Gerenciamento de Mobilidade e Integração de Redes Heterogêneas

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS - UFG CAMPUS CATALÃO - CC DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO - DCC Bacharelado em Ciência da Computação Projeto Final de Curso Gerenciamento de Mobilidade e Integração de Redes Heterogêneas Autora: Dayse Silveira de Almeida Orientador: Márcio Souza Dias Co-Orientador: Acrísio José do Nascimento Jr. Catalão

2 i Dayse Silveira de Almeida Gerenciamento de Mobilidade e Integração de Redes Heterogêneas Monografia apresentada ao Curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Federal de Goiás - Campus Catalão como requisito parcial para otenção do título de Bacharel em Ciência da Computação. Área de Concentração: Redes de Computadores Orientador: Márcio Souza Dias Co-Orientador: Acrísio José do Nascimento Jr. Catalão

3 Almeida, Dayse Silveira Gerenciamento de Mobilidade e Integração de Redes Heterogêneas / Márcio S. Dias / Acrísio J. do Nascimento Jr. - Catalão, p. Projeto Final de Curso (Bacharelado) - Universidade Federal de Goiás, Campus Catalão, Curso de Bacharelado em Ciência da Computação, Palavras-Chave: 1.Integração. 2.Redes 4G. 3.Gerenciamento de Mobilidade.

4 ii Dayse Silveira de Almeida Gerenciamento de Mobilidade e Integração de Redes Heterogêneas Monografia apresentada e aprovada em de de, pela Banca Examinadora constituída pelos professores: Prof. Ms. Márcio de Souza Dias - Presidente da Banca Prof. Dr. Roberto Mendes Finzi Neto Profª. Drª. Selma Terezinha Milagre

5 iii Aos meus pais, Nicanor e Zelha, alvos do meu amor incondicional.

6 iv Agradecimentos À Deus. À minha família, em especial, aos meus pais, por abrirem as portas possíveis. À minha mãe, pela paciência e dedicação nos, nem sempre fáceis, quinze anos de estudo. Ao, Leonardo Garcia, pela colaboração junto ao Latex. E também aos amigos, Douglas Farias e Osias Conforte. Às incomparáveis, Fabíola Gonçalves, Glenda Michele e, Kênia Santos. Aos, orientador prof. Ms. Márcio de Souza Dias e, co-orientador prof. Acrísio José do Nascimento Jr., pelo interesse demonstrado. E, por agirem com bravura em minha defesa. E finalmente, à todos aqueles que, com suas críticas destrutivas, e sua visão pessimista da vida, baseando-se em seus próprios fracassos, me fizeram superar obstáculos.

7 v O certo pra você, pode não fazer o mesmo efeito, em mim. (Detonautas).

8 Resumo Almeida, D. S., Gerenciamento de Mobilidade e Integração de Redes Heterogêneas, Departamento de Ciência da Computação, Campus Catalão, UFG, Catalão, Brasil, 2007, 72p. Devido aos fracos e insuficientes resultados apresentados pela Terceira Geração de sistemas baseados em redes celulares, as pesquisas estão se voltando para a Quarta Geração que, corresponde à integração de redes heterogêneas. Espera-se que esta tecnologia forneça os serviços tradicionais, os prometidos pela 3G, tais como, multimídia de alta definição, conectividade global e portabilidade entre diversos dispositivos; além dos novos serviços que, dependerão da implementação de três conceitos: qualidade de serviço, segurança e gerenciamento de mobilidade. A idéia principal para qualquer arquitetura 4G é ter um núcleo comum de Internet para todas as redes de acesso diferentes. A comunicação móvel 4G será baseada na OWA (Open Wireless Architecture) para garantir que um terminal poderá se conectar, automaticamente e sem emenda, aos sistemas locais sem fio, quando os usuários estiverem em áreas de cobertura hot spots, e às redes móveis sem fio, quando os usuários estiverem em movimento, através do mesmo terminal. Diversas arquiteturas já foram propostas com o objetivo de integrar, vários dos diversos tipos de rede existentes. As redes 4G podem ser analisadas sob a perspectiva do usuário; do acesso à banda larga e; da integração de plataformas e sistemas operacionais heterogêneos, com capacidade de reconfiguração da rede e dos terminais às condições dos canais e, aos ambientes de serviços. Diante dos novos ambientes tecnólogicos, proporcionados pela integração das redes heterogêneas, os protocolos de gerenciamento de macromobilidade e, micromobilidade, foram avaliados, a fim de verificar quais serão mais viáveis a este tipo de rede. Palavras-chave: Integração, Redes 4G, Gerenciamento de Mobilidade. vi

9 Sumário Resumo Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Acrônimos Introdução vi xi xiii xiv xviii 1 WLANs e Redes de Sistemas Celulares Redes de Acesso Usuários Móveis Transmissão Sem Fio WLANs: Padrão IEEE Arquitetura IEEE WWANs Sistema de Telefonia Móvel Celular: Breve Histórico Sistema de Telefonia Móvel Celular: Características Gerais Primeira Geração Segunda Geração Terceira Geração Quarta Geração Redes 4G vii

10 2.2 Arquitetura Geral para Redes 4G Visões 4G Visão 1: Integração de Redes Sem Fio Infra-estruturadas Visão 2: Integração com Redes Sem Fio Multi-Hop Visão 3: Perspectiva do Usuário Arquiteturas para Redes 4G Arquiteturas Arquitetura Moby Dick Redes Ambiente Arquiteturas para Integração de Redes 3G e WLAN Loose Coupling Tight Coupling Arquiteturas para Integração de Redes 3G, WLAN e MANETs UCAN icar A-GSM CAMA Protocolos de Gerenciamento de Mobilidade Gerenciamento de Mobilidade IP e a Mobilidade Macromobilidade e Micromobilidade Protocolos de Macromobilidade MIPv MIPv MSCTP SIP Protocolos de Micromobilidade CIP HAWAII TeleMIP HMIPv IDMP

11 5 Protocolos de Gerenciamento de Mobilidade: Análise e Comparação Protocolos de Macromobilidade Análise Comparação Protocolos de Micromobilidade Análise Comparação Conclusões 69 Referências bibliográficas 70

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13 Lista de Figuras 1.1 Classificação das redes sem fio [Bresil 2004] Rede (WLAN) Arquitetura da Rede Celular [Dias and Sadok 2001] Cenário integrado Celular/WLAN [Dias et al. 2006] Cenário integrado Celular/WLAN/MANET [Cavalcanti et al. 2005] Sistema centrado no usuário [Frattasi et al. 2006] Plano de controle de redes ambiente [Dias et al. 2006] Integração entre GPRS e WLAN utilizando-se a Loose Coupling [Bresil 2004] Componentes de sistema da rede 3G/WLAN [Bresil 2004] Integração entre CN GPRS/UMTS e WLAN na arquitetura Tight Coupling [Bresil 2004] Mobilidade possível utilizando-se protocolo IP Roteamento no MIPv4 [Dias et al. 2006] Uma associação SCTP MSCTP - Mobile Stream Control Protocol [Dias et al. 2006] Procedimento de handoff vertical utilizando o MSCTP [Ma et al. 2004] Arquitetura funcional do TeleMIP Elementos lógicos e arquitetura do IDMP [Misra et al. 2002] xi

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15 Lista de Tabelas 5.1 Comparação entre protocolos de gerenciamento de macromobilidade Comparação entre protocolos de gerenciamento de micromobilidade xiii

16 Lista de Acrônimos 3GPP - Third Generation Partnership Project 3GPP2 - Third Generation Partnership Project 2 AAA - Authentication, Authorization and Accounting ABC - Always Best Connected AC - Ambient Connectivity ACK - Acknowledgement ACS - Ambient Control Space ADDIP - Dynamic Address Reconfiguration A-GSM - Ad hoc GSM AMPS - Advanced Mobile Telephone System AN - Ambient Networks ANI - Ambient Network Interface AoR - Address of Records AP - Access Point ARI - Ambient Resource Interface ARS - Ad hoc Relaying Stations ASCONF - Address Configuration ASI - Ambient Service Interface AuC - Authentication Center BS - Base Station BSA - Basic Service Area BSS - Basic Service Set BU - Binding Updates CAMA - Cellular Aided Mobile Ad-hoc Network CCoA - Co-located Care-of Address CDMA - Code Division Multiple Access xiv

17 xv CIP - Cellular IP CN - Correspondent Node CN GPRS/UMTS - Core Network GPRS/UMTS CoA - Care-of Address D-AMPS - Digital Advanced Mobile Phone System DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol DPC - Destination Point Code DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution ESA - Extended Service Area ESN - Eletronic Serial Number ESS - Extended Service Set ETSI - European Telecommunication Standards Institute FA - Foreign Agent FDM - Frequency Division Multiplexing FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum FN - Foreign Network FS - Fixed Server GCoA - Global Care-of Address GPRS - General Packet Radio Service GPS - Global Positioning System GSM - Global System for Mobile Communications GW - Gateway HA - Home Agent HAWAII - Handoff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure HDR - High Data Rate HLR - Home Location Register HMIPv6 - Hierarchical Mobile IPv6 HN - Home Network icar - Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems IDMP - Intradomain Mobility Management Protocol IETF - Internet Engineering Task Force IMS - Internet Multimedia Sub-system IMT International Mobile Telecommunications 2000

18 xvi IP - Intenet Protocol IR - Internal Router ISM - Industrial, Scientific and Medical ITU - International Telecommunication Union IWF - Inter Working Function JTACS - Japan TACS LCoA - Local Care-of Address LU - Location Update MA - Mobility Agent MAHO - Mobile Assistente HandOff MANET - Mobile Ad hoc NETwork MAP - Mobility Anchor Point MBS - Mobile Broadband Systems MCN - Multi-hop Cellular Network MIMO - Multiple-Input Multiple-Output MIN - Mobile Identification Number MIPv4 - Mobile Ipv4 MIPv6 - Mobile Ipv6 MM - Mobility Management MN - Mobile Node Moby Dick - Mobility and Differentiated Services in a Future IP Network MS - Mobile Station MSC - Mobile Switching Center MSCTP - Mobile SCTP MSGPR - Multi-Selection Greedy Positioning Routing MTSO - Mobile Telephone Switching Oflice NMT - Nordic Mobile Telephones NTT - Nippon Telephone and Telegraph OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing OWA - Open Wireless Architecture PDA - Personal Digital Assistants PDC - Personal Digital Cellular PLMN - Public Land Mobile Network PSTN - Public Switched Telephone Network

19 xvii QoS - Quality of Service RSVP - ReSerVation Protocol SCCP - Signaling Connection Control Part SCTP - Stream Control Transmission Protocol SDM - Space Division Multiplexing SGSN - Serving GPRS Support Node SIM - Subscriber Identification Module SIP - Session Initiation Protocol SMS - Short Messages Service SS7 - Signaling System 7 STP - Signaling Transfer Point TACS - Total Access Communications Systems TDM - Time Division Multiplexing TDMA - Time Division Multiple Access TeleMIP - Telecommunication Enhanced Mobile IP VLR - Visitor Location Register VoIP - Voice over IP UA - User Agent UCAN - Unified Cellular and Ad-Hoc Networks architecture UMTS - Universal Mobile Telecommunications System UWB - Ultra Wide Band W-CDMA - Wideband CDMA WLAN - Wireless Local Area Networks WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks WPAN - Wireless Personal Area Networks WWAN - Wireless Wide Area Networks

20 Introdução No atual mundo globalizado, onde a informação é a base para esta globalização e, quem a possui, domina o mercado, as redes de computadores são essenciais para sua transmissão, muitas vezes em tempo real, para transmissão de voz, ou mesmo, em tempo considerável, para transmissão de dados. No entanto, os diversos tipos de redes existentes, dificultam a transmissão de dados, por não serem compatíveis entre si (impossibilitando o usuário de transmitir usando qualquer tipo de rede ou dispositivo) e, por não estarem disponíveis globalmente, ou seja, em qualquer lugar e, à qualquer momento. As redes de Quarta Geração vêm, para solucionar este problema, integrando as redes heterogêneas e, convergindo-as à uma única rede. Esta convergência depende da implementação de alguns conceitos essenciais, relativos às redes móveis sem fio e, de embasamento tecnológico, em que novas técnicas ou adequação daquelas já existentes, vêm sendo consideradas. O foco principal das redes 4G, entretanto, não é a tecnologia, e sim, o usuário e suas necessidades, a partir das quais, a tecnologia 4G está sendo pesquisada e desenvolvida, sendo que várias arquiteturas já foram propostas. Baseando-se nisto, este trabalho aborda um dos conceitos primordiais, necessário às redes 4G: o Gerenciamento de Mobilidade. Seu objetivo principal é discutir e analisar protocolos tradicionais de mobilidade, fundamentando-se em suas características, a fim de verificar quais serão mais adequados às redes de Quarta Geração. Sendo assim, este trabalho está estruturado da seguinte maneira: O primeiro capítulo aborda os conceitos de WLAN e Redes Celulares, suas características gerais e funcionalidade, bem como a necessidade de mobilidade dos seus usuários e, um dos meios de transmissão que possibilita alcançá-la. Estes são os pré-requisitos básicos para compreensão dos capítulos posteriores. O segundo capítulo conceitualiza Redes 4G, aborda as perspectivas a partir das quais essas redes podem ser desenvolvidas e, atributos base para sua construção. O capítulo 3 discorre sobre algumas arquiteturas, já propostas, para a integração de redes xviii

21 xix heterogêneas. São abordados, os projetos Moby Dick e Redes Ambiente, as arquiteturas para integração 3G/WLAN: Loose Coupling e Tight Coupling; e, as arquiteturas para integração de redes 3G/WLAN/MANET: UCAN (Unified Cellular and Ad-Hoc Networks architecture), icar Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems), A-GSM (Ad-hoc GSM) e CAMA (Cellular Aided Mobile Ad-hoc Network). E por fim, o capítulo 4 apresenta os protocolos de gerenciamento de macromobilidade: MIPv4 (Mobile Ipv4), MIPv6 (Mobile IPv6), MSCTP (Mobile Stream Control Transmission Protocol), SIP (Session Initiation Protocol); e, os de micromobilidade: CIP (Cellular IP), HAWAII (Handoff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure), TeleMIP (Telecommunication Enhanced Mobile IP), HMIPv6 (Hierarchical Mobile IP), e, IDMP (Intradomain Mobility Management Protocol); que, são analisados e, comparados de acordo com os critérios: escopo da mobilidade (intra-domínio ou inter-domínios), tipo de mobilidade (terminal, pessoal, de serviço e, de sessão), gerenciamento de handoff (vertical e horizontal), gerenciamento de localização (através de LU (Location Update) e paging), escalabilidade, suporte à QoS e segurança, multi-homing e, extensão ao protocolo MIP (apenas para protocolos de micromobilidade); no capítulo 5.

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23 Capítulo 1 WLANs e Redes de Sistemas Celulares 1.1 Redes de Acesso Redes de acesso designam os enlaces físicos que conectam um sistema final ao roteador de borda, isto é, o primeiro roteador do percurso existente entre sistemas finais remotos. As redes de acesso podem ser dividas nos seguintes grupos [Kurose and Ross 2006] [Tanenbaum 2003]: 1. Redes locais - são aquelas concentradas em uma área geográfica restrita, tal como um prédio ou um campus universitário, com alta velocidade de transmissão; 2. Redes metropolitanas - abrangem uma cidade. Um exemplo é a rede de televisão à cabo que, oferece serviços da Internet em partes do espectro não utilizadas para transmissão de TV; 3. Redes geograficamente distribuídas - abrangem uma grande área geográfica, como um país ou continente. Elas contêm um conjunto de terminais, cuja finalidade é executar aplicações do usuário, e, estão conectados por uma sub-rede, pertencente a uma empresa de telefonia ou um provedor de Internet; 4. Redes sem fio - são aquelas que utilizam meios de transmissão não cabeados, como as ondas de rádio, ondas infravermelho, ondas de luz; 5. Redes domésticas - a idéia principal das redes domésticas que estão surgindo é ter dispositivos domésticos comunicando entre si e, acessíveis através da Internet. Redes pessoais são utilizadas para conectar dispositivos pessoais em uma área pequena, de até 10 metros. 1

24 2 Essas categorias não são absolutas e imutáveis, tanto que, de acordo com critérios como área de cobertura, taxa de dados e tecnologia de transmissão, as redes sem fio podem ser classificadas como: redes de área pessoal sem fio (WPANs - Wireless Personal Area Networks), redes locais sem fio (WLANs - Wireless Local Area Networks), redes metropolitanas sem fio (WMANs - Wireless Metropolitan Area Networks) e, redes de longa distância sem fio (WWANs - Wireless Wide Area Networks) [Dias et al. 2006] (Figura 1.1). WPANs são designadas pelo padrão IEEE , e possuem a finalidade de prover conectividade entre dispositivos pessoais, separados por até 10 metros, aproximadamente. O é, essencialmente, uma tecnologia de baixa potência, curto alcance e baixa velocidade na transmissão de dados (até 721Kbps), para substituição de cabo ; opera na faixa de rádio não licenciada de 2.4GHz, em modo TDM (Time Division Multiplexing), com intervalos de tempo (time slots) de 625 microssegundos [Kurose and Ross 2006]. Como exemplo de WPAN tem-se, o Bluetooth (IEEE ), que permite que um dispositivo mestre comunique-se com dispositivos denominados escravos; o UWB (Ultra Wide Band), empregado na camada física do padrão IEEE para WPANs, com alta taxa de transmissão em uma distância pequena; e, o Zigbee, definido pelos padrões IEEE (com taxa de transmissão de até 250Kbps, alcance de 10 metros, e interconexão de, até, 255 dispositivos) e IEEE a (com taxa de transmissão de 20Kbps, alcance de, no máximo, 75 metros e, interconexão de até dispositivos) [Dias et al. 2006]. Os focos principais deste trabalho são as WLANs e, um tipo específico de WWAN, as redes celulares. Então, primeiramente neste capítulo, serão abordados os dispositivos móveis e a necessidade de mobilidade de seus usuários. Posteriormente, será abordado a transmissão à rádio, pois este é o tipo de transmissão utilizado tanto nas WLANs como nas redes celulares. E, por fim, será discutido com mais detalhes, as características e a funcionalidade destas redes. 1.2 Usuários Móveis Atualmente, as pessoas estão permanecendo grande parte de seu tempo, on-line, ou seja, a informação, o trabalho, os estudos e, até mesmo o lazer, estão cada vez mais ligados à rede. Para estes usuários, os meios de transmissão cabeados estão perdendo a utilidade, pois, eles precisam transferir dados para seus laptops, notebooks, PDAs (Personal Digital Assistants) sem depender desta infra-estrutura de comunicação. A solução para esses usuários está na comunicação sem fio que, possui muitas aplicações importantes além de oferecer mobilidade. Um uso comum para as redes sem fio é o escritório portátil. Também são muito úteis para

25 3 Figura 1.1: Classificação das redes sem fio [Bresil 2004]. frotas de caminhões, táxi, veículos de entrega e funcionários de serviços de assistência técnica que, precisam manter-se em contato com a base de operações de suas empresas. Sua utilidade também se emprega na área militar, onde o uso de cabos seria impróprio pois, seu rompimento (causado por um ataque, por exemplo) deixaria a área incomunicável. Embora as redes sem fio e a mobilidade frequentemente tenham uma relação estreita, elas não são idênticas. Existe uma distinção entre redes sem fio fixas e redes sem fio móveis. Para instalar uma rede sem fio, é preciso apenas adquirir alguns componentes eletrônicos e conectá-los. Um exemplo claro de rede sem fio fixa, é o Bluetooth, em que os componentes de um computador são interconectados à unidade principal usando-se transmissão à rádio de alcance limitado. Existem formas limitadas de mobilidade, que não requerem enlaces sem fio, como na utilização de um laptop, desconectado em casa e levado para o escritório, onde é novamente conectado à rede. Porém, existem as verdadeiras aplicações móveis sem fio e, à medida que esta tecnologia se torna mais difundida, numerosas aplicações surgem.

26 4 1.3 Transmissão Sem Fio Em diversas circunstâncias a comunicação sem fio apresenta vantagens até mesmo para dispositivos fixos. Para isto, os seguintes meios de transmissão podem ser utilizados [Tanenbaum 2003]: ˆ Espectro eletromagnético; ˆ Transmissão de rádio; ˆ Transmissão de microondas; ˆ Ondas de infravermelho e milimétricas e; ˆ Transmissão por ondas de luz. As ondas de rádio, utilizadas para transmissão tanto nas WLANs como nas redes celulares, podem percorrer longas distâncias e penetrar em prédios, é adequada para ligações ponto a ponto e ligações multiponto; portanto, são amplamente utilizadas para comunicação, seja em ambientes fechados ou abertos. Suas propriedades dependem da freqüência. Em baixas freqüências, as ondas de rádio atravessam os obstáculos, mas a potência cai à medida que a distância da fonte aumenta, cerca de 1/r 2 no ar, onde r é o raio (distância). Em altas frequências, as ondas de rádio tendem a viajar em linha reta e refletir nos obstáculos. Elas também são absorvidas pela chuva. Em todas as freqüências, as ondas de rádio estão sujeitas à interferência, provocada por fontes que geram sinais na mesma banda de freqüência. Algumas possíveis fontes de interferência são: radares, motores elétricos, copiadoras, impressoras a laser [Tanenbaum 2003]. Devido à capacidade que as ondas de rádio apresentam de percorrer longas distâncias, os dipositivos dos usuários podem causar interferência entre si. Por essa razão, todos os governos exercem um rígido controle sobre o licenciamento do uso de transmissores de rádio, com apenas uma exceção: as bandas de freqüência ISM (Industrial, Scientific and Medical). Os valores dessas bandas variam de acordo com cada país. Como exemplo, o padrão para redes sem fio IEEE especifica como opções de nível físico as bandas: 902 a 928 MHz, 2.4 a 2.48 GHz e 5.72 a 5.85 GHz [Soares et al. 1995]. Como várias estações compartilham o mesmo meio de transmissão, é necessário utilizar métodos para organizar este compartilhamento. Três métodos podem ser usados: Multiplexação por Divisão de Freqüência (FDM - Frequency Division Multiplexing), Multiplexação

27 5 por Divisão de Tempo (TDM - Time Division Multiplexing) e, Multiplexação por Divisão de Espaço (SDM - Space Division Multiplexing). O método SDM pode ser realizado de duas formas. A primeira delas baseia-se na utilização de antenas direcionais, que emitem sinais de rádio de alta freqüência concentrados em feixes. Esse método permite que uma mesma freqüência possa ser reutilizada, desde que os feixes de ondas sejam transmitidos em regiões distintas do espaço [Soares et al. 1995]. Outra forma de realização do SDM é dividir a área total da rede em áreas menores, chamadas células que, normalmente são representadas por hexágonos. O funcionamento dos sistemas celulares baseia-se na rápida diminuição da potência do sinal de rádio, à medida que ele se propaga. Como já mencionado, no espaço livre, a potência decai aproximadamente com o quadrado da distância do transmissor, e quando as antenas estão próximas ao solo, a potência diminui com, aproximadamente, a quarta potência da distância. Essa característica torna possível a reutilização da mesma freqüência, quando os transmissores estão suficientemente distantes uns dos outros. Exemplos de aplicações SDM são: estações de rádio localizadas em cidades diferentes, transmitindo na mesma freqüência, e o sistema de telefonia celular. Como já mencionado, as redes sem fio geralmente utilizam freqüências altas em suas transmissões. Nessas freqüências, parte das ondas de rádio é refletida quando entra em contato com objetos sólidos e, apenas parte do sinal segue em linha reta entre o transmissor e o receptor. Assim, diferentes caminhos são formados entre o transmissor e o receptor, principalmente em ambientes fechados. Como conseqüência, acontece um espalhamento do sinal, chegando ao receptor, várias cópias, deslocadas no tempo, pois, as velocidades de propagação são iguais e os caminhos possuem comprimentos diferentes. Quando essas cópias chegam ao receptor, elas somam-se aleatoriamente, sendo o resultado dessa soma, o valor do sinal captado pela antena do receptor. Devido a essa diferença nos comprimentos dos caminhos, pode ocorrer um fenômeno chamado desvanenciamento de Rayleigh, onde os componentes se cancelam total ou parcialmente [Soares et al. 1995]. O resultado disso é que, em um mesmo ambiente, o sinal pode ser muito fraco em alguns locais, enquanto que em outros, pode ser totalmente nítido. Assim, ao movimentar-se ou, ao ocorrer mudanças na posição dos obstáculos no ambiente, o receptor pode perceber grandes variações na potência do sinal. Outro problema que pode ser causado pelo espalhamento do sinal é a sobreposição de símbolos, ou interferência de intersímbolos. Como o comprimento (duração) do sinal que transporta a codificação de um símbolo (bit ou grupo de bits), através de uma portadora, diminui

28 6 com o aumento da taxa de transmissão, esse é um fator limitante da capacidade de transmissão dos canais de rádio [Soares et al. 1995]. Além dos problemas já citados anteriormente, como a reflexão das ondas de rádio de alta freqüência, ao entrarem em contato com objetos sólidos, a absorção dessas ondas pela água da chuva, a diminuição da potência inversamente ao aumento da distância e, a interferência de intersímbolos, outra consideração importante, quando se utiliza a transmissão à rádio é, a segurança. Teoricamente, não existem fronteiras para um sinal de rádio, logo, é possível que ele seja captado por receptores não autorizados. Então, para garantir a privacidade, é indispensável a utilização de alguma técnica de criptografia na transmissão de dados. Além disso, se exige que as transmissões nas bandas ISM usem técnicas de espalhamento de banda. As técnicas recomendadas são FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) e DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)[Soares et al. 1995]. A técnica FHSS divide a banda em vários canais. O transmissor envia os dados por um intervalo de tempo em um canal e, muda para outro canal. O padrão que define a seqüência de canais utilizados em uma transmissão é chamado, seqüência de saltos que, pode ser fixa ou aleatória, sendo previamente determinada ou capturada ao longo da transmissão. No método DSSS, usa-se uma seqüência binária para modular o sinal antes de sua transmissão. Multiplica-se, através da operação ou-exclusivo, a seqüência binária pelos dados transmitidos e o resultado é usado para modular a freqüência portadora. Nesse esquema, o receptor precisa conhecer a seqüência binária usada na modulação, para decodificar corretamente o sinal, isto é, os dados. As redes sem fio estruturadas em células, onde os usuários possuem muita mobilidade, apresentam dois problemas adicionais: como permitir que estações em uma célula possam se comunicar com estações em outras células, de forma transparente; e, como permitir que uma estação continue se comunicando, quando se desloca de uma célula para outra. Uma solução para o primeiro problema é definir um sistema de distribuição (possivelmente, usando meio de transmissão cabeado), para transmissão de informações entre células distintas e, usar um ponto de acesso em cada célula para se comunicar com sistema de distribuição. Esse ponto de acesso seria o responsável por capturar as transmissões feitas na célula, endereçadas para estações fora dela, e enviá-las através do sistema de distribuição. O ponto de acesso seria também, responsável por capturar, no sistema de distribuição, as mensagens endereçadas a sua célula, e transmití-las através de ondas de rádio, para as estações de destino. A função que resolve o segundo problema, ou seja, permite que uma estação que se move para outra célula, continue se comunicando transparentemente, é denominada handoff [Soares et al. 1995].

29 7 1.4 WLANs: Padrão IEEE Com o surgimento dos dispositivos de computação portáteis, muitos grupos começaram a desenvolver trabalhos na tentativa de conectá-los à Internet sem o uso dos fios, ou seja, estes dispositivos se conectariam à Internet simplesmente ao entrar em uma área coberta por alguma BS (Base Station). A forma mais prática era equipar esses dispositivos e um determinado local (para acesso), com transmissores e receptores de ondas curtas de rádio, para permitir a comunicação entre eles, constituindo então, uma rede local sem fio. Logo, várias empresas começaram a comercializar as WLANs. O problema inicial era encontrar duas WLANs compatíveis. Isto levou o comitê do IEEE a padronizar as WLANs. O padrão recebeu o nome , comumente chamado de WiFi 1. O padrão proposto tinha de funcionar de dois modos [Tanenbaum 2003]: 1. Na presença de uma BS; 2. Na ausência de uma BS. No primeiro caso, toda a comunicação deveria passar pela estação base, chamada AP (Access Point) na terminologia No outro caso, os computadores transmitiriam entre si no modo ad hoc [Tanenbaum 2003]. Durante a padronização, alguns desafios foram enfrentados, como: encontrar uma banda de freqüências adequada e disponível, lidar com o fato de que as ondas de rádio têm um alcance finito, garantir a privacidade dos usuários, compreender as implicações da mobilidade de computadores e, finalmente, construir um sistema com largura de banda suficiente e economicamente viável. Durante a década de 90, quando o processo de padronização das WLANs começou, a Ethernet dominava o mercado de LANs (Local Area Networks), então, o comitê decidiu tornar o compatível com a Ethernet acima da camada de enlace pois, deveria ser possível enviar um pacote IP (Internet Protocol) pela WLAN, do mesmo modo que um computador conectado através de fios envia, este pacote, pela Ethernet. Mas, existiam várias diferenças entre a Ethernet e a WLAN, e essas diferenças tinham que ser tratadas pelo padrão. exemplo, um computador na Ethernet sempre escuta o meio antes de transmitir, e inicia sua 1 WiFi é uma marca registrada pela WiFi Alliance, anteriormente conhecida como WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), uma organização formada por fornecedores de equipamentos e software de WLAN, cuja missão é garantir interoperabilidade do padrão IEEE Produtos certicados como WiFi podem interoperar, mesmo sendo de fabricantes diferentes. Por

30 8 transmissão somente se o meio estiver livre; o que não funciona muito bem no caso das WLANs [Tanenbaum 2003]. Um outro problema a ser resolvido era a atenuação multiponto - reflexão do sinal de rádio causada pela interferência de objetos sólidos - fazendo com que o sinal pudesse ser recebido várias vezes por diversos caminhos. Um terceiro problema a ser resolvido era tornar o software ciente da mobilidade. O quarto problema é que, se um computador for afastado do AP que ele está utilizando e, entrar na faixa de alcance de um AP diferente, seria necessária alguma forma de transferência (handoff ). Embora ocorra com telefones celulares, esse problema não acontece com a Ethernet e precisava ser resolvido. Basicamente, a rede prevista consistia em várias células, cada uma com seu próprio AP, conectados através da Ethernet (Figura 1.2). Visto do exterior, o sistema inteiro deve asemelharse a uma única Ethernet. A conexão entre a WLAN e o mundo exterior é chamada portal [Tanenbaum 2003]. Figura 1.2: Rede (WLAN). Em 1997, o comitê apresentou um padrão que tratava essas questões. A WLAN que ele descreveu utiliza FHSS e funciona a 1Mbps ou 2Mbps, então, imediatamente padrões mais rápidos começaram a ser desenvolvidos, resultando em dois novos padrões, apresentados em 1999: b e a. O padrão b emprega uma técnica de modulação diferente do , o DSSS, opera na faixa 2,4 GHz e alcança 11Mbps. O padrão a utiliza uma faixa de freqüências mais larga (5 GHz), a técnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que, transmite múltiplos sinais simultaneamente sobre um único caminho de transmissão, através da distribuição dos dados sobre um grande número de portadoras; e, opera em velocidades de 54 Mbps. Também foi apresentada uma outra variante, o g,

31 9 que opera na mesma faixa de freqüência do b (2,4 GHz), mas suporta taxas de dados do a (54Mbps), proporcionando interoperabilidade com estes dois padrões. A evolução da família ainda contempla extensões para: QoS (Quality of Service) (802.11e), gerenciamento de handoff (802.11r) e segurança (802.11i), além das WLANs com taxas de dados ainda mais elevadas, proporcionadas pela tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) usada no padrão n [Dias et al. 2006]. O proporcionou certa evolução no acesso à Internet tornando-a móvel; assim como os dispositivos portáteis para a computação Arquitetura IEEE A arquitetura adotada pelo projeto IEEE [Soares et al. 1995] para as redes sem fio baseia-se na divisão da área coberta pela rede, em células. As células são chamadas BSA (Basic Service Area). O tamanho da BSA depende das características do ambiente e, dos transmissores e receptores usados nas estações. Um grupo de estações comunicando-se por ondas de rádio, em um BSA, constitui um BSS (Basic Service Set). Para permitir a construção de redes cobrindo áreas maiores que uma célula, múltiplas BSAs são interligadas através de um sistema de distribuição (que pode ser uma rede baseada em meio de transmissão cabeado) via APs. Além de interligar APs (Access Point), o sistema de distribuição fornece os recursos necessários para interligar as redes sem fio à outras redes. Os APs, por sua vez, são estações diferenciadas responsáveis pela captura dos dados transmitidos pelas estações de sua BSA, destinados a estações localizadas em outras BSAs, retransmitindo-os através do sistema de distribuição. Eles têm as seguintes funções: autenticação, associação e reassociação; gerenciamento de potência; e, sincronização. Através da autenticação, associação e reassociação, as estações podem continuar conectadas à infra-estrutura, mesmo quando estão fora de sua BSA de origem; elas utilizam procedimento de varredura para determinar a qual AP se associarão. Gerenciamento de potência, permite que estações operem com a função de recepção desabilitada, para economizar energia. Assim, os APs armazenam os pacotes destinados à estas estações até que, elas liguem seus receptores. Para isto, o AP e as estações operam com relógios sincronizados. A função de sincronização é implementada através do envio periódico de pacotes, transportando o valor do relógio do AP (Access Point). As BSAs interligadas por um sistema de distribuição através de APs definem uma ESA

32 10 (Extended Service Area). O conjunto de estações formado pela união de vários BSSs conectados por um sistema de distribuição define um ESS (Extended Service Set). Cada ESS é identificado por um ESS-ID. Dentro de um ESS, cada BSS é identificado por um BSS-ID. Esses dois identificadores formam o Network-ID de uma WLAN [Soares et al. 1995]. Um ESS formado pela interconexão de múltiplos BSSs constitui uma WLAN com infraestrutura. A infra-estrutura consiste nos APs, e no sistema que os interliga. Um caso especial nessa arquitetura são, as redes locais sem fio ad hoc, já mencionadas anteriormente, onde o ESS é formado por um único BSS. Uma rede ad hoc permite a comunicação entre estações próximas sem utilizar nenhuma infra-estrutura. 1.5 WWANs Um tipo de rede sem fio são as WWANs que, são usadas em sistemas geograficamente distribuídos. Um exemplo de sistema sem fio de baixa largura de banda é a rede à rádio utilizada para telefonia celular. Esse sistema já passou por três gerações. A primeira geração ou, 1G, era analógica e usada apenas para transmissão de voz. A segunda geração ou, 2G, foi desenvolvida para transmissão digital de voz. E, finalmente a terceira geração ou, 3G, também digital, se destina a transmissão de voz e dados. Em um comparativo com as WLANs, pode-se afirmar que as distâncias envolvidas nas redes celulares são muito maiores e, as taxas de bits muito mais baixas. Além dessas redes de baixa velocidade, também estão se desenvolvendo redes sem fio geograficamente distribuídas, de alta largura de banda. O enfoque inicial é o acesso a Internet de alta velocidade, sem a utilização do sistema telefônico. Esse serviço é chamado de distribuição local multiponto [Tanenbaum 2003] Sistema de Telefonia Móvel Celular: Breve Histórico A evolução das redes sem fio pode ser considerada, como tendo início com o aparecimento das primeiras redes de telefonia celular e, prosseguindo com suas sucessoras [Dias et al. 2006]. Vários padrões para Primeira Geração de telefones celulares foram adotados em diversos países, entre eles, o AMPS (Advanced Mobile Telephone System), nos Estados Unidos, em 1982, também utilizado na Inglaterra sob o nome TACS (Total Access Communications Systems) e, no Japão com o nome JTACS (Japan TACS); e o NMT (Nordic Mobile Telephones) nos países do norte europeu [Dias and Sadok 2001]. Os principais problemas com esses sistemas

33 11 analógicos eram, a baixa capacidade e qualidade dos canais de comunicação utilizados e, a incompatibilidade entre os diversos padrões. A Segunda Geração veio numa tentativa de ampliar a capacidade dos sistemas 1G. Cinco sistemas se destacam: D-AMPS, GSM (Global System for Mobile Communications), CDMA (Code Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) e PDC (Personal Digital Cellular) [Dias and Sadok 2001]. O D-AMPS foi uma evolução do AMPS, descrito pelo padrão IS-54 (Interim Standard - 54) e totalmente digital. Esse sistema foi mal sucedido devido ao fato de proporcionar maior ganho, em relação ao AMPS, para a operadora e não para o usuário e, ainda apresentava problemas na qualidade de voz. Como alternativa, surgiu nos Estados Unidos o IS-95, com um aumento na capacidade. O IS-54 foi sucedido pelo IS-136, com novas características. O D-AMPS coexistia com o AMPS, de modo que os telefones celulares de 1G e 2G pudessem operar simultaneamente na mesma célula; eles utilizavam os mesmos canais, nas mesmas freqüências, de modo que um único canal podia ser analógico e, os canais adjacentes, digitais. No início da década de 90, surgiu na Europa, o GSM, incompatível com os sistemas IS-54 e IS-136. Esse sistema foi padrão para as comunicações celulares em toda Europa. O CDMA funciona de modo completamente diferente do D-AMPS e do GSM. Quando proposto, ele foi muito mal recebido pela indústria, mas graças à persistência da empresa Qualcomm, ele foi considerado aceitável e, hoje, é visto como a melhor solução técnica existente e, como base para os sistemas de Terceira Geração (3G). O TDMA usa um sistema de celular analógico como o AMPS, e foi criado para coexistir com este, dividindo o canal de 30KHz em três canais, onde três usuários compartilhem um canal, alocando um slot de tempo por vez para cada usuário. O PDC é usado somente no Japão e, é basicamente o D-AMPS, modificado para promover compatibilidade com o sistema analógico japonês de Primeira Geração (JTAC). Com a Segunda Geração de celulares foi introduzida nova tecnologia na comunicação de voz, com maior qualidade e capacidade de transmissão, possibilitando atender um maior número de usuários. E também, foi criado o SMS (Short Messages Service) para transmissão de pequenos pacotes de dados. Ainda no início da década de 90, surgiu a idéia da Terceira Geração (3G) dos sistemas celulares, como uma proposta para a padronização global das comunicações móveis. Estes sistemas proveriam serviços de voz e, disponibilizariam altas taxas de transmissão de dados, possibilitando o suporte à aplicações multimídia e acesso à Internet [Dias and Sadok 2001].

34 Sistema de Telefonia Móvel Celular: Características Gerais Em todos os sistemas de telefonia móvel, uma região geográfica é dividida em células e, cada célula utiliza um grupo de freqüências de transmissão não utilizado nas células vizinhas. O que garante grande capacidade aos sistemas celulares é o uso de células pequenas e, a reutilização de freqüências em células não adjacentes. Além do aumento na capacidade, células menores requerem menor gasto de energia, o que possibilita a existência de dispositivos transmissores/receptores menores e mais econômicos. Em uma área em que o número de usuários cresce a ponto do sistema ficar sobrecarregado, a potência é reduzida e, as células sobrecarregadas são divididas em células menores, denominadas microcélulas, para permitir maior reutilização de freqüências. Em determinados momentos, as empresas de telefonia criam microcélulas temporárias devido à necessidade, em ocasiões como, eventos esportivos, shows de rock onde, um grande número de usuários de telefones celulares se reúne por algumas horas [Tanenbaum 2003]. No centro de cada célula há uma BS (Base Station) que recebe as transmissões de todas as MSs (Mobile Stations) ou, telefones celulares, presentes na célula, através de sinais de rádio. As BSs convertem estes sinais e os transmitem, através de um enlace de comunicação sem fio ou com fio, para um MSC (Mobile Switching Center) ou, MTSO (Mobile Telephone Switching Oflice), no qual estão conectadas. O MSC coordena e roteia as chamadas para outros telefones móveis ou para telefones fixos conectados à rede pública de telefonia (PSTN - Public Switched Telephone Network). Em um grande sistema, podem ser necessários diversos MSCs, todos conectados a um MSC de segundo nível, e assim por diante. Basicamente, os MSCs são estações finais e estão conectados a pelo menos, uma estação final de um sistema telefônico. Os MSCs se comunicam com as BSs, entre si e, com a PSTN, usando uma rede de comutação de pacotes. O HLR (Home Location Register) é uma base de dados de uma área de serviço que, contém informações sobre as MSs cadastradas naquela área. Nos HLRs são armazenadas informações como: MIN (Mobile Identification Number), ESN (Eletronic Serial Number) e, perfil do usuário com dados como, call forward-to number, estado (ativo ou inativo) e ponteiro para o último VLR (Visitor Location Register) onde a MS se registrou. O VLR funciona em conjunto com o HLR para suportar roaming automático, ou seja, permitir que MSs saiam de sua área (rede doméstica, na qual estão registradas) e movam-se para outra área (rede visitada), automaticamente, mantendo seus dados. Sendo assim, o VLR é um repositório local, temporário, com dados da MS que está fora de sua área de serviço [Dias and Sadok 2001]. A Figura 1.3 mostra um sistema celular básico, com todos esses elementos.

35 13 Figura 1.3: Arquitetura da Rede Celular [Dias and Sadok 2001] Quando uma MS deixa fisicamente uma célula, sua BS detecta que o sinal da MS está enfraquecendo e verifica com as BSs vizinhas, quanto à quantidade de energia que estão recebendo dela. Então, a BS faz a transferência para a célula que está recebendo o sinal mais forte, ou seja, célula em que a MS está localizada no momento. Caso haja alguma chamada em andamento, a MS é solicitada a passar para outro canal, já que o antigo não é reutilizado em células adjacentes. Esse processo é chamado de handoff. Os handoffs possuem as suas variações. Em um soft handoff [Tanenbaum 2003], o sinal do telefone é adquirido pela nova BS antes da anterior se desconectar. Desse modo, não existe nenhuma perda de continuidade. Entretanto, o telefone precisa ter a capacidade de sintonizar duas freqüências ao mesmo tempo. Os dispositivos de Primeira Geração e de Segunda Geração não realizam soft handoff. No hard handoff [Tanenbaum 2003], a BS antiga libera o sinal da MS antes dela ser adquirida pela nova BS. Se a nova não for capaz de adquiri-la (por exemplo, porque não existe nenhuma freqüência disponível), a chamada será desconectada de forma abrupta. Os usuários

36 14 notam essa interrupção, mas ela é inevitável com este método. Já no fast handoff [Dias et al. 2006], um roteador itermediário (que pode ser um agente de mobilidade da estação que deseja enviar pacotes) possui a informação à respeito do handoff que será realizado, assim, enquanto a função estiver sendo executada, ele envia os pacotes da estação comunicante para a antiga e a nova BS (Base Station), da MS (Mobile Station) em questão Primeira Geração Dentre os sistemas analógicos de Primeira Geração desenvolvidos, pode-se citar: AMPS, NMT e NTT (Nippon Telephone and Telegraph). A seguir, discute-se as características básicas do sistema AMPS. AMPS No sistema AMPS [Dias and Sadok 2001], as células possuem, em geral, de 10 a 20 km. Ele utiliza 832 canais full-duplex, sendo que, cada um consiste em um par simplex. Os 832 canais de transmissão simplex operam na faixa 824 a 849 MHz e, os 832 canais de recepção simplex operam na faixa 869 a 894 MHz. Cada um desses canais simplex, tem largura de 30KHz, separados através da técnica FDM. Os 832 canais são divididos em categorias de controle, localização, acesso e dados. Os canais de controle e de localização são da BS para a MS, usados para gerenciar o sistema e, alertar os usuários de chamadas destinadas a eles, respectivamente. Os canais de acesso e de dados são bidirecionais, sendo que o primeiro é utilizado para configuração de chamadas e atribuição de canais e, o segundo, para transmissão de voz ou dados. Como as mesmas freqüências não podem ser reutilizadas em células vizinhas, o número real de canais disponíveis por células é de, aproximadamente, 45, e não Segunda Geração O desenvolvimento de técnicas de codificação de voz digital e, o grande e contínuo aumento dos dispositivos de circuito integrado tornaram os atuais sistemas digitais de Segunda Geração viáveis. A seguir serão discutidos os sistemas que mais se destacaram, e tiveram maior aceitação.

37 15 D-AMPS Quando o D-AMPS [Dias and Sadok 2001] [Tanenbaum 2003] foi lançado, uma nova banda de freqüência se tornou disponível para lidar com o aumento esperado de carga. Os canais de transmissão operavam na faixa de 1850 a 1910MHz, e os canais de recepção operavam na faixa de 1930 a 1990MHz, também aos pares, como no AMPS. Porém, muitos telefones D- AMPS podem usar bandas de 850 a 1900 MHz, a fim de obter uma faixa mais ampla de canais disponíveis. Em uma MS (Mobile Station) deste sistema, o sinal de voz captado pelo microfone é digitalizado e compactado, por um circuito denominado vocoder. A compactação leva a largura de banda dos 56Kbps para 8Kbps. A compactação é realizada no telefone, a fim de reduzir o número de bits transmitidos pelo enlace aéreo. Assim, três usuários podem compartilhar um único par de freqüências usando TDM. Utilizando-se melhores algoritmos de compactação, é possível reduzir a voz a 4Kbps e, assim, seis usuários podem ser acomodados. Obviamente, a qualidade de voz a 4Kbps não é comparável ao que pode ser obtido a 56Kbps. Conceitualmente, o D-AMPS funciona como o AMPS. Quando uma MS é ligada, ela faz contato com a BS (Base Station) para se anunciar e, então, escuta um canal de controle em busca de chamadas recebidas. Tendo captado uma nova MS, a MSC informa à BS inicial do usuário onde ele está, de forma que as chamadas possam ser roteadas corretamente [Tanenbaum 2003]. Uma diferença entre o AMPS e o D-AMPS é a forma como o handoff é tratado. No AMPS, a MTSO o administra completamente, sem ajuda dos dispositivos móveis. O D-AMPS utiliza o tempo que não está transmitindo nem recebendo, ou seja, os slots ociosos, para medir a qualidade da linha. Ao descobrir que o sinal está diminuindo, ele reclama à MSC, que pode então interromper a conexão; nesse momento, a MS pode tentar sintonizar um sinal mais forte de outra BS. Essa técnica é chamada MAHO (Mobile Assistente HandOff ) [Tanenbaum 2003]. GSM No GSM [Tanenbaum 2003], semelhantemente ao D-AMPS, é empregada a FDM, com cada MS (Mobile Station) transmitindo em uma freqüência e recebendo em uma freqüência mais alta. Um único par de freqüências é dividido pela TDM em slots de tempo compartilhados por várias MSs. Um sistema GSM possui 124 pares de canais simplex (teoricamente, são 992 canais admitidos em cada célula, mas muitos não estão disponíveis, a fim de evitar interferência com células adjacentes). Os canais possuem largura de 200 KHz e admitem oito usuários, ou seja,

38 16 oito conexões separadas; o que dá ao GSM uma grande taxa de dados por usuário. O GSM possui vários canais de controle usados para gerenciar o sistema, que são: canal de controle de difusão, canal de controle dedicado e, o canal de controle comum. O canal de controle de difusão é usado pela BS, para transmitir seu identificador e o status do canal. Todas as MSs monitoram a intensidade do sinal que estão recebendo desta BS, a fim de verificar quando elas são transferidas para uma nova célula. O canal de controle dedicado é usado para atualização de local, registro e configuração de chamadas. Ou seja, cada BS mantém um banco de dados das MSs que estão sob seu controle. E, as informações necessárias para manter esse banco de dados são transmitidas através do canal de controle dedicado. Por fim, existe o canal de controle comum, dividido em três subcanais lógicos. O primeiro deles é o canal de localização que, a BS utiliza para anunciar as chamadas recebidas às suas MSs que, por sua vez, monitoram constantemente este canal para verificar se há alguma chamada destinada à elas. O segundo é o canal de acesso aleatório que, permite aos usuários solicitarem um slot no canal de controle dedicado, a fim de configurar uma chamada. Se duas solicitações colidirem, elas terão de ser repetidas mais tarde, caso contrário, o slot atribuído é anunciado no terceiro subcanal, o canal de concessão de acesso. Uma grande inovação do sistema GSM é o módulo de identificação do usuário, o SIM (Subscriber Identification Module) que contém a identificação completa do usuário e, chaves de código de privacidade. O SIM apresenta-se sob a forma de um cartão que, é conectado ao terminal GSM. Estes cartões podem ser removidos de um telefone GSM e usados em um outro, permitindo que o usuário utilize qualquer telefone GSM. Sem o SIM, o terminal torna-se inoperante [Dias and Sadok 2001]. CDMA Em sistemas CDMA [Dias and Sadok 2001] os usuários transmitem, simultaneamente, utilizando toda a banda de freqüências e, seu canal digital provê tanto funcionalidade para controle quanto, para voz. Neste sistema, o espectro de freqüência do sinal de informação é espalhado através de códigos pseudo-aleatórios, não relacionados com o sinal. Como resultado, a ocupação de banda é bem maior. O receptor, por sua vez, através da relação entre o sinal recebido e o código pseudo-aleatório apropriado, referente a cada usuário, extrai o sinal transmitido a ele. Os sinais dos demais usuários parecerão ruído para o receptor em questão pois, seu código não é relacionado com

39 17 estes sinais Terceira Geração Em 1992, a ITU (International Telecommunication Union) apresentou um projeto denominado IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), onde o 2000 tinha três significados: o ano em que o sistema entraria em serviço; a freqüência, em MHz, na qual deveria operar, e; a largura de banda, em KHz que, o serviço deveria ter [Tanenbaum 2003]. Os serviços básicos que essa rede deveria oferecer a seus usuários eram: transmissão de voz de alta qualidade, serviço de mensagens, multimídia e, acesso à Internet; disponíveis em âmbito mundial, sempre ativos e, com garantias de QoS. Mas, esse valor apresentado pela ITU não foi alcançado em nenhum dos aspectos. A ITU previu uma única tecnologia mundial para o IMT Então, várias propostas foram feitas, das quais se sobressaíram duas: o W-CDMA (Wideband CDMA) e o CDMA2000 [Tanenbaum 2003]. O W-CDMA foi proposto pela Ericson, funciona em uma largura de banda de 5MHz e foi projetado para interoperar com redes GSM, podendo efetuar handoff de chamadas para uma célula GSM. Esse sistema foi adotado pela União Européia e chamado de UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), padronizado segundo a 3GPP (Third Generation Partnership Project). O CDMA2000 foi proposto pela Qualcomm e é basicamente uma extensão do IS-95. Ele também utiliza uma largura de banda de 5 MHz, e não interopera com o GSM. Algumas operadoras desenvolveram sistemas intermediários, chegando às redes 2.5G. Um sistema desse tipo é o EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) [Tanenbaum 2003], que é simplesmente o GSM com maior taxa de transmissão. O problema é uma taxa de transmissão maior, também significa maior número de erros e, assim, o EDGE tem nove esquemas diferentes para modulação e correção de erros. Outro sistema 2.5G é o GPRS (General Packet Radio Service) [Tanenbaum 2003], uma rede de sobreposição de pacotes em redes D-AMPS ou o GSM. Ele permite que MSs (Mobile Station) transmitam e recebam pacotes IP em uma célula que executa sistema de voz. Quando GPRS está sendo executado, alguns slots de tempo, em algumas freqüências, são reservados para o tráfego de pacotes. O número e o local desses slots podem ser dinamicamente gerenciados pela BS, dependendo da relação entre o tráfego de voz e dados na célula. Os sistemas 2.5G são considerados serviços 3G para redes 2G, e conduz ao conceito de

40 18 comunicações híbridas (dados e voz). Devido aos fracos e insuficientes resultados apresentados pelas redes 3G que, nem chegaram a ser plenamente desenvolvidas, as pesquisas estão se voltando para os sitemas de Quarta Geração. Algumas características propostas incluem alta largura de banda, conectividade global, integração uniforme com redes fisicamente conectadas, em especial com o IP, gerenciamento adaptável de recursos e do espectro, rádio por software e alta qualidade de serviço multimídia [Tanenbaum 2003]. A Quarta Geração será abordada no capítulo 2, devido à sua extensão e, importância dentro do escopo deste trabalho.

41 Capítulo 2 Quarta Geração 2.1 Redes 4G Uma das visões mais aceitas para a Quarta Geração de sistemas móveis, envolve a integração de tecnologias e redes sem fio heterogêneas, para proporcionar conectividade transparente ao usuário e, a melhor conexão (viabilização do conceito ABC - Always Best Connected) [Gustafsson and Johnson 2003]. Com o desevolvimento acelerado das tecnologias, pode-se prever que os ambientes das futuras redes serão heterogêneos, em termos de infra-estrutura e aplicações. A disponibilidade de várias dessas tecnologias de rede sem fio e, a integração com a Internet permitirão: usar equipamentos com múltiplas interfaces, dispositivos sem fio baseados na tecnologia Rádio por Software (Software Defined Radio), selecionar a rede apropriada para alcançar níveis adequados de QoS e requisitos de custo, tudo isto, de forma transparente [Dias et al. 2006]. Um diferencial, também importante, entre as tecnologias 3G e 4G, é o aumento das taxas de transmissão de dados, assim como ocorreu entre as tecnologias 2G e 3G. A empresa japonesa NTT-DoCoMo, importante companhia de serviços sem fio, testava em 2005, comunicação 4G a 100Mbps enquanto a unidade se move, e 1Gbps enquanto a unidade está parada. NTT-DoCoMo planeja lançar a primeira rede comercial 4G, em Espera-se que, a tecnologia 4G entregue versões mais avançadas das mesmas melhorias relacionadas à qualidade de serviço, prometidas pela tecnologia 3G como, multimídia de alta definição, conectividade global e, portabilidade entre todos os tipos de dispositivos; e, devido à largura de banda, espera-se grande quantidade de informações e, aumento na personalização. Então, o início das pesquisas em comunicações móveis 4G se deu, devido às limitações da 19

42 20 3G [Hussain et al. 2006] [Sun et al. 2001]: ˆ Possibilidade: as fases de padronização e de distribuição 3G já ocorreram na Europa, e sua instalação no Brasil já está sendo realizada, como poderia ser previsto, baseando-se nas indicações históricas; ˆ Necessidade: de acordo com os objetivos 3G, a mesma é necessária, mas não é suficiente à estratégia de comunicação móvel pois, muitos problemas são resolvidos parcialmente e ainda existem muitos a serem resolvidos pela geração seguinte, isto é, a 4G; ˆ Dificuldade na largura de banda continuamente crescente e na alta taxa de dados requeridos pelos serviços multimídia, juntamente com a coexistência de serviços diferentes necessitando de QoS diferente; ˆ Limitação do espectro de frequências e de seu alocamento pois, apenas as bandas ISM podem ser utilizadas, sendo dividas através da técnica FDM e, podendo ocorrer interferências; ˆ Dificuldade de mobilidade através de ambientes de serviços diferentes, em diferentes faixas de freqüência. O maior avanço entre a Segunda e a Terceira Gerações, não foi conduzido por novas técnicas ou, desenvolvimento tecnológico, uma vez que ambas são fundamentadas em técnicas digitais, mas sim, na capacidade de suportar serviços avançados e com maior largura de banda, dando assim, maior foco ao usuário. E este, não se interessa pela tecnologia utilizada, suas expectativas são relacionadas à variedade de serviços e aplicações com uma alta qualidade de serviço. Da mesma maneira, a Quarta Geração pode ser analisada sob a perspectiva do usuário. Esta nova tecnologia também pode ser analisada sob a perspectiva do acesso à banda larga com largura de banda por demanda, seja redes locais de banda larga sem fio, sistemas móveis de banda larga (MBS - Mobile Broadband Systems) ou redes de broadcast interativas. E também, sob a perspectiva da integração de plataformas e sistemas operacionais heterogêneos, operando em diferentes bandas de freqüência e, com capacidade de reconfiguração da rede e dos terminais, ocorrendo adaptação contínua à carga do tráfego, às condições dos canais e aos ambientes de serviços; isso implicaria em novos protocolos de rede e algoritmos de controle de congestionamento, capazes de se adaptarem às mudanças das condições dos canais, dinamicamente. Enfim, existem duas perspectivas gerais, a perspectiva do usuário e, a perspectiva da tecnologia.

43 21 Diante de qualquer perspectiva, a Quarta Geração deverá prover: mobilidade, banda larga, conectividade global, segurança, QoS, acesso à Internet e, serviços de multimídia como, conteúdo de áudio e vídeo, vídeo interativo, transferência de imagens em tempo real. Então, o acesso heterogêneo através de qualquer meio, proverá maior conectividade ao usuário e, deverá fornecer os serviços tradicionais (com requisitos de custo e desempenho comparáveis aos das redes fixas), assim como novos que, por sua vez, dependerão da implementação de conceitos como QoS - para assegurar os requisitos das aplicações -, AAA (Authentication, Authorization and Accounting) - para verificar a identidade e direitos de acesso dos usuários - e Gerenciamento de Mobilidade (MM - Mobility Management). Existem diferentes tecnologias de acesso que aparecerão em um cenário 4G. Não se trata de tecnologias excludentes, assim, todas poderão coexistir, em função das necessidades dos usuários que, poderão optar, por exemplo, por alguma das seguintes [Cuevas et al. 2002]: ˆ W-CDMA (UMTS): se trataria do meio de acesso mais caro (infra-estrutura e consumo do terminal), mas com maior capacidade de mobilidade. No princípio ofereceria uma largura de banda reduzida comparada com o resto das tecnologias, mas proporcionaria grande cobertura e mobilidade. ˆ WLAN: a cobertura seria limitada devido aos pontos de acesso. Assim, seria adequada para cobrir determinadas áreas, com menor custo e, uma largura de banda considerável. ˆ Ethernet: com esta tecnologia perde-se toda mobilidade mas, alcança a maior largura de banda. Seria adequada para acesso em áreas com grandes requisitos de largura de banda. 2.2 Arquitetura Geral para Redes 4G A idéia principal das redes 4G é, ter um núcleo comum de Internet para todas as redes de acesso diferentes. Parte dos serviços é fornecida pelos próprios dispositivos móveis e, parte pelo domínio de serviço. Deve haver suporte à QoS, segurança e gerenciamento de mobilidade e, a comunicação móvel será baseada na Arquitetura Sem Fio Aberta (OWA - Open Wireless Architecture) [Hu and Lu 2003]. A OWA garante que um terminal poderá se conectar, automaticamente e sem emenda (integração uniforme), aos sistemas locais sem fio de alta velocidade (WLANs, Wireless Broadband, Loop Local Wireless, HomeRF, ATM Wireless), quando os usuários estiverem em locais onde essas redes de acesso estão disponíveis (escritórios, shopping center, aeroportos). Quando os

44 22 usuários estiverem em movimento, o mesmo terminal poderá se conectar às redes móveis sem fio (GPRS, W-CDMA, CDMA2000). Esta convergência da comunicação sem fio pode prover as seguintes vantagens [Hussain et al. 2006] [Hu and Lu 2003]: ˆ Aumentar a eficiência no uso da banda; ˆ Assegurar uma maior taxa de dados ao terminal sem fio; ˆ Melhorar o compartilhamento dos recursos de rede e canais de utilização; ˆ Gerenciar com eficiência, QoS e aplicações multimídia. Os módulos da arquitetura devem incorporar as seguintes entidades [Hussain et al. 2006] [Sun et al. 2001]: ˆ Usuários: O foco é o movimento do usuário, para permitir seu acesso à rede doméstica quando este se move, envolvendo gerenciamento de localização e uma comunicação pessoal; ˆ Terminais: Permite acesso aos serviços em qualquer hora e em qualquer lugar. A mobilidade terminal reserva aos usuários móveis, a movimentação através dos limites geográficos das redes sem fio. O desafio maior de fornecer mobilidade do terminal dentro de uma infra-estrutura 4G é, encontrar e atualizar as posições dos terminais nos vários sistemas; ˆ Redes: A mobilidade da rede é a habilidade da rede de suportar roaming de uma sub-rede inteira, estruturada ou ad hoc. A reconfiguração da rede pode ser obtida pela reconfiguração das pilhas de protocolo, e os recursos da rede podem ser dinamicamente alocados para lidar com a carga de tráfego, a condição do canal e, a variação do ambiente de serviço. De acordo com os tipos de serviço, níveis múltiplos de QoS podem ser definidos; ˆ Aplicações: A aplicação móvel deve consultar o perfil do usuário de modo que os serviços possam ser entregues de sua maneira preferida, ou seja, serviços personalizados baseados em contexto. A incorporação de novas funções em protocolos e mecanismos de mobilidade existentes não resolve apropriadamente as demandas dos futuros cenários de comunicação. Consequentemente, a nova Arquitetura Móvel necessita ser definida, baseada em princípios como diversidade, adaptabilidade, harmonização entre camadas, gerenciamento de nome [Sun et al. 2001] [Hussain et al. 2006].

45 Visões 4G Visão 1: Integração de Redes Sem Fio Infra-estruturadas O primeiro passo rumo à Quarta Geração é a integração das redes sem fio infra-estruturadas [Dias et al. 2006], nas quais as MSs (Mobile Station) se conectam às BSs (Base Station) ou APs (Access Point) que, por sua vez, são conectados às redes cabeadas e à Internet através de roteadores e gateways. Estes sistemas infra-estruturados incluem WLANs, WMANs e WWANs. Os principais aspectos considerados nesta integração são: seleção da rede, AAA e, roteamento através da infra-estrutura fixa conectando os APs e a rede 3G [Dias et al. 2006]. Uma integração 3G/WLAN seria importante por unir as melhores características destes dois tipos de rede. As WLANs fornecem cobertura em hot spots (áreas públicas como, aeroportos e hotéis, onde existem WLANs instaladas). A rede celular, por sua vez, proporciona cobertura de longo alcance com suporte à mobilidade mas, com taxa de transmissão de dados consideravelmente, menor. A Figura 2.1 apresenta um cenário para esta integração. A rede celular é conectada à Internet através de suas BSs e, as WLANs e os hot spots, através de seus APs. Esta conexão com o núcleo da rede (no caso, Internet) é realizada pelos gateways e roteadores. Assim, um usuário que encontra-se em uma área de interseção entre a rede celular e a WLAN b, por exemplo, poderia decidir a partir de qual rede obteria acesso, ou então, isso poderia ser realizado automaticamente, dependendo do serviço que o usuário fosse utilizar, baseando-se em requisitos adequados e, de seu interesse. Este tipo de cenário tem sido considerado por operadoras de redes celulares como uma oportunidade para melhorar os serviços oferecidos aos seus clientes pois, eles teriam a oportunidade de acessar a Internet através de WLANs, usando credenciais das redes celulares [Dias et al. 2006]. Entretanto, desenvolver esta integração de forma transparente ao usuário ainda é uma difícil questão pesquisada por órgãos como, a 3GPP e 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2) e, pela indústria Visão 2: Integração com Redes Sem Fio Multi-Hop Um segundo cenário, ainda mais complexo, é a integração de redes sem fio infra-estruturadas (por exemplo, WLANs e redes celulares) com as redes móveis ad hoc (MANET - Mobile Ad-hoc NETwork), a qual permite a comunicação entre MSs (Mobile Station) sem nenhuma infraestrutura fixa. A motivação para integração dessas plataformas de redes sem fio é a mesma das

46 24 Figura 2.1: Cenário integrado Celular/WLAN [Dias et al. 2006]. demais integrações que vêm sendo investigadas: fornecer informações e serviços à dispositivos portáteis diferentes, em qualquer hora e em qualquer lugar. Mas a integração de tais tecnologias, com potencialidades e funcionalidades diferentes, é uma tarefa extremamente complexa e, envolve mudanças em todas as camadas da pilha de protocolo. A primeira etapa para o fornecimento eficaz e eficiente de serviços de dados, é integrar WLANs, WPANs, WMANs e WWANs, observando sua característica comum: o modo de operação one-hop (single-hop ou infra-estrutura), no qual o usuário acessa o sistema através de uma BS (Base Station) ou um AP (Access Point). A segunda etapa é estender isto a um ambiente de comunicação multi-hop usando o paradigma de MANETs, em que, cada dispositivo móvel atua como um roteador e, usando o protocolo de roteamento multi-hop, os dispositivos colaboram entre si para encaminhar os pacotes de dados até o destino. O protocolo multi-hop viabiliza conexões alternativas dentro dos hot-spots e estende a cobertura do sistema para além daquela proporcionada pelas BSs ou APs [Dias et al. 2006] [Cavalcanti et al. 2005]. O cenário para esta integração é apresentado na Figura 2.2. As redes infra-estruturadas são conectadas ao núcleo de rede (Core Network - CN) através de seus APs e BSs (da mesma ma-

47 25 neira que no cenário anterior). Mas neste, existe uma segunda opção para realizar comunicação, o modo ad hoc, em que, os dispositivos móveis comunicam-se, sem nehuma infra-estrutura. E, considerando que, um destes dispositivos está conectado à infra-estrutura, os demais podem transmitir seus dados (e receber) ao CN, através deste. Figura 2.2: Cenário integrado Celular/WLAN/MANET [Cavalcanti et al. 2005]. Embora os dispositivos em um MANET comuniquem-se, frequentemente, através das relações de WLAN/WPAN, o seu modo de operação multi-hop tem diferenças associadas que, não são consideradas no modo de operação single-hop. Então, MANETs (que operam no modo multihop) e WLANs/WPANs (que operam na modalidade single-hop), necessitam ser diferenciadas nas soluções dos projetos de integração [Cavalcanti et al. 2005]. As arquiteturas de integração pesquisadas pelo 3GPP e 3GPP2 consideram somente operações no modo infra-estruturado e não desenvolvem pesquisas referentes a comunicação multi-hop. A integração com o paradigma MANETs é bem mais complexo, devido à natureza dinâmica da comunicação multi-hop [Dias et al. 2006].

48 Visão 3: Perspectiva do Usuário A principal diferença entre esta terceira visão e, as duas consideradas anteriormente é que, esta, considera o usuário como o principal elemento no contexto 4G pois, se o sistema não é amigável, o usuário não poderá se beneficiar dos aspectos tecnológicos da rede. Assim, o sistema deve ser construído a partir da sensibilidade do usuário, que se encontra no centro do processo, baseando-se na teoria Heliocêntrica de Copérnico [Dias et al. 2006] [Frattasi et al. 2006]. As características tecnológicas das redes 4G são representadas pelos planetas e, a sua distância do centro é relativa à escala de sensibilidade do usuário (Figura 2.3). Deste modo, considerando apenas os aspectos distantes do centro, têm-se um sistema baseado na tecnologia, onde a heterogeneidade da rede é mais importante do que o usuário e suas necessidades. Figura 2.3: Sistema centrado no usuário [Frattasi et al. 2006]. Esta representação também mostra algumas interdependências como, a personalização de serviço que, é um satélite da heterogeneidade do terminal que, por sua vez, possui satélites relacionados a projeto e a transferência da personalização. Deste modo, para se construir sistemas 4G centrados no usuário, o projeto deve focalizar a camada superior da pilha de protocolos, obtendo a máxima sensibilidade do usuário, antes

49 27 de ampliar funcionalidades das camadas mais baixas, referentes à tecnologia heterogênea. Assim, o usuário poderá se beneficiar dos serviços e da heterogeneidade das redes disponíveis, selecionando a melhor opção a partir de seus próprios requisitos, como custo, por exemplo. Várias arquiteturas para redes 4G já foram propostas, baseadas nas visões 1 e 2. Estas, e outros projetos para integração de redes heterogêneas, serão abordados no capítulo 3.

50 Capítulo 3 Arquiteturas para Redes 4G 3.1 Arquiteturas Algumas das principais arquiteturas para redes 4G são descritas neste capítulo, cujo objetivo é apresentar, de modo geral, o que vêm sendo pesquisado nesta área, a fim de integrar redes heterogêneas. São elas: arquitetura Moby Dick, Redes Ambiente, as arquiteturas para integração 3G/WLAN, Loose Coupling e Tight Coupling, e, as arquiteturas para integração de redes 3G/WLAN/MANET, UCAN (Unified Cellular and Ad-Hoc Networks architecture), icar Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems), A-GSM (Ad-hoc GSM) e CAMA (Cellular Aided Mobile Ad-hoc Network). 3.2 Arquitetura Moby Dick O projeto europeu Moby Dick (Mobility and Differentiated Services in a Future IP Network) [Dias et al. 2006], foi criado em 2000 e encerrado em dezembro de Seu principal objetivo era prover suporte à mobilidade, QoS e AAA, em uma rede heterogênea composta por tecnologias UMTS, WLAN e LANs, baseando-se no IPv6. Deste modo, o projeto Moby Dick trata essas tecnologias nas camadas física e de enlace e, as camadas superiores são suportadas pelo IPv6. A arquitetura desenvolvida por esse projeto baseou-se em três metas: ˆ Implementação do maior número possível de funções, baseando-se no IPv6; ˆ Provisionamento de serviços de tempo real com qualidade, pelo menos equivalente, às atuais redes celulares; 28

51 29 ˆ Serviços proporcionados independente de rede de acesso e, sem interrupções causados por handoffs. Os principais elementos da arquitetura Moby Dick são: dispositivos móveis equipados com interfaces de diferentes redes (CDMA, WLAN e Ethernet), e roteadores de acesso (BSs 2G e 3G, com capacidades IP) conectando as interfaces sem fio com as cabeadas. Cada roteador de acesso controla uma sub-rede IP, referente à uma célula. Para prover mobilidade transparente adotou-se o fast handoff que, prepara o handoff na camada de rede antes que o handoff da camada de enlace (dependente da tecnologia utilizada) seja realizado. Quando um handoff está prestes a acontecer, o roteador de acesso é avisado e, enquanto a função estiver sendo executada, ele envia os pacotes destinados ao terminal em questão para os dois pontos de acesso envolvidos no processo, reduzindo a perda de pacotes. Além desses elementos apresentados, são utilizados servidores na parte fixa da rede para provisão de, gerenciamento de mobilidade, AAA, QoS e paging (sua definição encontra-se no próximo capítulo) [Dias et al. 2006]. Enfim, esse projeto foi um dos primeiros a analisar soluções baseadas no IP para integração de redes heterogêneas. A arquitetura apresenta melhoramentos do MIP (abordado no capítulo seguinte) para a realização de fast handoff, suporta paging, QoS e, incorpora servidores AAA, mas não considera a integração com redes ad hoc sem fio. Algumas experiências foram realizadas conectando os membros do projeto localizados em Madri (Espanha) e Stuttgart (Alemanha), através de uma rede IPv6, trafegando dados e voz e, os resultados foram satisfatórios [Dias et al. 2006]. 3.3 Redes Ambiente Redes ambiente (AN - Ambient Networks) [Dias et al. 2006], é um projeto europeu com início em 2004, cuja definição é relativa à utilização de várias abstrações a fim de combinar diferentes métodos e protocolos, para a construção de uma estrutura independente de tecnologias de rede. E, esta cooperação entre as redes deve ser, transparente (ou seja, sem incompatibilidades), sob demanda e, sem necessidade de pré-configuração ou negociação entre suas operadoras, para que os assinantes possam ter acesso. Para isto, essa arquitetura possui um plano de controle comum distribuído, apresentado na Figura 3.1, como um espaço de controle de redes ambiente (ACS - Ambient Control Space). Um ACS é composto por entidades que representam as funcionalidades da rede, como,

52 30 acesso à rádio, mobilidade, roteamento inteligente de mídia, gerenciamento de contexto. O ACS possui três interfaces: ASI (Ambient Service Interface), ANI (Ambient Network Interface) e ARI (Ambient Resource Interface) que, permitem a interação com o ACS. Os ACSs de diferentes ANs comunicam-se utilizando a interface ANI. A interface ASI provê abstração de conectividade para os serviços. E, a ARI, oferece abstração de conectividade entre o espaço de controle da rede e o AC (Ambient Connectivity), proporcionando mecanismos que o ACS pode usar para gerenciar recursos que se localizam no AC, como, roteadores, filtros, proxies; já que o AC, representa uma infra-estrutura qualquer de transferência de dados. Figura 3.1: Plano de controle de redes ambiente [Dias et al. 2006]. Um novo e importante conceito, em AN, é o de composição de redes, que é o que proporciona a cooperação entre redes heterogêneas. Como esta composição deve ser sob demanda, ela também deve ser rápida o suficiente para redes em movimento. Quando acontece uma composição entre duas ANs, elas podem usar um novo identificador, constituindo então, uma nova rede, ou, uma pode ser agregada à outra, se tornando então, uma extensão desta, que passa a utilizar o seu identificador. Seus ACSs decidem quais serviços e dispositivos serão compartilhados e, interagem de forma que, as ANs compostas sejam vistas como uma única AN. As ANs são também constituídas por nós (nodes), enlaces (que conecta os nós independentemente do tipo de rede) e, caminhos (paths) (seqüência de nós pelos quais, o tráfego flui em um determinado momento; ele pode ser estático ou dinamicamente estabelecido). As funções de controle das ANs,entretando, não trabalham em nível de nós, enlaces e caminhos. A in-

53 31 terface ARI provê uma abstração de conectividade chamada fluxo, sobre as quais o espaço de controle opera. Fluxos são transferências de dados entre duas instâncias da interface ARI, são unidirecionais e, retidos em uma única tecnologia de rede, finalizando nos elementos de borda. A estrutura de nomeação das ANs segue um modelo em camadas, com o objetivo de prover associações dinâmicas entre entidades de diferentes níveis. O modelo focaliza-se nas entidades e não em seus nomes, tornando a escolha do espaço de nomes, flexível e, os nomes das entidades sem relação com a sua localização, suportando os diferentes tipos de mobilidade, sem que seja preciso implemementar mecanismos adicionais. 3.4 Arquiteturas para Integração de Redes 3G e WLAN Em um comparativo entre WLANs e sistemas celulares, pode-se verificar que as WLANs possuem maiores taxas de transmissão de dados e que, as redes baseadas em sistemas celulares possuem uma área de abrangência geográfica maior. Assim, as operadoras de redes celulares podem verificar o uso de WLANs como complemento às suas redes de acesso, proporcionando maiores taxas de transmissão de dados aos seus clientes, em hot spots. Então, as principais motivações para esta integração são: melhorar o pacote de serviços oferecido aos clientes de operadoras de sistemas celulares e, aliviar o tráfego de dados na banda de freqüência da rede celular [Dias et al. 2006]. A integração entre redes 3G e WLAN está sendo pesquisada por vários grupos de padronização como, 3GPP, 3GPP2 e ETSI (European Telecommunication Standards Institute). Dentro deste contexto (3G/WLAN), foi definido, pelo 3GPP, vários níveis de integração, os quais focam o tipo e, a qualidade de serviço oferecidos aos usuários. Cada um destes níveis habilitam uma capacidade específica e podem ser encontrados em [Dias et al. 2006] e [Bresil 2004]. Este trabalho aborda requisitos de apenas um destes níveis 3GPP: acesso aos serviços de dados (Internet) tanto pelas redes WLAN como pelas redes celulares, sem perda na continuidade do serviço e, sem considerar QoS. Especificamente, será abordado a integração de sistemas celulares GPRS e UMTS, com WLANs. Para isto, serão apresentadas a seguir, as arquiteturas Loose Coupling e Tight Coupling. Como as redes 2,5G GPRS e 3G UMTS utilizam o mesmo núcleo de rede (CN - Core Network) para tráfego de pacotes [Bresil 2004], a nomenclatura CN GPRS/UMTS será utilizada para se referir à rede estruturada usando tecnologia GPRS ou UMTS.

54 Loose Coupling A arquitetura Loose Coupling [Bresil 2004], foi desenvolvida para a integração entre WLANs e GPRS e, sua arquitetura é mostrada na Figura 3.2. Figura 3.2: Integração entre GPRS e WLAN utilizando-se a Loose Coupling [Bresil 2004]. A WLAN é integrada a rede GPRS através da rede IP da operadora de celular. Assim, os dados da WLAN não passam pelo CN GPRS/UMTS, eles vão diretamente para a Internet ou, para a rede IP. O CN GPRS/UMTS é composto pelas entidades: CG (Charging Gateway), GGSN (Gateway GPRS Support Node), SGSN (Serving GPRS Support Node), AuC (Authentication Center) e, HLR que está ligado ao servidor AAA; essas três últimas entidades realizam, em conjunto, registro e autenticação. A tradicional WLAN também, não possui entidades adicionais, sua conexão à rede GPRS ocorre através de um roteador de seu sistema de distribuição. A mobilidade e o roaming entre as redes WLAN e GPRS podem ser suportados através de [Bresil 2004]: ˆ Uma conexão dedicada entre a WLAN e a rede IP, indicada pela linha pontilhada na Figura 3.2, ou;

55 33 ˆ Da Internet. Caso a WLAN não seja propriedade da operadora de celular, acordos de roaming são necessários. Esta arquitetura usa os protocolos padronizados pela IETF (Internet Engineering Task Force) para AAA e gerenciamento de mobilidade. A autenticação baseada nos cartões SIM também pode ser suportada, para que o usuário ganhe acesso aos serviços das duas redes. A Figura 3.3 apresenta a arquitetura Loose Coupling, em termos de componentes que a integram. A integração entre os dois tipos de rede, acontece por intermédio do servidor AAA. Para a rede WLAN, o servidor AAA é um servidor de autenticação de usuários e, para o sistema celular ele requisita credenciais de usuários para o AuC e o HLR (semelhante um VLR de uma rede estrangeira), da PLMN (Public Land Mobile Network), onde o usuário esta registrado. Estas requisições são feitas através de sinalização SS7 (Signaling System 7) [Bresil 2004]. O STP (Signaling Transfer Point) e o SCCP Gateway (Signaling Connection Control Part) têm a função de rotear as mensagens de sinalização para os nós de destino dentro das PLMNs, utilizando os endereços do SS7, denominados DPC (Destination Point Code). Figura 3.3: Componentes de sistema da rede 3G/WLAN [Bresil 2004] Tight Coupling A arquitetura Tight Coupling [Bresil 2004], realiza integração entre as redes WLANs e o CN GPRS/UMTS. Deste modo, tanto o tráfego de sinalização como os dados do usuário passam pelo CN GPRS/UMTS e, então, os serviços de infra-estrutura já existentes no CN GPRS/UMTS como, mobilidade, QoS e segurança, são aproveitados pela arquitetura. Sendo a mesma apresentada na Figura 3.4.

56 34 Figura 3.4: Integração entre CN GPRS/UMTS e WLAN na arquitetura Tight Coupling [Bresil 2004]. Nesta arquitetura de integração, a WLAN funciona como uma rede de acesso alternativa e, o CN GPRS/UMTS não pode identificar diferenças entre o acesso feito por uma WLAN e por uma rede com tecnologia GPRS/UMTS. Isto ocorre devido à presença de um elemento chamado IWF (Inter Working Function). O IWF é responsável pela conexão da rede WLAN ao CN GPRS/UMTS. Ele conecta o sistema de distribuição da WLAN ao SGSN (Serving GPRS Support Node) através da interface GPRS Gb ou UMTS Iu e, faz com que o SGSN considere a WLAN como sendo uma outra rede de acesso com tecnologia GPRS ou UMTS. Então, sua principal função é prover uma interface padrão entre a WLAN e o CN GPRS/UMTS, ocultando, assim, as características específicas das WLANs. Então, o que difere a arquitetura Tight Coupling de Loose Coupling é que, nesta, o sistema de distribuição da WLAN está conectado diretamente ao CN GPRS/UMTS da rede celular, através da interface GPRS Gb ou UMTS Iu, proporcionando uma real integração de arquiteturas, e não de serviços.

57 Arquiteturas para Integração de Redes 3G, WLAN e MANETs Além da integração entre as rede infra-estruturas 3G e WLAN, a integração destas, com as redes ad hoc sem fio também tem sido considerada, a fim de aumentar a capacidade e a área de cobertura. Assim, várias arquiteturas vêm sendo propostas, para suportar a integração entre redes infra-estruturadas que, utilizam o modo de comunicação single-hop e, as que utilizam paradigma multi-hop, e estas, devem resolver problemas adicionais, relativos à esta forma de comunicação como, sobrecarga de controle para descobrir e manter rotas válidas. A seguir, serão apresentadas algumas dessas arquiteturas propostas: a UCAN, icar, A-GSM e CAMA UCAN As MSs (Mobile Station) na arquitetura UCAN (Unified Cellular and Ad-Hoc Networks architecture) [Luo et al. 2003], devem possuir uma interface para rede celular CDMA/HDR e uma interface para WLAN (802.11b, operando no modo ad hoc). HDR (High Data Rate - Taxa de dados elevada), é uma parte integrada do CDMA2000, o qual fornece uma taxa de dados máxima de 2.4Mbps para downlink e para uplink, 153.6Kbps. Usuários que compartilham o downlink HDR usam TDM com slots de tempo de 1,67ms cada. A cada instante de tempo, os dados para um cliente específico são transmitidos, e a taxa de dados é determinada pela condição do canal do cliente. A duração da transmissão para cada cliente é determinada por um algoritmo que realiza escalonamento de downlink. O objetivo primordial da arquitetura UCAN é melhorar a vazão quando o sinal entre a MS e a BS (Base Station) estiver fraco, utilizando o roteamento multi-hop. Para descobrir as condições do canal de downlink, as MSs monitoram as mensagens enviadas pela BS. Assim, quando o sinal entre a MS e a BS estiver fraco, os pacotes destinados às MS são enviados através de um gateway, no modo ad hoc. Deste modo, as MSs necessitam realizar duas tarefas: ˆ Descobrir os gateways que trabalham como uma interface entre a rede celular e a forma de comunicação ad hoc e; ˆ Decidir quando executar handoffs entre a conexão com a BS (modo single-hop) e o modo ad hoc.

58 36 Isso ocorre da seguinte maneira: a BS envia quadros de dados às MSs no canal de downlink do HDR. Quando uma MS percebe uma degradação na taxa de dados que está recebendo, ela envia um pedido de rota pela interface da WLAN (ad hoc). A propagação desse pedido tem um tempo de vida, relativo ao número de saltos. Após isso, uma nova rota pode ser estabelecida, usando um gateway para enviar os dados da BS. Assim, a arquitetura UCAN proporciona apoio à rede celular, através da WLAN e, ela pode ser aplicada à um cenário hot spot icar A arquitetura icar (Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems) [Wu et al. 2001], dirige-se ao problema de congestionamento, devido ao tráfego desequilibrado em um sistema celular e, fornece interoperabilidade para redes heterogêneas. Para isto, usa estações ARS (Ad hoc Relaying Stations) para balancear o tráfego entre células, evitando sobrecargas. As ARSs, operam em dual-modo, com uma interface realizando comunicação com as BSs do sistema celular e outra, baseada em WLAN, para realizar comunicação com outros ARSs, em modo ad hoc. E, elas têm sua mobilidade controlada pelo MSC da rede celular, embora o RNC (Radio Network Controller) nos sistemas 3G, também possam realizar este trabalho. Em um sistema celular atual, se uma MS A realiza uma nova chamada em uma célula congestionada X, esta nova chamada será obstruída. No sistema proposto, a chamada não pode ser obstruída. Para isto, as ARSs desviam o tráfego de uma célula congestionada para uma não congestionada, ou seja, apesar da MS de origem e da MS de destino estarem localizadas em células congestionadas, a ARS em uma célula adjacente (não congestionada) realiza a conexão. Três métodos de transmissão podem ser utilizados quando uma nova chamada é realizada em uma célula congestionada: transmissão primária, transmissão secundária e, transmissão em cascata. Quando uma MS A inicia uma chamada na célula congestionada X e, pode conectar-se diretamente à uma ARS, a ARS desvia a chamada da MS A para uma célula adjacente Y, constituindo uma transmissão primária. Caso não haja nenhuma ARS disponível para A, uma chamada em andamento de uma MS B, na célula X, é transferida para uma célula adjacente usando outro ARS. Assim, um canal é liberado e pode ser usado pela MS A, ocorrendo então, uma transmissão secundária. Se as duas soluções anteriores não forem possíveis, uma chamada originada pela MS C, na célula Y, é desviada para uma terceira célula, Z, para que a chamada da MS B, na célula X,

59 37 possa ser transferida para Y e, a nova chamada, iniciada pela MS A, ser aceita na célula X. Isto constitui, uma transmissão em cascata. Além do balanceamento da carga de tráfego, esta arquitetura expande a área de cobertura da rede celular pois, as MSs que não estiverem sendo alcançadas por uma BS, podem acessar o sistema através das ARSs A-GSM A arquitetura A-GSM (Ad-hoc GSM) [Aggelou and Tafazolli 2001], provê conectividade em áreas onde o sinal da rede celular esteja muito fraco, realizando as transmissões no modo ad hoc. Os terminais possuem uma interface para GSM (uma rede infra-estruturada) e uma interface para A-GSM (uma MANET). Uma interface é usada, enquanto a outra indica uma forma de conexão alternativa. Os terminais possuem uma unidade interna denominada DIMIWU (Internetworking Unity) que, executa todas as adaptações requeridas para as interfaces GSM e A-GSM. Na camada de enlace, o modo A-GSM utiliza uma adaptação do GSM que, transmite quadros de controle, para anunciar a capacidade da estação de ser usada como nó de transmissão em modo ad hoc. A mensagem de anúncio pode incluir a identificação da BS (Base Station) com a qual ela pode se conectar, e também, o número de saltos necessários para alcançá-la. Os terminais também têm um gerenciador de recursos que, decide quais pedidos de transmissão serão aceitos. Assim como a UCAN, a principal vantagem em utilizar a arquitetura A-GSM é prover apoio à rede celular (desta vez, GSM), através de uma MANET. Apesar desta arquiteura ter sido projetada para redes GSM, seus príncipios podem ser aplicados em um ambiente que possua outra rede celular CAMA A CAMA (Cellular Aided Mobile Ad-hoc Network) [Bhargava et al. 2004] [Dias et al. 2006] não é uma arquitetura genérica para redes sem fio heterogêneas, mas, tem como objetivo, melhorar o desempenho das MANETs, utilizando a infra-estrutura celular. A rede celular é usada por essa arquitetura, apenas para controlar as operações da MANET proporcionando autenticação, roteamento e segurança. Apenas dados de controle transmitidos através da rede celular, ou seja, os canais da rede celular são usados para sinalização pelas MSs (Mobile Station), para conectarem-se com agentes CAMA, presentes na infra-estrutura celular.

60 38 Os agentes CAMA fazem descoberta de rota através do MSGPR (Multi-Selection Greedy Positioning Routing). Neste roteamento baseado em posicionamento, as MSs possuem GPS (Global Positioning System) e, anunciam sua posição para o agente CAMA usando os canais da rede celular. Diferentemente das arquiteturas anteriores, nesta, a rede celular é que é usada para melhorar o desempenho das MANETs, mas, uma observação importante é que, a carga de sinalização aumenta na rede celular, e isto, pode interferir no QoS oferecido aos usuários desta. As altas taxas de dados das MANETs poderia torná-las apropriadas para os serviços multimídia, entretando, devido a sua alta mobilidade, o QoS necessário para tais serviços não é garantido, podendo haver grandes atrasos e interferências. Nos capítulos posteriores, protocolos tradicionais de gerenciamento de mobilidade serão discutidos e avaliados, a fim de se concluir à respeito de sua utilidade e adequação às novas redes, a 4G.

61 Capítulo 4 Protocolos de Gerenciamento de Mobilidade 4.1 Gerenciamento de Mobilidade Gerenciamento de mobilidade é o método que permite que as estação móveis se comuniquem de forma transparente, mesmo quando estão em movimento ou, mudam seu ponto de acesso. O gerenciamento de mobilidade tradicional, usado atualmente pelas redes 2G e 3G, suporta apenas a mobilidade da estação final. Assim, o gerenciamento de mobilidade tradicional consiste em duas estapas: gerenciamento de localização e gerenciamento de handoff [Dias et al. 2006]. O gerenciamento de localização consiste em registro e atualização de localização (LU - Location Update) e, paging, usadas para descobrir o atual ponto de acoplamento da MS (Mobile Station) com a rede, a fim de permitir a continuidade na entrega dos dados. Em determinados instantes (após mudar de sub-rede, por exemplo), a MS informa à rede, a sua localização atual; assim, o processo de busca de uma estação que se move é chamado de LU; ele pode ser realizado através de, por exemplo, um temporizador que expira ou, em função da distância percorrida pela MS. Quando uma estação inativa precisa ser encontrada, a rede realiza uma busca através do método de paging. Já o gerenciamento de handoff permite a continuidade na conexão de uma MS, mesmo quando esta se move e muda seu ponto de acoplamento com a rede. O gerenciamento de handoff consiste em três etapas: iniciação, geração da conexão e controle do fluxo de dados [Dias et al. 2006]. Quando uma MS muda seu ponto de conexão, ela envia um pedido de início do processo de handoff para a BS da sub-rede atual que, se comunica com a BS (Base Station) da sub-rede de destino e, então, o seu controle é transferido para a BS da sub-rede de destino. A fase de geração da conexão consiste na mudança do endereço da MS, adquirido através da 39

62 40 nova sub-rede. O envio e recebimento de dados pode ser iniciado após a obtenção do novo endereço (registro), concluindo assim a terceira etapa. Devido às características dos novos cenários tecnológicos proporcionados por redes 4G, em especial, o aumento nos requisitos dos usuários, novos tipos de mobilidade estão emergindo. São elas [Dias et al. 2006]: ˆ Mobilidade pessoal: o usuário pode conectar-se globalmente usando um único identificador pessoal, podendo originar e receber uma sessão através de qualquer terminal autorizado; ˆ Mobilidade de sessão: o usuário pode manter uma sessão em andamento enquanto troca de terminal. De um telefone celular para um notebook conectado, por exemplo; ˆ Mobilidade de serviço: o usuário pode obter serviços personalizados de forma consistente, mesmo conectado à uma rede estrangeira. A mobilidade da estação (semelhante à mobilidade de serviço) pode ser, ainda, classificada em: micromobilidade e macromobilidade [Dias et al. 2006]. A micromobilidade permite que a estação (e seu usuário) se movimente entre sub-redes distintas que estão sob o mesmo domínio administrativo. A macromobilidade permite a movimentação entre sub-redes de domínios administrativos diferentes. O procedimento de handoff pode ser classificado como soft e hard, e também como horizontal e vertical [Dias et al. 2006]. O handoff horizontal ocorre entre pontos de acesso da mesma tecnologia de rede, por exemplo, entre células de uma rede UMTS. E o handoff vertical, ocorre entre pontos de acesso de diferentes tecnologias de rede como, por exemplo, células UMTS e WLAN. 4.2 IP e a Mobilidade O desenvolvimento das redes sem fio causou grande conflito com a estrutura existente na Internet. O fato das estações poderem estar ligadas à rede sem possuir um suporte de conectividade cabeado, podendo, portanto, movimentar-se livremente, é muito importante, sobretudo no contexto das novas aplicações. Mas, do ponto de vista tecnológico, representaram um desafio significativo, uma vez que ainda não existiam mecanismos de suporte necessários.

63 41 Contudo, a estrutura da rede permitia que fossem criados novos protocolos que fornecessem os requisitos desejados, podendo assim, estender-se às novas funcionalidades, mantendo a compatibilidade com toda a estrutura e protocolos já existentes. O problema com o endereçamento IP é que, ele foi desenvolvido de uma forma simples, na qual cada endereço está associado a uma única rede IP. Os algoritmos usados na transmissão de pacotes na Internet, enviariam cada pacote IP (datagrama) de nó em nó, passando por diversas redes até chegar à rede de destino onde, a MS (Mobile Station) de destino deveria estar localizada. Desta forma, as MSs não poderiam se mover entre redes, mas apenas no interior de sua rede de origem, para que sua localização física coincidisse com seu endereço IP (Figura 4.1, movimentos 1, 2, 3 e 4). Assim sendo, caso a MS saísse da rede de origem, a sua conectividade seria interrompida (Figura 4.1, movimento 4). Então, todos os pacotes a ele destinados seriam entregues em sua rede de origem, e não na rede visitada, sendo perdidos. Figura 4.1: Mobilidade possível utilizando-se protocolo IP. 4.3 Macromobilidade e Micromobilidade A separação da rede em domínios hierárquicos divide o problema do gerenciamento de mobilidade em dois subproblemas diferentes: macromobilidade e a micromobilidade [Dias et al. 2006].

64 42 A macromobilidade refere-se à movimentação de estações entre domínios administrativos distintos. Assim, os domínios e a rede global devem colaborar para garantir conectividade transparente ao usuário enquanto ele se movimenta. Esta categoria inclui as soluções: MIPv4 (Mobile IPv4) [Perkins 2002a] e MIPv6 (Mobile IPv6) [Perkins and Johnson 1996] [Johnson and Perkins 2004]. A micromobilidade está relacionada com a mobilidade dentro de um único domínio administrativo. Em geral, os protocolos de micromobilidade pertencem a um dos dois grupos a seguir [Dias et al. 2006]: ˆ Abordagem baseada em túnel hierárquico: os protocolos deste grupo utilizam vários agentes estrangeiros (FA - Foreign Agent) que, mantém parte do banco de dados de localização, em estrutura de árvore. Uma determinada entrada do banco de dados, contêm o endereço do próximo FA no caminho para atingir uma MS (Mobile Station) específica. Pacotes de dados destinados à esta MS são entregues encapsulados para o FA raiz da rede visitada e, cada FA nos níveis inferiores da estrutura em árvore, desencapsula os pacotes, busca em seu banco de dados pela entrada correspondente e, encaminha-os para outro FA em um nível hierárquico mais baixo, até que a MS em questão seja alcançada. Quando a MS desloca-se, ela realiza atualização de localização (Location Update - LU) informando um nó da árvore localizado entre o novo e o antigo. A partir deste nó da rede, cria-se um novo túnel até o AP (Access Point) atual da MS. Um exemplo deste grupo é o HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6) [Soliman et al. 2005]; ˆ Abordagem baseada em roteamento explícito da MS: esta categoria, ao contrário da anterior, não mantém bancos de dados de localização, cada nó da rede (BSs e roteadores) mantém uma de tabela de roteamento que, contém um índice para o próximo salto no caminho, até o ponto de acesso da MS. Quando a MS desloca-se, mensagens de atualização de localização são enviadas até o FA raiz ou, até um nó âncora localizado entre o antigo e o novo caminho. Esta solução não requer uma estrutura em árvore, mas acarreta problemas de escalabilidade em função do número de informações de roteamento armazenadas, para cada MN (Mobile Node). Exemplos desta categoria são: Cellular IP [Campbell et al. 2000] [Allen et al. 1999] e, HAWAII (Handoff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure) [Ramjee et al. 2002].

65 Protocolos de Macromobilidade Esta classe de protocolos considera os movimentos das MSs (Mobile Station) entre domínios administrativos distintos, detectando estes movimentos e criando os mecanismos necessários para que as MSs continuem a enviar e receber pacotes de dados normalmente. Assim, estes domínios estão, geralmente, afastados geograficamente, ou mesmo, baseados em tecnologias diferentes; então, essas transições acontecem, normalmente, com menor frequência, o que significa que, esta classe de mobilidade não tem um requisito muito rigoroso em relação à velocidade do handoff, admitindo-se breves interrupções na conexão. A seguir, detalhes dos protocolos de macromobilidade: MIPv4 [Perkins 2002a] [Perkins 2002b], MIPv6 [Perkins and Johnson 1996] [Johnson and Perkins 2004], MSCTP (Mobile SCTP) [Dias et al. 2006], SIP (Session Initiation Protocol) [Handley et al. 1999] [Rosenberg et al. 2002] [Donovan 2000] serão apresentados MIPv4 O IP móvel (MIP - Mobile IP) [Perkins 1996], é a proposta da IETF (Internet Engineering Task Force) como solução para prover mobilidade na camada de rede, sendo a proposta mais antiga para lidar com o gerenciamento de mobilidade na Internet. O protocolo MIPv4 [Perkins 2002a] [Perkins 2002b], define três novas entidades em sua arquitetura para prover suporte à mobilidade: a estação móvel, chamado nesta arquitetura de nó móvel (MN - Mobile Node), um agente doméstico (HA - Home Agent), que trata a mobilidade do móvel em sua rede de origem (HN - Home Network), e um agente estrangeiro (FA- Foreign Agent), que está presente na rede estrangeira (FN - Foreign Network) para onde o nó móvel deslocou-se. A seguir, uma análise mais detalhada das entidades MIPv4, ou seja, seus componentes. Entidades MIPv4 MN: um terminal que muda seu ponto de conexão de uma sub-rede para outra. Quando um MN muda sua localização, ele adquire um novo endereço IP e, continua a se comunicar com outros nós na Internet, assumindo a conexão através de um novo ponto de conexão disponível. HA: um roteador em uma HN de um nó móvel, ou seja, aquela em que o MN está registrado. Sua função é entregar os datagramas (pacotes IP) ao MN e, manter informação sobre a

66 44 localização atual deste MN. Mesmo quando o MN encontra-se em uma rede estrangeira (ou rede visitada), os pacotes enviados a ele por um dispositivo que esteja realizando comunicação, denominado CN (Correspondent Node), são capturados pelo HA, colocados em um túnel e entregues. FA: um roteador na rede visitada pelo MN, que provê serviços de roteamento a este, enquanto estiver registrado. O FA retira os datagramas do túnel - enviados pelo HA - e, os entrega ao MN. Para datagramas enviados pelo MN, o FA serve como um roteador padrão para enviá-los aos CNs. Funcionamento do MIPv4 Quando um MN (Mobile Node) se desloca para uma FN (Foreign Network), ele recebe um novo endereço IP. Este endereço local é administrado da mesma forma que um endereço IP permanente, quando dado a um terminal estacionário. Este endereço, associado ao MN, reflete seu atual ponto de conexão com a rede. A este tipo de endereço é dado o nome de CoA (Care-of Address). O funcionamento do MIP consiste em três etapas principais: localização de agentes, registro junto ao agente estrangeiro e roteamento indireto [Kurose and Ross 2006]. A localização de agentes se inicia quando o MN chega a uma rede estrangeira (ou rede visitada), e pode ser realizada de duas maneiras: via anúncio de agente ou via solicitação de agente. No primeiro caso, os agentes que podem servir como Agentes Estrangeiros (FAs), enviam mensagens periódicas em broadcast (por difusão), em todos os enlaces aos quais estão conectados. Com a solicitação de agente, o MN não espera mensagens de anúncio, ele envia uma mensagem de solicitação, em broadcast e, ao receber esta mensagem, o agente emite um anúncio unicast diretamente ao MN. Uma vez obtido o endereço IP que será utilizado naquela rede, o MN o registra com o seu HA. Isso pode ser feito diretamente pelo MN, ou através do FA, caso o endereço utilizado pertença ao FA. Pode-se obeservar que, o MIPv4 apresenta esta necessidade de registro e autenticação cada vez que o MN se movimenta e, três níveis de autenticação são necessários: o MN deve autenticar-se com o FA, o FA com HA, e o MN com o HA; para que usuários ilegais não possam adquirir serviços do sistema usando ataques. Após as fases de localização e registro, uma entrada para o novo endereço do MN é inserida na tabela de roteamento do HA e todos os pacotes que forem endereçados a ele serão enviados através de um túnel mantido entre o HA e o detentor do CoA (que pode ser o FA ou o próprio MN). Esses pacotes são encapsulados, por exemplo, dentro de outro pacote IP, tendo como

67 45 endereço de destino o CoA. Deste modo, serão roteados através da rede até o final do túnel. É importante ressaltar que, existem duas alternativas para aquisição do care-of adress: o foreign agent care-of adress adquirido pelo FA e, o co-located care-of adress, que é o care-of adress adquirido pelo MN como um endereço IP local. E, se um túnel é criado somente até o FA, então todos os nós móveis servidos pelo mesmo FA podem compartilhar o mesmo care-of adress; se o túnel é criado até o MN, então todo MN precisa ter seu próprio CoA [Perkins 2002a]. A Figura 4.2 ilustra o roteamento de datagramas de um CN (Correspondent Node), destinados a um MN (Mobile Node) que se deslocou de sua HN (Home Network). Primeiramente, o MN se registra com a FN (Foreign Network), e envia seu novo CoA para o HA (Home Agent). No passo 1, o CN envia os pacotes para a HN. No passo 2, o HA intercepta estes datagramas e, tendo a informação de que o MN não está presente em sua HN, envia os datagramas para o CoA do MN. No passo 3, os datagramas são encaminhados para o MN pelo FA (Foreign Agent). No passo 4, o MN envia um datagrama para o CN; para isto, ele utiliza seu próprio endereço IP da HN no campo de fonte do cabeçalho IP e no campo de destino, o endereço do CN, capturado ao receber datagramas deste. O roteador no qual o FA está presente encaminha o datagrama da mesma forma que faria com os datagramas de qualquer outro MN pertencente a FN. Figura 4.2: Roteamento no MIPv4 [Dias et al. 2006].

68 46 Problemas e soluções A primeira falha do MIPv4 refere-se a perda de pacotes nos filtros de entrada, encontrados nos roteadores de borda das redes visitadas (FNs). Esses filtros descartam pacotes IP destinados a terminais externos (CNs), cujo endereço de origem do pacote não tenha um prefixo igual ao prefixo da rede em que se encontra o filtro. Pelo fato do MN (Mobile Node) utilizar seu endereço (Home Adress) como endereço de origem dos pacotes enviados para um CN, os seus pacotes são descartados pelo filtro. Uma solução para esse problema é o tunelamento reverso, cujo objetivo é criar um túnel do MN para o HA; assim o MN envia os datagramas para o HA usando o CoA. Ao chegar ao HA, os pacotes são desencapsulados e entregues ao CN com o Home Adress como seu endereço de origem [Oliveira 2005]. Mas isso geraria sobrecarga no processamento do HA e, grande carga de sinalização na Internet. A técnica de tunelamento foi proposta para suportar roaming sem interrupção na conexão [Oliveira 2005], pois, problemas ocorreriam quando houvesse a troca de rede por um MN, já que cada rede está relacionada a um endereço IP específico, e o endereço do MN já não coresponderia ao endereço de sua HN. Porém, o tunelamento gera um outro problema no MIPv4, o roteamento triangular [Dias et al. 2006], ou seja, um CN, conhecendo apenas o home address do MN, enviará os datagramas para sua HN. Como o MN deslocou-se, o HA intercepta os datagramas e realiza seu tunelamento para o MN em sua FN. Assim, todos os pacotes serão tunelados para o MN em outra rede, o que gera sobrecarga de processamento no HA, grande carga de sinalização na Internet e, até mesmo, atrasos no processo de registro. Para resolver este problema foi proposta uma solução denominada otimização de rota, realizada através do envio do CoA atual do MN para o CN, para que este possa enviar os datagramas diretamente para o MN, sem a necessidade da interceptação pelo HA; isto resolve também o problema da perda de pacotes nos filtros de entrada das FNs, não havendo necessidade de tunelamento reverso. Isso é possível através de mensagens BU (Binding Updates) enviadas pelo HA aos CNs, informando a nova posição (CoA) do MN. Esta solução exige um agente de mobilidade para o CN MIPv6 O IP Móvel versão 6 (MIPv6 - Mobile IPv6) [Johnson and Perkins 2004] [Perkins and Johnson 1996], é a evolução natural do MIPv4, projetado para fornecer suporte à mobilidade em redes IPv6 [Deering and Hinden 1995]. Apesar das semelhanças com o MIPv4, o MIPv6 possui características adicionais voltadas para redes IPv6.

69 47 A principal mudança é conseqüência do maior número de endereços IP fornecido pelo IPv6. Com esse número maior de IPs, todos os MNs podem usar um CCoA (Co-located Care-of Address), indicando sua localização corrente, ou seja, seu ponto de conexão atual com a Internet. Uma outra característica é a ausência de FAs (Foreign Agent) nas redes visitadas. Os movimentos são detectados usando as novas características do IPv6: descoberta de vizinhança [Narten et al. 1998], auto-configuração de endereço [Thomson and Narten 1998] e, a capacidade dos roteadores enviarem mensagens de anúncio de roteador. Além disso, a otimização de rota é agora parte integrante do protocolo MIPv6. As mensagens de BU (Binding Updates) são enviadas diretamente pelos MNs aos CNs, retirando essa funcionalidade do HA. Também não é mais necessário realizar o tunelamento reverso pois, o home address associado ao care-of address do MN são indicados no cabeçalho dos pacotes enviados para um CN, diferente do MIPv4 que usava apenas o home address. Como o MN usa seu CoA como endereço de origem no cabeçalho IPv6, o datagrama atravessa os filtros de entrada da FN sendo visitada MSCTP O MSCTP (Mobile SCTP) [Dias et al. 2006], é o SCTP (Stream Control Transmission Protocol) [Stewart et al. 2000] [Stewart et al. 2006], em conjunto com sua extensão, denominada ADDIP (Dynamic Address Reconfiguration) [Stewart et al. 2007], cuja função é realizar reconfiguração de endereços dinamicamente. O SCTP é um protocolo que atua na camada de transporte e, foi proposto para conduzir a sinalização de telefonia sobre a rede IP, uma rede não confiável. Portanto, o SCTP é um protocolo de transporte confiável, orientado à conexão e que, oferece novas características, como multi-streaming (que permite a existência de diversos fluxos de dados independentes sobre a mesma conexão) e, multi-homing (que permite o acesso a determinado destino por múltiplos endereços IP). Através do multi-homing um protocolo pode oferecer suporte à mobilidade sem a necessidade de agentes para este propósito nos roteadores da rede. Outras características encontradas no SCTP são: tolerância a falhas através do uso de multi-homing, prevenção de pacotes duplicados e ataques de inundação [Dias et al. 2006]. Na terminologia do protocolo, associação (Figura 4.3) significa conexão e, as associações são estabelecidas através de handshakes em 4 vias, na camada de rede (onde atua o IP), provendo assim, endereçamento ao SCTP, que atua na camada de transporte. Um protocolo suporta multi-homing se a estação puder ter mais que um endereço da camada

70 48 Figura 4.3: Uma associação SCTP. de rede. A mobilidade ocorre através do fato dos endereços IP poderem ser trocados mantendose a conexão fim a fim ativa. O problema no uso do SCTP para prover mobilidade era realizar esta reconfiguração de endereços dinamicamente, ou seja, enquanto a conexão se mantém ativa. E, para isto, foi utilizada a extensão ADDIP. Ao ser iniciada uma associação entre duas estações, os endereços de transporte (números de portas e endereços IP) são trocadas entre as estações envolvidas. Estes endereços IP são utilizados como pontos finais de fluxos distintos. O SCTP considera cada endereço IP do seu par como um possível caminho de transmissão para o ponto final, mas apenas um é selecionado como o caminho primário, podendo ser mudado posteriormente, caso seja necessário. Esta reconfiguração dinâmica de endereço é realizada pela extensão do STCP. Como mostrado na Figura 4.4, a MS (Mobile Station) inicia uma associação SCTP com o CN. Posteriormente, a MS se move da rede A para a rede B e, em algum ponto de sobreposição entre estas redes, a MS obtém um novo endereço IP de um servidor (que pode ser DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol [Droms 1997], por exemplo). Este novo endereço é enviado pela MS ao CN e, quando esta se encontra totalmente na rede B, o antigo endereço IP é desativado e ela envia uma nova mensagem para o CN que, remove este endereço de sua tabela (local onde são armazenados os endereços trocados inicialmente). O MSCTP pode ser utilizado para viabilizar o handoff vertical entre UMTS e WLAN [Ma et al. 2004]. O multi-homing permite que o usuário tenha dois endereços IP, um da rede UMTS e outro da WLAN. A MS e o Servidor (FS - Fixed Server) (representado na Figura 4.4 por CN) devem implementar o protocolo e, a MS deve ter suporte das camadas física e de enlace para as duas tecnologias. O procedimento consiste em três passos [Dias et al. 2006]:

71 49 Figura 4.4: MSCTP - Mobile Stream Control Protocol [Dias et al. 2006]. ˆ Adição do endereço IP; ˆ Disparo do handoff vertical; ˆ Remoção do endereço IP. O FS é configurado com um endereço IP (FS-IP), e a MS é configurada com endereços IP para a rede UMTS (UMTS-IP) e para a WLAN (WLAN-IP). Quando a MS se move para uma célula da WLAN (onde existe também cobertura UMTS), ela adquire um novo endereço IP (WLAN-IP) atribuído via mensagem de anúncio de roteador da WLAN e, utiliza uma mensagem ASCONF (Address Configuration) para informar seu novo IP (Figura 4.5). O disparo do handoff vertical depende de algumas regras de decisão e, julgando que a decisão de handoff vertical do UMTS para WLAN foi tomada, a MS dispara o handoff enviando uma mensagem ASCONF com a indicação de que deseja configurar o caminho primário com o endereço WLAN- IP. O FS envia, então, uma mensagem de confirmação ACK (Acknowledgement) e, a WLAN torna-se a escolha primária para rotear o tráfego. O handoff vertical da WLAN para UMTS é disparado quando a MS envia uma mensagem ASCONF indicando que o endereço primário será o UMTS-IP. Após a confirmação, o tráfego entre a MS e o FS será roteado pela rede UMTS. Caso ocorra a perda do sinal da WLAN, a MS remove o endereço WLAN-IP enviando uma mensagem ASCONF solicitando esta remoção da tabela de roteamento do FS. Com o recebimento do ACK enviado pelo FS, a MS remove o WLAN-IP de sua tabela de endereços, rompendo, então, a associação.

72 50 Figura 4.5: Procedimento de handoff vertical utilizando o MSCTP [Ma et al. 2004] SIP O SIP (Session Initiation Protocol) [Handley et al. 1999] [Rosenberg et al. 2002] [Donovan 2000] é um protocolo que atua na camada de aplicação usado para gerenciar (iniciar, alterar e finalizar) sessões. Esse protocolo atua em sessões como, Instant Messenger, gerenciamento de notificação de eventos, gerenciamento de jogos distribuídos e, principalmente aplicações multimídia, como VoIP e conferências. O SIP tem a finalidade de criar sessões entre usuários identificados por número telefônico, endereço eletrônico ou, qualquer terminal com endereço válido. Deste modo, as mensagens enviadas para o estabelecimento de conexão contém informações como origem e urgência da conexão. As principais entidades responsáveis por acessar essas informações, fazer registro e roteamento, são: UA (User Agent), registrador, servidor proxy e servidor de redirecionamento. O papel destas entidades é apresentado a seguir: ˆ UAs: iniciam as conexões e estabelecem as sessões SIP. Um aplicativo de VoIP é um exemplo de UA; ˆ Registradores: são servidores que mantém informações sobre os usuários que estão em seu domínio. Durante um registro, um UA comunica ao seu registrador o nome do usuário SIP que usa o dispositivo (chamado AoR (Address of Records)) e o endereço onde ele pode

73 51 ser encontrado. O endereço IP do registrador é pré-configurado e assim, é previamente conhecido pelo UA. As informações de contato, mantidas como endereços IP, também podem ser armazenadas como números de telefone ou outro tipo de informação; ˆ ˆ Servidores proxy: são roteadores da camada de aplicação que encaminha requisições e respostas, ou seja, sua função é encaminhar as mensagens SIP. O usuário SIP que deseja estabelecer uma sessão, conhece apenas o AoR (identificador de usuário) de seu contato e não possui a informação completa do sistema final chamado, assim, os servidores proxy são usados para encaminhar as mensagens diretamente para o UA ou para outro servidor que conheça a localização do contato; Servidores de redirecionamento: retornam a localização do UA de destino. Geralmente, registrador, servidor proxy e de redirecionamento são localizados no mesmo nó da rede. A sessão SIP é estabelecida da seguinte forma: o UA inicia uma conexão, contatando seu servidor proxy que, encaminha o pedido para o proxy no domínio do UA de destino. O proxy de destino recupera do registrador, a associação (AoR e endereço de contato) com o UA de destino. O SIP também pode realizar a conexão entre UAs diretamente, usando o servidor de redirecionamento para informar ao UA que iniciou a conexão, para onde enviar a mensagem de convite para início da sessão [Dias et al. 2006]. As aplicações SIP se registram com o registrador aproximadamente uma vez a cada hora ou, sempre que mudar de sub-rede. O registro consiste em três partes: endereço de rede atual, propriedades do dispositivo e um ou mais elementos de configuração do usuário [Dias et al. 2006]. Quando o usuário se move para uma sub-rede estrangeira durante uma sessão ativa, ele obtém um endereço IP via DHCP (ou similar) [Droms 1997] e, então, envia uma nova mensagem (de convite), para o sistema final com o qual está se comunicando, informando seu novo endereço IP, para que as mensagens possam ser enviadas para o novo domínio. Esta mensagem de convite é usada para atualizar as informações armazenadas sobre a sessão em andamento. O SIP implementa não só esta tradicional mobilidade de terminal, mas também suporta as mobilidades de sessão, pessoal e, de serviço. A mobilidade de sessão permite que o usuário mantenha a sessão em andamento e mude de terminal. Isto é implementado usando transferência de chamada. Assim, um terminal A que deseja transferir sua sessão para um terminal B, deve informar a estação comunicante C que ela deverá contatar B; então C envia uma mensagem de convite para B. De maneira oposta, A (estação que está se comunicando com C) poderia contatar B, e então B enviaria uma mensagem de convite (início de sessão) para C.

74 52 A mobilidade pessoal permite identificar um usuário localizado em diferentes terminais, usando o mesmo endereço lógico. E, estes terminais podem ser utilizados ao mesmo tempo ou de forma alternada. Mesmo no caso de s ou números telefônicos diferentes, pertencentes à um mesmo usuário, heurísticas podem ser usadas para que estes sejam entendidos com uma única entidade lógica que, se refere ao usuário em questão. A mobilidade de serviço permite que o usuário mantenha uma sessão aberta, mesmo quando se movimenta, muda de terminal ou de provedor de serviço. Informações sobre o serviço devem ser mantidas em formatos independentes de dispositivo, como os cartões SIM do GSM, que podem ser vistos como um exemplo primitivo de mobilidade de serviço. O SIP suporta os diferentes tipos de mobilidade conceitualizados e demandados por sistemas 4G. E é, também, o protocolo de sinalização escolhido pelo 3GPP para o IMS (Internet Multimedia Sub-system) que, permite o fornecimento de serviços multimídia para a Internet, estando associado, em especial, à aplicações VoIP [Dias et al. 2006]. 4.5 Protocolos de Micromobilidade Protocolos de micromobilidade são desenvolvidos para domínios onde, as estações móveis mudam seus pontos de conexão de forma tão freqüente que, o mecanismo básico do MIP provoca significativo aumento no atraso, na sinalização e perda de pacotes. Aplicações de tempo real, por exemplo, não podem ser suportadas por esse mecanismo devido a degradação gerada por handoffs freqüentes. O estabelecimento de novos túneis também introduz atrasos e, torna o desempenho especialmente fraco quando o nó móvel está se comunicando com um nó correspondente próximo pois, o menor caminho não é utilizado. A otimização de rota melhora a qualidade do serviço, mas o desempenho ainda se mantém fraco quando o MN movimenta-se enquanto está se comunicando com um CN distante. A seguir, serão apresentados os protocolos de micromobilidade: CIP (Cellular IP) [Campbell et al. 2000] [Allen et al. 1999], HAWAII [Ramjee et al. 2002], HMIPv6 [Soliman et al. 2005], TeleMIP (Telecommunication Enhanced Mobile IP) [Das et al. 2000], IDMP (Intradomain Mobility Management Protocol) [Misra et al. 2002] [Das et al. 2002] CIP CIP (Cellular IP) [Campbell et al. 2000] [Allen et al. 1999] é um protocolo baseado no paradigma IP. Quando os terminais saem da rede, transitando assim, de domínio, o CIP suporta

75 53 o MIP como protocolo de macromobilidade para a manutenção da conectividade dos terminais entre diferentes redes. CIP herda alguns princípios dos sistemas celulares para gerenciamento de mobilidade, são eles: conectividade passiva, paging e handoff. Serão detalhados posteriormente, os processos de roteamento, semi-soft handoff, hard handoff, conectividade passiva e, paging, do Cellular IP. Entidades CIP A arquitetura da rede Cellular IP é composta por nó móvel (MN - Mobile Node), estação base (BS - Base Station), roteadores internos (IR - Internal Router) e gateway (GW). MN: é o dispositivo final que utiliza os serviços e recursos da rede; ele é identificado, dentro da rede CIP, através de seu Home Address. BS: é um ponto de acesso sem fio para o MN e, realiza algumas funções relacionadas ao roteamento de datagramas. IR: sua única função é o roteamento. Os datagramas (pacotes IP) são roteados sem tunelamento ou conversão de endereço. GW: conecta a rede CIP à Internet; recebem, desencapsulam e enviam os pacotes para a BS onde se encontra o MN. Todos os pacotes enviados a um terminal externo à rede CIP são roteados para o GW e, só então, transmitidos para o terminal de destino. Funcionamento do CIP Na rede CIP, o gerenciamento de localização e de handoff são integrados ao roteamento. Para minimizar as mensagens de controle, pacotes de dados transmitidos pelos MNs, são usados para informar sua localização. No CIP, todos os pacotes enviados pelos MNs à um terminal, seja ele interno ou externo à rede CIP, devem passar pelo GW e, só então, serem entregues. Sendo assim, as BSs e os IRs devem possuir a informação de qual interface de saída devem enviar os pacotes dos MNs, para que alcance o GW. Essa informação é obtida através de mensagens de controle - contendo o endereço IP do AP (Access Point) e o endereço IP da rede - enviadas periodicamente pelos GWs para toda a rede CIP. Quando os pacotes passam pelos nós da rede (BSs e IRs) em direção ao GW, um registro que mapeia o endereço IP do MN emissor e a interface de entrada na qual foi recebido o pacote, são

76 54 armazenados, em uma tabela chamada routing cache. Assim, ao receber um pacote endereçado a um MN específico, o nó em questão consulta sua tabela, encontra o mapeamento referente ao endereço IP do MN e, retorna a de saída correspondente. Esse processo é realizado até que o MN seja atingido pelo nó da rede (BS ou IR) num processo de multi-hop. Esse mapeamento continua válido por um período de tempo, chamado route-timeout e, é atualizado a cada pacote recebido na mesma interface de entrada, emitida pelo mesmo MN. Quando não possuir dados a serem transmitidos, o MN envia pacotes de route-update para o GW, para que as tabelas de mapeamento, em todos os nós da rota, sejam atualizadas. Esses pacotes são enviados em um intervalo de tempo, chamado route-update-time. No CIP, a solicitação de handoff é feita pelo MN, para a BS que possui a maior potência de sinal, descoberta pelo MN através de mensagens de controle emiditas pela BS, por difusão. Existem dois tipos de handoff : o hard handoff e o semi-soft handoff. No hard handoff, quando o MN (Mobile Node) recebe uma mensagem de controle de uma BS, com um sinal mais forte do que a BS com a qual ele está conectado, ele envia um pacote de route-update para a esta BS e passa a usá-la. Isso cria um novo mapeamento na routing cache dos nós da rota entre o MN e o GW. O mapeamento associado à BS antiga não é desfeito automaticamente, ele é mantido até que o route-update-time expire. Durante a latência de handoff - intervalo de tempo entre o handoff e a chegada do primeiro pacote - pacotes direcionados para o MN podem, ser enviados para a antiga rota e, conseqüentemente, serem perdidos. Essa característica do hard handoff implica em uma solução simples de suporte à handoff rápido mas, sacrifica alguns pacotes. No semi-soft handoff, ao receber uma mensagem de controle de uma BS com sinal mais forte que de seu ponto de acesso atual, o MN envia para essa BS um pacote de route-update mas, continua recebendo pacotes pela BS anterior. Assim, o MN se conecta à dois pontos de acesso, o que, minimiza a perda de pacotes mas, consome o dobro de recursos da rede, durante esse período de semi-soft delay. Após o isso, o MN passa a utilizar somente a nova BS. Paging é a habilidade da rede de encontrar um MN em uma área geográfica pequena, quando precisar enviar dados à ele. Sendo assim, o MN pode ficar em modo ocioso, ou seja, sem consumir recursos da rede e do próprio dispositivo, quando não possuir dados para enviar. O fato do MN estar ocioso mas, ter a capacidade de ser alcançado pela rede ou se conectar à ela em determinado momento, é denominado conectividade passiva. Quando um MN (Mobile Node) não recebe pacotes por um intervalo de tempo, chamado active-state timeout, ele muda seu estado para ocioso e, assim, os mapeamentos routing cache são desfeitos. Para que possa ser localizado, o MN envia, em intervalos definidos pelo paging-

77 55 update-time, pacotes de paging-update, para o GW. O paging cache possui um tempo de vida, chamado paging-timeout, maior do que o routetimeout e, os mapeamentos paging caches são atualizados por qualquer pacote enviado por um MN, incluindo paging-updates. O mapeamento paging cache é utilizado quando o GW ou as BSs não encontram um mapeamento para um MN no routing cache. Se uma determinada BS não possuir uma entrada no paging cache para o MN específico, ela envia o pacote recebido para todas as suas interfaces, exceto aquela pela qual recebeu o pacote HAWAII HAWAII (Handoff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure) [Das et al. 2000] [Ramjee et al. 2002] é uma solução de micromobilidade para o MIP. Assim como o CIP, HAWAII foi proposto para minimizar a interrupção de conexão e a latência de handoff. Uma abordagem comum para proporcionar mobilidade transparente é dividir a rede em hierarquias, então o HAWAII utiliza uma estratégia semelhante, a separação da rede em uma hierarquia de domínios. A arquitetura do HAWAII é composta por MN (Mobile Node), BS (Base Station), roteadores e roteador raiz do domínio. Os MNs são terminais que utilizam os recursos da rede HAWAII. As BSs, têm função de ponto de acesso para os MNs, e também, funcionam como um tradutor entre o MIP e o HAWAII. Os roteadores são as entidades que executam o protocolo HAWAII. E, o roteador raiz do domínio conecta a rede com a Internet, ou seja, tem a função de gateway. O gerenciamento de mobilidade é realizado através de esquemas de configuração de rota que, constituem em métodos para atualizar os nós (BSs, roteadores e, roteador raiz) da rede, para que a conexão do MN seja mantida, enquanto estiver ocorrendo um handoff. HAWAII utiliza mensagens de atualização de rota para estabelecer e atualizar entradas de roteamento, nos roteadores do domínio, a fim de que, os pacotes que chegam ao roteador raiz do domínio, possam ser entregues ao MN de destino. Os MNs, conectados à uma BS, enviam mensagens de atualização de rota para ela, periodicamente, para manterem suas entradas na tabela de roteamento e, não serem removidos por ela. A BS, por sua vez, envia uma mensagem para atualizar as tabelas dos roteadores que se encontram na rota, através de multi-hop, até alcançar o roteador raiz. Existem dois tipos de esquemas de configuração de rota: Forwarding e Non-Forwarding. O Forwarding é voltado para redes sem fio nas quais os MNs não são capazes de receber/transmitir por mais de uma BS e, o Non-Forwarding, para redes onde o MN pode receber/transmitir por

78 56 duas ou mais BSs, simultaneamente, e, por um período curto de tempo. O MN possui, dentro de seu domínio de origem, um Home Address e, os pacotes endereçados a ele são, primeiramente, entregues ao roteador raiz do domínio. Posteriormente, esses pacotes são redirecionados para o MN através de rotas estabelecidas pelos esquemas de configuração de rota. Quando o MN se move para um domínio estrangeiro, o protocolo MIP é utilizado. Caso o domínio estrangeiro suporte o protocolo HAWAII, o MN recebe um CCoA atribuído por esse domínio e, assim, o movimento do MN é transparente para o HA. Esse endereço permanece inalterado enquanto o MN se manter no mesmo domínio. Mensagens de configuração de rota são usadas para estabelecer e atualizar entradas de roteamento para MNs em alguns roteadores específicos dentro do domínio; os outros roteadores do caminho são mantidos no escuro sobre os novos CCoAs dos MN. Quando um CN envia pacotes para um MN que está fora da sua área, este usa o home addres do MN. O HA intercepta os pacotes e enviam os pacotes encapsulados para o roteador raiz corrente do MN. O roteador raiz desencapsula e, outra vez, encapsula o pacote para passar para qualquer um dos dois intermediários: roteador ou BS, que desencapsula o pacote e, finalmente, entrega para o MN TeleMIP O Telecommunication Enhanced Mobile IP (TeleMIP) [Das et al. 2000], propõe uma generalização no conceito do FA (Foreign Agent) por introduzir um novo nó, chamado MA (Mobility Agent), na camada de rede, reduzindo assim, a geração de atualizações globais de localização. As definições da maioria do elementos da arquitetura TeleMIP são idênticas às definições do MIP. Então, possui as funções de HA (Home Agent), CN (Correspondent Node), HN (Home Network), FN (Foreign Network) e CoA (Care-of Address) já apresentadas. Serão abordados, apenas os elementos que tiveram suas funcionalidades acrescentadas e, o elemento extra. O MA (Mobility Agent) é um terminal da internet que é associado dinamicamente pela rede, na rede visitada pelo MN (Mobile Node). Ele provê um CoA mais persistente para o MN que o CoA que o FA provê. Todos os pacotes que chegam e saem, são roteados pelo MA que, assim, age como um proxy para o MN na rede estrangeira. MN (Mobile Node) é um terminal que muda seu ponto de conexão com uma rede ou sub-rede para outra. Ele pode mudar sua localização sem mudar seu endereço IP. O MN na arquitetura TeleMIP tem que gerenciar seu CoA local e global (MA). Pacotes que saem podem ser tunelados para o MA usando o CoA local como uma outra fonte de endereço, eles são desencapsulados

79 57 no MA e repassados para a Internet. Um FA (Foreign Agent) está presente na sub-rede visitada pelo MN e provê parâmetros de configuração à ele. Em geral o FA associa dois endereços ao MN: um CoA gerado pelo MA e um CoA gerado pelo FA (este pode ser o próprio endereço do FA). O FA repassa o datagrama ao MN e, também pode servir como roteador local para datagramas enviados pelos MNs registrados. O DHCP server(ou simplesmente server) é um terminal que retorna parâmetros de configuração ao MN [Droms 1997]. Em geral, ele associa dois endereços diferentes ao MN: o endereço do MA e o CoA da sub-rede. No TeleMIP, a rede é dividida em várias sub-redes dependendo da extensão da área geográfica (Figura 4.6). MAs são distribuídos por todo domínio e são responsáveis por providenciar CoAs, globalmente alcançáveis por MNs registrados no domínio. Cada sub-rede tem, no mínimo, um FA ou DHCP server e, eles devem estar associados à, pelo menos, um MA. Quando um MN se registra em um novo domínio, ele recebe um CoA do MA via FA ou DHCP server. Esta associação pode ser feita por um algoritmo de balanceamento de carga. Sendo assim, MNs em uma única sub-rede, podem ser associados a MAs diferentes (isto é, usando diferentes esquemas hash). Figura 4.6: Arquitetura funcional do TeleMIP.

80 HMIPv6 HMIPv6 (Hierarchical Mobile IP) [Soliman et al. 2005] é um esquema hierárquico de gerenciamento de mobilidade, cujo objetivo é diminuir o tempo gasto para um MN realizar handoff entre redes de acesso, realçando o desempenho do MIPv6. Ele foi desenvolvido para reduzir a quantidade de sinalização entre o MN (Mobile Node), os CNs (Correspondent Node), e o HA (Home Agent). Para alcançar esse objetivo, HMIPv6 propõe uma função nova, o MAP (Mobility Anchor Point), que é essencialmente um HA (Home Agent), localizado hierarquicamente superior aos FAs (Foreign Agent) das redes que ele abrange; e, extensões menores à operação do MN. O CN e a operação do HA não são afetadas. Agindo como um HA local, o MAP recebe todos os pacotes destinados MN, os encapsula e envia ao FA raiz da rede visitada. Se o nó móvel mudar seu endereço atual dentro de um domínio local MAP, necessita somente registar o endereço novo com o MAP, diminuindo com isso, o tempo gasto no processo de registro. Assim como MIPv6, esta solução é independente da tecnologia de acesso, permitindo a mobilidade entre tipos diferentes de redes de acesso IDMP A separação, micromobilidade de macromobilidade, permite que um protocolo de micromobilidade possa coexistir com várias alternativas para gerenciamento de mobilidade global, como SIP ou MIP. Sendo assim, o protocolo IDMP (Intradomain Mobility Management Protocol) [Misra et al. 2002] [Das et al. 2002], foi desenvolvido como solução para micromobilidade e, não assume o uso do MIP para gerenciamento de macromobilidade. O IDMP oferece micromobilidade usando vários CoAs. O MA provê redirecionamento de pacote. Um SA (Subnet Agent), similar ao FA (Foreign Agent) do MIP, provê serviços de mobilidade específicos à sub-rede. Sob o IDMP, um MN (Mobile Node) obtêm dois CoAs concorrentes [Das et al. 2002]: ˆ LCoA (Local Care-of Address): Este identifica a conexão do MN com a sub-rede. Diferente do CoA do MIP, o LCoA no IDMP tem somente um escopo local (abrangendo o domínio). Atualizando seu MA com qualquer mudança no LCoA, o MN garante que os pacotes são repassados corretamente dentro do domínio; ˆ GCoA (Global Care-of Address): Este endereço resolve a localização atual do MN somente

81 59 em nível de domínio e, portanto, mantém-se imutável enquanto o MN permanece dentro de um domínio simples. Por distribuir BU globais que contém o GCoA, o MN garante que os pacotes sejam roteados corretamente para seu domínio atual. Quando o MN se move para uma sub-rede específica, usando o IDMP, e se registra, ele obtém um LCoA, que é o endereço do SA corrente (Figura 4.7). Então, o SA corrente associase, dinamicamente, ao MN durante o processo de registro nesta sub-rede. O MN, então, executa uma LU intra-domínio ao comunicar seu LCoA atual ao MA encarregado. O MA inclui seu endereço ou, um GCoA separado, na resposta de LU. Então, o MN fica responsável por gerar uma LU global aos nós remotos necessários (ou seja, referente ao protocolo de macromobilidade usado, mas isto, no entanto, independe das especificações do IDMP). Figura 4.7: Elementos lógicos e arquitetura do IDMP [Misra et al. 2002]. Sempre que o MN muda de sub-rede dentro do domínio, ele executa um novo registro com um novo SA e, realiza uma LU, informando ao MA sua nova localização. O GCoA não muda e, nenhuma mensagem global é gerada. Sob o IDMP, pacotes enviados por um CN (Correspondent Node) são repassados (com ou sem tunelamento) para o GCoA e, interceptados pelo MA. Como mostrado na Figura 4.7, o MA então, envia estes pacotes (com tunelamento) para o LCoA atual do MN.