Redes sem fio (wireless)

Prof: Diovani Milhorim

As WLANs utilizam sinais de RF ou infravermelho para a transmissão de dados, minimizando a necessidade de cabos de conexão dos usuários à rede.

Como funciona uma Rede Wireless?

IntroduçãoIntrodução

O que são as Wireless LAN?

Uma WLAN é uma rede local sem fio, implementada como extensão ou alternativa para redes convencionais. Dentre os padrões utilizados podemos encontrar:

IEEE 802.11 (wi-fi)

IEEE 802.16 (wi-max)

Bluetooth

Home RF

IntroduçãoIntrodução

Exemplo de rede wirelessExemplo de rede wireless

Princípios Básicos de Wireless LANs

– Oferecem conectividade em áreas difíceis ou impossíveis de se cabear

– Flexibilidade para expansões, mudanças e alteração de Layout

– Permite que aplicações e equipamentos móveis operem como em redes cabeada.

Principios BasicosPrincipios Basicos

Grupo criado pelo IEEE para desenvolver padrão para a comunicação em redes wireless.

O Projeto IEEE 802.11 tem, entre outras, as seguintes premissas:

suportar diversos canais;

sobrepor diversas redes na mesma área de canal;

apresentar robustez com relação a interferência;

possuir mecanismos para evitar nós escondidos;

oferecer privacidade e controle de acesso ao meio.

Grupo 802.11Grupo 802.11

Comparação do modelo OSI com o padrão 802.11

Grupo 802.11Grupo 802.11

Comparação do modelo OSI com o padrão 802.11

Grupo 802.11Grupo 802.11

Wireless NetworkWireless Network

Rede Cabeada Tradicional:

Transmissão de dados via

Cabo Metálico e fibra óptica

Rede Sem Fio:

Transmissão de dados através de rádio

freqüência.

As formas de operação ou configuração são:

Ad Hoc Network. A comunicação entre as estação é point-to-point.

Formas de Operação

Infrastructure Network. A comunicação entre as estações é através de um Access Point, meio que permite acesso das estações sem fio a rede cabeada

Comunicação entre estações sem uso de Access Points

Modo de operação Ad Hoc Network

Rede1

Rede1Rede1

Rede1

Comunicação entre estações usando Access Points

Modo de operação Infrastructure Network

Elementos da topologia: BSS - Basic Service Set. Corresponde a uma célula de comunicação da rede sem fio.

STA - Wireless LAN Stations. São os diversos clientes da rede.AP Access PointÉ o nó que coordena a comunicação entre as STAs dentro da BSS. Funciona como uma ponte de

comunicação entre a rede sem fio e a rede convencional.

DS - Distribution System. Corresponde ao backbone da WLAN, realizando a comunicação entre os APs.

ESS - Extended Service Set. Conjunto de células BSS cujos APs estão conectados a uma mesma rede convencional. Nestas condições uma STA pode se movimentar de uma

célula BSS para outra permanecendo conectada à rede. Este processo é denominado de Roaming. 

Topologia IEEE 802.11

Elementos da topologia: 

Topologia IEEE 802.11

Método de acesso ao meio

• O mecanismo básico do controle de acesso DFWMAC é ilustrado abaixo, nela podemos observar que uma estação, com quadros para transmitir, deve sentir o meio livre por um período de silêncio mínimo, IFS (Inter Frame Space), antes de utiliza-lo. Utilizando valores diferentes para esse período. O DFWMAC define três prioridades de acesso ao meio

Método de acesso ao meio

Distributed Inter Frame Spacing (DIFS) – espaço entre quadros da DCF (Função de Coordenação Distribuída), este parâmetro indica o maior tempo de espera, portanto a menor prioridade; ele monitora o meio, aguardando no mínimo um intervalo de silêncio para transmitir os dados.

· Priority Inter Frame Space (PIFS) – espaço entre quadros da PCF (Função de Coordenação Pontual), um tempo de espera entre o DIFS e o SIFS (prioridade média) , é usado para o serviço de acesso com retardo, ou seja um ponto de acesso controlando outros nós, so precisa esperar um tempo PIFS para acessar o meio.

· Short Inter Frame Space (SIFS) – é usado para transmissão de quadros carregando respostas imediatas (curtas), como ACK que possuem a mais alta prioridade.

Método de acesso ao meio

Representa o método de acesso básico do protocolo DFWMAC. É uma função conhecida como CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) com reconhecimento.

A DCF trabalha semelhantemente a função CSMA/CD da tecnologia de rede local cabeada (Padrão Ethernet 802.3), apenas com uma diferença: o protocolo CSMA/CD do Ethernet controla as colisões quando elas ocorrem, enquanto que o protocolo CSMA/CA do padrão sem fio apenas tenta evitar as colisões.

A utilização dessa função distribuída é obrigatória para todas as estações e pontos de acesso (APs), nas configurações Ad Hoc e com infra-estrutura, e ela, a DCF, trabalha da seguinte maneira, quando uma estação deseja transmitir

Método de acesso ao meioA DCF, trabalha da seguinte maneira, quando uma estação deseja transmitir:

• a estação sente o meio para determinar se outra estação já está transmitindo.

• se o meio estiver livre há pelo menos um intervalo de tempo DIFS, a estação transmite seu quadro imediatamente, caso contrário, ela aguarda DIFS novamente, cada estação escolhe um tempo aleatório de retirada (Back-off time) e atrasa esse tempo aleatório sua tentativa de acesso ao meio. Se ao terminar seu tempo de back-off a estação encontrar o meio livre, ela transmitirá.

• Esse tempo de back-off é escolhido por cada estação respeitando um limite máximo, que pode variar de acordo com a carga de utilização da rede. Se a rede está muito carregada, esse limite máximo para o tempo de retirada vai dobrando a cada colisão até chegar ao limite máximo de 255 ms. · após cada transmissão com ou sem colisão, a rede fica em um modo onde as estações só podem começar a transmitir em intervalos de tempo a elas pré-alocados.

• ao findar uma transmissão, as estações alocadas ao primeiro intervalo têm o direito de transmitir. Se não o fazem, o direito passa as estações alocadas ao segundo intervalo, e assim sucessivamente até que ocorra uma transmissão, quando todo o processo reinicia.

• se todos os intervalos não são utilizados, a rede entra então no estado onde o CSMA comum é usado para acesso, podendo dessa forma ocorrer colisões.

Método de acesso ao meioPara melhorar a transmissão de dados, o protocolo DFWMAC acrescenta ao

método CSMA/CA com reconhecimento, um mecanismo opcional que envolve a troca de quadros de controle RTS (Request To Send) e CTS (Clear To Send) antes da transmissão de quadros de dados.

· Uma estação, após aguardar DIFS e seu tempo de retirada aleatório, antes de efetivamente transmitir o quadro de dados, transmite um quadro de controle RTS, que carrega uma estimativa da duração no tempo da futura transmissão do quadro de dados e o ACK associado a este, além do destinatário da transmissão de dados por vir..

· A estação de destino ao receber o quadro de controle RTS acerta o seu Vetor de Alocação de Rede (NAV). O NAV especifica quando uma estação tentará acessar o meio novamente. Em resposta ao RTS, o receptor envia um quadro de controle CTS avisando que está pronto para receber o quadro de dados. O CTS informa as demais estações sobre a transmissão que vai ocorrer, fazendo com que estas também acertem seus NAVs. Agora, todas as estações estão informadas sobre a transmissão e irão esperar para acessar o meio. Só então, a estação transmissora envia o quadro de dados após SIFS, que deve ser respondido com um reconhecimento (ack) enviado pela estação receptora.

. Neste caso, uma colisão so acontecerá se duas estações enviarem um RTS ao mesmo tempo. O RTS só deve ser usado quando temos um quadro maior, pois seu uso acarreta uma sobrecarga na rede (overhead).

O

Quadro 802.11

Quadro mac de uma rede 802.11

Quadro 802.11 – Campos do Frame control

Protocol Version (versão do protocolo): Indica a versão corrente do protocolo 802.11 utilizado. As estações receptoras usam esse valor para determinar se a versão do protocolo do quadro recebido é suportada.

Type e Subtype (tipo e subtipo): determina a função do quadro. Há 3 diferentes tipos de quadro: controle, dados e gerenciamento. Há múltiplos subtipos para cada tipo de quadro. Cada subtipo determina uma função específica desempenhada com o seu tipo de quadro associado.

To DS (para o sistema distribuição) e From DS (do sistema de distribuição): Indica se o quadro está indo para o DS ou se é oriundo do DS. Esses campos somente são utilizados em quadro do tipo dados de estações associados a AP.

Quadro 802.11 – Campos do Frame control

More Fragments (mais fragmentos): indica se mais fragmentos do quadro (dado ou gerenciamento) estão vindo.

Retry (retransmissão): indica se a informação (dado ou gerenciamento) está ou não sendo retransmitida.

Power Management (Gerencimento de Energia): indica se a estação que transmitiu a informação está em active mode (modo ativo) ou em power-save-mode (modo economia de energia).

Quadro 802.11 – Campos do Frame control

More Data (mais dados): indica para uma estação operando em power-save-mode que o AP tem mais quadros para enviar. Isso é também usado por AP’s para indicar que quadros de broadcast/multicast adicionais estarão sendo enviados.

WEP: indica ou não se está sendo usado no quadro o processo de criptografia e autenticação. Isso pode ser configurado para todos os quadros de dados e gerenciamento que têm o subtype configurado para autenticação.

Order (ordem): indica se todos os quadros de dados recebidos devem ser processados em ordem.

Quadro 802.11

Duration/ID Field (Duração/ID Campo) Esse campo é usado para todos os campos de controle, exceto com o

subtype chamado Power Save (PS) Poll, para indicar o tempo restante necessário para receber a próxima transmissão.

Quando é usado o subtipo PS Poll, esse campo contém a AID (Associaton

Identity) da estação que está transmitindo. Para a reserva virtual usando-se CTS/RTS esse campo contém o período de tempo que o meio vai ficar ocupado.

Quadro 802.11

Address Field (Campo Endereço) Dependendo do tipo de quadro, os 4 campos de endereço irão conter uma combinação dos

seguintes tipos de endereços, conforme ilustrado na tabela 1:BSS Indentifier – BSSID (Identificador de BSS): BSSID unicamente identifica cada BSS.

Quando o quadro é vindo de uma estação que opera em modo infra-estrutura BSS, BSSID é o endereço MAC do AP. Quando o quadro é vindo de uma estação que opera em modo ad hoc (IBSS), o BSSID é um número randômico gerado e localmente administrado pela estação que iniciou a transmissão.

Destination Address – DA (Endereço Destino): indica o endereço MAC do destino final para a recepção do quadro.

Source Address – AS (Endereço Fonte): indica o endereço MAC da fonte que originou (criou) e transmitiu inicialmente o quadro.

Receiver Address – RA (Endereço do Receptor): indica o endereço MAC da próxima estação que irá receber o quadro.

Transmitter Address – TA (Endereço do Transmissor): indica o endereço MAC da estação que transmitiu o quadro na rede sem fio.

Quadro 802.11

Sequence Control (Controle de Seqüência)

Esse campo contém dois subcampos, conforme mostra a Figura 5:• Sequence Number (Número de Fragmento): indica o número de

seqüência de cada quadro. Esse número é sempre o mesmo para cada quadro enviado para o caso de um quadro fragmentado. Já para o próximo quadro não fragmentado, o número é incrementado até atingir 4095 e então retornar para o valor zero novamente.

• Fragment Number (Número de Seqüência): indica o número para cada fragmento do quadro enviado. O valor inicial é zero e é incrementado para cada fragmento.

Quadro 802.11

Frame Body (Corpo do Quadro)

• Contém a informação específica de dados ou de gerenciamento.

Quadro 802.11

Frame Check Sequence – FCS (Seqüência de Verificação do Quadro)

• O transmissor do quadro aplica um CRC-32 (Cyclic Redundancy Check) sobre todos os campos do cabeçalho MAC e sobre o corpo do quadro para gerar o FCS. O receptor do quadro utiliza-se do mesmo CRC para determinar o seu próprio valor de FCS e então verificar se ocorreu ou não erro durante a transmissão.

Tecnologia Wi-fi

  FreqüênciasTécnica de Modulação

Taxa de Dados

802.11b

2400-2483,5 MHz

BPSK, QPSK e CCK

até 11 Mbit/s

802.11gOFDM, QPSK e QAM

até 54 Mbit/s

802.11a5150-5350 MHz5470-5725 MHz*5725-5850 MHz

BPSK/QPSK, 16-QAM ou 64-QAM

até 54 Mbit/s

Tecnologia Wi-fi

Freqüências disponíveis no Brasil As redes WiFi utilizam freqüências que não precisam de autorização para serem utilizadas.  As condições de uso destas freqüências no Brasil estão estabelecidas pelo Regulamento sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita.(seções IX e X), reeditado pela resolução 365 de 10/05/04 da Anatel. 

Tecnologia Wi-fi

Freqüências disponíveis no Brasil 

Freqüências (MHZ)Condições de uso no Brasil

2400-2483 5725-585

Destinadas no Brasil, em caráter secundário, a Equipamentos de Radiocomunicação Restrita (wi-fi) A faixa de 2400 MHz é utilizada no Brasil em caráter primário pelo Serviço Auxiliar de Radiodifusão e Correlatos (SARC) e de Repetição de TV.  A Anatel estabeleceu que sistemas (2400 MHz) em localidades com população superior a 500 mil habitantes e com potência (eirp) superior a 400 mW não podem operar sem autorização da Anatel.

5150-5350 5470-5725

Sistemas de Acesso sem Fio em Banda Larga para Redes Locais. A faixa de 5150-5350 MHz pode ser utilizada em ambientes internos (indoor) e a de 5470-5725 MHz em ambientes externos e internos.

26 MHz26 MHz902-928902-928

83.5 MHz83.5 MHz2400-2483,52400-2483,5

125 MHz125 MHz5725-58505725-5850

2.45 Ghz2.45 Ghz915 MHz915 MHz 5.7875 Ghz5.7875 Ghz

915 MHz915 MHz2.4 Ghz2.4 Ghz5.7 Ghz5.7 Ghz

2.4 Ghz2.4 Ghz

BandasBandasLicenciadasLicenciadas

Freqüências utilizadas

CANAIS DE TRANSMISSÃO

Distribuição de Canais ISM – Industrial, Scientific and Medical

24835 MHz2400 MHz Banda ISM

2401 1 2423

2412

2426 6 2448

2437

2451 11 2473

2462

2406 2 2428

2417

2431 7 2453

2442

2436 8 2458

2447

2411 3 2433

2422

2416 4 2438

2427

2441 9 2463

2452

2421 5 2443

2432

2446 10 2468

2457

Limite Inferior Limite SuperiorNúmero do CanalFrequência Central

Tecnologia Wi-fi

Técnicas de Modulação 

•DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) é o espalhamento espectral por sequência direta.  

•OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ou Multiplexação Ortogonal por Divisão de Frequência é uma técnica de modulação mais eficiente que o DSSS.

Múltiplos níveis de segurança

Nível 1Nível 1

Nível 2Nível 2

Nível 3Nível 3

Nível 4Nível 4

Tecnologia Spread SpectrumTecnologia Spread SpectrumCodifica e espalha informação pela bandaCodifica e espalha informação pela bandaTecnologia Spread SpectrumTecnologia Spread SpectrumCodifica e espalha informação pela bandaCodifica e espalha informação pela banda

Código de Rede (SSID / MAC)Código de Rede (SSID / MAC)Definido pelo administrador da redeDefinido pelo administrador da rede

Código de Rede (SSID / MAC)Código de Rede (SSID / MAC)Definido pelo administrador da redeDefinido pelo administrador da rede

Login e senha Login e senha Acesso restritoAcesso restrito

Acesso restritoAcesso restrito IEEE 802.1x IEEE 802.1x

Login e senha Login e senha Acesso restritoAcesso restrito

Acesso restritoAcesso restrito IEEE 802.1x IEEE 802.1x

Criptografia WEP ( 40 / 128 bits Criptografia WEP ( 40 / 128 bits e 64 / 128 / 256 bits) e 64 / 128 / 256 bits) Criptografia WEP ( 40 / 128 bits Criptografia WEP ( 40 / 128 bits

e 64 / 128 / 256 bits) e 64 / 128 / 256 bits)

Segurança

RF Barreira Criticidade Exemplos: Ar Minima

Madeira Baixa Divisórias

Gessor Baixa Paredes Internas

Material Sintetico Baixa Divisórias

Asbestos Baixa Tetos

Vidros Baixa Janelas

Agua Media Madeiras Umidas, Aquarios

Tijolos Media Paredes Internas e Externas

Marmore Media Paredes Internas

Rolo de Papel Alta Rolos de papel

Concreto Alta Pisos. Paredes externas

Vidro a prova de balas Alta Salas de segurança

Metal Muito Alta Mesas, divisórias de metal

Barreiras

• A situação dos Aps dependerá das características de construção da área.

• Paredes muito grossas ou com estrutura metálica.

• Os móveis do escritório, podem criar sombras dentro da área de cobertura.

• Interferência de RF na área de instalação dos APs.

• Mediante a utilização de ferramentas que mostrem a qualidade de enlace, é possível criar um mapa de cobertura.

Desempenho em função do lay-out

Aplicações

Onde houver inviabilidade de distribuição por cabos

Ambientes internos (indoor)

Ambientes extenos entre edificações (outdoor)

Ampliação de redes cabeadas

Livre de Cabeamento – Livre de Cabeamento – Elimina a necessidade de passar Elimina a necessidade de passar cabos por tetos e paredescabos por tetos e paredes

Redução do Custo Agregado –Redução do Custo Agregado – Menos necessidade de Menos necessidade de manutenção, fácil expansão e robustez, fatores que amenizam manutenção, fácil expansão e robustez, fatores que amenizam o tempo para recuperação de gastos empregados.o tempo para recuperação de gastos empregados.

Alta Mobilidade – Alta Mobilidade – Roaming local e acesso imediato a Roaming local e acesso imediato a outras redes durante visitas a clientes.outras redes durante visitas a clientes.

Flexibilidade - Flexibilidade - Permite que a rede alcançe lugares onde os Permite que a rede alcançe lugares onde os cabos metálicos não poderiam chegarcabos metálicos não poderiam chegar

Escalabilidade Escalabilidade – Diversas tecnologias de configurações – Diversas tecnologias de configurações facilmente alteradas.facilmente alteradas.

Vantagens

O padrão IEEE 802.16, completo em outubro de 2001 e O padrão IEEE 802.16, completo em outubro de 2001 e publicado em 8 de abril de 2002, especifica uma publicado em 8 de abril de 2002, especifica uma interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN). Foi interface sem fio para redes metropolitanas (WMAN). Foi atribuído a este padrão, o nome WiMAX atribuído a este padrão, o nome WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave (Worldwide Interoperability for Microwave Access/Interoperabilidade Mundial para Acesso de Micro-Access/Interoperabilidade Mundial para Acesso de Micro-ondas). ondas).

Este padrão é similar ao padrão Wi-Fi (IEEE 802.11), que Este padrão é similar ao padrão Wi-Fi (IEEE 802.11), que já é bastante difundido, porém agrega conhecimentos e já é bastante difundido, porém agrega conhecimentos e recursos mais recentes, visando uma melhor performance recursos mais recentes, visando uma melhor performance de comunicação.de comunicação.

Wi-max

A tecnologia foi desenvolvida por um pool de empresas, lideradas pela Intel e pela Nokia, com base na norma 802.16 da Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).

Além de operar em uma ampla faixa de freqüência – de 2 a 66 GHz – as principais vantagens estão no tripé banda larga, longo alcance e dispensa de visada, o que não ocorre com outras tecnologias sem-fio.

Wi-max

Prós

Diminui custos de infra-estrutura de banda larga para conexão com o usuário final (last mile);

Deverá ter uma aceitação grande por usuários, seguindo a tecnologia Wi-Fi (IEEE 802.11) e diminuindo ainda mais os custos da tecnologia;

Possibilitará, segundo a especificação, altas taxas de transmissão de dados;

Possibilitará a criação de uma rede de cobertura de conexão de Internet similar à de cobertura celular, permitindo acesso à Internet mesmo em movimento;

Existe amplo suporte do desenvolvimento e aprimoramento desta tecnologia por parte da indústria.

Wi-max

ContrasContras

• Nos testes atualmente realizados mostrou-se como grande Nos testes atualmente realizados mostrou-se como grande frustração quanto à taxa de transmissão; frustração quanto à taxa de transmissão;

• Apesar das muitas iniciativas e pesquisas, essa tecnologia Apesar das muitas iniciativas e pesquisas, essa tecnologia ainda tem um período de maturação a ser atingido; ainda tem um período de maturação a ser atingido;

• Pode, em alguns paises, haver sobreposição de utilização Pode, em alguns paises, haver sobreposição de utilização de freqüência com algum serviço já existente;de freqüência com algum serviço já existente;

• Nas faixas de frequência mais altas existem limitações Nas faixas de frequência mais altas existem limitações quanto a interferências pela chuva, causando diminuição quanto a interferências pela chuva, causando diminuição de taxas de transferências e dos raios de cobertura.de taxas de transferências e dos raios de cobertura.

Wi-max

Experiências com wi-maxExperiências com wi-max

• Rede de dados em wi-max instaladas pela Rede de dados em wi-max instaladas pela multinacional INTEL e o governo do estado do Rio de multinacional INTEL e o governo do estado do Rio de Janeiro na cidade de Mangaratiba.Janeiro na cidade de Mangaratiba.

• Rede de dados em wi-max instaladas pela Rede de dados em wi-max instaladas pela multinacional INTEL na cidade de Ouro preto.multinacional INTEL na cidade de Ouro preto.

• Rede de dados em wi-max instaladas pela Rede de dados em wi-max instaladas pela multinacional INTEL na cidade de Belo Horizonte.multinacional INTEL na cidade de Belo Horizonte.

Wi-max

• A tecnologia Bluetooth é utilizadas em redes pessoais A tecnologia Bluetooth é utilizadas em redes pessoais WPANs (Wireless Personal Area Networks).WPANs (Wireless Personal Area Networks).

• Permite taxas de transmissão de até 1 Mbit/s

• Atinge uma distância nominal até 10 metros.

Bluetooth