Estándar IEEE para redes Inalámbricas

802.11
Estándar IEEE para redes
Inalámbricas
José Félix Lucía Embid
José Ramón Manau Peirón
Las Redes Inalámbricas
• Nuevos Dispositivos
– PDAs
– Wearable computers
• Redes
– BAN (Body Area Network)
– PAN (Personal Area Network)
– WLAN (Wireless Large Area Network)
Las Redes Inalámbricas
• MANETs (Movile Ad hoc NETworks)
– Ad hoc = sin infraestructura
– Auto-organizables dinámicamente
• IEEE 802.11
– Ad hoc single-hop
– Multi-hop
– Infraestructuradas
BAN (Body Area Network) (1/2)
• Dispositivos “que se visten”
– Alcance de ámbito corporal (mp3, cascos…)
– Requerimientos
• Conexión de elementos heterogéneos
• Autoconfigurables
• Integración de servicios (Transmisión isócrona)
• Interconexión con otras BAN (o PAN)
BAN (Body Area Network) (2/2)
• Alcance 1 a 2 metros
• Problema
– Interferencias
– Interconexionado (Cables Vs Inalámbrico)
• Solución:
– T.G.Zimmerman: Cuerpo=Cable
– Tasas 400Kbits / sec
– Interconexionable
PAN (Personal Area Network)
• Entorno de una persona
• Alcance 10 metros
• Interconexión
– Con la propia BAN
– Con otras BANs
• Banda de 2.4Ghz ISM
WLAN (Wireless LAN)
• Rangos de 500 metros
• Dos tipos
– Infraestructurada
– Ad Hoc
• Funcionamiento de AdHoc = Peer to Peer
• Redes “Temporales”
Arquitectura y Protocolos
• Dos Estándares principales
– 802.11a
• Banda de 5 Ghz
• Tasas de 54Mbits/sec
– 802.11b
• Banda 2.4 Ghz
• Tasas de 11Mbits/sec
Espectro de Frecuencia
Arquitectura y Protocolos
• Tecnologías
Capa FISICA
– Infrarroja
– Frecuency Hopping Spread Spectrum (Saltos
de frecuencia en espectro ensanchado)
– Direct Sequence Spread Specturm (Secuencia
directa en espectro ensanchado)
Infrarojos
• DFIR (DifFused InfRared)
• Entornos de habitación
• Tasas
– BAR (Basic Access Rate) 1Mb/s 16PPM
– EAR (Enhanced Access Rate) 2Mb/s 4PPM
Direct Sequence Spread Spectrum
• Inventado por la actriz Hedy Lamarr y
•
•
George Antheil
Idea de “Mezclar” una señal a traves
del espectro
Fue “desclasificado” por los
americanos a mediados de los ochenta
para fines civiles.
Funcionamiento del DSSS
• Multiplicar una portadora de RF con una
señal de pseudo-ruido
• La señal de ruido es invertida o no en
función del bit a transmitir.
• Se pierde el significado de la señal original
– Ahora es otra de mayor frecuencia
– Se desconoce la secuencia de ruido.
Funcionamiento del DSSS
Funcionamiento del DSSS
Funcionamiento del DSSS
Funcionamiento del DSSS
Efecto de una Interferencia
Frecuency Hopping Spread Spectrum
• Repartir una señal a traves de pequeñas
bandas de frecuencia
• Funciona sobre 2.4 Ghz a 78 canales
• Consume mucha menos potencia que el
DSSS (1/3 aproximadamente)
• Es menos inmune a interferencias
Funcionamiento del FHSS
• Dada una señal, se parte a lo largo del
tiempo
• Cada trozo de señal se transmite en un
momento determinado a través de una
frecuencia determinada
• El emisor sabe de donde recoger el trozo
de señal en función del tiempo.
Funcionamiento del FHSS
Protocolos MAC
• Utiliza dos métodos de acceso
Capa ENLACE
– DCF (Distributed Coordination Function)
– PCF (Point Coordination Function)
• El metodo de PCF no puede adaptarse a
redes Ad Hoc
• DFC: CSMA/CA (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Avoidance)
DCF (Distributed Coordination Function)
• La idea es “sentir” el canal y transmitir si no hay nada en
•
•
•
•
“escucha”.
Si el medio permanece en inactivo (idle) durante un
intervalo superior a DIFS (Disrtributed InterFrame
Space) se transmite
Tras la recepción se espera otro marco de tiempo
denominado SIFS (Short InterFrame Space) y se
transmite el paquete ACK.
ACK no es transmitido si hay errores en recepcion
Lógicamente se usa un sistema de errores (CRC)
Ejemplo de transmisión
Hidden Terminals
• Problema de las terminales escondidas
• Generación de tramas incorrectas
• Introducción del RTS/CTS
– RTS: Ready To Send
– CTS: Clear To Send
Ejemplo
RTS/CTS
• El emisor manda un paquete RTS
• El receptor lo recibe y “si le parece”
manda un paquete CTS
• Cuando el emisor lo recibe, manda la
información, para que la reciba el receptor
• Se introduce información de longitud de
datos
RTS/CTS
• Este mecanismo resuelve el problema de
las terminales escondidas
• Como se introduce información acerca de
la longitud de datos se pueden capturar
mucho mejor las colisiones.
Ejemplo de transmision RTS/CTS
Servicios de Sincronización
• Existen dos funciones principales para la
sincronización:
– Synchronization Adquisition
– Synchronization Mantenience
Synchronization Adquisition
• Es necesaria para añadir un nuevo nodo a
la red
• Escanea el medio a nivel de frecuencias
• Si encuentra tramas determinadas agrega
el emisor a la red
Synchronization Mantenience
• Servicio de gestión de tiempo
• Cada red tiene su propio reloj
• Se usa este algoritmo para generar tramas
“balizas” (beacon) para conocer el flujo de
datos nominal
• La estación que inicializó el IBSS decide
cual va a ser el intervalo de tiempos.
Red Inalámbrica
Dispositivos
alámbricos e
inalámbricos
conectados entre
si, con salida
opcional a
Internet
Introducción a TCP/IP en redes inalámbricas
• TCP fue diseñado para nodos fijos
• Perdida de paquetes à Congestión
• Arquitectura para la movilidad IP:
• MIP (Mobile IP)
• HMIP (Hierarchical Mobile IP)
• HAWAII (Handoff-Aware Wireless Inet Infraes.)
• CIP (Cellular IP)
MIP (Movilidad IP)
El encaminamiento implica el uso de protocolos como BGP, RIP, y OSPF.
La direccion de IP de un anfitrion consiste de dos partes: 1)Los numeros de mayor
precedencia determinan la red donde se encuentra el anfitrion; 2)El resto de los
numeros, de menor precendencia, determinan el numero asignado al anfitrion.
En MIP tenemos dos tipos de direcciones:
- Home address (permanente)
- Care-of address (temporal, en-cuidado-de)
Podemos encontrar 2 nodos o agentes móviles ,HA (home agent) y FA (foreign
agent), con las siguientes funciones:
* Descubrimiento: Cuando el nodo móvil se une, recibe la Care-ofaddress que el FA envía en broadcast con el modo de encapsulamiento y cabeceras.
* Registro.
* Tunneling (comunicación).
MIP (Movilidad IP) (II)
MIP (Movilidad IP) (III)
Encapsulamiento
HMIP
(Hierarchical Mobile IP)
• Estudiada y desarrollada por Ericsson y Nokia.
• ES una jerarquía de FA, de manera que el
nodo móvil se registra dentro de la región que
forma toda la estructura jerárquica.
• El mensaje de registro establece túneles entre
FA
todos los Fas hasta el GFA (gateway).
• La care-of-address solo cuando cambia cuando
Salimos de la región, si nos movemos entre los Fas
de una misma región no hay cambio de IP.
GFA
FA
FA
Nodo
móvil
HAWAII
(Handoff-Aware Wireless Access Internet
Infraestructure)
• La movilidad del usuario se limita dando un dominio administrativo.
• HAWAII crea en la red una jerarquía de dominios
CIP (Cellular IP)
• Cada dominio CIP esta compuesto por un numero de nodos CIP en
árbol con un Gateway tipo MIP como nodo root.
• Cuando el nodo móvil cambia de puntos de acceso redirigimos las
nuevas tablas de enrutamiento y la cache al nuevo punto de acceso
enviando al gateway el cambio de posición.
Movilidad y TCP
• Diseñado para trabajar con cualquier capa de enlace,
•
pero para redes inalámbricas se encuentra con bastantes
problemas.
TCP causa cuellos de botella en comunicación con redes
inalámbricas, para resolverlo:
– TCP “Reno Congestion Control Mechanism”
• Esta compuesto de 4 algoritmos:
–
–
–
–
Slow Start
Congestion Avoidance
Fast Retransmit
Fast Recovery
Movilidad y TCP
•
SS
Se procesan uno tras otro:
CA
FRt
FRc
Esto produce varios problemas en las redes inalámbricas:
1.- Se derrocha la capacidad disponible durante la Slow Start.
2.- Alta tasa de errores (BER) que produce muchos paquetes corruptos.
3.- Problema de caídas de señal o desconexiones por obstáculos.
4.- Las desconexiones producen numerosos reenvíos del mismo paquete.
Extensiones TCP
(para redes móviles)
• Se pueden agrupar en 3 categorías
• Movilidad TCP inconsciente
• Se puede aplicar protocolos en la capa de enlace
• Extensiones generales
Movilidad TCP inconsciente
• Principalmente significa que los problemas se resuelven
•
localmente, por lo que el nodo fijo permanece sin
modificaciones.
Tiene distintos tipos de tecnologías:
– Conexión segmentada
MN
I-TCP (Protocolo indirecto)
M-TCP TCP (moderno de redes celulares)
BS
TCP
modificado
FN
TCP
estándar
I-TCP: La BS tiene 2 conexiones separadas por MSR que
gestiona hacia el nodo fijo y el móvil.
M-TCP: Extensión de las redes celulares en forma jerárquica.
Movilidad TCP inconsciente (II)
– TCP Snooping: Requiere la modificación de la estación base (BS) mediante
un modulo snoop que funciona como una cache y mantendrá toda la
información de los ack enviados por FN.
MN
Transmisión
local
BS
FN
Buffer de datos
ACKs Snoop
– Delayed Duplicate ACKs: Se aproxima al funcionamiento del Snoop-TCP,
pero sin necesidad de hacer cambios en TCP. La BS debe implementar un
mecanismo para realizar las transmisiones sin necesidad de mirar la
cabecera.
• La ventaja con respecto a TCP-Snooping es que con paquetes en orden se espera
en caso de retardo, pero en cuanto llega un paquete fuera de orden se envía un
DupAck.
Movilidad TCP consciente
– La estación fija sabe de la existencia del enlace inalámbrico y del
dispositivo móvil.
– Distinción entre las perdidas por congestión o falta de bits
Identificar el tipo de perdida utilizando
el ancho de banda estimado
• Tenemos tres propuestas
Identificar el tipo de perdida utilizando
Tiempos de llegada en el receptor
Identificar el tipo de perdida utilizando
Realizando dos conexiones
– Fast Retransmit: Durante una caída, los paquetes se pierden,
entonces se propuso que los dispositivos inalámbricos después de
una caída, cambio posición, etc... reinicie la comunicación y envíe 3
DupAcks, para que le remitente inicie el algoritmo Fast Retransmit.
• Buena solución para periodos cortos de desconexión.
– Transmisión con “Timeout Freezing”
Extensiones TCP genericas
• Ventana inicial mas larga:
– En Start Slow se pierde tiempo cuando estamos en redes
de baja tasa de transferencia, por eso se crea una
ventana inicial mayor.
• Transacción TCP:
– 3 mensajes para conectar y desconectar
• ACK selectivo.
• Notificación explícita de congestión.
Servicios y funciones
• WPAN
(Wireless Personal
Area Network)
• WLAN
(Wireless Loca Area
Network)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Bluetooth
Home RF
IEEE 802.11
Beacon Frames
HiperLAN
LMDS
MMDS
DVB
Localización
Warchalking
Bluetooth
Características de la WPAN bluetooth:
Utiliza frecuencias de 2450 MHz.
Tiene un radio de alcance de 10 metros
Tasa de transferencia de 1Mb/sec
Versión 2.0 à tasa de 10Mb/s
Próxima presentación.
Home RF
(Home Radio Frecuency)
Redes inalámbricas personales utilizadas en
espacios reducidos utilizando la misma
frecuencia que Bluetooth y 802.11.
Pueden alcanzar una tasa de hasta 1’6 Mb/s
IEEE 802.11
Están basadas en el protocolo CSMA/CA (Carrier Sense
Multiple Access/Collision Avoidance).
BSS (Basic Set service)
2 tipos de servicios
IBSS (Independent BSS)
La seguridad puede ser manejada por protocolos WEP.
1. BSS: Varios dispositivos se conectan con el AP.
2. IBBS: Modo Ad-Hoc, sin AP y sin infraestructura.
HiperLAN
• Cuatro tipos de HiperLAN:
Rango
Tasa txon
Modo
T1
50 m
23
Mb/sec
802.11
Radio
frecuenci
a
5 GHz
T2
200 m
23
Mb/sec
ATM
5 GHz
T3
5000 m
20
Mb/sec
ATM
5 GHz
T4
200 m
155Mb/sec
ATM
27GHz
LDMS (Local Multiport Distribution Service)
Utiliza frecuencias de hasta 25GHz con una tasa de transferencia
de 20Mb/s, pero con un radio de acción de 10Km.
MMDS
(MultiChannel Multiport Distribution Service)
• Ofrecen un servicio de 10Km de rango de transmisión
•
unidireccional, como antenas de TV en áreas rurales, a una
frecuencia de 2.7GHz.
Se caracterizan por un numero limitado de canales disponibles en
baja frecuencia.
DVB/DAB
(Digital Video/Audio Broadcasting)
• En un futuro pueden reemplazar la radio convencional y la televisión
• DVB-S,DVB-T,DVB-C (satélite, terrestre y cable)
• MPEG2-4
Warchalking
• Es un lenguaje de símbolos normalmente escritos con tiza en las
•
•
paredes que informa a los posibles interesados de la existencia de
una red inalámbrica en ese punto.
La sencillez del lenguaje.
Los símbolos más usados son:
–
–
–
–
–
Retina SSID
)( Nodo abierto ,() Nodo cerrado, (W) Nodo con WEP
1.5 Ancho de Banda
1. En primer lugar se identifica el nombre del nodo, o SSID
2. En segundo lugar se identifica el tipo de red, bien sea abierta,
cerrada o con WEP.
– 3. En último lugar se identifica la velocidad del mismo.
Seguridad
• ACL’s basadas en MAC’s: sólo permitir la comunicación con el AP a
•
las direcciones MAC que el AP conoce (hay que añadir las MACs de
los clientes que pueden tener acceso a la WLAN a mano en el AP).
No emitir Beacon Frames (o emitirlos sin el ESSID)
• Utilizar WEP para cifrar los datos.
• OSA vs SKA. OSA (Open System Authentication), cualquier
interlocutor es válido para establecer una comunicación con el AP.
SKA (Shared Key Authentication) es el método mediante el cual
ambos dispositivos disponen de la misma clave de encriptación,
entonces, el dispositivo TR pide al AP autenticarse. El AP le envía
una trama al TR, que si éste a su vez devuelve correctamente
codificada, le permite establecer comunicación.
Seguridad
• CNAC. Significa Closed Network Access Control. Impide que los
•
dispositivos que quieran unirse a la red lo hagan si no conocen
previamente el SSID de la misma.
SSID. Significa Service Set IDentifier, y es una cadena de 32
caracteres máximo que identifica a cada red inalámbrica. Los TRs
deben conocer el nombre de la red para poder unirse a ella.