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IEEE 802.11 - Wi-Fi

Carlos A. Froldi

Tópicos em Redes de Comp. I

Prof. Edmundo Madeira

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IEEE 802.11 - Wi-Fi

Considerações iniciais e princípios de funcionamento

Provisão de qualidade de serviço

Aspectos práticos e implementação

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Considerações inicias e princípios de funcionamento

resolução 802.11 do IEEE trata da padronização de redes locais sem fio (WLANs), primeiro padrão foi desenvolvido em 1997

meta fundamental era fornecer serviços compatíveis com as redes 802.3 (Ethernet)

Uma rede WLAN pode substituir ou estender uma rede local cabeada (LAN) provendo funcionalidades adicionais

O padrão 802.11 especifica as camadas física e de controle de acesso ao meio (MAC)

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Considerações inicias e princípios de funcionamento

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Facilidades providas por uma rede WLAN:

Re-alocação de dispositivos sem a necessidade de alteração no cabeamento

Cobertura de locais com dificuldade de suportar uma rede cabeada

Prover mecanismos que permitam aos dispositivos pertencentes a mesma utilizar-se das facilidades providas pela computação móvel

Quando utilizadas em conjunto com as LANs podem prover aos dispositivos sem fio toda a infra-estrutura de acesso a Internet

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Aspectos a serem considerados na utilização de Wlans:

Transmissão do sinal

Taxa de transmissão

Taxa de erros

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A camada física do padrão 802.11 é ilustrada a seguir:

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PLCP (Physical Layer Convergence Procedure)

Na transmissão fica “esperando” o recebimento de frames da camada MAC, converte os mesmos para que possam ser transmitidos e os envia a PMD

Na recepção efetua a operação inversa, ou seja, fica “escutando” o meio

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PLCP (Physical Layer Convergence Procedure)

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PMD (Physical Medium Dependent):

Espalhamento de espectro por salto de freqüência (FHSS)

Espalhamento de espectro por seqüência direta (DSSS)

Infravermelho

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FHSS

Utiliza faixas de freqüência não licenciadas, ou seja banda ISM (Industrial Scientifc Medical)

Largura de banda disponível é dividida em vários canais de freqüência

A estação, em curtos instantes de tempo durante a recepção e envio de dados, salta para outro canal seguindo um padrão aleatório

79 canais diferentes podem ser utilizados, iniciando em 2,402Ghz e variando em 1Mhz a cada canal

A taxa básica é de 1 a 2 Mbps – utilizando a modulação gaussiana por chaveamento de freqüência (GSFK) de 2 ou 4 níveis respectivamente

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DSSS

Transmissões simultâneas são separadas por códigos

Uma operação XOR é realizada entre os dados originais e um fator de espalhamento e, como resultante tem-se a sub-divisão dos símbolos que constituem os dados em intervalos chamados chips

O espalhamento é dividido em 11 subcanais, cada um com 11 Mhz

Cada símbolo espalhado utiliza uma seqüência de Barker de 11 chips (+1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1)

Redes locais devem utilizar canais cujas freqüências sejam separadas por no mínimo 25 Mhz

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Distribuição de canais no DSS:

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Ocupação dos canais no banda de transmissão:

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Utilização de múltiplos canais no DSS:

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Infravermelho

Projetado para ambientes fechados

Ondas com comprimentos entre 850 à 950 nm

Transmissões com alcance de 10 metros

Taxas entre 1 a 2 Mbps utilizando modulação por posição de pulso (PPM)

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Extensões ao padrão original 802.11:

802.11b

802.11a

802.11g

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802.11b

Tido como a primeira padronização que possibilitou a redes sem fio funcionalidade comparável a redes Ethernet

Recebeu o selo Wi-Fi, abreviação em inglês de Wireless Fidelity (Fidelidade Sem Fio) por um grupo denominado WECA

Utiliza na camada física uma extensão do DSSS, emprega um chaveamento de código complementar (8-chip Complementary Code Keyng – CCK) pode fornecer taxas de 5,5 a 11 Mbps

Compatibilidade com o padrão original 802.11 garantido pela PLCP

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802.11a

Utiliza multiplexação por divisão ortogonal de freqüência (OFDM)

opera na faixa de freqüência de 5 Ghz

OFDM divide o sinal em 48 subportadoras para prover taxas de 6 a 54 Mbps

Utiliza como modulações: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

Padrão não mantém compatibilidade com 802.11 e 802.11b

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802.11g

Utiliza OFDM, de forma similar ao padrão 802.11a, porém em uma freqüência de 2.4 Ghz

Taxas de 6 a 54 Mbps

Padrão mantém compatibilidade com 802.11 e 802.11b

Utiliza mesmas modulações que o padrão 802.11a

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Subcamada de Acesso ao Meio (MAC)

Serviço de entrega confiável

Controlar o acesso ao canal sem fio

Proteger dados utilizando técnicas de criptografia

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Subcamada de Acesso ao Meio (MAC)

Emissor aguarda confirmação (ACK) do receptor após envio de quadro, na ausência do mesmo o quadro é retransmitido

Retransmissão poderia ser implementada nas camadas superiores, porém é mais eficiente efetuar este controle na camada MAC

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Função de Coordenação Distribuída (DCF)

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Função de Coordenação Distribuída (DCF)

Utiliza o CSMA/CA para acesso ao meio

Processo de backoff quando o meio está ocupado por um período DIFS

Estação calcula um tempo randômico levando em conta o tamanho da janela de contenção (CW)

Janela aumenta a cada transmissão mal sucedida e tempo de backoff é recalculado

tempo de backoff é decrementado sempre que o canal é detectado ocioso durante o tempo DIFS, quando atinge valor zero a estação transmite

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Problema da estação exposta e estação escondida

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Função de Coordenação Centralizada (PCF)

Livre de contenção, baseia-se em consultas periódicas (polling) as estações para determinar quem terá acesso ao meio

O AP geralmente implementa um ponto de coordenação

Estações são consultadas periodicamente para utilização do meio

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Fragmentação

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Considerações inicias e princípios de funcionamento

Proteção e integridade dos dados:

Meio sem fio mais sensível a intrusos

Implementa métodos de cifragem na camada MAC

Atualmente Existem dois padrões utilizados na prática: WEP e WPA

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As redes Wlan podem ser divididas em 2 arquiteturas:

Rede Wlan Ad-hoc

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Rede Wlan centralizada

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Considerações inicias e princípios de funcionamento

Aumento da utilização de Wlans: Redução grande nos custos envolvidos

Utilização de faixas de freqüências livres ou não licenciadas que simplificam sua utilização

Aumento das taxas de transmissão

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Provisão de Qualidade de Serviço

Propostas de diferenciação de serviços baseados nas estações:

PFC – envolvem esquemas de consulta que levam em conta prioridade das estações

DFC – propostas elaboradas para trabalhar com priorização de estações, para isto alteram os parâmetros da camada MAC

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Provisão de Qualidade de Serviço

Esquema Aad

Altera os parâmetros da camada MAC de acordo com a prioridade da estação

Parâmetros alterados são: função de aumento do backoff, CW min, DIFS e tamanho máximo do quadro

Estações com maior prioridade têm “maior agilidade” para utilização do meio

Na prática oferece diferenciação apenas ao tráfego UDP

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Provisão de Qualidade de Serviço

Esquema Blackburst

Estações de alta prioridade acessam o meio em intervalos iguais e constantes

Estação verifica se o meio está livre por um intervalo PIFS e então envia o quadro

Se meio está ocupado a estação envia uma rajada (black burst) para congestionar o meio

Estações de baixa prioridade utilizam o esquema convencional de acesso do 802.11

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Provisão de Qualidade de Serviço

Extensão 802.11e

Criada para prover diferenciação por fluxo de dados e não por estação

Introduz uma camada de coordenação híbrida (HCF)

HCF possui um coordenador híbrido (HC), responsável pela funcionalidade de QoS, geralmente implementado no AP

Estações são chamadas de QSTAs (QoS Station)

Prove o modo de acesso EDCF que complementa o modo de acesso DCF para utilização de diferenciação de serviços

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Provisão de Qualidade de Serviço

Extensão 802.11e

Disponibiliza 8 categorias de acesso (AC) nas QSTAs para suportar até 8 prioridades do usuário (UP)

Em cada estação uma ou mais UPs são atribuídas para cada AC

Prioridades são atribuídas através de configurações dos parâmetros da camada MAC (ex.valores de CW)

Novo tipo de intervalo chamado AIFS (DIFS + slot de tempo)

Cada categoria de tráfego (TC) em uma estação comporta-se como uma estação virtual

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Provisão de Qualidade de Serviço

Extensão 802.11e

TCs disputam o meio e implementam processos de backoff independentes (o que ocorre com backoffs que zeram ao mesmo instante de tempo???)

Para melhorar o desempenho e a utilização do canal, as estações realizam a transmissão de quadros em rajadas durante intervalos de tempo chamados TxOps

Os parâmetros de QoS utilizados nas estações são definidos pelo HC, sempre baseando-se em 8 prioridades, os mesmo são informados a cada QSTA para que possa haver o estabelecimento da funcionalidade de QoS

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Provisão de Qualidade de Serviço

Extensão 802.11e

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Aspectos práticos e implantação

Duas perguntas básicas para iniciar um projeto de Wlan:

Utilização em ambientes indoor (ex.dentro de um prédio) ou outdoor (ex.ligando dois prédios)??

Utilização de antenas que utilizam propagação por espalhamento, direcional ou serial ??

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Aspectos práticos e implantação

Direcional

Setorial

Ominidirecional

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Aspectos práticos e implantação

Estudo de caso da rede Wlan do IC

Padrão adotado

Características físicas do prédio

Prover mobilidade e conseqüentemente comutação entre células

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Aspectos práticos e implantação

Definições importantes:

SSID (service set indentify)

Métodos de cifragem de dados

Impacto de interferências

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Aspectos práticos e implantação

RTS/CTS utilização ou não ??

T = ttr + tov 

 ttr - tempo de transmissão 

tov - tempo de overhead

Do tempo de overhead podemos concluir que: 

tov = DIFS + tpr + SIFS + tpr + tack

 

O tempo tpr é decorrente da transmissão do preamble e header da PLPC 

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Aspectos práticos e implantação

RTS/CTS utilização ou não ??

DIFS = 50 us 

SIFS = 10 us

tack = 10 us (para ACKS menores que 112 bits) 

tpr = 192 (para taxas maiores que 1Mbps)

 

Considerando o frame de 1500 bytes podemos afirmar:

 P = ttr / T = 0,70 

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Aspectos práticos e implantação

RTS/CTS utilização ou não ??

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Aspectos práticos e implantação

RTS/CTS utilização ou não ??

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Aspectos práticos e implantação

RTS/CTS utilização ou não ??

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Compatibilidade entre padrões

802.11g

802.11b

802.11g

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Compatibilidade entre padrões

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Conclusão

Redes sem fio, em comparação a redes cabeadas, possuem limitações quanto a taxa de transmissão

Redes sem fio são mais sensíveis a interferências e ruídos no sinal de transmissão, acarretando um esforço maior para administração das mesmas

No que diz respeito a segurança e integridade dos dados, redes sem fio são mais vulneráveis que redes cabeadas

Deve-se optar por redes sem fio quando não há a possibilidade e/ou viabilidade para utilização de cabos

Utilização do ISM é uma “faca de dois gumes”

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Bibliografia

Site do Lab. de Redes sem fio da Intel - http://intel.lab.ic.unicamp.br/twiki/bin/view/INF504/Arquivos

Site do IEEE - http://grouper.ieee.org/groups/802/11/

Freitag, J – Provisão de Qualidade de Serviço em Redes IEEE 802.11 – Dissertação de Mestrado – Agosto de 2004