As Redes Sem Fio

1. As Redes Sem Fio

2. 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

3. 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.

4. 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

5. 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

6. 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.

7. 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

8. Tipos de redes sem fio • Principais tipos e seus padrões

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

10. 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)

11. 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)

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

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

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

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

16. C 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 C D

17. 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;

18. Sub-padrões IEEE 802.11

19. 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 meioé o CSMA/CA. • Técnica de modulaçãoOFDM– Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ). • NÃOécompatível com 802.11b e 802.11g

20. 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 meioé o CSMA/CA. • Técnica de modulaçãoDSSS– Espalhamento de Espectro por Seqüência Direta (Direct sequence spread spectrum). • 1º padrão comercial amplamente difundido.

21. 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 meioé o CSMA/CA. • Técnica de modulaçãoOFDM– Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ). • É COMPATÍVEL com 802.11b.

22. 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 modulaçãoOFDM-MIMO, Multiplexação por Divisão de Freqüência Ortogonal - (Multiple-Input Multiple-Output). • Teoricamente pode ser COMPATÍVEL com os outros padrões.

23.  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 O uso de canais e a associação no ponto de acesso 6 - 23

24.  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) O controle de acesso ao meio 6 - 24

25. 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

26. 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) O protocolo CSMA/CA

27. 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 Evitando colisões Evita colisões de quadros de dados completamente usando pequenos quadros de reserva! 6 - 27

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

29. 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 Endereço 2: endereço MAC do hospedeiro sem fio ou AP transmitindo este quadro 6 - 29

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

31. Wi-Fi - IEEE 802.11 • Aplicações:Escritórios Residenciais

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