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Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis 6-1

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Page 1: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Capítulo 6Redes sem fio e redes móveis

Redes sem fio e móveis 6-1

Page 2: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-2

Cap. 6: Redes sem fio e redes móveis

Informações gerais: No. de telefones celulares (móveis) excede

atualmente o número de assinantes de telefones fixos (5-para-1)!

No. de dispositivos sem fio conectados à Internet iguala o número de dispositivos conectados à Internet cabeada laptops, telefones habilitados para a Internet

prometem acesso à Internet a qq hora e lugar. dois desafios importantes (mas diferentes)

sem fio: comunicação usando enlaces sem fio mobilidade: tratamento de usuários móveis que

mudam seu ponto de ligação com a rede

Page 3: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-3

Capítulo 6 roteiro6.1 Introdução Sem fio6.2 Características deenlaces sem fio

CDMA6.3 LANs sem fio IEEE

802.11 (“Wi-Fi”) 6.4 Acesso celular à

Internet arquitetura padrões (ex.: GSM)

Mobilidade6.5 Princípios:

endereçamento e roteamento para usuários móveis

6.6 IP móvel6.7 Tratando mobilidade

em redes celulares6.8 Mobilidade e

protocolos de alto nível6.9 Resumo

Page 4: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-4

Elementos de uma rede sem fio

infraestruturade rede

Page 5: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-5

Hosts sem fio laptop, smartphone rodam aplicações podem ser fixos

(imóveis) ou móveis sem fio, nem

sempre significa mobilidade

Elementos de uma rede sem fio

infraestruturade rede

Page 6: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-6

estação base tipicamente conectada a

uma rede cabeada repasse – responsável por

enviar pacotes entre a rede cabeada e os hospedeiros sem fio na sua “área” ex.: torres de celular,

pontos de acesso 802.11

Elementos de uma rede sem fio

infraestruturade rede

Page 7: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-7

enlaces sem fio Tipicamente usado para

conectar os hospedeiros móveis à estação-base

Também usado como enlace de backbone

Protocolos de acesso múltiplos coordenam o acesso ao enlace

Várias taxas de dados e distâncias de transmissão

Elementos de uma rede sem fio

infraestruturade rede

Page 8: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-8

Características de enlaces sem fio

Indoor10-30m

Outdoor50-200m

Mid-rangeoutdoor

200m – 4 Km

Long-rangeoutdoor

5Km – 20 Km

.056

.384

1

4

5-11

54

2G: IS-95, CDMA, GSM

2.5G: UMTS/WCDMA, CDMA2000

802.15

802.11b

802.11a,g

3G: UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO

4G: LTWE WIMAX

802.11a,g point-to-point

200 802.11n

Dat

a ra

te (M

bps)

Page 9: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-9

modo infraestrutura

A estação-base conecta hospedeiros móveis na rede cabeada

handoff: hospedeiro móvel muda de estação-base que provê conexão à rede cabeada

Elementos de uma rede sem fio

infraestruturade rede

Page 10: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-10

modo ad hoc Não há estações-

base Nós podem

transmitir somente para outros nós dentro do alcance do enlace

Nós se organizam numa rede: roteiam entre eles próprios

Elementos de uma rede sem fio

Page 11: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-11

Capítulo 6 roteiro6.1 Introdução Sem fio6.2 Características deenlaces sem fio

CDMA6.3 LANs sem fio IEEE

802.11 (“Wi-Fi”)6.4 Acesso celular à

Internet arquitetura padrões (ex.: GSM)

Mobilidade6.5 Princípios:

endereçamento e roteamento para usuários móveis

6.6 IP móvel6.7 Tratando mobilidade

em redes celulares6.8 Mobilidade e

protocolos de alto nível6.9 Resumo

Page 12: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-12

Características de enlaces sem fio (1)importantes diferenças de enlaces cabeados...

Redução da força do sinal: os sinais de rádio se atenuam à medida que eles se propagam através da matéria (path loss)

Interferência de outras fontes: as frequências padronizadas para redes sem fio (ex., 2,4 GHz) são compartilhadas por outros equipamentos (ex., telefone sem fio); motores também produzem interferência

Propagação através de múltiplos caminhos: o sinal de rádio se reflete no solo e em objetos. O sinal principal e os refletidos chegam ao destino em instantes ligeiramente diferentes

…. tornam a comunicação através de enlaces sem fio (mesmo no caso ponto-a-ponto) muito mais “difícil”

Page 13: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-13

Características de enlaces sem fio (2) SNR: relação sinal/ruído

SNR alto – mais fácil extrair o sinal do ruído

compromissos SNR vs. BER dada a camada física:

aumento de potência -> aumenta SNR-> diminui BER

dada SNR: escolha a camada física que atende o requisito de BER e que dá a maior vazão

• SNR pode variar com a mobilidade: adaptação dinâmica da camada física (técnica/taxa de modulação)

10 20 30 40

QAM256 (8 Mbps)

QAM16 (4 Mbps)

BPSK (1 Mbps)

SNR(dB)BE

R

10-1

10-2

10-3

10-5

10-6

10-7

10-4

Page 14: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-14

Características das redes sem fioMúltiplos remetentes sem fio e receptores criam

problemas adicionais (além do acesso múltiplo):

AB

C

Problema do terminal oculto

B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C quando não podem

ouvir um ao outro, implica que não se dão conta da sua interferência em B

A B C

força do sinal de A

localização

força dosinal de C

Atenuação do sinal: B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir um

ao outro, interferindo em B

Page 15: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-15

Capítulo 6 roteiro6.1 Introdução Sem fio6.2 Características deenlaces sem fio

CDMA6.3 LANs sem fio IEEE

802.11 (“Wi-Fi”)6.4 Acesso celular à

Internet arquitetura padrões (ex.: GSM)

Mobilidade6.5 Princípios:

endereçamento e roteamento para usuários móveis

6.6 IP móvel6.7 Tratando mobilidade

em redes celulares6.8 Mobilidade e

protocolos de alto nível6.9 Resumo

Page 16: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-16

LAN sem fio IEEE 802.11 802.11b2,4-5 GHz espectro não licenciadoaté 11 Mbpsdirect sequence spread spectrum (DSSS) na camada física

Todos os hospedeiros usam a mesma sequência de código

802.11a faixa de 5-6 GHz até 54 Mbps

802.11g faixa de 2,4-5 GHz até 54 Mbps

802.11n: múltiplas antenas faixa de 2,4-5 GHz até 200 Mbps

Todos usam CSMA/CA para acesso múltiplo Todos têm estações-base e versão para

redes ad hoc

Page 17: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-17

arquitetura das LANs 802.11

Hospedeiro sem fio se comunica com a estação-base estação-base = ponto de

acesso (AP) Basic Service Set (BSS)

(ou “célula”) no modo infra-estrutura contém: Hospedeiros sem fio Ponto de acesso (AP):

estação-base Modo ad hoc: somente

hospedeiros

BSS 1

BSS 2

Internet

hub, switchou roteador

Page 18: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-18

802.11: Canais, associação 802.11b: o espectro de 2,4 GHz-2,485 GHz é

dividido em 11 canais de diferentes frequências O administrador do AP escolhe a frequência para o

AP Possível interferência: canal pode ser o mesmo que

aquele escolhido por um AP vizinho! Hospedeiro: deve se associar com um AP

Percorre canais, buscando quadros beacon que contêm o nome do AP (SSID) e o endereço MAC

Escolhe um AP para se associar Pode realizar autenticação [capítulo 8] Usa tipicamente DHCP para obter um endereço IP na

subrede do AP

Page 19: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-19

802.11: busca passiva/ativa

AP 2AP 1

H1

BBS 2BBS 1

12 3

1

busca passiva: (1) quadros beacon são enviados

pelos APs(2) quadro de pedido de

associação enviado: H1 para o AP selecionado

(3) quadro de resposta de associação enviado do AP selecionado para o H1

AP 2AP 1

H1

BBS 2BBS 1

122

3 4

busca ativa: (1) quadro de solicitação (probe)

difundido a partir de H1(2) quadros de resposta (probe)

enviados pelos APs(3) quadro de pedido de associação

enviado: de H1 para AP selecionado(4) quadro de resposta de associação

enviado: do AP selecionado para H1

Page 20: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-20

IEEE 802.11: acesso múltiplo Evita colisões: 2 ou mais nós transmitindo ao

mesmo tempo 802.11: CSMA – escuta antes de transmitir

Não colide com transmissões em curso de outros nós 802.11: não faz detecção de colisão!

Difícil de receber (sentir as colisões) quando transmitindo devido ao fraco sinal recebido (desvanecimento)

Pode não perceber as colisões: terminal oculto, fading Meta: evitar colisões: CSMA/C(collision)A(voidance)

localização

AB

CA B C

força dosinal de A

força dosinal de C

Page 21: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-21

Protocolo MAC IEEE 802.11: CSMA/CA

transmissor 802.111 se o canal é percebido quieto (idle) por DIFS então

transmite o quadro inteiro (sem CD)2 se o canal é percebido ocupado, então

inicia um tempo de backoff aleatóriotemporizador faz contagem regressiva enquanto

o canal está ociosotransmite quando o temporizador expirarse não vier um ACK, aumenta o intervalo de

backoff aleatório, repete 2

receptor 802.11- se o quadro for recebido OK retorna ACK após SIFS (ACK é necessário devido

ao problema do terminal oculto)

transmissor receptor

DIFS

dados

SIFS

ACK

Page 22: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-22

Evitando colisõesIdeia: permite o transmissor “reservar” o canal em vez de

acessar aleatoriamente ao enviar quadros de dados: evita colisões de quadros grandes

Transmissor envia primeiro um pequeno quadro chamado request to send (RTS) à estação-base usando CSMA RTSs podem ainda colidir uns com os outros, mas são pequenos

BS envia em broadcast clear to send CTS em resposta ao RTS

CTS é ouvido por todos os nós Transmissor envia o quadro de dados Outras estações adiam suas transmissões

Evita colisões de quadros de dados completamente usando pequenos quadros de reserva!

Page 23: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-23

Evitando colisões: reservas com RTS-CTS

APA B

tempo

RTS(A)RTS(B)

RTS(A)

CTS(A) CTS(A)

DATA (A)

ACK(A) ACK(A)

colisão de reservas

aguarda

Page 24: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-24

framecontrol duration address

1address

2address

4address

3 payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

quadro 802.11: endereçamento

Address 2: endereço MACdo hospedeiro sem fio ou AP transmitindo este quadro

Address 1: endereço MAC do destino ou AP que deve receber o quadro

Address 3: endereço MACda interface do roteador à qual o AP é ligado

Address 4: usado apenas no modo ad hoc

Page 25: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-25

InternetroteadorH1 R1

AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addraddress 1 address 2 address 3

quadro 802.11

R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address

quadro 802.3

quadro 802.11: endereçamento

Page 26: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-26

framecontrol duration address

1address

2address

4address

3 payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

Type FromAPSubtype To

APMore frag WEPMore

dataPower

mgtRetry RsvdProtocolversion

2 2 4 1 1 1 1 1 11 1

Duração do tempo de transmissão reservada (RTS/CTS)

no. seq do quadro(para RDT)

tipo de quadro(RTS, CTS, ACK, dados)

quadro 802.11: mais

Page 27: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-27

802.11: mobilidade na mesma subrede H1 permanece na

mesma subrede IP; endereço IP pode ficar o mesmo

Switch: qual AP está associado com H1? Aprendizado (Cap.

5): switch vê quadro de H1 e “lembra” qual porta do switch deve ser usada para chegar a H1

H1 BBS 2BBS 1

Page 28: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-28

802.11: recursos avançadosAdaptação de taxa estação-base,

dispositivo móvel altera dinamicamente a taxa de transmissão (técnica de modulação da camada física) à medida que o dispositivo se move, SNR é alteradoQAM256 (8 Mbps)

QAM16 (4 Mbps)BPSK (1 Mbps)

10 20 30 40SNR(dB)

BE

R

10-1

10-2

10-3

10-5

10-6

10-7

10-4

operating point

1. SNR diminui e a BER aumenta à medida que o nó se afasta da estação base

2. Quando o BER se torna muito alto, altera para uma taxa de transmissão mais baixa mas com uma menor BER.

Page 29: Capítulo 6 Redes sem fio e redes móveis Redes sem fio e móveis6-1

Redes sem fio e móveis 6-29

gerenciamento de energia nó-para-AP: “Irei dormir até o próximo quadro

beacon” AP sabe que não deve transmitir quadros para este

nó nó acorda antes do próximo quadro beacon

quadro beacon: contém lista de dispositivos móveis com quadros AP-para-móvel esperando para ser enviados nó permanece acordado se houver quadros AP-para-

móvel a serem enviados; caso contrário vai dormir de novo até o próximo quadro beacon

802.11: recursos avançados