Redes Sem Fios e Móveis Cap 6 do Kurose

Redes Sem Fios e Móveis Cap 6 do Kurose
Nota dos autores: We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!) If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Computer Networking: A Top Down Approach 4th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July 2007. 6: Redes Móveis e sem Fios

Introdução # de assinantes de telefones móveis excede largamente o número de assinantes de telefones fixos 34 milhões em 1993; 2 bilhões em 2005 Redes de computadores cada vez mais com mais dispositivos móveis: laptops, palmtops, PDAs, telefones VOIP A mobilidade veio para ficar Dois desafios importantes mas diferentes Comunicações sem fios : comunicação através de ligações sem fios Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda contantemente o seu ponto de ligação à rede O desafio torna-se mais atractivo quando se considera a mobilidade conjuntamente com a comunicação sem fios. Imagine-se no autocarro a 100 Km /h na A3 a usar o computador para uma chamada VOIP e simultaneamente a aceder à página de ST para resolver uns problemas propostos. 6: Redes Móveis e sem Fios

Sumário Introdução Acesso celular à Internet
Ligações sem fios e características da rede CDMA Wi-Fi: Redes Locais sem fios Arquitectura Protocolo de acesso ao meio Quadro IEE Mobilidade na mesma sub-rede IP Funcionalidades avançadas no Para além do : Bluetooth e WiMAX Acesso celular à Internet Visão geral da Arquitectura Celular Revisão sumária das normas e tecnologias celulares Principios da Gestão da Mobilidade Endereçamento Encaminhamento para um nó móvel IP Móvel Gestão da Mobilidade em Redes Celulares Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel Handoffs no GSM Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores Sumário 6: Redes Móveis e sem Fios

Elementos de uma rede sem fios
Hosts sem fios laptop, PDA, telefone IP Correm aplicações Podem ser estacionários ou móveis Sem fios não significa mobilidade Infra-estructura de Rede 6: Redes Móveis e sem Fios

Estação Base Conectada à rede com fios, normalmente relay – responsável pelo envio de pacotes entre hosts com e sem fios na sua “area” i.e., torres das células , pontos de acesso Infra-estructura de Rede 6: Redes Móveis e sem Fios

ligação sem fios Tipicamente usado para ligar os móveis à estação base Também usado como ligação de backbone Acesso ao link coordenado por protocolos múltiplos Variação no débito de dados e distância de transmissão Infra-estructura de Rede 6: Redes Móveis e sem Fios

Características das normas para ligações sem fios seleccionadas
200 802.11n 54 802.11a,g 802.11a,g point-to-point data 5-11 802.11b (WiMAX) 4 3G cellular enhanced UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO Data rate (Mbps) 1 802.15 .384 UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G As diferentes tecnologias para ligações sem fios têm diferentes débitos de transmissão e podem transmitir a diferentes distâncias. A figura no slide mostra duas características chave (área de cobertura e débito de ligação) das normas mais populares para as ligações sem fios. O objectivo é dar uma ideia bastante difusa ainda destas características. Não poderia ser de outra maneira porque muitos destes standards ainda estão em desenvolvimento. Muitos dos débitos de ligação podem aumentar ou diminuir para além dos valores indicados dependendo do número de utilizadores, distância, condições do canal etc… WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) -O padrão IEEE , completo em outubro de 2001 e publicado em 8 de abril de 2002, especifica uma interface sem fio para redes metropolitanas ... Worldwide Interoperability for Microwave Access - O WiMax é uma tecnologia de rádio que permite o acesso à Internet em banda larga, com um raio de cobertura superior ao garantido pelo Wi-Fi e que alguns especialistas consideram potencial substituto do DSL, sobretudo para cobrir zonas remotas ... UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service): Um dos sistemas de comunicações móveis 3G que irá ser utilizado em particular na Europa e que integra uma família mais alargada (IMT-2000).Universal Mobile Telecommunications System. O sistema europeu de terceira geração tem sido desenvolvido sob os auspícios do ETSI (entidade reguladora de telecomunicações na Europa), um sistema operacionalizado para operadores GSM. CDMA Sigla em inglês para Code Division Multiple Access] (Acesso Múltiplo por Divisão de Código) Padrão digital para telefonia móvel, no qual todo os assinantes transmitem e recebem a informação simultaneamente por um mesmo canal. ... W-CDMA, abreviação de Wide-Band Code-Divison Multiple Access, é a tecnologia 3G líder e é a única usada em UMTS. ...Também conhecida como IMT-2000 direct spread, esta é a tecnologia de transmissão sem fio adotada como padrão pelo ITU para as redes de celulares 3G. ... CDMA2000 is a CDMA version of the IMT-2000 standard developed by the International Telecommunication Union (ITU). CDMA2000 supports mobile data communications at speeds ranging from 144 Kbps to 2 Mbps. HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) is a packet-based mobile telephony protocol used in 3G UMTS radio networks to increase data capacity and speed up transfer rates. HSDPA, which evolved from the WCDMA standard, provides download speeds at least five times faster than earlier versions of UMTS, allowing users of HSDPA networks a broader selection of video and music downloads. HSPDA specifies data transfer speeds of up to 14.4 Mbps per cell for downloads and 2 Mbps per cell for uploads. In practice, users are more likely to experience throughput speeds of Kbps, with bursts of up to 1 Mbps. Commonly known simply as EV-DO, CDMA 1xEV-DO is a 3G technology add-on for CDMA networks that allows for theoretical download speeds as fast as Mbps, though actual rates tend to be far slower. Originally known as CDMA Evolution Data Only, EV-DO is today generally regarded as standing for Evolution Data Optimized for what are likely marketing purposes. 1xEV-DV (Evolution Data Voice) is the technology that was originally destined to handle the future 3G voice and data needs of CDMA networks, but has failed to catch on in North America. Instead, 1xEV-DO Rev A has been developed, which allows for faster uplink speeds than the original EV-DO spec, which relies on the older, and much slower, 1xRTT system for uplink connections. .056 IS-95, CDMA, GSM 2G Indoor 10-30m Outdoor 50-200m Mid-range outdoor 200m – 4 Km Long-range outdoor 5Km – 20 Km 6: Redes Móveis e sem Fios

modo infra-estructura Estação Base liga os móveis à rede com fios handoff: o móvel muda de estação de base que o liga à rede com fios Infra-estructura de Rede Os hosts ligados a uma estação de base são designados como em modo infra-estrutura, uma vez que os serviços de rede tradicional (atribuição de endereços, encaminhamento) são disponibilizados pela rede a que está ligado via estação de base. Nas redes ad hoc, os computadores sem fios não têm infra-estrutura para conectar. Nessa situação têm que ser eles próprios a disponibilizar serviços tal como encaminhamento, atribuição de endereços, tradução tipo DNS, etc… Qunado um host móvel se move da zona de cobertura de uma estação de base para o de outra, ele muda o seu ponto de ligação à rede isto é muda a estação de base a que está associado, processo referido como handoff. Esta mobilidade coloca uma ´serie de questões interessantes. Se um host se pode mover na rede como o localizar para lhe fazer chegar os dados? Como fazer o endereçamento sabendo que um host pode ter diferentes localizações? Se um host se move durante uma chamada telefónica ou uma conexão TCP, como encaminhar os dados de forma a conexão se mantenha e não seja interrompida? Esta e muitas outras questões tornam as redes móveis e sem fios fios uma área interessante de investigação. 6: Redes Móveis e sem Fios

Modo ad hoc Sem estações de base Os nós podem apenas transmitir para outros nós dentro sa sua área de cobertura Os nós organizam-se em rede: encaminham através de si próprios 6: Redes Móveis e sem Fios

Taxonomia de Redes sem Fios
Salto único Saltos múltiplos host liga-se à estação de base (WiFi,WiMAX, cellular) que se liga à Internet O host pode ter que passar por vários nós relay sem fios para se ligar à Internet: mesh net Infra-estructura (i.e., APs) Sem estação de base, sem ligação à Internet. Pode ter que usar relays Para atingir um dado nó sem fios na MANET, VANET Sem Infra-estructura Sem estação de base nem Ligação à Internet (Bluetooth, redes adhoc) Discutidos as várias peças das redes sem fios, vamos ver como essas peças podem ser combinadas para formar diferentes tipos de redes sem fios. Usar uma taxonomia é adequado porque nos permite organizar as ideias e aprofundar os diferentes tópicos sobre redes sem fios usando este livro ou outras fontes. No nível mais alto podemos classificar as redes sem fios usando dois critérios O número de saltos sem fios que um pacote precisa de fazer Quando existe ou não uma infra-estrutura de rede com fios Exemplos dos vários tipos: Com infra-estrutura um único salto – Aulas, cafés, bibliotecas, redes telefónics celulares Com infra-estrutura vários saltos – Redes de sensores, meshs Sem infra-estrutura um único salto – Redes bluetooth, ad hoc Sem infra-estrutura vários saltos- Redes Móveis, Redes de Veículos Vamos dar mais importância às redes com infra-estrutura 6: Redes Móveis e sem Fios

Características das Ligações Sem Fios (1)
Diferenças para as ligações com fios …. Força decrescente do sinal : o sinal de rádio é bastante atenuado quando se propaga através do meio (perdas do percurso) Interferência com outras fontes: as frequências normalizadas para redes sem fios (i.e., 2.4 GHz) são partilhadas com outros dispositivos como telefones ; Também há interferência com motores por exemplo Propagação multi-percurso: o sinal de rádio reflecte-se na superfície dos objectos e no chão, chegando ao destino em várias réplicas do sinal em instantes diferentes. …. Torna a comunicação (mesmo ponto-a-ponto)através de ligações sem fios muito mais “complicada” Vamos comear por considerar uma rede simples com fios por exemplo em casa com uma ligação ethernet com fios a um comutador Ethernet para interligação de dois PCs. Vamos substituir as placas Ethernets nos dois PCs por placas para ligações sem fios e o comutador Ethernet por um ponto de acesso. Não há grandes mudanças em termos da rede. Vamos focar na camada de ligação para tentar encontrar diferenças entre as redes com fios e sem fios. Podemos encontrar diferenças importantes entre os dois os dois cenários: ´Força descrescente do sinal – o sinal dispersa-se e perde força Interferência de outras fontes – Há telefones sem fios que transmitem na mesma frequência. Adionalmente pode haver interferência de outros sinais electro magnéticos. Propagação em percursos múltiplos – se houver objectos em movimento podem provocar modificações ao longo do tempo Esta discussão sugere que os erros nos bits são mais comuns nas ligações sem fios que nas com fios. Por esta razão e sem surpresas, os protocolos de ligação sem fios (como o ) empregam não apenas códigos CRC poderosos para detecção de erros mas também protocolos de transferência fiável de dados no nível de ligação que retransmitem os quadros corrompidos. 6: Redes Móveis e sem Fios

SNR: signal-to-noise ratio Maior SNR – mais fácil extrair o sinal do ruído (uma “coisa boa”) Compromissos SNR versus BER Dada a camada física: aumenta a potência -> aumenta SNR->diminui BER Dada a SNR: encontre uma camada física que se adapte aos requisitos BER, dando o máximo débito A SNR pode mudar com a mobilidade : adapte a camada física dinamicamente (técnica de modulação, débito) 10-1 10-2 10-3 BER 10-4 10-5 10-6 Tendo considerado os problemas que resultam da utilização duma ligação sem fios vamos mudar a nossa atenção para o host que recebe o sinal. Este recebe um sinal electromagnético que é uma combinação duma forma degradada (devido à atenuação, propagação multi-percurso, entre outros) do sinal original transmitido pelo transmissor e o ruído ambiente. A relação sinal ruído é uma medida relativa da força do sinal recebido e esse ruído. A SNR é medida normalmente em dB e é 20 vezes o logaritmo na base 10 da relação entre a amplitude do sinal recebido e amplitude do ruído. Para os nossos objectivos basta saber que quano maior for a SNR mais fácil extrair o sinal do ruído de fundo. A figura no slide mostra a taxa de erros de bits (BER), i.e. a probabilidade de receber um bit errado em função do SNR para três técnicas de modulação diferentes para transmissão de informação através dum canal sem fios ideal. A teroria da modulação e codificação é do âmbito de outras disciplinas, bem como a extracção do sinal e BER. Apesar disso a figura mostra várias características da camada física que é importante compreender os protocolos de comunicação sem fios de nível superior. Para um dado esquema de modulação quanto mais alto for o SNR mais baixa é a BER. Uma vez que o originador pode aumentar o SNR aumentando a potência de transmissão, pode diminuir a probabilidade de recepção de um quadro errado aumentando a sua potência de transmissão. Note que contudo há um ganho prático bastante baixo se se pretende diminuir a BER de 10^-12 para 10^-13. Há ainda desvantagens associadas com o aumento da potência de transmissão: mais energia consumida pelo transmissor e há maior possibilidade de interferir com outros originadores. Para um dado SNR, a técnica de modulação com uma maior taxa de transmissão (com ou sem erro) tem a maior BER. Uma selecção dinâmica da técnica de modulação da camada física pode ser usada para adaptar a técnica de modulação às condições do canal. Binary Phase Shift Keying) - Técnica de modulação digital que utiliza dois símbolos de fase para modular um bit (0 e 180 graus). Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Definition from: Wikipedia.com Quadrature Amplitude Modulation (QAM) is the encoding of information into a carrier wave by variation of the amplitude of both the carrier wave and a 'quadrature' carrier that is 90° out of phase with the main carrier in accordance with two input signals. Alternately, this can be regarded (using complex number notation) as simple amplitude modulation of a complex-valued carrier wave by a single complex-valued signal. What this actually means is that the amplitude and the phase of the carrier wave are simultaneously changed according to the information you want to transmit. QAM is used in NTSC and PAL television systems, where the in-phase and 90° components carry the components of chroma (colour) information. "Compatible QAM" or C-QUAM is used in AM stereo radio to carry the stereo difference information. It is also used extensively in modems, and other forms of digital communication over analogue channels. In digital applications, the modulating signal is generally quantised in both its in-phase and 90° components. The set of possible combinations of amplitudes, as shown on an x-y plot, is a pattern of dots known as a QAM constellation. 10-7 10 20 30 40 SNR(dB) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 6: Redes Móveis e sem Fios

Múltiplos transmissores e receptores sem fios criam problemas adicionais (para além do acesso múltiplo) A B C Força do Sinal de A space Sinal de C A B C Problema do terminal escondido B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir-se entre si o que significa que não se apercebem da interferência em B Atenuação do sinal: B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir-se interferem em B Uma taxa de erros nos bits alta não é a única diferença entre uma ligação com fios e uma ligação sem fios. Recordemos que no caso de ligações com fios partilhadas (com broadcast) todos os nós recebem a transmissão de outros nós. No caso das ligações sem fios a situação não é tão simples como se pode ver no slide. Suponha que a estação A transmite para B e e C transmite para B . Com o chamado problema do terminal escondido, obstáculos físicos no ambiente (por exemplo uma montanha ou um edifício) podem impedir A e B de se ouvirem embora interfiram no destino B. Isto é mostrado na figura (a). Um segundo cenário que resulta de colisões não detectáveis no receptor resulta no desvanecimento (fading) da força do sinal qunado se propaga através do meio sem fios. A parte (b) da figura mostra a situação onde A e C estão colocados de tal forma que os respectivos sinais não são suficientemente fortes para serem detectados por eles mas são fortes o suficiente para interferirem um com outro na estação B. Ver-se-á mais adiante o problema do terminal escondido e o desvanescimento tornam o acesso partilhado numa rede sem fios bastante mais complexo que nas redes com fios 6: Redes Móveis e sem Fios

Code Division Multiple Access (CDMA)
Usado em vários normas para canais broadcast sem fios (celular, satélite, etc) Código único atribuído a cada utilizador, i.e. partição do conjunto de códigos Todos os utilizadores partilham a mesma frequência, mas cada um deles tem a sua própria sequência de transporte (i.e. código) para codificar os dados Sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence) Descodificação = produto interno do sinal codificado com a sequência de transporte (chipping) Permite a “coexistencia” de múltiplos utilizadores que transmitem simultaneamente com mínima interferência (se os códigos forem ortogonais) Deve-se recordar de cadeiras anteriores que quando os hosts comunicam através dum meio partilhado, há necessidade de um protocolo para que os sinais enviados por múltiplos transmissores não interfiram no receptor. Falou-se em três classes de protocolos de acesso ao meio: partição do canal, acesso aleatório e utilização de tokens. A partição de canal é baseado em multiplexagem no tempo ou na frequência. O acesso aleatório é usado pelo Ethernet e o a utilização de tokens é usado por exemplo em redes token ring. O CDMA pertence à família de protocolos de partilha de canal. É usado em redes locais sem fios e redes celulares. É suficientemente importante para merecer aqui algum destaque. No protocolo CDMA cada bit a ser enviado é codificado multiplicando-o por um sinal que muda a uma maior velocidade (conhecida como taxa de chipping) que a sequência de bit de dados. 6: Redes Móveis e sem Fios

CDMA Codificação/Descodificação
channel output Zi,m d1 = -1 1 - Zi,m= di.cm data bits d0 = 1 1 - 1 - 1 - sender slot 1 channel output slot 0 channel output code slot 1 slot 0 Di = S Zi,m.cm m=1 M received input 1 - 1 - d0 = 1 A figura mostra um cenário simples de codificação e descodificação CDMA. Suponha que a taxa em que os dados originais chegam ao codificador CDMA como sendo a unidade de tempo. Isto é para cada bit dos dados originais ser transmitido precisamos de uma unidade de tempo. Cada unidade de tempo é depois dividido em M mini-slots. Na figura M=8, embora na prática M seja maior d1 = -1 slot 1 channel output slot 0 channel output code receiver slot 1 slot 0 6: Redes Móveis e sem Fios

Problema 1 Qual seria o valor de saida do transmissor se o código CDMA fosse (1,-1,1,-1,1-1,1-1)? 6: Redes Móveis e sem Fios

CDMA: Interferência de duas transmissões
6: Redes Móveis e sem Fios

Problema 2 Apresente um exemplo de 2 Tx e 2 Rx, apresente um exemplo de código CDMA que não permita aos dois receptores extrair os bits originais dos dois transmissores. 6: Redes Móveis e sem Fios

Sumário Introdução Acesso celular à Internet

Redes Locais sem fios IEEE 802.11
Gama 5-6 GHz Até 54 Mbps 802.11g Gama GHz 802.11n: antenas múltiplas Gama GHz Até 200 Mbps 802.11b 2.4-5 GHz espectro sem licença Até 11 Mbps direct sequence spread spectrum (DSSS) na camada física Todos os hosts usam o mesmo código de “chipping” Existe desde os locais de trabalho, casa, isntituições de ensino, cafés, aeroportos e esquinas de rua, as redes LAN sem fios são a tecnologia de acesso na Internet de hoje. Embora tenham sido desenvolvidas nos anos 90 muitas tecnologias e normas para redes locais sem fios uma classe de normas ganhou essa guerra : as redes locais sem fios IEEE também conhecida como WiFi. Nesta secção vamos examinar vamos dar uma olhada pelas LAN , examinar a estrutura de quadro e o seu protocolo de acesso ao meio e a interligação entre as LANs e Ethernet. Há várias normas para tecnologia de redes locais sem fios, incluindo a b, ª e g. Na primavera de 2007 apareceram as primeiras placas g. Há varios dispositivos com modo dual ag e triplo abg. As três normas partilham muitas características. Usam o mesmo protocolo de acesso ao meio CSMA/CA que vamos discutir posteriormente. Também usam a mesma estrutura de quadro. Também têm a possibilidade de reduzir a sua taxa de transmissão para atingirem distâncias maiores. Todas permitem o modo infra-estrutura e o modo ad hoc. As suas maiores diferenças estam na camada física em termos da gama de frequências como do débito de dados como se mostra no acetato. Uma norma nova a n está a aparecer e usa antenas MIMO (multiple input – multiple output) permitindo débitos superiores a 100 Mbps Todas usam CSMA/CA para acesso múltiplo Todas têm versões com estação de base e para redes ad-hoc 6: Redes Móveis e sem Fios

Arquitectura da LAN Internet Cada host sem fios comunica com uma estação de base Estação de Base = Ponto de Acesso (AP) Cojunto básico de serviço (BSS) (aka “cell”) no modo infra-estrtutura contém: Hosts sem fios Pontos de Acesso (AP): Estações de Base AP hub, switch or router AP BSS 1 A figura do slide ilustra os componentes principais da arquitectura da rede LAN A peça fundamental é o conjunto basico de serviço (BSS). Um BSS contém uma ou mais estações sem fios e uma estação base central conhecida como ponto de acesso (AP). A figura mostra um AP em cada BSS interligados por um switc ou router, ligados por seu lado à Internet. Numa rede de casa há um AP e um router (tipicamente ´integrados num único equipamento) que ligam a BSS à Internet. Como com os dispositivos Ethernet, cada estação sem fios tem endereço MAC de 6 bytes armazenado no seu firmware. Cada AP tb tem um endereço MAC para sua interface sem fios. Tal como na Ethernet, esses endereços são administrados pelo IEEEs e teoricamente únicos. Como já foi dito anteriormente, redes sem fios que integram APs são designadas como Redes Sem fios de infra-estrutura, sendo a infra-estrutura o AP e sua ligação ethernet com fios ao router. BSS 2 6: Redes Móveis e sem Fios

Arquitectura da LAN Cojunto básico de serviço (BSS) em modo Ad hoc contém: Hosts sem fios BSS A figura mostra que estações IEEE podem também agrupar-se numa rede ad hoc. Não há nenhum controlo central e sem ligações para o mundo exterior. Aqui a rede é formada em voo por dispositivos móveis que se encontram próximos e tiverem necessidade de comunicar e não encontraram qualquer infra-estrutura de rede no local. Pode-se formar uma rede deste tipo quando pessoal com portatéis se junta (por exemplo numa reunião) num comboio num autocarro e resolve trocar dados sem qualquer AP centralizado. Há um interesse crescente em redes ad hoc uma vez que os dispositivos portateis com capacidade de comunicação proliferam. A seguir vamos concentrar a nossa atenção em redes LAN com infra-estrutura. 6: Redes Móveis e sem Fios

802.11: Canais e Associação host: deve associar-se a um AP
802.11b: gama do espectro 2.4GHz-2.485GHz dividido em 11 canais com diferentes frequências AP admin escolhe a frequência para o AP Possível interferência: escolha do mesmo canal que um AP vizinho ! host: deve associar-se a um AP Varre os canais, ouvindo os quadros de orientação (beacon frames) contendo o nome do AP (SSID) e endereços MAC Selecciona um AP para se associar Pode autenticar-se (ver Capítulo 8) Tipicamente corre o DHCP para obter um endereço IP na subrede do AP No cada estação sem fios precisa de se associar com um AP antes de pode eneviar ou receber dados da camada de rede. Embora todas as normas usem associação, vamos discutir este tópico especificamente no contexto da norma IEE bg. Quando um administrador de rede instala um AP atribui um identificador de 1 ou duas palavras designado Service Set Identifier (SSID). Para além disso o administrador atribui um número de canal ao AP. Para entender o número de canal recorde que que o opera na gama de frequências entre 2.4 e GHz. Nesta banda de 85 MHz o define 11 canais parcialmente sobrepostos. Quaiquer 2 canais são não sobrepostos se estiverem separados por 4 ou mais canais. Em particular o conjunto 1,6,11 são o único conjunto de 3 canais não sobrepostos disponíveis. Isto significa que um administrador pode criar uma LAN sem fios com um débito máximo agregado de 33 MBps instalndo três APs no mesmo local atribuindo os canais 1.6 e 11 aos APs e ligando-os a um switch. Precebidos os canais, vamos descrever uma situação interessante (e não completamente incomum) o Wi-Fi jungle (emaranhamento). Trata-se dum localização física em que uma estação sem fios recebe um sinal suficientemente forte de dois ou mais APs. Por exemplo em muitos cafés de NYC uma estação wireless pode apanhar o sinal de vários APs. Um AP gerido pelo café, outro dos prédios vizinhos. Cada um dos APs deveria estar em diferentes sub-nets e com um cana atribuído de forma independente. Agora suponha que entra nesse Jungle Wi-Fi com o seu portátil e pretende ter acesso Internet. Suponha que há 5 APs. Para ter acesso Internet o seu labtop precisa de se juntar precisamente a uma das subnets e associar-se a um dos APs. Associação significa criar um cabo virtual entre si e o AP. Assim só vão ser trocados pacotes com o AP em questão. Mas como se deve a estação associar-se? Como saber que AP, se houver, está fora desse Jungle. O requer que um AP envie periodicamente quadros de orientação (beacon frames) cada uma das quais inclui o identificador e o endereço MAC do AP. A sua estação sem fios sabendo que o AP está a enviar essas beacon, varre os 11 canais procurando algum AP fora disso. Tendo registado os APs disponíveis, a estação escolhe um para se associar. A norma não especifica um algoritmo para associação, deixando-o ao critério dos fabricantes do firmware da estação. Tipicamente o host escolhe o AP cuja beacon frame foi recebida com o sinal mais forte. Embora a força do sinal do AP seja um critério, não é o único que determina o seu desempenho. Por exemplo pode ser que o AP com sinal mais forte esteja sobrecarregado de hosts e um AP com um sinal ligeramente mais fraco não tenha tantos hosts ligados. Há uma série de alternativas propostas para escolher o AP. 6: Redes Móveis e sem Fios

Problema 3 Suponha que há dois ISPs disponibilizando acesso WiFi num café, cada um dos quais a operar o seu AP e tendo o seu próprio bloco de endereços IP Suponha adicionalmente que cada ISP configurou o seu AP para funcionar no canal 11. Será que o protocolo deixa de funcionar nesta situação? O que acontece se 2 estações cada uma de um ISP tentam transmitir ao mesmo tempo. Responda às mesmas questão se um AP funcionar no canal 1 e outro no canal 11. As suas respostas mudam? 6: Redes Móveis e sem Fios

802.11: Varrimento Activo/Passivo
BBS 1 BBS 1 BBS 2 BBS 2 AP 1 AP 2 AP 1 1 AP 2 1 1 2 2 2 3 3 4 H1 H1 Varrimento Passivo: beacon frames enviadas dos APs Quadro de pedido de associação enviada pelo H1 para o AP seleccionado Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado Varrimento Activo Pedido de prova enviada de H1 Resposta de prova enviada dos APs Quadro de pedido de associação enviada pelo H1 para o AP seleccionado Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado O processo de varrimento de canais e escuta das frames beacon é conhecido como varrimento passivo. Um host sem fios também pode fazer o varrimento activo difundido um pedido de prova para os APs na sua área de cobertura. Para se associar com um AP particular, o host sem fios pode ter necessidade de se autenticar perante o AP. Estão previstos uma série de mecanismos de autenticação e de acesso na norma LAN. Uma abordagem possivel é autenticação via endereço MAC. Uma segunda alternativa é a utilização de username/password. Em ambos os casos o AP comunica tipicamente com um servidor de autenticação trocando informação usando um protocolo como o Radius [RFC 2865] ou DIAMETER[RFC 3588]. A separação do servidor de autenticação do AP permite a um mesmo servidor de autenticação centralizar as decisões (frequentemente sensíveis ) de autenticação e acesso, diminuindo a complexidade (e o custo) dos APs. 6: Redes Móveis e sem Fios

Acesso mútiplo no IEEE Evitar colisões: 2+ nós a transmitir simultaneamente. 802.11: CSMA – Ouvir antes de transmitir Não colidir com uma transmissão de outro nó em curso 802.11: Não há detecção de colisão ! É dificil receber (ouvir colisões) quando se transmito devido à fraqueza do sinal recebido (desvanescimento, fading) Em qualquer caso não se consegue ouvir as colisões em todas situações: terminal escondido, fading Objectivo: Evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance) A B C Força do sinal A space sinal C Inspirados pelo estrondoso sucesso da Ethernet e do seu protocolo de acesso aleatório, os engenheiros do escolheram um protocolo de acesso aleatório para as LAN Este protocolo é designado como CSMA com prevenção de colisão (Collision Avoidance) ou mais sucintamente CSMA/CA. Como no Ethernet o CSMA significa Carrier Sense Multiple Access. Embora tal como o Ethernet use acesso aleatório com escuta de portadora os dois protocolos MAC têm diferenças importantes. Primeiro, em vez de usar detecção de colisões, o usa técnicas de prevenção de colisão. Segundo por causa das taxas de erros de bit relativamente altas dos canais sem fios, o ao contrário da Ethernet usa um esquema de confirmação/retransmissão na camada de ligação que passamos a descrever. 6: Redes Móveis e sem Fios

Protocolo de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) do IEEE 802.11 : CSMA/CA
Transmissor 1 Se se apercebe do canal inactivo durante o tempo DIFS então Transmite o quadro completo (sem CD) 2 Se o canal estiver ocupado então arranca um tempo aleatório de backoff O temporizador faz uma contagem decrescente à espera do canal inactivo Transmite quando o tempo termina Se não tiver confirmação (ACK), aumenta o intervalo aleatório do tempo de backboff, e repete o passo 2 Receptor - Se o quadro recebido estiver OK devolve o ACK após o tempo SIFS (ACK é necessário por causa do problema do terminal escondido) sender receiver DIFS data SIFS ACK Lembre-se que com o o algoritmo de detceção de colisão da Ethernet uma estação escuta no canal enquanto transmite. Se, durante a transmissão, ela detectar que outra estação está também a transmitir, aborta a transmissão e tenta transmitir novamente depois de um pequeno período de tempo aleatório. Pelo facto da potência do sinal recebido ser muito pequena quando comparada com a do sinal transmitido num adaptador , é dificil (e caro) produzir hardware que permita detectar uma colisão. Mais importante, mesmo que o adaptador transmite e escute ao mesmo tempo (e presumivelmente aborta a transmissão quando se apercebe que o canal está ocupado), não será mesmo assim capaz de detectar todas colisões devido ao problema do terminal escondido e do desvanescimento (fading) já discutidos. Como a rede sem fios não usa a detecção de colisão, uma vez que a estação começa a transmitir um quadro não volta atrás e transmite-o completamente. Como seria de esperar, transmitir quadros inteiros (especialmente se forem grandes) quando prevalecem as colisões pode degradar de forma significativa o desempenho do protocolo de acesso ao meio. Para reduzir a possibilidade de colisões o utiliza uma série de técnicas de prevenção de colisão a que voltaremos mais tarde. Antes disso vamos olhar para os mecanismos de confirmação usados na camada de ligação. Recordemos que quando uma estação sem fios envia um quadro este pode não chegar intacto ao destinatário por uma série de razões. Para lidar com a probabilidade de falha que não é de neglicenciar, o protocolo MAC do usa confirmações (ACks) no nível de ligação. Como se mostra na figura quando uma estação recebe um quadro que passa o teste de verificação do CRC, espera um curto periodo de tempo chamado Short Inter Frame Spacing (SIFS) antes de responder com o quadro de confirmação. Se a estação transmissora não recebe o ACK dentro deum certo período de tempo, assume que existe erro e retransmite o quadro, usando o protocolo CSMA/CA para aceder ao canal. Se não for recebida a confirmação para um número pré-definido de retransmissões, a estação transmissora desiste e descarta o quadro. Tempo 6: Redes Móveis e sem Fios

CSMA/CD versus CSMA/CA
CSMA/CD (Ethernet) Transmite mal se aperceba que o canal está livre CSMA/CA Apercebe-se que o canal está livre mas refreia a sua vontade de transmitir e conta a partir dum valor aleatório de forma decrescente até zero antes de transmitir Porquê a Diferença? 6: Redes Móveis e sem Fios

Problema 4 No passo 4 do protocolo CSMA/CA, uma estação que transmite com sucesso um quadro começa no passo 2 e não no passo 1. Que raciocínio fizeram os engenheiros do para não permitir essa estação enviar imediatamente o quadro seguinte (se detectar o canal livre)? 6: Redes Móveis e sem Fios

CSMA/CD versus CSMA/CA
Uma terceira estação está a transmitir; estão 2 à espera. Ethernet Começam logo a transmitir e dá colisão Não é grave Há mecanismos de detecção de colisão Wireless Esperam um tempo de contagem random Uma delas ganha e começa a transmitir A outra ouve a vencedora e deixa de contar à espera do canal livre Pode ocorrer na mesma se as 2 estações estiverem escondidas uma da outra Escolhem tempos muito próximos 6: Redes Móveis e sem Fios

Prevenção de Colisão (mais)
ideia: permitir ao transmissor reservar o canal em vez acesso aleatório dos quadros de dados: evitar colisões em quadros de dados longos. O transmissor primeiro envia pacotes pequenos com pedido de envio (request-to-send ,RTS) para a BS usando o CSMA As RTSs podem também colidir (mas são pequenas) A estação de base (BS) difunde clear-to-send (CTS) em resposta ao in response to RTS CTS ouvido por todos nós Transmissor envia o quadro de dados As outras estações atrasam (deferem) as suas transmissões O MAC também inclui um esquema opcional que permite evitar colisões mesmo em presenca de terminais escondidos. Vamos introduzir este esquema num contexto em que temos duas estações e um AP a meio. Mas as estações não se ouvem por estarem fora da zona de cobertura uma da outra embora sejam ouvidas ambas pelo AP. Vamos agora ver porquê que os terminais escondidos são problemáticos. Suponha que estação H1 está a transmitir um quadro e mais ou menos a meio a estação H2 quer transmitir um quadro para o AP. Como o H2 não ouve H1, espera um intervalo DIFS e começa a sua transmissão resultando numa colisão. O canal vai ser assim desperdiçado durante a transmissão de H1 e durante a transmissão de H2. No sentido de evitar esta situação o protocolo permite a uma estação enviar pacotes curtos RTS e CTS para reservar o acesso ao canal. Ver no slide. O uso de quadros RTS e CTS pode aumentar o desempenho de duas formas: O problema do canal escondido, uma vez que um quadro de dados longo é enviado apenas depois de reservar o canal. Como os quadros RTS e CTS são curtos, as colisões que os envolvem são apenas durante a duração desses quadros. Uma vez correctamente , os quadros seguintes de dados e ack podem ser transmitidos sem colisões. Embora a troca de RTS/CTS possa ajudar a reduzir colisões, também introduzem atrasos e consomem recursos do canal. Por esta razão, a troca RTS/CTS é apenas usada para reservar o canal para transmitir quadros longos de dados. Na prática, cada estação sem fios pode definir um limiar para RTS de forma a que a sequência RTS/CTS seja usada apenas para quadros que sejam superiores a esse limiar. Para muitas estações o limiar é superior que o máximo tamanho de quadro pelo que o esquema RTS/CTS nunca é usado. Evitar por completo colisões de quadros de dados com recurso a pequenos pacotes de reserva! 6: Redes Móveis e sem Fios

Collision Avoidance: RTS-CTS exchange
B AP RTS(A) RTS(B) reservation collision RTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) defer time 6: Redes Móveis e sem Fios

Problema 5 Suponha que uma estação é configurada para reservar sempre o canak com uma sequência RTS/CTS. Suponha que a estação subitamente transmitir 1000 bytes de dados e todas as outras estações estão em repouso nesse instante. Como função do SIFS e do DIFS e ignorando atrasos de propagação and erros de bits, calcule o tempo necessário para transmitir o quadro e receber a confirmação. 6: Redes Móveis e sem Fios

Ligações ponto-a-ponto 802.11
pode ser usado com antenas direccionais para ligações ponto-a-ponto de dezenas de Km Hardware de baixo custo Antenas direccionais Potência reforçada Exemplo na Índia [Raman 2007] 6: Redes Móveis e sem Fios

Quadro 802.11 : Payload e CRC Payload – Datagrama IP ou pacote ARP
frame control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 seq Payload – Datagrama IP ou pacote ARP Embora possa ir até 2,312 bytes normalmente é inferior a 1500 bytes CRC (Cyclic Redundancy Checking) Permite ao receptor detectar erros no quadro recebido É bastante útil porque aqui há erros mesmo ! Embora o quadro partilhe muitas similaridades com o quadro Ethernet tem uma série de campos que são específicos para uso em ligações wireless. O quadro é mostrado no slide. PayLoad e CRC 6: Redes Móveis e sem Fios

Quadro 802.11 : endereçamento
frame control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 seq Endereço 4: usado apenas no modo ad hpc Endereço 1: endereço MAC do host sem fios ou AP destinatário do quadro Endereço 3: endereço MAC da interface do router a que o AP está ligado Talvez a diferença mais importante no quadro seja o facto de incluir 4 endereços, cada um dos quais pode armazenar um endereço MAC de 6 bytes. Porquê 4 endereços? Não são suficientes dois como na Ethernet? Três endereços são necessários com o objectivo de interligação. Especificamente para mover um datagrama duma estação sem fios para um router através dum AP. O quatro endereço quando APs trocam entre si quadros no modo ad hoc Endereço 2: endereço MAC do host sem fios ou AP que transmite o quadro 6: Redes Móveis e sem Fios

Quadro 802.11: endereçamento
Internet AP router AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address 3 frame H1 R1 R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address 802.3 frame 6: Redes Móveis e sem Fios

Quadro 802.11 : Outros campos frame seq # (for reliable ARQ)
duration of reserved transmission time (RTS/CTS) frame control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 seq Type From AP Subtype To More frag WEP data Power mgt Retry Rsvd Protocol version 2 4 1 Recordemos que no quando uma estação recebe correctamente um quadro de outra estação, envia de volta uma confirmação. Como as confirmações podem se perder, a estação transmissora pode enviar cópias múltiplas do mesmo quadro. Como já estudamos no TCP isso pode ser resolvido com números de sequência. Os números de sequência têm precisamente o mesmo papel que no TCP. Também já vimos que uma estação pode reservar o canal durante um período do tempo correspondente a enviar o quadro de dados e receber a confirmação. Esse valor é colocado no campo duração. A parte correspondente ao controlo do quadro inclui muitos sub-campos. O tipo e subtipo indicam o tipo de quadro. O campo To e From servem para definir o significado dos campos de endereço. O significado destes campos mudam dependendo de quando se usa o modo ad hoc ou infra-estrutura e neste último caso quando é a estação sem fios ou o AP a enviar o quadro. Finalmente o WEP indica qunado se usa ou não cifragem. frame type (RTS, CTS, ACK, data) 6: Redes Móveis e sem Fios

802.11: Mobilidade na mesma subrede
H1 permanece na mesma sub-rede: o endereço IP pode ser o mesmo Switch: a que AP está associado H1? Auto-aprendizagem (Cap.5, Kurose): o switch vai ver o quadro proveniente de H1 e recordar que porta do switch pode ser usada para chegar a H1 router hub or switch BBS 1 AP 1 AP 2 No sentido de aumentar a cobertura física da rede local sem fios, empresas e universidades frequentemente mantêm múltiplas BSS na mesma subrede IP. Isto coloca naturalmente o problema da mobilidade entre BSSs – como é que uma estação sem fios de move graciosamente duma BSS para outra mantendo as suas conexões TCP activas? Como veremos aqui a mobilidade pode ser gerida de forma trivial quando as BSSs são parte da mesma subrede. Quando a estação sem fios se move entre su-redes diferentes são necessários protocolos mais sofisticados de estão de mobilidade. Vamos concentramos agora nesta situação mais simples. Como se mostra na figura como o equipamento que interliga as duas BSSs não é um router, todas as estações nas BSSs incluindo os APs pertencem à mesma subrede. Quando o H1 se move da BSS1 para a BSS2, pode manter o seu endereço IP e manter activas todas as suas conexões IP. Se a interligação fosse feita via router, então H1 tinha que obter um novo endreço IP na subrede de destino. Esta mudança de endereço podia quebrar (ou mesmo terminar) conexões TCP activas. Mas o que realmente acontece na mudança? H1 move-se para longe de AP1. O sinal de AP1 torna-se fraco e começa a fazer o varrimento para obter um sinal mais forte. Recebe quados beacon de AP2 (em muitas empresas e universidades dá-se o mesmo SSID às duas). Ele desassocia-se de AP1 e associa-se de AP2 mantendo as suas ligações TCP activas. Isto resolve o problema do handoff do ponto de vista do host e AP. Mas e o switch. Como se apercebe que o host se moveu do AP1 para o AP2? Como já se aprendeu os switches têm auto-aprendizagem e constroem automaticamente as suas tabelas de expedição. Mas esta capacidade é boa para mudanças ocasionais (um funcionário que mudou de departamento) e não para utilizadores com grande mobilidade que queiram manter as suas conexões activas mesmo quando se movem entre BSSs. Antes da mudança, o switch tem na sua tabela de expedição uma entrada o par endereço MAC de H1 e a respectiva interface de saída. Se H1 esta inicialmente na BSS1 então o datagramas a ele destinados são enviados para o AP1. Quando ele se associa com a BSS2 os seus quadros devem ser enviados para o AP2. Uma solução seria o AP2 enviar um quadro Ethernet de broadcast com o endereço de H1 para o switch logo à sguir à associação. Quando o switch recebe o quadro de broadcast o switch actualiza a sua tabela de expedição, permitindo ao H1 ser atingido via AP2. Os grupos de normalização do estão a desenvolver um protocolo Inter-AP para tratar deste tipo de problemas. H1 BBS 2 6: Redes Móveis e sem Fios

802.11: Funcionalidades avançadas
Adaptação da taxa de transmissão A estação de base e o host móvel, mudam dinamicamente a sua taxa de transmissão (técnica de modulação da camada física) conforme o host se move, o SNR varia 10-1 10-2 10-3 BER 10-4 10-5 10-6 10-7 10 20 30 40 SNR(dB) 1. A SNR diminui, a BER aumenta conforme o nó se afasta da estação de base Vimos anteriormente que para cenários de SNR diferentes são adequadas diferentes técnicas de modulação com taxas de transmissão diferentes. Considere um utilizador móvel inicialmente a 20 metros do AP com uma SNR alta. Dado o alto SNR, o utilizador usa uma técnica de modulação que lhe disponibilize uma alta taxa taxa de transmissão mantendo a BER baixa. Se o utilizador se distancia do AP, a SNR diminui e mantendo a técnica de modulação chega a um ponto que a BER atinge valores inaceitáveis. Eventualmente nenhum quadro transmitido é recebido correctamente. Por esta razão, algumas implementações do têm uma adaptação de taxa de transmissão que selecciona a técnica de modulação da camada física adequada. Por exemplo, na implementação da Lucent WaveLan-II 8º2.11b existem múltiplas taxas de transmissão. Se um nó envia dois quadros sem receber uma confirmação (indicação implícita de erros no canal) a taxa de transmissão cai para a próxima mais baixa. Se forem confirmados 10 quadros numa fila e o temporizador relativo à ultima queda expira, a taxa sobe para a próxima mais alta. Trata-se a um mecanismo de prova parecido com o que já foi estudado para o controlo de congestão do TCP. Foram propostos mecanismo mais sofisticados que melhoram esta técnica básica. QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) 2. Quando a BER se torna muito grande mude-se para uma taxa transmissão mais baixa mas com BER mais pequena. BPSK (1 Mbps) operating point 6: Redes Móveis e sem Fios

802.11: Funcionalidades avançadas
Gestão da Energia node-to-AP: “Vou adormecer até o próximo quadro beacon” O AP sabe que não transmite quadros para o nó O nó acorda antes dó próximo quadro beacon Quadro beacon: contém a lista dos dos nós móveis com quadros em espera no AP O nó acorda se há quadros em espera, caso contrário adormece até ao próximo quadro beacon A energia é um recurso precioso em dispositivos móveis e a norma disponibiliza capacidades para a gestão de energia que permite aos nós minimizar o tempo em que o seus circuitos de escuta, transmissão, recepção entre outros têm que permanecer activos. Isto é feito normalmente entre quadros beacon que são enviados de 100 em 100 ms. Com esta estratégia o nó pode permanecer adormecido 90% do tempo. O tempo para acordar são 250 microsegundos e o tempo para processar o quadro beacon é da mesma ordem de grandeza. 6: Redes Móveis e sem Fios

Próxima aula Introdução Acesso celular à Internet

802.15: personal area network
less than 10 m diameter replacement for cables (mouse, keyboard, headphones) ad hoc: no infrastructure master/slaves: slaves request permission to send (to master) master grants requests 802.15: evolved from Bluetooth specification GHz radio band up to 721 kbps P S P radius of coverage M S S P P M S Master device Slave device Parked device (inactive) P 6: Redes Móveis e sem Fios

802.16: WiMAX like 802.11 & cellular: base station model
point-to-point like & cellular: base station model transmissions to/from base station by hosts with omnidirectional antenna base station-to-base station backhaul with point-to-point antenna unlike : range ~ 6 miles (“city rather than coffee shop”) ~14 Mbps point-to-multipoint 6: Redes Móveis e sem Fios

802.16: WiMAX: downlink, uplink scheduling
transmission frame down-link subframe: base station to node uplink subframe: node to base station pream. DL- MAP UL- DL burst 1 SS #1 burst 2 burst n Initial maint. request conn. downlink subframe SS #2 SS #k uplink subframe … base station tells nodes who will get to receive (DL map) and who will get to send (UL map), and when WiMAX standard provide mechanism for scheduling, but not scheduling algorithm 6: Redes Móveis e sem Fios

Chapter 6 outline 6.1 Introduction Wireless
6.2 Wireless links, characteristics CDMA 6.3 IEEE wireless LANs (“wi-fi”) 6.4 Cellular Internet Access architecture standards (e.g., GSM) Mobility 6.5 Principles: addressing and routing to mobile users 6.6 Mobile IP 6.7 Handling mobility in cellular networks 6.8 Mobility and higher-layer protocols 6.9 Summary 6: Redes Móveis e sem Fios

Components of cellular network architecture
connects cells to wide area net manages call setup (more later!) handles mobility (more later!) MSC covers geographical region base station (BS) analogous to AP mobile users attach to network through BS air-interface: physical and link layer protocol between mobile and BS cell Mobile Switching Center Public telephone network, and Internet wired network 6: Redes Móveis e sem Fios

Cellular networks: the first hop
Two techniques for sharing mobile-to-BS radio spectrum combined FDMA/TDMA: divide spectrum in frequency channels, divide each channel into time slots CDMA: code division multiple access frequency bands time slots 6: Redes Móveis e sem Fios

Cellular standards: brief survey
2G systems: voice channels IS-136 TDMA: combined FDMA/TDMA (north america) GSM (global system for mobile communications): combined FDMA/TDMA most widely deployed IS-95 CDMA: code division multiple access CDMA-2000 TDMA/FDMA GPRS EDGE UMTS Don’t drown in a bowl of alphabet soup: use this for reference only IS-136 IS-95 GSM 6: Redes Móveis e sem Fios

2.5 G systems: voice and data channels for those who can’t wait for 3G service: 2G extensions general packet radio service (GPRS) evolved from GSM data sent on multiple channels (if available) enhanced data rates for global evolution (EDGE) also evolved from GSM, using enhanced modulation data rates up to 384K CDMA-2000 (phase 1) data rates up to 144K evolved from IS-95 6: Redes Móveis e sem Fios

3G systems: voice/data Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) data service: High Speed Uplink/Downlink packet Access (HSDPA/HSUPA): 3 Mbps CDMA-2000: CDMA in TDMA slots data service: 1xEvlution Data Optimized (1xEVDO) up to 14 Mbps ….. more (and more interesting) cellular topics due to mobility (stay tuned for details) 6: Redes Móveis e sem Fios

What is mobility? spectrum of mobility, from the network perspective:
no mobility high mobility mobile wireless user, using same access point mobile user, connecting/ disconnecting from network using DHCP. mobile user, passing through multiple access point while maintaining ongoing connections (like cell phone) 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility: Vocabulary home network: permanent “home” of mobile
(e.g., /24) home agent: entity that will perform mobility functions on behalf of mobile, when mobile is remote wide area network Permanent address: address in home network, can always be used to reach mobile e.g., correspondent 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility: more vocabulary
visited network: network in which mobile currently resides (e.g., /24) Permanent address: remains constant (e.g., ) Care-of-address: address in visited network. (e.g., 79, ) wide area network foreign agent: entity in visited network that performs mobility functions on behalf of mobile. correspondent: wants to communicate with mobile 6: Redes Móveis e sem Fios

How do you contact a mobile friend:
I wonder where Alice moved to? Consider friend frequently changing addresses, how do you find her? search all phone books? call her parents? expect her to let you know where he/she is? 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility: approaches Let routing handle it: routers advertise permanent address of mobile-nodes-in-residence via usual routing table exchange. routing tables indicate where each mobile located no changes to end-systems Let end-systems handle it: indirect routing: communication from correspondent to mobile goes through home agent, then forwarded to remote direct routing: correspondent gets foreign address of mobile, sends directly to mobile 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility: approaches Let routing handle it: routers advertise permanent address of mobile-nodes-in-residence via usual routing table exchange. routing tables indicate where each mobile located no changes to end-systems let end-systems handle it: indirect routing: communication from correspondent to mobile goes through home agent, then forwarded to remote direct routing: correspondent gets foreign address of mobile, sends directly to mobile not scalable to millions of mobiles 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility: registration
visited network home network 1 mobile contacts foreign agent on entering visited network 2 foreign agent contacts home agent home: “this mobile is resident in my network” wide area network End result: Foreign agent knows about mobile Home agent knows location of mobile 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility via Indirect Routing
foreign agent receives packets, forwards to mobile home agent intercepts packets, forwards to foreign agent visited network home network 3 4 wide area network 1 2 correspondent addresses packets using home address of mobile mobile replies directly to correspondent 6: Redes Móveis e sem Fios

Indirect Routing: comments
Mobile uses two addresses: permanent address: used by correspondent (hence mobile location is transparent to correspondent) care-of-address: used by home agent to forward datagrams to mobile foreign agent functions may be done by mobile itself triangle routing: correspondent-home-network-mobile inefficient when correspondent, mobile are in same network 6: Redes Móveis e sem Fios

Indirect Routing: moving between networks
suppose mobile user moves to another network registers with new foreign agent new foreign agent registers with home agent home agent update care-of-address for mobile packets continue to be forwarded to mobile (but with new care-of-address) mobility, changing foreign networks transparent: on going connections can be maintained! 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility via Direct Routing
foreign agent receives packets, forwards to mobile correspondent forwards to foreign agent visited network home network 4 wide area network 2 3 1 4 correspondent requests, receives foreign address of mobile mobile replies directly to correspondent 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility via Direct Routing: comments
overcome triangle routing problem non-transparent to correspondent: correspondent must get care-of-address from home agent what if mobile changes visited network? 6: Redes Móveis e sem Fios

Accommodating mobility with direct routing
anchor foreign agent: FA in first visited network data always routed first to anchor FA when mobile moves: new FA arranges to have data forwarded from old FA (chaining) foreign net visited at session start anchor foreign agent wide area network 2 1 4 3 5 new foreign network correspondent agent new foreign agent correspondent 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobile IP RFC 3344 has many features we’ve seen:
home agents, foreign agents, foreign-agent registration, care-of-addresses, encapsulation (packet-within-a-packet) three components to standard: indirect routing of datagrams agent discovery registration with home agent 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobile IP: indirect routing
dest: foreign-agent-to-mobile packet dest: dest: packet sent by home agent to foreign agent: a packet within a packet Permanent address: Care-of address: dest: packet sent by correspondent 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobile IP: agent discovery
agent advertisement: foreign/home agents advertise service by broadcasting ICMP messages (typefield = 9) H,F bits: home and/or foreign agent R bit: registration required 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobile IP: registration example
6: Redes Móveis e sem Fios

Components of cellular network architecture
recall: correspondent wired public telephone network MSC MSC MSC MSC MSC different cellular networks, operated by different providers 6: Redes Móveis e sem Fios

Handling mobility in cellular networks
home network: network of cellular provider you subscribe to (e.g., Sprint PCS, Verizon) home location register (HLR): database in home network containing permanent cell phone #, profile information (services, preferences, billing), information about current location (could be in another network) visited network: network in which mobile currently resides visitor location register (VLR): database with entry for each user currently in network could be home network 6: Redes Móveis e sem Fios

GSM: indirect routing to mobile
HLR home network correspondent 2 home MSC consults HLR, gets roaming number of mobile in visited network home Mobile Switching Center 1 call routed to home network 3 home MSC sets up 2nd leg of call to MSC in visited network Public switched telephone network VLR Mobile Switching Center 4 MSC in visited network completes call through base station to mobile mobile user visited network 6: Redes Móveis e sem Fios

GSM: handoff with common MSC
Handoff goal: route call via new base station (without interruption) reasons for handoff: stronger signal to/from new BSS (continuing connectivity, less battery drain) load balance: free up channel in current BSS GSM doesn’t mandate why to perform handoff (policy), only how (mechanism) handoff initiated by old BSS VLR Mobile Switching Center old routing new routing old BSS new BSS 6: Redes Móveis e sem Fios

GSM: handoff with common MSC
1. old BSS informs MSC of impending handoff, provides list of 1+ new BSSs 2. MSC sets up path (allocates resources) to new BSS 3. new BSS allocates radio channel for use by mobile 4. new BSS signals MSC, old BSS: ready 5. old BSS tells mobile: perform handoff to new BSS 6. mobile, new BSS signal to activate new channel 7. mobile signals via new BSS to MSC: handoff complete. MSC reroutes call 8 MSC-old-BSS resources released VLR Mobile Switching Center 2 4 1 7 8 3 old BSS 5 6 new BSS 6: Redes Móveis e sem Fios

GSM: handoff between MSCs
anchor MSC: first MSC visited during cal call remains routed through anchor MSC new MSCs add on to end of MSC chain as mobile moves to new MSC IS-41 allows optional path minimization step to shorten multi-MSC chain home network Home MSC correspondent anchor MSC PSTN MSC MSC MSC (a) before handoff 6: Redes Móveis e sem Fios

GSM: handoff between MSCs
anchor MSC: first MSC visited during cal call remains routed through anchor MSC new MSCs add on to end of MSC chain as mobile moves to new MSC IS-41 allows optional path minimization step to shorten multi-MSC chain home network Home MSC correspondent anchor MSC PSTN MSC MSC MSC (b) after handoff 6: Redes Móveis e sem Fios

Mobility: GSM versus Mobile IP
GSM element Comment on GSM element Mobile IP element Home system Network to which mobile user’s permanent phone number belongs Home network Gateway Mobile Switching Center, or “home MSC”. Home Location Register (HLR) Home MSC: point of contact to obtain routable address of mobile user. HLR: database in home system containing permanent phone number, profile information, current location of mobile user, subscription information Home agent Visited System Network other than home system where mobile user is currently residing Visited network Visited Mobile services Switching Center. Visitor Location Record (VLR) Visited MSC: responsible for setting up calls to/from mobile nodes in cells associated with MSC. VLR: temporary database entry in visited system, containing subscription information for each visiting mobile user Foreign agent Mobile Station Roaming Number (MSRN), or “roaming number” Routable address for telephone call segment between home MSC and visited MSC, visible to neither the mobile nor the correspondent. Care-of-address 6: Redes Móveis e sem Fios

Wireless, mobility: impact on higher layer protocols
logically, impact should be minimal … best effort service model remains unchanged TCP and UDP can (and do) run over wireless, mobile … but performance-wise: packet loss/delay due to bit-errors (discarded packets, delays for link-layer retransmissions), and handoff TCP interprets loss as congestion, will decrease congestion window un-necessarily delay impairments for real-time traffic limited bandwidth of wireless links 6: Redes Móveis e sem Fios

Chapter 6 Summary Wireless wireless links: IEEE 802.11 (“wi-fi”)
capacity, distance channel impairments CDMA IEEE (“wi-fi”) CSMA/CA reflects wireless channel characteristics cellular access architecture standards (e.g., GSM, CDMA-2000, UMTS) Mobility principles: addressing, routing to mobile users home, visited networks direct, indirect routing care-of-addresses case studies mobile IP mobility in GSM impact on higher-layer protocols 6: Redes Móveis e sem Fios

Redes Sem Fios e Móveis Cap 6 do Kurose

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