SUMÁRIO. UNIVERSIDADE DO CONTESTADO UnC CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO LABORATÓRIO DE REDES

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1 UNIVERSIDADE DO CONTESTADO UnC CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO LABORATÓRIO DE REDES CARLOS RAFAEL GUERBER SUMÁRIO 1 AMBIENTE SEM FIO CATEGORIAS, ALCANCE E APLICAÇÕES Padrões IEEE CARACTERÍSTICAS ARQUITETURA BÁSICA...10 REFERÊNCIAS...14 REDES WIRELLES CURITIBA 2007

2 3 4 1 AMBIENTE SEM FIO As tecnologias de redes wireless se direcionam para um objetivo em comum com a utilização das Wirelless Local Área Networks (WLANs), a implantação de inúmeras redes de comunicação para proporcionar acesso em todos os lugares, onde todos os indivíduos estarão cobertos por uma rede, seja esta individual, doméstica ou coletiva, possibilitando o acesso a recursos da rede em tempo integral independente da situação geográfica (Pinheiro c, 2004). As redes wireless apresentam possibilidades de soluções para projetos de redes onde a utilização de cabos não é possível ou inviável sua utilização. Embora dúvidas e discussões sobre a confiabilidade, gerência, qualidade de serviço, segurança e a eficiência das redes sem fio sejam levadas à prova, tais redes oferecem simplicidade na instalação e configuração quando comparadas às redes estruturadas. As tecnologias de redes wireless permitem conectividade e atendem aos padrões e normas dos órgãos internacionais. É possível dizer que com a utilização de equipamentos padronizados as redes sem fio podem ser interconectadas as redes cabeadas utilizando dispositivos wireless que interagem com os computadores e equipamentos da rede estruturada, sem qualquer restrição (Pinheiro b, 2003). Sendo assim podem ser utilizadas em Wireless Wide Area Networks (WWANs) ou Wireless Local Area Networks (WLANs), seja para a conexão de pontos distantes, seja simplesmente para diminuir ou eliminar os cabos existe na rede local. transmissão de dados, na faixa de 144 Kbps à 2Mbps, grau elevado de mobilidade. Os critérios de mobilidade são discutidos na seção 2.1; Wireless Metropolitan Área Network (WMAN) (EKLUND, 2002) alcance equivalente à área de uma cidade. Com objetivo de prover banda larga a seus usuários, utilizando antenas de rádio, servindo de alternativa ao acesso através de fibra ótica ou Digital Subscriber Line (DSL). As redes em malha sem fio, podem receber esta qualificação; (ALBUQUERQUE et al, 2006). Wireless Local Area Network (WLAN), oferece taxas de transmissão elevadas, até 54 Mbps, como rede de acesso a outras já existentes. Possui limitação na mobilidade, podendo ser considerada sem ou com mobilidade intermediária. Interliga redes sem fio em ambientes locais, tais como instalações comerciais, empresas, centros de ensino, entre outros. Wireless Personal Area Network (WPAN), seu objetivo é interligar dispositivos portáteis em áreas de até dez metros. Portanto as redes sem fio recebem sua classificação de acordo com a área de abrangência. A fim de ilustrar este conceito a Figura 1 é apresentada. 1.1 CATEGORIAS, ALCANCE E APLICAÇÕES A utilização destas tecnologias faz referencia com a organização das redes sem fio, categorias as quais têm a seguinte classificação para atender aplicaç (INTEL, 2004): Wireless Wide Area Network (WWAN), tecnologia com alcance maior, que pode interligar um país, por exemplo. Operam em baixas taxas de Figura 1 - Classificação das Tecnologias Sem Fio Cada classificação possui componentes os quais assumem grande importância no estabelecimento da comunicação, sua relação com as unidades de hardware, organização e configuração traz associações com o alcance dos rádios, suas áreas de cobertura e expansão de acesso à comunicação.

3 Padrões IEEE O Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) definiu uma norma para redes locais sem-fio, o padrão IEEE , o qual está detalhado em (IEEE Std , 1999). Há várias especificações para a tecnologia sem fio, entre eles a, b, g, n e s. Estes padrões apresentam as mesmas características em relação a: utilização como protocolo de acesso ao meio o Carrier Sense Multiple Access/With Collision Avoidance (CSMA/CA) e permitem a configuração da rede em modo ad hoc ou infra-estruturada. (IEEE Std , 1999). O a alcança a taxa de 54 Mbps dentro dos padrões da IEEE. Esta rede opera na freqüência de 5 GHz e inicialmente suporta 64 utilizadores por Ponto de Acesso (AP). As suas principais vantagens são a velocidade, a gratuidade da freqüência que é usada (IEEE Std a, 1999). O b atinge a taxa de 11 Mbps padronizada pelo IEEE. Opera na freqüência de 2.4 GHz. Inicialmente suporta 32 utilizadores por ponto de acesso. Um ponto negativo neste padrão é a alta interferência tanto na transmissão como na recepção de sinais, porque funcionam a 2,4 GHz equivalentes aos telefones móveis, fornos microondas e dispositivos Bluetooth. O aspecto positivo é o baixo preço dos seus dispositivos, a largura de banda gratuita bem como a disponibilidade gratuita em todo mundo (IEEE Std b, 2001). O g baseia-se na compatibilidade com os dispositivos b e oferece uma taxa de 54 Mbps. Funciona dentro da frequência de 2,4 GHz. Tem os mesmos inconvenientes do padrão b. As vantagens também são as velocidades. (IEEE Std g, 2003). O n em fase de homologação tem sua largura de banda de 104 Mbps e opera nas faixas de 2,4GHz e 5Ghz. Oferece através de configurações, Multiple In Multiple Out (MIMO), taxas mais altas de transmissão, até maior eficiência na propagação do sinal e compatibilidade com demais protocolos (WILSON, 2004). A Figura 2 apresenta as características e diferenças destes padrões (KUROSE et al, 2006) adaptado. Padrão Faixa de Freqüência Taxa de Dados Alcance a GHz Até 54 Mbps De 60 a 100 m b GHz Até 11 Mbps De 100 a 300 m g GHz Até 54 Mbps De 100 a 300 m n , GHz Até 104 Mbps De 100 a 500 m Figura 2 Tabela das características dos padrões A especificação s visa padronizar as características de self-healing e self-configuring, nas redes mesh sem fio. Define camadas físicas e de acesso ao meio para redes em malha de maneira a aumentar o alcance, sem pontos de falha através da técnica de múltiplos saltos (IEEE Std s, 2006 e HAUSER et al, 2004). Entre as tecnologias sem fio existe o padrão IEEE (WiMax) (INTEL, 2004). A Figura 3, adaptada (INTEL, 2004 e JAMHOUR, 2006), ilustra como as tecnologias WiFi e WiMax se enquadram no contexto das tecnologias sem fio atualmente propostas e utilizadas em relação à velocidade e a área de cobertura. Figura 3 Comparativo das áreas de cobertura de tecnologias sem fio A tecnologia WiMax foi projetada para operar como solução para construção de redes metropolitanas sem fio (WMAN). Pode operar tanto em modo ponto a ponto quanto ponto-multiponto. A tecnologia WiFi, por outro lado, foi concebida para operar

4 7 8 como uma solução para redes locais sem fio (WLAN), devido a sua área de cobertura reduzida. A tecnologia WiFi, contudo, pode operar em distâncias similares ao WiMax em modo ponto a ponto. Nesse sentido, alguns fabricantes propõe a formação de redes metropolitanas utilizando uma arquitetura mais convencional, combinando equipamentos do tipo bridges wireless e roteadores [CISCO, 2004]. A tecnologia WiFi pode, também, ter seu alcance ampliado através da utilização de uma estratégia denominada topologia mesh. Este termo refere-se à organização de redes em uma malha que oferece múltiplos caminhos entre dois pontos quaisquer. No caso específico das redes sem fio e da tecnologia WiFi, o termo mesh refere-se a um tipo de estrutura no qual cada nó da rede é potencialmente um roteador. Aplicada as redes sem fio essa topologia traz a vantagem de necessitar apenas de enlaces de curta distância entre os nós e de oferecer muitos caminhos redundantes entre dois pontos quaisquer da rede (ROOFNET, 2006 e BICKET et al, 2005). 1.2 CARACTERÍSTICAS As redes sem fio possuem características fundamentais que as fazem diferenciadas das redes cabeadas (IEEE Std , 1999). No IEEE a unidade endereçada é chamada Station (STA) e cada STA em geral pode não possuir uma localização fixa ao contrário das redes cabeadas. Isto leva a compreender que o endereço de destino pode não ser igual à localização física, posição da estação. Um de seus requerimentos do IEEE é trabalhar a mobilidade, ou seja, estações portáteis. Uma estação portátil é definida por ser levada a diferentes locais, mas é utilizada enquanto está estacionária. Cada STA deve implementar obrigatoriamente serviços. Estes serviços de estação como são chamados apresentam características para prover níveis de segurança aos componentes da rede como a autenticação de usuários. No processo de autenticação ocorre o acesso da estação à rede. Este processo pode ser conduzido com a utilização de alguma técnica de criptografia de dados existente nos equipamentos. As STAs também necessitam ser desautenticadas, retiradas do link que fornece acesso aos recursos da rede. Em sua arquitetura o IEEE possui vários componentes que interagem para prover uma rede sem-fio: O Basic Service Set (BSS), corresponde à área de cobertura necessária para que os membros da WLAN possam permanecer se comunicando. Estações que se afastam do alcance de um BSS não estabelecem comunicação com outros membros do mesmo BSS. Para que ocorra comunicação deve existir uma associação. A associação ocorre entre STA e BSS é dinâmica. Para que esta associação aconteça, uma STA deve tornar-se um membro associado de um BSS, esta associação envolve o uso de um sistema de distribuição de serviço, Distribution System Service (DSS). Limitações da camada física determinam à distância direta de estação para estação que pode ser suportada. Para algumas redes esta distância será suficiente, para outras uma área de cobertura maior é requerida. Ao invés de existirem independentemente, um BSS também pode ser componente de uma extensão da rede que está construída com a presença de múltiplos BSSs. O componente utilizado para esta arquitetura que interconecta os BSSs é chamado Distribution System (DS) (IEEE Std , 1999). Todo DS é uma forma de interligar os serviços além do alcance de uma BSS, formando assim uma grande rede. Sendo assim o sistema de distribuição pode ser formado por redes cabeadas convencionais ou outras redes sem fio. O sistema de distribuição tem a responsabilidade de localizar as mensagens e enviá-las para STA de destino. Para que isto ocorra todos os APs ativos e ligados ao sistema de distribuição fornecem serviços como: associação e desassociação, a qual informa que determinada estação não possui vínculo com o ponto de acesso interrompendo qualquer comunicação. Para que a área de cobertura possa ser aumentada, vários pontos de acesso podem ser interligados através do DS. O conjunto dos pontos de acesso e dos sistemas de distribuição é definido como um conjunto estendido de serviços, Extended Service Set (ESS). Como mostra a Figura 4 não há somente ligações sem fio em um DS, mas também podem existir conexões com outras tecnologias.

5 9 10 Um ou mais ESSs na mesma área de cobertura têm a possibilidade de operar sem interferências de fornecimento de serviços e recursos. A idéia da utilização de ESSs para redes mesh é bastante aceitável de forma que cada estação mesh possui seu próprio BSS e por se tratar de um tipo independente de rede utiliza a definição de ESS, mas com modo de comunicação ad hoc. Esta situação é apresentada no Capítulo ARQUITETURA BÁSICA Figura 4 Extended Service Set (ESS) O ESS além de prover uma grande capacidade de expansão à rede, aumenta sua complexidade, pois não há restrições quanto à especificação de como devem estar organizados tais BSSs, desta forma as configurações para um ESS são variadas, como (IEEE Std , 1999): Para o Institute of Electrical and Eletronics Engineers (IEEE), existem dois tipos de redes sem fio no padrão : ad hoc e infra-estruturada (KUROSE & ROSS, 2006). Uma rede ad hoc, segundo Mobile Ad hoc NETtwork (MANET) (IETF MANET, 2006), pode ser classificada como independente, é composta somente por estações (STAs) em enlaces ponto a ponto. Já em uma rede infra-estruturada, é utilizado um ponto de acesso, Access Point (AP), operando como um concentrador, responsável por quase toda a funcionalidade de rede (IEEE , 1999 e KUROSE E ROSS, 2006). Para enfatizar o conceito de uma rede infra-estruturada é importante observar que a comunicação com a estação móvel sempre ocorre através de uma estação fixa que fornece suporte as estações operando como estação base possibilitando acesso a todos os servidores ligados a rede. Toda comunicação deve passar pelo ponto de acesso independente da possibilidade de estabelecimento de enlace direto entre nós móveis, a Figura 5 ilustra este conceito. (KUROSE & ROSS, 2006) Um BSS pode ter regiões de sua área se cobertura sobrepostas a regiões de outros BSSs. Esta situação pode ser aplicada para que uma estação que mude de BSS continue obtendo os serviços da rede. BSSs podem estar distantes, sendo suas distancias limitadas pelo alcance do DS. BSSs por questões de redundância estariam na mesma área de cobertura. Figura 5 Rede sem fio infra-estruturada

6 11 12 As redes ad hoc são indicadas principalmente em situações onde não é possível ou não faz sentido instalar uma rede fixa. Nestas redes as STAs se comunicam de forma direta sem a interposição de um AP. Todo serviço é requisitado de estações vizinhas em enlaces ponto a ponto quando o destino não estiver disponível diretamente. Uma rede ad hoc é um sistema autônomo que se constitui de nós móveis como apresentado na Figura 6, adaptada de (KUROSE & ROSS, 2006). As redes ad hoc são classificadas como redes de comunicação direta e redes de múltiplos saltos. Nas redes de comunicação direta, cada dispositivo é capaz de comunicar-se somente com dispositivos que estejam ao seu alcance. Em redes ad hoc de múltiplos saltos dois dispositivos que são mutuamente inalcançáveis podem se comunicar caso haja ao menos uma cadeia de dispositivos que seja alcançável a ambos. (SESAY et al, 2004). Nas redes ad hoc sem fio os nós podem mover-se de forma aleatória e podem estar dispostos em uma organização arbitrária qualquer. A topologia destas redes pode mudar diversas vezes de diferentes formas e sem previsibilidade, possuindo em apelo fortemente dinâmico. A atenuação na força do sinal: quando o sinal de rádio atravessa uma parede; A atenuação de percurso: quando o sinal se dispersa ao ar livre e perde a força à medida que a distância entre emissor e receptor aumenta; Interferência de outras fontes: várias fontes de rádio transmitindo ao mesmo tempo, ou ruído eletromagnético do ambiente; Propagação multivias: embaralhamento do sinal recebido pelo destinatário devido a porções da onda que se reflete em objetos no percurso entre emissor e receptor. Taxas de transmissão mais baixas e taxas de erros mais altas. Outra características que estes tipos de rede podem apresentar é a mobilidade. No sentido mais amplo um nó móvel é aquele que muda seu ponto de conexão com a rede ao longo do tempo. Do ponto de vista da camada de rede os usuários podem ter graus de mobilidade tais como (KUROSE & ROSS, 2006): Nenhuma mobilidade: usuário se movimenta apenas dentro da mesma rede sem fio, área de cobertura; Mobilidade intermediária: usuário se movimenta entre redes de acesso, encerrando conexões enquanto em movimento; Alta mobilidade: usuário se movimenta entre redes de acesso mantendo conexões em curso. Figura 6 Rede sem fio ad hoc É importante ressaltar que a utilização do meio sem fio seja em modo ad hoc ou infra-estrutura, chama atenção para problemas de enlace que não ocorrem nas redes onde o meio físico é cabeado, como (KUROSE & ROSS, 2006): Devido a mobilidade as redes sem fio devem possuir mecanismos para garantir que conexões ativas sejam transferidas e que os mesmos serviços permaneçam disponíveis no caso de uma estação mudar sua área de cobertura. Outra questão importante ocorre se o dispositivo afastar-se do AP, o nível do sinal sofre uma atenuação, portanto, há a necessidade de outro ponto de acesso mais próximo STA fazer a associação. A esta transferência dá-se o nome de handoff. Esse mecanismo faz uso de algoritmos complexos para a escolha do melhor momento de sua aplicação, somando carga à rede (Pahlavan et al, 2000 apud Freitag, 2004). Como descrito por Chakrabarti & Mishra (2001), esta situação exige para o cumprimento dos contratos e níveis de serviço à existência de todos os serviços e

7 13 14 recursos em todas as áreas de coberturas possíveis de movimentação de um nó. Na prática para suprir estas necessidades ocorre à utilização de algoritmos sub-ótimos para definir as possíveis localizações dos usuários considerando as limitações impostas pela tecnologia. REFERÊNCIAS CISCO Systems Inc. Cisco Metropolitan Mobile Network Solutions (At a glance). Cisco Systems, Disponível em: nce).pdf. Acesso em 11/12/2006. EKLUND, C. et al. IEEE Standard : A Technical Overview of the Wireless MAN Air Interface for Broadband Wireless Access. IEEE Communications Magazine, vol. 40, pg , [IEEE Std , 1999] IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. IEEE Standard , [IEEE Std a, 1999] IEEE a. Institute of Electrical and Electronics Engineers. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band. IEEE Standard a, [IEEE Std b, 2000] IEEE b. Institute of Electrical and Electronics Engineers. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Higher-speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz band. IEEE Standard b, [IEEE Std g, 2003] IEEE g. Institute of Electrical and Electronics Engineers. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.Amendment 4: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band. IEEE Standard g, IETF Manet. Mobile Ad-hoc Networks (manet). Março de Disponível em: Acesso em 15/09/2006. INTEL Co. Understanding Wi-Fi and Wi-Max as Metro-Access Solutions. Intel White Papers, Disponível em: df. Acesso em: 11/12/2006. JAMHOUR, E. Tecnologias sem fio para redes metropolitanas. Programa de Pós Graduação em Informática Aplicada (PPGIA) - PUCPR. Agosto, Disponível em: olitanas.doc. Acesso em 20/09/2006. [Kurose & Ross, 2006] Kurose, James F. Ross, Keith W. Redes de Computadores e a Internet: uma abordagem top down. 3 ed. São Paulo. Pearson-Addison Wesley, 2006.

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