6: Wireless and Mobile Networks6-1 Redes Inalámbricas y Redes Móviles Una nota sobre el uso de las presentaciones: All material copyright 1996-2004 J.F

6: Wireless and Mobile Networks 6-1

Redes Inalámbricas y Redes Móviles

Una nota sobre el uso de las presentaciones:

All material copyright 1996-2004J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved (sesiones 6,1 6,3

Wireless Communications and Networksby William Stallings (Capítulo 14)

ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition (R2003)Part 11: Wireless LAN Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications

Introducción al estándar 802.11


Redes Inalámbricas y Redes Móviles

Antecedentes: El # de suscriptores de teléfonos celulares

(móviles) ahora excede el # de suscritores de teléfonos fijos!

Redes de computadores: laptops, palmtops, PDAs, teléfonos con capacidad de conexión a Internet prometen acceso a Internet en cualquier instante y sin limitaciones

Dos desafíos importantes (pero diferentes) Comunicación sobre un enlace inalámbrico Manejo de usuarios móviles, quienes pueden

cambiar permanentemente su punto de conexión a la red


Contenido

6.1 Introducción

Inalámbricas 6.2 Enlaces

inalámbricos, características CDMA

6.3 LANs inalámbricas IEEE 802.11 (“wi-fi”)


802.11: Breve HistoriaIEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) estableció el grupo 802.11 en 1990. Las especificaciones del estándar se ratificaron en 1997.

Velocidades iniciales fueron de 1 y 2 Mbps.

IEEE modificó en 1999 el estándar para incluir:802.11b

802.11a

802.11g fue adicionado en el 2003.

IEEE creó el estándar, pero la Alianza Wi-Fi certifica los productos


Estándar 802.11

802.11 se ocupa de los niveles inferiores del modelo OSI.

Nivel de enlace Logical Link Control (LLC). Medium Access Control (MAC).

Nivel físico Physical Layer Convergence

Procedure (PLCP). Physical Medium Dependent (PMD).


Protocolos IEEE 802.11 en contexto


Arquitectura IEEE 802.11 Basic service set (BSS)

BSS = Estaciones ejecutando el mismo protocolo MAC y compitiendo por acceso al medio inalámbrico compartido

BSS = Conjunto de estaciones controladas por una sola función de coordinación

Los BSSs pueden estar aislados o conectados al backbone DS a través del AP

Distribution system (DS) Access point (AP) Extended service set (ESS)

Dos o más basic service sets interconectados por DS


Basic service sets

El basic service set (BSS) es elemento de construcción básico de una LAN IEEE 802.11. En la Figura se muestran dos BSSs, cada uno tiene dos estaciones miembros del BSS

Es útil pensar que los óvalos son usados para representar un BSS como el área de cubrimiento dentro de la cual las estaciones miembros del BSS pueden permanecer comunicadas. Si una estación se mueve por fuera de su BSS, no podrá comunicarse directamente con otros miembros del BSS


Distributios Systems y Access Points

Los Datos se mueven entre un BSS y el DS a través de un AP. Note que todos los APs también son STAs; Entonces ellos son entidades direccionables. Las direcciones usadas por un AP para comunicarse sobre el WM y sobre el DSM no son necesariamente del mismo tipo

Un access point (AP) es una STA que además de actuar como STA, permite el acceso hacia el DS proporcionando los Servicios del Sistema de Distribución (DSS)

El DS habilita el soporte a dispositivos móviles proporcionando los servicios lógicos necesarios para manejar el mapeo de direcciones hacia los destinos y la integración de múltiples BSSs


Extended Service Set

El DS y los BSSs permiten en IEEE 802.11 crear una red inalámbrica de tamaño y complejidad arbitraria. IEEE802.11 se refiere a éste tipo de red como “extended service set network”

El concepto clave es que la red ESS aparece igual al nivel LLC como en una red IBSS. Las estaciones dentro de un ESS pueden comunicarse y moverse desde un BSS hacia otro (dentro del mismo ESS) de manera transparente al LLC

IEEE 802.11 no asume nada acerca de las localizaciones de los BSSs en la Figura


Conexión con otras LANs IEEE802

Para integrar la arquitectura IEEE 802.11 con una LAN tradicional alambrada, se introduce un componente lógico de la arquitectura — el portal Un portal es el punto lógico en el cual una MSDUs proveniente de una LAN integrada no-IEEE 802.11 entra al IEEE802.11 DS

Todos los datos provenientes de un LAN no-IEEE 802.11 entra a la arquitectura IEEE 802.11 a través del portal. El portal proporciona integración entre la arquitectura IEEE 802.11 y las LANs alambradas existentes. ES posible que un equipo ofrezca tanto la función de AP como la de portal; este sería el caso cuando un DS se implementa de componentes de LAN IEEE 802


Interfases de servicio lógico

La arquitectura IEEE 802.11 permite la posibilidad que el DS sea idéntico a una LAN alambrada existente. Un DS puede crearse de diferentes tecnologías incluyendo las LANs alambradas IEEE 802. IEEE 802.11 no limita al DS a estar basado en el nivel de “enlace” o de “red”. IEEE 802.11 no limita a que el DS sea de naturaleza centralizada o distribuida

IEEE 802.11 no especifica explícitamente los detalles de la implementación del DS. En lugar de ello, IEEE 802.11 especifica servicios. Los servicios están asociados con diferentes componentes de la arquitectura. Hay dos categorías de servicios IEEE 802.11—Los servicios de estación (SS) y los servicios del sistema de distribución (DSS). Ambas categorías de servicios son usadas por el subnivel MAC de IEEE 802.11


Los servicios proporcionados por las estaciones se conocen como servicios de estación. Los SS son implementados en cada estación IEEE 802.11 (incluyendo APs, puesto que los APs incluyen la funcionalidad de una estación). Los SS son especificados para ser usados por las entidades del subnivel MAC . Todas las estaciones compatibles 802.11 proporcionan SS. Los SS son:a) Authenticationb) Deauthenticationc) Privacyd) MSDU delivery

Station service (SS)


Distribution system service (DSS)

Los servicios proporcionados por el DS son conocidos como servicios del sistema de distribución. Estos servicios son representados en la arquitectura IEEE 802.11 mediante flechas dentro de los APs, indicando que estos servicios son usados para cruzar las fronteras lógicas de los espacios de direcciones y del medio

Los DSSs son proporcionados por el DS. Ellos son accedidos a través de una STA que también proporciona DSSs. Una STA que esté proporcionado acceso a los DSS es un AP

Los DSSs son:

a) Distributionb) Integrationc) Associationd) Disassociatione) Reassociation

Los DSSs son especificados para ser usados por entidades del subnivel MAC


Distribución de Mensajes dentro de un DS

Servicio de Distribución (DSS) Usado para intercambiar tramas MAC desde la estación en

un BSS a la estación en otro BSS STA1STA2 (Input AP)DSSTA3 (output AP)STA4

Servicio de Integración (DSS) Transferencia de datos entre la estación en una LAN IEEE

802.11 y la estación en una LAN integrada IEEE 802.x STA1STA2 (Input AP)DSPortalSTA en 802.x


Tipos de Transición Basados en Movilidad No hay transición

Estacionario o se mueve solamente dentro del BSS Transición de BSS

La estación de mueve desde un BSS a otro BSS dentro del mismo ESS

Transición de ESS La estación se mueve desde un BSS en un ESS a un

BSS dentro de otro ESS


Servicios Relacionados de Asociación

Servicio de Asociación (DSS) Antes de que una STA pueda enviar mensajes de datos a través de

un AP, ella deberá primero asociarse con el AP. El hecho de querer asociarse invocará el servicio de asociación, el cual le proporcionará al DS el mapeo de la STA al AP correspondiente. El DS usa esta información para realizar su servicio de distribución de mensajes

En cualquier instante dado, una STA puede asociarse con NO Más de un AP. Esto asegura que el DS pueda determinar una respuesta única a la pregunta, “Cuál AP le está sirviendo a la STA X?” Una vez esté completa la asociación, una STA podrá hacer completo uso del DS (a través del AP) para comunicarse.

Asociación siempre es iniciada por la STA móvil, no por el AP. Un AP puede asociarse con muchas STAs al mismo tiempo.


Servicios Relacionados de Asociación

Servicio de Reasociación (DSS) Habilita la transferencia de asociación desde un AP a otro,

permitiendo que la estación se mueva desde un BSS a otro Este mantiene informado al DS del mapeo actual entre el AP y la

STA en medida que la estación cambia de BSS a BSS dentro de un ESS

Servicio de Des-asociación (DSS) Notificación de la decisión de terminar una asociación (previa) desde

la estación o desde el AP El servicio de des-asociación puede ser invocado por cualquiera de

las partes de la asociación (STA o AP). La des-asociación es una notificación, no una solicitud. La des-asociación no puede ser rechazada por cualquiera de las partes de la asociación

APs pueden requerir des-asociar a las STAs para efectos de servicios de la red (desinstalarlos) o por otras razones.


Servicios de Acceso y Privacidad Autenticación (SS)

Establece la identidad entre cada una de las estaciones Des-autenticación (SS)

Invocado cuando se termina una autenticación existente Privacidad (SS)

Evita que el contenido del mensaje sea leído por receptores a los cuales no va dirigido


IEEE 802.11 Medium Access Control

El nivel MAC cubre tres áreas funcionales: Entrega confiable de datos (SS) Control de acceso Seguridad


Entrega Confiable de Datos Más eficiente lidiar con errores en el nivel MAC que en

niveles superiores (tal como TCP) Protocolo de intercambio de tramas

Estación Origen transmite datos Destino responde con reconocimientos (acknowledgment: ACK) Si el origen no recibe el ACK, retransmite la trama

Cuatro tipos de intercambios Origen envía un request to send (RTS) Destino responde con clear to send (CTS) Origen transmite datos Destino responde con ACK


Arquitectura del protocolo 802.11

DCF = CSMA sin CD, pero incluye retardos que se ordenan de acuerdo a un número de prioridades. Uno de los retardos de denomina “espacio entre tramas” o IFS (Interframe Space)


Lógica de Control de Acceso al Medio IEEE802.11


Valores para el Interframe Space (IFS) Short IFS (SIFS)

IFS Pequeños Usado para acciones de respuesta inmediata

Point coordination function IFS (PIFS) IFS Medianos Usados por el controlador centralizado en el esquema PCF cuando

se usan sondeos (polls) Distributed coordination function IFS (DIFS)

IFS Grandes Usado como retardo mínimo de las tramas asincrónicas que

compiten por el acceso


Uso del IFS SIFS

Acknowledgment (ACK) Clear to send (CTS) Respuesta a un sondeo (Poll)

PIFS Usado por el controlador centralizado para sondear Tiene prioridad sobre el tráfico normal de competencia

DIFS Usado para tráfico ordinario asincrónico


Contenido

6.1 Introducción





Elementos de una red inalámbrica

Infraestructura de red

Host inalámbrico laptop, PDA, Teléfonos

IP Ejecutan aplicaciones Pueden ser

estacionarios o móviles wireless no siempre

significa movilidad




Estación base Típicamente

conectada a una red alambrada

relevo – responsable del envío de paquetes entre la red alambrada y los host(s) inalámbricos de su “area” Ej., torres de

teléfono celular, 802.11 access points




enlace inalámbrico Usado típicamente

para conectar móvile(s) a la estación base

también es usado como enlace de backbone

protocolo de acceso múltiple coordina el accesso al enlace

varias velocidades, distancias de transm.


Características de algunos enlaces inalámbricos estándar

384 Kbps384 Kbps

56 Kbps56 Kbps

54 Mbps54 Mbps

5-11 Mbps5-11 Mbps

1 Mbps1 Mbps802.15

802.11b

802.11{a,g}

IS-95 CDMA, GSM

UMTS/WCDMA, CDMA2000

.11 p-to-p link

2G

3G

Indoor

10 – 30m

Outdoor

50 – 200m

Mid rangeoutdoor

200m – 4Km

Long rangeoutdoor

5Km – 20Km




Modo infrastructura La estation base

connecta los móviles a la red alambrada

handoff: el móvil cambia de estación base (que le proporciona conexión a la red)



Modo Ad hoc no hay estaciones

base nodos pueden

transmitirse solamente dentro del área de cubrimiento

nodos se organizan por sí mismos en una red: enrutan entre ellos mismos


Características del enlace inalámbricoDiferencias con un enlace alambrado…

Disminución de la potencia de señal: la señal de radio se atenúa al propagarse a través de la materia (pared) y el espacio libre (path loss)

Interferencia de otras fuentes: las frecuencias estandarizadas para redes inalámbricas compartidas con otros equipos (Ej., teléfono a 2.4 GHz); otros equipos (motores) también pueden interferir

Propagación multipath: las señales de radio se reflejan en la tierra y en los objetos, llegando al destino en instantes de tiempo ligeramente diferentes

… hace que la comunicación a través de los enlaces inalámb. sea mucho más díficil (> BER) aun para conexiones punto a punto.

Enlaces inalámbricos: Emplean CRC y protocolos ARQ poderosos


Características del enlace inalámbricoMúltiples emisores y receptores inalámbricos

crean problemas adicionales al del acceso múltiple:

AB

C

Problema de la terminal escondida:

B, A se escuchan entre ellas B, C se escuchan entre ellas A, C no se escuchan entre ellas y

desconocen de su interferencia en B

A B C

Potencia de la señal de A

distancia

Potencia de la Señal de C

Desvanecimiento de señal:

B, A se escuchan entre ellas B, C se escuchan entre ellas A, C no se escuchan entre

ellas y se interfieren en B


Code Division Multiple Access (CDMA) Tres clases de protocolos de acceso : División

del Canal, acceso aleatorio y por turnos. CDMA es el cuarto:

Usado en varios estándares de canales de difusión inalámbricos (celular, satélite, etc)

Se asigna un “código” único a cada usuario; Todos los usuarios comparten la misma

frecuencia, pero cada usuario tiene su propia secuencia “chipping code” para codificar los datos

señal codificada = (dato original) X (código de secuencia compartida)

decodificar: producto entre la señal codificada y la secuencia compartida

Permite que “coexistan” múltiples usuarios y transmitan simultáneamente con interferencia mínima (si los códigos son “ortogonales”)


Codificación/Decodificación CDMA

slot 1 slot 0

d1 = -1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

Zi,m= di.cmd0 = 1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutput

salida del canal Zi,m

emisorcódigo

bits dedatos

slot 1 slot 0

d1 = -1d0 = 1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutputreceptor

código

entradarecibida

Di = Zi,m.cmm=1

M

M


CDMA: interferencia entre dos emisores


Contenido

6.1 Introducción





Medio Físico Definido por el estándar 802.11 original Direct-sequence spread spectrum

Operando en la banda de 2.4 GHz ISM Velocidades de 1 y 2 Mbps

Frequency-hopping spread spectrum Operando en la banda de 2.4 GHz ISM Velocidades de 1 y 2 Mbps

Infrarojo 1 y 2 Mbps Longitudes de onda entre 850 and 950 nm


LANs inalámbricas IEEE 802.11

802.11b Bien soportada, estable, efectiva en términos de costo,

pero funciona en el rango de 2.4-2.485 GHz del radio espectro no licenciado, lo cual la hace propensa a sufrir la interferencia de otros dispositivos (Teléfonos inalámbricos, Hornos microondas)

Limita el número de APs dentro de la misma área de cubrimiento a 3

Tiene 11 canales con tres que no se traslapan 5.5 y 11 Mbps Usa direct sequence spread spectrum (DSSS) en la capa

física. [DSS(CCK, DQPSK, DBPSK)] Todos los hosts usan el mismo “chipping code” Ampliamente instalado, usando estaciones base Complementary code keying (CCK) modulation scheme


LANs inalámbricas IEEE 802.11

802.11g Extensión de 802.11b con

las mismas desventajas (interferencia)

Opera entre 2.4-2.485 GHz Alcance un poco menor

que la 802.11b Flexible porque pueden

combinarse muchos canales para un mayor throuhgput, limitado a un solo AP

hasta 54 Mbps Usa OFDM (64QAM,

16QAM, QPSK, BPSK)

802.11a Completamente diferente de

11b y 11g Opera entre 5.1-5.8 GHz Alcance un poco menor que

la 1b y la 11g 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54

Mbps Originalmente tenía 12/13

canales que no se traslapan y actualmente al menos 21/19, usa orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Varios APs pueden ser instalados

Subcarrier modulated using BPSK, QPSK, 16-QAM o 64-QAM Todos usan CSMA/CA para el acceso múltiple

Todos tienen la versión con estación-base y con redes ad-hoc


Ventajas

Libertad – Se puede trabajar desde cualquier sitio al que llegue la señal

Costo de instalación – No se requiere cablear

Flexibilidad – Facilidad y rapidez en tiempo espacio.

Escalabilidad – Puede crecer Acceso Móvil – Se tiene acceso a la

red aunque se esté en movimiento


Desventajas

Velocidad – Menor que con cable Rango – Afectado por varios medios

Viaja mejor a través del espacio abierto Reducida por muros, vidrio, agua, etc

Seguridad – Mayor riesgo Acceso no autorizado Comprometer los datos Negación de Servicio (Denial of service)


Arquitecture LAN 802.11

host inalámbricos (wireless hosts) se comunican con la estación base (base station) estación base =

access point (AP) Basic Service Set (BSS)

(llamada “celda”) En modo de infraestructura contiene: wireless hosts access point (AP): base

station

BSS 1

BSS 2

Internet

hub, switchor routerAP

AP


802.11: Canales, asociación

Contexto en 802.11b: El espectro 2.4GHz-2.485GHz es dividido en 11 canales (parcialmente traslapados) de diferentes frecuencias el administrador del AP escoge la frecuencia para el

AP y el SSID (Service Set Identifier) es posible la interferencia: el canal puede ser el

mismo que el seleccionado para un AP vecino! host: debe asociarse con un AP

recorre (scan) los canales en búsqueda de tramas guías (beacon frames) que contengan nombres (SSID) y direcciones MAC de APs

selecciona un AP para asociarse a él puede realizar autenticación [802.11i] Se asocia y típicamente ejecuta DHCP para obtener

una dirección IP de la subred del AP


Traslapamiento parcial de canalesDos canales NO se traslapan Sí y solo Sí

están separados por cuatro o más canales


IEEE 802.11: acceso múltiple evitar colisiones: 2+ nodos transm. al mismo

tiempo 802.11: CSMA - censar antes de transmitir

no colisionar con una transmisión en curso de otro nodo

802.11: no tiene detección de colisión! dificultad de recibir ( censar colisiones) cuando está

transmitiendo, debido a recepción de señales débiles (fading)

no puede detectar colisiones en algunos casos: terminal escondida, desvanecimiento (fading)

meta: evitar colisiones: CSMA/C(ollision)A(voidance)

AB

CA B C

Potencia dela señal de A

space

Potencia dela señal de C


IEEE 802.11 Protocolo MAC: CSMA/CA802.11 emisor

1 if la estación inicialmente censa el canal “idle” durante el intervalo DIFS then

transmite la trama completa (no CD) y espera un ACK, va al paso 3

2 else Inicia tempor. de backoff (valor aleator.)Después de un DIFS, cada vez que

encuentre el canal “idle” hace cuenta regresiva del tempor.

Cuando el tempor. expire, transmite completamente la trama y espera ACK

3 if ACK y hay otra trama por Tx, va a 24 if no ACK, aumenta el intervalo de

backoff, va al paso 2

802.11 receptor- if la trama se recibe sin error (OK): envía

ACK después de un SIFS (se requiere ACK debido al problema de terminal escondida)

emisor receptor

DIFS

data

SIFS

ACK


Evitando colisiones (más)

idea: en lugar de hacer “random access”, permitirle al emisor “reservar” el canal para las tramas de datos que sean largas: Evitar colisiones de tramas de datos largas

Emisor transmite primero un paquete pequeño de request-to-send (RTS) a la BS usando CSMA Los RTS aún pueden colisionar entre ellos (pero son

cortos) BS “broadcasts” clear-to-send CTS en respuesta al RTS CTS es escuchado por todos los nodos

Emisor transmite tramas de datos Otras estaciones difieren sus transmisiones

Evitar colisiones de las tramas de datos Usando pequeños paquetes para hacer reservas!


Collision Avoidance (CA): Intercambio de RTS-CTS

APA B

tiempo

RTS(A)RTS(B)

RTS(A)

CTS(A) CTS(A)

DATOS (A)

ACK(A) ACK(A)

Colisión de las tramas de solicitud de reserva

difiere


framecontrol

duration/conn ID

address1

address2

address4

address3

payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

Lógica de Control de Acceso al Medio IEEE802.11

Address 2: dirección MAC del “wireless host” o del “AP” transmisor de ésta trama

Address 1: dirección MAC del “wireless host” o del “AP” destinatario de ésta trama

Address 3: dirección MAC de la interfase del “equipo” al cual el AP le reenviará la trama

Address 4: usada solo en el modo ad hoc


Internetrouter

AP

H1 R1

AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr

address 1 address 2 address 3

trama 802.11

R1 MAC addr H1 MAC addr

dest. address source address

trama 802.3

Trama 802.11: direccionamiento


framecontrol

duration/Conn. ID

address1

address2

address4

address3

payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

TypeFromAP

SubtypeToAP

More Frag

WEPMoreData

Powermgt

Retry RsvdProtocolversion

2 2 4 1 1 1 1 1 11 1

Trama 802.11: másduración del tiempo reservado de transmisión (RTS/CTS)

# secuenc. de la trama(ARQ para confiabilidad)

tipo y subtipo de la trama(RTS, CTS, ACK, Datos, Asociación)

cifrado (Si/No)


Campos de la trama MAC Frame Control – Indica el tipo de trama (control, gestión o

datos) y proporciona información de control Duration/connection ID – tiempo de asignación del canal Addresses – dependiente del contexto, tipos incluyen

origen y destino Sequence control – numeración y re-ensamblado Frame body – MSDU o fragmento de MSDU Frame check sequence – 32-bit CRC


Campo de Control de la Trama Protocol version – versión 802.11 Type – control, administración, o datos Subtype – identifica función de la trama To DS – 1 si tiene como destino el DS From DS – 1 si viene del DS More fragments – 1 si hay más fragmentos Retry – 1 si es la retransmisión de una trama previa


Campo de Control de la Trama Power management – 1 si la estación transmisora pasará en

modo de invernadero More data – Indica que la estación tiene más dados por

enviar WEP – 1 (Protected Frame) si es implementada la

protección de la carga útil


Subtipos de tramas de control

Power save – poll (PS-Poll) Request to send (RTS) Clear to send (CTS) Acknowledgment Contention-free (CF)-end


Subtipos de tramas de datos Tramas que transportan datos (Data-carrying frames)

Data Data + CF-Ack Data + CF-Poll Data + CF-Ack + CF-Poll

Otros subtipos (no transportan datos de usuario) Null Function CF-Ack CF-Poll CF-Ack + CF-Poll


Subtipos de tramas de administración

Probe Beacom Association request Association response Reassociation request Reassociation response


Subtipos de tramas de administración

Dissociation Authentication Deauthentication


hub or switch

AP 2

AP 1

H1 BBS 2

BBS 1

802.11: movilidad dentro de la subred

router

Hub: H1 permanece en la misma subred IP: La Dir. IP puede permanecer igual

Switch: cual AP está asociado con H1? (802.11f, 802.11r) self-learning: switch verá

tramas provenientes de H1 y “recordará” cual puerto del switch debe usarse para llegar a H1

Router? (IP movil, WLC- Controladores con LWAPP)


Autenticación

Sistema de autenticación abierta (Open system authentication) Intercambio de identidades, no hay beneficios de

seguridad

Autenticación por llave compartida (Shared Key authentication) Compartir claves asegura la autenticación

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