Redes sem fio (wireless) Prof: Diovani Milhorim

Introdução Como funciona uma Rede Wireless? As WLANs utilizam sinais de RF ou infravermelho para a transmissão de dados, minimizando a necessidade de cabos de conexão dos usuários à rede.

Introdução O que são as Wireless LAN? Uma WLAN é uma rede local sem fio, implementada como extensão ou alternativa para redes convencionais. Dentre os padrões utilizados podemos encontrar: IEEE 802.11 (wi-fi) IEEE 802.16 (wi-max) Bluetooth Home RF

Exemplo de rede wireless

Princípios Básicos de Wireless LANs Principios Basicos Princípios Básicos de Wireless LANs Oferecem conectividade em áreas difíceis ou impossíveis de se cabear Flexibilidade para expansões, mudanças e alteração de Layout Permite que aplicações e equipamentos móveis operem como em redes cabeada.

Grupo 802.11 Grupo criado pelo IEEE para desenvolver padrão para a comunicação em redes wireless. O Projeto IEEE 802.11 tem, entre outras, as seguintes premissas: suportar diversos canais; sobrepor diversas redes na mesma área de canal; apresentar robustez com relação a interferência; possuir mecanismos para evitar nós escondidos; oferecer privacidade e controle de acesso ao meio.

Grupo 802.11 Comparação do modelo OSI com o padrão 802.11

Grupo 802.11 Comparação do modelo OSI com o padrão 802.11

Transmissão de dados através de rádio Wireless Network Rede Sem Fio: Transmissão de dados através de rádio freqüência. Rede Cabeada Tradicional: Transmissão de dados via Cabo Metálico e fibra óptica

Formas de Operação As formas de operação ou configuração são: Ad Hoc Network. A comunicação entre as estação é point-to-point. Infrastructure Network. A comunicação entre as estações é através de um Access Point, meio que permite acesso das estações sem fio a rede cabeada

Rede1 Rede1 Rede1 Rede1 Modo de operação Ad Hoc Network Comunicação entre estações sem uso de Access Points Rede1 Rede1 Rede1 Rede1

Modo de operação Infrastructure Network Comunicação entre estações usando Access Points

Elementos da topologia: Topologia IEEE 802.11 Elementos da topologia:   BSS - Basic Service Set. Corresponde a uma célula de comunicação da rede sem fio. STA - Wireless LAN Stations. São os diversos clientes da rede.AP Access PointÉ o nó que coordena a comunicação entre as STAs dentro da BSS. Funciona como uma ponte de comunicação entre a rede sem fio e a rede convencional. DS - Distribution System. Corresponde ao backbone da WLAN, realizando a comunicação entre os APs. ESS - Extended Service Set. Conjunto de células BSS cujos APs estão conectados a uma mesma rede convencional. Nestas condições uma STA pode se movimentar de uma célula BSS para outra permanecendo conectada à rede. Este processo é denominado de Roaming. 

Elementos da topologia: Topologia IEEE 802.11 Elementos da topologia:  

Método de acesso ao meio O mecanismo básico do controle de acesso DFWMAC é ilustrado abaixo, nela podemos observar que uma estação, com quadros para transmitir, deve sentir o meio livre por um período de silêncio mínimo, IFS (Inter Frame Space), antes de utiliza-lo. Utilizando valores diferentes para esse período. O DFWMAC define três prioridades de acesso ao meio

Método de acesso ao meio Distributed Inter Frame Spacing (DIFS) – espaço entre quadros da DCF (Função de Coordenação Distribuída), este parâmetro indica o maior tempo de espera, portanto a menor prioridade; ele monitora o meio, aguardando no mínimo um intervalo de silêncio para transmitir os dados. · Priority Inter Frame Space (PIFS) – espaço entre quadros da PCF (Função de Coordenação Pontual), um tempo de espera entre o DIFS e o SIFS (prioridade média) , é usado para o serviço de acesso com retardo, ou seja um ponto de acesso controlando outros nós, so precisa esperar um tempo PIFS para acessar o meio. · Short Inter Frame Space (SIFS) – é usado para transmissão de quadros carregando respostas imediatas (curtas), como ACK que possuem a mais alta prioridade.

Método de acesso ao meio Representa o método de acesso básico do protocolo DFWMAC. É uma função conhecida como CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) com reconhecimento. A DCF trabalha semelhantemente a função CSMA/CD da tecnologia de rede local cabeada (Padrão Ethernet 802.3), apenas com uma diferença: o protocolo CSMA/CD do Ethernet controla as colisões quando elas ocorrem, enquanto que o protocolo CSMA/CA do padrão sem fio apenas tenta evitar as colisões. A utilização dessa função distribuída é obrigatória para todas as estações e pontos de acesso (APs), nas configurações Ad Hoc e com infra- estrutura, e ela, a DCF, trabalha da seguinte maneira, quando uma estação deseja transmitir

Método de acesso ao meio A DCF, trabalha da seguinte maneira, quando uma estação deseja transmitir: a estação sente o meio para determinar se outra estação já está transmitindo. se o meio estiver livre há pelo menos um intervalo de tempo DIFS, a estação transmite seu quadro imediatamente, caso contrário, ela aguarda DIFS novamente, cada estação escolhe um tempo aleatório de retirada (Back-off time) e atrasa esse tempo aleatório sua tentativa de acesso ao meio. Se ao terminar seu tempo de back-off a estação encontrar o meio livre, ela transmitirá. Esse tempo de back-off é escolhido por cada estação respeitando um limite máximo, que pode variar de acordo com a carga de utilização da rede. Se a rede está muito carregada, esse limite máximo para o tempo de retirada vai dobrando a cada colisão até chegar ao limite máximo de 255 ms. · após cada transmissão com ou sem colisão, a rede fica em um modo onde as estações só podem começar a transmitir em intervalos de tempo a elas pré-alocados. ao findar uma transmissão, as estações alocadas ao primeiro intervalo têm o direito de transmitir. Se não o fazem, o direito passa as estações alocadas ao segundo intervalo, e assim sucessivamente até que ocorra uma transmissão, quando todo o processo reinicia. se todos os intervalos não são utilizados, a rede entra então no estado onde o CSMA comum é usado para acesso, podendo dessa forma ocorrer colisões.

Método de acesso ao meio Para melhorar a transmissão de dados, o protocolo DFWMAC acrescenta ao método CSMA/CA com reconhecimento, um mecanismo opcional que envolve a troca de quadros de controle RTS (Request To Send) e CTS (Clear To Send) antes da transmissão de quadros de dados. · Uma estação, após aguardar DIFS e seu tempo de retirada aleatório, antes de efetivamente transmitir o quadro de dados, transmite um quadro de controle RTS, que carrega uma estimativa da duração no tempo da futura transmissão do quadro de dados e o ACK associado a este, além do destinatário da transmissão de dados por vir.. · A estação de destino ao receber o quadro de controle RTS acerta o seu Vetor de Alocação de Rede (NAV). O NAV especifica quando uma estação tentará acessar o meio novamente. Em resposta ao RTS, o receptor envia um quadro de controle CTS avisando que está pronto para receber o quadro de dados. O CTS informa as demais estações sobre a transmissão que vai ocorrer, fazendo com que estas também acertem seus NAVs. Agora, todas as estações estão informadas sobre a transmissão e irão esperar para acessar o meio. Só então, a estação transmissora envia o quadro de dados após SIFS, que deve ser respondido com um reconhecimento (ack) enviado pela estação receptora. . Neste caso, uma colisão so acontecerá se duas estações enviarem um RTS ao mesmo tempo. O RTS só deve ser usado quando temos um quadro maior, pois seu uso acarreta uma sobrecarga na rede (overhead). O

Quadro 802.11 Quadro mac de uma rede 802.11

Quadro 802.11 – Campos do Frame control Protocol Version (versão do protocolo): Indica a versão corrente do protocolo 802.11 utilizado. As estações receptoras usam esse valor para determinar se a versão do protocolo do quadro recebido é suportada. Type e Subtype (tipo e subtipo): determina a função do quadro. Há 3 diferentes tipos de quadro: controle, dados e gerenciamento. Há múltiplos subtipos para cada tipo de quadro. Cada subtipo determina uma função específica desempenhada com o seu tipo de quadro associado. To DS (para o sistema distribuição) e From DS (do sistema de distribuição): Indica se o quadro está indo para o DS ou se é oriundo do DS. Esses campos somente são utilizados em quadro do tipo dados de estações associados a AP.

Quadro 802.11 – Campos do Frame control More Fragments (mais fragmentos): indica se mais fragmentos do quadro (dado ou gerenciamento) estão vindo. Retry (retransmissão): indica se a informação (dado ou gerenciamento) está ou não sendo retransmitida. Power Management (Gerencimento de Energia): indica se a estação que transmitiu a informação está em active mode (modo ativo) ou em power-save-mode (modo economia de energia).

Quadro 802.11 – Campos do Frame control More Data (mais dados): indica para uma estação operando em power-save-mode que o AP tem mais quadros para enviar. Isso é também usado por AP’s para indicar que quadros de broadcast/multicast adicionais estarão sendo enviados. WEP: indica ou não se está sendo usado no quadro o processo de criptografia e autenticação. Isso pode ser configurado para todos os quadros de dados e gerenciamento que têm o subtype configurado para autenticação. Order (ordem): indica se todos os quadros de dados recebidos devem ser processados em ordem.

Quadro 802.11 Duration/ID Field (Duração/ID Campo) Esse campo é usado para todos os campos de controle, exceto com o subtype chamado Power Save (PS) Poll, para indicar o tempo restante necessário para receber a próxima transmissão. Quando é usado o subtipo PS Poll, esse campo contém a AID (Associaton Identity) da estação que está transmitindo. Para a reserva virtual usando-se CTS/RTS esse campo contém o período de tempo que o meio vai ficar ocupado.

Quadro 802.11 Address Field (Campo Endereço) Dependendo do tipo de quadro, os 4 campos de endereço irão conter uma combinação dos seguintes tipos de endereços, conforme ilustrado na tabela 1: BSS Indentifier – BSSID (Identificador de BSS): BSSID unicamente identifica cada BSS. Quando o quadro é vindo de uma estação que opera em modo infra-estrutura BSS, BSSID é o endereço MAC do AP. Quando o quadro é vindo de uma estação que opera em modo ad hoc (IBSS), o BSSID é um número randômico gerado e localmente administrado pela estação que iniciou a transmissão. Destination Address – DA (Endereço Destino): indica o endereço MAC do destino final para a recepção do quadro. Source Address – AS (Endereço Fonte): indica o endereço MAC da fonte que originou (criou) e transmitiu inicialmente o quadro. Receiver Address – RA (Endereço do Receptor): indica o endereço MAC da próxima estação que irá receber o quadro. Transmitter Address – TA (Endereço do Transmissor): indica o endereço MAC da estação que transmitiu o quadro na rede sem fio.

Quadro 802.11 Sequence Control (Controle de Seqüência) Esse campo contém dois subcampos, conforme mostra a Figura 5: Sequence Number (Número de Fragmento): indica o número de seqüência de cada quadro. Esse número é sempre o mesmo para cada quadro enviado para o caso de um quadro fragmentado. Já para o próximo quadro não fragmentado, o número é incrementado até atingir 4095 e então retornar para o valor zero novamente. Fragment Number (Número de Seqüência): indica o número para cada fragmento do quadro enviado. O valor inicial é zero e é incrementado para cada fragmento.

Quadro 802.11 Frame Body (Corpo do Quadro) Contém a informação específica de dados ou de gerenciamento.

Quadro 802.11 Frame Check Sequence – FCS (Seqüência de Verificação do Quadro) O transmissor do quadro aplica um CRC-32 (Cyclic Redundancy Check) sobre todos os campos do cabeçalho MAC e sobre o corpo do quadro para gerar o FCS. O receptor do quadro utiliza-se do mesmo CRC para determinar o seu próprio valor de FCS e então verificar se ocorreu ou não erro durante a transmissão.

Tecnologia Wi-fi Freqüências Técnica de Modulação Taxa de Dados   Freqüências Técnica de Modulação Taxa de Dados 802.11b 2400-2483,5 MHz BPSK, QPSK e CCK até 11 Mbit/s 802.11g OFDM, QPSK e QAM até 54 Mbit/s 802.11a 5150-5350 MHz 5470-5725 MHz* 5725-5850 MHz BPSK/QPSK, 16-QAM ou 64-QAM

Freqüências disponíveis no Brasil Tecnologia Wi-fi Freqüências disponíveis no Brasil   As redes WiFi utilizam freqüências que não precisam de autorização para serem utilizadas. As condições de uso destas freqüências no Brasil estão estabelecidas pelo Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita.(seções IX e X), reeditado pela resolução 365 de 10/05/04 da Anatel.  

Freqüências disponíveis no Brasil Tecnologia Wi-fi Freqüências disponíveis no Brasil   Freqüências (MHZ) Condições de uso no Brasil 2400-2483   5725-585 Destinadas no Brasil, em caráter secundário, a Equipamentos de Radiocomunicação Restrita (wi-fi)  A faixa de 2400 MHz é utilizada no Brasil em caráter primário pelo Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) e de Repetição de TV. A Anatel estabeleceu que sistemas (2400 MHz) em localidades com população superior a 500 mil habitantes e com potência (eirp) superior a 400 mW não podem operar sem autorização da Anatel. 5150-5350 5470-5725 Sistemas de Acesso sem Fio em Banda Larga para Redes Locais. A faixa de 5150-5350 MHz pode ser utilizada em ambientes internos (indoor) e a de 5470-5725 MHz em ambientes externos e internos.  

Freqüências utilizadas 26 MHz 902-928 83.5 MHz 2400-2483,5 125 MHz 5725-5850 2.45 Ghz 915 MHz 5.7875 Ghz 2.4 Ghz 5.7 Ghz Bandas Licenciadas

CANAIS DE TRANSMISSÃO Distribuição de Canais ISM – Industrial, Scientific and Medical 2401 1 2423 2412 2426 6 2448 2437 2451 11 2473 2462 2406 2 2428 2417 2431 7 2453 2442 2436 8 2458 2447 2411 3 2433 2422 2416 4 2438 2427 2441 9 2463 2452 2421 5 2443 2432 2446 10 2468 2457 Limite Inferior Limite Superior Número do Canal Frequência Central 24835 MHz 2400 MHz Banda ISM

Tecnologia Wi-fi Técnicas de Modulação   DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) é o espalhamento espectral por sequência direta.   OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ou Multiplexação Ortogonal por Divisão de Frequência é uma técnica de modulação mais eficiente que o DSSS.

Segurança Múltiplos níveis de segurança Tecnologia Spread Spectrum Codifica e espalha informação pela banda Código de Rede (SSID / MAC) Definido pelo administrador da rede Login e senha Acesso restrito Acesso restrito IEEE 802.1x Criptografia WEP ( 40 / 128 bits e 64 / 128 / 256 bits) Nível 1 Nível 2 Nível 3 Nível 4

Barreiras RF Barreira Criticidade Exemplos: Ar Minima Madeira Baixa Divisórias Gessor Baixa Paredes Internas Material Sintetico Baixa Divisórias Asbestos Baixa Tetos Vidros Baixa Janelas Agua Media Madeiras Umidas, Aquarios Tijolos Media Paredes Internas e Externas Marmore Media Paredes Internas Rolo de Papel Alta Rolos de papel Concreto Alta Pisos. Paredes externas Vidro a prova de balas Alta Salas de segurança Metal Muito Alta Mesas, divisórias de metal

Desempenho em função do lay-out • A situação dos Aps dependerá das características de construção da área. • Paredes muito grossas ou com estrutura metálica. • Os móveis do escritório, podem criar sombras dentro da área de cobertura. • Interferência de RF na área de instalação dos APs. • Mediante a utilização de ferramentas que mostrem a qualidade de enlace, é possível criar um mapa de cobertura.

Aplicações Onde houver inviabilidade de distribuição por cabos Ambientes internos (indoor) Ambientes extenos entre edificações (outdoor) Ampliação de redes cabeadas

Vantagens Livre de Cabeamento – Elimina a necessidade de passar cabos por tetos e paredes Redução do Custo Agregado – Menos necessidade de manutenção, fácil expansão e robustez, fatores que amenizam o tempo para recuperação de gastos empregados. Alta Mobilidade – Roaming local e acesso imediato a outras redes durante visitas a clientes. Flexibilidade - Permite que a rede alcançe lugares onde os cabos metálicos não poderiam chegar Escalabilidade – Diversas tecnologias de configurações facilmente alteradas.

Wi-max O padrão IEEE 802.16, completo em outubro de 2001 e publicado em 8 de abril de 2002, especifica uma interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN). Foi atribuído a este padrão, o nome WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access/Interoperabilidade Mundial para Acesso de Micro-ondas). Este padrão é similar ao padrão Wi-Fi (IEEE 802.11), que já é bastante difundido, porém agrega conhecimentos e recursos mais recentes, visando uma melhor performance de comunicação.

Wi-max A tecnologia foi desenvolvida por um pool de empresas, lideradas pela Intel e pela Nokia, com base na norma 802.16 da Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Além de operar em uma ampla faixa de freqüência – de 2 a 66 GHz – as principais vantagens estão no tripé banda larga, longo alcance e dispensa de visada, o que não ocorre com outras tecnologias sem-fio.

Wi-max Prós Diminui custos de infra-estrutura de banda larga para conexão com o usuário final (last mile); Deverá ter uma aceitação grande por usuários, seguindo a tecnologia Wi-Fi (IEEE 802.11) e diminuindo ainda mais os custos da tecnologia; Possibilitará, segundo a especificação, altas taxas de transmissão de dados; Possibilitará a criação de uma rede de cobertura de conexão de Internet similar à de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em movimento; Existe amplo suporte do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria.

Wi-max Contras Nos testes atualmente realizados mostrou-se como grande frustração quanto à taxa de transmissão; Apesar das muitas iniciativas e pesquisas, essa tecnologia ainda tem um período de maturação a ser atingido; Pode, em alguns paises, haver sobreposição de utilização de freqüência com algum serviço já existente; Nas faixas de frequência mais altas existem limitações quanto a interferências pela chuva, causando diminuição de taxas de transferências e dos raios de cobertura.

Experiências com wi-max Rede de dados em wi-max instaladas pela multinacional INTEL e o governo do estado do Rio de Janeiro na cidade de Mangaratiba. Rede de dados em wi-max instaladas pela multinacional INTEL na cidade de Ouro preto. Rede de dados em wi-max instaladas pela multinacional INTEL na cidade de Belo Horizonte.

Bluetooth A tecnologia Bluetooth é utilizadas em redes pessoais WPANs (Wireless Personal Area Networks). Permite taxas de transmissão de até 1 Mbit/s Atinge uma distância nominal até 10 metros.