Redes Locais Sem Fio Wireless LAN (IEEE ) Agenda. 1) Histórico. Vagner Sacramento

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1 Redes Locais Sem Fio Wireless LAN (IEEE ) Vagner Sacramento Laboratory for Advanced Collaboration - LAC Departamento de Informática - PUC-Rio Agenda 1 Histórico do IEEE Introdução às redes locais sem fio (Wireless LAN) 3 Topologia do Arquitetura lógica do Camada Física do Camada MAC do Extensões do Equipamentos Wireless 8 - Wireless Fidelity Certificação de qualidade 2 1) Histórico Conteúdo 1.1 Primeira rede sem fio 1.2 IEEE Grupos de trabalhos Evolução do padrão Hierarquia dos órgaos de padronização 3 1

2 1) Histórico Tudo começou em 1971 na Universidade do Havai com um projeto de pesquisa chamado AlohaNet; AlohaNet permitia a comunicação dos computadores situados em sete campus espalhados por 4 ilhas com um computador central através de uma rede sem fio, usando radio difusão. Comunicação bidirecional em uma topologia em estrela; Em 1980 existia um projeto de pesquisa entre os EUA e o Canadá patrocinado pela conferencia de redes de computadores, que trabalhavam no desenvolvimento e experimentos de novas tecnologias de redes sem fio; Foi criado um FORUM para o desenvolvimento das Wireless LANs (Redes Locais Sem FIO) 1985 a FCC (Federal Communications Commission) impulsionou o desenvolvimento comercial de componentes LAN baseados em radio difusão, por ter autorizado o uso publico das bandas ISM (Industrial, Scientific, and Medical) 4 1) - Histórico Depois da liberação das bandas ISM, a indústria de equipamentos wireless começaram a desenvolver tecnologias de rádios proprietárias; Para evitar a falta de interoperabilidade entre as novas tecnologias que estavam surgindo, em 1980 o grupo de trabalho do IEEE do 802 responsável pelo padrões de redes locais começaram a projetar/desenvolver padrões para a rede sem fio; 5 1) Histórico 1.1 Primeira rede sem fio 1.2 IEEE Grupos de trabalhos Evolução do padrão Hierarquia dos órgaos de padronização 6 2

3 1) - Histórico IEEE A partir de então, os padrões para redes locais sem fio são criados por órgão de padronização; O IEEE 802 é um desses órgãos, e possui três grupo de trabalhos (Working Groups ou WGs) dedicados a redes sem fio; A) Grupo de trabalho 11: é o responsável pelo padrão , para as redes locais sem fio; B) Grupo de trabalho 15: é o responsável pelo padrão que atua na área das redes de área pessoal (Wireless Personal Area Networks ou WPANs); A principal tecnologia atual para WPANs é o Bluetooth. Este está sendo incorporado ao ; C) Grupo de trabalho 16: é o responsável pelo padrão que elabora as especificações para as redes metropolitanas sem fio (Broadband Wireless Metropolitan Area Networks ou WirelessMAN) objetivando o acesso fixo em banda larga; 7 1) - Histórico Evolução do : 1990 criação do IEEE WG redes wireless já podiam operar em bandas ISM 1997 junho padrão IEEE é aprovado Um dos fatores que influenciou na demora de sua aprovação (7anos) foi a baixa taxa de transferência inicial, em torno de Kbps. Em 1998 surge os primeiros produtos no mercado 1999 setembro revisão do padrão aprovada. Nesta revisão do padrão surgiu duas novas extensões do IEEE ; IEEE b e IEEE a são aprovados; 8 1) - Evolução do IEEE Status Grupo a b c d e f g h i Descrição Padrões PHY e MAC para redes wireless; Taxas de 1 e 2Mbps Padrão PHY para 5GHz e taxas de 6 a 54Mbps Padrão PHY para 2.4GHz e taxas de 1 a 11Mbps Suplemento à camada MAC para suporte a bridging Inclusão de países não cobertos pela norma Melhorias na camada MAC para suporte a QoS Padronização de Access Points Extensões para o b (taxas acima de 20MHz) Melhor gerenciamento de potência e espectro à 5GHz Melhoria dos mecanismos de autenticação e segurança 9 3

4 1) Histórico 1. Primeira rede sem fio 2. IEEE Grupos de trabalhos 2. Evolução do padrão Hierarquia dos órgãos de padronização 10 Organizações Internacionais de Padronização ISO BSI British Standards Institute ANSI American National Standards Institute ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ) Introdução às redes locais sem fio Conteúdo Wireless LAN Redes Locais Sem Fio IEEE Objetivos do IEEE Bandas ISM 12 4

5 2) Introdução às redes locais sem fio Wireless LAN - WLAN: Wireless LAN Redes Locais Sem Fio Uma rede sem fio é um sistema que interliga vários equipamentos fixos ou móveis utilizando o ar como meio de transmissão [IEEE ] Uma WLAN converte pacotes de dados em onda de rádio ou infravermelho e os envia para outros dispositivos sem fio; Objetivos do IEEE Suportar diversos canais de comunicação; sobrepor diversas redes na mesma área de canal; apresentar robustez com relação a interferências; possuir mecanismos para evitar nós escondidos; oferecer privacidade e controle de acesso ao meio; Para tanto, o IEEE definiu um nível físico onde as transmissões são realizadas por rádio freqüência ou infravermelho, e um protocolo que controla o acesso ao meio de comunicação DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC); 13 2) Introdução às redes locais sem fio WLAN: Termo utilizado para definir qualquer um dos seguintes padrões definidos pelo IEEE: IEEE : Velocidade limitada a 2 Mbps em 2.4GHz. IEEE b Velocidade limitadaa 11 Mbps em 2.4GHz. IEEE a Velocidade limitada a 54 Mbps em 5 GHz. IEEE g Velocidade em torno de 20Mbs em 2.4GHz. 14 2) Introdução às redes locais sem fio Bandas ISM disponíveis para uso público; Atualmente quem regulamenta o uso das bandas de freqüência no Brasil é a Anatel; Nos EUA é a FCC (Federal Communications Commission) Bandas ISM 900 MHz 2.4 GHz 5 GHz EUA MHz (26 MHz) 2.4 a (83.5 MHz) 5.15 a 5.35 e (300 MHz) Europa MHz (26 MHz) 2.4 a (83.5 MHz) 5,15 a 5,35 e 5.47 a (455 MHz) Japão a (16 MHz) 5.15 a 5.25 (100 MHz) Qual eh o problema de se ter bandas ISM em faixas de freq. diferentes? 15 5

6 3) - Topologia do Conteúdo Topologia do IEEE Arquitetura da rede Redes AD HOC Redes Infraestruturada Arquitetura Lógica do Camada Física Camada Enlace 16 3) - Topologia do A topologia do IEEE consiste da interação dos componentes de rede para prover uma WLAN que possibilite a mobilidade das estações transparentemente para os protocolos de níveis mais altos; Por ex.: IP,TCP, UDP... O padrão suporta as seguintes duas topologia: Independent Basic Services Set (IBSS) Networks Extended Service Set (ESS) Networks 17 Topologia do Independent Basic Services Set (IBSS) Networks Uma IBSS é uma rede que não tem um backbone de infraestrutura e consiste de pelo menos duas estações wireless. Este tipo de rede é comumente conhecido como AD HOC. Extended Service Set (ESS) Networks Uma ESS possui um backbone de infraestrutura para viabilizar a comunicação entre as estações na rede sem fio (wireless) e na rede fixa (wired) 18 6

7 Topologia do O define duas formas de organizar as redes WLAN: Ad-hoc: Apenas computadores (2 ou mais) isolados formam uma rede Workgroup. Infraestrutura: Computadores e um Access Point que permite a integração desses computadores com uma rede fixa. 19 Topologia do Ad-Hoc AD-HOC Ad-hoc: Sem estrutura pré-definida. Cada computador é capaz de se comunicar com qualquer outro. Pode ser implementada através de técnicas de broadcast ou mestre escravo. Também chamado de IBSS: Independent Basic Service Set. Rede wireless isolada 20 STA - Station Topologia do Ad-Hoc STA STA IBSS Como eh formada a rede em uma topologia IBSS ou AD-HOC??? STA 21 7

8 3) - Topologia do Conteúdo Topologia do IEEE Arquitetura da rede Redes AD HOC Redes Infraestruturada Arquitetura Lógica do Camada Física Camada Enlace 22 Topologia do Infra-estrutura INFRA-ESTRUTURA Linha Física Ponto de acesso Rede wireless integrada a uma rede física Infra-estrutura: Os computadores se conectam a um elemento de rede central denominado access point. Uma WLAN pode ter vários access points conectados entre si através de uma rede física. Funciona de maneira similar as redes celulares. 23 Topologia do Infra-estrutura O padrão IEEE define uma arquitetura para as redes sem fio, baseada na divisão da área coberta pela rede em células; Os elementos que compõem essa arquitetura são descritos abaixo: BSA (Basic Service Area) - Conhecidas também como células. O tamanho da BSA (célula) depende das caracteristicas do ambiente e da potência dos transmissores/receptores usados nas estações; BSS (Basic Service Set) representa um grupo de estações comunicando-se por radiodifusão ou infravermelho em uma BSA; AP (Access Point) ou Ponto de Acesso são estações especiais responsáveis pela captura das transmissões realizadas pelas estações de sua BSA, destinadas a estações localizadas em outras BSAs, retransmitindo-as, usando um sistema de distribuição; Uma das funções do access point é implementar uma ponte entre a rede wireless e a rede física; 24 8

9 Topologia do Infra-estrutura DS (Distribution System) representa uma infraestrutura de comunicação que interliga múltiplas BSAs para permitir a construção de redes cobrindo áreas maiores que uma célula; ESA (Extended Service Area) representa a interligação de vários BSAs pelo sistema de distribuição através dos Aps; ESS (Extended Service Set) - Conjunto de estações formado pela união de vários BSSs conectados por um sistema de distribuição; 25 Topologia do Infra-estrutura Modo infraestruturado Basic Service Set (BSS) com apenas um Access Point (AP) BSS AP STA 26 Topologia do Infra-estrutura Modo infraestruturado Extended Service Set (ESS) Sistema de Distribuição (Rede FIXA, cabeamento: Par Trançado, Cabo Coaxial, Fibra optica, Rede wireless.) ESA STA ESS STA STA BSS-A AP Sistema de Distribuição AP BSS-B Servidor WEB 27 9

10 Topologia do Infra-estrutura BSS-ID: MAC Address do AP ESS-ID: walunos Encription key: NW-ID: BSS-ID + ESS-ID STA ESS STA STA BSS-A AP Sistema de Distribuição AP BSS-B Servidor WEB 28 Topologia do Infra-estrutura O padrão IEEE reconhece os seguintes tipos de mobilidades: No-transition: Este tipo de mobilidade diz respeito às estações que se movimentam somente dentro da sua BSS local; BSS-transition: Este tipo de mobilidade diz respeito às estações que migram de um BSS em um ESS para um outro BSS dentro do mesmo ESS; ESS-transition: Este tipo de mobilidade se refere ás estações que migram de um BSS em um ESS para um BSS em um ESS diferente; ESSE TIPO DE MOBILIDADE NAO E GARANTIDA PELO PADRAO 29 3) - Topologia do Conteúdo Topologia do IEEE Arquitetura da rede Redes AD HOC Redes Infraestruturada Arquitetura Lógica do Camada Física Camada Enlace 30 10

11 3.1) - Arquitetura Lógica do A topologia provê um meio de explicar os componentes físicos necessários de uma rede, mas a arquitetura lógica define as operações e funcionamento da rede; A arquitetura lógica do padrão aplicada em cada estação consiste de um único nível MAC (para Controlar o Acesso ao Meio) e um dos múltiplos níveis físicos existentes; ) - Arquitetura Lógica do Frequency Hopping Direct Infrared Sequence Light 32 APLICAÇÃO 3.1) - Arquitetura Lógica do RM-OSI da ISO APRESENTAÇÃO SESSÃO TRANSPORTE REDE ENLACE DE DADOS FÍSICA LLC MAC PHY IEEE

12 4) - Camada Física (IEEE ) Conteúdo Tipos de camada: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Infrared Light 34 4) - Camada Física (IEEE ) A camada Física é responsável pela transmissão dos dados; O define três tipos de camada física: Dois destes usam transmissão por Radio Frequencia: 1 - FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum): espalhamento de espectro por salto em freqüências; 2 - DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): espalhamento de espectro por seqüência direta; E o terceiro usa transmissão por feixes de luz Infra-Vermelho 3 - Infravermelho Todas as camadas físicas do incluem a provisão de um sinal de avaliação de canal livre (Clear Channel Assessment signal - CCA); Este sinal indica o estado atual do uso do meio sem fio. Esse sinal é utilizado pelo MAC para verificar se o meio está livre; 35 4) - Camada Física (IEEE ) Operações da camada Física: Carrier Sense: para determinar o estado do meio; Transmit: para enviar octetos dos frames de dados; Receive: para receber octetos do frame de dados; 36 12

13 4) - Camada Física (IEEE ) - FHSS Tipos da camada física: FHSS é uma técnica de espalhamento de espectro; A largura de banda total de 2.4GHz disponível é dividida em canais de freqüências; O transmissor e o receptor transmitem utilizando um desses canais por um certo tempo (dweel time) e depois saltam para outro canal; A transmissão dos dados na camada física (PPDUs) de canal em canal é realizada de acordo com uma seqüência de saltos pseudo-randômicos que distribui uniformemente no tempo o sinal dentro da banda de freqüência disponível; O conjunto de seqüência de saltos é definido pelo AP (beacon). As estações automaticamente sincronizam com a seqüência de salto corretas; 37 4) - Camada Física (IEEE ) - FHSS Tipos da camada física: O padrão define um conjunto de seqüência específicos. Por ex.: EUA e maior parte da Europa utilizam 78 seqüências e o Japão 12 seqüências; Esse conjunto de saltos de seqüência proporciona maior segurança e menor susceptibilidade à interferência eletromagnética; PORQUE??? A seqüência de saltos pode ser selecionada através de um utilitário de configuração do AP; O dwell time também pode ser configurado de acordo com a sua necessidade; Se não existe muita chance de interferência/colisão, selecione o maior dwell time possível; Se existe muita chance de interferência/colisão, selecione o menor dwell time possível para reduzir a quantidade de tempo que a interferência/colisão pode ocorrer; 38 4) - Camada Física (IEEE ) - FHSS Frequency (MHz) Hop Sequences Time 39 13

14 4) - Camada Física (IEEE ) - FHSS Lista de freqüências ordenadas pseudorandômicas (FCC ) 78 padrões de freqüência organizadas em 3 grupos de 26 padrões cada (b[i]+k) mod 79 onde: b[i] é a freqüência de base.» 2042, 2456, 2472, 2447, etc. k é o número da seqüência pseudo-randômica. 40 4) - Camada Física (IEEE ) - FHSS FHSS Usa a banda ISM de 2.4GHz (2,400GHz até 2,480GHz); Taxas de transmissão: 1Mbps (2Mbps opcional); Transmissão em 79 canais de 1MHz Mínimo de 2.5 hops por segundo (400ms entre cada hop); AP é o mestre e envia periodicamente sinais de controle beacons para informar as unidades móveis o conjunto de saltos de frequência, Sequência e tempo 41 4) - Camada Física (IEEE ) - FHSS FHSS A taxa de 1 Mbps usa modulação gaussiana por chaveamento de freqüência de dois níveis (Gaussian Frequency Shift Keying - GFSK); A taxa de acesso opcional de 2 Mbps usa modulação GFSK de quatro níveis; 42 14

15 4) - Camada Física (IEEE ) Conteúdo Tipos de camada: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) InfraRed 43 4) - Camada Física (IEEE ) - DSSS DSSS é um outro método de espalhamento de espectro, no qual diferentes transmissões simultâneas são separadas por códigos e não por freqüências como no FHSS. DSSS também utiliza a banda ISM de 2,4 GHz A taxa básica de 1 Mbps é gerada através de uma modulação diferencial binária por chaveamento de fase (Differential Binary Phase Shift Keying - DBPSK) A taxa de 2 Mbps usa modulação diferencial quaternária por chaveamento de fase (DQPSK); 44 Seqüência de Baker Chipping Code / Processing Gain Cada símbolo é espalhado usando a seqüência de Barker de 11 chips; (+1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1) Técnica para tornar o sinal mais robusto em relação ao ruído: Cada bit é representado por um símbolo (CHIP), contendo vários bits; A redundância do sinal permite verificar e compensar erros; O ganho de processamento aumenta a resistência do sinal a interferência Seqüência de bits de dados Seqüência de Símbolos Chipping Code: 0 = = Data Stream:

16 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Nesta técnica, a banda de 2.4GHz é dividida em 14 canais de 22MHz. Canais adjacentes sobrepõe um ao outro parcialmente, com 3 dos 14 canais sendo totalmente não sobrepostos. Os dados são enviados por um destes canais de 22MHz sem saltos para outras freqüências. 46 Canais WLAN Observa-se que apesar da modulação DSS definir 14 canais, apenas 3 não são sobrepostos. 47 Número de Canais WLAN A faixa de freqüências disponível, GHz (83,5 MHz) permite acomodar até 3 canais WLAN sem sobreposição. Ou seja, num mesmo espaço físico pode ser estabelecidos até três comunicações simultâneas sem interferência

17 5) - Camada MAC (IEEE ) Conteúdo Parte 1 Introdução ao MAC Funções de coordenação para acesso ao meio DCF PCF Parâmetros de espera para acesso ao meio DIFS, PIFS, SIFS,EIFS DCF DCF Básico ou CSMA/CA NAV (Network Allocation Vector) Backoff time DCF com solicitações (RTS) e permissões (CTS) de transmissão Problema do nó escondido Fragmentação PCF Superquadro para coexistência do PCF e DCF 49 5) - Camada MAC (IEEE ) Controle de acesso ao meio wireless; Junção a uma rede; Implementar mecanismos de gerenciamento; Prover autenticação e privacidade; 50 5) - Camada MAC (IEEE ) Para permitir a construção de redes WLAN com muitos computadores e apenas três canais disponíveis, um protocolo de controle de acesso ao meio foi definido pelo IEEE ; Este protocolo é implementado pela camada MAC, sendo responsável por evitar colisões entre os computadores que utilizam o mesmo canal; 51 17

18 5) - Camada MAC (IEEE ) Conteúdo Parte 1 Introdução ao MAC Funções de coordenação para acesso ao meio DCF PCF Parâmetros de espera para acesso ao meio DIFS, PIFS, SIFS,EIFS DCF DCF Básico ou CSMA/CA NAV (Network Allocation Vector) Backoff time DCF com solicitações (RTS) e permissões (CTS) de transmissão Problema do nó escondido Fragmentação PCF Superquadro para coexistência do PCF e DCF 52 5) - Camada MAC (IEEE ) O controle de acesso ao meio do é baseado em funções de coordenação; Uma função de coordenação determina qual estação tem permissão para transmitir e receber dados utilizando o meio sem fio; O IEEE define duas funções de coordenação: Função de Coordenação Distribuida DCF (Distributed Coordination Function) de implementação obrigatória que proporciona uma acesso com contenção; Função de Coordenação Centralizada PCF (Point Coordination Function) de implementação opcional, provê um acesso sem contenção; 53 5) - Camada MAC (IEEE ) A PCF utiliza as regras de acesso da função distribuída para estabelecer os serviços de acesso sem contenção; MAC PCF Point Coordination Function Distributed Coordination Function DCF Em todos métodos de acesso, há diversos parâmetros para controlar o tempo de espera antes do acesso ao meio. Para transmitir um quadro, uma estação deve sentir o meio livre por um período de silêncio mínimo, IFS (Inter Frame Space) antes de utilizá-lo; Utilizando valores diferentes para isso

19 5) - Camada MAC (IEEE ) Distributed Inter Frame Spacing (DIFS) espaço entre quadros da DCF, este parâmetro indica o maior tempo de espera para transmitir um quadro; Short Inter Frame Space (SIFS) é usado para transmissão de quadros carregando respostas imediatas, como ACK, CTS que possuem mais alta prioridade; Priority Inter Frame Space (PIFS) espaço entre quadros da PCF, um tempo de espera entre o DIFS e o SIFS. Usado para o serviço de acesso que necessita de um retardo de transferência limitado; Extended IFS (EIFS) Tempo de espera por um ACK; Tempo este maior do que DIFS; 55 5) - Camada MAC (IEEE ) 56 5) - Camada MAC (IEEE ) Conteúdo Parte 1 Introdução ao MAC Funções de coordenação para acesso ao meio DCF PCF Parâmetros de espera para acesso ao meio DIFS, PIFS, SIFS,EIFS DCF DCF Básico ou CSMA/CA NAV (Network Allocation Vector) Backoff time DCF com solicitações (RTS) e permissões (CTS) de transmissão Problema do nó escondido Fragmentação PCF Superquadro para coexistência do PCF e DCF 57 19

20 5) - Camada MAC (IEEE ) Função de Coordenação Distribuída DCF Utiliza um protocolo de acesso múltiplo com detecção de portadora, conhecido como CSMA/CA (Carrier-sense multiple access with collision avoidance); CSMA/CA é baseado em contensão similar ao CSMA/CD (IEEE 802.3) utilizado nas rede Ethernet; Uma combinação dos mecanismos de detecção virtual e física da portadora possibilitam a função de coordenação do MAC determinar se o meio está ocupado ou ocioso; Nesse tipo de protocolo de acesso múltiplo, um nó que queira transmitir dados escuta o meio por um período fixo de tempo, antes de iniciar a transmissão, para detectar se ele está ou não ocupado; A diferença do CSMA/CA para o CSMA/CD é que a detecção de colisão não é realizada no meio sem fio; O CSMA/CA tentar evitar a colisão ao invés de detecta-la durante a transmissão como faz o CSMA/CD; Detectar a colisão exigiria projeto de equipamentos de rádio complexos e mais caros, com capacidade de transmitir e receber ao mesmo tempo; 58 5) - Camada MAC (IEEE ) Como dito anteriormente o acesso utilizando a DCF pode ainda ser realizado de duas formas: Um esquema básico usando o CSMA/CA, de implementação obrigatória; Um esquema de acesso opcional que adiciona ao esquema básico o emprego de quadros de pedidos (Request to Send - RTS) e permissões (Clear to Send - CTS) para transmitir; 59 5) - Camada MAC (IEEE ) DCF com CSMA/CA DCF usando o CSMA/CA (CASO 1): START Detecção de colisão por reconhecimento positivo!!! Sender Medium Idle = DIFS? Yes Transmit Receiver CRC OK? Wait SIFS to send ACK ACK Yes Sender: Receive Acknowledge? Yes No Incorrect FCS value ERROR DONE 60 20

21 CSMA/CA Caso 1 CSMA/CA (Caso 1): A) O computador escuta o meio antes de transmitir; Se estiver livre espera DIFS; Se após DIFS o meio ainda continua livre, a estação transmite o quadro; B) Receptor recebe o quadro e checa o CRC, se não tiver erro envia ACK (Reconhecimento para confirmar que o quadro foi recebido com sucesso); C) O receptor ouve o meio, caso ele esteja livre por um tempo SIFS, o ACK é enviado; 61 5) - Camada MAC (IEEE ) DCF com CSMA/CA CSMA/CA (Caso 2): DCF utilizando CSMA/CA para controlar acesso ao meio para um transmissor qualquer... START No Random Backoff Time No Porque o backoff time e necessario?? Yes NAV=0? Yes Sense the medium Medium Idle = DIFS? Yes Transmit Frame Collision? No Frame Transmission Sucessful 62 5) - Camada MAC (IEEE ) Detecção virtual da portadora através do NAV: O MAC implementa a detecção da portadora virtual com base na informação de reserva de uso do meio sem fio encontrada no campo Duration de todos os quadros; Esta informação anuncia para todas as estações por quanto tempo uma determinada estação vai estar utilizando o meio; A função de coordenação do MAC irá monitorar o campo Duration de todos os quadros MAC da rede e, colocará esta informação no NAV (Network Allocation Vector) da estação se o valor detectado é maior que o valor do NAV corrente; Cada estação possui um NAV local; 63 21

22 CSMA/CA : 5) - Camada MAC (IEEE ) DCF com CSMA/CA 64 5) - Camada MAC (IEEE ) DCF com CSMA/CA 65 5) - Camada MAC (IEEE ) Random Binary Exponential Backoff Time: Tempo de recuo exponencial binário randômico; Backoff Time = Random( ) * aslottime; Random valor aleatório, a partir de uma distribuição uniforme no intervalo [0,CW]; CW = Contention Window; O número randômico deve ser independente entre as estações CW é um inteiro dentro do intervalo de valores acwmin e acwmax; aslottime corresponde ao atraso máximo de propagação de ida e volta de um quadro dentro de um BSS, incluindo ainda um tempo de processamento no receptor; No início CW é igual a acwmin, CW é incrementado de forma exponencial a cada nova retransmissão do mesmo quadro até atingir acwmax; 66 22

23 5) - Camada MAC (IEEE ) Random Binary Exponential Backoff Time: (CONT.) Backoff Time = Random( ) * aslottime; (Continuação) O temporizador Backoff time é decrementado caso não haja transmissão no meio; Se alguma transmissão for detectada, o temporizador é paralisado e só é reiniciado quando o meio ficar livre novamente por um tempo DIFS; Quando finalmente o temporizador expira, a estação envia o seu quadro; Dessa forma, o backoff time evita sucessivas colisões entre estações que estão tentando transmitir simultaneamente, pois distribui no tempo as tentativas de transmissão; 67 5) - Camada MAC (IEEE ) Random Binary Exponential Backoff Time: (CONT.) Caso a estação transmissora não receba o ACK ela deduz que houve colisão e entra no procedimento de backoff; Caso um número máximo de tentativas de retransmissões seja alcançado (7 por default) o quadro é descartado; O procedimento de backoff time também é executado após cada transmissão bem sucedida de uma estação, para evitar que ela capture o meio, impedindo as demais de transmitir; Porque??? No b DSSS a duração do SIFS é de 10ms Slottime é 20ms DIFS = SIFS + 2 * slottime == 50ms 68 5) - Camada MAC (IEEE ) Conteúdo Parte 1 Introdução ao MAC Funções de coordenação para acesso ao meio DCF PCF Parâmetros de espera para acesso ao meio DIFS, PIFS, SIFS,EIFS DCF DCF Básico ou CSMA/CA NAV (Network Allocation Vector) Backoff time DCF com solicitações (RTS) e permissões (CTS) de transmissão Problema do nó escondido Fragmentação PCF Superquadro para coexistência do PCF e DCF 69 23

24 5) - Camada MAC (IEEE ) DCF com RTS e CTS Segundo esquema de acesso usado no DCF Este esquema utiliza pedidos (RTS) e permissão de transmissão (CTS); START Backoff Time No NO Yes Is Anyone Talking? Wait DIFS No Transmit Request to Send Clear to Send? Wait SIFS Yes Transmit Receive Acknowledge? Yes DONE 70 5) - Camada MAC (IEEE ) DCF com RTS e CTS O IEEE é incapaz de determinar se ocorreram colisões. Por isso cada pacote recebido corretamente é verificado pelo receptor. transmissor RTS (Ready to Send) Tamanho do pacote CTS (Clear to Send) Tamanho do pacote receptor Pacote de dados Verifica CRC ACK (Clear to Send) 71 Problema do Nó Escondido A troca de RTS e CTS é feita para evitar colisões entre nós que estão em regiões de cobertura diferente. B recebe quadros de dois diferentes transmissores A e C, porém estes transmissores estão fora de alcance um do outro 72 24

25 5) - Camada MAC (IEEE ) DCF com RTS e CTS Porque DCF com RTS e CTS resolve o problema do no escondido??? 73 5) - Camada MAC (IEEE ) DCF com RTS e CTS Com esse mecanismo (RTS e CTS), colisões só podem acontecer no início (quado RTS está sendo enviado); A estação só irá utilizar o RTS somente na transmissão de quadros com tamanhos maiores que o limiar por causa do overhead (das msgem de controle), caso contrário, utilizará o esquema básico (CSMA/CA); O RTS e o CTS é controlado em cada estação através de um parâmetro configurável chamado de limiar de RTS (RTS threshold ); 74 5) - Camada MAC (IEEE ) Fragmentação de Quadros Campos de controle para implementar fragmentação: Duration: tempo de transmissão de todos fragmentos de um frame Control Frame More Fragments,... Sequence Number,

26 5) - Camada MAC (IEEE ) Conteúdo PARTE 1 Introdução ao MAC Funções de coordenação para acesso ao meio DCF PCF Parâmetros de espera para acesso ao meio DIFS, PIFS, SIFS,EIFS DCF DCF Básico ou CSMA/CA NAV (Network Allocation Vector) Backoff time DCF com solicitações (RTS) e permissões (CTS) de transmissão Problema do nó escondido Fragmentação PCF Superquadro para coexistência do PCF e DCF 76 5) - Camada MAC (IEEE ) PCF com Polling Diferentemente da DCF sua implementação é opcional; No modo PCF um ponto de coordenação controla o acesso ao meio, através de consulta periódica (polling) às estações relacionadas em uma lista de consulta, proporcionando a estas estações uma oportunidade para transmitirem sem contenção; Nem todas estações de um BSS precisam estar na lista de consulta, apenas aquelas que precisam de um serviço sem contenção; O ponto de coordenação, geralmente localizado no próprio ponto de acesso, divide o tempo de acesso em períodos chamados de superquadros; As duas técnicas (DCF e PCF) podem coexistir; 77 5) - Camada MAC (IEEE ) PCF com Polling Cada superquadro compreende um período livre de contenção ou CFP (Contention Free Period) que usa o modo PCF, e um com contenção ou CP (Contention Period), que usa o modo DCF. Ponto de coordenação inicia e controla o CFP; Ele escuta o meio por um tempo PIFS e, então começa o período através da difusão de um sinal de beacon; Este sinal contém a duração máxima do período livre de contenção (CFPmaxduration); Ao receberem o beacon, todas as estações (inscritas ou não na lista de consulta) atualizam o NAV com o valor CFPmaxduration; Durante o CFP o coordenador consulta as estações inscritas na lista para saber se tem algo para transmitir; Ele também utiliza a técnica de piggyback para agilizar a comunicação; Após o CFP inicia-se um período com contenção (CP) onde as estações utilizarão apenas as regras do modo DCF; 78 26

27 5) - Camada MAC (IEEE ) PCF com Polling Erro 79 5) - Camada MAC (IEEE ) Conteúdo Parte 2 Estrutura do quadro MAC Questões de Segurança WEP Autenticação Criptografia dos dados 80 5) - Camada MAC (IEEE ) Tipos de Frames Os principais tipos de frames são: Data Frames: Frames para transmissão de dados; Control Frames: São frames utilizados para controle de acesso ao meio, entre eles estão RTS, CTS e ACK; Management Frames: São frames transmitidos da mesma forma que os frames de dados, porém com informações de gerenciamento. Estes frames não são repassados para as camadas superiores da pilha de protocolo; 81 27

28 5) - Camada MAC (IEEE ) Estrutura dos Frames O formato do frame consiste de um conjunto de campos em uma ordem específica em todos os frames. Alguns campos só estão presentes em alguns tipos de frames,dentre eles estão: Address 2, Address 3, Sequence Control, Address 4 e Frame Body. 82 5) - Camada MAC (IEEE ) Campo Frame Control Este campo está presente em todos os frames transmitidos, tem o seguinte formato: 83 Descrição dos Campos Protocol Version (2 bits): versão atual: 0. Type (2 bits): 00: Management, 01: Control, 10: Data, 11: Reservado Subtype (2 bits): Sua interpretação depende do campo tipo. Pode indicar frames do tipo RTS, CTS, etc

29 Descrição dos Campos ToDS/FromDS (2 bits): 0 0: Uma estração para outra 1 0: O frame tem como destino o DS (AP) 0 1: O frame tem como origem o DS (AP) 1 1: O frame está sendo distribuído de um AP para outro (WDS) More Fragments (1 bit): O valor 1 indica mais que existem mais Fragmentos pertencentes ao mesmo frame. 85 Descrição dos Campos Retry (1 bit): O valor 1 indica que o frame está sendo retransmitido. Power Management (1 bit): O valor 1 indica que a estação entrará em modo econômico de energia, 0 indica que estará no modo ativo. More Data (1 bit): Indica se há mais frames a serem transmitidos do AP para a estação, este campo é utilizado em conjunto com o Power Management para que a estação não entre no modo econômico, 86 Descrição dos Campos WEP (1 bit): O valor 1 indica que frame está sendo transmitido em modo criptografado. Order: Indica se o frame esta sendo transmitido utilizando uma classe de serviço StrictOrder (1 bit): onde o valor 1 indica que o frame está sendo transmitido utilizando o StrictOrder (usado quando há fragmentação)

30 Endereços MAC Endereços 1,2,3,4: Indica endereços IEEE MAC da origem e destino, finais e intermediários. O significado destes campos depende da combinação ToDS/FromDS do frame. Os possíveis endereços contidos nestes campos são: DA (Destination Address) SA (Source Address) RA (Receiver Address): TA (Transmiter Address) BSSID (Basic Service Set Identification) 88 Endereços MAC DA (Destination Address): É o endereço do destino final do frame. SA (Source Address): É o endereço de origem do frame, ou seja, da primeira estação a transmiti-lo. RA (Receiver Address): É o endereço que determina o destino imediato do quadro, por exemplo, o endereço do AP (Access Point). TA (Transmitter Address): É o endereço que determina a estação que transmitiu o frame, esta estação pode ser um ponto intermediário da comunicação, por exemplo, um AP (Access Point). BSSID (Basic Service Set Identification): É a identificação da BSS em que se encontram as estações. Utilizado também para limitar o alcance de broadcasts. 89 Endereços MAC TRANSMISSOR SA: Source Address ACCESS POINT RA: Receiver Address TA: Transmitter Address RECEPTOR DA: Destination Address 90 30

31 Endereçamento WLAN 1=indo para um AP destino físico origem ou destino final 1=vindo de um AP origem física 91 5) - Camada MAC (IEEE ) Conteúdo Parte 2 Estrutura do quadro MAC Questões de Segurança WEP Autenticação Criptografia dos dados Outros Aspectos 92 Riscos de Segurança das Redes Wireless Redes Wireless são mais inseguras do que as redes físicas: As informações podem ser copiadas por dispositivos receptores colocados sem permissão; Serviços de rede podem ser retirados (deny of service) por estações que entram na rede sem permissão; Ao contrário das redes físicas, os ataques podem ser feitos por indivíduos sem acesso a uma porta de Hub ou Switch; 93 31

32 5) - Camada MAC (IEEE ) WEP Recursos de segurança primarios e ineficientes: ESS-ID Restrição de acesso atraves do MAC Address Para que as redes Wireless possam ser implementadas num ambiente corporativo, o IEEE define a implementação de um protocolo de segurança denominado WEP: Wireless Equivalent Privacy O IEEE tem duas versões de WEP definidas: WEP 1: 64 bits Chaves de 40 e 24 bits. WEP2: 128 bits Chaves de 104 e 24 bits. 94 WEP 1 Os princípios do WEP são: Razoavelmente forte; Auto- sincronizado (para estações que entram e saem na área de cobertura); Computacionalmente eficiente (pode ser implementado por hardware ou software); Opcional (sua implementação não é obrigatório em todos os sistemas IEEE ). 95 Segurança no WEP O WEP especifica dois recursos de segurança: Autenticação Criptografia A criptografia é baseada numa técnica de chave secreta. A mesma chave é utilizada para criptografar e decriptografar dados. Dois processos são aplicados sobre os dados a serem transmitidos: Um para criptografar os dados. Outro para evitar que os dados sejam modificados durante a transmissão (algoritmo de integridade)

33 Autenticação A autenticação pode ser de dois tipos: Open System Sistema Aberto, isto é, sem autenticação. A estação fala com qualquer outra estação da qual receba sinal. Chave Compartilhada (Shared Key) As estações precisam provar sua identidade para rede antes de transmitir qualquer informação para outras estações. No modo infra- estrutura a autenticação é implementada pelo Access Point. 97 Autenticação 1. A estação solicitante envia um frame de autenticação para o Access Point ("AP"). 2. O AP responde para estação com uma mensagem de 128 bytes denominada challenge text ( CT ). 3. A estação solicitante criptografa o CT com a chave compartilhada e envia para o AP. 4. O AP decriptografa o CT e compara com o que enviou. Se for igual a autenticação é aceita, caso contrário, rejeitada. 98 Transmissão: Criptografia Chave Secrecta Gerador de Números Pseudo-Randômicos (RC4) Algoritmo de Integridade (CRC 32) Dados (plaintext) Valor de Verificação de Integridade - ICV (32 bits) XOR Key Sequency Tamanho = dados + CRC CipherText 99 33

34 Transmissão 1) O WEP computa o cheksum da mensagem: c(m) que não depende da chave secreta K, 2) Usa RC4 para gerar um keystream: RC4(v,k); 3) Computar o XOR de c(m) com o keystream RC4(v,k) para determinar o ciphertext (texto encriptado); 4) Transmitir o ciphertext pelo link de rádio; 100 Recepção: Decriptografia Chave Compartilhada (40 bits) Gerador de Números Pseudo-Randômicos (RC4) CipherText Algoritmo de Decriptografia Key Sequency Tamanho = dados + CRC PlainText Algoritmo de Integridade (CRC 32) ICV Comparador 101 Recepção 1) Computa o XOR do ciphertext com o keystream RC4(v,k). 2) Checar se c'=c(m') e caso seja aceitar que M' como a mensagem transmitida

35 Overhead no WEP Os dados realmente transmitidos é composto por três campos: Dados (criptografado). Valor de Integridade (criptografado). Vetor de Inicialização (em aberto). IV (4 bytes) Dados (>= 1 byte) ICV (4 bytes) criptografado 103 Outros Aspectos Endereçamento: Mesma técnica de endereçamento de 48 bits utilizados por outros protocolos IEEE 802. Sincronização de Relógios: Mensagens denominadas Time Beacon são enviadas periodicamente pelo Time Master para resincronizar os relógios das estações de trabalho. No modo infra-estrutura, o Time Master é o Access Point; Economia de Energia: Os Time Beacon são utilizados também para acordar os computadores que entram em estado de dormência para economizar energia Extensões do O grupo de trabalho do estendeu o padrão inicial definindo novas características para o nível físico e MAC. Cada extensão proposta é identificada por uma letra em particular; O IEEE 802 tem proposto inúmeras extensões do padrão inicial com intuito de complementar o padrão inicial, disponibilizando taxas de transmissão mais altas, suporte a QoS, segurança para transmissão das informações, maior interoperabilidade com outros padrões fora do ,... As extensões propostas identificadas por uma sopa de letrinhas são: a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, l, m

36 Padrão IEEE a Esta nova especificação surgiu principalmente da necessidade de uma maior taxa de transferência; Outro fator de grande influência foi a grande quantidade de dispositivos utilizando a faixa de 2.4GHz, como por exemplo: redes b, telefones sem fio, microondas, dispositivos bluetooth, HomeRF, etc... Atuando na faixa de 5GHz, os ruídos e trafego gerado pelos dispositivos anteriormente citados não interferem na comunicação desta rede; Finalizado e publicado no final de 1999; 106 Padrão IEEE a As faixas utilizadas na banda não licenciada de 5GHz pelo a variam conforme o país; Vide tabela com faixas ISM apresentada anteriormente; O a define taxas de transmissão até 54 Mbps, utilizando a OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ao invés da Spread Spectrum; 107 Padrão IEEE a As taxas de transmissão suportada são: 6,9,12, 18, 24, 36, 48 e 54Mbps; sendo que as taxas de 6, 12, e 24Mbps são obrigatórias para os produtos que implementam o padrão. IEEE a tem uma camada física incompatível com a versão IEEE b: Modulação Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Esta modulação tem um overhead menor que a DSSS (praticamente dobra a eficiência de uso da banda disponível)

37 Padrão IEEE a A camada MAC do IEEE a é idêntica ao IEEE b. As desvantagens momentâneas: A freqüencia de 5GHz faz com que o sinal se atenue duas vezes mais rápido que em 2.4GHz. Um grande problema que os fabricantes vêm enfrentando para a implementação desta especificação é o alto consumo de energia que os dispositivos utilizam. 109 Padrão IEEE a As desvantagens momentâneas: (Cont...) Alto preço dos produtos que implementam esta tecnologia; Área de cobertura pequena devido à alta freqüência; Limite de interoperabilidade com outras tecnologias, por ex b e g; Seu maior ponto fraco é não poder ser utilizado na Europa devido à norma que determina os padrões HiperLan do ETSI. O HiperLan é um padrão europeu para redes locais sem fio que opera na faixa de freqüência 5,15-5,3 coincidindo com a U-NNI (padrão americano); h se propõe a propor uma solução para a coexistência dos dois padrões na mesma faixa do espectro. 110 Padrão IEEE b O IEEE b define um nível físico que utiliza DSSS de taxas altas (Hight Rate Direct Sequence Spread Spectrum- HR- DSSS) como uma extensão do DSSS do padrão ; HR- DSSS opera na faixa de freqüência de 2.4GHz incluindo as taxas de transmissão de 5.5Mbps e 11Mbps adicionalmente as taxas de 1Mbps e 2Mbps do padrão inicial; Finalizado e publicado no final de 1999; Atualmente é a implementação WLAN mais comumente utilizada;

38 Padrão IEEE b Interoperável com a implementação do DSSS definido no padrão do Sendo assim, Compatível com o padrão inicial; Para prover taxas de transmissão de dados mais altas, o b utiliza CCK (Complementary Code Keying), uma técnica de modulação que torna mais eficiente o uso do espectro de rádio; CCK é uma técnica mais eficiente de implementar o CHIPPING CODE; 112 Padrão IEEE c Objetivo: O grupo de trabalho IEEE c define os procedimentos necessários para garantir as operações das pontes (bridges) de forma apropriada. Suportar operações de bridge com o nível MAC do ; Suplemento ao ISO (IEEE 802.1D); Este padrão complementa o padrão IEEE para Lan Bridging (802.1d) para suportar frames sendo utilizado em dispositivos que implementam pontos de acesso Status do padrão: Finalizado; Este padrão já é parte do ISO (IEEE 802.1d) 113 Padrão IEEE d Acesso WLAN Global; Quando o tornou-se disponível, somente um conjunto de países (U.S, Europa e Japão) tinham regras definidas para as operações das redes wireless ; Objetivo: Prover meios para a utilização do nos diversos países do mundo; Definir os requisitos do nível físico (Canalização, padrões de saltos em freqüências,,...) para permitir equipamentos WLAN operar em mercados não servidos pelo padrão corrente/atual; Finalizado em 2001; Publicado como IEEE Std d

39 Padrão IEEE e Suporte a QoS; Aperfeiçoar o MAC do para prover e gerenciar a QoS, prover classes de serviço, e melhorias de confiabilidade na comunicação; Implementação de melhorias eficientes no DCF e no PCF; e está atualmente refinando a camada MAC do para prover QoS com a finalidade de suportar melhor as aplicações de áudio e vídeo; Devido o e atuar dentro do nível MAC, ele será comum para todos níveis físicos do e será compatível (em termos de comunicação) com as redes WLANs existentes; Status do Padrão: Em andamento Padrão IEEE f Desafio: O f tem que propor uma solução para o seguinte problema: Pontos de acesso de diferentes fabricantes podem não interoperar entre si durante uma operação de roaming. Objetivo: Desenvolver práticas recomendadas para o Inter-Access Point Protocol (IAPP) prover as habilidades necessárias para alcançar a interoperabilidade entre Access Point de fabricantes diferentes durante uma operação de roaming de um host móvel; Na ausência do f, devem ser utilizados pontos de acesso do mesmo fabricante para assegurar interoperabilidade durante a migração dos usuários entre as diferentes BSS; Status do padrão: Finalizado e publicado como uma prática dentro do padrão altamente recomendada; 116 Padrão IEEE g O propósito deste projeto é desenvolver uma extensão do nível físico do b definindo taxas de transmissão mais altas (até 54Mbps) na banda de 2.4Ghz; O novo padrão deve ser compatível com o inicial e com b; Possibilitando negociação de diferentes taxas de transmissão em uma mesma WLAN; Ele implementa todos requisitos obrigatório do b; Define uma taxa de pelo menos 20Mbps podendo chegar a 54Mbps; Utiliza Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ao invés da DSSS como base para prover taxas de transmissão de dados com mais alta velocidade

40 Padrão IEEE g A área de cobertura de um sinal que opera a uma taxa de 54 Mbps (802.11g) normalmente é menor do que o existente nos pontos de acesso do b operando a 11 Mbps; Por isso não pode ser feita uma substituição instantânea das redes b por g O g sofre os mesmos problemas de interferência de rádio freqüência do b por operar na banda de 2.4GHz; Status: Finalizado e publicado como parte do padrão b, sendo um melhoramento do padrão corrente; 118 Padrão IEEE h Adicionar seleção de canais indoor e outdoor para bandas isentas de licenças de 5GHz na Europa; O h melhora o meio físico e MAC do padrão a corrente para prover uma seleção de canal dinâmico (DCS) e um controle da capacidade de transmissão (TPC) para dispositivos operando na banda de 5GHz (802.11a); Através do uso do DCS e do TPC, o h será mais interoperável com o HiperLAN/2; Em circunstâncias normais, a inclusão do DCS e TPC fará com que o h seja o sucessor do a; Status: Em andamento Padrão IEEE i O i foi definido pela IEEE para suprir as deficiências de segurança e gerenciamento de chaves de criptografia realizado pelo wired equivalent privacy (WEP); Para resolver estes problemas o i irá incorporar o 802.1x [13] e técnicas de encriptação mais robustas, tais como AES (Advanced Encryption Standard); O 802.1x provê autenticação mútua entre clientes e pontos de acesso através de um servidor de autenticação (RADIUS), e implementa um mecanismo de distribuição das chaves dinamicamente para os dispositivos WLAN; Status: Em andamento

41 Padrão IEEE j Objetivo: Obter aprovação do MKK (òrgão que gerencia o espectro no Japão), para melhorar o nível MAC do corrente e nível físico do a para operar nas bandas de 4.9GHz e 5GHz recentemente disponíveis no Japão; 121 Padrão IEEE k Objetivo: Prover melhoria das medidas do uso dos mecanismos de rádio para prover interfaces para os níveis mais altos; Somente para uso interno do IEEE... Estas medidas auxiliam na elaboração de outros serviços: Por ex.: roaming, coexistência entre tecnologias diferentes. 122 Padrão IEEE l A letra L não vai ser utilizada pelo padrão no momento;

42 Padrão IEEE m Grupo responsável pela manutenção das correções técnicas e editoriais das especificações da camada física e enlace do padrão ; 124 Comparação entre padrões [a-b-g] b a g Data de publicação Junho de 1997 Setembro de 1999 Setembro de 1999 Janeiro de 2002 Draft Compatibilidade Somente e g Somente a e b Transferência de dados 1 e 2 Mbps Até 11Mbps Até 54Mbps Pelo menos 20Mbps Até 54Mbps Freqüência 2.4 GHz 2.4 GHz 5 GHz 2.4 GHz Meio Físico FHSS ou DSSS Somente HR-DSSS Somente OFDM OFDM/DSSS 125 Estado da arte dos projetos WLAN Camada Fisica

43 Estado da arte dos projetos WLAN Camada MAC Equipamentos Wireless Rede no modo de infraestrutura Wireless Fidelity Wi-Fi Wi-Fi ou Wireless Fidelity é uma associação internacional formada em 1999 para certificar a interoperabilidade dos produtos WLAN baseados no padrão , conhecida pelo nome Wireless Ethernet Compatibility Alliance. O certificado Wi-Fi garante que o produto passou por testes rigorosos de interoperabilidade, e assume que produtos de diferentes fabricantes podem interagirem entre si sem nenhum problema de compatibilidade; Recomendação: só compre equipamentos wireless com certificação Wi-Fi;

44 9 - Bibliografias Jim Geier; Wireless LANs, 2nd Edition; Published by SAMS, July 2001;