ESTUDO COMPARATIVO DE DESEMPENHO NA TRANSMISSÃO DE DADOS
ENTRE AS REDES CABEADAS E SEM FIO UTILIZANDO OPNET.
Eduardo Furtado Borges, Gisele Rossi Lemes, Paulo Dias de Alecrim
Engenharia de Telecomunicações - União Educacional de Minas Gerais (UNIMINAS)
Morada da Colina – Uberlândia – MG – Brasil
[email protected], [email protected], [email protected]
Resumo – Sabendo-se das limitações e vantagens que as
redes IP e a interface aérea sem fio possuem, inclusive de
incompatibilidade, o IEEE (Institute of Eletrical and
Eletronics Engineers) propôs padrões para as tecnologias
dessas redes, a fim de otimizar a utilização das mesmas. Este
artigo propõe apresentar, de forma sólida e crítica, a análise
comparativa do desempenho na transmissão de informações
entre as redes cabeadas e sem fio utilizando o software de
simulação OPNET. Esse software possibilita a criação de
modelos de análise que sejam fiéis às redes existentes, ou seja,
uma rede real.
Palavras-Chave – e-mail, FTP, HTTP, OPNET, Rede
Cabeada e Rede Sem Fio.
COMPARISON STUDY ON DATA
TRANSMISSION PERFORMANCE BETWEEN
CABLED AND WIRELESS NETWORKS USING
OPNET.
Abstract - Knowing about the limitations and advantages
that the nets IP and the air interface without thread possess,
including of incompatibility, the IEEE (Institute of Electrical
and Electronics Engineers) proposed standards for the
technologies of those nets, in order to optimize the utilization
of the same. This article is going to present, of critical and
solid form, the comparative analysis of the performance in
the transmission of information between the cables nets and
without thread utilizing the software of simulation OPNET.
That software enables the analysis models to be faithful to the
existing nets, or be, a real net.
1
Keywords – e-mail, FTP, HTTP, OPNET, Cable Network
and Wireless Network.
I. INTRODUÇÃO
Na Internet é utilizado o protocolo IP, que oferece um serviço
de datagramas não confiável, ou seja, os pacotes são transmitidos
quase sem garantias. Os pacotes podem chegar desordenados,
comparados com outros pacotes enviados entre os hosts. Os
mesmos também podem chegar duplicados, ou ainda
serem perdidos por inteiro. Esses problemas são
ocasionados devido a utilização, na Internet do método
de serviço conhecido como melhor esforço (Best-effort)
[3], [9].
Em paralelo com a Internet, as redes sem fio
constituem outra área da comunicação que vem se
desenvolvendo de forma a permitir aos seus usuários o
envio e recebimento de informações a qualquer
momento e em qualquer lugar. Porém, as redes sem fio
possuem algumas limitações, como menor banda de
transmissão, maiores taxas de erro, endereçamento e
roteamento mais complicados, e o desvanecimento na
interface aérea, sujeitando as informações a alterações,
como modificação dos dados ou até a destruição dos
mesmos [5].
Sabendo-se das limitações e vantagens que as redes
IP e a interface aérea sem fio possuem, inclusive de
incompatibilidade, o IEEE (Institute of Eletrical and
Eletronics Engineers) propôs padrões para as
tecnologias dessas redes, com intuito de favorecer a
utilização das mesmas. Na seção II serão apresentados
as tecnologias e os principais padrões das redes sem fio.
II. TECNOLOGIAS E PADRÕES DAS REDES SEM
FIO
As tecnologias existentes, conforme os padrões
propostos pelo IEEE permitem configurar arquiteturas
de redes sem fio, como as redes pessoais WPAN
(Wireless Personal Area Network), as locais WLAN
(Wireless Local Area Network), as metropolitanas
WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) e as de
longa distância WWAN (Wireless Wide Área Network),
oferecendo boa mobilidade aos seus usuários.
Uma das arquiteturas utilizadas nas redes sem fio
são as redes WPAN, que podem ser definidas como
rede sem fio de curto alcance composta por dispositivos
pessoais, como notebooks, PDA’s (Personal Digital
Assistants), celulares, entre outros. Nessas redes é
comum os dispositivos conectarem-se entre si
dispensando um nó central [6], [8].
Atualmente, uma das arquiteturas mais utilizadas,
tanto em residências como em grandes corporações, são
as redes WLAN. Essas redes possuem dois modos de
operação: peer-to-peer e infra-estrutura. O modo peerto-peer é um tipo de topologia Ad-Hoc em que os
terminais remotos fazem a troca de informações sem a
necessidade de um access point. Já no modo de
operação infra-estrutura utiliza-se da tecnologia de
redes celulares, em que para cobrir uma determinada área cada
célula de rádio deve ser controlada por um acces point.
A tecnologia WMAN, com redes que possuem um tamanho
maior do que as redes locais sem fio WLAN, é uma arquitetura
de sistemas fixos de acesso sem fio, porém de banda larga. Sua
topologia consiste em dois tipos de estações: estação base (BS –
Base Stations) e estação móvel (MS – Mobile Stations). Uma BS
serve a várias MS’s, as quais servem as sub-redes privadas ou
públicas, corporativas ou domésticas existentes [11].
As redes WAN sem fio, conhecidas também como WWAN,
são redes de longo alcance que conectam os usuários móveis a
redes corporativas e a Internet, por meio de redes públicas de
telefonia celular. Essa rede possui suporte na tecnologia
desenvolvida inicialmente para a comunicação de voz, e que
depois, foram adaptadas para suportar dados. A WWAN baseiase fundamentalmente na infra-estrutura da telefonia celular
existente, como o CDMA, GSM e outras [4], [11].
Os padrões propostos pelo IEEE para as redes sem fio são
especificados de acordo com área de abrangência, freqüências,
taxas de transmissão e aplicabilidade. A Fig. 1 apresenta alguns
padrões e alcance das redes sem fio.
Fig. 1. Alcance das redes sem fio.
O padrão 802.11, por exemplo, destaca-se das demais opções
de acesso móvel devido ao seu custo relativamente baixo e pela
simplicidade no esquema de modulação de dados. Na seção III,
serão apresentados os principais padrões da família 802.11.
III. PADRÕES IEEE 802.11
Os padrões da família 802.11, propostos pelo IEEE,
envolvem a camada física e de enlace do Modelo OSI (Opens
Systems Interconnection Basic Reference Model) e utilizam-se de
faixas de freqüências não-licenciadas.
Existem padrões da família 802, que para alcançar boas taxas
de transferência, gera-se um sinal com espalhamento espectral
que ocupa largura de faixa muitas vezes superior a necessária.
Esse sinal pode ser gerado a partir de duas formas básicas:
espalhamento espectral por seqüência direta (DS - Direct
Sequence) e espalhamento espectral por saltos em freqüência (FH
- Frequency Hopping) [1].
A técnica de espalhamento por saltos em freqüência (FH) é
similar à técnica de seqüência direta (DS), só que nesse caso o
sinal de dados é modulado em freqüência antes de ser misturado
com o sintetizador de freqüência. Os sistemas por salto em
freqüência exigem sintetizadores capazes de efetuar rápidas
transições de freqüência com curtos tempos de estabelecimento
[2].
O FH possui duas variantes: uma é o Slow Frequency
Hopping (SFH), em que um ou mais bits são transmitidos por
salto de freqüência. Essa variante permite a detecção coerente dos
dados. A outra variante é o Fast Frequency Hopping
(FFH), na qual um bit é dividido por vários saltos, não
sendo necessário recorrer a técnicas de correção de
erros, já que existe uma diversidade em freqüência.
Nesse caso, não é possível a detecção coerente [2].
O protocolo da subcamada de controle de acesso ao
meio (MAC) utiliza-se do CSMA/CA (Carrier Sense
Multiple Access/Collision Avoidance) devido à
incapacidade de se garantir a detecção de colisões.
Todas as camadas físicas do padrão 802.11 incluem a
provisão de um sinal de avaliação de canal livre CCA
(Clear Channel Assessment Signal), que indica o estado
atual do uso do meio sem fio. Esse sinal é utilizado pelo
MAC para verificar se o meio está livre [7].
No padrão 802.11 foram determinadas várias
especificações pelo IEEE. Dentre elas, têm-se o IEEE
802.11b, o qual é especificado para operar em 2.4 GHz
utilizando a banda ISM. Esse padrão permite taxas de
transferência de até 11 Mbps, pois utiliza o
espalhamento espectral por seqüência direta (DS). A
taxa real de throughput é próxima da taxa real da
Ethernet 10Base-T (10 Mbps), teoricamente cerca de 7
Mbps. O 802.11b suporta cinco velocidades de
transmissão, tornando-se mais lento se ocorrer
interferência ou um sinal fraco, impedindo assim, que
os dados passem. As velocidades são 11 Mbps, 5,5
Mbps, 2 Mbps, 1 Mbps e 512 Kbps [3], [4].
O IEEE 802.11g prevê a especificação do MAC
(Medium Access Control) e da camada física (PHY).
Essa especificação é compatível com a especificação
IEEE 802.11b.
O IEEE 802.11a equivale ao fast-ethernet do padrão
IEEE 802.11b. Esse padrão especifica uma rede cinco
vezes mais rápida do que o 802.11b.
O padrão IEEE 802.11d foi desenvolvido com a
inclusão de campos com informações, tabelas e
parâmetros de freqüências dos países que estão fora dos
domínios regulatórios, como por exemplo, Europa,
Japão, Austrália, EUA e Canadá.
O padrão 802.11e é responsável por desenvolver os
aspectos de Qualidade de Serviço (QoS). Este deve ser
adicionado às redes locais sem fio para proporcionar
uso de aplicações específicas, como o VoIP (Voice over
Internet Protocol).
O IEEE 802.11f define as recomendações que
descrevem os serviços dos access points, os protocolos
e funções que são compartilhados pelos usuários que
operam na rede.
O padrão 802.11h possui a adição de um controle de
potência na transmissão TPC (Transmit Power Control)
e uma função de seleção dinâmica de freqüência DFS
(Dynamic Frequency Selection) em relação ao padrão
802.11a.
O IEEE 802.11i é responsável pela melhoria das
funções de segurança do protocolo 802.11 MAC,
conhecido como ESN (Enhanced Security Network). O
principal objetivo do ESN é melhorar a segurança das
redes locais sem fio.
Para um melhor entendimento sobre a utilização das
redes móveis para acesso a rede IP, fez-se um estudo
através de simulação para demonstrar e comparar o envio de
informações, em diferentes aplicações, nas redes cabeadas e sem
fio. Na seção IV, serão apresentadas as informações sobre a
modelagem e simulação das redes.
IV. SOFTWARE UTILIZADO NA MODELAGEM DAS
REDES CABEADAS E SEM FIO.
A fim de minimizar as incertezas no dimensionamento das
redes de computadores, propõe-se neste artigo, uma metodologia
que possibilite a análise do desempenho das redes através de um
software de simulação denominado OPNET IT Guru, na sua
versão acadêmica.
Através de modelagem e simulação, utilizando o OPNET, foi
realizado um estudo comparativo do desempenho entre duas
redes. Para isso, foram construídos dois cenários, sendo um a
rede cabeada no padrão Ethernet (LAN) e outro a rede sem fio no
padrão 802.11b (WLAN) [10].
A rede cabeada é composta por 15 estações de trabalho fixas
conectadas a um switch, através de links de 800 Kbps. A rede
sem fio foi configurada com os mesmos parâmetros da rede
cabeada, porém, sendo composta por 15 estações de trabalho
móveis (MS), conectadas através da interface aérea ao access
point, que compartilha um link de 11 Mbps às 15 estações. Os
roteadores 1 e 2 são os responsáveis pelo roteamento dos pacotes
baseados no endereçamento IP. A nuvem IP emula a rede
mundial de computadores, ou seja, a Internet, estando esta
interligada através do roteador 2 aos servidores das aplicações de
e-mail, FTP e HTTP. Os roteadores estão conectados à nuvem IP
por meio de um link de 2 Mbps, e o roteador 1 aos switchs das
redes através de um link de 10 Mbps. A Fig. 2 ilustra a topologia
final das redes cabeadas e sem fio.
A rede sem fio foi configurada assumindo uma
transmissão DSS, com o Request to Send (RTS) e o
Fragmentatio Threshold fixado em NONE. Esta
configuração impõe a geração do tráfego de controle
(ACK, RTS e CTS) desprezível na camada de controle
de acesso ao meio. As Fig. 3, Fig. 4 e Fig. 5 mostram o
tempo médio de resposta para os aplicativos e-mail,
FTP e HTTP, respectivamente.
Para o aplicativo e-mail, conforme Fig. 3 observa-se
que a partir dos dez minutos de simulação o tempo
médio de resposta apresentou uma estabilidade na
transmissão para as duas redes. Durante esse intervalo,
a rede cabeada obteve o tempo de resposta
aproximadamente 20% maior do que a rede sem fio. O
resultado deve-se ao fato da rede sem fio possuir o
controle para a reserva do meio enquanto transmitem,
uma vez que as 15 estações transmitem seus pacotes
simultaneamente.
Fig. 3. Tempo médio de resposta do aplicativo e-mail.
O tempo médio de resposta da aplicação FTP,
conforme Fig. 4, mostra um melhor desempenho da
rede sem fio em relação a cabeada, apresentando uma
diferença significativa de aproximadamente 88%. Esse
comportamento era esperado, pois na rede cabeada não
há o gerenciamento do controle de acesso ao meio,
como ocorre para o padrão 802.11 através de RTS e
CTS (Clear to Send).
Fig. 2. Topologia final das redes simuladas.
Na seção V serão apresentados os resultados por meio de
gráficos e as considerações levantadas sobre os resultados obtidos
nas simulações das redes cabeadas e sem fio.
V. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
Os resultados da simulação foram obtidos para as redes
cabeada e sem fio, considerando-se as seguintes estatísticas: o
tempo médio de resposta para download em segundos; e o tráfego
médio recebido, em bytes/segundo, para os aplicativos e-mail,
transferência de arquivos FTP e HTTP. O tamanho dos pacotes
considerados na simulação segue uma distribuição exponencial,
com média de 100 Kbytes.
Fig. 4. Tempo médio de resposta do aplicativo FTP.
Analisando a Fig. 5 verifica-se que nos primeiros
dois minutos de simulação houve uma grande diferença
entre as redes no tempo médio de resposta para o
aplicativo HTTP. Após cinco minutos de simulação houve uma
estabilidade no tempo de resposta, mantendo uma diferença de
aproximadamente 128% entre as redes. Esse comportamento se
deve ao fato das aplicações web possuírem uma aleatoriedade
para a transmissão de dados, ocasionado pela diferenciação entre
as estruturas de página da Internet.
de congestionamento por não haver o controle de acesso
ao meio enquanto transmitem. É importante observar
que o OPNET, na versão acadêmica, facilitou a coleta
de dados favoráveis para cada tipo de aplicação.
Portanto, com a análise dos dados e resultados
obtidos, concluí-se que as redes sem fio no padrão,
taxas e configurações consideradas, possuem melhor
desempenho na transmissão de dados para as três
aplicações em relação às redes cabeadas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Fig. 5. Tempo médio de resposta para o aplicativo HTTP.
Nesse estudo também foi analisado o comportamento do
tráfego médio recebido, em segundos, para as redes cabeadas e
sem fio. O resultado é apresentado na Fig. 6 para a aplicação
FTP, comprovando que não existem diferenças acentuadas na
transferência de arquivos entre as duas redes. Como os
parâmetros RTS e Fragmentatio Threshold foram fixados em
NONE, os pacotes que chegam da camada de enlace de dados
para serem transmitidos, possuem o mesmo tempo de espera,
uma vez que as 15 estações transmitem pacotes de mesmo
tamanho.
Fig. 6. Tráfego recebido para o aplicativo FTP para os dois cenários.
Na seção VI serão apresentadas as conclusões obtidas através
dos estudos efetuados no decorrer deste artigo.
VI. CONCLUSÕES
Por meio dos resultados observados através de simulação,
constatou-se que a grande diferença no desempenho entre as
redes cabeadas e sem fio no padrão IEEE 802.11, encontra-se no
nível da subcamada MAC. As redes cabeadas apresentaram
resultados inferiores às redes sem fio para a transmissão de dados
nas aplicações e-mail, FTP e HTTP. Isso se deve ao fato de que
nas redes cabeadas ocorre um maior descarte de pacotes em casos
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