REC- Redes de Computadores Capítulo 6: Redes sem Fio protocolo 802.11 Referências bibliográficas: Redes de Computadores e a Internet, James Kurose, editora Pearson, quinta edição Redes de Computadores: Uma abordagem top-down, Forouzan & Mosharraf, editora McGrawHill, 2012 RFC 3344. Capítulo 6: Esboço 6.1 Introdução às Redes sem fio 6.2 Características de enlaces e redes sem fio 6.3 LANs sem fio 802.11 (“wi-fi”) 6.4 Mobilidade 6.5 Gerenciamento da mobilidade: princípios 6.6 IP móvel 6.7 Resumo Elementos de uma rede sem fio infraestrutura de rede hospedeiros sem fio laptop, PDA, telef. IP executam aplicações podem ser estáticos (não móvel) ou móveis sem fio nem sempre significa mobilidade Elementos de uma rede sem fio infraestrutura de rede estação-base normalmente conec-tada à rede com fio relay – responsável por enviar pacotes entre rede com fio e hospedeiros sem fio em sua “área” p. e., torres de células, pontos de acesso 802.11 Elementos de uma rede sem fio enlace sem fio normalmente usado para infraestrutura de rede conectar disp. móveis à estação-base também usado como enlace de backbone protocolo de acesso múltiplo coordena acesso ao enlace diversas taxas de dados, distância de transmissão Características de padrões de enlace sem fio selecionados Wimax (802.16) para distâncias mais longas Bluetooth para Distâncias curtas. O 802.11 é voltado para comunicação entre aparelhos Diferenciados de até 100 mts. Elementos de uma rede sem fio infraestrutura de rede modo de infraestrutura estação-base conecta hosp. móveis à rede com fio transferência: hosp. móvel muda de estação-base fornecendo conexão à rede com fio Elementos de uma rede sem fio modo ad hoc sem estações-base nós só podem transmitir a outros nós dentro da cobertura do enlace nós se organizam em uma rede: roteiam entre si mesmos Taxonomia da rede sem fio único salto infraestrutura (p. e., APs) sem infraestrutura múltiplos saltos hospedeiro conecta-se à estação-base (WiFi, WiMAX, celular) que se conecta à Internet maior hosp. pode ter de retransmitir por vários nós sem fio para se conectar à Internet maior: rede em malha sem estação-base, sem conexão com Internet maior (Bluetooth, redes ad hoc) sem estação-base, sem conexão com Internet maior. Pode ter de retransmitir para alcançar outro nó sem fio: redes ad hoc MANET, VANET Características do enlace sem fio Diferenças do enlace com fio... Redução da potencia do sinal: sinal de rádio se atenua enquanto se propaga pela matéria (perda do caminho) interferência de outras fontes: frequências padrão de rede sem fio (p. e., 2,4 GHz) compartilhadas por outros dispositivos (p. e., telefone); dispositivos (motores) também interferem propagação multivias: sinal de rádio reflete-se em objetos e no solo, chegando ao destino em momentos ligeiramente diferentes ... tornam a comunicação por (até mesmo ponto a ponto) enlace sem fio muito mais “difícil” Características da rede sem fio Múltiplos remetentes e receptores sem fio criam problemas adicionais (além do acesso múltiplo): B A C C A B Problema do terminal oculto B, A escutam um ao outro B, C escutam um ao outro A, C não podem ouvir um ao outro significa que A, C não sabem de sua interferência em B força do sinal de C força do sinal de A espaço Atenuação do sinal: B, A escutam um ao outro B, C escutam um ao outro A, C não podem escutar um ao outro interferindo em B LAN sem fio IEEE 802.11 802.11b 802.11a intervalo 5-6 GHz espectro não licenciado de 2,4-5 GHz até 54 Mbps até 11 Mbps 802.11g Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) na camada física intervalo 2,4-5 GHz todos os hospedeiros usam o até 54 Mbps mesmo código de chipping 802.11n: múltiplas antenas intervalo 2,4-5 GHz até 200 Mbps todos usam CSMA/CA para acesso múltiplo todos têm versões de estação-base e rede ad-hoc Arquitetura de LAN 802.11 hospedeiro sem fio se comunica com estação-base estação-base = ponto de acesso (AP) Basic Service Set (BSS) (ou “célula”) no modo de hub, comutador infraestrutura contém: ou roteador hospedeiros sem fio ponto de acesso (AP): estação-base AP modo ad hoc: apenas hosts Internet AP BSS 1 BSS 2 802.11: Canais e associação 802.11b: espectro de 2,4 GHz-2,485 GHz (85 mHz) dividido em 11 canais em diferentes frequências que se sobrepõe parcialmente (1, 6 e 11 é o único conjunto de canais não sobrepostos); Admin. do AP escolhe frequência para AP possível interferência: canal pode ser o mesmo daquele escolhido pelo AP vizinho! Não há sobreposição entre quaisquer 2 canais, se e somente eles estiverem separados por 4 ou mais canais. Por exemplo, os canais 1,6 e 11 é o conjunto de 3 canais que podem ser utilizados pelo Administrador da rede para criar uma lan sem fio, com 3 Aps na mesma localização física, com tx. de transmissão máxima agregada de 33 mbps, 802.11: Canais e associação O padrão 802.11b requer que um AP envie periodicamente quadro de sinalização, cada qual incluindo o SSID e o endereço MAC do AP. O hospedeiro precisa associar-se a um AP: Então varre canais, escutando quadros de sinalização contendo nome do(s) AP(s) (SSID) e endereço(s) MAC seleciona um AP para associar-se pode realizar autenticação normalmente rodará DHCP para ter end.IP na sub-rede do AP O que acontece se o hospedeiro ao fazer a varredura dos canais identificar que mais de um AP estão transmitindo no mesmo canal ? Qual dos Aps o hospedeiro vai escolher ? 802.11: varredura passiva/ativa BBS 1 AP 1 BBS 1 BBS 2 1 1 2 AP 2 BBS 2 AP 1 AP 2 1 2 3 2 3 4 H1 H1 Varredura passiva: Varredura ativa: (1) quadros de sinalização enviados dos APs (2) quadro de solicitação de associação enviado: H1 para AP selecionado (3) quadro de resposta de associação enviado: H1 para AP selecionado (1) Broadcast de quadro de solicitação de investigação de H1 (2) Quadro de resposta de investigações enviado de APs (3) Quadro de resposta de associação enviado: H1 para AP selecionado (4) Quadro de resposta de associação enviado: AP selecionado para H1 A AUTENTICAÇÃO perante o AP pode ser realizada com base no endereço MAC de uma estação, ou através de nomes de usuários e senhas. Em ambos os casos o AP se comunica com um servidor de autenticação que atende a vários APs., que centraliza as decisões de autenti cação. IEEE 802.11: acesso múltiplo Uma vez associada à um AP um hospedeiro pode começar a enviar/receber dados: O 802.11 é um protocolo de acesso múltiplo 802.11: CSMA/CA (Collision Avoidance) – detecta portadora antes de transmitir não colide com transmissão contínua de outro nó 802.11: diferente do CSMA/CD já que não realiza a detecção de colisão, pois: difícil de receber (sentir colisões) na transmissão devido a sinais recebidos fracos (desvanecimento) não pode sentir todas as colisões em qualquer caso: terminal oculto, desvanecimento Como não detecta colisão transmite o quadro inteiro. IEEE 802.11: acesso múltiplo Uma vez associada à um AP um hospedeiro pode começar a enviar/receber dados: O 802.11 é um protocolo de acesso múltiplo 802.11: CSMA/CA – detecta portadora antes de transmitir não colide com transmissão contínua de outro nó 802.11: não realiza a detecção de colisão, pois: difícil de receber (sentir colisões) na transmissão devido a sinais recebidos fracos (desvanecimento) não pode sentir todas as colisões em qualquer caso: terminal oculto, desvanecimento objetivo: evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance) Como não detecta colisão transmite o quadro inteiro. IEEE 802.11: acesso múltiplo Reconhecimento realizado pela camada de enlace do 802.11: Qdo. Estação de destino recebe um quadro analisa o seu CRC, se estiver OK, aguarda um curto período de tempo denominado de SIFS ( Short inter-framinig spacing), e então devolve um quadro de reconhecimento; Se a estação transmissora não receber o reconhecimento dentro de um período, admite que ocorreu um erro e retransmitirá o quadro utilizando o CSMA/CA. Protocolo 802.11: CSMA/CA remetente 802.11 1 se sentir canal ocioso espera por um tempo DIFS então transmite quadro inteiro (sem CD); 2 se sentir canal ocupado então: inicia tempo aleatório de backoff; temporizador conta regressivamente enquanto canal está ocioso; transmite quando temporizador expira 3 se não há ACK, aumenta intervalo de backoff aleatório, repete 2; 4 Se receber ACK e tiver outro quadro, para inicia o CSMA/CA novamente. receptor 802.11 - se quadro recebido OK retorna ACK após SIFS (ACK necessário devido ao problema de terminal oculto) emissor receptor DIFS dados SIFS ACK Evitando colisões O controle de acesso ao meio do CSMA/CA não evita a colisão pois : Duas ou mais estações podem estasr ocultas; Duas ou mais estações podem escolher valores de backoff aleatórios próximos o bastante para que a transmissão da estação que se inicia primeiro tenha ainda de atingir a segunda estação Para evitar o problema do terminal oculto o protocolo 802.11 permite que uma estação utilize quadros de controle: RTS: Request to send CTS: Clear to send Evitando colisões remetente primeiro transmite pequenos pacotes request-to- -send (RTS) à BS usando CSMA RTSs ainda podem colidir uns com os outros (mas são curtos) BS envia por broadcast clear-to-send (CTS) em resposta a RTS CTS escutado por todos os nós remetente transmite quadro de dados outras estações adiam transmissões Evita colisões de quadro de dados completamente usando pequenos pacotes de reserva! H1 AP 1 H2 Tarefa: rodar o applet em Java com o demo do CSMA Prevenção de colisão: troca RTS-CTS Prevenção de colisão: troca RTS-CTS A AP B colisão de reserva Ocorreu colisão Hosp_A retransmite RTS na frente DATA (A) tempo http://wps.aw.com/aw_kurose_network_4/63/16303/4173752.cw/index.html adiamento Quadro 802.11: endereçamento 2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 controle endereço endereço endereço controle endereço duração de quadro 1 2 3 4 de seq. Endereço 1: endereço MAC do hosp. sem fio ou AP a receber este quadro Endereço 2: endereço MAC do hosp. sem fio ou AP Que transmite o pacote carga útil 4 CRC Endereço 4: usado apenas no modo ad hoc Endereço 3: endereço MAC da interface do roteador ao qual AP está conectado O AP é um dispositivo de camada de enlace: não conhece o IP . CSMA: 802.11 Ethernet: 802.3 H1 R1 roteador Internet AP end. MAC R1 end. MAC H1 endereço destino endereço origem quadro 802.3 end. MAC AP end. MAC H1 end. MAC R1 endereço 1 endereço 2 endereço 3 quadro 802.11 Roteamento com o CSMA/CA Na figura anterior o roteador não está ciente de que há um AP entre ele e o H1. Da perspectiva do roteador, H1 é apenas um hospedeiro em uma das subredes as quais ele está conectados; O roteador conhece end. IP do hosp. E utiliza o ARP para determinar o MAC do hosp. Verifique que o router se comunica com o AP via ethernet; Quando quadro ethernet chega ao AP, este converte-o para 802.11, e preenche os endereços 1 e 2 com o MAC do hosp. e o seu próprio MAC. Para o endereço 3 o AP insere o MAC do roteador. Dessa maneira o hospedeiro pode determinar a partir do endereço R3 o MAC do roteador. No retorno, o AP converte o quadro 802.11 para ethernet e envia ao roteador, cujo endereço MAC de origem é o endereço do hospedeiro e o de destino é o endereço do router. Quadro 802.11 duração do tempo de transmissão reservado (RTS/CTS) 2 2 6 6 6 Versão protocolo 6 2 controle endereçoendereçoendereço duração quadrol 1 2 3 2 # seq. quadro (para RDT) 2 4 1 1 Tipo Subtipo Para AP De AP tipo quadro (RTS, CTS, ACK, dados) cont. endereço 4 seq. 1 1 1 0 - 2312 4 carga útil CRC 1 1 Mais Ger. Mais Retry WEP fragm. energia dados 1 Rsvd 802.11: mobilidade dentro da mesma sub-rede H1 está conectado a AP1 H1 ao se deslocar de AP1 no sentido de AP2, o sinal vai ficando mais fraco, começa fazer uma nova varredura em busca de sinal mais forte e conecta-se a AP2 H1 permanece na mesma sub-rede IP: endereço IP pode permanecer o mesmo comutador: qual AP está associado a H1? Autoaprendizagem: comutador verá quadro de H1 e “lembrará” qual porta do comutador pode ser usada para alcançar H1 AP2 envia ao comutador pacote ethernet broadcast, para comutador atualizar sua tabela roteador hub ou comutador BBS 1 AP 1 AP 2 H1 BSS1 e BBS2 na mesma subrede IP BBS 2 Gerenciamento de energia nó-para-AP: “Vou dormir até o próximo quadro de sinalização”; AP sabe que não deve transmitir quadros para esse nó; nó acorda antes do próximo quadro de sinalização; quadro de sinalização: contém lista de estações móveis com quadros AP-para-móvel esperando para serem enviados; nó permanecerá acordado se quadros do AP forem enviados; caso contrário, dorme novamente até próximo quadro de sinalização. O que é mobilidade? espectro de mobilidade, do ponto de vista da rede: sem mobilidade usuário sem fio móvel usando mesmo ponto de acesso alta mobilidade usuário móvel, conectando/ desconectando da rede usando DHCP. usuário móvel, passando por ponto de acesso múltiplo enquanto mantém conexões ativas (como o telefone celular) IP Móvel rede nativa: “lar” permanente do nó móvel (p. e., 128.119.40/24) agente nativo: entidade que realizará funções de mobilidade em favor do nó móvel, quando esta é remota Nó movel rede remota endereço permanente: endereço na rede nativa, sempre pode ser usado para alcançar nó móvel p. e., 128.119.40.186 correspondente Rede visitada IP Móvel endereço permanente: permanece constante (p. e., 128.119.40.186) rede visitada: rede em que nó móvel reside atualmente (p. e., 79.129.13/24) Endereço aos cuidados: endereço na rede visitada. (p. e., 79,129.13.2) rede remota correspondente: quer se comunicar com nó móvel agente externo: entidade na rede visitada que realiza funções de mobilidade em favor do nó móvel. Mobilidade: técnicas Responsabilidade dos roteadores: roteadores anunciam endereço permanente de nós-móveis-em residência por meio de troca de tabela de roteamento. tabelas de roteamento indicam onde cada nó móvel está localizado não há mudanças nos sistemas finais Responsabilidade dos sistemas finais: roteamento indireto: comunicação do correspondente ao nó movel passa por agente nativo, depois encaminhada ao remoto roteamento direto: correspondente recebe endereço externo do nó móvel, envia diretamente a ele Mobilidade: registro rede visitada rede nativa 1 2 rede remota agente externo contacta agente nativo: “este nó móvel reside na minha rede” Resultado final: Agente externo sabe sobre nó móvel Agente nativo sabe local do nó móvel nó móvel contacta agente externo na entrada da rede visitada Mobilidade via roteamento indireto agente nativo intercepta pacotes, ENCAPSULA e repassa para agente externo agente externo recebe pacotes, DESENCAPSULA , consulta uma tabela de registro par determinar o end. do nó movel, e repassa para rede nó móvel visitada rede nativa 3 rede remota 1 correspondente endereça pacotes usando endereço nativo do nó móvel 2 4 nó móvel responde diretamente ao correspondente Roteamento indireto: comentários Nó móvel usa dois endereços: endereço permanente: usado pelo correspondente (daí o local do nó móvel ser transparente ao correspondente) endereço aos cuidados: usando pelo agente nativo para repassar datagramas ao nó móvel funções do agente externo podem ser feitas pelo próprio nó móvel roteamento triangular: correspondente – rede nativa - nó móvel ineficaz quando correspondente, nó móvel está na mesma rede IP móvel: roteamento indireto pacote agente externo-nó móvel pacote enviado pelo agente nativo ao agente externo: pacote dentro de pacote dest: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186 dest: 128.119.40.186 Endereço permanente: 128.119.40.186 dest: 128.119.40.186 pacote enviado pelo correspondente Endereço aos cuidados: 79.129.13.2 Roteamento indireto: movendo entre redes suponha que o usuário móvel passe para outra rede registra com novo agente externo novo agente externo registra com agente nativo agente nativo atualiza endereço aos cuidados para nó móvel pacotes continuam sendo encaminhados ao nó móvel (mas com nodo-endereço aos cuidados) mobilidade, mudança de redes externas transparente: conexões ativas podem ser mantidas! Roteamento indireto: travessia dupla A travessia dupla ocorre quando uma estação remota se comunica com uma estação móvel que esta visitando a rede daquela estação remota Mobilidade via roteamento direto correspondente repassa a agente externo agente externo recebe pacotes, repassa a nó móvel rede nativa 4 rede remota 2 correspondente solicita, recebe endereço externo do nó móvel rede visitada 1 3 4 nó móvel responde diretamente ao correspondente Mobilidade via roteamento direto: comentários contorna problema do roteamento triangular não transparente ao correspondente: correspondente deve obter endereço aos cuidados do agente nativo e se o nó móvel mudar a rede visitada durante a conexão TCP, por exemplo ? Mobilidade com roteamento direto agente externo âncora: AE na primeira rede visitada dados sempre roteados primeiro para AE âncora quando nó móvel se move: novo AE repassa dados do AE antigo (encadeamento) rede externa visitada no início da sessão AE âncora rede remota 2 1 4 5 atente correspondente correspondente 3 novo agente externo nova rede externa IP móvel RFC 3344 tem muitos recursos que já vimos: agentes nativos, agentes externos, registro de agente externo, endereços aos cuidados, encapsulamento (pacote dentro de pacote) três componentes do padrão: roteamento indireto de datagramas descoberta de agente registro com agente nativo IP móvel Descoberta de agente: Um nó IP que está chegando a uma nova rede, que esteja se conectando a uma rede externa ou retornando à sua rede nativa, tem de aprender a identidade do correspondente externo ou do agente nativo. É a descoberta de um novo agente externo, com um novo endereço de rede, que permite que a camada de rede em um nó aprenda que ele passou para uma nova rede externa. A descoberta do agente pode ser: Via anúncio de agente; Via solicitação de agente IP móvel Anúncio de agente: Um agente externo ou nativo anuncia seus serviços usando uma extensão do protocolo de descoberta [RFC1256]. O agente faz broadcast periódico de uma mensagem ICMP tipo 9 em todos os enlaces aos quais está conectado, permitindo com o nó aprenda o end. IP do agente (router). IP móvel: descoberta de agente anúncio de agente: agentes externo/doméstico anunciam serviço por broadcasting de mensagens ICMP (campo de tipo = 9) bit H: agente externo; Bit F: agente externo bit R: registro obrigatório. Indica que um usuário nesta rede deve se registrar em um agente externo. Mensagem ICMP com extensão de anúncio de agente de mobilidade IP móvel: descoberta de agente Solicitação de agente: um nó móvel que quer conhecer agentes sem esperar para receber um anúncio de agente pode emitir uma mensagem de solicitação de agente em broadcast, que é uma mensagem ICMP tipo 10. Ao receber a solicitação, um agente emite um anúncio unicast de agente diretamente ao nó móvel. IP móvel: descoberta de agente Registro no agente nativo: um nó IP móvel ao receber um COA precisa que este endereço seja registrado no agente nativo. Este procedimento pode ser realizados de duas maneiras: Pelo agente externo; Diretamente pelo próprio nó móvel. IP móvel: exemplo via agente externo Agente externo: para se comunicar com uma estação remota, uma estação móvel passa por um processo de três fases: descoberta de agente, registro e transferência de dados IP móvel: exemplo via agente externo A fase de registro possui 4 aspectos importantes: A estação móvel deve se registrar junto ao agente externo; A estação móvel deve se registrar junto ao seu agente nativo. Isto normalmente feito pelo agente externo em nome da estação móvel; A estação móvel deve renovar o registro se ele expirar; A estação móvel deve cancelar seu registro quando ela voltar para sua rede nativa. Exemplo via agente externo COA anunciado pelo agente externo O identificador de registro serve para combinar uma Resposta de registro Recebida com uma solicitacao de registro O agente nativo verifica a autenticidade, e vincula O end. IP permanente do Nó móvel ao COA. No futuro, datagramas que Chegarem ao agente nativo E endereçados ao nó móvel Serão encapsulados e envia Dos por tunel ate o COA Bluetooth (802.15): rede de área pessoal menos de 10 m de diâmetro substituta para cabos (mouse, teclado, fones) ad hoc: sem infraestrutura mestre/escravos: escravos solicitam permissão para enviar (ao mestre) mestre concede solicitações 802.15: evolução da especificação Bluetooth banda de rádio 2,4-2,5 GHz até 721 kbps P S P raio de cobertura M S P S P M Dispositivo mestre S Dispositivo escravo P Disp. estacionado (inativo) 802.16: WiMAX como 802.11: modelo de estação-base transmissões de/para estação-base por hospedeiros com antena direcional transporte de estação-base para estaçãobase com antena ponto-a-ponto ponto-a-ponto diferente de 802.11: intervalo de ~6 milhas (“cidade em vez de lanchonete”) ponto-a-multiponto ~14 Mbps Exercicios fixação [kurose] Suponha que dois ISPs forneçam acesso Wi-Fi em um determinado café, e que cada um deles opera seu próprio AP e tem o seu próprio bloco de endereços IP. A.) Suponha ainda que por acidente, cada ISP configurou seu AP para operar no canal 11. O protocolo 802.11 falhará totalmente nessa situação ? Discuta o que acontece quando duas estações, cada uma associada com um ISP diferente, tentam transmitir ao mesmo tempo. B.) Agora suponha que um AP opera no canal 1 e o outro no canal 11. Como suas respostas diferem uma da outra ? Exercícios de fixação [kurose] Suponha que uma estação 802.11b seja configurada para sempre reservar o canal com a sequencia RTS/CTS. Suponha que esta estação repentinamente queira transmitir 1.000 bytes de dados e que todas as outras estações estão ociosas nesse momento. Calcule o tempo requerido para transmitir o quadro e receber o reconhecimento como uma função de SIFS e DFIS, ignorando o atraso de propagação e admitindo que não haja erros de bits. Obs1: 802.11b tem tx. de transmissão de 11mbps Obs2: quadro 802.11b “sem dados” tem um tamanho de 32 bytes. Exercícios de fixação Por que são usados reconhecimentos em 802.11, mas não em ethernet cabeada ? Ethernet e 802.11 utilizam a mesma estrutura de quadros ? Descreva como funciona o RTS e CTS. O que significa para uma rede sem fio estar operando no modo de infra-estrutura ? Se a rede não estiver no modo de infra estrutura, em qual modo ela está e qual a diferença entre esse modo de operação e o modo de infra estrutura ? IP móvel: exercício de fixação Suponha que o correspondente da figura a seguir é móvel. Faça um desenho esquemático da infra adicional de camada de rede que seria necessária para rotear o datagrama do usuário móvel original até o correspondente móvel. Apresente as estruturas dos datagramas entre o usuário móvel original e o correspondente. Exercício de fixação endereço permanente: permanece constante (p. e., 128.119.40.186) rede visitada: rede em que nó móvel reside atualmente (p. e., 79.129.13/24) Endereço aos cuidados: endereço na rede visitada. (p. e., 79,129.13.2) rede remota correspondente: quer se comunicar com nó móvel agente externo: entidade na rede visitada que realiza funções de mobilidade em favor do nó móvel. nternet m0 m1 24.12.7.0 R m2 24.12.10.0 BSS1 BSS2 AP2 AP1 24.12.7.2 24.12.7.1 24.12.10.2 24.12.7.3 24.12.10.1 24.12.10.3