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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.

Bibliografía

Bibliograf

Revisión de IEEE 802

Revisi

Revisió

ón de IEEE 802

n de IEEE 802

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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Revisión de IEEE 802

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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:

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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.

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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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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.

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Revisión de IEEE 802

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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”.

IEEE 802

IEEE 802

IEEE 802

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

IEEE 802

Capa física en IEEE 802.11

Capa f

Capa f

ísica en IEEE 802.11

í

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.

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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.

IEEE 802.11

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

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)

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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.

Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

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Arquitectura de IEEE 802.11

Arquitectura de IEEE 802.11

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.

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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.

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

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

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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.

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.

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Iv Iváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D. Noviembre 05 Noviembre 05 4141

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.

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Noviembre 05

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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.

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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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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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.

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

MAC: Evitando colisiones

Referencias

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