Tema 5 Redes Inalámbricas 802.11 (versión 2010-2011) Rogelio Montañana Departamento de Informática Universidad de Valencia rogelio.montanana@uv.es http://www.uv.es/~montanan/
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Redes inalámbricas 802.11 Introducción y Arquitectura Nivel MAC Conectividad y seguridad Nivel físico Diseño Puentes inalámbricos
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Tipo de red WWAN (Wide) WMAN (Metropolitan) WLAN (Local) WPAN (Personal) Estándar GSM/GPRS/UMTS IEEE 802.16 IEEE 802.11 IEEE 802.15 Certificación WiMAX WiFi Bluetooth, ZigBee Velocidad máxima 42 Mb/s 128 Mb/s 600 Mb/s 55 Mb/s Frecuencia 0,9/1,8/2,1 GHz 2-66 GHz 2,4 y 5 GHz Infrarrojos 2,4 GHz Rango 35 Km 1 – 50 Km 30 - 150 m 10 m Técnica radio Varias Varias FHSS, DSSS, OFDM FHSS Itinerancia (roaming) Sí Sí (802.16e) Sí No Equivalente a: Conex. telef. (módem) ADSL, CATV LAN Cables de conexión Comparación tecnologías inalámbricas
Ampliación Redes 5-‹#› En esta tabla se comparan las diversas tecnologías utilizadas para transmitir datos entre estaciones móviles. En primer lugar tenemos las WWAN (Wireless WAN) formadas por los sistemas de telefonía celular. GSM, el más antiguo, es una tecnología de conmutación de circuitos pensada fundamentalmente para voz, que permite velocidades de tan solo 9,6 Kb/s. Su sucesor es GPRS, que se está empezando a implementar en España. GPRS es un servicio pensado para datos que permite llegar a velocidades de hasta 170 Kb/s usando la misma infraestructura que GSM pero de una forma mucho más eficiente. La verdadera revolución en este campo será UMTS, que promete llegar a 2 Mb/s. El alcance máximo de estas tecnologías es de unos 35 Km en condiciones óptimas, aunque normalmente es mucho menor. 35 Km es la distancia máxima que se contempla en los retardos al diseñar una red GSM. Las WMAN han sido las últimas en incorporarse a este grupo. Ofrecen un servicio que podemos considerar equivalente al de las conexiones ADSL o CATV. A continuación tenemos las WLAN (Wireless LAN) basadas en el estándar 802.11. Este estándar se ha ido mejorando por medio de sucesivas ampliaciones que han permitido incrementar su velocidad de los 1-2 Mb/s originales a los 11-54 Mb/s actuales. Según la velocidad de transmisión estas redes pueden tener un alcance de hasta unos 70 a 150 m. En el rango menor de todos se encuentran las denominadas WPAN (Wireless Personal Area Network) que son redes de muy
Modelo de Referencia de 802.11 PMD (Physical Media Dependent) PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) Subcapa MAC: Acceso al medio (CSMA/CA) Acuses de recibo Fragmentación Confidencialidad (WEP) Capa de enlace Capa física Infrarrojos 802.11 OFDM 802.11a 5,7 GHz DSSS 802.11 2,4 GHz FHSS 802.11 2,4 GHz Subcapa LLC (802.2) HR/DSSS 802.11b 2,4 GHz DSSS-OFDM 802.11g 2,4 GHz 1997 (‘legacy’) 1999 2003 OFDM 802.11n 2,4/5 GHz 2009
La norma 802.11 sigue el mismo modelo o arquitectura de toda la familia 802, es decir especifica la capa física y la subcapa MAC de la capa de enlace. En la capa física se distinguen dos subcapas. La inferior, llamada PMD (Physical Media Dependent), corresponde al conjunto de especificaciones de cada uno de los sistemas de transmisión a nivel físico. La subcapa superior, PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) se encarga de homogeneizar de cara a la capa MAC las peculiaridades de las diversas especificaciones de la subcapa PMD. En la subcapa MAC se especifica el protocolo de acceso al medio propiamente dicho, así como una serie de peculiaridades propias de redes inalámbricas como son el envío de acuses de recibo (ACK), la posibilidad de realizar fragmentación de las tramas y los mecanismos de encriptación para dar confidencialidad a los datos transmitidos. Redes Inalámbricas y Movilidad Ampliación Redes 5-‹#›
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Certificación Wi-Fi Alliance La Wi-Fi Alliance es un consorcio de fabricantes de hardware y software cuyo objetivo es promover el uso de tecnología 802.11 y velar por su interoperabilidad Para ello la Wi-Fi Alliance ha definido un proceso de certificación, de forma que cualquier fabricante puede someter a prueba sus productos y si la superan podrá poner el sello correspondiente Los requisitos de certificación de la Wi-Fi Alliance no coinciden exactamente con la norma 802.11. Algunas funcionalidades (opcionales) de 802.11 no se exigen en la certificación Wi-Fi y en algún caso se exigen funciones adicionales, sobre todo para garantizar aspectos de interoperabilidad y seguridad En algunos casos la Wi-Fi Alliance se adelanta al comité 802.11 certificando productos en base a borradores del estándar, como ha ocurrido con 802.11n
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Elementos de las redes 802.11 Una red 802.11 se constituye con dos tipos de elementos: Puntos de acceso (Access Point, AP): son los encargados de dar servicio a los usuarios. Cada punto de acceso abarca un área de cobertura cuya forma y tamaño depende de su potencia, tipo y orientación de su antena, estructura del edificio, obstáculos presentes, etc. El AP puede estar conectado a una red de cable, normalmente Ethernet, en cuyo caso actúa como puente transparente. Estaciones (Station, STA): son las interfaces inalámbricas de los equipos de usuario, que pueden ser odenadores, PDAs, tablet PCs, teléfonos, e-books, etc.
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Tipos de redes 802.11 Redes ad hoc: no hay puntos de acceso (APs), sólo estaciones que se comunican directamente entre sí. Redes de infraestructura: tienen uno o más APs. Pueden ser de dos tipos: BSS (Basic Service Set): está formado por un AP y su área de cobertura. ESS (Extended Service Set): es un conjunto de dos o más BSS, es decir dos o más APs, interconectados de alguna manera a nivel 2. La red que los interconecta se denomina DS (Distribution System) Los APs actúan como puentes transparentes traductores entre 802.11 y otras redes 802.x (normalmente x=3)
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Red ‘ad hoc’ (sin APs) Las tramas se transmiten directamente de emisor a receptor. Todos han de poder llegar a todos. Este PC podría actuar de router para que los demás puedan salir a Internet Internet 147.156.1.15/24 147.156.2.1/24 147.156.2.2/24 147.156.2.3/24 147.156.2.4/24 Canal 9 El canal de radio se ha de configurar manualmente en cada equipo
Ampliación Redes 5-‹#› El caso más sencillo de red inalámbrica es el que se constituye cuando se colocan físicamente próximos varios ordenadores dotados de tarjeta de red inalámbrica. En este caso cada ordenador se comunica con los demás directamente. Al ser un medio broadcast cada trama es recibida por todos los ordenadores (por todos los que se encuentren dentro del rango de alcance del emisor). A nivel IP la numeración deberá corresponder a una red, es decir todos los ordenadores deberán configurarse con una dirección IP que tenga un prefijo común. Eventualmente uno de los ordenadores podría tener además una tarjeta de red Ethernet, por ejemplo, y actuar como router para el resto, de forma que pudieran salir a Internet a través de el. En ese caso habría que definirle como router por defecto para el resto.
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Internet Punto de acceso (AP) 147.156.1.20/24 147.156.1.21/24 147.156.1.22/24 147.156.1.25/24 147.156.1.24/24 147.156.1.23/24 147.156.1.1/24 Las estaciones solo se comunican a través del AP, no directamente BSS (Basic Service Set) ó IBSS (Independent Basic Service Set) Canal 1 En el AP el canal se configura manualmente. Las estaciones lo sintonizan automáticamente Área de cobertura
Ampliación Redes 5-‹#› Hasta ahora en los ejemplos solo habíamos visto ordenadores con tarjetas LAN inalámbricas. Ahora incorporamos un nuevo elemento que denominamos Punto de Acceso o AP. Un AP es un dispositivo diseñado específicamente para constituir una LAN inalámbrica. Los puntos de acceso son a menudo los dispositivos que permiten integrar una LAN inalámbrica con una LAN convencional.
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Internet Un ESS formado por dos BSS BSS 1 BSS 2 Sistema de distribución (DS) El DS (Distribution System) es el medio de comunicación entre los AP. Normalmente es Ethernet, pero puede ser cualquier medio. Siempre debe haber conectividad a nivel 2 entre los APs que forman el ESS Cada BSS (cada AP) tiene un área de cobertura que es su ‘celda’ inalámbrica. Si el usuario cambia de celda se conectará a otro BSS. Canal 1 Canal 6
Ampliación Redes 5-‹#› La topología de un ESS (Extended Service Set) consiste en tener dos o más APs interconectados (normalmente por una LAN convencional), de forma que cada AP abarca una zona o celda que corresponde a su radio de alcance. Los usuarios pueden moverse libremente de una celda a otra y su conexión se establecerá automáticamente con el AP que tengan más cerca, o mas exactamente con aquel del que reciban una señal más potente.
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Internet Un ESS formado por dos BSS en un DS sin cables (WDS, Wireless Distribution System) Canal 1 Canal 1 Repetidor inalámbrico
Ampliación Redes 5-‹#› Aquí se muestra un ejemplo de un sistema de distribución sin cables En este caso se ha ampliado el tamaño de una celda colocando un segundo AP que se conecta con el primero por el mismo canal de radio que se utiliza para conectar las estaciones. Evidentemente en esta disposición existe un gran solapamiento de las dos celdas, ya que la distancia del segundo AP respecto del primero no puede ser superior a su radio de alcance.
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Internet Otro ESS con dos BSS y un DS sin cables utilizando un puente inalámbrico Canal 1 Canal 7 Canal 13 Puente inalámbrico
Ampliación Redes 5-‹#› También es posible realizar la comunicación entre los APs por un canal diferente y utilizar antenas direccionales. Esto aumenta el alcance permitiendo separar más los APs. Además permite que las celdas se sintonicen en canales diferentes, minimizando de esta forma las interferencias en la zona de solapamiento. Pero para que eso sea posible los APs deben disponer de dos emisores de radio.
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Tipos de redes 802.11 STA STA STA STA STA STA ESS IBSS BSS Red de Infrastructura Red Ad Hoc STA: Station AP: Access Point DS: Distribution System BSS: Basic Service Set ESS: Extended Service Set IBSS: Independent Basic Service Set AP AP STA DS STA
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Redes Inalámbricas 802.11 Introducción y Arquitectura Nivel MAC Conectividad y seguridad Nivel físico Diseño Puentes inalámbricos
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Tramas 802.11 – No son Ethernet! Hay algunas semejanzas, pero 802.11 es diferente Los APs son puentes traductores 802.11 802.x (x=3, 5, etc.) La trama se convierte de un formato a otro Distribution System (DS) Trama 802.11 de datos Trama Ethernet Control Trama Dura- ción Dirección 1 Dirección 2 Dirección 3 Seq. Dirección 4 Datos CRC 2 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 0-2312 Bytes 4 Bytes Dirección Destino Dirección Origen EType Datos CRC 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 46-1500 Bytes 4 Bytes IP IP Cabecera LLC/SNAP (802.2)
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Formato de trama 802.11 Permite la coexistencia de varias verisones del protocolo Indica si se trata de una trama de datos, de control o de gestión Indica por ejemplo si es una trama RTS o CTS Indica si la trama va dirigida hacia o tiene su origen el DS Indica que siguen más fragmentos Indica que esta trama es un reenvío Para ‘dormir’ o ‘despertar’ a una estación Advierte que el emisor tiene más tramas para enviar La trama está encriptada con WEP (Wireless Equivalent Privacy) Las tramas que tiene puesto este bit se han de procesar por orden Dice cuanto tiempo va a estar ocupado el canal por esta trama Indica dir. origen y destino y las de los APs intermedios en su caso Número de secuencia (cuando la trama es un fragmento) Vers. Tipo Subtipo Hacia DS Desde DS MF Reint. Pwr Mas W O Bits 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 Vers.: Tipo: Subtipo: Hacia DS, Desde DS: MF: Reint.: Pwr: Mas: W: O: Duración: Dirección 1,2,3,4: Seq.: Control Trama Dura- ción Dirección 1 Dirección 2 Dirección 3 Seq. Dirección 4 Datos CRC 2 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 0-2312 Bytes 4 Bytes IP
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Tipos de tramas 802.11 De gestión Tramas baliza (beacon) Tramas de sonda petición/respuesta Tramas de autenticación/deautenticación Tramas de asociación/reasociación/desasociación De control Tramas RTS (Request To Send) y CTS (Clear To Send) Tramas ACK (Acknowledgement, acuse de recibo) De datos (paquetes IP, ARP, ST, etc.)
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Protocolo MAC de redes 802.11 El protocolo MAC depende del modo de funcionamiento. Hay dos posibilidades: Modo DCF, Distributed Coordination Function. Similar a Ethernet, no hay un control centralizado de la red, las estaciones y los APs son iguales. Así funcionan las redes ad hoc y la mayoría de las redes de infraestructura. Su soporte es obligatorio en el estándar 802.11 Modo PCF, Point Coordination Function. Solo puede usarse en redes de infraestructura (con APs). El AP controla todas las transmisiones y asigna turnos a las estaciones (funcionamiento tipo token ring). No forma parte del conjunto de estándares de la Wi-Fi Alliance y su implementación en 802.11 es opcional. El único producto del mercado que lo implementa es el AP WarpLink AOI-706 de AOpen. Este modo lo vamos a ignorar
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Protocolo MAC en modo DCF En modo DCF (Distributed Coordination Function) puede haber contención (colisiones, varios transmitiendo a la vez). Para evitarlas se utiliza una variante de Ethernet llamada CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Colision Avoidance) No puede usarse CSMA/CD (Ethernet) porque la interfaz de radio una vez empieza a transmitir no puede detectar si hay otras emisiones en el mismo canal (no puede distinguir la señal de otras estaciones de la suya propia)
Ampliación Redes 5-‹#› El protocolo MAC de 802.11 está inspirado en el CSMA/CD de Ethernet. Esta es probablemente la razón por la que en ocasiones se hace referencia a las redes 802.11 como ‘Ethernets inalámbricas’. Sin embargo las redes inalámbricas no puede usar el protocolo CSMA/CD debido a que es muy difícil que un emisor de radio detecte otra emisión en curso en el mismo canal en el que está emitiendo. Por tanto el CD (Colision Detect) de Ethernet se ha cambiado por CA (Colision Avoidance).
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