Redes Locais sem Fio (WLANs) Francisco José da Silva e Silva Laboratório de Sistemas Distribuídos (LSD) Departamento de Informática / UFMA http://www.lsd.deinf.ufma.br 30 de agosto de 2011 Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 1 / 46
Agenda 1 Introdução à WLANs 2 Arquitetura do Sistema IEEE 802.11 3 Arquitetura de Protocolo IEEE 802.11 Camada Física Camada MAC Gerenciamento MAC 4 HiperLAN 5 Leituras Recomendadas Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 2 / 46
Introdução à WLANs Vantagens das Wireless LANs Flexibilidade com relação a área de cobertura: ondas de rádio penetram paredes, receptores e transmissores podem ser colocados em qualquer lugar; Redes ad-hoc não exigem planejamento prévio; Elimina dificuldades relativas ao cabeamento (prédios históricos, barreiras contra incêndio); Maior robustez contra desastres (terremotos, incêndio, usuários puxando cabos, etc.) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 3 / 46
Introdução à WLANs Desvantagens das Wireless LANs Menor largura de banda (1-54 Mbit/s) Soluções proprietárias para altas taxas de transferência Os produtos devem ser aderentes a restrições impostas pelos países, o que pode levar a um longo tempo até que sejam adotadas globalmente O uso de ondas de rádio pode vir a interferir em outros equipamentos (ex: ambiente hospitalar) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 4 / 46
Introdução à WLANs Redes Infra-estruturadas e Redes Ad hoc Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 5 / 46
Introdução à WLANs Redes Infra-estruturadas e Redes Ad-hoc Infra-estruturadas Comunicação entre nós móveis e pontos de acesso (access points) Exige um projeto simplificado (dos pontos de acesso) Perdem em flexibilidade: por ex, podem não estar disponível em caso de desastre Ad hoc Comunicação direta entre nós móveis Não necessita de infra-estrutura para funcionar Maior complexidade dos nós já que todos devem implementar mecanismos de acesso ao meio Redes IEEE 802.11 e HIPERLAN são tipicamente infra-estruturadas mas podem ter suporte a redes Ad hoc Redes Bluetooth são Ad hoc Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 6 / 46
Introdução à WLANs Transmissão por Infravermelho Utiliza luz difusa refletida por paredes e móveis ou luz direcionada (LOS) entre emissor e receptor Vantagens: Simples, barata, disponível em muitos dispositivos móveis Não necessita de licença Dispositivos elétricos não interferem na transmissão Desvantagens: Interferência pela luz do sol e fontes de calor Baixa largura de banda Exemplo: IrDA (Infrared Data Association) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 7 / 46
Introdução à WLANs Transmissão por Radio Tipicamente uliliza bandas livres de licença até 2.4 GHz Vantagens: Experiências com wireless WAN e telefones sem fio podem ser utilizadas Maior área de cobertura (pode penetrar paredes, móveis, etc...) Desvantagens: Existem poucas bandas de frequência gratuitas disponíveis Outros dispositivos elétricos podem vir a interferir na transmissão Exemplos: Wave LAN, HIPERLAN, Bluetooth Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 8 / 46
Introdução à WLANs História do IEEE 802.11/15/16 1985 a FCC (Federal Communications Commission) impulsionou o desenvolvimento comercial de componentes wireless LAN, autorizando o uso público das bandas ISM (Industrial, Scientific, and Medical); Fabricantes de equipamentos sem fio começaram a desenvolver tecnologias de rádios proprietárias; Para evitar a falta de interoperabilidade entre as novas tecnologias o IEEE/802 criou grupos de trabalho (WGs) para projetar/desenvolver padrões para a rede sem fio: WG 11 (802.11): é o responsável pelo padrão 802.11, para as redes locais sem fio; WG 15 (802.15): é o responsável pela padronização de Wireless Personal Area Networks (WPANs); A principal tecnologia atual para WPANs é o Bluetooth; WG 16 (802.16): é o responsável pela padronização das redes metropolitanas sem fio (Broadband Wireless Metropolitan Area Networks ou WirelessMAN) acesso fixo em banda larga. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 9 / 46
Arquitetura do Sistema IEEE 802.11 Arquitetura IEEE 802.11 - Rede Infra-estruturada Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 10 / 46
Arquitetura do Sistema IEEE 802.11 Arquitetura IEEE 802.11 - Rede Infra-estruturada Estação / Station (STA) Terminal com mecanismos de acesso ao meio e rádio para contactar pontos de acesso Basic Service Set (BSS) Grupo de estações que utilizam a mesma frequência de rádio Ponto de Acesso / Access Point Estação integrada à rede sem fio e ao sistema de distribuição Portal Ponte para outras redes cabeadas Sistema de Distribuição / Distribution System Interconecta as redes de forma a prover uma única rede lógica (EES: Extended Service Set) baseada em diversas BSS Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 11 / 46
Arquitetura do Sistema IEEE 802.11 Arquitetura IEEE 802.11 - Rede Ad-hoc Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 12 / 46
Arquitetura do Sistema IEEE 802.11 Arquitetura IEEE 802.11 - Rede Ad-hoc Comunicação direta com alcance limitado Estação / Station (STA): terminal com mecanismos de acesso ao meio sem fio; Independent Basic Service Set (IBSS): grupo de estações que utilizam a mesma frequência de rádio. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 13 / 46
Padrão IEEE 802.11 Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 14 / 46
Camadas 802.11 e suas Funções Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 15 / 46
Camada Física Protocolos 801.11 MIMO (multiple-input and multiple-output): uso de múltiplas antenas para melhorar o desempenho da transmissão e recepção Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 16 / 46
Camada Física 802.11: Camada Física Rádio utilizando FHSS (Frequency Hopping Spread Specturm): multiplexação por frequência Rádio utilizando DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): multiplexação por código Rádio utilizando OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing): multiplexação por frequência Infravermelho Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 17 / 46
Camada Física Camada Física FHSS: formato do pacote Sincronização: preâmbulo PLCP de 80 bits: 010101... SFD (Start Frame Delimiter): 0000110010111101 padrão que indica o início de um pacote PLW (PLCP PDU Length Word): comprimento do payload PSF (PLCP Signaling Field): taxa de transferência do payload que virá a seguir (1 or 2 Mbps) HEC (Header Error Check): CRC com x 16 +x 12 +x 5 +1 Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 18 / 46
Camada Física Camada Física DSSS: formato do pacote Sincronização SFD (Start Frame Delimiter) 1111001110100000 Signal: Taxa de transferência do payload (0A: 1 Mbit/s DBPSK; 14: 2 Mbit/s DQPSK) Serviço: para uso futuro, 0x00 indica quadro 802.11 Comprimento do payload HEC (Header Error Check) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 19 / 46
Camada Física Camada Física: Infravermelho O padrão não requer LOS (line-of-sight) entre o emissor e o receptor; Portanto, luz difusa pode ser utilizada; A distância máxima é de aproximadamente 10 m, desde que não haja interferência solar ou de calor na transmissão. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 20 / 46
Camada MAC 802.11: Serviços da Camada MAC Asynchronous Data Service (mandatório) Troca de pacotes baseado em best-effort Não há como garantir limites de tempo para a entrega de pacotes Permite broadcast e multicast Única opção no caso de redes ad-hoc Time-Bounded Service (opcional) Implementado utilizando PCF (Point Coordination Function) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 21 / 46
Camada MAC 802.11: Métodos de Acesso DFWMAC Distributed Foundation Wireless MAC DFWMAC-DCF CSMA/CA (mandatório) DCF Distributed Coordination Function: oferece apenas o serviço assíncrono Evita colisões através de um mecanismo de back-off randômico Distância mínima entre pacotes consecutivos ACK de recebimento (menos para broadcasts) DFWMAC-DCF com RTS/CTS (opcional) Evita o problema de terminais escondidos DFWMAC- PCF (opcional) Pontos de acesso realizam um polling nos terminais de acordo com uma lista Oferece tanto o serviço assíncrono quanto o time-bounded Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 22 / 46
Camada MAC Prioridade para Acesso ao Meio Durante a fase de contenção, diversos nós tentam acessar o meio A prioridade de acesso é definida através de diferentes espaços entre os frames SIFS (Short Inter Frame Spacing) Maior prioridade, utilizada em ACK, CTS e resposta de polling PIFS (PCF Inter Frame Spacing) Média prioridade, utilizado no serviço time-bounded utilizando PCF DIFS (DCF Inter Frame Spacing) Menor prioridade, utilizado no serviço assíncrono Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 23 / 46
Camada MAC DFWMAC-DCF CSMA/CA Estação pronta para enviar verifica o meio (Carrier Sense) Se o meio está disponível pela duração de um Inter-Frame Space (IFS) a estão pode iniciar a transmissão Se o meio está ocupado, a estação espera por um IFS livre e adicionalmente por um tempo back-off (evita colisão) Se outra estação vier a ocupar o meio durante o tempo de back-off, o temporizador de back-off é interrompido Assim, estações que esperam a mais tempo possuem vantagem sobre novas estações que querem usar o meio (justiça) Uma colisão gera uma retransmissão selecionando-se um novo tempo aleatório de back-off Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 24 / 46
Camada MAC Exemplo DFWMAC-DCF CSMA/CA Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 25 / 46
Camada MAC DFWMAC-DCF CSMA/CA: enviando Pacotes Unicast Estação deve esperar DIFS antes de enviar dados Se o pacote foi recebido corretamente (CRC) um ACK é retornado após a espera SIFS. SIFS < DIFS impede que outra estação acesse o meio para transmissão e cause uma colisão) Retransmissão automática de pacotes no caso de erro (não recepção de ACK) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 26 / 46
Camada MAC DFWMAC com RTS/CTS Estações podem enviar RTS com um parâmetro de reserva após terem esperado por DIFS (a reserva determina quanto tempo o meio ficará ocupado para tx do pacote) Receptor devolve ACK através de CTS depois da espera por SIFS caso esteja pronto para receber Emissor envia dados de uma só vez, recebendo um ACK no final Outras estações armazenam as reservas ao meio realizadas através de RTS e CTS Toda estação possui NAV Net Allocation Vector Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 27 / 46
Camada MAC DFWMAC com RTS/CTS: Fragmentação WLANs possuem altas taxas de erro de transmissão Para minimizar este problema um frame pode ser fragmentado RTS inclui o tempo necessário para transmitir o 1 o fragmento O fragmento 1 possui o tempo necessário para transmitir o próximo fragmento e assim sucessivamente Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 28 / 46
Camada MAC DFWMAC-PCF com polling Os mecanismos de acesso ao meio anteriores não garantem um tempo máximo ou mínimo de espera para transmissão O ponto de acesso divide o tempo em períodos denominados SuperFrames Um SuperFrame define um período livre de contenção e outro com contenção O período de contenção pode ser utilizado pelos mecanismos de acesso ao meio vistos anteriormente D x: downstream para estação x; U x: upstream da estação x Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 29 / 46
Camada MAC DFWMAC-PCF com polling CF end : marcador que indica o início do período de contenção Este método possui a desvantagem do coordenador sempre realizar polling em nós, mesmo que eles nada tenham a enviar. Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 30 / 46
Camada MAC Formato dos Frames 802.11 Control Frame: versão do protocolo, tipo do frame (de controle, gerenciamento e de dados), se o frame foi fragmentado, privacidade, 2 bits DS (Distribution System) que indicam o significado dos 4 endereços constantes do frame Duração: para o mecanismo RTS/CTS: indica o tempo pelo qual o meio ficará ocupado Controle de sequência: importante em frames duplicados causados por ACKs perdidos Endereços: receptor, transmissor (físico), identificador BSS, emisssor (lógico) CRC - Checksum Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 31 / 46
Camada MAC Endereços do Frame 802.11 Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 32 / 46
Camada MAC Frames Especiais: ACK, RTS, CTS Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 33 / 46
Gerenciamento MAC Gerenciamento MAC Sincronização Funções para procura de LAN, sincronização de relógios internos, geração de sinais de beacon Gerenciamento de Energia Funções para controlar a atividade de transmissão conservando energia Adormecimento periódico, buffering de frames Associação / Reassociação Integração a uma LAN roaming, mudando de ponto de acesso scanning, busca por uma rede MIB - Management Information Base Acessível através do protocolo SNMP Simple Network Management Protocol Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 34 / 46
Gerenciamento MAC Sincronização Através de Beacon (rede infra-estruturada) TSF: Timing Synchronization Function Uso: gerenciamento de energia, coordenação PCF, sequência de hopping FHSS Ponto de acesso periodicamente transmite um sinal de beacon contendo um timestamp e outras informações de gerenciamento e roaming (id da BSS) O beacon pode ter de ser postergado se o meio estiver ocupado Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 35 / 46
Gerenciamento MAC Sincronização através de Beacon (rede Ad hoc) Cada nó possui seu próprio temporizador de sincronização e transmite um frame de beacon ao final deste intervalo O algoritmo de backoff é utilizado também para frames beacon. Portanto, tipicamente somente um vence Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 36 / 46
Gerenciamento MAC Gerenciamento de Energia (rede infra-estruturada) Protocolos padrões consideram que a estação está sempre pronta para receber ou transmitir dados Idéia: desligar o transceiver sempre que possível e realizar buffering de dados no emissor Estados da estação: dormindo e acordada Timing Synchronization Function (TSF) Todas as estações acordam ao mesmo tempo Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 37 / 46
Gerenciamento MAC Gerenciamento de Energia (rede infra-estruturada) Em todo beacon transmitido pelo ponto de acesso, uma Traffic Indication Map (TIM) é inserida Lista de estações para as quais existem frames de dados unicast bufferizados no ponto de acesso Se uma estação consta da lista ela acorda para receber a transmissão O ponto de acesso também possui um intervalo de tempo Delivery Traffic Indication Map (DTIM) para transmissão de broadcasts Todas as estações acordam antes de um TIM ou DTIM DTIM é múltiplo de TIM Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 38 / 46
Gerenciamento MAC Gerenciamento de Energia (rede infra-estruturada) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 39 / 46
Gerenciamento MAC Gerenciamento de Energia (rede Ad hoc) Todas as estações anunciam a lista de frames armazenados através de uma ad hoc Traffic Indication Map (ATIM) O período de anúncio é denominado janela ATIM Problema: escalabilidade: quanto mais transmissões ATIM forem geradas, mais colisões ocorrerão Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 40 / 46
Gerenciamento MAC Gerenciamento de Energia (rede Ad hoc) Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 41 / 46
Gerenciamento MAC Roaming Sem conexão ou com conexão ruim? Estação realiza: Scanning Scan no ambiente: escuta o meio por beacons ou envia probes e espera resposta Requisição de reassociação Estação envia requisição a um ou mais pontos de acesso Resposta à requisição de reassociação Sucesso: ponto de acesso responde e a estação se junta à rede Falha: continuar realizando scanning Ponto de acesso aceita requisição de reassociação Sinaliza a nova estação ao sistema de distribuição O sistema de distribuição atualiza seu banco de dados (informação de localização) Tipicamente o sistema de distribuição informa ao ponto de acesso antigo de forma a que o mesmo possa liberar recursos alocados Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 42 / 46
HiperLAN ETSI - HIPERLAN Padrão Europeu que significa High Performance Local Area Netowork Serviços são compatíveis com os oferecidos pela camada MAC IEEE 802.x Endereços são baseados no padrão MAC de 48 bits Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 43 / 46
HiperLAN HIPERLAN: Família de protocolos Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 44 / 46
Leituras Recomendadas Leituras Recomendadas Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 45 / 46
Leituras Recomendadas Leituras Recomendadas Mobile Communications, 2nd Ed Jochen Schiller Cap 7: Wireless LAN Addison-Wesley Francisco Silva (UFMA/LSD) Computação Móvel 30 de agosto de 2011 46 / 46