Comunicaciones Inalámbricas

Transcripción

1 Comunicaciones Inalámbricas Estándar IEEE (Parte I) Iván Bernal, Ph.D. Escuela Politécnica Nacional Quito Ecuador I. Bernal Agenda Revisión de ideas de las capas dependientes de la tecnología Arquitectura de IEEE Servicios Subcapa MAC IEEE

2 Bibliografía W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd Edition, Prentice Hall, W. Stallings, "Local and Metropolitan Area Networks", 5ta Edition, Prentice Hall, R. Prasad, L. Muñoz, WLANs and WPANs towards 4G wireless, Artech House, London, J. Geier, Wireless LANs, 2nd Edition, SAMS Publishing, En términos del modelo OSI, los protocolos de capas superiores (3 o 4 y superiores) son independientes de la arquitectura de red y se aplican a LANs, MANs y WANs. La figura relaciona los modelos de referencia 802 con el de la OSI. Capa física Especifica las características eléctricas, ópticas o de radio de las señales transmitidas (signaling), y las conexiones (conectores) mecánicas/físicas aplicables al tipo de medio en uso. Las funciones de esta capa incluyen: Codificación/Decodificación (Encoding/Decoding) de las señales (Ejemplo: PSK, QAM, etc.) Generación/remoción de los preámbulos que se utilizan para sincronización. Transmisión/recepción de bits. La capa física del modelo 802 incluye una especificación del medio de transmisión. Generalmente esto es considerado bajo el nivel mas bajo del modelo OSI. La decisión del medio de transmisión es crítico en las LANs, por lo que se incluye una especificación del medio y la topología. 4

3 5 Capa física Además de desarrollar un modelo de referencia, también se desarrolló un modelo de implementación para guiar el desarrollo de estándares específicos. La diferencia es que el modelo de implementación resalta la complejidad de estandarización de la capa física. Para una capa MAC, existen varias opciones de medio físico. En la mayoría de casos, en la especificación de la capa física hay una porción: Independiente del medio que trata con: Codificación/decodificación de las señales (Signal encoding) Sincronización Otros aspectos comunes entre diferentes medios Dependiente del medio Trata con aspectos eléctricos y mecánicos Dependiendo de la implementación, estas dos partes pueden implementarse separadamente con un interfaz entre ellas. 6

4 Capa física 7 Capa enlace de datos Se usa para enmascarar los cambios de la capa física (y con ello el medio) de las capas superiores. MAC (Media Access Control) Particular al método de acceso empleado en la LAN (solo en LANs). Funciones: Recibe datos del LLC y los encapsula en tramas (framing) en transmisión. Desencapsula los datos de las tramas recibidas y los pasa a la subcapa LLC. Monitorea el canal de comunicaciones para determinar cuando el canal está libre y luego pasa la trama a la capa física para transmisión. Detección de errores utilizando un CRC que incluyó en las tramas. Es responsable por la detección y recuperación de colisiones. LLC (Logical Link Control) Proveer un conjunto consistente de servicios a la capa red, sin importar la subcapa MAC en uso. Proveer SAPs (service access points). La separación en dos subcapas se la realiza por que: La lógica para administrar el acceso a un medio compartido no se encuentra en la capa 2 tradicional (Data Link Layer). Para el mismo LLC pueden proveerse varias opciones MAC. 8

5 Capa enlace de datos (LLC) En el gráfico, las capas superiores a LLC proveen servicios end-to-end (extremo a extremo) entre las estaciones. La capa LLC también es end-to-end. Bajo la subcapa LLC, la subcapa MAC provee la lógica para acceder a la red. 9 Capa enlace de datos (LLC) Como protocolo end-to-end, LLC puede proveer tres servicios fundamentales: Connectionless service No requiere la sobrecarga de establecer una conexión lógica. Para tráfico altamente interactivo. Se soporta fácilmente incluyendo las direcciones de la fuente y el destino. Connection oriented Para ciertos tipos de tráfico. Se soporta con SAPs. Multipexación Un único enlace físico conecta la estación a la red. Debería proveerse transferencia de datos con múltiples puntos extremos lógicos sobre ese enlace físico. Se soporta con SAPs. 10

6 Capa enlace de datos (LLC) Los servicios orientados a conexión y de multiplexación se soportan con SAPs. LLC soporta múltiples SAPs, cada uno con su propia dirección LSAP. LLC provee comunicación entre LSAPs. 11 Capa enlace de datos (LLC) Un proceso X en la estación A desea enviar un mensaje a un proceso en C. X podría ser un programa generador de reportes en una estación de trabajo. C podría ser una impresora o un driver de impresión. X se asocia a LSAP1 y solicita una conexión a C (C podría tener un solo LSAP). El LLC en A envía a la LAN un PDU (protocol data unit) a la LAN con un pedido de conexión que incluye la dirección de la fuente (A,1), la dirección del destino (C,1) y bits de control indicando que lo enviado es una petición de conexión.. La LAN entrega la trama a C, la cual si está libre retorna un PDU de conexión aceptada. Todos los datos desde X serán transmitidos en PDUs que incluyen la fuente (A,1) y el destino (C,1). Cualquier dato desde la impresora (como ACKs) serán transmitidos en PDUs que incluyan (A,1) y (C,1) como destino y fuente. 12

7 Capa enlace de datos (LLC) Al mismo tiempo, el proceso Y podría asociarse a (A,2) e intercambiar datos con (B,1). Este es un ejemplo de multiplexación. Adicionalmente, otro proceso en A podría usar (A,3) para enviar PDUs (sin conexión) a varios destinos. Direccionamiento Se requieren dos niveles Dirección MAC Dirección LLC (únicas dentro da cada estación) Hay unas cuantas reservadas a nivel global de la red. 13 La figura ilustra la relación entre las diferentes capas. 14

8 PDU=Datos de control de un protocolo + los datos transportados (SDU) 15 Formato de la trama MAC El PDU de la MAC se conoce como trama MAC (MAC frame). El formato exacto de la trama depende del protocolo, pero son similares al de la figura. 16

9 Formato de la trama MAC Los campos de la trama son: MAC Control Cualquier información de control del protocolo para que éste opere. Ejemplo: un nivel de prioridad. Destination MAC address La dirección física del punto de destino de la LAN para esta trama. Source MAC address La dirección física del punto origen de la LAN para esta trama. Data El cuerpo de la trama MAC que puede ser: Datos de LLC de la capa inmediata superior. Información de control relevante a la operación del protocolo MAC. CRC (Cyclic Redundancy Check) Se conoce también como FCS (Frame Check Sequence). Detección de errores. 17 Control de errores En la mayoría de protocolos de la capa enlace de datos: Los protocolos detectan los errores en base al CRC. Permiten recuperarse de los errores retransmitiendo las tramas afectadas. En los protocolos para LAN: La capa MAC es responsable por detectarlos y descartar las tramas que tienen errores. De forma opcional, LLC tiene en cuenta cuales tramas se han recibido correctamente y se encarga de retransmitir las que contengan errores. 18

10 Formato del PDU LLC DSAP y SSAP contienen direcciones de 7 bits, que especifican los usuarios destino y origen de los usuarios LLC. Un bit del DSAP indica si el DSAP es una dirección individual o de grupo. Un bit del SSAP indica si el PDU es uno de comando o respuesta. El formato del campo de control es idéntico al de HDLC (High Level Data Link Control ). 19 Servicios de la capa LLC El estándar LLC especifica tres formas de servicios a los usuarios LLC: Unacknowledged connectionless service Estilo datagrama que simplemente permite enviar y recibir PDUs LLC. Ninguna forma de acuse de recibo que garantice la entrega. No control de flujo. No mecanismos de control de errores. Se soporta multicast y broadcast. Connection-mode service Permite el establecimiento de una conexión lógica. Provee mecanismos para solicitar o ser notificado cuando se establece o rompe una conexión lógica. Provee control de flujo, control de secuencias. Recuperación de errores. No soporta multicast o broadcast. Acknowledged connectionless service Se envían datos y se reciben acuses de recibo sin establecer ninguna conexión lógica. Provee control de flujo, control de secuencias. Recuperación de errores. Los servicios se especifican en términos de primitivas que pueden visualizarse como comandos o llamadas a procedimientos con parámetros. 20

11 Servicios de la capa LLC Unacknowledged connectionless service Útil cuando las capas mas altas proveen confiabilidad y mecanismos de control de flujo, y por lo tanto, hacer esto también en la capa LLC sería duplicar esta funcionalidad. TCP podría ser el que provea la confiabilidad. Útil cuando la sobrecarga de establecer conexiones y su mantenimiento no se justifican o incluso pueden ser contraproducentes. Adquisición de datos que involucra el muestreo periódico de fuentes de datos tales como sensores, o reportes de auto-chequeos automáticos de equipos de seguridad o equipos de red. En aplicaciones de monitoreo, la pérdida ocasional de datos no causa generalmente situaciones extremas. En la mayoría de casos es la opción preferida. 21 Servicios de la capa LLC Connection-mode service Podría utilizarse en dispositivos muy simples. Terminales remotos que tienen poco software operando sobre la capa de enlace, por lo que ofrecer confiabilidad a nivel de LLC se justifica. Provee el control de flujo y mecanismos de confiabilidad (que normalmente se implementarían en capas superiores). Acknowledged connectionless service En Connection-mode service se debe mantener algún tipo de tabla para cada conexión activa para monitorear el estado de la conexión. Si se requiere entrega confiable pero hay un gran número de destinos para los datos, Connection-mode service puede ser impráctico por el gran número de tablas requerido. Ejemplo: un proceso de control en donde un lugar central debe comunicarse con un gran número de procesadores y controladores. Ejemplo: Manejo de señales de control de emergencias y alarmas de importancia y críticas en una fábrica. Debido a su importancia se requiere un acuse de recibo (ACK) para que el transmisor esté seguro que se recibieron las señales. No se desea invertir tiempo en el establecimiento de una conexión y luego enviar datos. 22

12 Protocolos de la capa LLC Modelados en base a HDLC y tiene funciones y formatos similares. Hay 3 protocolos LLC (se les conoce como tipos de operación) definidos en el estándar, uno para cada una de las tres formas de servicio: Operación Tipo 1: soporta Unacknowledged connectionless service. Operación Tipo 2: soporta Connection-mode service. Operación Tipo 3: soporta Acknowledged connectionless service. Es posible que una estación soporte mas de una forma de servicio y por lo tanto emplee mas de un tipo de protocolos. La combinación de servicios soportados está dada por la clase de estación. 23 IEEE 802 Los protocolos definidos específicamente para LANs y MANs se preocupan de problemas relacionados a la transmisión de datos por la red. La discusión de los protocolos LAN se centra principalmente en las capas bajas del modelo OSI. Capa física. Para algunos estándares IEEE 802, esta capa se subdivide. Capa enlace de datos 24

13 IEEE Capa física f en IEEE PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) Define un método para transformar o asociar los PDUs de la MAC a un formato adecuado para la transmisión y recepción de datos entre estaciones que utilizan una capa PMD asociada. MPDUs (MAC Protocol Data Units). Agrega campos a los MPDUs requerida por los transmisores/receptores. Existen PLCPs específicas, así para DSSS, FHSS e IR. PMD (Physical Medium Dependent) Define las características y el método de transmitir/recibir datos del usuario utilizando un medio inalámbrico. Bajo la dirección del PLCP realiza la transmisión/recepción propiamente dicha. Interactúa con el medio inalámbrico y realiza modulación/demodulación. 26

14 IEEE En 1990, el Comité IEEE 802 formó un nuevo grupo de trabajo IEEE dedicado a WLANs para desarrollar especificaciones para el medio físico y protocolos MAC. Inicialmente se centró en el desarrollo de WLANs en la banda ISM. Se tiene una lista creciente de estándares. El estándar que ganó una amplia aceptación en la industria fue el b (1999). A pesar de que los productos de diferentes vendedores estaban basados en este estándar existía la preocupación de interoperabilidad. WECA se formó en 1999, y luego cambio su denominación a Wi-Fi. 27 IEEE

15 Arquitectura de IEEE Basic Service Set (BSS) Arquitectura de IEEE Consiste de un número de estaciones compitiendo por el acceso a un medio inalámbrico compartido (incluye necesariamente un AP). Puede estar aislado o conectado a un backbone DS (Distribution system ) a través de un AP (Access Point ). Las estaciones cliente no se comunican entre si directamente. Si una estación en el BSS desea comunicarse con otra en el mismo BSS, la trama MAC es enviada de la estación origen al AP, y luego del AP a la estación destino. Corresponde a lo que se conoce como una celda (cell). Access Point (AP) Funciona como un bridge y un punto de reenvío. Distribution System (DS) Es el backbone. Para enviar una trama MAC de una estación en un BSS1 a una estación (remota) en otro BSS (BSS2): La trama es primero enviada al AP local (AP1), y luego a través del DS se envía al AP2 y de ahí a la estación destino. Puede ser un switch, una red alámbrica, o una red inalámbrica. 30

16 Arquitectura de IEEE Independent Basic Service Set (IBSS) Todas las estaciones son móviles y sin conexiones a otras BBSs. Típicamente es una red ad hoc. Las estaciones se comunican directamente entre si, y no se tiene un AP. Extended Service Set (ESS) Consiste de 2 o mas BSS interconectados por un DS. Observaciones: Es posible que dos BSSs se sobrelapen en términos de su área de cobertura. Sin interferir entre ellas. La asociación entre una estación y un BSS es dinámica. Las estaciones pueden encenderse o apagarse, pueden salir de las áreas de coberturas o entrar en el área de cobertura de un BSS. 31 Arquitectura de IEEE

17 Arquitectura de IEEE Servicios de IEEE El estándar define 9 servicios que una WLAN debe proveer. Funciones que LLC requiere para enviar SDUs de la MAC (MSDUs) entre dos entidades en la red. Servicios implementados por la MAC. Funciones opcionales de la MAC PCF (Point Coordination Function) Se implementa en un AP. Para entrega de datos sensibles al retardo. Se detalla mas adelante. Contention-free Pollable Se implementa en una estación. Para permitir la transferencia de datos sensibles al retardo definidos en el PCF. WEP (Wired Equivalent Privacy) Para encripción. 34

18 Proveedores de los Servicios Estaciones DS Clasificación I Servicios de estación Servicios de IEEE Se implementan en toda estación , incluyendo a los APs. Servicios de distribución Clasificación II Se implementan en los APs o dispositivos que se conecten al DS. Se proveen entre BSSs. Acceso y confidencialidad Tres servicios Entrega de MSDUs (MAC Service Data Unit) entre estaciones. Seis servicios. Si el MSDU es demasiado grande puede fragmentarse antes de transmitirse. 35 Servicios de IEEE Entrega de MSDU es el servicio básico y el que se ha mencionado. 36

19 Servicios de IEEE Distribución de mensajes dentro del DS Servicio de Distribución Principal servicio utilizado por las estaciones en el intercambio de tramas MAC. cuando las tramas deben atravesar el DS. La manera en la que el mensaje es transportado por el DS sale del alcance de IEEE Si dos estaciones que se comunican pertenecen al mismo BSS, el servicio de distribución solo usa un AP, el del BSS. Servicio de Integración Habilita la transferencia de datos entre una estación en una LAN IEEE y una estación en una LAN integrada IEEE 802.x. El término Integrada se refiere a una LAN alámbrica físicamente conectada al DS. Las estaciones de la LAN alámbrica pueden estar conectada lógicamente a la LAN IEEE mediante el servicio de integración. El servicio de integración se encarga de cualquier traducción de direcciones y conversión de medios requeridos para el intercambio de datos. 37 Servicios de IEEE Tipos de transición de las estaciones basados en su movilidad: No transición Una estación es estacionaria o se mueve solo dentro del área de cobertura de un BSS. Transición BBS Una estación se mueve de un BSS a otro BSS dentro de un ESS. Se debe reconocer la nueva ubicación de la estación. Transición ESS Una estación se mueve de un BSS en un ESS a otro BSS en otro ESS. Se interpreta en términos del movimiento solamente. Lo mas probable es que exista interrupción del servicio. 38

20 Servicios relacionados a la Asociación Servicios de IEEE Para que el Servicio de Distribución en el DS funcione se requiere información de las estaciones en el ESS. Esta información la proporcionan los servicios de asociación. El DS necesita saber la identidad del AP al cual se debe entregar un mensaje para que luego llegue a la estación destino. Una estación debe mantener una asociación con un AP en su BSS. Servicio de Asociación Establece una asociación inicial entre una estación y un AP. Antes de que una estación transmita o reciba datos debe estar asociada a un AP. Se debe conocer la identidad y dirección de la estación. El AP puede comunicar esta información a otros APs en el ESS para facilitar la tarea de enrutamiento y entrega de las tramas, y movilidad entre BSSs. Servicio de Reasociación Permite transferir una asociación existente de un AP a otro AP. Permite que una estación móvil se mueva de un BSS a otro. Servicio de Disasociación Una estación o AP emite notificaciones de que una asociación ha terminado. Una estación debería hacerlo antes de abandonar un BSS o apagarse. En la MAC se prevé los casos en que la estación desaparezca sin notificación. 39 Servicios de Acceso y Privacidad Servicios de IEEE Características inherentes en las LAN alámbricas pero no en WLAN Transmisión En LAN alámbricas, una estación debe estar conectada físicamente a la LAN. Se requiere una acción probablemente observable para conectar la estación a la LAN. En WLAN, una estación transmite a otras con solo estar dentro del rango de cobertura. Recepción En LAN alámbricas, una estación debe estar conectada físicamente a la LAN para recibir una transmisión de otra estación en la LAN. Se limita la recepción a estaciones conectadas a la LAN. En WLAN, una estación puede recibir de otras con solo estar dentro del rango de cobertura. Servicio de autenticación Para establecer identidades entre las estaciones antes de la asociación. En LAN alámbricas, el acceso a la LAN conlleva una autorización de conectarse. IEEE soporta varios esquemas de autenticación y permite su expansión. No se tienen esquemas mandatorios. Requiere que la autenticación sea aceptable mutuamente y exitosa antes de permitir que una estación establezca una asociación con un AP. 40

21 Servicios de Acceso y Privacidad Servicio de desautenticación Servicios de IEEE Se utiliza cuando una autenticación existente debe terminarse. Cuando una estación quiere desasociarse. Es una notificación que no puede ser rechazada. Servicio de Privacidad Para proteger la lectura del contenido de las tramas por aquellos que no son los destinatarios previstos. Se permite el uso opcional de encripción. 41 MAC: Evitando colisiones A primera vista, parecería que se seguiría exactamente el mismo algoritmo que en Ethernet. Esperar hasta que el enlace esté libre antes de transmitir y realizar back off si ocurre una colisión. El problema es mas complicado en una red inalámbrica debido a que no todos los nodos están al alcance unos de otros. Para la figura, se asume que cada uno de los cuatro nodos puede enviar y recibir señales solo a los nodos inmediatos a su derecha e izquierda. B puede intercambiar tramas con A y C, pero no alcanza a D. C puede intercambiar tramas con B y D, pero no alcanza a A. 42

22 MAC: Evitando colisiones Problema de los nodos escondidos (hidden nodes) Suponiendo que A y C desean comunicarse con B, cada uno envía una trama. A y C no están concientes uno del otro por que sus señales no tienen ese alcance. Las dos tramas colisionan en B Pero ni A ni C saben de esta colisión. Problema de los nodos expuestos (exposed nodes) Suponiendo que B envía tramas a A. C está conciente de la transmisión por que escucha a B. Sería un error que C concluya que no puede transmitir a nadie solo porque escucha la transmisión de B. Suponiendo que C quiere transmitir a D, esto no sería un problema ya que la transmisión de C no interfiere con la habilidad de A en recibir la señal de B. A B C D 43 MAC: Evitando colisiones soluciona este problema con un algoritmo llamado MACA (Multiple Access Collision Avoidance). La idea es que el transmisor y el receptor intercambien tramas de control antes que el transmisor envié algún dato. Este intercambio indica a los nodos cercanos que va a iniciarse una transmisión. El escenario bajo análisis corresponde a una red ad hoc. 44

23 RTS (Request To Send) MAC: Evitando colisiones El transmisor envía una trama RTS al receptor. La trama RTS incluye un campo que indica cuanto tiempo el transmisor desea controlar el medio ( o especifica la longitud de la trama de datos a transmitir). A este tiempo se le considera como información de reservación. Quienes escuchan la trama almacenan localmente este valor en un vector de asignación de red o NAV (Network Allocation Vector), que se maneja como un temporizador decreciente. CTS (Clear To Send) ACK El receptor responde con una trama CTS. La trama CTS incluye también el tiempo que tomará la transmisión de la trama de datos. Cualquier nodo que ve la trama CTS sabe que está cerca del receptor y que no puede transmitir por el tiempo necesario para enviar la trama del tamaño especificado. Es decir, si al sensar el canal o chequear el NAV, el canal está ocupado, entonces no se transmite. El receptor envía un ACK al transmisor luego de recibir la trama de datos exitosamente. Todos los nodos deben esperar por este ACK antes de intentar transmitir. Si el transmisor no recibe el ACK, dentro de un periodo de tiempo preestablecido, retransmite la trama. La trama fue dañada, o el ACK fue dañado. 45 MAC: Evitando colisiones IFS (InterFrame Space): retardo. DIFS, SIFS también son retardos. 46

24 MAC: Evitando colisiones Cualquier nodo que vea la trama RTS pero no la trama CTS no está lo suficientemente cerca al receptor para interferir y por lo tanto puede transmitir. Si dos o mas nodos detectan un enlace libre y tratan de transmitir una trama RTS al mismo tiempo, sus tramas RTS colisionarán no soporta detección de colisiones, pero quienes enviaron las tramas RTS sabrán que ocurrió una colisión si no reciben una trama CTS, después de un periodo de tiempo. Se espera un tiempo aleatorio en cada nodo antes de intentar nuevamente. 47 Con un AP MAC: Evitando colisiones 48