Capítulo 6 Redes sem fio e Redes móveis

(1)

6: Wireless and Mobile Networks 6-1

Material fortemente baseado nos slides do livro: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet. Os slides foram

disponibilizados pelos autores James F. Kurose e Keith W. Ross

Redes de Computadores DCC/UFJF

Capítulo 6 – Redes sem fio e

Redes móveis

(2)

Capítulo 6

6.1 Introdução

Wireless

❒ 6.2 Enlaces sem fio,

características

❒ 6.3 IEEE 802.11 Redes

locais sem fio(“wi-fi”)

❒ 6.4 Acesso a Internet via Celular ❍ arquitetura ❍ padrões (e.g., GSM) Mobilidade ❒ 6.5 Princípios: endereçamento e rotemanto de usuários móveis ❒ 6.6 IP Móvel ❒ 6.7 Gerenciamento de mobilidade em redes celulares ❒ 6.8 Mobilidade e o

impacto nos protocolos das camadas superiores

(3)

LANs sem fio 802.11

❒ 802.11b

❍ faixa de frequência não

licenciada de 2.4-5 GHz ❍ até 11 Mbps ❒ 802.11a ❍ intervalo: 5-6 GHz ❍ até 54 Mbps ❒ 802.11g ❍ intervalo: 2.4-5 GHz ❍ até 54 Mbps ❒ 802.11n: múltiplas antenas ❍ intervalo: 2.4-5 GHz ❍ até 200 Mbps

❒ todas usam o CSMA/CA para múltiplo acesso

❒ Todas possuem versões estação base e redes

(4)

802.11: arquitetura

❒ host sem fio se comunica

com a estação base

❍ _Eestação base = ponto de

acesso (AP)

❒ Conjunto básico de

serviços(“célula”) no modo com infra-estrutura

contem:

❍ _Hohosts sem fio ❍ AP

❍ _Mmodo ad hoc: somente

hostshosts BSS 1 BSS 2 Internet hub, switch or router AP AP

(5)

802.11: Canais e associação

❒ 802.11b: operam na faixa de frequência

2.4GHz-2.485GHz dividida em 11 canais

❍ administrador designa um número de canal ao AP

e um Identificador de Conjunto de Serviços (nome da rede)

❍ possível interferência entre APs vizinhos

❒

host: deve se

associar

a um AP

❍ varre os 11 canais, em busca de quadros de

sinalização, que contem o nome do AP (Service

Set Identifier - SSI) e o seu endereço MAC

❍ seleciona o AP associado

❍ autenticação pode ser feita (senha, MAC)

❍ tipicamente executará o DHCP para conseguir

(6)

802.11: varredura passiva/ativa

AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS 1 1 2 2 3 4 Varredura Ativa:

(1) quadro de requisição enviado por broadcast a partir de H1

(2) quadro de resposta enviado pelos APs

(3) quadro de requisição de associação: enviado por H1 para selecionar o AP (4) quadro de resposta de associação:

enviado ao H1 para selecionar o AP

AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS 1 1 2 ₃ 1 Varredura Passiva:

(1) quadros de sinalização são enviados a partir dos APs (2) quadro de requisição de

associação: enviado por H1 para selecionar o AP

(3) quadro de resposta de

associação: enviado ao H1 para selecionar o AP

(7)

IEEE 802.11: acesso múltiplo

❒ evitar colisões: 2+ nós transmitindo ao mesmo tempo ❒ 802.11: CSMA – escutar antes de transmitir

❍ não colidir com transmissões que estejam sendo feitas por outros

nós

❒ 802.11: sem detecção de colisão!

❍ Capacidade de detectar colisões exige as capacidades de enviar e

de receber ao mesmo tempo. No entanto, a potência do sinal recebido é pequena em comparação a potência do sinal enviado (fading)

❍ Não pode escutar todas as colisões: terminal escondido, fading ❍ objetivo: evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance)

A B C A B C A’s signal strength space C’s signal strength

(8)

Protocolo MAC IEEE 802.11: CSMA/CA

802.11 remetente

1 se percebe o canal ocioso por um curto período de

tempo (espaçamento interquadros distribuído) DIFS

então

transmita todo o quadro (sem CD)

2 se percebe o canal ocupado então

inicia o tempo aleatório de backoff

contagem regressiva do temporizador enquanto o canal estiver livre (se o canal passar a ocupado

temporizador permanece inalterado) transmite quando o temporizador expira

se não recebe o ACK, aumente o intervalo de backoff aleatório, repita 2

802.11 receptor

- se quadro recebido está OK

returna ACK após o tempo de Espaçamento Curto Interquadros (SIFS - ACK é necessário devido ao problema de terminal escondido)

sender receiver DIFS

data

SIFS

(9)

Evitando colisões (mais)

idéia: permitir ao remetente “reservar” o canal ao invés de um um acesso totalmente aleatório: evitar colisões de longos quadros de dados (e também problemas de terminais ocultos)

❒ Remetente primeiro transmite pacotes do tipo small

request-to-send (RTS) para BS usando CSMA

❍ RTSs podem ainda colidir uns com os outros (mas são pequenos)

❒ BS faz um broadcast com o pacote do tipo clear-to-send CTS em

resposta ao RTS

❒ CTS é escutado por todos os nós

❍ remetente transmite o quadro de dados ❍ outras estações não transmitem

Evita completamente colisões de quadros de dados Usando pequenos pacotes de reserva!

(10)

Evitando Colisões: troca de pacotes

RTS-CTS

AP A B time RTS(A) RTS(B) RTS(A) CTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) ACK(A) reservation collision defer

(11)

6: Wireless and Mobile Networks 6-11 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payload CRC 2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4 seq control

Quadro 802.11 frame:

endereçamento

Address 2: MAC address of wireless host or AP transmitting this frame

Address 1: MAC address of wireless host or AP

to receive this frame Address 3:_{of router interface to} MAC address which AP is attached

Address 4: used only in ad hoc mode

(12)

Internet router

AP

H1 _R1

AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr

address 1 address 2 address 3

802.11 frame

R1 MAC addr H1 MAC addr

dest. address source address

802.3 frame

(13)

6: Wireless and Mobile Networks 6-13 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payload CRC 2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4 seq control

Type Subtype _APTo From_AP More _frag Retry Power_mgt More_data WEP Rsvd Protocol version 2 ₂ ₄ ₁ ₁ ₁ ₁ ₁ ₁ ₁ ₁

Quadro 802.11: mais

duration of reserved transmission time (RTS/CTS) frame seq # (for RDT) frame type (RTS, CTS, ACK, data)

(14)

6: Wireless and Mobile Networks 6-14 hub or switch AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS 1

802.11: mobilidade em uma mesma

sub-rede

router

❒ H1 permanece na

mesma sub-rede IP: endereço pode

permanecer o mesmo

❒ switch: qual AP está

associado com H1?

❍ Antes da mudança,

datagramas

direcionados a H1

serão enviados para o AP1

❍ Ao mudar, AP2 pode

enviar, via broadcast, um quadro Ethernet com o endereço de H1.

(15)

802.11: funcionalidades avançadas

Adaptação das Taxas

❒ dispositivo móvel pode

mudar dinamicamente a taxa de transmissão (técnica de modulação da camada física). Com o movimento, SNR varia QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 10 20 30 40 SNR(dB) B E R 10-1 10-2 10-3 10-5 10-6 10-7 10-4 operating point 1. SNR decreases, BER increase as node moves away from base station 2. When BER becomes too high, switch to lower

transmission rate but with lower BER

(16)

6: Wireless and Mobile Networks 6-16 M radius of_coverage S S S P P P P M S Master device Slave device

Parked device (inactive)

P

802.15: rede de área pessoal

❒ menos de 10m de diâmetro

❒ substituto de cabos

(mouse, keyboard, headphones)

❒ ad hoc: sem infraestrutura ❒ mestres/escravos:

❍ escravos pedem permissão

para envio (para o mestre)

❍ mestre fornece permissão

❒ 802.15: evolução da

especificação do Bluetooth

❍ Frequência 2.4-2.5 GHz ❍ até 721 kbps

(17)

802.16: WiMAX

❒

como o 802.11 e

celular: modelo de

estação base

❍ transmissão de/para

estação base feita por hosts com antenas

❍ estação

base-para-estação base através de antenas ponto-a-ponto ❒

diferenças em relação

ao 802.11:

❍ intervalo ~ 6 miles (“cidade ao invés da cafeteria”) ❍ ~14 Mbps point-to-multipoint point-to-point

(18)

802.16: WiMAX: escalonamento de downlink,

uplink

❒ quadro de transmissão

❍ subquadro down-link: estação base para nó ❍ subquadro uplink: nó para estação base

p re a m . DL-MAP UL-MAP DL burst 1 SS #1 DL burst 2 DL burst n Initial maint. request conn. downlink subframe SS #2 SS #k uplink subframe … … … …

base station tells nodes who will get to receive (DL map) and who will get to send (UL map), and when

❒ Padrão WiMAX provê mecansimo para

escalonamento, mas não o algoritmo de escalonamento

(19)

Capítulo 6

6.1 Introdução

Wireless

❒ 6.2 Enlaces sem fio,

características

❒ 6.3 IEEE 802.11 Redes

locais sem fio(“wi-fi”)

❒ 6.4 Acesso a Internet via Celular ❍ arquitetura ❍ padrões (e.g., GSM) Mobilidade ❒ 6.5 Princípios: endereçamento e rotemanto de usuários móveis ❒ 6.6 IP Móvel ❒ 6.7 Gerenciamento de mobilidade em redes celulares ❒ 6.8 Mobilidade e o

impacto nos protocolos das camadas superiores

(20)

6: Wireless and Mobile Networks 6-20 Mobile Switching Center Public telephone network, and Internet Mobile Switching Center

Componentes da arquitetura de uma rede celular

central de comutação de unidade móvel  conecta células a rede

 gerencia configuração da chamada  trata mobilidade

MSC

 _{cobertura de uma região}

geográfica

 estação base (BS)

semelhante ao AP do 802.11

 usuários móveis

conectados a rede através da BS

 air-interface: protocolos

das camadas de enlace e física entre o usuário móvel e a BS

célula

(21)

Redes Celulares: primeiro salto

Duas técnicas para o compartilhamento do

espectro de banda entre o dispositivo móvel e a BS

❒ Combinação entre

FDMA/TDMA: divide o

espectro em diferentes canais de frequência, e cada canal em slots de tempo

❒ CDMA: acesso múltiplo por

divisão de código

frequency bands

(22)

Padrões: survey

Sistemas 2G :

canais de voz

❒ IS-136 TDMA: FDMA/TDMA (américa do norte) ❒ GSM (global system for mobile communications):

FDMA/TDMA

❍ mais difundido

❒ IS-95 CDMA: acesso múltiplo por divisão de código

IS-136GPRS_GSMEDGEIS-95

CDMA-2000

UMTS

TDMA/FDMA

Don’t drown in a bowl of alphabet soup: use this for reference only

(23)

Padrões: survey

Sistemas 2.5 G:

canais de voz e dados

❒ para aqueles que não podem esperar por serviços 3G:

extensões 2G

❒ general packet radio service (GPRS)

❍ evolução do GSM

❍ Dados enviados por múltiplos canais (se disponível)

❒ enhanced data rates for global evolution (EDGE)

❍ evolução do GSM, usando modulação mais eficiente ❍ taxa de dados até 384K

❒ CDMA-2000 (phase 1)

❍ taxa de dados até 144K ❍ evolução do IS-95

(24)

Padrões: survey

Sistemas 3G : voz/dados

❒ Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS)

❍ serviço de dados: High Speed Uplink/Downlink

packet Access (HSDPA/HSUPA): 3 Mbps

❒ CDMA-2000: CDMA em slots TDMA

❍ serviços de dados: 1xEvlution Data Optimized