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6: Redes Móveis e sem Fios6-1 Redes Sem Fios e M ó veis Cap 6 do Kurose Nota dos autores: Were making these slides freely available to all (faculty, students,

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1 6: Redes Móveis e sem Fios6-1 Redes Sem Fios e M ó veis Cap 6 do Kurose Nota dos autores: Were making these slides freely available to all (faculty, students, readers). Theyre 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, wed 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 4 th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July 2007.

2 6: Redes Móveis e sem Fios6-2 Introdução r # de assinantes de telefones móveis excede largamente o número de assinantes de telefones fixos m 34 milhões em 1993; 2 bilhões em 2005 r Redes de computadores cada vez mais com mais dispositivos móveis: laptops, palmtops, PDAs, telefones VOIP m A mobilidade veio para ficar r Dois desafios importantes mas diferentes m Comunicações sem fios : comunicação através de ligações sem fios m Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda contantemente o seu ponto de ligação à rede

3 6: Redes Móveis e sem Fios6-3 Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

4 6: Redes Móveis e sem Fios6-4 Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede Hosts sem fios r laptop, PDA, telefone IP r Correm aplicações r Podem ser estacionários ou móveis m Sem fios não significa mobilidade

5 6: Redes Móveis e sem Fios6-5 Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede Estação Base r Conectada à rede com fios, normalmente r relay – responsável pelo envio de pacotes entre hosts com e sem fios na sua area m i.e., torres das células, pontos de acesso

6 6: Redes Móveis e sem Fios6-6 Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede ligação sem fios r Tipicamente usado para ligar os móveis à estação base r Também usado como ligação de backbone r Acesso ao link coordenado por protocolos múltiplos r Variação no débito de dados e distância de transmissão

7 6: Redes Móveis e sem Fios6-7 Características das normas para ligações sem fios seleccionadas Indoor 10-30m Outdoor m Mid-range outdoor 200m – 4 Km Long-range outdoor 5Km – 20 Km IS-95, CDMA, GSM 2G UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G b a,g UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 3G cellular enhanced (WiMAX) a,g point-to-point n Data rate (Mbps) data

8 6: Redes Móveis e sem Fios6-8 Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede modo infra-estructura r Estação Base liga os móveis à rede com fios r handoff: o móvel muda de estação de base que o liga à rede com fios

9 6: Redes Móveis e sem Fios6-9 Elementos de uma rede sem fios Modo ad hoc r Sem estações de base r Os nós podem apenas transmitir para outros nós dentro sa sua área de cobertura r Os nós organizam-se em rede: encaminham através de si próprios

10 6: Redes Móveis e sem Fios6-10 Taxonomia de Redes sem Fios Salto único Saltos múltiplos Infra-estructura (i.e., APs) Sem Infra-estructura host liga-se à estação de base (WiFi,WiMAX, cellular) que se liga à Internet Sem estação de base nem Ligação à Internet (Bluetooth, redes adhoc) O host pode ter que passar por vários nós relay sem fios para se ligar à Internet: mesh net Sem estação de base, sem ligação à Internet. Pode ter que usar relays Para atingir um dado nó sem fios na MANET, VANET

11 6: Redes Móveis e sem Fios6-11 Características das Ligações Sem Fios (1) Diferenças para as ligações com fios …. m Força decrescente do sinal : o sinal de rádio é bastante atenuado quando se propaga através do meio (perdas do percurso) m 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 m 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

12 6: Redes Móveis e sem Fios6-12 Características das Ligações Sem Fios (2) r SNR: signal-to-noise ratio m Maior SNR – mais fácil extrair o sinal do ruído (uma coisa boa) r Compromissos SNR versus BER m Dada a camada física: aumenta a potência -> aumenta SNR- >diminui BER m 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) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) SNR(dB) BER

13 6: Redes Móveis e sem Fios6-13 Características das Ligações Sem Fios (3) Múltiplos transmissores e receptores sem fios criam problemas adicionais (para além do acesso múltiplo) A B C Problema do terminal escondido r B, A ouvem um ao outro r B, C ouvem um ao outro r A, C não podem ouvir-se entre si o que significa que não se apercebem da interferência em B A B C Força do Sinal de A space Força do Sinal de C Atenuação do sinal: r B, A ouvem um ao outro r B, C ouvem um ao outro r A, C não podem ouvir-se interferem em B

14 6: Redes Móveis e sem Fios6-14 Code Division Multiple Access (CDMA) r Usado em vários normas para canais broadcast sem fios (celular, satélite, etc) r Código único atribuído a cada utilizador, i.e. partição do conjunto de códigos r 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 r Sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence) r Descodificação = produto interno do sinal codificado com a sequência de transporte (chipping) r Permite a coexistencia de múltiplos utilizadores que transmitem simultaneamente com mínima interferência (se os códigos forem ortogonais)

15 6: Redes Móveis e sem Fios6-15 CDMA Codificação/Descodificação slot 1 slot 0 d 1 = Z i,m = d i. c m d 0 = slot 0 channel output slot 1 channel output channel output Z i,m sender code data bits slot 1 slot 0 d 1 = -1 d 0 = slot 0 channel output slot 1 channel output receiver code received input D i = Z i,m. c m m=1 M M

16 6: Redes Móveis e sem Fios6-16 Problema 1 r Qual seria o valor de saida do transmissor se o código CDMA fosse (1,-1,1,-1,1-1,1-1)?

17 6: Redes Móveis e sem Fios6-17 CDMA: Interferência de duas transmissões

18 6: Redes Móveis e sem Fios6-18 Problema 2 r 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.

19 6: Redes Móveis e sem Fios6-19 Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

20 6: Redes Móveis e sem Fios6-20 Redes Locais sem fios IEEE r b m GHz espectro sem licença m Até 11 Mbps m direct sequence spread spectrum (DSSS) na camada física Todos os hosts usam o mesmo código de chipping r a m Gama 5-6 GHz m Até 54 Mbps r g m Gama GHz m Até 54 Mbps r n: antenas múltiplas m Gama GHz m Até 200 Mbps r Todas usam CSMA/CA para acesso múltiplo r Todas têm versões com estação de base e para redes ad-hoc

21 6: Redes Móveis e sem Fios6-21 Arquitectura da LAN r Cada host sem fios comunica com uma estação de base m Estação de Base = Ponto de Acesso (AP) r Cojunto básico de serviço (BSS) (aka cell) no modo infra-estrtutura contém: m Hosts sem fios m Pontos de Acesso (AP): Estações de Base BSS 1 BSS 2 Internet hub, switch or router AP

22 6: Redes Móveis e sem Fios6-22 Arquitectura da LAN r Cojunto básico de serviço (BSS) em modo Ad hoc contém: m Hosts sem fios BSS

23 6: Redes Móveis e sem Fios : Canais e Associação r b: gama do espectro 2.4GHz-2.485GHz dividido em 11 canais com diferentes frequências m AP admin escolhe a frequência para o AP m Possível interferência: escolha do mesmo canal que um AP vizinho ! r host: deve associar-se a um AP m Varre os canais, ouvindo os quadros de orientação (beacon frames) contendo o nome do AP (SSID) e endereços MAC m Selecciona um AP para se associar m Pode autenticar-se (ver Capítulo 8) m Tipicamente corre o DHCP para obter um endereço IP na subrede do AP

24 6: Redes Móveis e sem Fios6-24 Problema 3 r 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 m 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. m Responda às mesmas questão se um AP funcionar no canal 1 e outro no canal 11. As suas respostas mudam?

25 6: Redes Móveis e sem Fios : Varrimento Activo/Passivo AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS Varrimento Activo (1)Pedido de prova enviada de H1 (2)Resposta de prova enviada dos APs (3)Quadro de pedido de associação enviada pelo H1 para o AP seleccionado (4)Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS Varrimento Passivo: (1)beacon frames enviadas dos APs (2)Quadro de pedido de associação enviada pelo H1 para o AP seleccionado (3)Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado

26 6: Redes Móveis e sem Fios6-26 Acesso mútiplo no IEEE r Evitar colisões: 2 + nós a transmitir simultaneamente. r : CSMA – Ouvir antes de transmitir m Não colidir com uma transmissão de outro nó em curso r : Não há detecção de colisão ! m É dificil receber (ouvir colisões) quando se transmito devido à fraqueza do sinal recebido (desvanescimento, fading) m Em qualquer caso não se consegue ouvir as colisões em todas situações: terminal escondido, fading m Objectivo: Evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance) A B C A B C Força do sinal A space Força do sinal C

27 6: Redes Móveis e sem Fios6-27 Protocolo de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) do IEEE : CSMA/CA Transmissor 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 Tempo

28 6: Redes Móveis e sem Fios6-28 CSMA/CD versus CSMA/CA r CSMA/CD (Ethernet) m Transmite mal se aperceba que o canal está livre r CSMA/CA m 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?

29 6: Redes Móveis e sem Fios6-29 Problema 4 r 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)?

30 6: Redes Móveis e sem Fios6-30 CSMA/CD versus CSMA/CA r Ethernet r Começam logo a transmitir e dá colisão m Não é grave m Há mecanismos de detecção de colisão r Wireless r Esperam um tempo de contagem random m Uma delas ganha e começa a transmitir m A outra ouve a vencedora e deixa de contar à espera do canal livre Uma terceira estação está a transmitir; estão 2 à espera. Pode ocorrer na mesma se as 2 estações estiverem escondidas uma da outra Escolhem tempos muito próximos

31 6: Redes Móveis e sem Fios6-31 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. r O transmissor primeiro envia pacotes pequenos com pedido de envio (request-to-send,RTS) para a BS usando o CSMA m As RTSs podem também colidir (mas são pequenas) r A estação de base (BS) difunde clear-to-send (CTS) em resposta ao in response to RTS r CTS ouvido por todos nós m Transmissor envia o quadro de dados m As outras estações atrasam (deferem) as suas transmissões Evitar por completo colisões de quadros de dados com recurso a pequenos pacotes de reserva!

32 6: Redes Móveis e sem Fios6-32 Collision Avoidance: RTS-CTS exchange AP A B time RTS(A) RTS(B) RTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) reservation collision defer

33 6: Redes Móveis e sem Fios6-33 Problema 5 r Suponha que uma estação é configurada para reservar sempre o canal 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.

34 6: Redes Móveis e sem Fios6-34 Ligações ponto-a-ponto r pode ser usado com antenas direccionais para ligações ponto-a-ponto de dezenas de Km m Hardware de baixo custo m Antenas direccionais m Potência reforçada r Exemplo na Índia [Raman 2007]

35 6: Redes Móveis e sem Fios6-35 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payloadCRC seq control Quadro : Payload e CRC r Payload – Datagrama IP ou pacote ARP m Embora possa ir até 2,312 bytes normalmente é inferior a 1500 bytes r CRC (Cyclic Redundancy Checking) m Permite ao receptor detectar erros no quadro recebido m É bastante útil porque aqui há erros mesmo !

36 6: Redes Móveis e sem Fios6-36 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payloadCRC seq control Quadro : endereçamento Endereço 2: endereço MAC do host sem fios ou AP que transmite o quadro 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 Endereço 4: usado apenas no modo ad hpc

37 6: Redes Móveis e sem Fios6-37 Internet router AP H1 R1 AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address frame R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address frame Quadro : endereçamento

38 6: Redes Móveis e sem Fios6-38 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payloadCRC seq control Type From AP Subtype To AP More frag WEP More data Power mgt RetryRsvd Protocol version Quadro : Outros campos duration of reserved transmission time (RTS/CTS) frame seq # (for reliable ARQ) frame type (RTS, CTS, ACK, data)

39 6: Redes Móveis e sem Fios6-39 hub or switch AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS : Mobilidade na mesma subrede router r H1 permanece na mesma sub-rede: o endereço IP pode ser o mesmo r Switch: a que AP está associado H1? m 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

40 6: Redes Móveis e sem Fios : Funcionalidades avançadas Adaptação da taxa de transmissão r 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 QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) SNR(dB) BER operating point 1. A SNR diminui, a BER aumenta conforme o nó se afasta da estação de base 2. Quando a BER se torna muito grande mude-se para uma taxa transmissão mais baixa mas com BER mais pequena.

41 6: Redes Móveis e sem Fios : Funcionalidades avançadas Gestão da Energia r node-to-AP: Vou adormecer até o próximo quadro beacon m O AP sabe que não transmite quadros para o nó m O nó acorda antes dó próximo quadro beacon r Quadro beacon: contém a lista dos dos nós móveis com quadros em espera no AP m O nó acorda se há quadros em espera, caso contrário adormece até ao próximo quadro beacon

42 6: Redes Móveis e sem Fios6-42 Próxima aula r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

43 6: Redes Móveis e sem Fios6-43 Para além do r m Comunicação entre dispositivos a menos de 100m m Comunicação a maior distância para ligações ponto-a-ponto Antenas direccionais r Duas outras normas IEEE para protocolos m Distâncias mais curtas – Comunicação Bluetooth m Distâncias maiores – WiMax

44 6: Redes Móveis e sem Fios6-44 M Raio de Cobertura E E E I P I I M E Dispositivo mestre Dispositivo Escravo Dispositivo Inactivo I : Rede Pessoal sem Fios (WPAN) r Menos que 10 m de diâmetro r Substituição de cabos (rato, teclado, auriculares) r ad hoc: sem infra-estructura r Mestre/Escravo: m Escravos pedem permissão para enviar (para o mestre) m Meste autoriza pediddos r : evolução da especificação Bluetooth m GHz Banda rádio m Até 721 kbps

45 6: Redes Móveis e sem Fios : WiMAX r Tal como & celular: modelo de estação de base (EB) m Transmissões de/para EB por hosts com antenas omnidireccionais m Backbone EB-para-EB com antenas ponto-a-ponto r Ao contrário do : m Cobertura ~ 6 milhas (cidade em vez de café) Milha = 1852 metros m ~14 Mbps Ponto-Multiponto Ponto-a-Ponto

46 6: Redes Móveis e sem Fios6-46 WiMAX:escalonamento carga/descarga r Quadro de Transmissão m Subquadro de descarga: EB para nó m Subquadro de carga : nó para EB pream. DL- MAP UL- MAP DL burst 1 SS #1 DL burst 2 DL burst n Initial maint. request conn. downlink subframe SS #2 SS #k uplink subframe … … … … EB diz aos nós quem vai receber (DL map) E quem vai enviar (UL map), e quando r Norma WiMAX standard disponibiliza mecanismo mas não o algoritmo de escalonamento

47 6: Redes Móveis e sem Fios6-47 Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

48 6: Redes Móveis e sem Fios6-48 Mobile Switching Center Rede Telefónica e Internet Mobile Switching Center Componentes de redes celulares liga as células à rede gere estabelecimento de chamadas manipula mobilidade MSC cobre região geográfica Estação de Base (EB) análoga ao PA utizadores móveis ligam-se à rede via EA Interface ao ar: protocolo físico e de ligação entre a EA e os utilizadores móveis Célula Rede com fios

49 6: Redes Móveis e sem Fios6-49 Redes Celulares: o 1ºsalto Duas técnicas para partilharo espectro rádio entre os móveis e a EB r FDMA/TDMA combinados: Dividir espectro em canais de frequência e cada canal em pedaços (slots) de tempo r CDMA: Acesso múltiplo por divisão de código frequency bands time slots

50 6: Redes Móveis e sem Fios6-50 Normas e Tecnologias para Redes Celulares: visão sumária r Normalmente classificadas em gerações m 1ªs gerações concebidas apenas para voz Pouco interessantes num curso de Redes m Últimas gerações Suportam voz e dados m Um calão de siglas para as várias tecnologias Interessante para descodificar o calão que ouvimos no dia a dia m 1ª Geração (1G) Sistemas analógicos com FDMA apenas para comunicação por voz Quase extinta e substituída pela segunda geração (2G) já digital

51 6: Redes Móveis e sem Fios6-51 Normas para Redes Celulares 2G systems: canais de voz r IS-136 TDMA: FDMA/TDMA combinados (América do Norte) r GSM (global system for mobile communications): FDMA/TDMA combinado m Mais usado r IS-95 CDMA: code division multiple access IS-136 GSM IS-95 GPRS EDGE CDMA-2000 UMTS TDMA/FDMA Dont drown in a bowl of alphabet soup: use this for reference only

52 6: Redes Móveis e sem Fios6-52 Normas para Redes Celulares 2.5 G systems: canais de voz e dados r Para os impacientes pelo serviço 3G: extensões ao 2G r general packet radio service (GPRS) m Evolução do GSM m Dados enviados em canais múltiplos (se disponíveis) r enhanced data rates for global evolution (EDGE) m Também evolução do GSM, com utilização de modulação melhor m Débitos de dados até 384K r CDMA-2000 (fase 1) m Débitos de dados até 144K m Evolução do IS-95

53 6: Redes Móveis e sem Fios6-53 Normas para Redes Celulares 3G systems: dados/voz r CDMA-2000 m Evolução dos sistemas 2G IS-95 e compatível com eles m Usa o CDM na sua interface com o ar m CDMA em slots TDMA m data service: 1xEVolution Data Optimized (1xEVDO) até 14 Mbps m Usa escalonamento oportunista parecido com o do WiMax

54 6: Redes Móveis e sem Fios6-54 4ª Geração(4G) O ideal para acesso Internet sem fios… r Acesso Internet Ubíquo m Casa, escritório, Café, carro, praia r Acesso com o maior débito possível m Em função da nossa localização física r Acesso transparente a diversas tecnologias m Conforme mudamos de localização e mesmo se houver necessidade de tecnologia, não ser preciso a intervenção do utilizador r Manter mesmo em movimento as nossas conexões TCP activas m Manter sempre as nossas conexões activas r Ter acesso a VOIP e Vídeo em tempo real sobre IP r Isso tudo de borla (grátis) ou quase ( a baixo custo)! ….. Mais tópicos (e mais interessantes) sobre redes celulares com a mobilidade

55 6: Redes Móveis e sem Fios6-55 Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

56 6: Redes Móveis e sem Fios6-56 O que é a mobilidade? r Espectro de mobilidade na perspectiva da rede: Sem Mobilidade Alta mobilidade Utilizador móvel sem fios conectado ao mesmo PA Utilizador móvel, passando através do Ponto de Acesso mantendo conexões abertas (tal como no telefone móvel) Utilizador móvel conectado/ desconectado da rede usando o DHCP.

57 6: Redes Móveis e sem Fios6-57 É importante manter o endereço? r No seu telemóvel o seu número mantém-se quando muda de local (por exemplo dum país para outro e o fornecedor é diferente!) r Será indispensável o labtop manter o endereço? m Se tiver conexões abertas como no caso do BWM é importante A mobilidade é transparente às aplicações Caso contrário terá que ser a aplicação a lidar com a mobilidade e a suportá-la. m O Mobile IP torna a mobilidade transparente para as aplicações!

58 6: Redes Móveis e sem Fios6-58 É importante manter o endereço? r No caso do utilizador que se move dum local para outro e quer conectividade no novo local m Manter o mesmo endereço não é importante m O labtop tem endereços diferentes nos dois locais que lhe são atribuídos automaticamente pelo DHCP

59 6: Redes Móveis e sem Fios6-59 Que infra-estrutura com fios existe? r Estamos assumir que existe sempre uma infra-estrutura de rede com fios m ISP em casa, ISP do escritório m ISP com acesso sem fios na auto-estrada r E se a infra-estrutura não existir? m Se dois utilizadores estiverem na proximidade um do outro podem comunicar? Redes Móveis Ad Hoc (Mobile Ad Hoc Networks – MANET) –IETF MANETs WG

60 6: Redes Móveis e sem Fios6-60 Analogia com o serviço postal r Um jovem com 20 anos e picos sai de casa e mora numa série de hóteis e apartamentos e muda frequentemente de enedereço r Como pode um amigo de infância encontrar o seu endereço? m Contactando a família Que sabe do endereço para mandar o dinheiro para a renda ! m Comunicação posterior pode ser Indirectamente através da família Directamente do endereço obtido da família

61 6: Redes Móveis e sem Fios6-61 Mobilidade: Vocabulário Rede na origem (home network): rede de residência do móvel (e.g., /24) Endereço permanente: endereço na rede de origem que pode ser usada sempre para alcansar o utilizador móvel e.g., Agente na origem (home agent): entidade que executa as funções de mobilidade em vez do utilizador móvel quando ele é remoto Rede de Longa Distância correspondente

62 6: Redes Móveis e sem Fios6-62 Mobilidade: mais vocabulário Endereço de correspondência (Care-of-address): endereço na rede visitada (i.e., ) Rede de Longa Distância Rede visitada (visited network): rede de residência actual do móvel i.e., /24) Endereço permanente: mantém- se constante ( i.e., ) Agente externo (foreign agent): entidade na rede visitada que executa as funções de mobilidade em lugar do móvel correspondente: quer comunicar com o móvel

63 6: Redes Móveis e sem Fios6-63 Como contactar um amigo móvel: r Pesquisar todas listas telefónicas? r Telefonar para os pais? r Esperar que ele faça saber onde está? Estou curioso: onde está Alice? Considere um amigo que muda frequentemente de residência. Como o encontra?

64 6: Redes Móveis e sem Fios6-64 Mobilidade: abordagens r Manipulada pelo encaminhamento: encaminhadores anunciam os endereços permanentes dos nós móveis visitantes através da troca habitual de tabelas de encaminhamento. m Tabelas de encaminhamento indicam onde está o host móvel m Não há mudanças nos sistemas finais r Manipulada pelos sistemas finais: m Encaminhamento indirecto: a comunicação entre o correspondente e o móvel faz-se através do agente na origem, que reenvia para o móvel remoto m Encaminhamento directo : o correspondente obtém o endereço externo do móvel e envia directamente para ele.

65 6: Redes Móveis e sem Fios6-65 Mobilidade: abordagens r Manipulada pelo encaminhamento: encaminhadores anunciam os endereços permanentes dos nós móveis visitantes através da troca habitual de tabelas de encaminhamento. m Tabelas de encaminhamento indicam onde está o host móvel m Não há mudanças nos sistemas finais r Manipulada pelos sistemas finais: m Encaminhamento indirecto: a comunicação entre o correspondente e o móvel faz-se através do agente na origem, que reenvia para o móvel remoto m Encaminhamento directo : o correspondente obtém o endereço externo do móvel e envia directamente para ele. Não escalável para milhões de móveis

66 6: Redes Móveis e sem Fios6-66 Mobilidade: registo Resultado Final: r Agente externo sabe do nó móvel r Agente na origem conhece a localização do nó movel wide area network Rede de origem Rede visitada 1 O nó móvel contacta o agente externo quando entra na rede visitada 2 Agente externo contacta o agente na origem: Este nó móvel reside na minha rede

67 6: Redes Móveis e sem Fios6-67 Encaminhamento Indirecto wide area network Rede de origem Rede visitada Pacotes do correspondente usando o endereço de origem do móvel Agente na origem intercepta os pacotes e encaminha-os para o agente externo Agente externa recebe os pacotes e envia-os para o móvel O nó móvel responde directamente para o correspondente

68 6: Redes Móveis e sem Fios6-68 Encaminhamento Indirecto: comentários r Nó móvel usa dois endereços: m Endereço permanente: usado pelo correspondente (a localização do móvel é transparente para o correspondente) m Endereço de correspondência (care-of-address): usado pelo agente na origem para enviar para o móvel r Funções do agente externo podem ser feitas pelo próprio móvel r Encaminhamento triangular: correspondente- rede de origem-móvel m Ineficiente quando o correspondente e móvel estão na mesma rede

69 6: Redes Móveis e sem Fios6-69 Encaminhamento Indirecto :funcionalidades necessárias r Protocolo entre nó móvel e agente externo r Protocolo de registo do agente externo pelo agente na origem r Método de encapsulamento do agente na origem r Método de desencapsulamento do agente externo

70 6: Redes Móveis e sem Fios6-70 Encaminhamento Indirecto: Movimentação entre redes r Suponha que o utilizador móvel se muda para uma nova rede m Regista-se no novo agente externo m novo agente externo contacta agente na origem m agente na origem actualiza care-of-address para o móvel m Os pacotes continuam a ser expedidos para o móvel (mas com care-of-address novo) r Mobilidade, mudança de rede externa são transparentes: conexões activas podem ser mantidas

71 6: Redes Móveis e sem Fios6-71 Encaminhamento directo Rede de Longa Distância Rede de origem Rede visitada Correspondente pede e recebe endereço externo do móvel Correspondente expede para agente externo Agente externo recebe pacotes e expede para o móvel Móvel responde directamente para o móvel 3

72 6: Redes Móveis e sem Fios6-72 Encaminhamento Directo: comentários r Resolve o problema de encaminhamento triangular r Não transparência para o correspondente: tem que obter o care-of-address do agente na origem m O que acontece quando o móvel muda de rede visitada?

73 6: Redes Móveis e sem Fios6-73 Rede de Longa Distância 1 Rede externa visitada no início da sessão Agente Externo Âncora 2 4 Novo agente externo 3 5 Agente do correspondente correspondente Nova rede externa Acomodação da mobilidade com encaminhamento directo r Agente externo âncora: AE na 1ª rede visitada r Dados encaminhados sempre para o AE âncora r Quando o nó móvel se move: o novo AE recebe os dados expedidos do AE anterior (cadeia)

74 6: Redes Móveis e sem Fios6-74 Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

75 6: Redes Móveis e sem Fios6-75 IP Móvel (Mobile IP) r RFC 3344 r Tem muitas das funcionalidades que já vimos: m Agente na origem, Agente externo, Registo no agente externo, care-of-addresses, encapsulamento (pacote-dentro-de-pacote) r Três componentes normalizados: m Encaminhamento indirecto de datagramas m Descoberta de Agente m Registo com o agente na origem

76 6: Redes Móveis e sem Fios6-76 Mobile IP: encaminhamento indirecto Endereço permanente: Care-of address: dest: Pacote enviado pelo correspondente dest: dest: Pacote enviado pelo agente na origem ao agente externo: um pacote dentro de outro pacote dest: Pacote do agente externo para o nó móvel

77 6: Redes Móveis e sem Fios6-77 Mobile IP: descoberta de agentes r Anúncio de agentes: agentes externo e na origem anunciam o serviço difundindo mensagens ICMP (typefield = 9) R bit: necessário registo H,F bits: agente na origem (H) ou externo (F)

78 6: Redes Móveis e sem Fios6-78 Mobile IP: Exemplo de registo

79 6: Redes Móveis e sem Fios6-79 Componentes da arquitectura de rede celular correspondente MSC Rede Telefónica Pública com fios Redes celulares diferentes, mantidas por diferentes operadores Recordemos:

80 6: Redes Móveis e sem Fios6-80 Mobilidade em redes celulares r Rede de origem: rede do fornecedor de celulares de que somos assinantes (i.e., TMN, Optimus) m home location register (HLR): Base de dados na rede origem contendo o nosso número de telemóvel permanente, informação do perfil de utilização (serviços, preferências, tarifário) e informação a respeito da localização actual (pode ser outra rede) r Rede visitada: rede móvel a que estamos actualmente ligados (por exemplo UNITEL, Angola) m visitor location register (VLR): base de dados com entradas para cada utilizador actualmente na rede m Pode ser a rede de origem

81 6: Redes Móveis e sem Fios6-81 Public switched telephone network Utilizador Móvel home Mobile Switching Center HLR Rede de origem Rede Visitada correspondente Mobile Switching Center VLR GSM: encaminhamento indirecto para o móvel 1 Chamada encaminhada para Rede de origem 2 MSC na origem consulta HLR, obtém o número de visitante (roaming) na Rede visitada 3 MSC na origem estabelece o 2 º troço do percurso da chamada para o MSC na rede visitada. 4 MSC na rede visitada completa a chamada da estação de base para o móvel

82 6: Redes Móveis e sem Fios6-82 Mobile Switching Center VLR BSS velha BSS nova Encaminhamento Antigo Novo GSM: handoff com MSC comum r Objectivo do Handoff: encaminhar a chamada através duma nova estação de base (sem interrupção) r Razões para o handoff: m Sinal mais forte de/para nova BSS(menos gastos de bateria, conectividade assegurada) m Balanceamento de carga: libertar canal na BSS actual m GSM não especifica como executar o handoff (política), apenas como (mecanismo) r handoff iniciado pela antiga BSS

83 6: Redes Móveis e sem Fios6-83 Mobile Switching Center VLR old BSS GSM: handoff com MSC comum new BSS 1. BSS antiga informa o MSC do handoff eminente e disponibiliza lista de 1 + novas BSSs 2. MSC estabelece percurso (aloca recursos) para nova BSS e avisa esta do handoff 3. A nova BSS aloca canal rádio para ser usado pelo móvel 4. Nova BSS avisa MSC e antiga BSS que está pronta 5. Antiga BSS diz ao móvel para fazer o handoff para a nova 6. O móvel e a nova BSS sinalizam-se para se activar o canal 7. Móvel sinaliza o MSC (via nova BSS): handoff completo. MSC reencaminha chamada via nova BSS 8 Recursos MSC-antiga BSS libertados

84 6: Redes Móveis e sem Fios6-84 Rede de origem Home MSC PSTN correspondente MSC MSC âncora MSC (a) Antes do handoff GSM: handoff entre MSCs r MSC âncora: 1º MSC visitado durante a chamada m Chamada permanece encaminhada pelo MSC âncora r Novos MSCs adicionados no fim da cadeia de MSCs consoante o móvel se move para um MSC novo r IS-41 permite um passo opcional de minimização de percurso para diminuir a cadeia de MSCs.

85 6: Redes Móveis e sem Fios6-85 home network Home MSC PSTN correspondent MSC anchor MSC MSC (b) Depois do handoff GSM: handoff entre MSCs r MSC âncora: 1º MSC visitado durante a chamada m Chamada permanece encaminhada pelo MSC âncora r Novos MSCs adicionados no fim da cadeia de MSCs consoante o móvel se move para um MSC novo r IS-41 permite um passo opcional de minimização de percurso para diminuir a cadeia de MSCs.

86 6: Redes Móveis e sem Fios6-86 Mobidade: GSM versus Mobile IP GSM elementComment on GSM elementMobile IP element Home systemNetwork to which mobile users 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 SystemNetwork 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

87 6: Redes Móveis e sem Fios6-87 Sem fios, mobilidade: impacto nos protocolos das camadas superiores r Logicamente o impacto deve ser mínimo … m Modelo de serviço melhor esforço mantém-se inalterado m O TCP e o UDP correm sobre redes sem fios e móveis r … mas em termos de desempenho: m Perdas e atraso nos pacotes devido a erros nos bits (pacotes descartados, atrasos devido a retransmissões na camada de ligação) e handoff m TCP interpreta as perdas como congestão e pode diminuir a janela de congestão desnecessáriamente m Prejuízos do atraso no tráfego de tempo real m Largura de banda limitada das ligações sem fios

88 6: Redes Móveis e sem Fios6-88 Controlo de congestão de TCP r Pode ser problemático em ambientes sem fios m Muitos erros de bits e handoffs r Abordagens propostas m Recuperação local Técnicas sofisticadas para recuperação de erros de bits m Consciência do originador TCP das ligações em fios Distinção entre tipos de perdas m Partição da conexão fim-a-fim Parte com fios+ Parte sem fios Melhor desempenho com conexões TCP partidas

89 6: Redes Móveis e sem Fios6-89 Chapter 6 Summary Wireless r wireless links: m capacity, distance m channel impairments m CDMA r IEEE (wi-fi) m CSMA/CA reflects wireless channel characteristics r cellular access m architecture m standards (e.g., GSM, CDMA-2000, UMTS) Mobility r principles: addressing, routing to mobile users m home, visited networks m direct, indirect routing m care-of-addresses r case studies m mobile IP m mobility in GSM r impact on higher-layer protocols


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