Redes Sem Fio - Departamento de Informática e Estatística

Redes Sem Fio
Prof. Dr. João Bosco Mangueira Sobral
Conceito
• Sistemas de transmissão de dados utilizando
fios de cobre como par trançado, cabo
coaxial ou fibra ótica.
• Redes sem fio : transmissão de dados
utilizando qualquer tipo de meio físico
como transmissão por raios infravermelhos,
laser, microondas e rádio.
Sistema ALOHA - Universidade do
Havaí
• Primeiro sistema de computadores a empregar a
técnica de rádio difusão ao invés de cabos ponto a
ponto.
• Década de 70, linhas telefônicas disponíveis eram
caras e pouco confiáveis. Necessidade de
interligação de subredes da universidade
espalhadas pelas ilhas, ao Centro de Computação
principal.
Sistema ALOHA - Universidade
do Havaí
• A comunicação é realizada através da
instalação em cada estação de um pequeno
transmissor/receptor de rádio FM, com um
alcance suficiente para comunicar-se com o
transmissor/receptor do Centro de
Comunicação.
• Transmissão feita a 9600bps.
Desenvolvimento das Redes Sem Fio
• Limitações como largura de banda e
tecnologia de transmissão não permitiram que
o projeto resultasse na utilização em massa
das redes sem fio.
• Pesquisa e desenvolvimento das primeiras
redes sem fio no início dos anos 90:
– Miniaturização de componentes eletrônicos
– Comunicações pessoais sem fio
Diferenças entre Redes sem Fio e
Computação Móvel
• Mobilidade sem a utilização de uma rede sem
fio.
• Redes sem fio e sem mobilidade.
Comparação entre Computação
Móvel e Redes Sem Fio
Aplicações
Estações de Trabalho
Utilização de um
Sem Fio
Não
Não
Móvel
Não
Sim
Sim
Não
Sim
Sim
Portátil em um hotel
LANs em prédios mais
antigos, sem fiação
Escritório portátil;
PDA para estoque de loja
Redes LANs sem Fio
• Utilizadas quando a interconexão física de
computadores é difícil por acidentes
geográficos ( montanhas, florestas,
pântanos...) ou em prédios muito velhos.
• Os sistemas sem fio, locais, podem integrar
uma rede com fios para computadores
portáteis (laptops, notebooks ou palmtops)
dentro de uma sala ou edifício.
Padrão IEEE 802.11
• O padrão IEEE 802.11 define as regras
relativas à subcamada de Controle de Acesso
ao Meio (MAC) e camada física (PHY). Da
mesma forma as camadas superiores não
percebem as particularidades da subcamada
MAC e de seus possíveis níveis físicos.
Tipos de topologia
• As redes sem fio 802.11podem apresentar-se
fisicamente de dois modos: redes de infraestrutura e redes Ad Hoc
Redes de Infra-estrutura
• Elementos:estações móveis e pontos de acesso (PA).
• Cada ponto de acesso é responsável pela conexão
das estações móveis de uma área de cobertura com
a rede fixa. O PA desempenha tarefas importantes na
coordenação das estações móveis: aceita ou não a
inserção de uma nova estação à rede, colhe
estatísticas para melhor gerenciamento do canal e
ajuda a definir quando uma estação deve ou não ser
controlado por outro ponto de acesso.
Redes Ad Hoc
• Caracterizam-se por não possuírem
qualquer infra-estrutura de apoio à
comunicação. São diversos equipamentos
móveis confinadas em uma pequena área
que estabelecem comunicação peer-to-peer
por certo período de tempo.
A camada Física (PHY)
• Pacotes são transmitidos em canais de frequência
de rádio (frequência na faixa de kHz até GHz) ou
infravermelho (frequência da ordem de THz).
• São apresentados 3 padrões na camada PHY:
infravermelho(IR), Espalhamento Espectral por
Seqüência Direta (DSSS-Direct Sequence Spread
Spectrum) e Espalhamento Espectral por Saltos
em Freqüência (FHSS-Frecuency Hopping Spread
Spectrum).
Protocolos de Acesso ao Meio
• DFWMAC ( Distributed Foundation
Wireless Media Access Control)
• PCF (Point Communication Function)
• CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access
Colision Avoidance
Redes WANs sem Fio
• Os sistemas de comunicação sem fio de longa
distância mais simples são os sistemas de
recados. Estes sistemas podem transmitir
números de telefone, seqüência de beeps,
pequenos recados e até um jornal inteiro a um
aparelho receptor móvel em qualquer lugar de
sua grande área de atuação, mas não podem
receber mensagens de volta pois são
unidirecionais.
Tipos de redes WAN sem fio
• Para que seja possível funcionar uma rede, é
necessário haver comunicação nos dois sentidos.
As três soluções em uso no momento são:
– Rede celular analógica com comutação de circuitos
– Rede de comutação de pacotes por rádio
– Rede celular digital com comutação de pacotes.
Rede Celular com Comutação de
Circuitos
• As mais comuns redes bidirecionais utilizam
a estrutura existente de telefonia celular.
• A vantagem desse método é a grande
disponibilidade dos sistemas celulares no
mundo.
• A conexão é feita através de um MODEM
celular, que é conectado de um lado à porta
serial do computador e pelo outro a um
telefone celular.
Rede Celular com Comutação de
Circuitos
• A comunicação só é possível se o usuário
estiver dentro de uma célula coberta pela
estação base com a qual se comunica.
• Após estabelecida a conexão com o usuário
móvel, a estação base utiliza a rede telefônica
(comutação de circuitos) para completar a
conexão com a localidade desejada, seja essa
localidade móvel ou não.
Rede Celular com Comutação de
Circuitos
Rede Celular com Comutação de
Circuitos
• As redes celulares analógicas são orientadas a
conexão. Isto gera alguns problemas:
• Ao sair de uma célula e entrar em outra, é
necessário que os sinais sejam transferidos
confiavelmente entre elas.
• Para transmissão de voz, isso não chega a ser um
problema devido à grande redundância em tais
sinais.
• Para a transmissão de dados, qualquer lacuna
pode provocar grande perda de dados e até o
Exemplo de Rede Celular com
Comutação de Circuitos
• GSM (Global System for Mobile
Communications)
• Método de alocação de canais do sistema
digital europeu.
• Limitado a serviços somente de voz
• Utiliza as técnicas ALOHA, TDM e FDM
combinadas. (Tanembaum pag. 333)
Rede de Comutação de Pacotes por
Rádio
• (Packet Radio Network - PRN) funcionam e
utilizam o mesmo método de acesso que redes
ALOHA.
• A fonte divide a informação em pacotes e
acrescenta um cabeçalho em cada um, que
contém um endereço.
• Em seguida, os pacotes são enviados através de
um enlace de satélite e difundido à estações base
na terra.
Rede de Comutação de Pacotes
por Rádio
• Cada estação móvel remota está conectada a
uma estação base.
• Se a estação destino estiver fora do ar, a estação
base recebe seus pacotes e repassa assim que a
estação remota retornar à área de serviços.
• Garante excelente confiabilidade e velocidade
aceitável. Nestes sistemas, o usuário paga pelo
número de pacotes enviados e não pelo tempo
utilizado.
Rede de Comutação de Pacotes
por Rádio
• Grande parte dos problemas das redes de
comutação de circuitos podem ser resolvidos
utilizando redes de comutação de pacotes.
• As PRNs operam em um modo sem conexão
e, também, são mais robustas que as redes de
comutação de circuitos, porque têm
implementados algoritmos mais seguros
quando o usuário faz a movimentação de uma
célula a outra.
Rede de Comutação de Pacotes
por Rádio
Rede Celular Digital com Comutação
de Pacotes
• (Cellular Digital Packet Data - CDPD) aproveita
a estrutura já existente da telefonia celular com a
transmissão de pacotes.
• Deve se mostrar mais barato e mais disponível
que os PRNs e mais confiáveis que as redes
celulares analógicas.
• Em relação aos PRNs, uma grande vantagem do
CDPD é que pode ser usado tanto para a
transmissão de pacotes como para a transmissão
Rede Celular Digital com
Comutação de Pacotes
• É uma evolução da rede celular existente com
a finalidade de lidar com pacotes.
• O usuário conecta-se a uma estação base (a
mesma usada para a telefonia celular
analógica) através de um computador que
possui um dispositivo remoto CDPD.
• A estação remota é chamada de Estação
Terminal Móvel (MES - Mobile End Station).
Rede Celular Digital com
Comutação de Pacotes
• A Estação Base de Dados Móveis (MDBS Mobile Data Base Station) recebe o tráfego
das MES pelo mesmo receptor usado para a
telefonia celular chaveada. Os pacotes
seguem então da MDBS para o Sistema
Intermediário de Dados Móveis (MDIS Mobile Data Intermediate System) que é
responsável pelo gerenciamento de todo o
sistema e pelo roteamento de dados.
Rede Celular Digital com
Comutação de Pacotes
• O objetivo básico do CDPD é transmitir dados em
forma de pacotes através de canais de voz não
utilizados na rede de telefonia celular.
Adaptações das diferentes
camadas em redes WAN sem fio
• Sites distantes necessitam conectar-se à
Internet,
ler
mensagens
de
correio
eletrônico e acessar seus sistemas de
arquivos. Com mobilidade e comunicação
sem fio, surgem problemas, nas diferentes
camadas.
Camada de Redes
• O problema ocorre no modelo de referência
TCP/IP. Por exemplo, um usuário com um
computador portátil quer conectar-se à
Internet de um site remoto, o sistema de
endereçamento IP torna o trabalho muito
difícil.
IP Móvel
• Roteadores existentes em todo o mundo têm
tabelas de roteamento que informam qual
linha deve ser usada para se chegar, por
exemplo, à rede 160.80.
• Sempre que um pacote chega a um endereço
IP de destino com o formato 160.80.xxx.yyy,
ele é enviado através dessa linha.
IP Móvel
• Se subitamente, a máquina que tem esse endereço
for removida para um site distante, os pacotes a ela
destinados continuarão a ser roteados para sua LAN
de origem (ou roteador). O dono da máquina não
receberá mais mensagens de correio eletrônico entre
outras coisas. O fornecimento de um novo endereço
IP para a máquina, que corresponda à sua nova
localização, talvez não seja muito interessante, pois
muitas pessoas, programas e bancos de dados teriam
de ser informados a respeito da alteração.
IP Móvel
• Outra estratégia seria fazer com que os
roteadores utilizassem endereços IP para
roteamento, em vez de apenas a classe e a
rede. Entretanto, isso poderia exigir que
cada roteador tivesse milhões de entradas
nas tabelas, a custos astronômicos para a
Internet.
IP Móvel
• Quando as pessoas começaram a levantar a
possibilidade de utilização de hosts móveis. Foram
formulados inúmeros objetivos:
• Cada host móvel deveria ser capaz de usar seu endereço IP de
origem em qualquer lugar.
• Não eram permitidas alterações de software nos hosts fixos.
• Não eram permitidas alterações no software e nas tabelas do
roteador
• Muitos pacotes destinados a hosts móveis não deveriam fazer
desvios durante o percurso.
• Não deveria haver overhead quando um host móvel estivesse
em sua origem.
Solução Escolhida
Roteamento para Hosts Móveis
Roteamento para Hosts Móveis
• Definiu-se para cada área um ou mais
agentes externos, que controlam todos os
usuários móveis que visitam a área.
• Além disso, cada área possui um agente
interno, que controla os usuários cujas bases
estejam na área, mas que estejam no
momento visitando outra área.
Roteamento para Hosts Móveis
• Quando um novo usuário entra em uma
área, conectando-se a ela (por exemplo,
ligando seu computador na LAN), ou
simplesmente percorrendo a célula, seu
computador deve-se registrar com o agente
externo dessa área.
O procedimento de Registro
• Periodicamente, cada agente externo
transmite um pacote anunciando sua
existência e endereço.
• Um host móvel recém-chegado pode
aguardar uma dessas mensagens; no entanto,
se nenhuma chegar rápido o suficiente, o
host móvel poderá transmitir um pacote
dizendo: "Existe algum agente externo?”
O procedimento de Registro
• O host móvel é registrado com o agente externo,
fornecendo seu endereço fixo, o endereço atual de
camada de enlace de dados e algumas informações
de segurança.
• O agente externo contacta o agente interno do host
móvel e diz: "Um de seus hosts está aqui".
• A mensagem do agente externo para o agente
interno contém o endereço de rede do agente
externo.
• A mensagem contém ainda as informações de
segurança, para convencer o agente interno de que o
O procedimento de Registro
• O agente interno examina as informações de
segurança, que contêm um timbre de hora, para
provar que foi gerando há alguns segundos. Se
estiver tudo de acordo, o agente interno diz ao
externo para prosseguir.
• Quando o agente externo obtém a confirmação
do agente interno, ele cria uma entrada em sua
tabela e informa ao host móvel que agora ele
está registrado.
O procedimento de Registro
• O ideal é que quando o usuário sair de uma
área, isso também seja divulgado para
permitir o cancelamento do registo, mas
muitos usuários desligam seus
computadores abruptamente quando
terminam de usá-los. (Tanembaum, 420)
O procedimento de Registro
• Quando é enviado a um usuário móvel, o pacote
é roteado para a LAN básica do usuário, pois é
isso que o endereço diz que deve ser feito.
• Os pacotes enviados para o usuário móvel
através de sua LAN básica são interceptados
pelo agente interno. Em seguida, o agente
interno consulta a nova localização (temporária)
do usuário móvel e encontra o endereço do
agente externo que está tratando do usuário
A camada de Transporte - TCP sem fio
• Na teoria, os protocolos de transporte deveriam ser
independentes da tecnologia da camada de rede
em que se baseiam.
• O TCP, particularmente, não deveria se preocupar
pelo IP estar sendo executado através de fibra ou
rádio.
• Na prática, isso é importante, pois as
implementações em sua maioria foram muito
otimizadas com base em suposições que são
verdadeiras para as redes com fio mas que falham
nas redes sem fio.
A camada de Transporte - TCP
sem fio
• O principal problema é o algoritmo de controle de
congestionamento.
• Quase todas as implementações TCP atuais
assumem que os timeouts ocorrem devido ao
congestionamentos, e não a pacotes perdidos.
• Consequentemente, quando um temporizador
expira, o TCP diminui o ritmo e começa a
transmitir mais lentamente. A idéia por trás dessa
abordagem é reduzir a carga na rede e, por tanto,
diminuir o congestionamento.
A camada de Transporte - TCP
sem fio
• Os enlaces de dados das transmissões sem fio
não são confiáveis. Eles perdem pacotes o
tempo todo. A melhor estratégia para lidar com
pacotes perdidos é enviá-los novamente o mais
rápido possível.
• Diminuir o ritmo nesse caso tornará a situação
ainda pior Em uma rede com fio, quando um
pacote é perdido o transmissor deve diminuir o
ritmo.
A camada de Transporte - TCP
sem fio
• Com freqüência, o caminho entre o transmissor e
o receptor não é homogêneo. Os primeiros 1000
km podem ser controlados por uma rede com fio,
enquanto o último 1 km pode representar uma
rede sem fio. Nessa circunstância, é mais difícil
ainda tomar uma decisão em relação ao timeout,
pois é necessário saber onde ocorreu o problema.
A camada de Transporte - TCP
sem fio
• Uma solução proposta foi o TCP indireto.Consiste
em dividir a conexão TCP em duas conexões
separadas.
– A primeira vai do transmissor à estação-base.
– A segunda, vai da estação-base ao receptor. A
desvantagem é que o mecanismo viola a semântica do
TCP.
A camada de Transporte - TCP
sem fio
A camada de Transporte - TCP
sem fio
• Outra solução não quebra a semântica do
TCP.
• Ela faz várias modificações pequenas no
código da camada de rede da estação-base.
Uma das mudanças é a inclusão de um
espião que observa e armazena em um
cache não só os segmentos TCP que seguem
para o host móvel quanto as confirmações
envidas por esse host.
A camada de Transporte - TCP
sem fio
• Quando o espião vê um segmento TCP
seguir para o host móvel, mas não vê uma
confirmação retornar antes de seu timer (de
intervalo relativamente curto) expirar, ele
retransmite esse segmento sem informar o
que está fazendo à origem.
Tendências de mercado
• Desde a década de 70 a comunicação interpessoal
por ondas de rádio vêm se desenvolvendo guiada
por tecnologias de empresas como a Motorola e a
Nec.
• Instrumentos de comunicação sem fio como o Beep,
sinalizavam as pessoas através de ondas AM e
Telefones Móveis, que durante anos equiparam
milhares de carros nos Estados Unidos, exerceram
um papel importante no desenvolvimento
econômico da sociedade moderna.
Tendências de mercado
• A partir da metade da década de 80, avanço na
micro informática, com o surgimento dos PCs e
com a miniaturização e potencialização de
processadores de dados, desenvolvidos por
empresas como a IBM e Intel.
• A associação destas duas tecnologias, conhecida
por Telemática, propiciou a globalização da
comunicação sem fio, com o desenvolvimento de
equipamentos.
Tendências de mercado
• Várias tecnologias de comunicação sem fio
sendo utilizadas: telefones celulares, microcelulares, rádios bidirecionais, trunking,
redes de computadores sem fio, "palmtops",
"notebooks" e pagers.
• Alianças estratégicas entre várias empresas
de telecomunicações estão sendo formadas
para criar a infra-estrutura necessária para
este novo mundo das comunicações sem fio.
Tendências de mercado
• Vários estudos e projetos sendo realizados,
visando:
Um melhoramento no gerenciamento de força, a
fim de aumentar a duração da bateria do sistema;
Desenvolver técnicas de modulação mais
eficientes, com o objetivo de aumentar a
velocidade de transferência de dados;
Redução de preços de uma forma gradual.
Tendências de mercado
• Especialistas no assunto dizem que o
mercado de LANs sem fio experimentou uma
explosão de atividades ao longo do último
ano e afirmam que este crescimento deverá
aumentar, quando os fabricantes passarem a
oferecer dispositivos menores, mais baratos e
mais velozes.
Alguns Fabricantes
Empresas que desenvolvem produtos
sem fio
• Rede Sem Fio
WaveLAN IEEE 802.11
• Produtos projetados
para serem interoperáveis
com qualquer produto de rede sem fio baseado na
tecnologia de rádio DSSS (Direct Sequence
Spread Spectrum) compatível com o padrão IEEE
802.11 para redes sem fio na forma como
aprovado pelo IEEE.
As Redes Sem Fio WaveLAN
• Os cartões de rede WaveLAN funcionam como
uma rede Ethernet cabeada a 2 Mbps, mas o
WaveLAN tem a vantagem de não possuir fios.
• Existem várias formas de se criar a infraestrutura de rede:
Uma rede 100% sem fio
Uma infra-estrutura de rede sem
fio que é conectada a uma rede
Ethernet já existente
Cartões WaveLAN IEEE 802.11
1. Antenas Integradas.
2. Led Indicador de
Tráfego (Transmissão/
Recepção).
3.Led Indicador de
Alimentação (Ligado/Desligado).
4.Conector para Antena Externa Opcional "Range
Extender Antenna".
Antena WaveLAN Range
Extender
• A antena WaveLAN Range Extender aumenta a
performance e o nível do sinal em até 15%.
WAN (Pennsylvania Mall)
INSAT WIRELESS MODEM
• Modem que utiliza torre celular.
• Caraterísticas e Benefícios
•
•
•
•
Wireless (Não precisa de Linhas Telefônicas)
Portável
Fácil Instalação (trabalha com Windows 95)
High Wireless Throughput
Rumo das Redes sem Fio
• Visto como uma parte da progressão da
informática, os sistemas de computação sem
fio representam o próximo passo lógico na
separação do usuário dos ambientes
computacionais.
• O usuário pode acessar os recursos do sistema
(serviços, servidores, impressoras, etc.) a
qualquer tempo, bastando estar localizado
dentro dos limites de uma infra-estrutura de
comunicações sem fio.
Rumo das Redes sem Fio
• Neste século, chamado ”O Século da
Informação”, onde o acervo de informações,
é o ponto-chave na posição das empresas
frente ao mercado competitivo; a
transmissão, atualização ou acesso aos
dados corporativos a qualquer hora e de
qualquer lugar, torna-se um diferencial
importante para todas as empresas.
Conclusões
• O aumento da complexidade das relações
comerciais nos últimos 20 anos tornou
imprescindível uma melhoria substancial das
formas de comunicação. Estar acessível a
qualquer hora e em qualquer lugar deixou de ser
um luxo exclusivo de poucos executivos e
passou a ser fator de competitividade em
qualquer tipo de negócio.