Redes WLAN de Alta Velocidade I: Características

Esta série de tutoriais apresenta um estudo das tecnologias de Redes Locais e Metropolitanas Sem Fio(WLAN/WMAN) baseadas nos protocolos do IEEE (Institute of Electrical and Electronic’s Engineers),apresentando as características do funcionamento das Redes Sem Fio de alta velocidade e seus principaisprotocolos. Este tutorial parte I apresenta um histórico das redes WLAN e suas principais características.

João Wilson Vieira Rocha É Engenheiro de Telecomunicações pelo Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM). Temcertificação Cisco Certified Network Associate (CCNA) e Furukawa Certified Professional em CabeamentoMetálico e Óptico. Atualmenteo está cursando Mestrado em Engenharia Elétrica / Telecomunicações pelaUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Fez parte do Wireless Technology Laboratory (WissTek) coordenado pelos Professores Ph.D Michel DaoubYacoub e Ph.D Paulo Cardieri, participando da pesquisa de Redes Wireless, com ênfase em Redes Ad-Hoc eSensores Sem Fio, sob orientação do Professor Ph.D Paulo Cardieri. Atuou como Estagiário de Tecnologia da Informação da INFRAERO, executando atividades de suporte eminfra-estrutura de rede e de sistemas de TI, desenvolvendo projetos em sistemas de comunicações, emitindorelatórios de pesquisas de rede e auxiliando na atuação conjunta de engenheiros civis e eletrônicos naimplantação de sistemas de transmissão. Atuou na EMBRATEL, desempenhando atividades de configuração e ativação de modems digitais eroteadores Cisco, de testes de acessos (par Metalico, radio digital, satélites e fibra óptica), de configuração emanutenção de Rede E1 Newbridge, e de monitoramento de circuitos, através de analisadores de protocoloRad e WG. Atuou como Network Specialist na Stefanini IT Solutions, alocado na ThyssenKrupp Metalúrgica (CampoLimpo, SP), sendo responsável pela analise e administração da infra-estrutura de rede. Atualmente trabalha como Engenheiro de Projetos e Suporte IP na Global Crossing, sendo responsável pelodesenho e definição de soluções de redes de comunicação. Atua também como Especialista IP, definindo aconfigurações lógica de roteadores Cisco e Huawei em diversos ambientes, preparando a especificação deprodutos e serviços para comunicação, e realizando suporte de 3º nível a clientes, com utilização de BGP,MPLS, HSRP, GLBP, Frame-Relay, QoS e VoIP.

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Email: joaowvr@hotmail.com

Categorias: Banda Larga, Redes de Dados Wireless

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 20 minutos Publicado em: 19/06/2006

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WLAN de Alta Velocidade I: Introdução

A evolução tecnológica dos computadores resultou na melhora da capacidade de processamento, nadiminuição do peso, do tamanho e do preço dessas máquinas. Esses fatores, juntamente com odesenvolvimento de sistemas operacionais e aplicativos, contribuíram para a disseminação dessas máquinas.Ao longo dos anos, a utilização dos computadores se tornou imprescindível na vida das pessoas,principalmente no seu trabalho. O computador permitiu ao seu usuário armazenar e processar seus dados, dando–lhe mais agilidade eefetividade ao seu trabalho ou lazer, quando bem, utilizado. Posteriormente, surgiu a necessidade de que osdados armazenados em um computador pudessem ser compartilhados com outros. Essa foi à idéia inicialpara a criação das redes de computadores. O desenvolvimento das LANs (Local Area Network – RedesLocais) permitiu a seus usuários dividir suas informações de forma cooperativa, por um meio confiável erápido. A maioria das redes atuais utiliza como meio de transmissão, meios físicos como cabos coaxiais, partrançado ou fibras ópticas, sendo conhecidas como redes cabeadas. Para se construir uma LAN é precisoinvestimento em software, hardware e cabeamento. O custo do cabeamento pode ser superior a 40% docusto total da implantação da rede. Boa parte desse investimento em cabeamento pode ser perdido caso sejanecessário reconfigurar a rede. O software e o hardware podem ser todos reutilizados, porém a reconfiguração do cabeamento, por ser fixo,pode ter mais ou menos o mesmo valor do que o de uma nova instalação. Marcus M.J. em seu livro“Regulatory Policy Considerations for Radio Local Área Networks” estimou que o custo total da indústrianorte americana, em reconfiguração de LAN’s, podia passar de 5,6 bilhões de dólares em 1999. Devido aesse alto preço a ser pago para reestruturar uma LAN, o interesse em LAN’s sem fio (WLAN’s – WirelessLocal Área Network – Redes Locais sem Fio) aumentou. Uma WLAN é uma LAN que não usa, como meio de transmissão, cabos coaxiais, par trançado ou fibraóptica. Esse tipo de LAN permite uma maior portabilidade e baixo custo de instalação. Pode ser instaladosem diferentes ambientes como escritórios, hospitais, universidades, indústrias, etc. Segundo à Frost e Sullivan na reportagem “Redes locais sem fio: o que prevê a norma IEEE 802.11b”, oinvestimento na indústria WLAN ultrapassou os US$ 300 milhões em 2000 e alcançará os US$ 1,6 bilhão em2005. Segurança nas Redes Locais sem Fio No mundo moderno, em que os avanços tecnológicos proporcionam, a cada dia, alterações no modo deutilização das comunicações, as atenções estão voltadas para a mobilidade e flexibilidade de novas formas.Há algum tempo, consolidou–se o uso dos telefones celulares, permitindo que milhões de pessoas fossemencontradas quase que instantaneamente em qualquer lugar do mundo. Hoje, as barreiras a serem quebradassão as das transmissões de dados entre dispositivos que dispensem o uso de fios e cabos, surgem àschamadas Redes Sem Fio. O termômetro do sucesso de qualquer tecnologia é a representação de sua aceitação no mundo corporativo–institucional. Se uma nova tecnologia consegue penetrar no mundo onde os negócios são feitos e os lucrossão gerados, sua longevidade estará garantida até que uma nova descoberta científica se consolide em

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condições de substituí–la. O padrão 802.11 e suas variações para redes sem fio alcançaram este status deuso. A mobilidade alcançada com a utilização dessa nova tecnologia gerou um aumento de produtividade emtorno de 22% nos diversos setores da economia mundial. Apesar da euforia provocada nas corporaçõesusuárias, por esse novo paradigma de comunicação de dados, ainda existem restrições quanto ao seu usopara transmitir informações críticas ou sigilosas, devido às diversas vulnerabilidades detectadas no padrão802.11x. O grande impedimento para se adotar às redes sem fio não é mais o custo, como costumava ser. Agora oproblema aparece na confiabilidade da transmissão que pode ser feita através de PDA’s (Personal DigitalAssistant), handhelds, notebooks, etc. Este tutorial mostra que não há somente benefícios ao se adotar essasnovas tecnologias, riscos também existem e devem ser largamente considerados ao migrar informações vitaispara esse novo paradigma de comunicação.

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WLAN de Alta Velocidade I: Histórico

O desenvolvimento das WLAN’s (Wireless Local Área Network – Redes locais sem fio) se iniciou emmeados da década de 80, com a utilização de diferentes tecnologias como infravermelho, rádio de microondae rádio spread spectrum (dispersão espectral), sendo este último um tipo de microondas com componentesadicionais de segurança. Dentre estas, o infravermelho era o mais popular, já que não havia a necessidade delicenciamento e por sua facilidade de implementação, porém, era inviável em algumas situações por precisarde visada direta. No início dos anos 90, algumas empresas começaram a oferecer redes sem fio utilizando espectro dedispersão, especialmente na América do Norte, onde a faixa UHF (Ultra High Frequency) de 900 MHzencontrava–se disponível. Como na Europa esta faixa estava ocupada pelos sistemas de telefonia celular, afreqüência de 2.4 GHz foi adotada, apesar de estar mais exposta à atenuação por causa de seu baixocomprimento de onda. Poucos fabricantes puderam atender a todas as regiões pelo alto custo dedesenvolvimento. Em 1997, à IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) publicou um padrão específico pararedes sem fio, denominado 802.11. Na mesma época, foram criados outros padrões como a HiperLAN/2 eBluetooth. Com estas padronizações, surgiu uma nova onda de interesse para este mercado, aumentandosignificativamente o número de sistemas implementados a partir de então. Obviamente que o estabelecimento do padrão IEEE trouxe grande melhoria da tecnologia, viabilizando ainteroperabilidade entre os diversos fabricantes que o seguiram. Mais tarde, durante o processo demelhoramento deste padrão, houve uma divisão de opiniões que gerou a quebra do comitê e oprosseguimento de dois padrões independentes: o 802.11a e o 802.11b. Com a evolução do protocolo para as versões 802.11a/b, tornou–se mais atrativo para o mercado investir eminfra–estruturas deste tipo, já que as taxas de transmissão foram elevadas para 54 Mbps e 11 Mbps,respectivamente, ao invés dos 2 Mbps alcançados no 802.11. Além destes, foram criados outros padrões,como 802.11g e 802.11f, cada um com características específicas para diferentes aplicações. Dificuldades Encontradas As primeiras redes sem fio eram muito caras, lentas e tinham uma série de problemas de interferências, alémde serem embasadas em tecnologias proprietárias. As conexões eram feitas através de redes poucoconfiáveis, com baixas taxas de transmissão e com um mínimo de segurança. Ainda hoje apresentamdificuldades inerentes à implementação, que não existem nas redes cabeadas:

Objetos podem refletir os sinais de rádio, dessa forma, os sinais são recebidos repetidas vezes(atenuação multiponto);A maioria dos softwares não está ciente da mobilidade do equipamento;O afastamento do aparelho do ponto de acesso pode fazer com que o computador perca sua conexão;Problemas técnicos de incompatibilidade e gerenciamento do espectro de freqüência;Problema da estação oculta e da estação exposta.

No caso do problema da estação oculta, o alcance de rádio de determinada estação pode não cobrir osistema inteiro (Tanenbaum, 2003), impossibilitando outros computadores de saber se a estação está secomunicando com outra e se é possível ou não a estes iniciar a transmissão.

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Na Figura 1, pode–se observar este problema: C está transmitindo para B, contudo A não percebe que B estáocupado, pois C está fora de seu alcance, e conclui erroneamente que poderá transmitir para B.

Figura 1: Problema da estação oculta.

Já na estação exposta, ocorre o inverso (Tanenbaum, 2003): uma estação quer realizar uma transmissão e, noentanto, sofre a interferência de uma outra, chegando à conclusão errada de que não pode iniciar atransmissão. A Figura 2.2 ilustra o problema da estação exposta, em que B quer transmitir dados para C, mas não o faz,pois detecta as ondas de rádio do computador A e pensa que C pode estar ocupado.

Figura 2: Problema da estação exposta.

A partir de 1997, grande parte desses problemas foi resolvida através das especificações propostas pelopadrão IEEE 802.11. O esforço de padronização iniciado em meados dos anos 90 minimizou parte dessesproblemas, com especificações que asseguraram que todos os equipamentos pudessem se comunicarutilizando os mesmos protocolos e interfaces de comunicação. Como é uma tecnologia recente, ainda hoje sedesenvolvem estudos para torná–la cada vez mais eficiente e segura, e não há ainda uma certeza de qualpadrão prevalecerá sobre os outros.

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Ainda na intenção de resolver os problemas de incompatibilidade das redes locais sem fio, a WECA(Wireless Ethernet Compatibility Alliance) tem planos para certificar todas as versões do IEEE 802.11,removendo todas as barreiras de dúvidas do mercado. Necessidade de melhorias Em resposta aos requerimentos de mobilidade e com a interoperabilidade assegurada pelos padrões daindústria, os fornecedores estão construindo cartões e pontos de acessos para as redes sem fio e embutindoos adaptadores de rede nas placas mães de notebooks e computadores de mão. Esta integração é simples epermite a liberação dos slots de expansão para outros fins. No entanto, enquanto os problemas técnicos de incompatibilidade estão sendo resolvidos, começam a surgiros problemas de segurança. Na tentativa de resolvê–los, O IEEE e a WECA estão desenvolvendo métodosque atendam às necessidades dos usuários. A falta de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service ) éoutro ponto de pressão sobre as redes sem fio (Fagundes, 2004). No caso de congestionamento na rede, alguns pacotes de dados são descartados independentes de suaimportância. Não há garantia, portanto, de que o serviço será realizado com sucesso. Entretanto, atualmente,com a convergência de voz e dados, é natural se pensar em utilizar voz sobre IP. Estes serviços, porém, necessitam de garantias de entrega. As atuais redes sem fio não possuem altaescalabilidade e confiabilidade para o uso de voz. Para mudar esta realidade é necessário que a facilidade deuso de QoS seja adicionada ao padrão IEEE 802.11 (Fagundes, 2004). Como essa implementação tem queter segurança, o IEEE está respondendo com um novo conjunto de especificações para a camada MAC(Media Access Control).

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WLAN de Alta Velocidade I: Tecnologias

Existem vários métodos para estabelecer um enlace sem fio entre dois pontos: ultra–som, ondas de rádiofreqüência e sinais ópticos sem guia. Somente dois destes (rádio freqüência e sinais ópticos) são capazes desuportar transmissão de dados a altas velocidades, necessárias em uma rede local sem fio. Em seguida serãoabordadas propriedades e aplicações de sistemas em Rádio Freqüência, que é a tecnologia mais utilizadahoje em dia, se tornando assim objetivo de nosso estudo. Rádio freqüência Dois tipos de tecnologias são agrupados juntamente: Transmissão em Rádio Freqüência e Microondas. Aestas duas tecnologias faz–se referência quando é usado o termo rádio freqüência (RF). Para implementaçãode um enlace RF, dois métodos podem ser utilizados: Técnicas de banda estreita e técnicas spread spectrum,a qual será abordada posteriormente. O esquema de modulação por faixa estreita tem problemas com propagação em multipercurso, além de sermuito sensível à interferência, desta forma a tecnologia spread spectrum (SST) é preferida. Entre astecnologias de spread spectrum, a mais promissora, que é a Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS),utiliza, como método de acesso ao canal, o Múltiplo Acesso por Divisão de Código (CDMA). O canal de rádio sem fio utiliza um meio problemático, suscetível a ruído, interferência, bloqueio epropagação por multipercurso. Estes impedimentos do canal mudam com o tempo, devido ao movimento dousuário. Estas características impõem limites para distâncias, taxa de transmissão de dados e confiabilidade nacomunicação de enlaces sem fio. Estes limites são determinados por diversos fatores, sendo que os maissignificativos são os ambientes de propagação. Nos próximos itens serão abordados os principais problemasocorridos em canais de RF. Perdas de Percurso Perdas de percurso é a relação entre a potência recebida e a potência transmitida para um dado caminho depropagação e é função da distância de propagação. O espaço livre é o modelo mais simples para o estudo dasperdas de percurso. Neste modelo há uma componente de sinal de caminho direto entre o transmissor e o receptor, onda não háobjetos que atenuem ou reflitam o sinal. Se PR é a potência de sinal recebida e PT é a potência transmitida,então a propagação em espaço livre é:

Onde f é a freqüência portadora, d é à distância de propagação, G é o ganho de potência das antenas dotransmissor e do receptor e a = 2. Ondas de rádios em sistemas sem fio se propagam em ambientes mais complexos do que o espaço livre, ondeeles são refletidos, espalhados e difratados pelas paredes, prédios e outros objetos. Para cada modelo deperdas de percurso, a taxa sinal/ruído recebida é SNR=PR/N, onde N é a potência de ruído. (O ruído é

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normalmente modelado como Gaussiano com densidade de potência espectral constante). A taxa de bits errados (BER) de um canal sem fio é função do SNR. O SNR é necessário para se conhecer oBER crítico de um canal, dependendo da taxa de dados, técnicas de comunicações utilizadas ecaracterísticas do canal. Visto que as perdas por percurso diminuem o SNR, conseqüentemente a taxa de dados e o alcance do sinalde um determinado sistema de comunicação são limitados. O expoente a de perda de percurso determina oquão rápido o sinal decresce com o aumento da distância, logo canais sem fio com menores expoentes deperda de percurso terão áreas de cobertura maior que aqueles com maiores expoentes de perda de percurso. A perda de percurso também é inversamente proporcional ao quadrado da freqüência do sinal, isto causa umaumento nas perdas quando a freqüência do sinal é aumentada. Sombreamento Os caminhos de transmissão entre um transmissor e um receptor são muitas vezes bloqueados pormontanhas, prédios, outdoors e por mobílias e paredes em ambientes fechados. A variação de sinal aleatóriacausada pela obstrução destes objetos é chamada de sombreamento. Medidas em vários ambientes indicamque a potência, medida em decibels (dB), recebida sujeita a sombreamento a distribuição Gaussiana normal,com a média determinada pela perda de percurso e o desvio padrão variando de 4 a 12 dB, dependendo doambiente. O valor aleatório do sombreamento varia com o movimento através ou ao redor da obstrução. Baseadoapenas na perda de percurso, a potencia de sinal recebida a uma distância fixa do transmissor deve serconstante. Entretanto, o sombreamento faz com que a potência de sinal recebida, a distâncias iguais, dotransmissor seja diferente, desde que alguns locais tenham sombreamento mais severo que outros. Desta forma, para que o SNR recebido necessário seja atendido, a potência do transmissor deve seraumentada para compensar o efeito do sombreamento em alguns locais. Este aumento de potência causagasto adicional de energia no transmissor, assim como interferência em usuários que utilizam à mesma bandade freqüência. Uma outra forma de sombreamento, é o também chamado problema da estação escondida. Caso que ocorrequando entre duas estações existe uma terceira a qual impede a comunicação entre as duas primeiras. Propagação por Multipercurso e Interferência Intersímbolo A propagação por multipercurso causa dois problemas significantes em um canal RF: flatfading einterferência intersímbolo. O flatfading causa flutuações rápidas sobre a potência de sinal recebido em curtosperíodos de tempo ou em curtas distâncias. Tal perda é causada pela interferência de duas componentes de sinais de multipercurso diferentes quechegam ao receptor em tempos diferentes podendo causar interferência constritiva ou destrutiva. Estainterferência construtiva ou destrutiva gera um padrão de onda estacionária na potência de sinal recebidarelativa a distância, ou ao movimento do receptor. A Figura 3 mostra um gráfico que exibe a potência de sinal recebida em dB em função do tempo ou

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distância. A interferência destrutiva pode causar perdas no sinal em mais de 30 dB abaixo do valor médio.Um canal é chamado em perda profunda (deep fade) quando a potência de sinal recebida cai a um valorabaixo de suas especificações mínimas de funcionamento. Visto que os enlaces de comunicação são projetados com margens de potência extra de 10 a 20 dB paracompensar perdas e problemas do canal, um canal está em perda profunda quando a potência recebida caide 10 a 20 dB da potência média recebida.

Figura 3: Perdas do sinal em relação ao tempo e distância.

A Figura 4 mostra um canal que passa por flatfade. A potência do sinal muda drasticamente com distânciasde aproximadamente a metade do comprimento de onda. Em um sinal de 900 MHz, isto corresponde que acada 0,3 m ou a cada milissegundo há mudanças na potência do sinal, considerando–se uma velocidade de30 mph. A variação da envoltória do sinal recebido de um sinal que sofre flatfading tipicamente segue a distribuiçãode Rayleigh se o caminho entre o transmissor e o receptor esta obstruído, e a distribuição de Rice o sinal nãoé obstruído. Se x,y são variáveis Gaussianas aleatórias com a mesma variância, então z = (x2+y2)1/2 paradistribuição Rayleigh. Se m é uma constante, então z = ((x+p)2+y2)1/2 para a distribuição de Rice. A combinação das perdas porpercurso, sombreamento e flatfading são mostrados na Figura 2.3.2. A queda da potência com a distância émais lenta nas perdas por percurso, enquanto que a variação de sinal no sombreamento muda maisrapidamente e as variações com o flatfading são ainda mais rápidas. O flatfading tem duas implicações principais no desenvolvimento de enlaces sem fio. O primeiro é umgrande aumento no BER, o qual pode ser reduzido com o aumento na potência do transmissor. Se estapotência não for aumentada a um valor suficiente para remover as perdas, estas podem causar longasseqüências de bits errados, chamadas de error burst. Este problema é difícil de ser corrigido com os códigosde correção de erro, os quais corrigem apenas alguns erros simultâneos.

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Figura 4: Potência de sinal recebida com perdas de percurso, sombreamento e flatfading.

Um outro problema ocasionado pela propagação em multipercurso é a interferência intersímbolo (ISI). O ISIse torna um problema significante quando a máxima diferença no atraso de percurso de diferentescomponentes de multipercurso, chamado de atraso de multipercurso espalhado, excedem significativamentea fração de tempo de um bit. O resultado é a interferência própria, visto que a reflexão por multipercurso carregando um bit detransmissão chegará ao receptor ao mesmo tempo (atrasado) que a reflexão de multipercurso carregando umbit de transmissão anterior. No domínio da freqüência a interferência própria corresponde a um espectro de freqüência não paralelo,assim as componentes dos sinais em diferentes freqüências são multiplicadas por fatores complexosdiferentes, distorcendo o sinal transmitido. Por esta razão de perdas de freqüência seletiva. O ISI causa um BER que não pode ser reduzido pelo aumento da potência do sinal transmitido, poisaumentaria a potência do sinal de interferência própria. Assim, sem esta compensação o ISI força a reduçãodas taxas de transferência para que o atraso de espalhamento de multipercurso associado seja diminuído. Interferência Canais de comunicação sem fio sofrem interferência das mais diversas fontes. A fonte principal deinterferência em um sistema de celular é o reuso de freqüência, onde as freqüências são reutilizadas emlocalizações espacialmente separadas para aumentar a eficiência espectral. Interferência por reuso defreqüências pode ser diminuído pela detecção de multiusuários, antenas direcionais e alocação dinâmica decanais, o que aumentaria a complexidade do sistema. Outras fontes de interferência em sistemas sem fio interferência de canais adjacentes, causada por sinais emcanais adjacentes com componentes de sinais fora de suas faixas de freqüência e interferências de faixaestreita, causada por outros usuários de outros sistemas, mas que operam na mesma faixa de freqüência. Aintrodução de técnicas spread spectrum é uma forma de combater a interferência de faixa estreita.Entretanto esta técnica não é utilizada para a resolução.

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WLAN de Alta Velocidade I: Topologia

Elementos de Rede A seguir são mostrados os elementos de uma rede sem fio, sendo ilustrado na Figura 5 à integração deles.

Figura 5: Elementos de uma rede sem fio.

Ponto de Acesso (Access Point) Também conhecido como estação–base ou AP, o ponto de acesso funciona como transmissor de rádio ecomo bridge (ponte), transferindo dados dos clientes para a rede de cabos fixos. Fazendo uma analogia comas redes cabeadas, os pontos de acesso substituem os switches assim como as ondas de rádio substituem oscabos. Além de servir como bridge entre a rede sem fio e a rede de cabo, o ponto de acesso provê as funçõesassociadas a um roteador. Eles podem funcionar como um servidor DHCP (Dynamic Host ConfigurationProtocol), e fazer tradução de endereços NAT (Network Address Translation), para atender a vários usuáriosutilizando um único endereço IP. Assim, pode–se fazer um balanceamento de carga entre múltiplos pontos de acesso, permitindo que umusuário se desloque de um ponto de acesso a outro sem perder a conexão, funcionalidade conhecida comoroaming. O número de clientes que podem acessar um único ponto de acesso depende das condições do ambientefísico, tráfego da rede e das aplicações que serão suportadas pela rede sem fio. Adaptador de Rede Em uma rede sem fio, o adaptador possui um transmissor de rádio que envia dados do computador ou doponto de acesso para a rede, e um receptor que detecta os sinais de rádio que chegam, os quais contêmdados da rede, e os envia para o destinatário. Existem, porém, vários modelos de adaptadores, cada um comcaracterísticas específicas. Cada equipamento final (notebooks, computadores de mão, etc) deve ter um adaptador de rede que permitaestabelecer a comunicação com os pontos de acesso. Os adaptadores de rede em cada computadorconvertem os dados digitais para sinais de rádio, os quais são transmitidos para outros dispositivos na rede, econvertem os sinais de rádio que chegam dos outros elementos da rede de volta para os dados digitais (Ross,2003).

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Esses adaptadores são tipicamente um PC Card (Personal Computer Memory Card InternationalAssociation) com uma antena integrada e desenhada para ocupar um slot de expansão do equipamento.Porém, os novos equipamentos já vêm com a capacidade de se conectar a rede sem fio embutida nohardware.Portal O padrão define Portal como sendo um dispositivo que interconecta redes 802.11x a outras redes 802,externas a este. Um portal traduz os quadros de informações das redes sem fio para quadros de informaçõesespecíficos para outras redes, e quadros no formato de outras redes para o padrão 802.11. Modos de Operação As redes sem fio suportam basicamente dois modos de operação: infra–estruturado e ad–hoc. O modo deoperação infra–estruturado utiliza a mesma tecnologia de redes celulares, na qual cada célula de rádio écontrolada por um ponto de acesso que cobre uma determinada área geográfica. O equipamento móvel secomunica com outros equipamentos ou com a rede de cabos através do ponto de acesso. A Figura 6 ilustra as possibilidades de comunicação que foram descritas. Este modo é normalmente usadoem aplicações comerciais, tanto para ambientes fechados como para áreas abertas.

Figura 6: Modo Infra–estruturado.

O modo de operação ad–hoc, também conhecido como peer–to–peer (ponto–a–ponto), funciona como umconjunto de estações que se comunicam entre si sem a necessidade de um ponto de acesso para gerenciar arede e oferecer serviços. A Figura 7 mostra este modo de operação.

Figura 7: Modo Ad–hoc (peer–to–peer).

Arquitetura Uma rede local 802.11x é baseada numa arquitetura celular, onde o sistema é subdivido em células e cada

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célula, chamada BSS (Basic Service Set), controlada por um ponto de acesso. Mesmo que uma rede deste tipo possa ser formada por uma única célula, com ou sem um ponto de acesso,muitas instalações serão formadas por várias células, onde estes pontos de acesso estarão conectados atravésde algum tipo de backbone, chamado DS (Distribution System), geralmente Ethernet. Alguns pontos de acesso possuem o recurso WDS (Wireless Distribution System), que permite a utilizaçãode vários outros pontos de acesso numa mesma rede, facilitando assim a expansão da rede para novos locais.O WDS funciona apenas com cartões 802.11b, ou seja, 2.4 GHz. O controle de banda é um dos valores demaior agregação neste equipamento, facilitando muito a solução de problemas com link em provedores deacesso à Internet. Todo o conjunto da rede sem fio, incluindo as diferentes células, seus respectivos pontos de acesso e DS’s, évisto pelas camadas superiores do modelo OSI como uma rede 802 única, e é denominada pelo padrão comoESS (Extended Service Set). Porém, as redes que utilizam o modo de operação ad hoc, onde não possuemnenhum ponto de acesso, são chamadas de IBSS (Independent Basic Service Sets). A Figura 8 mostra uma rede sem fio típica, incluindo os componentes descritos acima.

Figuras 8: Componentes da arquitetura do padrão 802.11x.

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 redeconvencional.

DS – Distribution SystemCorresponde ao backbone da WLAN, realizando a comunicação entre osAPs.

ESS – Extended Service Set

Conjunto de células BSS cujos APs estão conectados a uma mesma redeconvencional. Nestas condições uma STA pode se movimentar de umacélula BSS para outra permanecendo conectada à rede. Este processo édenominado de Roaming.

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WLAN de Alta Velocidade I: Protocolos

Estrutura de Camadas Todas as atividades especificadas pelo padrão 802.11 acontecem nas camadas físicas (PHY) e de enlace (nasubcamada MAC, especificamente), pois as camadas superiores controlam aspectos como endereçamento eroteamento, integridade de dados, sintaxe e formato dos dados contidos dentro de cada pacote, não fazendodiferença se elas estão transportando pacotes através de fios, de fibra óptica ou de sinais de rádio. Camadas Física A camada física é responsável pela transmissão dos quadros por um canal de comunicação. O padrão 802.11de 1997 define três técnicas de transmissão para as redes sem fio: uma utilizando infravermelho e outrasduas utilizando métodos de RF (Radio Frequency): o FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) e o DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum). Em 1999, foram apresentadas duas novas técnicas para alcançar maior largura de banda: o OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e o HR–DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum)(Tanenbaum, 2003).

Figura 9: Camadas que sofreram modificações pelo protocolo 802.11.

Infravermelho Nesta técnica, são utilizados como meio de transmissão raios próximos à luz visível. Pelo fato dos sinaisinfravermelhos não ultrapassarem paredes, e por estarem sujeitos a interferências, esta técnica detransmissão é restringida a ambientes fechados, operando a 1Mbps ou 2 Mbps. Existem duas formas derealização das comunicações infravermelhas: reflexão (difusão) ou linha direta (direta). Na primeira, a comunicação entre o emissor e um ou mais receptores é realizada através de um ponto dereflexão. Para que isso seja possível, não deve existir nenhum obstáculo entre as estações móveis e o pontode reflexão, permitindo que todas as estações “enxerguem” o ponto de reflexão. Quando a comunicação é direta, os sinais transmitidos pelos raios infravermelhos são focados e dirigidosdiretamente a um receptor, sem a necessidade de um “ponto intermediário” para permitir a comunicação.

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Como exemplo, temos o controle remoto de um aparelho de televisão ou uma transferência de arquivosentre dois computadores portáteis. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) O FHSS é uma técnica que utiliza como meio transmissão o rádio de alcance limitado, operando na bandaISM (Industrial Scientific and Medical) de 2,4 GHz. A banda de freqüência é dividida em 79 canais defreqüência com 1 MHz de largura, sedo que é gerada uma seqüência pseudo–randômica destes canais, poronde o sinal é difundido. È necessário garantir o sincronismo de todas as estações, para que elas mudem para as mesmas freqüênciasde forma simultânea, utilizando igualmente os canais da seqüência. Isso pode ser assegurado com autilização de um mesmo gerador de números pseudo–aleatórios. Em um determinado momento, um canal desta seqüência é utilizado por curto período de tempo paratransmissão dos dados. Com o sincronismo entre receptor e o transmissor, considerando que a série de canaisdeste é conhecida pelo receptor, a informação será totalmente recuperada, fornecendo, além disso, maiorsegurança, já que um intruso não poderá espionar as transmissões se não conhecer a seqüência de saltos ou otempo de parada. Esta camada provê operações em 1 Mbps, com 2 Mbps opcional. A versão de 1 Mbps utiliza 2 (dois) níveisda modulação GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), e a de 2 Mbps utiliza 4 (quatro) níveis da mesmamodulação. O FHSS também é razoavelmente insensível à interferência de rádio, e tem como principaldesvantagem sua baixa largura de banda. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Assim como o FHSS, esta técnica utiliza a radiofreqüência como meio de transmissão, operando na bandaISM de 2,4 GHz. Nela, cada tempo de bit é dividido em “n” intervalos denominados de chips. Cada estaçãopossui uma seqüência pseudo–randômica de “n” bits, chamada seqüência de chips. Para enviar o bit 1, umaestação envia uma seqüência de chips. Para enviar o bit 0, é enviado o complemento de sua seqüência dechips. A PHY DSSS, segundo o padrão 802.11, usa uma seqüência de 11 bits para espalhar os dados antes detransmití–los. Cada bit transmitido é modulado por esta seqüência. Este processo espalha a energia de radio–freqüência em torno de uma banda de faixa larga que pode ser necessária para transmitir o dado. O receptorconcentra o sinal de radio–freqüência recebido para recuperar o dado original. Como técnica de modulação esta camada utiliza para provimento em operações de 1Mbps a técnica DBPSK(Differential Binary Phase Shift Keying), enquanto que para operações em 2 Mbps a técnica usada é aDQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). A especificação IEEE 802.11, para a América do Norte, na banda de 2.4 GHz, define 11 canais de 22 Mhzde largura cada um, que podem ser utilizados pela técnica DSSS. Considerando–se a largura de bandadefinida para transmissões em DSSS (22 Mhz), o número máximo de canais de 2 Mbps que podem co–existiré três, podendo então operar na mesma área, simultaneamente, três sistemas distintos, sem interferências. AFigura 2.7.2 ilustra o espaçamento mínimo entre os canais na América do Norte.

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Figura 10: Espaçamento mínimo entre os canais na América do Norte.

HR–DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum) Esta técnica é uma extensão da DSSS que tem como objetivo aumentar a velocidade de transmissão. Elautiliza 11 milhões de chips/s para alcançar 11 Mbps na banda de 2,4 GHz. As taxas de dados admitidas são1, 2, 5 e 11 Mbps e podem ser adaptadas dinamicamente durante a operação para alcançar velocidade ótimasob as condições de carga e ruído. Esta técnica é a utilizada pelo padrão 802.11b e, embora seja mais lentaque o padrão 802.11a, seu alcance é sete vezes maior. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Essa técnica também é considerada uma forma de espectro de dispersão, já que as transmissões estãopresentes em várias freqüências ao mesmo tempo. Dentre as principais vantagens da divisão do sinal emmuitas bandas estreitas, em contraposição ao uso de uma única banda larga, está a maior imunidade àinterferência de banda estreita e a possibilidade de utilizar bandas não–contíguas. O sistema de codificação é complexo e se baseia na modulação por deslocamento de fase. A técnica tem boaeficiência de espectro em termos de bits/Hz e maior imunidade ao esmaecimento de vários caminhos. O HR–DSSS é suscetível a obstáculos como pilares, móveis e as paredes dos escritórios. Essa restrição doHR–DSSS causa uma redução da taxa efetiva de transmissão. Para resolver esse problema, é utilizada atécnica de multiplexação por divisão de freqüência ortogonal (OFDM), uma forma de modulação commúltiplas portadoras. É utilizada para codificar uma string de dados da rede sem fio, operando na banda ISM (Industrial Scientificand Medical) de 5 GHz e acima de 11 GHz em redes de 2,4 GHz, permitindo transmitir até a velocidade de54 Mbps. Para se transmitir um grande volume de informações, o canal de transmissão é dividido em váriossubcanais, cada um com uma portadora independente. Na sua forma de implementação, o OFDM é chamado de coded OFDM (COFDM). O COFDM quebra umaportadora de dados de alta velocidade em várias portadoras de velocidades menores, e todas transmitem emparalelo. Cada portadora de alta velocidade é de 20 MHz e possui 52 subcanais, cada um comaproximadamente 300 KHz. Quatro subcanais são utilizados para a correção de erros e para manter a coerência do sinal de freqüência.Os 48 subcanais restantes são para dados. O COFDM provê um robusto transporte em diferentes ambientes,onde a transmissão dos sinais de rádio é refletida por vários pontos. Camadas de Enlace

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Para a camada de enlace, as especificações do protocolo 802.11x definem duas subcamadas: a primeira é aLLC (Logical Link Control) e a segunda é a chamada MAC (Media Access Control). Subcamada MAC No padrão 802.11x, a subcamada MAC determina como o canal é alocado, isto é, quem terá a oportunidadede transmitir em seguida, devendo ser compatível com o padrão Ethernet. Na Ethernet é utilizado oprotocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection), o qual necessita que os rádiosestejam habilitados a enviar e receber ao mesmo tempo. Isto não é possível nas redes sem fio, onde a maioria dos rádios é halfduplex, significando que eles nãopodem transmitir e ouvir rajadas de ruído ao mesmo tempo em uma única freqüência (Tanenbaum, 2003).Também nas redes sem fio não há como garantir que todas as estações estejam aptas a "escutar" as outras, oque pode causar os problemas da estação oculta e da estação exposta mencionados na seção 2.2 destecapítulo. Assim, o padrão 802.11 utiliza o protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance),uma variante do CSMA/CD. Na resolução desses problemas, a subcamada MAC emprega dois modos deoperação: um chamado DCF (Distributed Coordination Function – função de coordenação distribuída) e ooutro chamado PCF (Point Coordination Function – função de coordenação de ponto). Todas as implementações devem aceitar DCF, mas o PCF é opcional. O modo DCF não usa nenhumaespécie de controle central, e utiliza o protocolo CSMA/CA, no qual são usados os métodos de detecção docanal físico e de detecção do canal virtual (Tanenbaum, 2003). No primeiro método, quando uma estaçãoquer transmitir, ela escuta o canal. Se ele estiver ocioso, a estação simplesmente começará a transmitir. Se o meio estiver ocupado, atransmissão será adiada até o canal ficar disponível para a estação transmitir. No caso de haver uma colisão,as estações envolvidas terão de esperar um tempo aleatório determinado por um algoritmo, podendo fazernovas tentativas posteriormente. O outro método do CSMA/CA emprega a detecção do canal virtual. A estação transmissora primeiramenteenvia um pequeno pacote chamado RTS (Request to Send) que contém os endereços da origem e dodestinatário, além da duração estimada para a transmissão. Se o meio estiver livre, o receptor responderácom um pacote CTS (Clear to Send). No exemplo da Figura 2.7.3, a estação A quer transmitir à estação B, sendo que a estação C está no alcancede A e a estação D no alcance de B. Sendo assim, quando A manda um RTS, C enxerga o pacote ereivindica uma espécie de canal virtual ocupado por ela própria, indicado por NAV (Network AllocationVector). Do mesmo jeito ocorre com a estação D, quando escuta o CTS de B, reivindicando o sinal NAV. Otempo do NAV é calculado a partir das informações contidas no RTS ou no CTS, podendo ser avaliado otempo que a seqüência de dados irá demorar utilizando o canal. Após o término da recepção e verificação de integridade da informação, a estação receptora envia um ACK(acknowledgment), concluindo a tarefa. Se a estação transmissora não receber o ACK, assume que atransmissão original não ocorreu e efetua a retransmissão.

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Figura 11: O uso da detecção de canal virtual com um CSMA/CA.

O outro modo permitido é o PCF, que utiliza o ponto de acesso para controlar as atividades dentro de umacélula. Neste, o ponto de acesso efetua o polling das outras estações, perguntando se elas têm algum quadroa enviar. Neste modo não ocorre nenhuma colisão, já que a ordem de transmissão é controlada pelo ponto de acesso.O mecanismo básico consiste na difusão periódica pelo ponto de acesso de um quadro de baliza que contémparâmetros do sistema, como seqüências de saltos, tempos de parada e sincronização do clock (Tanenbaum,2003). O padrão 802.11x define de forma precisa o intervalo de tempo entre quadros, de maneira a permitir acoexistência dos modos PCF e o DCF em uma única célula (Tanenbaum, 2003). Depois que um quadro éenviado, é exigido um certo período de tempo de inatividade, antes que qualquer estação possa enviar umquadro. São definidos quatro intervalos distintos, conforme pode ser visto na Figura 12.

Figura 12: Espaçamento entre quadros no formato 802.11x.

Nesse contexto, temos que:

SIFS (Short InterFrame Spacing): É um intervalo de tempo curto usado para permitir que as partesde um único diálogo tenham a chance de transmitir primeiro;PIFS (PCF InterFrame Spacing): É o espaçamento entre Quadros PCF que permite a uma estaçãotransmitir um quadro de dados ou uma freqüência de fragmentos para encerrar seu quadro seminterferência de qualquer outro;DIFS (DCF InterFrame Spacing): É o espaço de tempo entre os Quadros DCF e, durante esseintervalo, qualquer estação poderá adquirir a posse do canal para enviar um novo quadro;EIFS (Extended InterFrame Spacing): Este intervalo de tempo só é usado por uma estação que

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tenha acabado de receber um quadro defeituoso ou desconhecido, a fim de informar sua presença.

Subcamada LLC Tem como função ocultar as diferenças entre as variações do 802 e torná–las indistinguíveis no que se refereà camada de rede. Ela provê um único formato e uma única interface com a camada de rede. Esta subcamada fornece três opções de serviço: serviço de datagrama não–confiável, serviço de datagramacom confirmação e serviço confiável orientado a conexões. O cabeçalho LLC possui três campos: um ponto de acesso de destino, um ponto de acesso de origem e umcampo de controle (número de seqüência e confirmação). Estrutura de Quadros O padrão 802.11 define três diferentes classes de quadros em trânsito: dados, controle e gerenciamento.Cada um deles possui um cabeçalho com uma variedade de campos usados na subcamada MAC. O formato do quadro de dados é mostrado na Figura 13 e possui nove campos divididos em (Tanenbaum,2003):

Controle de quadro: Este campo possui 11 subcampos, sendo o primeiro denominado Versão doprotocolo, que permite a operação de duas versões do protocolo ao mesmo tempo na mesma célula.Temos os campos Tipo (dados, controle ou gerenciamento) e Subtipo (por exemplo, RTS ou CTS). Osbits Para DS e De DS indicam se o quadro está indo ou vindo do sistema de distribuição entre ascélulas. O bit MF significa que haverá mais fragmentos. O bit Repetir indica a retransmissão de umquadro enviado anteriormente. O bit Gerenciamento de energia é usado pelo ponto de acesso paradeixar ou retirar o receptor do estado de espera. O bit Mais indica que o transmissor tem quadrosadicionais para o receptor. O bit W especifica que o corpo de quadro foi criptografado com algoritmoWEP (Wired Equivalent Privacy). E por último, o bit O informa ao receptor que uma seqüência dequadros com este bit terá que ser processada em ordem;Duração: Este campo informa por quanto tempo o quadro e sua confirmação ocuparão o canal;Quatro campos de endereço: Contém os endereços de origem e destino do quadro, e de origem edestino do ponto de acesso;Seqüência: Este campo permite que os fragmentos sejam numerados. Doze bits identificam o quadroe quatro identificam o fragmento, totalizando dezesseis bits disponíveis;Dados: Este campo contém a carga útil de até 2.312 bytes;Total de verificação: Campo que habitualmente vem em seguida ao campo de dados.

Figura 13: Quadro de dados do 802.11x.

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Os formatos do quadro de controle e de gerenciamento são parecidos com o de dados. No entanto, o quadrode gerenciamento não possui um dos endereços do ponto de acesso, porque os quadros de gerenciamentoestão restritos a uma única célula. Já os quadros de controle não possuem campo de dados nem deseqüência, e possuem apenas um ou dois campos de endereço. Serviços O padrão 802.11x estabelece que as redes sem fio devem prover nove tipos de serviços divididos em duascategorias: cinco serviços de distribuição e quatro serviços da estação. Os serviços de distribuição sãofornecidos pelos pontos de acesso e lidam com a mobilidade das estações à medida que elas entram e saemdas células, conectando–se e desconectando–se dos pontos de acesso. São estes:

Associação: usado para a estação móvel se conectar aos pontos de acesso. A estação móvel anunciasua identidade e seus recursos e, se o ponto de acesso aceitá–la, passará pelo processo deautenticação;Desassociação: a estação móvel usa para se desligar ou sair do ponto de acesso;Reassociação: utilizado para mudar de ponto de acesso; e se for usado corretamente não haverá perdade dados;Distribuição: determina como rotear quadros enviados ao ponto de acesso;Integração: cuida da conversão do formato 802.11x para o formato exigido pela rede destino.

Os serviços da estação são usados depois que ocorre a associação e são intracelulares:

Autenticação: o ponto de acesso envia um quadro de desafio especial à estação móvel, esta demonstraconhecimento da chave secreta (senha) criptografando o quadro de desafio e transmitindo de volta aoponto de acesso. Se o resultado for correto, a estação móvel será completamente registrada na célula;Desautenticação: quando uma estação autenticada quer deixar a rede;Privacidade: este serviço administra a criptografia e a descriptografia, para que as informaçõesenviadas pela rede sem fio se mantenham confidenciais. O algoritmo de criptografia utilizado é o RC4,que será explicado no tutorial parte 2;Entrega de Dados: transmissão efetiva de dados, modelada com base no padrão Ethernet. Assim comoem redes cabeadas, a transmissão dos dados não é totalmente confiável, então camadas mais elevadasdevem assegurar a integridade das informações através de detecção e correção de erros.

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WLAN de Alta Velocidade I: Considerações Finais

Neste tutorial parte I procurou–se apresentar um pouco da história das redes sem fio, desde o seu surgimentoaté os dias atuais, e uma fundamentação teórica acerca do funcionamento destas redes, bem como de seusprotocolos. Conceitos importantes como à arquitetura, os elementos, os modos de operação e características doscomponentes de uma rede sem fio são mostrados em detalhes para fornecer uma visão abrangente doambiente necessário para se implantar tais redes. No tutorial parte 2 serão apresentadas as recomendações do IEEE aplicáveis para as redes WLAN eWMAN, assim como os principais problemas de segurança e as soluções existentes, e serão detalhadosaspectos relevantes sobre as antenas utilizadas nesses sistemas.Referências HASSAN, MAHBUB e JAIN, Raj – High Performance TCP/IP Networking – Concepts, Issues andSolutions. Pearson. 2004. ROSS, Keith W. / Kurose, James Addison Wesley – Computer Networking – A Top–Down Approach. 2004. TANENBAUM, Andrew S. – Redes de Computadores. 4. ed. Rio de Janeiro, Campus, 2003. 945p. SANCHES, Carlos Alberto, Projetando Redes Wlan – Conceitos e Praticas, ERICA – 1ª Edição – 2005 –344 pág. ABRAS, Gustavo E.; SANCHES, Jayme César G. – Wireless LAN. 2002. 67f. (Monografia do Curso deRedes e Sistemas Distribuídos). Pontifícia Universidade Católica do Paraná.Disponível em: http://www.ppgia.pucpr.br/~jamhour/Download/pub/ArtigosPos/Monografia%2520WLAN.pdfAcesso em: 17/07/2005. ARBAUGH, William; MISHRA, Arunesh. – An Initial Security Analysis of IEEE 802.1X Estandard. 2002.12f. University of Maryland.Disponível em: http://www.cs.umd.edu/~waa/1x.pdfAcesso em 06/08/2005. DUARTE, Luiz Otavio. – Análise de Vulnerabilidades e Ataques Inerentes a Redes Sem Fio 802.11x. 2003.55f. Campos de São José do Rio Preto.Disponível em: http://www.acmesecurity.org/hp_ng/files/testes_monografias/acme–monografia–Wireless–2003–LOD.pdfAcesso em 05/08/2005. FAGUNDES, Eduardo Mayer. – Fundamentos de Wireless LAN. 2004. 9 p.Disponível em: http://www.efagundes.com/Artigos/Arquivos_pdf/Wireless_LAN.PDF.Acesso em 02/08/2005. GAUDÊNCIO, Maurício. – Quebrando barreiras. 2003. Artigo publicado no Telecom Negócios.Disponível em: http://www.telecomweb.com.br/solutions/infra–estrutura/seguranca/artigo.asp?id=48566

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Acesso em 02/08/2005. GAST, Mattew S. – 802.11 Wireless Networks The Definitive Guide. EUA: O’Reilly, 2002. 443p. MAIA, Roberto. – Segurança em Redes Wireless 802.11i. Universidade Federal do Rio de Janeiro.Disponível em: http://www.gta.ufrj.br/~rmaia/802_11i.htmlAcesso em: 15/07/2005. MAXIM, Merritt; POLLINO, David. – Wireless Security. EUA: McGraw–Hill/Osborne, 2002. 321p.

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WLAN de Alta Velocidade I: Teste seu Entendimento

1. Entre os principais problemas ocorridos em canais de RF, qual das alternativas abaixo melhorexplica as Perdas de Percurso?

Ocorre geralmente pelo bloqueio dos caminhos de transmissão causado por montanhas, prédios,paredes e mobílias.

Flutuações rápidas sobre a potência de sinal recebido em curtos períodos de tempo ou em curtasdistancias.

É a relação entre a potência recebida e a potência transmitida para um dado caminho de propagação.

É o reuso de freqüência, onde as principais freqüências são reutilizadas em localizações especialmenreseparadas.

2. Qual elemento de uma rede sem fio é responsável pela interconexão de redes 802.11x a outras redes802?

Adaptador de Redes.

Portal.

Base Station.

Ponto de Acesso. 3. Qual é afirmativa que melhor descreve o serviço de Distribuição da Subcamada LLC?

Determina como rotear quadros enviados ao ponto de acesso.

Cuida da conversão do formato 802.11x para o formato exigido pela rede de destino.

A estação móvel utiliza para se desligar ou sair do ponto de acesso.

Uma estação autenticada quer deixar a rede.

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