54

4.2. Topologija WiFi mreže

WiFi mreže mogu raditi u ad-hoc i infrastrukturnom modu, tj. arhitekturi. U slučaju ad-hoc

načina rada, topologija mreže je meš (mrežasta topologija). U slučaju infrastrukturne arhitekture,

mreža ima topologiju zvezde - Slika 90. Pristupna tačka je centar zvezde, i predstavlja vezu ka

ostatku mreže (obično eternet).

Slika 90. Infrastrukturna arhitektura mreže, topologija zvezde

4.3. MAC podsloj sloja veze podataka

Zadatak MAC podsloja sloja veze podataka je da:

reguliše pristup bežičnom medijumu od strane različitih korisnika

omogućava ispravan prenos okvira sa podacima

obavlja čitav niz upravljačkih funkcija koje omogućavaju da se terminali povežu sa

pristupnom tačkom, formiraju mrežu i održavaju određen kvalitet komunikacije

4.3.1. Kontrola pristupa medijumu

Standardima 802.11 familije definisana su tri načina kontrole pristupa medijumu: DCF

(Distributed Coordination Function), PCF (Point Coordination Function) i HCF (Hybrid

Coordination Function).

U praksi, najčešći je DCF, u kome je višekorisnički pristup zasnovan na takmičenju. U ovom

slučaju, primenjuju se CSMA/CA i RTS/CTS metode, obrađene u poglavlju 2.

PCF definiše način rada u kome pristupna tačka po nekom redosledu proverava da li

terminali žele pristup medijumu, i daje im telekomunikacioni kanal na raspolaganje u slučajevima

da je to potrebno.

HCF predstavlja kombinaciju DCF i PCF koja se koristi u sistemima u kojima postoji

regulisanje kvaliteta servisa (QoS).

U tekstu koji sledi, fokusiraćemo se na pravila rada DCF.

i) Detekcija nosioca

Bežični kanal smatra se slobodnim ukoliko u njemu nema aktivnosti tokom određenog,

standardom definisanog, vremenskog intervala. Standardi 802.11 familije definišu dva intervala od

55

interesa za DCF način kontrole pristupa. To su intervali SIFS (Short Interframe Spacing) i DIFS

(DCF Interframe Spacing). SIFS interval je najmanji mogući interval između dva uzastopna okvira.

Koristi se između fragmenata istog okvira, u slučajevima kada se primenjuje fragmentacija. Takođe,

prethodi i potvrdi uspešnog prenosa (ACK), kao i CTS poruci. U svim ostalim slučajevima, koristi

se DIFS interval.

Slika 91. DIFS i SIFS intervali

ii) Kontrola pristupa putem CSMA/CA

Osnovna metoda kontrole pristupa je već pominjana CSMA/CA - Slika 37. Korisnik koji želi

da šalje podatke proverava da li je kanal slobodan. Ukoliko to nije slučaj, korisnik se povlači, i čeka

da se kanal oslobodi. Kanal se smatra slobodnim ako tokom intervala dužine DIFS nije bilo

aktivnosti u njemu. Kada je kanal slobodan, korisnik koji se prethodno bio povukao postavlja

prozor čekanja (contention window) na početnu vrednost od X=31 slotova, i slučajno odabira

trenutak u okviru tog intervala u kome ponovo pokušava slanje. Ako i u tom trenutku ima aktivnosti

u kanalu, korisnik se opet povlači, a vrednost prozora čekanja se povećava na 63 slota. Sa svakom

neuspešnom transmisijom, raste prozor čekanja, dok ne dostigne vrednost od 1023 slota. Nakon

toga se prozor čekanja dalje ne povećava.

Korisnik koji želi da šalje podatke čeka da kanal bude slobodan tokom DIFS perioda. U

slučaju da prethodno nije pokušavao slanje, podatke šalje odmah. U suprotnom, postavlja prozor

čekanja. Ispravan prenos podataka prijemnik potvrđuje slanjem ACK poruke, pri čemu je interval

između okvira sa podacima i ACK okvira SIFS - Slika 92. S obzirom na to da je SIFS < DIFS, neće

biti problema da se ACK poruka pošalje odmah po slanju okvira sa podacima, jer drugi korisnici

neće ni pokušati da šalju svoje podatke sve dok ne istekne interval DIFS.

Slika 92. CSMA/CA sa ACK porukama

56

iii) Kontrola pristupa korišćenjem RTS/CTS metode

S obzirom na to da CSMA/CA ne rešava problem skrivenog terminala (Slika 38), uvodi se

RTS/CTS metoda, kod koje se šalju zahtev za slanje RTS i dozvola za slanje CTS.

Korisnik koji želi da pošalje podatke čeka dok kanal ne bude slobodan u trajanju DIFS, a

zatim šalje RTS poruku. Prijemnik odgovara CTS porukom, nakon SIFS intervala. Po prijemu CTS

poruke, predajnik nakon SIFS intervala počinje slanje podataka. Ispravan prijem podataka potvrđuje

se slanjem ACK poruke, kojoj takođe prethodi SIFS interval. I u ovom slučaju, SIFS interval

između uzastopnih poruka koje razmenjuju prijemnik i predajnik osigurava da ostali korisnici ne

prekinu proces razmene podataka. Naime, ostali korisnici neće ni pokušati slanje dok ne istekne

interval DIFS, koji je veći od SIFS.

Kako bi se omogućila štednja baterije uređaja, uvodi se mehanizam koji omogućava da ostali

korisnici u sistemu ne proveravaju konstantno aktivnost u kanalu. Naime, u okviru RTS i CTS

poruka nalazi se i informacija o očekivanom trajanju komunikacije koja sledi, sve do završetka

slanja ACK poruke - Slika 93. Može se primetiti da je razlika između informacije koju nosi RTS i

informacije koju nosi CTS jednaka sumi trajanja CTS poruke i SIFS intervala. Na osnovu

informacije o trajanju, ostali uređaji u mreži postavljaju brojač NAV (Network Allocation Vector) i

odlaze u neki vid hibernacije. Dok se vrednost NAV brojača ne dekrementira na nulu, neće

pokušavati da procene da li postoji aktivnost u kanalu. NAV brojač se postavlja na osnovu prve

poruke koju uređaj primi (bilo da je to RTS ili CTS), i po isteku brojača čeka se da kanal bude

slobodan tokom intervala DIFS. Tek nakon toga ostali korisnici pokušavaju da šalju svoje podatke.

Slika 93. RTS/CTS i NAV

Treba obratiti pažnju na to da RTS/CTS metoda unosi dodatni višak protokola (overhead),

jer se više vremena troši na slanje kontrolnih podataka, a i više SIFS intervala imamo među

uzastopnim porukama koje razmenjuju dva korisnika. Zato ovu metodu ima smisla koristiti samo

onda kada je dužina okvira sa podacima (data na slici) dovoljno velika. Sa porastom dužine okvira

sa podacima, raste i verovatnoća greške pri prenosu CSMA/CA metodom, dok se, sa druge strane,

smanjuje procenat viška koji unosi RTS/CTS u odnosu na korisne podatke. Rezultat je povećanje

efektivne brzine prenosa podaka ukoliko se koristi RTS/CTS mehanizam.

4.3.2. Format okvira

Jedinica podataka koja se prenosi na drugom sloju OSI modela naziva se okvir. Opšti format

okvira na MAC sloju 802.11 mreže dat je na slici Slika 94.

57

Slika 94. Format MAC okvira

Polje kontrola okvira sadrži informacije o tipu okvira koji je u pitanju. U opštem slučaju,

razlikujemo kontrolne, upravljačke i okvire sa podacima. Kontrolni okviri su RTS, CTS i ACK

poruke, dok upravljačkih okvira ima više vrsta, i koriste se u raznim upravljačkim procedurama.

Pored informacije o tipu okvira, u polju kontrola okvira nalaze se i informacije o tome da li je okvir

samo fragment nekog većeg okvira, da li je u pitanju retransmisija okvira koji nije uspešno prenet i

slično.

Polje trajanje sadrži informacije na osnovu kojih se postavlja NAV brojač. Očekivano vreme

zauzeća medijuma izraženo je u ovom polju u mikrosekundama.

Polje kontrola sekvence koristi se kod fragmentacije okvira sa podacima. Ono sadrži broj

sekvence (svi fragmenti jednog većeg okvira imaju isti broj sekvence), kao i redni broj konkretnog

fragmenta. Na osnovu ovih informacija, na prijemnoj strani se identifikuju svi fragmenti jednog

okvira, i slažu u odgovarajući redosled.

Polje FCS nosi zaštitni CRC kod, koji služi kontroli ispravnosti prenosa.

Polje sa podacima je maksimalne dužine 2304 okteta. S obzirom na to da se WiFi mreže

obično kombinuju sa eternet mrežama, u kojima je maksimalna dužina polja sa podacima 1500

okteta, u praksi se retko susreću veće dužine ovog polja.

Prema standardu, mogu se koristiti do četiri adresna polja. Ova polja su dužine 48 bita, kao i

MAC adrese u eternetu. Razlikujemo pet tipova informacije koja se može naći u adresnom polju:

1) Adresa odredišta DA (Destination Address) – MAC adresa krajnje destinacije okvira. U

opštem slučaju, ovo može biti i adresa u eternet mreži, tj. uređaj koji je odredište za

podatak uopšte ne mora biti WiFi prijemnik.

2) Adresa izvora SA (Source Address) – MAC adresa izvora okvira. Kao i kod DA adrese, u

opštem slučaju izvor ne mora biti deo WiFi mreže.

3) Adresa predajnika TA (Transmitter Address) – MAC adresa 802.11 terminala ili

pristupne tačke koja šalje podatke. Koristi se u slučaju prosleđivanju podatka od izvora

koji se nalazi u eternet mreži.

4) Adresa prijemnika RA (Recipient Address) – MAC adresa 802.11 terminala ili pristupne

tačke koja prima podatke. Koristi se kada se podaci prosleđuju do odredišta u eternet

mreži.

5) BSSID (Basic Service Set ID) – MAC adresa pristupne tačke kod infrastrukturne

arhitekture mreže. Koristi se pri razmeni podataka između dva terminala u mreži te

pristupne tačke.

O ovome će biti više reči u tekstu koji sledi u narednom poglavlju.

58

4.3.3. Prenos podataka

Kao što je već rečeno, WiFi mreže obično ne postoje same za sebe, već su u sprezi sa eternet

LAN mrežama i globalnim Internetom. Taj „ožičeni“ deo mreže, u kome se ne koriste WiFi

tehnologije, naziva se distributivni sistem.

Slika 95. WiFi i distributivni sistem

Prenos podataka se može odvijati između dva terminala WiFi mreže. Mnogo češće se podaci

prenose između dva uređaja, od kojih se jedan nalazi u distributivnom sistemu, a drugi u bežičnoj

WiFi mreži - Slika 95. Takođe, u izvesnim situacijama možemo se susresti i sa bežičnim

premošćavanjem - Slika 96, kod koga se podatak prenosi između izvora i odredišta u distributivnom

sistemu, ali putanja jednim delom vodi kroz bežičnu mrežu.

Slika 96. Bežično premošćavanje (wireless bridging)

Informacija o tome da li se izvor i odredište nalaze u distributivnom sistemu ili ne sadržana

je u polju kontrola okvira. Bit TO_DS postavljen je na 1 ukoliko je odredište u distributivnom

sistemu, odnosno na 0 ukoliko je odredište u WiFi mreži. Bit FROM_DS postavljen je na 1 ukoliko

je izvor podatka u distributivnom sistemu, a na 0 ukoliko je u WiFi mreži. Na osnovu vrednosti

ovih kontrolnih bita, adresna polja se interpretiraju prema podacima iz tabele Tabela 2.

Tabela 2. Adresna polja pri prenosu podataka

To_DS From_DS Adresa 1 Adresa 2 Adresa 3 Adresa 4

0 0 Odredište Izvor BSSID Ne primenjuje se

0 1 Odredište BSSID Izvor Ne primenjuje se

1 0 BSSID Izvor Odredište Ne primenjuje se

1 1 Prijemnik Predajnik Odredište Izvor

59

U skladu sa tim, okviri za prenos podataka imaju neki od oblika datih na slici

Slika 97. Okviri za prenos podataka

i) Fragmentacija i defragmentacija

Potreba za fragmentacijom (deljenjem) okvira javlja se kada treba poslati podatak veće

dužine od one koja je dozvoljena. Takođe, fragmentacija se primenjuje i kako bi se smanjila

verovatnoća greške pri prenosu okvira (duži okviri su podložniji grešci).

Informacija o rednom broju fragmenta i sekvence prenosi se u okviru polja kontrola

sekvence. Proces u kome se, na osnovu tih informacija, fragmenti okvira ponovo slažu u originalni

redosled naziva se defragmentacija.

Slika 98. Prenos fragmenata okvira

Proces slanja fragmentovanog okvira predstavljen je na slici Slika 98. Nakon razmene RTS i

CTS poruke između predajnika i prijemnika, šalju se svi fragmenti okvira, i prijem svakog

fragmenta pojedinačno se potvrđuje ACK porukom. Interval između svih poruka je SIFS.

60

U polju trajanje RTS i CTS poruke prenosi se očekivano vreme do završetka prenosa prvog

fragmenta i slanja ACK poruke za njega. Međutim, sada i poslati fragmenti i ACK poruke sadrže

informacije o trajanju razmene sledećeg fragmenta. Prvi fragment i njegov ACK nose informaciju o

tome koliko će trajati razmena drugog fragmenta, drugi fragment i njegov ACK nose informaciju o

trajanju razmene trećeg fragmenta i tako redom.

4.3.4. Kontrolni okviri

Rekli smo već da RTS, CTS i ACK poruke predstavljaju kontrolne okvire. Ovi okviri su

kratki, i ne sadrže deo sa podacima.

Format RTS okvira predstavljen je na slici Slika 99, dok je format CTS i ACK okvira dat na

slici Slika 100. CTS i ACK imaju isti format, a konkretan tip okvira određuje se na osnovu

informacije iz polja kontrola okvira.

Slika 99. Format RTS okvira

Slika 100. Format CTS i ACK okvira

4.3.5. Upravljački okviri

Upravljački okviri koriste se u upravljačkim procedurama u WiFi mreži. Služe za prenos

upravljačkih podataka između pristupne tačke i terminala, i obrnuto. U opštem slučaju imaju oblik

sa slike Slika 101. Vidimo da se adresna polja interpretiraju kao i uvek u slučaju TO_DS=0,

FROM_DS=0, jer se upravljački podaci prenose samo u WiFi mreži.

Slika 101. Format upravljačkog okvira

Upravljački podaci su organizovani u informacione elemente promenljive dužine, čiji je

opšti oblik prikazan na slici Slika 102. Tačne oznake elemenata i značenje podataka definisani su

standardom.

Slika 102. Format informacionog elementa

Upravljački okviri koriste se u procedurama za sinhronizaciju i otkrivanje mreže,

autentikaciju, asocijaciju, kao i u procedurama za kontrolu predajne snage, promenu frekvencijskog

kanala i slično.

61

4.3.6. Otkrivanje mreže i sinhronizacija

U proceduri otkrivanja (skeniranja) mreže, terminal identifikuje raspoložive WiFi mreže u

okruženju. Skeniranje mreža može biti pasivno i aktivno.

i) Pasivno skeniranje (otkrivanje) mreže

Pristupna tačka periodično šalje upravljački okvir koji se naziva svetionik (beacon).

Svetionik sadrži različite informacije koje služe identifikaciji mreže od strane terminala i

usaglašavanju karakteristika terminala i pristupne tačke. Neke od najznačajnijih informacija

sadržanih u svetionik okviru su:

Vremenski pečat (timestamp) – Pristupna tačka šalje koliko je mikrosekundi do sada bila

aktivna, što omogućava vremensku sinhronizaciju terminala.

Beacon period – Broj vremenskih jedinica (od 1024 mikrosekundi) između beacon

predaja. Obično oko 100 milisekundi.

Tehničke mogućnosti – Informacije o primenjenoj arhitekturi, kriptografskoj zaštiti i

slično.

Service Set Identity (SSID) – Ime mreže (32 bajta, niz ASCII simbola) na osnovu koga

terminal odlučuje da li će joj pristupiti

Kod zemlje – Na osnovu ovog koda se terminal informiše koja su lokalna regulativna

ograničenja (prvi kanal, broj kanala, maksimalna predajna snaga).

Brzina prenosa – Podržane brzine prenosa od strane pristupne tačke

Terminal skenira sve raspoložive WiFi kanale, i prima svetionik okvire svih mreža u

okruženju. Na osnovu primljenih informacija, korisniku se prikazuje lista raspoloživih mreža i

omogućava povezivanje sa nekom od njih.

ii) Sinhronizacija

Svetionik okvir sadrži vremenski pečat koji se generiše u trenutku slanja okvira. Svetionik se

šalje kvazi-periodično, tj. samo onda kada je kanal slobodan, a istekao je beacon period - Slika 103.

Slika 103. Sinhronizacija mreže

iii) Aktivno skeniranje

Aktivno skeniranje je neophodno u slučajevima u kojima administrator mreže zabrani slanje

svetionik okvira, kako bi se sprečilo povezivanje terminala koji ne znaju SSID mreže. Ovo je

primitivan vid zaštite pristupa.

Terminal koji želi da se konektuje na mrežu šalje upravljački okvir zahtev za otkrivanje

parametara mreže (probe request). U ovom okviru sadržano je sledeće:

62

SSID mreže kojoj terminal želi da pristupi

informacija o brzinama prenosa koje terminal podržava.

Pristupna tačka odgovara na zahtev za otkrivanje parametara, tako što šalje upravljački okvir

odgovor na zahtev za otkrivanje parametara mreže (probe response). Ovaj okvir sadrži praktično

identične podatke kao i svetionik. Pristupna tačka ga šalje samo ako je zahtev za otkrivanje

parametara sadržao njen SSID, a podržane brzine terminala su kompatibilne sa brzinama koje

pristupna tačka podržava.

4.3.7. Autentikacija

Autentikacija je upravljačka procedura u kojoj se korisnik i terminal identifikuju od strane

pristupne tačke, što je neophodno za dalji pristup mreži. Osnovni cilj je da pristupna tačka i ostatak

mreže dobiju informacije o MAC adresi terminala, ali i da se proveri da li korisnik ima pravo da

pristupi mreži. U proceduri autentikacije razmenjuje se upravljači okvir za autentikaciju, u oba

smera između pristupne tačke i terminala. Okvir za autentikaciju sadrži sledeće informacije:

Broj autentikacionog algoritma – U praksi se koristi više algoritama za autentikaciju

(otvoreni sistem, WEP - Wired Equivalent Privacy, TKIP - Temporal Key Integrity

Protocol). Ovo polje specificira koji je algoritam u upotrebi.

Sekvenca – Ovo polje nosi broj trenutnog koraka u procesu autentikacije. U zavisnosti od

primenjenog algoritma, sadržaj poruka koje se razmenjuju menja se sa brojem koraka u

autentikaciji.

Status – Sadrži rezultat procesa autentikacije.

Test tekst (Challenge Text) – Ovo je polje promenljive dužine, i sadrži tekst koji se

enkriptuje od strane terminala, kako bi terminal pokazao da poseduje validan ključ za

pristup mreži.

i) Autentikacija u otvorenom sistemu

Ovo je osnovni oblik autentikacije i nosi malu ili nikakvu zaštitu.

Slika 104. Autentikacija u otvorenom sistemu

U prvom koraku, terminal se prijavljuje pristupnoj tački, pri čemu šalje informaciju o svojoj

MAC adresi - Slika 104. Pristupna tačka u sledećem koraku odgovara porukom koja sadrži status,

tj. informaciju da li je pristup terminalu dozvoljen. Administrator mreže može konfigurisati

pristupnu tačku tako da omogućava pristup samo određenim, autorizovanim MAC adresama. Ova

metoda poznata je kao MAC filtriranje, i nije pouzdana, jer zlonamerni korisnik može otkriti MAC

adresu terminala koji ima pristup osluškivanjem svih razmenjenih upravljačkih okvira.

63

ii) Autentikacija metodom zajedničkih ključeva

Metoda zajedničkih ključeva ili WEP (Wired Equivalent Privacy) zahteva da korisnik

manuelno unese ključ u terminal. Ključ se ne šalje bežičnim putem, ali je potrebno da se uneti ključ

poklapa sa ključem koji ima pristupna tačka.

U prvom koraku, terminal se javlja pristupnoj tački i šalje svoju MAC adresu - Slika 105.

Pristupna tačka odgovara tako što šalje terminalu test tekst, dužine do 128 bajtova. Terminal

enkriptuje taj tekst koristeći ključ koji je korisnik uneo, i šalje ga nazad pristupnoj tački. Pristupna

tačka proverava da li je primljeni enkriptovan tekst u skladu sa očekivanim, i ukoliko jeste,

dozvoljava pristup terminalu.

Slika 105. Autentikacija zajedničkim ključevima

4.3.8. Asocijacija

Asocijacija je procedura koja omogućava distributivnom sistemu (eternetu) da utvrdi

lokaciju terminala, i dostavi podatke do njega. Eternet mreža zna da svi podaci namenjeni MAC

adresi terminala treba da se proslede do pristupne tačke. Pristupna tačka dodeljuje identifikaciju

asocijacije (Association ID) terminalu. To je numerički identifikator, na osnovu koga pristupna

tačka može da identifikuje terminal.

Kada terminal usprešno završi proces autentikacije, on pristupnoj tački šalje upravljački

okvir zahtev za asocijaciju. U ovom okviru terminal šalje podatke o svojim tehničkim

mogućnostima, podržanim brzinama prenosa, predajnoj snazi i frekvencijskim kanalima koje može

da podrži. Ako pristupna tačka odluči da prihvati terminalov zahtev za povezivanje, ona šalje

upravljački okvir odgovor na zahtev za asocijaciju. Taj okvir sadrži identifikaciju asocijacije

(Association ID), koju pristupna tačka dodeljuje terminalu.

S obzirom na to da 802.11 standard dozvoljava asocijaciju terminala samo sa jednom

pristupnom tačkom, pri prelasku iz zone pokrivenosti jedne pristupne tačke u zonu pokrivenosti

druge pristupne tačke, izvršava se procedura reasocijacije. Terminal koji želi da promeni pristupnu

tačku šalje upravljački okvir zahtev za reasocijaciju. Ovaj okvir šalje se novoj pristupnoj tački, a

64

sadrži adresu stare pristupne tačke. Na osnovu te adrese, nova pristupna tačka može da preko

distributivnog sistema (eterneta) prenese podatke koji su baferovani u staroj pristupnoj tački. Detalji

reasocijacije su dati na slici Slika 106.

Slika 106. Procedura reasocijacije

4.3.9. Stanja terminala

U WiFi mreži, terminal se može naći u jednom od tri stanja - Slika 107. Neposredno po

dolasku terminala u zonu pokrivenosti neke pristupne tačke, terminal nije ni autorizovan ni asociran

u odnosu na datu WiFi mrežu (stanje 1). Nakon izvršene autentikacije, terminal prelazi u stanje u

kome je autorizovan, ali ne i asociran (stanje 2). Uspešnim izvršavanjem procesa asocijacije,

terminal prelazi u stanje 3, u kome može da šalje i prima podatke.

U zavisnosti od stanja u kome se WiFi terminal nalazi, samo određeni tipovi okvira su

dozvoljeni. U stanju 1 mogu se slati i primati sledeći okviri: svetionik, zahtev za otkrivanje

parametara mreže, odgovor na otkrivanje parametara mreže, okviri za autentikaciju. U stanju 2,

mogu se slati i primati: zahtev za asocijaciju i reasocijaciju, odgovora na zahtev za asocijaciju i

reasocijaciju, kao i okvir za deautentikaciju. U stanju 3 svi upravljački, kontrolni i okviri za prenos

podataka su mogući.

Slika 107. Stanja WiFi terminala