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Capítulo 6

Redes sem fio e redes móveis

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Redes de computadores I

Prof.: Leandro Soares de Sousa

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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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Sumário

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• Elementos de uma rede sem fio

Introdução

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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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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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• Um exemplo simples de CDMA: codificação no remetente, decodificação no receptor:

CDMA

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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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• Um exemplo de CDMA com dois remetentes:

CDMA

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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.


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• Varredura passiva e ativa para pontos de acesso


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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.


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• Prevenção de colisão usando os quadros 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


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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

34Redes pessoais: Bluetooth e Zigbee

• Bluetooth:

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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.


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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.


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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


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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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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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• Elementos iniciais de uma arquitetura de rede móvel

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.


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Roteamento direto para um nó móvel


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Transferência do nó móvel entre redes com roteamento direto (manutenção da conexão)


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Sumário

55

• 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

56IP móvel: roteamento indireto

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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

58IP móvel: descoberta de agente

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Sumário

60

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

61

• 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

66Comparando...

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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.


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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.


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Capítulo 6 - FIM

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