Tecnologias de Redes sem Fio

(1)

Tecnologias

de Redes

sem Fio

Diego Passos

Helga D. Balbi

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A RNP – Rede Nacional de Ensino

e Pesquisa – é qualificada como

uma Organização Social (OS),

sendo ligada ao Ministério da

Ciência, Tecnologia e Inovação

(MCTI) e responsável pelo

Programa Interministerial RNP,

que conta com a participação dos

ministérios da Educação (MEC), da

Saúde (MS) e da Cultura (MinC).

Pioneira no acesso à Internet no

Brasil, a RNP planeja e mantém a

rede Ipê, a rede óptica nacional

acadêmica de alto desempenho.

Com Pontos de Presença nas

27 unidades da federação, a rede

tem mais de 800 instituições

conectadas. São aproximadamente

3,5 milhões de usuários usufruindo

de uma infraestrutura de redes

avançadas para comunicação,

computação e experimentação,

que contribui para a integração

entre o sistema de Ciência e

Tecnologia, Educação Superior,

Saúde e Cultura.

Ciência, Tecnologia Ministério da Educação Ministério da Saúde Ministério da Cultura Ministério da

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Tecnologias

de Redes

sem Fio

Diego Passos

Helga D. Balbi

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Tecnologias

de Redes

sem Fio

Diego Passos

Helga D. Balbi

Ricardo Campanha Carrano

Rio de Janeiro

Escola Superior de Redes

2016

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22290-906 Rio de Janeiro, RJ Diretor Geral

Nelson Simões

Diretor de Serviços e Soluções

José Luiz Ribeiro Filho Escola Superior de Redes

Coordenação

Luiz Coelho

Edição

Lincoln da Mata

Coordenação Acadêmica da Área de Administração de Projetos de Redes

Luiz Carlos Lobato

Equipe ESR (em ordem alfabética)

Adriana Pierro, Alynne Figueiredo, Celia Maciel, Derlinéa Miranda, Edson Kowask, Elimária Barbosa, Evellyn Feitosa, Felipe Nascimento, Lourdes Soncin, Luciana Batista, Renato Duarte e Yve Abel Marcial.

Capa, projeto visual e diagramação

Tecnodesign

Versão

2.0.0

Este material didático foi elaborado com fi ns educacionais. Solicitamos que qualquer erro encon-trado ou dúvida com relação ao material ou seu uso seja enviado para a equipe de elaboração de conteúdo da Escola Superior de Redes, no e-mail info@esr.rnp.br. A Rede Nacional de Ensino e Pesquisa e os autores não assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas, a pessoas ou bens, originados do uso deste material.

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Escola Superior de Redes

Rua Lauro Müller, 116 – sala 1103 22290-906 Rio de Janeiro, RJ http://esr.rnp.br

info@esr.rnp.br

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) B816t Campanha Carrano, Ricardo

Tecnologias de Redes sem Fio / Omar Branquinho. – Rio de Janeiro: RNP/ESR, 2016 204 p. : il. ; 27,5 cm.

ISBN 978-85-63630-54-4

1. Redes sem fi o. 2. Redes de sensores sem fi o. 3. Redes sem fi o – planejamento e implantação. I. Título.

(7)

Sumário

Escola Superior de Redes

A metodologia da ESR xi Sobre o curso xii A quem se destina xii

Convenções utilizadas neste livro xii Permissões de uso xiii

Sobre o autor xiv

1.

Visão geral das redes locais sem fi o

Introdução 1

Comunicação sem fi o 2 Comunicação de dados 2

Sistemas de comunicação móvel 3 Alcance da comunicação móvel 3 Os precursores das redes locais sem fi o 5 Bandas não licenciadas 5

Bandas ISM 6 Bandas U-NII 7 IEEE 802.11 e Wi-Fi 7

Evolução do padrão IEEE 802.11 8 Principais emendas ao IEEE 802.11 8 Consolidações do padrão 9

(8)

O futuro do padrão: os drafts das emendas 10 Aplicações das redes locais sem fi o 10

2.

Arquitetura das redes IEEE 802.11

Introdução 13 Modos de operação 14

Os modos de operação infraestruturados 15 O modo de operação ad hoc 16

Outros modos de operação 17

Os elementos das arquiteturas IEEE 802.11 18 Conceitos arquiteturais: BSS 20

Conceitos arquiteturais: BSS Infraestruturado 20 Conceitos arquiteturais: iBSS 20

Conceitos arquiteturais: BSSID 21 Conceitos arquiteturais: ESS 22 Conceitos arquiteturais: ESSID 22 Redes de distribuição sem fi o, WDS 24

3.

A camada MAC do IEEE 802.11

Introdução 27 O CSMA/CD 28 O CSMA/CA 29

O problema do terminal escondido 30 Evitando terminais escondidos: RTS/CTS 31 O problema do terminal exposto 32

Detalhes do IEEE 802.11: funções de coordenação 32 Detalhes do IEEE 802.11: operação atômica 33 Detalhes do IEEE 802.11: intervalo entre quadros 33 Detalhes do IEEE 802.11: NAV 34

Detalhes do IEEE 802.11: backoﬀ exponencial 36 Detalhes do IEEE 802.11: resumo 37

(9)

Quadros de gerência e as operações da rede 41 Anunciando uma rede através de beacons 42

Indagando sobre redes: probe request e probe response 43 A operação de varredura 43

Autenticação 44 Associação 45 Outras Operações 45 Efi ciência do Wi-Fi 46

4.

Camada física

Introdução 49

O chipset IEEE 802.11 50

Preparando o quadro para transmissão: preâmbulo 50 Preparando o quadro para transmissão: postâmbulo (FCS) 50 Preparando o quadro para transmissão: codifi cação 51 Portadora 51

Modulação 52

Modulação por amplitude 52 Modulação por frequência 53 Modulação por fase 53

Bits e símbolos: modulação multinível 54 Largura de banda 55

Espalhamento espectral 55 Salto de frequências 56

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 57

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 57 Taxas de transmissão 58 IEEE 802.11 legado 58 IEEE 802.11a 58 IEEE 802.11b 59 IEEE 802.11g 59 IEEE 802.11n 60

(10)

IEEE 802.11ac 60 IEEE 802.11ad 61

Resumo das camadas físicas (PHYs) do IEEE 802.11 61 Efi ciência espectral 62

Taxa bruta de transmissão 63 Adaptação de taxa e cobertura 63 Canalização 64

5.

Equipamentos para redes IEEE 802.11

Introdução 67 Pontos de acesso 68

Pontos de acesso domésticos 69

Anatomia de um ponto de acesso doméstico 70 Soluções corporativas 70

Equipamento para ambientes externos 72 Pontos de acesso com múltiplas interfaces 73 Outras vantagens competitivas 74

Antenas 74

Diretividade de uma antena 75 Padrão de irradiação 76 Ganho em dBi 77 Antenas omnidirecionais 77 Antenas setoriais 79 Antenas direcionais 81 Formação de feixe 82

Outras características das antenas 82 Conectores 83

Cabos de RF (rádio frequência) 85

Outros dispositivos: adaptadores e amplifi cadores. 85 PoE (Power over Ethernet) 86

Cabeamento para instalações PoE 88 Analisadores de espectro portáteis 88

(11)

6.

Segurança

O problema da segurança 91

Problemas típicos das redes sem fi o 92 Evolução da segurança no Wi-Fi 93 WEP 93

WEP: autenticação 94 WEP: problemas 95 WPA 96

WPA: Personal vs. Enterprise 97 802.1X e EAP 98

WPA Enterprise na prática: Eduroam 99 WPA2 101

WPS 102 RSN 103

O que há de mais novo em segurança 104 Outras técnicas de segurança 104 Auditoria em Redes Wi-Fi 105 Ferramentas de Auditoria 106 Capturando Quadros 107 Analisando Quadros 107 Atacar a própria rede 108

7.

Propagação e enlaces de rádio

Introdução 111

Medidas logarítmicas, dB, dBi e dBm 112 Ganhos expressos em decibéis, dB 113 Potência em dBm 113

Ganho de diretividade, em dBi 114 Sensibilidade de um rádio, em dBm 114 Relação Sinal-Ruído, SNR 115

Propagação 116

(12)

Obstáculos à propagação 118 A refl exão e seus efeitos 119 A difração e seus efeitos 120 Ambientes internos 121 Ambientes externos 122

Margem de desvanecimento 123 Juntando tudo em um link budget 124 Enlaces ponto a ponto 126

8.

Projeto de redes IEEE 802.11

A importância do planejamento 129

Questões de planejamento: infraestrutura 130 Questões de planejamento: seleção de canais 132 Questões de planejamento: cobertura 133 Questões de planejamento: capacidade 135

Questões de planejamento: microcélulas vs. macrocélulas 137 Questões de planejamento: cenário 138

Questões de planejamento: orçamento 139 Site survey 140

Site survey: etapas 141

Site survey: pontos de acesso temporários 142 Site survey: software e hardware 142

Metodologia de planejamento 144

Metodologia de planejamento: levantamento de requisitos 144 Metodologia de planejamento: planta baixa ou mapa 145 Metodologia de planejamento: site survey prelimiar 146

Metodologia de planejamento: número e posicionamento dos APs 147 Metodologia de planejamento: escolha de antenas 149

Metodologia de planejamento: escolha de canais 150

Metodologia de planejamento: verifi cação dos requisitos e ajustes 151 Metodologia de planejamento: resumo 152

(13)

9.

Gerência e manutenção de redes IEEE 802.11

A importância da gerência 155

Degradação de desempenho vs. ausência de serviço 156 Desempenho da rede 158

Métricas de desempenho: vazão 158

Métricas de desempenho: perda de pacotes 160 Métricas de desempenho: latência 161

Métricas de desempenho: jitter 162 Avaliando o desempenho: métodos 163 Avaliando o desempenho: ferramentas 165 Monitorando a rede 166

Monitorando a rede: SNMP 167

Monitorando a rede: MRTG, Nagios e Zabbix 168 Outras fontes de informação 170

Problemas típicos em redes Wi-Fi 173

10.

Otimização de redes IEEE 802.11

Introdução 177 Ajustes de parâmetros 177 Limiar de fragmentação 178 Limiar de RTS 179 Potência de transmissão 180 Intervalo de beacon 180

Limitando o conjunto de taxas suportadas 181 Compromisso entre largura de canal e competição 182 Ajustes para enlaces de longa distância 183

Firmwares abertos e seus benefícios (openwrt, dd-wrt etc.) 184 Openwrt 185

(14)

(15)

A Escola Superior de Redes (ESR) é a unidade da Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP) responsável pela disseminação do conhecimento em Tecnologias da Informação e Comunica-ção (TIC). A ESR nasce com a proposta de ser a formadora e disseminadora de competências em TIC para o corpo técnico-administrativo das universidades federais, escolas técnicas e unidades federais de pesquisa. Sua missão fundamental é realizar a capacitação técnica do corpo funcional das organizações usuárias da RNP, para o exercício de competências aplicá-veis ao uso efi caz e efi ciente das TIC.

A ESR oferece dezenas de cursos distribuídos nas áreas temáticas: Administração e Projeto de Redes, Administração de Sistemas, Segurança, Mídias de Suporte à Colaboração Digital e Governança de TI.

A ESR também participa de diversos projetos de interesse público, como a elaboração e execução de planos de capacitação para formação de multiplicadores para projetos edu-cacionais como: formação no uso da conferência web para a Universidade Aberta do Brasil (UAB), formação do suporte técnico de laboratórios do Proinfo e criação de um conjunto de cartilhas sobre redes sem fi o para o programa Um Computador por Aluno (UCA).

A metodologia da ESR

A fi losofi a pedagógica e a metodologia que orientam os cursos da ESR são baseadas na aprendizagem como construção do conhecimento por meio da resolução de problemas típi-cos da realidade do profi ssional em formação. Os resultados obtidos nos cursos de natureza teórico-prática são otimizados, pois o instrutor, auxiliado pelo material didático, atua não apenas como expositor de conceitos e informações, mas principalmente como orientador do aluno na execução de atividades contextualizadas nas situações do cotidiano profi ssional. A aprendizagem é entendida como a resposta do aluno ao desafi o de situações-problema semelhantes às encontradas na prática profi ssional, que são superadas por meio de análise, síntese, julgamento, pensamento crítico e construção de hipóteses para a resolução do pro-blema, em abordagem orientada ao desenvolvimento de competências.

Dessa forma, o instrutor tem participação ativa e dialógica como orientador do aluno para as atividades em laboratório. Até mesmo a apresentação da teoria no início da sessão de apren-dizagem não é considerada uma simples exposição de conceitos e informações. O instrutor busca incentivar a participação dos alunos continuamente.

(16)

As sessões de aprendizagem onde se dão a apresentação dos conteúdos e a realização das atividades práticas têm formato presencial e essencialmente prático, utilizando técnicas de estudo dirigido individual, trabalho em equipe e práticas orientadas para o contexto de atua-ção do futuro especialista que se pretende formar.

As sessões de aprendizagem desenvolvem-se em três etapas, com predominância de tempo para as atividades práticas, conforme descrição a seguir:

Primeira etapa: apresentação da teoria e esclarecimento de dúvidas (de 60 a 90 minutos).

O instrutor apresenta, de maneira sintética, os conceitos teóricos correspondentes ao tema da sessão de aprendizagem, com auxílio de slides em formato PowerPoint. O instrutor levanta questões sobre o conteúdo dos slides em vez de apenas apresentá-los, convidando a turma à refl exão e participação. Isso evita que as apresentações sejam monótonas e que o aluno se coloque em posição de passividade, o que reduziria a aprendizagem.

Segunda etapa: atividades práticas de aprendizagem (de 120 a 150 minutos).

Esta etapa é a essência dos cursos da ESR. A maioria das atividades dos cursos é assíncrona e realizada em duplas de alunos, que acompanham o ritmo do roteiro de atividades proposto no livro de apoio. Instrutor e monitor circulam entre as duplas para solucionar dúvidas e oferecer explicações complementares.

Terceira etapa: discussão das atividades realizadas (30 minutos).

O instrutor comenta cada atividade, apresentando uma das soluções possíveis para resolvê-la, devendo ater-se àquelas que geram maior difi culdade e polêmica. Os alunos são convidados a comentar as soluções encontradas e o instrutor retoma tópicos que tenham gerado dúvidas, estimulando a participação dos alunos. O instrutor sempre estimula os alunos a encontrarem soluções alternativas às sugeridas por ele e pelos colegas e, caso existam, a comentá-las.

Sobre o curso

O curso introduz os princípios da comunicação sem fi o, com os diversos tipos e padrões de redes sem fi o (Wi-Fi, Bluetooth), bem como suas aplicações no contexto das redes de comunicação. Serão apresentados estudos de caso e realizados experimentos práticos e projetos de uma rede sem fi o. O curso fornece ao aluno condições de selecionar o padrão que melhor atenda às suas necessidades, planejar a instalação da rede sem fi o, utilizar ferramentas de monitoração, bem como instalar, confi gurar e acessar redes locais sem fi o.

A quem se destina

O público-alvo é composto por profi ssionais de redes (segmento corporativo) e estudantes de informática (formandos em Ciência da Computação/Informática), interessados em obter conhecimentos teóricos e práticos para projeto, montagem e avaliação de redes locais sem fi o baseadas no padrão IEEE 802.11, sobre os equipamentos necessários para a montagem de redes sem fi o e sobre técnicas para a realização de um projeto adequado de rede.

Convenções utilizadas neste livro

As seguintes convenções tipográfi cas são usadas neste livro:

Itálico

(17)

Largura constante

Indica comandos e suas opções, variáveis e atributos, conteúdo de arquivos e resultado da saída de comandos. Comandos que serão digitados pelo usuário são grifados em negrito e possuem o prefi xo do ambiente em uso (no Linux é normalmente # ou $, enquanto no Windows é C:\).

Conteúdo de slide q

Indica o conteúdo dos slides referentes ao curso apresentados em sala de aula.

Símbolo w

Indica referência complementar disponível em site ou página na internet.

Símbolo d

Indica um documento como referência complementar.

Símbolo v

Indica um vídeo como referência complementar.

Símbolo s

Indica um arquivo de aúdio como referência complementar.

Símbolo !

Indica um aviso ou precaução a ser considerada.

Símbolo p

Indica questionamentos que estimulam a refl exão ou apresenta conteúdo de apoio ao entendimento do tema em questão.

Símbolo l

Indica notas e informações complementares como dicas, sugestões de leitura adicional ou mesmo uma observação.

Permissões de uso

Agradecemos sempre citar esta fonte quando incluir parte deste livro em outra obra. Exemplo de citação: TORRES, Pedro et al. Administração de Sistemas Linux: Redes e Segurança. Rio de Janeiro: Escola Superior de Redes, RNP, 2013.

Comentários e perguntas

Para enviar comentários e perguntas sobre esta publicação: Escola Superior de Redes RNP

Endereço: Av. Lauro Müller 116 sala 1103 – Botafogo Rio de Janeiro – RJ – 22290-906

(18)

Sobre o autor

Diego Passos recebeu os títulos de graduação em Ciência da Computação, e mestrado e

doutorado em Computação pela Universidade Federal Fluminense em 2007, 2009 e 2013, respectivamente. De 2013 a 2014, trabalhou como pesquisador visitante, modalidade de pós-doutorado, no Instituto de Computação da UFF. Atualmente, é Professor Adjunto do Departamento de Ciência da Computação da mesma instituição. Nos últimos 10 anos, participou de diversos projetos de pesquisa e desenvolvimento científi co na área de Redes de Computadores. Sua tese de doutorado, fruto das pesquisas desenvolvidas nesta área, recebeu uma menção honrosa no Prêmio CAPES de Tese 2014. Atualmente, seus interesses de pesquisa incluem Redes Sem Fio de Múltiplos Saltos, Codifi cação de Rede e Roteamento em Redes Sem Fio.

Helga D. Balbi possui graduação em Produção Fonográfi ca pela Universidade Estácio de Sá

(2007), graduação em Engenharia de Telecomunicações pela Universidade Federal Fluminense (2009) e mestrado em Engenharia de Telecomunicações pela Universidade Federal Fluminense (2012). Atualmente cursa o Doutorado em Computação na Universidade Federal Fluminense com foco de pesquisa em redes sem fi o densas. No decorrer dos últimos anos atuou em diversos projetos de pesquisa na área de redes, como os projetos REMOTE, GT-SCIFI e RUCA 2. Suas áreas de interesse incluem redes sem fi o densas e redes cognitivas.

Ricardo Campanha Carrano é engenheiro de telecomunicações formado em 1995 pela

Universidade Federal Fluminense. Em 2009, obteve o título de Mestre em Engenharia de Telecomunicações e, em 2013, o de Doutor em Computação, ambos pela mesma instituição. É professor adjunto do Departamento de Engenharia de Telecomunicações desde 2010. Foi empresário e participou na implementação de provedores de acesso, no início da Internet comercial brasileira. Atuou como engenheiro de redes para a ONG internacional One Laptop per Child e também em diversos projetos de pesquisa em redes sem fi o fi nanciados pelo MEC, pela RNP e por empresas privadas.

(19)

Ca pí tu lo 1 - V is ão g er al d as r ed es l oc ai s s em fi o

1 Visão geral das redes locais

sem fio

Conhecer as redes locais sem fi o e o padrão IEEE 802.11 (Wi-Fi), estudando sua evolução e aplicações, e compreendendo o processo de padronização e certifi cação dos equipamentos.

IEEE 802.11; Emendas ao padrão IEEE 802.11; Wi-Fi; banda não licenciada (bandas ISM e U-NII).

Introdução

q

Redes locais sem fi o (WLANs – Wireless Local Area Networks). 1 Extensão das redes locais cabeadas (LANs).

1 Surgidas a partir do fi nal dos anos 1990.

1 Conectam dispositivos móveis como notebooks, tablets e smartphones. 2 E também dispositivos fi xos, como impressoras, TVs e desktops. Em comparação às redes cabeadas (LANs):

1 WLANs são mais baratas e práticas de instalar e manter.

1 WLANs são mais desafi adoras em termos de segurança, desempenho e escalabilidade. Com a popularização dos dispositivos computacionais portáteis, veio a necessidade de sua interligação à infraestrutura de redes de dados cabeada. Assim, as redes locais sem fi o, ou WLANs (Wireless Local Area Networks), surgiram como uma extensão natural das redes locais cabeadas – ou LANs (Local Area Networks) –, a partir do fi nal da década de 1990. Essa tendência, impulsionada inicialmente pelos notebooks, e depois mantida por tablets e smartphones, permanece hoje, ao ponto de os dispositivos móveis superarem, em número e tráfego gerado, os antes reinantes dispositivos fi xos, como os desktops.

As vantagens da mobilidade vão além do conforto e praticidade desfrutados pelos usuários. Redes locais sem fi o são também mais baratas e rápidas de instalar. Por isso, WLANs são usadas também para conectar dispositivos fi xos, como impressoras e TVs, e até mesmo desktops, em situações onde implantar uma infraestrutura de cabeamento é difícil – ou impossível –, como em prédios históricos ou para instalações provisórias nas quais o investimento fi nanceiro

ob

je

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s

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Te cn ol og ia s d e R ed es s em F io

necessário não seria razoável. Outra situação que pode justifi car o uso de uma tecnologia sem fi o é na interligação de segmentos de redes cabeadas locais relativamente distantes ou sepa-radas por uma região na qual a passagem de cabeamento não é viável (por exemplo, uma área pública aberta sem uma infraestrutura prévia para suporte do cabeamento).

Há, no entanto, um custo a pagar em termos de segurança, desempenho e escalabilidade. Em comparação com as redes cabeadas, o projeto, a execução e a manutenção de uma WLAN apresentam desafi os próprios e demandam um novo conjunto de conhecimentos por parte dos técnicos e engenheiros responsáveis por essas atividades. A aquisição desses conhecimentos é o objetivo central deste curso.

Comunicação sem fio

q

A comunicação sem fi o já tem uma longa história. 1 Surgimento do rádio na década de 1890.

1 Evolução, no século XX, da comunicação em massa: rádio e TV. 1 Telefonia móvel, a partir do fi nal do século XX.

1 Redes locais sem fi o, também a partir do fi nal do século XX. A comunicação sem fi o tem desafi os próprios.

1 Atenuação do sinal, interferências, segurança.

A rede local sem fi o é um exemplar de uma ampla família de sistemas de comunicação baseados em rádios e, por isso, parte de uma história que já ultrapassa um século de existência. A comunicação sem fi o foi inaugurada com o surgimento do rádio na década de 1890 e, desde então, evoluiu constantemente, fazendo surgir os sistemas de comunicação em massa, como o rádio e a televisão e, posteriormente, revolucionando a comunicação pessoal, através da telefonia móvel.

No entanto, como veremos na sessão de aprendizagem 7, a comunicação sem fi o é desafi a-dora. Os sinais de rádio tendem a perder muito de sua energia ao se propagarem, isto é, são atenuados fortemente com a distância. Além disso, estão sujeitos à interferência de outros dispositivos que utilizem as mesmas frequências. Isso sem contar com o fato de o sinal pro-pagado poder ser capturado por qualquer dispositivo próximo, um desafi o para a segurança das comunicações por rádio, assunto da sessão de aprendizagem 6.

Comunicação de dados

q

Sistemas especializados: TV, rádio e telefonia. 1 Sendo incorporados pela internet.

1 Comutação de pacotes substituindo os fl uxos de dados contínuos. Pacotes: a informação fracionada.

1 Cabeçalhos (e, em alguns casos, rodapés) acrescentados.

2 Acréscimo de endereços e outros parâmetros da comunicação.

Hoje, os sistemas especializados, concebidos para uma única aplicação, estão sendo gradualmente incorporados pelas redes de comunicação de dados de uso geral, isto é, tragados pela internet.

Nesse novo capítulo da Era da Informação, os rádios continuam sendo protagonistas, deixando de servir apenas como transmis-sores e receptores de áudio e vídeo, mas aderindo ao paradigma da comunicação através de pacotes de dados.

(21)

Em vez da transmissão de um fl uxo contínuo de dados, como ocorre, por exemplo, nos sis-temas de rádio e televisão ou na telefonia fi xa, nas redes de pacotes a informação é dividida em partes transmitidas separada e sequencialmente. Cada uma dessas partes constitui um pacote ao qual são acrescentadas informações auxiliares, como cabeçalhos e rodapés, que permitem o endereçamento dos nós envolvidos e a negociação de diversos parâmetros da comunicação, como a taxa de transmissão, o tipo de modulação (assuntos abordados na sessão de aprendizagem 4) ou de técnica criptográfi ca usada para proteger os dados (como veremos na sessão de aprendizagem 6), entre outros.

A internet é uma rede de pacotes, e foi através da incorporação de rádios transmissores de pacotes que ela se tornou realmente ubíqua e nos acompanha não apenas no trabalho e em casa, mas também no trajeto entre ambos, nas viagens e no lazer. São os rádios presentes em nossos smartphones, notebooks e tablets que nos mantêm constantemente conectados.

Sistemas de comunicação móvel

q

Comunicação (de pacotes) de dados sem fi o evoluiu em dois ramos: 1 Sistemas de telefonia móvel:

2 Originalmente, sistemas especializados no transporte de voz. 2 Incorporaram mensagens de texto.

2 Gradativamente migraram para o paradigma de redes de pacotes. 2 Criados e mantidos por grandes empresas do setor de telecomunicações. 2 Principal forma de conectividade em ambiente externo (outdoor). Redes locais sem fi o:

2 Redes de pacotes, na origem.

2 Independem de grandes investimentos.

2 Principal forma de conectividade em ambiente interno (indoor).

Os sistemas de comunicação de dados sem fi o se desenvolveram a partir de aplicações distintas, que podem ser vistas como dois ramos evolutivos de sua história. O primeiro, surgido nos anos 1990, é o das redes locais sem fi o (WLANs), criadas como uma extensão das já então populares redes locais cabeadas (LANs). O segundo está enraizado na evolução da telefonia móvel, que deixou, gradativamente, de ser um sistema para transporte de voz e mensagens de texto e tornou-se um sistema de comunicação de pacotes, capaz de trans-portar qualquer tipo de informação digitalizada.

O primeiro ramo é o que nos interessa. As redes locais sem fi o independem dos investi-mentos bilionários no setor de comunicação, e podem ser instaladas facilmente e com baixo investimento. Por isso, estão presentes em nossas casas, no ambiente corporativo e também nos espaços públicos. As redes locais sem fi o complementam a infraestrutura de comunicação das operadoras de telefonia móvel, advindas do segundo ramo mencionado acima, e são a principal fonte de conectividade nos ambientes internos.

Alcance da comunicação móvel

q

Redes sem fi o podem ser classifi cadas em função do alcance. 1 WPAN: redes pessoais.

(22)

q

1 WLAN: redes locais. 2 Wi-Fi.

1 WMAN: redes metropolitanas. 2 LTE e Wimax.

1 WWAN, WRAN: redes de longa distância e redes regionais. 2 Ainda por vir.

As redes de comunicação sem fi o também podem ser classifi cadas em função de seu alcance ou área de cobertura. Uma rede pessoal sem fi o (WPAN, da sigla em inglês para Wireless Personal Area Network), por exemplo, existe para conectar os dispositivos per-tencentes a um único indivíduo, como smartphones, fones de ouvido, microfones sem fi o, pedômetros instalados nos tênis, relógios inteligentes e até sensores para monitoramento de parâmetro vitais, como frequência cardíaca ou concentração de oxigênio no sangue. Padrões amplamente usados nessas redes pessoais (às vezes também chamadas de redes corporais) são o Bluetooth e o Zigbee.

A próxima categoria, em termos das distâncias envolvidas na comunicação, é a das redes locais sem fi o (WLAN – Wireless Local Area Network) cuja principal aplicação é a cobertura de áreas comuns, como residências e escritórios, para a interconexão de dispositivos operados por usuários distintos. Tipicamente, o alcance dessas redes não supera as dezenas ou poucas centenas de metros. Quando se deseja cobrir uma área maior, como um edifício inteiro, a solução mais usual é a distribuição de diversos equipamentos pela área de cobertura dese-jada, apesar de equipamentos de maior alcance serem oferecidos por alguns fabricantes. As redes sem fi o metropolitanas (WMAN – Wireless Metropolitan Area Network), categoria seguinte, são projetadas para cobrir bairros inteiros ou pequenas cidades. O Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) é uma tecnologia baseada no padrão IEEE 802.16, que, durante os anos 2000, foi vista como o futuro das comunicações sem fio em longa distância. O Wimax viabilizaria as WMANs, atuando como um Wi-Fi de longa distância, com alcance de quilômetros e taxas de transferência elevadas (da ordem de dezenas de Mb/s). Seria um concorrente direto das tecnologias DSL (Digital Subscriber Line), usadas para o acesso banda larga através da rede de telefonia fi xa, e dos cable modems, usados pelas opera-doras de TV a cabo com o mesmo objetivo. Apesar de promissor, o Wimax acabou espremido entre os avanços na tecnologia DSL, que permitiram o aumento das taxas de transferência de dados, e a evolução da comunicação de dados pela rede de telefonia móvel de terceira geração (3G) e, mais recentemente, através da tecnologia LTE (Long Term Evolution). Apesar de acrônimos para redes de maior alcance terem sido propostos pela literatura de redes, como redes de longa distância sem fi o (WWAN – Wireless Wide Area Network) ou redes regionais sem fi o (WRAN – Wireless Regional Area Network), redes de acesso sem fi o com enlaces quilométricos (ou seja, com dispositivos se comunicando a distâncias de vários quilômetros) ainda não são uma realidade. É verdade que enlaces sem fi o com centenas ou até milhares de quilômetros de extensão não são incomuns (de fato, enlaces sem fi o permitem a comunicação com as sondas espaciais Voyager 1 e 2, lançadas em 1977, e agora a vários bilhões de quilômetros da Terra!).

No entanto, esses enlaces de longa distância são utilizados para comunicação ponto-a-ponto e não ponto-multiponto, como seria o objetivo das WxAN. É importante notar que, em termos de abrangência, a redes de telefonia celular, sobretudo as baseadas na tecnologia GSM, permitiram o surgimento de uma rede de comunicação sem fi o global, apesar de formada por enlaces de curta distância.

De fato, hoje, as WMAN são dominadas pelo LTE, também chamado 4G, ou quarta geração da telefonia móvel.

(23)

Finalmente, a comunicação por satélite também é capaz de cobrir grandes áreas.

No entanto, os custos e a capacidade desses sistemas são ainda inadequados para suportar uma rede de comunicação de dados massiva.

Os precursores das redes locais sem fio

q

ALOHAnet.

1 Criado pela Universidade do Havaí, nos anos 1970. 1 Comutação de pacotes.

1 Protocolos ALOHA e slotted ALOHA infl uenciaram diversos sistemas. WaveLAN.

1 Introduzido em 1988 por AT&T, Lucent e NCR. 1 Precursor direto do Wi-Fi.

HiperLAN.

1 Concorrente europeu. 1 Não obteve êxito comercial.

Mesmo antes do surgimento das redes locais sem fi o, enlaces de rádio já estavam sendo utilizados para o transporte de dados paquetizados, isso é, de pacotes. O precursor dessa tecnologia foi a ALOHAnet, uma rede criada para conectar instalações na Universidade do Havaí, surgida nos anos 1970. Apesar de não estar mais em uso, o protocolo ALOHA, que suportava essa rede, assim como seu sucessor, o slotted-ALOHA, infl uenciaram o projeto de diversos protocolos usados em redes cabeadas, como o Ethernet, e também em comunica-ções sem fi o, como sistemas via satélite, sistemas RFID e no sistema de telefonia móvel GSM. No entanto, o primeiro capítulo na história do desenvolvimento das WLANs foi a introdução, em 1988, do sistema WaveLAN, pelas empresas AT&T, Lucent e NCR. Esse é considerado o padrão pré 802.11 ou seja, o precursor direto do Wi-Fi. Ainda no fi nal dos anos 1980, o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) iniciou um Grupo de Trabalho (GT) com o objetivo de padronizar a tecnologia introduzida pelo WaveLAN, surgindo assim o GT IEEE 802.11 e, como consequência, o Wi-Fi.

Nos últimos anos, o Wi-Fi tornou-se a tecnologia dominante nas WLANs, e a maioria de seus competidores representam pouco mais do que curiosidades históricas, ou estão limitadas a nichos de mercado. O padrão europeu HiperLAN, por exemplo, nunca obteve êxito comer-cial, apesar de sua segunda versão, HiperLAN/2, ter infl uenciado o IEEE 802.11a. Outras tecnologias, como o ARLAN, da Aironet (hoje adquirida pela Cisco), que chegaram a competir com o WaveLAN, foram posteriormente descontinuadas.

Bandas não licenciadas

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O uso do espectro eletromagnético é regulado por agências governamentais (ANATEL e FCC).

1 Recomendações da União Internacional de Telecomunicações (UIT).

Para operar em uma frequência, é preciso ter a concessão ou uma licença de uso. 1 Concessão: leilões bilionários.

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Bandas não licenciadas dispensam concessão ou licença. 1 Bandas ISM.

1 Banda U-NII.

Em todo o mundo, sistemas de comunicação sem fi o estão sujeitos à regulamentação do uso do espectro de rádio frequências. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) busca organizar o uso em escala global, e os países membros implementam suas políticas através de agências nacionais, como a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações), no Brasil, ou o FCC (Federal Communications Commission), nos Estados Unidos.

Em geral, para operar em uma faixa de frequências, é preciso obter uma licença ou adquirir a concessão de uso da faixa, o que pode custar bilhões de reais, como visto recentemente nos leilões realizados para aquisição das frequências para implantação da telefonia móvel de quarta geração (4G) no Brasil. Em síntese, a maior parte do espectro eletromagnético utilizável em sistemas de comunicação é licenciada.

Existem, no entanto, faixas de frequências não licenciadas, que podem ser usadas por qual-quer dispositivo, respeitados certos parâmetros de operação. Essas regras (por exemplo, a potência de transmissão máxima permitida) existem principalmente para permitir a coexis-tência harmoniosa de aplicações e usuários distintos.

Entre as bandas não licenciadas mais amplamente usadas estão a família de bandas ISM e a banda U-NII. Sua regulamentação foi fundamental para a disseminação das redes locais sem fi o.

Bandas ISM

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ISM: Industrial, Scientifi c and Medical.

1 Diversas faixas do espectro eletromagnético.

1 Mais populares são: 2,4 a 2,5 GHz e 5,725 a 5,825 GHz. 2 Ambas utilizadas atualmente no Wi-Fi.

2 Outras faixas serão utilizadas pelo Wi-Fi no futuro (900 a 928 MHz e 61 a 61,5 GHz). As bandas ISM (Industrial, Scientifi c and Medical), defi nidas pela União Internacional de Teleco-municações (UIT) e listadas na tabela a seguir são especialmente populares. A faixa entre 2,4 e 2,5 GHz é utilizada por tecnologias tão diversas quanto as redes locais sem fio, redes pessoais sem fio e por dispositivos como controles para consoles de videogame e telefones sem fi o. É também a faixa de frequências utilizada para aquecer alimentos nos fornos de micro-ondas. As bandas ISM de maior interesse para as WLAN são as faixas entre 2,4 e 2,5 GHz e entre 5,725 e 5,875 GHz. As faixas entre 900 e 928 MHz, e 61 a 61,5 GHz também estão sendo cogi-tadas para uso no futuro próximo.

Nem todas as bandas ISM estão regulamentadas para uso em todos os países, e mesmo aquelas marcadas como mundiais estão também sujeitas à legislação de cada país. No Brasil (que pertence à Região 2), a norma legal é ditada pela Resolução Anatel 506, de 2008, que determina como devem operar os chamados Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita, e limita suas emissões à faixa entre 2,4 e 2,4835 GHz. Assim, na prática, a alocação difere da recomendada pelo ITU, que seria de 2,4 a 2,5 GHz.

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Faixa de frequências Largura da faixa Abrangência

6,765 a 6,795 MHz 30 kHz Sujeita à aceitação local

13,553 a 13,567 MHz 14 kHz Mundial

433,05 a 434,79 MHz 1,74 MHz Região 1, sujeita à aceitação

902 a 928 MHz 28 MHz Região 2 (com exceções)

2,4 a 2,5 GHz 100 MHz Mundial

5,725 a 5,875 GHz 150 MHz Mundial

24 a 25 GHz 250 MHz Mundial

61 a 61,5 GHz 500 MHz Sujeita à aceitação local

122 a 123 GHz 1 GHz Sujeita à aceitação local

244 a 246 GHz 2 GHz Sujeita à aceitação local

Bandas U-NII

Outra banda não licenciada, a U-NII, compreende algumas faixas de frequências entre 5,150 e 5,825 GHz, organizadas nas sub-bandas listadas na tabela 1.2. Note que a chamada banda U-NII 3 coincide com a banda ISM entre 5,725 e 5,875 GHz. As diversas sub-bandas estão reservadas para usos distintos (interno ou externo) e diferentes potências máximas de transmissão.

Sub-banda Faixa de frequência Largura da faixa

U-NII 1 (ou Baixa) 5,15 a 5,25 GHz 100 MHz

U-NII 2 (ou Média) 5,25 a 5,35 GHz 100 MHz

U-NII 2e (ou Mundial) 5,47 a 5,725 GHz 255 MHz

U-NII 3 (ou Alta) 5,725 a 5,825 GHz 150 MHz

IEEE 802.11 e Wi-Fi

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O padrão IEEE 802.11 foi publicado em 1997. 1 Problemas de interoperabilidade. Wi-Fi Alliance, criada em 1999.

1 Certifi cação de produtos para garantir interoperabilidade. 1 Mais de 550 membros. Tabela 1.1 Bandas ISM defi nidas pela União Internacional de Telecomunicações. Tabela 1.2 Bandas U-NII. Figura 1.1 Logo da Wi-Fi Alliance.

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A primeira versão do padrão IEEE 802.11 foi publicada em 1997. No entanto, os primeiros produtos lançados apresentavam problemas de interoperabilidade. Isso motivou diversos fabricantes de equipamentos e microchips a formarem a Wi-Fi Alliance, em 1999, uma entidade que seria responsável pela verifi cação de interoperabilidade e certifi cação dos produtos, que passariam a receber o selo Wi-Fi (fi gura 1.2). A entidade hoje conta com mais de 550 membros.

Evolução do padrão IEEE 802.11

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Evolução do padrão IEEE 802.11 tem sido permanente. 1 Melhorias na segurança.

1 Maiores taxas de transferência de dados. 1 Adequação à legislação.

A evolução se dá por emendas publicadas por forças-tarefa.

1 As forças-tarefa são identifi cadas por letras “a”, “b”,..., “z”, “aa”, “ab”,..., “ay”,...

Desde seu lançamento, o padrão IEEE 802.11, não parou de evoluir. Em alguns casos, foram necessárias mudanças no padrão para torná-lo mais seguro. Em outros, para adequação a normas e legislações de alguns países ou, ainda, para criação de novas funcionalidades. No entanto, as mudanças mais populares ocorreram no sentido de aumentar as taxas máximas de transmissão suportadas pelo padrão. Para se ter uma ideia da rápida evolução, inicial-mente o padrão suportava as taxas de 1 ou 2Mb/s (megabits por segundo). Menos de vinte anos depois, as taxas suportadas já superam os Gb/s (gigabits por segundo) – aumento da ordem de 1.000 vezes!

Essas mudanças são acrescentadas ao padrão sob a forma de emendas. Para cada mudança identifi cada como necessária pelo IEEE, uma força-tarefa é criada dentro do grupo IEEE 802.11. Como ocorre em outros padrões do IEEE, as forças-tarefas são identifi cadas por letras acrescentadas no fi nal do nome do padrão. Assim, as primeiras emendas ao padrão IEEE 802.11, que surgiram já em 1999, foram identifi cadas como emendas “a” e “b”, levadas a cabo pelas forças-tarefa IEEE 802.11a e IEEE 802.11b, respectivamente.

Principais emendas ao IEEE 802.11

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Aumento da taxa de transmissão: 1 Padrão original: 1 e 2 Mb/s.

1 “a” (1999) taxas de até 54 Mb/s, na faixa de 5 GHz. 1 “b” (1999) taxas de até 11 Mb/s, na faixa de 2,4 GHz. 1 “g” (2003) taxas de até 54 Mb/s, na faixa de 2,4 GHz. 1 “n” (2009) taxas de até 600 Mb/s, nas faixa de 2,4 e 5 GHz. 1 “ac” (2013) taxas de até 3,39 Gb/s, na faixa de 5 GHz. 1 “ad” (2012) taxas de até 6,75 Gb/s, na faixa de 60 GHz.

Figura 1.2

Logo usado para produtos certifi cados Wi-Fi.

As mudanças no padrão têm sido tão constantes que as letras do alfabeto já se esgotaram, e as novas emendas são agora identifi cadas por duas letras. Exemplos são as emendas “ac”, “ad”, “ax” e “ay”, dedicadas a continuar aumentando a taxa de transmissão de dados do padrão.

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Outros exemplos de emendas:

1 “i”: melhorou a segurança do padrão original. 1 “p”: redes veiculares.

1 “af”: utilização de canais de TV ociosos. 1 “j”: adequação à legislação japonesa. 1 “s”: comunicação em múltiplos saltos.

O padrão IEEE 802.11 já recebeu dezenas de emendas. Algumas foram vitais para impul-sionar a adoção universal do Wi-Fi, enquanto outras tiveram um papel menor ou acabaram se tornando irrelevantes. Entre as emendas populares estão aquelas que aumentaram a taxa de transmissão, como as emendas “a”, “b”, “g” e “n”, e as recentes emendas “ac” e “ad”. Também fundamental foi a emenda “i”, que resolveu diversos problemas de segurança da versão inicial do padrão.

Algumas emendas foram criadas para adaptar o padrão a novas aplicações. Um exemplo é a emenda “p”, criada para Redes Veiculares, que objetiva suportar a comunicação entre veículos automotivos e desses com uma infraestrutura de comunicação instalada ao longo das ruas e rodovias. Outro exemplo é a emenda “af”, que permite às redes Wi-Fi o uso de eventuais faixas de espectro ociosas deixadas por transmissoras de TV.

Existem também as emendas que adaptam o padrão ao funcionamento em certos domínios regulatórios. É o caso da emenda “j”, que foi criada com vistas ao mercado japonês e permite a operação em uma faixa de frequências específi ca daquele país (4,9 a 5 GHz). Já emenda “d” foi criada para permitir que um dispositivo se adapte automaticamente às normas de operação em um certo domínio, ajustando, por exemplo, a potência máxima de suas trans-missões de acordo com o país em que está sendo utilizado.

A emenda “s” implementa a comunicação em múltiplos saltos, assunto ao qual voltaremos adiante, e é um exemplo de emenda que, pelo menos até o momento, ainda não foi adotada comercialmente. Isso ilustra a diferença entre o padrão IEEE 802.11 e o produto Wi-Fi. Nem todas as funcionalidades do padrão são obrigatórias para que o produto seja certifi cado como Wi-Fi.

Consolidações do padrão

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Após a publicação original (1997), o padrão já foi atualizado três vezes: 1 IEEE 802.11-1997: versão original (legada).

1 IEEE 802.11-1999: pequenas mudanças no texto. 1 IEEE 802.11-2007: consolidação (802.11a, b, d, e, g, h, i, j). 1 IEEE 802.11-2012: consolidação (802.11k, r, y, n, w, p, z, v, u, s).

O padrão IEEE 802.11 foi publicado em 1997 e, dois anos depois, uma nova versão do documento foi lançada, trazendo pequenos aprimoramentos no texto, com o objetivo de esclarecer certos pontos obscuros. Essas duas versões, referidas como IEEE 802.11-1997 e IEEE 802.11-1999 são hoje chamadas de versões legadas do padrão.

De tempos em tempos, o IEEE publica uma nova versão do padrão que incorpora as emendas já aprovadas. Isso aconteceu em 2007, com a incorporação das emendas “a”, “b”, “d”, “e”, “g”, “h”, “i” e “j”, e, em 2012, com a incorporação das emendas “k”, “r”, “y”, “n”, “w”, “p”, “z”, “v”, “u” e “s”. Os fabricantes, no entanto, geralmente continuam a se referir às emendas, de maneira a destacar as funcionalidades oferecidas pelo equipamento, e também porque

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O futuro do padrão: os drafts das emendas

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As emendas atuais apontam para o futuro do Wi-Fi. 1 “ah” – internet das coisas, 900 MHz, maior alcance. 1 “ax” – Evolução do IEEE 802.11ac.

1 “ay” – Evolução do IEEE 802.11ad.

Antes da publicação fi nal de uma emenda que, tipicamente, ocorrerá apenas alguns anos após a criação da força-tarefa, versões preliminares do texto são divulgadas sob a forma de drafts (rascunhos ou versões preliminares). Acompanhando os drafts, é possível olhar para o futuro da tecnologia de redes locais sem fi o.

Alguns dos drafts atuais incluem a futura emenda “ah”. Trata-se de uma adaptação do padrão para suportar a internet das coisas, ou seja, a conexão à internet de dispositivos embarcados. Um exemplo é o dos medidores de consumo elétrico, instalados em nossas residências. Através do IEEE 802.11ah, eles poderão enviar os dados de consumo para dispositivos agregadores que os enviariam à concessionária (distribuidora), eliminando a necessidade de leitura manual.

Os grupos de trabalho existem não apenas para adaptar o padrão, mas para garantir a sua relevância no futuro. Assim, já existem grupos trabalhando na emenda “ax” evolução da emenda “ac”, que apenas recentemente foi ratifi cada. A previsão de publicação do IEEE 802.11ax é 2019. Da mesma forma, a emenda “ay”, prevista para 2017, será a evolução da recente emenda “ad”.

Aplicações das redes locais sem fio

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Conectar dispositivos sem fi o à infraestrutura cabeada é a principal aplicação. 1 Residências.

1 Empresas. 1 Espaços públicos.

Enlaces ponto-a-ponto também são possíveis. 1 Baixo custo dos equipamentos.

Aplicações futuras:

1 Internet das coisas: iEEE 802.11ah. 1 Redes veiculares: iEEE 802.11p.

A principal aplicação das redes locais sem fi o é a extensão das redes cabeadas. Com o aumento do uso de dispositivos móveis, as WLANs se tornaram indispensáveis no ambiente doméstico e vêm sendo amplamente utilizadas no ambiente corporativo. Nos espaços públicos, como aeroportos, restaurantes ou até em ambientes externos, como praças e parques, têm proliferado os chamados hotspots, que provêm acesso muitas vezes gratuito à internet. Nos últimos anos, a produção em escala dos chipsets Wi-Fi reduziu drasticamente os custos de integração da tecnologia Wi-Fi a diversos dispositivos eletrônicos, como TVs e até mesmo lâmpadas de LED. O barateamento dos equipamentos também tornou o Wi-Fi atrativo a outras aplicações, como por exemplo, a instalação de enlaces ponto-a-ponto. Com boas con-dições de visada (percurso desobstruído) entre os rádios, a comunicação a vários quilômetros de distância é possível, alterando a antena de equipamentos Wi-Fi de prateleira.

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Em 2007, um enlace com mais de 380 km de extensão foi estabelecido entre duas mon-tanhas na Venezuela, obtendo taxa de transmissão de 3 Mb/s. Recordes à parte, enlaces ponto-a-ponto com roteadores sem fi o Wi-Fi, interligando prédios separados por alguns quilômetros de distância, estão sendo amplamente utilizados em todo o mundo. Fabricantes como a Cisco, Motorola, Ubiquiti e Proxim, entre outros, oferecem equipamentos especifi ca-mente otimizados para a criação de enlaces ponto-a-ponto.

Possíveis aplicações futuras do padrão IEEE 802.11 incluem as já citadas Redes Veiculares (através da emenda “p”) e a internet das coisas (através da emenda “ah”). É, provavelmente, sua constante evolução que mantém o IEEE 802.11 e, por conseguinte, o Wi-Fi como tecnologia dominante para as redes locais sem fi o, mesmo passados tantos anos de seu lançamento.

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Ca pí tu lo 2 - A rq ui te tu ra d as r ed es I EE E 8 02 .1 1

2 Arquitetura das redes IEEE 802.11

Conhecer o conceito dos modos de operação de uma interface de rede sem fi o IEEE 802.11; Aprender sobre as duas principais arquiteturas de redes baseadas no padrão IEEE 802.11; Estudar conceitos e nomenclaturas utilizados nestas arquiteturas.

Modo infraestruturado; Modo ad hoc; BSS e suas variantes; Sistema de Distribuição; WDS.

Introdução

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Redes sem fi o: várias possíveis motivações. 1 Mobilidade.

1 Difi culdades de cabeamento. 1 Redes provisórias.

1 Ligações entre redes.

Objetivos diferentes podem necessitar de redes diferentes. 1 Requisitos distintos.

1 Arquiteturas particulares.

Há diversas razões para se optar por uma rede local sem fi o em vez de uma tecnologia alter-nativa cabeada, como já discutido na sessão de aprendizagem 1. Motivações comuns para o emprego de tecnologias sem fi o incluem a necessidade de suporte a usuários móveis, a difi -culdade de implantação de cabeamento, a necessidade de interconexão de redes separadas distantes e o estabelecimento de uma rede provisória para eventos.

Embora todos esses sejam exemplos de motivações para o emprego de redes sem fi o, em cada caso as redes desejadas podem apresentar requisitos diferentes. Por exemplo, quando se fala em utilizar uma rede sem fi o para interconectar computadores em um escritório devido à difi culdade na implantação de cabeamento, é razoável assumir que esta será uma solução permanente. Nesse caso, provavelmente estamos dispostos a fazer algum tipo de investimento (e esperar algum tempo), adquirindo equipamentos necessários à rede. Por outro lado, no caso de uma rede provisória, sem utilização a longo prazo, investir tempo e dinheiro na compra de equipamentos pode não ser desejável — ou mesmo ser uma opção viável.

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Em um caso extremo, podemos pensar em duas pessoas que desejam trocar rapidamente arquivos localizados em seus notebooks, mas estão em algum local sem nenhuma infra-estrutura de rede. Se essas pessoas pudessem estabelecer algum tipo de rede sem fi o entre seus computadores sem a necessidade de outros equipamentos, o problema estaria resolvido. No entanto, ir até uma loja para adquirir um ponto de acesso ou qualquer outro dispositivo necessário à rede é inviável.

Esses dois exemplos ilustram como redes sem fi o diferentes podem possuir requisitos distintos. Para lidar com essa diversidade, o padrão IEEE 802.11 prevê a possibilidade de utilização de arquiteturas distintas. Essa fl exibilidade permite que cada rede particular empregue a arquitetura mais adequada a seus objetivos.

Essas diferenças arquiteturais são manifestadas no padrão através dos chamados modos de operação. Nesta sessão de aprendizagem, esses modos de operação serão estudados em detalhes: o que são, quais estão disponíveis e para que são usados. Serão discutidas ainda as arquiteturas resultantes do uso desses modos de operação e cenários típicos de apli-cação de cada uma.

Modos de operação

q

O IEEE 802.11 e seus modos de operação. 1 Modo infraestruturado.

2 Master. 2 Managed. 1 Modo ad hoc.

Uma interface de rede IEEE 802.11 pode operar em vários modos. O modo de operação defi ne o papel daquela interface na arquitetura da rede local sem fi o. Cada modo defi ne um conjunto de características e restrições na atuação da interface dentro da rede. Além disso, determinados modos são incompatíveis, por exemplo, interfaces em modo ad hoc não podem coexistir em uma mesma rede com estações em modo infraestruturado. Dessa forma, o modo de operação é, indiretamente, também uma característica da rede como um todo.

Há três modos de operação principais especifi cados no padrão IEEE 802.11: 1 O modo infraestruturado master;

1 Modo infraestruturado managed; 1 O modo ad hoc.

No caso de uso mais comum de uma rede IEEE 802.11, as interfaces de rede dos nós operam em um dos modos infraestruturados — master ou managed. Redes com esta característica são ditas redes infraestruturadas. Em uma rede infraestruturada, um ou mais nós atuam como pontos de acesso, ou APs, provendo conectividade entre os demais nós. Além dos APs, há também os nós clientes, ou estações, que se associam a um determinado ponto de acesso para se conectar ao restante da rede. Nas redes IEEE 802.11, pontos de acesso são implemen-tados por dispositivos cuja interface opera em modo master, enquanto clientes têm sua inter-face operando em modo managed. Nessa arquitetura, toda comunicação de um cliente com qualquer outro nó é necessariamente intermediada pelo(s) ponto(s) de acesso.

Em determinadas aplicações, no entanto, não é possível ou desejável estabelecer esta cate-gorização de nós em pontos de acesso ou clientes — todos os nós da rede são equivalentes

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em termos de funcionalidade. Nesse caso, o modo de operação adequado é o modo ad hoc, no qual um dispositivo pode se comunicar diretamente com qualquer outro dispositivo da rede que esteja dentro do seu alcance de rádio.

Os modos de operação infraestruturados

q

1 Objetivo:

2 Estender redes locais cabeadas. 1 Arquitetura hierárquica.

2 Pontos de acesso. 2 Estações ou clientes.

1 Requer dispositivos dedicados agindo como APs.

1 Comunicação de um cliente sempre intermediada pelo seu AP. 2 Mesmo para outros clientes próximos.

Uma rede IEEE 802.11 infraestruturada é geralmente utilizada como uma extensão sem fi o de alguma rede local cabeada, por exemplo, uma rede Ethernet. Como mostrado na fi gura 2.1, esta arquitetura de rede pode ser vista como uma hierarquia de dois níveis: o nível dos pontos de acesso e o nível dos clientes.

Os nós clientes são os dispositivos que, de fato, desejamos conectar à rede. Nesse sentido, a rede local sem fi o existe justamente para prover conectividade a esses nós. Os nós clientes em uma rede infraestruturada baseada no padrão IEEE 802.11 devem ter suas interfaces confi guradas para operar no modo managed.

Ponto de Acesso Cartão

adaptador Wi-Fi

Célula infraestruturada

Por outro lado, os pontos de acesso são elementos estruturais da rede. Embora neces-sários, eles existem apenas como um artefato que dá suporte à implantação da rede. Em uma analogia com as redes Ethernet, o ponto de acesso pode ser visto como o switch que interconecta vários computadores (nesta analogia, equivalentes aos nós clientes das redes sem fi o infraestruturadas). Assim como na rede Ethernet, em condições normais, o objetivo é estabelecer comunicações entre os clientes, mas toda comunicação é intermediada na camada de enlace pelo ponto de acesso, da mesma forma que a troca de quadros Ethernet é intermediada pelo switch. Quando utilizada para estender uma rede local cabeada, os pontos de acesso de uma rede sem fi o infraestruturada também têm a tarefa de encami-nhar quadros da rede sem fi o para a rede cabeada, e vice-versa. No padrão IEEE 802.11, pontos de acesso de uma rede infraestruturada têm suas interfaces confi guradas para

Figura 2.1

Exemplo simplifi cado de uma rede IEEE 802.11 infraestruturada. Há dois níveis de nós: os pontos de acesso (único, nesse exemplo) e os clientes.

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operar no modo master. Embora a maioria das interfaces IEEE 802.11 permita a operação em modo master, permitindo, por exemplo, o uso de um PC como ponto de acesso, é comum o uso de dispositivos comercializados especifi camente para esse fi m.

É importante notar que os modos de operação managed e master não são apenas nomen-claturas para distinguir nós na arquitetura infraestruturada. De fato, a confi guração de uma interface IEEE 802.11 em um desses modos impõe uma série de restrições e obrigações ao nó. Por exemplo, uma interface confi gurada em modo managed necessariamente transmi-tirá todos os seus quadros para a interface sem fi o do ponto de acesso ao qual está asso-ciada. De forma análoga, a interface apenas receberá quadros que tenham sido transmitidos pelo seu ponto de acesso.

A arquitetura de rede infraestruturada é a forma mais comum de utilização das redes locais sem fi o baseadas no padrão IEEE 802.11. Um caso de uso bastante comum é o uso dessa arquitetura de rede para distribuir um acesso à internet banda larga em um ambiente doméstico. Em um cenário típico, um equipamento confi gurado para agir como ponto de acesso é conectado a um modem, por exemplo, através de uma interface Ethernet. Outros dispositivos podem se associar a esse ponto de acesso e compartilhar a conectividade à internet. Embora fora do escopo do padrão IEEE 802.11, é comum que equipamentos utilizados como pontos de acesso implementem outras funcionalidades de rede, como NAT, roteamento IP, fi rewall e serviço DHCP. Alguns equipamentos, inclusive, acoplam em um mesmo hardware as funcionalidades de ponto de acesso, roteador e modem.

O modo de operação ad hoc

q

1 Uma “rede de clientes”. 2 Não há a fi gura do AP.

2 Ou qualquer outro nó especial. 1 Comunicação ocasional.

1 Comunicação direta entre quaisquer nós. 2 Limitada apenas pelo alcance de rádio.

1 Em conjunto com roteamento, resulta em redes de múltiplos saltos. 2 Também possíveis com o IEEE 802.11s.

Diferentemente das redes infraestruturadas, em uma rede IEEE 802.11 operando em modo ad hoc não existe a fi gura do ponto de acesso, ou de qualquer outro nó com função especial — ao menos no que diz respeito às funcionalidades da camada de enlace. Em uma rede desse tipo, todos os nós participantes têm suas interfaces de rede confi guradas para operar no modo ad hoc.

Um possível caso de uso de uma rede IEEE 802.11 em modo ad hoc é como meio de comuni-cação ocasional em ambientes sem uma infraestrutura de rede prévia. Por exemplo, se duas pessoas se encontram em um ambiente sem nenhuma infraestrutura de rede, seja sem fi o ou cabeada, e desejam rapidamente transferir arquivos entre seus notebooks, elas podem confi gurar suas interfaces de rede IEEE 802.11 para operar em modo ad hoc, estabelecendo uma rede de comunicação ocasional.

Embora o modo ad hoc do IEEE 802.11 permita a comunicação entre clientes sem o auxílio de um ponto de acesso, esta comunicação está limitada pelo alcance dos rádios dos nós. Em outras palavras, se dois nós não estão no alcance um do outro, esses não serão capazes de se comunicar, ainda que existam outros nós da mesma rede que pudessem, em termos

Como não há ponto de acesso para interme-diar as comunicações, nessa arquitetura todos os nós são livres para se comunicar diretamente com quaisquer outros nós ao seu alcance.

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de alcance de rádio, intermediar esta comunicação. Isso ocorre porque o IEEE 802.11 é um padrão que se preocupa com as camadas física e de enlace. Dessa forma, o padrão é, a princípio, ortogonal a questões como roteamento e encaminhamento, serviços providos pela camada de rede.

Note, no entanto, que é possível (e comum) que se utilize um protocolo de camada de rede, como o IP, sobre a camada de enlace do IEEE 802.11. Em última análise, os nós de uma rede IEEE 802.11 em modo ad hoc podem executar algum tipo de protocolo de roteamento que automaticamente estabeleça rotas de múltiplos saltos, permitindo a comunicação entre dispositivos que não se encontram diretamente no alcance um do outro. Esse tipo de con-fi guração é usado para a implantação de redes como as redes ad hoc móveis e as redes em malha sem fi o, ilustradas na fi gura 2.2, com equipamentos IEEE 802.11.

Por conta de diversas características, como seu baixo custo e facilidade de aquisição, os equipamentos baseados no padrão IEEE 802.11 se tornaram bastante comuns na implan-tação dessas redes sem fi o de múltiplos saltos. Dada a necessidade adicional das funciona-lidades de roteamento e encaminhamento, tipicamente supridas por protocolos da camada de rede (nível 3), foi criada a emenda IEEE 802.11s, que implementa comunicação em múlti-plos saltos na camada de enlace através de processos de descoberta de rotas semelhantes aos implementados por protocolos de camada 3.

Outros modos de operação

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Modos não padronizados: 1 Modo monitor.

2 Captura de pacotes. 2 Similar ao modo promíscuo. 1 Modo bridge.

2 Enlaces ponto a ponto.

2 Conexão de duas redes cabeadas isoladas. 1 Modo repetidor.

2 Extensão do alcance de um AP.

Além dos modos de operação já citados, defi nidos pelo padrão IEEE 802.11, há também modos não padronizados, mas comumente suportados pelas interfaces de rede. Um desses modos é o modo monitor, análogo em funcionalidade ao modo promíscuo das redes cabeadas. Uma interface colocada em modo monitor não emprega qualquer tipo de fi ltro

Figura 2.2

Exemplo de uma rede em malha sem fi o interconectando casas de uma certa vizinhança a uma estação base. Casas mais distantes não possuem alcance de rádio sufi ciente para se conectar diretamente à estação base, mas, por meio de um protocolo de roteamento, descobrem caminhos de múltiplos saltos utilizando outras casas como intermediários.

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de quadros. Todo quadro recebido pela interface é repassado para as camadas superiores, independentemente do seu destino, da sua origem e mesmo da rede sem fi o a qual per-tence. Basicamente, as únicas limitações à recepção de uma interface em modo monitor são as físicas: o nó precisa estar dentro do alcance do transmissor e, normalmente, confi gurado no mesmo canal.

O modo monitor é útil para tarefas de gerenciamento e depuração da rede. Colocando-se um nó em modo monitor na área de interesse da rede, é possível realizar a análise do tráfego entre dois ou mais nós para compreender comportamentos inesperados ou detectar anomalias. Interfaces de rede mais novas geralmente são capazes também de realizar injeção de tráfego quando confi guradas em modo monitor. Nesse caso, a interface permite a transmissão de quadros contendo sequências arbitrárias de bits, i.e., sem necessariamente seguir os cabeçalhos e convenções da camada de enlace do IEEE 802.11.

Embora essa funcionalidade possa ser utilizada para fi ns legítimos, é comum que ela seja explorada para tentativas de ataques às redes Wi-Fi, como discutido nas ativi-dades práticas da sessão de aprendizagem 6.

O modo bridge, comumente disponível em pontos de acesso comerciais, permite a interco-nexão de duas redes cabeadas isoladas através de um enlace sem fi o ponto a ponto. Em um cenário típico, dois nós têm suas interfaces sem fi o confi guradas para o modo bridge e se conectam, cada um, a uma rede local cabeada (e.g., Ethernet). Os dois nós em modo bridge estabelecem um enlace sem fi o através do qual o tráfego de uma rede cabeada pode ser enviado para a outra rede. Esse tipo de confi guração é útil quando se deseja conectar duas redes cabeadas isoladas, mas o uso de uma infraestrutura cabeada para esta interconexão é fi nanceira ou tecnicamente inviável (e.g., pela distância ou por alguma restrição relacionada à passagem dos cabos).

O modo repetidor, por sua vez, tem como principal aplicação a extensão da cobertura de um ponto de acesso em uma rede infraestruturada. Quando executando nesse modo, uma interface é confi gurada para replicar todos os quadros recebidos pertencentes a uma deter-minada rede infraestruturada. Por exemplo, quando o ponto de acesso envia um quadro, se o quadro é corretamente recebido pelo repetidor, esse o retransmite. Isso permite a existência de nós clientes distantes do ponto de acesso, a ponto de estarem fora da área de cobertura, desde que estejam dentro do alcance do repetidor. Da mesma forma, quando o repetidor recebe um quadro originado de um nó cliente, ele retransmite o sinal, permitindo que o mesmo seja recebido pelo ponto de acesso. Embora os repetidores sejam uma opção simples para estender o alcance de um ponto de acesso, é preciso levar em consideração que eles afetam o desempenho da rede, por replicarem todos os quadros que recebem, reduzindo o tempo de transmissão disponível para outros nós da rede.

Os elementos das arquiteturas IEEE 802.11

q

Elementos de uma rede em modo ad hoc: 1 Nós.

Elementos de uma rede em modo infraestruturado: 1 Nós clientes.

1 Pontos de acesso. 1 Infraestrutura cabeada.

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Em uma rede IEEE 802.11 operando em modo ad hoc, os únicos elementos necessários são os próprios nós. Cada nó da rede possui uma interface sem fi o confi gurada para operar em modo ad hoc. A rede, portanto, é apenas o conjunto dos nós operando sob confi gurações similares e os enlaces sem fi o espontaneamente criados entre eles, defi nidos pelo alcance dos nós, como ilustrado na fi gura 2.3.

Uma rede infraestruturada, por outro lado, tem uma arquitetura mais complexa formada por elementos diversos, como exemplifi cado na fi gura 2.4. Além dos nós clientes, tipica-mente chamados de estações, similares aos nós de uma rede em modo ad hoc, existem também os pontos de acesso que formam outra outra categoria de nós. Esses pontos de acesso normalmente conectam seus clientes (uma “célula” da rede sem fi o) a uma infraes-trutura de rede cabeada, por exemplo, Ethernet. Essa infraesinfraes-trutura pode incluir switches e cabeamento estruturado. A rede cabeada também pode ser usada para interconectar vários pontos de acesso, formando assim uma rede sem fi o infraestruturada estendida, composta por múltiplas “células”.

Ponto de Acesso Cartão

adaptador Wi-Fi

Célula infraestruturada Célula infraestruturada

Sistema de distribuição

Adaptador Wi-FI PCI Ponto de Acesso Antena externa Adaptador Wi-Fi USB Figura 2.3 Elementos em uma rede ad hoc. Basicamente, a rede é formada pelo conjunto de todos os nós e os enlaces entre eles.

Figura 2.4

Representação de uma rede infraestruturada típica. Além dos nós clientes, há um ou mais pontos de acesso. Pontos de acesso se conectam a algum tipo de infraestrutura cabeada. Através dessa rede cabeada, os pontos de acesso podem trocar informações, formando redes infraestruturadas com múltiplas “células”.