UNIVERSIDADE DO CONTESTADO – UnC
SUMÁRIO
CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
LABORATÓRIO DE REDES
1
AMBIENTE SEM FIO...........................................................................................3
1.1
CATEGORIAS, ALCANCE E APLICAÇÕES ................................................3
1.1.1
Padrões IEEE ........................................................................................5
1.2
CARACTERÍSTICAS ....................................................................................7
1.3
ARQUITETURA BÁSICA ............................................................................10
REFERÊNCIAS.........................................................................................................14
CARLOS RAFAEL GUERBER
REDES WIRELLES
CURITIBA
2007
3
4
transmissão de dados, na faixa de 144 Kbps à 2Mbps, grau elevado de
1
AMBIENTE SEM FIO
mobilidade. Os critérios de mobilidade são discutidos na seção 2.1;
•
As tecnologias de redes wireless se direcionam para um objetivo em comum
equivalente à área de uma cidade. Com objetivo de prover banda larga a seus
com a utilização das Wirelless Local Área Networks (WLANs), a implantação de
usuários, utilizando antenas de rádio, servindo de alternativa ao acesso
inúmeras redes de comunicação para proporcionar acesso em todos os lugares,
através de fibra ótica ou Digital Subscriber Line (DSL). As redes em malha
onde todos os indivíduos estarão cobertos por uma rede, seja esta individual,
doméstica ou coletiva, possibilitando o acesso a recursos da rede em tempo integral
sem fio, podem receber esta qualificação; (ALBUQUERQUE et al, 2006).
•
independente da situação geográfica (Pinheiro c, 2004).
limitação na mobilidade, podendo ser considerada sem ou com mobilidade
redes onde a utilização de cabos não é possível ou inviável sua utilização. Embora
intermediária. Interliga redes sem fio em ambientes locais, tais como
dúvidas e discussões sobre a confiabilidade, gerência, qualidade de serviço,
oferecem simplicidade na instalação e configuração quando comparadas às redes
Wireless Local Area Network (WLAN), oferece taxas de transmissão
elevadas, até 54 Mbps, como rede de acesso a outras já existentes. Possui
As redes wireless apresentam possibilidades de soluções para projetos de
segurança e a eficiência das redes sem fio sejam levadas à prova, tais redes
Wireless Metropolitan Área Network (WMAN) (EKLUND, 2002) alcance
instalações comerciais, empresas, centros de ensino, entre outros.
•
Wireless Personal Area Network (WPAN), seu objetivo é interligar dispositivos
portáteis em áreas de até dez metros.
estruturadas.
As tecnologias de redes wireless permitem conectividade e atendem aos
padrões e normas dos órgãos internacionais. É possível dizer que com a utilização
Portanto as redes sem fio recebem sua classificação de acordo com a área de
abrangência. A fim de ilustrar este conceito a Figura 1 é apresentada.
de equipamentos padronizados as redes sem fio podem ser interconectadas as
redes cabeadas utilizando dispositivos wireless que interagem com os computadores
e equipamentos da rede estruturada, sem qualquer restrição (Pinheiro b, 2003).
Sendo assim podem ser utilizadas em Wireless Wide Area Networks
(WWANs) ou Wireless Local Area
Networks (WLANs), seja para a conexão de
pontos distantes, seja simplesmente para diminuir ou eliminar os cabos existe na
rede local.
1.1
CATEGORIAS, ALCANCE E APLICAÇÕES
A utilização destas tecnologias faz referencia com a organização das redes
sem fio, categorias as quais têm a seguinte classificação para atender aplicaç
Figura 1 - Classificação das Tecnologias Sem Fio
(INTEL, 2004):
Cada classificação possui componentes os quais assumem grande
•
Wireless Wide Area Network (WWAN), tecnologia com alcance maior, que
pode interligar um país, por exemplo. Operam em baixas taxas de
importância no estabelecimento da comunicação, sua relação com as unidades de
hardware, organização e configuração traz associações com o alcance dos rádios,
suas áreas de cobertura e expansão de acesso à comunicação.
5
1.1.1 Padrões IEEE
6
Padrão
Faixa de Freqüência
Taxa de Dados
Alcance
802.11a
5.1 – 5.8 GHz
Até 54 Mbps
De 60 a 100 m
De 100 a 300 m
802.11b
2.4 - 2.485 GHz
Até 11 Mbps
O Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) definiu uma norma
802.11g
2.4 - 2.485 GHz
Até 54 Mbps
De 100 a 300 m
para redes locais sem-fio, o padrão IEEE 802.11, o qual está detalhado em (IEEE
802.11n
2.4 – 2.485, 5.1 – 5.8 GHz
Até 104 Mbps
De 100 a 500 m
Std. 802.11, 1999). Há várias especificações para a tecnologia sem fio, entre eles
Figura 2 – Tabela das características dos padrões 802.11
802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n e 802.11s.
A especificação 802.11s visa padronizar as características de self-healing e
Estes padrões apresentam as mesmas características em relação a:
utilização como protocolo de acesso ao meio o Carrier Sense Multiple Access/With
Collision Avoidance (CSMA/CA) e permitem a configuração da rede em modo ad hoc
ou infra-estruturada. (IEEE Std. 802.11, 1999).
O 802.11a alcança a taxa de 54 Mbps dentro dos padrões da IEEE. Esta rede
opera na freqüência de 5 GHz e inicialmente suporta 64 utilizadores por Ponto de
Acesso (AP). As suas principais vantagens são a velocidade, a gratuidade da
freqüência que é usada (IEEE Std. 802.11a, 1999).
O 802.11b atinge a taxa de 11 Mbps padronizada pelo IEEE. Opera na
self-configuring, nas redes mesh sem fio. Define camadas físicas e de acesso ao
meio para redes em malha de maneira a aumentar o alcance, sem pontos de falha
através da técnica de múltiplos saltos (IEEE Std. 802.11s, 2006 e HAUSER et al,
2004).
Entre as tecnologias sem fio existe o padrão IEEE 802.16 (WiMax) (INTEL,
2004). A Figura 3, adaptada (INTEL, 2004 e JAMHOUR, 2006), ilustra como as
tecnologias WiFi e WiMax se enquadram no contexto das tecnologias sem fio
atualmente propostas e utilizadas em relação à velocidade e a área de cobertura.
freqüência de 2.4 GHz. Inicialmente suporta 32 utilizadores por ponto de acesso. Um
ponto negativo neste padrão é a alta interferência tanto na transmissão como na
recepção de sinais, porque funcionam a 2,4 GHz equivalentes aos telefones móveis,
fornos microondas e dispositivos Bluetooth. O aspecto positivo é o baixo preço dos
seus dispositivos, a largura de banda gratuita bem como a disponibilidade gratuita
em todo mundo (IEEE Std. 802.11b, 2001).
O 802.11g baseia-se na compatibilidade com os dispositivos 802.11b e
oferece uma taxa de 54 Mbps. Funciona dentro da frequência de 2,4 GHz. Tem os
mesmos inconvenientes do padrão 802.11b. As vantagens também são as
velocidades. (IEEE Std. 802.11g, 2003).
O 802.11n em fase de homologação tem sua largura de banda de 104 Mbps e
opera nas faixas de 2,4GHz e 5Ghz. Oferece através de configurações, Multiple In
Multiple Out (MIMO), taxas mais altas de transmissão, até maior eficiência na
propagação do sinal e compatibilidade com demais protocolos (WILSON, 2004).
A Figura 2
apresenta as características e diferenças destes padrões
(KUROSE et al, 2006) adaptado.
Figura 3 – Comparativo das áreas de cobertura de tecnologias sem fio
A tecnologia WiMax foi projetada para operar como solução para construção
de redes metropolitanas sem fio (WMAN). Pode operar tanto em modo ponto a ponto
quanto ponto-multiponto. A tecnologia WiFi, por outro lado, foi concebida para operar
7
8
como uma solução para redes locais sem fio (WLAN), devido a sua área de
cobertura reduzida. A tecnologia WiFi, contudo, pode operar em distâncias similares
Em sua arquitetura o IEEE 802.11 possui vários componentes que interagem
para prover uma rede sem-fio:
ao WiMax em modo ponto a ponto. Nesse sentido, alguns fabricantes propõe a
formação de redes metropolitanas utilizando uma arquitetura mais convencional,
•
combinando equipamentos do tipo bridges wireless e roteadores [CISCO, 2004].
O Basic Service Set (BSS), corresponde à área de cobertura necessária para
que os membros da WLAN possam permanecer se comunicando. Estações
A tecnologia WiFi pode, também, ter seu alcance ampliado através da
que se afastam do alcance de um BSS não estabelecem comunicação com
utilização de uma estratégia denominada topologia mesh. Este termo refere-se à
outros membros do mesmo BSS. Para que ocorra comunicação deve existir
organização de redes em uma malha que oferece múltiplos caminhos entre dois
uma associação.
pontos quaisquer.
•
A associação ocorre entre STA e BSS é dinâmica. Para que esta associação
No caso específico das redes sem fio e da tecnologia WiFi, o termo mesh
aconteça, uma STA deve tornar-se um membro associado de um BSS, esta
refere-se a um tipo de estrutura no qual cada nó da rede é potencialmente um
associação envolve o uso de um sistema de distribuição de serviço,
roteador. Aplicada as redes sem fio essa topologia traz a vantagem de necessitar
Distribution System Service (DSS).
apenas de enlaces de curta distância entre os nós e de oferecer muitos caminhos
•
Limitações da camada física determinam à distância direta de estação para
redundantes entre dois pontos quaisquer da rede (ROOFNET, 2006 e BICKET et al,
estação que pode ser suportada. Para algumas redes esta distância será
2005).
suficiente, para outras uma área de cobertura maior é requerida. Ao invés de
existirem independentemente, um BSS também pode ser componente de
1.2
CARACTERÍSTICAS
uma extensão da rede que está construída com a presença de múltiplos
BSSs. O componente utilizado para esta arquitetura que interconecta os
BSSs é chamado Distribution System (DS) (IEEE Std. 802.11, 1999).
As redes sem fio possuem características fundamentais que as fazem
diferenciadas das redes cabeadas (IEEE Std. 802.11, 1999). No IEEE 802.11 a
unidade endereçada é chamada Station (STA) e cada STA em geral pode não
possuir uma localização fixa ao contrário das redes cabeadas. Isto leva a
compreender que o endereço de destino pode não ser igual à localização física,
posição da estação. Um de seus requerimentos do IEEE 802.11 é trabalhar a
mobilidade, ou seja, estações portáteis. Uma estação portátil é definida por ser
levada a diferentes locais, mas é utilizada enquanto está estacionária.
Cada STA deve implementar obrigatoriamente serviços. Estes serviços de
estação como são chamados apresentam características para prover níveis de
segurança aos componentes da rede como a autenticação de usuários. No processo
de autenticação ocorre o acesso da estação à rede. Este processo pode ser
conduzido com a utilização de alguma técnica de criptografia de dados existente nos
equipamentos. As STAs também necessitam ser “desautenticadas”, retiradas do link
que fornece acesso aos recursos da rede.
Todo DS é uma forma de interligar os serviços além do alcance de uma BSS,
formando assim uma grande rede. Sendo assim o sistema de distribuição pode ser
formado por redes cabeadas convencionais ou outras redes sem fio.
O sistema de distribuição tem a responsabilidade de localizar as mensagens e
enviá-las para STA de destino. Para que isto ocorra todos os APs ativos e ligados ao
sistema de distribuição fornecem serviços como: associação e desassociação, a
qual informa que determinada estação não possui vínculo com o ponto de acesso
interrompendo qualquer comunicação.
Para que a área de cobertura possa ser aumentada, vários pontos de acesso
podem ser interligados através do DS. O conjunto dos pontos de acesso e dos
sistemas de distribuição é definido como um conjunto estendido de serviços,
Extended Service Set (ESS). Como mostra a Figura 4 não há somente ligações sem
fio em um DS, mas também podem existir conexões com outras tecnologias.
9
10
•
Um ou mais ESSs na mesma área de cobertura têm a possibilidade de operar
sem interferências de fornecimento de serviços e recursos.
A idéia da utilização de ESSs para redes mesh é bastante aceitável de forma
que cada estação mesh possui seu próprio BSS e por se tratar de um tipo
independente de rede utiliza a definição de ESS, mas com modo de comunicação ad
hoc. Esta situação é apresentada no Capítulo 4.
1.3
ARQUITETURA BÁSICA
Para o Institute of Electrical and Eletronics Engineers (IEEE), existem dois
tipos de redes sem fio no padrão 802.11: ad hoc e infra-estruturada (KUROSE &
ROSS, 2006). Uma rede ad hoc, segundo Mobile Ad hoc NETtwork (MANET) (IETF
MANET, 2006), pode ser classificada como independente, é composta somente por
estações (STAs) em enlaces ponto a ponto. Já em uma rede infra-estruturada, é
utilizado um ponto de acesso, Access Point (AP), operando como um concentrador,
responsável por quase toda a funcionalidade de rede (IEEE 202.11, 1999 e
KUROSE E ROSS, 2006).
Para enfatizar o conceito de uma rede infra-estruturada é importante observar
que a comunicação com a estação móvel sempre ocorre através de uma estação
Figura 4 – Extended Service Set (ESS)
O ESS além de prover uma grande capacidade de expansão à rede, aumenta
sua complexidade, pois não há restrições quanto à especificação de como devem
estar organizados tais BSSs, desta forma as configurações para um ESS são
fixa que fornece suporte as estações operando como estação base possibilitando
acesso a todos os servidores ligados a rede. Toda comunicação deve passar pelo
ponto de acesso independente da possibilidade de estabelecimento de enlace direto
entre nós móveis, a Figura 5 ilustra este conceito. (KUROSE & ROSS, 2006)
variadas, como (IEEE Std. 802.11, 1999):
•
Um BSS pode ter regiões de sua área se cobertura sobrepostas a regiões de
outros BSSs. Esta situação pode ser aplicada para que uma estação que
mude de BSS continue obtendo os serviços da rede.
•
BSSs podem estar distantes, sendo suas distancias limitadas pelo alcance do
DS.
•
BSSs por questões de redundância estariam na mesma área de cobertura.
Figura 5 – Rede sem fio infra-estruturada
11
12
As redes ad hoc são indicadas principalmente em situações onde não é
•
possível ou não faz sentido instalar uma rede fixa. Nestas redes as STAs se
•
comunicam de forma direta sem a interposição de um AP. Todo serviço é requisitado
de estações vizinhas em enlaces ponto a ponto quando o destino não estiver
A atenuação de percurso: quando o sinal se dispersa ao ar livre e perde a
força à medida que a distância entre emissor e receptor aumenta;
•
disponível diretamente. Uma rede ad hoc é um sistema autônomo que se constitui
de nós móveis como apresentado na Figura 6, adaptada de (KUROSE & ROSS,
A atenuação na força do sinal: quando o sinal de rádio atravessa uma parede;
Interferência de outras fontes: várias fontes de rádio transmitindo ao mesmo
tempo, ou ruído eletromagnético do ambiente;
•
2006).
Propagação multivias: embaralhamento do sinal recebido pelo destinatário
devido a porções da onda que se reflete em objetos no percurso entre
As redes ad hoc são classificadas como redes de comunicação direta e redes
de múltiplos saltos. Nas redes de comunicação direta, cada dispositivo é capaz de
emissor e receptor.
•
Taxas de transmissão mais baixas e taxas de erros mais altas.
comunicar-se somente com dispositivos que estejam ao seu alcance. Em redes ad
hoc de múltiplos saltos dois dispositivos que são mutuamente inalcançáveis podem
Outra características que estes tipos de rede podem apresentar é a
se comunicar caso haja ao menos uma cadeia de dispositivos que seja alcançável a
mobilidade. No sentido mais amplo um nó móvel é aquele que muda seu ponto de
ambos. (SESAY et al, 2004).
conexão com a rede ao longo do tempo. Do ponto de vista da camada de rede os
Nas redes ad hoc sem fio os nós podem mover-se de forma aleatória e
usuários podem ter graus de mobilidade tais como (KUROSE & ROSS, 2006):
podem estar dispostos em uma organização arbitrária qualquer. A topologia destas
redes pode mudar diversas vezes de diferentes formas e sem previsibilidade,
•
possuindo em apelo fortemente dinâmico.
Nenhuma mobilidade: usuário se movimenta apenas dentro da mesma rede
sem fio, área de cobertura;
•
Mobilidade intermediária: usuário se movimenta entre redes de acesso,
encerrando conexões enquanto em movimento;
•
Alta mobilidade: usuário se movimenta entre redes de acesso mantendo
conexões em curso.
Devido a mobilidade as redes sem fio devem possuir mecanismos para
garantir que conexões ativas sejam transferidas e que os mesmos serviços
permaneçam disponíveis no caso de uma estação mudar sua área de cobertura.
Outra questão importante ocorre se o dispositivo afastar-se do AP, o nível do sinal
sofre uma atenuação, portanto, há a necessidade de outro ponto de acesso mais
próximo STA fazer a associação. A esta transferência dá-se o nome de handoff.
Figura 6 – Rede sem fio ad hoc
É importante ressaltar que a utilização do meio sem fio seja em modo ad hoc
ou infra-estrutura, chama atenção para problemas de enlace que não ocorrem nas
redes onde o meio físico é cabeado, como (KUROSE & ROSS, 2006):
Esse mecanismo faz uso de algoritmos complexos para a escolha do melhor
momento de sua aplicação, somando carga à rede (Pahlavan et al, 2000 apud
Freitag, 2004).
Como descrito por Chakrabarti & Mishra (2001), esta situação exige para o
cumprimento dos contratos e níveis de serviço à existência de todos os serviços e
13
14
recursos em todas as áreas de coberturas possíveis de movimentação de um nó. Na
prática para suprir estas necessidades ocorre à utilização de algoritmos sub-ótimos
REFERÊNCIAS
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impostas pela tecnologia.
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