A Study of Multicast Performance in IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks

Langattomat lähiverkot ovat yleistyneet ja monin paikoin niillä pyritään täysin korvaamaan perinteiset kaapeloidut verkot. Samalla verkoissa välitettävät palvelut monipuolistuvat. Etenkin interaktiivisten sisältöjen ja viiveriippuvaisten palvelujen välittämisessä korostuvat verkolle asettavat vaatimukset suorituskyvystä ja palveluntasosta. Radiotaajuuksilla tapahtuva tiedonsiirto on ongelmallista siirtomedian jaetun luonteen vuoksi. Käytettäessä ympärisäteileviä antenneja jokainen kantomatkan päässä oleva asema kuulee lähetyksen, vaikkei se olisi sille suunnattu. Tämä luo turvallisuusongelman, mutta lisäksi heikentää tehokkuutta, koska nykyisellä antenniteknologialla vain yksi asema kerrallaan voi lähettää häiriöttä kantoalueellaan. Täsmälähetykset yhden lähteen ja useiden kohteiden välillä luovat erillisiä siirtolinkkejä. Olisi luontevampaa luoda yksi lähetysvirta, johon useat vastaanottajat voivat kytkeytyä. Kaistan säästön vastapainona on tarve luoda ja ylläpitää näitä yhteyksiä. Käyttäjien liikkuvuuden ja siirtotien vaihtelevien ominaisuuksien vuoksi langattoman verkon rakenne ja rajat ovat epäselviä. Näihin haasteisiin on vastattava sekä protokolla- että sovellustasolla. Tässä tutkielmassa käydään ensin läpi IEEE 802.11 -standardin mukaisen langattoman verkon perusteet ja sen ominaisuuksiin liittyvät tyypilliset ongelmakohdat. Yleis- ja ryhmälähetyksiä tarkastellaan ensin perinteisessä IEEE 802.3 standardin mukaisessa langallisessa lähiverkossa ja selvitetään, miten vastaavat ominaisuudet toteutuvat IEEE 802.11 standardien mukaisissa langattomissa verkoissa. Käyttötapaustutkimuksissa keskitytään rajatussa ympäristössä tapahtuviin ryhmälähetyksiin. Erityisesti tutkitaan langattomien ryhmälähetysten käyttökelpoisuutta sekä langattoman ympäristön asettamia erityisvaatimuksia.

802.11-standardiperhe

Langattomien verkkojen kehitys juontaa juurensa 1980-luvulle, jolloin eri valmistajat julkaisivat omia valmistajakohtaisia tuotteitaan. Kuluttajalle tämä tarkoitti sitoutumista yhteen valmistajaan ja yhteensopivuusongelmia eri laitteiden kesken. Ensimmäinen ajatus oli luoda vain uusi fyysinen taso langallisen lähiverkon 802.3-standardiin, mutta pian ymmärrettiin, että tarvitaan kokonaan uusi MAC-taso, sillä tiedonsiirto radioteitse on huomattavan erilaista kuin kaapelia pitkin tehtävä tiedonsiirto. Esimerkiksi langallisen lähiverkon 802.3-standardista tuttua CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect) siirtotien varausmenetelmää ei voida käyttää, vaan se on korvattu langattomassa lähiverkossa CSMA/CA:lla (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) IEEE:n (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11-standardi sai alkunsa 21.3.1991 ja ensimmäinen 802.11-standardi, 802.11-1997, julkaistiin vuonna 1997. 802.11-standardia kehitetään edelleen, ja tällä hetkellä uusin julkaistu laajennos on vuonna 2014 julkaistu 802.11ac. Tässä tutkielmassa perehdytään erilaisiin langattoman lähiverkon tekniikoihin pääpainon ollessa IEEE:n 802.11-standardissa ja sen tietoturvassa.

Langattomat Ethernet-teknologiat ja niiden verkkoturva

Tässä opinnäytetyössä tutustutaan IEEE 802.11 -standardien perheeseen. Työssä esitellään WLAN-yhteyksien evoluutio nykypäivään asti ja niiden suojaus. Lisäksi esitellään kaksi muuta langattoman yhteyden standardia, IEEE 802.16 ja IEEE 802.16, jotka on suunniteltu kattamaan kaupunkialueita. Työ on tehty täysin kirjallisuustutkielmana. Lähteinä on käytetty sekä painettua kirjallisuutta että Internet-lähteitä. WLAN-yhteys tuo mukanaan lähes kaapelittoman verkon, mutta samalla se tarjoaa mahdollisuuden hyväksikäyttää yhteyttä. Tukiasemat ovat oletuksena suojaamattomia ja harva kotikäyttäjä ymmärtää edes mitä langattoman verkon suojaaminen tarkoittaa. Yrityksissä WLAN-suojaus tulisi ottaa edellistä vakavammin, yrityksen liikesalaisuuksien vuotaminen WLAN-yhteyden kautta tulisi olla mahdotonta. Pääpaino työssä on suojaustapojen käsittelyssä mahdollisimman laajasti. Lisäksi annetaan ehdotus kuinka suojata langaton lähiverkko niin kotona kuin yrityksessä. Työtä voidaan käyttää apuna suunnitellessa WLAN-verkon suojaamista.

WLAN ja logistiikka-ala

Tästä insinöörityöstä pyrittiin luomaan käytännönläheinen opas logistiikka-alan yritysten WLAN-ratkaisujen suunnittelusta ja toteutuksesta. Insinöörityössä on tiivistetty käytännös-ä parhaiksi todetut metodit ja teoreettinen tieto langattomista verkoista. Työn tarkoituk-sena oli kehittää ja parantaa yrityksen langattomien lähiverkkojen yksikön toimintaa ja luoda kattava opas yksikköön saapuville työntekijöille. Logistiikka-alalla WLAN-tekniikka on mahdollistanut varastoissa langattoman työskentelyn, joka on näkynyt nopeudessa ja kustannustehokkuudessa. Logistiset varastot ovat haasteellinen ympäristö WLAN-verkoille, mutta koko ajan kehittyvän tekniikan ansiosta varastoihin on mahdollista luoda nopea ja luotettava langaton lähiverkko. Insinöörityön teoreettisessa osiossa käsitellään muun muassa WLAN-tekniikan historiaa, standardeja ja yleisesti WLAN-tekniikkaa. Työssä tutustutaan myös WLAN-antenneihin, laitteistoihin ja tietoturvallisuuteen. Käytännön tutkimustyö toteutettiin kahden vuoden aikana WLAN-verkkojen ylläpidon, suunnittelun ja toteutuksen muodossa. Näiden vuosien aikana onnistuttiin kehittämään käytettyjä menetelmiä ja luomaan uusia lähestymistapoja, sekä toteuttamaan useita on-nistuneita WLAN-verkkoja. Työssä esitellään teoreettisen suunnittelun lisäksi kaksi kappa-letta onnistuneesti toteutuneita WLAN-ratkaisuja.

Paikkatiedon kerääminen ja hyödyntäminen WLAN-verkossa

Työn teoriaosuudessa tutustutaan ensin yleisimpiin paikannusmenetelmiin. Käsiteltävänä ovat GPS-satelliittipaikannus sekä radiosoluverkkojen paikannusmenetelmät solupaikannuksesta monimutkaisempiin signaalin ominaisuuksia tutkiviin menetelmiin. Teoriaosuudessa käsitellään myös IEEE 802.11 –standardin PHY- ja MAC-kerrosten toimintaa sekä WLAN-verkon siirtotien ominaisuuksia paikannuksen kannalta. Ennen paikannusjärjestelmän toteuttamista työssä esitellään menetelmiä ja tuloksia muista tutkimuksista samalta tutkimusalueelta. Työssä toteutetaan paikannusjärjestelmä sekä solupaikannusta että signaalitasopaikannusta hyödyntäen. Solupaikannusjärjestelmälle määritellään palvelurajapinta, jonka kautta paikannuspalvelua voidaan hyödyntää muissa palveluissa. Kaksi paikannuspalvelun päälle luotua palvelua esitellään lyhyesti malliesimerkkeinä. Signaalitasopaikannuksen osalta kuvataan kaksi menetelmään kuuluvaa vaihetta ja yksittäisten komponenttien toiminta näissä vaiheissa. Paikannusmenetelmien tarkkuutta tutkitaan mittausten avulla ja testituloksista muodostetaan paikannustarkkuutta kuvaavat tilastot. Solupaikannuksen keskimääräinen virhe on ±50 metriä. Vastaavasti signaalitasopaikannuksen virhe on ±4 metriä ja parannettua algoritmia käyttäen ±3 metriä.

Mobile Protocol Stack Simulator

Nykypäivän maailma tukeutuu verkkoihin. Tietokoneverkot ja langattomat puhelimet ovat jo varsin tavallisia suurelle joukolle ihmisiä. Uusi verkkotyyppi on ilmestynyt edelleen helpottamaan ihmisten verkottunutta elämää. Ad hoc –verkot mahdollistavat joustavan verkonmuodostuksen langattomien päätelaitteiden välille ilman olemassa olevaa infrastruktuuria. Diplomityö esittelee uuden simulaatiotyökalun langattomien ad hoc –verkkojen simulointiin protokollatasolla. Se esittelee myös kyseisten verkkojen taustalla olevat periaatteet ja teoriat. Lähemmin tutkitaan OSI-mallin linkkikerroksen kaistanjakoprotokollia ad hoc –verkoissa sekä vastaavan toteutusta simulaattorissa. Lisäksi esitellään joukko simulaatioajoja esimerkiksi simulaattorin toiminnasta ja mahdollisista käyttökohteista.

Adaptive optimization schemes for mobile VoIP applications Battery life and call quality aspects

In this thesis programmatic, application-layer means for better energy-efficiency in the VoIP application domain are studied. The work presented concentrates on optimizations which are suitable for VoIP-implementations utilizing SIP and IEEE 802.11 technologies. Energy-saving optimizations can have an impact on perceived call quality, and thus energy-saving means are studied together with those factors affecting perceived call quality. In this thesis a general view on a topic is given. Based on theory, adaptive optimization schemes for dynamic controlling of application's operation are proposed. A runtime quality model, capable of being integrated into optimization schemes, is developed for VoIP call quality estimation. Based on proposed optimization schemes, some power consumption measurements are done to find out achievable advantages. Measurement results show that a reduction in power consumption is possible to achieve with the help of adaptive optimization schemes.

Tietoturva käyttäjän kannalta langattomaan lähiverkkotekniikkaan perustuvassa kaupunkiverkossa

Langattomien lähiverkkotekniikoiden käyttö on yleistynyt nopeasti viime vuosina. Varsinkin IEEE:n 802.11b-standardi on ollut suosittu. Tätä tekniikkaa on käytetty myös alueellisten access-verkkojen rakentamiseen. Tämä työ on tehty hankkeeseen, jossa tutkitaan langattoman lähiverkkotekniikan käyttöä operaattoririippumattoman kaupunkiverkon toteuttamiseen. Työssä tutkittiin langattoman lähiverkkotekniikan vaikutusta verkon käyttäjän tietoturvaan ja pyrittiin löytämään avoimeen kaupunkiverkkoon sopiva ratkaisu, joka parantaa käyttäjän tietoturvaa. Työssä käsitellään aluksi tietoturvan teoriaa ja langattomuuden vaikutusta tietoturvaan. Hankkeessa käytetty langaton lähiverkkotekniikka IEEE 802.11b ja sen tietoturvaominaisuudet esitellään. Tutustutaan myös lyhyesti muutamiin julkisiin, 802.11b-tekniikkaa käyttäviin verkkoihin, sekä niiden tietoturvaratkaisuihin. Työssä esitellään tuote, jolla pyrittiin parantamaan käyttäjien tietoturvaa hankkeen verkossa. Lisäksi kuvaillaan tuotteen asennus testiverkkoon. Testiverkon käyttöperiaatteiden perusteella päädyttiin tulokseen olla ottamatta testattua tuotetta käyttöön, vaikka tuote sinällään oli teknisesti toimiva.

Yhdysliikennepisteen suunnittelu

Langattomien lähiverkkotekniikoiden yleistyessä langattomien verkkojen ja palveluiden kysyntä on kasvanut nopeasti. Varsinkin vuonna 1997 julkistettu IEEE:n 802.11b-standardi on mahdollistanut langattomien verkkotekniikoiden nopean kehityksen. Tässä työssä esitetään suunnitelma kahden verkon välisen rajapinnan rakenteesta ja to-teutuksesta. Rajapintaa kutsutaan yhdysliikennepisteeksi. Sen pääasiallisena tehtävänä on toimia solmupisteenä kaikelle verkkojen väliselle tietoliikenteelle ja hallinnoida niin sisäverkkoa käyttäjineen kuin ulkoverkon puolelle kytkettyjä operaattoreita. Yhdyslii-kennepisteen tehtävänä on tunnistaa sisäverkon käyttäjät, auktorisoida heidät yhteis-työssä operaattorien kanssa, huolehtia sisäverkon käyttäjien verkko-osoitteista ja toimia verkkoliikenteen välittäjänä. Yhdysliikennepiste kykenee reitittämään käyttäjän oikealle operaattorille ja huolehtii siitä, että käyttäjällä on pääsy palveluihin, joiden käyttämiseen tällä on valtuutus. Työssä määritellään yhdysliikennepisteen rajapinnat sekä siihen liitettäviä operaattoreita että sisäverkkoon tarjottavia peruspalveluita varten. Lisäksi määritellään yhdysliikenne-pisteen sisäiset rajapinnat. Yhdysliikennepiste ei rajoita käytettyä verkkotekniikkaa, mutta tässä työssä keskitytään IEEE 802.11b -standardin mukaisiin WLAN-verkkoihin. Yhden tai useamman operaattorin verkkoja on olemassa sekä langallisessa että langat-tomissa ympäristöissä. Näissä verkoissa jokainen Internet-operaattori huolehtii kuiten-kin vain omista asiakkaistaan. Sisäverkko on suljettu, siihen pääsevät liittymään vain operaattorin omat asiakkaat. Työn tuloksena syntynyt yhdysliikennepiste on ratkaisu, jonka avulla voidaan rakentaa monioperaattorialueverkko, joka on avoin kaikille sen käyttäjille.

Langattoman tietoliikenneverkon toteuttaminen satama-alueelle

Tässä työssä toteutetaan IEEE 802.16-2004 standardiin perustuva langaton WiMAX tietoliikenneverkko, sekä tutkitaan etenemismallien soveltuvuutta satama-alueelle. Myös muiden verkkoratkaisujen soveltuvuutta pohditaan. Lisäksi tutkitaan sääolosuhteiden sekä päätelaitteen liikkumisnopeuden vaikutuksia yhteyteen. Satama-alueella on teräksestä valmistettuja merikontteja pinottuina päällekkäin, ja ne vaikeuttavat langattomien signaalien etenemistä. Merikonttien pinot säilyttävät tietyn maksimikorkeuden johtuen työkoneiden rajallisesta kyvystä pinota niitä. Langattomien signaalien etenemiselle erilaisissa ympäristöissä on kehitetty etenemismalleja. Etenemisallien avulla voidaan pyrkiä ennustamaan signaalin vahvuutta eri etäisyyksillä tukiasemasta. Etenemismallit kuvaavat ympäristön aiheuttamaa signaalin vaimenemista erilaisten muuttujien avulla. Langattoman tietoliikenneverkon toteutus ongelmatilanteineen dokumentoitiin ja alueella tehtiin kuuluvuusmittauksia. Löydettiin etenemismalli ja muuttujat, joiden avulla lasketut tulokset vastasivat mitattuja tuloksia hyvin. Myös sääolosuhteiden sekä päätelaitteen liikkumisnopeuden vaikutusta signaalin vahvuuteen tutkittiin. Vesi- ja lumisateen sekä sumun vaikutuksen todettiin olevan merkityksetön verkon käyttämällä 3.5 GHz taajuusalueella. Myöskään päätelaitteen liikkumisnopeuden ei todettu vaikuttavan toiminnallisuuteen 20-30 kilometrin tuntinopeudella, jolla työkoneet alueella liikkuvat.

ZigBee-verkot ja evaluointilaitteen suunnittelu

In this thesis a closer look at ZigBee wireless network protocol was made and a ZigBee evaluation device was designed and built for testing it. ZigBee is a digital wireless network technology published in 2004, which was developed for wireless control and automation systems. It is based on the IEEE 802.15.4-2003 standard, and its aim was to create a reliable wireless networking protocol with secure data transmissions, low power consumption and low manufacturing costs. The low power consumption requirement has also led to a slow data rate and a short range, but in a ZigBee network individual network devices can route messages to each other, so short range is not a problem. In automation and control systems a fast data rate is not usually an important requirement either. ZigBee network can form automatically and one ZigBee network can theoretically include thousands of devices, all of which can communicate with each other. ZigBee network is also self-healing, so an individual device dropping out of the network, like breaking down, does not affect functionality of the network. Evaluation device was designed and implemented in four different versions, which were tested with six different antenna designs. All antennas were tested at a range of 100 meters in an open terrain using two different frequencies and transmission powers. Also a range test was performed for selected antennas using transmission power of 4,5 dBm, which was maximum power of the ZigBee chip used in the evaluation device. Range test resulted in a measured range of several hundred meters, which can be considered as a good result for a short-range technology.

An IP capable data link layer protocol for narrow band half-duplex packet data radio networks

The wide adaptation of Internet Protocol (IP) as de facto protocol for most communication networks has established a need for developing IP capable data link layer protocol solutions for Machine to machine (M2M) and Internet of Things (IoT) networks. However, the wireless networks used for M2M and IoT applications usually lack the resources commonly associated with modern wireless communication networks. The existing IP capable data link layer solutions for wireless IoT networks provide the necessary overhead minimising and frame optimising features, but are often built to be compatible only with IPv6 and specific radio platforms. The objective of this thesis is to design IPv4 compatible data link layer for Netcontrol Oy's narrow band half-duplex packet data radio system. Based on extensive literature research, system modelling and solution concept testing, this thesis proposes the usage of tunslip protocol as the basis for the system data link layer protocol development. In addition to the functionality of tunslip, this thesis discusses the additional network, routing, compression, security and collision avoidance changes required to be made to the radio platform in order for it to be IP compatible while still being able to maintain the point-to-multipoint and multi-hop network characteristics. The data link layer design consists of the radio application, dynamic Maximum Transmission Unit (MTU) optimisation daemon and the tunslip interface. The proposed design uses tunslip for creating an IP capable data link protocol interface. The radio application receives data from tunslip and compresses the packets and uses the IP addressing information for radio network addressing and routing before forwarding the message to radio network. The dynamic MTU size optimisation daemon controls the tunslip interface maximum MTU size according to the link quality assessment calculated from the radio network diagnostic data received from the radio application. For determining the usability of tunslip as the basis for data link layer protocol, testing of the tunslip interface is conducted with both IEEE 802.15.4 radios and packet data radios. The test cases measure the radio network usability for User Datagram Protocol (UDP) based applications without applying any header or content compression. The test results for the packet data radios reveal that the typical success rate for packet reception through a single-hop link is above 99% with a round-trip-delay of 0.315s for 63B packets.

Performance Analysis of IP based WSNs in real time systems

Wireless sensor networks (WSNs) are the key enablers of the internet of things (IoT) paradigm. Traditionally, sensor network research has been to be unlike the internet, motivated by power and device constraints. The IETF 6LoWPAN draft standard changes this, defining how IPv6 packets can be efficiently transmitted over IEEE 802.15.4 radio links. Due to this 6LoWPAN technology, low power, low cost micro- controllers can be connected to the internet forming what is known as the wireless embedded internet. Another IETF recommendation, CoAP allows these devices to communicate interactively over the internet. The integration of such tiny, ubiquitous electronic devices to the internet enables interesting real-time applications. This thesis work attempts to evaluate the performance of a stack consisting of CoAP and 6LoWPAN over the IEEE 802.15.4 radio link using the Contiki OS and Cooja simulator, along with the CoAP framework Californium (Cf). Ultimately, the implementation of this stack on real hardware is carried out using a raspberry pi as a border router with T-mote sky sensors as slip radios and CoAP servers relaying temperature and humidity data. The reliability of the stack was also demonstrated during scalability analysis conducted on the physical deployment. The interoperability is ensured by connecting the WSN to the global internet using different hardware platforms supported by Contiki and without the use of specialized gateways commonly found in non IP based networks. This work therefore developed and demonstrated a heterogeneous wireless sensor network stack, which is IP based and conducted performance analysis of the stack, both in terms of simulations and real hardware.

Isentropic Exergy and Pressure of the Shock Wave Caused by the Explosion of a Pressure Vessel

An accidental burst of a pressure vessel is an uncontrollable and explosion-like batch process. In this study it is called an explosion. The destructive effectof a pressure vessel explosion is relative to the amount of energy released in it. However, in the field of pressure vessel safety, a mutual understanding concerning the definition of explosion energy has not yet been achieved. In this study the definition of isentropic exergy is presented. Isentropic exergy is the greatest possible destructive energy which can be obtained from a pressure vessel explosion when its state changes in an isentropic way from the initial to the final state. Finally, after the change process, the gas has similar pressure and flow velocity as the environment. Isentropic exergy differs from common exergy inthat the process is assumed to be isentropic and the final gas temperature usually differs from the ambient temperature. The explosion process is so fast that there is no time for the significant heat exchange needed for the common exergy.Therefore an explosion is better characterized by isentropic exergy. Isentropicexergy is a characteristic of a pressure vessel and it is simple to calculate. Isentropic exergy can be defined also for any thermodynamic system, such as the shock wave system developing around an exploding pressure vessel. At the beginning of the explosion process the shock wave system has the same isentropic exergyas the pressure vessel. When the system expands to the environment, its isentropic exergy decreases because of the increase of entropy in the shock wave. The shock wave system contains the pressure vessel gas and a growing amount of ambient gas. The destructive effect of the shock wave on the ambient structures decreases when its distance from the starting point increases. This arises firstly from the fact that the shock wave system is distributed to a larger space. Secondly, the increase of entropy in the shock waves reduces the amount of isentropic exergy. Equations concerning the change of isentropic exergy in shock waves are derived. By means of isentropic exergy and the known flow theories, equations illustrating the pressure of the shock wave as a function of distance are derived. Amethod is proposed as an application of the equations. The method is applicablefor all shapes of pressure vessels in general use, such as spheres, cylinders and tubes. The results of this method are compared to measurements made by various researchers and to accident reports on pressure vessel explosions. The test measurements are found to be analogous with the proposed method and the findings in the accident reports are not controversial to it.

Mitotic regulation by Polo-like kinase 1 and the Chromosomal Passenger Complex

During mitosis, the duplicated genome must be accurately divided between two daughter cells. Polo-like kinase 1 (Plk1) and Aurora B kinase, together with its binding partners Incenp, Survivin and Borealin (chromosomal passenger complex, CPC), have key roles in coordinating mitotic events. The accuracy of cell division is safeguarded by a signaling cascade termed the mitotic spindle checkpoint (SC), which ensures that chromosomes are not physically separated before correct bipolar attachments have been formed between kinetochores and spindle microtubules (MT). An inhibitory “wait anaphase” signal, which delays chromosome separation (anaphase onset), is created at individual kinetochores and broadcasted throughout the cell in response to lack of kinetochore-microtubule (kMT) attachment or proper interkinetochore tension. It is believed that the fast turnover of SC molecules at kinetochores contributes to the cell’s ability to produce this signal and enables rapid responses to changing cellular conditions. Kinetochores that lack MT attachment and tension express a certain phosphoepitope called the 3F3/2 phosphoepitope, which has been linked to SC signaling. In the experimental part, we investigated the regulation of the 3F3/2 phosphoepitope, analyzed whether CPC molecules turn over at centromeres, and dissected the mitotic roles of the CPC using a microinjection technique that allowed precise temporal control over its function. We found that the kinetochore 3F3/2 phosphoepitope is created by Plk1, and that CPC proteins exhibit constant exchange at centromeres. Moreover, we found that CPC function is necessary in the regulation of chromatid movements and spindle morphology in anaphase. In summary, we identified new functions of key mitotic regulators Plk1 and CPC, and provided insighs into the coordination of mitotic events.