IEEE 802.11 - Wi-Fi

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

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

3. 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)

4. Considerações inicias e princípios de funcionamento

5. 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

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

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

8. 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

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

10. 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

11. 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

12. 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

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

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

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

16. 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)

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

18. 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

19. Considerações inicias e princípios de funcionamento

20. Considerações inicias e princípios de funcionamento 802.11a • 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

21. 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

22. Considerações inicias e princípios de funcionamento

23. 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

24. 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

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

26. 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

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

28. Considerações inicias e princípios de funcionamento

29. Considerações inicias e princípios de funcionamento

30. 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

31. Considerações inicias e princípios de funcionamento

32. Considerações inicias e princípios de funcionamento Fragmentação

33. Considerações inicias e princípios de funcionamento

34. 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

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

36. Considerações inicias e princípios de funcionamento Rede Wlan centralizada

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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

42. 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

43. 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

44. Provisão de Qualidade de Serviço Extensão 802.11e

45. 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 ??

46. Aspectos práticos e implantação Ominidirecional Setorial Direcional

47. 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

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

49. 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

50. 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