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Análise e caracterização da tecnologia IEEE 802.11 para
aplicação na área dos transportes
Ivo FernandesEFACEC / FEUP
Plano
Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões
Tecnologias
- Alto investimento (10 Mbps)- Apenas o downlink- Grande latência- Necessita sempre de LOS- Sensível às condições climatéricas
- Taxas de dados altos- Baixo investimento (1 Mbps)
1-10 MbpsSatélite
- Equipamentos da versão móvel ainda não disponíveis- Zona de espectro licenciada
- Taxas de dados alta- Longo alcance (5km por AP)
75 MbpsIEEE 802.16
- Baixo alcance (200 m)- Limitações de potência- Standard para acesso veicular em desenvolvimento
- Taxa de dados alta- Equipamento de baixo custo- Banda de frequência livre- Em constante desenvolvimento
54 MbpsIEEE 802.11
- Disponível em áreas muito restritas- Facturação pela quantidade de dados transferidos- 384 Kbps a 120 Km/h
- Taxa de dados média- A infra-estrutura de rede está em crescimento (inferior a UMTS)- Baixo investimento- Banda dos 450 MHz mais apropriada para sistemas móveis
2.4 MbpsCDMA 2000
- Disponível em áreas restritas- Facturação pela quantidade de dados transferidos- 384 Kbps a 120 Km/h
- Taxa de dados média- A infrastrutura de rede já existe- Baixo investimento
2 MbpsUMTS
- Taxa de dados baixa- Não disponível em Portugal
- A infrastrutura de rede já existe- Baixo investimento- Conexão até 300 Km/h
150 KbpsEDGE
- Taxa de dados baixa- A infrastrutura de rede já existe- Baixo investimento- Cobertura Nacional- Conexão até 300 Km/h
80 KbpsGPRS
DesvantagensVantagensDébito
Sistemas Actuais
A Icomera ganhou o primeiro contracto comercial na linha férrea sueca Linx em 2003
Instalações comerciais ou de teste já existem em 9 países (EUA, Canadá, França, Alemanha, Reino Unido, Espanha…)
Últimos desenvolvimentos 2006 As operadoras ferroviárias Capitol Corridor e BART anunciaram a
abertura de um concurso público para o fornecimento de uma conexão de banda larga nos seus comboios;
A Virgin Trains anuncia que planeia instalar soluções de Internet de banda larga para os seus passageiros em toda a sua linha;
O serviço comercial Pointshot é iniciado nos comboios da VIA Rail Canada;
Sistemas Actuais
ICOMERA Combina múltiplas tecnologias:
GPRS, UMTS e DAB WLAN dentro das carruagens Utiliza 6 links GPRS nos túneis
PointShot GPRS, UMTS, Satélite e WLAN
nas estações 370 APs nas estações na Virgin
Rails
Nomad Digital WLAN e Wimax Parceria com INTEL Até 6 Mbps bidireccionais Suporte até 130 Km/h
802.11
Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões
802.11 – Constituição
Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito móvel real Handover
802.11 – Constituição - Extendida
Interligação de BSSs Sistema de Distribuição layer 2 Alguns APs suportam 802.1Q (VLAN) Todos os APs com o mesmo ESSID (nome de rede) Overlapping de células
BSS
BSS
802.11 - Modelo OSI
Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito móvel real Handover
802.11 - Modelo OSI
Camadas 1 Camada MAC 5 Camadas Físicas Mesma LLC (Logical Link Control) que ethernet ou token ring Camadas superiores iguais à ethernet (TCP/IP, UDP/IP) Camada física em 802.11 não é privada ao contrário de 802.3
802.11 - Protocolos
Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito móvel real Handover
802.11 - Protocolos
Camada FísicaCamada FísicaLayer 1Layer 1
Subcamada MACSubcamada MACSub Layer 2Sub Layer 2
Camadas SuperioresCamadas Superiores
802.11b - HR/DSSS, 2.4 GHz, 11Mbps 802.11a - OFDM, 5GHz, 54Mbps 802.11g - HRP-OFDM, 2.4GHz, 54Mbps 802.11n - Mimo, 2.4 GHz, 360 Mbps
802.11 - MAC original 802.11d - Outros domínios fora EUA, EUR, CAN, JP,
AUS 802.11i - Segurança 802.11h - Europa, DFS e TPC 802.11j - Japão 802.11e - QoS 802.11d - Mesh Networks (WDS) 802.11k - Medição de Qualidade de Canal 802.11p - Comunicação auto/road e auto/auto (200
Km/h) 802.11r - Fast Roaming Between APs (50ms) 802.11w - Security Control Frames
802.11f - IAPP (Inter Access Point Protocol) 802.11c - Bridge Support
802.11 - Camada Física – OFDM
Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física
802.11g HRP-OFDM, 2.4GHz, 54 Mbps 802.11a OFDM, 5GHz, 54 Mbps
Sub camada MAC Débito móvel real Handover
802.11 - Camada Física – 802.11a/g
802.11a - OFDM Banda Livre 5 GHz 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps 20 MHz por canal 52 Subportadoras por canal (48 Dados + 4 Piloto) FEC para dados corrompidos TPC e DFS
802.11g - OFDM Banda ISM Livre 2.4 GHz 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps 20 MHz por canal 52 Subportadoras por canal (48 Dados + 4 Piloto) FEC para dados corrompidos Preparado para receber tramas 802.11g ERP-OFDM e 802.11b
HR/DSSS
802.11 - Camada Física – Taxa Física
64-QAM
64-QAM
16-QAM
16-QAM
QPSK
QPSK
BPSK
BPSK
Modulação
21628863/454 Mbps
19228862/348 Mbps
14419243/436 Mbps
9619241/224 Mbps
729623/418 Mbps
489621/212 Mbps
364813/49 Mbps
244811/26 Mbps
Bits de Dados por Símbolo
Bits porSímbolo
Bits porSubportadora
CodingRate
Taxa
802.11 - Camada Física – Canais 802.11g
2400 – 2483.5 MHz
Gama de Frequências
WLAN, Bluetooth, Microondas, telefones spread spectrum, X10
100 mw(20dBm)
1, 7, 13
Aplicações NacionaisPotência P.I.R.E.
Canais
3 canais não sobrepostos de 20 MHz cada 13 canais sobrepostos (83.5 MHz)
802.11 - Camada Física – Canais 802.11a
5650 – 5725 MHz
5570 – 5650 MHz
5470 – 5570 MHz
5150 – 5350 MHz
Gama de Frequências
WLANRádio Amador
1 W(outdoor)
132 136 140
WLANRádionavegação Marítima
1 W(outdoor)
116 120 124 128
WLANRádionavegação Marítima
1 W (outdoor)
100 104 108 112
WLAN200 mw (indoor)
36 40 44 48 52 56 60 64
Aplicações NacionaisPotênciaP.I.R.E.
Canais
19 canais não sobrepostos de 20 MHz cada 8 canais indoor (200 MHz) 11 canais outdoor (255 MHz)
802.11 - Camada Física – Canais 802.11a
TPC – Transmit Power Control Assegura cumprimento de limites de potência nacionais Transmissão de potência “just right” Evita interferência com WLANs vizinhas ou serviços de
satélite Aumenta tempo de vida das baterias Redução de 3dB se detectados serviços de satélite
DFS – Dynamic Frequency Selection Distribuição da carga na banda através de scan inicial Mudança de canal na presença de radares
802.11 - Camada Física – Canais 802.11a
Países onde não é permitida a utilização de 802.11a outdoor
Suiça República Checa França Grécia Marrocos Ucrânia Brasil
802.11 - Camada Física – Multi percursos
Resultante de reflexões, dispersão e difracção Vantagem – Permite que o sinal alcance locais NLOS Desvantagem
Cria desvanecimento do sinal Receptor necessita de nível de sinal superior Cria sobreposição de símbolos
802.11 - Camada Física – Multi percursos
Teste real com 802.11b Perda do sinal entre 1 a 7 dB Menor distância máxima para a mesma taxa de dados Espera-se que 802.11a e 802.11g lidem mais eficazmente
com as interferências inter simbólicas devido à modulação OFDM
802.11 - MAC – Acesso ao Meio
Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito móvel real Handover
802.11 - MAC – Acesso ao Meio
OFDM + CSMA/CA Um canal é atribuído a vários utilizadores via
OFDM O acesso partilhado ao meio é possível a partir de
CSMA/CA, uma variante do protocolo ALOHA.
802.11 - MAC – Carrier Sense
Escuta o meio fisicamente e virtualmente (NAV) durante período DIFS, SIFS, PIFS ou EIFS.
Se meio estiver livre, espera n slots de tempo aleatórios antes de transmitir escutando o meio fisicamente e virtualmente durante esse período. Evita que duas estações tentem transmitir ao mesmo tempo.
A estação com menor número de slots ganha o acesso e actualiza o NAV das restantes estações.
802.11 - MAC – Terminal Escondido
A transmite para B
C não ouve assumindo o meio livre (falha o carrier sense)
C transmite para B provocando colisão A não detecta colisão (falha colision detection) 10
802.11 - MAC – Terminal Escondido
Reserva do meio com Request to Send e Clear to Send (opcional)
RTS – trama de controlo enviada pelo emissor com a indicação do endereço do receptor e a duração da transmissão
CTS – trama enviada pelo receptor com a autorização e duração permitida.
802.11 - MAC – Outras Características
Factores do CSMA/CA importantes Sistema de acesso distribuído não existindo nenhum
controlador central que efectue a reserva do meio. Todas as tramas unicast têm de ser confirmadas
(ACK) CTS/RTS opcional Fragmentação – quanto mais pequenas as tramas
enviadas, menor é a interferência pelo efeito de doppler
Diferentes prioridades (802.11e)
802.11 - MAC – Métodos de acesso adicionais
PCF Point Coordinator Function AP coordena o acesso ao meio Proporciona esquemas de QoS Praticamente nenhum equipamento PCF
HCF (802.11e) ou WMM Coexiste com DCF Solução distribuída Até 8 classes de serviço (voice, multimedia,
background ..) AIFS (Arbitration Inter Frame Spacing) Wi-Fi WMM (Wireless Multimedia)
802.11 - MAC – Acesso ao Meio
Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito Móvel Real Handover
802.11 – Débito Real sem deslocamento
9.1 Mbps802.11g CTS/RTS
54.8 Mbps42.9 Mbps108 Mbps802.11a Turbo
30.5 Mbps24.4 Mbps54 Mbps802.11g
30.5 Mbps24.4 Mbps54 Mbps802.11a
7.1 Mbps5.9 Mbps11 Mbps802.11b
Taxa Efectiva UDP
Taxa EfectivaTCP
Taxa Física
Débito Real = ½ Taxa Física Razão
IFS – Inter Frame Spacing Slots de tempo aleatórios ACK
Taxa Máxima atingida se existir apenas 1 utilizador por canal
12
802.11 – Débito Móvel Real
Universidade de Houston (Texas EUA)
Características do canal móvel simuladas (Spirent Comm)
802.11b TCP Taxa de transferência a 120 Km/h
decresce 37.5% em relação à taxa de dados efectiva com o TM em repouso.
802.11 – Débito Móvel Real
Universidade de Bremen (Alemanha) Situação real na autobahn 802.11b e 802.11g TCP e UDP (RTP) Estação Fixa sem controlo de fluxo (taxas de erro
elevadas)
802.11 – Débito Móvel Real
Decréscimo da taxa de dados efectivos em relação à situação em repouso
UDP 802.11b -> 40% (80 Km/h), 50% (120 Km/h), 54% (180 Km/h) TCP 802.11b -> 35% (80 Km/h), 25% (120 Km/h), 65% (180 Km/h)
TCP 802.11g 120Km/h -> 43% (14.5Mbps) a 63% (8.7Mbps)
802.11 – Débito Móvel Real
Taxa de dados efectiva móvel apresenta uma perda de 50% relativamente à taxa de dados efectiva fixa (sem deslocamento do terminal).
Taxa de dados efectiva fixa apresenta uma perda de 50% relativamente à taxa física (valor especificado pelos equipamentos).
Taxa de dados efectiva móvel = Taxa Física
14
802.11 – Débito Móvel Real
Ex: Necessitamos 8Mbps reais Taxa Física = 4 x 8 Mbps = 32 Mbps Alcance máximo quando sensibilidade do TM = -77dBm
(36Mbps)
802.11 – Handover
Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito Móvel Real Handover
Layer 3 Layer 2
802.11 – Handover
Processo de troca de associação para um novo AP não interrompendo qualquer aplicação activa
Período de troca de AP 7 segundos (100 Km/h) 3.5 segundos (200 Km/h)
802.11 – Handover Layer 3
MobileIP Handover entre APs pertencentes a diferentes
subredes IP Introdução de novos elementos de rede (agentes de
mobilidade HA e FH) Após o handover de layer 2 (latência adicional) Não desejado
Internet
R
Terminal Móvel
R
RNetwork C
Home Agent
Terminal Móvel
802.11 – Handover Layer 2
Processo de troca de associação para um novo AP pertencente à mesma subrede IP
802.11 fornece suporte a mobilidade de layer 2 mantendo qualquer conexão activa
Todos os APs com o mesmo ESSID
802.11 – Handover layer 2
SWITCH
MAC1 => Porta 1
MAC2 => Porta 2
MACT => Porta 1
MAC1 MAC2
MAC1 => Porta 1
MAC2 => Porta 2
MACT => Porta 2
MAC1 => Porta 1
MAC2 => Porta 2
MACT => Porta 1
802.11 – Handover Layer 2
“Roaming in 802.11 is entirely driven by client decisions”
“break before make handover”
Mathew Gast, “802.11 Wireless Networks, The Definitive Guide”, O’Reilly, Abril 2005
802.11 – Handover Layer 2
Handover
1 - Decisão de troca de AP2 - Scanning3 - Decisão de conexão4 - Autenticação5 - Associação e actualização da
rede
Tempo sem conexão =ΔT2 + ΔT4 + ΔT5
802.11 – Handover Layer 2
1 - Decisão de troca de AP
Método não standarizado decisão a partir do número de retransmissões da mesma
trama (frame_retry_counter) decisão a partir da qualidade actual do sinal
(RSSI_Threshold)
Método em equipamentos disponíveis RSSI_Threshold Valor por defeito exageradamente baixo que leva até 4
segundos de comunicação degradada.
Quando o TM decidir abandonar o AP actual, a conexão nível 2 é quebrada mas a aplicação fica em standbye.
802.11 – Handover Layer 2
1 - Decisão de troca de AP Solução
Alterar RSSI_Threshold para um valor concordante com a taxa de dados contínua desejada.
Ex: 8 Mbps -> -77dBm; logo RSSI-Threshold=-75dBm
802.11 – Handover Layer 2
2 – Scanning
Processo utilizado pelo TM para procurar por novos APs presentes na sua área de cobertura
Scanning Passivo – O TM espera pela informação enviada pelos APs
Scanning Activo – O TM sonda os vários APs forçando-os a responder
O TM efectua o scan em todos os canais de frequência definidos pela tecnologia (13 canais 802.11b/g; 11 canais outdoor 802.11a)
Número de canais pode ser definido pelo parâmetro channel_list.
802.11 – Handover Layer 2
2.1 – Scanning Passivo
TM desloca-se para cada canal e aguardapor beacons enviados pelos APs presentesnesse canal.
Geralmente tempo entre beacons = 100 ms. Tenho de esperar 100ms em cada canal para não perder beacons
Em 11 canais a latência envolvida é de ΔT2 = 11x100ms = 1100ms (sem contar com o tempo de comutação de canal = 5 a 19 ms)
A maior parte dos equipamentos utiliza scanning activo
Optar por scanning activo
802.11 – Handover Layer 2
2.1 – Scanning Activo
TM desloca-se para cada canal e envia um probe request aguardando por uma resposta imediata por parte dos APs presentes nesse canal.
Probe request é enviado a todos os APs presentes no canal mas é possível definir qual o AP que queremos que responda (a partir do ESSID).
802.11 – Handover Layer 2
2.1 – Scanning Activo
Latência total de scanning activo ΔT2 < 649ms (11 canais)
Caso 3 canais ΔT2 < 177ms Caso 2 canais ΔT2 < 118ms Caso 1 canal ΔT2 < 40ms
Se diminuirmos o Max_Channel_Time para 10 ms ΔT2 = 87ms (3 canais); 58ms (2 canais); 10ms (1 canal).
802.11 – Handover Layer 2
2.1 – Scanning Activo Interferência inter células vs reutilização de frequências
0 m 200 m 400 m 600 m-400 m -200 m 800 m
220 m
Vestígios do sinal alcançam o dobro além alcance do sinal
Vestígios do sinal interferem até 4/3 do alcance do sinal
802.11 – Handover Layer 2
2.1 – Scanning Activo 22.5
Interferência dentro da célula de associação resolvida com RTS/CTS Interferência inter células => resolvida com distância entre TMs
< 177 msna3 Canais
< 118 ms> 420 m2 Canais
< 40 ms> 420 m1 Canal
Latência de handoffΔT2
Distância entre
veículos
802.11 – Handover Layer 2
3 – Decisão de conexão
Após o scanning, o TM reúne a informação recebida de todos os APs na vizinhança e decide a qual se ligará a seguir.
A escolha do AP depende de vários factores tais como a qualidade do sinal, velocidades suportadas, esquema de segurança adoptado...
O mais importante é o ESSID. Um TM pode decidir apenas se ligar a um AP que possua o mesmo nome de rede.
Se todos os APs estiverem no mesmo canal o TM periodicamente recebe beacons de APs na mesma frequência e decide mudar caso outro AP ofereça melhor SNR. O processo de scanning desaparece.
802.11 – Handover Layer 2
4 - Autenticação
Após TM decidir qual AP se quer conectar. Necessita provar à rede que tem permissão para usufruir dos seus
serviços.
4 métodos possíveis Open System Shared Key 802.1X/EAP Pre-Shared Key
O método Open System e Shared Key não asseguram a autenticação fiável de um TM
802.11 – Handover Layer 2
4.1 – Autenticação 802.1X/EAP Sempre que um TM troca de AP De acordo com o standard 802.11i TM autentica-se a um servidor (Radius) Processo de autenticação via
EAP (EAP-TLS, EAP-SIM, PEAP,…) O servidor distribui a mesma chave ao TM
e ao AP (PMK=256bits) AP e TM geram chave PTK utilizada para
a encriptação de dados (CCMP) É gerada uma chave PMK e PTK para cada
sessão
ΔT4 > 1 segundo
802.11 – Handover Layer 2
4.1 – Autenticação PSK APs e TM possuem a mesma chave PMK Chave PTK gerada é diferente a cada sessão Apenas se efectua o 4-way handshake 4-Way Handshake pode comprometer a chave
(802.11i pág 47) Método não aconselhado pelo fórum Wi-Fi para
redes empresariais
ΔT4 < 60 ms
802.11 – Handover Layer 2
4.1 – Autenticação PSK
X = 384 bits para CCMP
Encriptação de dados 128 bits
802.11 – Handover Layer 2
4.1 – Autenticação PSK
Mensagem 3 e 4 encriptadas com KCK
Só existe falha se um TM autorizadocapture as 2 primeiras mensagensdo 4-Way Handshake (anonce e snonce)
Nenhuma falha encontrada até hoje utilizando PSK-CCMP!!!!!
802.11 – Handover Layer 2
5 – Associação e registo na rede
Associação consiste na troca de duas tramas. O registo do TM no sistema de distribuição de layer 2 é efectuado
pelo AP a partir de um gratious ARP enviado para a rede. Assim o endereço MAC do TM é associado à porta Router/Switch ao
qual o novo AP está associado. A transferência de dados encriptados pode-se iniciar.
ΔT4 = 30 ms
802.11 – Handover Layer 2
Conclusão
TM deve permitir definir o RSSI_Threshold e o Channel_List
Scanning e Autenticação contribuem com 90% do tempo de handover total
Mais de 1 segundo sem comunicaçãoutilizando autenticação 802.1X/EAP
300 ms sem comunicação utilizando autenticação PSK
As aplicações suportam estes atrasos?<267 msd) 3 canais + PSK
>1207 msc) 3 canais + 802.1X/EAP
<857 msb) 13 canais + PSK
>1797 msa) 13 canais + 802.1X/EAPTotal
30 ms5 – Associação e registo na rede
<60 msPSK
>1000 ms802.1X/EAP4 – Autenticação
3 – Decisão de conexão
767 ms13 canais
177 ms3 canais2 – Scanning Activo
1 – Decisão de troca de AP (TM OPTIMIZADO)
LatênciaOperação
Aplicações e Serviços
Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões
Aplicações e Serviços
Aplicações e Serviços - Rede no veículo
802.11g obrigatório para os utilizadores Rede de nível 3 MAC do interface 802.11a é o único que deve ser visto
para o exterior
Aplicações e Serviços - Requisitos
Latência de handover a alcançar: < 150 ms
Actualmente < 267 ms utilizando PSK< 1207 ms utilizando
802.1X/EAP
1-20 Mbit/s1-100 Mbit/s8-32 kbit/sTaxa de Dados
< 1%0< 5%Perda de Pacotes
< 400 ms< 400 msAtraso Tolerável
< 150 ms< 150 msAtraso Óptimo
VídeoDadosVoz
Diminuição do Handover
TM deve permitir definir o RSSI_Threshold e o Channel_List
Mais de 1 segundo sem comunicaçãoutilizando autenticação 802.1X/EAP
300 ms sem comunicação utilizando autenticação PSK
As aplicações suportam estes atrasos?
NÃO267 msd) 3 canais + PSK
1207 msc) 3 canais + 802.1X/EAP
857 msb) 13 canais + PSK
1797 msa) 13 canais + 802.1X/EAPTotal
30 ms5 – Associação e registo na rede
60 msPSK
1000 ms802.1X/EAP4 – Autenticação
3 – Decisão de conexão
767 ms13 canais
177 ms3 canais2 – Scanning Activo
1 – Decisão de troca de AP (TM OPTIMIZADO)
LatênciaOperação
Diminuição do HandoverProtocolos para acelerar o processo de Handover
802.11r Utiliza Pre-Authentication 802.11X/EAP (latência de autenticação resolvida) Utiliza novo método Fast Scanning (latência de scanning resolvida) Handover < 50 ms Disponível em 2007 ?
802.11p WLAN em veículos 160 Km/h Inicialmente para a banda licenciada 5.9GHz Comunicação entre veículos (mesh) Disponível em 2008 ?
Diminuição do HandoverSoluções para diminuir a fase de Scanning (Decisão do TM)
SynScan Utiliza Scanning Passivo TM sabe o instante exacto de quando deve mudar de canal para ouvir os
“beacons”. Distribui o processo de scanning. Quando o TM decide trocar de AP, já sabe
a qual se vai conectar Handover Scanning = 0 s Código disponível (Linux Driver MadWifi) Necessita sincronização exagerada da rede Necessita instalar software no TM e AP
Diminuição do HandoverSoluções para diminuir a fase de Scanning (Decisão do TM)
CrewMan Background Scanning Guarda uma lista com os 2 melhores APs encontrados no primeiro scanning Periodicamente interrompe a ligação e faz um active scanning a cada AP
actualizando o valor de qualidade de sinal desses APs na lista Quando a qualidade de sinal desce de um limiar RSSI, conecta-se
directamente ao novo AP Handover scanning = 0 ms Código disponível (Linux Driver MadWifi) (Cliente) Background scanning diminui a capacidade na rede e a sua eficácia quando
um TM se movimenta deve ser estudada
Diminuição do HandoverSoluções para diminuir a fase de Scanning (Decisão do TM)
MultiScan 2 cartas Wi-Fi Mesmo endereço MAC. 2 Interfaces vistos como um só Interface Primário transfere dados com AP1 Interface Secundário em Scanning
CÓDIGO NÃO DISPONÍVEL
Diminuição do HandoverSoluções para diminuir a fase de Scanning (Decisão do TM)
Quando sinal do AP1 possuir qualidade < limiar ath1 inicia associação com AP2 mas ath0 continua a transferir dados com
AP1 Quando eth1 estiver autenticado ao AP2, todo o tráfego é enviado por eth1 eth0 e eth1 trocam de papel Switchs vão conter momentaneamente o mesmo endereço MAC associado a
duas portas diferentes. Suportável!
Handover Total poderá ser = 0 segundos (PSK) Talvez se consiga realizar a autenticação 802.1X/EAP Módulo que assenta em cima dos drivers
Diminuição do HandoverSoluções para diminuir a fase de Scanning (Decisão do TM)
Init: Initial_comm ath0Buffers ath0monitor_beacons eth0scanning_eth1
Scanning_eth1: scan ath1if (RSSI > x & ESSID == Rede){
init_assoc eth1init_PSK eth1select eth1}
Select_eth1: Buffers eth1lasthope eth0desassoc eth0monitor beacons eth1scanning_eth0
TEMPO DE HANDOVER POSSÍVEL = 0ms!!!!
Diminuição do HandoverSoluções para diminuir a fase de autenticação 802.1X/EAP
(Decisão dos APs e do TM)
Pre-Authentication 802.11i Especificações adicionais de segurança Diminui o tempo de autenticação durante o handover Comunicação entre APs (IAPP)
Procedimento 1ª autenticação com a rede demora 1 segundo (Autenticação Completa 802.1X Radius) TM utiliza o AP, a que se encontra associado, para se pré autenticar aos APs vizinhos a partir do sistema de distribuição Quando o TM muda de AP apenas tem de efectuar o 4-Way HandShake (60 ms)
Nenhum fabricante a implementa! 38
Diminuição do HandoverSoluções para diminuir a fase de autenticação 802.1X/EAP
(Decisão dos APs e do TM)
Pre-Authentication PKC (Proactive Key Caching) Solução anterior aumenta a complexidade dos APs Método desenvolvido pela AireSpace, Funk Software e Atherors
Solução: Switch é o novo autenticador da rede
Procedimento 1º - Inicialmente o TM (supplicant) efectua uma autenticação 802.1X/EAP
completa Radius 2º - É derivada uma chave PMK dessa autenticação 3º - Essa chave é enviada ao Switch 4º - Por sua vez, o switch distribui a mesma chave a todos os APs. 5º - Quando o TM trocar de AP apenas terá de efectuar o 4-Way Handshake (60
ms) 6º - Chave tem um tempo de vida, que quando termina, obriga o TM a efectuar
uma nova autenticação 802.1X/EAP completa
“Mobility Switchs”
Diminuição do Handover
30 msAssociação e actualização da rede
<60 msPre-authentication PKC
<60 msPre-authentication 802.11i
<60 msAutenticação PSK
>1000 msAutenticação 802.1XAutenticação
Ao AP que possua mesmo ESSIDDecisão de Conexão
?Proprietário
26 msCrewMan
0 msMultiScan
177 msChannel_List = 3 canaisScanning Activo
A partir da qualidade de sinal actualDecisão de troca de AP
LatênciaOperação
Soluções
Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões
Soluções
2.4GHz ou 5GHz? Soluções com equipamentos normais Soluções com “mobility switch” Soluções específicas para veículos
Soluções – 2.4 GHz ou 5 GHz?
Devemos escolher802.11a
Obrigatório TPC DFS
Zona de espectro sobrelotada. Bluetooth opera também nesta banda. Probabilidade de interferência muito alta
83.5 MHz permitem 3 canais de 20MHz não sobrepostos
Menor atenuação logo maior alcance.
Potência emitida de 100 mW (20 dBm)
Zona de espectro com menor utilização. Probabilidade de interferência muito baixa
255 MHz permitem 11 canais de 20MHz não sobrepostos. Desce ainda mais a probabilidade de interferência
Maior atenuação e maior sensibilidade a obstáculos.
Potência emitida de 1 W (30 dbm). Permite níveis de potência mais elevados compensando as perdas de propagação. Alcance semelhante a 802.11g a 100 mw.
802.11b/g (2400 a 2483.5 MHz)
IEEE 802.11a (5470 a 5725 MHz)
Soluções – 2.4 GHz ou 5 GHz
5650 – 5725 MHz
5570 – 5650 MHz
5470 – 5570 MHz
5150 – 5350 MHz
Gama de Frequências
WLANRádio Amador
1 W(outdoor)
132 136 140
WLANRádionavegação Marítima
1 W(outdoor)
116 120 124 128
WLANRádionavegação Marítima
1 W (outdoor)
100 104 108 112
WLAN200 mw (indoor)
36 40 44 48 52 56 60 64
Aplicações NacionaisPotênciaP.I.R.E.
Canais
Utilizando 3 canais, o sistema deverá operar nos 5650 MHz
Possíveis interferências com comunicações de Rádio Amador
Rádio Amador é banda estreita, menor interferência global.
Soluções
2.4GHz ou 5GHz? Soluções com equipamentos normais Soluções com “mobility switch” Soluções específicas para veículos
Soluções – Equipamentos Normais
Disponíveis e de baixo custo
31 APs 90 TMs
Equipamentos suportados por drivers Linux open source (MadWifi e Host AP)
Optimização do processo de scanning e autenticação por desenvolver
MultiScan será uma hipótese a considerar
ESSID (nome do AP a associar) Decisão de Conexão
ChannelListMaxChannelTime (opcional)MinChannelTime (opcional)
Scanning
RSSI_ThresholdRetry_Threshold (opcional)
Decisão de Troca de AP
Handover 802.11Parâmetros Configuráveis
WMMWMMQoS
802.1X/EAP (WPA2)802.1X/EAP (WPA2)Autenticação
CCMP (WPA2)CCMP (WPA2)Encriptação
Segurança
IEEE 802.3afIEEE 802.3af (opcional)Power Over Ethernet
Conector para antena externaConector para antena externaAntena
TPS e DFSTPS e DFSRegulamentos obrigatórios
3 (canal 132, 136 e 140)3 (canal 132, 136 e 140)Número de canais mínimo
5470-5725 MHz 5470-5725 MHz Frequência
IEEE 802.11aIEEE 802.11a Standard
Características
APTM
Soluções – Equipamentos Normais
Autenticação PSK 267 ms de latência não é uma boa solução
Troca de duas tramas mais a actualização da rede
30ms5 – Associação e actualização do sistema de distribuição
60ms4 – Autenticação PSK
O TM escolhe o AP que possui o mesmo ESSID
3 – Decisão de conexão
Scanning a três canais177 ms87 ms
Três CanaisTrês canais optimizado (a testar)
2 - Scanning
Os TMs decidem abandonar o AP a partir do valor RSSI
1 - Decisão de Troca de AP
DescriçãoLatênciaOperações de handover 802.11
177 msOptimizado
0 msMultiScan
267 msNormal
Soluções
2.4GHz ou 5GHz? Soluções com equipamentos normais Soluções com “mobility switch” Soluções específicas para veículos
Soluções – Mobility Switch
Diminuem a latência de reautenticação 802.1X/EAP APs não comunicam entre si. O switch realiza a distribuição de chaves a todos os APs
associados. TM quando troca de AP apenas efectua o 4-Way Handshake (60 ms)
Realizam operações adicionais Detecção de TMs e APs não autorizados PoE WPA/WPA2 WMM
Obrigam a utilização de APs do mesmo fabricante (Aruba, Aerospace, Cisco, Trapeze…)
O problema do Scanning mantém-se (177 ms)? Aparentemente, apenas a Cisco oferece uma solução em que diminui esta latência.
Soluções – Switchs de Mobilidade
Cisco Fast Secure Roaming System
Solução completa da Cisco
Handover total inferior a 150 ms
Switch realiza distribição de chaves
TMs com scanning optimizado
Possui um TM pronto a instalar noveículo
Soluções – Switchs de Mobilidade
Cisco Fast Secure Roaming System
Decisão de abandono do AP é configurável Nº de retransmissões da mesma trama Taxa de dados actual
Scanning AP e TM trocam informação acerca dos canais
vizinhos Posso ter APs em qualquer canal
Autenticação 1º Autenticação = 802.1X/EAP = 1.2 segundos Em handover, autenticação < 60 ms
Soluções – Switchs de Mobilidade
Cisco 3200 Mobile Router
Interfaces 4.9 GHz 802.11 a/b/g UMTS Satélite Interfaces
Portas Fast e Gigabit Ethernet, USB, outras…
Outras características 256 MB DRAM, 64MB flash Mobile IP NAT over Mobile IP DHCP Firewall Resistência ao choque e a condições climatéricas Refrigeração interna e sensor de temperatura…
Soluções
2.4GHz ou 5GHz? Soluções com equipamentos normais Soluções com “mobility switch” Soluções específicas para veículos
Soluções – Específicas – AirSpan Vianet
802.11a/g
Suporta TPC Não suporta DFS
Solução completa APs, Servidor e TMs 2 cartas Wifi por TM (MultiScan)
Até 80 Km/h 5 a 10 Mbps Autenticação PSK
Solução pouco interessante!
Soluções – Específicas – Allied Telesyn
802.11a/g
Suporta TPC Não suporta DFS
Solução completa APs, Servidores e TMs Até 260 Km/h 4 Mbps Não necessita mesma handover layer 2 Autenticação desenvolvida pela Allied Telesyn
Solução interessante!
Soluções – Específicas – Proxim MP11
802.11a/g
Suporta TPC Suporta DFS
Solução completa APs e TMs 2 cartas wifi por TM (Multiscan)
Protocolo de segurança WORP Permite autenticação a servidor Radius (802.1x/EAP ?) Até 200 Km/h Mbps ? Handover < 40 ms QoS
Solução interessante
Soluções
Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões
Conclusões
Gerais É possível utilizar 802.11 em ambientes veiculares Standard 802.11r (2008) e 802.11p (2009) irão resolver as dificuldades da
mobilidade. Aplicações necessitam de latência < 150 ms
Utilizando 802.11i Pre-Authentication obriga a utilização da solução completa de um fabricante (Cisco, Trapeze, Aruba…)
Esquemas de segurança aceites - 802.1X/EAP e PSK Máxima segurança - Cisco (solução proprietária) Máximo desempenho - Cisco
Utilizando drivers linux -> 177ms < handover < 267ms “Utilizando” Multiscan -> handover=0 Utilizando Cisco -> handover < 150ms Utilizando Proxim-> handover < 40ms
Conclusões
Técnicas Alterando o tamanho das tramas posso melhorar o desempenho
do sistema O local a instalar os APs pode introduzir uma perda de 6dB Número mínimo de canais a utilizar = 3 Taxa móvel efectiva máxima entre 8.7 e 14.5 Mbps Handover
Break Before Make Make before Break apenas com MultiScan Soluções proprietárias (Cisco, Proxim)
Conclusões
Vantagens do desenvolvimento
Diminuição do custo da solução final Construção de uma solução 99% EFACEC
Aplicações para transportes públicos Redes empresariais Sistemas de localização VoIP ……