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Comunicaciones Inalámbricas

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(1)

Iván Bernal, Ph.D.

imbernal@mailfie.epn.edu.ec

http://ie205.epn.edu.ec/ibernal

http://ie205.epn.edu.ec/ibernal

Comunicaciones Inalámbricas

Quito – Ecuador

Copyright @2005, I. Bernal

Escuela Polit

Escuela Polité

écnica Nacional

cnica Nacional

Quito – Ecuador

Estándar IEEE 802.11 (Parte I)

Agenda

Agenda

Revisión de ideas de las capas dependientes de la

tecnología

Arquitectura de IEEE 802.11

Servicios

(2)

Iv

Iváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D. Noviembre 05

Noviembre 05 33

W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd

Edition, Prentice Hall, 2005.

W. Stallings, "Local and Metropolitan Area Networks", 5ta Edition,

Prentice Hall, 1997.

R. Prasad, L. Muñoz, WLANs and WPANs towards 4G wireless,

Artech House, London, 2003.

J. Geier, “Wireless LANs”, 2nd Edition, SAMS Publishing, 2002.

M. Gast, “802.11 Wireless Networks”, O’Reilly, 2002.

Bibliografía

Bibliograf

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Revisión de IEEE 802

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En términos del modelo OSI, los protocolos de capas superiores (3 o 4 y

superiores) son independientes de la arquitectura de red y se aplican a LANs,

MANs y WANs.

La figura relaciona los modelos de referencia 802 con el de la OSI.

Capa física

™Especifica las características eléctricas, ópticas o de radio de las señales transmitidas (signaling), y las conexiones (conectores) mecánicas/físicas aplicables al tipo de medio en uso. ™Las funciones de esta capa incluyen:

¾Codificación/Decodificación (Encoding/Decoding) de las señales (Ejemplo: PSK, QAM, etc.) ¾Generación/remoción de los preámbulos que se utilizan para sincronización.

¾Transmisión/recepción de bits.

™La capa física del modelo 802 incluye una especificación del medio de transmisión.

¾Generalmente esto es considerado “bajo” el nivel mas bajo del modelo OSI.

¾La decisión del medio de transmisión es crítico en las LANs, por lo que se incluye una especificación del medio y la topología.

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Capa física

™

Además de desarrollar un modelo de referencia, también se desarrolló un modelo de

implementación para guiar el desarrollo de estándares específicos.

¾La diferencia es que el modelo de implementación resalta la complejidad de estandarización de la capa física.

9Para una capa MAC, existen varias opciones de medio físico.

™

En la mayoría de casos, en la especificación de la capa física hay una porción:

¾Independiente del medio que trata con:

9Codificación/decodificación de las señales (Signal encoding) 9Sincronización

9Otros aspectos comunes entre diferentes medios

¾Dependiente del medio

9Trata con aspectos eléctricos y mecánicos

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Capa física

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Capa enlace de datos

™Se usa para enmascarar los cambios de la capa física (y con ello el medio) de las capas superiores.

¾MAC (Media Access Control)

9Particular al método de acceso empleado en la LAN (solo en LANs). 9Funciones:

‰Recibe datos del LLC y los encapsula en tramas (framing) en transmisión.

‰Desencapsula los datos de las tramas recibidas y los pasa a la subcapa LLC.

‰Monitorea el canal de comunicaciones para determinar cuando el canal está libre y luego pasa la trama a la capa física para transmisión.

‰Detección de errores utilizando un CRC que incluyó en las tramas.

‰Es responsable por la detección y recuperación de colisiones.

¾LLC (Logical Link Control)

9Proveer un conjunto consistente de servicios a la capa red, sin importar la subcapa MAC en uso.

‰Proveer SAPs (service access points).

¾La separación en dos subcapas se la realiza por que:

9La lógica para administrar el acceso a un medio compartido no se encuentra en la capa 2 tradicional (Data Link Layer).

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Capa enlace de datos (LLC)

™

En el gráfico, las capas superiores a LLC proveen servicios “end-to-end” (extremo a

extremo) entre las estaciones.

™

La capa LLC también es “end-to-end” .

¾Bajo la subcapa LLC, la subcapa MAC provee la lógica para acceder a la red.

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Capa enlace de datos (LLC)

™

Como protocolo “end-to-end”, LLC puede proveer tres servicios fundamentales:

¾Connectionless service

9No requiere la sobrecarga de establecer una conexión lógica. 9Para tráfico altamente interactivo.

9Se soporta fácilmente incluyendo las direcciones de la fuente y el destino.

¾Connection oriented

9Para ciertos tipos de tráfico. 9Se soporta con SAPs.

¾Multipexación

9Un único enlace físico conecta la estación a la red.

9Debería proveerse transferencia de datos con múltiples “puntos extremos lógicos” sobre ese enlace físico.

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Capa enlace de datos (LLC)

™

Los servicios orientados a conexión y de multiplexación se soportan con SAPs.

¾LLC soporta múltiples SAPs, cada uno con su propia dirección LSAP.

¾LLC provee comunicación entre LSAPs.

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Capa enlace de datos (LLC)

™

Un proceso X en la estación A desea enviar un mensaje a un proceso en C.

¾X podría ser un programa generador de reportes en una estación de trabajo.

¾C podría ser una impresora o un driver de impresión.

™

X se asocia a LSAP1 y solicita una conexión a C (C podría tener un solo LSAP).

¾El LLC en A envía a la LAN un PDU (protocol data unit) a la LAN con un pedido de conexión que incluye la dirección de la fuente (A,1), la dirección del destino (C,1) y bits de control indicando que lo enviado es una petición de conexión..

™

La LAN entrega la trama a C, la cual si está libre retorna un PDU de “conexión

aceptada”.

™

Todos los datos desde X serán transmitidos en PDUs que incluyen la fuente (A,1) y el

destino (C,1).

™

Cualquier dato desde la impresora (como ACKs) serán transmitidos en PDUs que

incluyan (A,1) y (C,1) como destino y fuente.

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Capa enlace de datos (LLC)

™

Al mismo tiempo, el proceso Y podría asociarse a (A,2) e intercambiar datos con

(B,1).

¾Este es un ejemplo de multiplexación.

™

Adicionalmente, otro proceso en A podría usar (A,3) para enviar PDUs (sin

conexión) a varios destinos.

Direccionamiento

™

Se requieren dos niveles

¾Dirección MAC

¾Dirección LLC (únicas dentro da cada estación)

9Hay unas cuantas reservadas a nivel global de la red.

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La figura ilustra la relación entre las diferentes capas.

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PDU=Datos de control de un protocolo + los datos transportados

(

SDU

)

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Formato de la trama MAC

™El PDU de la MAC se conoce como trama MAC (MAC frame).

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Formato de la trama MAC

™

Los campos de la trama son:

¾MAC Control

9Cualquier información de control del protocolo para que éste opere.

‰Ejemplo: un nivel de prioridad. ¾Destination MAC address

9La dirección física del punto de destino de la LAN para esta trama.

¾Source MAC address

9La dirección física del punto origen de la LAN para esta trama.

¾Data

9El cuerpo de la trama MAC que puede ser:

‰Datos de LLC de la capa inmediata superior.

‰Información de control relevante a la operación del protocolo MAC. ¾CRC (Cyclic Redundancy Check)

9Se conoce también como FCS (Frame Check Sequence). 9Detección de errores.

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Control de errores

™

En la mayoría de protocolos de la capa enlace de datos:

¾Los protocolos detectan los errores en base al CRC.

¾Permiten recuperarse de los errores retransmitiendo las tramas afectadas.

™

En los protocolos para LAN:

¾La capa MAC es responsable por detectarlos y descartar las tramas que tienen errores.

¾De forma opcional, LLC tiene en cuenta cuales tramas se han recibido correctamente y se encarga de retransmitir las que contengan errores.

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Formato del PDU LLC

™

DSAP y SSAP contienen direcciones de 7 bits, que especifican los usuarios destino y

origen de los usuarios LLC.

¾Un bit del DSAP indica si el DSAP es una dirección individual o de grupo.

¾Un bit del SSAP indica si el PDU es uno de comando o respuesta.

™

El formato del campo de control es idéntico al de HDLC (High Level Data Link

Control ).

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Servicios de la capa LLC

™El estándar LLC especifica tres formas de servicios a los usuarios LLC:

¾Unacknowledged connectionless service

9Estilo datagrama que simplemente permite enviar y recibir PDUs LLC. ‰Ninguna forma de acuse de recibo que garantice la entrega.

‰No control de flujo.

‰No mecanismos de control de errores. 9Se soporta multicast y broadcast. ¾Connection-mode service

9Permite el establecimiento de una conexión lógica.

9Provee mecanismos para solicitar o ser notificado cuando se establece o rompe una conexión lógica.

‰Provee control de flujo, control de secuencias.

‰Recuperación de errores. 9No soporta multicast o broadcast. ¾Acknowledged connectionless service

9Se envían datos y se reciben acuses de recibo sin establecer ninguna conexión lógica. ‰Provee control de flujo, control de secuencias.

‰Recuperación de errores.

™Los servicios se especifican en términos de primitivas que pueden visualizarse como comandos o llamadas a procedimientos con parámetros.

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Servicios de la capa LLC

™

Unacknowledged connectionless service

¾Útil cuando las capas mas altas proveen confiabilidad y mecanismos de control de flujo, y por lo tanto, hacer esto también en la capa LLC sería duplicar esta funcionalidad.

9TCP podría ser el que provea la confiabilidad.

¾Útil cuando la sobrecarga de establecer conexiones y su mantenimiento no se justifican o incluso pueden ser contraproducentes.

9Adquisición de datos que involucra el muestreo periódico de fuentes de datos tales como sensores, o reportes de auto-chequeos automáticos de equipos de seguridad o equipos de red.

9En aplicaciones de monitoreo, la pérdida ocasional de datos no causa generalmente situaciones extremas.

¾En la mayoría de casos es la opción preferida.

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Servicios de la capa LLC

™Connection-mode service

¾Podría utilizarse en dispositivos muy simples.

9Terminales remotos que tienen poco software operando sobre la capa de enlace, por lo que ofrecer confiabilidad a nivel de LLC se justifica.

¾Provee el control de flujo y mecanismos de confiabilidad (que normalmente se implementarían en capas superiores).

™Acknowledged connectionless service

¾En Connection-mode service se debe mantener algún tipo de tabla para cada conexión activa para monitorear el estado de la conexión.

9Si se requiere entrega confiable pero hay un gran número de destinos para los datos,

Connection-mode service puede ser impráctico por el gran número de tablas requerido.

9Ejemplo: un proceso de control en donde un lugar central debe comunicarse con un gran número de procesadores y controladores.

¾Ejemplo: Manejo de señales de control de emergencias y alarmas de importancia y críticas en una fábrica.

9Debido a su importancia se requiere un acuse de recibo (ACK) para que el transmisor esté seguro que se recibieron las señales.

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Protocolos de la capa LLC

™

Modelados en base a HDLC y tiene funciones y formatos similares.

™

Hay 3 protocolos LLC (se les conoce como tipos de operación) definidos en el

estándar, uno para cada una de las tres formas de servicio:

¾Operación Tipo 1: soporta Unacknowledged connectionless service.

¾Operación Tipo 2: soporta Connection-mode service.

¾Operación Tipo 3: soporta Acknowledged connectionless service.

™

Es posible que una estación soporte mas de una forma de servicio y por lo tanto

emplee mas de un tipo de protocolos.

™

La combinación de servicios soportados está dada por la “clase de estación”.

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IEEE 802

IEEE 802

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Los protocolos definidos específicamente para LANs y MANs se

preocupan de problemas relacionados a la transmisión de datos

por la red.

™

La discusión de los protocolos LAN se centra principalmente en las capas bajas del

modelo OSI.

¾Capa física.

9Para algunos estándares IEEE 802, esta capa se subdivide.

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IEEE 802

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Capa física en IEEE 802.11

Capa f

Capa f

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sica en IEEE 802.11

sica en IEEE 802.11

PLCP (Physical Layer Convergence Procedure)

™

Define un método para “transformar o asociar” los PDUs de la MAC a un formato

adecuado para la transmisión y recepción de datos entre estaciones que utilizan una

capa PMD asociada.

¾MPDUs (MAC Protocol Data Units).

¾Agrega campos a los MPDUs requerida por los transmisores/receptores.

¾Existen PLCPs específicas, así para DSSS, FHSS e IR.

PMD (Physical Medium Dependent)

™

Define las características y el método de transmitir/recibir datos del usuario

utilizando un medio inalámbrico.

¾Bajo la dirección del PLCP realiza la transmisión/recepción propiamente dicha.

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IEEE 802.11

IEEE 802.11

IEEE 802.11

En 1990, el Comité IEEE 802 formó un nuevo grupo de trabajo

IEEE 802.11 dedicado a WLANs para desarrollar especificaciones

para el medio físico y protocolos MAC.

™

Inicialmente se centró en el desarrollo de WLANs en la banda ISM.

™

Se tiene una lista creciente de estándares.

El estándar 802.11 que ganó una amplia aceptación en la industria

fue el 802.11b (1999).

™

A pesar de que los productos de diferentes vendedores estaban basados en este

estándar existía la preocupación de interoperabilidad.

™

WECA se formó en 1999, y luego cambio su denominación a Wi-Fi.

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IEEE 802.11

IEEE 802.11

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Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

Basic Service Set (BSS)

™Consiste de un número de estaciones compitiendo por el acceso a un medio inalámbrico compartido (incluye necesariamente un AP).

™Puede estar aislado o conectado a un backbone DS (Distribution system ) a través de un AP (Access Point ). ™Las estaciones cliente no se comunican entre si directamente.

¾Si una estación en el BSS desea comunicarse con otra en el mismo BSS, la trama MAC es enviada de la estación origen al AP, y luego del AP a la estación destino.

™Corresponde a lo que se conoce como una celda (cell).

Access Point (AP)

™Funciona como un bridge y un punto de reenvío.

Distribution System (DS)

™Es el backbone.

™Para enviar una trama MAC de una estación en un BSS1 a una estación (remota) en otro BSS (BSS2): ¾La trama es primero enviada al AP local (AP1), y luego a través del DS se envía al AP2 y de ahí a la estación destino. ™Puede ser un switch, una red alámbrica, o una red inalámbrica.

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Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

Independent Basic Service Set (IBSS)

™

Todas las estaciones son móviles y sin conexiones a otras BBSs.

™

Típicamente es una red ad hoc.

™

Las estaciones se comunican directamente entre si, y no se tiene un AP.

Extended Service Set (ESS)

™

Consiste de 2 o mas BSS interconectados por un DS.

Observaciones:

™

Es posible que dos BSSs se sobrelapen en términos de su área de cobertura.

¾Sin interferir entre ellas.

™

La asociación entre una estación y un BSS es dinámica.

¾Las estaciones pueden encenderse o apagarse, pueden salir de las áreas de coberturas o entrar en el área de cobertura de un BSS.

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Arquitectura de IEEE 802.11

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Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

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Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

El estándar define 9 servicios que una WLAN debe proveer.

™

Funciones que LLC requiere para enviar SDUs de la MAC (MSDUs) entre dos

entidades en la red.

™

Servicios implementados por la MAC.

Funciones opcionales de la MAC

™

PCF (Point Coordination Function)

¾Se implementa en un AP.

¾Para entrega de datos sensibles al retardo.

¾Se detalla mas adelante.

™

Contention-free Pollable

¾Se implementa en una estación.

¾Para permitir la transferencia de datos sensibles al retardo definidos en el PCF.

™

WEP (Wired Equivalent Privacy)

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Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Proveedores de los Servicios

™Estaciones ™DS

Clasificación I

™Servicios de estación

¾Se implementan en toda estación 802.11, incluyendo a los APs. ™Servicios de distribución

¾Se implementan en los APs o dispositivos que se conecten al DS. ¾Se proveen entre BSSs.

Clasificación II

™Acceso y confidencialidad

¾Tres servicios

™Entrega de MSDUs (MAC Service Data Unit) entre estaciones.

¾Seis servicios.

¾Si el MSDU es demasiado grande puede fragmentarse antes de transmitirse.

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Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

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Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Distribución de mensajes dentro del DS

™

Servicio de Distribución

¾Principal servicio utilizado por las estaciones en el intercambio de tramas MAC. cuando las tramas deben atravesar el DS.

¾La manera en la que el mensaje es transportado por el DS sale del alcance de IEEE 802.11.

¾Si dos estaciones que se comunican pertenecen al mismo BSS, el servicio de distribución solo usa un AP, el del BSS.

™

Servicio de Integración

¾Habilita la transferencia de datos entre una estación en una LAN IEEE 802.11 y una estación en una LAN integrada IEEE 802.x.

¾El término “Integrada” se refiere a una LAN alámbrica físicamente conectada al DS. 9Las estaciones de la LAN alámbrica pueden estar conectada lógicamente a la LAN

IEEE 802.11 mediante el servicio de integración.

¾El servicio de integración se encarga de cualquier traducción de direcciones y conversión de medios requeridos para el intercambio de datos.

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Tipos de transición de las estaciones basados en su movilidad:

™

No transición

¾Una estación es estacionaria o se mueve solo dentro del área de cobertura de un BSS.

™

Transición BBS

¾Una estación se mueve de un BSS a otro BSS dentro de un ESS.

¾Se debe reconocer la nueva ubicación de la estación.

™

Transición ESS

¾Una estación se mueve de un BSS en un ESS a otro BSS en otro ESS.

¾Se interpreta en términos del movimiento solamente.

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Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios relacionados a la Asociación

™Para que el “Servicio de Distribución en el DS” funcione se requiere información de las estaciones en el ESS.

¾Esta información la proporcionan los servicios de asociación.

¾El DS necesita saber la identidad del AP al cual se debe entregar un mensaje para que luego llegue a la estación destino.

¾Una estación debe mantener una asociación con un AP en su BSS. ™Servicio de Asociación

¾Establece una asociación inicial entre una estación y un AP.

¾Antes de que una estación transmita o reciba datos debe estar “asociada” a un AP. 9Se debe conocer la identidad y dirección de la estación.

9El AP puede comunicar esta información a otros APs en el ESS para facilitar la tarea de enrutamiento y entrega de las tramas, y movilidad entre BSSs.

™Servicio de Reasociación

¾Permite transferir una asociación existente de un AP a otro AP. ¾Permite que una estación móvil se mueva de un BSS a otro. ™Servicio de Disasociación

¾Una estación o AP emite notificaciones de que una asociación ha terminado. 9Una estación debería hacerlo antes de abandonar un BSS o apagarse. ¾En la MAC se prevé los casos en que la estación desaparezca sin notificación.

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Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de Acceso y Privacidad

™Características inherentes en las LAN alámbricas pero no en WLAN

¾Transmisión

9En LAN alámbricas, una estación debe estar conectada físicamente a la LAN. ‰Se requiere una acción probablemente observable para conectar la estación a la LAN. 9En WLAN, una estación transmite a otras con solo estar dentro del rango de cobertura. ¾Recepción

9En LAN alámbricas, una estación debe estar conectada físicamente a la LAN para recibir una transmisión de otra estación en la LAN.

‰Se limita la recepción a estaciones conectadas a la LAN.

9En WLAN, una estación puede recibir de otras con solo estar dentro del rango de cobertura. ™Servicio de autenticación

¾Para establecer identidades entre las estaciones antes de la asociación.

9En LAN alámbricas, el acceso a la LAN conlleva una autorización de conectarse. ¾IEEE 802.11 soporta varios esquemas de autenticación y permite su expansión.

9No se tienen esquemas mandatorios.

9Requiere que la autenticación sea aceptable mutuamente y exitosa antes de permitir que una estación establezca una asociación con un AP.

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Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de IEEE 802.11

Servicios de Acceso y Privacidad

™

Servicio de desautenticación

¾Se utiliza cuando una autenticación existente debe terminarse. 9Cuando una estación quiere desasociarse.

¾Es una notificación que no puede ser rechazada.

™

Servicio de Privacidad

¾Para proteger la lectura del contenido de las tramas por aquellos que no son los destinatarios previstos.

¾Se permite el uso opcional de encripción.

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

A primera vista, parecería que se seguiría exactamente el mismo

algoritmo que en Ethernet.

™

Esperar hasta que el enlace esté libre antes de transmitir y realizar back off si ocurre

una colisión.

™

El problema es mas complicado en una red inalámbrica debido a que no todos los

nodos están al alcance unos de otros.

Para la figura, se asume que cada uno de los cuatro nodos puede

enviar y recibir señales solo a los nodos inmediatos a su derecha e

izquierda.

™

B puede intercambiar tramas con A y C, pero no alcanza a D.

(22)

Iv

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Noviembre 05 4343

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

C

B

A

D

Problema de los nodos escondidos (hidden

nodes)

™Suponiendo que A y C desean comunicarse con B, cada uno envía una trama.

¾A y C no están concientes uno del otro por que sus señales no tienen ese alcance.

¾Las dos tramas colisionan en B

9Pero ni A ni C saben de esta colisión.

Problema de los nodos expuestos (exposed

nodes)

™Suponiendo que B envía tramas a A. ¾C está conciente de la transmisión por que

escucha a B.

¾Sería un error que C concluya que no puede transmitir a nadie solo porque escucha la transmisión de B.

9Suponiendo que C quiere transmitir a D, esto no sería un problema ya que la transmisión de C no interfiere con la habilidad de A en recibir la señal de B.

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Iváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D. Noviembre 05

Noviembre 05 4444

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

802.11 soluciona este problema con un algoritmo llamado MACA

(Multiple Access Collision Avoidance).

La idea es que el transmisor y el receptor intercambien tramas de

control antes que el transmisor envié algún dato.

™

Este intercambio indica a los nodos cercanos que va a iniciarse una transmisión.

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Iv

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Noviembre 05 4545

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

RTS (Request To Send)

™El transmisor envía una trama RTS al receptor.

™La trama RTS incluye un campo que indica cuanto tiempo el transmisor desea controlar el medio ( o especifica la longitud de la trama de datos a transmitir).

¾A este tiempo se le considera como información de reservación.

¾Quienes escuchan la trama almacenan localmente este valor en un “vector de asignación de red” o NAV (Network

Allocation Vector), que se maneja como un temporizador decreciente.

CTS (Clear To Send)

™El receptor responde con una trama CTS.

™La trama CTS incluye también el tiempo que tomará la transmisión de la trama de datos.

™Cualquier nodo que ve la trama CTS sabe que está cerca del receptor y que no puede transmitir por el tiempo necesario para enviar la trama del tamaño especificado.

¾Es decir, si al sensar el canal o chequear el NAV, el canal está ocupado, entonces no se transmite.

ACK

™El receptor envía un ACK al transmisor luego de recibir la trama de datos exitosamente. ™Todos los nodos deben esperar por este ACK antes de intentar transmitir.

™Si el transmisor no recibe el ACK, dentro de un periodo de tiempo preestablecido, retransmite la trama. ¾La trama fue dañada, o el ACK fue dañado.

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

IFS (InterFrame Space): retardo.

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Iv

Iváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D. Noviembre 05

Noviembre 05 4747

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

Cualquier nodo que vea la trama RTS pero no la trama CTS no

está lo suficientemente cerca al receptor para interferir y por lo

tanto puede transmitir.

Si dos o mas nodos detectan un enlace libre y tratan de transmitir

una trama RTS al mismo tiempo, sus tramas RTS colisionarán.

™

802.11 no soporta detección de colisiones, pero quienes enviaron las tramas RTS

sabrán que ocurrió una colisión si no reciben una trama CTS, después de un periodo

de tiempo.

¾Se espera un tiempo aleatorio en cada nodo antes de intentar nuevamente.

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Iváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D. Noviembre 05

Noviembre 05 4848

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

Con un AP

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Noviembre 05 4949

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

La capa MAC IEEE 802.11 cubre tres áreas funcionales.

™

Entrega confiable de datos (Reliable data delivery)

™

Control de Acceso

™

Seguridad

IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

Entrega confiable de datos

™Una WLAN está sujeta a ruido, interferencia, y otros efectos de propagación que pueden resultar en un número significativo de tramas perdidas.

¾A pesar de tener códigos correctores de error habrán tramas con error. ™Se podría delegar a mecanismos de confiabilidad de las capas superiores.

¾Temporizadores usados para retransmisión en capas superiores pueden estar en el orden de segundos. ™Es mas eficiente manejar los errores en la capa MAC.

¾Cuando una estación recibe una trama de datos, retorna un ACK al origen.

9Este intercambio se toma como una unidad atómica, que no debe ser interrumpida por una transmisión de otra estación.

¾Si el origen no recibe el ACK en un intervalo de tiempo establecido, retransmite la trama.

9Su trama de datos fue dañada.

9El ACK fue dañado.

™Para mejorar la confiabilidad, se utiliza el protocolo basado en el intercambio de 4 tramas (explicado anteriormente).

¾Para disminuir la probabilidad de colisiones, producto de que dos nodos no puedan escucharse, a mas de sensar el canal físicamente, el estándar implementa un mecanismo de sensado virtual de portadora (usando los tiempos del NAV) basado en:

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Noviembre 05 5151

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™Protocolo de acceso distribuido

¾Distribuye la decisión de transmitir a todos los nodos. 9Como en Ethernet.

9Usando un mecanismo de detección de portadora. ¾Útil en redes “ad hoc”.

¾Útil para configuraciones en donde se tiene tráfico principalmente de tipo ráfaga. ™Protocolo de acceso centralizado

¾Un ente central toma la decisión.

¾Útil cuando se tiene un número de estaciones y un punto que hace las veces de estación base y se conecta a una LAN alámbrica.

9Especialmente eficaz si parte de los datos son de alta prioridad o sensibles al retardo. ™La MAC de IEEE 802.11 se denomina DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC)

¾Provee un mecanismo de control de acceso distribuido con un control centralizado opcional, construido sobre el distribuido.

¾La capa MAC consta de dos subcapas: PCF y DCF.

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Noviembre 05 5252

IEEE 802.11 MAC

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Noviembre 05 5353

IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™DCF (Distributed Coordination Function)

¾Utiliza un algoritmo de contención CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 9Si una estación desea transmitir (solución inicial básica):

‰Escucha el medio

‰Si el medio está libre puede transmitir

‰Si el medio no está libre debe esperar a que la transmisión en curso termine

9Una combinación de mecanismos de sensado físico y virtual permite determinar si el medio está libre u ocupado.

‰El resultado del sensado físico es enviado a la MAC.

¾No incluye una función para detección de colisiones.

9El rango dinámico de las señales en el medio es muy grande y una estación no puede distinguir señales débiles del ruido, y los efectos causados por su propia transmisión.

¾Para la adecuada operación del algoritmo se utiliza un conjunto de retardos que configuran un esquema de prioridades.

9IFS (InterFrame Space): retardo. 9Existen tres tipos de IFS.

¾Se explica el algoritmo considerando primero un solo tipo de IFS.

IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

DCF (Distributed Coordination Function)

1. Una estación que desea transmitir sensa el medio. Si el medio está libre, espera un periodo igual IFS para ver si el medio sigue libre. Si es así, la estación transmite inmediatamente.

2. Si el medio está ocupado (ya sea porque inicialmente la estación encontró al medio ocupado o porque el medio es ocupado durante el periodo IFS), la estación difiere la transmisión y continua monitoreando el medio hasta que la transmisión en marcha concluya.

3. Cuando la transmisión concluye, la estación espera otro IFS. Si el medio continua libre, la estación espera un tiempo extra (backoff time) determinado de forma aleatoria. Al final de este tiempo, sensa el medio nuevamente (esto no se aprecia en la figura); si el medio está aún libre, la estación puede transmitir.

¾ Si durante el tiempo extra (backoff), el medio es ocupado, el marcador del tiempo extra (backoff) es detenido, y continuará su cuenta cuando el medio sea liberado.

4. Si la transmisión fracasa, determinado por la ausencia de un ACK, se asume que ha ocurrido una colisión.

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IEEE 802.11 MAC

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Control de acceso al medio

™

BackOff Time= Random( )*SlotTime

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Noviembre 05 5757

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IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

Para garantizar estabilidad en el backoff se utiliza la técnica “binary exponential

backoff”.

¾ Una estación intentará transmitir repetidamente frente a repetidas colisiones.

¾ Después de cada colisión, se duplica el valor medio del retardo aleatorio (hasta que se alcanza algún máximo).

™

“Binary exponential backoff” ayuda a manejar condiciones de alto tráfico.

¾ Repetidos intentos fallidos resultan en tiempos cada vez mayores de backoff.

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IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

DCF (Distributed Coordination Function)

¾ Se refina el esquema presentado para ofrecer acceso basado en prioridades usando 3 IFS:

9 SIFS (short IFS):

‰ El IF mas pequeño.

‰ Se usa para acciones de respuesta inmediata. 9 PIFS (Point coordination function IFS)

‰ IFS de duración intermedia.

‰ Utilizado por el controlador centralizado en el esquema PCF para emitir polls. 9 DIFS (Distributed coordination function IFS)

‰ El IFS de mayor duración.

‰ Se utiliza como un retardo mínimo cuando se compite por el acceso para tramas asincrónicas.

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Noviembre 05 5959

IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™ DCF / SIFS

¾ Una estación que utilice SIFS para determinar la oportunidad para transmitir tiene la prioridad mas alta.

9 Siempre ganarán acceso respecto a otras estaciones que usen PIFS o DIFS. ¾ Uso de SIFS con ACKs

9 Cuando una estación recibe una trama direccionada de forma exclusiva para ella (no

multicast ni broadcast), responde con un ACK luego de esperar solo un SIFS.

‰ Provee un método eficiente para recuperarse de colisiones (si no recibo ACK hubo colisión de la trama enviada o se dañó la trama del ACK), y se debe considerar que la probabilidad de colisiones es mas alta por que no se usa CSMA-CD.

9 Para entregar de forma eficiente PDUs LLC que requieren varias tramas.

‰ Se envía de trama en trama. Por cada trama el receptor envía un ACK esperando solo SIFS. Cuando el origen de las tramas recibe ACK, envía la siguiente esperando solo SIFS.

‰ Resultado neto es que una vez que la estación obtiene el acceso, mantiene el control del canal hasta que envíe todos los fragmentos de su PDU LLC.

¾ Uso de SIFS con CTS

9 Luego de recibir un RTS, una estación emite un CTS si está lista a recibir. ¾ Uso de SIFS en respuesta a polls (consultas) .

9 Se discute al hablar de PCF.

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IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™PCF (Point Coordination Function) /basado en prioridad

¾Provee transferencia de tramas sin contención (Contention Free, CF). 9No se compite por el medio, el coordinador “coordina el acceso”.

9Se usa para transferencia de información para aplicaciones en las cuales el tiempo (retardos) es crítico.

‰Se bloquea al tráfico asincrónico.

¾Es opcional

9Se pueden tener las dos opciones en operación simultáneamente: DCF y PCF. 9Existe un periodo denominado “Contention-free period” durante el cual se utiliza esta

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Noviembre 05 6161

IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

PCF (Point Coordination Function)

¾El “Coordinador de Punto” reside en el AP pata controlar la transmisión de tramas desde las estaciones.

9Todas las estaciones obedecen al “Coordinador de Punto” seteando su NAV al inicio de cada “periodo libre de contención”.

¾Al inicio del “periodo libre de contención”, el “coordinador de punto” tiene la

oportunidad de obtener el control del medio y mantener dicho control durante el periodo en mención.

9El “coordinador de punto” utiliza PIFS para acceder al medio.

‰Espera menos que estaciones que operan bajo DCF (Distributed Coordination Function). 9Si el medio está libre luego de PIFS, el “coordinador de punto” envía una trama

de beacon que incluye el elemento “CF Parameter Set” (duración máxima).

‰Este valor indica la duración del “periodo libre de contención”.

‰Cuando las estaciones reciben el beacon, todas cambian su valor de NAV a lo indicado en “CF Parameter Set”, lo que previene que las estaciones tomen control del medio hasta que

se termine el “periodo libre de contención”.

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

PCF (Point Coordination Function)

¾Luego de enviar la trama de beacon, el “Coordinador de Punto” transmite una de las siguientes tramas, después de esperar al menos un SIFS.

9CF Poll Frame (Trama de consulta CF)

‰El “Coordinador de Punto” envía esta trama a una estación particular, asignando a la estación el permiso de transmitir una sola trama a cualquier destino.

‰Si la estación a la que se le hizo el poll no tiene tramas que transmitir, debe enviar una trama de datos NULL.

‰Si la estación que transmite no recibe ACK (del AP), no puede retransmitir la trama a menos que el “Coordinador de Punto” le haga un “poll” otra vez.

9Data Frame

‰Desde el “Coordinador de Punto” del AP a una estación particular.

‰Si el “Coordinador de Punto” no recibe una trama ACK de la estación receptora, el “Coordinador de Punto” puede retransmitir la trama durante le “periodo libre de contención” después de PIFS.

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IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

PCF (Point Coordination Function)

¾Data + CF Poll Frame

9El “Coordinador de Punto” envía una trama de dato y realiza un “poll” al mismo tiempo para que envíe una trama libre de contención.

9Forma de piggybacking para reducir sobrecarga en la red.

¾CF End Frame

9Indica el fin del “periodo libre de contención”.

‰Si el tiempo restante de CF expira.

‰Si el “Coordinador de Punto” no tiene tramas que transmitir o estaciones a la que enviar

polls.

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Noviembre 05 6464

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

PCF (Point Coordination Function)

¾Las estaciones tienen una opción de ser “pollable” (sujetas a recibir polls). 9Usando la trama de pedido de asociación.

9Se puede cambiar el valor usando una trama de “pedido de reasociación”.

¾El “Coordinador de Punto” mantiene una lista de las estaciones que pueden recibir “polls” durante el “periodo libre de contención”.

™

Por defecto, las estaciones que cumplen 802.11 operan usando DCF.

™

Como una opción, se pueden inicializar las estaciones para que utilicen PCF.

™

En la mayoría de casos DCF será suficiente.

¾Considera PCF si se requiere transmitir información crítica (limitada por el tiempo) como audio y video.

¾PCF impone mayor sobrecarga en la red debido a la transmisión de tramas para el

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IEEE 802.11 MAC

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IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

PCF/ Superframe

¾Se utiliza PIFS cuando se emiten los polls.

9Como PIFS<DIFS, el maestro aprovecha el medio y bloquea al tráfico asincrónico mientras emite los polls y recibe las respuestas.

9Puede llegar a bloquear totalmente el tráfico asincrónico lo que debe prevenirse.

‰Se usa un intervalo de tiempo conocido como superframe. ¾Considerar la situación en la que la WLAN se configura así:

‰El maestro controla un número de estaciones con tráfico sensible a los retardos. ‰El resto del tráfico pelea (contends) por el medio con CSMA.

9El coordinador emite polls utilizando un esquema “round robin” a las estaciones configuradas para polling.

9La estación que recibe el poll, contesta usando SIFS.

‰Si el coordinador recibe la respuesta, emite otro poll usando PIFS.

‰Si el coordinador no recibe respuesta durante el tiempo establecido, emite otro poll.

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

PCF/ Superframe

¾Durante la primera parte del intervalo, el coordinador emite los polls usando un esquema “round robin” a todas las estaciones configuradas para polling.

9Recordar que esto es opcional.

9La duración de esta etapa es variable debido a que el tamaño de las respuestas es variable.

¾El coordinador “descansa” el tiempo restante del superframe, permitiendo un periodo de contención para acceso asincrónico.

¾Al final del superframe, el coordinador busca el control del medio usando PIFS. 9Si el medio está libre, el coordinador gana acceso inmediato y se inicia un nuevo

periodo completo superframe.

9Si el medio está ocupado, el coordinador debe esperar a que el medio esté libre.

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Noviembre 05 6767

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Control de acceso al medio

™

PCF/ Superframe

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Noviembre 05 6868

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

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Noviembre 05 6969

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

Sincronización

™Encontrar y permanecer en WLAN. ™Funciones de sincronización.

¾Temporizador TSF (Timing Synchronization Function), Generación de Beacon.

Administración de potencia

™Modo de Dormir sin perder ningún mensaje. ™Funciones de Administración de Potencia.

¾Buffering de tramas, TIM (Traffic Indication Map).

Asociación y Reasociación

™Asociarse a una red ™Roaming

™Scanning

Management Information Base (MIB)

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

Timing Synchronization Function (TSF)

™

Se usa para la Administración de Potencia.

¾Beacons enviados a intervalos preestablecidos y bien conocidos.

¾Todos los temporizadores (timers) de las estaciones en un BSS están sincronizados. 9Todas las estaciones mantienen timers locales.

™

Se usa para Temporización de “Point Coordination”.

¾Temporizador TSF se usa para predecir el inicio del periodo libre de contención.

™

Se usa para temporizar los saltos de frecuencia en FH (Frequency Hopping).

¾Todas las estaciones están sincronizadas para que salten al mismo tiempo.

™

Control de la temporización.

¾Los APs controlan la temporización en redes de infraestructura.

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Noviembre 05 7171

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

Timing Synchronization Function (TSF)

™

Beacons

¾Se usan para transportar Temporización.

¾No se requiere escuchar a todos los beacons para permanecer sincronizado.

¾Se emiten en instantes planificados (beacon interval).

¾Los APs envían los beacons en las redes de infraestructura.

¾Contienen:

9 Timestamps para todo el BSS.

‰Un Timestamp se usa (en el receptor) para calibrar el reloj local.

‰Un Timestamp tiene el valor del timer (del transmisor) en el instante de transmitir y no el tiempo en el que se planificó.

9Otra información de administración.

‰Para Administración de Potencia. ‰Para Roaming.

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Noviembre 05 7272

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

Timing Synchronization Function (TSF)

™

Beacons

¾Transmisión del beacon puede retrasarse por uso del canal.

¾Las transmisiones posteriores se envían en los instantes en los que se planificó, considerando el “beacon interval”.

9No se considera como referencia el momento en el que se transmitió el último

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Noviembre 05 7373

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

Administración de potencia

™Fundamental para disponer de movilidad.

™Se tiene el Protocolo de Administración de Potencia 802.11.

¾Permite que el transceiver esté off el mayor tiempo posible. ¾Es transparente a los protocolos existentes.

™Se soporta con el uso de APs.

¾Los APs conocen que estaciones están en “power-save mode”.

¾Los APs ponen en buffers los paquetes direccionados a estaciones en “power-save mode”. 9Los APs envían estos paquetes a las estaciones respectivas cuando éstas retornan a modo

activo o cuando las estaciones lo solicitan (con una trama “power-save poll”).

‰Los APs saben que una estación ha despertado cuando la estación lo indica cambiando el valor de un bit en el campo de control de la trama MAC.

9Una estación conoce que tiene tramas almacenadas en el AP, escuchando (despertándose periódicamente) a las señales de beacon enviadas (periódicamente) por el AP.

‰TSF timer sigue corriendo (en las estaciones) cuando las estaciones están “durmiendo”.

9Las señales de beacon contienen una lista (TIM, Traffic Indication Map) de estaciones que tienen tramas almacenadas en el AP.

™Algunas referencias mencionan que se tiene un mecanismo similar pero distribuido para IBSSs.

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

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Management

Management

Administración de potencia

™

Tramas de broadcast/multicast también se ubican en buffers en un AP.

¾Estas tramas se envían solo después de DTIM (Delivery Traffic Indication Map ).

¾El intervalo DTIM es un múltiplo del intervalo TIM.

™

Las estaciones se “despiertan” previo a un TIM/DTIM planificado.

™

Si en el TIM se indica que se han almacenado tramas:

¾La estación envía un PS-Poll (power save poll) y permanece despierta para recibir los datos.

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IEEE 802.11 MAC

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Management

Management

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Noviembre 05 7676

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

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Noviembre 05 7777

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

Roaming

™

La estación decide que el enlace al AP actual es pobre.

™

La estación utiliza la función de scanning para encontrar otro AP.

¾O puede usar información de scannings previos.

™

La estación envía peticiones de reasociación (Reassociation Request) al nuevo AP.

™

Si la respuesta (Reassociation Response) al pedido de reasociación es exitoso:

¾La estación ha migrado (roamed) al nuevo AP.

™

Si la respuesta no es afirmativa la estación realiza otro proceso de scanning.

™

Un AP que ha aceptado un pedido de reasociación:

¾Informa sobre la reasociación al DS.

¾La información del DS se actualiza.

¾El AP original es notificado a través del DS.

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

Scanning

™

Requerido para múltiples funciones.

¾Encontrar y unirse a una red.

¾Encontrar un nuevo AP mientras una estación está roaming.

¾Inicializar un IBSS (red ad hoc).

™

La MAC utiliza un mecanismo común para todas las opciones de capa física.

¾Scanning en un solo canal o multicanal. ¾Scanning pasivo o activo.

™

Scanning Pasivo

¾Encontrar redes simplemente escuchando los beacons.

™

Scanning Activo

¾En cada canal:

9Se envía una sonda de prueba (probe) y se espera por la respuesta. 9Probe, Probe Response.

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Noviembre 05 7979

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

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Noviembre 05 8080

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IEEE 802.11 MAC

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Noviembre 05 8181

IEEE 802.11 MAC Management

IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC

Management

Management

Trama MAC IEEE 802.11

Trama MAC IEEE 802.11

Trama MAC IEEE 802.11

En esta sección se presentan formatos de trama para cuando no se usa

seguridad.

¾No se usan en todos los casos los cuatro campos de direcciones.

Campos:

¾Frame control

Referencias

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