Internet Protocols II

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1 Lecture 3 Internet Protocols II Thomas Fuhrmann Network Architectures Computer Science Department Technical University Munich

2 IEEE Bluetooth Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 2

3 Bluetooth Radio and Link Manager Radio & Baseband Link Manager Global 2.4 GHz ISM band ( ; 79 channels) 1M symbol / s 2 FSK modulation 432 kbit/s bidirectional 721 kbit/s asymmetrical Low power : 0 dbm (optional: +20 dbm with Power Control) Range approx. 10 m Fast FHSS (1600 hops/s) Long switching time (220 μs) Piconet management Attach and detach slaves Master-slave switch Establishing ACL and SCO links Handling of low power modes: Hold, Sniff, Park Link configuration Supported features Quality of Service, usable packet types Power Control Security Functions Authentication Encryption including key management Link Information Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 3

4 Bluetooth Piconet Star Toplogy 1 Master, up to 7 active slaves Unlimited number of parked slaves Master: determines hopping scheme and timing Administers piconet (polling) Logical Channels Asynchronous, packet oriented Synchronous, connectionoriented (voice, slot reservation) Quelle: Nokia master active slave parked slave standby Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 4

5 Bluetooth Link Access Example MASTER SCO ACL ACL SCO ACL SCO SCO ACL SLAVE 1 SLAVE 2 SLAVE 3 Quelle: Nokia Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 5

6 Bluetooth Spectrum Usage Example Freq. Quelle: Nokia time Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 6

7 Bluetooth Hopping Sequence IEEE 802 Hardware Address Clock Hash Function 79 Channels Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 7

8 Paging & Inquiry Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 8

9 IEEE Wireless LAN Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 9

10 MAC-Schicht (1) Verkehrsarten Asynchroner Datendienst (standard) Datenaustausch auf best-effort -Basis Unterstützung von Broadcast und Multicast Zeitbegrenzte Dienste (optional) implementiert über PCF (Point Coordination Function) Medienzugriff Distributed Foundation Wireless MAC DFWMAC-DCF CSMA/CA (standard) Kollisionsvermeidung durch zufälligen backoff -Mechanismus Mindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden Paketen Empfangsbestätigung durch ACK (nicht bei Broadcast) DFWMAC-DCF mit RTS/CTS (optional) Distributed Foundation Wireless MAC Vermeidung des Problems versteckter Endgeräte (Hidden Terminal Problem) DFWMAC-PCF (optional) Polling-Verfahren mit einer Liste im Access Point Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 10

11 MAC-Schicht (2) Prioritäten werden durch Staffelung der Zugriffszeitpunkte geregelt keine garantierten Prioritäten SIFS (Short Inter Frame Spacing) höchste Priorität, für ACK, CTS, Antwort auf Polling PIFS (PCF IFS) mittlere Priorität, für zeitbegrenzte Dienste mittels PCF DIFS (DCF IFS) niedrigste Priorität, für asynchrone Datendienste DIFS DIFS Medium belegt PIFS SIFS Wettbewerb nächster Rahmen direkter Zugriff, Medium frei DIFS Zeit Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 11

12 CSMA/CA-Verfahren (1) DIFS Medium belegt DIFS PIFS SIFS Wettbewerbsfenster (zufälliger Backoff- Mechanismus) nächster Rahmen Wartezeit Zeitschlitz t CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance Sendewillige Station hört das Medium ab Ist das Medium für die Dauer eines Inter-Frame Space (IFS) frei, wird gesendet (IFS je nach Sendeart gewählt) Ist das Medium belegt, wird auf einen freien IFS gewartet und dann zusätzlich um eine zufällige Backoff-Zeit verzögert (Kollisionsvermeidung, in Vielfachen einer Slot-Zeit) Wird das Medium während der Backoff-Zeit von einer anderen Station belegt, bleibt der Backoff-Timer so lange stehen Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 12

13 Stationen im Wettbewerb DIFS DIFS bo e bo r DIFS bo e bo r DIFS bo e busy Station 1 bo e busy Station 2 Station 3 busy bo e busy bo e bo r Station 4 bo e bo r bo e busy bo e bo r Station 5 t busy Medium belegt (frame, ack etc.) bo e verstrichene backoff Zeit Paketankunft am MAC-SAP (Service Access Point) bo r verbleibende backoff Zeit Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 13

14 CSMA/CA-Verfahren (2) Senden von Unicast-Paketen Daten können nach Abwarten von DIFS gesendet werden Empfänger antworten sofort (nach SIFS), falls das Paket korrekt empfangen wurde (CRC) Im Fehlerfall wird das Paket automatisch wiederholt (neuer Wert für Backoff) Sender DIFS Daten Empfänger SIFS Ack weitere Stationen Wartezeit DIFS Wettbewerb Daten t Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 14

15 DFWMAC mit RTS/CTS-Erweiterung Senden von Unicast-Paketen RTS mit Belegungsdauer als Parameter kann nach Abwarten von DIFS gesendet werden Bestätigung durch CTS nach SIFS durch Empfänger Sofortiges Senden der Daten möglich, Bestätigung wie gehabt Andere Stationen speichern die im RTS und CTS gesendete Belegungsdauer im Net Allocation Vector (NAV) ab Virtuelle Reservierungen Sender DIFS RTS data Empfänger SIFS CTS SIFS SIFS ACK weitere Stationen NAV (RTS) NAV (CTS) Wartezeit DIFS Wettbewerb data t Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 15

16 Fragmentierung Sender Empfänger DIFS RTS SIFS CTS SIFS frag 1 SIFS ACK SIFS 1 frag 2 SIFS ACK2 weitere Stationen NAV (RTS) NAV (CTS) NAV (frag 1 ) NAV (ACK 1 ) DIFS Wettbewerb data t Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 16

17 DFWMAC-PCF t 0 t 1 Superrahmen Medium belegt point coordinator PIFS D 1 SIFS SIFS D 2 SIFS SIFS drahtlose Stationen U 1 U 2 NAV der Stationen NAV t 2 t 3 t 4 PIFS SIFS CFend point coordinator D 3 D 4 SIFS drahtlose Stationen U 4 NAV der Stationen NAV wettbewerbsfreie Periode Wettbewerb t Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 17

18 Rahmenformat Typen Steuerrahmen, Management-Rahmen, Datenrahmen Sequenznummern wichtig für duplizierte Rahmen aufgrund verlorengegangener ACKs Adressen Empfänger, Transmitter (physikalisch), BSS Identifier, Sender (logisch) Sonstiges Sendedauer, Prüfsumme, Rahmensteuerung, Daten Bytes Duration ID Address 1 Address 2 Address 3 Sequence Control Frame Control Address Data 4 CRC Version, Typ, Fragmentierung, Sicherheit,... Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 18

19 MAC-Adressenformat Paketart to DS from Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4 DS Ad-hoc Netzwerk 0 0 DA SA BSSID - Infrastruktur 0 1 DA BSSID SA - Netzwerk, von AP Infrastruktur 1 0 BSSID SA DA - Netzwerk, zu AP Infrastruktur Netzwerk, im DS 1 1 RA TA DA SA DS: Distribution System AP: Access Point DA: Destination Address SA: Source Address BSSID: Basic Service Set Identifier RA: Receiver Address TA: Transmitter Address Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 19

20 MAC Management Synchronisation Finden eines LANs, versuchen im LAN zu bleiben Timer etc. Power Management Schlafmodus ohne eine Nachricht zu verpassen periodisches Schlafen, Rahmenpufferung, Verkehrszustandsmessung Assoziation/Reassoziation Eingliederung in ein LAN Roaming, d.h. Wechseln zwischen Netzen von einem Access Point zu einem anderen Scanning, d.h. aktive Suche nach einem Netz MIB - Management Information Base Verwalten, schreiben, lesen Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 20

21 Synchronisation mit einem Leuchtfeuer Intervall des periodischen Funksignals (beacon) Zugangspunkt Medium B B B B busy busy busy busy Wert des Zeitstempels B Beacon-Paket t Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 21

22 Ad-Hoc Synchronisation mit Leuchtfeuer Beacon-Intervall Station 1 B 1 B 1 Station 2 B 2 B 2 Medium busy busy busy busy t Wert des Zeitstempels B beacon Paket zufällige Verzögerung Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 22

23 Steuerung der Leistungsaufnahme Idee: Ausschalten der Sende/Empfangseinheit wenn nicht benötigt Zustände einer Station: schlafend und wach Timing Synchronization Function (TSF) Sicherstellung, dass alle Stationen zur gleichen Zeit aufwachen Infrastruktur Traffic Indication Map (TIM) Liste von Unicast-Empfängern, von AP ausgesendet Delivery Traffic Indication Map (DTIM) Liste von broadcast/multicast-empfängern, von AP ausgesendet Ad-hoc Ad-hoc Traffic Indication Map (ATIM) Bekanntmachung von Empfängern zwischengespeicherter Pakete durch die speichernden Stationen komplexer, da kein zentraler AP Kollisionen von ATIMs möglich (Skalierbarkeit?) Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 23

24 Energiesparen mit Wachmustern (Infrastruktur) TIM Intervall DTIM Intervall Zugangspunkt Medium D B busy T T d D busy busy busy B Station T TIM D DTIM p wach d t B broadcast/multicast p PS poll d Datenübertragung von/zu der Station Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 24

25 Energiesparen mit Wachmustern (ad-hoc) ATIM- Fenster Beacon-Intervall B Station 1 A D B 1 1 Station 2 B 2 B 2 a d B Beacon-Paket zufällige Verzögerung A ATIM-Übertragung D Datenübertragung t wach a Bestätigung v. ATIM d Bestätigung der Daten Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 25

26 IEEE ZigBee Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 26

27 General Characteristics Data rates of 250 kb/s, 40 kb/s and 20 kb/s. Star or Peer-to-Peer operation. Support for low latency devices. Fully handshaked protocol for transfer reliability. Low power consumption. Frequency Bands of Operation 16 channels in the 2.4GHz ISM* band 10 channels in the 915MHz ISM band 1 channel in the European 868MHz band. * ISM: Industrial, Scientific, Medical IEEE and Zigbee Overview, Joseph Dvorak, 28 September Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 27

28 / ZigBee Architecture Applications ZigBee IEEE MAC IEEE /915 MHz PHY IEEE MHz PHY Packet generation Packet reception Data transparency Power Management Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 28

29 IEEE PHY Overview Operating Frequency Bands 868MHz / 915MHz PHY Channel 0 Channels MHz MHz 902 MHz 928 MHz 2.4 GHz PHY Channels MHz 2.4 GHz GHz Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 29

30 IEEE PHY Overview Packet Structure PHY Packet Fields Preamble (32 bits) synchronization Start of Packet Delimiter (8 bits) PHY Header (8 bits) PSDU length PSDU (0 to 127 octets) Data field Preamble Start of Packet Delimiter PHY Header PHY Service Data Unit (PSDU) 6 Octets Octets Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 30

31 Architecture Applications ZigBee IEEE MAC Channel acquisition Contention mgt NIC address Error Correction IEEE /915 MHz PHY IEEE MHz PHY Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 31

32 IEEE MAC Overview Design Drivers Extremely low cost Ease of implementation Reliable data transfer Short range operation Very low power consumption Simple but flexible protocol Device Classes Full function device (FFD) Any topology Network coordinator capable Talks to any other device Reduced function device (RFD) Limited to star topology Cannot become a network coordinator Talks only to a network coordinator Very simple implementation Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 32

33 IEEE MAC Overview Star Topology PAN Coordinator Master/slave Full function device Communications flow Reduced function device Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 33

34 IEEE MAC Overview Peer-Peer Topology Point to point Full function device Cluster tree Communications flow Internet Slide Protocols 34 II Thomas Fuhrmann, Joe Technical Dvorak, University MotorolaMunich, Germany 349/27/05

35 IEEE MAC Overview Combined Topology Clustered stars - for example, cluster nodes exist between rooms of a hotel and each room has a star network for control. Full function device Communications flow Reduced function device Internet Slide Protocols 35 II Thomas Fuhrmann, Joe Technical Dvorak, University MotorolaMunich, Germany 359/27/05

36 IEEE MAC Overview General Frame Structure Payload MAC Layer MAC Header (MHR) MAC Service Data Unit (MSDU) MAC Footer (MFR) PHY Layer Synch. Header (SHR) PHY Header (PHR) MAC Protocol Data Unit (MPDU) PHY Service Data Unit (PSDU) 4 Types of MAC Frames: Data Frame Beacon Frame Acknowledgment Frame MAC Command Frame Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 36

37 Frame and Super-Frame Structure Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 37

38 Unslotted Mode Source: Wikipedia Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 38

39 Slotted Mode (beacon-enabled) Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 39

40 IEEE MAC Overview Traffic Types Periodic data Application defined rate (e.g. sensors) Intermittent data Application/external stimulus defined rate (e.g. light switch) Repetitive low latency data Allocation of time slots (e.g. mouse) Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 40

41 Architecture Applications ZigBee Network Routing Address translation Packet Segmentation Profiles IEEE MAC IEEE /915 MHz PHY IEEE MHz PHY Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 41

42 ZigBee Stack Architecture Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 42

43 Wireless Technology Comparison Chart 34KB /14KB 356 μa Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 43

44 Questions? Thomas Fuhrmann Department of Informatics Self-Organizing Systems Group c/o I8 Network Architectures and Services Technical University Munich, Germany Internet Protocols II Thomas Fuhrmann, Technical University Munich, Germany 44