Redes de Datos Inalámbricas

Transcripción

1 Redes de Datos Inalámbricas

2 Espectro Electromagnético Permite movilidad (celular, laptop, PDA) y cada servicio se sintoniza a distintas portadoras IEEE (WiFi) IEEE (Bluetooth, ZigBee,UWB) IEEE (WiMax) Bandas Libres Las frecuencias son asignadas por organismos públicos en cada país (CONATEL en Venezuela, FCC en USA, ITU a nivel internacional)

3 Multiplexado Se usa tanto digital como analógico FDM (Frecuency Division Multiplexing) El espectro se divide en canales exclusivos para cada comunicación (analógico) TDM (Time Division Multiplexing) El ancho de banda lo tiene todo el canal lógico pero sólo por cierto tiempo (digital) FHSS o DSSS... Técnicas de espectro disperso

4 Estándares Inalámbricos por Cobertura WPAN: Wireless Personal Area Network IEEE Bluetooth (IEEE ) ZigBee (IEEE ) Ultra Wide Band (IEEE ) WLAN: Wireless Local Area Network IEEE WiFi (a, b y g) WMAN: Wireless Metropolitan Area Network IEEE WiMax (IEEE802.16)... Telefonía celular de datos (GPRS, SMS)... WWAN: Wireless Wide Area Network IEEE Mobile Broadband Wireless Access (MBWA)... Interconexión a través de redes satelitales (IRIDIUM)...

5 Estándares Inalámbricos y Organizaciones

6 WLAN: IEEE (WiFi) Inspirado en IEEE802.3 (CSMA/CD), con velocidades de transmisión entre 11 Mbps a 54 Mbps A dos capas: física y MAC Capa Física: a, b y g (hay propuesta a mayor velocidad) Infrarojo: Corto alcance Seguro Muchos standards Radio: Mediano y largo alcance Bajos niveles de potencia < 1 Watt FCC definió tres bandas libres ISM (Industrial, Scientific and Medical) MHz 26MHz 2,4-2,48 GHz 83.5 MHz 5,72-5,85 GHz 125 MHz

7 Capas IEEE802.11: Propagación F I S I C A Infrarrojo: 1-2 Mbps. Está en el standard aunque se está dejando de usar. FHSS (Espectro Disperso con Saltos de Frecuencia): 1-2 Mbps. 79 canales sobre 2,4 GHz Con semilla se producen números pseudo-aleatorios Estadía en cada frecuencia < 400 mseg. Bueno ante interferencias DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa): 1-2 Mbps, 2.4 GHz, como CDMA Se pretendió que fuera un standard pero se libero en mayo 2002 OFDM (Multiplexion por División de Frecuencias Ortogonales): 54 Mbps, 5GHz IEEE802.11a, 52 bandas de frecuencia (48 de datos y 4 de sincronización), con más canales descendentes y compatible con HyperLAN HR-DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa de Alta Velocidad): 11 Mbps, 2.4 GHz IEEE802.11b, más lento que IEEE802.11a pero más eficiente OFDM2.4 (Multiplexion por División de Frecuencias Ortogonales 2.4GHz): 54 Mbps, 2.4 GHz IEEE802.11g

8 División del Espectro 2.4 GHz

9 2.4 Ghz con DSSS

10 División de Espectro en 5.7 GHz

11 Codificación en IEEE802.11

12 Codificación en IEEE802.11

13 Capa de Acceso al Medio: Configuraciones de IEEE Ad-hoc (red sin estructura) Cada nodo se comunica con sus vecinos inmediatos. Los vecinos difunden en caso de conexión a nodos alejados Contruyen un árbol expandido DCF (Función de Coordinación Distribuida) Detección de canal físico y virtual Infraestructura (alrededor de un concentrador inalámbrico) Access Points conectados mediante cables a la red Existen Access Points sencillos o con capacidad de enrutamiento No hay reglas para colocar Access Points, depende del entorno y puede ser con línea de vista o sin línea de vista PCF (Función de Coordinación Puntual) Trama Guía o Baliza

14 Capa de Acceso al Medio: Ad Hoc Método con retroceso binario exponencial y MACAW Dos capas (uso del espectro y manejo y contención del canal) Imposibilidad de detectar colisiones en ciertas condiciones Problemas típicos de transmisión inalámbrica: (1) Estación oculta (A transmite a B y no vé que C también) (2) Estación expuesta (B transmite a A y C cree que no puede a D) M E N L A A C E C A B C D No todas las estaciones se ven por su radio de cobertura Puede haber transmisión simultanea aún con medio compartido

15 Protocolo Capa 2: Ad Hoc Capa MAC: (CSMA/CA = Carrier Sense Multiple Access/Colision Avoidance) MACAW Gestiona el espectro compartido, evitando colisiones Si dos estaciones siente libre el canal, espera un tiempo aleatorio antes de transmitir. El tiempo es calculado (backoff factor) para evitar al máximo las colisiones. Cuando puede transmitir debe: El emisor enviar un RTS con el tamaño del paquete Si el receptor escucha el paquete, responde con CTS El emisor envía el paquete y espera un ACK del receptor Entretanto las demás estaciones esperan un tiempo NAV Este intercambio evita el problema de la estación oculta

16 Enfoque con Estación Base (PCF) Una estación base controla el canal preguntando, por sondeo, a cada estación Una trama guía indica: secuencia de saltos, tiempo de permanencia, reloj, etc Cada estación debe subscribirse para obtener los derechos de transmisión La estación base puede colocar en hibernación a cualquier estación Dado que el canal es muy ruidoso, tramas grandes tienen menos chance de llegar sin errores. Es por ello que se fragmenta para retransmitir menos. PCF y DCF pueden coexistir... SIFS: CTS, ACK, tramas de fragmentación o respuesta a sondeo (PCF y DCF) PIFS: Trama de sondeo y de datos de la estación base (PCF) DIFS: Cualquier estación puede tomar el canal (DCF) EIFS: Reportar tramas erroneas (PCF y DCF)

17 Tramas Wi-FI Control: tipo de trama, manejo de fragmentación, hibernación, etc Duración: para definir NAV Secuencia: numeración de fragmentos Direcciones: Donde esta y hacia donde hace el handover (aún no implementado). Servicios: Al llegar a la celda: Asociación Reasociación Integración Disociación Distribución Dentro de la celda: Autentificación Privacidad Desautentificación Entrega de Datos

18 Otros Aspectos de IEEE Se usa como backhaul Cifrado con WEP (con debilidades) y WPA (IEEE802.11i) Enrutamiento en redes ad hoc (mesh) está fuera del standard IEEE. Los algoritmos más conocidos son: OLSR (Optimized Link State Routing) (Proactivo) AODV (Adhoc On demand Distance Vector) (Reactivo) DSR (Dynamic Source Routing) (Reactivo) En redes mesh es común que un nodo tiene Internet que lo comparte con otros. Además cada nodo tiene dos interfaces de red MeshNode III

19 WMAN: IEEE (WiMax) Servicio banda ancha inalámbrica IEEE para servicios multimedias: dato, voz y video. El ancho de banda oscila entre 5 y 66 GHz vs : tiene más alcance con menor pérdida por ser un ancho de banda más alto pero... es afectado por fenómenos atmosféricos (OC) ofrece más usuarios por celda que (NOC) si usuarios móviles pero no (no ofrece handoff aunque IEEE802.16e si!) tiene seguridad obligatoria y es direccional ( es omnidireccional) QAM-64 a 150 Mbps QAM-16 a 100 Mbps QPSK a 50 Mbps

20 Capas IEEE La capa superior permite integración con cualquier protocolo Capa MAC maneja enlace ascendente y descendente La capa 2, en general, ofrece: tasa de bits constante (voz comprimida) tasa de bits variable en tiempo real (multimedia comprimida) tasa de bit variable no en tiempo real (transmisión pesada diferida) mejor esfuerzo (sin sondeo y compitiendo) El sondeo es permanente para adecuarse al servicio del usuario. Si envía poco, coloca la estación en un grupo de multidifusión Asignación de banda por estación o por conexión IEEE801.16a soporta OFDM (2-11GHz) y IEEE802.16b ISM a 5GHz

21 Trama y uso del canal EC: Tipo: CI: EK: cifrado o no fragmentación o no chequeo de errores o no (separado encabezado de datos) tipo de clave Además está la trama de solicitud de ancho de banda Canal descendente lo controla la radio base y el ascendente lo solicita el usuario

22 WMAN: IEEE802.20, MBWA Inspirado en WiMax con la diferencia de que funciona con el usuario en movimiento hasta 250 Km/h IEEE802.16e soporta sólo hasta 120 Km/h Mobile Broadband Wireless Access es parte de los comités que desarrollan WiMax Debería ser completamente compatible con redes IP Competirá con telefonía 4G...

23 WPAN: Bluetooth (Harald Blaatand ) Ante fracaso de las redes infrarojas propuestas por HP Red para acceso a usuario final (WPAN) en el ISM 2,4 GHz con dispositivos de bajo consumo (CMOS) y económicos (< 5$) Va hacia el ISM 5GHz Sincroniza PDA, laptops, teléfonos celulares, audífonos, etc Nace en 1998 con un consorcio de empresas (Ericsson, Intel, IBM, Toshiba y Nokia) bajo un SIG (Special Interests Group). También como standard IEEE aunque solo las capas física y MAC Ahora son incompatible pero en proceso de acoplarse Dispone de herramientas para desarrollar aplicaciones y un Kit de desarrollo con una tarjeta cliente (esclavo) y una estación servidor (maestro). La comunicación es siempre contra el maestro

24 Especificaciones de Bluetooth La potencia de salida es de alrededor de 1 mw (celdas pequeñas o picoceldas de 10 mts) o 100 mw (100 mts) Un conjunto de picoceldas conectadas es una scatternet con un nodo puente Maneja una configuración de un nodo maestro (sincronización) con máximo 7 nodos esclavos (aunque puede haber hasta 255 estaciones en estado de bajo consumo) Los esclavos son pasivos y todo el control lo lleva el maestro (centralizado TDM llevando el reloj y los saltos de frecuencia - FHSS -) Máximo de 1Mbps compartidos con todas las estaciones presentes en la picocelda

25 Perfiles Bluetooth Muchas capas en el modelo Razón es la ley de Conway: Si se asignan n personas en una tarea la desarrollarán como una actividad a n pasos Quizás 2 servicios en lugar de 13 hubiese sido suficiente

26 Modelo de capas IEEE Protocolos de nivel superior Audio LLC RFCOM SDP L2CAP TCS Control Banda base FISICA FISICA: Banda Base: LLC: SDP: RFCOM: TCS: L2CAP: Control y Audio: FHSS por saltos de frecuencia: 79 canales, 1MHz cada canal, 1600 saltos y 625 μseg por salto (sincronización cada μseg) Controla las ranuras de tiempo con TDM (ranuras pares maestro ranuras impares esclavos) y ACL (Asíncrono no orientado a conexión) o SCO (Síncrono orientado a conexión) Interfaz con las capas superiores Encontrar servicios y dispositivos dentro de la picocelda Emular conexiones de puerto serial (controlar dispositivos) Control telefónico (hasta tres perfiles de voz) Entramado, multiplexión, administración de energía y QoS No pasan por L2CAP

27 Trama Bluetooth Código de Acceso: Identificación del maestro Dirección: 3 bits (1 maestro y máximo 7 esclavos) Tipo: ACL: Tráfico sin garantías (mejor esfuerzo). Un ACL por esclavo SCO: Datos en tiempo real con ranura fija. Hasta 3 enlaces SCO Poll: Determinar si esclavos están activos Null: Información del enlace F: Control de flujo indicando que buffer está lleno A: Acuse de recepción S: Número de secuencia (stop and wait) Los encabezados se pueden repetir 3 veces para corrección de errores por redundancia En modo SCO también se puede repetir la carga util 3 veces para corrección por redundancia

28 Otras características de Bluetooth Seguridad con cifrado (hasta 64 bits), autentificación y por los saltos de frecuencia Tipos de conexiones: Standby: Solo escuchan mensaje cada 1,28 seg. No están conectados. Sniff: Escucha selectiva. Esclavo escucha canal por intervalos, sin rol activo en la picocelda Park: Aparcamiento. Modo más reducido que hold sólo escucha la sincronización y los mensajes de difusión sin dirección en la picocelda Page/Inquiry: En page esclavo desea conexion con un dispositivo y maestro difunde. En inquiry maestro interroga por dirección física Active: Modo utilizado durante la transmisión de datos Hold: Retención. Modo de no transmisión pero con el control del enlace. Solicitado por maestro o esclavo

29 LP-WPAN: IEEE (ZigBee) Protocolo con hardware de bajo costo (1,1$), sencillo y con poco consumo energético para control de sensores en monitoreo de dispositivos en casa y la industria CAPA FISICA (PHY): Puede funcionar de 10 a 75 mts, en las bandas: 868 Mhz para Europa (un canal de 20 Kbps), ISM: Mhz (10 canales de 40 Kbps) ISM: 2,4 Ghz (16 canales de 250 Kbps) Usa DSSS con O-QPSK en la banda de 2,4 Ghz y BPSK en 868 MHz Funciones a nivel físico: Activación y desactivación de nodos Detección de energía Indicador de calidad del enlace (consulta de PIB) Detección de actividad del canal Recepción y transmisión de datos

30 Arquitectura de capas total ZigBee Alliance MWK (3) APL (4 y5) IEEE MAC (2) PHY (1) Standard público de ZigBee Alliance desde junio/2005 con Zigbee 1.0

31 ZigBee vs Bluetooth Competidores con más diferencias que similitudes... 8 (Bluetooth) vs de 256 a (ZigBee) dispositivos 3 seg (Bluetooth) vs 15 mseg (ZigBee) para unirse a la red Los chips ZigBee (1$) son menos costosos que los chips Bluetooth (5$) ZigBee considera ahorro de energía pero menor ancho de banda que Bluetooth Bluetooth implementa calidad de servicio lo cual lo hace muy lento ZigBee usa DSSS mientras que Bluetooth usa FHSS ZigBee trabaja en varias bandas posible mientras que Bluetooth solo en 2.48GHz (aunque se espera a 5.7 GHZ) Ambos son de corto alcance pero para ZigBee es dramático aumentarlo ZigBee tiene un solo modo de desactivación mientras que Bluetooth ofrece varios Ambos se están especializando en aplicaciones diferentes

32 IEEE : Capa Física (PHY) QPSK QAM-16 QAM-64 Quadrature Phase Shift Keying FHSS (Espectro Disperso con Saltos de Frecuencia): 1-2 Mbps. 79 canales sobre 2,4 GHz Con semilla se producen números pseudo-aleatorios Estadía en cada frecuencia < 400 mseg. Bueno ante interferencias DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa): 1-2 Mbps, 2.4 GHz, como CDMA Se pretendió que fuera un standard pero se liberó en mayo 2002

33 IEEE : Capa de Acceso al Medio (MAC) Usa CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access/ Collision Avoidance) pero sin RTS, ni CTS solo con ACK (más rápido y con menor consumo de energía) Funciones de la capa 2: Transmisión de la trama de sondeo o baliza Sincronización de la trama baliza Asociación y disasociación CSMA/CA a dos vías Transmisiones garantizadas (GTS) o por contención (CAP) Enlace confiable entre dos nodos Baliza da informacion de la supertrama SO longitud de la supertrama BO longitud de baliza (con inactividad) Si SO=BO no período de inactividad Si BO > SO hay período de inactividad

34 Ejemplo de Supertrama MAC

35 MAC: Tipos de Transmisión Coordinador a dispositivo final: El coordinador tiene datos para el dispositivo final. Este lo indica en el campo direcciones pendientes de la trama baliza Dispositivo despierta y explora la baliza verificando el campo de direcciones pendientes. Si el dispositivo ve su direccion, sabe que el coordinador tiene dato para él. El dispositivo envía un comando Data-Request al coordinador. El coordinador responde con un ACK y envía los datos. El dispositivo responde con ACK.

36 MAC: Tipos de Transmisión Dispositivo final a coordinador: El dispositivo final escucha la trama baliza. El dispositivo se sincroniza con la supertrama para saber el período de contención. El dispositivo compite con sus pares por el canal compartido. En su momento transmitirá los datos al coordinador. El coordinador replicará con un ACK si no es opcional. También está la comunicación entre dispositivos finales aunque no predeterminada en el protocolo

37 ZigBee Alliance: Capa Red (NWK) Servicios de descubrimiento y mantenimiento de rutas, seguridad, asociación y disasociación Ad-hoc (red sin estructura fija con enrutamiento dinámico) Cada nodo se comunica con sus vecinos y difunde. Contruyen un árbol expandido Infraestructura (alrededor de un coordinador) Hay nodos con varios roles (coordinador, enrutador y final) No hay reglas de colocación de nodos (muchas veces es aleatorio)

38 Enrutamiento ad hoc Nodos Nodosmóviles móvilesyyrouters routersmóviles móviles... No Nohay haytopología topologíafija fijani nivecinos vecinosconocidos conocidos... AODV (Vector distancia ad hoc bajo demanda) Aunque las especificaciones de ZigBee Alliance no lo indica explícitamente AODV cumple con las condiciones de la documentación Limitaciones: Los enlaces pueden ser asimétricos A B Estar en el radio de acción, no significa estar conectado (interferencias o diferencia de potencias) Se envían paquetes de route request y route reply Se calculan árboles sumideros

39 Descubrimiento de ruta en redes ad-hoc Solicitud de ruta (route request): Se busca en la tabla de historia, si es duplicado descartar sino agregar a la tabla de historia Respuesta de ruta (route reply): Si el receptor conoce el destino, le indica al solicitante que puede pasar a través de él (más reciente si número de secuencia de destino mayor) Ruta desconocida: Incrementa número de saltos y vuelve a difundir colocando un temporizador. Además aprovecha esta información para construir el árbol sumidero

40 Mantenimiento de ruta en redes ad hoc En el camino de regreso se inspeccionan los paquetes y se actualizan las tablas de enrrutamiento local si: No se conoce esa ruta El número de secuencia mayor que el conocido (más reciente) La nueva ruta es más corta Con el tiempo de vida inicializado al diametro de la red, se difunde menos o con tiempo de vida que aumentan para buscarlo lo mas cerca posible Difunde periódicamente HELLO para ver vecinos activos y notifica en caso de que un nodo no esté disponible Route Request Route Reply

41 Configuraciones de ZigBee Tres configuraciones, con hasta nodos (direcciones largas de red): Estrella (centralizado con uso de la trama de sondeo o baliza) Rejilla o Mesh (sin trama de sondeo y punto a punto usando MACAW) Arbol (híbrido). Tres tipos de nodos: Coordinador Enrutador Dispositivo final Red autoorganizada Coordinador: En estrella inicializa y da mantenimiento a dispositivos En árbol y rejilla inicializa la red y fija parámetro de routers La seguridad es con algoritmos de cifrado simétrico y funciones de hash Un enrutador ZigBee no necesariamente es un coordinador

42 ZigBee Alliance: Capa Aplicación (APL) Consiste del APS Concuerda nodos con sus necesidades Seguridad con clave maestra para negociar claves de sesión ZDO: Define los roles o perfiles de los dispositivos Descubre dispositivos con los servicios que proveen Los perfiles se enlazan en agrupamientos (clusters)

43 Estructura de Tramas MAC Máxima carga de datos hasta 104 bytes, direcciones IEEE de 64 bits Paquete MAC para configuración a distancia La trama baliza o sondeo despierta a los dispositivos e inmediatamente vuelven a dormirse si no reciben mas datos (intervalos de 15 msg a 4 min) El tiempo de balizado es predeterminado y hasta el coordinador duerme...

44 Estructura del Nodo ZigBee El sensor es independiente del mote La pila de protocolos está en una memoria flash

45 Alrededor de ZigBee... Ancho de banda limitado para voz o video aunque no es el énfasis. Con un alto número de dispositivos y aun con un período de sondeo muy corto el rendimiento de la red y la duración de las baterias decaen. Es por ello que se proponen redes ZigBee con troncales WiFi. Competidores con standard propietario: Zwave (promete menos interferencia con WiFi) y Insteon (Kit de desarrollo muy económicos). Ambos se abocan principalmente a la domótica inalámbrica en el hogar

46 WPAN: IEEE (UWB) Protocolo con alta velocidad de transferencia a muy corta distancia usando un ancho de banda que solapa los otros protocolos inalámbricos Usa un gran ancho de banda (3-10 GHz) con billones pulsos enviado, cada uno, a menos de 1 ηseg A baja potencia de transmisión (diezmillonesima parte de la potencia de un celular) y por lo estrecho de los pulsos no causa interferencia (aunque la FCC no ha demostrado que no interfiera a alta potencia) Puede llegar hasta 600 Mbps a distancias muy cortas (< 5mts) y Aumentando la potencia hasta 1 Gbps Ideal para tráfico multimedia (monitores sin cable, cámaras de video, DVD con TV,...) y pretende asociarse con Wireless USB (aún en discusión) Intel está fabricando chips con esta tecnología Una opción posible es que la capa física de IEEE sea UWB

47 Comparación de tecnologías inalámbricas Interferencias en 2,4 GHz IEEE (coexistencia de WLAN y WPAN) para resolverlo Mobilian (Bluetooth+WiFi) con su producto TrueRadio (comprada en Nov/2003 por INTEL) Productos WPAN WLAN WMAN IEEE IEEE a IEEE IEEE IEEE IEEE Bluetooth UWB Zigbee WiFi WiMax MBWA se invaden los mercados mutuamente IrDA viene ofreciendo anchos de banda mayores que los de Bluetooth (16 Mbps) Ni WiFi ni Bluetooth ofrecen tráfico multimedia pero WiMax y UWB si Aunque WiFi se expande al área metropolitana WiMax parece ser el standard 4G de telefonía celular...

48 Desafíos de la Comunicación Inalámbrica Aspectos a favor: Mobilidad con los mismos servicios de red (Web, FTP, etc) Manejo de memoría permanente a través de la red (cuando se usan PDA o laptops) Aspectos a mejorar: Lentitud de los enlaces inalámbricos Seguridad implica cifrado pero este implica aún más lentitud Más costosa con respecto a los enlaces cableados Redes inalámbricas únicas de múltiples servicios (aún lejos de la standarización) Problemas de salud???