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Les mécanismes de base de 802.11 et les propositions de 802.11e pour la QoS

Les mécanismes de base de 802.11 et les propositions de 802.11e pour la QoS. Fady FARAH. Agenda. Mode de fonctionnement des WLAN Mécanismes MAC 802.11 Limites de 802.11 pour la QoS 802.11e et les nouveaux mécanismes. Mode de fonctionnement des WLAN (1/2). Mode infrastructure.

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Les mécanismes de base de 802.11 et les propositions de 802.11e pour la QoS

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Presentation Transcript

  1. Les mécanismes de base de 802.11 et les propositions de 802.11e pour la QoS Fady FARAH

  2. Agenda • Mode de fonctionnement des WLAN • Mécanismes MAC 802.11 • Limites de 802.11 pour la QoS • 802.11e et les nouveaux mécanismes

  3. Mode de fonctionnement des WLAN (1/2) Mode infrastructure AP : Access Point BSS : Basic Set Services

  4. Mode de fonctionnement des WLAN (2/2) Mode ad hoc IBSS : Independant BSS

  5. Agenda • Mode de fonctionnement des WLAN • Mécanismes MAC 802.11 • Limites de 802.11 pour la QoS • 802.11e et les nouveaux mécanismes

  6. Mécanismes MAC 802.11 (1/31) • 2 Fonctions d ’accès • Distributed Coordination Function (DCF) • Point Coordination Function (PCF) seulement en mode infrastructure • Economie d ’énergie • Fragmentation • Authentification • Cryptage WEP

  7. Mécanismes MAC 802.11 (2/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Accès CSMA: Si le canal est libre, émission, sinon attente de libération du canal • Détection de Collision: mécanisme ACK • Évitement de collision: mécanismes Backoff, RTS/CTS, NAV • Retransmission en cas de collision: Backoff • Inter trames différentes pour accès : DIFS, SIFS • Fonction mandatory

  8. Mécanismes MAC 802.11 (3/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Mécanisme Backoff avant émission: • Nombre aléatoire N tiré dans une fenêtre [0, CWmin] • N = nb de time slots pendant lesquels le canal doit être libre => évite la synchronisation de stations en attente • Mécanisme de Backoff en cas de retransmission: • CWmin est doublé (sauf s ’il a atteint Cwmax) • N est tiré dans [0, nouveauCWmin] • Le nombre de retransmissions est limité

  9. Mécanismes MAC 802.11 (4/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Mécanisme NAV: • Chaque station possède Network Allocation Vector qui contient durée de l ’échange en cours • Toutes trames contiennent un champ durée => mettre à jour le NAV • Station ne peut émettre que si son NAV est a zéro • NAV est décrémenté dans le temps

  10. Mécanismes MAC 802.11 (5/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Mécanisme NAV:

  11. Mécanismes MAC 802.11 (6/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Mécanismes RTS/CTS et nœud caché • Station qui veut émettre envoi Request To Send • Récepteur doit répondre Clear To Send • Toutes les stations à portée de l ’émetteur ou du récepteur sont prévenues => elles mettent à jour leur NAV et le problème du nœud caché est résolu => permettent détection de collision plus rapide car courtes

  12. Distributed Coordination Function(DCF) Mécanisme RTS/CTS et nœud caché Station3 Station2 Station1 Trame Trame Mécanismes MAC 802.11 (7/31) • Station 1 et 3 ne se voient pas • Chacune croit le canal libre • Et émet vers 2 Collision

  13. Station1 Station2 Station3 RTS RTS CTS • Station1 envoi RTS à 2 • Station3 ne reçoit pas RTS • Le canal est réservé pour 1 et 2 • Station2 répond à 1 par CTS • Station3 reçoit CTS (NAV) Mécanismes MAC 802.11 (8/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Station 1 et 3 ne se voient pas • Toutes voient Station 2 • Stations 1 et 3 veulent parler à 2

  14. Mécanismes MAC 802.11 (9/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Mécanismes RTS/CTS et nœud caché

  15. DIFS = 50 µs DSSS SIFS donne une priorité SIFS = 10 µs pour DSSS Mécanismes MAC 802.11 (10/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Inter trames? • Durée pendant laquelle le canal doit être libre • Distributed Inter Frame Space (DIFS) => utilisée avant backoff pour émission ou ré-émission • Short Inter Frame Space (SIFS) => utilisée avant de répondre à une station par un ACK

  16. trame3 DIFS DIFS DIFS trame3 Ack1 SIFS Mécanismes MAC 802.11 (11/31) Distributed Coordination Function (DCF) • Echange en DCF Station1 Station2 Station3

  17. CFP CP Mécanismes MAC 802.11 (12/31) Point Coordination Function (PCF) • 2 périodes = 1 super trame • Contention Period (CP) => accès DCF • Contention Free Period (CFP) => accès PCF (AP = PC) • Interrogation des stations par PC: polling list • Mécanismes identiques à DCF : ACK, NAV, retransmission • Inter trames différentes: PIFS, SIFS • Fonction optionnelle mais seulement en mode avec AP

  18. Pendant CFP Pendant CP Option en mode AP PCF Base en mode ad hoc ou AP DCF Mécanismes MAC 802.11 (13/31) Point Coordination Function (PCF)

  19. Période de l ’intervalle CFP intervalle CFP raccourci Intervalle sans contention Intervalle à accès libre PCF PCF B B occupé NAV NAV Mécanismes MAC 802.11 (14/31) Point Coordination Function (PCF) • CFP périodique, débute avec beacon DTIM et durée bornée

  20. Mécanismes MAC 802.11 (15/31) Point Coordination Function (PCF) • Polling list • Inscription sur la polling list lors de l’association avec AP (stations pollables) • Stations interrogées successivement pendant CFP (AP envoi trame CF_Poll) selon ordre association • AP peut interroger une station et acquitter données d ’une autre dans même trame : piggybacking

  21. SIFS Mécanismes MAC 802.11 (16/31) Point Coordination Function (PCF) • Inter trames? • Point Inter Frame Space : utilisée par AP avant envoi beacon début CFP, pour reprendre le canal pendant CFP (si un ACK est perdu) • SIFS: utilisée pour chaque envoi de trame pendant CFP => PIFS permet à AP de démarrer CFP DIFS = 50 µs pour DSSS PIFS donne une priorité sur DIFS PIFS = 30 µs pour DSSS = 10 µs pour DSSS

  22. CP CFP PIFS SIFS SIFS SIFS D1+Poll Ack+Poll B End Da + Ack Ack SIFS SIFS NAV Mécanismes MAC 802.11 (17/31) Point Coordination Function (PCF) • Echange en PCF AP envoi donnée à station1 et l ’interroge Ap voit le medium libre pendant PIFS Les stations mettent à jour NAV Station1 envoi données à AP et acquitte réception Station2 n’a pas de données à envoyer Ap envoi le beacon de début CFP AP annonce fin CFP, les stations mettent NAV=0 AP Stations

  23. CP PIFS PIFS SIFS SIFS D1+Poll D2+Poll B End Ack CFP SIFS NAV Mécanismes MAC 802.11 (18/31) Point Coordination Function (PCF) • Echanges en PCF Ap ne reçoit pas ACK de station1 après SIFS, donc reprend le contrôle du canal après PIFS et continue son polling AP Stations

  24. 1 2 3 Poll Ack pour station1, Data de station1 et Poll Ack pour station2 et Poll Data de station2 3 2 1 Data pour station 2 Ack et Data pour station4 Ack Ack Station1 Station4 non pollable Station3 Station2 Mécanismes MAC 802.11 (19/31) Point Coordination Function (PCF) • Echanges en PCF AP Interrogations

  25. Mécanismes MAC 802.11 (20/31) Econonomie d ’énergie • En mode infrastructure • Station PS indique son mode par bit de header Mac et AP conserve messages pour elle • Station en PS mode => réveil périodique pour recevoir un beacon TIM (Traffic Information Map) / DTIM (Delivery) • En CP, station peut réclamer ses trames (PS_POLL) si le bitmap TIM indique du trafic pour elle. • En CFP, reste éveillée jusqu’à réception • Bit More Data entête MAC indique si reste trafic

  26. Mécanismes MAC 802.11 (21/31) Econonomie d ’énergie • En mode infrastructure DTIM annonce aux stations le trafic broadcast/multicast TIM annonce aux stations trafic unicast DTIM DTIM DTIM DTIM TIM TIM TIM TIM TIM TIM beacons CFP CP Début CFP Début CFP

  27. TIM=bitmap Trames attente? 1 0 Station PS 1 4 5 Station Mécanismes MAC 802.11 (22/31) Econonomie d ’énergie AP 1 A du trafic en attente Pas de trafic en attente Demande si CP Attend si CFP Retourne en PS

  28. Mécanismes MAC 802.11 (23/31) Econonomie d ’énergie • En mode ad hoc • station source conserve messages pour station en PS mode et lui annonce son trafic lors fenêtres ATIM • ATIM window => après beacons, les stations se réveillent et attendent ATIM pendant cette fenêtre au max (taille dans beacons) • Station réveillée doit acquitter ATIM et reste éveillée pour recevoir ses trames (ATIM retransmis par source si pas acquittées) • Trames broadcast ou multicast => ATIM concernant ces trames sont envoyées avant et ne doivent pas être acquittés (le trafic est envoyé tout de suite après)

  29. Mécanismes MAC 802.11 (24/31) Fragmentation • Utile si support pas fiable pour longues trames NAV

  30. Mécanismes MAC 802.11 (25/31) Authentification • Trames authentification request/response • 2 modes: • open system • shared key • Element status permet dire si authentifieur accepte ou refuse • Authentifieur = AP (infrastructure)/station (ad hoc)

  31. 1 Authentification request AP ou station 2 Authentification response Mécanismes MAC 802.11 (26/31) Authentification • Open system Authentifieur vérifie uniquement que le client est dans le même mode

  32. 1 Authentification request AP ou station Text encrypted with shared key 2 4 Response based on challenge Challenge text string Mécanismes MAC 802.11 (27/31) Authentification • Shared key Authentifieur vérifie que client a la même clé WEP key WEP key 3

  33. Mécanismes MAC 802.11 (28/31) Cryptage Wired Equivalent Privacy (WEP) • Clé symétrique secrète (40 bits, wifi ou 104 bits non standard) combinée à vecteur d’initialisation (IV de 24 bits) différent par trame • Est indiqué dans l’entête MAC (qui, elle, n’est pas cryptée) par un bit WEP • Utilisation est recommandée pour un minimum de sécurité

  34. Mécanismes MAC 802.11 (29/31) Cryptage Wired Equivalent Privacy (WEP) • Cryptage

  35. Mécanismes MAC 802.11 (30/31) Cryptage Wired Equivalent Privacy (WEP) • Décryptage

  36. Mécanismes MAC 802.11 (31/31) Cryptage WEP • Limites du WEP : • Clé statique (pas d ’utilitaire pour changer) • Initialisation Vecteur (24 bits) en clair => seulement 224 graines pour RC4 car clé statique donc 16.777.216 Sequence Key • Integrity Check Value linéaire donc faible => possibilités de changer des bits dans données et de changer ICV pour qu ’il soit correct

  37. Agenda • Mode de fonctionnement des WLAN • 802.11 couche MAC • Limites de 802.11 pour la QoS • 802.11e et les nouveaux mécanismes

  38. Limites de 802.11 pour la QoS (1/2) Problèmes liés à DCF • Best Effort => aucune garantie • Pas de priorité pour stations se disputant accès au canal • L ’accès à Contention cause des collisions, des pertes et engendre des délais variables , ces problèmes augmentent avec le nombre de stations • Lorsqu’une station prend le canal, elle peut émettre une trame qui peut être de longueur variable => pas de contrôle sur temps d ’occupation

  39. Limites de 802.11 pour la QoS (2/2) Problèmes de PCF • Coexistence avec DCF : si au moment de commencer CFP, le canal occupé, on attend et CFP est rétréci => pas d ’accès périodique pour les stations de la polling liste • Lorsque AP donne la parole, station peut émettre une trame plus ou moins longue => pas de contrôle sur les temps de parole et pas de garantie d ’accès périodique • Méthode interrogation round robin pas efficace pour différenciation de trafic

  40. Agenda • Mode de fonctionnement des WLAN • 802.11 couche MAC • Limites de 802.11 pour la QoS • 802.11e et les nouveaux mécanismes

  41. 802.11e et les nouveaux mécanismes (1/24) • 1 seule fonction d ’accès : • Hybrid Coordination Function (HCF) • Améliorations de DCF => EDCF (pendant CP) • Amélioration de la méthode de Polling (pendant CP ou CFP) seulement en mode infrastructure • Direct Link Protocol • Block Acknowledgement Mechanism • Economie d ’énergie (Etude Basée sur le draft IEEE 802.11e de février 2003)

  42. Pendant CFP ou CP Pendant CP Polling EDCF PCF DCF HCF 802.11e et les nouveaux mécanismes (2/24) Hybrid Coordination Function Mode ad hoc : EDCF seulement Mode infrastructure : 2 possibilités EDCF+Polling EDCF seulement (PCF inclus dans polling donc compatibilité 802.11)

  43. 802.11e et les nouveaux mécanismes (3/24) Hybrid Coordination Function • 2 types de trafic supportés selon Traffic IDentifier • trafic avec priorités => TID de 0 à 7 (tag 802.1d) • trafic paramétré => TID de 8 à 15 (on parle de TSID) • 2 méthodes d ’accès au canal: • Accès compétition ou Enhanced DCF => priorités • Polling par AP (mode infrastructure) appelé Hybrid Coordinator (HC) => trafic paramétré • Opportunités transmission et bursting

  44. 802.11e et les nouveaux mécanismes (4/24) Hybrid Coordination Function • Enhanced DCF • Trafic arrive avec TID de 0 à 7 => définit des Traffic Category (TC) dans une même station • TC sont mappés dans 4 files : Access Category (AC) • Chaque AC fait DCF avec des paramètres différents • Inter trames (DIFS en DCF, AIFS[AC] en EDCF) • taille fenêtre backoff (Cwmin[AC], Cwmax[AC]) • augmentation de fenêtre backoff propre (Cw x PF[AC]) => permet de garantir un accès suivant les priorités

  45. 802.11e et les nouveaux mécanismes (5/24) Hybrid Coordination Function • Enhanced DCF mapping

  46. AIFS[AC2] AIFS[AC2] trame trame AIFS[AC1] AIFS[AC1] 802.11e et les nouveaux mécanismes (6/24) Hybrid Coordination Function • Enhanced DCF : • deux AC dans une même station Fin échange précédent Canal libre AC2 backoff AC1 backoff AIFS[AC2]<AIFS[AC1], Cwmin[AC2]<Cwmin[AC1] AC2 prioritaire

  47. 802.11e et les nouveaux mécanismes (7/24) Hybrid Coordination Function • Enhanced DCF • deux AC dans même station • file i prioritaire sur j Fenêtres backoff Cwmin[i]<Cwmin[j] Cwmax[i]<Cwmax[j] 0 CW[i] CW[j] AIFS[j] j AIFS[i] i Canal occupé

  48. 802.11e et les nouveaux mécanismes (8/24) Hybrid Coordination Function • Enhanced DCF • En cas de collision entre deux AC dans même station, un scheduler donne le canal au TC prioritaire et autre TC fait une retransmission • Les AC se comportent comme des stations virtuelles au sein d’une même station • Chaque AC est une variante de DCF

  49. 802.11e et les nouveaux mécanismes (9/24) Hybrid Coordination Function • Accès Polling : Négociation trafic • Trafic contient un TID de 8 à 15 => négocier paramètres requis par l’application • Paramètres : débit, temps supportable entre deux émissions, délais supportés, longueur nominales trames... • Négociation avec HC (scheduler dans HC) par trames Action • Création flux (logique) pour une application si négociation OK => traffic stream (TS)

  50. 802.11e et les nouveaux mécanismes (10/24) Hybrid Coordination Function • création Traffic Stream (uplink/downlink) • TS a une direction => 2 TS pour uplink et downlink (initié par la station) Trafic with TID=8…15 MAC layer MAC layer TSPEC Scheduler ADDTS request QoS Station QoS AP TSPEC Schedule elt Status ADDTS response

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