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IEEE 802.11 Teil 2

IEEE 802.11 Teil 2. Folien von Dr. Hannes Hartenstein. Struktur der heutigen Vorlesung. MAC Verfahren in 802.11 Rahmenformat in 802.11 Beispiele ‘Control Frames’ Beispiele ‘Data Frames’ MAC Management Synchronization Authentication (+Privacy) Association Roaming Power Management.

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IEEE 802.11 Teil 2

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Presentation Transcript

  1. IEEE 802.11Teil 2 Folien von Dr. Hannes Hartenstein

  2. Struktur der heutigen Vorlesung • MAC Verfahren in 802.11 • Rahmenformat in 802.11 • Beispiele ‘Control Frames’ • Beispiele ‘Data Frames’ • MAC Management • Synchronization • Authentication (+Privacy) • Association • Roaming • Power Management H. Hartenstein: IEEE 802.11

  3. 802.11 MAC • Verkehrsarten • Asynchroner Datendienst (standard) • Austausch von Datenpaketen auf „best-effort“-Basis • Unterstützung von Broadcast und Multicast • Zeitbegrenzte Dienste (optional) • implementiert über PCF (Point Coordination Function) H. Hartenstein: IEEE 802.11

  4. 802.11 MAC • Zugriffsarten • DFWMAC-DCF CSMA/CA (standard) • Kollisionsvermeidung durch zufälligen „backoff“-Mechanismus • Mindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden Paketen • Empfangsbestätigung durch ACK (bei Unicast) • DFWMAC-DCF mit RTS/CTS (optional) • Distributed Foundation Wireless MAC • Vermeidung des Problems „versteckter“ Endgeräte • DFWMAC-PCF (optional) • Polling-Verfahren mit einer Liste im Access Point dezentral zentral H. Hartenstein: IEEE 802.11

  5. DIFS DIFS PIFS SIFS Medium belegt Wettbewerb nächster Rahmen t Kanalzugriff • Kanalzugriff: ein Alltags-problem! H. Hartenstein: IEEE 802.11

  6. 802.11 MAC • Prioritäten • werden durch Staffelung der Zugriffszeitpunkte geregelt • keine garantierten Prioritäten • SIFS (Short Inter Frame Spacing) • höchste Priorität, für ACK, CTS, Antwort auf Polling • PIFS (PCF IFS) • mittlere Priorität, für zeitbegrenzte Dienste mittels PCF • DIFS (DCF, Distributed Coordination Function IFS) • niedrigste Priorität, für asynchrone Datendienste H. Hartenstein: IEEE 802.11

  7. DFWMAC-DCF CSMA/CA: Überblick • “Listen-before-talk”: Sendewillige Stationen hören das Medium ab (carrier sensing). • Ist das Medium für die Dauer eines Inter-Frame Space (IFS) frei, wird gesendet. • Ist das Medium belegt, wird auf einen freien IFS gewartet und dann zusätzlich um eine zufällige Backoff-Zeit verzögert • Wird das Medium während der Backoff-Zeit von einer anderen Station belegt, bleibt der Backoff-Timer so lange stehen CS CA H. Hartenstein: IEEE 802.11

  8. Backoff-Algorithmus • Contention window ist in ‘slots’ unterteilt. • Auswählen der Backoff-Zeit: Gleichverteilung über {0,...,CW(i) - 1}. • Grösse des contention window abhängig vom ‘retry counter’ i. • CW(0) = 8; i>1: CW(i) = 2*CW(i-1); max CW = 256. • Wie bei Ethernet: Adaption von Zugriffsverzögerung bzw. Kollisionswahrscheinlichkeit an Auslastung. • Short retry counter und long retry counter; typischerweise auf 8 gesetzt. • Wenn ‘idle medium’ detektiert wird, wird Backoff-timer um eins heruntergesetzt; bei 0 wird gesendet. H. Hartenstein: IEEE 802.11

  9. DIFS Daten Sender SIFS Ack Empfänger DIFS Daten weitere Stationen t Wartezeit Wettbewerb Acknowledgements (Unicast-Fall) • Problem: ‘collision detection’ wie bei Ethernet funktioniert nicht. • Deshalb: explizite Empfangsbestätigungen. • Wenn Sender keine Empfangsbestätigung erhält, dann erfolgt ‘Retransmission’. SIFS < slot time H. Hartenstein: IEEE 802.11

  10. DIFS DIFS DIFS DIFS boe bor boe bor boe busy Station1 boe busy Station2 busy Station3 boe busy boe bor Station4 boe bor boe busy boe bor Station5 t Medium belegt (frame, ack etc.) busy boe verstrichene backoff Zeit Paketankunft am MAC-SAP bor verbleibende backoff Zeit Beispiel H. Hartenstein: IEEE 802.11

  11. DIFS RTS data Sender SIFS SIFS SIFS CTS ACK Empfänger DIFS NAV (RTS) data weitere Stationen NAV (CTS) t Wartezeit Wettbewerb DFWMAC-DCF mit RTS/CTS • optional; nur für unicast. • Für kurze Packete meist nicht sinnvoll. • Erweiterung des ‘carrier sense’ Mechanismus um Network Allocation Vector (‘virtual carrier sense mechanism) H. Hartenstein: IEEE 802.11

  12. DFWMAC-PCF • Point coordinator immer eine Access point. • PCF ist ‘über’ DCF konstruiert worden; PCF und DCF können ‘gleichzeitig’ verwendet werden. • ‘Contention-free period’ (CFP). • PCF verwendet PIFS um das Medium zu kontrollieren. • Ebenso wird NAV verwendet, um die CFP den Stationen mitzuteilen. • Poll/response protocol. • Der point coordinator fragt während der CFP alle Stationen der ‘polling list’ ab. H. Hartenstein: IEEE 802.11

  13. t2 t3 t4 t0 t1 Superrahmen PIFS SIFS D3 D4 CFend Medium belegt point coordinator PIFS SIFS SIFS D1 D2 SIFS point coordinator U4 SIFS SIFS drahtlose Stationen U1 U2 drahtlose Stationen NAV derStationen NAV wettbewerbsfreie Periode t NAV derStationen NAV Wettbewerb PCF Beispiel H. Hartenstein: IEEE 802.11

  14. Recap MAC Basics CSMA/CA RTS/CTS Poll/ response H. Hartenstein: IEEE 802.11

  15. Struktur der heutigen Vorlesung • MAC Verfahren in 802.11 • Rahmenformat in 802.11 • Beispiele ‘Control Frames’ • Beispiele ‘Data Frames’ • MAC Management • Synchronization • Authentication (+Privacy) • Association • Roaming • Power Management H. Hartenstein: IEEE 802.11

  16. Bytes 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 Frame Control Duration ID Address 1 Address 2 Address 3 Sequence Control Address 4 Data CRC Version, Typ, Fragmentierung, Sicherheit, ... MAC Rahmenstruktur • Typen • Steuerrahmen, Management-Rahmen, Datenrahmen • Sequenznummern • wichtig für duplizierte Pakete aufgrund verlorengegangener ACKs • Adressen • Empfänger, Transmitter (physikalisch), BSS Identifier, Sender (logisch) • Sonstiges: Sendedauer, Prüfsumme, Daten Nicht alle Felder in allen Rahmen! H. Hartenstein: IEEE 802.11

  17. Version Type Subtype Retry ToDS FromDS Frags Power More Order WEP Frame Control Field (1) • Type: Management, Control, Data, Reserved. • Management: Association Request/Response, Reassociation Request/Response, Probe Request/Response, Beacon, Announced traffic indication message, Disassociation, Authentication, Deauthentication, Reserved. • Control: Power save poll, RTS, CTS, ACK, Contention free end, ... • Data: Data, Data+CF-ACK, Data+CF-Poll, Data+CF-ACK+CF-Poll, Null, CF-ACK, CF-Poll, CF-ACK+CF-Poll, reserved ... H. Hartenstein: IEEE 802.11

  18. Version Type Subtype Retry ToDS FromDS Frags Power More Order WEP Frame Control Field (2) • ToDS flag: zeigt an, dass Rahmen an einen AP gesendet wird. • FromDS: zeigt an, dass Rahmen von einem AP aus gesendet wird. • More Fragments: zeigt an, ob noch mehr Fragmente folgen. • Retry: zeigt an, ob es sich um eine Retransmission handelt. • Power Management: ‘active’, ‘idle’ • More data: AP hat mind. noch einen Rahmen im Buffer für Station. • WEP: gibt an, ob WEP benutzt wird oder nicht. • Order: Request für ‘strictly ordered service’. H. Hartenstein: IEEE 802.11

  19. Adressierung DS: Distribution System AP: Access Point DA: Destination Address SA: Source Address BSSID: Basic Service Set Identifier RA: Receiver Address TA: Transmitter Address H. Hartenstein: IEEE 802.11

  20. Adressen • IEEE 48-bit MAC Adressen. • 1. Bit: Individuum oder Gruppe? • unicast bzw. multicast? • ‘all 1s’: broadcast. • 2. Bit: universal oder lokal? • Ist Adresse von IEEE ‘vergeben’ oder lokal vergeben worden? H. Hartenstein: IEEE 802.11

  21. FCS FCS Frame control Frame control TA Duration Duration RA RA Control Frame: RTS/CTS RTS • RTS: 20 bytes; CTS: 14 bytes. • RTS: warum keine 4 Adressen? • CTS: warum nur eine Adresse? CTS H. Hartenstein: IEEE 802.11

  22. Bytes 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 Frame Control Duration ID Address 1 Address 2 Address 3 Sequence Control Address 4 Data CRC Version, Typ, Fragmentierung, Sicherheit, ... Data frames • Minimale Länge: 29 bytes (3 Adressen + 1 Datenbyte). • Maximale Länge: 2346 bytes. • ‘Piggybacking’ von CF-ACK, CF-Poll, CF-ACK+CF-Poll möglich im CF Modus. • CF-ACK, CF-Poll, CF-ACK+CF-Poll auch ohne ‘Data’ möglich H. Hartenstein: IEEE 802.11

  23. Struktur der heutigen Vorlesung • MAC Verfahren in 802.11 • Rahmenformat in 802.11 • Beispiele ‘Control Frames’ • Beispiele ‘Data Frames’ • MAC Management • Synchronization • Authentication (+Privacy) • Association • Roaming • Power Management H. Hartenstein: IEEE 802.11

  24. MAC Management • Synchronisation • Finden eines LANs, versuchen im LAN zu bleiben • Timer etc. • Assoziation/Reassoziation • Eingliederung in ein LAN • Roaming, d.h. Wechseln zwischen Netzen von einem Access Point zu einem anderen • Scanning, d.h. aktive Suche nach einem Netz • Power Management • Schlafmodus ohne eine Nachricht zu verpassen • periodisches Schlafen, Rahmenpufferung, Verkehrszustandsmessung • MIB - Management Information Base • Verwalten, schreiben, lesen H. Hartenstein: IEEE 802.11

  25. MAC Management • Management frames: • Beacon, Probe Request/Response, Authentication, Deauthentication, Association Request/Response, Reassociation Request/Response, Disassiciation, Announcement Traffic Indication Message. • all management frames include: frame control, duration, address 1,2,3, sequence control, framebody, and FCS. • Framebody: Feste Felder + variable ‘information elements’ im Type-Length-Value Stil. H. Hartenstein: IEEE 802.11

  26. Synchronisation (1) • ... durch Leuchtfeuer. • Beacon: beinhaltet timestamp, beacon interval, capability information als feste Felder und einige information elements. • Beacon interval: 16-bit Feld, Einheit ist 1024 usec. Infrastruktur: B B B B Zugangs- punkt busy busy busy busy Medium t B Wert des Zeitstempels Beacon-Paket H. Hartenstein: IEEE 802.11

  27. Beacon-Intervall B1 B1 Station1 B2 B2 Station2 busy busy busy busy Medium t B Wert des Zeitstempels beacon Paket zufällige Verzögerung Synchronisation (2) Independent Basic Service Set: H. Hartenstein: IEEE 802.11

  28. Authentication (1) • Authentifizierung soll durchgeführt werden zwischen mobiler Station und AP. • Achtung: die Identität der mobilen Station wird geprüft, nicht die des AP (Erweiterungen des Standards werden derzeit diskutiert). • Authentifizierung kann durchgeführt werden in einem Independent Service Set. • Zwei verschiedene Dienste: • Open System, Shared Key. • Open System: ‘null authentication algorithm’ (falls WEP nicht vorhanden). • Shared Key: benötigt WEP. H. Hartenstein: IEEE 802.11

  29. Authentication (2) • WEP verwendet RC4 von RSA. • RC4: ‘symmetric stream cipher. • ‘Shared key’ müssen vor Verwendung ausgetauscht werden. • 802.11: keine Unterstützung im Key Management. MS AP assertion challenge response result H. Hartenstein: IEEE 802.11

  30. Association • ‘Association’ stellt logische Verknüpfung von mobiler Station und AP dar. • Association request: beinhaltet u.a. unterstützte Datenraten, PHY Optionen, WEP, und Requests bzgl. ‘contention-free service’. • AP ‘policies’ bzgl. Annahme/Ablehnung sind nicht spezifiziert. Typisch ist ‘load factor’. • Association response: Status information. • AP ist für den Datenverkehr zwischen DS und assoziierter Stationen zuständig. H. Hartenstein: IEEE 802.11

  31. Interaktion Authentication-Association State 1: unauthenticated, unassociated State 2: authenticated, unassociated State 1: authenticated, associated H. Hartenstein: IEEE 802.11

  32. Roaming • Keine oder schlechte Verbindung? - Dann: • Scanning • Abtasten der Umgebung (Medium nach „Leuchtfeuer“ von APs abhören oder Probe ins Medium senden und Antwort abwarten) • Reassociation Request • beinhaltet Information ueber den bisherigen AP. • Reassociation Response • bei Erfolg, d.h. ein AP hat geantwortet, nimmt Station nun teil • bei Mißerfolg weiterhin Scanning • AP akzeptiert Reassociation Request • Anzeigen der neuen Station an das Distribution System • Distribution System aktualisiert Datenbestand (d.h. wer ist wo) • normalerweise wird alter AP vom Distribution System informiert H. Hartenstein: IEEE 802.11

  33. Inter-Access-Point Protocol • Bislang: APs von verschiedenen Herstellern konnten i.A. nicht miteinander kommunizieren. • 802.11 Meeting Maerz 2001: erste Version eines IAPPs. • Lucent: • IAPP, Internet draft, Henri Moelard et al. • “Fast and scalable Handoffs for Wireless Internetworks”, R. Caceres, Padmanabhan, MobiCom’96: ‘ARP-based handoffs’. H. Hartenstein: IEEE 802.11

  34. Power Management (1) • Ausschalten der Sende/Empfangseinheit wenn nicht benötigt • Zustände einer Station: schlafend und wach • Timing Synchronization Function (TSF) • Sicherstellung, dass alle Stationen zur gleichen Zeit aufwachen. • Ad-hoc • Ad-hoc Traffic Indication Map (ATIM) • Bekanntmachung von Empfängern zwischengespeicherter Pakete durch die speichernden Stationen • komplexer, da kein zentraler AP • Kollisionen von ATIMs möglich (Skalierbarkeit?) H. Hartenstein: IEEE 802.11

  35. ATIM- Fenster Beacon-Intervall B1 A D B1 Station1 B2 B2 a d Station2 t B D Beacon-Paket zufällige Verzögerung Datenübertragung a d wach Bestätigung v. ATIM Bestätigung der Daten A ATIM-Übertragung Power Management (2) tradeoff: beacon interval - power savings H. Hartenstein: IEEE 802.11

  36. TIM Intervall DTIM Intervall D B T T d D B Zugangs- punkt busy busy busy busy Medium p d Station t T D wach TIM DTIM Datenübertragung von/zu der Station B p d broadcast/multicast PS poll Power Management (3) • Traffic Indication Map (TIM) • Liste von unicast-Empfängern, von AP ausgesendet • Delivery Traffic Indication Map (DTIM) • Liste von broadcast/multicast-Empfängern, von AP ausgesendet Infrastruktur: H. Hartenstein: IEEE 802.11

  37. Diskussion • Warum verwendet 802.11 nur einen ‘spreading code’? • Was sind Vorteile/Nachteile von PCF gegenüber DCF? • Wann sollte RTS/CTS verwendet werden? • Was sind Sonderheiten eines 802.11 Rahmes gegenüber Ethernet? • Wie sicher ist 802.11? • Wo liegen die Probleme beim Roaming? H. Hartenstein: IEEE 802.11

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