Tema 4. Redes de área local inalámbricas

Transcripción

1 Departamento de Tecnología Electrónica Algunas de las transparencias tienen copyright: Tema 4. Redes de área local inalámbricas Redes de computadoras: Un enfoque descendente Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, April

2 Tema 4: Redes de área local inalámbricas 4.1 Introducción 4.2 Estándar IEEE Estándares Componentes de red IEEE Norma IEEE Topologías de red IEEE

3 Tema 4: Redes de área local inalámbricas 4.1 Introducción 4.2 Estándar IEEE Estándares Componentes de red IEEE Norma IEEE Topologías de red IEEE

4 Introducción Introducción Redes sin cables Emplean el espectro radioeléctrico En general se integran dentro de una LAN cableada Por qué? Permiten movilidad Permiten instalaciones en lugares que no pueden instalarse cables (o suponen altos costes) 4

5 Introducción Introducción 5

6 Introducción Ventajas: Permiten las mismas características que las LAN cableadas pero sin la limitación de los cables. Movilidad Reducen tiempo/coste de instalación Adaptabilidad Funcionan tanto dentro de un edificio como entre edificios Inconvenientes: Requieren un medio de transmisión basado en radio frecuencia (RF) -> Ocupación del espectro radioeléctrico Menores velocidades de transmisión que en LAN cableadas Problemas de seguridad 6

7 Espectro radioeléctrico Uso del espectro inalámbrico MHz: Radio, televisión, controles inalámbricos, teléfonos inalámbricos, mandos de coches, televisiones, etc. 200 MHz- 1GHz: alarmas, implantes médicos, walkie talkies, televisión, teléfonos móviles. 1-2 GHz: GPS, telemetría médica, teléfonos móviles 2.4 GHz: banda libre radio satélite, teléfonos por satélite, hornos microondas, radares meteorológicos, WI- FI, BLUETOOTH GHz: comunicaciones por satélite (p.e, TV) 5-50 GHz: Wi-fi, radares de policía GHz: señales a corta distancia. 7

8 Espectro radioeléctrico Bandas de frecuencia ISM: MHz 2,400 2,4835 GHz 5,725 5,850 GHz 8

9 Tema 4: Redes de área local inalámbricas 4.1 Introducción 4.2 Estándar IEEE Estándares Componentes de red IEEE Norma IEEE Topologías de red IEEE

10 Tema 4: Redes de área local inalámbricas Estándares La estandarización de las WLANs corre a cargo de IEEE y WIFI Alliance. IEEE en la norma se encarga de: Definir la especificaciones de WLANs de alta prestaciones. Asegurar Interoperabilidad Seguridad Calidad del Servicio. WIFI Alliance se encarga de: Certificar que un producto de un fabricante puede interoperar con el de otro Promover el uso de las WLANs 10

11 Estándares Normas LAN/MAN 11

12 Tema 4: Redes de área local inalámbricas 4.1 Introducción 4.2 Estándar IEEE Estándares Componentes de red IEEE Norma IEEE Topologías de red IEEE

13 Componentes de red Las redes que cumplen la norma están compuestas de cuatro elementos básicos: Sistema de distribución Punto de acceso Estación o cliente Medio inalámbrico 13

14 Componentes de red Estación o cliente: Dispositivo con una NIC que cumple el estándar IEEE PC, Portátil, PDA, Adaptadores de red inalámbricos 14

15 Componentes de red Estación o cliente Adaptadores de red inalámbricos Son módulos de radio Varios tipos de adaptadores Wi-Fi Tarjetas PCI Adaptadores USB 15

16 Componentes de red Punto de acceso (AP): Dispositivo que realiza el control del acceso al medio a los clientes de WLAN y permiten la conexión a la red cableada (puente) Un punto de acceso es un concentrador inalámbrico. Debe distinguirse de un router inalámbrico, que es muy común en el mercado actual. Un router inalámbrico es una combinación entre un punto de acceso y un router, y puede ejecutar tareas más complejas que las de un punto de acceso. 16

17 Componentes de red Punto de acceso (AP): Puente: dispositivo que permite interconectar diferentes redes, independientemente del protocolo que cada una utilice. Trabaja en los niveles físico y de enlace de datos del modelo TCP/IP Un router permite también interconectar varias redes, pero a diferencia de un puente, estas deben utilizar el mismo protocolo. (Nivel de red, p.e, IP) Si se desea interconectar dos redes que utilizan el mismo protocolo (p.e. IP) es recomendable utilizar un router. 17

18 Componentes de red Medio inalámbrico: Uso de RF para transportar las MAC_PDUs. 18

19 Componentes de red Sistema de Distribución: Tecnología LAN o WLAN utilizada para ampliar el área de cobertura de una WLAN. En el caso inalámbrico: Pueden existen varios AP. Un AP actúa como maestro, llamado WDS AP. (WDS = Wireless Distribution System). Los demás son AP esclavos y actúan como repetidores, llamados WDS Stations. Todos en el mismo canal. SSID común o diferente. 19

20 Tema 4: Redes de área local inalámbricas 4.1 Introducción 4.2 Estándar IEEE Estándares Componentes de red IEEE Norma IEEE Topologías de red IEEE

21 Norma IEEE Norma IEEE LLC (802.2) MAC PHY 21

22 Norma IEEE Nivel físico Nivel Físico (PHY) Topología celular. Half-duplex Se utilizan las bandas de frecuencia de 2,4 y 5 GHz No requieren el uso de licencia En cada banda existen un conjunto de canales 22

23 Norma IEEE Nivel físico Nivel Físico (PHY) Topología celular. Alternativas de nivel físico Norma Banda Velocidad a 5 GHz 54 Mbps b 2,4 GHz 11 Mbps g 2,4 GHz 54 Mbps n las dos 200 Mbps 23

24 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC. Cada MAC_PDU con datos es asentida por el receptor. Implementa algoritmos de encriptación y autenticación. Una MAC_PDU puede contener hasta 4 direcciones MAC (origen, destino, transmisor y receptor). 24

25 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Trama de datos Cabecera LLC/SNAP (802.2) Control Trama Duración Dirección Destino Dirección Origen Dirección 3 Seq. Dirección 4 Datos IP CRC 2 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 6 Bytes Bytes 4 Bytes Trama Ethernet Dirección Destino Dirección Origen EType Datos CRC IP 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes Bytes 4 Bytes 25

26 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC Existen tres tipos de MAC_PDUs: Datos Control Gestión 26

27 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC MAC_PDUs de datos: Transportan información de nivel superior (MAC_SDU) La MAC_PCI es de 34 bytes. La MTU típica es de 2312 bytes. En el caso de muchas interferencias se habilita la fragmentación/ensamblado de la MAC_SDU 27

28 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Norma IEEE Subnivel MAC MAC_PDUs de control: Se usan para la reserva del medio y reconocimiento. ACK lo envía el subnivel MAC para reconocer que ha recibido correctamente una MAC_PDU de datos. No indica que el destino de la MAC_PDU lo ha recibido RTS (Request to Send) / CTS (Clear to Send) para la reserva del medio RTS lo envía el subnivel MAC para solicitar el uso del medio y el tiempo total que lo va a necesitar (duración reserva) CTS lo envía el subnivel MAC como respuesta a un RTS, indica que el subnivel MAC que envió RTS puede enviar y la duración de la reserva (tiempo que queda de reserva) 28

29 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC MAC_PDUs de gestión: Sirven para gestionar el enlace inalámbrico. Beacon. La envía subnivel MAC periódicamente para informar de la existencia de una red inalámbrica Intervalo es un parámetro configurable Probe request. Sirve para que el subnivel MAC rastree un área en busca de redes inalámbricas. Probe response. Enviado por el subnivel MAC en respuesta a un Probe request. Association request. Sirve para que el subnivel MAC solicite conectarse a una red inalámbrica. Association response. Confirmación de la conexión a una red inalámbrica. Otras. 29

30 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC El Control de Acceso al Medio (MAC) presenta cambios sustanciales para adecuarlo al medio inalámbrico. En Ethernet, CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection - acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisión -). En redes inalámbricas resulta demasiado costoso, ya que los errores de transmisión son más frecuentes. Se añaden un nuevos mecanismos para MAC: CSMA/CA y MACA. 30

31 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC Técnica de acceso al medio CSMA/CA 1) Antes de transmitir una información, una estación debe determinar el estado del medio (libre o ocupado) 2) Si el canal no está ocupado, se realiza una espera adicional llamada espaciado entre tramas (IFS = InterFrame Space) 3) Si el canal se encuentra ocupado o se ocupa durante la espera, se ha de esperar hasta el final de la transacción actual 31

32 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC Técnica de acceso al medio CSMA/CA 4) Tras finalizar la transacción actual se ejecuta el algoritmo de Backoff Determina una espera adicional y aleatoria escogida uniformemente en un intervalo llamado ventana de contienda (CW) Se mide en ranuras temporales (slots) 5) Si durante esta espera el medio no permanece libre durante un tiempo igual o superior a IFS, dicha espera queda suspendida hasta que se cumpla dicha condición. 32

33 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC Técnica de acceso al medio CSMA/CA Datos IFS IFS IFS IFS CW Backoff Backoff Datos CW Backoff Datos CW Datos Llegada dato a transmitir Espera Datos CW Estación A B C D E 33

34 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Norma IEEE Subnivel MAC Técnica de acceso al medio CSMA/CA Problemas en WLAN: Nodos ocultos. Canal ocupado por estación que otro nodo no oye. Nodos expuestos. Estación cree que el canal está ocupado aunque está libre ya que el nodo que oye no interfiere en su comunicación. 34

35 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Norma IEEE Subnivel MAC Técnica de acceso al medio CSMA/CA Problemas en WLAN: Nodos ocultos. Nodos expuestos 35

36 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC Técnica de acceso al medio MACA Contienda con posibilidad de reserva para evitar colisiones (CSMA/CA, CA = Collision Avoidance) Más restrictivo que el CSMA/CA estándar: RTS (Request to Send) / CTS (Clear to Send) DIFS (Distributed IFS)/ SIFS (Short IFS) NAV (equivalente al tiempo dado por el algoritmo de backoff). No se emplea debido a la sobrecarga si: Pocas estaciones en la red. Red muy densa. Todas las estaciones en el alcance de todos. Tramas pequeñas. 36

37 Norma IEEE Nivel de enlace de datos Subnivel MAC Técnica de acceso al medio MACA 37

38 Tema 4: Redes de área local inalámbricas 4.1 Introducción 4.2 Estándar IEEE Estándares Componentes de red IEEE Norma IEEE Topologías de red IEEE

39 Topologías de red IEEE El bloque de comunicación básico de una red es el BSS (Basic Service Set) o celda. Un BSS tiene un área de cobertura de tal forma que todas las estaciones que pertenezcan al BSS pueden comunicarse entre ellas. Se le asigna un nombre conocido como SSID (Service Set Identifier) Según el número de BSSs y dispositivos que aparezcan existen tres tipos de redes : Redes Ad hoc o Independientes BSS (IBSS). Sólo existen clientes. Redes Infraestructura o Infraestructura BSS. Existen clientes y un punto de acceso. EBSS (Extended BSS) Existen múltiples BSS para permitir mayores áreas de cobertura 39

40 Topologías de red IEEE Tipos de redes : Ad hoc 40

41 Topologías de red IEEE Tipos de redes : Infraestructura (BSS) 41

42 Topologías de red IEEE Tipos de redes EBSS BSS BSS EBSS 42

43 Topologías de red IEEE Funcionamiento modo Infraestructura / EBSS Cada AP tiene un BSSID (Basic Service Set Identifier), que coincide con la MAC de su interfaz inalámbrica, y un SSID, configurado por el administrador de la red. En EBSS cada celda tendría el mismo SSID pero se distinguiría por el BSSID de su AP. En la norma no se limita el número de clientes a los que un AP puede dar servicio. Un cliente para conectarse a una red inalámbrica debe conocer el BSSID y el SSID de la celda. Los APs envían periódicamente Beacon Frames con el BSSID y opcionalmente con el SSID El cliente envía un Probe request con el SSID esperando un Probe response del AP con su BSSID. 43

44 Topologías de red IEEE Funcionamiento modo Infraestructura / EBSS Un cliente con el BSSID y SSID de una celda solicita la asociación (conexión) a un AP mediante Association Request El AP, si acepta al cliente, le envía una Association Response con un identificador de Asociación. El AP registra en su tabla de direcciones la MAC del cliente Un AP controla la comunicación de todos los clientes que tiene asociado Los clientes nunca se comunican directamente entre ellos. Sólo procesan MAC_PDUs que provengan del AP al que están asociado. 44

45 Topologías de red IEEE Funcionamiento modo Infraestructura / EBSS Los APs mantienen tablas de direcciones como los puentes Aprenden del tráfico que pasa por él Reenvían basándose en la dirección MAC destino Un AP, conectado a un sistema de distribución, actúa como un puente, pero Inyecta tráfico en la interfaz wireless si el destino es uno de sus clientes o es broadcast/multicast Inyecta tráfico en el sistema de distribución como lo haría un puente 45

46 Topologías de red IEEE Asociación 46

47 Topologías de red IEEE Envío de MAC-PDU de datos 47