Prof: Carlos Alberto Vieira Campos As Redes Sem Fio Prof: Carlos Alberto Vieira Campos

Roteiro da Aula Introdução Características das redes sem fio Tipos de redes sem fio Modos de operação Os problemas de terminal escondido e exposto O padrão IEEE 802.11e suas variações Canais e associação O protocolo CSMA/CA O quadro 802.11 Estudos de caso

Introdução Definição: As redes sem fio são compostas por dispositivos computacionais que se comunicam sem a necessidade de fios e sim, utilizando geralmente, antenas de rádio para enviar sinais eletromagnéticos através do ar atmosférico. As redes sem fio, trazem novos requisitos e desafios não encontrados em redes de computadores com fio.

Elementos de uma rede sem fio Hospedeiros sem fio  Laptop, PDA, IP phone  Rodam aplicações  Pode ser fixos ou móveis “sem fio” nem sempre significa mobilidade Handoff

Elementos de uma rede sem fio Estação-base Tipicamente se conecta à rede cabeada Relay – responsável por enviar pacotes entre a rede cabeada e os hospedeiros sem fio na sua “área” Ex.: torres de celular pontos de acesso 802.11

Elementos de uma rede sem fio Enlace sem fio  Tipicamente usado para conectar os hospedeiros móveis à estação-base  Também usado como enlace de backbone  Necessitam de protocolos de acesso múltiplos para coordenar o acesso  Várias taxas de dados e distâncias de transmissão.

Características Força reduzida do sinal: os sinais de rádio se atenuam à medida que elesse propagam através da matéria (path loss) Interferência de outras fontes: as freqüências padronizadas para redes sem fio (ex., 2,4 GHz) são compartilhadas por outros equipamentos (ex., telefone sem fio); motores também produzem interferência Propagação de múltiplos caminhos: o sinal de rádio se reflete no solo e em objetos. O sinal principal e os refletidos chegam ao destino em instantes ligeiramente diferentes Taxas de erros maiores que em redes cabeadas

Tipos de redes sem fio Principais tipos e seus padrões

Tipos de redes sem fio Taxa de dados X alcance 200 54 5-11 802.11a,g 802.16 (WiMAX) 5-11 802.11b Taxa de dados (Mbps) 4 Melhorias 3G UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 1 802.15 0,384 UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G 0,056 IS-95, CDMA, GSM 2G Indoor 10-30m Outdoor 50-200m Outdoor médio alcance 200m – 4 Km Outdoor longo alcance 5Km – 20 Km

Tipos de redes sem fio O enfrentamento de novos desafios para o suporte a computação móvel e ubíqua está proporcionando redes sem fio com novas características auto-configuração dos dispositivos, auto-organização da rede, auto-gerenciamento dos recursos, suporte a mobilidade, a troca de dados sem uma infra-estrutura pré-existente e tolerância a atrasos e desconexões. Redes Móveis Ad hoc (MANETs) Redes de Sensores Sem Fio (sensor networks) Redes em Malha Sem Fio (mesh networks) Redes Tolerantes à Atrasos e Desconexões (DTN)

Modos de operação modo infraestruturado Hospedeiro sem fio se comunica com um ponto de acesso (acess point - AP) Basic Service Set (BSS) (ou “célula”) no modo infra-estrutura contém:  Hospedeiros sem fio  Ponto de acesso (AP)

Modos de operação Independent BSS (IBSS) Modo ad hoc modo usado nas MANETs e DTN

Arquitetura de uma rede sem fio Usuário final A Usuário final B Protocolos das Protocolos das Camadas Superiores Camadas Superiores Camada de Rede Camada de Rede WWANs Rede Sem Fio Camada Enlace Camada Enlace WPAN, WLAN e WMAN Camada Física Camada Física

Alguns problemas em redes sem fio terminal escondido A A B C D

Alguns problemas em redes sem fio Terminal escondido A A B C C D

pensa que não pode transmitir para B Terminal Exposto O terminal B está tentando transmitir para A. O terminal C pode ouvir a transmissão de B. Então C percebe a portadora de B e “pensa”que o canal está ocupado. Entretanto a transmissão de C não pode interferir em A. C gostaria de transmitir para D e não para A. Então C é chamado de um terminal exposto para B. pensa que não pode transmitir para B A B B C C D

Wi-Fi – O padrão IEEE 802.11 Representa um conjunto de padrões para redes locais sem fio especificado pelo IEEE; Cada sub-padrão possui características específicas: Várias técnicas de modulação: As mais populares definidas: “b”, “a”, “g” e “n”. Os demais sub-padrões incluem melhorias de serviço e extensões ou correções de especificações anteriores;

Sub-padrões IEEE 802.11 Padrão Descrição IEEE 802.11 “Original”; 1 e 2 Mbit/s; 2,4 GHz RF e IR (1997) IEEE 802.11a 54 Mbit/s, 5 GHz (1999) IEEE 802.11b 5.5 e 11 Mbit/s, 2,4 GHz (1999) IEEE 802.11d Extensão de roaming Internacional (2001) IEEE 802.11e Melhorias para suporte a QoS (2005) IEEE 802.11f Protocolo entre pontos de acesso- handoff (2003) IEEE 802.11g 54 Mbit/s, 2,4 GHz, compatível com 802.11b (2003) IEEE 802.11i Melhorias de segurança (2004) IEEE802.11n Aumento na largura de banda, centenas de Mbps

Wi-Fi - IEEE 802.11 IEEE 802.11a Opera na faixa de freqüência de 5 GHz. Taxa de dados máxima de 54 Mbit/s. Método de acesso ao meio é o CSMA/CA. Técnica de modulação OFDM – Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ). NÃO é compatível com 802.11b e 802.11g

Wi-Fi - IEEE 802.11 IEEE 802.11b Opera na faixa de freqüência de 2.4 GHz. Taxa de dados máxima de 11 Mbit/s. Método de acesso ao meio é o CSMA/CA. Técnica de modulação DSSS – Espalhamento de Espectro por Seqüência Direta (Direct sequence spread spectrum). 1º padrão comercial amplamente difundido.

Wi-Fi - IEEE 802.11 IEEE 802.11g Opera na faixa de freqüência de 2.4 GHz. Taxa de dados máxima de 54 Mbit/s. Método de acesso ao meio é o CSMA/CA. Técnica de modulação OFDM – Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ). É COMPATÍVEL com 802.11b.

Wi-Fi - IEEE 802.11 IEEE 802.11n draft Opera na faixa de freqüência de 2,4 GHz e 5 GHz. Taxa de dados de até 300 Mbit/s. Técnica de modulação OFDM-MIMO, Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal - (Multiple-Input Multiple-Output). Teoricamente pode ser COMPATÍVEL com os outros padrões.

O uso de canais e a associação no ponto de acesso  802.11b: o espectro de 2,4 GHz-2,485 GHz é dividido em 11 canais de diferentes freqüências  O administrador do AP escolhe a freqüência para o AP  Possível interferência: canal pode ser o mesmo que aquele escolhido por um AP vizinho!  Hospedeiro: deve se associar com um AP  Percorre canais, buscando quadros beacon que contêm o nome do AP (SSID) e o endereço MAC  Escolhe um AP para se associar  Pode realizar autenticação [mecanismo de segurança]  Usa tipicamente DHCP para obter um endereço IP na sub-rede do AP 6 - 23

O controle de acesso ao meio  Evita colisões: 2 ou mais nós transmitindo ao mesmo tempo  802.11: CSMA – escuta antes de transmitir  Não colide com transmissões em curso de outros nós  802.11: não faz detecção de colisão!  Difícil de receber (sentir as colisões) quando transmitindo devido ao fraco sinal recebido (desvanecimento)  Pode não perceber as colisões: terminal oculto, fading  Meta: evitar colisões: CSMA/C(collision)A(voidance) 6 - 24

O controle de acesso ao meio Dois modos de operação CSMA/CA: Distributed Coordination Function (DCF) com disputa pelo meio Priority-Based: Point Coordination Function (PCF) coordenador no ponto de acesso sem disputa pelo meio

O protocolo CSMA/CA Transmissor 802.11 1. Se o canal é percebido quieto (idle) por DIFS então  Transmite o quadro inteiro (sem CD). 2. Se o canal é percebido ocupado, então  Inicia um tempo de backoff aleatório  Temporizador conta para baixo enquanto o canal está quieto  Transmite quando temporizador expira Se não vem ACK, aumenta o intervalo de backoff aleatório, repete 2. Receptor 802.11  Se o quadro é recebido OK retorna ACK depois de SIFS (ACK é necessário devido ao problema do terminal oculto)

Evitando colisões Idéia: permitir ao transmissor “reservar” o canal em vez de acessar aleatoriamente ao enviar quadros de dados: evita colisões de quadros grandes  Transmissor envia primeiro um pequeno quadro chamado request to send (RTS) ao ponto de acesso usando CSMA  RTSs podem ainda colidir uns com os outros, mas são pequenos  O ponto de acesso envia em broadcast clear to send (CTS) em resposta ao RTS CTS é ouvido por todos os nós  Transmissor envia o quadro de dados  Outras estações adiam suas transmissões Incluir figura com RTS e CTS (Fig. 6.10) Evita colisões de quadros de dados completamente usando pequenos quadros de reserva! 6 - 27 27

Evitando colisão: a troca de RTS-CTS AP A B time RTS(A) RTS(B) CTS(A) DATA (A) ACK(A) reservation collision defer 28

Quadro 802.11: endereçamento Endereço 4: usado apenas no modo ad hoc Endereço 1: endereço MAC do destino ou AP que deve receber o quadro Endereço 3: endereço MAC da interface do roteador à qual o AP é ligado Explicar melhor (detalhar) a utilização destes campos de endereço Endereço 2: endereço MAC do hospedeiro sem fio ou AP transmitindo este quadro 6 - 29 29

Quadro 802.11 # seg do quadro Duração do tempo de (para ARQ confiável) transmissão reservada (RTS/CTS) Tipo de quadro (RTS, CTS, ACK, dados) 6 - 30

Wi-Fi - IEEE 802.11 Aplicações: Escritórios Residenciais

Wi-Fi - IEEE 802.11 Aplicações: Redes em Salas de Aula