Análise e caracterização da tecnologia IEEE 802.11 para aplicação na área dos transportes Ivo Fernandes EFACEC / FEUP.

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1 Análise e caracterização da tecnologia IEEE 802.11 para aplicação na área dos transportes Ivo Fernandes EFACEC / FEUP

2 Plano Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões

3 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

4 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;

5 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

6 802.11 Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões

7 802.11 – Constituição Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito móvel real Handover

8 802.11 – 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

9 802.11 - Modelo OSI Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito móvel real Handover

10 802.11 - 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

11 802.11 - Protocolos Constituição de uma rede 802.11 Modelo OSI Actuais e futuros protocolos Camada Física Sub camada MAC Débito móvel real Handover

12 802.11 - Protocolos Camada Física Layer 1 Subcamada MAC Sub Layer 2 Camadas 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

13 802.11 - 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

14 802.11 - 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

15 802.11 - Camada Física – Taxa Física 64-QAM 16-QAM QPSK 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 por Símbolo Bits por Subportadora Coding Rate Taxa

16 802.11 - 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)

17 802.11 - Camada Física – Canais 802.11a 5650 – 5725 MHz 5570 – 5650 MHz 5470 – 5570 MHz 5150 – 5350 MHz Gama de Frequências WLAN Rádio Amador 1 W (outdoor) 132 136 140 WLAN Rádionavegação Marítima 1 W (outdoor) 116 120 124 128 WLAN Rádionavegação Marítima 1 W (outdoor) 100 104 108 112 WLAN200 mw (indoor) 36 40 44 48 52 56 60 64 Aplicações NacionaisPotência P.I.R.E. Canais 19 canais não sobrepostos de 20 MHz cada 8 canais indoor (200 MHz) 11 canais outdoor (255 MHz)

18 802.11 - 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

19 802.11 - Camada Física – Canais 802.11a Países onde não é permitida a utilização de 802.11a outdoor Suiça República Checa França Grécia Marrocos Ucrânia Brasil

20 802.11 - 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

21 802.11 - 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

22 802.11 - 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

23 802.11 - 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.

24 802.11 - 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.

25 802.11 - 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

26 802.11 - 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.

27 802.11 - 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)

28 802.11 - 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)

29 802.11 - 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

30 802.11 – 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 Efectiva TCP 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

31 802.11 – 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.

32 802.11 – 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)

33 802.11 – 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)

34 802.11 – 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

35 802.11 – Débito Móvel Real Ex: Necessitamos 8Mbps reais Taxa Física = 4 x 8 Mbps = 32 Mbps Alcance máximo quando sensibilidade do TM = -77dBm (36Mbps)

36 802.11 – 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

37 802.11 – 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)

38 802.11 – 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 R Network C Home Agent Terminal Móvel

39 802.11 – 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

40 802.11 – Handover layer 2 SWITCH MAC1 => Porta 1 MAC2 => Porta 2 MACT => Porta 1 MAC1MAC2 MAC1 => Porta 1 MAC2 => Porta 2 MACT => Porta 2 MAC1 => Porta 1 MAC2 => Porta 2 MACT => Porta 1

41 802.11 – 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, OReilly, Abril 2005

42 802.11 – Handover Layer 2 Handover 1 - Decisão de troca de AP 2 - Scanning 3 - Decisão de conexão 4 - Autenticação 5 - Associação e actualização da rede Tempo sem conexão =ΔT 2 + ΔT 4 + ΔT 5

43 802.11 – 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.

44 802.11 – 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

45 802.11 – 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.

46 802.11 – Handover Layer 2 2.1 – Scanning Passivo TM desloca-se para cada canal e aguarda por beacons enviados pelos APs presentes nesse 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 ΔT 2 = 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

47 802.11 – 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).

48 802.11 – Handover Layer 2 2.1 – Scanning Activo Latência total de scanning activo ΔT 2 < 649ms (11 canais) Caso 3 canais ΔT 2 < 177ms Caso 2 canais ΔT 2 < 118ms Caso 1 canal ΔT 2 < 40ms Se diminuirmos o Max_Channel_Time para 10 ms ΔT 2 = 87ms (3 canais); 58ms (2 canais); 10ms (1 canal).

49 802.11 – Handover Layer 2 2.1 – Scanning Activo Interferência inter células vs reutilização de frequências 0 m 200 m 400 m600 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

50 802.11 – 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 handoff ΔT 2 Distância entre veículos

51 802.11 – 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.

52 802.11 – 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

53 802.11 – 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 ΔT 4 > 1 segundo

54 802.11 – 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 ΔT 4 < 60 ms

55 802.11 – Handover Layer 2 4.1 – Autenticação PSK X = 384 bits para CCMP Encriptação de dados 128 bits

56 802.11 – Handover Layer 2 4.1 – Autenticação PSK Mensagem 3 e 4 encriptadas com KCK Só existe falha se um TM autorizado capture as 2 primeiras mensagens do 4-Way Handshake (anonce e snonce) Nenhuma falha encontrada até hoje utilizando PSK-CCMP!!!!!

57 802.11 – 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. ΔT 4 = 30 ms

58 802.11 – 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 comunicação utilizando 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

59 Aplicações e Serviços Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões

60 Aplicações e Serviços

61 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

62 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 Atraso Tolerável < 150 ms Atraso Óptimo VídeoDadosVoz

63 Diminuição do Handover TM deve permitir definir o RSSI_Threshold e o Channel_List Mais de 1 segundo sem comunicação utilizando autenticação 802.1X/EAP 300 ms sem comunicação utilizando autenticação PSK As aplicações suportam estes atrasos? NÃO 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

64 Diminuição do Handover Protocolos 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 ?

65 Diminuição do Handover Soluções 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

66 Diminuição do Handover Soluções 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

67 Diminuição do Handover Soluções 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

68 Diminuição do Handover Soluções 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

69 Diminuição do Handover Soluções para diminuir a fase de Scanning (Decisão do TM) Init:Initial_comm ath0 Buffers ath0 monitor_beacons eth0 scanning_eth1 Scanning_eth1:scan ath1 if (RSSI > x & ESSID == Rede){ init_assoc eth1 init_PSK eth1 select eth1} Select_eth1:Buffers eth1 lasthope eth0 desassoc eth0 monitor beacons eth1 scanning_eth0 TEMPO DE HANDOVER POSSÍVEL = 0ms!!!!

70 Diminuição do Handover Soluções 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

71 Diminuição do Handover Soluções 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

72 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

73 Soluções Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões

74 Soluções 2.4GHz ou 5GHz? Soluções com equipamentos normais Soluções com mobility switch Soluções específicas para veículos

75 Soluções – 2.4 GHz ou 5 GHz? Devemos escolher 802.11a 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)

76 Soluções – 2.4 GHz ou 5 GHz 5650 – 5725 MHz 5570 – 5650 MHz 5470 – 5570 MHz 5150 – 5350 MHz Gama de Frequências WLAN Rádio Amador 1 W (outdoor) 132 136 140 WLAN Rádionavegação Marítima 1 W (outdoor) 116 120 124 128 WLAN Rádionavegação Marítima 1 W (outdoor) 100 104 108 112 WLAN200 mw (indoor) 36 40 44 48 52 56 60 64 Aplicações NacionaisPotência P.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.

77 Soluções 2.4GHz ou 5GHz? Soluções com equipamentos normais Soluções com mobility switch Soluções específicas para veículos

78 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 ChannelList MaxChannelTime (opcional) MinChannelTime (opcional) Scanning RSSI_Threshold Retry_Threshold (opcional) Decisão de Troca de AP Handover 802.11 Parâmetros Configuráveis WMM QoS 802.1X/EAP (WPA2) Autenticação CCMP (WPA2) Encriptação Segurança IEEE 802.3afIEEE 802.3af (opcional)Power Over Ethernet Conector para antena externa Antena TPS e DFS Regulamentos obrigatórios 3 (canal 132, 136 e 140) Número de canais mínimo 5470-5725 MHz Frequência IEEE 802.11a Standard Características APTM

79 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 ms 87 ms Três Canais Três 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

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81 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.

82 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 no veículo

83 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

84 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…

85 Soluções 2.4GHz ou 5GHz? Soluções com equipamentos normais Soluções com mobility switch Soluções específicas para veículos

86 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!

87 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!

88 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

89 Soluções Tecnologias e Sistemas Actuais IEEE 802.11 Aplicações e Serviços Diminuição do handover Soluções Conclusões

90 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

91 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)

92 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 ……

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