Índice 1. Introducción 2. Control de acceso al medio (MAC) 3. Redes de la familia Ethernet 4. Redes basadas en token 5. Redes inalámbricas ([STA04] Capítulo 17) 5.1. Introducción a las WLAN 5.2. El estándar 802.11 5.3. Capas físicas de 802.11 5.4. Control de acceso al medio en 802.11 6. VLAN 7. Control de enlace lógico (LLC) 81
5.1 Introducción a las WLAN Tipos de redes inalámbricas Red inalámbrica de área personal (Wireless PAN) Distancias de apenas unos metros y velocidad de transmisión reducida Ejemplos: IrDA, Bluetooth Red inalámbrica de área local (Wireless LAN) Distancias de varios metros y velocidad de transmisión elevada Ejemplos: Wifi (IEEE 802.11a/b/g/n) Red inalámbrica de área extensa (Wireless WAN) Distancias de varios kilómetros y velocidad de transmisión elevada Ejemplos: Wimax (IEEE 802.16) Aplicaciones típicas de las WLAN Redes inalámbricas fijas Ampliación de LANs cableadas o interconexión de LANs entre edificios Redes inalámbricas móviles Acceso nómada (movilidad) Conexión temporal de un terminal a una WLAN (por ejemplo, en un hotel) Redes ad hoc Conexión temporal de varios terminales entre sí (por ejemplo, en una reunión) 82
5.1 Introducción a las WLAN Ventajas de las WLAN Flexibilidad Las microondas permiten poder salvar obstáculos Los emisores/receptores pueden colocarse en cualquier sitio Fácil instalación Bibliotecas, hoteles, aeropuertos, edificios históricos,... Coste Ahorro en conectores, cables, mantenimiento,... Una vez que se proporciona acceso a la red a un usuario, los posteriores no incrementan su coste de instalación Desventajas de las WLAN Calidad de servicio Menor que en las redes cableadas Mayor porcentaje de error y mayor retardo que las redes cableadas Seguridad Privacidad, uso ilegítimo, interferencias,... 83
5.1 Introducción a las WLAN Dispositivos WLAN Estación (STA) Terminal con mecanismos de acceso al medio inalámbrico Punto de acceso (AP) Estación base que posibilita la comunicación inalámbrica entre dos o más STAs Arquitectura WLAN independiente Independent Basic Service Set (IBSS) Red ad-hoc entre estaciones No hace uso de APs 802.11 LAN STA 1 IBSS 1 STA 3 IBSS 2 STA 5 STA 2 STA 4 802.11 LAN 84
5.1 Introducción a las WLAN Arquitectura WLAN de infraestructura Basic Service Set (BSS) Grupo de STAs que utilizan el mismo AP Identificador (BSSID): dirección MAC del AP Extended Service Set (ESS) Grupo de BSSs conectados entre sí mediante un DS Identificador (ESSID): cadena de caracteres Sistema de distribución (DS) Red de interconexión entre los BSSs Wireless DS (WDS): red de interconexión inalámbrica entre los BSSs ESS STA 1 802.11 LAN BSS 1 Access Point BSS 2 Portal Distribution System Access Point 802.x LAN STA 2 802.11 LAN STA 3 85
5.2 El estándar 802.11 Estándar de la familia 802.11 La especificación base incluye los siguientes módulos: Capa MAC 802.11 Capa física 802.11 FHSS PHY Capa física 802.11 DSSS PHY Posteriormente se han añadido otras capas físicas: a/b/g/n Además cuenta con especificaciones adicionales acerca de seguridad (802.11i), calidad de servicio (802.11e),... 86
5.2 El estándar 802.11 Nombre Banda de Frecuencia V T Máx. V T Típica Cobertura (indoors) Cobertura (outdoors) 802.11g es compatible con 802.11b Utilizan modulación PSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM (depende de la V T ) Las coberturas pueden ampliarse: Disminuyendo la velocidad de transmisión (el ruido afecta menos) Aumentando la potencia de transmisión de la señal (emisor) Utilizando un transmisor con mayor potencia (dbm) Utilizando antenas con alta ganancia (dbi) que incrementan la potencia Aumentando la potencia de recepción de la señal (receptor) Utilizando un receptor con mayor sensitividad de recepción (dbm) Utilizando antenas con alta ganancia (dbi) que incrementan la potencia Transmisión 802.11a 5 GHz 54 Mbps 23 Mbps ~35 m ~120 m OFDM 802.11b 2,4 GHz 11Mbps 4,3Mbps ~38 m ~140 m HR/DSSS 802.11g 2,4 GHz 54 Mbps 19 Mbps ~38 m ~140 m OFDM 802.11n 2,4 GHz y 5 GHz 600 Mbps 74 Mbps ~70 m ~250 m OFDM 87
5.3 Capas físicas de 802.11 Técnicas de transmisión OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Similar a FDM Reduce las bandas de guarda (consigue juntar los canales) Uso extendido en radiofrecuencia de alta velocidad WLAN, WiMax, TDT (televisión digital terrestre) Espectro expandido o Spread Spectrum (SS) Dispersa la señal en un ancho de banda mayor del necesario Solventa problemas de intercepción e interferencias Técnicas: FHSS y DSSS 88
5.3 Capas físicas de 802.11 Frequency Hoping Spread Spectrum (FHSS) La señal de entrada se transmite sobre una serie, aparentemente aleatoria, de frecuencias distintas (canales) La amplitud de cada canal corresponde al W de la señal original La dispersión es proporcional al número de canales La transmisión cambia de canal a intervalos regulares El emisor opera en un solo canal durante un periodo determinado Los bits se transmiten usando algún esquema de codificación 89
5.3 Capas físicas de 802.11 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Cada bit de los datos de entrada se representa mediante múltiples chips en la señal transmitida La secuencia de chips, aparentemente aleatoria, dispersa la señal original en una banda de frecuencia mayor La dispersión es proporcional al número de chips por bit Combina los datos de entrada con el código de dispersión usando XOR Los bits se transmiten usando algún esquema de codificación t b user data 0 1 t c 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 XOR chipping sequence = 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 resulting signal 90
5.3 Capas físicas de 802.11 En redes inalámbricas, las colisiones se producen en el receptor pero no necesariamente en el emisor Por tanto, se intenta evitarlas usando CSMA/CA en lugar de CSMA/CD Aún así, CSMA/CA no resuelve todos los problemas: Estaciones ocultas Una estación cree que el canal está libre, pero en realidad está ocupado por otra estación a la que no puede escuchar Estaciones expuestas Una estación cree que el canal está ocupado, pero en realidad está libre pues la estación a la que escucha no interferiría en su transmisión 91
5.3 Capas físicas de 802.11 Estaciones ocultas A no puede escuchar a C y viceversa A quiere enviar a B y ve que el medio está libre C quiere enviar a B y ve que el medio está libre Se produce una colisión en B que ni A ni C pueden detectar A está oculta para C y viceversa A B C 92
5.3 Capas físicas de 802.11 Estaciones expuestas B quiere enviar a A y C quiere enviar a D B comprueba que el medio está libre y transmite C comprueba que el medio está ocupado y espera A está fuera del alcance de C luego la espera es innecesaria C está expuesta a B y viceversa A B C D 93
5.4 Control de acceso al medio 802.11 Métodos de acceso DFWMAC-DCF CSMA/CA (obligatorio) Coordinación distribuida Diferente espacio entre tramas (IFS) Intenta evitar colisiones mediante un mecanismo aleatorio de back-off Uso de tramas de ACK para las confirmaciones Diseñado para tráfico asíncrono DFWMAC-DCF con RTS/CTS (opcional) Soluciona el problema de la estación expuesta y la estación oculta DFWMAC- PCF (opcional) Coordinación centralizada controlada por el punto de acceso Una estación sólo puede enviar datos si recibe autorización para hacerlo (sondeo) y puede recibir datos sólo si se la selecciona Diseñado para aplicaciones en tiempo real 94
5.4 Control de acceso al medio 802.11 Diferentes espacios entre tramas Definen prioridades A menor espacio, mayor prioridad SIFS (Short Inter Frame Spacing) La mayor prioridad (para ACK, CTS y respuestas a sondeos) PIFS (Point Coordination Function IFS) Prioridad media (para el servicio PCF) DIFS (Distributed Coordination Function IFS) La menor prioridad (para el servicio DCF) DIFS DIFS Medio ocupado PIFS SIFS contención Próxima trama Acceso directo si el el medio está libre DIFS t 95
5.4 Control de acceso al medio 802.11 DFWMAC-DCF CSMA/CA Envío de paquetes unicast El emisor tiene que esperar un tiempo DIFS antes de enviar una trama de datos El receptor tiene que esperar SIFS antes de confirmar que recibió correctamente (comprobación CRC) la trama de datos En caso de error se retransmite automáticamente la trama La retransmisión implica reiniciar el algoritmo CSMA/CA emisor receptor otras estaciones DIFS data SIFS Tiempo de espera ACK DIFS contención data t 96
5.4 Control de acceso al medio 802.11 DFWMAC-DCF con RTS/CTS Envío de paquetes unicast El emisor puede enviar un RTS anunciando un tiempo de reserva después de esperar durante DIFS El receptor envía una confirmación al emisor mediante un CTS tras esperar durante SIFS El emisor envía los datos y éstos son confirmados mediante un ACK Las otras estaciones anotan el tiempo de reserva de los RTS y CTS emisor receptor DIFS RTS SIFS CTS SIFS data SIFS ACK otras estaciones NAV (RTS) NAV (CTS) acceso diferido DIFS contención data t 97
Índice 1. Introducción 2. Control de acceso al medio (MAC) 3. Redes de la familia Ethernet 4. Redes basadas en token 5. Redes inalámbricas 6. VLAN ([TAN03] Capítulo 4.7.6) 7. Control de enlace lógico (LLC) 98
6.3 VLAN 1998. IEEE 802.1Q. VLAN (Virtual LAN) División de una LAN en diferentes dominios de broadcast (VLANs) La división es lógica, no física Conmutadores VLAN definen qué estaciones pertenecen a cada VLAN En la práctica, cada VLAN identifica a un subred IP diferente Los routers se utilizan para comunicar las VLANs entre sí La configuración de las VLANs es manual, es decir, los administradores de la red establecen los equipos que pertenecen a cada VLAN 99
6.3 VLAN Ventajas de las VLAN Rendimiento: Reducen el envío de tráfico broadcast a destinos innecesarios Las VLAN con más tráfico broadcast no saturan al resto Grupos de trabajo virtuales: VLAN constituida por distintas estaciones independientemente de su situación física dentro de la LAN de una organización Los usuarios/recursos pueden ubicarse donde más convenga Simplificación de administración: El cambio de ubicación física de los usuarios no implica la reconfiguración de los routers Coste: Reduce el número de routers necesarios Seguridad: Se impide el acceso al tráfico broadcast de otras VLAN 100
6.3 VLAN Topología VLAN Dos tipos de enlaces en función del soporte VLAN (802.1Q) Enlace en modo trunk: Todos los dispositivos de un enlace trunk tienen soporte VLAN Tramas etiquetas (tagged frames): cabecera especial que incluye un identificador de VLAN Enlace en modo access: Dispositivos sin soporte VLAN Tramas sin etiquetar (legacy frames) 101
6.3 VLAN Tipos de VLAN VLAN de Nivel 1: Pertenencia por puerto físico de entrada al conmutador Desventaja: no permite la movilidad de los usuarios VLAN de Nivel 2: Pertenencia por dirección MAC de la estación Desventaja: el registro de MACs es una tarea compleja VLAN de Nivel 2 : Pertenencia por el tipo de protocolo de nivel 3 VLAN de niveles superiores: Pertenencia por dirección de nivel 3 (dirección IP) Pertenencia por puerto o servicio de nivel de transporte El estándar IEEE 802.1Q define sólo las de Nivel 1 y 2 102
6.3 VLAN Procesamiento de tramas en un conmutador VLAN El conmutador determina la VLAN de tramas entrantes: Etiquetado explícito: el identificador está en la propia trama Etiquetado implícito: obtenido a partir de una tabla interna Entradas estáticas: Gestionadas por el administrador de la red Entradas dinámicas: Aprendizaje mediante análisis de las tramas entrantes Anotación de la dirección fuente, VLAN y puerto En función del tipo de enlace de salida, el conmutador etiquetará las tramas (modo trunk) o no (modo access) 103
6.3 VLAN Tramas etiquetadas (IEEE 802.1Q) Ampliación del formato de trama Ethernet: TPID (Tag Protocol ID): ID del protocolo VLAN (0x8100) Priority de 3 bits: prioridad de la trama CFI (Canonical Format Indicator) de 1 bit: encaminamiento de la trama VID (VLAN Identifier) de 12 bits: identificador de VLAN 104
6.3 VLAN Ejemplo: Dos conmutadores VLAN conectados entre sí Station 1, Station 2 y Router con soporte VLAN LAN 1 y LAN 2 con estaciones sin soporte VLAN Distribución: VLAN A: Router, Station 1 y LAN 2 VLAN B: Router, Station 2 y LAN 2 El router permite la conexión entre ambas VLAN 105
6.3 VLAN Problema 6. Un router con soporte VLAN tiene 4 interfaces de red: eth0 (133.25.1.1) y eth1 (200.30.1.2) corresponden a enlaces en modo access, mientras que eth2 (195.16.16.33) y eth3 (195.16.16.65) corresponden a enlaces en modo trunk (VLANs 1 y 2, respectivamente). Dada su tabla de encaminamiento, dibuja un esquema de la red en la cual se encuentra el router. Destino Gateway Máscara Interfaz 133.25.0.0 * 255.255.0.0 eth0 200.30.1.0 * 255.255.255.0 eth1 195.16.16.32 * 255.255.255.224 eth2 195.16.16.64 * 255.255.255.224 eth3 87.0.0.0 133.25.2.1 255.0.0.0 eth0 default 200.30.1.1 0.0.0.0 eth1 106
Índice 1. Introducción 2. Control de acceso al medio (MAC) 3. Redes de la familia Ethernet 4. Redes basadas en token 5. Redes inalámbricas 6. VLAN 7. Control de enlace lógico (LLC) ([HAL98] Capítulo 5.3.6) 107
Control de enlace lógico IEEE 802.2. LLC Define la subcapa que opera sobre la subcapa MAC Protocolo de nivel de enlace creado a partir de HDLC Delimitación de tramas y control de errores (CRC) realizado por la subcapa MAC La subcapa LLC proporciona tres tipos de servicios a la capa de red: Tipo 1: sin conexión no confirmado (Ethernet) Tipo 2: orientado a la conexión Tipo 3: sin conexión pero con asentimientos Todas las estaciones deben implementar el Tipo 1 108
Control de enlace lógico Formato trama LLC DSAP: punto de acceso al servicio LLC en destino SSAP: punto de acceso al servicio LLC en origen Control (tramas I, S y U de HDLC) 109
Control de enlace lógico Tipos de tramas LLC Código Formato Orden Respuesta LLC1 LLC2 LLC3 Descripción I I X X X Trama de datos RR S X X X Receptor preparado RNR S X X X Receptor no preparado REJ S X X X Rechazo simple (vuelta trás N) UI U X X Información no numerada XID U X X X Intercambio ID TEST U X X X Test SABME U X X Establecimiento de modo asíncrono balanceado extendido (módulo 128) DISC U X X Petición de desconexión UA U X X Reconocimiento no numerado DM U X X Establecimiento de modo de desconexión FRMR U X X Rechazo de trama AC0 X Trama de datos + ACK 0 AC1 X Trama de datos + ACK 1 110
Control de enlace lógico Formato de la trama Ethernet Longitud < 1536 (IEEE 802.3) Nº de bytes presentes en el campo de datos (entre 0 y 1500) Trama LLC Extensión SNAP (Sub-Network Access Protocol) DSAP=SSAP=0xAA y Control=0x03 (UI) Org. Code = 0 EtherType: Paquete IP (0x0800) Paquete ARP (0x0806) Paquete RARP (0x0835) +-----------+------+--------+--------+-----------+---------------+------+ Preámbulo SFD Dst Src Longitud Trama LLC CRC +-----------+------+--------+--------+-----------+---------------+------+ <---- 7 ----><- 1 -><-- 6 --><-- 6 --><--- 2 ---><--- 46-1500 ---><- 4 -> 111
Control de enlace lógico Interfaz del protocolo: LLC Tipo 1(a1), 2(b) y 3(a2) 112
Control de enlace lógico Interfaz del protocolo: MAC a) Envío con éxito b) Recepción con éxito 113
Resumen Arquitectura IEEE Subcapas MAC y LLC Control de acceso al medio Aloha, CSMA, CSMA/CD y CSMA/CA Paso de token Tecnologías LAN Basadas en CSMA/CD (familia Ethernet) Basadas en paso de token (Token Ring y FDDI) Basadas en CSMA/CA (redes inalámbricas) Dispositivos de interconexión Dominio de colisión y dominio de broadcast VLAN 114
Anexo I: Formato de la trama Ethernet Ethernet II / 802.3 with 802.1Q (VLAN) +---------+---------+---------+------------+----------- Dst Src VLANTag Type/Lenth Data... +---------+---------+---------+------------+----------- <-- 6 --> <-- 6 --> <-- 4 --> <---- 2 ---> <-42-1500-> 802.2 (802.3 with 802.2 header) +---------+---------+---------+-------+-------+-------+----------- Dst Src Length DSAP SSAP Control Data... +---------+---------+---------+-------+-------+-------+----------- <- 1 -> <- 1 -> <- 1 -> <-43-1497-> SNAP (802.3 with 802.2 and SNAP headers) +---+---+------+----+----+----+-----------+---------+----------- Dst Src Length 0xAA 0xAA 0x03 Org Code Type Data... +---+---+------+----+----+----+-----------+---------+----------- <-- 3 --> <-- 2 --> <-38-1492-> 115