802.11 Network Structures

Traditional 802.11

• 802.11 =
  • „wireless ethernet“
  • Wi-fi (from Wi-Fi Alliance, wireless fidelity)

IEEE 802.11 as part of IEEE 802

• IEEE 802.11x =
  • IEEE = Institute of Electronics and Electrical Engineers
  • 802 = project group (Entwicklung von LAN-Standards)
  • 11 = working group (Entwicklung eines wireless-LAN Standards)
  • x = task groups
• erstmalige Spezifikation 1997, Änderungen 802.11-1999, 802.11-2003
• the 802.11 Task Groups:

802.11	First standard (1997). Specified the MAC and the original slower frequency-hopping and direct-sequence modulation techniques.
802.11a	Second physical layer standard (1999), but products not released until late 2000.
802.11b	Third physical layer standard (1999), but second wave of products. The most common 802.11 equipment as the first book was written.
TGc	Task group that produced a correction to the example encoding in 802.11a. Since the only product was a correction, there is no 802.11c.
802.11d	Extends frequency-hopping PHY for use across multiple regulatory domains.
TGe (future 802.11e)	Task group producing quality-of-service (QoS) extensions for the MAC. An interim snapshot called Wi-Fi Multi-Media (WMM) is likely to be implemented before the standard is complete.
802.11F	Inter-access point protocol to improve roaming between directly attached access points.
802.11g	Most recently standardized (2003) PHY for networks in the ISM band.
802.11h	Standard to make 802.11a compatible with European radio emissions regulations. Other regulators have adopted its mechanisms for different purposes.
802.11i	Improvements to security at the link layer.
802.11j	Enhancements to 802.11a to conform to Japanese radio emission regulations.
TGk (future 802.11k)	Task group to enhance communication between clients and network to better manage scarce radio use.
TGm	Task group to incorporate changes made by 802.11a, 802.11b, and 802.11d, as well as changes made by TGc into the main 802.11 specification. (Think "m" for maintenance.)
TGn (future 802.11n)	Task group founded to create a high-throughput standard. The design goal is throughput in excess of 100 Mbps, and the resulting standard will be called 802.11n.
TGp (future 802.11p)	Task group adopting 802.11 for use in automobiles. The initial use is likely to be a standard protocol used to collect tolls.
TGr (future 802.11r)	Enhancements to roaming performance.
TGs (future 802.11s)	Task group enhancing 802.11 for use as mesh networking technology.
TGT (future 802.11T)	Task group designing test and measurement specification for 802.11. Its results will be standalone, hence the uppercase letter.
TGu (future 802.11u)	Task group modifying 802.11 to assist in interworking with other network technologies.

• Beziehung von 802.11 zum ISO/OSI-Modell:

• • IEEE 802 Spezifikationen beziehen sich nur auf 2 untersten OSI-Layer -> Physical + Data Link Layer
  • = MAC + PHY (physical) Komponente
  • physical Layers:
    • FHSS – frequency-hopping spread-spectrum
    • DSSS – direct-sequence spread-spectrum
    • mit 802.11b -> HR/DSSS – high-rate DSSS
    • mit 802.11a -> OFDM – orthogonal frequency division multiplexing
    • 802.11g abwärts-kompatibel zu b, nutzt ausserdem auch OFDM

Structure of a wireless network

• Stationen
  • Computer im WLAN
• Access Points
  • Bridges: Station <-> Station bzw Station <-> Externe Hosts
  • ursprünglich ein Gerät, neuerdings auch „thin“ APs und AP-Controller
• Drahtloses Medium
• DS – Verteilungssystem

Types of Networks

Es gibt mehrere Arten, die Unterschiede aufweisen und teilweise voneinander abhängen.

Grundlage eines wireless LAN ist das BSS:

• Gruppe von Stationen, die miteinander kommunizieren
• Kommunikation innerhalb der BSA (Basic Service Area), durch Ausbreitungseigenschaften der Funkstrahlen definierter Raum.

Independent BSS (IBSS, Ad-Hoc networks)

• direkte Kommunikation der Stationen
• typischerweise für wenige Stationen bzw. geringen Zeitraum etabliert

Infrastructure BSS

• erfordert Benutzung eines AP, jegwede Kommunikation erfolgt über diesen AP
• BSA ist damit als Bereich definiert, in dem mit dem AP kommuniziert werden kann
• damit 2 Hops für Kommunikation von Station zu Station
  • Unabhängigkeit von vielen Positionsvektoren (zu den anderen Stationen), nur noch abhängig von Pos. zum AP
  • Möglichkeit eines Power-save Modus der Stationen (kurzzeitig PowerOff an den Stationen, AP puffert Frames)
• Association am AP
• novum: multi-BSS oder „virtual APs“
  • ein AP bedient mehrere BSS, ESS (mit jeweiliger SSID)
  • Abbilden auf VLANs

ESS

• Erweiterung von BSS's, diese werden zu einem ESS zusammengefasst
• jeder AP, der ein BSS in einem ESS bedient, kommuniziert mit den anderen BSS's über ein Backbone-Netzwerk
• Identifikation eines ESS über die SSID (Service Set Identifier = network name)
• sind höchst-levelige Abstaktion in 802.11 Netzwerken

Distribution system

• wenn mehrere APs verbunden sind um ein Netz zu formen kümmert sich dieses um deren Kommunikation
• basiert meist auf Ethernet
• verbindet APs zu einem ESS (DS = logische Komponente in 802.11)
  • einhaltet das Backbone-Netzwerk, benötigt jedoch mehr
  • Bridge zwischen Wireless Network und Backbone Network
• Inter-Access Point Kommunikation
  • jeder AP muss über die Assoziationen aller APs Bescheid wissen
  • IAPP – inter-AP-protocol, meist über Backbone-Netzwerk
  • IAPP im IEEE 802.11F, wurde jedoch kaum umgesetzt (mittlerweile zurückgezogen) -> zu finden sind oftmals proprietäre Protokolle.
• WDS – wireless distribution system
  • das drahtlose medium selbst als DS
  • „wireless bridge“

Using the MAC

CSMA/CA

• CSMA/CA – carrier sense multiple access with collision avoidance
• Ethernet nutzt CSMA/CD – collision detection
• Unterschied rührt vom benutzten Medium her

The hidden node problem and RTS/CTS

Problem:

• 1 will an 2 funken, bemerkt, dass in seinem Funkbereich alles frei ist und funkt
• jedoch kann 3 ständig funken und damit den Empfang von 2 beeinträchtigen, ohne dass 1 das merken kann

Solution:

• RTS (request to send) und CTS (clear to send)
  • Sender sendet RTS an seinen gesamten Funkbereich und fordert andere Stationen zur Stille auf
  • Empfänger sendet daraufhin CTS an seinen gesamten Funkbereich, selber Effekt
  • damit sind beide Funkbereiche bereit für Übertragung
  • nach RTS/CTS muss jeder Frame geACK'ed werden
  • RTS/CTS ist optional, wird meist in Hochverkehrsbereichen benutzt
    • oft auch dort unnötig, da die Dichte an APs sehr hoch, damit hört jede Station in einem BSS jede andere
  • Aktivierung über WNIC-Treiber (RTS threshold, grenzwertige Framelänge, ab der Bereiche gecleared werden)

DCF, PCF, NAV

MAC-Zugriffsmodi: Coordination Functions

• Zugriff wird kontrolliert durch Coordination Functions:

• DCF – distributed coordination function
  • Standard CSMA/CA
  • vor Sendung eines Frames lauschen, ob Medium frei
  • wenn Frame übertragen wurde, warten alle Stationen im BSS ein zufälliges Intervall (Minimum ist festgelegt), bis sie senden
    • verhindert (fast sicher) gleichzeitiges Senden, was einzige Möglichkeit der Kollision birgt

• PCF – point coordination function
  • konkurrenzfreie Koordination, gewährleistet QoS
  • selten implementiert
  • sog. Point Coordinator verwaltet den tokenbasierten Ansatz
    • gibt Sendetoken an jede Station einzeln
    • nicht jede Station muss PCF unterstützen
      • nach einer CFP (contention-free period) kommt eine contention-period in der wie bei DCF gearbeitet wird
      • in der CFP können nicht-PCF-Stationen nicht senden, da Dauer der Tokenübergabe geringer als minimale Wartezeit bei DCF

• HCF – hybrid coordination function
  • hybrider Ansatz der beiden oben genannten
  • noch nicht voll standardisiert, wird jedoch Teil von 802.11e

Timing beim Zugriff auf das MAC: NAV

• virtuelles Carrier Sensing
• jeder Frame enthält Angaben, wie lang seine Übertragung und die folgender Pakete (inkl. ACKs) dauert
  • Stationen lesen den Wert und warten entsprechend

Network operations and services

Network services overview

• 802.11 definiert Dienste, die Netzwerke anbieten müssen:
  • Distribution:
    • Kommunikation von Stationen mit anderen Stationen oder externen Hosts
  • Integration
    • von 802.11-Netzwerken in Andere und umgekehrt
  • Assoziation
    • „Registration“ am AP, notwendig für Datenverkehr
    • entspr. „Kabel einstecken“ in LANs
    • angestoßen von Stationen
  • Reassoziation
    • bei Transition einer Station zw. BSS's im selben ESS
  • Disassoziation
  • Authentifzierung
    • authentifizieren eines Benutzers im WLAN
    • soll „physikalische Sicherheit“ eines verkabelten Netzes ersetzen
  • Deauthentifizierung
  • Vertraulichkeit (confidentiality)
    • Verschlüsselung der Daten
  • MSDU delivery == MAC Service Data Unit delivery
    • einfach Datenverkehr zw. Stationen und APs
  • Spektrenverwaltung (Transmit Power Control, Dynamic Frequency Selection nach 802.11h) (nur in Europa)

• davon Stations-seitig (von Stationen und APs angeboten):
  • Frame-Zustellung
  • (De)Authentifizierung
  • Vertraulichkeit
  • Spektrenverwaltung (TPC, DFS)

• Distributionssystem-seitig (verbinden APs zu einem DS):
  • Integration (von wired und wireless Netzen)
  • Distribution
  • Managen von Assoziationen (Assoz., Reassoz., Disassoz.)

Frame Format

Frame Arten

• Data- und Control Frames für Auslieferung von Daten und Kontrolle des Datenflusses

• Data Frames
  • Transport von Daten
• Control Frames
  • AreaClearing functions
  • channel acquisition
  • carrier sensing
  • ACKs
• Management Frames
  • supervisory functions
  • join, leave network; move assocs

Frame Fragmentation

• nötig, weil:
  • große Frames sonst nicht „aufs Medium passen“
  • Durchsatz in belasteten Umfeldern erhöht werden kann
• fragmentiert werden Pakete größer als fragmentation threshold
  • dieser festgelegt durch Admin bzw. verringert von jeder Station
• Fragmente eines Frames haben:
  • selbe Frame Sequence Number
  • inkrementelle Fragment Number
• RTS/CTS und Fragmentation
  • Thresholds für RTS/CTS und Fragmentation meist gleich
  • bei Fragment Bursts wird RTS/CTS angewendet

allg. Format

• enthält einige typische Felder _nicht_
  • Präambel ist Teil des physischen Layer
  • Type/Length werden im Datenteil gekapselt
• 4 Adressfelder, die nicht immer genutzt werden

• Frame Control Field:
  • Protocol:
    • bisher nur 00 definiert, weitere für evtl. spätere 802.11 Revisionen
  • Type & Subtype:

Subtype value	Subtype name
Management frames (type=00)
0000	Association request
0001	Association response
0010	Reassociation request
0011	Reassociation response
0100	Probe request
0101	Probe response
1000	Beacon
1001	Announcement traffic indication message (ATIM)
1010	Disassociation
1011	Authentication
1100	Deauthentication
1101	Action (for spectrum management with 802.11h, also for QoS)
Control frames (type=01)
1000	Block Acknowledgment Request (QoS)
1001	Block Acknowledgment (QoS)
1010	Power Save (PS)-Poll
1011	RTS
1100	CTS
1101	Acknowledgment (ACK)
1110	Contention-Free (CF)-End
1111	CF-End+CF-Ack
Data frames (type=10)
0000	Data
0001	Data+CF-Ack
0010	Data+CF-Poll
0011	Data+CF-Ack+CF-Poll
0100	Null data (no data transmitted)
0101	CF-Ack (no data transmitted)
0111	CF-Ack+CF-Poll (no data transmitted)
1000	QoS Datac
1001	QoS Data + CF-Ackc
1010	QoS Data + CF-Pollc
1011	QoS Data + CF-Ack + CF-Pollc
1100	QoS Null (no data transmitted)c
1101	QoS CF-Ack (no data transmitted)c
1110	QoS CF-Poll (no data transmitted)c
1111	QoS CF-Ack+CF-Poll (no data transmitted)c

• • ToDS, FromDS:
    • geben an, ob ein Frame fürs DS bestimmt ist
    • in Infrastruktur-Netzen ist immer eins von beiden gesetzt
    • FromDS, ToDS = 0
      • Management und Control-Frames
      • Daten-Frames in einem IBSS
    • FromDS = 1, ToDS = 0
      • Daten-Frames, die für WLAN Station bestimmt sind
    • FromDS = 0, ToDS = 1
      • Daten-Frames, die von WLAN Station kommen
    • FromDS, ToDS = 1
      • Daten-Frames in einer „Wireless Bridge“
  • More Fragments
    • wie in IP
    • 1 = es kommen weitere Fragmente
    • wird nur von einigen Managementframes und großen Daten-Frames verwendet, meist ist Daten-Frame-Größe = Ethernet-Frame-Größe
  • Retry
    • 1 = dieser Frame ist eine Sendewiederholung
  • Power Management
    • 1 = Station geht nach atomarem Frame-Austausch in Powersave-Modus
    • niemals gesetzt bei Frames vom AP
  • More Data
    • 1 = es liegen weitere gepufferte Frames im AP vor
    • wird nur bei Frames verwendet, die an Powersave-Stationen geschickt werden
  • Protected Frame
    • 1 = Frame wird durch Link-Layer-Sicherheitsprotokolle geschützt
  • Order
    • 1 = strikte Ordnung ist aktiv
    • Frames und Fragmente können sonst auch ungeordnet übertragen werden

• Duration/ID Field:

• • Duration
    • setzt NAV in allen Stationen im BSS (siehe NAV)
    • Wert in Mikrosekunden (10-6)
  • CFP – contention-free period
    • bei Verwendung von PCF
    • Wert = 32768, wenn als NAV interpretiert (für Stationen, die eine Beacon-Sendung verpasst haben, in der CFP eingeleitet wird ... diese werden dann sehr lang)
  • PS-Poll Frames
    • wird von schlafenden Stationen gesendet, die gerade aufwachen
    • AID gibt Assoziations-ID an -> gibt an, zu welchem BSS die Station gehört (falls im Schlaf BSS-Transition)

(diese wird bei Assoziation vom AP bezogen)

• • • nur Werte von 1 – 2007, alle anderen sind reserviert

• 4 Adressfelder
  • enthalten 48Bit MAC Adressen
  • je nach Netzwerktyp und Datenrichtung verwendet (nach ToDS, FromDS):

Function	ToDS	FromDS	Address 1 (receiver)	Address 2 (transmitter)	Address 3	Address 4
IBSS	0	0	DA	SA	BSSID	Not used
To AP (infra.)	1	0	BSSID	SA	DA	Not used
From AP (infra.)	0	1	DA	BSSID	SA	Not used
WDS (bridge)	1	1	RA	TA	DA	SA

• • verschiedene Zwecke:
    • Zieladresse:
      • wie Ethernet, gibt finalen Empfänger an
      • für Station -> AP: MAC-Adresse des Hosts im Backbone (zb Router)
    • Empfängeradresse:
      • für AP -> Station: = Zieladresse
      • für Station -> AP: MAC-Adresse des AP
    • Quelladresse:
      • gibt Quellstation an
    • Transmitter-Adresse
      • MAC-Adresse des WNICs, der Frame überträgt
      • wird nur bei Wireless Bridges benutzt
    • BSSID
      • wird genutzt um verschiedene WLANs im selben Bereich zu unterscheiden
      • in Infrastruktur-Netzen: BSSID = MAC des APs
      • in ad-hoc-Netzen: zufällig generiert mit Universal/Local-Bit gesetzt (vermeidet Konflikt mit phys. MAC-Adressen)

• Sequence Control Field:

• • benutzt für Defragmentation und zum Verwerfen doppelter Frames
  • nicht benutzt in Control-Frames
  • sequence number
    • 0 – 4095
    • beginnt bei 0 und wird pro highlevel-Paket um 1 inkrementiert
    • bleibt gleich bei erneuter Sendung und Fragmenten eines Pakets
  • fragment number
    • gibt Nummer des Fragments an

• Frame body
  • kapselt higher-level Daten
  • eigentlich maximal 2304 Bytes
    • tatsächlich muss mehr transportiert werden können um Sicherheitsprotokolle und QoS zu erlauben
  • inkl. 802.2 LLC header bleiben dann 2296 Bytes Payload
  • es gibt weiterhin kein Typfeld, dass das gekapselte Protokoll angibt -> weiterer Header am Anfang des Payload benötigt

• Frame Check Sequence – FCS
  • CRC (cyclic redundancy check) zur Überprüfung des Inhalts
  • enthält alle Felder des MAC-Headers und der Payload
  • eigentlich gleich dem 802.3-Feld, jedoch andere MAC-Header
    • zwingt APs zur Neuberechnung

Management

Management-Frames übernehmen Funktionen, die bei wired-Netzen physikalisch umgesetzt sind.

Scanning a Network: Probes and Beacons

• Parameter fürs Scannen:
  • BSS Type (independent, infrastructure)
  • BSSID (individual, broadcast for all)
  • SSID oder ESSID (specific network name, broadcast for all)
  • scan type (active, passive)
  • channel list (or hop pattern for freq. hopping networks)
  • probe delay
  • minChannelTime, maxChannelTime

Passive Scanning

• jeden Channel eine bestimmte Zeit belauschen
• auf Beacons warten, diese enthalten alle relevanten Werte
• hidden SSID's:
  • verhindern passives Scannen, da die SSID nicht mehr in den Beacons übermittelt wird
  • wird jedoch in Probe Responses gesendet -> Active Scanning

Active Scanning

• für jeden Channel einzeln durchzuführen:

1. 1. Channel abhören, bis Paket eintrifft oder probe delay timer abläuft
   2. trifft Paket ein, so ist Channel in Benutzung und kann geprobed werden
   3. Probe Request senden
   4. minChannelTime abwarten
      1. wenn nix passiert, dann ist Channel nicht in Benutzung
      2. wenn Frames verkehren, dann warte bis maxChannelTime und werte jede Probe Response aus

Beacon Frame

• zeigt Existenz eines Netzwerks an
• werden regelmäßig (in Infrastr. von APs) gesendet
• enthalten Parameter zur Konfiguration für möglichen Netzwerkzugang für Clients

• Felder:
  • Capability Info:
    • ESS/IBSS – exclusive: infrastruktur oder ad-hoc
    • privacy – WEP oder nicht?
  • SSID – Netzwerkname = String, max 32 chars
  • FH – für FrequencyHopping Networks
  • DS – Channel Nummer für direct sequence networks
  • CF – für contention free
  • TIM – traffic indication map, benutzt bei power-save-mode
  • Channel Switch – für Umschalten des Kanals
  • Quiet – Stilllegung des Channels für Maßnahmen bei Radar
  • TPC – Transmit Power Control, fordert Funkverbindungsmanagementinfos an
  • ERP – für 802.11g, Extended Rate PHY
  • Extended Rates erweitert Supported Rates Feld -> Auskunft über mögliche Datenraten
  • RSN – robust security network
    • Angabe von Cipher-Algorithmen, z. B .:
      • WEP-40
      • TKIP
      • CCMP
      • WEP-104
    • authentication types:
      • 802.1X or PMK caching
      • Pre-shared key

Probe Request Frame

• geben Auskunft über die Möglichkeiten des Clients
• versehen mit SSID eines Netzes oder broadcast SSID für alle Netze

Probe Response Frame

• gleicher Aufbau wie Beacon-Frame

Joining a network

1.4.3.2.1 802.11 Authentication 21 1.4.3.2.2 Preauthentication 22 1.4.3.2.3 Association Procedure 22 1.4.3.2.4 Association Request Frame 22 1.4.3.2.5 Association Response Frame 23 1.4.3.2.6 Mobility support: Transitions 23 1.4.3.2.7 Reassociation procedure 24 1.4.3.2.8 Reassociation Request Frame 25 1.4.3.2.9 Association and authentication states 25

Moving data

Prinzipien

1.4.6.1.1 Broadcast Data, Multicast Data und Management Frames 29 1.4.6.1.2 Unicast Data (Management und Daten) 30 1.4.6.1.3 PowerSave Sequenzen 31

Integration/Encapsulation of ethernet frames

1.4.6.4.1 Prinzip 33 1.4.6.4.2 Ablauf des Bridging zwischen 802.11 und Ethernet 34 wireless2wired 35 wired2wireless 35