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1 La Internet y los Sistemas Móviles de 4ª Generación REDES DE ACCESO WLAN, WPAN Y MANET Francisco J. González Castaño DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA TELEMÁTICA UNIVERSIDAD DE VIGO CONTENIDO Wireless LAN (IEEE ) - WLAN Bluetooth - WPAN Redes Ad-hoc - (M)ANET 2 1

2 CONTEXTO (Bluetooth) (IEEE ) 3 WLAN (I) IEEE REQUISITOS DE PARTIDA Capa MAC única para múltiples opciones PHY Mecanismos para admitir múltiples redes solapadas en la misma zona Resistencia frente a las interferencias presentes en las bandas libres Mecanismo para solucionar el problema del terminal oculto Opciones para servicios con restricciones TR Previsiones para privacidad y control de acceso 4 2

3 WLAN (II) CAPAS IEEE (I) 5 WLAN (III) CAPAS IEEE (II) FÍSICA (PHY): Transmisión física entre nodos. Banda ISM GHz (11 y 11b), banda IR ,000 GHz. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS, 11) Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS, 11, 11b) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM, 11a) IR ACCESO AL MEDIO (MAC): Mantenimiento de orden en medio compartido CSMA/CA 6 3

4 WLAN (IV) Dynamic Rate Shifting - Definición Aspecto relevante de la capa PHY IEEE con fuerte influencia en las aplicaciones A efectos prácticos: ajuste automático de la tasa de transmisión en función de la distancia (en el sentido de atenuación) OJO: El ancho de banda global es el mismo! 7 WLAN (V) Dynamic Rate Shifting - PHY DSSS IEEE b 8 4

5 WLAN (VI) IEEE MAC CSMA/CA Operación básica de CSMA Idea básica: en un entorno LAN, la búsqueda de portadora tiene sentido, ya que todos reciben a todos 9 WLAN (VII) IEEE MAC CSMA/CA Operación básica de CSMA/CA 10 5

6 WLAN (VIII) IEEE MAC CSMA/CA o Distributed Coordination Function (DCF) NO SIEMPRE. SIFS < DIFS Short IFS (SIFS): intervalo entre fin de transmisión de paquete y comienzo de ACK (+ prioridad). Point Coordination IFS (PIFS): SIFS mas un Slot Time. Distributed IFS (DIFS): PIFS mas un Slot Time (- prioridad). 11 WLAN (IX) IEEE Point Coordination Function (PCF) 12 6

7 WLAN (X) IEEE Point Coordination Function (PCF) Raramente implementada La función PCF alterna con la función DCF Función basada en token asignado por Point Coordinator (asociado a Punto de Acceso) Comienza con un paquete beacon que activa el contador NAV en todas las estaciones? coexistencia con DCF Control de acceso mediante polling list 13 WLAN (XI) IEEE Problema del nodo oculto Mecanismo RTS/CTS (I) NAV RTS/CTS identifican a origen y destino NAV: Network Allocation Vector (Virtual Carrier Sensing) 14 7

8 WLAN (XII) IEEE Problema del nodo oculto Mecanismo RTS/CTS (II) 15 WLAN (XIII) IEEE Problema del nodo oculto Mecanismo RTS/CTS (III) C 16 8

9 WLAN (XIV) IEEE modos de operación según entidades BSS: Basic Service Set. ESS: Extended Service Set. IBSS: Independent Basic Service Set o Peer to Peer. 17 WLAN (XV) IEEE GESTIÓN ARQUITECTURA DE GESTIÓN IEEE MIB: Management information Base. Misma estructura que las MIB SNMP. Anexo D de la especificación IEEE Los campos de la MIB permiten obtener información de la MS o configurarla. 18 9

10 WLAN (XVI) IEEE GESTIÓN Exploración (scanning) - I Es posible buscar redes tipo ad-hoc, infraestructura o cualquiera (BSSType) Es posible buscar una BSS específica o cualquiera (BSSID) Es posible buscar una ESS específica o cualquiera (SSID) Es posible especificar una exploración activa (paquetes MS probe) o pasiva (recepción de paquetes AP beacon) Es posible especificar una lista de canales PHY para la exploración 19 WLAN (XVII) IEEE GESTIÓN Exploración (scanning) - II Exploración pasiva 20 10

11 WLAN (XVIII) IEEE GESTIÓN Exploración (scanning) - III Exploración activa 21 WLAN (XIX) IEEE GESTIÓN Exploración (scanning) - IV Ejemplo de reacción ante una desconexión Explorar el propio BSS en modo pasivo (desvanecimiento transitorio?) Explorar el propio ESS en modo activo (cambio de AP dentro de la misma LAN?) Explorar otros ESS en modo activo (existe una LAN alternativa en las inmediaciones?). En caso de aplicaciones de tipo streaming, posible necesidad de movilidad IP

12 WLAN (XX) IEEE identificación (I) Identificación abierta ( open-system) Interrogación y respuesta mediante tramas de gestión de tipo authentication con la dirección MAC de la MS 23 WLAN (XXI) IEEE identificación (II) Identificación protegida (shared-key) Clave compartida WEP de 40 bits para el texto de desafíoi NO ES SEGURA. Sistema WEP roto desde 2001 (código abierto AirSnort) 24 12

13 Universidad Carlos III de Madrid WLAN (XXII) IEEE asociación?una MS puede identificarse en varias BSS? El AP registra la MAC de la MS en la salida de su puerto de conmutación, mediante ARP? El AP asigna un identificador temporal a la MS (Association ID, AID) 25 WLAN (XXIII) IEEE reasociación o traspaso (I) Movimiento de un BSS a otro dentro del mismo ESS. Responsable: IAPP (Inter-Access Point Protocol). Bajo nivel de estandarización. Los AP deben tener el mismo SSID (indentificador de ESS o network name) 26 13

14 WLAN (XXIV) IEEE reasociación o traspaso (II) ROL DE IAPP EN EL TRASPASO 27 WLAN (XXV) IEEE reasociación o traspaso (III) Asignación de la MAC de la MS al puerto de conmutación del nuevo AP Las tramas almacenadas en el AP anterior deben transferirse al nuevo. La reasociación también puede utilizarse cuando una MS pierde temporalmente la cobertura de su AP y vuelve a entrar en ella

15 WLAN (XXVI) IEEE control de potencia (I) El control de potencia se ha pensado especialmente para el modo infraestructura. Gira en torno a dos hechos: alimentación permanente de los AP y almacenamiento de tramas en los AP. Las MS indican a su AP cuando están despiertas. El AP le indica a las MS cuando hay tramas disponibles Las tramas no se mantienen indefinidamente! El tamaño de los buffers de los APs es limitado. En el proceso de asociación, las MS informan al AP de su Listen Interval Parameter El AP utiliza esta información para repartir su memoria y programar los instantes de aviso para las MS. 29 WLAN (XXVII) IEEE control de potencia (II) Control de potencia unicast El AP transmite un mapa virtual de disponibilidad en los paquetes beacon: Traffic Indication Map, TIM El TIM indica si hay paquetes para una MS en concreto Los instantes de activación del TIM para una MS determinada siguen lo acordado en su asociación mediante el LIP Las MS recogen sus paquetes mediante un paquete PS-poll Para evitar posibles conflictos, los paquetes PS-poll se transmiten con un retardo aleatorio. Las MS no vuelven a dormirse mientras no se ponga a 0 el contador More-Data En cualquier momento se puede abandonar el modo de ahorro de potencia mediante una reasociación

16 WLAN (XXVIII) IEEE control de potencia (III) Control de potencia unicast Recogida de paquetes unicast bajo demanda mediante PS-poll 31 WLAN (XXIX) IEEE control de potencia (IV) Control de potencia unicast Recogida de paquetes unicast bajo demanda mediante PS-poll. Ejemplo con competencia

17 WLAN (XXX) IEEE control de potencia (V) Control de potencia multicast En el caso multicast, los paquetes no se entregan bajo demanda Utilización del indicador Delivery TIM (DTIM) en los paquetes beacon Los indicadores TIM indican la distancia en beacons al siguiente DTIM Como en el caso unicast, se utiliza la señal More-Data para indicar que existe una secuencia de paquetes multicast en curso. 33 WLAN (XXXI) IEEE control de potencia (VI) Control de potencia multicast Control de potencia multicast mediante DTIM 34 17

18 WLAN (XXXII) IEEE control de potencia (VII) Control de potencia en modo ad-hoc Sistema extremadamente sencillo, mediante paquetes ATIM (Announcement Traffic Indication Messages) DCF que indican a las MS receptoras que deben permanecer totalmente activas durante un intervalo 35 WLAN (XXXIII) Sub-estándares IEEE (I) b: 2.4 GHz, 11 Mbps, ~200 m (1 Mbps) a: 5 Ghz, 54 Mbps (27 Mbps), no interopera con b, menor alcance g: 2.4 GHz, 54 Mbps (27 Mbps), interopera con b e: soporte QoS para posibilitar VoIP, streaming multimedia en b,a,g

19 WLAN (XXXIV) Sub-estándares IEEE (II) h: variación de IEEE a para coexistencia con otros estándares en 5 GHz (como HyperLAN2). Exigencia UE i: mejoras en seguridad para solucionar los graves problemas de WEP, reemplazándolo por Temporal Key Integrity Protocol (TKIP). 37 Caso de estudio: vídeo móvil mediante multicast IEEE b Real-Time Transcoding and Video Distribution in IEEE b Multicast Networks ISCC 2003 Kemer Antalya, Turquía Rafael Asorey-Cacheda Fco. Javier González-Castaño Universidad de Vigo 19

20 Introduction Goal: to provide WLAN video services. Solution: Satellite TV transcoding to adapt DVB-S sources to IEEE transport. 39 Background (I) IEEE is the most extended WLAN standard. IEEE APs can be set up to provide mobile broadband services in places such as airports, restaurants, train stations, IEEE b has been the first legal sub-standard in the EU

21 Background (II) It is expected that future cell phones will converge with PDAs. Satellites allow ubiquitous access and may help to avoid overload in terrestrial networks? ideal sources 41 Testbed (I) Hardware Sat antenna Terminal emulator Transcoder + AP Terminal 42 21

22 Testbed (II) Hardware Antenna: Oriented to Hispasat 1C. DVB-S TV channels. Transcoder: Computer: 512 MB RAM 800 MHz P-III. Satellite card: Fujitsu-Siemens DVB Sat Board Activy Testbed (III) Hardware IEEE b Access Point: D-Link DWL-1000AP. Terminals: Celeron laptop with a PCMCIA D-Link DWL-650 card. ipaq H3790 with 32 MB RAM and D-Link DCF-650W CF card

23 Testbed (IV) Software Stream Server PES stream Video: MPEG-2 (15 Mbps, 720x540, 4:3) Audio: MPEG audio layer 2 (128 Kbps) FIFO A Video: MPEG-1 (448 Kbps, 224x176, 4:3) Audio: MPEG audio layer 2 (64 Kbps) Transcoder FIFO B 45 Testbed (V) Software Transcoder: Linux operating system. Transcoder software: based on Linux DVB drivers and ffmpeg library. Unicast and multicast stream servers: HTTP and UDP protocols

24 Testbed (VI) Software ipaq terminal: Pocket Windows 2002 operating system. MPEG TV Player. Multicast client emulator. 47 Results (I) Floormap 48 24

25 Results (II) Reachable regions (error rate?0.33%) 1 Mbps 2 Mbps 5.5 Mbps 11 Mbps A AP1+AP3 AP1+AP3 AP1+AP3 AP1 B AP1+AP3 AP1+AP3 AP1+AP3 AP1 C AP1+AP2+AP3 AP1+AP3 AP1+AP3 AP1 D AP2+AP3 AP2+AP3 AP3 AP3 E AP4 AP4 AP4 AP4 F AP2+AP3 AP2+AP3 AP2+AP3 AP2+AP3 G AP4 AP4 AP4 AP4 H AP4 AP4 AP4 AP4 49 Results (III) Optimal AP choice is AP3+AP4. Guaranteed rate of 5,5 Mbps. Distribution of up to 9 video channels. Up to 90% channel usage (1KB UDP frames) 50 25

26 Conclusions and Future work IEEE b networks can transmit several multicast video channels with single-channel APs This technology suits the requirements of places where mobility is necessary (airports, train stations, ). 51 WPAN (I) Bluetooth - Introducción Harald Blaatand Bluetooth, DC Primera tecnología comercial orientada a WPAN ad-hoc Creado por Ericsson El SIG lo componen empresas tales como: 3Com, Agere, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba, etc. Diseñado para aplicaciones como la sustitución de cables. Características: Corto alcance (10 m. Clase 2) Bajo consumo Banda libre ISM de 2.4 GHz Bajo coste 52 26

27 WPAN (II) Bluetooth- Pila de protocolos FHSS 53 WPAN (III) Bluetooth- Piconets y scatternets Piconet Maestro Esclavo Scatternet 54 27

28 WPAN (IV) Bluetooth- Transmisión de paquetes 79 canales GHz 1 Mbps maestro f3 f1 f2 f6 esclavo 1 esclavo us 1600 saltos/seg 55 WPAN (V) Bluetooth- estados Algunos estados de la conexión Inquiry: Lo utilizan las unidades que desean descubrir nuevos dispositivos. Inquiry Scan: El dispositivo escucha en busca del código de acceso de inquiry. Page: Utilizado por el maestro para activar y conectar a un esclavo. Page Scan: El dispositivo en este estado escucha el entorno en busca de un paquete con su dirección Bluetooth. Park: Submodo dentro del estado Connected. Cuando un esclavo no necesita participar en la piconet, pero quiere seguir sincronizado, puede entrar en este estado

29 WPAN (VI) Bluetooth- paquetes: DMx, donde x puede ser 1, 3 o 5, dependiendo de las ranuras necesarias para su transmisión. Protegidos por códigos FEC. IAC (Inquiry Access Code): Paquete utilizado en el inquiry para sondear nodos vecinos. FHS (Frequency Hop Synchronization): Paquete especial de respuesta de inquiry. Informa de la dirección Bluetooth del emisor. DAC (Device Access Code): Paquete utilizado para el establecimiento de la conexión. 57 WPAN (VII) Bluetooth- Inquiry y conexión Comienza el estado de SONDEO (inquiry) Unidad A (Sondea) IAC Unidad B (Sondeada) Comienza el estado de BUSQUEDA DE SONDEO (inquiry scan) Período de backoff Vuelve a la actividad Comienza el estado de LLAMADA (page) FHS DAC Comienza el estado de BUSQUEDA DE LLAMADA (page scan) DAC Conexión establecida Conexión establecida 58 29

30 WPAN (VIII) ESTÁNDAR IEEE GRUPO 1: Bluetooth GRUPO 2: Coexistencia de WPAN con IEEE Compartición de medio, interoperabilidad. GRUPO 3: PHY/MAC para velocidades mayores de 20 Mbps GRUPO 4: Complejidad, coste y consumo ultra-bajos, velocidades hasta 200 Kbps 59 Caso de estudio: localización de usuarios mediante Bluetooth Survivable Bluetooth Location Networks IEEE ICC 2003 Anchorage, Alaska Fco. Javier González-Castaño Jaime García Reinoso Universidad de Vigo, UCIIIM 30

31 Bluetooth Location Networks Single technology: Bluetooth Simple installation: no cables User tags commercially available: most recent PDAs, like Palm & ipaq, include Bluetooth modems for synchronization No client programming: we rely on Bluetooth Inquiry & Inquiry Scan states Can be used as data networks if necessary: BLNs are Bluetooth scatternets Survivable: Can resist multiple node failures while keeping coverage of the target area (major difference with low-cost decentralized systems like Cricket & Cooltown) 61 Bluetooth Location Networks COOPERATIVE POSITIONING 62 31

32 Bluetooth Location Networks EXAMPLE: HEXAGONAL TILING 63 Bluetooth Location Networks GENERATION OF ROUTES 64 32

33 Bluetooth Location Networks SURVIVABILITY UNDETECTED BADGES 65 MANET (I) MANET - Definición MANET: Mobile Ad-Hoc Networks En una red ad-hoc los propios terminales se encargan de las funciones de red. Así, una WLAN puede ser una red ad-hoc. Una WPAN es unared ad-hoc Por esta razón, algunos autores han creado la palabra terminodos Actualmente, no existen tecnologías comerciales que den soporte adecuado a una MANET a media escala (? 50 nodos) o superior Por ejemplo, una MANET Bluetooth se colapsa si los nodos se?desplazan a velocidades superiores a 0.5 m/s

34 MANET (II) MANET - aplicaciones En lugar de MANETs generalistas, puede ser interesante definir MANETs para aplicaciones específicas, donde las restricciones de las tecnologías actuales son factibles. Algunos ejemplos MANETs lineales de vehículos en carretera LANs personales militares 67 MANET (III) MANET - Líneas de I+D Encaminamiento. Idea básica: establecimiento de rutas por inundación controlada. Protocolos proactivos (Dynamic Source Routing, DSR) y reactivos (Ad-hoc On-demand Distance Vector, AODV). Protocolos asistidos por distancia (GPS). Multicast. Diversas propuestas. Podado de árboles (Multicast Ad-hoc On-demand Distance Vector, Multicast AODV), forwarding groups (Forwarding Group Multicast Protocol, FGMP). Calidad de servicio. Combinación de protocolos de encaminamiento y reserva/liberación de recursos

35 BIBLIOGRAFÍA BÁSICA M.S. Gast Wireless Networks. O Reilly. K. Pahlavan, P. Krishnamurty. Principles of Wireless Networks. Prentice Hall. M. Ilyas, editor. Ad-Hoc Wireless Networks. CRC Press C.K. Toh. Ad-hoc Mobile Wireless Networks. Prentice Hall. 69 FIN DE LA PRESENTACIÓN MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN PREGUNTAS? Francisco J. González Castaño 70 35

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