Tópicos em Redes de Comp. I IEEE 802.11 - Wi-Fi Carlos A. Froldi Tópicos em Redes de Comp. I Prof. Edmundo Madeira

IEEE 802.11 - Wi-Fi Considerações iniciais e princípios de funcionamento Provisão de qualidade de serviço Aspectos práticos e implementação

Considerações inicias e princípios de funcionamento resolução 802.11 do IEEE trata da padronização de redes locais sem fio (WLANs), primeiro padrão foi desenvolvido em 1997 meta fundamental era fornecer serviços compatíveis com as redes 802.3 (Ethernet) Uma rede WLAN pode substituir ou estender uma rede local cabeada (LAN) provendo funcionalidades adicionais O padrão 802.11 especifica as camadas física e de controle de acesso ao meio (MAC)

Considerações inicias e princípios de funcionamento

Considerações inicias e princípios de funcionamento Facilidades providas por uma rede WLAN: Re-alocação de dispositivos sem a necessidade de alteração no cabeamento Cobertura de locais com dificuldade de suportar uma rede cabeada Prover mecanismos que permitam aos dispositivos pertencentes a mesma utilizar-se das facilidades providas pela computação móvel Quando utilizadas em conjunto com as LANs podem prover aos dispositivos sem fio toda a infra-estrutura de acesso a Internet

Considerações inicias e princípios de funcionamento Aspectos a serem considerados na utilização de Wlans: Transmissão do sinal Taxa de transmissão Taxa de erros

Considerações inicias e princípios de funcionamento A camada física do padrão 802.11 é ilustrada a seguir:

Considerações inicias e princípios de funcionamento PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) Na transmissão fica “esperando” o recebimento de frames da camada MAC, converte os mesmos para que possam ser transmitidos e os envia a PMD Na recepção efetua a operação inversa, ou seja, fica “escutando” o meio

Considerações inicias e princípios de funcionamento PLCP (Physical Layer Convergence Procedure)

Considerações inicias e princípios de funcionamento PMD (Physical Medium Dependent): Espalhamento de espectro por salto de freqüência (FHSS) Espalhamento de espectro por seqüência direta (DSSS) Infravermelho

Considerações inicias e princípios de funcionamento FHSS Utiliza faixas de freqüência não licenciadas, ou seja banda ISM (Industrial Scientifc Medical) Largura de banda disponível é dividida em vários canais de freqüência A estação, em curtos instantes de tempo durante a recepção e envio de dados, salta para outro canal seguindo um padrão aleatório 79 canais diferentes podem ser utilizados, iniciando em 2,402Ghz e variando em 1Mhz a cada canal A taxa básica é de 1 a 2 Mbps – utilizando a modulação gaussiana por chaveamento de freqüência (GSFK) de 2 ou 4 níveis respectivamente

Considerações inicias e princípios de funcionamento DSSS Transmissões simultâneas são separadas por códigos Uma operação XOR é realizada entre os dados originais e um fator de espalhamento e, como resultante tem-se a sub-divisão dos símbolos que constituem os dados em intervalos chamados chips O espalhamento é dividido em 11 subcanais, cada um com 11 Mhz Cada símbolo espalhado utiliza uma seqüência de Barker de 11 chips (+1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1) Redes locais devem utilizar canais cujas freqüências sejam separadas por no mínimo 25 Mhz

Considerações inicias e princípios de funcionamento Distribuição de canais no DSS:

Considerações inicias e princípios de funcionamento Ocupação dos canais no banda de transmissão:

Considerações inicias e princípios de funcionamento Utilização de múltiplos canais no DSS:

Considerações inicias e princípios de funcionamento Infravermelho Projetado para ambientes fechados Ondas com comprimentos entre 850 à 950 nm Transmissões com alcance de 10 metros Taxas entre 1 a 2 Mbps utilizando modulação por posição de pulso (PPM)

Considerações inicias e princípios de funcionamento Extensões ao padrão original 802.11: 802.11b 802.11a 802.11g

Considerações inicias e princípios de funcionamento 802.11b Tido como a primeira padronização que possibilitou a redes sem fio funcionalidade comparável a redes Ethernet Recebeu o selo Wi-Fi, abreviação em inglês de Wireless Fidelity (Fidelidade Sem Fio) por um grupo denominado WECA Utiliza na camada física uma extensão do DSSS, emprega um chaveamento de código complementar (8-chip Complementary Code Keyng – CCK) pode fornecer taxas de 5,5 a 11 Mbps Compatibilidade com o padrão original 802.11 garantido pela PLCP

Considerações inicias e princípios de funcionamento

Considerações inicias e princípios de funcionamento Utiliza multiplexação por divisão ortogonal de freqüência (OFDM) opera na faixa de freqüência de 5 Ghz OFDM divide o sinal em 48 subportadoras para prover taxas de 6 a 54 Mbps Utiliza como modulações: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Padrão não mantém compatibilidade com 802.11 e 802.11b

Considerações inicias e princípios de funcionamento 802.11g Utiliza OFDM, de forma similar ao padrão 802.11a, porém em uma freqüência de 2.4 Ghz Taxas de 6 a 54 Mbps Padrão mantém compatibilidade com 802.11 e 802.11b Utiliza mesmas modulações que o padrão 802.11a

Considerações inicias e princípios de funcionamento

Considerações inicias e princípios de funcionamento Subcamada de Acesso ao Meio (MAC) Serviço de entrega confiável Controlar o acesso ao canal sem fio Proteger dados utilizando técnicas de criptografia

Considerações inicias e princípios de funcionamento Subcamada de Acesso ao Meio (MAC) Emissor aguarda confirmação (ACK) do receptor após envio de quadro, na ausência do mesmo o quadro é retransmitido Retransmissão poderia ser implementada nas camadas superiores, porém é mais eficiente efetuar este controle na camada MAC

Considerações inicias e princípios de funcionamento Função de Coordenação Distribuída (DCF)

Considerações inicias e princípios de funcionamento Função de Coordenação Distribuída (DCF) Utiliza o CSMA/CA para acesso ao meio Processo de backoff quando o meio está ocupado por um período DIFS Estação calcula um tempo randômico levando em conta o tamanho da janela de contenção (CW) Janela aumenta a cada transmissão mal sucedida e tempo de backoff é recalculado tempo de backoff é decrementado sempre que o canal é detectado ocioso durante o tempo DIFS, quando atinge valor zero a estação transmite

Considerações inicias e princípios de funcionamento Problema da estação exposta e estação escondida

Considerações inicias e princípios de funcionamento

Considerações inicias e princípios de funcionamento

Considerações inicias e princípios de funcionamento Função de Coordenação Centralizada (PCF) Livre de contenção, baseia-se em consultas periódicas (polling) as estações para determinar quem terá acesso ao meio O AP geralmente implementa um ponto de coordenação Estações são consultadas periodicamente para utilização do meio

Considerações inicias e princípios de funcionamento

Considerações inicias e princípios de funcionamento Fragmentação

Considerações inicias e princípios de funcionamento

Considerações inicias e princípios de funcionamento Proteção e integridade dos dados: Meio sem fio mais sensível a intrusos Implementa métodos de cifragem na camada MAC Atualmente Existem dois padrões utilizados na prática: WEP e WPA

Considerações inicias e princípios de funcionamento As redes Wlan podem ser divididas em 2 arquiteturas: Rede Wlan Ad-hoc

Considerações inicias e princípios de funcionamento Rede Wlan centralizada

Considerações inicias e princípios de funcionamento Aumento da utilização de Wlans: Redução grande nos custos envolvidos Utilização de faixas de freqüências livres ou não licenciadas que simplificam sua utilização Aumento das taxas de transmissão

Provisão de Qualidade de Serviço Propostas de diferenciação de serviços baseados nas estações: PFC – envolvem esquemas de consulta que levam em conta prioridade das estações DFC – propostas elaboradas para trabalhar com priorização de estações, para isto alteram os parâmetros da camada MAC

Provisão de Qualidade de Serviço Esquema Aad Altera os parâmetros da camada MAC de acordo com a prioridade da estação Parâmetros alterados são: função de aumento do backoff, CW min, DIFS e tamanho máximo do quadro Estações com maior prioridade têm “maior agilidade” para utilização do meio Na prática oferece diferenciação apenas ao tráfego UDP

Provisão de Qualidade de Serviço Esquema Blackburst Estações de alta prioridade acessam o meio em intervalos iguais e constantes Estação verifica se o meio está livre por um intervalo PIFS e então envia o quadro Se meio está ocupado a estação envia uma rajada (black burst) para congestionar o meio Estações de baixa prioridade utilizam o esquema convencional de acesso do 802.11

Provisão de Qualidade de Serviço Extensão 802.11e Criada para prover diferenciação por fluxo de dados e não por estação Introduz uma camada de coordenação híbrida (HCF) HCF possui um coordenador híbrido (HC), responsável pela funcionalidade de QoS, geralmente implementado no AP Estações são chamadas de QSTAs (QoS Station) Prove o modo de acesso EDCF que complementa o modo de acesso DCF para utilização de diferenciação de serviços

Provisão de Qualidade de Serviço Extensão 802.11e Disponibiliza 8 categorias de acesso (AC) nas QSTAs para suportar até 8 prioridades do usuário (UP) Em cada estação uma ou mais UPs são atribuídas para cada AC Prioridades são atribuídas através de configurações dos parâmetros da camada MAC (ex.valores de CW) Novo tipo de intervalo chamado AIFS (DIFS + slot de tempo) Cada categoria de tráfego (TC) em uma estação comporta-se como uma estação virtual

Provisão de Qualidade de Serviço Extensão 802.11e TCs disputam o meio e implementam processos de backoff independentes (o que ocorre com backoffs que zeram ao mesmo instante de tempo???) Para melhorar o desempenho e a utilização do canal, as estações realizam a transmissão de quadros em rajadas durante intervalos de tempo chamados TxOps Os parâmetros de QoS utilizados nas estações são definidos pelo HC, sempre baseando-se em 8 prioridades, os mesmo são informados a cada QSTA para que possa haver o estabelecimento da funcionalidade de QoS

Provisão de Qualidade de Serviço Extensão 802.11e

Aspectos práticos e implantação Duas perguntas básicas para iniciar um projeto de Wlan: Utilização em ambientes indoor (ex.dentro de um prédio) ou outdoor (ex.ligando dois prédios)?? Utilização de antenas que utilizam propagação por espalhamento, direcional ou serial ??

Aspectos práticos e implantação Ominidirecional Setorial Direcional

Aspectos práticos e implantação Estudo de caso da rede Wlan do IC Padrão adotado Características físicas do prédio Prover mobilidade e conseqüentemente comutação entre células

Aspectos práticos e implantação Definições importantes: SSID (service set indentify) Métodos de cifragem de dados Impacto de interferências

Aspectos práticos e implantação RTS/CTS utilização ou não ?? T = ttr + tov   ttr - tempo de transmissão  tov - tempo de overhead Do tempo de overhead podemos concluir que:   tov = DIFS + tpr + SIFS + tpr + tack O tempo tpr é decorrente da transmissão do preamble e header da PLPC

Aspectos práticos e implantação RTS/CTS utilização ou não ?? DIFS = 50 us  SIFS = 10 us tack = 10 us (para ACKS menores que 112 bits)  tpr = 192 (para taxas maiores que 1Mbps)   Considerando o frame de 1500 bytes podemos afirmar:  P = ttr / T = 0,70 

Aspectos práticos e implantação RTS/CTS utilização ou não ??

Aspectos práticos e implantação RTS/CTS utilização ou não ??

Aspectos práticos e implantação RTS/CTS utilização ou não ??

Compatibilidade entre padrões 802.11g 802.11g

Compatibilidade entre padrões

Conclusão Redes sem fio, em comparação a redes cabeadas, possuem limitações quanto a taxa de transmissão Redes sem fio são mais sensíveis a interferências e ruídos no sinal de transmissão, acarretando um esforço maior para administração das mesmas No que diz respeito a segurança e integridade dos dados, redes sem fio são mais vulneráveis que redes cabeadas Deve-se optar por redes sem fio quando não há a possibilidade e/ou viabilidade para utilização de cabos Utilização do ISM é uma “faca de dois gumes”

Bibliografia Site do Lab. de Redes sem fio da Intel - http://intel.lab.ic.unicamp.br/twiki/bin/view/INF504/Arquivos Site do IEEE - http://grouper.ieee.org/groups/802/11/ Freitag, J – Provisão de Qualidade de Serviço em Redes IEEE 802.11 – Dissertação de Mestrado – Agosto de 2004