Tecnologia em Redes de Computadores - echaia.com.br · Kurose, J.; Ross, K., Redes de Computadores...

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Graduação Tecnológica em Redes de Computadores

Redes Sem Fio

Euber Chaia Cotta e [email protected]


Ementa:• Conceitos de comunicação sem fio;

• Visão geral dos protocolos;

• Características;

• Tecnologias;• Segurança;

• Aplicabilidade;

• Custo;

• Projetos;• Melhores práticas.


Redes Sem Fio

• Bibliografia: Assunção, Marcos F. A. Wireless Hacking - Ataque e

Segurança de Redes Sem Fio Wi-fi. Editora: VISUAL BOOKS, 2013.

Kurose, J.; Ross, K., Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem Top-Down. 5ª. Edição, Editora Addison Wesley, 2010.

Rufino, Nelson Murilo de O., Segurança em Redes sem Fio. 4ª Edição. Editora Novatec, 2014.

Tanenbaum, Andrew S., Redes de Computadores. Tradução da 5ª Edição. Editora Campus, 2011.


Certificação CWNP


Redes Sem Fio – Site da disciplinahttp://echaia.com

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Redes Sem Fio - Agenda

• Visão Geral: motivação, definições, desafios, background técnico, ...

• Tecnologias WWAN: Wimax e “Celular” WMAN: Wimax WPAN: Bluetooth e Zigbee WLAN: Wi-Fi

• Laboratórios e Trabalhos Práticos Montagem de diversas topologias com diferentes

configurações Site Survey


Redes Sem Fio

Forma de Avaliação– Prova I: 15 pontos

– Prova II: 25 pontos– Prova III: 35 pontos– PEC: 2 pontos e PIN: 5 pontos

– Trabalhos Práticos: 10 pontos• Site Survey: 5

• Configuração de equipamentos: 5

– Listas de atividades: 8 pontos


Redes Sem Fio - Prática – WiFi

• Instalar o software abaixo (ou semelhantes para iPhone/iPad e Android) em seu dispositivo com rede sem fio: InSSIDer - http://www.metageek.net/ - Windows LinSSID - http://www.qwt.sf.net/ - GNU/Linux

Capturar redes wireless em casa, trabalho, faculdade, rua, etc e trazer a captura das telas (print screens) nas próximas aulas.

http://www.metageek.net/

http://www.qwt.sf.net/


InSSIDer


LinSSID


Redes Sem Fio - Vídeos

Vídeos:

Um Dia Feito de Vidro 1 e 2

Mobilidade e Interatividade

Sight


Diferenciar conceitos da tecnologia● Diferença entre Wireless x Wi-Fi


Diferença entre equipamentos

Repetidor (Repeater);

Ponto de Acesso (Access Point);

Roteador Sem Fio (Router Wireless).


Notebook/Netbook

PDA (Personal Digital Assistants)

Telefones Celulares

Sensores

Outros gadgets

Dispositivos computacionais


• Conectividade Desconexões frequentes

Qualidade variável do “enlace”

Ruído/interferência de sinal

• Maior frequência de erros

Regiões de sombra ou sem cobertura

Largura de banda limitada e compartilhada

• Ordens de magnitude menores que a rede cabeada

• Conjunto imprevisível de dispositivos compartilhando ou competindo pelo meio de transmissão

Zonas de congestionamento

Desafios (1)


• Mobilidade Nível Físico

• Velocidade de locomoção pode causar problemas em handoffs/hadover

• Passagem por áreas de cobertura de tecnologias distintas ou sem cobertura

Serviços e Middleware

• Necessidade de descobrir e se conectar a diferentes provedores de serviço

Aplicações

• Necessidade de se adaptar ao contexto de execução (rede, recursos no dispositivos, localização, condições físicas)

Desafios (2)


Tecnologias heterogêneas

Chaveamento entre as tecnologias

Restrições dos dispositivos

Menos recursos

Energia limitada

Interface com o usuário

Segurança

Meio compartilhado suscetível a captura de tráfego

Desafios (3)


Acesso remoto convencional

Comércio

Assistência técnica

Área hospitalar

Mercado Financeiro

Aplicações Policiamento/Segurança

Entregas de encomendas

Otimização de rotas

Rastreamento

Logística

Automatização de armazéns


Aplicações Seguradoras

Avaliação de sinistros

Aplicações militares

Entretenimento

Computação pervasiva

Sensores

Esportes

Sensor na bola de futebol

…


Redes Wireless

Cobertura (indoor, outdoor, acesso a alta/baixa velocidade)

Taxa de transmissão, latência máxima, etc.

Confiabilidade e estabilidade da comunicação

Segurança

Garantias de QoS

Dispositivos Móveis

Formas de interação (voz, textual, vídeo, gráficas)

Capacidade de identificar localização geográfica

Capacidade de processamento e armazenamento local

Aplicações → Requisitos


Redes Infra-estrutura (ou estruturadas):

WWAN: Redes celulares

WRAN: Super Wi-Fi

WMANs: WiMax

WLANs: Wi-Fi

Redes Ad hoc (“ad hoc”- latin, “para este propósito”)

WLANs

WPANs: Bluetooth, ZigBee, IrDA, …

Redes de Sensores

Classificação das Redes Sem Fio


Pontos de Acesso, Estações Base - BS (AP, ERB – BTS - Node B - eNB , …):

transmissor/receptor + antena + amplif. de sinal + …

Unidade Móvel:

dispositivo transmissor/receptor de baixa potência + antena + processador

Célula/Área de cobertura:

Área geograficamente atendida por uma BS

Teoricamente áreas circulares, muitas vezes representadas por hexágonos

Menor sinal → menor relação sinal/ruído → mais erros → menor taxa de transmissão

Redes infraestruturaPrincipais elementos


Redes Infraestrutura - Base Station


Antena Celular UFMG


Redes infraestruturaÁrea de Coberturahttp://rootw

ireless.com/


Redes infraestruturaÁrea de Cobertura


Redes infraestruturaÁrea de Cobertura

http://ww

w.telebrasil.org.br


http://opensignal.com


Redes infraestrutura Área de Cobertura

Formas hipotéticas de representaráreas de cobertura

Exemplo real de representação de áreas de cobertura


Todo nó é potencial fonte e destino de pacotes

Todos os nós são roteadores de pacotes

Trasmissões simultâneas podem gerar interferência

Fonte de energia limitada

Liberdade de locomoção

Redes Ad HocPrincipais Características


Características de propagação definidas fundamentalmente pelas propriedades do meio de transmissão

O meio apresenta propriedades que variam com a frequência da onda irradiada, determinando mecanismos de propagação diferentes para diversas faixas do espectro de radiofrequência.

Ondas Eletromagnéticas



No espaço livre, os parâmetros do meio podem se modificar em função da região envolvida e das variações ao longo do tempo

A falta de uniformidade da atmosfera terrestre, que varia em função da altitude, localização geográfica e condições meteorológicas, influencia sensivelmentea passagem das ondas


Propagação por ondas espaciais:

Utilizam reflexão ionosférica

Constitui importante método de radiocomunicação a longa distância

Propagação por ondas terrestres:

A intensidade do campo depende de:

Potência do transmissor

Carcterísticas da antena transmissora

Difração das ondas face a curvatura terrestreou outros obstáculos


Loacalização no terreno

Direção de trasmissão

Condições meteorológicas locais


Ondas Eletromagnéticas - Ondas espaciais


Banda ou faixa de frequência

Cada tecnologia opera em uma banda diferente

A maioria das bandas são reguladas

FCC – EUA

Anatel – Brasil

Existem bandas que não requerem licenciamento

ISM (Industrial, Scientific and Medical): 902 MHz a 928 MHz, 2.400 MHz a 2.483,5 MHz e 5.725 MHz a 5.850 MHz;

U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure): 5.150 MHz e 5.825 MHz.

Espectro de Frequência


Espectro de FrequênciaAlocação de bandas de telefonia celular no Brasil (sem o 3G)



Relação entre frequência f e comprimento de onda :

f. = c, onde:

c é a velocidade da luz no vácuo (3*108 m/s)


Propagação

Reflexão, absorção e refração depende do material, polarização, frequência,

ângulo de incidência em superfície terrestre, edificações, camadas

atmosféricas, etc.


Propagação

Espalhamento/Difração Ao incidir sobre um objeto em um determinado

ângulo, uma onda eletromagnética é decomposta em várias ondas “difusas” de intensidade menor.


Propagação

Propagação Multi-caminho (“multi-path”) Reflexão em diferentes objetos pode causar

recebimentos defasados


PropagaçãoAtenuação

Decremento da intensidade média de sinal Motivo 1: ondas que chegam fora de fase, com ângulos e

amplitudes diferentes, devido a reflexão e movimentação do emissor/receptor e principalmente pela distância (perda de propagação).

Motivo 2: a perda, ou dissipação de energia, ocorre sobre a forma de calor (efeito Joule em meios metálicos) e radiação.

A


Materiais Enfraquecimento Exemplos

Ar Nenhum Espaço aberto, pátio interior

Madeira Fraco Porta, pavimento, divisória

Plástico Fraco Divisória

Vidro Fraco Vidraças não matizadas

Vidro matizado Médio Vidraças matizadas

Água Médio Aquário, fonte

Seres vivos Médio Multidão, animais, humanos, vegetação

Tijolos Médio Paredes

Paredes Médio Divisórias

Cerâmica Elevado Mosaicos

Papel Elevado Rolos de papel

Betão Elevado Paredes mestras, andares, pilares

Vidro à prova de bala Elevado Vidros a prova de bala

Metal Muito ElevadoBetão armado, espelhos, armário metálico, gaiola de elevador


Transmissão de Dados

Analógico: Transmissão analógica, os sinais elétricos variam continuamente entre todos os valores possíveis, permitidos pelo meio de transmissão.

Digital: série de sinais, que tem apenas dois valores elétricos (ou gama discreta de valores) que correspondem à informação que se deseja transmitir.


Transmissão de dados

• Para facilitar a transmissão do sinal através dos meios físicos, e adequar as frequências aos sistemas de comunicação, se utiliza a chamada onda portadora, sobre a qual viaja o sinal a ser transmitido.

• A onda portadora é um sinal senoidal caracterizado por três variáveis: Amplitude, Frequência e Fase. Por definição, este sinal existe ao longo de todo o tempo, ou seja com "t" variando de menos infinito a mais infinito.


Modulação• A modulação consiste em se imprimir uma informação

em uma onda portadora pela variação de um ou mais dos seus parâmetros


Modulação

Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying

Phase Shift Keying (de 180 º)

f1 f2 f1


Modulação e Demodulação

Computador

Computador


Modulação

• Para transmissão sem fio, o bitstream digital precisa ser primeiro transformado em sinal analógico (baseband signal) e depois sofrer uma modulação analógica para uma frequência portadora (“carrier”)

Modulação Digital01101

Modul. Analógica

carrier

Basebandsignal


Antenas• Irradiam e recebem ondas eletromagnéticas (p.ex. um sinal modulado)

através do ar

• Transferem energia do transmissor para o meio (e vice-versa)

• Podem ter diferentes padrões de propragação omnidirecional: em todas as direções direcional: em apenas uma direção semidirecional: não tão concentrada quanto a direcional setorizada: em 3, 6, etc. direções

omnidirecional direcional com setore


Antenas• O alcance é determinado por:

Potência de transmissão Frequência de transmissão Visada - Objetos na região de cobertura

• Antenas direcionais têm maior ganho de energia (concentra a potência de sinal irradiado em uma direção) e conseguem uma transmissão a distâncias maiores

Regiões:Transmissão: receptor B pode também transmitirDetecção: sinal pode ser recebido, mas

não consegue se comunicarInterferência: sinal de A interfere na transmissão

A

B


WLAN – ComponentesAntenas – Zona de Fresnel

• Direcionais

– Links: ficar atendo à Zona de Fresnel– Causado por difração das ondas em uma abertura circular– Obstáculos dentro desta zona causam recebimento de sinais

fora de fase (multi-caminho)



• Uma obstrução de até 40% é aceitável

• Mas até 20% é o recomendado

60%

100%



• Defasagem de fase:

• 1ª zona – 0º a 90º

• 2ª zona – 90º a 270º

• 3ª zona – 270º a 450º



http://www.wirelessconnections.net/calcs/FresnelZone.asphttp://www.novanetwork.com.br/suporte/calculos/fresnel.php

http://www.afar.net/fresnel-zone-calculator/

http://www.wirelessconnections.net/calcs/FresnelZone.asp

http://www.novanetwork.com.br/suporte/calculos/fresnel.php

http://www.afar.net/fresnel-zone-calculator/


Potência

Potência = “Força que determinada entidade possui”

Unidade: Watt - W

Quantificação: Medir a relação de potências, na prática, equivale a medir o ganho ou atenuação que afetaram um sinal.

– Ganho: Quando potência de saída (PS) é maior que a de entrada (PE)

– Atenuação: Quando potência de entrada (PE) é maior que a de saída (PS)


Sigla Significado Ordem

mW Miliwatt 10-3W

μW Microwatts 10-6W

nW Nanowatts 10-9W

pW Picowatts 10-12W

PotênciaUnidades de Medida


Potência dB

• Devido as grandes variações existentes na medição dos sinais, é utilizada a escala logarítmica, que tornam as variações lineares.

• Decibel (dB): – Relação logarítmica entre as potências de

saída e de entrada– Ganho / Atenuação de um componente

= 10 log (PS/PE)


PotênciaUnidades de Medida - dB

• dB → Ganho ou atenuação na escala logarítmica– É uma unidade de comparação– dB = 10 LOG (P1/P2), onde P1 e P2 são os valores das

potências em Watts

• dBm → Unidade para indicar a relação entre duas potências quando a potência de referência é 1mW– dBm = 10 LOG (P1/1mW)

• dBi → Ganho ou atenuação em relação a uma antena isotrópica, ou seja, ideal (irradia igualmente em todas a direções)


Unidades de MedidaPotência



-3 dB ≈ Metade da potência em mw+3 dB ≈ Dobro da potência em mw-10 dB ≈ Um décimo da potência em mw+10 dB ≈ Dez vezes a potência em mw

Exemplos:• Uma antena que gera ganho de 9 dBi, traria um ganho de

8x no sinal• Um conector com perda de 3dB (ou ganho de -3 dB)

dividiria a potência final por 2



Dado o circuito RF abaixo, calcular o sinal resultante irradiado pela antena, levando-se em conta os dados mostrados na tabela abaixo:



Presult = 100mW - 3 dB - 3 dB - 3 dB + 12 dBPresult = 100mW / 2 / 2 / 2 * 16Presult = 200mW


• Perda em espaço livre ou simplesmente perda no meio, refere-se a perda incutida a um sinal RF devido a dispersão do sinal que é um fenômeno natural.

• A medida que o sinal transmitido atravessa a atmosfera, o nível de potência diminui em uma razão inversamente proporcional a distância percorrida e proporcional ao comprimento de onda do sinal.

Perda no Espaço Livre


Perda no Espaço Livre• O nível de potência se torna portanto um fator muito

importante quando é analisada a viabilidade de um link.

A tabela ao lado apresenta uma estimativa da perda do meio (espaço livre) para dadas distâncias entre transmissor e receptor em 2,4Ghz.Para calcularmos esta proporção, a equação acima é muito importante no planejamento de qualquer rede sem fio. No nosso caso utilizaremos a frequência de 2,4 GHz o que resulta em um comprimento de onda de 12,5 cm.


O link budget é a contabilização de todos os ganhos e perdas partindo do transmissor, passando pelo meio (perda no espaço livre, cabos, fibras, etc.) até o receptor em um sistema de telecomunicações.

Equação simplificada:Potência de Recepção (dBm) = Potência de Transmissão (dBm)

+ Ganhos (dB) − Atenuações (dB)

Link Budget


Exemplo:

Link Budget


Exemplo de software para cálculo de link budget:

Link Budget


Ruído

• Sinais indesejáveis– Origem humana

• Influência de outros sistemas de comunicação

• Dispositivos de ignição e comutação elétrica

• …

– Origem natural • Descargas atmosféricas

• Radiação extra-terrrestre

• ...


• É a relação entre a potência do sinal e a potência do ruído no canal de comunicação.

• SNR = Signal to Noise Ratio

dB = 10 LOG (Sinal/Ruído)

• Valor depende da potência de transmissão

Qualidade do SinalRelação Sinal-Ruído


• RSSI = Received Signal Strength Indication

• Sem unidade

• Em Wi-Fi, valor informado pelo fabricante e arbitrário dentro de um intervalo. Cisco → 0 a 100 Windows XP → 0 a 100 Atheros → 0 a 127

• No inSSIDer ele simplesmente quer dizer “força do sinal”, a medida em dB está incorreta.

Qualidade do Sinal - RSSI


• Uso compartilhado e eficiente do meio da banda

• Garantir a não interferência de canais

• Multiplexação em dimensões: Espaço (s) Tempo (t) Frequência (f) Código (c)

Múltiplo Acesso - Objetivos


• Quatro possibilidades básicas: FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiplex Access) SDMA (Space Division Multiplexing)

• Existe a possibilidade de combinar os mecanismos acima, de forma a conseguir uma maior eficiência na utilização do espectro. Exemplo: TDMA/FDMA amplamente utilizado pelas

operadoras de telefonia celular.

Múltiplo Acesso


FDMA

FDMA – Frequency Division Multiple Access

...

• Cada canal carrega a informação de um único usuário.• Os canais são subutilizados.• Requer bons filtros para evitar interferência de canal adjacente.• O sincronismo entre Fonte e Destino requer menor overhead quando comparado com o TDMA.• Exemplo: AMPS: 2 bandas com 833 canais de 30 kHz cada

Min_freq

Max_freq


TDMATDMA – Time Division Multiple Access

• O TDMA compartilha a banda disponível entre os usuários, dividindo-a em time-slots transmissão dos dados é descontínua (bursts)• Utiliza mais bits de sincronização e guarda se comparado ao FDMA• Devido à característica de trasmissão em rajadas, existe um menor gasto de bateria (transmite só durante o tempo de um time-slot)

...

Min_freq

Max_freq


FDMA + TDMAFDMA e TDMA combinados (Exemplos: IS-136, GSM)

• Esta técnica combina a divisão da banda em faixas menores (portadora) que por sua vez é subdivida no tempo (time-slots). Consequentemente tem-se uma melhor utilização do espectro.• No GSM as 2 bandas de 25 MHz (Up/ Down Link) são divididas em portadoras de 200 KHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8 time slots de 4.615ms.

...

Min_freq

Max_freqportadora


CDMACDMA – Code Division Multiple Access

• Todos usuários transmitem na mesma banda (simultâneamente) o dado codificado; e somente os detentores da chave conseguem decifrar o dado. Isso garante maior segurança.• A capacidade não é fixa, dependendo da relação S/N do meio. É eficiente quando utilizada para muitos usuários.

Min_freq

Max_freq


SDMA – Space Division Multiple Access• Usado em redes celulares (células são

áreas irregulares em torno de uma antena)• Atribuir faixas de frequência diferentesa regiões (células) adjacentes, de formaa evitar a interferência de sinal• Para células distantes, pode-se

reutilizar a faixa de frequência• Para isto, o alcance de transmissão

da antena deve ser bem ajustado

SDMA


Diferentes técnicas de multiplexação em Redes Móveis


Técnicas de espalhamento de sinal:• Em vez de transmitir em faixa estreita de frequência (e

com alta potência), transforma-se o sinal em faixa larga de frequência (e baixa potência). A energia final para a transmissão geralmente é igual.

• O receptor tem a capacidade de identificar sinal apesar de interferências e transformar o sinal de faixa larga para faixa estreita

• Principal vantagem: resistência a interferências de faixa estreita

Espalhamento de Sinal

P

f

P

f

P

f

P

f

P

f


• FHSS O sistema salta de uma frequência para outra segundo

um padrão randômico, transmitindo uma pequena sequência em cada subcanal.

• DSSS A potência é espalhada sobre uma faixa ampla de

frequência usando uma codificação matemática.

• OFDM Um canal é dividido em vários subcanais e uma porção

do sinal é codificada através de cada subcanal em paralelo (tecnicamente, não é espalhamento de sinal).

Espalhamento de Sinal


FHSSFrequency Hopping Spread Spectrum: • Banda de frequência total é dividida em vários canais de banda menor +

banda de separação• Transmissor e receptor permanecem no mesmo canal (frequência)

durante certo tempo e depois “pulam” para outro canal, seguindo uma hopping sequence pré-determinada requer sincronização

• Implementa FDM/TDM


• Um hopping code (pseudo-randômico) determina a frequência portadora para cada time-slot • Quando é detectada uma colisão, retransmite-se o dado no próximo slot• Há um limite para o # de transmissões simultâneas• Bluetooth: usa 79 portadoras com 1.600 hops/s• Vantagem: evita interferência com transmissão em largura de banda estreita

FHSS

...

Min_freq

Max_freq


DSSSDirect Sequence Spread Spectrum• Princípio de funcionamento

• A fonte codifica cada bit de dados de acordo com um chipping code (que causa o espalhamento do sinal) e destino faz o “encolhimento” usando o mesmo código• Espalhamento e encolhimento através de operação NOT XOR• ZigBee e 802.11b utilizam DSSS

Chipping Code [00010011100]Dados: 1 0 1

11111111111, 00000000000, 11111111111Code: 00010011100, 00010011100, 00010011100

Sequência transmitida:00010011100, 11101100011, 00010011100


DSSSDirect Sequence Spread Spectrum


DSSS - 802.11b22 MHz


OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing– Caso especial de FDM– Combina esquemas de múltiplo acesso com

modulação

Frequency Division Multiplexing

OFDM frequency dividing


OFDM

• Divide um canal “largo” em vários sub-canais.• Os sub-canais são utilizados em paralelo para obter

maior throughput.• 802.11:

• 802.11a• 802.11g• 802.11n• 802.11ac• 802.11ad• UWB


OFDM• Como as técnicas de espalhamento de sinal,

aumenta a resitência à interferência de banda estreita


802.11

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