Redes de Comunicações 2. Redes sem Fio e Mobilidade

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1 Capítulo 2 N O T A S D E A U L A, R E V 3.0 U E R J F L Á V I O A L E N C A R D O R Ê G O B A R R O S Redes de Comunicações 2 Redes sem Fio e Mobilidade Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro falencarrb@gmail.com

2 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.1 Referência Principal: Computer Network: A Top-Down Approach Featuring the Internet J. F. Kurose, K. W. Ross, 7a.ed., Pearson, 2017

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6 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.5 Para nossos propósitos não conta a tecnologia 1G criada entre as décadas de 1970 e 1980 porque era essencialmente para chamadas de voz e tecnologia analógica. As tecnologias digitais que vieram a seguir incorporaram velocidades e capacidades crescentes: 2G velocidade até 144 Kbps, a partir do início dos anos 1990; 3G velocidade até 42 Mbps; 4G velocidade até 100 Mbps, a partir do meado dos anos 2000; 5G promete velocidades de 1 Gbps ou mais a partir de 2020 nos Jogos Olímpicos de Tóquio ou antes. No momento a ideia é fazer do 5G um conjunto de redes que farão conectar coisas simples e diversas ao mesmo tempo elas serão operadas em tempo (quase) real, tais como sensores (controle de ambientes produtivos, por exemplo, frota de caminhões conectados podem reduzir custos com logística), carros com ou sem motorista (em maio de 2017 a Verizon realizou transmissão ao vivo em realidade virtual a prova 500 Milhas de Indianápolis), drones (por exemplo, para o agricultor espargir defensivos agrícolas), sistemas de inteligência artificial, etc. Com estes objetivos a indústria está debatendo hoje padrões para isto, aparentemente a chinesa Huawey sai na frente. O hardware não é mais problema. Por exemplo, já desde 2015 se consegue transmitir dados sem fio à taxa vezes maior (1 Tbps) que a taxa média de download do 4G 1! 1 Surrey University, UK.

8 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.7 O resultado destas características do link sem fio é que torna a comunicação (mesmo ponto-a-ponto) muito mais difícil!

13 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.12 O padrão default é o b lançado em 1999, mas ao longo do tempo evoluções e melhoramentos foram surgindo. Em 2013/2014 surgiu IEEE ac. Ele opera com taxas nominais maiores que utilizam velocidade até quase 1 Gbps,

14 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.13 padronizando em 1300Mbps trabalhando na faixa de 5GHz, como ocorreu com o padrão n podendo propagar as ondas de modo uniforme para todas as direções. Os roteadores Wi-Fi reforçam o sinal para os locais onde há computadores conectados. Outra vantagem que o padrão AC ou AD traz é a possibilidade de conversar simultaneamente com diversos aparelhos conectados ao roteador sem qualquer interrupção. Por mais rápido que fosse o padrão N, ele só permitia que a conversa fosse feita com um dispositivo por vez. Com essa tecnologia, há uma potencial economia de energia nos dispositivos móveis. Existem ainda padrões P e S dedicados, respectivamente, para redes veiculares e redes mesh, mas a análise a este nível de detalhe foge do escopo deste curso. Camada Física original do Se apresenta em 3 possibilidades: 1) DSSS a 2,4 GHZ (ISM) com data rates de 1 Mbps (DBPSK com 1 bit por símbolo) e 2 Mbps (DQPSK com 2 bits por símbolo) 2) FHSS a 2,4 GHZ (ISM) com data rates de 1 Mbps 2 Mbps 3) Ir (Infra red, infravermelho) a 1 Mbps e 2 Mbps com comprimento de onda entre 850 e 950 nm. Para redes de computadores a mais relevante é a primeira (DSSS), porém o que se apresentou de forma realmente popular foram suas variações que detalhamos a seguir. IEEE a Usa a faixa de 5 GHz usando OFDM composta de 52 sub portadoras ao invés de Spread Spectrum, cada sub portadora utilizando modelos específicos de modulação e code rate como especificado: Modulação BPSK BPSK QPSK QPSK QAM QAM QAM QAM Code rate 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4 Mbps

15 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.14 IEEE b Extensão do esquema DSSS original, porém alcançando maiores taxas que a original através da modulação CCK (Complementary Code Keying), mais complexa que não veremos. A maneira comum de uso do IEEE está ilustrado no próximo slide. É a forma infraestruturada, com a Internet chegando muitas vezes via cabos até o ponto de presença (AP), este na maioria das vezes embutido em um roteador de última milha. Uma maneira alternativa é usá-lo no modo ad hoc:

18 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.17 O IEEE apresenta três áreas funcionais: entrega confiável, controle de acesso e segurança. Via de regra, na Internet o TCP (camada 4) é quem confere confiabilidade à entrega de dados, porém, como o meio físico sem fio é muito ruidoso, e como a retransmissão TCP pode levar 1 ou mais segundos, vale a pena aqui tratar a questão da confiabilidade na entrega no nível do MAC. Quando uma estação recebe um quadro de outra estação, ela retorna um quadro ACK (reconhecimento). Se a fonte do quadro não recebe o respectivo ACK dentro de um período curto, ela retransmite o quadro. Assim, ocorre a sequência: RTS CTS quadro de acesso ACK. A camada MAC é responsável por diversas tarefas. A principal é o Controle de Acesso ao Meio, mas também suporta roaming, autenticação e conservação de energia. Quanto ao Controle de Acesso, se o está no modo centralizado (existe também o modo ad hoc, muito menos popular!) ele usa o protocolo DFWMAC

19 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.18 (Distributed Foundation Wireless MAC), com a estrutura mostrada no slide 02-29, onde DCF é um protocolo do tipo CSMA simples, sem detecção de colisão. Ele inclui um conjunto de retardos IFS (Inter Frame Space) apropriados para cada tipo de tráfego (SIFS: Short IFS retardo mais curto, usado para todas respostas de ação imediata ou prioritária como em quadros RTS, CTS e resposta de poll ; PIFS: Point Coordination Function IFS retardo médio, usado quando o AP faz polling das estações; DIFS: Distributed Coordination Function IFS o retardo mais longo, usado como retardo mínimo para quadros assíncronos comuns disputando acesso). O PCF é um método de acesso alternativo implementado no topo de DCF e cuja característica principal é o master (o AP) fazer o polling das estações sobre seu domínio fazendo uso de retardos PIFS. A funcionalidade do método DCF é ilustrada no slide

20 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.19 Para cada método de acesso tem-se um correspondente parâmetro que define a prioridade no acesso ao meio, como ilustrado no slide

21 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.20 No método básico DFWMAC-DCF usando CSMA-CA, se o meio está ocupado, os nós têm que esperar DIFS seguido da fase de contenção, onde cada nó seleciona seu tempo de backoff aleatório a ser acrescentado no seu tempo de espera, ao final do que, caso o meio esteja desocupado, aí sim o nó pode acessar o meio imediatamente, como mostrado no slide Para ilustrar o mecanismo básico, o slide mostra um exemplo de concorrência de transmissão entre 5 estações. No mesmo slide está também ilustrada a situação acidental que duas estações (4 e 5) tenham selecionado o mesmo tempo de backoff original, o que resultará colisão (é claro que estações 4 e 5 terão que retransmitir!)

22 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.21 O slide a seguir ilustra a transação DCF completa, agora com a resposta ACK do destinatário do quadro. Observe que esta resposta ocorre em intervalos SIFS, ou seja, com prioridade.

23 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.22 O slide a seguir resume o mecanismo DFWMAC-DCF com extensão RTS/CTS e o slide resume os mecanismos com prioridade para suporte a QoS. Observe que as exigências de QoS vão exigir da infraestrutura de rede resposta com muito mais presteza que aquela necessária quando em presença de aplicações convencionais, tais como correio eletrônico, navegação Web e download de arquivos.

29 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.28 Vamos completar aqui um resumo da evolução das conexões. Já vimos que a tecnologia 2G inicia nos anos 90 a transmissão de dados digitais com o aparecimento do SMS (Short Message Service, com transmissão de texto de até 160 caracteres) e os primeiros MMS (Multimedia Message Service, com texto enriquecido de recursos visuais simples). A tecnologia 3G abriu as portas da Internet para os telefones celulares com velocidades até 2 Mbps. A versão 3G+ oferece taxas maiores ainda. Nesta etapa da evolução também entra em cena chamadas de vídeo e canais de TV pelo celular. Com 4G a evolução seguiu incorporando de forma definitiva o consumo de mídias pelo celular com qualidade da banda larga fixa. Neste contexto se agrega serviços de jogos e acesso à nuvem. A tecnologia do futuro, 5G, promete aplicações até então inviáveis para celular como transmissão de vídeo ao vivo em alta definição e realidade virtual. Desta forma vão se agregar canais de TV HD, vídeos em 4K, serviços de emergência, realidade virtual, carros conectados, Internet da coisas (IoT, vide slide 02-7), etc. Se as redes de telefonia anteriores tinham as pessoas como foco, com 5G as conexões serão além de mais velozes e estáveis também consolidarão a conexão de coisas (M2M, máquina a máquina). A GSM Association que atualmente se compões de centenas de operadoras e fabricantes de equipamentos prevê para 5G: velocidade de usuário de 1 Gbps, praticamente 100% de disponibilidade, percepção de 100% de cobertura, retardo de menos de 10 msegs, redução de consumo de energia e capacidade para 100 vezes mais dispositivos que hoje. Para que se tenha noção do avanço previsto, um carro a 100 Km/h ainda percorre 1,4 m até o comando de freio ser exercido com 4G e 2,8 cm com 5G!!

34 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.33 Como descrevemos na introdução e na seção do , já se encontra madura a proposta 5G, um passo à frente das operadoras com vista a integrar na Internet mais que pessoas, dispositivos, mais que serviço local, serviço na nuvem. As próximas figuras ilustram e exemplificam isto 2 : 2 IMS = Its Mostly Speakes. Refere-se à demanda por multimídia na rede. WAP = Wireless Application Protocol.

49 UERJ 2018 Redes de Comunicações 2 Pg.48 Material de apoio: stallings.pdf Laboratório previsto: Análise de comunicação sem fio