IEEE 802.11 Teil 2

IEEE 802.11Teil 2

Folien von Dr. Hannes Hartenstein

May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 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


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)


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 ze

ntra

lde

zent

ral


Kanalzugriff

• Kanalzugriff: ein Alltags-problem!

t

Medium belegtSIFS

PIFS

DIFSDIFS

nächster RahmenWettbewerb


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


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


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.


Acknowledgements (Unicast-Fall)

• Problem: ‘collision detection’ wie bei Ethernet funktioniert nicht.

• Deshalb: explizite Empfangsbestätigungen.• Wenn Sender keine Empfangsbestätigung erhält,

dann erfolgt ‘Retransmission’.

t

SIFS

DIFS

Daten

Ack

Wartezeit

weitereStationen

Empfänger

SenderDaten

DIFS

Wettbewerb

SIFS < slot time


Beispiel

t

busy

boe

Station1

Station2

Station3

Station4

Station5

Paketankunft am MAC-SAP

DIFSboe

boe

boe

busy

verstrichene backoff Zeit

bor verbleibende backoff Zeit

busy Medium belegt (frame, ack etc.)

bor

bor

DIFS

boe

boe

boe bor

DIFS

busy

busy

DIFSboe busy

boe

boe

bor

bor


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)

tWartezeit

weitereStationen

Empfänger

Sender

Wettbewerb

SIFS

DIFS

data

ACK

data

DIFS

RTS

CTSSIFS SIFS

NAV (RTS)NAV (CTS)


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.


PCF Beispiel

PIFS

NAV derStationen

drahtloseStationen

point coordinator

D1

U1

SIFS

NAV

SIFS D2

U2

SIFS

SIFS

Superrahment0

Medium belegt

t1

t

D3

NAV

PIFSD4

U4

SIFS

SIFSCFend

Wettbewerbwettbewerbsfreie Periode

t2 t3 t4

NAV derStationen

drahtloseStationen

point coordinator


Recap MAC Basics

CSMA/CA

RTS/CTS

Poll/response







MAC Rahmenstruktur

FrameControl

DurationID

Address1

Address2

Address3

SequenceControl

Address4

Data CRC

2 2 6 6 6 62 40-2312Bytes

Version, Typ, Fragmentierung, Sicherheit, ...

• 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!


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 ...

Version Type Subtype

ToDS FromDS Frags Retry Power WEP OrderMore


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’.

Version Type Subtype

ToDS FromDS Frags Retry Power WEP OrderMore


Adressierung

Paketart to DS fromDS

Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4

Ad-hoc Netzwerk 0 0 DA SA BSSID -InfrastrukturNetzwerk, von AP

0 1 DA BSSID SA -

InfrastrukturNetzwerk, zu AP

1 0 BSSID SA DA -

InfrastrukturNetzwerk, im DS

1 1 RA TA DA SA

DS: Distribution SystemAP: Access PointDA: Destination AddressSA: Source AddressBSSID: Basic Service Set IdentifierRA: Receiver AddressTA: Transmitter Address


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?


Control Frame: RTS/CTS

• RTS: 20 bytes; CTS: 14 bytes.• RTS: warum keine 4 Adressen?• CTS: warum nur eine Adresse?

Frame control Duration RA TA FCS

Frame control Duration RA FCS

RTS

CTS


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

FrameControl

DurationID

Address1

Address2

Address3

SequenceControl

Address4

Data CRC

2 2 6 6 6 62 40-2312Bytes

Version, Typ, Fragmentierung, Sicherheit, ...







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


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.


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.

tMedium

Zugangs-punkt

busy

B

busy busy busy

B B B

Wert des Zeitstempels B Beacon-Paket

Infrastruktur:


Synchronisation (2)

tMedium

Station1

busy

B1

Beacon-Intervall

busy busy busy

B1

Wert des Zeitstempels B beacon Paket

Station2

B2 B2

zufällige Verzögerung

Independent Basic Service Set:


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.


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


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.


Interaktion Authentication-Association

State 1:unauthenticated,

unassociated

State 2:authenticated,unassociated

State 1:authenticated,

associated


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


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’.


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?)


Power Management (2)

wach

A ATIM-Übertragung D Datenübertragung

t

Station1

B1 B1

B Beacon-Paket

Station2

B2 B2

zufällige Verzögerung

A

a

D

d

ATIM-Fenster Beacon-Intervall

a Bestätigung v. ATIM d Bestätigung der Daten

tradeoff: beacon interval - power savings


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

TIM Intervall

t

Medium

Zugangs-punkt

busy

D

busy busy busy

T T D

T TIM D DTIM

DTIM Intervall

BB

B broadcast/multicast

Station

wach

p PS poll

p

d

d

d Datenübertragungvon/zu der Station

Infrastruktur:


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?

Date post:	01-Jan-2016
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