6. Redes sem fios. Redes de Computadores

Transcrição

1 6. Redes sem fios Redes de Computadores

2 Objetivos Estudar os desafios das redes sem fios, de forma a entender que o problema de comunicação é distinto das redes com fios Examinar com algum detalhe a camada de ligação WLAN IEEE (WiFi)

3 Bibliografia [Kurose&Ross] Secções 6.1, 6.2 e 6.3 NOTA Os acetatos que se seguem não substituem a bibliografia aqui referida, e deverão por isso ser vistos apenas como um complemento para o estudo da matéria.

4 Plano do módulo Contexto Redes sem fios Redes WiFi

5 Plano do módulo Contexto Redes sem fios Redes WiFi

6 No início era assim 1984

7 Amanhã será assim? 2020

8 Móvel vs fixo Há 6x mais telemóveis do que telefones fixos

9 Internet móvel vs Internet fixa O acesso à Internet faz-se mais usando dispositivos móveis do que dispositivos fixos

10 Principais desafios Comunicação usando ligações sem fios Sujeito a múltiplas interferências, atenuações elevadas do sinal, reflexões, entre outros. Mobilidade Como lidar com utilizadores móveis, que vão mudando o seu ponto de acesso à rede?

11 Plano do módulo Contexto Redes sem fios Redes WiFi

12 Elementos de uma rede sem fios Infraestrutura de rede

13 Elementos de uma rede sem fios Infraestrutura de rede Terminais sem fios Smartphone, portátil Podem ser estacionários ou móveis sem fios móvel

14 Elementos de uma rede sem fios Infraestrutura de rede Estação base Tipicamente ligada à rede com fios Funciona como intermediário responsável por enviar pacotes entre a rede com fios e a rede sem fios na sua área e.g., torres das redes celulares, pontos de acesso WiFi (802.11)

15 Elementos de uma rede sem fios Infraestrutura de rede Ligação sem fios Usada para ligar os dispositivos móveis à estação base também usadas na rede core/backbone Protocolos de acesso múltiplo coordenam acesso à ligação Taxas de transmissão e distâncias muito variadas

16 Características das ligações sem fios Taxas de transferência de dados (Mbps) n a,g b Dentro de edifícios 10-30m Distância curtas m a,g point-to-point 4G: LTWE WIMAX 3G: UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 2.5G: UMTS/WCDMA, CDMA2000 2G: IS-95, CDMA, GSM Médias distâncias 200m 4 Km Longas distâncias 5Km 20 Km

17 Dois modos de operação Infraestrutura de rede Modo infraestrutura A estação base liga os dispositivos móveis à rede com fios handoff: mecanismo despoletado quando dispositivo móvel muda de estação base

18 Dois modos de operação Modo ad hoc Não há estação base Nós só transmitem para outros nós que estão dentro da sua área de cobertura Nós organizam-se em rede e encaminham pacotes entre eles

19 Taxonomia das redes sem fios Infraestrutura (e.g., APs) Sem infraestrutura Hop único Terminal liga-se a uma estação base (WiFi, WiMAX, rede celular) que por sua vez se liga à Internet Não há estação base e não há ligação à Internet (Bluetooth, redes ad hoc) Múltiplos hops O terminal pode ter de enviar pacotes através de vários nós sem fios intermediários para se conseguir ligar à Internet (redes mesh) Não há estação base e não há ligação à Internet. Para alcançar outros nós pode ter de enviar pacotes por vários nós intermediários (redes MANET, VANET)

20 Características das ligações sem fios Muito diferentes das ligações com fios A força do sinal é menor: as ondas rádio sofrem atenuação elevada ao propagar-se no meio Interferência de outros emissores: as frequências usadas pelas redes sem fios (e.g., 2.4 GHz)são partilhadas com outros dispositivos Propagação multi-percurso: as ondas de sinal rádio sofrem reflexões nos objetos circundantes, chegando ao destino em momentos diferentes Tudo isto torna muito difícil a comunicação usando ligações sem fios

21 Características das ligações sem fios Além do problema de acesso múltiplo ao meio, a existência de múltiplos emissores sem fios cria problemas adicionais Problema do terminal escondido A B C A C B A s signal strength C s signal strength Presença de obstáculos A e B escutam-se mutuamente B e C escutam-se mutuamente A não escuta C, portanto o A e C não sabem que estão a interferir com a comunicação de B space Atenuação do sinal A e B escutam-se mutuamente B e C escutam-se mutuamente A não escuta C, por isso interferem em B

22 refletir.com Considere 2 cenários: 1. Uma estação base a emitir num local deserto a longas distâncias 2. Uma estação base a emitir no meio de uma cidade como Nova Iorque, a curtas distâncias Qual dos problemas característicos da comunicação sem fios seria mais relevante em cada um dos cenários: A: atenuação em ambos B: multi-percurso no 1, atenuação no 2 C: atenuação no 1, multi-percurso no 2 D: interferência no 1, multi-percurso no 2 E: interferência em ambos

23 Plano do módulo Contexto Redes sem fios Redes WiFi

24 802.11b Wireless LAN IEEE GHz; zona do espetro não licenciada Até 11 Mbps a 5-6 GHz Até 54 Mbps g GHz range Até 54 Mbps n: usa múltiplas antenas GHz range Até 200 Mbps Todos usam CSMA/CA como protocolo de acesso múltiplo Vamos estudar a seguir Todos permitem dois modos: infraestrutura e ad-hoc

25 Arquitetura LAN O modo mais comum é o terminal sem fios comunicar com uma estação base Estação base = access point (AP) Internet No modo infraestrutura uma célula (Basic Service Set, BSS) contém: Terminais sem fios AP No modo ad hoc só há terminais sem fios BSS 1 router BSS 2

26 Canais b Nas redes b o espetro (2.4GHz-2.485GHz) é dividido em 14 canais em diferentes frequências O administrador do AP escolhe a frequência para o seu AP Mas com cuidado: é possível haver interferências Um terminal tem de se associar com um AP Faz um scan pelo canal à escuta de uma frame especial, a beacon frame, que contém o nome do AP (SSID) e o seu endereço MAC Escolhe o AP com que se quer associar Pode haver uma fase de autenticação Tipicamente corre DHCP para obter um endereço IP para a subrede do AP

27 IEEE : acesso múltiplo Como evitar colisões quando dois ou mais nós tentam transmitir simultaneamente? : CSMA escutar antes de transmitir Assim não se criam colisões quando outro nó está a transmitir : não há forma de detetar colisões! É díficil escutar as colisões porque os sinais são muito fracos E há casos em que não é mesmo possível detetar: caso do terminal escondido Portanto, o objetivo: evitar colisões CSMA/C(ollision)A(voidance) A C B A B C A s signal strength C s signal strength space

28 Protocol MAC IEEE : CSMA/CA Emissor if sense channel idle for DIFS then transmit entire frame (no CD) 2 if sense channel busy then start random backoff time timer counts down while channel idle transmit when timer expires if no ACK, increase random backoff interval, repeat 2 Recetor if frame received OK return ACK after SIFS (ACK é necessário devido ao problema do terminal escondido) DIFS sender data ACK receiver SIFS

29 Evitar colisões Ideia: permitir que o emissor reserve o canal, assim evitando colisões de pacotes (de dados longos) Emissor envia, primeiro, um pequeno pacote request-to-send (RTS) para a estação base usando CSMA Os RTSs podem colidir, claro, mas como são pequenos o problema é menor O BS faz o broadcast de um pacote clear-to-send CTS em resposta a um RTS O CTS é escutado por todos os nós Emissor pode transmitir a sua frame Os outros nós esperam Se os pacotes de reserva forem muito pequenos evitam-se completamente as colisões!

30 Collision Avoidance: RTS-CTS exchange A AP B colisão na reserva DATA (A) adiar tempo