lifetime: 30 secondsLifetime: 30 secondsRouter address: 192.168.100.6Router address: 192.168.100.6



Wireless Wireless Internet: IP Internet: IP mobilmobilExt: Ext: Mobility Agent Advertisement ExtensionMobility Agent Advertisement Extension

Extension Type: Extension Type: Mobility Agent Advertisement ExtensionMobility Agent Advertisement Extension (16)(16)Length: 10Length: 10Sequence Number: 3Sequence Number: 3Registration Lifetime: 36000Registration Lifetime: 36000Flags: 0x15Flags: 0x15

0... .... = 0... .... = Registration RequiredRegistration Required: False: False.0.. .... = .0.. .... = BusyBusy: False: False..0. .... = ..0. .... = Home AgentHome Agent: False: False...1 .... = ...1 .... = Foreign AgentForeign Agent: True: True.... 0... = .... 0... = Minimal EncapsulationMinimal Encapsulation: False: False.... .1.. = .... .1.. = GRE (Generic Routing Encapsulation)GRE (Generic Routing Encapsulation): True: True.... ..0. = Reserved: False.... ..0. = Reserved: False.... ...1 = .... ...1 = Reverse TunnelReverse Tunnel: True: True

Reserved: 0x00Reserved: 0x00CareCare--OfOf--Address: 192.168.100.6 (192.168.100.6)Address: 192.168.100.6 (192.168.100.6)



Wireless Wireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil

• Descoperirea locatiei– Un nod mobil se poate gasi in doua tipuri de locatii:

Home Network si reteaua vizitata (straina)– Cind nodul nu este acasa, se foloseste CoA

• Care-of Address Extension contine macar o adresa CoAoferita de FA

– Daca nodul nu primeste mesajede tip agent advertisement, atunci incearcasa obtina o adresa prin tehnici precum DHCP pentru a-si cunoaste locatia curenta



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil

• Detectarea mutarilor & politica de handover– Algoritmul Steady-state: nodul mobil foloseste

FA-ul curent cit de mult timp poate



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil• Detectarea mutarilor & politica de handover

– Algoritmul New network: pe baza prefixuriloradreselor IP primite via agent advertisments, nodul determinanoile sub-retele la care se poate conecta



Wireless Wireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil• Detectarea mutarilor & politica de handover

– Link-state triggers: se folosestestarea legaturii



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil• Intrebari privitoare la handover :

– Did I leave my Home Network?– Did I roam to a different Foreign Network

than the one I was already visiting?– Did I come back to my Home Network?

• Handover implica inregistrarea nodurilor mobile– Foloseste UDP la portul 434– Se utilizeaza mesaje de tip cerere-raspuns



Wireless Internet: mobile IPWireless Internet: mobile IP



Wireless Wireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil• Identificarea unui nod se realizeaza prin:

– Adresa IP static alocata, de tip Home Address– Network Access Identifier (NAI) – RFC 3846

• Un nod se poate atasa simultanla mai multe retele straine (via FA multipli): simultaneous bindings

• Autentificarea poate avea loc folosindextensii la mesajele vehiculate: authentication extensions– Authentication, Authorization and Accounting

(AAA)



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil• Tuneluri: legaturi logice la distanta de 1 hop,

aflate la marginile Foreign Networkla care sunt atasate nodurile mobile– Pot transporta orice pachete IP

intre punctele finale ale comunicatiei– Incapsularea datelor se face via IP-in-IP – RFC 2003

(20 de bytes suplimentari)– Se poate folosi si o incapsulare minimala (8-12 bytes

suplim.; nu functioneaza daca apar fragm. IP) – RFC 2004– Pentru transportarea pachetelor cu date privitoare la

protocoale de retea diferite, se recurge la GRE (Generic Routing Encapsulation) – RFC 1701



WirelessWireless Internet: IP Internet: IP mobilmobil• Rutarea: se foloseste tehnica triangle routing

(dirijare asimetrica bazata pe cai)



AplicatiiAplicatii wirelesswireless• Protocolul WAP (Wireless Access Protocol)




– Protocol de comunicatii pentru dispozitive mobile fara fir (handheld, mobile phone,…)

– Standard permitind accesarea informatiilor siserviciilor oferite de Internet via un dispozitiv mobil(wireless)

– Standard industrial sub coordonarea consortiuluiOpen Mobile Alliance (fost WAP Forum) www.wapforum.org

– Versiuni: WAP 1.0, WAP 1.1, WAP 1.2, WAP 2.0




– Poarta WAP: mediator intre Internet siun dispozitiv folosind WAP• Pentru WAP 2 nu este neaparat necesara,

folosindu-se direct HyperText Transfer Protocol (HTTP/1.1)

– Wireless Services Provider: ofertant de servicii de comunicare fara fir (AT&T, British Telecom, Verizon, Zapp, …)




– Servicii oferite de poarta WAP• Conversie de protocoale – mai ales pentru WAP < 2• Statistici• Transmiterea deliberata de date spre o aplicatie

rulind pe un dispozitiv mobil (WAP Push) via PAP (Push Access Protocol) – e.g., notificari




– Protocoalele WAP2• Wireless Profiled HTTP (WP-HTTP)

interoperabil cu HTTP, asigura compresia datelorsi realizarea de tunele (HTTP tunneling)

• Transport Layer Security (TLS)protocol de transport securizat(interoperabilitate & tranzactii sigure)

• Wireless Profiled TCP (WP-TCP)ofera servicii orientate-conexiune, interoperabil cu TCP clasic




– Maniere de specificare a profilului unui dispozitiv(caracteristici hardware, platforma, capacitati de procesare etc.)• User Agent Profile (UAProf) bazat pe standardul

Composite Capabilities/Preferences Profile(CC/PP) – http://www.w3.org/TR/CCPP-struct-vocab/

– Format RDF/XML • Wireless Universal Resource FiLe (WURFL) –

initiativa open source – http://wurfl.sourceforge.net– Format XML




– Categorii de dispozitive mobile• Clienti slabi (thin clients) – ofera un micro-

browser incorporat pentru transfer si prezentarede date reprezentate in formate WML, XHTML,...

• Clienti compacti (thick clients) – pot fi instalateaplicatii externe (e.g., prin transfer via Internet), prezentarea datelor fiind realizata de acestea

– Sistem de operare: Symbian OS, Palm OS, Windows CE, Embedded Linux,...

– Masina virtuala: J2ME, .NET Compact Framework• Clienti de sine-statatori (standalone clients)

similari unor PC-uri (e.g., Tablet PC)



AplicatiiAplicatii wirelesswireless

• Acces la Web via un micro-browser WAP(componente arhitecturale):



AplicatiiAplicatii wirelesswireless• Smart clients sincronizindu-si datele

(componente arhitecturale):



AplicatiiAplicatii wirelesswireless• Sisteme de messaging

(componente arhitecturale):



AplicatiiAplicatii wirelesswireless• Comunicarea

in cadrulunui campusindustrial(componentearhitecturale):



AplicatiiAplicatii wirelesswireless• Campus universitar wireless

(componente arhitecturale & activitati):– Puncte de acces in locatii selectate

(cladiri academice, camine,…)• Localizare optima, maximizarea latimii de banda etc.

– Placi de retea wireless (wireless cards)– Instalare & mentenanta a echipamentelor hardware

• Software de monitorizare• Solutionarea problemelor de acces, securitate,

confidentialitate (wired equivalent privacy)– Managementul resurselor (servicii, date, utilizatori)



AplicatiiAplicatii wirelesswireless• Directii de interes:

– Retele oferind servicii vocale de calitate(voice-oriented networks)

– Acces la date via wireless• Wireless home networking – unificarea telefoniei

(cu/fara fir), Internet-ului, TV (prin cablu/satelit)• Home access networks – vezi initiativele 802.16

si HIPERACCESS• Managementul unificat al retelelor ad-hoc cu

auto-configurare: UPnP (Universal Plug’n’Play), RendezVous, Digital Living Network Alliance



AplicatiiAplicatii wirelesswireless• Alte provocari:

– Asigurarea conectivitatii continue• Calitatea continutului (fidelitate)• Concurenta

(partajarea/managementul resurselor)• Agilitatea

(viteza/flexibilitatea adaptarii la schimbari)– Reducerea puterii consumate– Asigurarea independentei de dispozitiv

a aplicatiilor wireless• Vezi si initiativa Wireless Web



RezumatRezumat

• Preliminarii• Dispozitive• Retele wireless• Internet fara fir• Arhitecturi de aplicatii



Intrebari?

Technology

Computer Networks.Wireless