Capítulo 6. Redes sem fio e redes móveis

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1 1 Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis

2 2 Redes de computadores I Prof.: Leandro Soares de Sousa leandro.uff.puro@gmail.com Site: Não deixem a matéria acumular!!! Datas das avaliações, exercícios propostos, transparências,... no site!

3 3 Sumário 6.1 Introdução 6.2 Características dos enlaces e redes sem fio 6.3 Wi-Fi: LANs sem fio Acesso celular à Internet 6.5 Gerenciamento da mobilidade: princípios 6.6 IP Móvel 6.7 Gerenciamento da mobilidade em redes celulares 6.8 Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores

5 Introdução Elementos de uma rede sem fio 5

6 6 Introdução Podemos identificar os seguintes elementos em uma rede sem fio: Hospedeiros sem fio (celulares, tablets, notes, torradeiras, geladeiras,...) Enlaces sem fio (mobilidade, alcance, handoff,...) Estação-base (pontos de acesso , torres de acesso para celulares,...) Infraestrutura de rede

7 Introdução 7 Características de enlaces de padrões selecionados de rede sem fio (área de cobertura e taxa)

8 Taxonomia de redes sem fio único salto host se conectam com infraestrutura (ex., APs) sem infraestrutura 8 múltiplos saltos host podem ter que a estação base (WiFi (802.11), celular) que se conecta com a Internet rotear por diversos nós sem fio para se conectar a Internet, via estação base: redes mesh sem estação base, sem conexão com Internet com nó mestre (Bluetooth, em modo ad hoc) sem estação base, sem conexão com Internet. Podem ter que rotear para alcançar outro nó sem fio: MANET (móveis sem fio), VANET (veiculares)

10 Características de enlaces e redes sem fio 10 Podemos encontrar várias diferenças importantes entre um enlace com fio e um enlace sem fio: Redução da força do sinal. Interferência de outras fontes. Propagação multivias A figura a seguir ilustra diversas características da camada física que são importantes para entender os protocolos de comunicação sem fio da camada superior.

11 Características de enlaces e redes sem fio Maior potência do sinal menor a taxa de erros Técnica adaptativa de acordo com o nível de ruído ajuda 11 BER Bit Error Rate SNR Signal-to-Noise Ratio

12 Características de enlaces e redes sem fio 12 Múltiplos transmissores e receptores sem fio criam problemas adicionais (além do múltiplo acesso): Terminal oculto Atenuação do sinal

13 CDMA 13 Um exemplo simples de CDMA: codificação no remetente, decodificação no receptor:

14 14 CDMA Para o m-ésimo mini-intervalo do tempo de transmissão de bits de di, a saída do codificador CDMA, Zi,m, é o valor de di multiplicado pelo m-ésimo bit do código CDMA escolhido, cm: Se o mundo fosse simples e não houvesse remetentes interferindo, o receptor receberia os bits codificados, Zi,m, e recuperaria os bits de dados originais, di, calculando:

15 CDMA 15 Um exemplo de CDMA com dois remetentes:

17 Wi-Fi: LANs sem fio b faixa de frequência de 2,4-2,485 GHz espectro não licenciado até 11 Mbps direct sequence spread spectrum (DSSS) na camada física 11 canais podendo definir, por exemplo, os canais 1, 6 e 11 para juntos prover 33 Mbps a faixa de frequência de 5,1-5,8 GHz até 54 Mbps g faixa de frequência de 2,4-2,485 GHz até 54 Mbps n: antena múltipla(2 ou mais na saída do host e 2 ou mais na BS, recebendo sinais diferentes) faixa de frequência de 2,4-5 GHz range até 300 Mbps CSMA/CA mesmo formato do frame A distância de transmissão dessas LANs é mais curta para determinado nível de potência e elas sofrem mais com a propagação multivias.

18 A arquitetura A arquitetura de LAN IEEE (com infraestrutura, mas pode ser ad hoc)

19 19 Canais e associação Em , cada estação sem fio precisa se associar com um AP antes de poder enviar ou receber dados da camada de rede. Ao instalar um AP, um administrador de rede designa ao ponto de acesso um Identificador de Conjunto de Serviços (SSID) composto de uma ou duas palavras. Ele também deve designar um número de canal ao AP (normalmente entre 1 e 11). Uma selva de Wi-Fis é qualquer localização física na qual uma estação sem fio recebe um sinal suficientemente forte de dois ou mais APs.

20 20 Canais e associação Em geral, o hospedeiro escolhe o AP cujo quadro de sinalização é recebido com a intensidade de sinal mais alta. O processo de varrer canais e ouvir quadros de sinalização é conhecido como varredura passiva. Um hospedeiro sem fio pode também realizar uma varredura ativa, transmitindo um quadro de investigação que será recebido por todos os APs dentro de uma faixa do hospedeiro sem fio.

21 Canais e associação Varredura passiva e ativa para pontos de acesso 21

22 22 O protocolo MAC Inspirados pelo enorme sucesso da Ethernet e seu protocolo de acesso aleatório, os projetistas do escolheram um protocolo de acesso aleatório para as LANs sem fio Esse protocolo de acesso aleatório é denominado CSMA com prevenção de colisão ou, mais sucintamente, CSMA/CA. Em vez de usar detecção de colisão, o usa técnicas de prevenção de colisão. Usa um esquema de reconhecimento/retransmissão (ARQ) de camada de enlace.

23 O protocolo MAC usa reconhecimentos da camada de enlace Espaçamento distribuído (escuta para transmitir) Espaçamento curto (para os dados, depois da reserva do canal) Colisão Backoff aleatório + DIFS

24 Tratando de terminais ocultos: RTS e CTS 24 Exemplo de terminal oculto: H1 está oculto de H2, e viceversa

25 Tratando de terminais ocultos: RTS e CTS 25 O protocolo IEEE permite que uma estação utilize um quadro de controle RTS (request-to-send) curto e um quadro de controle CTS (clear-to-send) curto para reservar acesso ao canal. A utilização dos quadros RTS e CTS pode melhorar o desempenho de dois modos importantes: 1. O problema da estação oculta é atenuado. 2. Desde que os quadros RTS e CTS sejam corretamente transmitidos, os quadros DATA e ACK subsequentes deverão ser transmitidos sem colisões.

26 Tratando de terminais ocultos: RTS e CTS de Prevenção colisão usando os quadros RTS e CTS. 26

27 O quadro IEEE Endereço 1: endereço MAC do host sem fio ou do AP que vai receber o frame (destino) Endereço 2: endereço MAC do host sem fio ou do AP transmissor desse frame (origem) Endereço 3: endereço MAC da interface do roteador. com o qual o AP está conectado Endereço 4: usado apenas no modo ad hoc (destino final) 27

28 28 O quadro IEEE

29 O quadro IEEE Duração: duração do tempo reservado para transmissão (RTS/CTS) Controle de sequência: número de sequência do frame (para RDT) Tipo e subtipo: são usados para distinguir os quadros de associação, RTS, CTS, ACK e de dados Os campos de e para são usados para definir os significados dos diferentes campos de endereço O campo WEP (Wireless Equivalent Privacy) indica se está sendo ou não utilizada criptografia

30 Mobilidade na mesma sub-rede IP Mobilidade na mesma sub-rede H1 permanece na mesma sub-rede: endereço IP pode permanecer o mesmo switch: qual AP está associado com H1? auto-aprendizado (Cap. 5): switch recebendo um frame de H1 guarda qual interface pode ser usada para alcançar H1 30

31 Recursos avançados em Adaptação da taxa Algumas execuções de possuem uma capacidade de adaptação de taxa que seleciona, de maneira adaptável, a técnica de modulação da camada física sobreposta a ser usada com base em características atuais ou recentes do canal (BER X SNR). A adaptação da taxa e o controle de congestionamento TCP são semelhantes à criança: está sempre exigindo mais e mais de seus pais até eles por fim dizerem Chega! e a criança desistir.

32 Recursos avançados em Gerenciamento de energia O padrão provê capacidades de gerenciamento de energia, permitindo que os nós minimizem o tempo de suas funções de: percepção, transmissão e recebimento, e outros circuitos necessários para funcionar.

33 Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee 33 As camadas de enlace e física do são baseadas na especificação do Bluetooth anterior para redes pessoais. Redes operam na faixa de rádio não licenciada de 2,4 GHz em modo TDM, com intervalos de tempo de 625 μs. Redes são redes ad hoc. Dispositivos são primeiro organizados em uma picorrede (piconet: pequena rede) de até oito dispositivos ativos.

34 Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee Bluetooth: 34

35 Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee 35 Zigbee é voltada para aplicações de menos potência, menor taxa de dados e menor ciclo de trabalho do que Bluetooth. Zigbee define taxas de canal de 20, 40, 100 e 250 Kbits/s, dependendo da frequência do canal. Os nós em uma rede Zigbee podem ser de dois tipos: Os chamados dispositivos de função reduzida operam como escravos controlados por um único dispositivo de função completa, assim como dispositivos Bluetooth escravos.

36 Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee 36 Zigbee pode funcionar como escravos e mestre ou escravos e mestres (mesh em malha) Compartilha mecanismos já apresentados: quadros de sinalização e confirmações da camada de enlace; protocolos de acesso aleatório de detecção de portadora com recuo exponencial binário e alocação fixa garantida de intervalos de tempo.

37 Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee 37 Zigbee define um período de sinalização, depois um período de disputa pelo acesso ao canal, o vitorioso transmite num período garantido e depois todos dormem para economizar energia Essa característica coloca a tecnologia Zigbee muito forte na área de sensores

39 39 Acesso celular à Internet Quando as pessoas falam sobre tecnologia celular, em geral a classificam como pertencendo a uma das diversas gerações. Os sistemas de primeira geração (1G) eram sistemas FDMA analógicos, desenvolvidos especialmente para a comunicação apenas por voz. Os sistemas originais 2G também foram projetados para voz. Os sistemas 3G também suportam voz e dados, mas com uma ênfase cada vez maior nas capacidades de dados e enlaces de acesso via rádio com maior velocidade.

40 Acesso celular à Internet Componentes da arquitetura de rede celular 2G GSM (TDMA/FDMA) Até 5 BSC por MSC assinantes por MSC 40

41 Redes de dados celulares 3G: estendendo a Internet para assinantes de celular 41 O núcleo da rede de dados celular 3G conecta as redes de acesso por rádio à Internet pública. Existem dois tipos de nós no núcleo da rede 3G: 1. Servidor de Nó de Suporte GPRS (SGSN). 2. Roteador de borda de suporte GPRS (GGSN).. A rede de acesso por rádio 3G é a rede do primeiro salto sem fio que vemos como usuários do 3G.. O controlador da rede de rádio (RNC) em geral controla várias estações-base transceptoras da célula.

42 Redes de dados celulares 3G: estendendo a Internet para assinantes de celular Arquitetura do sistema 3G Pilha de protocolos da Internet Smartphones... (até 14Mbits/s) Direct Sequence Wideband CDMA (CDMA banda larga de sequência direta) DS-WCDMA + FDM + TDM 42

43 No caminho para o 4G: LTE 43 O padrão 4G Long-Term Evolution (LTE) apresentado pelo 3GPP tem duas inovações importantes em relação aos sistemas 3G: Núcleo de pacote desenvolvido (EPC): usa apenas a pilha de protocolos da Internet. Rede de acesso por rádio LTE: múltiplas antenas, múltiplas bandas, alocação dinâmica de canais (vários por usuário). A alocação em particular de intervalos de tempo a nós móveis não é exigida pelo padrão LTE. Não usa mais a infraestrutura de telefonia, nem para as ligações 100Mbits/s download e 50Mbits/s upload!

45 Gerenciamento da mobilidade: princípios 45 Vários graus de mobilidade do ponto de vista da camada de rede

46 Gerenciamento da mobilidade: princípios Elementos iniciais de uma arquitetura de rede móvel 46

47 47 Endereçamento Um dos papéis do agente externo é criar o denominado endereço aos cuidados (COA) ou endereço administrado para o nó móvel. Há dois endereços associados a um nó móvel: 1. seu endereço permanente (semelhante ao endereço da família do nosso jovem móvel exemplo do livro texto) e 2. seu endereço COA, às vezes denominado endereço externo.

48 Roteamento para um nó móvel 48 Roteamento indireto para um nó móvel Na abordagem de roteamento indireto o correspondente apenas endereça o datagrama ao endereço permanente do nó móvel. Envia o datagrama para a rede e nem precisa saber se o nó móvel reside em sua rede nativa ou está visitando uma rede externa. Esses datagramas são primeiro roteados, como sempre, para a rede local do nó móvel.

49 Roteamento para um nó móvel Roteamento indireto para um nó móvel 49

50 Roteamento para um nó móvel Roteamento indireto para um nó móvel 50

51 Roteamento para um nó móvel 51 Roteamento direto para um nó móvel A abordagem do roteamento indireto sofre de uma ineficiência conhecida como problema do roteamento triangular. Datagramas endereçados ao nó móvel devem ser roteados primeiro para o agente nativo e em seguida para a rede externa, mesmo quando existir uma rota muito mais eficiente entre o correspondente e o nó móvel. O roteamento direto supera a ineficiência do roteamento triangular.

52 Roteamento para um nó móvel Roteamento direto para um nó móvel 52

53 Roteamento para um nó móvel 53 Transferência do nó móvel entre redes com roteamento direto (manutenção da conexão)

55 55 IP móvel O IP móvel é um protocolo complexo, cuja descrição detalhada exigiria um livro inteiro (RFC 3344) Contém muitas das características já examinadas: Agentes nativos, agentes externos, registro junto ao agente externo, care-of-addresses, encapsulamento (pacote-dentro-depacote) O padrão IP móvel consiste em três partes principais: Descoberta de agente. Registro no agente nativo. Roteamento indireto de datagramas.

56 IP móvel: roteamento indireto 56

57 57 IP móvel: descoberta de agente Anúncio de agente: agentes externos/nativos anunciam serviços difundindo mensagem ICMP (campo type = 9) bits H,F: agente nativo e/ou externo bit R: registro requerido

58 IP móvel: descoberta de agente 58

60 Gerenciamento de mobilidade em redes celulares 60 Em terminologia GSM, a rede nativa do nó móvel é denominada rede pública terrestre móvel nativa (PLMN nativa). Como no caso do IP móvel, as responsabilidades das redes nativas e visitadas são bastante diferentes: A rede nativa mantém um banco de dados conhecido como registro nativo de localização (HLR). A rede visitada mantém um banco de dados conhecido como registro de localização de visitantes (VLR).

61 Roteando chamadas para um usuário móvel 61 Estabelecendo uma chamada para um usuário móvel: roteamento indireto:

62 Transferências (handoffs) em GSM 62 Uma transferência (handoff) ocorre quando uma estação móvel muda sua associação de uma estação-base para outra durante uma chamada. objetivo do handoff: rotear a chamada por uma nova estação base (sem interrupções) razões para o handoff: sinal mais forte para/de nova BSS (para manter a conectividade, menor consumo de bateria) balanceamento de carga: liberar canal na BSS atual GSM não define porque realizar o handoff (política),somente como (mecanismo) o handoff é iniciado pela estação base antiga

63 Transferências (handoffs) em GSM Etapas da execução de uma transferência entre estações-base que têm uma MSC em comum: 63 1.a BSS antiga informa ao MSC do handoff eminente, envia uma lista de 1 ou mais BSSs novas 2.MSC visitado estabelece o path (aloca recursos) até a nova BSS 3.a nova BSS aloca canal de rádio para ser usado pelo nó móvel 4.a nova BSS sinaliza o MSC, e a BSS antiga indicado que o novo path está estabelecido 5.a BSS antiga para o nó móvel: faça handoff para a nova BSS 6.o nó móvel e a nova BSS trocam mensagens para ativar o novo canal 7.o móvel sinaliza o MSC, através da nova BSS: handoff completado. O MSC desvia a chamada 8.recursos MSC-BSS antiga são liberados

64 Transferências (handoffs) em GSM MSC âncora: 1º. MSC visitado durante a chamada 64 chamada continua sendo roteada através do MSC âncora novos MSCs são encadeados no da cadeia de MSCs contruída a medida que o nó móvel se desloca p/ novo MSC IS-41 permite um passo opcional de minimização de rota para reduzir a cadeia multi-msc

65 Transferências (handoffs) em GSM MSC âncora: 1º. MSC visitado durante a chamada 65 chamada continua sendo roteada através do MSC âncora novos MSCs são encadeados no da cadeia de MSCs contruída a medida que o nó móvel se desloca p/ novo MSC IS-41 permite um passo opcional de minimização de rota para reduzir a cadeia multi-msc

66 Comparando... 66

68 Sem fio e mobilidade: impacto sobre protocolos de camadas superiores 68 O TCP retransmite um segmento que é perdido ou corrompido no caminho entre remetente e destinatário. No caso de usuários móveis, a perda pode resultar de congestionamento de rede ou de transferência. Reduzindo de modo incondicional sua janela de congestionamento, o TCP admite implicitamente que a perda de segmento resulta de congestionamento e não de corrupção ou transferência.

69 Sem fio e mobilidade: impacto sobre protocolos de camadas superiores 69 Entre o início e meados da década de 1990, pesquisadores perceberam que, dadas as altas taxas de erros de bits em enlaces sem fio e a possibilidade de perdas pela transferência de usuários, a resposta do controle de congestionamento do TCP poderia ser problemática em um ambiente sem fio. Há duas classes gerais de abordagens possíveis para tratar esse problema: Recuperação local. Os protocolos de recuperação local recuperam erros de bits quando e onde eles ocorrem.

70 Sem fio e mobilidade: impacto sobre protocolos de camadas superiores 70 Remetente TCP ciente de enlaces sem fio. Em técnicas de recuperação locais, o remetente TCP fica completamente desavisado de que seus segmentos estão atravessando um enlace sem fio. Técnicas de conexão dividida. Nesta técnica de conexão dividida, a conexão fim a fim entre o usuário móvel e o outro ponto terminal é dividida em duas conexões da camada de transporte: uma do hospedeiro móvel ao ponto de acesso sem fio, e uma do ponto de acesso sem fio ao outro ponto terminal de comunicação.

71 71 Capítulo 6 - FIM