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

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 caracteres de información

• Transmisión– 24,000 bauds– 24 milisegundospor 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 Por qué no se uso el sistema tradicional de transmisión por teléfono (de transmisión por teléfono (dial-updial-up) o ) o líneas dedicadas (líneas dedicadas (leased linesleased lines))

• 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

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

OperaciónOperación

• Estaciones conectadas a un Medio Compartido

• No hay Controladora Central

• Transmisión serial al medio

• CSMA/CD

• Colisiones

MedioCompartido

Transmisión en el BUSTransmisión en el BUS

• Estaciones conectadas a un medio compartido• Sin controladora central o primaria• Sin banda de señalización

Colisión

ColisionesColisiones

Persistencia y No persistenciaPersistencia y No persistencia

Persistente pPersistente p

Métodos de persistenciaMétodos de persistencia

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

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 1

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 ŕpceso primero es la que transmite

CSMA/CACSMA/CA

• IFS: InterFrame Space– 6 diferentes– Puede ser usado para definir prioridades

• Ventana de contienda usa el algoritmo BEB– Binary Exponential Backoff

Aleatorio

Backoff 802.11Backoff 802.11

Interframe Space (IFS)Interframe Space (IFS)

• RIFS: Reduced Interframe Space

• SIFS: Short Interframe Space

• PIFS: PCF Interframe Space

• DIFS: DCF Interframe Space

• AIFS: Arbitration Interframe Space

• EIFS: Extended Interframe Space

CSMA/CACSMA/CAEstación

lista

Estaciónlista

Escucharcanal

Escucharcanal

Libre

Esperar IFSEsperar IFS

Ocupado

Esperar Rranuras

Esperar Rranuras

Enviar frameEnviar frame

Esperar SIFSEsperar SIFS

ACKrecibido?

ACKrecibido?

No

Transmisiónexitosa

Transmisiónexitosa

Si

• Carrier Sense Multiple Access / Collision AvoidanceAvoidance

• El ciclo total se realiza 16 veces

– k > 15• No detecta colisiones

• Por eso usa reconocimientos (ACKs)

• Funciona mejor que CSMA/CDpero.............

Ventana de contiendapara el cálculo de RR

aleatorio entre 0 y 2k-1

Todavíaocupado?

Todavíaocupado?

Si

No

Estación escondidaEstación escondida

B

AP

• B no detecta que A está transmitiendo• Si B intenta transmitir a AP hay colisión

con la señal de A• Solución ..........

A

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

CSMA/CA y NAVCSMA/CA y NAVEmisor Receptor Otras estaciones

Marco (Datos)

tiempo tiempo tiempo tiempo

No sensan el medio

• Se evitan las colisiones

• DIFS: Distributed InterFrame Space

• SIFS: Short InterFrame Space

• Tanto el RTS y el CTS llevan la duración de la transmisión del marco

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 ?segs) de la mayoría de los frames

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

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

IEEE 802.11IEEE 802.11

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

Canales DSSSCanales DSSS

Canales 802.11Canales 802.11

Cobertura empresarialCobertura empresarial

Cobertura empresarialCobertura empresarial

Frequency Hopping Spread SpectrumFrequency Hopping Spread Spectrum

Dwell Time: 400 mseg Banda de 2.4 Ghz (ISM)

79 sub-bandas de 1 MHz FSK: 1 ó 2 bits por baud

Tiempo

f1

f0

f3

f2

f5

f4

f7

f6

f9

f8

Frec.(Hz)

Direct Sequence Spread SpectrumDirect Sequence Spread Spectrum

Chip code para 1: 100110 Chip code para 0: 011001

100110

1 0 0 1 1 0

100110 100110 011001011001011001

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

0 1

Direct Sequence Spread SpectrumDirect Sequence Spread Spectrum

• Chip codes también se llaman PN codes (Pseudorandom Noise codes)

• Consume más potencia por la frecuencia que se necesita en la transmisión y recepción de los códigos PN, que es mucho mayor que la frecuencia de los datos

• 802.11 usa la secuencia de Barker 1011011100010110111000– 0 → 10110111000– 1 → 01001000111

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

• 35 mts (int), 115 mts (ext)

• DSSS

802.11g802.11g

• Junio 2003

• 2.4 GHz

• 54 Mbps (max), 20 Mbps (tip)

• 38 mts (int), 125 mts (ext)

• OFDM

802.11n802.11n

• Fecha: Oct 2009 (Draft 2007)

• 2.4 Ghz/5 GHz

• 600 Mbps (max), 120 Mbps (tip)

• 70 mts (int), 250 mts (ext)

• MIMO– Multiple Input Multiple Output

802.11ac802.11ac

• Fecha: Diciembre 2013

• 5 GHz

• 600 Mbps (2.4GHz)

• 2.6 Gbps (5GHz)

• 35 mts (int), 115 mts (ext)

• OFDM

IEEE 802.11IEEE 802.11

Independent BSS (IBSS)

IEEE 802.11IEEE 802.11

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

Estación Estación OrigenOrigen

AddressAddress22

Estación Estación DestinoDestino

Estación Estación DestinoDestino

Estación Estación OrigenOrigen

BSS IDBSS ID

AddressAddress33

Estación Estación OrigenOrigen

N/AN/A

N/AN/A

N/AN/A

AddressAddress44

AP receptorAP receptor

AP receptorAP receptor

Estación Estación DestinoDestino

Estación Estación DestinoDestino

AddressAddress11

11

00

11

00

DesdeDesdeDSDS

11

11

00

00

HaciaHacia

DSDS

DireccionamientoDireccionamiento

DireccionamientoDireccionamiento

DireccionamientoDireccionamiento

DireccionamientoDireccionamiento

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

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

• 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

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

• Sequence Number• 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

Frames de administraciónFrames de administración

• 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)

Frames de administraciónFrames de administración

• 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

estación AP