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Redes Inalámbricas

WALC 2010 UPSA, Santa Cruz de la Sierra, Bolivia

Octubre 11-15, 2010

Ermanno Pietrosemoli Escuela Latinoamericana

de Redes

10/12/10 Pietrosemoli 2

Por qué Acceso Inalámbrico?

•  Independiente de la infraestructura telefónica

•  Variedad de velocidades de transmisión •  Instalación mucho más rápida y

económica •  Inversión distribuida en el tiempo •  Facilidad de salvar obstáculos, no

requiere derecho de paso, menos sujeto a robo y vandalismo


Redes de Area Local Inalámbricas

•  Ancho de banda de varios MHz, alcance de cientos de metros

•  El alcance se puede extender a decenas de kilómetros utilizando antenas externas y/o amplificadores

•  Se prestan para todas las aplicaciones de teleinformática, incluyendo Video y telefonía IP, gracias al bajo retardo.



Espectro Utilizado •  Bandas de uso libre: ISM, UNI Sujetas a interferencias, sin costo •  Bandas sujeta a licencia: MMDS, WLL,

LMDS Garantías de calidad en condiciones de

línea de vista


Transmisión Inalámbrica

•  Infrarrojo: distancia corta y muy directivo •  PAN (Personal Area Network): BT, 802.15 •  LAN: 802.11, HiperLAN, Home RF •  Banda ancha: 802.16, MMDS, LMDS,

BRAN, Hiperaccess •  WAN: Sistemas Celulares, CDPD, 3G


Redes Locales Inalámbricas: Banda Esparcida

En la actualidad se puede transmitir a 54 Mb/s,* con recorte automático de velocidad cuando baja la calidad de recepción. Se puede utilizar la técnica de Secuencia Directa (DSSS) o la de Salto de Frecuencia (FHSS). Transmiten en “half duplex”.Con antenas de 24 dB de ganancia se alcanzan decenas de km en condiciones apropiadas.

*los productos 802.11n alcanzan velocidades mayores a 200 Mb/s



Variantes: •  Salto de Frecuencia, FHSS (Frequency

Hopping) •  Secuencia Directa, DSSS (Direct Sequence

Spread Spectrum) •  Infrarrojos

•  Se popularizaron gracias al establecimiento del estándar IEEE 802.11 en 1997



802.11b •  Velocidad bruta de transmisión: 11Mbps, 5.5 Mbps, 2 Mbps y 1 Mbps,

ajustadas automáticamente •  Sólo Secuencia Directa •  Garantía de interoperabilidad Wi-Fi ,

establecida por WECA, asociación de fabricantes hoy en día simplemente WiFi Alliance


Redes Inalámbricas Configuración General

Access Point, AP


Ejemplo de una red LAN con Conexión a una red inalámbrica

Wide Area Network (WAN)


Equipo AP1000, COR 1100 o ROR 1100

Adaptador tipo ISA o PCI

Tarjeta IEEE 802.11b Wi-Fi

Ejemplo de Productos

Octubre 2007

Point to Point

Mini ROR

COR 1100

LAN

COR 1100

LAN

Router Rx/Tx

Estación Terrena

10/100 Mbps

LAN

PC Router

Ejemplo de una red Wireless NOC

Wide Area Network (WAN) Internet, Data,

VoIP, etc.

Roaming


El Estándar IEEE 802.11 802.11a: 5 GHz, 54 Mbps,ratificado en 1999 802.11b: 11Mbps 2.4 GHz, ratificado en 1999 802.11d: Dominios de regulación adicionales 802.11e: Calidad de Servicio (QoS) 802.11f: Inter-Access Point Protocol (IAPP) 802.11g: Velocidades mayores (54 Mbps @ 2.4 GHz 802.11h: Mecanismos de selección dinámica de

canal y control de potencia de Tx 802.11i: Autenticación y Seguridad 802.11n: Velocidades > 300Mbps, MIMO 802.11s: Redes Mesh (en discusión)


IEEE 802.11

•  IEEE 802.11n – Transmisión >200 Mb/s, utiliza MIMO, por lo que es más robusto a la interferencia y tiene mayor alcance.

(aún no ratificado) •  IEEE 802.11r – roaming a alta velocidad. •  IEEE 802.11s - ESS Mesh Networking. (aún no ratificado) IEEE 802.11u - Interworking with non-802

networks (e.g., cellular)

Modelo de referencia OSI : •  Sistema Operativo de

Red –  Capa de Red –  Garantiza la entrega de

los datos •  Drivers

–  Capa LLC –  Envía/Recibe datos

•  Controlador de la LAN –  Capa MAC –  Ensambla los datos en

una trama •  MODEM

–  Capa Física –  Tramas

Physical Layer!

IEEE: MAC Layer!

IEEE: LLC Layer!

Network Layer!


BSS: Basic service Set

Se utiliza la modalidad de Infraestructura. Todas las comunicaciones Pasan por el A.P.

Cliente

Acces Point

Basic Service Set (Celda)


ESS: Extended Service Set •  Dos o más BSS

conectados entre sí bien sea por medio de cables o por puentes inalámbricos

•  Debe tener por lo menos 2 A.P. operando en modo infraestructura

•  Permite roaming y puede usar SSIDs ESS distintos

Puede haber solapamiento de la cobertura

A.P.

A.P.


IBSS o redes ad hoc

•  Los clientes se alternan el envío de beacons porque no existe A.P.

•  También llamada red peer to peer


A.P. En modo raíz

Área de cobertura

Datos

A.P.

A.P.

Datos

Podría haber solapamiento de las coberturas


Modos de operación de A.P.: Modo Puente

Acces Point

Acces Point


Modos de operación de A.P.: Modo Puente

Aquí el A.P. Funciona como un puente inalámbrico uniendo dos redes en un mismo dominio de colisión

•  Los clientes no se pueden conectar a los puentes directamente, los puentes se usan sólo para conectar dos redes de manera inalámbrica

•  Los dispositivos diseñados especifícamente como puentes siempre aceptan la opción de antenas externas porque deben poder salvar distancias considerables

•  A veces se utiliza otra banda de frecuencia para la función de puente.


Modos de operación de A.P. Modo repetidor

Acces Point Acces Point


Modos de operación de A.P. Modo repetidor

En esta modalidad se utiliza un A.P. como raíz y el otro funciona como repetidor inalámbrico, conectándose a sus clientes como un A.P mientras que se conecta al A.P. raíz como si fuera un cliente

•  No es conveniente utilizar esta modalidad por que en esta configuración las celdas deben solaparse al menos el 50%, con lo que se reduce el alcance máximo

•  Además, el repetidor debe comunicarse tanto con los clientes como con el A.P. raíz sobre el mismo medio inalámbrico con lo que se reduce el rendimiento y se aumentan los retardos de propagación. El puerto Ethernet se deshabilita en esta configuración


Funcionalidades de un A.P.

•  Antenas fijas o intercambiables •  Capacidad de filtrado de paquetes y

protocolos •  Capacidad de controlar la potencia de

Tx •  Tarjetas radiomodem insertables o fijas •  Tipo de conectividad a la red fija •  Métodos de configuración y manejo


Filtrado de paquetes y protocolos

•  El filtrado de direcciones MAC es útil para evitar el acceso a nuestra red a aquellas estaciones cuyas direcciones MAC no figuren en la lista de autorizadas, controladas por el administrador

•  El filtrado de protocolos permite al adm. decidir cuáles protocolos serán utilizados. Por ejemplo, si sólo se permite el protocolo http los usuarios podrán navegar y revisar el correo mediante interfaz web, pero no podrán utilizar telnet ni ftp sobre la red inalámbrica


Dispositivos clientes

•  PCMCIA y Compact Flash Cards •  Ethernet y Serial Converters •  USB Adapters •  PCI e ISA Adapters •  MiniPCI


Ayudas a la instalación •  Herramientas para Site Survey •  Herramientas para monitoreo de potencia

y velocidad •  Monitores de estado del enlace •  Analizadores de espectros por software


Ayudas a la instalación: Parámetros

•  Infraestructura/ Ad Hoc •  SSID (anteriormente Network Name) •  Canal •  WEP, tipo de WPA (personal, empresa) •  Tipo de autenticación (Open System,

Shared Key)!


Ayudas a la instalación: Net Stumbler •  Es un programa que permite ver cuáles redes

están presentes en un sitio (ESSID), la potencia que se está recibiendo de cada una de ellas y las direcciones MAC de los transmisores, así como los canales que usan.

•  Combinado con un GPS permite conocer las coordenadas de la red

•  Proporciona un indicador acústico de la intensidad de la señal recibida, útil para alineación de antenas

•  Existen soluciones similares para Linux y MAC • 


Ayudas a la instalación: WiSpy

•  “Analizador de Espectros” exclusivo para la banda de 2,4 a 2,5 GHz. Una nueva versión cubre 5 GHz.

•  A diferencia de las soluciones basadas únicamente en software, permite detectar la presencia de señales que no sean 802.11.

•  Económico y portátil. Excelente sensibilidad. Resolución de 100 kHz y 0,5 dB.

•  Permite registar los resultados en tiempo real. •  Su utilidad se puede mejorar dotándolo de un

conector para antena externa. Hay una versión con conector externo al doble de precio (mejor rango d.)

http://www.metageek.net/ !


Scanning activo y pasivo

•  Scanning es el mecanismo utilizado por los clientes para ubicar los A.P.

•  Puede ser pasivo o activo y utiliza (SSID) y beacons.

•  SSID: valor alfanumérico entre 2 y 32 caracteres que identifica la red. Puede ser “ANY”.

2.405

2.452

2.487

Respuesta al sondeo

Sondeo

Cliente


BEACONS (Balizas)

Tramas cortas transmitidas para proporcionar:

•  Reloj (sincronización de tiempos). Intervalo de b.

•  Parámetros de FH or DS •  SSID •  Traffic Indication Map (TIM)

(estación en reposo) •  Tasas de transmisión

soportadas


Autenticación y asociación

Fase de autenticación: identifica la estación

Fase de asociación: concede la conexión

Puede ser realizada directamente por el A.P. o mediante un servidor especial, ej RADIUS


Métodos de autenticación •  De llave abierta (Open key). Método utilizado

por omisión. Sólo verifica el SSID WEP optativo •  De llave compartida (Shared Key

Authentication) menos seguro, requiere usar WEP.

Se trasmite el mismo texto cifrado y sin cifrar por lo que se abre una vía para el desciframiento de WEP


Seguridad en redes inalámbricas

•  VPN: creación de un túnel entre extremos. autenticación, encryptación, y

autenticación de los datos

•  802.1 x y EAP (Extensible Authentication Protocol). Seguridad basada en puertos. Soportado por Windows XP y Cisco


Reserva del canal Cliente solicitante Cliente

Receptor Access Point

Clear to send (CTS) Clear to send (CTS)

Datos

Request to send (RTS)

Datos

Acknowledgment (ACK) Acknowledgment (ACK)

Request to send (RTS


Proceso de Autenticación 802.1X Servidor RADIUS Cliente Access Point

Inicio El AP bloquea todas las solicitudes hasta que se

complete la autenticación Solicitud de identificación

Identificación Identificación

El servidor RADIUS autentica al cliente


Gestión de la potencia consumida

•  Continuos Aware Powering: el cliente está en continua comunicación con el AP

•  Power Saving Polling: el cliente puede “dormir” y sólo despierta cuando hay tráfico dirigido a él. Permite disminuir el consumo de energía.


CSMA/CA

•  CSMA/CD también tiene una tara (overhead) elevada, pero en condiciones normales no excede del 30%

•  Sin embargo, cuando la red se congestiona puede llegar al 70%.

•  En redes inalámbricas la tara permanece constante aún cuando hay congestión


CSMA/CA

•  CSMA/CA utiliza un mecanismo de espera aleatoria antes de empezar a transmitir para evitar las colisiones “random backoff time” , cuando el medio aparezca ocupado, bien sea por la detección física de una señal o por la detección lógica de canal ocupado.


DCF y PCF

•  DCF (contienda por el canal) •  PCF (usa polling), no hay contienda,

permite QoS, pero requiere la presencia de un AP. Genera más tara y limita la posibilidad de crecimiento de la red (escalabilidad).


PCF •  Los AP usan el espaciamiento entre tramas

PIFS solo cuando la red está en la modalidad PCF, la cual debe ser configurada manualmente por el administrador.

•  PCF sólo puede funcionar con DCF, no con RTS/CTS.

•  Una vez que le AP ha terminado el sondeo, las otras estaciones pueden continuar contendiendo por el canal utilizando la modalidad DCF.

•  En la práctica pocos fabricantes soportan esta modalidad, aunque es parte del estándar.


Rendimiento: Impacto del MAC


Detección Virtual de portadora •  Las tramas 802.11 contienen un campo denominado

NAV (Network Allocation Vector) que indica por cuánto tiempo se ocupará el canal para la transmisión de la trama y su ACK

•  Cuando se utiliza RTS/CTS el NAV es el que le indica a todas las estaciones que escuchan la trama que deben inhibirse de transmitir durante el tiempo que se reservó el canal.

•  En la configuración del AP existe un parámetro que indica a partir de cuál tamaño de la trama se invocará el mecanismo RTS/CTS para reservar el canal.

•  Aunque este mecanismo evita las retransmisiones, implica más tara por loque no conviene utilizarlo en una red que no esté muy congestionada o para tramas pequeñas.


Detección Virtual de portadora RTS/CTS también ayuda a resolver el

problema del nodo oculto, que ocurre cuando una tercera estación está al alcance de sólo una de las estaciones participantes y por ende no escucha la totalidad del tráfico.


CSMA/CA •  No es práctica la detección de colisiones en

redes inalámbricas e imposible en redes half duplex.

•  Por ello se tratan de evitar y se utiliza un ACK para garantizar RX exitosa.

•  Si no se recibe el ACK el TX supone que la trama no llegó y la reenvía

•  Este mecanismo contribuye a que las redes inalámbricas tengan un rendimiento inferior al 50% de la velocidad nominal


Tramas de gestión

•  Association request frame •  Association response frame •  Reassociation request frame •  Reassociation response frame •  Probe request frame •  Probe response frame •  Beacon frame •  ATIM frame •  Disassociation frame •  Authentication frame •  Deauthentication frame


Tramas de control

•  Request to send (RTS) •  Clear to send (CTS) •  Acknowledgement (ACK) •  Power-Save Poll (PS Poll) •  Contention-Free End (CF End) •  CF End + CF Ack


Lógica de control de acceso al medio de IEEE 802.11 Dispuesto a transmitir

una trama

¿Está el medio libre?

Esperar IFS

¿todavía libre?

Transmitir trama

Esperar hasta que termine la transmisión en curso

Esperar IFS

¿Todavía libre?

Esperar según el algoritmo exponencial

Transmitir trama

Si

Si

No

No

No

Si

Point Coordination

Function (PCF)

LLC

Servicio coordinado (sondeo) Contienda por el canal

Distributed Coordination Function (DCF)

2.4 GHz frequency hopping spread

spectrum 1 Mbps 2 Mbps

2.4 GHz direct

sequence spread

spectrum 1 Mbps 2 Mbps

5 GHz orthogonal

FDM 6,9.12.

18,24,36 48,54 Mbps

2.4 GHz direct

sequence spread

spectrum 5.5 Mbps 11 Mbps

IEEE 802.11 IEEE 802.11a IEEE 802.11b

Capa Mac

2.4 GHz DSS

54 Mbps 5.5 Mbps 11 Mbps

IEEE 802.11g


Valores del Interframe Space (IFS) •  Short IFS (SIFS)

–  El IFS más corto –  Usado para obtener respuestas inmediatas

•  Point coordination function IFS (PIFS) –  IFS deMediana duración –  Usado en PCF cuando se utiliza sondeo

•  Distributed coordination function IFS (DIFS) –  El IFS más largo –  Usado como retardo mínimo cuando las tramas

asincrónicas se disputan el acceso


Espaciamiento entre tramas

IFS

SIFS

PIFS

DIFS

DSSS FHSS

10 µs

30 µs

50 µs

28 µs

78 µs

128 µs

Short Interframe Spacing (SIFS) Point Coordination Function Interframe Space (PIFS) Distributed Coordination Function Interframe Space (DIFS)


Uso del IFS •  SIFS

–  Acknowledgment (ACK) –  Clear to send (CTS) –  Respuesta al sondeo

•  PIFS –  Utilizado por el AP cuando sondea a las estaciones –  Tiene prioridad sobre el tráfico normal

•  DIFS –  Se usa para tráfico ordinario


DIFS Ventana de contienda

Ranura de tiempo

Diferir Accesso

Ventana de bac-koff Trama Siguiente

Seleccionar ranura y disminuir tiempo si el medio está l.

SIFS

PIFS DIFS

Acceso libre cuando el medio está libre t > DIFS

Medio ocup.

Espaciamiento entre tramas

•  IFS –  SIFS = Short interframe space –  PIFS = PCF interframe space –  DIFS = DCF interframe space

•  Temporizador de back-off expresado en ranuras de tiempo


Ack

Datos

Trama sig.

Fuente

Destino

Otra

Ventana de Contienda

Acceso diferido Backoff

DIFS

SIFS

DIFS

Tramas de datos y ACK


Importancia del ACK

•  El estándar 802.11 es para redes locales, donde el tiempo de propagación es despreciable.

•  En un enlace a 100 km, el tiempo de propagación es de 330 microsegundos,

10 veces mayor que el SIF. Para enlaces largos, hay que incrementar

el tiempo que la estación transmisora debe esperar por un ACK


Fragmentación

Datos-1

Datos-1 FCS

Encabezado Mayor probabilidad de colisión, pero menos tara

Disminuye la probabilidad de colisión a expensas de

más tara (overhead)

Datos-2 FCS

Datos-2 FCS

Datos-3 FCS

Datos-3


54 Mbps

25 Mbps

11 Mbps

2 -1 Mbps

Tasa de transmisión dinámica


Máscara Espectral para 802.11b


Espectro ocupado

•  Se utilizan canales de 22 MHz de ancho para transmitir a 11 Mbit/s en 80.11b y 54 Mbit/s en 802.11g

•  La señal debe ser por lo menos 10 dB mayor que el ruido, por ejemplo, cuando el ruido de fondo es de -80 dBm se requiere una señal por lo menos de -70 dBm

Ruido!

22 MHz!


•  La interferencia depende de la ubicación de la fuente ajena, de su potencia y de la dirección hacia dónde s emite

•  Causa una reducción de la tasa de TX y de la cobertura

•  Puede llegar a hacer el sistema inservible

Interferencia


Espectro de una señal DS-SS 801.11b para dos valores de a y comparación con

la función (senx)/x


1 2412

2401

2423

2 2417

2406

2428

3 2422

2411

2433

4 2427

2416

2438

5 2432

2421

2443

6 2437

2426

2448

7 2442

2431

2453

8 2447

2436

2458

9 2452

2441

2463

10 2457

2446

2468

11 2462

2451

2473

12 2467

2456

2478

13 2472

2461

2483

2400 MHz 2484 MHz Banda ISM

Número del canal Frecuencia superior Frecuencia Central

Frecuencia inferior

Asignación de Canales y Solapamiento

P

2.401 GHz 2.473 GHz

Ch 1

Ch 2

Ch 3

Ch 4

Ch 5

Ch 6

Ch 7

Ch 8

Ch 9

Ch 11

Ch 10

3 MHz

3 MHz

Distribución de canales en DSSS

22 MHz

Canal 1 Canal 6 Canal 11

P

3 MHz

2.401 GHz 2.473 GHz

Canales a utilizar para evitar interferencia


•  Los lóbulos laterales causan solapamiento: La señal a 11 MHz del centro es suficientemente baja

para no causar interferencia a una separación entre canales de 22 MHz

Separación de canales

Ruido!

22 MHz!

22 MHz! 22 MHz!


•  Insuficiente separación •  Solapamiento de los lóbulos principales:

–  El canal percibe la señal del otro adyacente como interferencia

Separación de canales

Ruido!

11 MHz!

22 MHz! 22 MHz!


Ejemplo de Interferencia


Canal 3 2422 GHz

Canal 6 2437

Canal 11

Canal 11 2462

Interferencia de hornos Microwave Oven robustness

•  En condiciones normales el TX disminuirá su tasa de transmisión depues de dos ACKs fallidos

Seleccionar “Microwave Oven Robustness” evita disminuir la tasa a 1 Mbps


Rendimiento o Caudal

•  El rendimiento, o número de bits útiles entregado a destino (Throughput) es una combinación de ancho de banda, “latency” (retardo de propagación), compresión y técnica de bilateralidad empleada (DUPLEX NATURE )

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