Tema 2: Redes de área local Parte II: RALs inalámbricas

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1 Tema 2: Redes de área local Parte II: RALs inalámbricas
Redes de Computadores Tema 2: Redes de área local Parte II: RALs inalámbricas

2 Contenido PARTE I: RALs cableadas PARTE II: RALs inalámbricas
Concepto de red de área local Caracterización de las RAL Modelo de referencia IEEE 802.X IEEE / Ethernet Interconexión de RAL PARTE II: RALs inalámbricas WLAN Arquitectura de protocolos x

3 Introducción Tendencias Topologías Estandarización
1. WLAN Introducción Tendencias Topologías Estandarización

4 WLAN Introducción Wi-Fi es el nombre de la certificación otorgada por la Wi-Fi Alliance, anteriormente WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), en la que se pueden crear redes de área local inalámbricas de alta velocidad siempre y cuando el  equipo que se vaya a conectar no esté muy alejado del punto de acceso.  En terminología (Wi-Fi) una estación (STA) es un dispositivo capaz de usar el protocolo para comunicarse. Por tanto, Wi-Fi no es nada mas que un certificado que acredita que los dispositivos de distintos fabricantes podrán interactuar entre ellos sin ningún tipo de problema. Esta certificación se originó debido al hecho de que en sus inicios, el protocolo del IEEE b no estaba totalmente definido. y dejaba mucha libertad a los fabricantes, de modo que si no comprabas todos los dispositivos a un mismo fabricante te podías encontrar con el problema de que no se comunicasen todos los dispositivos debido a errores en el formato de las transmisiones. Esto se traducía en un freno en la expansión de b. Para superar este problema se creó una asociación de fabricantes, la WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance hoy Wi-Fi Alliance), con el objetivo de crear un certificado de interoperabilidad, el certificado Wi-Fi. A dia de hoy esta certificación aún tiene sentido debido a que los protocolos dejan a los fabricantes posibilidades para que incluyan mejoras, algunas en fase de estandarización, pero también han definido muy claramente cuales han de ser las funcionalidades básicas que se han de cumplir para que las comunicaciones se puedan llevar a cabo. I estos mínimos son los que asegura el certificado Wi-Fi. El posible soporte de cualquier función adicional queda fuera del ámbito de garantía de Wi-Fi Una red de área local inalámbrica ( WLAN ) es una red informática inalámbrica que conecta dos o más dispositivos utilizando un mecanismo inalámbrico, dentro de un área limitada, como una casa, escuela, laboratorio de computación, o edificio de oficinas. La mayoría de las WLAN modernas están basadas en estándar IEEE  estándares y se comercializan bajo la marca Wi-Fi. Punto de acceso (AP) Estación inalámbrica (STA)

5 Sistemas de transmisión inalámbricos y tendencias
Nota: Excluidas las tecnologías satelitales. RFID (siglas de Radio Frequency IDentification, en español identificación por radiofrecuencia). Bluetooth es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN). Hasta 100m Long Term Evolution (LTE, Evolución a Largo Plazo) es un estándar de la norma 3GPP definida por unos como una evolución de la norma 3GPP UMTS (3G), y por otros como un nuevo concepto de arquitectura evolutiva (4G) Normativa y estándares de WLAN IEEE : 1- 2 Mbps en la banda libre de 2.4 GHz. IEEE b : 11 Mbps. Sin licencia en los 2,4 GHz. IEEE g: 54 Mbps. Compatible con b. Wi-Fi (Wireless Fidelity): WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) para certificar productos IEEE capaces de interoperar con los de otros fabricantes. En 2002, pasó a denominarse Wi-Fi Alliance. Área de servicio (Km) WWAN (GSM;GPRS) 2.5G 3G [UMTS 3G HSDPA 3.5G HSUPA 3.5G HSPA 3.5G LTE 3.9G] 4G LTE avanzado Mas velocidad 100 WMAN 10 Wimax 802.16 1 802.11n WLAN 802.11g 802.11b Mas rapidez pero en un área pequeña WPAN ZigBee 0,1 Blue-tooth RFID Velocidad (Mbps) 100k 1 10 100 1000

6 WLAN Topologías Modo ad hoc Modo infraestructura
Ad hoc es una locución latina que significa literalmente «para esto». Generalmente se refiere a una solución específicamente elaborada para un problema o fin preciso y, por tanto, no generalizable ni utilizable para otros propósitos. El estándar ofrece dos posibles modos de operación de las redes wireless: modo Ad-Hoc o independiente y modo de Infraestructura. El conjunto de servicios básicos (BSS) es un conjunto de todas las estaciones que se pueden comunicar entre sí. Cada BSS tiene una identificación (ID) llama el BSSID, que es la dirección MAC del punto de acceso el servicio de la BSS. Hay dos tipos de BSS: BSS independiente (también referido como IBSS), y BSS de infraestructura. Un BSS independiente (IBSS) es una red ad hoc que no contiene puntos de acceso, lo que significa que no pueden conectarse a cualquier otro conjunto de servicios básicos. Por tanto, una red ad hoc (peer-to-peer) inalámbrica es un tipo de red inalámbrica descentralizada. No hay ninguna base y nadie da permiso para hablar. Esto se logra mediante el conjunto de servicios básicos independiente (IBSS). En un grupo de Wi-Fi P2P, el propietario del grupo funciona como un punto de acceso y todos los demás dispositivos son clientes. Un peer-to-peer de la red permite a los dispositivos inalámbricos comunicarse directamente entre sí. Los dispositivos inalámbricos dentro del alcance del otro se pueden descubrir y comunicarse directamente sin la participación de los puntos de acceso centrales. La red es ad hoc porque no depende de una infraestructura pre-existente, como routers (en redes cableadas) o de puntos de accesos en redes inalámbricas administradas. En lugar de ello, cada nodo participa en el encaminamiento mediante el reenvío de datos hacia otros nodos, de modo que la determinación de estos nodos hacia la información se hace dinámicamente sobre la base de conectividad de la red. Modo ad hoc IBSS (independent Basic Service Set) : conjunto de servicios básicos. Topología mallada Modo infraestructura BSS: Basic Servicie Set. Una estación actúa como hub (AP) Topología en estrella STA 1 STA 2 STA 1 STA 2 AP Punto de acceso STA 3 LAN cableada

7 WLAN ESS Extended service set (ESS) ESSID
En esta topología, mediante un dispositivo intermedio llamado PAU (unidad de acceso portátil) o mejor AP, se obtiene acceso a un servidor conectado a una LAN por cable. En general, el campo de cobertura del AP es de 50 a 100 metros. Roaming o traspaso (Handoff)/Itinerancia: el protocolo MAC usado en LAN inalámbricas permite a las estaciones móviles desplazarse de una celda a otra. Extended service set (ESS) Un ESS es un conjunto de 2 o más APs conectados a la misma red cableada, formando un único segmento de red lógico asociado. ESSID En este tipo de redes el nombre de la red se define en el punto de acceso con el parámetro ESSID (Extended Service Set ID). Esto nos permite diferenciar una red de otra BSS y BSS x LAN cableada AP x STA 1 STA 2 AP y Roaming Celda. Área de servicio

8 Wi-FiTM Wi-Fi™ Alliance Misión
WECA cambió su nombre a Wi-Fi, que sinifica Wireless Fidelity Alliance Formada por +170 miembros (Cisco, etc.) Over 350 products certified Misión Certificar la interoperabilidad de productos WLAN products (802.11) Wi-Fi™ prorciona un sello de aprobación Promover Wi-Fi™ como un estandar global

9 Evolución de la WLAN Estandarización física
IEEE n: Habiéndose aprobado en enero de 2009 , a diferencia de las otras versiones de Wi-Fi, n puede trabajar en dos bandas de frecuencias: 2,4 GHz (la que emplean b y g) y 5 GHz (la que usa a). Gracias a ello, n es compatible con dispositivos basados en todas las ediciones anteriores de Wi-Fi. Además, es útil que trabaje en la banda de 5 GHz, ya que está menos congestionada y en n permite alcanzar un mayor rendimiento. Espectro Red Velocidad 860 Kbps 900 MHz 1 and 2 Mbps 2.4 GHz Propietaria 1 and 2 Mbps 11 Mbps 54 M 300M Estandarizada 5 GHz 2.4 GHz IEEE Borrador Aprobado 802.11a,b Aprobado 802.11g Aprobado 802.11n Aprobado 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2003 2009

10 1. Arquitectura de los protocolos IEEE 802.11x
Modelo de referencia IEEE Formato de la trama MAC Subcapas físicas Subcapas MAC Las funciones DCF y PCF

11 IEEE 802.11 Modelo de referencia
El estándar IEEE fue definido por el IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) en el año 1997 como nuevo estándar para las redes de área local inalámbrica. Inicialmente proporcionaba una velocidad de transferencia máxima de 2Mbps, esta ha ido aumentando con las nuevas tecnologías hasta proporcionar velocidades de 300Mbps. La definición del estándar fue diseñada para sustituir a las capas física y de enlace del modelo OSI para redes cableadas (IEEE 802.3) especificando su funcionamiento en redes WLAN, haciendo que ambas redes sean idénticas excepto en la forma en la que los terminales acceden a la red. Esto hace que ambas redes sean compatibles El estándar IEEE fue definido por el IEEE en el año 1997. La definición del estándar fue diseñada para sustituir a las capas física y de enlace del modelo OSI para redes cableadas (IEEE FISICA MAC LLC Capa de enlace 802.2 (LLC) 802.3 Ethernet 802.11 WLAN

12 IEEE 802.11 Modelo de referencia Subcapas físicas
PLCP tiene la función de convergencia del sistema físico dependiente del medio, mapeando las MPDUs (MAC) en un formato de tramas adaptadas (transmisión, recepción) a los diferentes PMDs. PMD (Physical Medium Dependent): interacciona con el medio según una técnica de modulación y codificación determinadas. El modelo divide la capa física en dos: PLCP (Physical Layer Convergence Procedure): tiene la función de convergencia con el sistema físico PMD (Physical Medium Dependent Layer): interacciona con el medio según una técnica de modulación y codificación determinadas. LLC MAC IEEE LLC PLPC PMD IEEE MAC IEEE PLCP Capa de enlace Capa física 1997 (Heredados) 1999 802.11b FHSS 2.4GHz 2Mbps 802.11 DSSS 2.4GHz 2Mbps 802.11b DSSS 2.4GHz 11Mbps 802.11a OFDM 5.7GHz 20Mbps 802.11g DSSS/OFDM 2.4GHz 54Mbps 802.11n OFDM 2.4/5GHz 300Mbps 2003 2009

13 IEEE Encapsulación El modelo divide la capa física en dos: PLCP (Physical Layer Convergence Procedure): tiene la función de convergencia con el sistema físico PMD (Physical Medium Dependent Layer): interacciona con el medio según una técnica de modulación y codificación determinadas. PDU de red MACT (MAC trail) Capa de enlace Capa física LLC MAC 802.2.LLC PLPC PMD MAC PLCP PMD LLC MAC 802.2.LLC PLPC PMD MAC PLCP PMD Capa de enlace Capa física Protocolo LLC LLCH NPDU Protocolo MAC MACH LLCH NPDU MACT PLPCH MACH LLCH NPDU MACT

14 IEEE 802.11 Arquitectura STA Punto de acceso (AP) Servidor
En el AP la capa LLC actúa como transmisora/retransmisora (relay). STA Punto de acceso (AP) Servidor FISICA MAC 802.2.LLC FISICA 802.2.LLC (relay) MAC 802.3.FISICA 802.3.MAC 802.2.LLC 802.3.FISICA 802.3.MAC

15 IEEE 802.11 Formato de la trama MAC[1]
FRAME CONTROL: (Control de Trama) En sí tiene 11 subcampos. La primera de ellas es la versión Protocolo. Luego vienen el tipo (datos, control o gestión) y de subtipos campos (por ejemplo, RTS o CTS). Etc. D/ I: Duration/ Identifier Field. (Duración/ Identificador) Indica durante cuantos microsegundos estará ocupado el canal por la transmisión de esta trama. Lo calcula el emisor a partir de la velocidad de transmisión y la longitud de la trama. Incluye también el tiempo estimado que tardará en recibir el ACK Todas las demás estaciones de la celda reciben esta información (la emisión en el canal de radio es broadcast) AD1 – AD4: Address Indica dir. origen y destino y las de los APs intermedios en su caso Dirección 1: Receptor de la trama en la red inalámbrica Dirección 2: Transmisor de la trama en la red inalámbrica Dirección 3: puede ser varias cosas, depende del caso Dirección 4: No se suele utilizar MACT (MAC trail) Datos (<1500B) Origen Destino Tip/Lon CRC 6 46….1500 2 4 Ethernet II / 802.3 Cabecera 2 6 6 6 2 6 0….2312 4 CT AD1 (Destino) AD2 (Origen) AD3 SC AD4 Datos CRC 802.11 CT: Control Trama AD1 – AD4: Address 1 a 4 (Direcciones 1 a 4) D/I: Duration/ Identifier Field. (Duración/ Identificador) SC: Sequence Control (Control de Secuencia) Datos: Datos. Información del nivel superior (LLC) 2 2

16 IEEE 802.11 Formato de la trama MAC[2]
VP (version de protocol): provides the current version of the protocol used. Receiving STAs use this value to determine if the version of the protocol of the received frame is supported. Permite la coexistencia de varias versiones del protocolo. Campos tipo y subtipo: identifica una de las tres funciones y subfunciones de la trama: control, datos y administración. Después ha muchos subtipos. Pe. Indica por ejemplo si es una trama RTS o CTS A DS y de DS: indica si la trama va a o salir del DS (distribution system, estructura inalámbrica) o de una STA, y sólo se utiliza en las tramas de tipo de datos de las STA asociadas con un AP. Hacia DS Desde DS Significado 0 0 Trama de estación a estación (red ‘ad hoc’) 1 0 Trama de estación hacia AP 0 1 Trama de AP hacia estación 1 1 Trama de AP hacia AP (DS inalámbrico) Más Fragmentos (MF): indica hay si más fragmentos de la trama, ya sean datos o tipo de gestión. También se utiliza para puntos de acceso para indicar que hay tramas de difusión / multidifusión adicionales. Reintentar: establecido en 1 si la trama es una retransmisión de una trama anterior Administración de energía (AE): establecido en 1 para indicar que un nodo estará en el modo ahorro de energía. Más datos (MD): establecido en 1 para indicar a un nodo en el modo ahorro de energía que más tramas se guardan en la memoria del búfer de ese nodo. Privacidad equivalente por cable (WEP): establecido en 1 si la trama contiene información encriptada WEP por seguridad. WEP (Wireless Equivalent Privacy): indica si el cifrado y la autenticación se utilizan en la trama. Se puede configurar para todas las tramas de datos y gestión, que tienen el subtipo se establece en la autenticación. L Orden: establecido en 1 en una trama de tipo datos que utiliza la clase de servicio indica que las trams recibidas deben ser procesadas en orden. CRC: contiene una verificación por redundancia cíclica de 32 bits de la trama. Número de secuencia: Todas las tramas llevan un número de secuencia módulo 4096, se asigna en orden consecutivo. Número de fragmento: 0 para el primer fragmento y se incrementa en 1 en los sucesivos. Los fragmentos retransmitidos llevan el mismo identificador. 2 6 6 6 2 6 0….2312 4 CT AD1 (Destino) AD2 (Origen) AD3 SC AD4 Datos CRC Trama 802.11 4bits 12bits Número de fragmento Número de secuencia 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 VP Tipo Subtipo A DS De DS MF R AE MD WEP Orden

17 IEEE 802.11 Carga útil de la trama MAC
El Subnetwork Access Protocol (SNAP) es un protocolo recogido por la norma IEEE 802 que permite “direccionar” diferentes protocolos utilizando un SAP (Service Access Point) público. ¿Para que SNAP? La cabecera 802.2, estudiada anteriormente, tiene tres bytes de longitud. Además, sólo siete bits están disponibles en para discriminar entre diferentes protocolos, por lo que sólo pueden ser 128 protocolos diferentes en una red El Subnetwork Access Protocol (SNAP) es un protocolo recogido por la norma IEEE 802 que permite direccionar diferentes protocolos utilizando un SAP o Punto de Acceso al Servicio (Interfaz física a través de los cuales los niveles de orden más bajo en el modelo OSI proveen servicios a los de mayor orden) público. SNAP realiza la multiplexión (por fabricante y protocolo) utilizando un identificador de protocolos (tipo) que indica el protocolo transportado. Los cinco bytes de Protocol Identification se clasifican como: OIF: El código de proveedor Los primeros 3 bytes de la cabecera SNAP es el código de proveedor, generalmente los mismos que los tres primeros octetos de la dirección de origen, aunque a veces se pone a cero. Tipo: Se utiliza para indicar qué protocolo se encapsula en la carga útil de una trama de Ethernet. Este campo fue definido por primera vez por el estándar de red Ethernet II, y posteriormente adaptado para el estándar de red Ethernet IEEE Numeración EtherType generalmente Comienza un partir de 0x0800. El 0x0800 Pertenece al Protocolo de Internet versión 4 (IPv4). 0x0806 al Protocolo Address Resolution Protocol (ARP), etc. Payload es la carga útil. Cabecera SNAP 1B 1B 1-2B 3B 2B n Con SNAP su valor en ambos es AAH DSAP SSAP Ctrl OIF Tipo Datos LLC PDU LLC 802.2 Payload PDU MAC = PDU LLC CT AD1 (Destino) AD2 (Origen) AD3 SC AD4 Datos CRC PDU MAC 2 6 6 6 2 6 0….2312 4

18 IEEE 802.3 Tipos de tramas MAC
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.) Datos Transportan datos de capas superiores. Diferentes tipos dependiendo de su función y tipo de servicio Control Administran el acceso al medio y proporcionan fiabilidad MAC: RTS / CTS / ACK / PS-Poll Gestión Proporcionan servicios específicos de las redes inalámbricas e inmediatos en las cableadas

19 F. de coordinación puntual (PCF) F. de coordinación distribuida (DCF)
IEEE Subcapas MAC La capa básica MAC utiliza la función de coordinación distribuida (DCF) para compartir el medio entre varias estaciones. pero: si muchas estaciones intentan comunicarse al mismo tiempo, muchas colisiones ocurrirán lo que reducirá el ancho de banda disponible y posiblemente conducir a colapso congestiva . no hay calidad de servicio (QoS) garantizado. En particular, no hay noción de tráfico de alta o baja prioridad. La DCF es adecuada para tráfico de mejor esfuerzo. Esta subcapa usa CSMA/CA (CSMA con Prevención de Colisión), ya que la detección de colisión (CD) no es práctico (no se puede transmitir y recibir al mismo tiempo) en éste tipo de redes. Función de Coordinación Puntual (Point Coordination Function, PCF) La función PCF es un método opcional de acceso centralizado que requiere la presencia de un AP que actúe como Nodo Coordinador (Point Coordinator, PC) y en consecuencia tan sólo puede ser utilizada en redes con infraestructura. La principal característica de esta función es que el PC debe decidir que estación, de entre todas las que forman la red, debe transmitir. La función PCF utiliza el Periodo Libre de Contención (Contention-free Period, CFP). Éste último se iniciará cuando la estación que actúa como coordinadora mande una trama de administración llamada Beacon (Baliza) anunciando el comienzo y la máxima duración del CFP. La capa básica MAC utiliza la función de coordinación distribuida (DCF) para compartir el medio entre varias estaciones. Determina cuando una STA puede transmitir o recibir datos. Algoritmo de competición por el medio, todas las estaciones iguales en competición (redes AD-HOC) Se basa en CSMA/CA y opcionalmente RTS/CTS para compartir el medio entre las estaciones La función de coordinación puntual (PCF), está disponible sólo en el modo "infraestructura“ Requiere la presencia de un AP que actúe como Nodo Coordinador (Point Coordinator; PC) para conseguir un servicio sin contención. En consecuencia tan sólo puede ser utilizada en redes con infraestructura El PC debe decidir que estación, de entre todas las que forman la red, debe transmitir. LLC Capa de enlace F. de coordinación puntual (PCF) Capa MAC F. de coordinación distribuida (DCF) Capa FISICA

20 IEEE 802. 11 Capa MAC La Función de Coordinación Distribuida (DCF)
IEEE Capa MAC La Función de Coordinación Distribuida (DCF).CSMA/CD DCF utiliza un algoritmo que consiste en que la estación que desea transmitir (B), en primera instancia debe escuchar al canal un determinado tiempo denotado como DIFS (DCF Interframe Space). para verificar que el canal esté libre. Si pasado DIFS sigue libre, transmite. Si el medio está ocupado (pe. STA D),la estación aplaza la transmisión y continúa escuchando hasta que la transmisión finaliza. Transcurrido esto la estación espera otro DIFS, si el medio se encuentra libre realiza un retroceso exponencial binario y sondea el medio de nuevo; si está libre, transmite. Finalizada la emisión, la estación B debe esperar del destino (C) la trama de Confirmación Inmediata (Inmediate Positive Acknowledgement, ACK) durante un intervalo de tiempo denominado Espacio entre Tramas Pequeño (Short Interframe Space, SIFS). Esta trama permite confirmar que la recepción ha sido satisfactoria y que la trama recibida por el destino no contenía ningún error. Si pasado ese tiempo, la trama ACK no ha llegado, la estación origen considerará que ha habido un error en la transmisión o que se ha producido una colisión. No obstante, haya sido la recepción correcta o no, la estación origen debe iniciar el Algoritmo de contención (Backoff Algorithm). Cuando cualquier estación que está escuchando, recibe la trama de datos, toma el campo de duración y lo utiliza para establecer su correspondiente NAV. Este proceso reserva el medio para la estación emisora y evita que otras estaciones comiencen a transmitir mientras no haya acabado. Es el segundo campo de la trama de datos, el de duración, indica cuanto tiempo ocuparan el canal la trama y su confirmación de recepción. Toma una de las tres formas indicadas a continuación: Configurando el NAV: cuando el bit 15 es 0, este campo es usado para fijar el NAV (net allocation vector). El valor representa el número de microsegundos que el medio permanecerá ocupado por la transmisión en progreso. Cualquier cantidad que exceda el tiempo que el medio esta ocupado actualiza el NAV y bloquea el acceso al medio por un tiempo adicional. Los intervalos de backoff son escogidos dentro de la ventana de contención Cw, que varía entre 31 y 1023 ranuras. Si hay colisión la ventana crece y cuando se resuelve decrece a su valor inicial 31. Si el canal está libre durante el periodo de tiempo DIFS, la estación A procede a enviar una solicitud para transmisión o RTS (Request To Send). La estación de destino (B) que recibe la RTS espera durante un intervalo de tiempo llamado SIFS; si el canal está libre, procede a responder con un CTS (Clear To Send) o con un RxBusy si está recibiendo datos de otra estación oculta (C) para la estación A. Una vez que la estación A recibe la CTS, también debe esperar el tiempo SIFS antes de proceder a transmitir los datos hacia la estación B. La estación B, una vez que recibe los datos vuelve a esperar el intervalo de tiempo SIFS hasta poder transmitir el acuse de recibo ACK o de no haber recibido nada NAK hacia la estación A. Cabe destacar que durante este proceso, las estaciones de origen y destino sólo esperan el tiempo SIFS para continuar con el proceso; mientras que las otras estaciones deben esperar un tiempo DIFS para comenzar a hacer sus solicitudes de transmisión.1 802.11b  SIFS (Short Interframe Space) = 10 ms (16 ms) 802.11g  DIFS (DCF Interframe Space) = 50 ms (34 ms) A tiene datos para enviar a C, espera DIFs para verificar el canal libre. Como lo está transmite t=0ms DIFS A Datos SIFS C no tiene datos que enviar C ACK B NAV DIFS D NAV Acceso reservado al medio D tiene datos para enviar, espera DIFs

21 IEEE 802. 11 Capa MAC La Función de Coordinación Distribuida (DCF)
IEEE Capa MAC La Función de Coordinación Distribuida (DCF).CSMA/CD Fragmentación El proceso de fragmentación divide las Unidades de Datos de Servicio MAC (MAC Service Data Units, MSDUs) y las Unidades de Datos de Administración del Protocolo MAC (MAC Management Protocol Data Units, MMPDUs) en unidades más pequeñas denominadas Unidades de Datos del Protocolo MAC (MAC Protocol Data Units, MPDUs). Los motivos para realizar la fragmentación son: aumentar la confiabilidad de una red inalámbrica ya que suele tener un nivel muy alto de interferencias, provocando que la probabilidad de que un paquete sufra alguna alteración aumente proporcionalmente con el tamaño. Un segundo motivo es que la retransmisión de un paquete pequeño que ha sufrido una alteración provoca una menor sobrecarga que si se retransmite uno de mayor longitud. La estación receptora se encarga de reensamblar las MPDUs que recibe. Para ello implementa un contador que permite la espera acotada de los diferentes fragmentos y que pone en marcha cuando recibe el primero. Según van llegando los fragmentos que forman la MSDU o la MMPDU, la estación receptora los ensambla utilizando la información que llevan. En el caso de que un fragmento supere el valor máximo del contador establecido para su recepción, se descartan el resto de fragmentos recibidos para esa MDSU y en el caso de que llegue el fragmento que ha superado el contador, se confirma y después se descarta. A este proceso de reensamblado de fragmentos se le conoce como Defragmentación (Defragmentation). Luego, los motivos para realizar la fragmentación son: 1) aumentar la confiabilidad de una red inalámbrica ya que suele tener un nivel muy alto de interferencias, provocando que la probabilidad de que un paquete sufra alguna alteración aumente proporcionalmente con el tamaño 2) Un segundo motivo es que la retransmisión de un paquete pequeño que ha sufrido una alteración provoca una menor sobrecarga que si se retransmite uno de mayor longitud. La separación entre cada fragmento y su ACK es de un SIFS (DIFS = SIFS + 2 * Slot time). De esta forma las demás estaciones no pueden interrumpir el envío (ya que esperan un DIFS), por lo que los fragmentos se envían como una ráfaga. La fragmentación puede combinarse con el mecanismo de RTS/CTS. A tiene datos para enviar a C, espera DIFs para verificar el canal libre. Como lo está transmite t=0ms DIFS SIFS A Fragmento1 Fragmento2 SIFS SIFS C ACK1 ACK2 NAV=Frag3+2xACK+3xSIFS B NAV=Frag2+2xACK+3xSIFS D NAV

22 IEEE 802. 11 Capa MAC La Función de Coordinación Distribuida (DCF)
IEEE Capa MAC La Función de Coordinación Distribuida (DCF).CSMA/CD. Ejemplo DCF utiliza un algoritmo que consiste en que la estación que desea transmitir (B), en primera instancia debe escuchar al canal un determinado tiempo denotado como DIFS (DCF Interframe Space). para verificar que el canal esté libre. Si pasado DIFS sigue libre, transmite. Si el medio está ocupado (pe. STA D),la estación aplaza la transmisión y continúa escuchando hasta que la transmisión finaliza. Transcurrido esto la estación espera otro DIFS, si el medio se encuentra libre realiza un retroceso exponencial binario y sondea el medio de nuevo; si está libre, transmite. Finalizada la emisión, la estación B debe esperar del destino (C) la trama de Confirmación Inmediata (Inmediate Positive Acknowledgement, ACK) durante un intervalo de tiempo denominado Espacio entre Tramas Pequeño (Short Interframe Space, SIFS). Esta trama permite confirmar que la recepción ha sido satisfactoria y que la trama recibida por el destino no contenía ningún error. Si pasado ese tiempo, la trama ACK no ha llegado, la estación origen considerará que ha habido un error en la transmisión o que se ha producido una colisión. No obstante, haya sido la recepción correcta o no, la estación origen debe iniciar el Algoritmo de contención (Backoff Algorithm). Cuando cualquier estación que está escuchando, recibe la trama de datos, toma el campo de duración y lo utiliza para establecer su correspondiente NAV. Este proceso reserva el medio para la estación emisora y evita que otras estaciones comiencen a transmitir mientras no haya acabado. Es el segundo campo de la trama de datos, el de duración, indica cuanto tiempo ocuparan el canal la trama y su confirmación de recepción. Toma una de las tres formas indicadas a continuación: Configurando el NAV: cuando el bit 15 es 0, este campo es usado para fijar el NAV (net allocation vector). El valor representa el número de microsegundos que el medio permanecerá ocupado por la transmisión en progreso. Cualquier cantidad que exceda el tiempo que el medio esta ocupado actualiza el NAV y bloquea el acceso al medio por un tiempo adicional. Los intervalos de backoff son escogidos dentro de la ventana de contención Cw, que varía entre 31 y 1023 ranuras. Si hay colisión la ventana crece y cuando se resuelve decrece a su valor inicial 31. Si el canal está libre durante el periodo de tiempo DIFS, la estación A procede a enviar una solicitud para transmisión o RTS (Request To Send). La estación de destino (B) que recibe la RTS espera durante un intervalo de tiempo llamado SIFS; si el canal está libre, procede a responder con un CTS (Clear To Send) o con un RxBusy si está recibiendo datos de otra estación oculta (C) para la estación A. Una vez que la estación A recibe la CTS, también debe esperar el tiempo SIFS antes de proceder a transmitir los datos hacia la estación B. La estación B, una vez que recibe los datos vuelve a esperar el intervalo de tiempo SIFS hasta poder transmitir el acuse de recibo ACK o de no haber recibido nada NAK hacia la estación A. Cabe destacar que durante este proceso, las estaciones de origen y destino sólo esperan el tiempo SIFS para continuar con el proceso; mientras que las otras estaciones deben esperar un tiempo DIFS para comenzar a hacer sus solicitudes de transmisión.1 C no tiene datos que enviar B tiene datos para enviar a C, espera DIFs para verificar el canal libre. Como lo está transmite A B C D D tiene datos para enviar, espera DIFs, como detecta portadora, no transmite t=0ms Después del backoff como no como detecta portadora, transmite A tiene datos para enviar, como detecta portadora, no transmite ACK SIFS ACK Backoff. Ventana de retroceso aleatoria DIFS Detección de portadora NAV

23 IEEE 802. 11 Capa MAC La Función de Coordinación Distribuida (DCF)
IEEE Capa MAC La Función de Coordinación Distribuida (DCF).RTS/CTS Si el canal está libre durante el periodo de tiempo DIFS, la estación A procede a enviar una solicitud para transmisión o RTS (Request To Send). La estación de destino (B) que recibe la RTS espera durante un intervalo de tiempo llamado SIFS; si el canal está libre, procede a responder con un CTS (Clear To Send) o con un RxBusy si está recibiendo datos de otra estación oculta (C) para la estación A. Una vez que la estación A recibe la CTS, también debe esperar el tiempo SIFS antes de proceder a transmitir los datos hacia la estación C. La estación C, una vez que recibe los datos vuelve a esperar el intervalo de tiempo SIFS hasta poder transmitir el acuse de recibo ACK o de no haber recibido nada NAK hacia la estación A. Cabe destacar que durante este proceso, las estaciones de origen y destino sólo esperan el tiempo SIFS para continuar con el proceso; mientras que las otras estaciones deben esperar un tiempo DIFS para comenzar a hacer sus solicitudes de transmisión. NAV:Vector de Asignación de Red ¿Cómo las otras estaciones aplazan el envío de sus datos en caso de una estación adquiere acceso? En otras palabras, ¿cómo se consigue la prevención de colisiones de este protocolo? La clave es una función llamada NAV. Cuando una estación envía una trama RTS, que incluye la duración de tiempo que se necesita para ocupar el canal. Las estaciones que se ven afectados por esta transmisión crean un temporizador denominado vector de asignación de red (NAV) que muestra cuánto tiempo debe pasar antes de que se permite que estas estaciones para comprobar si el está libre. En otras palabras, cada estación, antes de la detección del medio físico para ver si está inactiva, primero comprueba su NAV para ver si ha caducado. Finalmente, cabe decir que: En este esquema el acceso no es aleatorio (está libre de contienda) sino determinado El uso de RTS/ CTS (es opcional y configurable) evita el problema de la estación oculta, como veremos mas adelante. A tiene datos para enviar a C, espera DIFs para verificar el canal libre. Como lo está transmite RTS t=0ms DIFS SIFS A RTS Datos CTS SIFS SIFS C no tiene datos que enviar C ACK B NAV(RTS) NAV(CTS) DIFS D NAV(RTS) RTS NAV(CTS) Acceso reservado al medio D tiene datos para enviar, espera DIFS

24 El problema de la estación oculta
Nodos ocultos. La estación A cree que el canal está libre, pero en realidad esta ocupado por C 1: A quiere transmitir una trama a B. Detecta el medio libre y transmite. B permanece callado 2: Mientras A está transmitiendo C quiere enviar una trama a B. Detecta el medio libre (pues no capta la emisión de A) y transmite 3. Se produce una colisión en la intersección por lo que B no recibe ninguna de las dos tramas El problema de la estación oculta consiste en que una estación (C) cree que el medio está libre cuando en realidad no lo está, pues está siendo utilizado por otro nodo (A) al que la estación no "escucha". Cobertura de A Cobertura de C B A C t=0ms Mientras A está transmitiendo, C quiere enviar una trama a B. Detecta el medio libre (pues no capta la emisión de A) y transmite A quiere transmitir una trama a B y lo hace cuando detecta que el medio está libre Detección de portadora DIFS NAV La trama de A se atenúa y no llega a C porque está fuera de su alcance B detecta la colisión, pero A y C no pueden

25 El problema de la estación oculta Solución
La figura muestra que el mensaje de RTS A llega a B, pero no C que está demasiado lejos. Sin embargo, debido a que ambos A y C están dentro del rango de B, el mensaje de CTS, que contiene la duración de la transmisión de datos desde A a B alcanza a A y C. Estación C sabe que alguna estación oculta está utilizando el canal y se abstiene de transmitir hasta que la duración ha terminado. Cobertura de B Cobertura de A Cobertura de C B A C t=0ms RTS A quiere transmitir una trama a B y lo hace después de recibir CTS y esperar SIFS CTS Recibe CTS y entra en espera NAV Detección de portadora DIFS NAV Después de finalizar la espera NAV y DIFS, transmite y esta vez no se produce colisión SIFS

26 IEEE Capa MAC DCF vs. PCF La función de coordinación de puntos (PCF) es un método de acceso opcional que se puede implementar en una red de infraestructura (no en una red ad hoc). Se lleva a cabo en la parte superior del DCF y se utiliza sobre todo para la transmisión sensible al tiempo. PCF tiene un método de acceso de sondeo centralizado, libre de contención (interrogación circular). El AP realiza sondeos para las estaciones que son capaces de ser encuestadas ( y previamente asociadas). Las estaciones son encuestadas, una tras otra, para el envío de los datos que tienen al AP. Como DCF y PCF coexisten alternativamente, para dar prioridad a PCF en DCF, otro se define otro conjunto de espacios entre tramas: PIFS (DIFS > PIFS > SIFS) y SIFS. El SIFS es el mismo que el de DCF, pero el PIFS (PCF IFS) es más corto que el DIFS. Esto significa que si, al mismo tiempo, una estación quiere usar sólo DCF y un AP quiere usar PCF, el AP tiene prioridad ya que PIFS es mas corto. En PCF una STA se asociará (alta en modo infraestructura), declarándose pollable. A tiene datos para enviar a C, espera DIFs para verificar el canal libre. Como lo está transmite RTS t=0ms DIFS SIFS SIFS B PCF DCF B PCF Medio ocupado Sin contención (CFP) Contención (CP) Sin contención (CFP) NAV NAV Radiación del AP B B B B

27 IEEE 802.11 Capa MAC La Función de Coordinación Puntual (PCF)
La función de coordinación de puntos (PCF) es un método de acceso opcional que se puede implementar en una red de infraestructura (no en una red ad hoc). Se lleva a cabo en la parte superior del DCF y se utiliza sobre todo para la transmisión sensible al tiempo. PCF tiene un método de acceso de sondeo centralizado, libre de contención (interrogación circular). El AP realiza sondeos para las estaciones que son capaces de ser encuestadas ( y previamente asociadas). Las estaciones son encuestadas, una tras otra, para el envío de los datos que tienen al AP. Debido a la prioridad de PCF sobre DCF, las estaciones que sólo utilizan DCF no pueden acceder al medio. Para evitar esto, un intervalo de repetición ha sido diseñado para cubrir tanto el tráfico libre de contención (PCF) como el basado en contención (DCF). El intervalo de repetición, que se repite continuamente, se inicia con una baliza (B). Cuando las estaciones escuchan la trama de baliza, inician su NAV con una duración igual al período libre de contención del intervalo de repetición. Durante el intervalo de repetición, el AP puede enviar una trama encuesta, recibir datos, envíar un ACK, recibir un ACK, o hacer cualquier combinación de éstos. Al final del periodo libre de contención, el AP envía una trama final CF (extremo libre de contención) para permitir que las estaciones basadas en contención puedan utilizar el medio. El AP utiliza una trama CF-Poll para invitar a una estación a enviar datos. Las estaciones son invitadas a través de una lista mantenida por el AP Radiación del AP B Fin del periodo libre de contienda (CF) t=0ms PIFS SIFS SIFS SIFS SIFS B Poll A Poll B Poll C E SIFS A Datos+ACK SIFS B Datos+ACK SIFS C Datos+ACK NAV Acceso libre de contienda (CF) Contienda

28 IEEE Capa física La capa física del modelo IEEE se divide, como ya hemos visto, en dos subcapas: PLCP y PMD. PLCP tiene la función de convergencia del sistema físico dependiente del medio, mapeando las MPDUs (MAC) en un formato de tramas adaptadas (transmisión, recepción) a los diferentes PMDs. PMD (Physical Medium Dependent): interacciona con el medio según una técnica de modulación y codificación determinadas. El estándar IEEE utiliza 2 medios para la transmisión inalámbrica: los ondas de radiofrecuencia y las señales ópticas del infrarrojo. Las técnicas de transmisión que emplea son: Modulación por saltos de frecuencia (FHSS). IEEE b Espectro de extensión de secuencia directa (DSSS). IEEE g Multiplexación por división en frecuencias octogonales (OFDM). IEEE a/g/n La infrarroja en banda base, sin modular. Capa de enlace Capa física LLC MAC IEEE LLC PLPC PMD IEEE MAC IEEE PLCP 802.11b 2.4GHz DSSS 11Mbps 1999 802.11g DSSS/OFDM 54Mbps 2003 802.11a 5.7GHz OFDM 20Mbps 802.11n 2.4/5GHz 300Mbps 2009 FHSS 2Mbps 1997 (Heredados) 802.11

29 IEEE 802.11 Formato de la trama física (PLCP)
El formato de trama PLCP El PLCP Preámbulo Campo Sincronización (Sync) consta de 128 bits para largo preámbulo y 56 bits para preámbulo corto. Se rellena con los números predefinidos y permite que el receptor para sincronizar a la transmisión. Campo Inicio delimitador de trama de 16 bits (SFD) se utiliza para marcar el inicio de cada trama. La cabecera PLCP SIG =>Señal 8-bit o el campo Velocidad de datos (DR) indica cuán rápido se transmitirán los datos. SERV=>Campo Servicio de 8 bits está reservado para uso futuro. LON=>Campo Longitud de 16 bits indica Este campo representa el número de microsegundos que se tarda en transmitir el contenido de la PPDU, y el receptor utiliza esta información para determinar el final de la trama. CRC=>Campo de 16 bits Código de Redundancia Cíclica (CRC) se utiliza para la detección de error. El preámbulo y la cabecera PLCP se transmiten a 1Mbps, independientemente de la velocidad de transmisión de datos actual. Después el payload preparado por la capa MAC se envía al receptor a la velocidad especificada en el campo de los servicios. El campo de la señal de 8 bits indica a la PHY la modulación para la transmisión y recepción PSDU MPDU. La velocidad de datos es igual al valor de campo de la señal multiplicada por 100 kbit / s. La alta tasa PHY soporta cuatro tarifas obligatorias dadas por palabras de 8 bits, que representan la tasa en unidades de 100 kbit / s, donde el bit menos significativo se transmite en el tiempo: X'0A '(MSB a LSB) de 1 Mbit / s X'14 '(MSB a LSB) para 2 Mbit / s X'37 '(MSB a LSB) de 5,5 Mbit / s X'6E '(MSB a LSB) de 11 Mbit / s Tres bits se definen en el campo de servicio para apoyar la extensión tasa alta. Más a la derecha bit 7 suplementos El campo de longitud se describe en el campo Longitud PLCP. Bit 3 indica el método de modulación: 0 = CCK; 1 = PBCC Bit 2 indica que los relojes de frecuencias de transmisión y de símbolos se derivan de la misma oscilador. Este bit relojes locked se establece por la configuración de la capa PHY. Las principales funciones que desempeña la cabecera PLCP son: 1) Establecer la sincronización entre emisor y receptores a fin de que interpreten correctamente el principio de cada bit y de la trama misma. 2) Indicar la velocidad de transmisión utilizada 18[9] 6 Variable Se transmite a 1Mbps Preámbulo Cabecera PLCP Datos Trama PLCP Se transmite a 1; 2; 5,5 ó 11 Mbps. Lo que ponga en el campo SERV SFD 128[56]bits Sync 16bits SIG 8bits SERV LON 16bits CRC

30 IEEE 802.11 Capa física Distribución de canales 802.11b/g (Europa)
Por ejemplo, el canal 1 (2412 MHz), el primer canal alejado al menos 22 MHz es el 6 (2437 MHz), separado 25 MHz del anterior. Y el primer canal separado al menos 22 MHz del canal 6 es el 11 (2462 MHz), también a 25 MHz de distancia del canal 6. Como puede apreciarse en la figura, una parte muy importante de la señal de un canal se meterá sin remedio en los canales adyacentes creando interferencias. Podemos usar la combinación 1, 6 y 11, la 2, 7 y 12 o la 3, 8 y 13, pero sin duda alguna, lo más conveniente es separar un poco más los canales usados y que la diferencia entre ellos quede en 30 MHz. Por tanto: En Europa, los canales más óptimos a usar en puntos de acceso cercanos o adyacentes para eliminar el solapamiento entre canales y minimizar las interferencias son tres: el 1, el 7 y el 13. Canal  2,4 GHz 2,5 GHz 1 7 6 4 3 2 8 9 10 11 12 13 5 2,412 2,432 2,452 2,472 Ancho de banda 22 MHz

31 IEEE 802.11 Capa física Antenas habituales. Diagrama de radiación
En esta figura se muestra la antena dipolo. La ganancia de una antena se mide en una escala logarítmica llamada dBi que mide la ganancia relativa a una antena isotrópica, es decir una antena que radia exactamente con la misma potencia en todas las direcciones(una antena isotrópica tiene una ganancia de 0 dBi en todas direcciones. Su diagrama de radiación tridimensional sería un balón de fútbol). Así una antena que tiene una ganancia de 6 dBi radia en el sentido de máxima intensidad con una potencia unas 4 veces mayor que una antena isotrópica (100,6=3,98), lo cual le da un alcance doble que dicha antena isotrópica. En la práctica las antenas isotrópicas no se utilizan por lo que todas las antenas presentan cierta ganancia. Incluso las antenas omnidireccionales son algo direccionales ya que su patrón de radiación solo es homogéneo en dirección horizontal, no en dirección vertical. La antena habitual de menor ganancia es la dipolo simple, que es la estándar en las tarjetas de red de los equipos; esta antena es omnidireccional y tiene una ganancia de 2,14 dBi. Otras antenas más direccionales tienen mayores ganancias. Por ejemplo la antena de parche tiene una ganancia de 8,5 dBi. Las antenas diversidad son una aportación reciente a las LANs inalámbricas para reducir los problemas producidos por la multitrayectoria. Normalmente se implementan en los puntos de acceso ya que estos dispositivos se encuentran en comunicación con todas las estaciones de la red. La antena diversidad consiste en dos antenas reales que se conectan por separado al receptor de radio. Cuando el equipo recibe una trama prueba a utilizar ambas antenas y elige la que considera más conveniente. El sondeo se realiza mientras recibe el preámbulo de la trama, que por ejemplo en el caso de DSSS tiene una longitud de 128 bits (que a 11 Mb/s equivale a 11,6 microsegundos). Cuando ha de emitir una trama a una estación el emisor no puede saber cual de las dos antenas es la más adecuada. En este caso se utiliza la antena que dió mejor calidad la última vez que se recibió una trama de dicha estación. Si la emisión falla se reintenta enviando la trama por la otra antena. Es importante observar que las dos antenas de una antena diversidad cubren la misma zona, no se pueden utilizar para cubrir zonas diferentes. Puede resultar sorprendente como una diferencia de unos centímetros puede suponer una diferencia significativa en el efecto multitrayectoria de la señal recibida o emitida por una antena diversidad, cuando en el caso de una emisión de FM hacía falta mover el coche algunos metros. Pero debemos tener en cuenta que la longitud de onda de una emisión de FM es de unos 3 m, mientras que la longitud de onda de las emisiones de 2,4 GHz es de 12,5 cm. El efecto de las antenas diversidad es perceptible con diferencias de ubicación de ¼ de la longitud de onda [R.Montañana]. La antena mas habitual y barata es el dipolo omnidireccional de 2,14 dBi de ganancia. Los equipos a menudo usan 2 antenas para comparar las señales recibidas y elegir la que le da mejor calidad de señal. 30-80 mts en interior mts en exterior IEEE ª,b,g,n

32 Referencias [1] William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores. Prentice Hall [2] J Kurose & K Ross: Computer networking (2009) [3] Andrew S. Tanenbaum: Computer Networks (4ª ed 2003). Prentice Hall [4] R.J. Cypser: Communications for cooperating systems . Addison-Wesley