Redes sem Fio Eng. Alessandro C. Bianchini alessanc@gmail.com 1
Agenda IRDA BlueTooth WiMAX 2
Arquitetura Fonte: Intel (Treands In Telecom: Wireless Service for the Mainstream) 3
Infravermelho 4
Definição Infravermelho é uma radiação eletromagnética cujo comprimento de onda é maior do que o da luz visível, e por conseqüência não é visível para os seres humanos. 5
Utilização dessa descoberta Implementar dispositivos que: Demandassem um baixo custo; Oferecessem velocidade na transmissão; Permitissem maior adaptabilidade. 6
IRDA (Infrared Data Association) Consórcio entre diversas empresas HP, Sharp, IBM dentre outras (aproximadamente 150 empresas); Normatização e Padronização; Não possui fins lucrativos. 7
Padrão 8
Protocolos IrPHY - Infrared Physical Layer Specification: 9
Protocolos IrLAP: Link Access Protocol: Estabelece a conexão básica confiável. IrLMP: Link Management Protocol: Multiplexa serviços e aplicações na conexão LAP. IAS: Information Access Service: Abastece as yellowpages de serviços em um dispositivo. 10
Transmissão de dados 11
Aplicações 12
Vantagens e Desvantagens Vantagens: Uso de dispositivos wireless; Baixo custo; Economia de energia. Desvantagens: Distância dos dispositivos; Velocidade na transmissão de dados. 13
BLUETOOTH 14
Roteiro Introdução Arquitetura Segurança Aplicações Estado da Arte Conclusões 15
Introdução O que é Bluetooth Tecnologia sem fio, para comunicação à curta distância entre diversos dispositivos Padronização Necessidade de interação com dispositivos de marcas diferentes Como surgiu Bluetooth SIG: Consórcio entre grandes empresas (Ericsson, Nokia, IBM, Intel e Toshiba ), para padronizar a comunicação O significado do nome Bluetooth Rei Viking Harald Blatand 16
Surgimento Em 1998, grandes companhias como Ericsson, Nokia, IBM, Intel, e Toshiba formaram o consórcio Bluetooth Special Interest Group, motivados pela idéia da extinção dos cabos de comunicação. O nome Bluetooth foi dado em memória a Harald Bluetooth, que foi rei da Dinamarca no final dos anos 900, e conseguiu unir seu país e parte da Noruega num único reino. A escolha desse nome para o padrão indica a importância das companhias da região Nórdica (que inclui países como a Dinamarca, Suécia, Noruega e Finlândia) para a indústria de comunicações, mesmo que o nome informe muito pouco sobre a tecnologia. 17
Porque Bluetooth Conexão sem cabos Infravermelho (melhor tecnologia da época) Demanda de acesso móvel Solução Padronizada Baixo consumo Baixo custo Transmissão de voz e dados Fonte: www.bluetooth.com 18
Arquitetura Topologia de rede - Piconet Rede formada por até 8 dispositivos (1 mestre) Sincronização do clock e sequência do salto de frequência com o mestre Comunicação somente entre mestre e escravos, não existe direta entre escravos Mestre centraliza a comunicação 19
Topologia de rede - Piconet Escravos Mestre 20
Topologia de rede - Piconet Em um mesmo local, podem existir várias Piconets Cada piconet um canal físico diferente (mestre diferente, clock diferente, sequência do salto de frequência diferente) Scatternet: conjunto de Piconets Mestre de uma Piconet não pode ser mestre de outra Piconet 21
Topologia de rede - Scatternet Exemplo de uma Scatternet Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialblue/pagina_1.asp 22
Comunicação A comunicação entre os dispositivos é feita através do estabelecimento de um canal Frequency Hopping Transmissor envia dados em uma série de freqüências Receptor, em sincronia (saltando na mesma série de freqüências) com o transmissor recebe os dados Para a operar na faixa ISM de 2,45 GHz, foram definidas 79 portadoras espaçadas de 1 MHz A seqüência particular de freqüências de um canal é estabelecida pelo dispositivo mestre da piconet 23
Comunicação O dispositivo mestre muda sua freqüência de transmissão 1600 vezes por segundo Fonte: BILLO, Eduardo A. Uma pilha de protocolos Bluetooth adaptável à aplicação. 2003 24
Comunicação O compartilhamento do canal entre os dispositivos, é possível graças a multiplexação por tempo do canal Canal dividido em slots de 625 µs TDD (Time Division Duplex) Slots utilizados de modo alternado 25
Comunicação Fonte: SIG (Special Interest Group). Specification of the Bluetooth System. 2001. 26
Estados de estabelecimento conexões Três elementos são utilizados para o estabelecer conexões entre os dispositivos Scan: verifica se existe algum outro dispositivo tentando estabelecer uma conexão. Inquiry: mensagem para determinar quais outros dispositivos estão na área de alcance de um dispositivo. A resposta deve conter identidade e informações para o sincronismo. Page: transmissão de dois pedidos de conexão em diferentes portadoras, a cada 1,25 ms. 27
Protocolos Bluetooth Host (microprocessador/pc/pda) Aplicações TCS RFCOMM L2CAP HCI (Top) SDP HCI (Bottom) Link Manager Baseband Physical Link (UART, USB, PCMCIA) Módulo Bluetooth (host controller) 28
Protocolos Bluetooth Baseband: lida com o controle dos canais físicos e lógicos, do acesso ao meio, e de serviços como detecção e correção de erros LMP: responsável pela configuração e gerenciamento das conexões Baseband HCI: interface padrão de acesso ao Baseband e ao LMP 29
Protocolos Bluetooth L2CAP: fornece serviços de dados orientados à conexão e sem conexão, multiplexação e segmentação e remontagem SDP: fornece os meios para as aplicações clientes descobrirem a existência de serviços RFCOMM: emulação de portas seriais TCS: controle de sinalização para o estabelecimento de conversa e chamada de dados. Ex: H = hangup, D = dial 30
Estabelecendo conexões Descobre-se um dispositivo ao qual podese conectar (Inquiry) Sincronização (Paging) Estabelecimento de um link (LMP) Canal de comunicação (L2CAP) Procura por serviços (SDP) Canal que emula porta serial (RFCOMM) Autenticação: verificação do PIN 31
Estabelecendo conexões Funcionamento de uma aplicação bluetooth INQUIRY PAGING LMP RFCOMM SDP L2CAP PPP IP TCP/UDP 32
Modos de operação Após a conexão os dispositivos estão prontos para e trocar informações, existindo quatro modos de operação: Active Mode transmissão ativa Sniff Mode modo econômico Hold Mode scan, inquiry e page Park Mode escravo inativo (até 255 escravos) 33
Segurança Por utilizar um meio de transmissão compartilhado é impossível impedir que pessoas má intencionadas escutem os pacotes de transmissão do bluetooth no raio da piconet. Assim a única forma para esta tecnologia prover segurança é implementá-la nas camadas de aplicação e camada de link 34
Modos de segurança Existem três modos: Modo de segurança 1: Sem segurança (nonsecure) Modo de segurança 2: Segurança estabelecida no nível do serviço (service- Level enforced Security) após estabelecimento da conexão Modo de segurança 3: Segurança estabelecida no nível do link (link-level Enforced Security) antes do estabelecimento da conexão 35
Tipos de ataque Snarf: Conectar-se ao dispositivo sem alertar o dono do mesmo e conseguir acesso ao dispositivo Backdoor: Conecta-se ao dispositivo com conhecimento do dono deixando uma porta aberta para iniciar um ataque posterior Bluebug: Obter acesso ao conjunto de comandos AT podendo emitir comandos de alto nível do celular e acesso a canais de dados, voz e mensagens Bluejacking: mensagem anônima 36
Aplicações Conexão sem fio, entre PC e periféricos Conexão automática, PC-celular (mesmo dono), que por exemplo envie mensagens de e-mail Pode funcionar como uma identificação pessoal Acesso a serviços: ingresso, recados 37
Aplicações Relógio display Periféricos Acesso à serviços Identificação pessoal 38
Outras aplicações: Fiat Stilo Celular Fone de ouvido sem fio Java ring Novos formatos para celular Medicina Headset Medidor de pulso Joia digital 39
Vantagens Não exige visada direta entre transmissor e receptor Grande quantidades de dispositivos usando bluetooth Facilmente integrada aos protocolos de comunicação Facilidade de uso Baixo consumo de energia 40
Desvantagens Número limitado de dispositivos conectados Alcance curto 41
Bluetooth? 42
WiMax 43
Introdução Worldwide Interoperability for Microwave Access Interface sem-fio para WMAN 44
Introdução WiMax Forum Certifica conformidade com IEEE 802.16 Promove interoperabilidade Promove a tecnologia 45
Introdução Histórico IEEE 802.16 1999 Criação do BWA Working Group 2001 Primeira versão e três emendas 2001 Formado WiMax Fórum 2003 IEEE802.16REVd 2004 Conclusão do projeto 200? IEEE 802.16e 46
Definição: Tecnologia wireless desenvolvida para oferecer acesso banda larga a distâncias típicas de 6 a 9 Km. O WIMAX é implantado em células (semelhante à telefonia celular). Da estação base é possível a transmissão para uma estação terminal que fornece acesso a uma rede local (WiFi por exemplo) ou diretamente até os dispositivos dos usuários. Uma das principais aplicações do WIMAX é a oferta de acessos banda larga a Internet, como alternativa ao ADSL.
Histórico: Originalmente, o padrão 802.16, que foi ratificado em Dezembro de2001, estava focando basicamente as faixas de freqüências situadas entre 10GHz e 66GHz considerando sempre aplicações com linha de visada. A versão 802.16a, que foi concluída em 2003, passou a focar as aplicações sem linha de visada, dentro das faixas de freqüência entre 2GHZ e 11GHZ, considerando também os aspectos de interoperabilidade.
Padrão WiMax (IEEE 802.16)
Tipos Wimax Fixo (IEEE 802.16-2004): As estações terminais podem ser nômades (mobilidade restrita). O local onde está colocada a estação terminal pode variar dentro da célula, mas ela está parada quando em operação. Utiliza Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e suporta acessos fixos e nômades em ambientes com ou sem linha de visada. As especificações iniciais são nas frequências de 3,5 GHz e 5,8 GHz e os primeiros produtos foram certificados pelo WIMAX Forum no final de 2005.
Tipos Wimax Móvel (802.16e Mobile Amendment): ratificado em dezembro de 2005. Otimizado para mobilidade, suporta handoffs entre células e roaming. A rede WiMAX é formada por um conjunto de células e os terminais são portáteis e móveis como no celular. É possível trocar de célula durante a comunicação (handover). Utiliza Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (SOFDMA), uma técnica de modulação multiportadora que usa sub-canalização. Os primeiros produtos certificados devem estar disponíveis em 2007. Cobrirá inicialmente as frequências de 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz e 3,5 GHz com canais de 5, 7, 8,75 e 10 Mhz.
Padronização O WiMAX Forum foi formado em 2001 para promover a conformidade e a interoperabilidade dos padrão IEEE 802.16. Ele define "profiles" baseados nas especificações que são usados nos testes de conformidade e interoperabilidade. O nome WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) só é atribuído aos produtos desenvolvidos, segundo a família de padrões IEEE 802.16, que passam por testes de conformidade e interoperabilidade de acordo com os "profiles" definidos pelo WiMAX Forum, ou seja, produtos certificados. O objetivo é ter produtos multivendors com interoperabilidade viabilizando a produção em massa com baixos custos.
WiMAX no Brasil Faixas regulamentadas: Faixa Regulamentação Frequências (MHZ) Comentário 2500-2530 (FDD) 2,6 GHz Res. 429 2570-2620 (TDD) Compartilhada com o MMDS 2620-2650 (FDD) 3,5 GHz Res. 416 3400 a 3600 em licitação 5 GHz Res. 365 5150-5350 5470-5725 Não precisa de licença A maior parte das implantações de WiMAX no Brasil deve ocorrer na faixa de 3,5 GHz.
WiMax No Brasil Empresas que adquiriram blocos de frequências em 3,5 GHz na licitação n. 003/2002/SPV-Anatel, realizada em fevereiro de 2003: Embratel (Brasil todo) Brasil Telecom (12 Áreas de Numeração - DDD) Grupo Sinos (RS) Neovia (DirectNet) São Paulo WKVE 6 AN em MG, ES e BA
WiMax no Brasil Empresas que possuem licenças na faixa de 2,6 GHz, compartilhada com o MMDS (Sistema Multicanal de Distribuição de Microondas), e que possuem licença SCM (Serviço de Comunicação Multimídia) também têm mostrado interesse em implantar redes Wimax para oferecer serviços de banda larga e outros serviços de valor adicionado. TVA: trial de rede Wimax, no padrão IEEE 802.16e, com a Samsung em 2006 em São Paulo SP implantando uma rede Wimax da Samsung em Curitiba - PR a partir do 2º trimestre de 2007. anunciou em março/07 que assinou acordos de trial de redes Wimax, no padrão IEEE 802.16e, para São Paulo, com a Nortel, e para o Rio de Janeiro, com a Motorola
WiMax no Brasil A Anatel destinou também a faixa de 10,5 GHz para aplicações de Banda Larga Wireless (BWA) no Brasil (Resolução n. 307, de 14/08/02). Esta faixa pode ser utilizada com sistemas proprietários pois o WIMAX não está sendo padronizado para esta faixa de freqüências. Empresas que adquiriram licenças nesta freqüência: Embratel (SP e RJ) Brasil Telecom (SP, RJ, MG, PR, RS, BA, PE e CE) Universal (SP, RJ e MG) Inforwave (MG)
WiMax no Mundo A grande maioria das operadoras do mundo interessadas em implantar sistemas Wimax está adotando o Wimax Móvel (IEEE 802.16e). Como ainda não existem produtos certificados neste padrão estão sendo implantados sistemas pré-wimax desenvolvidos pelos vários fornecedores ou os sistemas Wimax Fixo (IEEE 802.16d), que atualmente já estão certificados pelo Wimax Forum. Os sistemas pré-wimax deverão migrar para produtos certificados e que tem a interoperabilidade garantida por testes, sejam eles compatíveis com o padrão fixo, que já tem produtos disponíveis no mercado, ou com o padrão móvel, quando estes produtos estiverem certificados e disponíveis.
WiMax Padrão de 3G da United International of Telecommunications (UIT) A 22º reunião do grupo WP 8F do setor de Radiocomunicação da UIT (ITU-R) realizada no Japão aprovou em Jun/07 o envio para aprovação de uma nova interface terrestre do IMT-2000, "OFDMA TDD WMAN", um subset do WiMAX. O WiMax Forum declarou que a inclusão do IP-OFDMA (mobile WiMAX) na família IMT-2000 de tecnologias de transmissão de rádio irá colocar o WiMAX móvel em situação comparável com o EV-DO, HSPA, e outras evoluções das tecnologias 3G. O IMT-2009 é o conjunto de padrões adotados pela UIT para a 3ª Geração de sistemas de comunicação wireless.
Camada Física Padrões SC e SCa (Single Carrier) OFDM e OFDMA (Orthogonal frequency-division multiplexing) Modulações BPSK e Spread BPSK (Binary Phase-Shift Keying) constelação de 2 símbolos QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e QPSK com mapeamento de Gray constelação de 4 símbolos 16/64/256-QAM (State Quadrature Amplitude Modulation) 59
Camada Física Blocos FEC (Forward Error Correction) de tamanho fixo Slots físicos 4 símbolos QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 60
Camada Física SC (Single Carrier) Portadora única 10 Ghz a 66 Ghz Comunicação em linha de visada Antenas direcionais QPSK, 16-QAM (opcional no uplink) e 64- QAM (opcional) Robustez e eficiência 61
Camada Física SC (Single Carrier) Divisão entre sub-quadros de downlink e uplink FDD( Frequency Division Duplexing ) Frequências diferentes 62
Camada Física SC (Single Carrier) TDD (Time Division Duplexing) Momentos diferentes Possibilidade de divisão desigual 63
Camada Física SC (Single Carrier) Sub-quadro de downlink TDD Preâmbulo para sincronização e uniformização Seção de controle com DL-MAP e UL-MAP Seções TDM divididas por modulação Intervalo TTG (transmit/receive transition gap) 64
Camada Física SC (Single Carrier) Sub-quadro de downlink FDD Mesmo princípio do TDD Seção TDMA (Time-Division Multiple Access) Decodificação de regiões específicas Transmissão antes de receber o sub-quadro completo 65
Camada Física SC (Single Carrier) Subquadro de uplink Transmissão TDMA Número variável de PDUs Espaço reservado para primeiro acesso e requisitos de banda SSTGs e TTG 66
Camada Física SC (Single Carrier) TC (transmission convergence) Presente nos sub-quadros de downlink e uplink Transformar PDUs da MAC em blocos FEC 67
Camada Física SCa (Single Carrier a) Portadora única Similar ao SC Freqüências abaixo de 11 GHz Transmissão sem linha de visada FDD ou TDD Downlink TDM ou TDMA Uplink TDM Spread BPSK, BPSK, QPSK, 16-QAM, 64- QAM e 256-QAM (opcional) 68
Camada Física OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) Multiplexação por frequências Freqüências abaixo de 11 GHz FTT (Fast Fourier Transform) com 256 portadoras BPSK, QPSK com mapeamento de Gray, 16- QAM e 64-QAM (opcional) FDD ou TDD (obrigatório para bandas não licenciadas) 69
Camada Física OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) Sinal no domínio do tempo Cópia do final do símbolo (Tg) em seu início 70
Camada Física OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) Sinal no domínio das frequências Sub-portadoras de dados Sub-portadoras piloto Sub-portadoras nulas DC, inativas, bandas guarda 71
Camada Física OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) Multiplexação por frequências Freqüências abaixo de 11 GHz FTT com 2048 e 4096 portadoras Modulações QPSK com mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM (opcional) FDD ou TDD (obrigatório para bandas não licenciadas) Estações cliente podem ser H-FDD 72
Camada Física OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) Domínio do tempo Semelhante ao OFDM Domínio das freqüências Divisão em sub-canais 73
MAC 74
MAC PDU 75
MAC PDU 76
MAC Suporte a PHY Subcamada de convergência Otimização RLC (Radio Link Control) Escolha do perfil de tráfego RNG-REQ e RNG-REP 77
MAC Permissões para requisição de banda GPC (Grant per Connection) GPSS (Grant per Subscriber Station) Autonomia na Instalação 78
Segurança Subcamada de Segurança Privacidade, autenticação e autorização Vulnerabilidades eliminadas no novo padrão Adição do AES Associações de segurança Mantêm o estado de segurança de uma conexão Primárias, estáticas ou dinâmicas SAID (Security Association Identifier ) 79
Segurança PKM (Private Key Management) Sincronização de dados de chaves Certificados X.509 Fabricante e estação cliente específica Criptografia RSA 80
Segurança PKM (Private Key Management) Primeira mensagem (cliente para base) Envio do certificado do fabricante Segunda mensagem (cliente para base) Envio do certificado da estação cliente SAID primário Algoritmos de criptografia suportados Terceira mensagem (base para cliente) Cria uma associação de segurança Chave de autorização encriptada 81
Segurança PKM (Private Key Management) Ataques de estações base piratas A estação base não é autenticada Resposta construída com informações públicas 82
Segurança TEKs (Traffic Encryption Keys) Chaves de encriptação de tráfego Duas ativas a cada momento para cada SAID Mais antiga expira na metade da vida da mais recente Criptografia de dados DES (Data Encryption Standard) em modo CBC (Cipher-Block Chaining) AES (Advanced Encryption Standard) em modo CCM (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code ) 83
Conclusão WiMax é realidade fora do Brasil Extraído de http://www.towerstream.com/ 84
Conclusão WiMax é realidade no Brasil? Extraído de http://www.rnp.br/ 85
COMPARANDO... 86
Comparação - Bluetooth Distância: Classe 1 - alcance de 100 metros/0.1w Classe 2 - alcance de 10 metros/2.5mw Classe 3 - alcance de 1 metro/1mw Freqüência: 2.4 GHz Largura da banda: Assíncrono a uma taxa máxima de 723,2 kbps Bidirecional síncrono com taxa de 432 kbps que suporta tráfego de voz entre os dois dispositivos 87
Cpmparação - Infrared Distancia: Até 1 metro Largura de banda: Até 4 Mbps Não atravessa objetos sólidos Precisa de visada 88
Comparação - Ultra-Wideband Distância: Até 10 metros Freqüência: 3.1GHz até 10.6GHz Largura de banda: até 500Mbps (até 2 metros) / 110Mbps (até 10 metros) Até o momento não foi regulamentado mundialmente (somente nos EUA) Baixo consumo de energia, baixo custo do chip. Não precisa de visada 89
Comparação - Wi-Fi Distância: Até 100 metros Freqüência: 5GHz para versão a / 2.4GHz para versões b e g Largura de banda: até 54Mbps para versão a e g / até 11Mbps para versão b Consumo de energia é maior que o bluetooth Não precisa de visada 90
Comparação - ZigBee Distância: Até 100 metros Freqüência: 2.4 GHz, 915MHz, 868MHz Largura de banda: 250 Kbps, 40 Kbps, 20 Kbps O objetivo do ZigBee é tornar-se um padrão na área industrial Baixo custo Não precisa de visada 91
Comparação - WiMAX Distância: Até 50 km Freqüência: entre 2GHz a 11GHz Largura de banda: até 70Mbps Suporta mobilidade com velocidade de até 100km/h Não precisa de visada. Criado para competir com DSL 92
Estado da Arte Fonte: The Right Technology at the Right Place at the Right Time. Aditya Agrawal. Abril, 2003. 93
Conclusões Padronização: permite a interação de diversos tipos de dispositivos Baixo custo de implantação: não encarece um produto que suporte a tecnologia Baixo consumo de energia: permite seu uso em pequenos dispositivos móveis sem prejudicar a duração da bateria 94
Conclusões Tecnologia para curtas distâncias Poucos dispositivos numa única rede Baixa largura de banda Esta é uma tecnologia que tende integrar equipamentos eletrônicos com roupas, carros, relógios, celulares, tocadores MP3 95
Bibliografia Bluetooth: O que é http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialblue/pagina_1.a sp BlueTooth.com: Learn http://www.bluetooth.com/bluetooth/learn/ BlueTooth http://en.wikipedia.org/wiki/bluetooth BlueTooth Tutorial http://www.tutorialreports.com/wireless/bluetooth/tutorial.php BlueTooth http://www.students.ic.unicamp.br/%7era007293/bluetoo th/bluetooth.html 96