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, M. Gast, Wireless Networks, O Reilly, Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE Capa física Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 Capa física 7 Capa enlace de datos Revisión n de IEEE 802 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) Revisión n de IEEE 802 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) Revisión n de IEEE 802 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) Revisión n de IEEE 802 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) Revisión n de IEEE 802 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) Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 La figura ilustra la relación entre las diferentes capas. 14

8 Revisión n de IEEE 802 PDU=Datos de control de un protocolo + los datos transportados (SDU) 15 Formato de la trama MAC Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 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 Revisión n de IEEE 802 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

25 IEEE MAC La capa MAC IEEE cubre tres áreas funcionales. Entrega confiable de datos (Reliable data delivery) Control de Acceso Seguridad 49 Entrega confiable de datos IEEE MAC Una WLAN está sujeta a ruido, interferencia, y otros efectos de propagación que pueden resultar en un número significativo de tramas perdidas. A pesar de tener códigos correctores de error habrán tramas con error. Se podría delegar a mecanismos de confiabilidad de las capas superiores. Temporizadores usados para retransmisión en capas superiores pueden estar en el orden de segundos. Es mas eficiente manejar los errores en la capa MAC. Cuando una estación recibe una trama de datos, retorna un ACK al origen. Este intercambio se toma como una unidad atómica, que no debe ser interrumpida por una transmisión de otra estación. Si el origen no recibe el ACK en un intervalo de tiempo establecido, retransmite la trama. Su trama de datos fue dañada. El ACK fue dañado. Para mejorar la confiabilidad, se utiliza el protocolo basado en el intercambio de 4 tramas (explicado anteriormente). Para disminuir la probabilidad de colisiones, producto de que dos nodos no puedan escucharse, a mas de sensar el canal físicamente, el estándar implementa un mecanismo de sensado virtual de portadora (usando los tiempos del NAV) basado en: RTS, CTS, DATOS, ACK. 50

26 Control de acceso al medio Protocolo de acceso distribuido IEEE MAC Distribuye la decisión de transmitir a todos los nodos. Como en Ethernet. Usando un mecanismo de detección de portadora. Útil en redes ad hoc. Útil para configuraciones en donde se tiene tráfico principalmente de tipo ráfaga. Protocolo de acceso centralizado Un ente central toma la decisión. Útil cuando se tiene un número de estaciones y un punto que hace las veces de estación base y se conecta a una LAN alámbrica. Especialmente eficaz si parte de los datos son de alta prioridad o sensibles al retardo. La MAC de IEEE se denomina DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) Provee un mecanismo de control de acceso distribuido con un control centralizado opcional, construido sobre el distribuido. La capa MAC consta de dos subcapas: PCF y DCF. 51 IEEE MAC 52

27 Control de acceso al medio DCF (Distributed Coordination Function) IEEE MAC Utiliza un algoritmo de contención CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) Si una estación desea transmitir (solución inicial básica): Escucha el medio Si el medio está libre puede transmitir Si el medio no está libre debe esperar a que la transmisión en curso termine Una combinación de mecanismos de sensado físico y virtual permite determinar si el medio está libre u ocupado. El resultado del sensado físico es enviado a la MAC. No incluye una función para detección de colisiones. El rango dinámico de las señales en el medio es muy grande y una estación no puede distinguir señales débiles del ruido, y los efectos causados por su propia transmisión. Para la adecuada operación del algoritmo se utiliza un conjunto de retardos que configuran un esquema de prioridades. IFS (InterFrame Space): retardo. Existen tres tipos de IFS. Se explica el algoritmo considerando primero un solo tipo de IFS. 53 IEEE MAC 54

28 Control de acceso al medio IEEE MAC DCF (Distributed Coordination Function) 1. Una estación que desea transmitir sensa el medio. Si el medio está libre, espera un periodo igual IFS para ver si el medio sigue libre. Si es así, la estación transmite inmediatamente. 2. Si el medio está ocupado (ya sea porque inicialmente la estación encontró al medio ocupado o porque el medio es ocupado durante el periodo IFS), la estación difiere la transmisión y continua monitoreando el medio hasta que la transmisión en marcha concluya. 3. Cuando la transmisión concluye, la estación espera otro IFS. Si el medio continua libre, la estación espera un tiempo extra (backoff time) determinado de forma aleatoria. Al final de este tiempo, sensa el medio nuevamente (esto no se aprecia en la figura); si el medio está aún libre, la estación puede transmitir. Si durante el tiempo extra (backoff), el medio es ocupado, el marcador del tiempo extra (backoff) es detenido, y continuará su cuenta cuando el medio sea liberado. 4. Si la transmisión fracasa, determinado por la ausencia de un ACK, se asume que ha ocurrido una colisión. 55 Control de acceso al medio IEEE MAC BackOff Time= Random( )*SlotTime Comparar con la figura anterior que explica la lógica 56

29 Control de acceso al medio IEEE MAC Para garantizar estabilidad en el backoff se utiliza la técnica binary exponential backoff. Una estación intentará transmitir repetidamente frente a repetidas colisiones. Después de cada colisión, se duplica el valor medio del retardo aleatorio (hasta que se alcanza algún máximo). Binary exponential backoff ayuda a manejar condiciones de alto tráfico. Repetidos intentos fallidos resultan en tiempos cada vez mayores de backoff. 57 Control de acceso al medio IEEE MAC DCF (Distributed Coordination Function) Se refina el esquema presentado para ofrecer acceso basado en prioridades usando 3 IFS: SIFS (short IFS): El IF mas pequeño. Se usa para acciones de respuesta inmediata. PIFS (Point coordination function IFS) IFS de duración intermedia. Utilizado por el controlador centralizado en el esquema PCF para emitir polls. DIFS (Distributed coordination function IFS) El IFS de mayor duración. Se utiliza como un retardo mínimo cuando se compite por el acceso para tramas asincrónicas. Para tráfico normal (ordinario) asincrónico. 58

30 Control de acceso al medio DCF / SIFS IEEE MAC Una estación que utilice SIFS para determinar la oportunidad para transmitir tiene la prioridad mas alta. Siempre ganarán acceso respecto a otras estaciones que usen PIFS o DIFS. Uso de SIFS con ACKs Cuando una estación recibe una trama direccionada de forma exclusiva para ella (no multicast ni broadcast), responde con un ACK luego de esperar solo un SIFS. Provee un método eficiente para recuperarse de colisiones (si no recibo ACK hubo colisión de la trama enviada o se dañó la trama del ACK), y se debe considerar que la probabilidad de colisiones es mas alta por que no se usa CSMA-CD. Para entregar de forma eficiente PDUs LLC que requieren varias tramas. Se envía de trama en trama. Por cada trama el receptor envía un ACK esperando solo SIFS. Cuando el origen de las tramas recibe ACK, envía la siguiente esperando solo SIFS. Resultado neto es que una vez que la estación obtiene el acceso, mantiene el control del canal hasta que envíe todos los fragmentos de su PDU LLC. Uso de SIFS con CTS Luego de recibir un RTS, una estación emite un CTS si está lista a recibir. Uso de SIFS en respuesta a polls (consultas). Se discute al hablar de PCF. 59 Control de acceso al medio IEEE MAC PCF (Point Coordination Function) /basado en prioridad Provee transferencia de tramas sin contención (Contention Free, CF). No se compite por el medio, el coordinador coordina el acceso. Se usa para transferencia de información para aplicaciones en las cuales el tiempo (retardos) es crítico. Se bloquea al tráfico asincrónico. Es opcional Se pueden tener las dos opciones en operación simultáneamente: DCF y PCF. Existe un periodo denominado Contention-free period durante el cual se utiliza esta modalidad (mas sobre el gráfico al hablar de Superframe). 60

31 Control de acceso al medio PCF (Point Coordination Function) IEEE MAC El Coordinador de Punto reside en el AP pata controlar la transmisión de tramas desde las estaciones. Todas las estaciones obedecen al Coordinador de Punto seteando su NAV al inicio de cada periodo libre de contención. Al inicio del periodo libre de contención, el coordinador de punto tiene la oportunidad de obtener el control del medio y mantener dicho control durante el periodo en mención. El coordinador de punto utiliza PIFS para acceder al medio. Espera menos que estaciones que operan bajo DCF (Distributed Coordination Function). Si el medio está libre luego de PIFS, el coordinador de punto envía una trama de beacon que incluye el elemento CF Parameter Set (duración máxima). Este valor indica la duración del periodo libre de contención. Cuando las estaciones reciben el beacon, todas cambian su valor de NAV a lo indicado en CF Parameter Set, lo que previene que las estaciones tomen control del medio hasta que se termine el periodo libre de contención. 61 Control de acceso al medio PCF (Point Coordination Function) IEEE MAC Luego de enviar la trama de beacon, el Coordinador de Punto transmite una de las siguientes tramas, después de esperar al menos un SIFS. CF Poll Frame (Trama de consulta CF) El Coordinador de Punto envía esta trama a una estación particular, asignando a la estación el permiso de transmitir una sola trama a cualquier destino. Si la estación a la que se le hizo el poll no tiene tramas que transmitir, debe enviar una trama de datos NULL. Si la estación que transmite no recibe ACK (del AP), no puede retransmitir la trama a menos que el Coordinador de Punto le haga un poll otra vez. Data Frame Desde el Coordinador de Punto del AP a una estación particular. Si el Coordinador de Punto no recibe una trama ACK de la estación receptora, el Coordinador de Punto puede retransmitir la trama durante le periodo libre de contención después de PIFS. 62

32 Control de acceso al medio PCF (Point Coordination Function) IEEE MAC Data + CF Poll Frame El Coordinador de Punto envía una trama de dato y realiza un poll al mismo tiempo para que envíe una trama libre de contención. Forma de piggybacking para reducir sobrecarga en la red. CF End Frame Indica el fin del periodo libre de contención. Si el tiempo restante de CF expira. Si el Coordinador de Punto no tiene tramas que transmitir o estaciones a la que enviar polls. 63 Control de acceso al medio PCF (Point Coordination Function) IEEE MAC Las estaciones tienen una opción de ser pollable (sujetas a recibir polls). Usando la trama de pedido de asociación. Se puede cambiar el valor usando una trama de pedido de reasociación. El Coordinador de Punto mantiene una lista de las estaciones que pueden recibir polls durante el periodo libre de contención. Por defecto, las estaciones que cumplen operan usando DCF. Como una opción, se pueden inicializar las estaciones para que utilicen PCF. En la mayoría de casos DCF será suficiente. Considera PCF si se requiere transmitir información crítica (limitada por el tiempo) como audio y video. PCF impone mayor sobrecarga en la red debido a la transmisión de tramas para el polling. 64

33 Control de acceso al medio PCF/ Superframe IEEE MAC Se utiliza PIFS cuando se emiten los polls. Como PIFS<DIFS, el maestro aprovecha el medio y bloquea al tráfico asincrónico mientras emite los polls y recibe las respuestas. Puede llegar a bloquear totalmente el tráfico asincrónico lo que debe prevenirse. Se usa un intervalo de tiempo conocido como superframe. Considerar la situación en la que la WLAN se configura así: El maestro controla un número de estaciones con tráfico sensible a los retardos. El resto del tráfico pelea (contends) por el medio con CSMA. El coordinador emite polls utilizando un esquema round robin a las estaciones configuradas para polling. La estación que recibe el poll, contesta usando SIFS. Si el coordinador recibe la respuesta, emite otro poll usando PIFS. Si el coordinador no recibe respuesta durante el tiempo establecido, emite otro poll. 65 Control de acceso al medio PCF/ Superframe IEEE MAC Durante la primera parte del intervalo, el coordinador emite los polls usando un esquema round robin a todas las estaciones configuradas para polling. Recordar que esto es opcional. La duración de esta etapa es variable debido a que el tamaño de las respuestas es variable. El coordinador descansa el tiempo restante del superframe, permitiendo un periodo de contención para acceso asincrónico. Al final del superframe, el coordinador busca el control del medio usando PIFS. Si el medio está libre, el coordinador gana acceso inmediato y se inicia un nuevo periodo completo superframe. Si el medio está ocupado, el coordinador debe esperar a que el medio esté libre. Se tiene entonces un tiempo reducido para el superframe para el siguiente ciclo. 66

34 Control de acceso al medio PCF/ Superframe IEEE MAC 67 IEEE MAC Management 68

35 Sincronización IEEE MAC Management Encontrar y permanecer en WLAN. Funciones de sincronización. Temporizador TSF (Timing Synchronization Function), Generación de Beacon. Administración de potencia Modo de Dormir sin perder ningún mensaje. Funciones de Administración de Potencia. Buffering de tramas, TIM (Traffic Indication Map). Asociación y Reasociación Asociarse a una red Roaming Scanning Management Information Base (MIB) 69 IEEE MAC Management Timing Synchronization Function (TSF) Se usa para la Administración de Potencia. Beacons enviados a intervalos preestablecidos y bien conocidos. Todos los temporizadores (timers) de las estaciones en un BSS están sincronizados. Todas las estaciones mantienen timers locales. Se usa para Temporización de Point Coordination. Temporizador TSF se usa para predecir el inicio del periodo libre de contención. Se usa para temporizar los saltos de frecuencia en FH (Frequency Hopping). Todas las estaciones están sincronizadas para que salten al mismo tiempo. Control de la temporización. Los APs controlan la temporización en redes de infraestructura. Es una función distribuida en un IBSS. 70

36 IEEE MAC Management Timing Synchronization Function (TSF) Beacons Se usan para transportar Temporización. No se requiere escuchar a todos los beacons para permanecer sincronizado. Se emiten en instantes planificados (beacon interval). Los APs envían los beacons en las redes de infraestructura. Contienen: Timestamps para todo el BSS. Un Timestamp se usa (en el receptor) para calibrar el reloj local. Un Timestamp tiene el valor del timer (del transmisor) en el instante de transmitir y no el tiempo en el que se planificó. Otra información de administración. Para Administración de Potencia. Para Roaming. 71 IEEE MAC Management Timing Synchronization Function (TSF) Beacons Transmisión del beacon puede retrasarse por uso del canal. Las transmisiones posteriores se envían en los instantes en los que se planificó, considerando el beacon interval. No se considera como referencia el momento en el que se transmitió el último beacon. 72

37 Administración de potencia IEEE MAC Management Fundamental para disponer de movilidad. Se tiene el Protocolo de Administración de Potencia Permite que el transceiver esté off el mayor tiempo posible. Es transparente a los protocolos existentes. Se soporta con el uso de APs. Los APs conocen que estaciones están en power-save mode. Los APs ponen en buffers los paquetes direccionados a estaciones en power-save mode. Los APs envían estos paquetes a las estaciones respectivas cuando éstas retornan a modo activo o cuando las estaciones lo solicitan (con una trama power-save poll ). Los APs saben que una estación ha despertado cuando la estación lo indica cambiando el valor de un bit en el campo de control de la trama MAC. Una estación conoce que tiene tramas almacenadas en el AP, escuchando (despertándose periódicamente) a las señales de beacon enviadas (periódicamente) por el AP. TSF timer sigue corriendo (en las estaciones) cuando las estaciones están durmiendo. Las señales de beacon contienen una lista (TIM, Traffic Indication Map) de estaciones que tienen tramas almacenadas en el AP. Algunas referencias mencionan que se tiene un mecanismo similar pero distribuido para IBSSs. 73 IEEE MAC Management Administración de potencia Tramas de broadcast/multicast también se ubican en buffers en un AP. Estas tramas se envían solo después de DTIM (Delivery Traffic Indication Map ). El intervalo DTIM es un múltiplo del intervalo TIM. Las estaciones se despiertan previo a un TIM/DTIM planificado. Si en el TIM se indica que se han almacenado tramas: La estación envía un PS-Poll (power save poll) y permanece despierta para recibir los datos. Caso contrario la estación va a dormir nuevamente. 74

38 IEEE MAC Management 75 IEEE MAC Management 76

39 IEEE MAC Management Roaming La estación decide que el enlace al AP actual es pobre. La estación utiliza la función de scanning para encontrar otro AP. O puede usar información de scannings previos. La estación envía peticiones de reasociación (Reassociation Request) al nuevo AP. Si la respuesta (Reassociation Response) al pedido de reasociación es exitoso: La estación ha migrado (roamed) al nuevo AP. Si la respuesta no es afirmativa la estación realiza otro proceso de scanning. Un AP que ha aceptado un pedido de reasociación: Informa sobre la reasociación al DS. La información del DS se actualiza. El AP original es notificado a través del DS. 77 Scanning IEEE MAC Management Requerido para múltiples funciones. Encontrar y unirse a una red. Encontrar un nuevo AP mientras una estación está roaming. Inicializar un IBSS (red ad hoc). La MAC utiliza un mecanismo común para todas las opciones de capa física. Scanning en un solo canal o multicanal. Scanning pasivo o activo. Scanning Pasivo Encontrar redes simplemente escuchando los beacons. Scanning Activo En cada canal: Se envía una sonda de prueba (probe) y se espera por la respuesta. Probe, Probe Response. La respuesta al Probe o la señal de beacon tiene la información necesaria para unirse a la red. 78

40 IEEE MAC Management 79 IEEE MAC Management 80

41 IEEE MAC Management 81 Trama MAC IEEE En esta sección se presentan formatos de trama para cuando no se usa seguridad. Campos: No se usan en todos los casos los cuatro campos de direcciones. Frame control Indica el tipo de trama y provee información de control (se explica luego). 82

42 Campos de la trama: Trama MAC IEEE Duration /connection ID Duración (bit 15=0): Indica el tiempo (en microsegundos) que el canal será destinado a transmitir la trama. Todas las estaciones deben monitorear los headers de todas las tramasque reciben y actualizar su NAV. 83 Campos de la trama: Trama MAC IEEE Duration /connection ID Identificador de Conexión (o identificador de asociación, AID) Para tramas de control Power-save poll frames. Se usan 14 bits para enviar los bits menos significativos de la identidad de asociación de la estación (AID, Association ID). AID indica a cual BSS pertenece la estación. Una estación se despierta para solicitar a un AP que envíe las tramas almacenadas para esa estación operando en power-save mode. Tramas transmitidas durante el periodo libre de contención Bit 14=0, Bit 15=1, y todos los demás son 0. El valor es entonces Se interpreta como un NAV con un gran valor. Para las estaciones que no recibieron las tramas de beacon anunciando el inicio del periodo CF, para que no interfieran con transmisiones CF. 84

43 Campos de la trama: Trama MAC IEEE Sequence Control (para defragmentación y descartar tramas duplicadas) 4 bits para indicar el número de fragmento usado en fragmentación y reensamblado. 12 bits para número de secuencia usado para numerar las tramas. Cada fragmento de un MSDU específico tendrá el mismo número de secuencia. El número de secuencia opera como un contador módulo Cuando se retransmite una trama, no se cambia el número de secuencia. Cuando se recibe una trama, una estación puede filtrar tramas duplicadas monitoreando los números de secuencia y de fragmentos. La estación conoce si la trama está duplicada si los números de secuencia y fragmento son iguales a los de la trama última recibida (la inmediatamente anterior), o si el bit de Retry es 1 (bit que es parte del campo de control). 85 Campos de la trama: Sequence Control Trama MAC IEEE La duplicación de tramas puede ocurrir cuando: Una estación recibe una trama sin errores y envía el ACK necesario. Ocurren errores de transmisión que destruyen la trama ACK en camino. Al no recibir el ACK en un periodo de tiempo especificado, la estación transmisora retransmite la trama. La estación destino envía un ACK de la trama retransmitida a pesar que la trama se descartó por filtrado de tramas duplicadas. 86

44 Campos de la trama: Frame body Trama MAC IEEE Contiene un MSDU o un fragmento de un MSDU. El MSDU puede ser un PDU de LLC o información de control de la MAC. La MAC cumple también la función de segmentación y reensamblaje de tramas. Para funcionar con las Ethernet tradicionales, no tiene sentido utilizar una WLAN que no sea capaz de manejar tramas de hasta 1518 bytes. Por otro lado, el medio físico de una WLAN es bastante propenso a errores, resulta conveniente manejar tramas más pequeñas para disminuir el efecto de las sucesivas retransmisiones. Por esta razón, el comité llegó a un compromiso, implementando segmentación de la carga útil de una trama de nivel de enlace, en varios fragmentos mas pequeños. Cada fragmento tiene un encabezado de capa 2 y debe ser confirmado positivamente para poder enviar el siguiente fragmento. En el receptor se lleva a cabo la función inversa y se vuelven a ensamblar los datos. El tamaño de esta campo de datos máximo es de 2304 bytes, pero las implementaciones deben soportar 2312 para acomodar el overhead de WEP. 87 Campos de la trama: CRC (FCS) Trama MAC IEEE CRC de 32 bits. Si se detecta error se descarta y se espera por retransmisión automática. No se envía ACK. Si no se detectan errores se debe enviar ACK. Diferente a lo que ocurre en Ethernet. 88

45 Campos del campo Frame Control Protocol Version Trama MAC IEEE Versión de la MAC se utiliza en la trama (actualmente se coloca 00). Otros valores cuando cambios sean estandarizados y sean incompatibles con la especificación original. Type (Tipo de la trama) Control (01) Administración (00) Datos (10) Reservado (11) 89 Campos del campo Frame Control Subtype ToDS FromDS Trama MAC IEEE Identifica la función de la trama. Combinaciones posibles se presentan luego en una tabla. 1 si se desea que la trama se reenvíe usando un AP hacia el DS. 1 si la trama viene del DS. More Fragments Retry 1 si mas fragmentos del mismo MSDU seguirán a esta trama. Esta y todos los fragmentos vienen con el valor 1, excepto el fragmento final. 0 para otras tramas. 1 si es una retransmisión de una trama previa. (Por ejemplo se perdió un ACK). Ayuda a eliminar tramas duplicadas. 90

46 Campos del campo Frame Control Power Management Trama MAC IEEE Indica el modo de administración de potencia en el que la estación que envía la trama estará luego del intercambio actual (de tramas). 1 si la estación que transmite estará en sleep mode (power-save mode). 0 si la estación que transmite estará en full active mode. Siempre 0 para tramas trasmitidas por un AP. More data Indica a la estación receptora que tiene mas datos que enviar y que esté lista para recibirlos. 1 (seteado por un AP) si AP tiene tramas adicionales que enviar a una estación que está en Power Save Mode. 0 para otros casos. 91 Campos del campo Frame Control Trama MAC IEEE WEP 1 si se utilizan WEP (indicar que el campo de datos está encriptado) o WPA. WEP (Wired Equivalent Privacy) WEP es un conjunto de rutinas de encripción. WAP (WiFi Protected Access) nuevo mecanismo de seguridad. Order 1 en cualquier trama que utilice el servicio Strictly Ordered que indica a la estación receptora que las tramas deben procesarse en orden estricto. Indica que un protocolo de las capas superiores requiere este servicio. 92

47 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE Basic Service Set Identification (BSSID) Un ID de 48 bits que identifica a cada una de los BSSs en una red. Se conoce como network ID distingue un BSS particular de otros. La principal ventaja de emplearlo es el filtrado. Distintas redes pueden sobrelaparse físicamente, pero una red no tiene porque recibir broadcasts de capa enlace de la otra. En un IBSS, el SSID es un número aleatorio generado el momento en el que se forma la red. Para un BSS de infraestructura, el BSSID es la dirección MAC de la interfaz inalámbrica del AP que está estructurando el BSS. Un BSSID con todos los bits en 1 es un broadcast BSSID. Las tramas que lo usan no son filtradas. Se usan para el envío e probes. 93 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE establece una distinción entre fuente y transmisor (source y transmitter) y entre destino y receptor (destination and receiver). En la trama: Address1 indica el receptor (receiver) de la trama. Address2 indica el transmisor (transmitter) de la trama. 94

48 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE Para redes de infraestructura, para el caso de tramas dirigidas a un destino en el DS: El cliente es a la vez fuente y transmisor (SA/TA, Source Address/Transmitter Address). El receptor de la trama radiada es el AP (RA, Receiver Address y usa el BSSID). El AP es solo un destino intermedio. El AP lo retransmite al DS para que llegue al Servidor. El destino final es el servidor (DA, Destination Address). Para el caso en estudio: ToDS=1 y FromDS=0 Tramas dirigidas a un destino en el DS //ToDS=1. Address1 (receiver)= BSSID //el AP Address2 (transmitter)=sa //el cliente Address3 =DA //el servidor Address4 = NA //no se utiliza 95 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE Para redes de infraestructura, para el caso de tramas de datos dirigidas desde el servidor (desde el DS) al cliente: Las tramas son creadas por el servidor, y la dirección de la fuente (SA) es la MAC del servidor. Cuando el AP transmite, usa su MAC inalámbrica como dirección del transmisor (TA=BSSID). El cliente es a la vez receptor y destino final (DA/RA). Para el caso en estudio: ToDS=0 y FromDS=1 Tramas dirigidas a un destino desde el DS //FromDS=1. Address1 (receiver)= DA //el cliente Address2 (transmitter)= BSSID //el AP Address3 =SA //el servidor Address4 = NA //no se utiliza 96

49 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE Uso de los campos de dirección para el caso de un sistema de distribución inalámbrico (WDS, Wireless Distribution System), denominado muchas veces como wireless bridge : En la figura, dos redes alámbricas están unidas mediante APs trabajando como bridges inalámbricos. Las direcciones fuente y destino siguen siendo las direcciones del cliente y servidor. Las tramas deben identificar el transmisor y el receptor en el medio inalámbrico. Tramas que salen del cliente al servidor, el transmisor es el AP del lado del cliente, y el receptor es el AP del lado del servidor. Separando la fuente del transmisor permite que el AP del lado del servidor envíe los ACKs a su AP par sin interferir con la capa de enlace de la red alámbrica. 97 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE Uso de los campos de dirección para el caso de un WDS. Para el caso en estudio: ToDS=1 y FromDS=1 Address1 (receiver)=ra //el AP del lado del servidor Address2 (transmitter)=ta //el AP del lado del cliente Address3 =DA //el servidor Address4 = SA //el cliente 98

50 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE En un IBSS: En el caso de un IBSS, no se utilizan AP y no se tiene un DS presente. El transmisor es la fuente y el receptor es el destino. Todas las tramas llevan el BSSID para que las estaciones chequeen las tramas de broadcast y multicast, y las filtren si es del caso. Para el caso de en IBSS: ToDS=0 y FromDS=0 Address1 (receiver)=da Address2 (transmitter)=sa Address3 =BSSID Address4 = No se usa 99 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE Resumen del uso de los campos de dirección para el caso de TRAMAS DE DATOS 100

51 Campos de la trama: Addresses Trama MAC IEEE Las tramas de administración y control se transmiten siempre con ToDS=0 y FromDS=0 El caso de las tramas de datos, ya sean en un IBSS o en un BSS de infraestructura, se explicó anteriormente. 101 Tramas de administración Trama MAC IEEE