Introducción a WiFi
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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 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 10/12/10 Pietrosemoli 2 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. 10/12/10 Pietrosemoli 3 Redes de Area Local Inalámbricas 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 10/12/10 Pietrosemoli 4 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 10/12/10 Pietrosemoli 5 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 10/12/10 Pietrosemoli 6 Redes de Area Local Inalámbricas 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 10/12/10 Pietrosemoli 7 Redes de Area Local Inalámbricas 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 10/12/10 Pietrosemoli 8 Redes Inalámbricas Configuración General Access Point, AP 10/12/10 Pietrosemoli 9 Ejemplo de una red LAN con Conexión a una red inalámbrica Wide Area Network (WAN) 10/12/10 Pietrosemoli 10 Ejemplo de Productos Adaptador tipo ISA o PCI Octubre 2007 Equipo AP1000, COR 1100 o ROR 1100 Tarjeta IEEE 802.11b Wi-Fi 10/12/10 Pietrosemoli 11 LAN LAN Mini ROR Roaming PC Router Wide Area Network (WAN) Internet, Data, VoIP, etc. Point to Point COR 1100 COR 1100 Ejemplo de una red Wireless LAN NOC Estación Terrena 10/100 Mbps Router Rx/Tx 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) 10/12/10 Pietrosemoli 13 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) 10/12/10 Pietrosemoli 14 Modelo de referencia OSI : • Sistema Operativo de Red – Capa de Red – Garantiza la entrega de los datos Network Layer! IEEE: LLC Layer! IEEE: MAC Layer! Physical Layer! • Drivers – Capa LLC – Envía/Recibe datos • Controlador de la LAN – Capa MAC – Ensambla los datos en una trama • MODEM – Capa Física – Tramas BSS: Basic service Set Se utiliza la modalidad de Infraestructura. Todas las comunicaciones Pasan por el A.P. Acces Point Cliente Basic Service Set (Celda) 10/12/10 Pietrosemoli 16 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 10/12/10 A.P. A.P. Puede haber solapamiento de la cobertura Pietrosemoli 17 IBSS o redes ad hoc • Los clientes se alternan el envío de beacons porque no existe A.P. • También llamada red peer to peer 10/12/10 Pietrosemoli 18 A.P. En modo raíz A.P. Datos A.P. Datos Área de cobertura 10/12/10 Pietrosemoli Podría haber solapamiento de las coberturas 19 Modos de operación de A.P.: Modo Puente Acces Point Acces Point 10/12/10 Pietrosemoli 20 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. 10/12/10 Pietrosemoli 21 Modos de operación de A.P. Modo repetidor Acces Point 10/12/10 Pietrosemoli Acces Point 22 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 10/12/10 Pietrosemoli 23 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 10/12/10 Pietrosemoli 24 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 10/12/10 Pietrosemoli 25 Dispositivos clientes • PCMCIA y Compact Flash Cards • Ethernet y Serial Converters • USB Adapters • PCI e ISA Adapters • MiniPCI 10/12/10 Pietrosemoli 26 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 10/12/10 Pietrosemoli 27 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)! 10/12/10 Pietrosemoli 28 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 • 10/12/10 Pietrosemoli 29 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/ ! 10/12/10 Pietrosemoli 30 Scanning activo y pasivo • Scanning es el mecanismo utilizado por los clientes para ubicar los A.P. 2.487 • Puede ser pasivo o activo y utiliza (SSID) y beacons. 2.452 • SSID: valor alfanumérico entre 2 y 32 caracteres que identifica la red. Puede ser “ANY”. 10/12/10 Respuesta al sondeo 2.405 Sondeo Pietrosemoli Cliente 31 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 10/12/10 Pietrosemoli 32 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 10/12/10 Pietrosemoli 33 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 10/12/10 Pietrosemoli 34 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 10/12/10 Pietrosemoli 35 Reserva del canal Cliente solicitante Access Point Request to send (RTS) Request to send (RTS Clear to send (CTS) Clear to send (CTS) Datos Datos Acknowledgment (ACK) 10/12/10 Cliente Receptor Pietrosemoli Acknowledgment (ACK) 36 Proceso de Autenticación 802.1X Cliente Access Point Inicio Solicitud de identificación Servidor RADIUS El AP bloquea todas las solicitudes hasta que se complete la autenticación Identificación Identificación El servidor RADIUS autentica al cliente 10/12/10 Pietrosemoli 37 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. 10/12/10 Pietrosemoli 38 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 10/12/10 Pietrosemoli 39 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. 10/12/10 Pietrosemoli 40 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). 10/12/10 Pietrosemoli 41 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. 10/12/10 Pietrosemoli 42 Rendimiento: Impacto del MAC 10/12/10 Pietrosemoli 43 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. 10/12/10 Pietrosemoli 44 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. 10/12/10 Pietrosemoli 45 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 10/12/10 Pietrosemoli 46 Tramas de gestión • • • • • • • • • • • 10/12/10 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 Pietrosemoli 47 Tramas de control • • • • • • 10/12/10 Request to send (RTS) Clear to send (CTS) Acknowledgement (ACK) Power-Save Poll (PS Poll) Contention-Free End (CF End) CF End + CF Ack Pietrosemoli 48 Lógica de control de acceso al medio de IEEE 802.11 Dispuesto a transmitir una trama ¿Está el medio libre? No Si Esperar IFS ¿todavía libre? No Esperar hasta que termine la transmisión en curso Si Transmitir trama Esperar IFS ¿Todavía libre? No Si Esperar según el algoritmo exponencial Transmitir trama 10/12/10 Pietrosemoli 49 LLC Servicio coordinado (sondeo) Contienda por el canal Point Coordination Function (PCF) Capa Mac 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 IEEE 802.11 5 GHz orthogonal FDM 6,9.12. 18,24,36 48,54 Mbps IEEE 802.11a 2.4 GHz direct sequence spread spectrum 5.5 Mbps 11 Mbps IEEE 802.11b 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 10/12/10 Pietrosemoli 51 Espaciamiento entre tramas Short Interframe Spacing (SIFS) Point Coordination Function Interframe Space (PIFS) Distributed Coordination Function Interframe Space (DIFS) 10/12/10 IFS DSSS SIFS 10 µs 28 µs PIFS 30 µs 78 µs DIFS 50 µs 128 µs Pietrosemoli FHSS 52 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 10/12/10 Pietrosemoli 53 Espaciamiento entre tramas Acceso libre cuando el medio DIFS está libre t > DIFS Ventana de contienda PIFS DIFS Medio ocup. SIFS Ventana de bac-koff Trama Siguiente Ranura de tiempo Diferir Accesso Seleccionar ranura y disminuir tiempo si el medio está l. • IFS – SIFS = Short interframe space – PIFS = PCF interframe space – DIFS = DCF interframe space • Temporizador de back-off expresado en ranuras de tiempo 10/12/10 Pietrosemoli 54 Tramas de datos y ACK DIFS Fuente Datos SIFS Destino Ack DIFS Ventana de Contienda Trama sig. Otra Acceso diferido 10/12/10 Pietrosemoli Backoff 55 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 10/12/10 Pietrosemoli 56 Fragmentación Encabezado Mayor probabilidad de colisión, pero menos tara Datos-1 Datos-2 Datos-3 Datos-1 10/12/10 FCS FCS Datos-2 FCS Datos-3 FCS Pietrosemoli Disminuye la probabilidad de colisión a expensas de más tara (overhead) 57 Tasa de transmisión dinámica 54 Mbps 25 Mbps 11 Mbps 2 -1 Mbps 10/12/10 Pietrosemoli 58 Máscara Espectral para 802.11b 10/12/10 Pietrosemoli 59 Espectro ocupado Ruido! 22 MHz! • 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 10/12/10 Pietrosemoli 60 Interferencia • 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 10/12/10 Pietrosemoli 61 Espectro de una señal DS-SS 801.11b para dos valores de a y comparación con la función (senx)/x 10/12/10 Pietrosemoli 62 Asignación de Canales y Solapamiento 1 2412 240 1 240 6 242 3 2 2417 241 1 242 8 3 2422 241 6 4 2427 5 2432 10/12/10 245 8 6 2437 245 1 244 8 Banda ISM Pietrosemoli 248 3 Frecuencia inferior 246 3 10 2457 244 6 244 3 13 2472 246 1 9 2452 244 1 243 8 242 6 245 3 8 2447 243 6 243 3 242 1 2400 MHz 7 2442 243 1 Número del canal Frecuencia superior Frecuencia Central 246 8 11 2462 245 6 247 3 12 2467 247 8 2484 MHz 63 Distribución de canales en DSSS P Ch 1 2.401 GHz Ch Ch Ch Ch Ch Ch Ch Ch Ch Ch 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3 MHz 3 MHz 2.473 GHz Canales a utilizar para evitar interferencia P 3 MHz 22 MHz Canal 1 2.401 GHz Canal 6 Canal 11 2.473 GHz Separación de canales • 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 Ruido! 22 MHz! 10/12/10 22 MHz! 22 MHz! Pietrosemoli 66 Separación de canales • Insuficiente separación • Solapamiento de los lóbulos principales: – El canal percibe la señal del otro adyacente como interferencia Ruido! 22 MHz! 22 MHz! 11 MHz! 10/12/10 Pietrosemoli 67 Ejemplo de Interferencia 10/12/10 Pietrosemoli 68 Ejemplo de Interferencia 10/12/10 Pietrosemoli 69 Canal 11 Canal 3 2422 GHz 10/12/10 Canal 6 2437 Pietrosemoli Canal 11 2462 70 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 ) 10/12/10 Pietrosemoli 72
