NEC Europe Ltd., Heidelberg IEEE 802.11 Teil 2 Dr. Hannes Hartenstein NEC Europe Ltd., Heidelberg Sommersemester 2001, Universität Mannheim

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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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) May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

802.11 MAC Zugriffsarten dezentral zentral 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 dezentral zentral May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Kanalzugriff Kanalzugriff: ein Alltags-problem! t Medium belegt SIFS PIFS DIFS nächster Rahmen Wettbewerb May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Acknowledgements (Unicast-Fall) Problem: ‘collision detection’ wie bei Ethernet funktioniert nicht. Deshalb: explizite Empfangsbestätigungen. Wenn Sender keine Empfangsbestätigung erhält, dann erfolgt ‘Retransmission’. SIFS < slot time t SIFS DIFS Daten Ack Wartezeit weitere Stationen Empfänger Sender Wettbewerb May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Beispiel t busy boe Station1 Station2 Station3 Station4 Station5 Paketankunft am MAC-SAP DIFS verstrichene backoff Zeit bor verbleibende backoff Zeit Medium belegt (frame, ack etc.) May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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) t Wartezeit weitere Stationen Empfänger Sender Wettbewerb SIFS DIFS data ACK RTS CTS NAV (RTS) NAV (CTS) May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

PCF Beispiel PIFS NAV der Stationen drahtlose Stationen point coordinator D1 U1 SIFS NAV D2 U2 Superrahmen t0 Medium belegt t1 t D3 NAV PIFS D4 U4 SIFS CFend Wettbewerb wettbewerbsfreie Periode t2 t3 t4 NAV der Stationen drahtlose Stationen point coordinator May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Recap MAC Basics CSMA/CA RTS/CTS Poll/ response May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Nicht alle Felder in allen Rahmen! MAC Rahmenstruktur Typen Steuerrahmen, Management-Rahmen, Datenrahmen Sequenznummern wichtig für duplizierte Pakete aufgrund verlorengegangener ACKs Adressen Empfänger, Transmitter (physikalisch), BSS Identifier, Sender (logisch) Sonstiges: Sendedauer, Prüfsumme, Daten Nicht alle Felder in allen Rahmen! Frame Control Duration ID Address 1 2 3 Sequence 4 Data CRC 6 0-2312 Bytes Version, Typ, Fragmentierung, Sicherheit, ... May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Frame Control Field (1) Version Type Subtype ToDS FromDS Frags Retry Power WEP Order More 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 ... May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Frame Control Field (2) Version Type Subtype ToDS FromDS Frags Retry Power WEP Order More 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’. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Adressierung DS: Distribution System AP: Access Point DA: Destination Address SA: Source Address BSSID: Basic Service Set Identifier RA: Receiver Address TA: Transmitter Address May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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? May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Control Frame: RTS/CTS Frame control Duration RA TA FCS CTS Frame control Duration RA FCS RTS: 20 bytes; CTS: 14 bytes. RTS: warum keine 4 Adressen? CTS: warum nur eine Adresse? May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Data frames Minimale Länge: 29 bytes (3 Adressen + 1 Datenbyte). Control Duration ID Address 1 2 3 Sequence 4 Data CRC 6 0-2312 Bytes Version, Typ, Fragmentierung, Sicherheit, ... 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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

MAC Management Synchronisation Assoziation/Reassoziation 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

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. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Synchronisation (1) Infrastruktur: ... 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. Infrastruktur: B B B B Zugangs- punkt busy busy busy busy Medium t B Wert des Zeitstempels Beacon-Paket May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Independent Basic Service Set: Synchronisation (2) Independent Basic Service Set: t Medium Station1 busy B1 Beacon-Intervall Wert des Zeitstempels B beacon Paket Station2 B2 zufällige Verzögerung May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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

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

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

Interaktion Authentication-Association State 1: unauthenticated, unassociated State 2: authenticated, unassociated State 1: authenticated, associated May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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

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

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

tradeoff: beacon interval - power savings Power Management (2) wach A ATIM-Übertragung D Datenübertragung t Station1 B1 B Beacon-Paket Station2 B2 zufällige Verzögerung a d ATIM- Fenster Beacon-Intervall Bestätigung v. ATIM Bestätigung der Daten tradeoff: beacon interval - power savings May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Power Management (3) Infrastruktur: Traffic Indication Map (TIM) TIM Intervall t Medium Zugangs- punkt busy D T TIM DTIM DTIM Intervall B broadcast/multicast Station wach p PS poll d Datenübertragung von/zu der Station Infrastruktur: Traffic Indication Map (TIM) Liste von unicast-Empfängern, von AP ausgesendet Delivery Traffic Indication Map (DTIM) Liste von broadcast/multicast-Empfängern, von AP ausgesendet May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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? May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11