Instituto Politécnico de Leiria Escola Superior de Tecnologia e Gestão Engenharia de Redes de Comunicações

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1 Instituto Politécnico de Leiria Escola Superior de Tecnologia e Gestão Engenharia de Redes de Comunicações Planeamento de uma rede de comunicações de uma Freguesia MaceiraNet Caso concreto da Freguesia de Maceira, Leiria, Portugal Leiria Maio de 2008

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3 Projecto: Planeamento de uma rede de comunicações de uma Freguesia MaceiraNET Caso Concreto da Freguesia de Maceira, Leiria, Portugal Âmbito: Relatório da primeira fase da disciplina de Engenharia de Redes de Comunicações da Licenciatura do curso de Engenharia de Redes de Comunicações, Ano lectivo 2007/2008 Autores: Emanuel Santos Bem - Sílvio José Lucas Ferreira - Docente da Disciplina: Doutor António Manuel de Jesus Pereira Leiria Maio de

4 Resumo Com este projecto pretende-se estudar, analisar e apresentar uma solução geral para uma rede de informação onde seja garantido o fornecimento da Internet a uma freguesia. No caso concreto deste projecto, a Freguesia em estudo é a Freguesia de Maceira. As principais características desta freguesia são o facto de apresentar uma grande área territorial e uma população numerosa. A freguesia apresenta um grande número de empresas, tratando-se no entanto de uma freguesia industrial. O propósito deste projecto será o de interligar todas as localidades, centralizando o tráfego numa delas, neste caso concreto na localidade de Maceira (edifício da Junta), que é onde será feito o acesso à Internet. Todas as localidades que compõem a freguesia serão interligadas por intermédio de uma infra-estrutura wireless, para deste modo possibilitar o acesso deste serviço a todos os seus habitantes, de forma gratuita mediante um registo. 4

5 Acrónimos ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AP Access Point DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DNS Domain Name System FTP File Transfer Protocol HTTP Hyper Text Transfer Protocol ISP Internet Service Provider LAN Local Area Network MAC Medium Access Control NAT Network Address Translation PAT Port Address Translation PoE Power over Ethernet SLAN Secure LAN SSID Service Set ID VLAN Virtual LAN VoIP Voice over IP VPN Virtual Private Network WAN Wireless Area Network WEP Wired Equivalent Privacy 5

6 Índice 1. Introdução Objectivos Definição de requisitos e análise de rede Caracterização da freguesia Potenciais utilizadores, aplicações e serviços Potenciais utilizadores Potenciais aplicações Necessidades de comunicação Potenciais Serviços Requisitos de segurança (Levantamento de protocolos) Definição da solução técnica Critérios na escolha de solução de acesso à Internet Critérios na escolha de solução da infra-estrutura Wireless Critérios a adoptar para o ponto central da rede Critérios a adoptar para a rede interna da freguesia Critérios a adoptar para as soluções dos utilizadores Critérios de serviços Possíveis Tecnologias de Acesso WiMAX Funcionamento ADSL/VPN Funcionamento Wi-Fi Funcionamento Frame-Relay Funcionamento Circuitos Alugados Funcionamento Ligações de Microondas Funcionamento Definição da solução de internet Limitações do ADSL Definição da solução técnica do ponto central da rede

7 7. Interligação das localidades Access Points (APs) e modos de operação No caso prático de Maceira O backbone da infra-estrutura Equipamentos Caixa Estanque Protectores contra relâmpagos Conectores RF Cabos Power over Ethernet (PoE) Energia solar e eólica Mastros Segurança física Antenas Potências e ganhos na comunicação Cálculos teóricos Interligação e cobertura da infra-estrutura da Freguesia Orçamento Diagrama de Cobertura Cenários das ligações Hotspots Definições dos serviços Máquinas Licenças Explicação em detalhe dos principais serviços a implementar Bandwidth Control Unit (BCU) Funcionamento Solução VPN Funcionamento Gestão e manutenção Solução de segurança Projecto da componente passiva da rede interna Introdução Enquadramento

8 9.7 Esquema de rede Arquitectura Lógica Solução técnica Tecnologias Usadas Normas e Padrões Componentes da infra-estrutura lógica Especificação de condições de montagem, testes e certificações Especificação de condições de montagem Especificações das condições de teste e certificação Conclusões...62 Referências

9 1. Introdução Portugal apesar de ser um país relativamente pequeno, tem sido pioneiro em iniciativas relacionadas com a adopção das novas tecnologias da comunicação. Sendo que a inovação é um factor crítico para o crescimento económico e para o desenvolvimento social e humano, o aumento da competitividade regional e da produtividade empresarial está dependente da construção de competências e difusão de conhecimento entre os vários sectores locais, público ou privados, colectivos ou individuais, institucionais ou informais. Nesse sentido a Freguesia de Maceira, com o intuito de desenvolvimento e inovação, pretende a criação de uma rede de informação na freguesia, que seja de todos para todos. Desta forma pretende-se impulsionar a disseminação das novas tecnologias, o acesso à informação e o fornecimento de serviços relacionados com o Ensino, a Saúde, o Ambiente, o Turismo e outras actividades económicas, em que toda a arquitectura de informação se encontra centralizada no ponto central (Edifício da Junta de Freguesia de Maceira). Com este projecto pretende-se a criação da infra-estrutura, especificando em maior detalhe toda a tecnologia necessária para tornar a Freguesia de Maceira uma verdadeira freguesia digital, com todo os seus acessos à informação inerentes. 9

10 1.1. Objectivos Este projecto tem como objectivo principal, o fornecimento de serviço de redes de informação com acesso à internet aos habitantes da freguesia de Maceira, serviço esse cada vez mais necessário à nossa sociedade. Desta forma potencia-se a evolução tecnológica, através do acesso a tecnologia e recursos, da fomentação de criação de serviços on-line, a produção e partilha de conteúdos, a criação de comunidades, entre muitas outras potencialidades. Este projecto é composto por três etapas principais: 1. Criação de infra-estruturas necessárias para o fornecimento de acesso ao serviço a todos os locais da freguesia; 2. Implementação de um conjunto de serviços e aplicações sobre a infraestrutura, de forma a unir toda a comunidade da freguesia e esta ao exterior (Internet); 3. Criar a infra-estrutura e uma rede na Junta de Freguesia. O serviço será disponibilizado gratuitamente a toda a população, cabendo ao utilizador os custos inerentes à aquisição de equipamento de acesso ao mesmo. Será também da responsabilidade do utilizador final qualquer dano provado por má utilização. 10

11 2. Definição de requisitos e análise de rede Este capítulo corresponde à primeira fase do projecto, e encontra-se dividido em três subfases: Caracterização da freguesia; Potencias serviços, aplicações e utilizadores; Requisitos de segurança; 2.1. Caracterização da freguesia A freguesia de Maceira situa-se a Sudoeste do concelho de Leiria e ocupa uma área de cerca de 47 km 2, apresentando uma densidade populacional de 211,88 hab/km 2, num total de 9981 habitantes. Figura 1 Mapa da Freguesia de Maceira A freguesia de Maceira apresenta a estrutura etária conforme o gráfico a seguir apresentado: 11

12 Gráfico 1 Estrutura etária da Freguesia da Maceira (dados recolhidos nos censos 1991 e 2001) A actividade profissional desenvolvida nesta freguesia é essencialmente na área fabril. Existe um grande número de empresas de pequena/média dimensão (PME s) e ainda uma empresa de grande dimensão, que empregam um grande número de pessoas da freguesia. Das vinte e nove localidades da freguesia, consideram-se como principais, as localidades: A-do-Barbas, A-dos-Pretos, Maceira, Maceira-Lis, Maceirinha, Pocariça, e Vale Salgueiro Potenciais utilizadores, aplicações e serviços Segue-se a apresentação de uma previsão inicial de potenciais utilizadores da rede, potenciais aplicações e serviços a disponibilizar Potenciais utilizadores Após um levantamento dos potenciais utilizadores da rede informática da freguesia, chegou-se à seguinte lista: 13 Escolas de nível pré-escolar e 1ºciclo; 1 Escola de 2º,3º ciclo e secundário; 339 PME s (Pequenas e Medias Empresas) 12

13 1 Empresa Grande Dimensão 3896 Alojamentos domésticos 32 Entidades Associativas e Culturais (Colectividades e Associações) 1 Junta de Freguesia 1 Quartel de Bombeiros Voluntários 2 Gimnodesportivos 2 Piscinas 1 Académica Social e Cultural de apoio à 3ºidade 2 Lares de Acção social 2 Centros de Saúde 50 Hotspots: o Cafés o Zonas Comerciais Não se pode descartar o facto da possível existência de potenciais visitantes, que poderão usufruir do serviço, nomeadamente através dos Hotspots. A política de acesso nestes locais fica da responsabilidade da entidade gestora do serviço Potenciais aplicações Considera-se também todas as possíveis aplicações que a infra-estrutura poderá suportar para uma melhor definição de uma solução técnica. Lazer/entretenimento (jogos em rede, visualização de vídeos difundidos - VoD, VoIP); Profissionais (trabalho a partir de casa); Cultural (pesquisas, musicas, vídeos); Ensino (pesquisas, downloads, ensino à distancia: e-learning); VoIP Voz sobre IP; VoD Vídeo on Demand (aluguer de filmes); Conferências com vídeo-difusão por multicast; Serviço de Mobilidade IP e/ou Micro mobilidade (possibilidade de roaming); Possibilidade de acesso através da nova versão do protocolo IP, o IPv6; Necessidades de comunicação A tabela a seguir apresentada, dá-nos a indicação dos grupos de utilizadores, o nº de utilizadores dos mesmos, as aplicações que poderão utilizar, o tipo de tráfego usado, assim como o seu destino. 13

14 Id. Descrição Nº de Utilizadores Local Aplicação Arq. Tráfego Dest. Tráfego G_EMP Empresas 151 WWW geral TCP/IP BE Proxy WWW Junta G_DOM Utilizadores Domésticos 950 WWW geral TCP/IP BE G_HOT Hotspots 25 WWW geral TCP/IP BE G_ESC Escolas 7 G_ENT G_INT Entidades Públicas Instituições Sociais, Culturais e Desportivas 4 22 WWW geral TCP/IP BE Videoconferência TCP/IP VoIP Ficheiros Tabela 1 Grupos e os seus atributos e necessidades TCP/IP TCP/IP AD BE BE WWW geral TCP/IP BE Intranet VoIP Ficheiros TCP/IP Videoconferência TCP/IP BE BE AD Proxy WWW Junta Proxy WWW Junta Proxy WWW Junta Serv. Fich. Junta Serv. Junta Serv. Junta Proxy WWW Junta Serv. Intranet Junta Serv. Fich. Junta Base de dados BE Serv. BD Junta Várias TCP/IP BE Internet TCP/IP BE VoIP TCP/IP WWW geral TCP/IP BE Serv. Junta Proxy WWW Junta Potenciais Serviços Na solução apresentada teremos de ter em conta três entidades, nomeadamente os utilizadores finais, a entidade fornecedora do serviço RAN (Junta de Freguesia de Maceira), e o fornecedor do serviço da Internet (ISP). Este último terá um papel importante, pois irá fornecer o acesso à Internet e outros serviços fundamentais. 14

15 Como neste caso em estudo a solução apresentada terá de garantir o menor investimento possível por parte da Junta, achamos por bem que a melhor solução seria a contratação de um pacote de serviços onde a responsabilidade da gestão e manutenção pertencesse ao ISP, pois implicaria a não contratação de gestores de rede e serviços e a não aquisição de Hardware e Software dedicado, o que resultaria num investimento significativamente menor Serviços Fundamentais a implementar na solução Numa primeira fase, optou-se apenas pela implementação de serviços básicos e indispensáveis para o suporte do serviço de Internet: NAT DNS DHCP HTTP Proxy Servidores de Autenticação: o Radius o VPN Mecanismos de segurança: Firewalls Derivado da solução escolhida, poderão existir outros serviços, disponibilizados pelo ISP ou implementados pela Junta. Numa segunda fase, passa-se à implementação de outros serviços: Registo de Domínio.pt com subdomínios ilimitados Constante actualização e manutenção da página Web da freguesia Uso de certificados digitais Mirrors com software Freeware ou Open Source Hotspots Servidor de FTP (File Transfer Protocol) Serviço VoIP (Voice over IP) para redução de custos e facilidade de comunicação dentro da freguesia. 15

16 Outros Serviços Para benefício da população, poderão ser posteriormente criados muitos outros serviços e funcionalidades, entre eles os abaixo descritos: Criação de salas com computadores com acesso a Internet em várias localidades da freguesia; Criação de acções de formação com o intuito de ensinar como usufruir do serviço; Realização de tarefas on-line, via página Web da Freguesia Comunicação via correio electrónico ( ) Documentação entregue via Requisitos de segurança (Levantamento de protocolos) Neste ponto deparamos com um dos maiores desafios das redes sem fios. É quase impossível garantir a total segurança de uma rede sem fios. Porém existem ferramentas que poderão ser utilizadas para minimizar ataques e invasões e consequente melhoramento da segurança da rede, tais como: Bloqueio por MAC Address SSID Service Set ID WEP Wired Equivalent Privacy Firewall VPN Virtual Private Network VLAN Virtual LAN SLAN Secure LAN 802.1x WPA2 Associadas a estas ferramentas deverão existir políticas e regras básicas de segurança conforme as abaixo descritas: Levantamento dos riscos e vulnerabilidades; Identificação de recursos da rede e análise dos riscos de segurança; Análise das necessidades de segurança e tradeoffs; Desenvolvimento de um plano e políticas de segurança; Desenvolvimento de procedimentos para aplicar as políticas de segurança; Desenvolvimento de estratégias de implementação; Formação aos utilizadores, administradores e pessoal técnica; 16

17 Distribuição gratuita de um manual de boas práticas, políticas e regras básicas de segurança no uso da infra-estrutura wireless aos utilizadores; Implementação de estratégias técnicas e de segurança; Teste de segurança e actualização de mecanismos em caso de encontro de problemas; Criação de manual de segurança com auditorias periódicas; Definição de procedimentos para activação e uso das Redes sem Fio (Quem, quando e onde); Desactivação do broadcast do SSID, não utilizar os valores default dos fabricantes nem valores sugestivos, e evitar a sua divulgação ou publicação; Utilização de certificados Digitais para autenticação dos servidores; Proibição de Access Points não autorizados; Proibição de redes ad-hoc. 3. Definição da solução técnica Para uma melhor definição da solução técnica a utilizar foram designados alguns critérios a cumprir para limitar as escolhas. Segue-se a apresentação dos critérios usados nas escolhas da solução de acesso à Internet e dos equipamentos usadas para a criação da infra-estrutura wireless usada para interligar as localidades Critérios na escolha de solução de acesso à Internet Características obrigatórias: Mensalidade fixa; Tráfego ilimitado (nacional e internacional). Ter em conta: Deverá ser incluído um pacote de serviços disponibilizados pelo operador, e incluídos na mensalidade fixa (para eliminar necessidade de gestão da WRAN por parte da Junta). Este pacote deverá conter o maior número possível de serviços contemplando o custo/benefício destes; 3.2. Critérios na escolha de solução da infra-estrutura Wireless Características obrigatórias: Possibilidade de adicionar novos pontos de acesso; 17

18 Nível mínimo de largura de banda teórica garantida nos links de core igual ou superior à velocidade teórica do acesso à Internet; Mecanismo de autenticação (por questões de segurança); Acesso ao serviço apenas mediante registo na entidade responsável pelo mesmo (por questões de segurança e gestão); Baseada na norma g (débitos equivalentes à ª, com menor custo, e interoperabilidade com a b); Para garantir uma interoperabilidade entre hardware, software e outros serviços os equipamentos activos (o passivo (antenas) não se engloba) deverão ser todos do mesmo fabricante; Garantia sobre a infra-estrutura, equipamentos, serviços e configurações de pelo menos dois anos após a sua completa instalação. Ter em conta: Relação qualidade/preço na escolha dos equipamentos, embora o factor preço seja privilegiado; Possibilita suporte dos serviços pretendidos; Redundância; Disponibilidade; Escalabilidade Critérios a adoptar para o ponto central da rede Características obrigatórias: Localizado nas instalações da Junta de Freguesia; Uso de router e servidores para garantir interligação da rede Wireless à Internet; Protecção, através de firewalls, de todas as redes que interligam a Internet, a rede Wireless e a rede interna da Freguesia; SOs, firewalls, aplicações e serviços a instalar nos servidores do tipo Open Source ou Freeware Critérios a adoptar para a rede interna da freguesia Característica obrigatória: Protecção por firewall. 18

19 3.5. Critérios a adoptar para as soluções dos utilizadores Características obrigatórias: Responsabilidade pela segurança dos seus equipamentos; Não autorização de colocação de APs ligados à rede; Necessidade de registo na Junta de Freguesia para usufruir do acesso à rede Critérios de serviços Características obrigatórias: Serviços de autenticação; Mecanismos de segurança. 4. Possíveis Tecnologias de Acesso Apresentação das possíveis tecnologias de acesso e modo de funcionamento destas WiMAX A norma IEEE , completa em Outubro de 2001 e publicada em 8 de Abril de 2002, especifica uma interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN). Foi atribuído a esta norma, o nome de WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). O termo WiMAX foi cunhado por um grupo de indústrias conhecido como WiMax Fórum cujo objectivo é o de promover a compatibilidade e interoperabilidade entre equipamentos baseados no padrão IEEE Esta norma é similar à norma Wi-Fi (IEEE ), que já está bastante difundida, mas agrega conhecimentos e recursos mais recentes, visando uma melhor performance de comunicação. A figura seguinte mostra a evolução do WiMAX, e das diferentes normas que a regulam. Figura 2 Evolução do Wimax. A norma WiMAX tem como objectivo estabelecer a parte final da infra-estrutura de ligação de banda larga (last mile) oferecendo conectividade para uso doméstico, empresarial e em hotspots. 19

20 Figura 3 Cenário de aplicação da tecnologia WiMAX O seu enquadramento no mundo das tecnologias de acesso é bem explícito na Figura abaixo mostrada. Figura 4 Enquadramento da norma IEEE no mundo das tecnologias de acesso. O benefício crucial do padrão WiMAX é a oferta de ligação Internet de banda larga em regiões onde não existe infra-estrutura de cablagem telefónica ou de TV por cabo, que sem a menor dúvida são muito mais onerosos. Este benefício económico do padrão sem fio para redes MAN proporciona a difusão dos serviços de banda larga em países em desenvolvimento, influenciando directamente na melhoria das telecomunicações do país e, consequentemente, no seu desenvolvimento Funcionamento O WiMAX apresenta três modos de operação, todos os três PHY: single carrier, OFDM 256 ou OFDMA 2K. O modo de utilização mais comum é o OFDM 256. Com o esquema de modulação robusto, o WiMAX entrega elevadas taxas de throughput com longo alcance e uma grande eficiência espectral e que é também tolerante às reflexões de sinais. A velocidade de transmissão dos dados varia entre 1 Mbps e 75 Mbps, dependendo das condições de propagação, sendo que o raio típico de uma célula WiMAX é de 6 Km a 9 Km [15]. Uma modulação dinâmica adaptativa permite que uma estação rádio base negoceie o throughput e o alcance do sinal. Por exemplo, se a estação rádio base não pode estabelecer 20

21 um link robusto com um assinante localizado a uma grande distância, utilizando o esquema de modulação de maior ordem, 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), a modulação é reduzida para 16 QAM ou QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), o que reduz o throughput, porém aumenta o alcance do sinal [15]. Para acomodar com facilidade o planeamento da célula WiMAX, tanto nas faixas licenciadas quanto nas não licenciadas, o a/d suporta diversas larguras de banda. Por exemplo, se um operador tem disponível 20 MHz de espectro, ele pode dividi-lo em dois sectores de 10 MHz ou 4 sectores de 5 MHz cada. O operador pode aumentar a quantidade de utilizadores mantendo um bom alcance do sinal e um bom throughput. O MAC (Media Access Control) do fornece níveis de serviço Premium para clientes corporativos, assim como um alto volume de serviços num padrão equivalente aos serviços hoje oferecidos pelos serviços de ADSL e de Cable Modem, tudo dentro da mesma estação rádio base. A comparação entre os serviços disponíveis das várias tecnologias de acesso físico é bem explicada pela seguinte figura. Figura 5 Comparação dos serviços disponíveis no WiMAX e outras tecnologias de acesso. Características de privacidade e criptografia estão previstos no padrão , permitindo assim transmissões seguras incluindo os procedimentos de autenticação. A avaliação das vantagens e desvantagens do WiMAX, é essencial na escolha da tecnologia de acesso físico de banda larga a utilizar. O WiMAX apresenta as seguintes vantagens: Diminui os custos de infra-estrutura de banda larga para ligação com o utilizador final (last mile); Deverá ter uma aceitação grande por utilizador, seguindo a tecnologia Wi-Fi (802.11) e diminuindo ainda mais os custos da tecnologia; Possibilitará, segundo a especificação, altas taxas de transmissão de dados; 21

22 Possibilitará a criação de uma rede de cobertura de ligação de Internet similar à de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em movimento; Existe amplo suporte do desenvolvimento e aperfeiçoamento desta tecnologia por parte da indústria. Por outro lado, apresenta as seguintes desvantagens [15]: Nos testes até agora realizados a taxa de transmissão ficou um pouco aquém das expectativas; Apesar das muitas iniciativas e pesquisas, esta tecnologia ainda tem um período de maturação a ser atingido; Pode, em alguns países, haver sobreposição de utilização de frequência com algum serviço já existente; Nas faixas de frequência mais altas existem limitações quanto a interferências causadas pela chuva, causando diminuição de taxas de transferências e dos raios de cobertura. Em suma, no âmbito do projecto, é de realçar que esta tecnologia é de especial interesse, pois permite o fornecimento de uma ligação de banda larga a zonas de difícil acesso por tecnologias de cabo. Adicionalmente, a implementação desta tecnologia prevê um investimento inicial ao contrário de outras tecnologias que necessitam de um investimento periódico (e.g. mensal como ADSL) ADSL/VPN Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) é um dos formatos de DSL. Esta tecnologia de comunicação permite uma transmissão de dados, através de linhas de telefone, mais rápida do que um modem convencional pode oferecer aos seus utilizadores finais. O ADSL tem a característica de que os dados podem ir mais rápido numa direcção do que na outra, assimetricamente, diferenciando-o de outros formatos. Os ISPs geralmente anunciam o ADSL como um serviço para as pessoas se ligarem à Internet, num modo relativamente passivo, podendo usar velocidade mais rápida para o tempo de download e metade desta velocidade para upload. 22

23 Funcionamento Um circuito ADSL fornece três canais de comunicação: um canal downstream (sentido Internet para o PC) de alto débito (1,5 a 8Mbit/s), um canal de upstream (sentido PC para a Internet) de débito médio (16 a 640Kbit/s) e um canal para o serviço telefónico. A tecnologia ADSL utiliza FDM ou cancelamento de eco para dividir a largura de banda disponível pelos serviços. O processo de separação dos sinais de upstream e de downstream é transparente. As frequências acima dos 4 KHz (voz) estão disponiveis para o DSL. Figura 6 Divisão do espectro para a comunicação ADSL. O ADSL pode utilizar uma grande variedade de técnicas de modulação mas, os padrões da ANSI e ETSI utilizam uma modulação baseada no DMT. A ideia básica do DMT é de separar a largura de banda disponível num grande número de sub canais. O DMT é capaz de alocar dados para que o débito em cada sub-canal seja maximizado. O modem ADSL liga-se a uma linha analógica. Através da utilização de um spliter, é feita a divisão da linha telefónica em duas bandas: voz e dados. O modem ADSL implementa ainda um separador de canais, que efectua a separação dos canais de upstream e downstream. Do lado do operador existe outro modem ADSL, e através de um spliter é feita a separação das chamadas de voz dos dados. As chamadas de voz são encaminhadas para a rede telefónica comutada. Os dados são multiplexados no DSLAM. O DSLAM multiplexa muitas linhas ADSL numa única ligação de alta velocidade ATM. No retorno os dados são encaminhados através do DSLAM e do modem do operador, até chegarem ao computador do assinante. Figura 7 Cenário típico de uma ligação ADSL Alguns ISPs oferecem boas velocidades de download, como por exemplo 16 Mbit/seg. Mas na prática esta velocidade depende de outros factores, tais como congestionamento em 23

24 servidores, localização do site visitado, entre outras. Logicamente quanto maior for a velocidade de acesso mais cara se torna a mensalidade a pagar. O acesso à Internet é 24/7, ou seja, trata-se de uma ligação permanente. Apesar do sistema ADSL funcionar por meio da linha telefónica, não são computados os pulsos para acesso à Internet, ao invés dos modems analógicos. O que quer dizer que não é pago mais do que o valor acertado com a operadora. Como o próprio nome sugere, uma das desvantagens do ADSL é o facto de o serviço ser assimétrico. As velocidades de upload e de download são diferentes Wi-Fi O Wi-Fi é a tecnologia de acesso sem fios mais popular do momento. Desde que foi aprovado pelo IEEE (Institute of Eletrical and Eletronics Engineers) em 1996, o standard das redes sem fios Wi-Fi (802.11), bem como sua popularidade, tem crescido de forma surpreendente. Recentemente, foi divulgado que conexões sem fios já são mais populares que os antigos cabos ethernet em ambientes residenciais. O facto pode ser comprovado quando observamos que praticamente todos os portáteis comercializados incluem suporte para Wi-Fi Funcionamento O Wi-Fi tem algumas variações principais, as quais são resumidas em baixo: b Trata-se da variante mais difundida nos dias que correm. Opera na faixa de frequência de 2.4GHz (frequências livres que não carecem de licenças) e com taxas de transferência de até 11Mbps a Opera nos 5.0GHz (também livre). Permite taxas de transferências bem maiores, de aproximadamente 54Mbps g Esta variante permite também taxas de transferência de até 54Mpbs, opera tanto nos 2.4GHz como nos 5Ghz. Em termos gerais, o Wi-Fi é definido como uma tecnologia de transmissão de dados via rádio. Veja-se em abaixo uma tabela com as principais características destas três variações mais comuns. Uma das poucas vantagens apresentadas pela tecnologia a quando comparada com as outras variantes, é o facto de ser menos susceptível a interferências. As frequências na faixa dos 2.4Ghz sofrem interferências causadas por alguns aparelhos domésticos, nomeadamente telefones sem fios e microondas. As principais desvantagens da versão 11a são o seu alcance 24

25 reduzido (por trabalhar numa frequência mais alta, o sinal tem maiores dificuldades de propagação em ambientes internos ou com obstáculos) e o seu elevado custo. Há alguns anos, a tecnologia Wi-Fi estava presente apenas em ambientes empresariais. Desde esse tempo para cá, as vendas de routers wireless, portáteis e PDAs (com recursos wireless), bem como o número de hotspots em centros comerciais, aeroportos e restaurantes, têm aumentado de forma considerável. Estima-se que, dentro de alguns anos, o tamanho da cobertura da próxima geração de redes sem fios, o WiMAX, seja parecido com a da telefonia móvel, facto este que, caso se torne verdade, trará novos horizontes para o mundo das telecomunicações Frame-Relay O Frame-Relay é uma técnica de comutação rápida de pacotes. Esta tecnologia visa liminar uma grande parte do cabeçalho da célula utilizada no X.25 (o seu antecessor), diminuindo o processamento das células nos nós. Basicamente pode-se dizer que a tecnologia Frame-Relay fornece um meio para enviar informações através de uma rede de dados, dividindo essas informações em frames (quadros) ou packets (pacotes). Cada frame transporta consigo um endereço que é usado pelos equipamentos activos da rede para determinar o seu destino. Isto permite que uma grande variedade de aplicações utilize esta tecnologia, aproveitando-se de sua confiabilidade e eficiência no uso de banda Funcionamento Frame-Relay consiste num protocolo de rede o que significa que, ao invés de linhas ponto a ponto, existe uma infra-estrutura comutada entre o emissor e o destinatário. Na verdade tanto o emissor como o receptor (clientes) têm uma linha dedicada, desde a sua localização, até ao nó mais próximo da rede Frame-Relay. Quando o emissor origina uma mensagem, esta é enviada pela sua linha até à rede Frame-Relay. Os equipamentos activos encarregam-se de encaminhar a mensagem pela rede e finalmente enviam-na para a linha do destinatário de forma a ser recebida pelo receptor. O Frame-Relay é baseado no uso de Circuitos Virtuais (VCs). Um VC é um circuito de dados virtual bidirecional entre 2 pontos da rede, que funciona como se fosse um circuito dedicado. Existem 2 tipos de Circuitos Virtuais: Os PVCs (Permanent Virtual Circuit) e os SVC s (Switched Virtual Circuit). O PVC é um circuito virtual permanente configurado por um operador da rede. Este tipo de circuito identifica-se como sendo uma conexão permanente entre 2 pontos. A rota através dos equipamentos de rede pode ser alterada à medida que ocorrem falhas ou reconfigurações, 25

26 mas as extremidades são mantidas fixas. Já o SVC é um circuito virtual comutado, que é disponibilizado na rede de forma automática, conforme as necessidades, sendo utilizado principalmente por aplicações de Voz que estabelecem novas conexões a cada chamada. Uma rede Frame-Relay é composta por: Equipamentos de utilizadores (PCs, estações de trabalho, servidores, computadores de grande porte, etc.) e suas respectivas aplicações; Equipamentos de acesso com interface Frame-Relay (bridges, routers, dispositivos de acesso Frame-Relay - FRAD, etc.); Equipamentos de rede (switches, routers, equipamentos de transmissão com canais E1 ou T1, etc.). A rede Frame-Relay é sempre representada por uma nuvem, já que ela não é uma simples conexão física entre 2 pontos distintos. A conexão entre esses pontos é feita através de um circuito virtual (virtual circuit) configurado com uma determinada banda. A alocação de banda física na rede é feita pacote a pacote, aquando da transmissão dos dados. A figura seguinte exemplifica um cenário típico de uma rede Frame-Relay: Figura 8 Rede frame relay Vantagens do Frame-Relay: Linha simétrica (a largura de banda é igual tanto para download como para upload); Elevadas velocidades; Transparência nos protocolos transportados; Preço independente da distância; Disponibilidade em todo o território nacional (continente e ilhas); 26

27 Desvantagens do Frame Relay: Tecnologia mais cara Configurações mais complexas O frame-relay está associado à constituição de zonas, estas estão delimitadas por distâncias específicas. Se um nó final estiver situado a mais de 10 km de um nó de acesso, este situa-se na zona 2. A distinção entre zonas implica um aumento de custos Circuitos Alugados É dependente da distância, similar ao Frame-Relay, mas a grande vantagem, é que temos uma ligação sempre em cima. O tráfego tem um débito constante tendo em conta a velocidade contratada. Uma linha dedicada é um link ponto-a-ponto entre dois extremos de uma comunicação. Um extremo da ligação apenas pode falar directamente com o outro extremo da ligação, daí que uma rede de circuitos alugados, normalmente tenha uma configuração hub and spoke, onde todos os extremos remotos das ligações estão ligados a um hub central Funcionamento Para a utilização de circuitos alugados, é necessário recorrer a um ISP, de modo a contratualmente alugar 1 ou mais linhas às velocidades pretendidas. O custo depende tanto da velocidade da ligação como do comprimento da ligação. Estas ligações tendem a ser bastante dispendiosas. As vantagens de utilizar circuitos alugados, são as seguintes: Ligação sempre em cima; O tráfego tem um débito constante tendo em conta a velocidade contratada. A grande desvantagem é a seguinte: Custo elevado por cada linha contratualmente alugada Ligações de Microondas Para as frequências superiores a cerca de 30 MHz, a ionosfera deixa de ser o factor determinante no estabelecimento de ligações via rádio. À medida que a frequência aumenta e o comprimento de onda se reduz, passa a ser possível recorrer a antenas cada vez mais 27

28 directivas, confinando a maior parte da energia transmitida a um feixe, progressivamente mais estreito. A propagação faz-se normalmente em linha de vista, isto é, entre antenas que se vêem uma à outra. Sempre que o comprimento da ligação excede cerca de 50 km, ou que a orografia o impõe, é necessário instalar estações intermediárias que funcionam como repetidores ou relés. A ligação divide-se, então, em ligações elementares, também designadas por secções radioeléctricas ou saltos. O recurso a frequências muitas vezes superiores a 1 GHz, conjugado com a largura de banda disponível nestas frequências, permite atingir capacidades de transmissão muito elevadas. Por outro lado, a ausência de suporte físico torna este tipo de ligação atraente quando comparado com os cabos de fibras ópticas para distâncias elevadas (superiores a alguns dezenas de quilómetros) ou quando existem obstáculos à instalação do suporte físico (rios, cadeias de montanhas). Os sistemas de rádio móvel celular ganharam ultimamente algum espectro de frequências em detrimento do rádio digital de microondas, nomeadamente através da partilha da banda de 1.9 a 2.3 GHz com as ligações fixas de rádio. Até sensivelmente ao meio dos anos 90, cada recomendação definia claramente a gama de frequências, o número de canais que podia ser utilizado dentro dessa gama, o espaçamento entre canais, o débito binário e as possibilidades de polarização. A competição do rádio digital de microondas com a fibra óptica tem conduzido a uma notável liberalização da utilização do espectro do rádio. As bandas de frequências têm sensivelmente permanecido as mesmas para o serviço de rádio fixo, excepto no que diz respeito à inclusão de espectro adicional em alguns países, particularmente nas frequências acima dos 20 GHz. Muitas bandas de frequências podem ter agora vários tipos de configuração. As já muito utilizadas bandas de 4 e 6 GHz melhoraram a sua flexibilidade. As maiores alterações para estas bandas podem referir-se como as seguintes: Larguras de canal variáveis; Operação co-canal; Assim, por exemplo, a banda de 3.6 a 4.2 GHz pode ter espaçamentos de canal de 10, 40, 60, 80 ou 90 MHz quer com polarizações entrelaçadas ou com co-polarização. Os tipos de modulação variam desde o 4-PSK até 256-QAM. Outro ponto importante a referir será o das antenas a utilizar em ligações microondas. Um sistema de rádio deve estar apoiado num sistema de antenas eficiente, em particular se se 28

29 tratar de ligações ponto-a-ponto em microondas onde se lida com baixas potências de saída e altas perdas de propagação. A eficiência do sistema de antenas depende de quanta energia transmitida pode ser captada pela antena de recepção e essa energia depende das características de ambas as antenas (de transmissão e recepção). Em radiodifusão a eficiência é, em geral, baixa porque há que radiar energia mais ou menos igualmente em todas as direcções; para compensar as estações de radiodifusão devem transmitir grandes potências. É exactamente o oposto do que acontece com as ligações ponto-a-ponto em microondas em que é transmitida uma potência baixa, devendo, por isso, as antenas de emissão e recepção serem altamente direccionais Funcionamento Na sua forma mais simples uma ligação de microondas, pode ter apenas um único salto com um par de antenas separadas ou então pode ser constituída por uma espinha dorsal (backbone) contendo vários saltos, no seu conjunto podendo atingir várias centenas ou milhares de quilómetros. Tipicamente um salto único cobre de 30 a 60 km de em regiões relativamente planas para frequências na banda dos 2 aos 8 GH. Claro que quando as antenas são colocadas no topo de montanhas, podem-se esperar saltos de muito maior comprimento. As condições atmosféricas e a natureza do terreno afectam a propagação das microondas de tal modo que dois pontos podem estar em linha de vista e a transmissão não ser satisfatória. No que diz respeito às capacidades disponíveis, a utilização de bandas de frequências na ordem dos 6 aos 8 GHz e dependendo da largura de faixa em MHz e da modulação utilizada, as ligações de microondas permitem capacidades dos 2 aos 155 Mbps. Na figura seguinte, é visível uma estação transmissora/receptora. Muitas vezes as estações estão em locais isolados e dai a razão da existência de uma vedação para proteger a estação e também de um depósito de combustível para o caso de falha de energia da rede (caso exista rede eléctrica comercial). 29

30 Figura 9 - Estação transmissora/receptora Esta tecnologia apresenta as seguintes vantagens: Estabelecimento de ligações a distâncias elevadas, podendo uma única ligação atingir os 30 km. Assim sendo, é uma tecnologia perfeitamente adequada para o estabelecimento de ligações backbone; Permite capacidades elevadas (até 155 Mbps); Boa discriminação a interferências e a reflexões com grandes atrasos; Eficiente diversidade de espaço. Por outro lado, apresenta as seguintes desvantagens: Saltos longos vulneráveis a fadings devidos à formação de ductos e desacoplamento, em áreas climáticas adversas, requerendo libertações mais altas do trajecto; Bandas congestionadas em algumas áreas geográficas; Elevado investimento inicial em infra-estruturas físicas (torres de transmissão, equipamento de transmissão, antenas, etc.); Necessidade de uma licença para a utilização de determinadas bandas, nomeadamente dos 6 aos 8 GHZ. Licença esta que terá de ser pedida à ANACOM e implicará um custo semestral. Apesar de ser uma tecnologia que deverá apresentar um investimento inicial, bem superior relativamente a outras tecnologias wireless, como uma solução Wi-Fi. É sem 30

31 dúvida uma tecnologia apropriada para o cenário em questão, tendo em conta a natureza do terreno e as capacidades pretendidas. 5. Definição da solução de internet Após um estudo das possíveis ligações tecnologias de acesso, chegou-se à conclusão que a melhor solução deverá ser uma ligação ADSL com as seguintes características: Taxa de contenção 1:20; Tráfego ilimitado (nacional e internacional); Débito de 8Mbps; Distância máxima até ao comutador deve permitir o débito anterior. Nota: A distância máxima até ao comutador do operador não poderá exceder os 5Kms, mas quanto maior a distância menor será o débito possível. Deverá ser considerado este factor no planeamento. A figura seguinte mostra a relação débito/distância para a tecnologia ADSL: Figura 10 - Relação débito (Mbps) / distância ao comutador (Km). Com o aumento da distância a largura banda diminui. A 5km a largura de banda passa para 1Mbps. Devido ao seu débito, às distâncias que suportam e ao seu espectro de frequências, as variantes xdsl estão a suscitar várias estratégias de implementação por parte dos operadores. Alternativa a ponderar Limitações do ADSL Realizou-se um estudo para apurar a disponibilidade da ADSL para a freguesia de Maceira. Através deste, foi possível averiguar que o comutador do operador mais próximo da Junta de freguesia se situa em Maceira-Lis, no edifício dos Correios, como podemos ver na figura da próxima página. 31

32 Figura 11 - Central ADSL mais próxima em Maceira-Lis (mapa: Google Earth) Segundo as fontes da internet: html foi possível verificar que na Maceira existe 100% de probabilidade de ter ADSL (usando o número de telefone da junta de freguesia ). Como a distância entre o comutador e a Junta não excede os 3 Km, não existirá qualquer tipo de limitações por isso pode garantir-se os 8 Mbps pretendidos. 6. Definição da solução técnica do ponto central da rede O ponto central é importantíssimo na infra-estrutura, pois é onde se efectua o acesso à Internet (dai a colocação de um router ADSL), a convergência de todas as ligações wireless (para isso coloca-se uma bridge de topo da hierarquia) e o alojamento dos servidores e serviços que a constituem. Colocou-se um switch para interligar todos estes componentes da infra-estrutura, mais a rede interna e a rede de acesso à internet da Junta, como se pode comprovar na figura da página seguinte: 32

33 Figura 12 - Solução a implementar no ponto central da rede. Chegou-se a esta configuração tendo em conta o investimento a efectuar (garantindo um baixo custo), pois trata-se de uma solução simples em termos de implementação e configuração e garante a segurança e performance desejada numa primeira fase. Consoante o aumento de utilizadores e consequente tráfego e número de serviços, pode dar-se o caso da necessidade de um upgrade da estrutura. 7. Interligação das localidades Neste ponto, serão descritos os equipamentos, e os métodos necessários para interligar as localidades Access Points (APs) e modos de operação Os APs possibilitam a comunicação dos utilizadores wireless entre si e com outras redes (tais como a Internet). Estes podem funcionar em três modos distintos (consoante a sua configuração) abaixo apresentados: Root o Este é o modo de operação padrão. É utilizado quando o AP é conectado a um backbone ethernet. Neste modo, os APs que estão conectados ao mesmo segmento etherne, podem comunicar. Os APs comunicam entre si para coordenar funcionalidades de roaming, tais como reassociação. Clientes Wireless localizados em células diferentes podem comunicar através do seu respectivos APs, através do segmento ethernet. 33

34 Figura 13 - APs em modo root Repeater o Neste modo um AP actua no modo root enquanto que o outro actua como repetidor. Os clientes associam-se ao AP repetidor que por sua vez é um cliente do AP root. A ligação entre eles forma um link wireless dentro de uma estrutura de cabo. Este modo não é muito utilizado porque existem algumas desvantagens: Os clientes ligados ao AP repetidor têm baixo throughput e altos tempos de latência nessa configuração, devido ao fcato de que ambos os APs comunicam com os clientes através do mesmo link wireless. O alcance na qual os clientes podem associar-se ao AP repetidor é reduzido drasticamente. Figura 14 - APs em modo repeater 34

35 Bridge o Neste modo o AP actua como se fosse uma ponte wireless ligando dois segmentos ethernet. A finalidade de uma ponte é isolar dois segmentos de rede e dessa forma impedir que o tráfego não endereçado a máquinas de um determinado segmento atinjam o mesmo, evitando a sobrecarga daquele segmento. Os APs nesse modo fazem o mesmo só que a ligação entre eles é sem fio. Difere do modo root, pois aí os clientes não se associam ao AP. Figura 15 - APs em modo bridge 7.2. No caso prático de Maceira Para interligar as localidades da Freguesia de Maceira optou-se pelo uso da faixa de frequências entre os Mhz até aos 5.725Mhz pois a ANACOM definiu esta como isenta de pagamento (consequente menor investimento por parte da junta) e orientada para exteriores. Devido aos factos anteriormente descritos, optou-se pelo uso da norma IEEE g. Relativamente ao modo de funcionamento dos APs e tendo em conta os factos apresentados no ponto anterior, optou-se pelo modo root para ligar os clientes wireless à rede e para efectuar a interligação das WLANs optou-se pelo uso do modo bridge O backbone da infra-estrutura Relativamente ao backbone da infra-estrutura da WRAN de Maceira este é formado por um ponto central em cada localidade, onde se ligam os utilizadores, e onde cada ponto permite a ligação entre localidades adjacentes (todas com linha de vista), tal como a figura da página seguinte demonstra: 35

36 Figura 16 - Estruturas do backbone wireless que interliga as diferentes localidades. A figura seguinte procura fazer uma representação hierárquica da rede: Figura 17 - Representação da estrutura hierárquica do backbone 36

37 A bridge central (AP em modo bridge) encontra-se no edifício da Junta de Freguesia de Maceira. Nas restantes localidades são usados APs a funcionar como repetidores (AP em modo repeater). No caso da ligação da localidade de Pocariça à localidade de A-dos-Pretos optou-se pela solução de ligar estes dois repetidores, pois não existia linha de vista entre o ponto central e a localidade de A-dos-Pretos Equipamentos Para cada estação serão necessários outros equipamentos e acessórios para além dos APs (em modo repeater ou bridge). Serão necessários os seguintes acessórios: Caixas estanques (para proteger os APs exteriores) Protectores contra relâmpagos (Lighting arresters/lighting Protector/Surge protectores ) Conectores RF Cabos RF Power over Ethernet (PoE) Energia solar e eólica Mastros De seguida serão descritos os equipamentos mencionados anteriormente Caixa Estanque Utilizada para proteger o AP em condições exteriores. Figura 18 - Antena Yagi com Caixa estanque Protectores contra relâmpagos Outros dos equipamentos que poderão ser usados são os protectores contra relâmpagos (lighting arresters (LA) ou Lighting Protector (LP ou Surge protectores). Os LAs são usados para proteger o hardware WLAN que está ligado à antena (APs por exemplo), e têm com como 37

38 finalidade desviar a corrente proveniente de relâmpagos para a terra. Mesmo os melhores LAs nunca conseguirão suportar completamente o impacto de um relâmpago na antena, apenas tentam reduzir os danos desse impacto redireccionando os picos de corrente até 5000 amperes e até 50 volts. Figura 19 - Exemplo de um protector de relâmpagos Uma alternativa complementar a estes dispositivos é usar dois transceveirs óptico/eléctrico e um patch de fibra. Com esta solução interrompe-se o percurso entre a bridge e a LAN, evitando danificar outros equipamentos da rede interna Conectores RF Os conectores RF servem para se interligarem cabos ou equipamentos a outros equipamentos. Tradicionalmente em WLANs são utilizados conectores do tipo N, F, SMA, BNC, e TNC. Figura 20 - Os diferentes conectores para redes wifi (retirado de wireless.com.pt) Ter em atenção na escolha do conector RF: o O conector RF deve ter a mesma impedância que os equipamentos wireless (normalmente 50 ohms); o Ter em contas perdas do cabo, para o cálculo da distância e potência do sinal necessária; o Conhecer as limitações em termos de frequência; o Cuidado com a má qualidade dos cabos. É importante comprar de uma empresa com reputação; o Ter a certeza do tipo de cabo que necessita comprar (N, F, SMA, etc.) e se o conector é macho ou fêmea. 38

39 Cabos Ter em conta quando se escolhem os cabos que: 1. Os cabos introduzem perdas na comunicação; 2. Comparar cabos com comprimento fixo e já com os conectores instalados; 3. Procurar os cabos que tenham menor perdas (embora o preço aumente) e ter cuidado com as unidades; 4. Comprar cabos com a mesma impedância que os equipamentos de rede (geralmente 50ohms); 5. Ter em conta a resposta em frequência do cabo; 6. Para o caso da instalação exterior, poderá ser necessário estender o cabo quando o AP e antena estão longe um do outro (a utilização do cabo CAT5 pode ser o remédio para o problema pois assim é possível aproximar ao máximo o AP à antena); 7. Para ambientes exteriores é necessário que o cabo seja à prova de água. Existem aplicações que permitem simular as perdas dos cabos. Poderá ter acesso a uma no sítio Power over Ethernet (PoE) Este é um método de transporte de voltagem DC para um AP atavés de um cabo ethernet Cat5. Tem como objectivo fornecer alimentação além de também transportar dados para o AP (de forma fiável até 100 metros, para distâncias superiores a esta PoE não é a solução), assim reduzindo os custos de instalações eléctricas Energia solar e eólica No caso de não existir no local de instalação acesso a energia eléctrica, é sempre possível recorrer a energia solar ou eólica Energia solar Um painel solar, é feito dum elemento natural, a silicone, que possui a capacidade de ficar carregado electricamente quando sujeito à luz solar. Os painéis solares produzem normalmente voltagens baixas, na ordem dos 6 a 24 volts, sendo a mais usada a de 12 volts. A intensidade da radiação do sol altera-se a cada hora do dia, ou altura do ano, e também das condições atmosféricas. De modo a efectuar os cálculos correctos de planeamento para o sistema de painéis solares, é necessário expressar a energia de radiação solar em horas de máximo período solar por metro quadrado. As horas de pico máximo de energia solar, representam em média a disponibilidade do sol num ano. Presume-se que em alturas de pico 39

40 máximo solar, chega ao sol terrestre cerca de 1000 W/m². Uma hora de sol em pleno Verão representa 1 kwh/m² Componentes dum sistema de painéis solares Os quatro principais componentes para produzir electricidade usando energia solar são: painéis solares, reguladores de carga, baterias e um inversor. Os painéis solares carregam a bateria, e o regulador de carga assegura que é dada à bateria a quantidade suficiente de energia. O inversor é usado quando é necessário converter a energia de corrente contínua para corrente alternada (12V DC para 220V AC) Painéis Solares A saída de um painel solar é medida em watts. A fórmula para calcular a potência é multiplicar a tensão (V) pela amperagem (A). Em Portugal existe em média 3 horas de pico de solar. Neste caso, um painel solar com 60W é capaz de produzir em média 60*3=180watt-hora de potência. Dado que a intensidade do sol varia ao longo do dia, usamos a média de horas de pico solar, para representar todas as variações solares ao longo de um dia. Naturalmente, dias nublados não vão produzir tanta energia como dias soalheiros, por isso, usando estes valores, considera-se sempre uma estimativa média entre o pior e o melhor cenário. Figura 21 - Painel solar Regulador de Carga Um regulador de carga monitoriza a capacidade de carga da bateria e assegura que a bateria apenas recebe a energia que necessita, evitando sobrecargas. Ligar um painel solar directamente a uma bateria, corre-se o risco de danificar permanentemente uma bateria. Figura 22 - Regulador de carga 40

41 Bateria As baterias podem ser carregadas e descarregadas milhares de vezes e são caracterizadas pela sua amperagem por hora. Por exemplo, uma bateria de 350ah, pode fornecer 17,5 amperes contínuos durante 20 horas, ou 35 amperes durante 10 horas. Figura 23 Bateria Inversor Um inversor é o responsável por alterar a corrente continua armazenada numa bateria para corrente alternada a 220 V. A maioria dos painéis solares gera corrente continua, no entanto, a maioria dos equipamentos usam energia alternada, sendo o inversor um equipamento importante num sistema de painéis solares. Figura 24 Inversor Mastros Os mastros servem para criar uma elevação suficiente de maneira a que exista linha de vista entre antenas. Também podem ser usados para elevar o dispositivo de energia eólica. Figura 25 - Exemplo de mastros para afixação de antenas Segurança física É necessário garantir a segurança física das estações base. Os mastros devem ficar bem fixos, para evitar que o vento dobre o mastro. Os APs devem ficar bem fixos ou a uma parede de preferência à sombra, ou no próprio mastro e fora de alcance de possível furto. 41

42 Antenas Uma antena serve para converter o sinal eléctrico em ondas RF no transmissor e o oposto no receptor. É necessário colocar as estações base e a antena em cada localidade de modo a ter linha de vista ou line of sight (LOS) da ligação para a outra localidade. LOS é uma linha recta que interliga o transmissor e o receptor. É necessário também ter em conta as zonas de Fresnel. Mesmo tendo LOS, é necessário que a zona de Fresnel também esteja livre. Objectos que estão dentro da zona de Fresnel como árvores edifícios podem difractar ou reflectir o sinal principal. Os objectos podem absorver o sinal RF, causando uma degradação do sinal ou mesmo perda de sinal. A imagem a seguir exibida, representa os casos anteriormente falados: Figura 26 - Ligação wireless com linha de vista e zona de Fresnel Antena omnidireccional (Dipólo) A antena omnidireccional irradia energia em todas as direcções em relação ao seu eixo. A antena tem de ser montada na vertical como mostra a figura seguinte. Figura 27 - Antena omnidireccional O diagrama de radiação da antena toma a forma de um donut: Figura 28 - Diagrama de radiação da antena 42

43 Antena semi-direccional As antenas semi-direccionais transmitem mais energia numa determinada direcção. Por esse motivo, este tipo de antena é ideal para interligar edifícios. Existem dois modelos deste tipo de antenas. Existe o modelo Yagi (o que se irá utilizar nesta solução), que é utilizada entre edifício até 3.3km, ou seja, distâncias curtas e/ou médias; e existem ainda as antenas de Painel (Patch) que são para curtas distâncias, e se usam apenas de edifício a edifício. Figura 29 - Antenas Patch Figura 30 - Antenas Yagi Na figura seguinte mostra como é radiada a energia deste tipo de antenas. Figura 31 - Diagrama de radiação de uma antena Patch e Yagi 43

44 Para distâncias superiores, até 42Km, são utilizadas as antenas direccionais (parabólicas). Este tipo de antenas não são necessárias, mas a sua aplicação requer que estas estejam exactamente direccionadas. Para o caso da Maceira, como as distâncias não passam os 3,1 Kms entre localidades (por exemplo a distância entre Maceira e A-do-Barbas é de 3.06km), iremos utilzar antenas Yagi e omnidireccionais. Para cada localidade foi escolhida uma antena omnidireccional, uma vez que irá ser um nó acesso público, e então, será necessário ter uma antena que irradie em todos os sentidos ou seja 360º Antenas Direccionais Embora não sejam utilizadas nesta solução, as antenas direccionais de grelha são ideais para longas distâncias e altamente direccionais. Foram construídas com um material que permitir uma maior durabilidade e um peso menor. O seu desenho evita grande parte da interferência causada pelo vento. Inclui um kit de montagem que permite uma inclinação máxima de 60º, permitindo um alinhamento da antena mais fácil e preciso. Figura 32 Antena Direccional 7.4. Potências e ganhos na comunicação Ao implementar uma rede wireless, tem de se ter em atenção as características do receptor, do transmissor e a distância entre eles Cálculos teóricos É possível calcular-se as potências necessárias nas antenas, no transmissor, e a sensibilidade necessária no receptor (em todos estes caso não se deve esquecer a perdas induzida pelos cabos). Para isto existem modelos teóricos. 44

45 A figura abaixo descrita ilustra os factores a ter em conta na qualidade da ligação tanto no transmissor como no receptor. Figura 33 Link Budget Fórmulas: Perdas em espaço livre: o A el = log (F) + 20log (d) Onde: o F = frequência (MHz) o D = distância entre as antenas (em km) Nível de Potência do sinal no receptor: o P rx = P tx A tx + G tx - A el + G rx A rx Onde: o P tx = Potência transmitida o A tx = Perdas dos cabos e conectores no transmissor o G tx = Ganho da antena transmissora o A el = Perdas em espaço livre o G rx = Ganho da antena receptora o A rx = Perdas dos cabos no receptor 45

46 Margem de operação (ou Link Fade Margin (LFM)) para garantir comunicação: o LFM = Prx Srx Onde: o P rx = Nível de potência recebida o S rx = Sensibilidade do receptor (deve ser no mínimo 10 db) Para a ligação entre freguesias utilizou-se a faixa dos 5 Ghz (mais propriamente a entre GHz e os Ghz que é indicada para exteriores e é uma faixa isenta de pagamento). Fazemse os cálculos para o pior caso, ou seja, para os Ghz. A distância média entre as localidades da Freguesia de Maceira anda nos 2Km. Será este valor o utilizado nos cálculos. Em relação à potência máxima de radiação (EIRP - Equivalente Isotropically Radiated Power) permitida em Portugal, esta é de 100 mw, ou seja 20 dbm. Ter atenção as perdas dos cabos (0.145dB/metro (LMR-600)), usa-se cabos de 3 m, e as perdas dos conectores (0.5 db). Perdas em espaço livre: A el = log (5725) + 20log (2) = db 1º Caso Considera-se os seguintes valores no transmissor e no receptor: Ptx = 15dBm (valores típicos) P rx = -85 dbm (fraco) A tx = A rx = 3 db (em média) P rx = P tx - A tx + G tx A el + G rx A rx Exemplo: Considera-se uma antena de 8dBi de ganho no transmissor e receptor: P rx = P tx - A tx + G tx A el + G rx A rx P rx = 15 dbm 3 db + 8 dbi dbi 3 db Prx = dbm Ou seja, a sensibilidade é de dbm Então, 85-88,676 = db Conclui-se que a ligação não será possível uma vez que é inferior a 10dB. 46

47 Exemplo 2: Agora considera-se uma antena de 18dBi de ganho no transmissor e emissor: P rx = P tx - A tx + G tx A el + G rx A rx (Para garantir EIRP no máximo com 21 dbm, teremos que diminuir a P tx, passando de 15 dbm para 1 dbm) P rx = 1 dbm 3 db + 22 dbi dbi 3 db Prx = dbm Ou seja, a sensibilidade é de dbm Então, = 10,676 db Deste modo, verifica-se que é necessária uma antena de ganho superior para a ligações de 2km, embora tenha que se baixar a potência transmitida para cumprir as normas. Nota: É evidente que não dispensa um site survey! Os resultados são teóricos e meramente indicativos. Para ser mais exacto poderá ir-se ao local onde será colocado a estação, para determinar o ganho da antena, no site survey Interligação e cobertura da infra-estrutura da Freguesia Depois de apresentados os equipamentos no ponto anterior, para o caso da Freguesia da Maceira irão ser necessárias 12 antenas semi-direccionais (Nstreme2 da Mikrotik) para fazer a ligação entre as localidades (na faixa dos 5.4 Ghz), e aqui serão precisos 14 APs em modo bridge, pois necessitaremos de 2 por cada mastro. Para dar cobertura aos utilizadores de todas as localidades usar-se-ão 7 antenas omnidireccionais (AP Multipoint da Mikrotik), ou seja 1 por localidade (estas na faixa dos 2.4 GHz). Assim ficará numa primeira fase, pois não é sabido a adesão inicial por parte dos utilizadores. Consoante o número destes, serão posteriormente colocados mais APs. Para a colocação das antenas irá ser necessário o uso de 7 mastros para a fixação destas. Em cada mastro será colocado um protector contra relâmpagos (lighting arresters (LA)). Para protecção dos APs exteriores, que darão cobertura às localidades será utilizada uma caixa de estanque para cada um. 47

48 7.5.1 Orçamento Neste ponto será apresentado um orçamento meramente indicativo. Através deste pretendese dar a conhecer a ordem de grandeza envolvidas nesta fase. Atenção que não inclui mão-deobra. Equipamento Preço Unitário Quantidade Preço Total/Equip. Antena Semi-direccional Antena Omnidireccional AP dual-band (em modo bridge/root) Mastro 20 (3 m) Protector contra relâmpagos (lighting arresters (LA)) Caixa de estanque Cabos (todos os necessários) Orçamento 5436 Tabela 2 Equipamento necessário para interligação e cobertura da Freguesia Figura 34 AP Multipoint Figura 35 - Antena Nstreme 2 48

49 7.5.2 Diagrama de Cobertura Seguidamente apresenta-se a simulação resultante do programa Radio Mobile para a cobertura das localidades da Freguesia de Maceira Figura 36 Diagrama da Cobertura das antenas omnidireccionais Através deste diagrama pode verificar-se que os APs dão cobertura a todas as localidades pretendidas. Deste modo não será necessários recorrer a outra solução, pois esta enquadra-se no resultado pretendido na primeira fase deste projecto Cenários das ligações Neste ponto serão apresentados os cenários das ligações entre as localidades. Os valores da distância, potência recebida, perdas de percurso, etc, encontram-se no topo de cada figura. Estas imagens foram obtidas através da aplicação Radio Mobile. Figura 37 Link Maceira Maceirinha 49

50 Figura 38 Link Maceira Maceira-Lis Figura 39 Link Maceira A-de-Barbas Figura 40 Link Maceira Vale-Salgueiro Figura 41 Link Maceira Pocariça 50

51 Figura 42 Link Pocariça A-dos-Pretos 7.6 Hotspots O Hotspot é um termo utilizado para definir um ponto de acesso público a uma rede WiFi. Estes pontos estão disponíveis para qualquer utilizador que possua um computador portátil ou um PDA que suporte a tecnologia Wireless. Tal como acontece com o fornecimento tradicional de acesso à Internet, também existirá uma entidade responsável por gerir a forma como o acesso se efectua. Existem, por isso, pontos de acesso, e consequentemente, fornecedores, que possibilitam o acesso gratuito enquanto outros obrigam à existência de um contracto ou à aquisição de pacotes de minutos pré-pagos. No caso da Freguesia em questão esta parte vai ficar dependente do que o fornecedor (ex. cafés) pretenda fazer, embora logicamente sejam para ser de acesso gratuito. Figura 43 - Cenário de hotspot 8 Definições dos serviços Tal como já abordado anteriormente, em relação aos serviços conclui-se que a melhor opção seria a aquisição de um pacote o operador ficasse encarregue pela gestão e manutenção de parte dos serviços disponibilizados (correio electrónico, servidores WEB, resolução de nomes, entre outros). Da parte da Junta, ficaria a tarefa de gerir os serviços de translação de endereços de rede e portos (NAT/PAT), os mecanismos de autenticação e controlo de acesso, e ainda a atribuição dinâmica de endereços IP aos clientes (DHCP). 51

52 8.5 Máquinas As máquinas utilizadas para suporte dos serviços são: Router de acesso ADSL; Servidores dedicados, suportando, entre outros, os seguintes serviços: o DHCP; o HTTP; o VPN; o Firewall; o ; o Gestão de tráfego (BCU). 8.6 Licenças A nível de licenças optou-se pelo uso de SOs e aplicações open source ou freeware, pois esta seria a opção com menos custos para a Junta. 8.7 Explicação em detalhe dos principais serviços a implementar Nesta secção serão anunciados os serviços que deverão ser configurados nos servidores Bandwidth Control Unit (BCU) Comparativamente com as redes de cabo, as redes wireless são um meio partilhado com um throughput muito baixo, dai a necessidade de conservação e protecção da largura de banda para deste modo garantir uma ligação fiável e consistente ao utilizador Funcionamento O BCU será colocado entre o Router de acesso à Internet e os APs. Este vai fazer com que exista uma filtragem aos endereços MAC dos utilizadores para deste modo garantir uma fila de espera e assim controlar a largura de banda. A figura abaixo apresenta-nos a interface de uma aplicação BCU: 52

53 Figura 44 - BCU interface Solução VPN Hoje em dia esta solução já vem incorporada de fábrica nos equipamentos wireless (APs, getaways, etc). Esta é usada para garantir segurança a meios inseguros, tal como são os meios wireless. Exemplo disso, é o uso desta para se ligarem filiais à sede de uma empresa por um canal seguro (tipicamente a Internet) Funcionamento É criado um túnel seguro entre dois pontos e os dados que nele passam são encriptados, desta forma fazendo com que o tráfego circulante no túnel não seja visível a terceiros. Para isto são efectuados três passos: Associação de um cliente a um AP; Estabelecimento de uma ligação com o VPN-Server; VPN-Server termina o túnel e reenvia os pacotes para o destino. A VPN oferece três níveis de segurança, abaixo descritos: Autenticação dos utilizadores: tal como o nome indica, garante o controlo de acesso à rede. Apenas os utilizadores autorizados se podem aceder à rede, enviar e receber dados sobre a rede wireless; 53

54 Cifragem: mesmo que as transmissões sejam interceptadas, é extremamente difícil descodificar e compreender a informação. Existem vários mecanismos de cifragem, uns são mais eficientes e outros são mais seguros; Autenticação dos dados: é garantida, através de diversos mecanismos a integridade dos dados na rede. Figura 45 AP com um servidor VPN externo 8.8 Gestão e manutenção Inicialmente será necessário um técnico para configurar o servidor. Em caso de avarias e para manutenção e monitorização da rede poderá haver necessidade de contar com outro técnico. 8.9 Solução de segurança Como um dos ponto mais importantes deste projecto é o menor investimento possível, optouse pelo uso de um servidor RADIUS para autenticação, e o uso de VPN s para passagem de tráfego mais importante. 9 Projecto da componente passiva da rede interna Neste ponto serão apresentados os componentes que constituem a componente passiva da rede interna da Junta de Freguesia de Maceira. 9.5 Introdução O projecto de cablagem estruturada vai condicionar o tempo de vida da rede, que deverá ser de pelo menos quinze anos, dai a necessidade de ter em atenção todos os componentes que a compõe, para deste modo garantir-se um bom funcionamento, desempenho e utilidade. 54

55 9.6 Enquadramento Pretende-se projectar uma sala com acesso à Internet no edifício da Junta, e dotar a própria Junta de Freguesia com capacidade de acesso à rede, ou seja, serão criadas duas redes distintas: uma para a rede privada da instituição e uma outra de acesso livre, para a população da freguesia. 9.7 Esquema de rede Será necessário projectar uma rede com 15 pontos de acesso. Estes serão distribuídos por duas salas: uma sala de acesso livre, para utilizadores que não possuam meios para usufruir dos serviços em casa, e uma sala para os serviços administrativos. Relativamente à caracterização dos espaços, a Junta de Freguesia apresenta uma área por piso de 126 m 2, existindo duas salas: uma sala de acesso livre, para utilizadores que não possuam meios para usufruir dos serviços em casa, e uma sala para os serviços administrativos. Na tabela seguinte apresentam-se os espaços, a sua designação, área, descrição de equipamentos e o número de pontos de acesso. Designação do espaço Sala de acesso livre (Junta de Freguesia) Serviços Administrativos da Junta de Freguesia Área Descrição de equipamentos 12 Computadores ligados em rede 50 m 2 e com ligação à internet 1 Impressora ligada em rede 3 Computadores ligados em rede e 63 m 2 com ligação à internet 1 Impressora ligada em rede 1 Telefone VoIP Tabela 3 Espaços e as suas características Nº de pontos de acesso 15 TO Duplas 5 TO Duplas A seguinte figura é ilustrativa deste cenário: Figura 46 Cenário das salas de computadores da Junta 55

56 Segundo a norma de cablagem horizontal, existem limites máximos que não podem ser ultrapassados, tal como é mostrado na figura abaixo: Figura 47 Limites máximos da norma A norma especifica que cada host deve ter um cabo exclusivo no bastidor. Ou seja, se a rede tiver X máquinas, então são necessários pelo menos, X ligações no bastidor. Deste modo, é necessário adquirir vários produtos, desde tomadas, cabos, patch-painel, e um bastidor. Na figura apresentada em baixo está presente um esquema genérico de um possível bastidor. Figura 48 Bastidor 9.8 Arquitectura Lógica Apresenta-se na seguinte figura o diagrama da arquitectura lógica da Freguesia: Diagrama 1 Arquitectura lógica da junta de freguesia 56

57 9.9 Solução técnica Nesta secção é apresentado, de uma forma mais técnica, a solução encontrada para levar a cabo os objectivos inicialmente previstos. Numa primeira fase, é apresentada a tecnologia escolhida que mais se adequa aos requisitos, sendo de seguida apresentado as normas cablagem pelos quais a equipa de implementação se deve reger Tecnologias Usadas Tendo por base a necessidade de utilização da infra-estrutura, ficou definido que a solução tecnológica que mais se adequa para este projecto, passa pela utilização de tecnologia Ethernet e FastEthernet. Convém referir que as tecnologias aqui apresentadas são meramente indicativas, não sendo obrigatório numa posterior fase de implementação, a escolha destas. De uma forma mais concreta, para a sala de acesso livre sala comum partilhada para acesso da população à rede Internet, optou-se pela utilização da tecnologia Ethernet. Embora esta apenas possua um débito de 10Mbits, é mais do que suficiente para os requisitos. No que se refere à rede privada da instituição, optou-se por utilizar tecnologia FastEthernet, na variante 100-Base-TX comutada, visto que esta permite melhores débitos e melhores taxas de transmissão. Embora à primeira vista possa parecer que esta solução está sub-dimensionada, atendendo à relação custo/benefício, conclui-se que a solução encontrada é a mais adequada garantia de escalabilidade Normas e Padrões A cablagem deverá ser totalmente estruturada, em conformidade com as normas EIA/TIA (Versão Actual), EIA/TIA SP-2840 e EIA/TIA 569, para categoria 5e. Deverão ser usados, na cablagem horizontal, cabos de par entrançado não blindado (UTP) com 4 pares. Assim, para a especificação deste projecto foram aplicadas as seguintes normas (sistema de cablagem estruturada): EIA/TIA Commercial Building Telecommunications Cabling Standart Versão Actual EIA/TIA SP-2840 Revisão da mesma anterior EIA/TIA 568A TSB-56/TSB-40 - Boletins Técnicos complementares SP-2846 EIA/TIA FSTP-14 EIA/TIA 569 Commercial Building Telecommunications Pathway and Spaces IEC/ISO para categoria 5e 57

58 9.10 Componentes da infra-estrutura lógica Depois de analisados os requisitos, estudadas as tecnologias, é necessário partir para a escolha dos equipamentos a usar. Desta forma, nesta secção é apresentado em concreto os recursos necessários, bem como os custos unitários e o custo total de implementação de toda a infraestrutura de rede. Equipamento Preço Unitário Quantidade Preço Total/Equip. Cabo de rede UTP, Cat. 5e, bobine de 305m Cordões de patching (UTP, Cat 5e) Conectores Macho RJ-45, Cat5e (100 unidades) Protector para Ficha RJ45 (capote) (100 unidades) Passa-fios (com Argolas IU) Passa-fios 19 com escova IU Régua de alimentação 19 ( tomadas e disjuntor) Painel para bastidor 19 com portas RJ45,UTP,CAT.5 Painel de cobertura com IU para bastidor de 19 Bastidor 19, 20 U Prateleira perfurada Unidade de ventilação Tomadas Duplas para conectores ISO8877 Conectores ISO8877 fêmeas Calha 15x3cm com 2m Etiquetas para identificar cabos e tomadas Orçamento 1, Tabela 4 Componentes da infra-estrutura lógico 58

59 Nota: O orçamento indicado na tabela anterior é meramente indicativo. Pretende apenas dar a conhecer a ordem de grandeza dos valores associados a este projecto. Mão-de-obra não incluída Especificação de condições de montagem, testes e certificações Nesta secção é apresentado em detalhe as linhas orientadoras a seguir para a implementação da infra-estrutura. Mais concretamente, numa primeira fase é especificado os condicionantes de montagem, sendo numa segunda apresentada os requisitos necessários para a certificação da rede. Dado que, e essencial após a instalação de todo o sistema testar toda a estrutura implementada e verificar através de testes, a conformidade com a especificação Especificação de condições de montagem A instalação dos cabos no bastidor requer um cuidado especial, devendo-se seguir as normas. Deste modo, quando ocorrer um erro, o primeiro sitio a verificar será sempre o distribuidor, por isso, é extremamente necessária a coerência da instalação do mesmo. Deste modo, devem ser seguidas as regras seguintes: O entalhe de fixação das tomadas RJ 45 nos painéis deverá ficar colocado na parte inferior da tomada Os caminhos de cabos a instalar deverão todos terminar onde ficará localizado o bastidor respectivo Os cabos UTP deverão ser instalados em suportes apropriados ao longo dos corredores até terminarem nas fichas respectivas RJ 45 de acordo com os seguintes princípios: o Há medida que vão sendo instalados os cabos deverão ser identificados nas 2 extremidades, com o identificação do respectivo distribuidor e número de tomada o O entalhe de fixação do tomada RJ 45 fêmea deverá ficar colocado na parte de baixo, tal como acontece com os conectores do painel o Os cabos não deverão ter qualquer tipo de interrupção, emenda ou derivação e vão ligar aos painéis de tomadas existentes no distribuidor respectivo Devera-se efectuar, sempre que possível a separação dos cabos UTP em relação a cabos de energia eléctrica; Os cabos deverão ser amarrados correctamente com velcro ou braçadeiras em intervalos regulares, o aperto deverá ser suave para não danificar qualquer cabo, com 59

60 isso diminui-se o esforço de tracção que terá de ser inferior a 50 newton por mm quadrado. Deve ser respeitado um raio mínimo de curvatura, isto é, a passagem dos cabos deve ser feita com imenso cuidado, de modo a serem evitadas as dobras que poderão causar a degradação das propriedades eléctricas do cabo. O raio mínimo não deverá ser mais do que oito vezes o diâmetro exterior do cabo, tal como especificado na norma ISO/IEC A ligação dos cabos UTP às tomadas e aos painéis de ligação deve ser efectuada segundo a norma ANSI TIA/EIA 258A na definição dos pares. Nas situações onde não existe calha, deverá ser usado um tubo VD apropriado e caixas PVC para aplicação de tomadas Especificações das condições de teste e certificação É essencial após a instalação de todo o sistema de cablagem estruturada, testar toda a estrutura implementada. O sistema só ficará correctamente certificado através de um teste exaustivo com resultados 100% positivos na cablagem horizontal. Estes testes serão efectuados por equipamentos adequados e devem obedecer a parâmetros bastante restritos. A tabela seguinte resume os parâmetros mais importantes para as categorias de cabo S/UTP e UTP utilizadas (os valores apresentados são os máximos possíveis de frequência: A tabela apresentada de seguida, esquematiza os parâmetros máximos dos conectores RJ

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