Redes Sem Fio. Prof. Othon M. N. Batista Mestre em Informática

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1 Redes Sem Fio Prof. Othon M. N. Batista Mestre em Informática

2 Tópicos Introdução Modelos de Propagação de Rádio Padrões do IEEE IEEE IEEE IEEE Mobilidade

3 Introdução A quantidade de telefones celulares no mundo já supera a quantidade de telefones fixos. Computadores portáteis, Personal Digital Assistants (PDA), telefones celulares permitem acesso intermitente à Internet.

4 Introdução Isso traz à tona dois desafios distintos: comunicação sobre enlaces sem fio; mobilidade.

5 Introdução Os enlaces sem fio são regulamentados. No Brasil, a entidade responsável pela homologação de frequências é a ANATEL. Há uma faixa do espectro eletromagnético denominada de Industrial, Scientific and Medical (ISM).

6 Introdução Hosts sem fio: laptop, PDA, IP phone Rodam aplicações Podem ser fixos ou móveis Sem fio nem sempre significa móvel!

7 Introdução Modo ad-hoc: não há ponto de acesso (estação base); a transmissão ocorre com os nós dentro do alcance; deve haver auto-organização entre os nós.

8 Introdução Características do enlace sem fio: atenuação do sinal; interferência de outras fontes; propagação por múltiplos caminhos. Elas tornam a comunicação através de enlaces sem fio mais complicada.

9 Introdução atenuação do sinal: os sinais de rádio diminuem à medida que se propagam (path loss). 0 dbm = 1 mw 10 dbm = 10 mw P dbm PW= 1000 P dbm =10log1000.P W

10 Introdução interferência de outras fontes: as freqüências padronizadas para redes sem fio são utilizadas por outros equipamentos.

11 Introdução propagação por 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.

12 Introdução Problemas causados por múltiplos hosts sem fio Terminal oculto Desvanecimento

13 Modelos de Propagação de Rádio Os modelos de propagação de rádio servem para prever a potência do sinal recebido. Na camada física de cada nó sem fio, há um limiar (sensibilidade de recepção). Quando um sinal é recebido abaixo desse limiar, ele é marcado como erro e é descartado pela sub-camada MAC.

14 Modelos de Propagação de Rádio Veremos três modelos de propagação: Friis ou free space; two-ray ground; log shadow.

15 Modelos de Propagação de Rádio O modelos de Friis assume a condição de propagação ideal de que há uma linha de visão entre o transmissor e o receptor. Ele representa estas condições através de uma fórmula matemática que descreve a potência do sinal recebido. P r d = Pt GtGr d L

16 Modelos de Propagação de Rádio Pr (d) Potência de recepção na distância d. Pt Potência de transmissão. Gt e Gr Ganho de transmissão e recepção (comumente 1). d Distância entre transmissor e receptor. L Perda do sistema (comumente 1). λ Comprimento de onda (c / f). c velocidade da luz. f Frequência utilizada. P r (d )= Pt Gt Gr λ 2 ( 4 π)2 d 2 L

17 Modelos de Propagação de Rádio Pr (10m) Potência de recepção na distância 10m. Pt = 10dBm = 10mW = 0,01W Gt, G r e L = 1 d = 10m λ = c (m/seg) / f (Hz) = / 2, = 0,125m 2 P r (10m)= 0, ,125 0, = =0, W ,36 16.π.10.1 P dbm=10log1000.0, P dbm=10. log 0, P dbm=10. 5, = 50, dbm

18 Modelos de Propagação de Rádio Pr (20m) Potência de recepção na distância 20m. Pt = 10dBm = 10mW = 0,01W Gt, G r e L = 1 d = 20m λ = c (m/seg) / f (Hz) = / 2, = 0,125m 2 P r (20m)= 0, ,125 0, = 0, W , π P dbm=10log , P dbm=10. log 0, P dbm=10. 5, = 56, dbm

19 Modelos de Propagação de Rádio Pr (30m) Potência de recepção na distância 30m. Pt = 10dBm = 10mW = 0,01W Gt, G r e L = 1 d = 30m λ = c (m/seg) / f (Hz) = / 2, = 0,125m 2 P r (30m)= 0, ,125 0, = 0, W , π P dbm=10log , P dbm=10. log 0, P dbm=10. 5, = 59, dbm

20 Modelos de Propagação de Rádio O modelo de Friis representa o alcance da transmissão como um círculo ao redor do transmissor. O modelo two-ray ground não considera apenas a linha de visada entre transmissor e receptor. Ele também considera o caminho refletido pelo sinal no chão. P r d = P t G t G r ht hr 4 d L

21 Modelos de Propagação de Rádio ht e hr Alturas das antenas do transmissor e do receptor, respectivamente. Os outros parâmetros são os mesmos da equação de Friis. Two-ray ground fornece melhores resultados que Friis em distâncias mais longas. Em compensação, é pior em distâncias curtas. P r (d )= P t G t G r ht hr 4 d L

22 Modelos de Propagação de Rádio Por isso existe a distância de crossover dc. Quando d < dc, usa-se Friis, caso contrário, usa-se two-ray ground. Quando d = dc, ambas as equações fornecem o mesmo resultado. 4 ht hr d c=

23 Modelos de Propagação de Rádio Distância de crossover para 2,4GHz (IEEE ). 4.π , d c= = 8 0, ,4.10 dc = 100, m

24 Modelos de Propagação de Rádio Pr (10m) Potência de recepção na distância 10m. Pt = 10dBm = 10mW = 0,01W Gt, Gr, ht, hr e L = 1 2 d = 10m P r (10m)= = =10 =0,000001W P dbm=10log , P dbm=10. log 0,001 P dbm=10. 3= 30dBm

25 Modelos de Propagação de Rádio Pr (20m) Potência de recepção na distância 20m. Pt = 10dBm = 10mW = 0,01W Gt, Gr, ht, hr e L = 1 2 d = 20m P r (20m)= = 4 =0, W P dbm=10log , P dbm=10. log 0, P dbm=10. 4, = 42, dbm

26 Modelos de Propagação de Rádio Pr (30m) Potência de recepção na distância 30m. Pt = 10dBm = 10mW = 0,01W Gt, Gr, ht, hr e L = 1 2 d = 30m P r (30m)= = 4 =0, W P dbm=10log , P dbm=10. log 0, P dbm=10. 4, = 49, dbm

27 Modelos de Propagação de Rádio O modelo log shadow é diferente, pois o alcance de um transmissor não é um círculo ao redor dele. Este modelo é dado através da perda no caminho (Path Loss PL) que o sinal transmitido é submetido até chegar no receptor. A potência de recepção é igual à potência de transmissão menos a perda no caminho. P r d =P t PL d

28 Modelos de Propagação de Rádio PL (d0) Perda no caminho conhecida em uma distância de referência d0. n Expoente (normalmente 2,4). d Distância entre transmissor e receptor. X Variável aleatória com desvio padrão σ. d PL d =PL d 0 10 n log 10 X d0

29 Padrões do IEEE O IEEE é responsável pela padronização de redes pessoais, locais e metropolitanas sem fio. Os padrões estão no endereço: Alguns padrões: IEEE (WLAN) IEEE (WPAN) IEEE (WMAN)

30 IEEE WLAN O padrão IEEE na verdade é um conjunto de padrões para redes locais sem fio. Algumas subdivisões: IEEE a WLAN IEEE b WLAN IEEE g WLAN IEEE n WLAN IEEE i Segurança IEEE e Qualidade de Serviço (QoS)

31 IEEE WLAN IEEE n 65 Mbps a 600 Mbps; IEEE g até 54 Mbps; IEEE b até 11 Mbps; IEEE a Todos: 2,4 GHz e/ou 5 GHz (exceto IEEE a); CSMA/CA modo infraestruturado com ponto de acesso (estação base) modo ad-hoc até 54 Mbps; 5 a 6 GHz. Padrões Padrõesadotados adotadosno nobrasil. Brasil.

32 IEEE WLAN Basic Service Set (BSS = célula) no modo infra-estruturado: hosts sem fio; ponto de acesso; no modo ad-hoc: apenas hosts sem fio.

33 IEEE WLAN - Pontos de Acesso

34 IEEE WLAN Um ponto de acesso normalmente integra: o próprio; switch com 4 portas; roteador; firewall; NAT; servidor HTTP; servidor TFTP; servidor DNS; servidor DHCP.

35 IEEE WLAN Em b/g/n, no Brasil, o espectro é dividido em 11 canais de diferentes frequências O administrador do ponto de acesso escolhe a frequência. Isso deve evitar possível interferência, pois o canal escolhido pode ser o mesmo de um ponto de acesso vizinho!

36 IEEE WLAN O host deve associar-se a um ponto de acesso: o host percorre canais, buscando quadros de sinalização que contêm o nome do ponto de acesso (Service Set IDentifier - SSID) e o endereço MAC; escolhe um ponto de acesso; pode ter que utilizar algum esquema de segurança; normalmente DHCP para obter um endereço IP na sub-rede do ponto de acesso.

37 IEEE WLAN O esquema de segurança, caso seja utilizado, pode ser: identificação por endereço MAC do host; Wired Equivalent Privacy (WEP); Wi-Fi Protected Access (WPA): pessoal; empresarial.

38 IEEE WLAN A identificação por endereço MAC do host: o administrador cadastra no ponto de acesso uma lista de endereços MAC que podem se associar; não há criptografia envolvida! ATAQUE: capturar quadros, clonar endereço MAC autorizado a usar a rede.

39 IEEE WLAN Wired Equivalent Privacy (WEP): WEP foi a primeira tentativa de garantir segurança com criptografia; há a necessidade de conhecer uma senha; Passos básicos: o host solicita autenticação ao ponto de acesso; o ponto de acesso responde com um texto limpo; o host solicita autenticação enviando texto criptografado com a senha; o ponto de acesso descriptografa o texto enviado e compara com o texto limpo que ele enviou.

40 IEEE WLAN ATAQUE: softwares especializados em capturar quadros e inferir a senha após alguns quadros capturados. wepcrack; air crack; air snort; backtrack.

41 IEEE WLAN Wi-Fi Protected Access (WPA) Pessoal também conhecido como Pre-Shared Key (PSK) uma senha com até 63 letras pode ser usada; criptografia de 256 bits; ATAQUE: força bruta ou dicionário.

42 IEEE WLAN Wi-Fi Protected Access (WPA) Empresarial o ponto de acesso é um intermediário na autenticação; normalmente é feita em um servidor na rede cabeada; pode envolver certificação digital. Servidor RADIUS

43 IEEE WLAN IEEE não consegue detectar todas as colisões. Por isso não dá para utilizar CSMA/CD. CSMA/CA (Colision Avoidance) é utilizado em um dos dois modos de operação: escuta do canal; reserva do canal.

44 IEEE WLAN CSMA/CA no modo de escuta do canal. O host A escuta o meio e aguarda Distributed Inter Frame Spacing (DIFS). O host A envia os dados ao host B. O host B aguarda Short Inter Frame Spacing (SIFS). O host B responde com Ack ao host A.

45 IEEE WLAN CSMA/CA no modo de reserva do canal. A deseja enviar dados a B. Reserva o canal com o ponto de acesso (RTS). Quando liberado (CTS), inicia a transmissão e aguarda ACK.

46 IEEE WLAN Formato de um quadro IEEE Endereço 1: endereço MAC do Hospedeiro sem fio ou AP que deve receber o quadro Endereço 2: endereço MAC do hospedeiro sem fio ou AP transmitindo este quadro Endereço 4: usado apenas no modo ad hoc Endereço 3: endereço MAC da interface do roteador à qual o AP é ligado

47 IEEE WLAN Duração do tempo de transmissão reservada (RTS/CTS) Tipo de quadro (RTS, CTS, ACK, dados) # seg do quadro (para ARQ confiável)

48 IEEE WLAN Mobilidade em uma mesma sub-rede. O que acontece com os quadros de/para H1???

49 IEEE WPAN - Bluetooth Diâmetro inferior a 1m, 10m ou 100m. Substituição de cabos (mouse, teclado, fones). ad hoc: sem infra-estrutura. Mestre/escravo: escravo solicita permissão para enviar (ao mestre); mestre atende a pedidos. Faixa de frequência de 2,4 2,5 GHz. Potência de transmissão de 0dBm, 4dBm ou 20dBm. Até 1 Mbps.

50 IEEE WPAN - Bluetooth Dois tipos de redes: piconets; scatternets. As piconets são unidades básicas que podem conter 1 mestre e até 7 escravos ativos e 255 inativos. Dependendo da especificação do Bluetooth, o raio desta rede é de 10m ou 100m. Uma piconet é um sistema Time Division Multiplexing (TDM) centralizado. Várias piconets podem se interconectar e formar uma scatternet.

51 IEEE WPAN - Bluetooth

52 IEEE WPAN - Bluetooth As aplicações para Bluetooth são classificadas em perfis. Descrição Nome Acesso genérico Procedimentos para gerenciamento de enlaces. Descoberta de serviços Protocolo para descobrir serviços oferecidos. Porta serial Substitui cabo de porta serial. Intercâmbio genérico de objetos Relacionamento cliente/servidor. Acesso de LAN Protocolo entre computador móvel e LAN fixa. Rede discada Notebook usa um celular como modem. Fax Fax móvel a computador móvel. Telefonia sem fio Conecta telefone à estação base. Intercomunicador Intercomunicação digital. Fone de ouvido Comunicação de voz com fones e microfones. Envio de objetos Intercâmbio de objetos simples. Transferência de arquivos Recurso genérico para transferir arquivos. Sincronização Sincronização de PDA com computador.

53 IEEE WPAN - Bluetooth A pilha de protocolos Bluetooth apresenta quatro camadas.

54 IEEE WPAN - Bluetooth Há vários formatos de quadros para Bluetooth, sendo este o principal.

55 IEEE WMAN - WiMAX

56 Mobilidade Do ponto de vista da rede, podemos definir um espectro de mobilidade.

57 Mobilidade Equipamentos móveis:

58 Mobilidade Equipamentos portáteis:

59 Mobilidade Equipamento não móvel ou portátil:

60 Mobilidade A não ser que queira fazer isso:

61 Mobilidade: Definições Rede nativa: lar permanente do host (ex., /24) Endereço permanente: endereço na rede nativa; pode sempre ser usado para alcançar o host móvel ex., Agente nativo: entidade que implementa as funções de mobilidade em benefício do host móvel quando ele está remoto

62 Mobilidade: Definições Endereço permanente: constante (ex., ) Rede visitada: rede na qual o host móvel se encontra num certo momento (ex., /24) Endereço temporário: dinâmico (ex., ) Correspondente: quer se comunicar com o host móvel Agente externo: entidade na rede visitada que implementa funções de mobilidade em benefício do host móvel

63 Mobilidade O roteamento pode tratar isso: roteadores informam endereços permanentes de nós móveis residentes por meio de suas trocas de tabelas de roteamento. As tabelas de roteamento indicam a localização de cada nó móvel. Não exige mudanças nos sistemas finais. Os hosts podem tratar isso: roteamento indireto: comunicação do correspondente ao host móvel passa pelo agente nativo; então é enviada ao remoto roteamento direto: correspondente obtém o endereço temporário do host móvel e transmite diretamente para ele.

64 Mobilidade: Registro Rede visitada Rede nativa 2 wide area network Agente externo contata agente nativo: este host móvel está residente na minha rede 1 O host móvel contata o agente externo ao entrar na rede visitada Resultado final: Agente externo sabe sobre o host móvel Agente nativo conhece a localização do host móvel

65 Mobilidade Via Roteamento Indireto Agente nativo intercepta os pacotes e envia ao agente externo Agente externo recebe pacotes e encaminha ao host móvel Correspondente endereça pacotes usando o endereço nativo do host móvel 4 Host móvel responde diretamente ao correspondente

66 Roteamento Indireto: Comentários Usuário móvel usa dois endereços: endereço permanente: usado pelo correspondente (assim, a localização do host móvel é transparente para o correspondente) endereço temporário: usado pelo agente nativo para enviar datagramas ao host móvel As funções do agente estrangeiro podem ser feitas pelo próprio usuário móvel. O roteamento é triangular: correspondente à rede nativa ao host móvel. Ineficiente quando correspondente e host móvel estão na mesma rede

67 Roteamento Indireto: Movendo-se Entre Redes Suponha que o host móvel se mova para outra rede 1. registra com novo agente; 2. novo agente externo registra com agente nativo; 3. agente nativo atualiza endereço temporário para o host móvel. Pacotes continuam a ser enviados ao host móvel (mas com novo endereço temporário) A mudança de rede remota é transparente. Conexões em curso podem ser mantidas!

68 Mobilidade Via Roteamento Direto Correspondente envia pacotes ao agente externo Agente externo recebe pacotes, envia ao host móvel Correspondente pede ao agente nativo e recebe endereço do agente externo do host móvel Host móvel responde diretamente ao correspondente

69 Mobilidade via Roteamento Direto: Comentários Resolve problema do roteamento triangular. Não é transparente para o correspondente: correspondente deve obter o endereço temporário do agente nativo. O que ocorre se o host móvel muda de rede visitada?

70 Acomodando Mobilidade com Roteamento Direto Agente externo âncora: agente externo da primeira rede visitada Dados sempre são roteados primeiro para o agente externo âncora Quando o host móvel muda: novo agente externo toma medidas para ter os dados enviados pelo agente externo anterior (encadeamento)

71 IP Móvel RFC 3220 Tem muitas das características já vistas: agentes nativos, agentes externos, registro de agente externo, endereço temporário, encapsulamento (pacote normal dentro de pacote móvel). Três componentes do padrão: roteamento indireto de datagramas descoberta de agentes registro com o agente nativo

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