redes inalámbricas estándar 802 -...

Redes InalámbricasRedes Inalámbricas

Estándar 802.11Estándar 802.11

Redes inalámbricas (+)Redes inalámbricas (+)

• Movilidad• Facilidad de instalación (tiempo, costo)• Flexibilidad• Comodidad• Productividad• Expansión geográfica (+/-)• Crecimiento en máquinas (+/-)• Acceso (+/-)

Redes inalámbricas (-)Redes inalámbricas (-)

• Alcance• Costo adicionales por más APs

• Interferencia• Ruido de dispositivos externos, microndas, teléfonos

inalámbricos, bluetooth

• Velocidad• Lenta con respecto a LANs alambradas (+/-)• Congestión

• Consumo de potencia• Más alcance → más potencia• Laptops

• Seguridad

Seguridad en redes inalámbricasSeguridad en redes inalámbricas

• Facilidad de acceso– Una de las ventajas– Principal desventaja con respecto a seguridad

• Wardriving– Espías externos– Consumo de capacidad

• Puntos de acceso no autorizados– Redes no autorizadas– Y no vigiladas por los administradores

Seguridad en redes inalámbricasSeguridad en redes inalámbricas

•La mayoría de las redes inalámbricas son portales a redes alambradas•Señales RF se mueven en el aire

–Todos pueden capturarlas–Hacia todos lados

•Medio abierto, casi sin límites•A veces en forma impredecible•Atenuación

802.11a802.11a

• Octubre 1999

• 5 GHz

• 54 Mbps (max)/ 23 Mbps (tip)

• 35 mts (int), 115 mts (ext)

• OFDM

802.11b802.11b

• Octubre 1999

• 2.4 GHz

• 11 Mbps


• DSSS

802.11g802.11g

• Junio 2003

• 2.4 GHz

• 54 Mbps (max), 20 Mbps (tip)


• OFDM

802.11n802.11n

• Fecha: Oct 2009 (Draft 2007)

• 2.4 Ghz/5 GHz

• 600 Mbps (max), 120 Mbps (tip)


• MIMO– Multiple Input Multiple Output

802.11ac802.11ac

• Fecha: Diciembre 2013

• 5 GHz

• 600 Mbps (2.4GHz)

• 2.6 Gbps (5GHz)


• OFDM

Bandas ISM Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical)(Industrial, Scientific and Medical)

Canales 802.11Canales 802.11

Enterprise coverageEnterprise coverage

611

1

611

1

611

1

611

611

111

1

6

1

666

Red AlohaRed Aloha

• Universidad de Hawaii• Junio de 1971• Norman Abramson• Permitir a 7 campus en 4 islas acceder a la

computadora central (mainframe)– IBM 360/65 con 750 Kbytes de RAM

• Por medio de canales de radio UHF– Canales de 100 Khz. – 407.350 MHz. Y 413.475 MHz.

Sistema ALOHASistema ALOHA

MENEHUNEMENEHUNE

• Versión hawaiana del IMP de ArpaNet (Internet)– Interface Message Processor

• Inglés– Imp: diablillo, demonio

• Hawaii– Menehune: Duende legendario

Terminal Control UnitTerminal Control Unit

• Terminal ↔ TCU interfaz RS-232

• Paquetes de 704 bits– 32 bits identificación

– 32 bits de paridad

– 80 carácteres de información

• Transmisión– 24,000 bauds

– 24 milisegundos por paquete

Funcionamiento AlohaFuncionamiento Aloha

Funcionamiento AlohaFuncionamiento Aloha

• Las estaciones transmiten por la banda de 405.35 MHz.– El acceso al medio es aleatorio y sin necesidad de

sincronía

• El Menehune transmite por la banda de 413.475 MHz.– La transmisión es broadcast

• Después de que una estación transmite espera un tiempo para recibir un ACK, en caso de que no lo reciba retransmite el paquete

Por qué no se uso el sistema tradicional de transmisiónPor qué no se uso el sistema tradicional de transmisión

por teléfono (por teléfono (dial-updial-up) o líneas dedicadas () o líneas dedicadas (leased linesleased lines))

Línea dedicada provista por compañía telefónica

Línea dedicada (leased)Línea dedicada (leased)

•Punto a punto

•Provisto por la compañía telefónica

•Atractivo cuando los volúmenes de información son grandes

•Conexión dedicada siempre activa

Por modem (Dial up)Por modem (Dial up)

• Para distancias largas es muy caro• El tiempo de establecimiento conexión para

líneas dial-up es muy grande para la cantidad de tráfico

• Tráfico en ráfagas con tiempos de ocio grandes• Naturaleza asimétrica de la comunicación• La calidad de las líneas no era muy buena

Por qué no se uso el sistema tradicional de transmisiónPor qué no se uso el sistema tradicional de transmisión

por teléfono (por teléfono (dial-updial-up) o líneas dedicadas () o líneas dedicadas (leased linesleased lines))

AlohaAloha

• “La principal innovación de Aloha no fue el uso de comunicaciones inalámbricas para computadoras”

• “Sino el uso de una arquitectura de comunicación broadcast para el acceso aleatorio al canal”

• No se usó lo tradicional FDMA o TDMA– FDMA: Frequency Division Mutiple Access

– TDMA: Time Division Multiple Access

Robert Metcalfe

1976

Predicciones de MetcalfPredicciones de Metcalf

Internet sufrirá un colapso catastrófico en 1996.Si no, “me comeré mis palabras”. Diciembre 2995

Internet sufrirá un colapso catastrófico en 1996.Si no, “me comeré mis palabras”. Diciembre 2995

El movimiento del “open source” es un disparate utópico…...me recuerda al comunismo….. Linux is como software orgánico que espiritualistas cultivan en Utopía…...Cuando llegue Windows 2000, adios Linux. Junio, 1999

El movimiento del “open source” es un disparate utópico…...me recuerda al comunismo….. Linux is como software orgánico que espiritualistas cultivan en Utopía…...Cuando llegue Windows 2000, adios Linux. Junio, 1999

Después de que la burbuja móvil inalámbrica reviente este año,volveremos a las fibras…..los baños todavía usan, predominantemente, sistema de tuberías.Más o menos por las mismas razones, las computadoras seguiránConectadas por clables. Agosto, 1993

Después de que la burbuja móvil inalámbrica reviente este año,volveremos a las fibras…..los baños todavía usan, predominantemente, sistema de tuberías.Más o menos por las mismas razones, las computadoras seguiránConectadas por clables. Agosto, 1993

Ideas tomadas por Metclafe de AlohaIdeas tomadas por Metclafe de Aloha

• Detectar colisiones• Escuchar antes de transmitir• Acceso múltiple a un medio compartido• Mejor algoritmo de espera (backoff)

1970 Metcalfe lee “The Aloha System”Alto Aloha Network. Memo escrito en mayo 22, 1973

OperaciónOperación

• Estaciones conectadas a un Medio Compartido

• No hay Controladora Central

• No hay banda de señalización

• El acceso al medio es aleatorio

– Si se quiere transmitir, se checa el medio

– Si está libre se transmite, si no se espera

• No acuses de recibo (ACK)

• No determinístico en tiempo

• CSMA/CD

• Colisiones

Alternativas a Ethernet (Token Bus)Alternativas a Ethernet (Token Bus)

Alternativas a Ethernet (Token Ring)Alternativas a Ethernet (Token Ring)

MedioCompartido

Transmisión en el BUSTransmisión en el BUS

Colisión

ColisionesColisiones

Acceso al medioAcceso al medio

Ocupado? Si

Libre

Checar medio

Transmitir

Ocupado? Si

Libre

Checar medioEsperar tiempo

aleatorio

Transmitir

Medio Ocupado

Checarcontinuamente

Medio desocupadoTransmitir

Medio Ocupado

Esperar Esperar

Medio desocupadoTransmitir

Persistente No persistente

Persistencia y colisionesPersistencia y colisionesE

stac

ione

s

Tiempo

A

B

C

Transmitiendo Frame

Tamaño de frame ideal?

Métodos de persistenciaMétodos de persistencia

• ¿Cuál es el mejor?• ¿Cuál seleccionó Ethernet?

Retardosinnecesarios

Muchascolisiones

Persistente No Persistente

PocoTráfico

MuchoTráfico

CSMA/CDCSMA/CDEstación lista para transmitirEstación lista para transmitir

Escucharcanal

Escucharcanal

TransmitirescuchandoTransmitir

escuchandoDetener transmisión

yEnviar señal “jamming”

Detener transmisióny

Enviar señal “jamming”

Colisión

Ocupado

Transmisiónexitosa

Transmisiónexitosa

Libre

Esperar tiempo aleatorio(Algoritmo BEB)

Esperar tiempo aleatorio(Algoritmo BEB)

• Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection

• Usada por Ethernet

• Maneja colisiones

• Persistente

Problemas de CSMA/CD en inalámbricasProblemas de CSMA/CD en inalámbricas

• Limitantes de CSMA/CD– Detección de colisiones:

• Costosa• difícil (diferencial de energía)• no detectadas (estación escondida)

• Mejoras a CSMA/CD– No ser tan agresivo al acceder al medio– Si el medio se detecta ocioso, esperar hasta que

transcurra un tiempo adicional– Usar ACKs

CSMA/CACSMA/CA

• Carrier Sense– Capacidad de determinar si el medio está ocupado

• Multiple Access–Todas las estaciones pueden transmitir

– Con “justicia” (igual derecho)

• Collision Avoidance– Una sola estación tiene acceso al medio a la vez

– Estaciones 802.11 NO pueden transmitir y recibir al mismo tiempo (Half-duplex)

– No pueden detectar colisiones durante la transmisión

CSMA/CACSMA/CA

• Una estación si no está transmitiendo, está monitorizando el medio– CCA (Clear Channel Assessment)

• CSMA/CA minimiza el riesgo de colisiones– Sin un overhead excesivo

• Collision Detection vs Collision Avoidance– Detección de colisiones es más eficiente

– El manejo lleva tiempo

• CSMA/CA tiene menor throughput que CSMA/CD– Throughput/Data Rate

CSMA/CACSMA/CA

• DCF: Distributed Coordination Function– Sin QoS

• PCF: Point Coordination Function– Opcional– AP toma el control y asigna turnos a las estaciones

• HFC: Hybrid Coordination Function– Para QoS– EDCA (Enhanced Distributed Channel Access)

CSMA/CACSMA/CA

• Las estaciones deben de completar un proceso de mediación antes de transmitir un frame

• Este proceso involucra que todas las estaciones estén en “silencio” por un lapso variable

• La estación que termine este proceso primero es la que transmite

CSMA/CACSMA/CA

Frame en el medio Time outTransmitir Frame

…….

Checar el mediopresistentemente

Mediodesocupado

Ventana de contienda

IFS

Transmitir, siestá libre

COMIENZOEstación desea

transmitir

Esperar un cantidadaleatoria de ranuras

Esperar porACK

• IFS: InterFrame Space

– 6 diferentes

– Se pueden usar para tener prioridades

• Ventana de contienda usa BEB

– Binary Exponential Backoff

Escuchando. Si se detectauna tranmisión ir a

COMIENZO

From IEEE Std 802.11From IEEE Std 802.11

Backoff 802.11Backoff 802.11

Interframe Space (IFS)Interframe Space (IFS)

• RIFS: Reduced Interframe Space– 2 µsec

• SIFS: Short Interframe Space– 10 µsec para 802.11b/g/n a 2.4 GHz

– 16 µsec para 802.11a/n a 5 GHz

• PIFS: PCF Interframe Space

• DIFS: DCF Interframe Space– SIFS + 2 ranuras (de tiempo)

• AIFS: Arbitration Interframe Space

• EIFS: Extended Interframe Space

NAV, NAV, Carrier SenseCarrier Sense Virtual Virtual

DATOS Duration(SIFS+ACK)

ACK Duration(0)

…………..

NAV(Network Allocation Vector)

Cronómetro (Timer)

Estaciones NO checanel medio

DIF

S

SIF

S

DIFS: DCF Interframe SpaceSIFS: Short Interframe Space Se evitan colisiones

CSMA/CACSMA/CAEstaciónlista paratransmitir

Estaciónlista paratransmitir

Escucharel canal

Escucharel canal

libre

Esperar un DIFSEsperar un DIFS

ocupado

Esperar R ranurasEscuchando

Esperar R ranurasEscuchando

Enviar frameEnviar frame

Arrancarcronómetro (timer)

Arrancarcronómetro (timer)

ACKrecibido?

ACKrecibido?

No

Transmisiónexitosa

Transmisiónexitosa

Yes

• Carrier Sense Multiple Access / Collision AvoidanceAvoidance

• K, valor incial

– 4 para OFDM (~5 GHz)

– 5 para DSSS (~2.4 GHz)

• Parar en k > 10

– Depende del fabricante

• R es aleatorio entre 0 y 2k-1

• No se detectan colisiones

• Se utilizan ACKs• Timer = SIFS+Ranura+RxPHYStartDelay

Transmission detectada

Estación escondidaEstación escondida

AP

• B no detecta que A está transmitiendo

• Si B intenta transmitir a AP hay colisión con la señal de A

• Solución ..........

A B

RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send)RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send)

Rango de A Rango de B

• A quiere transmitir a B

• A transmite un RTS a B– Lo escuchan todas las máquinas en el rango de A (B, C y E)

– Pero no lo escucha D, que potencialmente puede causar una colisión

• B transmite un CTS en respuesta a A– Ahora sí D que está en el rango de A escucha el aviso

– C no lo escucha pero no importa porque ya escuchó el RTS

RTS/CTSRTS/CTS

• RTS/CTS consume capacidad, así es que se usa solamente en ambientes de alta capacidad y con muchos usuarios

• En ambientes pequeños la estación escondida no es un problema

• En ambientes empresariales si la cobertura es lo suficientemente densa tampoco es problema

• RTS Threshold determina que para frames más grandes se usará RTS/CTS

• NAV es un carrier sense virtual establecido por el campo de duración (en µsegs) de la mayoría de los frames

• ¿Por qué no se usa un ACK virtual estilo Ethernet?

NAV con RTS-CTSNAV con RTS-CTS

RTS Duration(3*SIFS+CTS+DATOS+ACK)

CTS Duration(2*SIFS+DATOS+ACK)

DATOS Duration(SIFS+ACK)

ACK Duration(0)

…………..

NAV(Network Allocation Vector)

Cronómetro (Timer)

Estaciones NO checanel medio

DIF

S

SIF

SS

IFS

SIF

S

DCF (CSMA/CA)DCF (CSMA/CA)

IEEE 802.11IEEE 802.11

802.11 Architecture802.11 ArchitectureBSS: Basic Service Set

AP: Access Point

STA: Station

APSTA

STA

STA

Ad hoc network without AP.Independent BSS (IBSS)

Infrastructure BSS. With an AP

STA STA

STA

STA

STA

AP

AP

STA

802.11 Architecture802.11 Architecture

STA STA

AP

STA

STA

AP

STA

STA

AP

STA

BSSBSS

BSS

DS: Distribution System (Backbone)

ESS: Extended Service SetBSS: Basic Service Set

AP: Access Point

STA: StationInternet

802.11 Terminology802.11 Terminology• Access Point (AP)

– Any entity that has station functionality and provides access to the distribution system via wireless medium for associated stations

• Basic Service Set (BSS)

– A set of stations controlled by a single coordination function

• Coordination Function

– The logical function that determines when a station operating within a BSS is permitted to transmit and may be able to receive PDUs

• Distribution System (DS)

– A system used to interconnect a set of BSSs and integrated LANs to create an ESS

• Extended Service Set (ESS)

– A set of one or more interconnected BSSs and integrated LANs that appear as a single BSS to the LLC layer at any station associated with one of these BSSs

• MAC Protocol Data Unit (MPDU)

– The unit of data exchaged between two pee MAC entities using services of the physical layer

• MAC Service Data Unit (MSDU)

– Information that is delivered as a unit between MAC users

• Station (STA)• Any device that contains an IEEE 802.11 conformat MAC and physical layer

802.11 MPDU802.11 MPDU

Encabezado 802.11Encabezado 802.11

• MPDU: MAC Protocol Data Unit• Encabezado máximo es de 32 bytes

– 802.11n agrega campo HT de 4 bytes

• El tamaño del encabezado no es está fijo– QoS sólo se usa en Data frames– No siempre se utilizan las 4 direcciones– La mayoría de los frames usa 3 direcciones– ACK usan sólo una dirección

Campo de ControlCampo de Control

• 11 subcampos• Protocol Version

– 2 bits– Siempre es cero, compatibilidad

• Type y Subtype– Identifican la función del frame– Management, Control y Data

CombinacionesCombinacionesválidasválidas

To DS y From DSTo DS y From DS

• Distribution System

• Cambian el significado de las 4 direcciones MAC

• Indican el flujo de datos entre BSS y DS

AP AP transmisortransmisor

Estación Estación OrigenOrigen

AP AP transmisortransmisor


AddressAddress22

Estación Estación DestinoDestino



BSS IDBSS ID

AddressAddress33


N/AN/A

N/AN/A

N/AN/A

AddressAddress44

AP receptorAP receptor

AP receptorAP receptor



AddressAddress11

11

00

11

00

DesdeDesdeDSDS

11

11

00

00

HaciaHacia

DSDS

DireccionamientoDireccionamiento

DireccionesDirecciones

A

AP

B

Fram

e 1a

Frame 1b

SA (Source Address)TA (Transmitter Address)RA (Receiver Address)DA (Destination Address)

SA: ATA: APRA: BDA: BFrom DS: 0TO DS: 1

SA: ATA: ARA: APDA: BFrom DS: 1To DOS: 0

More FragmentsMore Fragments• Servicio de fragmentación para dividir MSDUs en elementos

más pequeños

• 1 si sigue otro fragmento, 0 si es el último o no está fragmentado

• Sólo para frames con dirección unicast en el receptor (Address 1)

• Si la longitud del MPDU excede Fragmentation Threshold el MSDU se fragmenta

• Cada fragmento tiene encabezado, cuerpo y FCS (MPDU)

• Cada fragmento tiene un fragment number

• Cada fragmento se envía independientemente y requiere acknowledgement

• La estación receptora ensambla todos los fragmentos

– Secuence number y Fragment number

More DataMore Data

• Cuando una estación se asocia a un AP, ésta recibe un AID (Association Identifier)

• Cuando el AP está guardando frames de un estación que está en modo Power Save y transmite el siguiente Beacon, el AID de la estación estará presente en el campo TIM (Traffic Indication Map) indicando que el AP tiene información pendiente para dicha estación

• TIM es una lista de todas las estaciones que tienen frames pendientes (almacenados) de envío

• Una estación está despierta (awake) o semidormida (doze)

• Cuando una STA está despierta analiza el beacon a ver si está presente en la lista TIM

• El campo More Data sirve para que el AP indique a la STA que tiene datos pendientes almacenados

FragmentaciónFragmentación

RetryRetry

• 0: Transmisión original (primera) de un frame• 1: Retransmisión del frame• FCS no pasa → No hay ACK → Retransmisión• Multicast y Broadcast no requieren ACK• Casi todos los frames unicast requieren ACK

– RTS no, CTS es ACK implícito

Power ManagementPower Management

• 1: Indica al Access Point que usará ahorro de energía

• El Access Point guardará todos los frames del cliente

• La estación apagará parte de su receptor para conservar energía

More DataMore Data

• La STA está en estado awake– Verifica si su AID está en TIM– Si está awake STA manda PS-Poll a AP– AP envía frame a la STA– Si More está en 1 STA sigue pidiendo frames

Protected FrameProtected Frame

• Indica si los datos (MSDU payload) están cifrados

• Originalmente WEP → TKIP → CCMP• No indica que tipo de cifrado

OrderOrder

• Si es 1, los frames se tienen que procesar en orden

• Rara vez se usa

DurationDuration• 16 bits

• Carrier Sense virtual

• Manejo de ahorro energía antiguo (legacy)– Numero de AID

• Se usa PCF (Point Coordination Function)

• Principal propósito es iniciar el NAV con este valor de las estaciones quie están escuchando

• Tiempo en microsegundos

• En un frame de datos– Duration = 1 SIFS + ACK

• ACK– Duration = 0

Sequence ControlSequence Control

• 16 bits• 4 bits Fragment Number

– Se incrementa con cada fragmento de un MSDU

• 12 bits Sequence Number– Cada MSDU lo incrementa en 1– Hasta 4095 y se reinicia en cero

• Para ensamblar los fragmentos de un MPDU

Frames de administraciónFrames de administración

• Authentication y Deauthentication– Autenticación– Terminar comunicación segura

• Association (Request, response)– Asociación– Para que el AP dedique recursos y se sincronice con

la tarjeta– Velocidades de transmisión posibles, SSID


• Reassociation (Request, response)– En caso de que una estación se mueva a otra zona

con un AP de señal más potente– El nuevo AP se comunica con el AP antiguo para

que le envie frames pendientes

• Disassociation– Para “darse de baja” en forma correcta– El AP libera recursos (memoria, tabla de asociación)


• Beacon– Broadcast del AP, dando a conocer su presencia– SSID, hora

• Probe (request, response)– Verificar presencia de Aps– Contestar con velocidad de transmisiones

Frames de controlFrames de control

• Request To Send (RTS)– Duración

• Clear To Send (CTS)– Duración

• Acknowledgement (ACK)– Verificación del frame que llega– En caso de no recibir ACK se retransmite el frame

correspndiente

Conexión a la redConexión a la red

STA

PROBE REQUEST

PROBE RESPONSE

AP

AUTHENTICATION (OPEN)

AUTHENTICATION (OPEN)

ASSOCIATION REQUEST

ASSOCIATION RESPONSE

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