ieee 802.11 teil 2 dr. hannes hartenstein nec europe ltd., heidelberg sommersemester 2001,...
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IEEE 802.11Teil 2
Dr. Hannes Hartenstein
NEC Europe Ltd., Heidelberg
Sommersemester 2001,
Universität Mannheim
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
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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)
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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
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Kanalzugriff
• Kanalzugriff: ein Alltags-problem!
t
Medium belegtSIFS
PIFS
DIFSDIFS
nächster RahmenWettbewerb
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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
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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
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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.
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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
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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
May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 11
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)
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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.
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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
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Recap MAC Basics
CSMA/CA
RTS/CTS
Poll/response
May 2001 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
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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!
May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 17
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
May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 18
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
May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 19
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
May 2001 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?
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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
May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 22
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, ...
May 2001 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
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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
May 2001 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.
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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:
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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:
May 2001 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.
May 2001 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
May 2001 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.
May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 31
Interaktion Authentication-Association
State 1:unauthenticated,
unassociated
State 2:authenticated,unassociated
State 1:authenticated,
associated
May 2001 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
May 2001 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’.
May 2001 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?)
May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 35
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
May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 36
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:
May 2001 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?