Dissertação de Mestrado

Dissertação de Mestrado Egídio Ieno Júnior Uma Proposta de Metodologia para Análise de Desempenho de Redes IEEE 802.11 Combinando a Gerência SNMP e Ferramentas de Simulação Agosto/2003 Inatel Instituto Nacional de Telecomunicações

UMA PROPOSTA DE METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE DESEMPENHO DE REDES IEEE 802.11 COMBINANDO A GERÊNCIA SNMP E FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO

EGÍDIO IENO JÚNIOR Dissertação apresentada ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica. ORIENTADOR: Prof. Dr. Anilton Salles Garcia Santa Rita do Sapucaí 2003

FOLHA DE APROVAÇÃO Dissertação defendida e aprovada em 19/09/2003, pela comissão julgadora: Dr. Anilton Salles Garcia / Instituto Nacional de Telecomunicações Dr. Jorge Moreira de Souza / FITec Inovações Tecnológicas Dr. José Marcos Câmara Brito / Instituto Nacional de Telecomunicações Coordenador do Curso de Mestrado

DEDICATÓRIA Aos meus pais Egídio e Ilza, minhas irmãs Irina e Inara, e a Giselli pelo apoio incondicional em todos os momentos

AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus por ter me dado saúde e inteligência para concluir este trabalho. Ao professor Dr. Anilton Salles Garcia pelo seu trabalho de orientação, sem o qual esta pesquisa não seria possível. Ao professor Dr. José Marcos Câmara Brito e ao Dr. Jorge Moreira de Souza por fazerem parte da banca examinadora. Aos amigos Oscavo Gonzaga Prata Júnior, Cristian da Rocha Duarte, Rodrigo Bahia Paiva, Luciano Leonel Mendes, Auder Bonora Nardi, Florence de Castro Campos, Iwanir Araújo da Silva Júnior, Ângelo Pinelli Martins Samia, Giovani Prado Siqueira, William Hiroshi Hisatugu, Ricardo Augusto Rabelo Oliveira, Ádrian Bonfá Drago por suas amizades e apoio. Aos professores Edson Josias Cruz Gimenez e Mauro Tapajós por estarem sempre dispostos a ajudar. A busca incessante de vários professores em trazer os melhores softwares de simulação para o INATEL. A todos os demais funcionários do Instituto Nacional de Telecomunicações que tornam o ambiente de trabalho o melhor possível. Já ancorado na Antártida, ouvi ruídos que pareciam de fritura. Pensei: será que até aqui existem chineses fritando pastéis? Eram cristais de água doce congelada que faziam aquele som quando entravam em contato com a água salgada. O efeito visual era belíssimo. Pensei em fotografar, mas falei para mim mesmo: - Calma, você terá muito tempo para isso... Nos 367 dias que se seguiram, o fenômeno não se repetiu. Algumas oportunidades são únicas. Almir Klink Como diz o Dalai Lama: Só existem dois dias no ano que nada pode ser feito. Um se chama ONTEM e o outro AMANHÃ. Portanto HOJE é o dia certo para AMAR, ACREDITAR, FAZER e principalmente VIVER.

ÍNDICE LISTA DE FIGURAS...i LISTA DE TABELAS...v LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...vi RESUMO...ix ABSTRACT...x 1 Introdução...1 1.1 Motivações para o Estudo sobre Redes IEEE 802.11 e o Protocolo SNMP. 4 1.2 Objetivos do Trabalho e Estrutura da Dissertação... 6 2 Visão Geral sobre o Padrão IEEE 802.11...8 2.1 Breve Histórico do Padrão IEEE 802.11... 8 2.2 O Padrão IEEE 802.11... 8 2.2.1 - A Arquitetura do Padrão IEEE 802.11...9 2.2.2 A Camada Física do Padrão IEEE 802.11...11 2.2.3 A Camada MAC do Padrão IEEE 802.11...12 2.2.3.1 A Operação da Função de Coordenação Distribuída DCF...12 2.2.3.2 - A Operação da Função de Coordenação em um Ponto PCF...15 2.2.3.3 Tipos de Quadros mais Comuns...16 2.2.3.4 Fragmentação da Camada MAC...20 2.2.3.5 Varredura (Scanning)...21 2.2.3.6 Associação...21 2.2.3.7 Autenticação...21 2.2.3.8 Criptografia...21 2.2.3.9 Roaming...22 2.2.3.10 Sincronização...22 2.2.3.11 Gerenciamento de Potência...22 2.3 - Os Grupos de Trabalho do Padrão IEEE 802.11... 22 2.4 Algumas Diferenças entre os Padrões 802.3 e 802.11... 24

3 Visão Geral sobre Gerência de Redes SNMP e o Planejamento de Capacidade...26 3.1 Gerência de Redes... 26 3.1.1 Metas para o Gerenciamento...26 3.1.2 Recursos Gerenciados...28 3.1.3 As Áreas Funcionais da Gerência...28 3.1.4 Gerência Pró-ativa X Gerência Reativa...31 3.1.5 Sistemas de Gerência Centralizada X Distribuída...32 3.2 Breve Histórico sobre o Protocolo de Gerência SNMP... 33 3.2.1 A Arquitetura SNMP...34 3.2.2 Descrição das Operações Disponíveis no Protocolo SNMP...36 3.2.3 O Formato das Mensagens SNMP...37 3.2.4 A Estrutura da Informação de Gerência...38 3.2.5 A Base de Informações de Gerência SNMP...41 3.2.6 A MIB-II...42 3.2.7 O Grupo System...44 3.2.8 SNMPv.2...45 3.2.9 SNMPv.3...49 3.2.10 Proxies...50 3.3 - Ferramentas Auxiliares na Gerência de Redes... 50 3.3.1 - RMON...51 3.3.2 - Sniffers...53 3.3.3 - Diferenças entre RMON e Sniffers...54 3.4 A Gerência de Desempenho... 56 3.4.1 - Conceitos Fundamentais sobre a Gerência de Desempenho...56 3.4.1.1 - Serviço...56 3.4.1.2. - Ocupação de Recursos e Caracterização de Serviços...56 3.4.1.3 - Indicadores de Qualidade de Serviço...56 3.4.1.4 - Demanda sobre os Serviços...56 3.4.2 - As Principais Atividades da Gerência de Desempenho...57 3.4.2.1 - Monitoramento de Eventos Relevantes ao Desempenho de Sistemas...57 3.4.2.2 - Monitoramento para Verificação de Desempenho...58 3.4.2.3 - Monitoramento para Caracterização da Carga-de-Trabalho (workload)...58 3.4.3 - Análise de Desempenho...59

3.4.4 - Planejamento de Capacidade...59 3.4.5 - Técnicas Auxiliares da Gerência de Desempenho...60 3.4.6 A Simulação Digital...60 3.4.7 Simuladores...61 3.4.8 A Simulação de Redes Utilizando o OPNET Modeler 9.1...62 4 Análise de Desempenho de Redes IEEE 802.11 Combinando a Gerência SNMP e Ferramentas de Simulação...64 4.1 Problemas com o Gerenciamento de Redes IEEE 802.11... 64 4.2 O Protocolo SNMP e o Desempenho de Redes IEEE 802.11... 65 4.2.1 - Motivações para se Utilizar a Versão 2 do Protocolo SNMP...65 4.2.2 O SNMP na Gerência de Redes Padrão IEEE 802.3 (Ethernet)...66 4.2.3 O SNMP na Gerência de Redes Padrão IEEE 802.11 (WLAN)...68 4.2.4 As MIBs Proprietárias...71 4.2.5 Diferenças entre o SNMP sobre Redes Padrão IEEE 802.3 e 802.11...74 4.2.6 Requisitos de uma Estação de Gerenciamento...75 4.3 Grupos de Recursos Gerenciáveis da Rede... 76 4.3.1 - Clientes...76 4.3.2 - Facilidades de Comunicação...77 4.3.3 - Servidores...77 4.4 A Metodologia Proposta para Análise de Desempenho... 78 4.4.1 A Fase Um (Escolha e Coleta dos Objetos)...78 4.4.1.1 - Etapa Um (Escolha dos Objetos)...79 4.4.1.2 - Etapa Dois (Coleta dos Objetos)...79 4.4.1.3 - O Tempo de Polling...79 4.4.2 A Fase Dois (Eliminação de Dados e Obtenção dos Indicadores)...81 4.4.2.1 - Etapa Três (A Eliminação dos Dados Espúrios)...81 4.4.2.2 - Etapa Quatro (O Tratamento dos Dados Coletados)...82 4.4.3 A Fase Três (Interpretação do Administrador da Rede)...85 4.4.4 A Fase Quatro (Processo de Simulação)...86 5 Aplicação da Metodologia Proposta...89 5.1 A Fase Um (Escolha e Coleta dos Objetos)... 89 5.1.1 - Etapa Um (Escolha dos Objetos)...89 5.1.2 - Etapa Dois (Coleta dos Objetos)...93

5.1.2.1 - O Cálculo do Tempo de Polling...93 5.2 A Fase Dois (Eliminação de Dados e Obtenção dos Indicadores)... 94 5.2.1 - Etapa Três (A Eliminação dos Dados Espúrios)...94 5.2.2 - Etapa Quatro (O Tratamento dos Dados Coletados)...94 5.3 - A Fase Três (Interpretação do Administrador da Rede)... 98 5.4 - A Fase Quatro (Processo de Simulação)... 99 5.4.1 Proposta de um Estudo de Caso para Análise de Desempenho da Expansão de uma Rede Existente Utilizando Redes IEEE 802.11 (Etapa Três)...99 5.4.1.1 O Primeiro Passo... 100 5.4.1.2 O Segundo Passo... 101 5.4.1.3 O Terceiro Passo... 101 5.4.1.4 O Quarto Passo... 104 5.4.1.5 O Quinto Passo... 108 6 A Influência das Alterações dos Parâmetros da Camada MAC no Desempenho das Redes IEEE 802.11...112 6.1 - Simulações com Duas Estações... 112 6.1.1 - A Influência do Parâmetro RTSthreshold... 113 6.1.2 - A Influência do Parâmetro FRAGMENTATIONthreshold... 114 6.1.3 - A Influência da Taxa de Transmissão no Tempo de Acesso ao Meio... 115 6.1.4 - Fatores que Influenciam no Throughput... 115 6.1.5 - A Influência da Taxa de Transmissão na Perda de Pacotes... 117 6.1.6 - Os Fatores que Influenciam na Tentativa de Retransmissão de Pacotes... 117 6.2 - Simulações com Quatro Estações... 119 6.2.1 - A Influência do Parâmetro RTSthreshold... 119 6.2.2 A Influência dos Modos de Operação no Throughput... 121 6.3 - A Influência das Alterações dos Parâmetros da Camada MAC com o Aumento da Carga na Rede... 123 7 - Conclusões...128 Referências Bibliográficas...131 Glossário...136 Anexo A Um Estudo sobre Softwares de Gerência Utilizados em Redes IEEE 802.11...139

A.1 Introdução... 139 A.2 - O Software SpectrumSoft WNMS... 139 A.3 WNM (Wireless Network Manager) da Proxim Corporation... 141 A.4 - Gerenciamento Corinex Wireless Powerline... 143 A.5 - MRTG (Multi Router Traffic Grapher) 2.9.27... 144 A.6 LoriotPro... 147 A.7 Net SNMP... 148 A.8 MG - SOFT MIB Browser... 150 A.9 Softwares Utilizados na Coleta de dados, embora não sejam baseados no SNMP... 151 A.9.1 - Nagios... 151 A.9.2 Sniffer Wireless... 153 A.10 Considerações sobre os Softwares Analisados... 154 Anexo B Alguns Parâmetros e Estatísticas Coletadas para Rede IEEE 802.11 na Simulação...158 B.1 - Introdução... 158 B.2 - Alguns Valores Utilizados nas Simulações... 158 B.3 - Alguns Valores Utilizados no Estudo de Caso... 161 B.4 - Estações para Redes IEEE 802.11 mais Comuns... 162 B.5 Uma Breve Comparação entre o OPNET Modeler e o NS-2... 163

i LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1 O MODELO IEEE 802.X COM O RM OSI...9 FIGURA 2.2 ARQUITETURA DE UMA REDE WLAN ESTENDIDA...10 FIGURA 2.3 REDE IEEE 802.11 CONECTADA À REDE IEEE 802.3...10 FIGURA 2.4 AS CAMADAS DO PADRÃO IEEE 802.11...12 FIGURA 2.5 OPERAÇÃO BÁSICA DA FUNÇÃO DE ACESSO AO MEIO DCF...13 FIGURA 2.6 OPERAÇÃO DA FUNÇÃO DE ACESSO AO MEIO DCF NA RESERVA DO MEIO...15 FIGURA 2.7 - MODOS PCF E DCF OPERANDO JUNTOS...16 FIGURA 2.8 FORMATO DO QUADRO MAC...17 FIGURA 2.9 FORMATO DO QUADRO DE CONTROLE...18 FIGURA 2.10 FORMATO DO QUADRO RTS...19 FIGURA 2.11 FORMATO DO QUADRO CTS...20 FIGURA 2.12 FORMATO DO QUADRO ACK...20 FIGURA 2.13 O PROBLEMA COM TERMINAIS ESCONDIDOS...24 FIGURA 3.1 CONFIGURAÇÃO DE UM GERENCIAMENTO DE REDE DISTRIBUÍDO...33 FIGURA 3.2 EXEMPLO DE REDE GERENCIADA SEGUNDO ARQUITETURA SNMP...35 FIGURA 3.3 PROTOCOLO SNMP SOBRE A CAMADA DE TRANSPORTE...36 FIGURA 3.4 OPERAÇÕES DO PROTOCOLO SNMP...37 FIGURA 3.5 FORMATO DAS MENSAGENS E PDUS DO SNMP...37 FIGURA 3.6 EXEMPLO DA LOCALIZAÇÃO DE OBJETO NA ÁRVORE DA MIB-II...41 FIGURA 3.7 GRUPOS DE OBJETOS DA MIB-II NA ÁRVORE...44 FIGURA 3.8 - GRUPO SYSTEM DA MIB-II...44 FIGURA 3.9 COMUNICAÇÃO HIERARQUIZADA ENTRE GERENTES...47 FIGURA 3.10 - OPERAÇÕES DO PROTOCOLO SNMPV.2...47 FIGURA 3.11 CONFIGURAÇÃO DE PROXY PARA GERENCIAMENTO SNMP...50 FIGURA 3.12 ABRANGÊNCIA DA ATUAÇÃO DO RMON1 E RMON2...52 FIGURA 3.13 ESTRUTURA DE REDE USANDO SNIFFER...53 FIGURA 4.1 ESQUEMA DE GERÊNCIA PARA REDES SEM FIO...65 FIGURA 4.2 A ESTRUTURA EM ÁRVORE DA MIB ETHERLIKE...67 FIGURA 4.3 PARTE DOS TIPOS DE INTERFACES DEFINIDOS PELA IANA...69 FIGURA 4.4 PARTE DA SMI DA MIB IEEE 802.11...70 FIGURA 4.5 PARTE DA MIB DO AP DA CISCO AIRONET...72 FIGURA 4.6 - MODELO DOS GRUPOS DE ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERÊNCIA..76

ii FIGURA 4.7 ESQUEMA PROPOSTO PARA ANÁLISE DE DESEMPENHO...78 FIGURA 4.8 - POSSÍVEIS OPERAÇÕES EM UMA REDE IEEE 802.11...81 FIGURA 4.9 - EXEMPLO DAS ALTERAÇÕES DO STATUS DE UMA INTERFACE...83 FIGURA 5.1 GRUPO INTERFACES DA MIB-II...91 FIGURA 5.2 - COLETA DE DADOS ATRAVÉS DO MRTG PARA O TRÁFEGO DA REDE IEEE 802.11...94 FIGURA 5.3 - TRÁFEGO IMPORTADO PARA O EXCEL SEM TRATAMENTO...95 FIGURA 5.4 - TRÁFEGO IMPORTADO PARA O EXCEL COM TRATAMENTO...96 FIGURA 5.5 COMPARAÇÃO DAS ESTATÍSTICAS GERADAS POR UM PERÍODO DE 24 HORAS DE OBSERVAÇÃO...97 FIGURA 5.6 UTILIZAÇÃO POR UM PERÍODO DE 24 HORAS DE OBSERVAÇÃO...97 FIGURA 5.7 DIAGRAMA EM BLOCOS PARA ANÁLISE DA EXPANSÃO DE REDES EMPREGANDO SIMULAÇÃO...99 FIGURA 5.8 - TOPOLOGIA DA REDE INICIAL... 100 FIGURA 5.9 - O CONJUNTO DE ESTAÇÕES DA REDE IEEE 802.11 BSS 1... 100 FIGURA 5.10 - TEMPO MÉDIO DE RESPOSTA DA APLICAÇÃO FTP... 102 FIGURA 5.11 - TEMPO MÉDIO DE RESPOSTA DA APLICAÇÃO HTTP... 102 FIGURA 5.12 - UTILIZAÇÃO DO ENLACE BSS 1<-->GATEWAY IP... 102 FIGURA 5.13 - UTILIZAÇÃO DO ENLACE GATEWAY IP<-->NUVEM IP... 103 FIGURA 5.14 - UTILIZAÇÃO DO ENLACE NUVEM IP<-->FIREWALL... 103 FIGURA 5.15 - UTILIZAÇÃO DO ENLACE FIREWALL<-->SERVIDOR FTP... 103 FIGURA 5.16 - UTILIZAÇÃO DO ENLACE FIREWALL<-->SERVIDOR HTTP... 103 FIGURA 5.17 - REDE EXPANDIDA... 104 FIGURA 5.18 - TEMPO MÉDIO DE RESPOSTA DA APLICAÇÃO FTP PARA REDE EXPANDIDA... 105 FIGURA 5.19 - TEMPO MÉDIO DE RESPOSTA DA APLICAÇÃO HTTP PARA REDE EXPANDIDA... 105 FIGURA 5.20 - COMPARAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DO ENLACE GATEWAY IP-->BSS... 106 FIGURA 5.21 - COMPARAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DO ENLACE NUVEM IP-->GATEWAY IP... 106 FIGURA 5.22 - COMPARAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DO ENLACE GATEWAY IP-->NUVEM IP... 106 FIGURA 5.23 - COMPARAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DO ENLACE FIREWALL-->NUVEM IP.. 107 FIGURA 5.24 - COMPARAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DO ENLACE SERVIDOR FTP--> FIREWALL... 107 FIGURA 5.25 - COMPARAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DO ENLACE SERVIDOR HTTP--> FIREWALL... 107 FIGURA 5.26 - TEMPO DE RESPOSTA PARA APLICAÇÃO FTP... 108 FIGURA 5.27 - MELHORES TEMPOS DE RESPOSTA PARA APLICAÇÃO FTP... 109

iii FIGURA 5.28 - TEMPO DE RESPOSTA PARA APLICAÇÃO HTTP... 109 FIGURA 5.29 MELHORES TEMPOS DE RESPOSTA PARA APLICAÇÃO HTTP... 109 FIGURA 5.30 - UTILIZAÇÃO DO ENLACE NUVEM IP-->GATEWAY IP PARA VÁRIAS SITUAÇÕES DA REDE... 110 FIGURA 5.31 - UTILIZAÇÃO DO ENLACE GATEWAY IP-->NUVEM IP PARA VÁRIAS SITUAÇÕES DA REDE... 110 FIGURA 6.1 DUAS ESTAÇÕES NO MODO DCF OPCIONAL... 112 FIGURA 6.2 CONFIGURAÇÃO DOS PARÂMETROS... 113 FIGURA 6.3 A INFLUÊNCIA DO LIMIAR DE RTS NO TEMPO DE RESERVA DE CANAL113 FIGURA 6.4 A INFLUÊNCIA DA FRAGMENTAÇÃO NO TEMPO DE RESERVA DE CANAL... 114 FIGURA 6.5 A INFLUÊNCIA DA FRAGMENTAÇÃO NO THROUGHPUT... 115 FIGURA 6.6 A INFLUÊNCIA DA TAXA DE TRANSMISSÃO NO TEMPO DE ACESSO AO MEIO... 115 FIGURA 6.7 A INFLUÊNCIA DO LIMIAR DE RTS NO TRÁFEGO DE CONTROLE... 116 FIGURA 6.8 A INFLUÊNCIA DO LIMIAR DE RTS NO THROUGHPUT... 116 FIGURA 6.9 A INFLUÊNCIA DO LIMIAR DE RTS NA TAXA DE DESCARTE... 117 FIGURA 6.10 A INFLUÊNCIA DA TAXA DE TRANSMISSÃO NO DESCARTE DE PACOTES... 117 FIGURA 6.11 A INFLUÊNCIA DE DIVERSOS PARÂMETROS NA TENTATIVA DE RETRANSMISSÃO... 118 FIGURA 6.12 A INFLUÊNCIA DE DIVERSOS PARÂMETROS NO THROUGHPUT... 119 FIGURA 6.13 QUATRO ESTAÇÕES OPERANDO NO MODO DCF... 119 FIGURA 6.14 - A INFLUÊNCIA DO LIMIAR DE RTS NO THROUGHPUT... 120 FIGURA 6.15 - A INFLUÊNCIA DO LIMIAR DE RTS NO TRÁFEGO DE CONTROLE... 120 FIGURA 6.16 ESTAÇÕES OPERANDO NOS MODOS DCF E PCF... 121 FIGURA 6.17 A INFLUÊNCIA DO MODO DE OPERAÇÃO NO THROUGHPUT... 122 FIGURA 6.18 A INFLUÊNCIA DO MODO DE OPERAÇÃO NO DESCARTE DE PACOTES 122 FIGURA 6.19 A INFLUÊNCIA DO MODO DE OPERAÇÃO NA RETRANSMISSÃO... 123 FIGURA 6.20 A INFLUÊNCIA DA CARGA NA REDE E DO LIMIAR DE RTS NO THROUGHPUT AGREGADO... 124 FIGURA 6.21 - A INFLUÊNCIA DA CARGA NA REDE E DO LIMIAR DE RTS NA TAXA DE DESCARTE... 125 FIGURA 6.22 - A INFLUÊNCIA DA CARGA NA REDE E DO LIMIAR DE RTS NAS TENTATIVAS DE RETRANSMISSÃO... 125 FIGURA 6.23 A INFLUÊNCIA DA CARGA NA REDE E DO LIMIAR DE RTS NO TEMPO DE ACESSO AO MEIO... 126 FIGURA 6.24 - A INFLUÊNCIA DA CARGA NA REDE E DO LIMIAR DE RTS E DE FRAGMENTAÇÃO NO THROUGHPUT AGREGADO... 126

iv FIGURA A.1 - REDES IEEE 802.11 GERENCIADAS ATRAVÉS DA INTERNET... 142 FIGURA A.2 - GRÁFICO DA TRANSFERÊNCIA DE DADOS - CORINEX... 144 FIGURA A.3 - GRÁFICO DIÁRIO (5 MINUTOS - MÉDIA)... 146 FIGURA A.4 - NAVEGANDO NAS MIBS SNMP ATRAVÉS DO LORIOTPRO... 148 FIGURA A.5 VISÃO DE UMA TABELA SNMP NA FORMA DE COLUNAS MG-SOFT... 151 FIGURA A.6 - O STATUS E A DISPONIBILIDADE DE UMA ESTAÇÃO - NAGIOS... 153 FIGURA A.7 UMA POSSÍVEL ATUAÇÃO PARA O SNIFFER WIRELESS... 154 FIGURA B.1 - CONFIGURANDO OS ATRIBUTOS DA ESTAÇÃO DA REDE IEEE 802.11... 159 FIGURA B.2 - CONFIGURANDO OS ATRIBUTOS DA ESTAÇÃO DA REDE IEEE 802.11... 159 FIGURA B.3 ATRIBUTOS DE UMA ESTAÇÃO SUPORTANDO FTP... 161 FIGURA B.4 CAIXAS DE DIÁLOGO DE CONFIGURAÇÃO... 161 FIGURA B.5 - CONFIGURAÇÃO DA APLICAÇÃO... 162 FIGURA B.6 - CONFIGURAÇÃO DO PERFIL DO USUÁRIO... 162 FIGURA B.7 - MODELANDO UMA APLICAÇÃO... 162 FIGURA B.8 - MODELO DE ESTAÇÃO PARA REDES IEEE 802.11 SEM AS CAMADAS SUPERIORES... 163 FIGURA B.9 - MODELO DE ESTAÇÃO PARA REDES IEEE 802.11 COM AS CAMADAS SUPERIORES... 163

v LISTA DE TABELAS TABELA 2.1 CAMPOS DE ENDEREÇAMENTO MAC...17 TABELA 2.2 - DESCRIÇÃO DOS TIPOS E SUBTIPOS DE QUADROS...19 TABELA 3.1 INDICADORES DE DESEMPENHO DE REDE...29 TABELA 3.2 TABELA COMPARATIVA ENTRE O SNMP E SNIFFERS...54 TABELA 4.1 ALGUNS TIPOS DE INTERFACES DE REDE...69 TABELA 4.2 INDICADORES DE DESEMPENHO E PADRÕES DE QUALIDADE...84 TABELA 4.3 INDICADORES DE DESEMPENHO E OBJETOS (VARIÁVEIS)...85 TABELA 5.1 DESCRIÇÃO DOS OBJETOS DO GRUPO INTERFACES...91 TABELA 5.2 POSSÍVEIS OBJETOS UTILIZADOS PARA FORMAR OS INDICADORES DE DESEMPENHO...92 TABELA A.1 CARACTERÍSTICAS X ÁREAS DE GERÊNCIA OSI PARA O SPECTRUMSOFT WNMS... 140

vi LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ACK - Acknowledgment AP Access Point ASN.1 - Abstract Syntax Notation One BER - Basic Encoding Rules BSS Basic Service Set CA - Collision Avoidance CCA Clear Channel Assessment CF - Coordination Function CFP Contention Free Period CP Contention Period CMIP - Commom Management Information Protocol CMOT CMIP over TCP/IP CRC Cyclic Redundancy Checking CSMA - Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CTS Clear To Send DA Destination Address DCF - Distributed Coordination Function DES - Data Encryption Standard DIFS - DCF Interframe Space DS Distribuition System DS1 Digital Signal Level No 1 DSSS Direct Sequence Spread Spectrum ESS Extended Service Set FDDI Fiber Distributed Data Interface FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FTP - File Transfer Protocol

vii HTTP Hypertext Transfer Protocol IANA - Internet Assigned Numbers Authority IBSS Independent Basic Service Set ICMP Internet Control Message Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force IP - Internet Protocol IrDA Infrared Data Association ISM Industrial, Science and Medical ISO - International Organization for Standardization ITU - International Telecommunication Union LAN Local Area Network MAC - Media Access Control MD Message Digest MIB - Management Information Base MLME - MAC Layer Management Entity MRTG - Multi Router Traffic Grapher NAV - Network Allocation Vector OID Object Identifier PCF Point Coordination Function PDU Protocol Data Unit PHY Physical Layer PIFS - PCF interframe space PLCP - Physical Layer Convergence Protocol PLME - Physical Layer Management Entity PMD - Physical Layer Dependent PPP Point-to-Point Protocol PS Power-Save QoS Quality of Service RA - Receiver Address RFC Request for Comment RMON Remote Network Monitoring

viii RTS Request To Send SA Source Address SHA Secure Hash Algorithm SIFS - Short Interframe Space SMI Structure Management Information SNMP Simple Network Management Protocol STA Station TA - Transmitter Address TCP Transmition Control Protocol UDP User Datagram Protocol WAN Wide Area Network WAP - Wireless Application Protocol WEP Wired Equivalent Privacy WLAN Wireless Local Area Network WPANs - Wireless Personal Area Networks

ix RESUMO JÚNIOR, E.I. Uma Proposta de Metodologia para Análise de Desempenho de Redes IEEE 802.11 Combinando a Gerência SNMP e Ferramentas de Simulação. Santa Rita do Sapucaí, 2003. Instituto Nacional de Telecomunicações. A importância da gerência de redes de computadores se torna cada vez mais incontestável. Com o aumento destas redes em complexidade e tamanho torna-se imprescindível um bom conhecimento sobre as possíveis ferramentas de gerência disponíveis para a coleta de dados. Estes dados serão responsáveis por indicar ao administrador da rede a sua situação atual. O SNMP é um protocolo capaz de coletar as informações em uma base de informação de gerenciamento (MIB) e disponibilizálas em uma estação gerente para serem tratadas e analisadas. Uma das possíveis análises que podem ser feitas com os dados coletados é relativa ao desempenho da rede, através dos objetos responsáveis por estes indicadores. Desta forma, é proposta nesta dissertação uma metodologia para Análise de Desempenho de redes, combinando a Gerência SNMP em um padrão de rede crescente, que é o IEEE 802.11, e o processo de simulação. Ainda nesta metodologia é apresentado um estudo de caso ilustrando a possibilidade do Planejamento de Capacidade em uma rede que tem o seu cabeamento principal (backbone) ampliado com redes sem fio. Palavras-chave: IEEE 802.11, Gerência de Redes, Gerência de Desempenho, Planejamento de Capacidade, Simulação e Ferramentas de Gerência SNMP.

x ABSTRACT There is no doubt about the importance of networks management. Computer networks are growing in complexity and size. The complexity of such systems dictates the use of automated network tools to help the tasks of network management. The SNMP is a protocol capable to collect the information in a database (MIB) and to availability them in a controlling station to be treated and analyzed. One of the possible analyses that can be made with the collected data are relative to the performance of the network, through responsible objects for these indicators. Of this form, a methodology for the performance analysis is proposal in this dissertation, using protocol SNMP in a standard of increasing network, that is IEEE 802.11. In addition, in this methodology possibility of the planning of capacity using simulation also was considered. For this, a case study illustrating backbone extended with wireless networks is presented. Keywords: IEEE 802.11, Network Management, Performance Management, Capacity Planning, Simulation and SNMP Management Tools.

1 Capítulo I 1 Introdução A expansão das redes de computadores vem se tornando cada vez mais abrangente, alcançando um número maior de usuários. Embora esse crescimento venha sendo bem assimilado pelos elementos de redes comerciais existentes, é preciso dar garantias sobre os serviços prestados à rede expandida. Como conseqüência, surge a necessidade de tecnologias para a transmissão dos dados e também para a manutenção da qualidade do serviço prestado ao usuário final. Uma tecnologia de comunicação sem fio (wireless) que consiga ampliar o cabeamento principal (backbone) da rede, sem causar transtornos físicos em sua instalação, como perfurar paredes, cortar o piso ou mesmo, possibilitar o acesso à Internet em um local fisicamente inacessível, parece algo inovador e distante. O fato é que esta tecnologia já existe e assim como a própria Internet, teve o início de seu desenvolvimento voltado para fins militares há anos atrás. A impulsão da tecnologia de redes sem fio ocorre juntamente com o avanço da tecnologia de transmissão digital, a aprovação de padrões para comunicação sem fio e o barateamento dos equipamentos. Além disso, ao longo do tempo, novas aplicações vêm sendo elaboradas para as transmissões sem fio, o que as tornam uma alternativa cada vez mais popular. Entre os padrões de redes sem fio, existem padrões para redes pessoais sem fio (Wireless Personal Area Networks - WPANs) como: Bluetooth, IEEE 802.15, HomeRF e IrDA (Infrared Data Association), padrões para sistemas móveis, como o protocolo WAP (Wireless Application Protocol) e padrão para redes locais sem fio, como o padrão IEEE 802.11 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]. Como se pode observar, o padrão utilizado para redes locais sem fio é o IEEE 802.11, que além das características físicas da comunicação sem fio, apresenta a possibilidade de mobilidade de suas estações, incluindo o movimento entre células (roaming).

2 Segundo a ISO (International Organization for Standardization), a Gerência de Redes é dividida em cinco áreas: Segurança, Configuração, Desempenho, Contabilidade e Falhas. Destas áreas, a que se voltou à qualidade de serviço prestada ao usuário final é a Gerência de Desempenho. Esta área exige um monitoramento constante dos elementos de rede, ou seja, uma coleta dos indicadores de qualidade, como forma de prevenir a queda da qualidade e planejar melhorias para o futuro. Todos os indicadores de qualidade ou desempenho de uma rede são altamente dependentes do conjunto de serviços prestados por ela. Para Redes de Telecomunicações, que prestam uma classe de serviços bem conhecida, tais indicadores estão documentados nos padrões ITU-T E800 e I350. Dentre eles, os principais são: atraso (delay) na transmissão, jitter, eco, taxa de erro e tempo de espera na conexão. Já para as Redes de Computadores e Sistemas Abertos Interconectados existe um consenso apontando para os parâmetros: tempo de resposta, utilização, vazão (throughput) e taxa de erros como os mais importantes [ 6 ]. Embora os indicadores variem, dependendo do serviço prestado pelo sistema, a análise imposta sobre eles é essencialmente a mesma. O que se deseja é manter os indicadores de desempenho dentro dos limites considerados satisfatórios e ao mesmo tempo atender toda a demanda pelo serviço prestado. Quando os indicadores apontam a degradação do desempenho e a necessidade da correção de rumos, o administrador do sistema deve lançar mão de sistemáticas e técnicas capazes de restabelecer o desempenho desejado. Os principais focos a serem analisados pelo administrador da rede são: Análise de Desempenho, Identificação de Gargalos, Ajuste de Parâmetros do Sistema, Caracterização da Carga de Trabalho e o Planejamento de Capacidade. O que de fato tenta se alcançar com toda essa análise é a melhor relação desempenho/custo para um dado cenário. Embora este seja o objetivo real, em muitos casos o problema do desempenho só é percebido com as reclamações dos usuários e a prática mais comum para se resolver o problema é aumentar a capacidade do sistema, mesmo que a solução não apresente uma boa relação custo/benefício. Pensando na ampliação da rede tradicional (cabeada) utilizando redes sem fio, surge a seguinte questão: Será que haverá atendimento aos requisitos de qualidade

3 dos serviços prestados? Qual será o desempenho da rede IEEE 802.11 e como ele poderá afetar a rede como um todo? Para responder a estas perguntas é primordial a análise do desempenho das redes sem fio, a verificação do tráfego gerado por todas as estações sem fio e que passa pelo Ponto de Acesso (Access Point - AP), além da previsão do impacto de novas aplicações e usuários na rede como um todo. Com todos os indicadores de desempenho, consegue-se analisar o desempenho de qualquer rede, inclusive das redes IEEE 802.11. Desta forma, é proposta uma metodologia visando a coleta, o tratamento e a apresentação dos dados de forma mais amigável ao Administrador de Rede. Contudo, ainda buscando uma integração da metodologia com ferramentas de simulação, foi criada uma fase responsável pelo Planejamento de Capacidade da rede. Foi pensado então em como obter os indicadores de desempenho desejados e que ferramentas poderiam ser utilizadas para a coleta de dados. O interesse se voltou imediatamente à gerência baseada no protocolo SNMP (Simple Network Management Protocol) que, além de ser a mais utilizada e implementada nos dispositivos de redes tradicionais, possui a segunda versão da base de informação de gerenciamento (Management Information Base - MIB-II), com quase todos os objetos responsáveis pelos indicadores de desempenho, e vem sendo bastante empregada em redes IEEE 802.11. Esta arquitetura de gerência inclui o protocolo SNMP, diversas MIBs e os procedimentos que são utilizados para monitorar e gerenciar os dispositivos conectados à rede. Com a finalidade de verificar como o tráfego gerado em redes sem fio pode afetar a rede como um todo, foi utilizada a ferramenta de simulação OPNET Modeler, que ainda possibilitou a compreensão dos parâmetros característicos destas redes. As ferramentas de simulação são muito importantes na Análise de Desempenho, já que se pode criar um cenário com o perfil do usuário e o tráfego gerado bem próximos do real, realizar as alterações pertinentes no cenário e obter a melhor solução sem gerar gastos ou paradas no funcionamento da rede real.

4 1.1 Motivações para o Estudo sobre Redes IEEE 802.11 e o Protocolo SNMP As redes locais de computadores tradicionais, ou seja, cabeadas (wired), usam um meio físico para interconectar os seus terminais, como por exemplo, o par trançado. Vários pontos são fornecidos no meio físico, permitindo assim, a conexão dos terminais ao meio. Essas redes podem ser conectadas entre si utilizando pontes (bridges) ou switches e o protocolo mais comum é o Ethernet (IEEE 802.3), com todas as suas variações ao longo de sua evolução. Já as redes locais sem fio aumentam o acesso das redes cabeadas através do AP, que liga o backbone da rede tradicional ao usuário móvel utilizando o espectro de rádio. Além da possibilidade de ampliar a cobertura de uma rede cabeada, as redes sem fio apresentam várias outras vantagens, tais como: Facilidade de instalação A velocidade e simplicidade de instalação em redes sem fio eliminam a necessidade de puxar cabos através de paredes e tetos. Não necessita de homologação para atuar em sua faixa de freqüência, podendo ser criada e desfeita por pessoas leigas, bastando para isto uma estação com a interface adequada e um software instalado que lhe dá os passos para a sua configuração. Flexibilidade A retirada e a colocação de estações ocorre de forma dinâmica, ficando a cargo do protocolo de controle de acesso ao meio (Media Access Control MAC) as respectivas comunicações. Mobilidade É a possibilidade de sair de um local, por exemplo, seu escritório e ir para outra sala, continuando conectado à rede, permitindo maior produtividade e oportunidades de serviço que não são possíveis em uma rede cabeada. Escalabilidade Trata-se da capacidade da rede em ampliar a sua área de cobertura, formando uma rede ainda maior através do uso de pontos de acesso, podendo ser configurado para qualquer topologia. As configurações são facilmente mudadas e englobam desde redes fim-a-fim, ideais para um pequeno número de usuários, até uma infra-estrutura