Trabajo de estudio de redes inalámbricas (Parte 1)

Trabajo de estudio de redes inalámbricas (Parte 1)
Entrega de 4 de diciembre de 2008
Carlos Garcı́a Argos ([email protected])
3 de diciembre de 2008
¿Qué técnicas de transmisión se utilizan en Wifi? ¿En qué banda de frecuencia se transmite?
En Wifi (IEEE 802.11), existen varias opciones de transmisión disponibles para la capa
fı́sica:
1. Infrarrojos: emplea transmisión difusa a 0,85 o 0,95 micras, admitiendo dos velocidades de acceso, 1 y 2 Mbps. Esta técnica permite privacidad, al no atravesar paredes
la señal, pero la velocidad de transmisión es muy reducida.
2. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) emplea 79 canales radio, con un ancho
de banda de 1 MHz cada uno. La banda empleada es la ISM que comienza en 2,4 GHz.
La secuencia de saltos de frecuencias se genera mediante un generador de números
pseudoaleatorios, y se producirán los saltos de forma sincronizada si la semilla en
cada estación es la misma.
3. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): utiliza modulación por desplazamiento de
fase, transmitiendo cada bit como 11 chips usando la secuencia Barker, a una tasa de
1 Mchip/s. Esta secuencia provoca que aparezca aproximadamente la misma cantidad
de unos y ceros.
4. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): divide la banda en 52 más
pequeñas (48 de datos y 4 de sincronización), usando frencuencias que son ortogonales
entre sı́, lo que permite una gran eficiencia espectral e inmunidad al desvanecimiento
por multitrayecto. Es la técnica empleada en el estándar IEEE 802.11a, que transmite
hasta 54 Mbps en la banda de 5 GHz, y también en el estándar IEEE 802.11g, que
utiliza la banda de 2,4 GHz para transmitir hasta 54 Mbps.
5. HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum): emplea espectro ensanchado por secuencia directa con tasa de 11 Mchips/s, resultando en velocidades binarias
de 1, 2, 5,5 y 11 Mbps. Se implementa en el estándar IEEE 802.11b y permite alcances
7 veces mayores que IEEE 802.11a, aunque con menor tasa binaria.
¿Cuáles son los modos de funcionamiento que se usan en la capa MAC?
La capa MAC de IEEE 801.11 soporta los siguientes modos de funcionamiento:
1. DCF (Distributed Control Function): no emplea control central de acceso. En este
modo, se utiliza CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
2. PCF (Point Coordination Function): utiliza la estación base para controlar la actividad
de la celda, mediante el envı́o de tramas en las que sondea a las demás estaciones si
tienen que transmitir. De esta manera, no se producen colisiones.
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El único modo obligatorio en las implementaciones es DCF, mientras que PCF es opcional.
Ambos modos pueden coexistir en una celda, gracias a que el estándar define el intervalo
de tiempo entre tramas de forma determinada. Después de transmitirse cada trama, hay que
guardar un tiempo muerto antes de que cualquier estación pueda transmitir.
¿En qué consiste CSMA/CA?
El Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance es un mecanismo de control
de acceso al medio, que permite que múltiples estaciones utilicen un canal de transmisión.
Se emplea cuando CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) no
puede utilizarse por la naturaleza del medio, como es el caso de las transmisiones inalámbricas, ya que en estas no es posible escuchar mientras se transmite, mecanismo empleado para
la detección de colisiones.
El proceso de transmisión de una estación que emplea CSMA/CA es:
1. La estación escucha en el canal por el que quiere transmitir.
2. Si el canal está inactivo, la estación transmite la trama que le corresponde.
3. Se espera la confirmación del receptor.
Si el canal está ocupado, no se transmite. En caso de que finalmente se produzca colisión,
las estaciones que no reciban la confirmación de sus receptores esperan un tiempo aleatorio
antes de volver a intentar transmitir, mediante el algoritmo de retroceso exponencial binario
que se emplea en Ethernet.
¿En qué consiste MACAW?
MACAW (Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless) es un protocolo de acceso
compartido para redes inalámbricas. El envı́o de datos de una estación a otra se realiza en
cinco pasos:
1. Trama RTS (Request to Send) del transmisor al receptor.
2. Trama CTS (Clear to Send) del receptor al transmisor.
3. Trama DS (Data Sending) del transmisor al receptor.
4. Trama de datos del transmisor al receptor.
5. Trama ACK (Acknowledge) del receptor al transmisor.
El último paso fue la modificación al protocolo MACA (Multiple Access with Collision
Avoidance) que resultó en MACAW. También se incluyó un mecanismo de detección de
portadora (CSMA) para evitar que varias estaciones envı́en tramas RTS al mismo tiempo.
Si alguna otra estación recibe las tramas RTS o CTS, se autoimpone un tipo de canal virtual
ocupado, desistiendo ası́ de realizar transmisiones, de manera que se eviten las colisiones.
Este aspecto complementa la pregunta sobre CSMA/CA, ya que el modo de operación de
CSMA/CA en redes IEEE 802.11 se basa en MACAW.
¿Cómo es el mecanismo de fragmentación?
La fragmentación de tramas en IEEE 802.11 sirve para mitigar el problema que provocan
los canales muy ruidosos, como el canal radio. Al tratarse de un medio muy hostil a las
señales transmitidas, que provoca tasas de error en las tramas más elevadas que en un medio
guiado.
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Con la fragmentación, cada trama se divide en fragmentos más pequeños, cada uno con
su propia suma de verificación para detección de errores. Cada fragmento se numera y se
confirma la recepción con un protocolo de parada y espera, pudiendo enviarse múltiples
fragmentos una vez se ha reservado el canal con las tramas RTS y CTS.
Este mecanismo permite aumentar la velocidad efectiva de transmisión, ya que se limitan
los errores a fragmentos más pequeños que la trama, reduciéndose las retransmisiones. El
tamaño del fragmento no está especificado en el estándar, pero puede ajustarlo cada estación
base.
¿Qué tipos de espaciados entre tramas existen?
Los espaciados entre tramas son unos tipos de intervalos de tiempo que deben guardarse
entre las transmisiones de cada trama, que se han mencionado antes, en la pregunta sobre
DCF y PCF. Son los siguientes:
• SIFS (Short Inter-Frame Space): es un espaciado corto entre tramas que se utiliza
para permitir que las partes implicadas en un diálogo (par origen-destino) transmitan
primero. Es decir, se deja que el receptor envı́e el CTS en respuesta al RTS o que
envı́e un ACK para los fragmentos o la trama, ası́ como que el transmisor envı́e cada
fragmento sin tener que enviar un RTS cada vez.
• PIFS (PCF Inter-Frame Space): si la estación que debe responder después del intervalo
SIFS no lo hace (bien porque haya terminado o porque se haya producido algún fallo),
y transcurre un tiempo PIFS, la estación base puede enviar una trama beacon o una
trama de sondeo para solicitar a otras estaciones que transmitan.
• DIFS (DCF Inter-Frame Space): si la estación base no tiene nada que transmitir y
transcurre este tiempo DIFS, cualquier otra estación puede intentar reservarse el canal
para enviar alguna trama, aplicándose las reglas de contienda normales.
• EIFS (Extended Inter-Frame Space): se utiliza cuando una estación ha recibido una
trama errónea o desconocida, para informar sobre este problema. Se da a este evento
la menor prioridad para evitar cualquier interferencia con otras transmisiones.
¿Qué formato tiene una trama?
El formato de la trama de IEEE 802.11 se muestra en la Tabla 1, y los campos son los
siguientes:
• Control de trama: es el primer campo, de 2 bytes, y se detalla en la Tabla 2.
• La duración indica en 2 bytes cuánto tiempo ocuparán el canal la trama y su confirmación por parte del receptor.
• Las direcciones 1 a 4 ocupan 6 bytes cada una y son el origen, el destino y las estaciones base de origen y destino para el tráfico entre celdas. Las tramas de administración sólo contienen 3 direcciones, ya que se restringen a una sola celda. Por otro
lado, las tramas de control son más cortas aún, ya que sólo tienen una o dos direcciones.
• El campo de secuencia sirve para identificar los fragmentos. De los 16 bits disponibles,
12 corresponden a la trama y 4 al fragmento.
• El campo de datos contiene el payload, o carga útil, hasta 2312 bytes. Las tramas de
control no tienen campo de datos ni de secuencia.
• El campo de checksum o suma de comprobación sirve para detectar errores en la trama.
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Control
de
trama
Duración
Dirección Dirección Dirección Secuencia
1
2
3
Dirección Datos
4
Checksum
Tabla 1: Formato de trama IEEE 802.11
Versión
Tipo
Subtipo
A DS
De DS
MF
Retransmisión
Energı́a
Más
W
O
Tabla 2: Formato del control de trama IEEE 802.11
En cuanto al campo de control de trama, sus 2 bytes se reparten de la siguiente manera:
• 2 bits para la versión del protocolo, lo que permite que en una misma celda funcionen
dos versiones del protocolo.
• Otros 2 bits para el tipo de trama: datos, control o administración.
• El subtipo (2 bits) representa si la trama es RTS o CTS, por ejemplo.
• Los bits A DS y De DS indican si la trama va hacia o viene del sistema de distribución
entre celdas.
• El bit MF indica que a la trama la siguen más fragmentos.
• El bit de retransmisión indica que la trama es una retransmisión de una trama enviada
con anterioridad.
• El bit de energı́a sirve para que la estación base indique al receptor que se ponga en
modo de hibernación o que salga de él.
• El bit W indica que la trama se ha codificado con el algoritmo WEP (Wired Equivalent
Privacy).
• El bit O indica al receptor que la secuencia de tramas que lo tenga activo deberá procesarse en orden estricto.
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