PDF de programación - Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios - Redes inalámbricas 802.11 y acceso al medio

Arquitectura de Redes, Sistemas y

Servicios

Redes inalámbricas 802.11

y acceso al medio



Área de Ingeniería Telemática
Dpto. Automática y Computación
http://www.tlm.unavarra.es/

Redes inalámbricas
‣ Cada vez más importancia

ofrecen: movilidad, facilidad de instalación, flexibilidad

‣ Evolución hacia comunicaciones inalámbricas

Telefonia (GPRS,3G...), dispositivos WPAN (Bluetooth,
wirelessUSB...) y redes de datos (802.11, WiMax?...)
‣ Nos centraremos en IEEE 802.11 (vulgarmente wifi)

2

/20+

Wifi 802.11: Nivel físico
‣ NICs y puntos de acceso, transmiten y reciben señales de

radio/microondas a través del aire
> Varios estándares de modulación

+ DSSS, FHSS, Luz infraroja en BB (no se utiliza)

> Y frecuencias

+ 2.4GHz, 5GHz, 3GHz

Paquete modulado sobre portadora de 2.4GHz con DSSS
La velocidad de datos en el canal es 11Mbps

Medio compartido de broadcast
Las NICs oyen el paquete y según la cabecera lo procesan

3

/20+

Wifi 802.11: Nivel físico
‣ Versiones con el tiempo (definidos por diferentes estandares del IEEE)
‣ 802.11a 5GHz velocidad de datos hasta 54Mbps
‣ 802.11b 2.4GHz velocidad de datos hasta 11Mbps
‣ 802.11g 2.4GHz velocidad de datos hasta 54Mbps
‣ 802.11n 2.4,5GHz velocidad de datos hasta 248Mbps
‣ El espectro en torno a la frecuencia utilizada se divide en varios canales

utilizando frecuencias cercanas.
Permite tener varias redes en el mismo espacio

Paquete en el canal 12 (2467MHz)

Paquete en el canal 1 (2412MHz)

4

/20+

Wifi 802.11: Nivel físico
‣ Canales en 802.11b
> En la banda libre

de 2.4GHz

> Algunos son

ilegales en
algunos paises
EEUU 1-11
EMEA 1-13

Canal
1
2
3
4
5
6
7

Fracuencia
2412 MHz
2417 MHz
2422 MHz
2427 MHz
2432 MHz
2437 MHz
2442 MHz

Canal
8
9
10
11
12
13
14

Fracuencia
2447 MHz
2452 MHz
2457 MHz
2462 MHz
2467 MHz
2472 MHz
2484 MHz

‣ Aún asi los canales cercanos se interfieren
‣ De todas formas el mecanismo de acceso al medio es capaz

de soportar varias redes en el mismo canal cercanas
utilizando colisiones y CSMA

‣ Nos interesa más el nivel de enlace

5

/20+

2 modos de funcionamiento

‣ Base-station

> Infraestructura: estaciones

base (access point)
conectadas a una red fija

‣ Ad-hoc

> punto-a-punto
Los terminales
inalámbricos se comunican
entre si

> Corren algoritmos de

enrutamiento y extienden
la red más alla del alcance
de uno

> parecido a peer-to-peer

AP

Internet

AP

6

/20+

Basic Service Set

‣ Al conjunto formado por

> Hosts wireless
> 1 access point
> su router de acceso

‣ Le llamaremos Basic Service

Set (BSS)

‣ Equivalentes a las celdas de la

telefonía movil

AP

BSS 1

Internet

AP

BSS 2

7

/20+

Extended Service Set

‣ Varios BSSs unidos para dar un

servicio común en una zona
mayor

‣ Le llamaremos Extended

Service Set (ESS)

‣ La interconexión entre puntos
de acceso puede ser por una
red de cable o incluso wireless
(WDS)

‣ El ESS tiene un identificador

común de forma que el usuario
no sabe si es un BSS o un ESS
El Service Set Identifier
(SSID)

Internet

AP

AP

BSS 1

AP
BSS 3

BSS 4

BSS 2

AP

8

/20+

802.11 Asociación
‣ Para poder comunicarse en un BSS los hosts deben primero

asociarse a la red deseada (identificada por su SSID)

‣ ¿Como conocen el SSID?

> La estación base envía periódicamente tramas (beacon) con su

nombre (SSID) y su dirección MAC
Eso permite a los hosts escanear los canales y presentar al
usuario los SSIDs observados para que elija

> La estación base no envía tramas beacon (SSID oculto) y el

administrador es responsable de configurar el SSID
Esto a veces se ve como una medida de seguridad pero es una
medida de seguridad muy ligera. El SSID no se protege y si
observas el canal y ves a otro host asociarse ves el SSID

9

/20+

802.11 Asociación
‣ Antes de transmitir un host sigue los pasos:

> Escanea permanentemente los canales en busca de tramas beacon (y
los presenta al usuario para que elija o está configurado para buscar
unos SSIDs que conoce)

> Una vez elegido el SSID realiza autentificación y asociacion

+ Pide autorización al Access Point para estar en la red

Varios protocolos que permiten comprobar si el usuario tiene
acceso a la red (con contraseña (SKA), autentificación abierta (OSA)
que siempre se concede)

+ Pide al Access Point que lo considere asociado a la red

Al completar este protocolo el host esta en el BSS

> Una vez realizada el host forma parte del BSS y puede enviar tramas
(de nivel de enlace 802.11) a otros hosts del BSS o al router. El access
point reenvia las tramas que recibe de ese host al medio
Normalmente lo primero que hace el host es usar protocolos de
confiugracion de IP, enviar petición de DHCP para obtener IP y
parámetros de configuración IP en la red de la estación

10

/20+

802.11 Asociación

existe una red llamada
wifinet
y usa autentificación SKA
(shared key auth)

Peticion autentificación
challenge cifrado

Petición asociación

A partir de aqui puedo
enviar a los demas hosts
y al router

BEACON SSID: wifinet
BEACON SSID: wifinet

challenge
auth ok

Asociación ok

SSID: wifinet

11

/20+

802.11 Acceso múltiple
‣ Acceso múltiple con problemas propios del medio

inalámbrico

‣ Usa CSMA (carrier sense, si veo que alguien está

enviando no envío)
> No colisiona con transmisiones en curso

‣ Pero la detección de colisión es un problema

> La señal se atenúa muy rápido por lo que es difícil comparar lo enviado con lo
recibido. De hecho normalmente las NIC no pueden escuchar mientras envían

> Existe el problema de terminales ocultos

A y C no se oyen entre si
No pueden saber que B ve una colisión

C

A

A

B

C

B

A’s signal
strength

C’s signal
strength

space

12

/20+

802.11 Acceso múltiple
‣ Problemas de potencia:

> A oye al Access Point pero no a B

A

B

‣ En modo infraestructura el access point restransmite las tramas

para que las oigan todos los hosts del BSS
Las transmisiones host-host pasan siempre por el access point
‣ Esto no soluciona el problema del terminal oculto

13

/20+

802.11 Acceso múltiple
‣ Si A y B quieren enviar a la vez a C ...

C

A

B

‣ A y B envían a la vez y hay una colision

El access point no recibe ninguno
Pero ni A ni B pueden detectar la colisión porque están lejos
‣ El access point no reenvía ninguno de los dos así que a C no

recibe nada

14

/20+

CSMA/CA

‣ Collision avoidance (evitación) en lugar de detección
‣ El receptor confirma (ACK) las tramas (ante los problemas para

detectar si ha habido colisión)

‣ Se utilizan tiempos aleatorios cuando voy a transmitir

> Las colisiones son caras porque no se pueden detectar rápido. 1-

persistente es demasiado agresivo y provoca colisiones

> Objetivo: evitar las colisiones causadas entre las estaciones que

esperan que el medio quede libre

> No persistente

A B

CSMA/CD

A B

CSMA/CA

ocupado

Colisión

C

Tiempo aleatorio

C

15

/20+

CSMA/CA

‣ Emisor 802.11

> Si el canal está vacío por un tiempo

DIFS
+ Envia la trama entera (sin CD)

> Si el canal está ocupado

+ Inicia un temporizador aleatorio (con

backoff)

+ El temporizador solo descuenta tiempo con

canal libre

+ Transmite cuando expire
+ Si no recibe ACK aumenta el backoff

‣ Receptor 802.11

> Si recibo una trama

+ Envía ACK después de un SIFS

(SIFS<DIFS los ACKs tienen prioridad)

sender

receiver

DIFS

data

ACK

SIFS

16

/20+

CSMA/CA

‣ Mejora: permitir al emisor reservar el canal para evitar colisiones en las

tramas muy largas
> El emisor envía una trama de RTS (request to send) a la estación

base pidiendo el canal (usando CSMA/CA)
Los RTS pueden colisionar con otras tramas pero al menos son
cortas

> La estación base envía el permiso en una trama CTS (Clear to send)
> Todos los nodos reciben la CTS

+ El solicitante envia la trama
+ El resto dejan libre el canal

‣ Evita completamente las colisiones

> A costa de más retardo
> Normalmente se activa sólo para tramas por encima de una longitud

17

/20+

Ejemplo

A

AP

RTS(A)

RTS(A)

CTS ( A )

DATA (A)

A C K (A )

reservation collision

CTS(A)

ACK(A)

time

B

R TS ( B )

defer

18

/20+

Coordination function
‣ Esto es conocido como funcionamiento con funcion de

coordinación distribuida
DCF

‣ El estandar tambien soporta tipo polling

Point Cordination Function (PCF)

‣ En modo Adhoc solo se usa la DCF
‣ En modo infraestructura se pude usar DCF o DCF+PCF

> Contention Free Periods (con PCF) + Contention Periods

(con DCF)

‣ Pero PCF no se usa mucho

‣ 802.11e HCF Hybrid Cordination Function y soporte de QoS

19

/20+

Resumiendo
‣ Control de acceso al medio más complicado que en Ethernet

> Hay ACKs en el nivel de enlace
> Hay retransmisiones en el nivel de enlace
> Hay autentificacion/asociacion
> El access point retransmite tramas
> CSMA
> Pero CSMA/CA en lugar de CD, colisiones costosas mejor

evitar

> Se pueden usar técnicas de reserva de canal

20

/20+

Extras
‣ Formato de tramas de 802.11
‣ Seguridad en 802.11

21

/20+

802.11: formato de trama

2
F

6

6

2
6
D A1 A2 A3

2
6
S A4

0-2312
datos

4

CRC

3 direcciones MAC

dirección MAC
sólo usada en Ad-hoc

‣ S: secuencia de la trama

> necesario para el ACK

‣ 4 direcciones MAC

> A1: MAC destino. Wireless host que debe recibir esta trama
> A2: MAC origen. Wireless host que envia esta trama
> A3: MAC router asociado al access point
> A4: usada en modo Ad-hoc o para interconectar access-points

a traves de la red inalambrica (WDS)

22

/20+

802.11: formato de trama

2
F

6

6

2
6
D A1 A2 A3

2
6
S A4

0-2312
datos

4

CRC

3 direcciones MAC

dirección MAC
sólo usada en Ad-hoc

‣ F frame control

> Flags y tipo de la trama (Data, ACK, RTS o CTS)

‣ D duración

> Tiempo por el que se solicita el canal

En RTS/CTS

23

/20+

802.11 tipos de tramas
‣ El campo de control de la trama permite definir tipos y

subtipos de tramas

Subtipo

Nombre
Asociación (request)
Asociación (response)
Probe request
Probe response
Beacon
otros
RTS
CTS
ACK
otros
Datos
otros opciones y QoS

Tipo
00 (M