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りえさかわ
5 years ago
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1 Agenda 無線 LAN 電子情報工学科 3 年前期ネットワークアーキテクチャ情報科学センター / ネットワークデザイン研究センター福田豊規格のおさらいネットワークの構成チャネル, 使用周波数帯など MAC 制御 DCF, PCF CSMA/CA 隠れ端末問題セキュリティ a/b/g/n, ac/ad 無線 LAN IEEE 系が使用する周波数無線 PAN 915MHz ZigBee (15.4) (868MHzも) 無線 MAN 無線 WAN GHz 2.4~2.5GHz (802.11b/g) 2.4~2.5GHz Bluetooth (15.1) ZigBee (15.4) 2.5GHz 帯 3.5GHz (2.3/2.5GHz) 3.5GHz 以下 5.15~5.35GHz 5.47~5.725GHz (802.11a) 3.1~10.6GHz UWB (15.3a) 6GHz 以下 (802.16e) 11GHz 以下 ( ) 10~66GHz (802.16) 60GHz UWB (15.3c) b/g が用いる周波数帯 b/g で用いられている 2.4GHz 帯 ISM (Industry, Scientific, Medical) バンド工業用医療用の高周波機器や電子レンジに使用されている干渉同じ場所で同時に使用すると干渉が起きるアクセスポイント同士や無線 LAN 端末同士でも干渉は起こる 7 8 IEEE 802 規格の中での IEEE LLC ( 論理リンク制御 ) 無線 LAN MAC LLC Layer 2 Datalink MAC CDMA /CD FHSS DSSS.11a OFDM.11b DSSS.11g DSSS /OFDM Layer 1 Physical および関係プロトコル MAC: Media Access Control FH: Frequency Hopping DS: Direct Sequence SS: Spread Spectrum OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing 10 1

802.11b/g で利用される周波数最大チャネル数 3 (#1, #6, #11) 日本の 11b のみ安心して無線 LAN

11a で利用される周波数通信モード通信モード :2 つ Ad-hoc mode,infrastructure Mode Ad-hoc

W52 で修正 W53,W56 でチャネル追加 13 14 Infrastructure mode を介して通信を行う

2 802.11b/g で利用される周波数最大チャネル数 3 (#1, #6, #11) 日本の 11b のみ安心して無線 LAN を使用するために参考資料 ( 総務省 ) 2004 より IEEE a で利用される周波数通信モード通信モード :2 つ Ad-hoc mode,infrastructure Mode Ad-hoc mode 端末同士が通信 (Access Point) は不要合計 19 チャネル屋外でも使用可能 J52 では海外規格とずれていたので W52 で修正 W53,W56 でチャネル追加 Infrastructure mode を介して通信を行うローミングを行うことができる Contd, Access Point の機能端末局の認証と暗号化端末局と基地局間の従属関係の管理ローミングに伴うハンドオフ ( 端末局と基地局間の従属関係の更新 ) ネットワーク

3 ネットワークの構成ネットワークの基本的構成要素は基本サービスセット (BSS: Basic Service Set) 独立 BSS (IBSS: Independent BSS) アドホック BSS, アドホックモードインフラストラクチャ BSS インフラストラクチャモード 17 アクセスポイントネットワークの構成 (ESS) 拡張サービスエリア BSS は, あくまで電波の到達範囲に限られる狭い空間をカバーすることはできるが, より広いエリアをカバーすることはできないでは, 拡張サービスセット (ESS: Extended Service Set) に BSS をバックボーンネットワークでつなぐことによって形成できるは 1 つの ESS の中でのリンク層の移動性を提供する. ただし, バックボーンは単一 ( イーサネット ) ドメインでなくてはならない拡張サービスエリアの識別 ESSID 18 BSS と ESS BSS2 BSS1 ESS1 (ESSID: CSIS) IEEE802.11b アクセスポイント BSS3 BSS4 バックボーンアクセスポイントアクセスポイント b の特徴使用周波数帯域 2.4GHz の ISM(Industrial Science Medical) 帯日本では 2.471GHz ~ 2.497GHz,2.400 ~ GHz を使用チャネル使用周波数帯域を 5MHz ごとに 13 チャネルに区分日本 :13(+1) チャネル使用可能干渉せずに使用できる最大チャネル数 =3 チャネル 14 チャネル目を使えば 4 チャネル通信速度電波の受信状況, もしくはフレームロスなどに応じて切り替わるサポートする伝送レート 11Mb/s, 5.5Mb/s, 2Mb/s, 1Mb/s 通信範囲 11Mb/s: 屋外 100m / 屋内 60m 5.5Mb/s: 屋外 200m / 屋内 100m 1/2Mb/s: 屋外 270m / 屋内 130m

4 伝送方式 b では DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum: 直接シーケンススペクトラム拡散 ) を採用一度広帯域に拡散し, その後逆拡散して元の信号に復元ノイズ, 干渉に強い送信データ一次変調二次変調メディアアクセス制御 (1) 無線の特徴同時に送受信することができない Stop and Wait による確認応答を採用 1 つのデータフレームを送信後, 受信側は ACK フレームを返信送信側は ACK フレームを受信できなければ, フレームを再送 BPSK QPSK CCK 20MHz の帯域に拡散メディアアクセス制御 (2) 2 つのモード PCF (Point Coordination Function), 制御型, オプション, DCF (Distributed Coordination Function), 競合型, 必須 PCF が STA に対して送信を許可するポーリングを行う DCF メディアアクセス制御 (3) 各 STA が衝突を前提として CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) により自律分散的に通信無線 LAN 自 STA がフレームを送信中の場合, そのフレームと他のフレーム間の衝突を検知することが不可能よって,CSMA/CD ではなく,CSMA/CA を用いるまた衝突無く正しく相手に到達しているかを判断するために, 誤りのないフレームを受け取った受信側は MAC 層の ACK(Acknowledgement) を返す b MAC 機構パケットの種別毎に異なる優先制御優先度に応じて異なる IFS (InterFrame Space) を用意 CSMA/CA 伝送する前に通信路上の搬送波を調査し, 通信路が空いていればパケットを伝送する DIFS PIFS データフレームの場合, 前のフレームの送信から DIFS 時間待機ユーザ A 送信フレーム IFS Frame Busy IFS t ユーザ B PIFS DIFS ACKフレーム PCFにおけるPolling 用データフレームユーザ C バックオフ Busy アクセス遅延 IFS IFS IFS : Inter Frame Space

5 Collision Avoidance (1) 送信前フレーム : Ack PIFS: 集中制御用 DIFS: データ通信用各端末は通信路が一定時間以上継続して空いていることを確認してからデータを送信 DIFS PIFS CW (Contention Window) フレームデータを送信したい端末 : DIFS 待った後,CW 内のスロットをランダムに選択し, そのスロットの順番が回ってくると送信待機中に他の端末の送信を検知すると, タイマーを凍結し, 通信終了後, 再びタイマーを再稼働させる 29 Collision Avoidance (2) 送信後受信側は ( 後 ) 必ず ACK を返信 ACK が帰ってこない場合は再度再送バックオフ時間待った後, フレームを再送する CSMA/CA で解決できない問題隠れ端末問題 30 隠れ端末問題 STA1 data collision CSMA により通信路中を調べたが STA1 の信号を受信できない data STA2 隠れ端末問題の解決法 : RTS/CTS を用いる 1. 送信したい STA は伝送路の状況を監視 2. 伝送路が空いたら RTS フレームを送信 3. 隠れ端末が同時に送信を開始すると RTS が衝突 4. RTS を正しく受信すると CTS フレームを送信これにより他の STA は媒体占有時間を認識 5. CTS を受信するとデータフレームを送信 6. データを正常に受信すると ACK フレームを送信 RTS/CTS 送受信手順実効スループット IEEE における 1 パケット送信シーケンス DIFS 送信待機状態に入る RTS CTS Data ACK RTS STA1 RTS CTS CTS STA2 要する時間 t は T t T = RTS + CTS + Data Rate + ACK + DIFS overhead

乱数発2013/5/10 CSMA/CD との比較毎回 ACK を返信する必要がある衝突しても送信を中断しない実効スループット T t = RTS + CTS + Data T Rate CSMA/CD 比べるとどうしても効率が悪い + ACK + DIFS + 3 + overhead より, 電波環境が良くても約半分程度のスループットしか達成できないセキュリティ

37 38 24bit 初期化ベクトル WEP の詳細 64, または 128bit 40, or 104bit 共通鍵任意の文字列データデータチェックサム + 排他的論理和乱数チェックサムの算出チェックサム WEP の脆弱性 2008 年 10 月 4 万パケット程度を得るだけで WEPの104ビット鍵 ( パスフレーズ ) を瞬時に解読できる手法が報告 4 万パケット

6 乱数発2013/5/10 CSMA/CD との比較毎回 ACK を返信する必要がある衝突しても送信を中断しない実効スループット T t = RTS + CTS + Data T Rate CSMA/CD 比べるとどうしても効率が悪い + ACK + DIFS overhead より, 電波環境が良くても約半分程度のスループットしか達成できないセキュリティ容易に通信が傍受できるので, 暗号化が必要 WEP:Wired Equivalent Privacy アクセスポイントと無線 LANカードで共通の暗号鍵を使用して暗号通信を行っている Challenge and Response 型の認証 Encrypt Key: 64bit, 128bit 問題点 : 同じ共通鍵で暗号化されたデータを集めれば, 比較的簡単に WEP キーを解読することが可能 bit 初期化ベクトル WEP の詳細 64, または 128bit 40, or 104bit 共通鍵任意の文字列データデータチェックサム + 排他的論理和乱数チェックサムの算出チェックサム WEP の脆弱性 2008 年 10 月 4 万パケット程度を得るだけで WEPの104ビット鍵 ( パスフレーズ ) を瞬時に解読できる手法が報告 4 万パケット数分のYouTube 動画, メールやWebしか見ない人たちでも複数が同時に利用すれば短時間で収集できるベンダーごとに独自に自動設定暗号化したデータ IEEE ヘッダ初期化ベクトル生39 暗号化したデータ IEEE フッタ 40 TKIP Wi-Fi Alliance により WPA (Wi-Fi Protected Access) で,WEP よりも強固な TKIP が採用 Wi-Fi Alliance 無線 LANの相互接続試験, 製品の認証, 普及に向けたプロモーション活動を行う WPA Wi-Fi Alliance 監督下で策定され IEEE i に準拠, 暗号鍵を一定時間毎に自動的に更新する TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) が採用 TKIP の改良点 IV ( 初期化ベクトル ) が 48 bit に一時鍵を一定時間毎に更新鍵の生成に各端末の MAC アドレスを利用し, 鍵が個別に異なる

WPA2 IEEE 802.11i 標準化策定後, 内容を反映して WPA2 が策定 WPA は元々暫定暗号化方式 RC4 に変わって AES が採用 IEEE802.11a/b/g 43 規格化の背景 IEEE 802.11b では最高速度が 11 Mb/s 100 Mb/s ~ 1 Gb/s を超える有線 LANと比較して低速より高速な規格が求められる 802.11a は 802.

7 WPA2 IEEE i 標準化策定後, 内容を反映して WPA2 が策定 WPA は元々暫定暗号化方式 RC4 に変わって AES が採用 IEEE802.11a/b/g 43 規格化の背景 IEEE b では最高速度が 11 Mb/s 100 Mb/s ~ 1 Gb/s を超える有線 LANと比較して低速より高速な規格が求められる a は b と同時期に標準化 5GHz 帯の整理に時間を要し,2002 年頃から普及 OFDM を採用し, 高速化 b でも OFDM を採用した高速化 g の登場 a の特徴使用周波数帯域 5 GHz 帯を使用チャネル現在は W52,W53, W56 の系 19 チャネル使用可能通信速度サポートする伝送レート 6 ~ 54 Mb/s 伝送方式 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) 狭帯域の搬送波を複数使って伝送 1 チャンネルあたりの占有周波数帯幅は 16.6MHz データ用の48 本と, パイロット信号用 4 本の計 52 本の狭い帯域に分割 (1 本辺り0.3125MHz) それぞれの帯域で搬送波 ( サブキャリア ) が立てられる個々のサブキャリアを0.25MHzの変調速度で個別に変調し, 全体を使ってデータを伝送 g の特徴使用周波数帯域 11b と同じ 2.4 GHz 帯チャネル使用周波数帯域を 5MHz ごとに 13チャネル 11b は 14 チャネル使えたが,11g は 13 チャネルまで 54 7

IEEE 802.11b/g 混在時 (1) 無線 LAN の通信速度最大速度 IEEE 802.11b: 11 Mb/s,IEEE 802.11g: 54 Mb/s ACK STA (IEEE 802.11b) DATA overhead ACK STA (IEEE 802.11g) DATA overhead time time 実効速度 IEEE 802.

11g のスループットが低下 time 56 IEEE802.11n 802.11 a/b/g = 実行スループットは伝送速度の約半分 IEEE802.11n 拡張 +MAC 拡張により, MAC 層で 100Mb/s 超のスループットを目指す 802.2 LAN 上でのデータ転送 802.

8 IEEE b/g 混在時 (1) 無線 LAN の通信速度最大速度 IEEE b: 11 Mb/s,IEEE g: 54 Mb/s ACK STA (IEEE b) DATA overhead ACK STA (IEEE g) DATA overhead time time 実効速度 IEEE b: 約 5 Mb/s,IEEE g: 約 25 Mb/s 55 IEEE b/g 混在時 (2) 同一に IEEE b/g の STA が混在する際の通信 STA (IEEE b) STA (IEEE g) DATA ACK overhead DATA ACK overhead 単位時間あたりの IEEE g のスループットが低下 time 56 IEEE802.11n a/b/g = 実行スループットは伝送速度の約半分 IEEE802.11n 拡張 +MAC 拡張により, MAC 層で 100Mb/s 超のスループットを目指す LAN 上でのデータ転送チャネルアクセス制御無線区間上の送受信 LLC MAC LLC MAC MAC スループットで 100Mb/s 以上層での高速化 MAC 層での高効率化 58 物理層での高速化の工夫 (1) MIMO (Multiple Input Multiple Output) の採用送信機とアンテナの組み合わせを複数用意データを並列化して同時に送信する送信機と受信機が二組あれば 2 つのデータ ( データストリーム ) を同時に送信できるため, データ通信速度が倍になる MAC スループット [Mb/s] MAC 層拡張の必要性距離 [m] 54Mb/s 104Mb/s 130Mb/s 層のみでの拡張では限界無線区間の伝送速度を上げても MAC でのスループットは上がらない MAC 層でのオーバヘッドが原因拡張 +MAC 拡張グラフはイメージ

MAC 層での工夫フレームアグリゲーション複数の Ethernet フレームを 1 つのフレームへとまとめて送信 A-MSDU : MAC ヘッダより後の部分を連結 A-MPDU : MAC ヘッダも含んで連結下位互換性問題下位互換性の確保レガシーモード, ミックスモードを提供レガシーモード 11a/b/g として動作するため,11n のメリット無しミックスモード先頭に

9 MAC 層での工夫フレームアグリゲーション複数の Ethernet フレームを 1 つのフレームへとまとめて送信 A-MSDU : MAC ヘッダより後の部分を連結 A-MPDU : MAC ヘッダも含んで連結下位互換性問題下位互換性の確保レガシーモード, ミックスモードを提供レガシーモード 11a/b/g として動作するため,11n のメリット無しミックスモード先頭に 11a/b/g が認識できるように信号を付加するため, オーバーヘッドが増加 11b/g 混在時と同じように, パフォーマンスが大幅に低下 IEEE ac/ad さらなる高速化既にで標準化作業が開始 ac 5GHz 帯を使用エリアは数 10m 規格上の理論値では 6.9 Gb/s Netgear,802.11ac 対応無線 LANルータの販売を発表 ad 60 Ghz 帯を使用エリアは10m 程度規格上の理論値では 6.8 Gb/s 63 まとめ規格のおさらいネットワークの構成チャネル, 使用周波数帯など MAC 制御 DCF, PCF,CSMA/CA 実行スループット隠れ端末問題セキュリティ a/b/g/n, ac/ad 規格混在時のスループットの低下 67 9

出岡雅也旭健作鈴木秀和渡邊晃名城大学理工学部

出岡雅也旭健作鈴木秀和渡邊晃名城大学理工学部 ( ) Study of Access Control Method in Ad-hoc Networks that Prevents Hidden Terminal Problems using Strong Busy Tone Masaya Izuoka, Kensaku Asahi, Hidekazu Suzuki, Akira Watanabe(Meijo University) 1 2 IEEE802.11