Redes Sem Fio

1. Redes Sem Fio Por Prof. Dr. João Bosco Mangueira Sobral Msc. Daniela Vanassi de Oliveira

2. Conceito • Sistemas de transmissão de dados utilizando fios de cobre como par trançado, cabo coaxial ou fibra ótica. • Redes sem fio : transmissão de dados utilizando qualquer tipo de meio físico como transmissão por raios infravermelhos, laser, microondas e rádio.

3. Sistema ALOHA - Universidade do Havaí • Primeiro sistema de computadores a empregar a técnica de rádio difusão ao invés de cabos ponto a ponto. • Década de 70, linhas telefônicas disponíveis eram caras e pouco confiáveis. Necessidade de interligação de subredes da universidade espalhadas pelas ilhas, ao Centro de Computação principal.

4. Sistema ALOHA - Universidade do Havaí • A comunicação é realizada através da instalação em cada estação de um pequeno transmissor/receptor de rádio FM, com um alcance suficiente para comunicar-se com o transmissor/receptor do Centro de Comunicação. • Transmissão feita a 9600bps.

5. Desenvolvimento das Redes Sem Fio • Limitações como largura de banda e tecnologia de transmissão não permitiram que o projeto resultasse na utilização em massa das redes sem fio. • Pesquisa e desenvolvimento das primeiras redes sem fio no início dos anos 90: • Miniaturização de componentes eletrônicos • Comunicações pessoais sem fio

6. Diferenças entre Redes sem Fio e Computação Móvel • Mobilidade sem a utilização de uma rede sem fio. • Redes sem fio e sem mobilidade.

7. Comparação entre Computação Móvel e Redes Sem Fio Aplicações Sem Fio Móvel Estações de Trabalho Não Não Utilização de um Não Sim Portátil em um hotel LANs em prédios mais Sim Não antigos, sem fiação Escritório portátil; Sim Sim PDA para estoque de loja

8. Redes LANs sem Fio • Utilizadas quando a interconexão física de computadores é difícil por acidentes geográficos ( montanhas, florestas, pântanos...) ou em prédios muito velhos. • Os sistemas sem fio, locais, podem integrar uma rede com fios para computadores portáteis (laptops, notebooks ou palmtops) dentro de uma sala ou edifício.

9. Padrão IEEE 802.11 • O padrão IEEE 802.11 define as regras relativas à subcamada de Controle de Acesso ao Meio (MAC) e camada física (PHY). Da mesma forma as camadas superiores não percebem as particularidades da subcamada MAC e de seus possíveis níveis físicos.

10. Tipos de topologia • As redes sem fio 802.11podem apresentar-se fisicamente de dois modos: redes de infra-estrutura e redes Ad Hoc

11. Redes de Infra-estrutura • Elementos:estações móveis e pontos de acesso (PA). • Cada ponto de acesso é responsável pela conexão das estações móveis de uma área de cobertura com a rede fixa. O PA desempenha tarefas importantes na coordenação das estações móveis: aceita ou não a inserção de uma nova estação à rede, colhe estatísticas para melhor gerenciamento do canal e ajuda a definir quando uma estação deve ou não ser controlado por outro ponto de acesso.

12. Redes Ad Hoc • Caracterizam-se por não possuírem qualquer infra-estrutura de apoio à comunicação. São diversos equipamentos móveis confinadas em uma pequena área que estabelecem comunicação peer-to-peer por certo período de tempo.

13. A camada Física (PHY) • Pacotes são transmitidos em canais de frequência de rádio (frequência na faixa de kHz até GHz) ou infravermelho (frequência da ordem de THz). • São apresentados 3 padrões na camada PHY: infravermelho(IR), Espalhamento Espectral por Seqüência Direta (DSSS-Direct Sequence Spread Spectrum) e Espalhamento Espectral por Saltos em Freqüência (FHSS-Frecuency Hopping Spread Spectrum).

14. Protocolos de Acesso ao Meio • DFWMAC ( Distributed Foundation Wireless Media Access Control) • PCF (Point Communication Function) • CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access Colision Avoidance

15. Redes WANs sem Fio • Os sistemas de comunicação sem fio de longa distância mais simples são os sistemas de recados. Estes sistemas podem transmitir números de telefone, seqüência de beeps, pequenos recados e até um jornal inteiro a um aparelho receptor móvel em qualquer lugar de sua grande área de atuação, mas não podem receber mensagens de volta pois são unidirecionais.

16. Tipos de redes WAN sem fio • Para que seja possível funcionar uma rede, é necessário haver comunicação nos dois sentidos. As três soluções em uso no momento são: • Rede celular analógica com comutação de circuitos • Rede de comutação de pacotes por rádio • Rede celular digital com comutação de pacotes.

17. Rede Celular com Comutação de Circuitos • As mais comuns redes bidirecionais utilizam a estrutura existente de telefonia celular. • A vantagem desse método é a grande disponibilidade dos sistemas celulares no mundo. • A conexão é feita através de um MODEM celular, que é conectado de um lado à porta serial do computador e pelo outro a um telefone celular.

18. Rede Celular com Comutação de Circuitos • A comunicação só é possível se o usuário estiver dentro de uma célula coberta pela estação base com a qual se comunica. • Após estabelecida a conexão com o usuário móvel, a estação base utiliza a rede telefônica (comutação de circuitos) para completar a conexão com a localidade desejada, seja essa localidade móvel ou não.

19. Rede Celular com Comutação de Circuitos

20. Rede Celular com Comutação de Circuitos • As redes celulares analógicas são orientadas a conexão. Isto gera alguns problemas: • Ao sair de uma célula e entrar em outra, é necessário que os sinais sejam transferidos confiavelmente entre elas. • Para transmissão de voz, isso não chega a ser um problema devido à grande redundância em tais sinais. • Para a transmissão de dados, qualquer lacuna pode provocar grande perda de dados e até o fechamento da conexão.

21. Exemplo de Rede Celular com Comutação de Circuitos • GSM (Global System for Mobile Communications) • Método de alocação de canais do sistema digital europeu. • Limitado a serviços somente de voz • Utiliza as técnicas ALOHA, TDM e FDM combinadas. (Tanembaum pag. 333)

22. Rede de Comutação de Pacotes por Rádio • (Packet Radio Network - PRN) funcionam e utilizam o mesmo método de acesso que redes ALOHA. • A fonte divide a informação em pacotes e acrescenta um cabeçalho em cada um, que contém um endereço. • Em seguida, os pacotes são enviados através de um enlace de satélite e difundido à estações base na terra.

23. Rede de Comutação de Pacotes por Rádio • Cada estação móvel remota está conectada a uma estação base. • Se a estação destino estiver fora do ar, a estação base recebe seus pacotes e repassa assim que a estação remota retornar à área de serviços. • Garante excelente confiabilidade e velocidade aceitável. Nestes sistemas, o usuário paga pelo número de pacotes enviados e não pelo tempo utilizado.

24. Rede de Comutação de Pacotes por Rádio • Grande parte dos problemas das redes de comutação de circuitos podem ser resolvidos utilizando redes de comutação de pacotes. • As PRNs operam em um modo sem conexão e, também, são mais robustas que as redes de comutação de circuitos, porque têm implementados algoritmos mais seguros quando o usuário faz a movimentação de uma célula a outra.

25. Rede de Comutação de Pacotes por Rádio

26. Rede Celular Digital com Comutação de Pacotes • (Cellular Digital Packet Data - CDPD) aproveita a estrutura já existente da telefonia celular com a transmissão de pacotes. • Deve se mostrar mais barato e mais disponível que os PRNs e mais confiáveis que as redes celulares analógicas. • Em relação aos PRNs, uma grande vantagem do CDPD é que pode ser usado tanto para a transmissão de pacotes como para a transmissão de voz.

27. Rede Celular Digital com Comutação de Pacotes • É uma evolução da rede celular existente com a finalidade de lidar com pacotes. • O usuário conecta-se a uma estação base (a mesma usada para a telefonia celular analógica) através de um computador que possui um dispositivo remoto CDPD. • A estação remota é chamada de Estação Terminal Móvel (MES - Mobile End Station).

28. Rede Celular Digital com Comutação de Pacotes • A Estação Base de Dados Móveis (MDBS - Mobile Data Base Station) recebe o tráfego das MES pelo mesmo receptor usado para a telefonia celular chaveada. Os pacotes seguem então da MDBS para o Sistema Intermediário de Dados Móveis (MDIS - Mobile Data Intermediate System) que é responsável pelo gerenciamento de todo o sistema e pelo roteamento de dados.

29. Rede Celular Digital com Comutação de Pacotes • O objetivo básico do CDPD é transmitir dados em forma de pacotes através de canais de voz não utilizados na rede de telefonia celular.

30. Adaptações das diferentes camadas em redes WAN sem fio • Sites distantes necessitam conectar-se à Internet, ler mensagens de correio eletrônico e acessar seus sistemas de arquivos. Com mobilidade e comunicação sem fio, surgem problemas, nas diferentes camadas.

31. Camada de Redes • O problema ocorre no modelo de referência TCP/IP. Por exemplo, um usuário com um computador portátil quer conectar-se à Internet de um site remoto, o sistema de endereçamento IP torna o trabalho muito difícil.

32. IP Móvel • Roteadores existentes em todo o mundo têm tabelas de roteamento que informam qual linha deve ser usada para se chegar, por exemplo, à rede 160.80. • Sempre que um pacote chega a um endereço IP de destino com o formato 160.80.xxx.yyy, ele é enviado através dessa linha.

33. IP Móvel • Se subitamente, a máquina que tem esse endereço for removida para um site distante, os pacotes a ela destinados continuarão a ser roteados para sua LAN de origem (ou roteador). O dono da máquina não receberá mais mensagens de correio eletrônico entre outras coisas. O fornecimento de um novo endereço IP para a máquina, que corresponda à sua nova localização, talvez não seja muito interessante, pois muitas pessoas, programas e bancos de dados teriam de ser informados a respeito da alteração.

34. IP Móvel • Outra estratégia seria fazer com que os roteadores utilizassem endereços IP para roteamento, em vez de apenas a classe e a rede. Entretanto, isso poderia exigir que cada roteador tivesse milhões de entradas nas tabelas, a custos astronômicos para a Internet.

35. IP Móvel • Quando as pessoas começaram a levantar a possibilidade de utilização de hosts móveis. Foram formulados inúmeros objetivos: • Cada host móvel deveria ser capaz de usar seu endereço IP de origem em qualquer lugar. • Não eram permitidas alterações de software nos hosts fixos. • Não eram permitidas alterações no software e nas tabelas do roteador • Muitos pacotes destinados a hosts móveis não deveriam fazer desvios durante o percurso. • Não deveria haver overhead quando um host móvel estivesse em sua origem.

36. Solução Escolhida Roteamento para Hosts Móveis

37. Roteamento para Hosts Móveis • Definiu-se para cada área um ou mais agentes externos, que controlam todos os usuários móveis que visitam a área. • Além disso, cada área possui um agente interno, que controla os usuários cujas bases estejam na área, mas que estejam no momento visitando outra área.

38. Roteamento para Hosts Móveis • Quando um novo usuário entra em uma área, conectando-se a ela (por exemplo, ligando seu computador na LAN), ou simplesmente percorrendo a célula, seu computador deve-se registrar com o agente externo dessa área.

39. O procedimento de Registro • Periodicamente, cada agente externo transmite um pacote anunciando sua existência e endereço. • Um host móvel recém-chegado pode aguardar uma dessas mensagens; no entanto, se nenhuma chegar rápido o suficiente, o host móvel poderá transmitir um pacote dizendo: "Existe algum agente externo?”

40. O procedimento de Registro • O host móvel é registrado com o agente externo, fornecendo seu endereço fixo, o endereço atual de camada de enlace de dados e algumas informações de segurança. • O agente externo contacta o agente interno do host móvel e diz: "Um de seus hosts está aqui". • A mensagem do agente externo para o agente interno contém o endereço de rede do agente externo. • A mensagem contém ainda as informações de segurança, para convencer o agente interno de que o host móvel está realmente lá.

41. O procedimento de Registro • O agente interno examina as informações de segurança, que contêm um timbre de hora, para provar que foi gerando há alguns segundos. Se estiver tudo de acordo, o agente interno diz ao externo para prosseguir. • Quando o agente externo obtém a confirmação do agente interno, ele cria uma entrada em sua tabela e informa ao host móvel que agora ele está registrado.

42. O procedimento de Registro • O ideal é que quando o usuário sair de uma área, isso também seja divulgado para permitir o cancelamento do registo, mas muitos usuários desligam seus computadores abruptamente quando terminam de usá-los. (Tanembaum, 420)

43. O procedimento de Registro • Quando é enviado a um usuário móvel, o pacote é roteado para a LAN básica do usuário, pois é isso que o endereço diz que deve ser feito. • Os pacotes enviados para o usuário móvel através de sua LAN básica são interceptados pelo agente interno. Em seguida, o agente interno consulta a nova localização (temporária) do usuário móvel e encontra o endereço do agente externo que está tratando do usuário móvel.

44. A camada de Transporte - TCP sem fio • Na teoria, os protocolos de transporte deveriam ser independentes da tecnologia da camada de rede em que se baseiam. • O TCP, particularmente, não deveria se preocupar pelo IP estar sendo executado através de fibra ou rádio. • Na prática, isso é importante, pois as implementações em sua maioria foram muito otimizadas com base em suposições que são verdadeiras para as redes com fio mas que falham nas redes sem fio.

45. A camada de Transporte - TCP sem fio • O principal problema é o algoritmo de controle de congestionamento. • Quase todas as implementações TCP atuais assumem que os timeouts ocorrem devido ao congestionamentos, e não a pacotes perdidos. • Consequentemente, quando um temporizador expira, o TCP diminui o ritmo e começa a transmitir mais lentamente. A idéia por trás dessa abordagem é reduzir a carga na rede e, por tanto, diminuir o congestionamento.

46. A camada de Transporte - TCP sem fio • Os enlaces de dados das transmissões sem fio não são confiáveis. Eles perdem pacotes o tempo todo. A melhor estratégia para lidar com pacotes perdidos é enviá-los novamente o mais rápido possível. • Diminuir o ritmo nesse caso tornará a situação ainda pior Em uma rede com fio, quando um pacote é perdido o transmissor deve diminuir o ritmo.

47. A camada de Transporte - TCP sem fio • Com freqüência, o caminho entre o transmissor e o receptor não é homogêneo. Os primeiros 1000 km podem ser controlados por uma rede com fio, enquanto o último 1 km pode representar uma rede sem fio. Nessa circunstância, é mais difícil ainda tomar uma decisão em relação ao timeout, pois é necessário saber onde ocorreu o problema.

48. A camada de Transporte - TCP sem fio • Uma solução proposta foi o TCP indireto.Consiste em dividir a conexão TCP em duas conexões separadas. • A primeira vai do transmissor à estação-base. • A segunda, vai da estação-base ao receptor. A desvantagem é que o mecanismo viola a semântica do TCP.

49. A camada de Transporte - TCP sem fio

50. A camada de Transporte - TCP sem fio • Outra solução não quebra a semântica do TCP. • Ela faz várias modificações pequenas no código da camada de rede da estação-base. Uma das mudanças é a inclusão de um espião que observa e armazena em um cache não só os segmentos TCP que seguem para o host móvel quanto as confirmações envidas por esse host.