Redes LAN/MAN Wireless II: Funcionamento do Padrão 802.11
Esta série de tutoriais apresenta um estudo comparativo das tecnologias definidas pelos padrões 802.11 a, b
e g do IEEE (Institute of Electrical and Electronic’s Engineers) e sua aplicação em Redes LAN / WAN
Wireless.
Este segundo tutorial apresenta detalhes do funcionamento do padrão 802.11.
Haroldo José Bulhman
Haroldo José Bulhman é Engenheiro Eletricista modalidade Eletrônica graduado pela Escola Federal de
Engenharia de Itajubá – EFEI (1988) com pós-graduação em Telecomunicações pela Fundação Armando
Álvares Penteado – FAAP (1994), treinamento em Tecnologia de Transmissão para Telecomunicações na
NTT West – Japão (2003) e pós-graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações pelo
Instituto Nacional de Telecomunicações – INATEL (2005).
Trabalhou na Engesa – Engenheiros Especializados entre 1988 e 1992 em sistemas eletrônicos de viaturas.
Ingressou na Sabesp - Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo em 1992, onde atuou na
gerência do Setor de Telecomando e Radiocomunicação e atualmente elabora projetos de redes de
computadores e telecomunicações na Superintendência de Tecnologia da Informação, com soluções para
sistemas de comunicações móveis, acesso remoto, telemetria, enlaces digitais, data-center e infra-estrutura
de TI.
Email: [email protected]
Luis Antonio Cabianca
Luís Antonio Cabianca é Administrador de Empresas graduado pela Universidade São Judas Tadeu (1994)
com pós-graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações pelo Instituto Nacional de
Telecomunicações – INATEL (2005).
Tem formação técnica em Eletrônica pela Escola Técnica Federal de São Paulo (1986). Treinamento em
1
Telecommunication Outside Plant Engineering Techniques – NTT West – Kytakyushu - Japão (2003).
Trabalhou na Siemens com testes em equipamentos de rádio AM/FM, quadros de baixa tensão e kits de
eletrônica e eletrotécnica entre 1985 e 1986. Entre 1987 e 1992 trabalhou na Scopus Tecnologia com
microcomputadores e periféricos e trabalha atualmente na Sabesp - Companhia de Saneamento Básico do
Estado de São Paulo (desde 1992), atuando na elaboração de projetos corporativos de redes de voz, dados e
telecomunicações na Superintendência de Tecnologia da Informação, com soluções para sistemas de
comunicações móveis, acesso remoto, telemetria, enlaces digitais, data-center e infra-estrutura de TI.
Email: [email protected]
Categoria: Redes de Dados Wireless
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
Duração: 20 minutos
Publicado em: 30/01/2006
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Redes LAN/MAN Wireless II: Introdução
Após a apresentação de uma visão geral das redes sem fio no tutorial parte I, justifica-se fazer um
aprofundamento no padrão 802.11, para iniciar um entendimento das formas como os requisitos inerentes a
essas redes foram contemplados.
Aspectos que normalmente são mais estáticos nas redes com fio como topologia ou mesmo mobilidade,
tornam-se mais dinâmicos nas redes sem fio, já que são uma decorrência natural do fato de os elementos da
rede não estarem fisicamente interligados à rede propriamente dita.
Além disso, questões como segurança e autenticação dos elementos da rede necessitam de soluções
robustas, já que a faixas de freqüência utilizadas por essas redes normalmente não requerem licenças e as
redes podem ser alvo de invasões ilícitas com maior facilidade.
Desta forma, este tutorial tratará dos seguintes temas:
Os tipos de redes previstos na recomendação IEEE 802.11;
Os modos de operação recomendados;
Uma visão com detalhes da arquitetura e protocolos especificados para o padrão 802.11;
As situações típicas que ocorrem nas redes sem fio.
As principais funcionalidades do gerenciamento MAC para o padrão 802.11.
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Redes LAN/MAN Wireless II: Tipos de Rede
Apresentam-se, a seguir, os tipos de rede do padrão 802.11.
Independent Basic Service Set (IBSS)
Uma rede IBSS consiste de pelo menos duas estações, onde não há ponto de acesso que conecte a rede a um
sistema de distribuição. Essa rede também é conhecida como uma rede sem fio Ad-hoc.
Basic Service Set (BSS)
Uma rede BSS consiste de um simples Access Point (AP) que suporta um ou mais clientes sem fio. Essa rede
é também conhecida como Infrastructure Wireless Network (Rede Infra-estrutura). Nessa rede todas as
estações se comunicam entre si através de um AP. Esse tipo de rede tem o inconveniente de consumir o
dobro da banda, mas um dos grandes benefícios é o armazenamento dos dados enquanto as estações estão
em modo de economia de energia (Power Save).
O AP provê conectividade entre as estações e a rede cabeada e fornece também funcionalidade de bridge
quando uma estação inicia a comunicação com outra estação ou com um nó do sistema de distribuição
(Distribution System - DS).
Extended Service Set (ESS)
Uma rede ESS é constituída por dois ou mais AP’s conectados na mesma rede cabeada que pertencem ao
mesmo segmento lógico (subnet), separado por um roteador.
Distribution Systems (DS)
Os AP’s de múltiplos BSS’s são interconectados através do DS. Isso provê mobilidade, pois as estações
podem mover-se de um BSS para outro BSS. Os AP’s podem ser interconectados através da rede cabeada ou
não. O DS é o componente lógico usado para interconectar BSS’s. O DS provê serviços que permitem o
roaming entre as estações e os BSS’s.
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A figura 1 apresenta de forma esquemática os componentes de uma ESS e de uma IBSS.
Figura 1: Arquitetura Lógica de uma rede 802.11.
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Redes LAN/MAN Wireless II: Modos de Operação
São dois os modos de operação de uma rede 802.11[5]:
Infra-estrutura;
Ad-hoc.
Em ambos os modos de operação, um SSID (Service Set Identifier), também conhecido como “Nome da
rede sem fio”, identifica a rede sem fio.
O SSID é um parâmetro configurado no AP, para o modo infra-estrutura, ou para um cliente sem fio em
ambos os modos. O SSID é periodicamente anunciado pelo AP ou pela estação usando um quadro MAC
802.11 conhecido como beacon frame – quadro de anúncio.
Entretanto algumas implementações de segurança recomendam a não divulgação do SSID em redes privadas
e com acesso restrito.
Esses modos de operação das redes 802.11 são apresentados a seguir.
Rede Infra-estrutura
A estação primeiramente identifica a rede sem fio e os AP’s disponíveis dentro da sua área de cobertura.
Isso é feito através da monitoração dos quadros “anúncio” vindos dos AP’s, que anunciam cada um deles na
rede sem fio, ou também através da sondagem (probe) de uma rede sem fio particular através do uso de
probe frames – quadros de sondagem.
A estação então escolhe uma rede das disponíveis e inicia o processo de autenticação com o AP. Uma vez
que a estação e o AP se autenticaram o processo de associação é iniciado.
O processo de associação permite que o AP e a estação troquem informações e funcionalidades. O AP pode
usar essa informação e compartilhar com outros AP’s na rede para disseminar conhecimento da localização
atual da estação na rede.
Somente após a associação ser completada a estação pode transmitir e receber dados da rede. No modo
infra-estrutura, todo o tráfego das estações tem que passar pelo AP para alcançar o destino que pode ser
uma estação na rede sem fio ou na rede cabeada.
O acesso à rede é gerenciado usando-se o protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access - Collision
Avoidance). As estações irão “ouvir”, ou seja, monitorar a rede por um período de tempo específico para
verificar se há transmissão de dados de outras estações antes de tentar efetuar a transmissão dos seus dados.
Isso identifica a parte referente à detecção de portadora (carrier sense) do protocolo CSMA/CA.
A estação deve então esperar um período de tempo predefinido para que a rede fique “disponível” antes de
iniciar a transmissão. Esse delay, mais o recebimento pela estação transmissora de um ACK, indicando uma
recepção com sucesso, forma a parte referente à collision avoidance (evitar colisão) do protocolo
CSMA/CA.
Nota-se que no modo infra-estrutura, o AP é sempre o receptor e o transmissor. Devido a algumas estações
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não serem capazes de detectar/”ouvir” cada uma das outras, ambas estando no alcance do AP, cuidados
especiais devem ser tomados para evitar colisões. Isso inclui um tipo de reconhecimento (reservation
exchange) que pode ocorrer antes de um pacote de dados ser transmitido.
É utilizado o RTS (Request to Send – requisição para transmitir) perfazendo a função de reconhecimento,
além do NAV (Network Allocation Vector – Vetor Alocação de Rede) mantido para cada estação na rede
sem fio. Com isso, se determinada estação não puder “ouvir” a transmissão de outra estação, ela irá escutar
o CTS transmitido pelo AP indicando que outra estação está se comunicando com o AP e então evita a
transmissão durante esse intervalo.
Se durante o processo de escuta da rede o meio estiver livre, a estação envia um RTS para o AP, o qual
envia um CTS para as estações, inclusive para a solicitante, a qual inicia a troca de pacotes.
Rede Ad-Hoc
Nesse tipo de rede, os clientes sem fio comunicam-se diretamente com os outros sem o uso de AP. Essa rede
também é chamada de peer-to-peer (ponto-a-ponto). Os clientes sem fio trabalhando em modo ad-hoc
formam um IBSS. Um dos clientes, o primeiro cliente na IBSS, tem certas responsabilidades como se fosse
um AP.
Essas responsabilidades incluem o processo de anúncio da rede e a autenticação de novos membros dessa
rede. Esse cliente não atua como uma parte (bridge) para permitir a troca de informações entre os clientes.
Os clientes dessa rede devem ser explicitamente configurados para trabalhar em modo ad hoc. Pode-se ter
um número máximo de membros em uma rede sem fio do tipo ad hoc.
Com isso, o AP da célula origem fica sabendo da nova posição da estação móvel, e envia a informação a ela
destinada, como se a referida estação estivesse em sua própria célula.
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Redes LAN/MAN Wireless II: Protocolo 802.11
A figura 2 apresenta o posicionamento na estrutura de camadas OSI [6] do protocolo 802.11.
Figura 2: Camadas Física e de Enlace de uma rede 802.11.
Camada Física (PHY)
As funções dessa camada são:
Codificação e decodificação de sinais;
Geração/remoção de parâmetros (preamble) para sincronização;
Recepção e transmissão de bits;
Inclui especificação do meio de transmissão.
Na camada física, o 802.11 define uma série de padrões de transmissão e codificação para comunicações
sem fio, sendo os mais comuns: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrun), DSSS (Direct Sequence
Spread Spectrum) e OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
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Os padrões de rede sem fio para essa camada são:
802.11
A taxa de transmissão original desse padrão era de 2 Mbit/s usando-se FHSS e 2,4 GHz
(freqüência de operação). Entretanto, sob condições não ideais, uma taxa de transmissão de 1
Mbit/s era utilizada.
O maior avanço/inovação no padrão 802.11 foi a padronização de uma camada física que
suportasse alta taxa de transmissão. Assim foi criado o IEEE 802.11b, que suporta taxas
adicionais de 5,5 e 11 Mbit/s usando a mesma freqüência de operação. O padrão de transmissão
DSSS é utilizado para prover taxas de transmissão maiores.
802.11b
A taxa de 11 Mbit/s é atingida em condições ideais. Sob condições não ideais são utilizadas
velocidades menores, de 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s ou 1 Mbit/s. Usa a mesma faixa de freqüência dos
fornos de microondas, telefone sem fio, babá eletrônica, câmera de vídeo sem fio e equipamentos
Bluetooth.
Esse padrão foi o primeiro a ser padronizado, mas somente agora está sendo largamente
comercializado e utilizado. Opera a taxas de 54 Mbit/s na freqüência de 5 GHz. Ao invés de
utilizar a modulação DSSS, o 802.11a usa OFDM, que permite que os dados sejam transmitidos
por sub-freqüências e grande taxa de transmissão (throughput).
802.11a
802.11g
Essa tecnologia habilita a rede sem fio a transmitir vídeo e voz. Por estar operando em uma faixa
de freqüência diferente do 802.11b, não sofre interferências de outros tipos de equipamento e
portanto fornece uma alta taxa de transmissão com sinal livre de interferências. Em condições
ideais pode transmitir a 54 Mbit/s. Outras velocidades também podem ser alcançadas em caso de
não haver condições ideais (48, 36, 24, 18, 12 e 6 Mbit/s).
Opera a uma taxa de 54 Mbit/s, utilizando-se da faixa de freqüência de 2,4 GHz e modulação
OFDM. O padrão 802.11g é também compatível com o 802.11b e pode operar em taxas de
transmissão que o 802.11b opera, com a modulação DSSS. Os adaptadores 802.11g podem
conectar-se a um AP 802.11b e adaptadores 802.11b podem conectar-se a um AP 802.11g.
Assim, o 802.11g fornece uma opção de upgrade/migração para redes 802.11b, pois apresenta a
mesma faixa de freqüência de operação com uma taxa de transmissão mais elevada.
Adaptadores 802.11b não podem sofrer upgrade para 802.11g através da atualização do
firmware do adaptador – devem ser substituídos. Já no processo de migração do 802.11b para o
802.11a, todos os adaptadores de rede e os AP’s devem ser trocados ao mesmo tempo. Da
mesma forma que o 802.11a, o 802.11g opera a 54 Mbit/s em condições favoráveis e a menores
taxas (48, 36, 24, 18, 12 e 6 Mbit/s) para condições menos favoráveis [7].
Camada de Enlace
O padrão 802 define duas camadas separadas, o LLC (Logical Link Control) e o MAC (Media Access
Control), para a camada de enlace de dados do modelo OSI.
As funções da camada MAC são:
Aspectos de transmissão: reunir dados dentro de um pacote com endereços e campos detecção de
erro.
Aspectos de recepção: abre pacote e executa reconhecimento de endereços e detecção de erros.
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Controle de acesso ao meio de transmissão LAN.
As funções da camada LLC são:
Provê interface para camadas superiores e executa controle de fluxo e erro de pacotes.
O quadro MAC do 802.11, como mostrado na Figura 3, consiste em um cabeçalho (header) MAC, o corpo
do quadro e o campo FCS (frame check sequence). Os números na figura representam o número de bytes de
cada campo.
Figura 3: Quadro MAC de uma rede 802.11.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.
A descrição dos campos é apresentada a seguir.
Frame Control Field (Campo de Controle do Quadro)
Esse quadro contém informações de controle usado para definir o tipo de Quadro MAC 802.11. A estrutura
desse quadro é mostrada na Figura 4.
Figura 4: Quadro de Controle do Quadro MAC do 802.11.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.
No quadro de controle, temos:
Protocol Version (versão do protocolo): Indica a versão corrente do protocolo 802.11 utilizado. As
estações receptoras usam esse valor para determinar se a versão do protocolo do quadro recebido é
suportada.
Type e Subtype (tipo e subtipo): determina a função do quadro. Há 3 diferentes tipos de quadro:
controle, dados e gerenciamento. Há múltiplos subtipos para cada tipo de quadro. Cada subtipo
determina uma função específica desempenhada com o seu tipo de quadro associado.
To DS (para o sistema distribuição) e From DS (do sistema de distribuição): Indica se o quadro está
indo para o DS ou se é oriundo do DS. Esses campos somente são utilizados em quadro do tipo dados
de estações associados a AP.
More Fragments (mais fragmentos): indica se mais fragmentos do quadro (dado ou gerenciamento)
estão vindo.
Retry (retransmissão): indica se a informação (dado ou gerenciamento) está ou não sendo
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retransmitida.
Power Management (Gerencimento de Energia): indica se a estação que transmitiu a informação está
em active mode (modo ativo) ou em power-save-mode (modo economia de energia).
More Data (mais dados): indica para uma estação operando em power-save-mode que o AP tem mais
quadros para enviar. Isso é também usado por AP’s para indicar que quadros de broadcast/multicast
adicionais estarão sendo enviados.
WEP: indica ou não se está sendo usado no quadro o processo de criptografia e autenticação. Isso
pode ser configurado para todos os quadros de dados e gerenciamento que têm o subtype configurado
para autenticação.
Order (ordem): indica se todos os quadros de dados recebidos devem ser processados em ordem.
Duration/ID Field (Duração/ID Campo)
Esse campo é usado para todos os campos de controle, exceto com o subtype chamado Power Save (PS)
Poll, para indicar o tempo restante necessário para receber a próxima transmissão.
Quando é usado o subtipo PS Poll, esse campo contém a AID (Associaton Identity) da estação que está
transmitindo. Para a reserva virtual usando-se CTS/RTS esse campo contém o período de tempo que o meio
vai ficar ocupado.
Address Field (Campo Endereço)
Dependendo do tipo de quadro, os 4 campos de endereço irão conter uma combinação dos seguintes tipos de
endereços, conforme ilustrado na tabela 1:
BSS Indentifier – BSSID (Identificador de BSS): BSSID unicamente identifica cada BSS. Quando o
quadro é vindo de uma estação que opera em modo infra-estrutura BSS, BSSID é o endereço MAC do
AP. Quando o quadro é vindo de uma estação que opera em modo ad hoc (IBSS), o BSSID é um
número randômico gerado e localmente administrado pela estação que iniciou a transmissão.
Destination Address – DA (Endereço Destino): indica o endereço MAC do destino final para a
recepção do quadro.
Source Address – AS (Endereço Fonte): indica o endereço MAC da fonte que originou (criou) e
transmitiu inicialmente o quadro.
Receiver Address – RA (Endereço do Receptor): indica o endereço MAC da próxima estação que irá
receber o quadro.
Transmitter Address – TA (Endereço do Transmissor): indica o endereço MAC da estação que
transmitiu o quadro na rede sem fio.
Tabela 1: Campos de Endereço do Quadro MAC do 802.11.
Fonte: IEEE 802.11 – Tutorial – Mustafá Ergen – University of California - Berkeley
To DS
From DS
end.1
end.2
end.3
end.4
0
0
DA
SA
BSSID
—
0
1
DA
BSSID
SA
—
1
0
BSSID
SA
DA
—
1
1
RA
TA
DA
SA
11
Sequence Control (Controle de Seqüência)
Esse campo contém dois subcampos, conforme mostra a Figura 5:
Sequence Number (Número de Fragmento): indica o número de seqüência de cada quadro. Esse
número é sempre o mesmo para cada quadro enviado para o caso de um quadro fragmentado. Já para
o próximo quadro não fragmentado, o número é incrementado até atingir 4095 e então retornar para o
valor zero novamente.
Fragment Number (Número de Seqüência): indica o número para cada fragmento do quadro enviado.
O valor inicial é zero e é incrementado para cada fragmento.
Figura 5: Sub-campos do Controle de Seqüência do Quadro MAC.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.
Frame Body (Corpo do Quadro)
Contém a informação específica de dados ou de gerenciamento.
Frame Check Sequence – FCS (Seqüência de Verificação do Quadro)
O transmissor do quadro aplica um CRC-32 (Cyclic Redundancy Check) sobre todos os campos do
cabeçalho MAC e sobre o corpo do quadro para gerar o FCS. O receptor do quadro utiliza-se do mesmo
CRC para determinar o seu próprio valor de FCS e então verificar se ocorreu ou não erro durante a
transmissão.
Protocolo DFWMAC
Além de definir um mecanismo para transmissão física usando radiofreqüência ou infravermelho, o IEEE
definiu um protocolo de acesso ao meio (subcamada MAC do nível de enlace de dados), denominado de
DFWMAC (Distributed Foundation Wireless Medium Access Control), que suporta dois métodos de
acesso: um método distribuído básico, que é obrigatório; e um método centralizado, que é opcional, podendo
esses dois métodos coexistir (IEEE 802.11a), o protocolo de acesso ao meio das redes 802.11 também trata
de problemas relacionados com estações que se deslocam para outras células (roaming) e com estações
perdidas (hidden node).
O método de acesso distribuído forma a base sobre a qual é construído o método centralizado. Os dois
métodos, que também podem ser chamados de Funções de Coordenação (Coordination Functions), são
usados para dar suporte à transmissão de tráfego assíncrono ou tráfego com retardo limitado (time bounded).
Uma função de coordenação é usada para decidir quando uma estação tem permissão para transmitir. Na
Função de Coordenação Distribuída (Distributed Coordination Functions - DCF), essa decisão é realizada
individualmente pelos pontos da rede, podendo dessa forma ocorrer colisões. Na função de coordenação
centralizada, também chamada de função pontual (Point Coordination Function - PCF), a decisão de
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quando transmitir é centralizada em um ponto especial que determina qual estação deve transmitir e em que
momento, evitando teoricamente a ocorrência de colisões.
Na seqüência, seguem detalhes do funcionamento dessas duas funções.
Função de Coordenação Distribuída (DCF)
Representa o método de acesso básico do protocolo DFWMAC. É uma função conhecida como CSMA/CA
(Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) com reconhecimento. A DCF trabalha
semelhantemente a função CSMA/CD da tecnologia de rede local cabeada (Padrão Ethernet 802.3), apenas
com uma diferença: o protocolo CSMA/CD do Ethernet controla as colisões quando elas ocorrem, enquanto
que o protocolo CSMA/CA do padrão sem fio apenas tenta evitar as colisões.
A utilização dessa função distribuída é obrigatória para todas as estações e pontos de acesso, nas
configurações Ad Hoc e com infra-estrutura, e ela, a DCF, trabalha da seguinte maneira, quando uma
estação deseja transmitir:
A estação sente o meio para determinar se outra estação já está transmitindo.
Se o meio estiver livre, a estação transmite seu quadro, caso contrário, ela aguarda o final da
transmissão.
Após cada transmissão com ou sem colisão, a rede fica em um modo onde as estações só podem
começar a transmitir em intervalos de tempo a elas pré-alocados.
Ao findar uma transmissão, as estações alocadas ao primeiro intervalo têm o direito de transmitir. Se
não o fazem, o direito passa as estações alocadas ao segundo intervalo, e assim sucessivamente até
que ocorra uma transmissão, quando todo o processo reinicia.
Se todos os intervalos não são utilizados, a rede entra então no estado onde o CSMA comum é usado
para acesso, podendo, dessa forma, ocorrer colisões.
No método CSMA/CA pode ocorrer colisões e esse método não garante a entrega correta dos dados. Com
isso, uma estação após transmitir um quadro, necessita de um aviso de recebimento que deve ser enviado
pela estação destino. Para isso, a estação que enviou o quadro aguarda um tempo (timeout) pelo aviso de
recebimento do quadro por parte da estação destino.
Caso esse aviso não chegue no tempo considerado, a estação origem realiza novamente a transmissão do
quadro.
Para melhorar a transmissão de dados, o protocolo DFWMAC acrescenta ao método CSMA/CA com
reconhecimento, um mecanismo opcional que envolve a troca de quadros de controle RTS (Request To
Send) e CTS (Clear To Send) antes da transmissão de quadros de dados. Esse mecanismo funciona da
seguinte forma:
Uma estação antes de efetivamente transmitir o quadro de dados, transmite um quadro de controle
RTS, que carrega uma estimativa da duração no tempo da futura transmissão do quadro de dados.
A estação de destino em reposta ao quadro de controle RTS envia um quadro de controle CTS
avisando que está pronta para receber o quadro de dados. Só então a estação transmissora envia o
quadro de dados, que deve ser respondido com um reconhecimento (ACK) enviado pela estação
receptora.
O quadro RTS basicamente possui as funcionalidades de reservar o meio para a transmissão do quadro
de dados e de verificar se a estação de destino está pronta para receber o quadro de dados, sendo esta
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última funcionalidade devido à possibilidade da estação de destino estar operando no modo de
economia de energia (modo power save).
A Figura 6 apresenta a troca de dados para a transmissão de informações, usando o mecanismo opcional
com RTS e CTS.
Figura 6: DFWMAC com RTS-CTS.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.
O mecanismo básico do controle de acesso DFWMAC é ilustrado na Figura 7, nela podemos observar que
uma estação com quadros para transmitir deve “sentir” o meio livre por um período de tempo.
Figura 7: DFWMAC Básico.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.
O método de acesso CSMA/CA inclui os seguintes parâmetros:
Distributed Inter Frame Space (DIFS) – espaço entre quadros da DCF. Este parâmetro indica o maior
tempo de espera, monitorando o meio, aguardando no mínimo um intervalo de silêncio para
transmitir os dados.
Priority Inter Frame Space (PIFS) – espaço entre quadros da PFC. Tempo de espera entre o DIFS e o
SIFS (prioridade média). Envia quadros de contenção de superquadros e é usado para o serviço de
acesso com retardo.
Short Inter Frame Space (SIFS) – é usado para transmissão de quadros carregando respostas
imediatas (curtas), como ACK.
Função de Coordenação Pontual (PCF)
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Trata-se de uma função opcional que pode ser inserida no protocolo DFWMAC, sendo construída sobre uma
função de coordenação distribuída (DCF). É implementada através de um mecanismo de acesso ordenado ao
meio, que suporta a transmissão de tráfego com retardo limitado ou tráfego assíncrono.
Para a integração dessas duas funções – pontual e distribuída – é utilizado o conceito de superquadro,
fazendo com que o protocolo possa trabalhar de uma forma em que a função pontual assuma o controle da
transmissão, para evitar a ocorrência de colisões.
Para isso, o protocolo DFWMAC divide o tempo em períodos denominados superquadros, que consiste em
dois intervalos de tempo consecutivos, que são usados da seguinte maneira:
No primeiro tempo, controlado pela PCF, o acesso é ordenado, o que evita a ocorrência de colisões;
No segundo tempo, controlado pela DCF, o acesso baseia-se na disputa pela posse do meio, podendo
ocorrer colisões.
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Redes LAN/MAN Wireless II: Situações Típicas
Algumas das situações típicas que ocorrem nas redes sem fio[8] são apresentadas a seguir.
Roaming
O roaming é uma importante característica de comunicação sem fio. Permite que estações mudem de célula
e continuem enviando e recebendo informações. Sistemas de roaming empregam arquiteturas de
microcélulas que usam pontos de acesso estrategicamente localizados. O roaming entre pontos de acesso é
totalmente transparente para o usuário.
Redes sem fio típicas dentro de prédios requerem mais que apenas um AP para cobrir todos os ambientes. Se
um usuário passeia com uma estação (aparelho sem fio), a estação tem que se mover de uma célula para
outra. A função do roaming funciona da seguinte forma:
Uma estação móvel, ao entrar em uma nova célula, e não estando em conversação, registra-se
automaticamente pelo AP que controla a célula destino.
Na célula visitada, o AP desta, irá verificar se a estação móvel visitante não havia se registrado
anteriormente. Caso esse procedimento não tenha sido efetuado, o referido AP irá informar ao AP da
célula origem sobre a nova posição.
Hidden Nodes (Estações Escondidas)
Verificando-se as Figuras 8 e 9, a estação A e a estação C não podem “escutar” as transmissões da outra,
visto que estão fora da área de cobertura. Se ambas tentarem ao mesmo tempo transmitir pacotes para a
estação B que se encontra dentro de sua área de cobertura, haverá colisão e conseqüente perda de pacotes.
Com a utilização de 2 quadros chamados de RTS e CTS esse problema é resolvido. A origem envia o quadro
RTS e o destino do pacote responde com um quadro CTS e com isso as demais estações suspendem suas
transmissões por um período de tempo especificado por estes quadros (RTS/CTS). Esses quadros são
considerados unidades atômicas de protocolo MAC. Estações que “escutam” RTS atrasam suas transmissões
até “escutar” CTS.
Na estação fonte (transmissora), qualquer tipo de falha pode causar a retransmissão do quadro. Isso é tratado
como uma colisão e as regras para temporização de retransmissão são tratadas no DFWMAC - CSMA/CA.
Para evitar que uma estação monopolize o meio, há contadores decrescentes de tempo e temporizadores
para impedir que todas as estações que possuam quadros para transmissão utilizem o meio ao mesmo tempo
e causem colisão. Com os temporizadores, cada estação tem os tempos configurados de forma aleatória,
evitando colisões.
O mecanismo RTS/CTS pode ser desabilitado nas seguintes situações:
Baixo uso de banda;
Onde as estações são concentradas em uma área onde todas as estações são capazes de “ouvir” as
outras estações;
Onde não há muita concentração para o canal.
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Figura 8: Estações Escondidas.
Fonte: IEEE 802.11 – Tutorial – Mustafá Ergen – University of California - Berkeley.
Figura 9: Estações Escondidas – Uso de CTS-RTS.
Fonte: IEEE 802.11 – Tutorial – Mustafá Ergen – University of California - Berkeley.
Associação, Autenticação e Roaming
A figura 10 representa o mecanismo de roaming com os processos de associação e autenticação.
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Figura 10: Processo de associação, autenticação e roaming.
Fonte: IEEE 802.11 – Tutorial – Mustafá Ergen – University of California - Berkeley.
O processo poderá possuir as seguintes etapas:
A estação encontra o ap1, ela irá autenticar-se e associar-se a ele;
Com o movimento da estação, ela irá efetuar a pré-autenticação ao ap2;
Quando a associação com o ap1 não é mais desejada, a estação vai se associar com ap2;
Ap2 notifica ap1 da nova localização da estação e finaliza a associação prévia com ap1;
Neste ponto, ap2 pode estar fora de serviço. Ap2 poderia desassociar-se das estações associadas;
A estação encontra o ap3, autentica-se e associa-se a ele.
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Redes LAN/MAN Wireless II: Gerenciamento MAC
As principais funcionalidades do gerenciamento MAC são apresentadas a seguir.
Autenticação
A Autenticação provê um mecanismo para uma estação provar a sua identidade a outra estação em uma
WLAN. A Autenticação pode ser usada entre quaisquer 2 estações. Entretanto, é mais comum quando usada
entre uma estação e um AP em uma rede do tipo infra-estrutura. Nesse caso, a estação conecta-se a uma
ESS e uma rede cabeada atrás dela através de um AP e a prova de sua identidade se faz necessária se a rede
é para ser protegida contra acessos não autorizados.
Há 2 tipos de algoritmo de autenticação: Open System Authentication (Sistema Aberto De Autenticação) e
Shared Key Authentication Algorithm (Algoritmo de Autenticação de Chave Compartilhada).
O primeiro algoritmo de autenticação (sistema aberto) apresenta resultado garantido de sucesso assim que
duas estações façam a introdução de cada uma delas à outra. Nenhuma verificação adicional é necessária.
O segundo algoritmo de autenticação (chave compartilhada) depende de ambas as estações terem uma cópia
da chave WEP. Nesse sistema é usada a opção de criptografia WEP para criptografar e decriptografar um
challenge text - texto desafio – como prova que as estações compartilham a mesma chave. Iniciando-se o
processo de autenticação, a estação A envia sua prova de identidade à estação B.
A estação B responde para a prova da estação A com a prova de identidade dela mesma e solicita que a
estação A prove sua identidade através da correta criptografia do challenge text. A estação A então
criptografa o texto usando as regras do WEP, enviando resultado de volta à estação B. A estação B entra
decriptografa o quadro usando a chave apropriada e retorna um quadro de gerenciamento de autenticação
para estação A com indicação de falha ou sucesso no processo de autenticação.
Se a resposta for sucesso, o padrão informa que cada estação está autenticada pela outra.
Associação
A Associação é o mecanismo através do qual o 802.11 provê mobilidade transparente às estações. A
Associação pode somente ser feita após um processo de autenticação com sucesso ser completado.
Quando uma estação requisita conexão a uma WLAN, ela envia uma requisição de associação para um AP.
Essa requisição inclui informações sobre as capacidades da estação, taxas de dados que ela suporta,
características de contenção (livre ou não), suporte ou não a WEP, e etc.
A requisição de associação também inclui informações sobre o tempo que a estação pode ficar em power
mode (economia de energia).
Vale ressaltar que as políticas e algoritmos utilizados pelo AP para tomar a decisão de aceitar uma requisição
de associação de uma estação móvel não são descritas no padrão 802.11.
Quando o AP responde à solicitação, a resposta inclui uma solicitação de status. Esse status informa a
estação os motivos do sucesso ou da falha na associação.
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Uma vez que a estação está associada, o AP é responsável por encaminhar dados da estação para o destino.
Se o destino está na mesma BSS, o AP irá simplesmente transmitir os dados para a BSS. Se o destino está
fora da BSS, o AP irá encaminhar os dados para o DS. Se o destino estiver em outra BSS, o AP encaminhará
os dados para o AP da outra BSS, onde os dados serão encaminhados ao destino.
Se o destino dos dados estiver inteiramente fora do ESS, o AP irá encaminhar os dados para o gateway da
rede, que é a saída do DS para atingir o restante da rede. O gateway pode ser um AP, uma bridge, ou um
roteador.
Similarmente, quando os dados são enviados de fora do ESS para uma estação móvel, o gateway deverá
encaminhar o quadro para o AP correto, aquele no qual a estação está associada na sua BSS.
Uma vez que a estação está associada, ela pode iniciar a troca de pacotes com o AP. Quando a estação
perde contato com o AP, a estação deverá iniciar o processo de associação novamente para que possa
continuar a trocar pacotes.
Devido ao fato do DS ter que manter informações sobre a localização de cada estação sem fio e porque os
dados podem ter sido encaminhados para um AP com o qual a estação não pode mais se comunicar, a
estação irá usar o processo de requisição de associação depois da associação inicial.
O AP que garantiu a reassociação normalmente se comunica com o AP com o qual a estação estava
conectada inicialmente e força a finalização dessa associação.
Sincronização
É o processo das estações em uma BSS estarem sincronizadas umas com as outras, tornando a comunicação
possível. Esse processo envolve beacoming para anunciar a presença de um BSS, e a varredura, para
encontrar uma BSS. Uma vez que a BSS é encontrada, a estação se conecta à mesma.
Este processo é inteiramente distribuído, em uma rede IBSS e BSS, e trocam informações entre si usando
uma base de tempo comum, provida por um TSF (Timer Synchronization Function – Função de
Sincronização de Tempo).
Em uma rede tipo Infra-estrutura, o AP é responsável por transmitir periodicamente um quadro de anúncio
que serve como sincronismo para as estações.
A função de sincronização é muito simples. A estação irá atualizar seu TSF com o valor do timer recebido do
AP no quadro de anúncio.
Varredura (Scanning)
Para permitir que uma estação móvel comunique-se com outras estações em uma rede IBSS ou um AP em
uma rede infra-estrutura BSS, ela deve primeiramente encontrar as estações ou AP’s. Esse processo é
conhecido como varredura e pode ser de 2 tipos:
Passivo: Essa modalidade envolve somente a “escuta” por tráfego 802.11. Isso reduz a potência gasta
enquanto faz a varredura do meio. Esse processo faz com que a estação mude para um canal, ouça os
“quadros de anúncio” e probe response frames – quadro de resposta da sondagem, extraindo a
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descrição de cada BSS de cada quadro recebido. Ao final do processo, a estação acumula informação
sobre os BSS’s que estão nas proximidades. Energia é economizada em detrimento ao maior consumo
de tempo.
Ativo: Nesse processo a estação faz a varredura para extrair as informações das demais estações e dos
AP’s. Esse processo economiza tempo. Para isso a estação ativamente transmite queries - perguntas
para extrair as respostas das estações em uma BSS. A estação move para um canal e transmite um
quadro do tipo probe request – requisição de sondagem. Se houver BSS no canal que coincida com o
SSID do quadro “requisição de sondagem”, a estação irá responder enviando um quadro probe
response – resposta de sondagem – para a estação que fez a pergunta.
Privacidade do MAC
A função de privacidade dos dados é provida pelo mecanismo WEP que será visto em detalhes na seção que
trata de segurança em redes sem fio do tutorial parte III.
Filtro de endereço
Pode haver mais que uma rede 802.11 operando dentro da mesma localidade (área física), usando o mesmo
meio e o mesmo canal. Nessa situação, o receptor deve examinar mais do que o endereço de destino para
tomar a decisão. O 802.11 incorpora pelo menos 3 endereços em cada quadro de dados e de gerenciamento
que podem ser recebidos por uma determinada estação.
Em adição ao endereço de destino, esses quadros também incluem o identificador de BSS (BSSID). A
estação deve usar ambos, o endereço de destino e o BSSID quando for tomar decisões, como recomenda o
padrão 802.11.
Preauthentication (pré-autenticação)
Uma estação móvel geralmente combina varredura (scanning) com autenticação. Como a estação verifica se
há outras BSSs, ela irá iniciar o processo de autenticação quanto a mesma encontra uma nova BSS. Isso
também reduz o tempo requerido para a estação fazer o processo de comunicação com a nova BSS, uma vez
que ela perca a sua comunicação com a atual BSS.
Alguns fabricantes preferem propagar a autenticação de uma estação de um AP para o outro através da rede
DS. “O 802.11 não trata sobre esse procedimento e também não proíbe”.
Power Management (Gerenciamento de Energia)
Em uma rede IBSS, esse processo é totalmente distribuído, gerenciado por cada uma das estações. O
gerenciamento de energia é composto por 2 etapas: a entrada das estações no modo low power operating
mode – modo de operação de baixa potência/consumo –, e quando as estações desejam se comunicar com a
estação que está no modo low power operating mode.
Para uma estação entrar nesse modo, no qual o receptor e o transmissor são desligados para economizar
energia, a estação deve completar uma verificação (handshake) do quadro de dados com outra estação com
o bit de gerenciamento de energia (power management bit) setado no cabeçalho do quadro.
Vale ressaltar que o padrão 802.11 não especifica quando a estação pode entrar ou sair do modo low power
operating, somente como é feita a transição.
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O gerenciamento de energia para as redes IBSS e BSS é apresentado a seguir.
Power Management em IBSS
Quando a estação estiver nesse modo, ela deve “acordar” para receber cada quadro de anúncio transmitido
na rede. A estação deve também ficar acordada por certo período de tempo após o quadro de anúncio,
chamado de announcement (anúncio) or ATIM (ad hoc traffic indication message window).
A estação pode novamente entrar no modo de economia de energia após a finalização da janela ATIM. A
razão para que a estação fique acordada durante essa janela, é que outras estações que poderiam estar
tentando enviar quadros para ela, irão anunciá-los durante a janela ATIM.
O mecanismo de gerenciamento de energia impõe uma ligeira sobrecarga sobre a estação transmissora. As
estações que querem transmitir devem enviar um quadro de anúncio em adição ao quadro de dados que ela
deseja enviar ao destino. Elas devem também armazenar os quadros que serão encaminhados às estações
que estão em modo de economia de energia até que esta acorde e reconheça o quadro ATIM.
Cada transmissão de um quadro ATIM consome energia da estação transmissora. A estação receptora deve
estar acordada para cada quadro de anúncio e janela ATIM, mas não precisa fazer qualquer transmissão a
menos que ela receba um quadro ATIM destinado a ela.
Power Management em BSS
Em uma rede que trabalha no modo infra-estrutura, o mecanismo de gerenciamento de energia é
centralizado no AP. Esse mecanismo permite uma maior economia de energia para as estações móveis do
que aquela feita em redes do tipo IBSS. Isso ocorre porque o AP assume toda a responsabilidade de
armazenar os quadros e enviá-los quando as estações requererem, permitindo que as estações permaneçam
em modo de economia de energia por muito mais tempo.
A estação informa o AP durante o processo de associação, o número de períodos de anúncio que a estação
irá permanecer em modo de economia de energia, para que esta possa acordar em um período específico da
transmissão do quadro de anúncio para verificar se há algum quadro de dados aguardando para ser recebido.
A estação em modo infra-estrutura pode economizar muito mais energia do que se estivesse em modo
ad-hoc porque não é necessário que ela acorde para verificar cada quadro de anúncio, nem que ela esteja
acordada por certo período de tempo após o anúncio. A estação deverá somente acordar em períodos de
tempo determinados pelo AP, quando quadros multicast estão sendo enviados.
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Redes LAN/MAN Wireless II: Considerações Finais
No tutorial parte I foram apresentados alguns conceitos importantes sobre as Redes LAN / MAN Wireless e
a tecnologia desenvolvida a partir do padrão 802.11 do IEEE, principal tecnologia atual para esse tipo de
rede.
Este tutorial parte II procurou mostrar o funcionamento do padrão 802.11, detalhando a arquitetura de rede
proposta e seus componentes e os protocolos propriamente ditos.
No tutorial parte III serão apresentados os conceitos relativos aplicação do padrão 802.11 nessas redes.
Referências
[5] ERGEN, M. IEEE 802.11 Tutorial. Informações de 12 abr.2004 obtidas em:
http://esoumoy.free.fr/telecom/tutorial/ieee-tutorial.pdf
[6] Protocolo 802. 11. Informações de 13 abr.2004 obtidas em:
http://www.gta.ufrj.br
[7] STANCAVAGE, J. Wi-Fi Popularity Extends to 5 GHz. Wireless Systems Design, v. 9, n. 3, p. 2326-44,
abr. 2004.
[8] ERGEN, Mustafa. IEEE 802.11 Tutorial - University of California Berkeley.
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Redes LAN/MAN Wireless II: Teste seu Entendimento
1. Assinale a alternativa correta:
Uma rede IBSS consiste de pelo menos duas estações, onde não há ponto de acesso que conecte a rede
a um sistema de distribuição.
Uma rede BSS consiste de um simples Access Point (AP) que suporta um ou mais clientes sem fio.
Uma rede ESS é constituída por dois ou mais AP’s conectados na mesma rede cabeada que pertencem
ao mesmo segmento lógico (subnet), separado por um roteador.
Todas as anteriores.
2. Assinale as camadas do Modelo OSI na qual se enquadram as recomendações do padrão 802.11:
Física e Enlace de Dados.
Física e Rede.
Enlace de Dados e Transporte.
Rede e Sessão.
3. Assinale a funcionalidade que não faz parte do Gerenciamento de MAC do padrão 802.11:
Autenticação.
Sincronização.
Mediação.
Associação.
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