Graduação Tecnológica em Redes de Computadores. Redes Sem Fio

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1 Graduação Tecnológica em Redes de Computadores Redes Sem Fio Euber Chaia Cotta e Silva euberchaia@yahoo.com.br

2 Redes Sem Fio

3 Link Completo: 015/08/26/numerode-municipios-comwi-fi-cresce-83-emdois-anos/

4 Link Completo: 015/08/26/numerode-municipios-comwi-fi-cresce-83-emdois-anos/

5 Link Completo: /cerca-de-20-da-base-da-claro-e-4g-edemanda-por-dados-cresce-apesar-da-crise/

6 Link Completo: oticia/capacidade-do-4g-poderase-esgotar-em-ate-3-anos/46629

7 Link Completo:

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9 Site completo:

10 Loja especializada em produtos Wireless

11 IEEE 802 Active working groups Higher Layer LAN Protocols Working Group Ethernet Working Group Wireless LAN Working Group Wireless Personal Area Network (WPAN) Working Group Broadband Wireless Access Working Group Resilient Packet Ring Working Group Radio Regulatory TAG Coexistence TAG Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) Working Group Media Independent Handoff Working Group Wireless Regional Area Networks Inactive or disbanded working groups Logical Link Control Working Group Token Bus Working Group Token Ring Working Group Broadband Area Network Working Group Fiber Optic TAG Integrated Service LAN Working Group Security Working Group Demand Priority Working Group Cable Modem Working Group

12 Padrões IEEE 802 (sem fio)

13 Padrões IEEE 802 (sem fio) WRAN WRAN Alcance WWAN 2/2,5/2,75G 3/3.5/3,75G 4G MBWA 5G WIMAX WMAN WiFi a/b/g/n/ac/ad WLAN ZigBee WPAN 0.1 Bluetooth UWB Taxa de dados (Mbps)

14 WLAN Padrões e mercado Wi-Fi Arquitetura Componentes, antenas e acessórios Site survey Testes de desempenho Segurança ac

15 WLAN Padrões do IEEE para redes locais sem fio Guia rápido de referência: Padrões: a/b/g/n/ac/ad i - WPA e - QoS e Power Save...

16 WLAN - Wi-Fi Wi-Fi = Wireless Fidelity Conhecida até 1999 como Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) Marca da Wi-Fi Alliance - Hoje é sinônimo do IEEE Certifica produtos pertencentes à classe WLAN

17 WLAN Padrões e mercado Wi-Fi Arquitetura Componentes, antenas e acessórios Site survey Testes de desempenho Segurança ac

18 WLAN - Arquitetura Logical Link Control (LLC) Management MAC MAC a b g n ac PHY PHY PHY PHY PHY PHY PHY PHY CSMA/CD (Ethernet) Token Ring Medium Access Control (MAC) CSMA/CA CSMA/CA (Wireless LAN)

19 WLAN Arq CSMA/CA CSMA/CA = Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Diferente da rede cabeada, estações WLAN não podem detectar colisões elas evitam colisões Medium Access Control (MAC) CSMA/CA PHY Camada MAC comum, mas a b g diferenças na física802.11n PHY PHY PHY PHY ac PHY

20 WLAN Arq Poderia utilizar Infravermelho e RF. A especificação original de RF da camada física definia dois formatos de sinal (espalhamento): FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Taxas de transferência de dados suportadas: 1 e 2 Mbit/s Medium a Access Control (MAC) PHY unc CSMA/CA n o u, tadcsma/ca o c u n d e Ca plem im a b g n ac PHY PHY PHY PHY PHY Banda ISM: GHz

21 WLAN Arq a a opera na banda de 5.8 GHz. Utiliza OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Taxas de transferência suportadas: Muitas entre 6 e 54 Mbit/s. no Control (MAC) Medium Access o d iza opa lcsma/ca i t ucsma/ca ur E co Pou asil e Br a b g n ac PHY PHY PHY PHY PHY PHY Bandas UNII: GHz GHz GHz

22 WLAN Arq b O primeiro padrão largamente utilizado. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) como o , mas com maiores taxas: 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s o Medium Access Control and (MAC) orn ob t to CSMA/CA CSMA/CA Se sole a b g n ac PHY PHY PHY PHY PHY PHY Muda automaticamente a velocidade em caso de problemas na transmissão. Banda ISM: GHz

23 WLAN Arq g g é um dos padrões mais difundidos, opera na mesma banda do b. OFDM e DSSS Taxas de tranf. suportadas: Várias entre 1 to 54 Mbit/s Medium Access Control (MAC) CSMA/CA CSMA/CA a b g n ac PHY PHY PHY PHY PHY PHY Banda ISM: GHz

24 WLAN Arq n n é um dos padrões mais utilizados hoje em dia. Lançado oficialmente em nov/2009. Se m rá a a no ior bo de es rda co de do Medium Access Control cu (MAC) rr te e r CSMA/CA so er lha m CSMA/CA do s OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Taxas de tranf. suportadas: Várias até 600 Mbit/s a b g n ac PHY PHY PHY PHY PHY PHY Banda ISM: GHz Bandas UNII: GHz GHz GHz

25 WLAN Arq ac ac é o padrão mais recente disponível. Desenvolvida praticamente entre os anos 2011 e 2012, sendo aprovadas as suas características em 2013 pelo IEEE. Se m rá a a no ior bo Medium Access Control da de es r(mac) d d c CSMA/CA cu or ete o CSMA/CA rs rer lh em o d o as OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Taxas de tranf. suportadas: Várias até Mbit/s a b g n ac PHY PHY PHY PHY PHY PHY Bandas UNII: GHz GHz GHz

26 WLAN Arq Desafios da Camada MAC Qualidade de RF: Diferente da maioria dos outros protocolos de enlace, a subcamada MAC do utiliza confirmação positiva. Todos os frames são confirmados.

27 WLAN Arq Desafios da Camada MAC Problema da estação oculta e exposta:

28 WLAN Arq Camada MAC Para lidar com estes problemas, foram criados dois modos de operação: DCF (Distributed Coordination Function): Não utiliza controle central; Semelhante ao Ethernet; Dois tipos: CSMA/CA puro e CSMA/CA com MACAW; Implementação obrigatória. PCF (Point Coordination Function): Utiliza a estação base BS ou AP para controlar toda a atividade em sua célula; Trabalha com polling; Não há colisão; Implementação opcional.

29 WLAN Arq Camada MAC - DCF Baseado no protocolo CSMA/CA puro É utilizado como uma função de distribuição coordenada Acesso múltiplo com detecção da portadora Tenta prevenir colisões com intervalos entre dados Se houve colisão, as estações esperam um tempo aleatório para tentar transmitir novamente (backoff algotithm)

30 WLAN Arq Camada MAC - DCF Baseado no protocolo CSMA/CA com MACAW Utilização de RTS e CTS: RTS = Request to Send CTS = Clear to Send

31 WLAN Arq Camada MAC - DCF Utilização de detecção de canal virtual com CSMA/CA e MACAW NAV = Network Allocation Vector - Alocação de canal virtual = fica esperando a conversa terminar

32 WLAN Arq Camada MAC DCF Fragment. Quanto maior o quadro, maior a probabilidade de haver interferência e o consequente dano ao pacote. Neste caso, utiliza-se fragmentação. Controle feito com SIFS

33 WLAN Arq Camada MAC DCF Intervalos SIFS Short InterFrame Spacing Utilizado para permitir que partes de um único diálogo tenham a chance de transmitir primeiro (normalmente com fragmentos). PIFS PCF InterFrame Spacing Estação base envia pacotes de controle. DIFS DCF InterFrame Spacing Qualquer estação pode tentar adquirir a posse do canal para enviar um novo quadro. EIFS Extended InterFrame Spacing Utilizado por estações que receberam um quadro defeituoso.

34 WLAN Arq Camada MAC DCF Intervalos

35 WLAN Arq Camada MAC DCF Fragment.

36 WLAN Arq Camada MAC PCF Implementado sobre o DCF

37 WLAN Arq Camada MAC PCF Utilizado principalmente para criar um intervalo de tempo sem contenção Normalmente demandado por aplicações de tempo real PC = Point Coordinator

38 WLAN Arq Estrutura do Quadro São definidos 3 tipos de quadros: Dados Controle: RTS, CTS ou ACK Gerenciamento: Associação, Autenticação, Quadro de Dados

39 WLAN Arq Topologias Independent Basic Service Set (IBSS) Estrutura descentralizada Flexível: IBSS Redes permanentes e temporárias Infrastructure Basic Service Set (BSS) Componentes: Station (STA) Access Point (AP) or Point Coordinator (PC) BSS

40 WLAN Arq Topologias - ESS ESS BSS BSS BSS BSS AP Distribution System (DS) WLAN LAN O padrão não define detalhes de implementação Pode ser cabeada ou sem fio

41 WLAN Arq BSSID e SSID BSSID (Basic Service Set Identity) BSS: MAC address da AP Ad-Hoc: número aleatório escolhido pelo dispositivo que inicia a rede SSID (Service Set ID) Conhecido como o nome da rede Tamanho: 2~32 bytes 0: é o SSID de broadcast Deve ser único; utilizado para distinguir as WLAN s AP s e estações que querem formar uma única WLAN devem utilizar o mesmo SSID

42 WLAN Arq Serviços de Rede A arquitetura IEEE define 9 serviços: 4 chamados de estação e 5 de distribuição. Serviços de Estação (atividades dentro de uma única célula): Authentication Similar a conectar/desconectar um cabo em Deauthentication uma rede tradicional (end. MAC) Confidentiality se chamava privacy quando apenas o WEP existia Data delivery entrega de dados Serviços de Distributição (gerenciamento de associação e interação com estações fora da célula): Association gera a conexão entre STA e a AP Disassociation Reassociation como associação, mas informa a antiga AP Distribution encaminhamento de pacotes (papel de switch) Integration conecta a WLAN com outras LANs, conversão de formatos de pacotes

43 WLAN Arq Serviços de Rede - Estados Class 1 frames Estado1: unauthenticated, unassociated Successful authentication Class 1 & 2 frames Estado2: authenticated, unassociated Successful authentication or reassociation Class 1, 2 & 3 frames Deauthentication notification Disassociation notification Estado 3: authenticated, associated Deauthentication notification Uma STA pode estar autenticada em várias AP s, mas associada a apenas uma

44 WLAN Arq Suporte a mobilidade Transição entre ESS s diferentes Transição na mesma ESS Roaming possível com: Mobile-IP Soluções proprietárias

45 WLAN Arq Suporte a mobilidade

46 WLAN Arq Beacon Beacons são pequenos frames utilizados para organizar e sincronizar a comunicação: Sincronização de clock Configurações de parâmetros FH e DS Informações de SSID Traffic Indication MAP (TIM) Indica aos cliente que há tráfego de multicast/broadcast para ser enviado pela AP Informações sobre taxa de transmissão

47 WLAN Arq Scanning Escaneamento Passivo: Estações escutam o meio para identificar a existência das redes

48 WLAN Arq Scanning Escaneamento Ativo: Estações enviam probes em cada canal na tentativa de encontrar uma rede conhecida (SSID configurado) ou com desconhecida (BSSID de broadcast)

49 WLAN Arq Adaptação Dinâmica Ajuste automático de velocidade: DSR - Dynamic Rate Switching ASR - Automatic Rate Selection

50 WLAN Arq Modos de operação das AP s Access Point Bridge Normalmente mutuamente exclusivo com o modo AP Dois tipos: Ponto a ponto Ponto a multiponto Repetidor: AP não se conecta a uma rede cabeada Ela repete o sinal de outra AP Mesmo SSID, canal e sobreposição de sinal Client

51 WLAN Arq Modos de operação das AP s

52 WLAN Componentes, antenas e acessórios Padrões e mercado Wi-Fi Arquitetura Componentes, antenas e acessórios Site survey Testes de desempenho Segurança n

53 WLAN Componentes Access Point - Características Antenas: fixas ou removíveis Capacidade de filtragem de endereços MAC Capacidade de filtragem de protocolos (firewall?) Configuração e gerenciamento via browser ou console Padrões de segurança suportados Serviços de DHCP e NAT (router wireless) Roteamento

54 WLAN Componentes Access Point - Indoor

55 WLAN Componentes Access Point - Outdoor

56 WLAN Componentes Acessórios Amplificadores Atenuadores Protetor contra raios (lightning arrestors) Conectores Spliters Cabos Pigtail Caixas de proteção

57 WLAN Componentes Acessórios Amplificadores Atenuadores

58 WLAN Componentes Acessórios Protetor contra raios (lightning arrestors) Spliters

59 WLAN Componentes Acessórios Conectores Tipo N RP-SMA TNC

60 WLAN Componentes Acessórios Conectores (cuidado ao pedir sma) SMA Macho SMA Fêmea RP-SMA Macho RP-SMA Fêmea

61 WLAN Componentes Acessórios Conectores

62 WLAN Componentes Acessórios Cabos Utilize o menor comprimento possível Com menor perda (de boa qualidade qualidade!) Mesma impedância dos outros componentes

63 WLAN Componentes Acessórios Pigtail Faz a conversão de padrões diferentes de conectores.

64 WLAN Componentes Acessórios Caixa de proteção (caixa hermética)

65 WLAN Componentes Acessórios Caixa de proteção (caixa hermética)

66 WLAN Componentes Antenas Tipos de antenas: Omnidirecionais: todas as direções Semi-direcionais: focadas em um ângulo específico Direcionais: muito focadas em uma direção

67 WLAN Componentes Antenas Diagrama de Irradiação

68 WLAN Componentes Antenas Diagrama de Irradiação

69 WLAN Componentes Antenas Omnidirecionais Indoor (baixo ganho em db medida da antena em dbi)

70 WLAN Componentes Antenas Omnidirecionais Outdoor (alto ganho em db medida da antena em dbi)

71 WLAN Componentes Antenas Semi-direcionais Yagi Setoriais

72 WLAN Componentes Antenas 90º 60º

73 WLAN Componentes Antenas Diagrama de irradiação

74 WLAN Componentes Antena Setorial Exemplo Ubiquiti Airmax Antena Am-v5g-ti Setorial 5.8ghz Titanium 19dBi 20dBi 21dBi

75 WLAN Componentes Antenas Direcionais Parabólicas

76 WLAN Componentes Antenas Direcionais Links: ficar atendo à Zona de Fresnel

77 WLAN Componentes Antenas Direcionais Zona de Fresnel

78 WLAN Componentes Antenas Home made :-D

79 WLAN Componentes Antenas Home made :-D

80 WLAN Componentes Prática Configuração básica do AP Troca de antena Medição do sinal Checagem do espectro com inssider / linssid

81 WLAN Site Survey Padrões e mercado Wi-Fi Arquitetura Componentes, antenas e acessórios Site survey Testes de desempenho Segurança n

82 WLAN Site Survey Definição Site survey é uma metodologia aplicada na inspeção técnica minuciosa do local que será objeto da instalação de uma nova infra-estrutura de rede, na avaliação dos resultados obtidos com as melhorias da infra-estrutura existente ou mesmo na identificação e solução dos problemas de um sistema já em funcionamento. Não ocorre apenas em redes wireless.

83 WLAN Site Survey Objetivo Assegurar que o número, localização e configuração da nova instalação de rede forneçam as funcionalidades requeridas e propiciem um desempenho compatível com o investimento proposto no projeto.

84 WLAN Site Survey Procedimentos Preliminares Questionário executivo: Análise das necessidades do negócio: Qual o nível de segurança requerido? Quantos usuários da rede sem fio por área em média? Haverá aplicações com necessidades de desempenho em tempo real? (voz e vídeo) Redes e dispositivos existentes Número de usuários Sistema operacionais Qual a largura de banda requerida?

85 WLAN Site Survey Considerações Obstrução por obstáculos Fontes de interferência Telefones 2.4 GHz Câmeras Wireless Outras redes... Comportamento de RF: Atenuação Reflexão Refração Difração Absorção

86 WLAN Site Survey Equipamentos o que levar? Access Point (para geração de sinal) Antenas Notebook com utilitários específicos para redes wireless Bateria, extensão elétrica Cabos de rede Plantas da área de cobertura Escadas, trena, lanterna, binóculo, ferramentas,... GPS...

87 WLAN Site Survey Procedimentos Os procedimentos envolvidos na metodologia visam dimensionar adequadamente o local para a instalação dos equipamentos e cabos (redes estruturadas) ou de Pontos de Acesso (redes wireless), permitindo que todas as estações possam ter qualidade nas conexões e obtenham total acesso às aplicações disponíveis na rede.

88 WLAN Site Survey Procedimentos Estratégia 1 Projeto 1. Obtenção dos diagramas representativos do local de instalação da infra-estrutura da rede (plantas da edificação) para a definição das rotas do cabeamento e/ou linhas de visada; 2. Identificação e localização dos pontos de rede nas áreas de trabalho e locais de concentração de equipamentos para a elaboração das plantas, desenhos e esquemáticos, seguindo uma simbologia padronizada;

89 WLAN Site Survey Procedimentos Estratégia 1 Projeto 3. Inspeção visual do local para a definição da prumada da rede e identificação de possíveis obstáculos para a passagem de cabos e/ou montagem dos Pontos de Acesso; 4. Verificação de facilidades quanto ao fornecimento de energia elétrica, condições do aterramento, sistemas de controle de ventilação, temperatura e umidade nos pontos de concentração de equipamentos;

90 WLAN Site Survey Procedimentos Estratégia 1 Projeto 5. Definição dos requisitos da rede quanto: Cobertura (área geográfica ocupada pela rede estruturada ou que se pretende alcançar via rede sem fio); Performance (que irá depender das aplicações de rede); Mobilidade (em redes wireless, roaming entre pontos de acesso); Número de pontos ativos na(s) área(s) de trabalho; Tipos de equipamentos utilizados; Interfaces disponíveis; Segurança física e lógica; Possibilidade de ampliação; Orçamento do projeto; Prazo de instalação.

91 WLAN Site Survey Procedimentos Estratégia 1 Projeto 6. Identificação de possíveis fontes de interferência EMI/RFI; 7. Definição da potência dos Pontos de Acesso (limites legais, área de cobertura e tipos de antenas); 8. Planejamento das frequências utilizadas (escolha dos canais dos AP s); 9. Instalação e testes de aceitação da rede; 10. Documentação do design final da infra-estrutura da rede efetivamente construída (As Built).

92 WLAN Site Survey Procedimentos Estratégia 2 Incremental 1. Obtenção dos diagramas representativos (plantas) - It is important that you have an accurate blueprint of the facility you are surveying so you can diagram coverage zones and access point locations as the survey is performed. 2. Execute um reconhecimento do ambiente - More often than not, the person performing the survey has been contracted, and has no familiarity with the area being surveyed. Doing an initial site walk thru will familiarize the surveyor of the facility. It will also let any on site IT or management point out areas that may not need coverage. 3. Determine visualmente um ponto de início - An experienced surveyor will be able to analyze a facility and determine a starting point. This starting point is in no way set in stone, but provides for the first zone to be tested for data throughput between the temporarily installed network, and the client PC. It is best to start in a corner of the building and work to the other side.

93 WLAN Site Survey Procedimentos Estratégia 2 Incremental 4. Instale a primeira AP- Using a lift, you will now temporarily install the access point and chosen antenna to the ceiling. Depending on the environment, you will choose either a Dipole, Directional, or Omni-Directional antenna. Other considerations would be the Peak Gain (dbi) of the antenna. 5. Determine a taxa de transferência entre a AP e o PC - Using software to send data back and forth between the installed network and the client PC, you will now walk through the facility and monitor actual throughput. Measuring actual throughput will give you the best representation of what to expect when your completed network is in place. 6. Determine a área de cobertura - As you walk further from the AP you will see the throughput rates begin to drop. As soon as they have dropped to your allowable throughput cutoff rate you have found the end of your zone. You should try to test the entire zone and determine the exact perimeter in which to use as a cut off area. The throughput rates should be determined prior to the site survey and depend on what sort of data is being transferred on your network.

94 WLAN Site Survey Procedimentos Estratégia 2 Incremental 7. Repita o processo para a próxima área de cobertura - With zone one completed you should have a good idea of the coverage to expect. Take down the installed access point & antenna, and reinstall in a neighboring zone. Repeat the steps to determine coverage area. Continue this process until the entire building is covered. Keep in mind that all zones will not necessarily require the same antenna type, or dbi. 8. Selecione os canais para as AP s - Each AP can be configured on a different frequency - or channel. The available channels on the B/G spectrum (at least in the US) are The only non-overlapping channels would be 1, 6, 11. To minimize interference between your access points it is important to develop an AP layout that uses only these channels, and keeps the same channels as far away from one another as possible.

95 WLAN Site Survey Softwares Existem muitas opções no mercado: Ekahau Heatmapper (Free) Ekahau SiteSurvey VisiWare WirelessMon Pro

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98 WLAN Site Survey Softwares netsh netsh wlan show networks mode=bssid

99 WLAN Site Survey Softwares iwlist iwlist wlan0 scan

100 WLAN Testes de desempenho Padrões e mercado Wi-Fi Arquitetura Componentes, antenas e acessórios Site survey Testes de desempenho Segurança n

101 WLAN Testes de desempenho Assim que a rede estiver operacional, é interessante que seja observado o desempenho da mesma. É importante estar atento a: Manter histórico (geração de gráficos) Variações do tempo de resposta Variações no throughput máximo Variações na qualidade do sinal (SNR ou RSSI)

102 WLAN Testes de desempenho Ferramentas: Conectividade e variação do tempo de resposta: ping (multiping, pingplotter, colasoft ping, konst pinger...) MTR (traceroute gráfico) MRTG/CACTI Throughput: Netpersec com transferência de arquivos (FTP) Jperf (iperf) Qualidade do sinal: inssider Netstumbler

103 WLAN Próximas aulas Segurança n e ac Práticas

104 Redes Sem Fio Bibliografia: Behrouz Forouzan Comunicação de dados e redes de computadores Artmed/Bookman 3a. edição 2006 capitulo 17 telefonia celular e redes de satélite 22 páginas Kurose James Redes de computadores e a Internet Pearson 3a. Edição 2005 redes sem fio e redes móveis 49 páginas Simon Haykin Sistemas modernos de comunicação wireless Artmed/Bookman 1a. Edição 2008 capitulo 7 - arquiteturas wireless 29 páginas Técnicas de comunicação Eletronica - Paul Young Pearson Education - 5º Edição Capítulo: modulação digital e de pulsos - 22 páginas Capítulo: Antenas - 22 páginas

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