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As Redes Sem Fio

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  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