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Tópicos especiais em Telecomunicações

3-WLAN

CETUCCETUCCETUC---PUC/RioPUC/RioPUC/Rio RedesRedesRedes de de de ComunicaçõesComunicaçõesComunicações 222

Visão geral

Uma wireless LAN usa meios de transmissão semfioAntigamente: alto custo, baixas taxas, preocupaçõesambientais e requerimentos de licenciamentoHoje: Todos estes problemas foram resolvidos ouestão em adiantado estado de resoluçãoWireless LANs atingem rápida aceitação com tendência de crescimento

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Histórico

Em 1971, surge o protocolo que deu origem ao CSMA: interligação por satélite de 4 ilhas no Havaí (ALOHANET).Em 1990, os primeiros equipamentos começam a ser vendidos para utilização na banda ISM (900 MHz, 2,4 GHz, 5 GHz) que havia sido liberada mundialmente e representava uma faixa desregulamentada.

Em 1994, os primeiros equipamentos começam a ser comercializadospara utilização na faixa de 2,4 GHz regulamentada.

Em 1997, o padrão 802.11 é regulamentado pelo IEEE.Formação da WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) ou WiFiAlliance , união das empresas: Lucent, 3Com, Aironet (Cisco), Intersil, Nokia e Symbol. www.wi-fi.org

Em 1999, o padrão 802.11b é regulamentado assegurando a interoperabilidade dos dispositivos. Surge o termo WiFi (Wireless Fidelity).


O padrão IEEE 802.11

54, 36, 33, 24, 22,12, 11, 9, 6, 5,5, 2,1 Mbps

11, 5,5, 2, 1 Mbps54, 48, 36, 24, 18, 12, 9, 6 Mbps

2, 1 Mbps Taxa de transmissão por canal

OFDM/CCK (6, 9,12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps)OFDM (6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps)DQPSK/CCK(22, 33, 11, 5,5Mbps)DQPSK (2 Mbps)DBPSK (1 Mbps)

DQPSK/CCK(11, 5.5 Mbps)DQPSK (2 Mbps)DBPSK (1 Mbps)

BPSK (6, 9 Mbps)QPSK (12, 18 Mbps)16-QAM (24, 36 Mbps)64-QAM (48, 54 Mbps)

DQPSK(2 Mbps DSSS)DBPSK(1 Mbps DSSS)4GFSK(2Mbps FHSS)2GFSK(1Mbps FHSS)

Modulação

2,4 a 2,4835GHzDSSS, OFDM

2,4 a 2,4835GHzDSSS

5,15 a 5,35 GHz OFDM5,725 a 5,825Ghz OFDM

2,4 a 2,4835 GHzDSSS, FHSS

Frequência e Técnica

83,5 MHz 83,5 MHz 300 MHz83,5 MHz Banda disponível

Outubro de 2003Setembro de 1999

Setembro de 1999Julho de 1997Data de regulamentação

802.11g802.11b802.11a802.11ITEM

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Aplicações – Ampliação de LAN

Dispensa instalação de cabeamentoFacilidade de reconfiguração da estrutura da LANEntretanto, ainda existe uma grande planta instalada de CAT 3 e CAT 5Wireless LAN ainda não substituiu completamente a LAN cabeadaW-LAN útil em alguns ambientes

Prédios com grandes áreas abertasParques industriais, pregão de bolsas de valores, pavimentos de grandeslojas, armazénsPrédios históricosPequenas instalações novasl

Pode conviver com LAN cabeadaServidores e estações estáticas


Applicações das TecnologiasWireless

Communicações Wireless estão mais presentes emnossas vidas do que percebemos

Telefone CelularesTelefone sem fioWireless LANSatelitesPorta de garagemEquipamentos MédicosMedidas EletrônicasPolícia e Bombeiro

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Aplicações – Acesso nômade

Enlace entre hub e terminal de dados móvelLaptop, notepad ou palmtopPermite que funcionários trabalhem de qualquer posiçãoPermite que funcionários se movam dentro dos domíniosda LANAcesso aos dados guardados na LAN de qualquer lugar


Aplicações – Redes Ad Hoc

Redes Peer-to-peer (semnecessidade de um servidor de gerenciamento ou de um ponto de interconexão)

Conexões em full-meshMontadatemporariamente paraalgum uso imediato

E.g. grupo de funcionáriosem reunião ou em aulaEm rede pela duração do evento

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Configuração de Wi-LAN – únicacélula

Fonte: Stallings


Configuração de Wi-LAN – várias células

Fonte: Stallings

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Wireless LAN - Infraestrutura

Fonte: Stallings


Tecnologias

LANs por InfravermelhoLimitada a um ambiente apenasLuz IV não atravessa paredes opacas

LANs Spread spectrum : Operam nas bandas ISM (industrial, scientific, and medical)Não requerem licenciamento

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LANs I.V. – Forças e Fraquezas

Espectro ilimitadoSem regulamentação em escala globalTaxas extremamente altas de transmissão

Se beneficia das características de luzUsar reflexões no teto para aumentar alcanceNão interfere em ambiente adjacentesDifícil de ser “grampeada”

Barata e simplesDetetores precisam apenas captar amplitudes

Luz de fundoSolar, fontes internasRuído, precisando de maior potência e assim menor área de coberturaConsiderações ambientais sérias


Spread Spectrum

Dados analógicos ou digitaisSinal transmitido analógicoDados espalhados por uma faixa largaInterceptação das informações é muito difícilFrequency hoping

Transmissão do sinal é feita através de uma seqüência pseudo-aleatória de freqüências

Direct SequenceCada bit é representado por múltiplos bits no sinal transmitido

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Funcionamento do Frequency Hopping


Origem em sistemas militares e navegação

Banda de transmissão muito maior que banda de informação: spread spectrum

Sinal de dados de baixa frequência é modulado por um sinal de espalhamento de frequência maior denominado de código ou sequência de espalhamento

Demodulação: usa o mesmo código de espalhamento para recuperar o dado original

Sinais spread spectrum (CDMA) múltiplos, espalhados com códigos de espalhamentos distintos—podem colidir, mas ainda serem recuperados se as condições forem corretas.

CDMA Básico

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Funcionamento do Direct Sequence Spread Spectrum


Spreading and Despreading

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CDMA Propriedades: Rejeição de interferência

Recepção de um sinal de banda estreita pode ser afetada peloruído de faixa estreita no mesmo espectroEspalhar o sinal desejado antes da transmissão e desespalhar no receptor efetivamente provoca que o ruído de banda estreitaseja espalhado no receptor


CDMA Propriedades: Multiplo Accesso

Dois sinais espalhados com diferentes códigos de espalhamento podem ser distinguidos no receptor ao usar os mesmos códigos para desespalhamentoPossível devido a baixa correlação cruzada entre códigos de espalhamentoortogonais

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OFDM Básico

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)Multiplas portadoras separadas por um múltiplo inteiro da frequência de símbolos (orthogonalidade)Orthogonalidade minimiza interferencia inter símbolos

OFDM é a camada física padrão para:WLANs (802.11a e g)WPANs (802.15.3a)Fixed broadband wireless (802.16a)Mobile broadband wireless (802.20)Tv digitalRádio digitalXdsl


Configuração típica de LANs Spread Spectrum

Esquema em múltiplas célulasCélulas adjacentes usam freqüências centrais diferentesHub é geralmente montado no teto

Conectado a LAN cabeadaConectado a outras estações em outras célulasPode controlar acessoAtua também como repetidorEstações podem fazer broadcast

Hub pode fazer handoffSinal enfraquece - hand off (mobile assisted)

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Aspectos de Transmissão em LANs Spread Spectrum

Aspectos regulatórios diferem de país para paísPadrões USA FCC dentro da faixa ISM:

Spread spectrum - até 1 wattSistemas de baixa potência - até 0.5 watt902 - 928 MHz (banda 915-MHz)2.4 - 2.4835 GHz (banda 2.4-GHz)5.725 - 5.825 GHz (banda 5.8-GHz)2.4 GHz também na Europa e JapãoMaior frequência significa maior potencia de transmissão em termos de capacidade

InterferênciaEquipamentos operando nas imediações de 900MHz incluindo telefones sem fio, microfones sem fio e radio-amadorEquipamentos operando nas imediações de 2.4 GHz – apenas um de interesse: forno de microondasTudo ok em 5.8 GHz

Equipamentos mais caros


802.11: Meio físico

Desenvolvimento em 4 etapasParte 1 em 1997

IEEE 802.11 Operação em 2.4-GHz e infravermelhoTaxas entre 1 e 2 Mbps

Partes 2 e 3 em 1999IEEE 802.11a

5-GHz até 54 MbpsIEEE 802.11b

2.4-GHz em 5.5 e 11 Mbps

Parte 4 em 2002IEEE 802.11g extende IEEE 802.11b para taxas mais altas

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Tipos de transmissão do 802.11: DSSS

Direct-sequence spread spectrum2.4 GHz (faixa ISM) a 1 Mbps e 2 MbpsAté 7 canais de 1 Mbps ou 2 MbpsNúmero de canais é questão regulatória (são 13 naEuropa e 1 no Japão)Banda de cada canal: 5 MHz


Tipos de transmissão do 802.11 : FHSS

Frequency-hopping spread spectrum 2.4 GHz (faixa ISM) a 1 Mbps e 2 MbpsUsa múltiplos canaisSinal pula de canal para canal baseado em seqüência pseudo-aleatóriaCanais de 1-MHz23 no Japão70 nos EUA

Esquema de saltos é ajustávelE.g. Taxa de saltos mínima nos EUA: 2.5 saltos por segundoDistância mínima de salto: 6 MHz nos EUA e Europa e 5 MHz no Japão

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802.11a

Faixa de 5-GHzUsa orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)

Não é spread spectrumMúltiplos sinais de portadora em diferentes freqüênciasSimilar ao FDMTaxas de transmissão: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, and 54 Mbps


802.11b

Extensão do esquema 802.11 DSSSTaxas de 5.5 e 11 MbpsTaxa de saltos 11 MHz

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802.11g

Expansão do 802.11b para altas taxasCombina o melhor das tecnologias 802.11a e 802.11b para oferecer maior qualidade de serviçocom mais segurança


Resumo dasTecnologias802.11

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Resumo das tecnologias wireless

Fonte: Stallings


Nichos de Mercado das Wi-LANs

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Escopo

Introduction a redes Wireless LANsIEEE 802.11 ArquiteturaIEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 PHY IEEE 802.11 SegurançaMelhoramentos com IEEE 802.11eConclusões & Referencias


Introdução às redes Wi-FI

Tecnologias WirelessAplicaçõesDirecões

O que é IEEE 802.11?O que faz 802.11 popular?Padrões 802.11 atuaisPAdroões 802.11 sendo desenvolvidosVantagens e Aplicações

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Futuro das Tecnologias Wireless

Taxas mais altasSistemas Celular 3G 2MbpsIEEE802.11a 54Mbps

MenoresTelefones celulares cabem em um relógio de pulsoDois chips implementam as funcionalidades Bluetooth

Cobertura universalEm alguns países europeus, 85% da população possui um telefone celularNos EUA, O mercado de rede residencial deve crescer a centenas de milhões


Futuro das tecnologias Wireless (cont.)

802.11

HIPERLAN/1 802.11b

HIPERLAN/2 802.11a

ANSIBLE

80x

4 years

Application space

Video data rate

HSCD

GPRS

EDGE

3GPP

VoiceVoice

Text MessagingText Messaging

Still ImagingStill Imaging

Audio StreamingAudio Streaming

Video StreamingVideo Streaming

Ubiquitous TVInfotainment

Virtual Homes

High Speed Internet

PAN/LAN Convergence

Bluetooth

HomeRF

HIPERPAN2.4GHz

5GHz

60GHz

0.9-1.8GHz

0,01

0,1

1

10

100

1000

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010product date

Max

dat

a ra

te (M

bps)

Local Area WLAN Nomadic Wide Area Cellular Vehicular PAN

Da t

a R

ate

(Mbp

s)

Present Near FuturePast

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O que é IEEE 802.11?

Padrão para redes locais sem fio(wireless LANs) Desenvolvido nos anos 90s pelo IEEEPrevisto para uso residêncial e escritórios(primariamente indoor)

Padrão 802.11 para a camada MAC and PHY

Outros subpadrões (802.11a, 802.11b) para a camada física

Versão Wireless da Ethernet (802.3)Ethernet: CSMA/CD

WLAN: CSMA/CA


O Que faz IEEE 802.11 popular?

Suportado por um número grande de fabricantesTaxa de transmissão até 54 Megabits/sPrevisão de domínio dos mercados de redes wireless sobre tecnologias concorrentes como Bluetooth e HomeRF

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802.11 Padrões e suplementos

IEEE 802.11-1997 padrão básicoTambém lançado como ANSI/ISO 8802-11 1999

Padrão básico dividido em duas camadasmedium access control (MAC) layer physical (PHY) layer

Padrões suplementares extendem alguma dessascamadas ou provêem funções de camadas superioresSuplementos de diferentes camadas podem ser misturados

802.11e applica-se to 802.11b, 802.11a and 802.11g


802.11 Suplementos 802.11a5 GHz OFDM54 Mbps

802.11b2.4GHz DSSS5.5, 11 Mbps

802.11cbridging tables

802.11dinternational roaming

802.11equality of service

802.11finter-access point protocols

802.11g2.4 GHz OFDM54 Mbps

802.11hEuropean regulatory extensions

802.11ienhanced security

802.11PHY

802.11MAC

higherlayers

unde r develo pment

alrea dy appr oved

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Situação da Tecnologia

Rápido domínio do mercadoStarbucks incorporou 802.11 em seus coffee shopsMcDonald’s está instalando WLAN Hot SpotsVerizon está colocando WLAN Access Points em seustelefones públicos em NYCPorém modelos de negócios ainda incertos

Apoiado por companhias como Microsoft and IntelWireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), conhecida comoWiFi Alliance, certifica 802.11 products

Grande número de indústrias participantes


Vantagens e Aplicações

VantagensPadrão IEEE aceito mundialmenteGrande número de empresas o suportamChipsets disponíveis comercialmenteAlta taxa (11 Mbps) e agora mais alta ainda (54 Mbps)

ApplicationsResidência, escritório, indústrias, hospitais…

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802.11 Arquitetura

Desafios de trabalhar no ambiente Wireless Arquitetura Overview802.11 Entidades de Protocolo802.11 Arquitetura de Protocolo802.11 Configuração – Independente802.11 Configuração – Infraestrutura

Sistema de distribuiçãoAccess Points


Desafios de trabalhar no ambienteWireless

Canal difícilInterferencia e ruídoQualidade varia no espaço e tempoCompartilhado com dispositivos 802.11 “indesejáveis”Compartilhado com dispositivos não-802 (unlicensedspectrum, fornos de microondas)

Sem garantia de conectividade totalProblema “hidden node”

Regulamentos internacionais diferenciados

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Desafios (continuação)

MobilidadeVariação na confiabilidade do enlacebateria: requer gerênciamento de potênciaDesejável conexões “transparentes”

SegurançaSem fronteiras físicasoverlapping LANs


Arquitetura Overview

Uma camada MAC suporta múltiplas PHYsFrequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)Infrared (IR)

Duas configurações“independent” (ad hoc) and “infrastructure”

CSMA/CA (collision avoidance) opcionalmente“point coordination”

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Arquitetura IEEE 802.11 (1)

Fonte: Stallings


Arquitetura IEEE 802.11 (2)

Fonte: Stallings

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802.11 Entidades doProtocoloLLC

MAC

PHY

MACSublayer

MAC Layer Management

PLCP Sublayer

PMD Sublayer

PHY LayerManagement

StationManagement

LLC : Logical Link ControlPLCP : Physical Layer Convergence ProtocolPMD : Physical Medium Dependent Sublayer


802.11 Arquitetura do protocolo

MAC Entidademecanismo de acesso básicofragmentaçãocriptografia

MAC Layer Management Entidadesincronizaçãogerenciamento de potênciaroamingMAC Management Information Base (MIB)

Physical Layer Convergence Protocol (PLCP)PHY-specific, supports common PHY Service Access Point (SAP)provides Clear Channel Assessment (CCA) signal (carrier sense)

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802.11 Arquitetura do protocolo (cont.)

Physical Medium Dependent Sublayer (PMD)modulação e codificação

PHY Layer Managementchannel tuningPHY MIB

Station Managementinterage tanto com MAC e PHY management


802.11 Configurações - Independente

IndependenteUm “Basic Service Set”, BSS“Ad Hoc” networkcomunicação diretaarea de cobertura limitada

StationAH1

StationAH2

StationAH3

Ad Hoc Network

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802.11 Configurações - Infraestruturada

InfraestruturaAccess Points e estações

Extensão da área de cobertura wireless através do Sistema de Distribuição

Distribution System

StationA1

StationA2

BSS-A

APA

StationB1

StationB2

BSS-B

APB

StationC1

StationC2

BSS-C

APC


Sistema de Distribuição

Usado para interconectar células wireless Múltiplos BSS conectados formam uma ESS, Extended Service SetPermite a estações móveis o acesso a recursos fixos

NÃO faz parte do padrão 802.11 Podem ser interfaceado por IEEE LANs, wireless, outrasredes…

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Access Points

Estações móveis selecionam um AP e “associam” com eleSuporta roamingPoint Coordination Function (PCF)Prove outras funções

sincronização de tempo (beaconing)suporte ao gerênciamento de potência

Trafego flui atravéz do AP


802.11 MAC Entidade

MAC SublayerBasic Access Protocol FeaturesCSMA/CA RTS/CTS (Hidden Node Problem, Exposed Node Problem)Optional Point Coordination Function (PCF)Contention Free operationPCF BurstFragmentationFrame FormatsPrivacy and Access Control

MAC Management LayerSynchronizationPower ManagementAssociation and Reassociation

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802.11 Protocol Entidades

LLC

MAC

PHY

MACSublayer


PLCP Sublayer

PMD Sublayer

PHY LayerManagement

StationManagement


Características básicas do protocolo de acesso

Use Distributed Coordination Function (DCF) for efficient medium sharing without overlap restrictions

Use CSMA with Collision Avoidance derivativeBased on Carrier Sense function in PHY called Clear Channel Assessment(CCA)

Robust for interferenceCSMA/CA + ACK for unicast frames, with MAC level recoveryCSMA/CA for broadcast frames

Parameterized use of RTS / CTS to provide a Virtual Carrier Sense function to protect against Hidden Nodes

Duration information distributedIncludes fragmentation to cope with different PHY characteristicsFrame formats to support the access scheme

For Infrastructure and Ad Hoc Network supportAnd Wireless Distribution System

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CSMA/CA explained

Reduce collision probability where mostly neededStations are waiting for medium to become freeSelect Random Backoff after a Defer, resolving contention to avoid collisions

Efficient Backoff algorithm stable at high loadsExponential Backoff window increases for retransmissionsBackoff timer elapses only when medium is idle

Implement different fixed priority levelsTo allow immediate responses and PCF co-existence


Access Spacing

DataSIFS

PIFSDIFS

EIFS

time

After detection of erroneous frame

Lowest priorityExtended IFSEIFS

DCF Operation Mode(back-off, RTS)

3rd priorityDCF IFSDIFSPCF Operation Mode (Beacon)2nd priorityPCF IFSPIFS

ACK,CTS, Poll Messages and Responses, CF-End

Highest PriorityShort IFSSIFSInterframe SpaceIFS

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Exponential Backoff

If station tries to transmit and medium is busy, increase maximum backoff timeexponentiallyBackoff Timer = Random () * Slot_Time

Random(): a pseudo random integer uniformly distributed over the interval [0, CW], where CW is a integer between CWmin and CWmax

newCW = oldCW * 2 + 1Slot_Time: long enough for a station to detect if any other station has accessed the medium in that slot

Exponential backoff executed:First attempt at transmitting frame and medium was busy (initial window [0, CWmin])For each retransmission (newCW computed)After a successful transmission (window reduced to [0, CWmin])


CSMA/CA + ACK protocol

Defer access based on Carrier SenseCCA from PHY and Virtual Carrier Sense state

Direct access when medium is sensed free longer than DIFS, otherwise defer and backoffReceiver of directed frames to return an ACK immediately when CRC correct

When no ACK received, then retransmit the frame after a random backoff (up to a maximum limit)

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“Hidden Node” Problem

Separate control frame exchange (RTS/CTS)Distribute duration around both Tx and Rx station


“Hidden Node” Provisions

Duration field in RTS and CTS frames distribute Medium Reservation information which is stored in a Network Allocation Vector (NAV)Defer on either NAV or "CCA" indicating Medium BusyUse of RTS / CTS is optional but must be implemented

SIFS SIFS SIFS

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“Exposed Node” Problem

DATA DATA

RTS RTS

CTS CTS

ACKACK

B C ED

Reserved area

AF


Optional Point Coordination Function (PCF)

Contention Free Service uses Point Coordination Function (PCF) on a DCF Foundation

lower transfer delay variations to support Time Bounded ServicesAsync Data, Voice or mixed implementations possiblePoint Coordinator in AP

Coexistence between Contention and optional Contention Free

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Contention Free operation

Alternating Contention Free and Contention operation under PCF controlNAV prevents Contention traffic until reset by the last PCF transfer

So variable length Contention Free period per intervalBoth PCF and DCF defer to each other causing PCF Burst start variations


PCF Burst

CF-Burst by Polling bit in CF-Down frameImmediate response by Station on a CF_PollStations to maintain NAV to protect CF-trafficResponses can be variable length“Reset NAV” by last (CF_End) frame from AP"ACK Previous Frame" bit in Header

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Fragmentation

Individually acknowledgedfor unicast frame only

Random backoff and retransmission of failing fragment when no ACK is returnedNAV to be set, for medium reservation mechanism


Frame Formats

MAC header format differs for Type:Control FramesManagement FramesData Frames

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Control Frames: RTS-CTS-DATA-ACK

RA : Receiver AddressTA : Transmitter AddressDA : Destination AddressSA : Source AddressFCS : Frame Check sequence

FrameControl

Duration1 RA TA FCS

microsec = CTS + Data + ACK + 3SIFS

RTS frame

FrameControl

Duration2 RA FCS

microsec = Duration 1 - CTS - SIFS

CTS frame

FrameControl

Duration4 RA FCS

0

ACK frame

Data frame

microsec = Duration 2 – Data - SIFS

FrameControl

Duration3 RA TA FCSDA Seq

Control SA Frame Body


Privacy and Acess Control

Goal of 802.11 is to provide “Wired Equivalent Privacy” (WEP)Usable worldwide

802.11 provides for an Authentication mechanismTo aid in access controlProvisions for “OPEN”, “Shared Key” or proprietary authentication extensions

Optional (WEP) Privacy mechanism defined by 802.11Limited for Station-to-Station traffic, so not “end to end”

embedded in the MAC entityOnly implements “Confidentiality” functionOnly payload of Data frames are encrypted

encryption per MSDU basis

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LLC

MAC

PHY

MACSublayer


PLCP Sublayer

PMD Sublayer

PHY LayerManagement

StationManagement



SynchronizationFinding and staying with a WLANSynchronization functions

TSF Timer, Beacon Generation

Power ManagementSleeping without missing any messagesPower management functions

Periodic sleep, frame buffering, Traffic Indication Map

Association and ReassociationJoining a networkRoaming, moving from an AP to anotherScanning

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Synchronization in 802.11

Timing Synchronization Function (TSF)Used for Power Management

Beacons sent at well-known intervalsAll station timers in BSS are synchronized

Used for Point Coordination TimingTSF Timer used to predict start of Contention Free burst

Used for Hop Timing for FH PHYAll Stations are synchronized, so they hop at the same time


Power Management

Mobile devices are battery powered.Power Management is important for mobility

Current LAN protocols assume stations are always ready to receive

Idle receive state dominates LAN adapter power consumption over time

How can we power off during idle periods, yet maintain an active session?802.11 Power Management Protocol:

Based on the fundamental transition strategy: sleep on inactivityMessages are buffered at base stationsMobile hosts wake up periodically to check for outstanding messages

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Joining a NetworkScanning• Active (Probe)• Passive (Beacon)

Authentication• Open System• Shared key

Associationor

Reassociation

State 1

State 2

State 3

CETUCCETUCCETUC---PUC/RioPUC/RioPUC/Rio RedesRedesRedes de de de ComunicaçõesComunicaçõesComunicações 787878Reassociation allows station to continue operation

Station1

Station1

Station1

the coverage area of their Access Point,but they can get connected to another Access Point

Roaming

Station2

APA

Station4

Station5

APB

Station7

Station6

APC

Station3

Mobile stations may leave…

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Roaming Approach

Decide that link to its current AP is poorUse scanning function to find another AP

or use information from previous scansSend Reassociation Request to new APIf Reassociation Response is successful

then Roamed to the new APelse Scan for another AP

If AP accepts Reassociation RequestIndicate Reassociation to the Distribution SystemUpdate Distribution System information notify old AP through Distribution System


Scanning

Scanning required for many functionsFinding and joining a networkFinding a new AP while roamingInitializing an Independent BSS (ad hoc) network

802.11 MAC uses a common mechanism for all PHY technologies

Single or multichannel scanningPassive scanning

Find networks simply by listening for beaconsActive scanning

On each channel, send a probe and wait for the response

Beacon or probe response contains information necessary to join new network

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Multi-channel and Active Scanning Example

Steps to Association:

APA

APC

Station

Station send ProbeAPs send Probe Response

Station selects best APStation sends Association Request to selected AP, if the AP is good enoughAP sends Association Response


802.11 PHY Entity

Physical Layer ArchitecturePhysical Layer OperationsIEEE 802.11 Physical Layer

FHSS DSSS OFDMIR

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Physical Layer ArchitectureLLC

MAC

PHY

MACSublayer


PLCP Sublayer

PMD Sublayer

PHY LayerManagement

StationManagement


PLCP Sublayer

Physical Layer Convergence ProcedureCommunicates to MAC via primitives through Physical Layer Service Access Point (SAP)Prepares PLCP protocol data unit (PPDU) (append fields to MPDU)PPDU provides for asynchronous transfer of MPDU between stations

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PMD Sublayer

Physical Medium DependentProvides actual transmission and reception of Physical Layer entities through a wireless mediumInterface directly to the mediumProvides modulation and demodulation of the transmission frame


Physical Layer Operations

A Three-State MachineCarrier sense: determine the state of the mediumTransmit: send the data frameReceive: receive the data frame

CarrierSense

Transmit

Receive

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Carrier Sense Function


Transmit Function

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Receive Function


IEEE 802.11 Physical Layer

Frequency Hop Spread Spectrum2.4GHz band, 1 and 2 Mbps transmission2GFSK, 4GFSKhop over 79 channels (North America)

Direct Sequence Spread Spectrum2.4GHz band, 1, 2, 5.5 or 11 Mbps transmissionDBPSK, DQPSK11 chip Barker sequence

Orthogonal Frequency Division Multiplexing2.4GHz & 5GHz, 6 to 54 MbpsNo Spread Spectrum

Baseband IRDiffuse infrared

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IEEE 802.11 Security

802.11 Security TodayWhat’s Wrong Today?802.11i introducing New Security Mechanisms 802.11i: Proposed Authentication, Authorization, and Key Management


802.11 Security Today

Goals of existing 802.11 securityCreate the privacy achieved by a wired network

Only prevent intellectual property from leaking through casual browsing

Simulate physical access control by denying access to unauthenticated stations

Existing security consists of two subsystemsAn authentication algorithm called Shared Key AuthenticationA data encapsulation technique called Wired Equivalent Privacy (WEP)

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Shared Key Authentication

Authentication key distributed out-of-band

Access Point generates a “randomly generated” challenge

Station encrypts challenge using pre-shared secret

Challenge (Nonce)

Response (Nonce RC4 encrypted under shared key)

APAP

Shared secret distributed out of band

Decrypted nonce OK?

STA


Wired Equivalent Privacy (WEP)

Encryption Algorithm,RC4, Per-packet encryption key = 24-bit Initialization Vector(IV) concatenated to a pre-shared keyWEP allows IV to be reused with any frameData integrity provided by CRC-32 of the plaintext data (the “ICV”)Data and ICV are encrypted under the per-packet encryption key

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What is Wrong with 802.11 security?

WEPuses a synchronous cipher over a medium, where it is difficult to ensure synchronization during a complete sessionconcatenates the IV directly to the pre-shared key to produce a key for RC4, thus exposing the base-key to direct attackonly provides a method for authenticating stations to access points, not the other way aroundNot robust enough to completely protect against eavesdropping

No Secret Key distribution mechanism for sharing keys over an insecure mediumvery limited key-space for the IV since each packet needs to have a separate key for the network to be really secureCRC-32 used for message integrity is linear


802.11i introducing New Security Mechanisms

New Encryption:Use Advanced Encryption Standard, AES-128, as the new cryptographic primitiveUse AES in Offset Codebook Mode (OCB) mode

algorithm provides both privacy and data integrityAdd session sequence number to avoid replayMap base key to session key

use OCB mode tag to compute session key, to minimize number of cryptographic primitives implemented802.11

Hdr Data

Seq NumData

802.11 Hdr

128-bit IV

128-bit MIC

Encapsulate Decapsulate

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802.11i: Proposed Authentication, Authorization, and Key Management

Based on existing protocolsKerberos V (RFC 1510)GSS-API (RFC 2743)IAKERB (draft-ietf-cat-iakerb-05.txt)EAP-GSS (draft-aboba-pppext-eapgss-02.txt)EAP (RFC 2284)802.1X/EAPOL

802.11i enhancementsMAC security managementNew model for authentication/association sequences


IEEE 802.1x Terminology

Controlled port

Uncontrolled port

SupplicantAuthentication

ServerAuthenticator

802.1x

Created to control access to any 802 LAN

Used as a transport for Extensible Authentication Protocol (EAP, RFC 2284)

50


802.1x Model

Associate

EAP Identity Request

EAP-Success

STAAPAP

Authentication Server

EAP Auth Response EAP Auth Response

EAP Auth Request EAP Auth Request

EAP Identity ResponseEAP Identity Response

Authentication traffic

Normal Data

Port Status:

EAP-Success


IEEE 802.11e

The Draft 802.11e Standard SupplementIEEE 802.11e Protocol EntitiesEDCF

51


The Draft 802.11e Standard Supplement

Different requirements for high-layer applications such as data, video, and audioBandwidthDelay JitterPacket loss

No differentiation mechanism to support the transmission of data streams with different Quality of Service (QoS) requirements in the DCF of IEEE802.11IEEE802.11 working group is currently developing 802.11e to support applications

with QoSFocused on two applications:

A/V capability for consumer devices – need to handle at least three simultaneous DVD rate MPEG-2 channels, or one HDTV rate MPEG-2 channel over 802.11aManaged QoS for corporate networks – provide prioritization that integrates with network management infrastructures

Backward-compatible with existing systems; non-802.11e stations operate as best effort

consumers will still want to take their laptops home from work, and will expect to access multimedia applications


IEEE 802.11e Protocol Entities

PHY

DCF

PCF EDCF ControlledAccess

HCF

Contention free(legacy)

Contention services (legacy) Differentiated service(new) Contention free(new)

HCF: Hybrid CFBoth contention-based and controlled contention-free channel access methods in a single access protocolFunctions from the DCF and PCF with some enhanced QoS-specific mechanisms

EDCF: Enhanced DCFThe contention based medium access method for HCF

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EDCF

• 4 Access Class (AC) : 0,1,2,3 with different AIFS, and CWmin and CWmax parameters• AIFS[AC]: Replaces DIFS by Arbitration IFS (AIFS) for different category of Access Class.• AIFS[ACn] = AIFS[AC]*slot-time + SIFS

EDCF Parameters of 4 classes

AIFS(AC1)

Timeslot

Defer Access

Back-off Window

Contention Window

Next FrameBusy MediaSIFS

AIFS(AC0)

AIFS(AC1)

AIFS(ACn)

PIFS

AIFSCWmaxCWminAC

1(aCWmax+1)/2 –1(aCWmin +1)/4 –131aCWmax(aCWmin+1)/2 –121aCWmaxaCWmin12aCWmaxaCWmin0


Simulation Performance Results

Effect of Number of NodesMax Achievable Total Good ThroughputThroughput vs. Load

Effect of Packet SizeRTS/CTS Overhead Impact

53


Max Achievable Total Good Throughput in a single wireless LAN

Data Rate: 11MbpsTraffic Load: 8MbpsPacket Size: 1024(byte) CBR

0

1

2

3

4

5

6

2 5 10 20 30 40 50

Number of Nodes

Thro

ughp

ut(M

bps)

Physical Layer: DS No FragmentationNo RTS/CTS


Throughput vs. Load

Same WLAN parametersStable throughput at overload conditions

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Load(Mbps)

Thro

ughp

ut(M

bps)

Number of Nodes:2

Number of Nodes:10

Number of Nodes:30Number of Nodes:50

54


Effect of Packet Size

0

1

2

3

4

5

6

7

4 16 64 128 256 512 768 1024 1280 1536 1792 2048 2304

Packet Size (Byte)

Thro

ughp

ut (M

bps)

Number of Nodes:10

Number of Nodes:50

Same WLAN parametersIncreasing throughput


RTS/CTS Overhead Impact

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Load (Mbps)

Thro

ughp

ut (M

bps)

Plain CSMA/CA

RTS/CTS

Same WLAN parametersNumber of Nodes: 10

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Conclusion

Wireless LANs willContinue to become fasterBecome embedded in our livesIncrease the average person’s access to the world

802.11 is a widely accepted IEEE standard for wireless LANs

One of the most deployed wireless networks in the worldHighly likely to play major role in multimedia home networks and next-generation wireless communications

802.11 security doesn’t meet any of its security objectives today

802.11 Task Group I (TGi) is working to replaceAuthentication scheme using 802.1X and KerberosEncryption scheme using AES in OCB mode

802.11e is based on over a decade of experience in design of WLAN protocols

Built from the ground up for real world wireless conditions


ReferencesWireless LANs

http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2001/Sep01/Misc/MITWF.ppthttp://www.cat.utexas.edu/docs/Oct10TechMeeting/Wireless%20Communications.pdf

802.11 Protocol Standardshttp://www.ieee802.org/11/http://grouper.ieee.org/groups/802/11/main.html

802.11 SecurityW. A. Arbaugh, “Your 802.11 Wireless Network has No Clothes”, IEEE Wireless Communications, December 2002http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2001/Mar01/01154r0P802-15_TG3-Overview-of-802-11-Security.ppt

802.11eS. Mangold, “IEEE 802.11e Wireless LAN for Quality of Service”D. Gu, “QoS Enhancement in IEE802.11 Wireless Local Area Networks”, IEEE Communications Magazine, June 2003

Performance Simulation ResultsB. Giuseppe, “Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function”, IEEE Communications, March 2000H. F. Chuan, “Performance Analysis of the IEEE 802.11 MAC Protocol”, European Wireless 2002

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Appendix

SecurityProperties of Vernam CiphersHow to read WEP Encrypted TrafficHow to authentication without the keyTraffic modification

802.11eVirtual BackoffHCF


Properties of Vernam CiphersThe WEP encryption algorithm RC4 is a Vernam Cipher:

Pseudo-random number generatorEncryption Key K

Plaintext data byte

p

Random byte b

⊕ Ciphertext data byte

cDecryption works the same way: p = c ⊕ b

Thought experiment 1: what happens when p1 and p2 are encrypted under the same “random” byte b?

c1 = p1 ⊕ b c2 = p2 ⊕ bThen:

Conclusion: it is a very bad idea to encrypt any two bytes of data using the same byte output by a Vernam Cipher PRNG.

c1 ⊕ c2 = (p1 ⊕ b) ⊕ (p2 ⊕ b) = p1 ⊕ p2

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How to Read WEP Encrypted Traffic802.11 Hdr DataIV ICV

24 luxurious bits Encrypted under Key +IV using a Vernam Cipher

By the Birthday Paradox, probability Pn two packets will share same IV after n packets is P2 = 1/224

after two frames and Pn = Pn–1 + (n–1)(1–Pn–1)/ 224 for n > 2.

50-percent chance of reuse of an IV value exists already after only 4823 packets!!!

Pattern recognition can disentangle the XOR’d recovered plaintext.

Recovered ICV can tell you when you’ve disentangled plaintext correctly.

After only a few hours of observation, you can recover all 224 key streams.Ways to accelerate the process:

Send spam into the network: no pattern recognition required!Get the victim to send e-mail to you

The AP creates the plaintext for you!Decrypt packets from one Station to another via an Access Point

If you know the plaintext on one leg of the journey, you can recover the key stream immediately on the other


How to Authenticate without the Key

Challenge (Nonce)

Response (Nonce RC4 encrypted under shared key)

STA APAP

Decrypted nonce OK?

With our background, an easy attack is obvious:

Record one challenge/response with a sniffer

Use the challenge to decrypt the response and recover the key stream

Use the recovered key stream to encrypt any subsequent challenge

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Traffic ModificationVernam cipher thought experiment 2: how hard is it to change a genuine packet’s data, so ICV won’t detect the change?

Represent an n-bit plaintext as an n-th degree polynomial:

p = pnxn + pn–1xn–1 + … + p0x0 (each pi = 0 or 1)

Answer: Easy as pie

Then the plaintext with ICV can be represented as :

px32 + ICV(p) = pnxn+32 + pn–1xn–31 + … + p0x32 + ICV(p)

If the n+32 bit RC4 key stream used to encrypt the body is represented by the n+32nd

degree polynomial b, then the encrypted message body is

px32 + ICV(p) + bBut the ICV is linear, meaning for any polynomials p and q

ICV(p+q) = ICV(p) + ICV(q)

Conclusion: Anyone can alter an WEP encapsulated packet in arbitrary ways without detection!!

This means that if q is an arbitrary nth degree polynomial, i.e., an arbitrary change in the underlying message data:

(p+q)x32 + ICV(p+q) + b = px32 + qx32 + ICV(p) + ICV(q) + b= ((px32 + ICV(p)) + b) + (qx32 + ICV(q))


802.11e: Virtual Backoff

8 virtual stations inside a stationVirtual CollisionThe scheduler grants the Transmission Opportunity (TXOP) to the TC with highest priority, out of the TCs that virtually collided within the station

Voice37Voice36Video25Video24Video probe13Best Effort00Best Effort01Best Effort02

Designation

AccessCategory

Priority

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802.11e: HCF

Target Beacon Transition Time (TBTT) is announced in every beacon frameTXOP begins either

Available under EDCFReceiving the QoS CF-Poll from the Hybrid Coordinator(HC)


Interferência

Em razão da faixa de 2,4 GHz não necessitar de licenciamento junto a órgãos reguladores, seu emprego tornou-se popular nos últimos anos sendo utilizada por uma série de tecnologias como:

Wi-Fi (IEEE 802.11b)Bluetooth (IEEE 802.15)Telefones sem fio

Estes equipamentos interferências entre si. Outros equipamentos, como os fornos de microondas, também podem gerar interferências nesta faixa.

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Interferências Inter-sistêmicas

BluetoothFaixa: 2400 MHz a 2485 MHzPotência: depende do equipamento (varia entre 0 e 5 dBm)Duração: depende dos dados transmitidos

Fornos de MicroondasFaixa: 2450 MHz a 2458 MHz Potência: 18 dBm a aproximadamente 3 metrosDuração: pulsos de aproximadamente 10 µs de duração

A probabilidade de colisão de pacotes WLAN x Bluetooth varia de 48% a 62%.

Fornos de microondas devem estar a 20 metros de distância de equipamentos de WLAN.

2412 MHz a 2462 MHz


Redução de Interferência

Existem diferentes maneiras de se minimizar interferências entre sistemas e dispositivos:

Utilização de técnicas de espalhamento de espectro Planejamento de freqüência (intra-sistêmicas)Planejamento de cobertura

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Redução de Interferência (Planejamento de freqüência)

O espectro de freqüência do padrão IEEE 802.11 (nos E.U.A, Canadá e Brasil entre outros) é divido em 11 canais de 22 MHz superpostos:

2400[MHz]

2412 2483,52437 2462

canal 1 canal 6 canal 11

22 MHz 2462 MHz11

2457 MHz10

2452 MHz9

2447 MHz8

2442 MHz7

2437 MHz6

2432 MHz5

2427 MHz4

2422 MHz3

2417 MHz2

2412 MHz1

Freq. CentralID do canal


Redução de Interferência (Planejamento de cobertura)

Um bom planejamento de cobertura implica em limitar as áreas de cobertura de dispositivos que utilizam as mesmas faixas de freqüência. Isto é mais simples quando se trata de dispositivos do mesmo sistema.

6

1

11

6

6

1 Exemplo de um bom planejamento de cobertura e freqüência de uma WLAN.

62


Aspectos de tráfego

O throughput (vazão) total gerado em uma área é dado pela soma dos throughput gerados por cada usuário, portanto a capacidade permitida do AP deve ser maior que este valor estimado:

Valores usuais de tráfego gerado por usuário são:throughput Point Access

throughput médio Usuáriosssimultâneo usuários de médio NúmeroAPs de Número ⋅=

123060100 kbps/usuárioWeb, EmailAcesso público

4 a 910 a 2020 a 40150 kbps/usuário

a300 kbps/usuário

Web, Email, Transferência de arquivos

Corporativo

2 Mbps5,5 Mbps11 Mbps

Número de usuários simultâneosTráfego médioAplicaçãoAmbiente


Caracterização do canal rádio

O comportamento de um sinal transmitido através do canal rádio pode ser dividido em três principais componentes:

Dependência com a distância (a)Variabilidade de larga escala (b)Variabilidade de pequena escala (c)

(a) (b) (c)

d-γ+ +

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Caracterização do canal rádio (cont.)Nível de potência atenuado à medida que se propaga no canal.

Este efeito é devido à dispersão do sinal no espaço, reduzindo asua densidade de potência em cada ponto.

A variabilidade de larga escala (sombreamento), corresponde às variações do nível de potência do sinal em torno do seu valor médio a uma determinada distância do transmissor, devido a obstruções do relevo e da morfologia do ambiente.

A variabilidade de pequena escala, devida ao efeito de multipercurso, é causada pela interferência entre sinais provenientes do transmissor que chegam ao receptor por caminhos diferentes.


Reflexão, difração e espalhamento

O efeito de multipercursos é causado por três mecanismos de propagação, a reflexão, a difração e o espalhamento. Estes mecanismos permitem que um sinal atinja um destino por diferentes percursos, além do percurso direto (LoS – Line of Sight), quando este existe.

(a) (b) (c)

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Gráfico dos efeitos

Distância entre TX-RX

potê

ncia


Aspectos práticos

Outras considerações importantes são:

Obstáculos metálicos sólidos refletem grande parte do sinal incidente, impedindo a propagação através deste.Obstáculos sólidos de madeira, plástico e feitos de tijolos refletem uma parte do sinal e permitem que uma parcela deste seja transmitido através.Água e objetos úmidos tendem a absorver uma grande parte do sinal incidente.Movimentação de pessoas no caminho do raio direto influenciam na recepção do sinal.

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Nível de sinal recebido (conceitos)

O nível de sinal é dado em dBm:

Ganho de antenas é dado em dBi.

)Plog(10P ]mW[]dBm[ ⋅=

0 dBi Ex1 (Omni): 2 dBi Ex2 (Diretiva): 15 dBi


Teste de atenuação em obstáculos(cont.)

4 a 8 dB50,0 mmLisaGesso

13 a 19 dB150,0 mmLisaCimento + Tinta

2 a 4 dB/

0 a 1 dB5,0 mm

Próximo/Distanteda esquadria

metálicaVidroJanela

17 a 24 dB200,0 mmRugosaCimento + Tinta

8 a 14 dB100,0 mmLisaGesso

2 a 4 dB35,0 mmLisaMadeira (divisória)

Parede

19 a 23 dB41,0 mmOcaMetal

5 a 9 dB53,0 mmAglomeradoMadeira

1 a 3 dB35,0 mmAglomeradoMadeira

Porta

PerdaadicionalEspessuraCaracterística

Material de composição

(predominante)Obstáculo

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Movimento de pessoas (cont.)

6 a 12 dB2 ou mais

4 a 8 dB1

Perda médiaNúmero de pessoas em movimento

Os resultados foram muito próximos aos sugeridos pelo ITU (ITU P. 1238-1), que é de 8 a 10 dB para 2,4 GHz.


Modelos empíricos

Os modelos empíricos são baseados em campanhas de medidas, para determinar o comportamento da perda de propagação do sinal em ambientes com características definidas.

Exemplos:Modelo Log-distanceModelo ITU P. 1238-1Modelo COST 231 Keenan e MotleyModelo COST 231 Multi-wall

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Modelo COST 231 Keenan e Motley

Este modelo é o mais completo para predição de sinais em ambientes interiores e exteriores, em razão do número de parâmetros de considerados:

onde:L0 – Perda de propagação a um metro da antena irradiante [dB]d – Distância ao transmissor [m]n – Coeficiente de propagaçãoLf,i – Perda de propagação do sinal através do piso i [dB]kf,i – Número de pisos com a mesma característicaLw,i – Perda de propagação do sinal através da parede j [dB]kw,i – Número de paredes com a mesma característicaI – Número de pisos atravessados pelo sinalJ – Número de paredes atravessadas pelo sinal

∑∑==

⋅+⋅+⋅⋅+=J

jiwiw

I

iififtotal LkLkdnLL

1,,

1,,0 )log(10


Metodologia de projeto e estudo de caso

O processo de planejamento pode ser dividido em 5 fases:

Definição das necessidades dos usuáriosMapeamento de redes existentesPlanejamento de coberturaPlanejamento de capacidadePlanejamento de freqüência

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Definição das necessidades

A definição das necessidades dos usuários envolve:

Regiões a serem cobertasNúmero médio de usuáriosTaxas de transmissão mínima (por usuário)Requisitos de segurançaCusto máximo do projeto


Mapeamento de redes existentes

O mapeamento de redes existentes é importante para:

Mapear passagens de caboIdentificar posições de ligação com a rede EthernetIdentificar posições de ligação de energia

Mínimo de modificações no ambiente

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Planejamento de cobertura

Definição da quantidade de APs que serão utilizados, os

seus posicionamentos e escolha das antenas. Esta fase

é subdividida em duas outras:

Previsão de cobertura (preferencialmente em softwareespecializado)Medidas de campo


Planejamento de cobertura + capacidade

O planejamento de cobertura e de capacidade se misturam, de

acordo com as necessidades de cada usuário. Isto ocorre

porque a taxa de transmissão varia de acordo com o nível de

sinal recebido em ambas as pontas.

---Corta------Corta---

6 Mbps: -85 dBm12 Mbps: -82 dBm54 Mbps: -68 dBm

1 Mbps: -95 dBm2 Mbps: -91 dBm

5,5 Mbps: -89 dBm11 Mbps: -84 dBm54 Mbps: -72 dBm

802.11a (5,2 GHz)802.11b/g (2,4 GHz)

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Escolha de antenas externas

Quando se escolhe utilizar antenas externas em vez de

outro AP?

Quando a capacidade dos APs já dimensionados

ainda abrigam mais usuários, mas a área de cobertura

não.

Custo mais baixo.

Possibilidade de se passar algum cabeamento.

OBS: Diversidade não é nova antena!


Planejamento de freqüência

Esta fase é onde se definem os canais utilizados por cada um dos APs para minimizar a interferência intra-sistêmica.

Uma preocupação adicional em relação a interferências são outros sistemas e equipamentos que utilizem faixas de freqüências próximas as das WLAN.

Equipamentos como fornos de microondas, transmissores Bluetooth, telefones sem fio e outras WLANs podem causar interferências no sistema, degradando o sinal e diminuindo as taxas de transmissão.

3-wlan - departamento de informáticainf2056/inf2056_files/menu/... · uma wireless lan usa meios...

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