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6: Redes Sem Fio e Móveis 6-1 Chapter 6 Wireless and Mobile Networks Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3 rd edition. Jim.

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1 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-1 Chapter 6 Wireless and Mobile Networks Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3 rd edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July A note on the use of these ppt slides: 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

2 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-2 Capítulo 6: Redes Sem Fio e Móveis Background: r # wireless (mobile) phone subscribers now exceeds # wired phone subscribers! r computer nets: laptops, palmtops, PDAs, Internet-enabled phone promise anytime untethered Internet access r two important (but different) challenges m communication over wireless link m handling mobile user who changes point of attachment to network

3 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-3 Chapter 6 outline 6.1 Introduction Wireless r 6.2 Wireless links, characteristics m CDMA r 6.3 IEEE wireless LANs (“wi-fi”) r 6.4 Cellular Internet Access m architecture m standards (e.g., GSM) Mobility r 6.5 Principles: addressing and routing to mobile users r 6.6 Mobile IP r 6.7 Handling mobility in cellular networks r 6.8 Mobility and higher- layer protocols 6.9 Summary

4 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-4 Elementos de uma rede sem fio Infra-estrutura da rede r Hosts sem fio r laptop, PDA, IP phone r Rodam Aplicações r podem ser móveis ou não m “sem fio” nem sempre significa mobilidade

5 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-5 Elementos de uma rede sem fio Infra-estrutura da rede r estação base r Tipicamente conectada a uma rede c/ fio r Responsável pela comunicação entre os hosts móveis da sua área e os hosts das redes infra- estruturadas r e.g., cell towers e access points

6 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-6 Elementos de uma rede sem fio Infra-estrutura da rede r enlace sem fio r usado para conectar os disp. móveis às estações base r Usado como enlace de backbone r Controlado por protocolos de múltiplo acesso r Várias taxas de transmissão e distâncias máximas

7 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-7 Características dos padrões de enlaces sem fio 384 Kbps 56 Kbps 54 Mbps 5-11 Mbps 1 Mbps b {a,g} IS-95 CDMA, GSM UMTS/WCDMA, CDMA p-to-p link 2G 3G Indoor 10 – 30m Outdoor 50 – 200m Mid range outdoor 200m – 4Km Long range outdoor 5Km – 20Km

8 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-8 Elementos de uma rede sem fio Infra-estrutura da rede r Modo Infra- estruturado r Estação base conecta os disp. móveis na rede com fio r handoff: disp. móvel muda de estação base, se conectando à nova rede com fio

9 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-9 Elementos de uma rede sem fio r Modo Ad hoc r não existem estações base r nós podem transmitir para outros somente dentro de uma determinada cobertura r nós se organizam em uma rede e o roteamento só pode ser feito entre eles

10 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-10 Características de enlaces sem fio r Diferenças para os enlaces com fio: m Decremento na potência do sinal: sinais de rádio se atenuam ao longo do caminho (path loss) m Interferência de outras fontes: freqüências padronizadas para redes sem fio (por ex. 2.4 GHz) são compartilhadas por outros disp. (por ex., telefone); motores também interferem m Propagação multipath: sinal de rádio reflete em obstáculos terrestres, chegando no destino com pequenas diferenças de tempo r  Faz da comunicação sobre um enlace sem fio (mesmo um ponto a ponto) muito mais difícil

11 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-11 Características das redes sem fio r A existência de múltiplos transmissores e receptores sem fio cria problemas adicionais, que vão além do múltiplo acesso: A B C r Probl. terminal escondido r B, A escutam um ao outro r B, C escutam um ao outro r A, C não podem escutar um ao outro  A e C não podem prever uma interf. em C A B C A’s signal strength space C’s signal strength r Atenuação do sinal: r B, A escutam um ao outro r B, C escutam um ao outro r A, C não podem escutar um ao r outro  interf. em C

12 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-12 Particionamento do Canal com CDMA r CDMA (Múltiplo Acesso por Divisão por Código): explora esquema de codificação de espectro espalhado - DS (Direct Sequence) ou FH (Frequency Hopping) r “código” único associado a cada canal; ié, particionamento do conjunto de códigos r Mais usado em canais de radiodifusão (celular, satélite, etc) r Todos usuários compartilham a mesma freqüência, mas cada canal tem sua própria seqüência de “chipping” (ié, código) r Seqüência de chipping funciona como máscara: usado para codificar o sinal r sinal codificado = (sinal original) X (seqüência de chipping) r decodificação: produto interno do sinal codificado e a seqüência de chipping (observa-se que o produto interno é a soma dos produtos componente-por-componente) r Para fazer CDMA funcionar, as seqüências de chipping devem ser mutuamente ortogonais entre si (i.é., produto interno = 0)

13 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-13 CDMA: Codificação/Decodificação

14 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-14 CDMA: interferência entre dois remetentes

15 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-15 Propriedades do CDMA r protege usuários de interferência (inclusive a proposital) (usado desde a Segunda Guerra Mundial) r protege usuários do “multipath fading” (interferência entre 2 trajetórias do mesmo sinal, p.ex. o direto e por reflexão) em rádio r permite a “coexistência” de múltiplos usuários e suas transmissões simultâneas com um mínimo de interferência (se os códigos deles forem “ortogonais”)

16 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-16 Chapter 6 outline 6.1 Introduction Wireless r 6.2 Wireless links, characteristics m CDMA r 6.3 IEEE wireless LANs (“wi-fi”) r 6.4 Cellular Internet Access m architecture m standards (e.g., GSM) Mobility r 6.5 Principles: addressing and routing to mobile users r 6.6 Mobile IP r 6.7 Handling mobility in cellular networks r 6.8 Mobility and higher- layer protocols 6.9 Summary

17 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-17 IEEE Wireless LAN r b m GHz unlicensed radio spectrum m up to 11 Mbps m direct sequence spread spectrum (DSSS) in physical layer all hosts use same chipping code m widely deployed, using base stations r a m 5-6 GHz range m up to 54 Mbps r g m GHz range m up to 54 Mbps r All use CSMA/CA for multiple access r All have base-station and ad-hoc network versions

18 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-18 IEEE LAN - arquitetura r Um host sem fio se comunica com a estação base m estação base = access point (AP) r Basic Service Set (BSS) (“célula”): m no modo infra-estruturado contém: Hosts sem fio access point (AP): estação base m no modo ad hoc: somente hosts sem fio BSS 1 BSS 2 Internet hub, switch ou roteador AP

19 6: Redes Sem Fio e Móveis : Canais, associação r b: o espectro 2.4GHz-2.485GHz é dividido em 11 canais de diferentes freqüências m O administrador da rede escolhe um número de canal para o AP m Possível interferência: canal pode ser o mesmo que o escolhido por um AP vizinho! r host: deve ser associado com um AP m Varre os canais, escuta quadros de sinalização que contêm a identificação do AP (SSID) e o endereço MAC m Seleciona um AP para se associar m Pode realizar autenticação [capítulo 8] m vai rodar, tipicamente, o protocolo DHCP para obter o endereço IP na sub-rede do AP

20 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-20 IEEE : múltiplo acesso r Evita colisões (CSMA/CA): dois ou mais nós transmitindo ao mesmo tempo r : CSMA – “escuta” o meio antes de transmitir m para não colidir com outras transmissões em andamento r : não realiza detecção de colisão! m Dificuldade de receber (“escutar” colisões) quando está transmitindo devido à fraqueza dos sinais recebidos (fading) m Não pode escutar todas as colisões: terminal escondido, fading m objetivo: evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance) A B C A B C força do sinal de A espaço força do sinal de C

21 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-21 Protocolo MAC do IEEE : CSMA/CA Emissor se o canal estiver livre, espera um pequeno tempo (DIFS) e então transmite todo o quadro (não há detecção de colisão) 2 se o canal estiver ocupado então inicia um tempo de backoff aleatório faz contagem regressiva enquanto o canal estiver livre transmite qdo o tempo expirar se não chegar um ACK, aumenta o intervalo de backoff e repete o passo 2 Receptor se o quadro recebido estiver OK envia ACK depois de esperar um SIFS (o ACK é necessario devido ao problema do terminal escondido) sender receiver DIFS data SIFS ACK

22 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-22 IEEE : Evitando colisões idéia: permitir ao emissor reservar o canal ao invés de realizar um acesso aleatório dos quadros, evitando colisões de quadros longos r Emissor primeiramente envia pequenos pacotes de controle request- to-send (RTS) para o AP usando o CSMA, mas que é ouvido por todas as estações ao seu alcance (inclusive o AP) m Obs: os pacotes RTS podem ainda colidir uns com os outros, mas como eles são pequenos, não causam longos atrasos r AP envia um pct clear-to-send (CTS) para todas as estações que estão ao seu alcance, em resposta ao RTS r Emissor transmite o quadro de dados r Outras estações bloqueiam suas transmissões Evita completamente as colisões de quadros de dados usando pequenos pcts de reserva!

23 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-23 Evitando Colisões: troca de RTS-CTS AP A B tempo RTS(A) RTS(B) RTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) Colisão de RTSs bloqueio

24 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-24 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payloadCRC seq control Quadro : endereçamento Address 2: endereço MAC do host sem fio ou do AP transmitindo o quadro Address 1: endereço MAC host sem fio ou do AP Que vai receber o quadro Address 3: endereço MAC da interface do rot. ao qual o AP esta conectado Address 4: usado somente no modo ad hoc

25 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-25 Internet router AP H1 R1 AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address 3 Quadro R1 MAC addr AP MAC addr dest. address source address Quadro (ethernet) Quadro : endereçamento Obs: uma das principais funções de um AP é converter um quadro para um quadro ethernet e vice-versa

26 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-26 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 (cont.) duração do tempo de transmissão reservado (RTS/CTS) Num. de seq do quadro (para tx confiável com ARQ) Tipo do quadro (associação, RTS, CTS, ACK, dados) Definem o significado dos campos address, que mudam conforme o modo de uso e Se quem envia é um host ou um AP

27 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-27 hub or switch AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS : mobilidade dentro da mesma sub-rede router r H1 permanece na mesma sub-rede: endereço IP pode permanecer o mesmo (hub ou switch) r switch: qual AP está associado com H1? r “self-learning”: switches montam suas tabelas automaticamente, as não estão aptos a manusear mobilidade excessiva. Existe um par entre o end. de sua interface e H1 Solução: AP2 broadcasts um quadro ethernet com o endereço fonte de H1 logo depois da associação

28 6: Redes Sem Fio e Móveis 6-28 M radius of coverage S S S P P P P M S Master device Slave device Parked device (inactive) P : wireless personal area network (Piconet) r Dispositivos separados por, no máximo, 10 m de diâmetro r substitui dispositivos com fio por disp sem fio (mouses, teclados, headphones) r ad hoc: sem infra-estrutura r Mestre-escravo: m Escravos solicitam permissão para transmitir para o mestre m Mestre fornece permissão r Dispositivos parked : não podem transmitir até que seu estado seja trocado para ativo pelo mestre r : baseado na especificação Bluetooth m GHz espectro de rádio m Taxa de tx de até 721 kbps


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