capítulo 6 redes sem fio e redes móveis - ic.uff.bric.uff.br/~lsousa/redes_ii/cap-6.pdf · 3 6.1...
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Redes de computadores I
Prof.: Leandro Soares de Sousa
E-mail: [email protected]
Site: http://www.ic.uff.br/~lsousa
Não deixem a matéria acumular!!!
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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Podemos identificar os seguintes elementos em uma rede sem fio:
• Hospedeiros sem fio (celulares, tablets, notes, torradeiras, geladeiras, ...)
• Enlaces sem fio (mobilidade, alcance, handoff, ...)
• Estação-base (pontos de acesso 802.11, torres de acesso para celulares, ...)
• Infraestrutura de rede
Introdução
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• Características de enlaces de padrões selecionados de rede sem fio (área de cobertura e taxa)
Introdução
8Taxonomia de redes sem fio
único salto múltiplos saltos
infraestrutura
(ex., APs)
host se conectam com a estação base (WiFi (802.11), celular) que
se conecta com a Internet
host podem ter querotear por diversos
nós sem fio para se conectar a Internet, via
estação base: redes mesh
sem
infraestrutura
sem estação base, sem conexão com Internet – com “nó mestre” (Bluetooth, 802.11 em modo ad
hoc)
sem estação base, sem conexão com
Internet. Podem ter que rotear
para alcançar outro nó sem fio: MANET
(móveis sem fio), VANET (veiculares)
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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Podemos encontrar várias diferenças importantes entre um enlace com fio e um enlace sem fio:
• Redução da força do sinal.
• Interferência de outras fontes.
• Propagação multivias
A figura a seguir ilustra diversas características da camada física que são importantes para entender os protocolos de comunicação sem fio da camada superior.
Características de enlaces e redes sem fio
11Características de enlaces e redes sem fio BER – Bit Error Rate
SNR – Signal-to-Noise Ratio
Maior potência do sinalmenor a taxa de erros
Técnica adaptativa de acordo com o nível deruído → ajuda
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Múltiplos transmissores e receptores sem fio criam problemas adicionais (além do múltiplo acesso):
Terminal oculto Atenuação do sinal
Características de enlaces e redes sem fio
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• Para o m-ésimo mini-intervalo do tempo de transmissão de bits de di, a saída do codificador CDMA, Zi,m, é o valor de di multiplicado pelo m-ésimo bit do código CDMA escolhido, cm:
• Se o mundo fosse simples e não houvesse remetentes interferindo, o receptor receberia os bits codificados, Zi,m, e recuperaria os bits de dados originais, di, calculando:
CDMA
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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• 802.11b● faixa de frequência de 2,4-2,485 GHz espectro não licenciado● até 11 Mbps● direct sequence spread spectrum (DSSS) na camada física● 11 canais podendo definir, por exemplo, os canais 1, 6 e 11 para juntos prover 33
Mbps• 802.11a
● faixa de frequência de 5,1-5,8 GHz● até 54 Mbps
• 802.11g ● faixa de frequência de 2,4-2,485 GHz● até 54 Mbps
• 802.11n: antena múltipla(2 ou mais na saída do host e 2 ou mais na BS, recebendo sinais diferentes) ● faixa de frequência de 2,4-5 GHz range● até 300 Mbps
• CSMA/CA ● mesmo formato do frame● A distância de transmissão dessas LANs é mais curta para determinado nível de
potência e elas sofrem mais com a propagação multivias.
Wi-Fi: LANs sem fio 802.11
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• A arquitetura de LAN IEEE 802.11 (com infraestrutura, mas pode ser ad hoc)
A arquitetura 802.11
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• Em 802.11, cada estação sem fio precisa se associar com um AP antes de poder enviar ou receber dados da camada de rede.
• Ao instalar um AP, um administrador de rede designa ao ponto de acesso um Identificador de Conjunto de Serviços (SSID) composto de uma ou duas palavras.
• Ele também deve designar um número de canal ao AP (normalmente entre 1 e 11).
• Uma selva de Wi-Fis é qualquer localização física na qual uma estação sem fio recebe um sinal suficientemente forte de dois ou mais APs.
Canais e associação
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• Em geral, o hospedeiro escolhe o AP cujo quadro de sinalização é recebido com a intensidade de sinal mais alta.
• O processo de varrer canais e ouvir quadros de sinalização é conhecido como varredura passiva.
• Um hospedeiro sem fio pode também realizar uma varredura ativa, transmitindo um quadro de investigação que será recebido por todos os APs dentro de uma faixa do hospedeiro sem fio.
Canais e associação
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• Inspirados pelo enorme sucesso da Ethernet e seu protocolo de acesso aleatório, os projetistas do 802.11 escolheram um protocolo de acesso aleatório para as LANs sem fio 802.11.
• Esse protocolo de acesso aleatório é denominado CSMA com prevenção de colisão ou, mais sucintamente, CSMA/CA.
• Em vez de usar detecção de colisão, o 802.11 usa técnicas de prevenção de colisão.
• Usa um esquema de reconhecimento/retransmissão (ARQ) de camada de enlace.
O protocolo MAC 802.11
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• 802.11 usa reconhecimentos da camada de enlace
O protocolo MAC 802.11
Espaçamento distribuído(escuta para transmitir)
Espaçamento curto(para os dados,
depois da reserva do canal)
ColisãoBackoff – aleatório + DIFS
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• Exemplo de terminal oculto: H1 está oculto de H2, e vice-versa
Tratando de terminais ocultos: RTS e CTS
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• O protocolo IEEE 802.11 permite que uma estação utilize um quadro de controle RTS (request-to-send) curto e um quadro de controle CTS (clear-to-send) curto para reservar acesso ao canal.
• A utilização dos quadros RTS e CTS pode melhorar o desempenho de dois modos importantes:
1. O problema da estação oculta é atenuado.
2. Desde que os quadros RTS e CTS sejam corretamente transmitidos, os quadros DATA e ACK subsequentes deverão ser transmitidos sem colisões.
Tratando de terminais ocultos: RTS e CTS
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● Endereço 1: endereço MAC do host sem fio ou do AP que vai receber o frame (destino)
● Endereço 2: endereço MAC do host sem fio ou do AP transmissor desse frame (origem)
● Endereço 3: endereço MAC da interface do roteador. com o qual o AP está conectado
● Endereço 4: usado apenas no modo ad hoc (destino final)
O quadro IEEE 802.11
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● Duração: duração do tempo reservado para transmissão (RTS/CTS)● Controle de sequência: número de sequência do frame (para RDT)● Tipo e subtipo: são usados para distinguir os quadros de associação,
RTS, CTS, ACK e de dados● Os campos de e para são usados para definir os significados dos
diferentes campos de endereço● O campo WEP (Wireless Equivalent Privacy) indica se está sendo ou
não utilizada criptografia
O quadro IEEE 802.11
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• Mobilidade na mesma sub-rede
• H1 permanece na mesma sub-rede: endereço IP pode permanecer o mesmo
● switch: qual AP está associado com H1?
● auto-aprendizado (Cap. 5): switch recebendo um frame de H1 “guarda” qual interface pode ser usada para alcançar H1
Mobilidade na mesma sub-rede IP
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Adaptação da taxa 802.11
• Algumas execuções de 802.11 possuem uma capacidade de adaptação de taxa que seleciona, de maneira adaptável, a técnica de modulação da camada física sobreposta a ser usada com base em características atuais ou recentes do canal (BER X SNR).
• A adaptação da taxa 802.11 e o controle de congestionamento TCP são semelhantes à criança: está sempre exigindo mais e mais de seus pais até eles por fim dizerem “Chega!” e a criança desistir.
Recursos avançados em 802.11
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Gerenciamento de energia
• O padrão 802.11 provê capacidades de gerenciamento de energia, permitindo que os nós 802.11 minimizem o tempo de suas funções de:
• percepção,
• transmissão e recebimento, e
• outros circuitos necessários para “funcionar”.
Recursos avançados em 802.11
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• As camadas de enlace e física do 802.15.1 são baseadas na especificação do Bluetooth anterior para redes pessoais.
• Redes 802.15.1 operam na faixa de rádio não licenciada de 2,4 GHz em modo TDM, com intervalos de tempo de 625 μs.
• Redes 802.15.1 são redes ad hoc.
• Dispositivos 802.15.1 são primeiro organizados em uma picorrede (piconet: pequena rede) de até oito dispositivos ativos.
Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee
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• Zigbee é voltada para aplicações de menos potência, menor taxa de dados e menor ciclo de trabalho do que Bluetooth.
• Zigbee define taxas de canal de 20, 40, 100 e 250 Kbits/s, dependendo da frequência do canal.
• Os nós em uma rede Zigbee podem ser de dois tipos:
● Os chamados “dispositivos de função reduzida” operam como escravos controlados por um único “dispositivo de função completa”, assim como dispositivos Bluetooth escravos.
Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee
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• Zigbee pode funcionar como escravos e mestre ou escravos e mestres (mesh – em malha)
• Compartilha mecanismos já apresentados: quadros de sinalização e confirmações da camada de enlace; protocolos de acesso aleatório de detecção de portadora com recuo exponencial binário e alocação fixa garantida de intervalos de tempo.
Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee
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• Zigbee define um período de sinalização, depois um período de disputa pelo acesso ao canal, o “vitorioso” transmite num período garantido e depois todos “dormem” para economizar energia
• Essa característica coloca a tecnologia Zigbee muito forte na área de sensores
Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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• Quando as pessoas falam sobre tecnologia celular, em geral a classificam como pertencendo a uma das diversas “gerações”.
• Os sistemas de primeira geração (1G) eram sistemas FDMA analógicos, desenvolvidos especialmente para a comunicação apenas por voz.
• Os sistemas originais 2G também foram projetados para voz.
• Os sistemas 3G também suportam voz e dados, mas com uma ênfase cada vez maior nas capacidades de dados e enlaces de acesso via rádio com maior velocidade.
Acesso celular à Internet
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• Componentes da arquitetura de rede celular 2G GSM (TDMA/FDMA)
Acesso celular à Internet
Até 5 BSC por MSC
200.000 assinantes por MSC
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• O núcleo da rede de dados celular 3G conecta as redes de acesso por rádio à Internet pública. Existem dois tipos de nós no núcleo da rede 3G:
1. Servidor de Nó de Suporte GPRS (SGSN).2. Roteador de borda de suporte GPRS (GGSN).
•. A rede de acesso por rádio 3G é a rede do primeiro salto sem fio que vemos como usuários do 3G.
•. O controlador da rede de rádio (RNC) em geral controla várias estações-base transceptoras da célula.
Redes de dados celulares 3G: estendendo a Internet para assinantes de celular
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• Arquitetura do sistema 3G• Pilha de protocolos da Internet• Smartphones ... (até 14Mbits/s)
Redes de dados celulares 3G: estendendo a Internet para assinantes de celular
Direct Sequence Wideband CDMA(CDMA banda larga de sequência direta)
DS-WCDMA + FDM + TDM
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O padrão 4G Long-Term Evolution (LTE) apresentado pelo 3GPP tem duas inovações importantes em relação aos sistemas 3G:
• Núcleo de pacote desenvolvido (EPC): usa apenas a pilha de protocolos da Internet.
• Rede de acesso por rádio LTE: múltiplas antenas, múltiplas bandas, alocação dinâmica de canais (vários por usuário).
A alocação em particular de intervalos de tempo a nós móveis não é exigida pelo padrão LTE.
Não usa mais a infraestrutura de telefonia, nem para as ligações
100Mbits/s download e 50Mbits/s upload!
No caminho para o 4G: LTE
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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• Vários graus de mobilidade do ponto de vista da camada de rede
Gerenciamento da mobilidade: princípios
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• Um dos papéis do agente externo é criar o denominado endereço aos cuidados (COA) ou endereço administrado para o nó móvel.
• Há dois endereços associados a um nó móvel:
1. seu endereço permanente (semelhante ao endereço da família do nosso jovem móvel – exemplo do livro texto) e
2. seu endereço COA, às vezes denominado endereço externo.
Endereçamento
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Roteamento indireto para um nó móvel
• Na abordagem de roteamento indireto o correspondente apenas endereça o datagrama ao endereço permanente do nó móvel.
• Envia o datagrama para a rede e nem precisa saber se o nó móvel reside em sua rede nativa ou está visitando uma rede externa.
• Esses datagramas são primeiro roteados, como sempre, para a rede local do nó móvel.
Roteamento para um nó móvel
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Roteamento direto para um nó móvel
• A abordagem do roteamento indireto sofre de uma ineficiência conhecida como problema do roteamento triangular.
• Datagramas endereçados ao nó móvel devem ser roteados primeiro para o agente nativo e em seguida para a rede externa, mesmo quando existir uma rota muito mais eficiente entre o correspondente e o nó móvel.
• O roteamento direto supera a ineficiência do roteamento triangular.
Roteamento para um nó móvel
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Transferência do nó móvel entre redes com roteamento direto (manutenção da conexão)
Roteamento para um nó móvel
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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• O IP móvel é um protocolo complexo, cuja descrição detalhada exigiria um livro inteiro (RFC 3344)
• Contém muitas das características já examinadas:
● Agentes nativos, agentes externos, registro junto ao agente externo, care-of-addresses, encapsulamento (pacote-dentro-de-pacote)
• O padrão IP móvel consiste em três partes principais:
● Descoberta de agente.
● Registro no agente nativo.
● Roteamento indireto de datagramas.
IP móvel
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• Anúncio de agente: agentes externos/nativos anunciam serviços difundindo mensagem ICMP (campo type = 9)
IP móvel: descoberta de agente
bits H,F: agente nativo e/ou externo
bit R: registro requerido
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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Em terminologia GSM, a rede nativa do nó móvel é denominada rede pública terrestre móvel nativa (PLMN nativa).
Como no caso do IP móvel, as responsabilidades das redes nativas e visitadas são bastante diferentes:
• A rede nativa mantém um banco de dados conhecido como registro nativo de localização (HLR).
• A rede visitada mantém um banco de dados conhecido como registro de localização de visitantes (VLR).
Gerenciamento de mobilidade em redes celulares
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• Estabelecendo uma chamada para um usuário móvel: roteamento indireto:
Roteando chamadas para um usuário móvel
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• Uma transferência (handoff) ocorre quando uma estação móvel muda sua associação de uma estação-base para outra durante uma chamada.
Transferências (handoffs) em GSM
● objetivo do handoff: rotear a chamada por uma nova estação base (sem interrupções)
● razões para o handoff:● sinal mais forte para/de nova
BSS (para manter a conectividade, menor consumo de bateria)
● balanceamento de carga: liberar canal na BSS atual
● GSM não define porque realizar o handoff (política),somente como (mecanismo)
● o handoff é iniciado pela estação base antiga
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• Etapas da execução de uma transferência entre estações-base que têm uma MSC em comum:
Transferências (handoffs) em GSM
1.a BSS antiga informa ao MSC do handoff eminente, envia uma lista de 1 ou mais BSSs novas
2.MSC visitado estabelece o path (aloca recursos) até a nova BSS
3.a nova BSS aloca canal de rádio para ser usado pelo nó móvel
4.a nova BSS sinaliza o MSC, e a BSS antiga indicado que o novo path está estabelecido
5.a BSS antiga para o nó móvel: faça handoff para a nova BSS
6.o nó móvel e a nova BSS trocam mensagens para ativar o novo canal
7.o móvel sinaliza o MSC, através da nova BSS: handoff completado. O MSC desvia a chamada
8.recursos MSC-BSS antiga são liberados
64Transferências (handoffs) em GSM
● MSC âncora: 1º. MSC visitado durante a chamada
● chamada continua sendo roteada através do MSC âncora
● novos MSCs são encadeados no da cadeia de MSCs contruída a medida que o nó móvel se desloca p/ novo MSC
● IS-41 permite um passo opcional de minimização de rota para reduzir a cadeia multi-MSC
65Transferências (handoffs) em GSM
● MSC âncora: 1º. MSC visitado durante a chamada
● chamada continua sendo roteada através do MSC âncora
● novos MSCs são encadeados no da cadeia de MSCs contruída a medida que o nó móvel se desloca p/ novo MSC
● IS-41 permite um passo opcional de minimização de rota para reduzir a cadeia multi-MSC
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6.1 – Introdução 6.2 – Características dos enlaces e redes sem fio6.3 – Wi-Fi: LANs sem fio 802.116.4 – Acesso celular à Internet6.5 – Gerenciamento da mobilidade: princípios6.6 – IP Móvel6.7 – Gerenciamento da mobilidade em redes celulares6.8 – Redes sem fio e mobilidade: impacto sobre os protocolos das camadas superiores
Sumário
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• O TCP retransmite um segmento que é perdido ou corrompido no caminho entre remetente e destinatário.
• No caso de usuários móveis, a perda pode resultar de congestionamento de rede ou de transferência.
• Reduzindo de modo incondicional sua janela de congestionamento, o TCP admite implicitamente que a perda de segmento resulta de congestionamento e não de corrupção ou transferência.
Sem fio e mobilidade: impacto sobre protocolos de camadas superiores
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• Entre o início e meados da década de 1990, pesquisadores perceberam que, dadas as altas taxas de erros de bits em enlaces sem fio e a possibilidade de perdas pela transferência de usuários, a resposta do controle de congestionamento do TCP poderia ser problemática em um ambiente sem fio.
• Há duas classes gerais de abordagens possíveis para tratar esse problema:
• Recuperação local. Os protocolos de recuperação local recuperam erros de bits quando e onde eles ocorrem.
Sem fio e mobilidade: impacto sobre protocolos de camadas superiores
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• Remetente TCP ciente de enlaces sem fio. Em técnicas de recuperação locais, o remetente TCP fica completamente desavisado de que seus segmentos estão atravessando um enlace sem fio.
• Técnicas de conexão dividida. Nesta técnica de conexão dividida, a conexão fim a fim entre o usuário móvel e o outro ponto terminal é dividida em duas conexões da camada de transporte: uma do hospedeiro móvel ao ponto de acesso sem fio, e uma do ponto de acesso sem fio ao outro ponto terminal de comunicação.
Sem fio e mobilidade: impacto sobre protocolos de camadas superiores