Redes Locais Sem Fio (WLANs)

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1 Introdução à Computação Móvel Prof. Francisco José da Silva e Silva Prof. Rafael Fernandes Lopes Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação (PPGCC) Universidade Federal do Maranhão (UFMA) Redes Locais Sem Fio (WLANs)

2 Características das WLANs Vantagens: Flexível em relação à sua área de cobertura Os nós podem se comunicar sem restrição, em qualquer local e mesmo sem LOS (line-of-sight, linha de visada) O estabelecimento de redes ad hoc não requer planejamento prévio Minimiza dificuldades com cabeamento Maior robustez a desastres Desvantagens: Tipicamente uma menor largura de banda em relação redes cabeadas Muitas soluções proprietárias, especialmente para altas taxas de dados Imposição de restrições por agências regulatórias nacionais Possível interferências em outros equipamentos (por exemplo, equipamentos hospitalares)

3 Tecnologias de Comunicação Móvel do IEEE (exemplos) Local wireless networks WLAN WiFi a b h i/e/ /n/ /z/aq g Personal wireless nw WPAN ZigBee Bluetooth Wireless distribution networks WMAN (Broadband Wireless Access) a/b/c/d/e/f/g ,.6 (WBAN) b/c WiMAX + Mobility [hist.: (Mobile Broadband Wireless Access)] e (addition to.16 for mobile devices)

4 Elementos de uma rede sem fio infraestrutura de rede hospedeiros sem fio laptop, PDA, telef. IP executam aplicações podem ser estáticos (não móvel) ou móveis sem fio nem sempre significa mobilidade

5 Elementos de uma rede sem fio infraestrutura de rede estação-base normalmente conectada à rede com fio relay responsável por enviar pacotes entre rede com fio e hospedeiros sem fio em sua área p. e., torres de células, pontos de acesso

6 Elementos de uma rede sem fio infraestrutura de rede enlace sem fio normalmente usado para conectar disp. móveis à estação-base também usado como enlace de backbone protocolo de acesso múltiplo coordena acesso ao enlace diversas taxas de dados, distância de transmissão

7 Características de padrões de enlace sem fio selecionados

8 Elementos de uma rede sem fio infraestrutura de rede modo de infraestrutura estação-base conecta hosp. móveis à rede com fio transferência: hosp. móvel muda de estaçãobase fornecendo conexão à rede com fio

9 Elementos de uma rede sem fio modo ad hoc sem estações-base nós só podem transmitir a outros nós dentro da cobertura do enlace nós se organizam em uma rede: roteiam entre si mesmos

10 Comparativo: infra-estrutura vs. ad hoc infrastructure network AP AP wired network AP: Access Point AP ad-hoc network

11 Comparativo: infra-estrutura vs. ad hoc Infra-estruturadas Comunicação entre nós móveis e pontos de acesso (access points) Exige um projeto simplificado (dos pontos de acesso) Perdem em flexibilidade: ex: podem não estar disponível em caso de desastre Ad hoc Comunicação direta entre nós móveis Não necessita de infra-estrutura para funcionar Maior complexidade dos nós já que todos devem implementar mecanismos de acesso ao meio

12 Taxonomia da rede sem fio infraestrutura (p. e., APs) sem infraestrutura único salto hospedeiro conecta-se à estação-base (WiFi, WiMAX, celular) que se conecta à Internet sem estação-base, sem conexão com Internet (Bluetooth, redes ad hoc) múltiplos saltos hosp. pode ter de retransmitir por vários nós sem fio para se conectar à Internet: rede em malha sem estação-base, sem conexão com Internet. Pode ter de retransmitir para alcançar outro nó sem fio MANET, VANET

13 Características do enlace sem fio (revisando...) Diferenças do enlace com fio... Redução do sinal: sinal de rádio se atenua enquanto se propaga pela matéria (perda do caminho) interferência de outras fontes: frequências padrão de rede sem fio (p. e., 2,4 GHz) compartilhadas por outros dispositivos (p. e., telefone); dispositivos (motores) também interferem multipercurso: sinal de rádio reflete-se em objetos e no solo, chegando ao destino em momentos ligeiramente diferentes... tornam a comunicação por (até mesmo ponto a ponto) enlace sem fio muito mais difícil

14 Características do enlace sem fio (revisando...) SNR: relação sinal-ruído maior SNR mais fácil extrair sinal do ruído (uma coisa boa ) SNR versus BER camada física: aumenta potência -> aumenta SNR -> diminui BER SNR: escolha camada física que atende requisito BER, dando vazão mais alta SNR pode mudar com a mobilidade: adapta dinamicamente a camada física (técnica de modulação, taxa) BER SNR(dB) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps)

15 LAN sem fio IEEE b espectro não licenciado de 2,4 GHz até 11 Mbps Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) na camada física todos os hospedeiros usam o mesmo código de chipping a intervalo 5-6 GHz até 54 Mbps g intervalo 2,4 GHz até 54 Mbps n: múltiplas antenas frequências 2,4 e 5 GHz até 600 Mbps todos usam CSMA/CA para acesso múltiplo todos têm versões de estação-base e rede ad-hoc

16 Arquitetura de uma rede infra-estruturada STA 1 ESS LAN BSS 1 Access Point BSS 2 Portal Distribution System Access Point 802.x LAN STA LAN STA 3 Estação / Station (STA) terminal com mecanismos de acesso ao meio e de transmissão por rádio ao ponto de acesso Basic Service Set (BSS) grupo de estações que utilizam a mesma frequência de rádio Ponto de Acesso / Access Point estação integrada à rede sem fio e ao sistema de distribuição Portal ponte para outras redes (cabeadas) Sistema de Distribuição / Distribution System interconecta redes para prover uma única rede lógica ESS (Extended Service Set) baseada em várias BSS

17 Arquitetura de uma rede ad-hoc LAN Comunicação direta dentro de um alcance limitado STA 1 IBSS 1 STA 2 STA 3 Estação / Station (STA): terminal com mecanismos de acesso ao meio sem fio Independent Basic Service Set (IBSS): grupo de estações que utilizam a mesma frequência de rádio IBSS 2 STA 5 STA LAN

18 Protocolo IEEE mobile terminal fixed terminal application TCP IP access point infrastructure network application TCP IP LLC LLC LLC MAC MAC MAC MAC PHY PHY PHY PHY

19 Camadas e funções MAC access mechanisms, fragmentation, encryption MAC Management synchronization, roaming, MIB, power management PLCP Physical Layer Convergence Protocol clear channel assessment signal (carrier sense) PMD Physical Medium Dependent modulation, coding PHY Management channel selection, MIB Station Management coordination of all management functions PHY DLC LLC MAC PLCP PMD MAC Management PHY Management Station Management

20 Camada Física Taxas de transferência: IEEE : Taxa de 2 Mbps em 2.4GHz IEEE b: Taxa de 11 Mbps em 2.4GHz IEEE a: Taxa de 54 Mbps em 5 GHz IEEE g: Taxa de 54 Mbs em 2.4GHz IEEE n: Taxa de 600 Mbs em 2.4GHz ou 5 GHz Suporta três diferentes tecnologias de transmissão em camada física Rádio utilizando FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Rádio utilizando DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Infravermelho

21 Camada Física FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Técnica de espalhamento em frequência min. 2.5 saltos de frequência/s (USA), modulação GFSK DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Modulação DBPSK para 1 Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK para 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK) Preâmbulo e cabeçalho dos quadros é sempre transmitido com 1 Mbit/s Sequência de chipping: +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 (Barker code) max. potência irradiada 1 W (USA), 100 mw (EU), min. 1mW Infravermelho nm, luz difusa, tipico alcance de 10 m Detecção de portadora, detecção de energia, sincronização

22 Formato do pacote FHSS PHY Sincronização Preâmbulo PLCP de 80 bits: padrão SFD (Start Frame Delimiter) padrão de início de pacote PLW (PLCP_PDU Length Word) Comprimento do payload incl. 32 bit CRC, PLW < 4096 PSF (PLCP Signaling Field) Taxa de transferência do payload que virá a seguir HEC (Header Error Check) CRC variable bits synchronization SFD PLW PSF HEC payload PLCP preamble PLCP header

23 Sincronização Formato do pacote DSSS PHY Sincronização, configuração de ganho, detecção de energia, compensação de deslocamento de frequência SFD (Start Frame Delimiter) Signal Taxa de transferência do payload Service Uso futuro, 00 indica quadro Length Comprimento do payload HEC (Header Error Check) CRC variable bits synchronization SFD signal service length HEC payload PLCP preamble PLCP header

24 Infravermelho PHY O padrão não requer LOS entre o emissor e o receptor Portanto, luz difusa pode ser utilizada A distância máxima é de aproximadamente 10 m, desde que não haja interferência solar ou de calor na transmissão IrDA

25 Serviços da Camada MAC Controle de acesso ao meio sem fio e junção à rede Com apenas três canais disponíveis, um protocolo de controle de acesso ao meio foi definido baseado em funções de coordenação Uma função de coordenação determina qual estação tem permissão para transmitir e receber dados utilizando o meio sem fio O IEEE define duas funções de coordenação: Função de Coordenação Distribuida DCF (Distributed Coordination Function) de implementação obrigatória. Provê um controle de acesso com contenção Função de Coordenação Centralizada PCF (Point Coordination Function) de implementação opcional. Provê um acesso sem contenção; baseada em prioridades

26 Serviços da Camada MAC Asynchronous Data Service (obrigatório) Troca de pacotes baseado em melhor esforço Não há como garantir limites de tempo para a entrega de pacotes Permite broadcast e multicast Única opção no caso de redes ad-hoc Time-Bounded Service (opcional) Implementado utilizando PCF (Point Coordination Function)

27 Métodos de Acesso DFWMAC Distributed Foundation Wireless MAC DFWMAC-DCF CSMA/CA (obrigatório) DCF Distributed Coordination Function: oferece apenas o serviço assíncrono Evita colisões através de um mecanismo de back-off aleatório Distância temporal mínima entre pacotes consecutivos ACK de recebimento (menos para broadcasts) DFWMAC-DCF com RTS/CTS (opcional) Evita o problema de terminais escondidos DFWMAC- PCF (opcional) Pontos de acesso realizam um polling nos terminais de acordo com uma lista Oferece tanto o serviço assíncrono quanto o time-bounded

28 Prioridade para Acesso ao Meio Durante a fase de contenção, diversos nós tentam acessar o meio Definidas através de diferentes espaços entre os frames SIFS (Short Inter Frame Spacing) Maior prioridade, utilizada em ACK, CTS e resposta de polling PIFS (PCF Inter Frame Spacing) Média prioridade, utilizado no serviço time-bounded utilizando PCF DIFS (DCF Inter Frame Spacing) Menor prioridade, utilizado no serviço assíncrono DIFS DIFS medium busy PIFS SIFS contention next frame direct access if medium is free DIFS t

29 DFWMAC-DCF CSMA/CA Estação pronta para enviar inicia verificando o meio (detecção de portadora) Se o meio está livre pela duração de um Inter-Frame Space (IFS), a estação pode iniciar a transmissão (o IFS depende do tipo de serviço) Se o meio está ocupado, a estação tem que esperar por um período IFS livre e por um tempo de back-off aleatório adicional (evita colisão, tempo múltiplo de um slot de tempo) Se outra estação ocupar o meio durante o período de back-off, o temporizador de back-off é interrompido para continuar posteriormente estações que esperam a mais tempo possuem vantagem sobre novas estações que querem usar o meio (justiça) Back-off exponencial modifica o tamanho da janela de contenção de acordo DIFS com a carga da rede medium busy DIFS next frame contention window (randomized back-off mechanism) direct access if medium is free DIFS t slot time (20µs DSSS, 50µs FHSS)

30 Exemplo DFWMAC-DCF CSMA/CA DIFS DIFS bo e bo r DIFS bo e bo r DIFS bo e busy station 1 bo e busy station 2 station 3 busy bo e busy bo e bo r station 4 bo e bo r bo e busy bo e bo r station 5 t busy medium not idle (frame, ack etc.) bo e elapsed backoff time packet arrival at MAC bo r residual backoff time

31 DFWMAC-DCF CSMA/CA: enviando Pacotes Unicast Estação deve esperar DIFS antes de enviar dados Se o pacote foi recebido corretamente (CRC) um ACK é retornado após a espera SIFS SIFS < DIFS impede que outra estação acesse o meio para transmissão e cause uma colisão ACK necessário devido ao problema de terminal oculto Retransmissão automática de pacotes no caso de erro (não recepção de ACK) sender DIFS data receiver SIFS ACK other stations waiting time DIFS contention data t

32 Evitando colisões (mais) ideia: permite que remetente reserve canal em vez de acesso aleatório aos quadros de dados: evitar colisões de quadros de dados longos remetente primeiro transmite pequenos pacotes request-to-send (RTS) usando CSMA RTSs ainda podem colidir uns com os outros (mas são curtos) Receptor envia por broadcast clear-to-send (CTS) em resposta a RTS CTS escutado por todos os nós remetente transmite quadro de dados outras estações adiam transmissões Evite colisões de quadro de dados completamente usando pequenos pacotes de reserva!

33 DFWMAC com RTS/CTS Estações podem enviar RTS com um parâmetro de reserva após terem esperado por DIFS (a reserva determina quanto tempo o meio ficará ocupado para tx do pacote) ACK é devolvido por meio do CTS após esperar por SIFS (caso nó esteja pronto para receber dados) O transmissor pode enviar os dados de uma só vez, recebendo um ACK ao final As outras estações armazenam as informações de reserva utilizando as mensagens RTS e CTS recebidas Todas as estações mantém um registro das reservas de acesso ao canal chamado NAV (Net Allocation Vector) sender DIFS RTS data receiver SIFS CTS SIFS SIFS ACK other stations NAV (RTS) NAV (CTS) defer access DIFS contention data t

34 A Prevenção de colisão: troca RTS-CTS AP B colisão de reserva tempo DATA (A) adiamento

35 Motivação: DFWMAC com RTS/CTS: Fragmentação Altas taxas de erro em canais sem fio Probabilidade de erro de um quadro Conclusão: P ( γ ) = 1 [1 ( γ )] q P b Quadros menores têm menor probabilidade de erro! L

36 DFWMAC com RTS/CTS: Fragmentação Para minimizar as taxas de erro do sistema, o frame pode ser fragmentado RTS inclui o tempo necessário para transmitir o 1º fragmento O fragmento 1 possui o tempo necessário para transmitir o próximo fragmento e assim sucessivamente sender receiver DIFS RTS SIFS CTS SIFS frag 1 SIFS ACK SIFS 1 frag 2 SIFS ACK2 other stations NAV (RTS) NAV (CTS) NAV (frag 1 ) NAV (ACK 1 ) DIFS contention data t

37 DFWMAC-PCF com polling Os mecanismos de acesso ao meio anteriores não garantem um tempo máximo ou mínimo de espera para transmissão O ponto de acesso divide o tempo em períodos denominados SuperFrames Um SuperFrame define um período livre de contenção e outro com contenção O período de contenção pode ser utilizado pelos mecanismos de acesso ao meio discutidos anteriormente Este método possui a desvantagem do coordenador sempre realizar polling em nós, mesmo que eles não tenham nada a enviar

38 DFWMAC-PCF com polling t 0 t 1 SuperFrame medium busy point coordinator PIFS D 1 SIFS SIFS D2 SIFS SIFS wireless stations U 1 U 2 stations NAV NAV t 2 t 3 t 4 PIFS D4 SIFS CFend point coordinator D 3 SIFS wireless stations U 4 stations NAV NAV contention free period contention period t

39 Formato dos quadros bytes Control Frame: versão do protocolo, tipo do frame (de controle, gerenciamento e de dados), se o frame foi fragmentado, privacidade, 2 bits DS (Distribution System) que indicam o significado dos 4 endereços constantes do frame Duração: para o mecanismo RTS/CTS: indica o tempo pelo qual o meio ficará ocupado Controle de sequência: importante em quadros duplicados causados por ACKs perdidos Endereços CRC - Checksum Duration/ Address Address Address Sequence ID Control Frame Control Address Data 4 bits Protocol Type Subtype To From More Retry Power More WEP Order version DS DS Frag Mgmt Data CRC

40 Endereços dos quadros scenario to DS from address 1 address 2 address 3 address 4 DS ad-hoc network 0 0 DA SA BSSID - infrastructure 0 1 DA BSSID SA - network, from AP infrastructure 1 0 BSSID SA DA - network, to AP infrastructure network, within DS 1 1 RA TA DA SA DS: Distribution System AP: Access Point DA: Destination Address SA: Source Address BSSID: Basic Service Set Identifier RA: Receiver Address TA: Transmitter Address

41 Quadros especiais: ACK, RTS, CTS Acknowledgement ACK Request To Send bytes Frame Duration Receiver CRC Control Address RTS bytes Frame Duration Receiver Transmitter CRC Control Address Address Clear To Send CTS bytes Frame Duration Receiver CRC Control Address

42 Gerenciamento MAC Sincronização Funções para procura de WLAN, sincronização de relógios, geração de sinais de beacon Gerenciamento de Energia Funções para controlar a atividade de transmissão conservando energia e sem perdas de mensagens Adormecimento periódico, buffering de frames, medição de tráfego Associação / Reassociação Integração a uma LAN Roaming, mudança de ponto de acesso Scanning, busca por uma rede MIB - Management Information Base Acessível por meio do protocolo SNMP Simple Network Management Protocol

43 Sincronização por meio de Beacons (rede infra-estruturada) Uso: gerenciamento de energia, coordenação PCF, sequência de hopping FHSS Ponto de acesso periodicamente transmite um sinal de beacon contendo um timestamp e outras informações de gerenciamento e roaming (id da BSS) O beacon pode ter de ser postergado se o meio estiver ocupado beacon interval (20ms 1s) access point medium B B B B busy busy busy busy value of the timestamp B beacon frame t

44 Sincronização por meio de Beacons (rede ad hoc) Cada nó possui seu próprio temporizador de sincronização e transmite um frame de beacon ao final deste intervalo O algoritmo de backoff é utilizado também para frames beacon. Portanto, tipicamente somente um vence beacon interval station 1 B 1 B 1 station 2 medium B 2 B 2 busy busy busy busy t value of the timestamp B beacon frame random delay

45 802.11: capacidades avançadas Adaptação de taxa estação-base, disp. móvel muda taxa de transmissão dinamicamente (técnica de modulação da camada física) enquanto móvel se move, SNR varia QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) ponto operacional BER SNR(dB) 1. SNR diminui, BER aumenta quando nó se afasta da estaçãobase 2. Quando BER se torna muito alto, passa para taxa de transmissão inferior, mas com BER mais baixo

46 802.11: capacidades avançadas Gerenciamento de energia nó-para-ap: Vou dormir até o próximo quadro de sinalização AP sabe não transmitir quadros para esse nó nó acorda antes do próximo quadro de sinalização quadro de sinalização: contém lista de estações móveis com quadros AP-para-móvel esperando para serem enviados nó permanecerá acordado se quadros AP-paramóvel forem enviados; caso contrário, dorme novamente até próximo quadro de sinalização

47 802.11: Canais, associação b: espectro de 2,4 GHz-2,485 GHz dividido em 11 canais em diferentes frequências Admin. do AP escolhe frequência para AP possível interferência: canal pode ser o mesmo daquele escolhido pelo AP vizinho! hospedeiro: precisa associar-se a um AP varre canais, escutando quadros de sinalização contendo nome do AP (SSID) e endereço MAC seleciona AP para associar-se pode realizar autenticação normalmente rodará DHCP para obter endereço IP na sub-rede do AP

48 802.11: Canalização Máscara espectral

49 Canais sem sobreposição Europe (ETSI) channel 1 channel 7 channel MHz [MHz] US (FCC)/Canada (IC) channel 1 channel 6 channel MHz [MHz]

50 802.11: varredura passiva/ativa BBS 1 BBS 2 BBS 1 BBS 2 AP AP 2 AP AP 2 H1 H1 Varredura passiva: (1) quadros de sinalização enviados dos APs (2) quadro de solicitação de associação enviado: H1 para AP selecionado (3) quadro de resposta de associação enviado: H1 para AP selecionado Varredura ativa: (1) Broadcast de quadro de solicitação de investigação de H1 (2) Quadro de resposta de investigações enviado de APs (3) Quadro de resposta de associação enviado: H1 para AP selecionado (4) Quadro de resposta de associação enviado: AP selecionado para H1

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