Sistemas de Transmisión Inalámbrica

Transcripción

1 Sistemas de Transmisión Inalámbrica Curso c Jesús González Barahona, Miguel Ortuño, GSyC Algunos derechos reservados. Este artículo se distribuye bajo la licencia Reconocimiento-CompartirIgual 2.5 España de Creative Commons, disponible en Este documento (o uno muy similar) está disponible en

2 2 Wi-Fi Sistemas de Transmisión Inalámbrica Sistemas de transmisión inalámbrica 3 Sistemas de transmisión inalámbrica Satélites (a distintas órbitas) Telefonía móvil: GSM, GPRS, EDGE, UMTS Infrarrojos: IRDA WirelessPAN (Bluetooth: Hasta 10 metros, 2 Mbps) WirelessLAN (Wi-Fi) WirelessMAN (WiMax)

3 Sistemas de transmisión inalámbrica (cont.) 4 Las redes inalámbricas permiten distintos niveles de movilidad No movilidad. El receptor debe estar en una posición fija Movilidad dentro del rango de la estación base Movilidad entre diferentes estaciones base Resumen comparativo 5 Resumen comparativo Redes de Ordenadores N.Comercial Norma Año V.Trans V.Útil T. cdrom Ethernet IEEE Mbps 1.2 MBytes/s 4 horas Fast Ethernet IEEE 802.3y Mbps 12 MBytes/s 23 min Gigabit Ethernet IEEE 802.3z Gbps 120 MBytes/s 2 min WiFi IEEE b Mbps 700 KBytes/s 7 horas WiFi IEEE g Mbps 3 MBytes/s 90 min modem V kbps 5 KBytes/s 38 dias adsl 256 kbps ANSI T kbps 26 KBytes/s 7 dias adsl 4Mbps ANSI T Mbps 400 KBytes/s 12 horas adsl 2 ITU G.992.3/ Mbps 1.3 MBytes/s 4 horas adsl 2+ ITU G Mbps 2.6 MBytes/s 2 horas

4 Resumen comparativo (cont.) 6 N.Comercial Norma Año V.Trans V.Útil T. cdrom USB Mpbs 180 KBytes/s 1 dia USB Mpbs 60 MBytes/s 5 min firewire 400 IEEE 1394a Mbps 50 MBytes/s 6 min firewire 800 IEEE 1394b Mbps 100 MBytes/s 3 min Bluetooth 1.1 IEEE Mbps 50 KBytes/s 4 dias Bluetooth Mbps 160 KBytes/s 1 dia Resumen comparativo (cont.) 7 Telefonía N.Comercial Norma Año V.Trans V.Útil T. cdrom 2G gsm kbps 500 Bytes/s 388 dias 2.5 G gprs Kbps 4 KByte/s 49 dias 2.75 G EDGE Kbps 12 KByte/s 16 dias 3G UMTS Kbps 25 KBytes/s 8 dias WiMAX IEEE Mbps 4 MBytes/s 70 min 4G??? 1Gbps??

5 Resumen comparativo (cont.) 8 Los valores son orientativos Año Puede ser el de definición de la norma, o el de aprobación o el de comercialización Velocidad de Transmisión Se expresa en bits/s Se usan potencias de 10, no potencias de 2 Son valores teóricos máximos en condiciones óptimas El fabricante/proveedor puede elegir diferentes valores entre los previstos por el estándar. En ocasiones subida bajada Resumen comparativo (cont.) 9 Velocidad Útil T.cdrom Bytes/s. Potencias de 2 Cuál es la carga útil que arrastra un camión lleno de fruta en almibar? Hay que descontar la sobrecarga de los protocolos Entre el 5 % y el 15 % para cable Hasta el 40 % para tecnología inalámbrica Muy dependiente de las circunstancias concretas Estimación del tiempo necesario para descargar un cdrom (700 Mbytes)

6 Espectro Expandido 10 Espectro Expandido Técnica común en muchas tecnologías inalámbricas Se ocupa una banda de frecuencias mayor de la requerida Desarrollado con fines militares (evitar interferencias y escuchas) Primera implementación: 1962 (sistema de guiado de torpedos) Minimiza la probabilidad o el impacto de las colisiones (que no pueden detectarse) Varios tipos FHSS: Salto de Frecuencias (Frecuency Hopping) DSSS: Secuencia Directa (Direct Sequence) OFDM: Frecuencias Ortogonales (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Espectro Expandido (cont.) 11 Espectro Expandido por Salto de Frecuencias: FHSS Salto de frecuencias (Frecuency Hopping Spread Spectrum) Se transmite en diferentes bandas de frecuencias, saltando de una a otra en forma pseudoaleatoria (predecible) Emisor y receptor comparten generador de números pseudoaleatorios y semilla establece 75 bandas de 1 MHz

7 Espectro Expandido (cont.) 12 Patentado por Hedy Lamarr y George Antheil, 1942 Espectro Expandido (cont.) 13 Espectro Expandido por Secuencia Directa: DSSS Secuencia directa. direct-sequence spread spectrum El espectro se expande al transmitir varios bits por cada bit original Esta información redundante sigue un patrón preestablecido, así que en caso de error se considera el valor legal más próximo Para cada bit, se envía su XOR con n bits aleatorios (chipping code): Origen y destino conocen el chipping code y están sincronizados : Código chipping de 11 bits, 2 Mbps (1 Mbps en entornos ruidosos) b: Modulación CCK (complementary coding keying), 11 Mbps (caídas a 5.5 Mbps, 2 Mbps y 1 Mbps).

8 Espectro Expandido (cont.) 14 Ejemplo de transmisión con (chipping code): Datos Chipping Code Sec. Codificada Sec. Recibida Chipping Code Datos Datos Si por error recibimos 00101, supondremos que es un 0 Espectro Expandido (cont.) 15 Espectro expandido por división de frecuencias ortogonales: OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Varias portadoras enviadas simultáneamente La detección de una portadora no limita la demodulación de otra Modulación muy robusta frente a la recepctión de señales con distintos retardos y amplitudes Muy usada actualmente: TDT, WiFi, WiMax, ADSL

9 La familia (cont.) 16 La familia Banda ICM (Industrial, Científica y Médica) Nivel Físico y MAC. No incluye nivel de red IEEE : Año Ahora a vece se llama legacy 1-2 Mbps en 2.4 GHz (la misma de Bluetooth) Salto de frecuencias (FHSS) o secuencia directa (DSSS) IEEE b: Extensión de , 11 Mbps, DSSS Año El más extendido 14 canales de 22 MHz (parcialmente solapados) IEEE a: Extensión de Año 1999 La familia Mbps, OFDM, 5 GHz Banda menos congestionada. Incompatible con b IEEE g: Extensión de Año Mbps, DSSS y OFDM Compatible hacia atrás con b Más alcance y menos consumo que a (802.11G+, 125Mbps, propietario de Atheros)

10 Wi-Fi 18 Wi-Fi Wi-Fi: Wireless Fidelity Marca registrado, Wi-Fi Alliance Certificación de productos IEEE {abg} que interoperan Nivel físico: canales en b,g 19 Nivel físico: canales en b,g 14 canales diferentes, cada uno con espectro expandido Pueden coexistir varias redes en la misma zona (cada una en un canal) Los canales se solapan, no siempre puede haber coexistencia Según los países/regiones, algunos canales no están permitidos. Los Access Point pueden buscar canales libres

11 Nivel físico: canales en b,g (cont.) 20 Canales Permitidos Estados Unidos: 1-11 Japón: 1-14 Casi todo el resto del mundo: 1-13 Cada canal esta separado 5 Mhz del contiguo pero cada flujo de datos necesita 22 Mhz. Canales óptimos Estados Unidos: 1,6,11 Europa: 1, 6 y 11; o bien 2, 7 y 12; o bien 3, 8 y 13 Otra alternativa: 1, 7, 13 Nivel de enlace: acceso al medio 21 Nivel de enlace: acceso al medio En redes inalámbricas, no es viable la detección de colisiones. (CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) Se intenta evitarlas: técnicas de espectro expandido protocolos de acceso al medio especiales: CSMA/CA, MACA

12 CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance 22 CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance Mecanismo general: Si el canal está ocupado se espera a que esté libre Si está libre, se espera un tiempo, y si sigue libre se transmite. El tiempo de espera puede ser fijo, aleatorio, o dependiente de la estación. CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance (cont.) 23 CSMA/CA: problemas Nodos ocultos: Una estación cree que el canal está libre, pero está ocupado por otro nodo al que no oye.? A B C A está transmitiendo a B C quiere transmitir a B. C escucha el canal, y como no oye a A, transmite: MAL (colisión en B).

13 CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance (cont.) 24 CSMA/CA: problemas (2) Nodos expuestos: Una estación cree que el canal está ocupado, pero está libre (el nodo al que oye no le interferiría)? A B C D B está transmitiendo a A. C quiere transmitir a D. C escucha el canal, y como sí oye a B, no transmite: MAL (no habría colisión en D). CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance (cont.) 25 CSMA/CA: problemas (3) Conclusión de qué sirve escuchar el medio antes de transmitir? a veces hay silencio pero no se debe transmitir a veces hay señal pero se puede transmitir

14 MACA: Multiple Access with Collision Avoidance 26 MACA: Multiple Access with Collision Avoidance Ahora no se escucha el medio antes de transmitir: Reglas: Antes de transmitir el emisor envía una trama RTS (RequestToSend), indicando la longitud de datos que quiere enviar. El receptor le contesta con una trama CTS (ClearToSend), repitiendo la longitud. Al recibir el CTS, el emisor envía sus datos Al ver un RTS, hay que esperar un tiempo por el CTS Al ver un CTS, hay que esperar según la longitud MACA: Multiple Access with Collision Avoidance (cont.) 27 MACA: nodos ocultos RTS CTS CTS DATA A B C El CTS de B llega a C, por lo que C espera para transmitir: BIEN

15 MACA: Multiple Access with Collision Avoidance (cont.) 28 MACA: nodos expuestos CTS RTS RTS RTS RTS CTS DATA DATA A B C D C no oye el CTS de A, por lo que puede intentar su RTS hacia D, que será respondido por D, y se enviarán los datos: BIEN MACA no resuelve todos los casos de nodos expuestos, e introduce otros nuevos Acceso al medio en b,g 29 Acceso al medio en b,g Una de las técnicas empleadas es MACA, con un ACK adicional al final: RTS: permiso para transmitir CTS: listo para recibir una transmisión DATA: trama de datos ACK: trama de datos recibida correctamente Si no se recibe el ACK, se reintenta (como si no se recibe el CTS). El ACK implica que cada trama de datos es asentida (no se hacía en cable) Qué pasa en broadcast o multicast?

16 Acceso al medio en b,g (cont.) 30 SIFS (Short InterFrame space, espacio corto entre tramas). DIFS (DCF InterFrame space, espacio entre tramas de la función de coordinación distribuida). NAV (Network Allocation Vector). Portadora virtual. Almacenará la hora hasta la que se considera el medio ocupado. Acceso al medio en b,g (cont.) 31

17 Topología de Red 32 Topología de Red Modo ad-hoc: Un WSTA (Wireless Station, Nodo Móvil) se comunica directamente con otro Acceso al medio mediante DCF (Distributed Coordination Function): CSMA/CA MACA Celdas independientes (IBSS, Independent Basic Service Set) Modo infraestructura: Los nodos móviles se comunican con un punto de acceso (access point, AP): Acceso al medio mediante PCF (Puntual Coordination Function). Celdas con Infraestructura (Infrastructure BSS, Infrastructure Basic Service Set ) Topología de Red (cont.) 33 Access Point Misión principal: acceso a la red fija Comunicación entre móviles a través del AP Cada móvil se asocia a un AP antes de transmitir Un AP es un concentrador/puente (hub/bridge): puede construirse con un ordenador, una tarjeta inalámbrica y una tarjeta fija. Puede guardar tramas para WSTA dormidos Celdas Extendidas (ESS, Extended Service Set) Una BSS puede abarcar una casa o una oficina pequeña Para áreas mayores, se unen varias BSS formando una ESS Todos los AP de la ESS usan el mismo identificador de red (SSID Service Set Identifier)

18 Topología de Red (cont.) 34 Modo infraestructura Los routers WiFi que tenemos en casa son AP? 1. Scanning Activo un móvil envía un trama ProbeRequest los AP vecinos contestan con un ProbeResponse Pasivo El WSTA espera el beacon de un AP 2. Autentificación 3. Asociación El WSTA selecciona AP y le envía AssociationRequest El AP elegido envía un AssociationResponse Opcionalmente, el móvil se despide del AP anterior (si lo hay) Topología de Red (cont.) 35 Identificador de red ( SSID Service Set Identifier) Entre 0 y 32 bytes, no necesariamente ASCII Incluido en cada Beacon 0 bytes: broadcst SSID

19 Topología de Red (cont.) 36 Topología de Red (cont.) no especifica cómo funciona el sistema de distribución f intentó normalizarlo. Propuesto en 2003, retirado en 2006 Se puede emplear un algoritmo como el de aprendizaje B2 aprende que F está en la LAN 4. No envía a la LAN 3 las tramas para F B2 no es un router. Todas las máquinas tienen la percepción de compartir el medio

20 Topología de Red (cont.) 38 En una red cableada, cada máquina está en una sola red cierto? Y en una red inalámbrica? El sistema de distribución puede tener enlaces redundantes? Spanning Tree Protocol Topología de Red (cont.) h a emplea banda 5GHz, que en EEUU esta libre para ICM pero en Europa puede interferir con radar y satélites Selección dinámica de frecuencias (DFS Dynamic Frequency Selection) AP y WSTA acuerdan qué canales emplear En el association request, el WSTA dice qué canales soporta, el AP le admite, usa esos, o le rechaza. Intervalos de silencio: en el beacon hay instrucciones para que todos fijen su NAV y queden un tiempo en silencio Control de la potencia de transmisión (TPC Transmitter Power Control) Cuánto más potencia, mejor?

21 Topología de Red (cont.) 40 Para cada trama, se responde cuántos db hay que subir o bajar para alcanzar potencia óptima Topología de Red (cont.) 41 Técnica de sondeo (polling) Point Coordination Function (PCF) Hay un periodo sin contienda, AP determina quien transmite El AP pregunta a cada WSTA si tiene algo que transmitir. Puede incluir datos en piggibacking Cada WSTA responde con una trama de datos, o con una trama null Se fija un NAV al principio del periodo de contienda

22 Topología de Red (cont.) 42 Tipos de Access Point AP típico para casa / oficina Pequeña Equipo compacto con antena integrada Puede incluir cliente DHCP, servidor DHCP, NAT, interfaz WAN (ADSL, cable) Se administra mediante servidor web en dirección , o Los equipos antiguos solo incluían WEP y filtros MAC. Los modernos también tienen WPA Topología de Red (cont.) 43 AP típico para uso corporativo Implementa protocolo para permitir movilidad entre BSS Los antiguos permitían cambiar tarjetas de radio Soporte de protocolos futuros mediante actualización del firmware PoE: Power over the Ethernet (IEEE 802.3af, año 2003) Antena independiente, intercambiable y regulable Virtual Access Points. Varios SSID Autentificación de usuarios integrada con BD corporativa. Permite uso como HotSpot Integración con VLAN dinámica en función del usuario Herramientas de monitorización y control Configuración mediante scrips SNMP, centralizables

23 Topología de Red (cont.) 44 Restricciones de seguridad eléctrica y anti-incendios (plenum-rated) Topología de Red (cont.) 45 OpenWrt La mayoría de los AP domésticos son ordenadores con Linux OpenWrt es una distribución Linux que permite reemplazar el firmware original de algunos AP Originalmente solo Linksys WRT54G, actualmente algunos más De esta forma, un AP doméstico ofrece buena parte de la funcionalidad de uno corporativo, como p.e. Dropbear: Cliente y servidor ssh TC: Traffic Control QoS Asterisk: Centralita (PBX,Private Branch Exchange ) ChilliSpot: Autentificación de usuarios mediante web cautivo. Se integra con un servidor radius Kismet. sniffer y detector de intrusiones

24 Formato de trama Formato de trama Compatible con (los AP traducen entre ambos formatos) Las direcciones son direcciones Ethernet (48 bits) Espacio para 4 direcciones Ethernet: en modo ad-hoc sólo se usan dos en modo infraestructura. se usan 4: Nodo origen AP asociado al nodo origen AP asociado al nodo destino Nodo destino Seguridad 47 Seguridad Año 1976, Diffie y Hellman. Criptografía de clave pública E: Clave de cifrado o pública. D: Clave de descifrado o privada D. Son distintas (asimétricas) D(E(P )) = P Muy dificil romper el sistema (p.e. obtener D) teniendo E. La clave privada sirve para descifrar. Debe mantenerse en secreto La clave pública sirve para cifrar. Puede conocerla todo el mundo (lo importante es que se conozca la clave correcta) Conociendo la clave pública de alguien, podemos cifrar un mensaje

25 Seguridad 48 que solo él, con su clave privada, podrá descifrar Seguridad (cont.) 49 Autenticación con clave pública 1,2: A obtiene la clave pública de B 3: A envía su remite y un reto cifrados con la clave de B 4,5: B obtiene la clave pública de A 6: B cifra, con la clave de A: el reto de A, un reto nuevo y una clave simétrica 7: A envía el reto de B con la clave simétrica, que se empleará en la sesión

26 Seguridad (cont.) 50 El espectro es un medio compartido: cualquiera puede escuchar. No es muy distinto del cable: hay que alcanzar la misma seguridad (pero es más fácil acceder al espectro que a un cable) Opciones en b: Nada Filtrado MAC. Fácil de saltar. No confidencialidad, integridad ni autenticación. Puede bastar para el acceso no autorizado de usuarios ordinarios WEP (Wireless Encryption Protocol): Clave de 64 bits. Débil, roto. WPA (Wireless Protected Access): Clave de 128 bits. WPA2 (IEEE i): Más robusto, permite claves compartidas previamente, o claves individuales No radiar el SSID apenas aporta incremento de seguridad. No evita los beacons Seguridad (cont.) 51 Algoritmo de cifrado RC4 Características de WEP Cifrado de flujo Stream cipher. Año 1987 texto-claro XOR keystream = texto-cifrado texto-cifrado XOR keystream = texto-claro El keystream (flujo clave) es una secuancia pseudoaleatoria, generada a partir de clave secreta y vector de inicialización

27 Seguridad (cont.) 52 WEP no especifica cómo distribuir la clave, se hace a mano Toda la ESS comparte la misma clave. 4 slots para claves El vector de inicialización se transmite en abierto La integridad se verifica mediante CRC-32 Seguridad (cont.) 53 Debilidades de WEP texto_claro xor keystream = texto_cifrado Qué pasa si texto_claro=0? texto_claro_1 xor keystream = texto_cifrado_1 texto_claro_2 xor keystream = texto_cifrado_2 a= texto_claro_1 xor texto_claro_2 b= texto_cifrado_1 xor texto_cifrado_2 Qué relación hay entre a y b? Misma clave de cifrado y autenticación Clave distribuida a mano Clave secreta pequeña (aunque hay versiones de 128 bits) Integridad pensada para detectar errores, no segura criptográficamente

28 Seguridad (cont.) 54 Todos los cifrados de flujo son vulnerables si se reutilizan los keystream. El único método de clave secreta 100 % seguro es el one-time pad: clave perfectamente aleatoria, sin reutilizar nunca La potencia del Hardware y la legislación en EEUU era diferente en WEP mejorado WEP dinámico Las claves se distribuyen automáticamente Usa un slot para los unicast (una clave por cada par), otro para los broadcast IEEE i 55 IEEE i Cuando se detectan los problemas de WEP, se empieza a trabajar en IEEE i WPA es una norma de la WiFi alliance, incluye buena parte del borrador de IEEE i de Usa RC4, las tarjetas viejas podían actualizarse mediante actualizaciones de firmware WPA2 implementa por completo IEEE i

29 IEEE i (cont.) 56 Autentificación de usuarios en WPA2 Para casa y pequeñas oficinas, PSK: Pre-shared key mode. PBKDF2. Criptografía asimétrica. Razonablemente seguro con contraseñas de calidad WPS: Wi-Fi Protected Setup. El administrador introduce en AP un PIN del WSTA. O pulsa botones simultáneamente. O lectura RFID Para empresas, autentificación de usuarios mediante IEEE 802.1X Integrado con servidor RADIUS EAP: Extensible Authentication Protocol IEEE i (cont.) 57 TKIP: Temporal Integrity Protocol Diferencias con WEP: Encriptación en 802.1X Una clave maestra genera las claves RC4 con las que se encriptan las tramas Cada trama usa una clave RC4 diferente Numeración de las tramas Integridad verficada mediante algoritmo MIC

30 Consecuencias para la salud 58 Consecuencias para la salud? Referencias 59 Referencias Computer Networks (4th ed), A. Tanenbaum (apartados y 4.4) Computer Networks: A Systems Approach (3rd ed), L. Peterson (apartado 2.8) IEEE Wireless Overview of IEEE b Security, Sultan Weatherspoon