REDES DE COMPUTADORES Redes Sem Fio e Redes Móveis. Alexandre Augusto Giron

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1 REDES DE COMPUTADORES Redes Sem Fio e Redes Móveis Alexandre Augusto Giron

2 ROTEIRO Introdução CDMA e CSMA/CA Mobilidade Wi-Fi: LANs sem fio Acesso celular à Internet Roteamento móvel IP móvel Segurança em LANs sem fio (cap. 8)

3 Introdução Grande aumento no número de aparelhos celulares Aumento na qualidade do serviço wireless Exemplo de redes Sem fio: Wi-Fi Rede 3G (telefonia celular)

4 Introdução Evolução das Assinaturas de Celular no Brasil (Anatel, ITU World Telecom.)

5 Introdução Evolução do Telefone Fixo

6 Conceitos Diferença entre sem fio e mobilidade Mobilidade alta é manter a transferência de dados, conexões, mesmo movendo-se entre redes Sem fio pode não haver mobilidade Uma rede sem fio doméstica, no escritório, no laboratório de uma universidade Hospedeiros sem fio: Sistema final com adaptador sem fio; Estação-base: Ponto responsável pelo envio e recebimento de dados Associação: hospedeiro dentro do alcance e usa a estação-base para se comunicar com redes externas Exemplos: Torre de telefonia celular, Ponto de acesso (LAN sem fio)

7 Conceitos

8 Conceitos

9 Conceitos Enlace sem fio Conectam os hospedeiros ao ponto de acesso Protocolo de Acesso múltiplo para coordenar o acesso ao enlace Várias taxas de transmissão diferentes

10 Velocidades de transmissão

11 Canais de comunicação Espectro de radiofrequência dividido em intervalos Canais em frequências próximas podem causar interferência mútua Frequências disponíveis Frequência 1,8 GHz Frequência 2,4 2,485 GHz (2,5 no Brasil) Frequência 5,15 5,825 GHz

12 Canais de comunicação Espectro de radiofrequência dividido em intervalos Canais em frequências próximas podem causar interferência mútua Frequências disponíveis Frequência 1,8 GHz - Celular GSM Frequência 2,4 2,485 GHz (2,5 no Brasil) - Bluetooth, b e g Frequência 5,15 5,825 GHz

13 Padrões de Redes Sem fio reúne especificações para cada subpadrão, desenvolvido pela IEEE b: Primeiro subpadrão Até 11 Mbps de velocidade Opera em 2,4 GHz Permite no máximo 32 clientes

14 Padrões de Redes Sem fio a: Aumento na velocidade para 54 Mbps Opera na faixa 5 GHz g Herda as características do a mas não opera na faixa 5 GHz Permite interoperar com b i Mecanismos de autenticação e sigilo n Modificação na modulação usada para obter maiores velocidades 100 a 500 Mbps World Wide Spectrum Efficiency

15 Características dos enlaces sem fio Redução da força de sinal Também denominada atenuação de percurso Ocorre à medida que aumenta a distância Interferência de outras fontes Várias fontes transmitindo na mesma frequência sofrem interferência Ruído eletromagnético presente Aparelho microondas próximo pode causar interferência Propagação multivias Resulta em embaralhamento de sinal Quando há reflexão da onda eletromagnética em objetos ou solo

16 Características dos enlaces Padrões definem Basic Service Set (BSS): definido por um AP Conjunto de estações que podem se comunicar na área de cobertura Exemplo: rede residencial: AP + roteador e estações Service Set Identifier (SSID) Nome da rede Wifi sem fio

17 Modos de Operação Modo Infraestrutura Concentrador como equipamento principal Controle de banda, autenticação e segurança em único ponto Modo Ad-Hoc Equipamentos conectam-se diretamente entre si Pequenas redes

18 O problema do terminal oculto

19 O problema do terminal oculto A e C estão transmitindo para B Uma obstrução física pode impedir que A tome conhecimento da transmissão de C As transmissões simultâneas de A e C Podem causar interferência em B

20 O problema do Desvanecimento do sinal A e C também não detectam a transmissão um do outro Sinal suficientemente forte para causar interferência em B

21 Acesso Múltiplo O desvanecimento do sinal e a ocultação de terminal dificultam o acesso múltiplo Ocorrência de colisões Métodos mais usados: Code Division Multiple Access (CDMA) Divisão de código Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Acesso Aleatório

22 CDMA No CDMA, cada bit enviado é codificado Sinal codificado = dados * código Particionamento do código entre os usuários A frequência é a mesma, mas cada um tem a própria sequência de variação do código (velocidade de chipping ) Decodificação requer nova multiplicação para obter os dados originais

23 CDMA

24 CDMA Onde: Int. 1: Intervalo 1 Bits de dados (d i ) 1 0 (representado por -1) M: tamanho do intervalo do código Nesse caso igual a 8

25 CSMA/CA Usado na maioria dos padrões Não há detecção de colisão Potência do sinal é menor que no Ethernet CA: Collision Avoidance Prevenção de colisão Reconhecimentos e retransmissão

26 CSMA/CA Na prevenção de colisão, o nó não transmite enquanto há o back-off exponencial Mas continua se uma colisão ocorreu Como prevenir? Antes de transmitir, nó envia parâmetros sobre a transmissão Duração do envio ACK é transmitido pelo nó de destino Se o ACK não for recebido, o nó origem retransmitirá após um novo back-off exponencial

27 CSMA/CA no RTS: Request to Send Indica o tempo total para os dados CTS Clear to Send O nó que fez o pedido pode enviar Note que Outros nós também podem receber CTS Dessa forma, não poderão enviar dados

28 CSMA/CA no RTS: Request to Send Indica o tempo total para os dados CTS Minimiza o Clear to Send problema do O nó que fez o pedido terminal oculto! pode enviar Note que Outros nós também podem receber CTS Dessa forma, não poderão enviar dados

29 Applet CSMA/CA Sem terminal oculto urose_network_2/applets/csmaca/withouthidden.html Com terminal oculto urose_network_2/applets/csmaca/withhidden.html

30 Exercícios em sala 1. Refaça o exemplo abaixo usando o CDMA, porém com diferente valor de código: ( 1,-1, 1,-1, 1,-1,1,-1 ). Obtenha o valor de cada Z m,i 2. Redes sem fio não necessariamente permitem a mobilidade. V ou F? 3. O CSMA/CA é um protocolo de acesso aleatório e assim garante que não haverá colisão. V ou F?

31 MOBILIDADE

32 Princípios de Mobilidade Graus de mobilidade Baixa Mobilidade Alta Mobilidade Usuário se movimenta apenas dentro da mesma rede de acesso sem fio Usuário se movimenta entre redes de acesso, sem manter conexões Usuário se movimenta entre redes de acesso mantendo conexões em curso

33 Princípios de Mobilidade Rede Nativa residência permanente de um nó móvel Agente Nativo Entidade na rede nativa responsável pelas funções de mobilidade Rede Externa Rede que o nó está visitando Agente Externo Entidade na rede visitada que auxilia o nó móvel na comunicação Correspondente Quer se comunicar com o nó móvel

34 Princípios de Mobilidade - Analogia Extraído de Slides do Prof. André Brun

35 Mobilidade na mesma sub-rede IP Para ampliar a área de cobertura Instituições criam vários BSSs dentro da mesma sub-rede IP

36 Mobilidade na mesma sub-rede IP À medida que H1 se distancia de BSS1 H1 encontra BSS2 Se associa com BSS2, cujo sinal é mais forte AP2 envia um quadro broadcast Comutador então atualiza sua tabela de repasse H1 mantém o IP e conexões TCP A mobilidade é garantida Mais fácil pois ambos BSSs estão na mesma sub-rede

37 Abordagens de Mobilidade entre sub-redes No núcleo da rede Roteadores utilizam suas tabelas de roteamento para indicar a localização de um nó móvel Abordagem não é muito escalável Nos sistemas finais: Mais utilizado na prática Roteamento Indireto Roteamento Direto

38 Roteamento Direto e Indireto Função do Agente Externo: Criar o COA de um nó móvel Care-of-Address Nó então possui dois endereços associados Endereço permanente COA: Endereço externo A partir desse endereçamento é possível realizar roteamento para o nó móvel

39 Roteamento Indireto Correspondente envia o datagrama para o endereço permanente Agente nativo intercepta o datagrama Caso o nó não esteja na rede nativa Encapsula e repassa o novo datagrama ao agente externo Usando o COA do nó móvel

40 aaa Roteamento Indireto

41 O nó móvel pode enviar diretamente para o correspondente! Roteamento Indireto aaa

42 Roteamento Direto Roteamento indireto possui um problema Problema do roteamento triangular Atraso Pior caso: datagrama percorrerá uma rota enorme mesmo haja uma rota direta entre nó móvel e correspondente Roteamento Direto Correspondente obtém o COA Transmite diretamente para o nó móvel

43 Roteamento Direto

44 Roteamento Direto É necessário um protocolo de localização do nó móvel Problema Se o nó móvel mudar o seu COA ele deverá também atualizar no agente nativo Uma solução Redes GSM usam um agente externo âncora

45 Roteamento Direto: Agente externo âncora

46 IP Móvel Conjunto de protocolos e suporte para mobilidade IPv4 RFC3344 Três componentes 1. Descoberta de Agentes 2. Registro com agente nativo 3. Roteamento indireto de datagramas

47 Descoberta de Agente É a descoberta de um novo agente externo, com um novo endereço de rede Determinando que o nó mudou de rede Duas formas Anúncio de Agente Solicitação de Agente

48 Descoberta de Agente Anúncio de Agente Mensagem ICMP com valor igual a 9 para todos os enlaces (Broadcast) Contem o endereço IP do agente para que o nó móvel saiba quem é o agente Bits adicionais para informações do agente e campo de endereços COA Solicitação de Agente Nó móvel envia mensagem ICMP com valor igual a 10 no campo de tipo Também Broadcast Agente que receber a solicitação responde ao nó móvel

49 Registro no Agente Nativo Logo após o nó móvel receber seu COA Esse endereço deve ser atualizado no agente nativo Assim pacotes que chegam ao agente nativo poderão ser roteados por meio do endereço

50 Registro no Agente Nativo Cenário Típico 1. Nó móvel envia uma mensagem de registro: Inserindo o COA em um segmento UDP (porta 434) Insere também: endereço do agente nativo, endereço permanente, tempo de vida, ID 2. Agente externo recebe a mensagem de registro Guarda o IP permanente Envia uma mensagem ao agente nativo, contendo o COA (entre outras informações) 3. Agente nativo vincula o COA ao endereço permanente do nó móvel E confirma ao agente externo 4. Agente Externo repassa a confirmação ao nó móvel

51 IP Móvel Após o registro, o nó móvel pode receber datagramas enviados ao endereço permanente Pois o agente nativo conhece o COA O roteamento então é Indireto Datagramas são encaminhados ao nó móvel por meio do agente externo

52 Acesso Celular à Internet Cada vez mais comum, a rede celular pode fornecer acesso à Internet Padrões para telefonia celular GSM (Global System for Mobile Communications): Sistemas 1G 2G 3G 4G

53 Padrões celulares Sistemas 1G Projetadas apenas para tráfego de voz Sistemas analógicos Praticamente não existem mais Sistemas 2G Utilizam divisão de canal FDM/TDM Canais digitais (voz)

54 Arquitetura 2G Célula: área de cobertura geográfica (hexágono) Em cada célula Estação-base de transceptor (BTS) Comutação de Unidade Móvel (MSC) Gerencia as chamadas

55 Arquitetura 2G

56 Padrões celulares Sistemas 2,5G Estendidos para acessar a Internet Manteve o núcleo da telefonia GSM intacta General Packet Radio Service (GPRS) Controladora de estação-base encaminha datagramas para a Internet Dados enviados em múltiplos canais (se disponíveis) Velocidade: até 115 Kbps Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE) Aumentou a velocidade para 384 Kbps

57 Padrões celulares Sistemas 3G Padrão Europeu: Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) Taxas de até 2 Mbps WCDMA (Wide Code Division Multiple Access) Padrão Japonês Taxas de até 5 Mbps

58 Comparativo 3G e 4G Parâmetros 3G 4G Arquitetura de Rede Baseada na área de cobertura celular Velocidades 384 Mbps até 2 Mbps Tecnologias de acesso WCDMA, EDGE Híbrida (LAN, Bluetooth e cobertura celular) 20 até 100 Mbps OFDM e MCCDMA

59 Gerenciamento da Mobilidade em redes celulares Situação onde um usuário GSM faz/recebe uma chamada em uma rede visitada: 3 etapas principais Conceitos semelhantes à mobilidade em redes IP Rede Nativa, Correspondente

60 Gerenciamento da Mobilidade em redes celulares 1. Correspondente disca o número do nó móvel Chamada é roteada à rede nativa 2. Rede nativa busca o número de roaming (similar ao COA) 3. Dado o número de roaming, a chamada é estabelecida com a rede visitada Se o nó se registrou (VLR) na rede visitada, a chamada pode ser estabelecida

61 GSM Handoffs Ocorre quando o usuário móvel troca de estação-base durante uma chamada Duas situações Estações-base compartilham a mesma MSC (Comutação de Unidade Móvel) Similar ao esquema de mobilidade na mesma sub-rede IP Usuário móvel passa para uma estação base associada com uma MSC diferente

62 GSM Handoffs Quando a estação-base é associada com uma MSC diferente MSC âncora: MSC que inicia a chamada Chamada é roteada da MSC nativa até a MSC âncora A MSC âncora que fica responsável pela localização da rede visitada No máximo há 3 MSCs envolvidas Roteamento é indireto!

63 GSM Handoffs

64 Exercício: Preencha a tabela Sigla Significado Comentário/o que é? CDMA CSMA/CA AP BSS SSID COA GSM BTS MSC

65 SEGURANÇA EM LANS SEM FIO

66 Segurança em LANs sem fio Preocupação importante nesse tipo de redes Difícil controle sobre a segurança dos dados em redes wireless Protocolos para segurança WEP WPA

67 WEP Wired Equivalent Privacy (WEP) Foi incorporado aos padrões com objetivo de fornecer, a uma LAN sem fio: Confidencialidade Integridade Controle de acesso

68 WEP Usa uma abordagem de chave compartilhada Criptografia simétrica Não há um algoritmo de gerência de chaves Requisito: usuários devem conhecer a chave do AP

69 WEP Na primeira versão, a chave WEP é composta de: Um valor de chave de 40 bits (K s ) Vetor de Inicialização (IV) de 24 bits Os IVs mudam entre cada envio A cifra usada é o RC4 Cifra de fluxo Simples e computacionalmente eficiente

70 WEP Versões posteriores permitem chave de 128 e até 256 bits Cifragem do protocolo XOR da mensagem com a chave (K s, IV) IVs são enviados junto com o texto cifrado Para permitir a decifragem Para integridade, WEP usa CRC Não é uma função de hash Alguns ataques ao WEP exploram essa vulnerabilidade

71 WEP WEP sofre várias falhas de segurança: IVs são enviados junto com o texto claro Não usa uma função de hash para integridade Não há (no padrão) garantia de verificação de IVs duplicados

72 WPA Wi-Fi Protected Access (WPA) Maior segurança Modos de autenticação PSK (Preshared Key): conhecido como WPA Personal Pequenas redes A chave é previamente conhecida 802.1x: conhecido como WPA Enterprise ou RADIUS Redes corporativas Autenticação terceirizada : compatibilidade com EAP (Extensible Authentication Protocol) EAP negocia as chaves e inclusive podem ser usados certificados digitais

73 WPA Enterprise Cliente sem fio solicita autenticação com o AP AP acessa o servidor de autenticação Rede com fio

74 WPA Cifragem de dados dois modos: TKIP: usa o algoritmo RC4 Evolução do modo de operação do WEP Usa IVs de 48 bits Alternância entre IVs, mistura de chave Não usa CRC-32, mas usa a função de hash conhecida como MICHAEL WPA2: usa o algoritmo AES Também conhecido como i Requer suporte de hardware

75 RESUMO Redes sem fio proporcionam mobilidade Cada vez mais utilizadas Compostas por Hospedeiros sem fio Estação-base AP ou BTS Padrão Especificações para cada subpadrão

76 RESUMO Acesso múltiplo CDMA: Divisão de código CSMA/CA: Acesso aleatório Prevenção de colisão Mobilidade Roteamento Direto Roteamento Indireto IP Móvel Mobilidade IPv4 (1) Descoberta de agentes, (2) registro com agente nativo e (3) roteamento indireto

77 RESUMO Mobilidade nas redes celulares Nó móvel se registra na rede visitada Rede nativa busca o número de roaming Chamada estabelecida GSM Handoffs Manter chamadas mesmo com a movimentação entre estações-base de MSCs diferentes Segurança em LANs sem fio WEP: inseguro WPA: mais seguro Modo PSK: pequenas redes Modo Enterprise: redes corporativas

78 Para casa Leitura do cap. 6 (Redes sem fio e redes móveis) Lista de exercícios (Redes sem fio)

79 Bibliografia 1. Kurose, James F.; Ross, Keith W.; Redes de Computadores e a Internet (preferencialmente a 5ª Edição). São Paulo, SP: Pearson Addison Wesley, Rufino, Nelson M. de O. Segurança em Redes Sem Fio: Aprenda a Proteger Suas Informações em Ambientes Wi-fi e Bluetooth. 3. ed. São Paulo: Novatec Editora, ITU World Telecom Statistics. Disponível em: default.aspx

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