Departamento de Ciência da Computação- UFF. Redes de Computadores. Padrão IEEE

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1 Departamento de Ciência da Computação- UFF Padrão IEEE

2 Redes Locais sem Fio Padrão desenvolvido pelo IEEE projeto Wireless Local-Area Networks Standard Working Group Define: nível físico: frequência de rádio infravermelho Camada MAC - DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) CSMA/CA Polling 46

3 IEEE padrões Padrão original em 1997 Revisão de 2007 incluiu: 48 IEEE Std aTM-1999: High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std bTM-1999: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band IEEE Std b-1999/Corrigendum : Higher-speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz band IEEE Std dTM-2001: Specification for operation in additional regulatory domains IEEE Std gTM-2003: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band IEEE Std hTM-2003: Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5 GHz band in Europe IEEE Std iTM-2004: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements IEEE Std jTM-2004: 4.9 GHz 5 GHz Operation in Japan IEEE Std eTM-2005: Medium Access Control (MAC) Quality of Service Enhancements

4 IEEE padrões Revisão de 2012 incluiu: IEEE Std kTM-2008: Radio Resource Measurement of Wireless LANs IEEE Std rTM-2008: Fast Basic Service Set (BSS) IEEE Std yTM-2008: MHz Operation in USA IEEE Std wTM-2009: Protected Management Frames IEEE Std nTM-2009: Enhancements for Higher Throughput IEEE Std pTM-2010: Wireless Access in Vehicular Environments IEEE Std zTM-2010: Extensions to Direct-Link Setup (DLS) IEEE Std vTM-2011: Wireless Network Management IEEE Std uTM-2011: Interworking with External Networks IEEE Std sTM-2011: Mesh Networking 49

5 IEEE padrões Revisão de 2016 incluiu: IEEE Std aeTM-2012: Prioritization of Management Frames 50 IEEE Std aaTM-2012: MAC Enhancements for Robust Audio Video Streaming IEEE Std adTM-2012: Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band IEEE Std acTM-2013: Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz IEEE Std afTM-2013: Television White Spaces (TVWS) Operation

6 IEEE Área coberta pela rede é dividida em células (BSA Basic Service Area) Rede local sem fio Ad-Hoc ESS com um único BSS Rede local sem fio com infraestrutura Sistema de Distribuição AP access point 52

7 Rede sem Fio Ad-Hoc BSS = ESS E-1 E-4 E-2 E-3 BSA (Basic Service Area) = célula BSS (Basic Service Set) = estações comunicando-se em uma BSA 53

8 Rede sem Fio com Infraestrutura ESS Sistema de Distribuição AP-A AP-B E-A1 E-B1 BSS-A E-A2 E-B2 BSS-B BSA (Basic Service Area) = célula BSS (Basic Service Set) = estações comunicando-se em uma BSA AP (Access Point) ESS (Extended Service Set) = estações comunicando-se em vários BSS s 55

9 Camadas Medium Access Control (MAC) Physical Layer Convergence Protocol (PLCP) Physical Medium Dependent (PMD) Camada Física MAC: Acesso ao meio Fragmentação Criptografia (WEP Wired Equivalent Privacy, WPA - Wi-Fi Protected Access, WPA2) PLCP: Indicação de meio livre (CCA Clear Channel Assessment) Oferece SAP comum independente da tecnologia de transmissão PMD: Modulação Codificação/decodificação de sinais Transmissão 58

10 DFWMAC Distributed Foundation Wireless MAC 68 Define dois Métodos de Acesso (Funções de Coordenação) Distributed Coordination Function - DCF Distribuído (Obrigatório) Decisão de quando transmitir é tomada individualmente CSMA/CA Possibilidade de transmissões simultâneas Point Coordination Function - PCF Centralizado (Opcional) Decisão de quem deve transmitir centralizada em um ponto Precisa do AP redes com infraestrutura Polling Evita a ocorrência de colisões

11 Controle de Acesso DFWMAC DIFS Acesso c/ Contenção DIFS PIFS Meio Ocupado Próximo Quadro IFS - Inter Frame Space PIFS - PCF (Priority) IFS: Point Coordination Function DIFS - DCF (Priority) IFS: Distributed Coordination Function 69

12 DCF: por que não usar CSMA/CD? Limitações: Meio sem fio: é difícil detectar outro sinal além do sinal da própria estação, com as antenas de transmissão e recepção próximas uma da outra. Nem todas estações de uma BSA são capazes de receber os sinais de todas as demais: Estação escondida 70

13 Problema com CSMA em redes sem fio Nem todas as estações estão no alcance de todas as demais estações: Problema da estação escondida: C não percebe a transmissão de A para B. Alcance de A Alcance de C A B C D 71

14 Problema com CSMA em redes sem fio Nem todas as estações estão no alcance de todas as demais estações: Problema da estação exposta: C não transmite para D se B estiver transmitindo para A. Alcance de B Alcance de C A B C D 72

15 Solução: CSMA/CA CSMA/CA com requisição (RTS) e reconhecimento (CTS): Uma requisição é enviada ao destino antes de transmitir os dados: É enviado um quadro RTS Request To Send. O destino responde com uma autorização: É enviado o quadro CTS Clear To Send. Após o recebimento correto de um quadro, o destino envia reconhecimento positivo: É enviado o quadro ACK Acknowledgement. 73

16 Estação escondida Suponha que A quer transmitir para B: A envia RTS para B C não receberá o RTS de A mas receberá o CTS de B. A colisão pode ocorrer entre o envio de RTSs por parte de A e C ao mesmo tempo, sendo ambos endereçados para B. RTS CTS A B C D 76

17 Estação exposta B quer transmitir para A (enviou RTS primeiro), C quer transmitir para D (envia RTS depois): Não há colisão, pois o RTS de B era endereçado para A e C não recebeu o CTS de A. A enviará o reconhecimento de um quadro correto. Dados RTS RTS A B C D 77

18 Distributed Coordination Function Utiliza a técnica CSMA/CA Obrigatória para todos os AP s e estações em redes sem fio com infraestrutura ou Ad- Hoc Acrescenta opcionalmente ao CSMA/CA tradicional a troca de quadros de controle RTS (Request to Send) e CTS (Clear to Send) 78

19 Transmissão de Dados Opcional RTS CTS Estação Origem DATA Estação Destino ACK RTS/CTS - Leva estimativa de tempo de transmissão do quadro de dados usado para atualizar o NAV (Network Allocation Vector) em cada estação 79

20 Controle de Acesso DCF Acesso c/ Contenção DIFS DIFS Meio Ocupado PIFS SIFS Backoff Window Próximo Quadro Estação Retarda Acesso Slot time Seleciona slot aleatoriamente Backoff time = random x slot time IFS - Inter Frame Space SIFS - Short (Priority) IFS: CTS, ACK, respostas ao polling PIFS - PCF (Priority) IFS: Point Coordination Function DIFS - DCF (Priority) IFS: Distributed Coordination Function Slot time depende da tecnologia de nível físico 83

21 Exemplo CSMA/CA com RTS/CTS origem DIFS RTS SIFS dados destino SIFS CTS SIFS ACK outra estação NAV (RTS) retarda acesso NAV (CTS) DIFS Backoff window NAV Network Allocation Vector: define instante de tempo mais próximo em que a estação pode tentar acessar o meio 87

22 Exemplo CSMA/CA sem RTS/CTS DIFS origem dados SIFS destino ACK outra estação retarda acesso DIFS Backoff window 88

23 Point Coordination Function Implementa um serviço de acesso ordenado usando a técnica de polling, controlado pelo AP (Access Point) Somente pode ser usado em redes com infraestrutura e sem intersecções entre as BSS s que operam na mesma faixa de frequência 89

24 Serviços DFWMAC Serviço Sem Contenção PCF Serviço Com Contenção MAC DCF (CSMA/CA) NÍVEL FÍSICO 91

25 Controle de Acesso PCF Acesso c/ Contenção DIFS DIFS Meio Ocupado PIFS SIFS Backoff Window Próximo Quadro Estação Retarda Acesso Slot Seleciona slot aleatoriamente IFS - Inter Frame Space SIFS - Short (Priority) IFS: CTS, ACK, Mensagens Urgentes PIFS - PCF (Priority) IFS: Point Coordination Function DIFS - DCF (Priority) IFS: Distributed Coordination Function 92

26 Exemplo Polling t 0 Superquadro t 4 t 1 t 2 t 3 Meio PIFS SIFS SIFS PIFS SIFS D 1 ocupado D 2 D 3 D 4 CF end AP SIFS SIFS SIFS U 1 U 2 U 4 estações NAV das estações NAV Atualiza o NAV Período sem contenção (Inicialmente iria até t 3 ) NAV Network Allocation Vector: define instante de tempo mais próximo em que a estação pode tentar acessar o meio Período com contenção 93

27 Integração PCF x DCF AP divide o tempo em períodos denominados superquadros Um superquadro consiste em dois intervalos de tempo consecutivos, sendo o primeiro controlado pela PCF e o segundo pela DCF As durações dos períodos PCF e DCF são variáveis Alongamento de superquadro PIFS < DIFS : Função pontual (AP) ganha o acesso primeiro e gerencia transmissões por polling 94

28 Superquadro DFWMAC Alongamento do Superquadro PCF (opcional) Período Sem Contenção Tamanho variável por superquadro Superquadro DCF Período Com Contenção Meio Ocupado 95

29 Integração PCF x DCF 96

30 Formato dos quadros LLC PDU LLC Obs: MAC pode fazer fragmentação! MAC 30 Bytes Até Cabeçalho MAC SDU MAC CRC PHY Preâmbulo Cabeçalho do nível físico Até 2346 PDU MAC 98

31 Quadro MAC Frame control Address Duration ID Frame control: Address 2 Versão do protocolo (0) Address 3 Sequence control Address 4 Tipo do quadro (gerência, controle, dados) Se quadro foi fragmentado 2 DS bits (Distribution System): Significado dos 4 endereços MAC Duration/ID período de tempo em que o meio ficará ocupado ou Association ID da estação (PS poll) data Sequence control número de fragmento/sequência para reconhecer quadros duplicados (na falta de ACK) CRC detecção de erro CRC-32 bytes CRC 101

32 Interpretação dos endereços MAC to DS from DS Address 1 Address 2 Address 3 Address DA SA BSSID DA BSSID SA BSSID SA DA RA TA DA SA 103

33 Interpretação dos endereços MAC Rede Ad Hoc: 2 bits DS = 0 DA destination address destinatário lógico e físico SA source address remetente lógico e físico BSSID id. da célula (BSS) STA 3 DS AP STA4 AP STA 1 STA2 DS Distribution System 104

34 Interpretação dos endereços MAC Rede com infraestrutura (from AP): from DS = 1 Quadro enviado ao destino através de um AP DA destination address destinatário lógico e físico BSSID id. da célula (BSS) remetente físico (AP) SA source address remetente lógico STA 3 DS AP STA4 AP DS Distribution System STA 1 STA2 105

35 Interpretação dos endereços MAC Rede com infraestrutura (to AP): to DS = 1 Origem envia quadro através de um AP BSSID id. da célula (BSS) destinatário físico (AP) SA source address remetente lógico e físico DA destination address destinatário lógico STA 3 DS AP STA4 AP DS Distribution System STA 1 STA2 106

36 Interpretação dos endereços MAC Rede com infraestrutura (dentro do DS): 2 bits DS = 1 Quadro transmitido entre 2 APs pelo sistema de distribuição sem fio RA receiver address destinatário físico (AP) TA transmitter address remetente físico (AP) SA source address remetente lógico original DA destination address destinatário lógico original STA 3 DS AP STA4 AP DS Distribution System STA 1 STA2 107

37 Departamento de Ciência da Computação- UFF Padrão IEEE

38 Camada de Controle de Enlace Lógico Logical Link Control (LLC) Medium Access Control (MAC) Physical Layer (PHY) Independência da camada MAC LSAPs Multiplexação Controle de erros e de fluxo Tipos de operação Classes de procedimentos 129

39 Camadas, Protocolos e Interfaces Interface LLC/Nível Superior Interface LLC/MAC Nível Superior LLC MAC Protocolo LLC Nível Superior LLC MAC Interface LLC/Nível Superior Interface LLC/MAC Físico Físico 130

40 Interação entre Camadas (Pontos de Acesso a Serviços) Usuário LLC Usuário LLC Ponto de Acesso ao Serviço LLC Entidade de Serviço LLC Protocolo LLC Entidade de Serviço LLC Ponto de Acesso ao Serviço MAC Fornecedor de Serviço MAC Fornecedor de Serviço LLC 131

41 IEEE Multiplexação Usuário Usuário Usuário ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) LLC Endereço LLC (SAP) LLC Usuário 1 2 Usuário MAC Físico Endereço MAC MAC Físico Rede 132

42 Formato da PDU LLC DSAP SSAP Controle Dados 8 Bits 8 Bits 8 ou 16 Bits N x 8 Bits DSAP: endereço do ponto de acesso ao serviço LLC destino SSAP: endereço do ponto de acesso ao serviço LLC origem 134

43 Formato da PDU LLC Unidade de Dados LLC 8 Bits 8 Bits 8 ou 16 Bits N x 8 Bits DSAP SSAP Controle Dados LLC MAC Quadro MAC Destinatário MAC Remetente MAC Dados 135

44 Controle de Erros e Fluxo - LLC Camada MAC faz detecção de erros (CRC) Recuperação de erros opcional retransmissão do quadro com erro Stop-and-Wait Sliding Windows, Go-Back-N (retransmissão integral) Controle de fluxo opcional Stop-and-Wait Sliding Windows 138

45 Especificação da Interface LLC/Nível Superior Operação Tipo 1 serviço datagrama não confiável serviço sem conexão e sem reconhecimento transferências de dados ponto a ponto, entre grupos, ou por difusão Operação Tipo 2 serviço de circuito virtual serviço orientado a conexão conexões ponto a ponto controle de fluxo, sequenciação e recuperação de erros Sliding windows, go-back-n Operação Tipo 3 serviço datagrama confiável serviço sem conexão e com reconhecimento transferências ponto a ponto sequenciação e recuperação de erros Stop-and-Wait 139

46 Formato do Campo de Controle - Tipo 2 Formato de transferência de Informação (I) N(S) P/F N(R) Formato de Supervisão (S) 1 0 S S X X X P/F N(R) Formato Não-Numerado (U) 1 1 M M P/F M M M N(S) - número de sequência da PDU transmitida N(R) - número de sequência da PDU esperada S - bits de função de supervisão M - bits identificadores de comando não-numerado X - bits reservados P/F - (P = 1) solicitação de resposta imediata e (F = 1) indicador de resposta de solicitação imediata 147

47 Troca de Quadros I LLC1 N(S) N(R) 0 0 D O T N(S) N(R) Dados LLC2 N(S) N(R) 0 0 LLC1 N(S) N(R) I 0 0 Bla Bla.. D O T N(S) N(R) Dados LLC2 N(S) N(R) 0 1 LLC1 N(S) N(R) I 0 1 Bla Bla.. D O T N(S) N(R) Dados LLC2 N(S) N(R) 1 1 LLC1 N(S) N(R) I 1 1 Bla Bla.. D O T N(S) N(R) Dados LLC2 N(S) N(R) 2 1 LLC1 N(S) N(R) I 2 1 Bla Bla.. D O T N(S) N(R) Dados LLC2 N(S) N(R) 3 1 LLC1 N(S) N(R) I 1 3 Bla Bla.. LLC2 N(S) N(R)

48 Cabeçalho LLC/SNAP Quando camada LLC é necessária, mas não é implementada, usa-se o encapsulamento LLC/SNAP LLC SNAP Código da Organização Tipo do protocolo DSAP SSAP Controle Dados bytes = 0 2 bytes N x 8 Bits Mesmo código usado no quadro Ethernet 156