UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA
COMPUTAÇÃO
Júlio César da Costa Ribas
PERFIL DE LINK SEM FIO EM AMBIENTE
ABERTO: AVALIAÇÃO ATRAVÉS DE MEDIÇÕES
Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Ciência da Computação
PERFIL DE LINK SEM FIO EM AMBIENTE ABERTO:
AVALIAÇÃO ATRAVÉS DE MEDIÇÕES
Júlio César da Costa Ribas
Esta Dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de Mestre em Ciência da Computação Área de Concentração Sistemas de Computação e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação.
___________________________________ Prof. Dr. João Bosco Mangueira Sobral
Orientador
____________________________________ Prof. Dr. Fernando Álvaro Ostuni Gauthier
Coordenador do Curso de Pós-Graduação em Ciência da Computação
Banca Examinadora:
________________________________ Prof. Dr. João Bosco Mangueira Sobral
Presidente
_______________________________ Prof. Dr. Roberto Willrich
_______________________________ Prof. Dr. Vitório Bruno Mazzola
_______________________________ Prof. Dr. Paulo José de Freitas Filho
"O bom investigador, é aquele que paralelamente ao conhecimento, busca a forma de realizar seu próprio aperfeiçoamento, encontra
Dedicatória
A meus pais Amílcar e Elizabeth Ribas, a minha esposa Dorotéa Ribas e as minhas filhas
Cristine e Luize Ribas pela paciência e incentivo que tornaram factível a conclusão deste trabalho.
Agradecimentos
Agradeço a todas as pessoas que, direta ou indiretamente, auxiliaram no desenvolvimento deste trabalho. Agradeço aos funcionários da empresa W2B S/A, em especial ao Sr. Luiz Fernando Teixeira, pelas valiosas informações prestadas. Aos bolsistas e membros do projeto UCER, em especial ao Srs. Bruno Bisol e Renato Oliveira,
pelo auxílio na execução dos experimentos. Ao meu Orientador, Prof. João Bosco M. Sobral, pela paciência, auxílio e precioso trabalho de orientação. Ao Prof. Paulo Freitas e ao colega
Sumário
Sumário... i
Resumo ... vi
Abstract ... vii
Lista de Siglas... viii
Lista de Figuras... xi
Lista de Tabelas ... xiii
Lista de Equações ... xiv
1. Introdução ... 15
1.1 Motivação... 17
1.2 Objetivo ... 19
1.3 Abrangência ... 19
1.4 Estrutura ... 21
2. Redes Sem Fio ... 23
2.1 Histórico... 23
2.2 Principais Conceitos... 27
2.2.1 Espectro Eletromagnético ... 27
2.2.2 Modulação... 29
2.2.3 Comunicação sem fio, computação móvel e redes de comput. sem fio . 30 2.2.4 Diferenças e semelhanças entre WLANs e LANs ... 31
2.3 Meio de Transmissão ... 32
2.4 O Padrão IEEE 802.11 ... 34
2.4.1 Arquitetura IEEE 802.11... 35
2.4.1.1 Componentes da Arquitetura IEEE 802.11 ... 35
2.4.2 Topologia de Redes Wireless... 36
2.4.2.1 Rede ad hoc... 36
2.4.2.2 Rede Infra-estruturada ... 37
2.4.3 Camada Física (PHY) ... 38
2.4.3.1 Espalhamento Espectral por Seqüência Direta (DSSS) ... 40
2.4.3.2 Espalhamento Espectral por Salto de Freqüência (FHSS) ... 42
2.4.4 Extensões da Camada Física (PHY) ... 44
2.4.5 Controle de Acesso ao Meio (MAC) ... 44
2.4.5.1 Funcionalidades da MAC ... 45
2.4.5.2 Confirmação de Recebimento no Nível MAC... 45
2.4.5.3 Espaços Inter-Frame ... 46
2.4.5.5 Formatos e Tipos de Frames ... 48
2.4.5.7 Métodos de Acesso ... 48
2.4.5.7.1 Distributed Coordination Function (DCF)... 49
2.4.5.7.2 Point Coordination Function (PCF)... 52
2.4.5.8 Privacidade na Camada MAC ... 54
2.5 Perspectivas das Redes LAN Sem Fio ... 55
2.6 Resumo do Capítulo ... 58
3. Radiofreqüência - Termos e Definições... 59
3.1 Termos e Definições ... 59
3.1.1 Um Típico Sistema de Radiofreqüência ... 59
3.1.2 Decibéis (dB) ... 60
3.1.3 Perda (Loss) e Ganho (Gain) ... 60
3.1.4 Perda de Caminho (Path Loss) e Perda de Espaço Livre ... 61
3.1.5 Nível de Potência do Sinal... 61
3.2 Interferências em Ambiente Aberto (Outdoor) ... 62
3.2.1 Outros Sistemas de Rádiofreqüência DSSS ou FHSS ... 63
3.2.2 Pelo Próprio Equipamento ... 63
3.2.3 Multicaminho (Multi-Path)... 63
3.2.4 Atenuação do Sinal por Obstrução ... 64
3.2.5 Condições do Tempo ... 66
3.3 Antenas... 67
3.3.1 Características das Antenas ... 67
3.3.1.1 Ganho (Gain) ... 67
3.3.1.6 Considerações sobre Antenas para Ambiente Outdoor ... 68 3.3.1.6.1 Ponto-a-Ponto (Point-to-Point) ... 68 3.3.1.6.2 Ponto-para-Multiponto (Point-to-Multipoint) ... 69 3.3.1.6.3 Alinhamento da Antena ... 69 3.3.1.6.4 Diversidade de Antena ... 69 3.3.1.6.5 Polarização de Antena ... 69
3.3.1.6.6 Tabela de Antenas para Enlace Outdoor (FCC) ... 70
3.4 Resumo do Capítulo ... 71
4. Métricas de Performance e Perfil de Link Wireless... 72
4.1 O que o usuário espera? ... 72
4.2 Métodos de Medição ... 73
4.2.1 Método Passivo ... 73
4.2.2 Método Ativo ... 74
4.3 Métricas... 74
4.3.1 Vazão ... 74
4.3.2 Atraso Fim-a-Fim (Latência) ... 75
4.3.3 Variação do Atraso (IPDV-Jitter) ... 76
4.3.4 Taxa de Perda de Pacotes... 77
4.3.5 Taxa de Erros Wireless ... 77
4.3.6 RSSI (Received Signal Strength Ind icator) ... 77
4.4 Resumo do Capítulo... 78
5. Metodologia para Caracterização de Perfil e Avaliação de Comportamento de Link Wireless em Ambiente Aberto ... 79
5.1 Etapa I – Análise de Campo e Cálculo do Link ... 80
5.1.1 Análise de Ambiente ... 81
5.1.2 Cálculo do Link ... 84
5.1.3 Zona de Fresnel... 84
5.2 Etapa II – Caracterização da Carga de Trabalho ... 84
5.3 Etapa III – Comportamento e Perfil de Link Wireless ... 85
5.3.1 Requisitos Básicos ... 85
5.3.1.1 Métricas Utilizadas ... 86
5.3.1.3 Tempo e Número de Repetições ... 86
5.3.2 Ferramentas... 87
5.3.2.1 Sincronização dos Relógios ... 87
5.3.3 Perfil e Comportamento do Link Wireless ... 87
5.3.4 Relatório de Perfil de Link Wireless ... 88
5.4 Resumo do Capítulo ... 88
6. Experimentos Práticos para Caracterização de Perfil e Avaliação de Comportamento de Link Wireless em Ambiente Aberto ... 89
6.1 Etapa I – Análise de Campo e Cálculo do Link ... 89
6.2 Etapa II – Caracterização da Carga de Trabalho ... 90
6.2.1 Ambiente do Experimento e Topologia ... 90
6.2.2 Ferramenta Utilizada... 91
6.2.3 Caracterização da Carga de Trabalho ... 91
6.3 Etapa III – Comportamento e Perfil de Link Wireless ... 92
6.3.1 Ambiente do Experimento e Topologia ... 92
6.3.2 Metodologia Utilizada nas Medições... 94
6.3.2.1 Perfil do Link Wireless ... 94
6.3.2.2 Métricas Utilizadas ... 94
6.3.2.3 Ferramentas Utilizadas ... 95
6.3.2.4 Sincronização dos Relógios ... 95
6.3.2.5 Tempo e Número de Repetições ... 95
6.3.2.6 Geração do Tráfego ... 95
6.3.2.7 Resultados da Coleta... 96
6.3.2.8 Relatório de Perfil de Link Wireless ... 96
6.4 Resumo do capítulo ... 97
7. Resultados e Análise... 98
7.1 Determinação do Perfil do Link Wireless... 98
7.1.1 RTT (Round Trip Time) ... 98
7.2.1 Avaliação da Taxa de Erros do Link Wireless pela Variação do Tamanho
do Pacote e Vazão - UDP... 105
7.2.2 Avaliação da Taxa de Erros do Link Wireless pela Variação do Tamanho do Pacote - TCP ... 106
7.2.3. Avaliação do Atraso, Variação de Atraso e Taxa de Perdas... 108
7.2.3.1. Avaliação do Atraso ... 108
7.2.3.2. Avaliação da Variação do Atraso (Jitter)... 109
7.2.3.3. Avaliação da Taxa de Perdas ... 110
7.3 Conclusões ... 111 7.4 Resumo do capítulo ... 113 8. Conclusões... 114 8.1 Contribuições ... 114 8.2 Limitações ... 115 8.3 Trabalhos Futuros ... 115 8.3.1 Medições ... 115 8.3.2 Análise Estatística ... 116
8.3.3 Disponibilidade, Desempenho e Acordos de Nível de Serviço ... 116
Referências Bibliográficas... 117
ANEXO I – Relatório de Perfil de Link Wireless... 123
ANEXO II – Ferramentas Utilizadas... 152
ANEXO III – Rotina para Cálculo da Variação do Atraso... 157
Resumo
No momento atual, a crescente competitividade do mercado tem requerido níveis elevados de eficiência e qualidade das organizações. Padrões de qualidade e produtividade nos serviços prestados são fortemente exigidos, como elemento diferencial de sucesso. As tecnologias baseadas em radiofreqüência surgem com bastante força no mercado, como é o caso das Redes Locais Sem Fio (Wireless Local Area Network), as quais combinam funcionalidade, flexibilidade, conectividade de dados e mobilidade de usuários em diversos ambientes como: estabelecimentos educacionais e industriais, áreas prediais e campus. Este trabalho apresenta uma avaliação do comportamento de um enlace sem fio em ambiente aberto, segundo o padrão IEEE 802.11b. Esta avaliação é realizada por medição, através de ferramentas específicas, a partir de estudos dos princípios e parâmetros que influenciam a performance das redes sem fio. Como produto final, além da avaliação do comportamento do enlace sem fio, tem-se a proposta de uma metodologia para esse tipo de avaliação e um relatório conclusivo de perfil de link wireless, em ambiente aberto. Este relatório tem por objetivo apresentar informações referentes ao enlace em estudo, contendo representações gráficas, testes, cálculos, tabelas, fotografias e medições que permitam a caracterização do link wireless.
Palavras-Chave: Avaliação de Desempenho, Redes sem Fio, WLAN, Padrão IEEE 802.11, Acordo de Nível de Serviço.
Abstract
Currently, the growth in competitivity has caused the need for high levels of efficiency and quality in organizations. Quality and productivity standards in services are now strongly demanded as success diferencials. Radiofrequency-based technologies spread very fast in market, as it is the case of wireless local area networks, which combine functionality, flexibility, data conectivity and user mobility in several environments, such as educational and industrial enterprises, buildings and campi. This work presents an evaluation of the behavior of a wireless connection in an open environment, according to the IEEE 802.11b standard. This evaluation is accomplished by means of mensurations, with the aid of specific tools, based on the study of the principles and parameters that influence the performance of wireless nets. As a final outcome, besides the evaluation of the behavior of the wireless connection, we have the proposal of a methodology for this kind of evaluation. Moreover, a conclusive report of the wireless link profile in open environment is carried out. The aim of that report is to present information concerning the link under study, consisting of graphics, tests, calculations, tables, pictures, and mensurations that allow for the characterization of the wireless link.
Keywords : Performance Evaluation, Wireless Networks, WLAN, Standart IEEE
Lista de Siglas
ACK Acknowledment Frame AM Amplitude Modulation
ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações
AP Access Point
API Application Protocol Interface ARM Application Response Measurement ASK Amplitude Shift Keying
ATIM Announcement Trafic Indication Message BSS Basic Service Set
CCK Complementary Code Keying
CCTA Central Computing Telecommunications Agency CFP Contention Free Period
CPE Customer Premises Equipment CPU Central Processing Unit CRC Check Redundancy Cyclic CSMA Carrier Sense Múltiplo Access
CSMA/CA Carrier Sense Múltiplo Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Múltiplo Access with Collision Detection CTS Clear to Send
DBPSK Differential Binary Phase Shift Keying DCF Distributed Coordination Function DHCP Dynamic Host Control Protocol DIFS Distributed Interframe Space
DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying DS Distribution System
FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FM Frequency Modulation
FSK Frequency Shift Keying
GFSK Gaussian Frequency Shift Keying GPS Global Positioning System
HR/DSSS High Rate Direct Sequence Spread Spectrum IBSS Independent Basic Service Set
ICMP Internet Control Message Protocol
IEEE Institute for Electrical and Electronic Engineers IP Internet Protocol
IPDV Instantaneous Packet Delay Variation Metric
IR Infrared
ISM Industrial, Scientific and Medical ISP Internet Solution Provider
ITU International Telecommunications Union LAN Local Area Network
LLC Logical Link Control
MAC Medium Access Control (Controle de Acesso ao Meio) MIB Management Information Base
MPDU MAC Protocol Data Unit MSDU MAC Service Data Unit NAV Network Allocation Vector
OFDM Orthogonal Frequency Domain Multiplexing OSI Open Systems Interconnection
PBCC Packet Binary Convolutional Coding PC Point Coordination
PCF Point Coordination Function PDA Personal Digital Assistants PHY Phisical Layer (Camada Física) PIFS Priority Interframe Space
PLCP Phisical Layer Convergence Procedure PM Phase Modulation
PMD Phisical Médium Dependent PPM Pulse Position Modulation PPP Point-to-Point Protocol PSK Phase Shift Keying QoS Quality of Service RA Receiver Address RF Radiofreqüência RFC Request for Comments RMON Remote Monitor
RSSI Received Signal Strength Indicator RTC Real Time Clock
RTS Request to Send RTT Round Trip Time SA Service Availability SAP Service Access Point SDF Service Degradation Factor SES Severely Errored Seconds SIFS Short Interframe Space SLA Service Level Agreement
SNMP Simple Network Management Protocol TA Transmitter Address
TCO Total Cost of Ownership TCP Transport Control Protocol TMF TeleManagement Forum UAS Unavailable Seconds UDP User Datagram Protocol UTP Unshielded Twisted Pair WAN Wide Area Network WBC Wireless Bridge Client
Lista de Figuras
Figura 1 - Principais Causas de Redução dos Serviços de Comunicação ... 20
Figura 2 - Estrutura da Dissertação ... 22
Figura 3 - Onda Eletromagnética... 28
Figura 4 - Espectro Eletromagnético ... 29
Figura 5 - Combinações entre redes sem fio e computação móvel ... 30
Figura 6 - Bandas ISM... 33
Figura 7 - Padrão IEEE 802.11 e suas camadas ... 34
Figura 8 - IEEE 802.11 WLAN Típica... 36
Figura 9 - Rede wireless ad hoc... 37
Figura 10 - Rede Infra-estruturada ... 37
Figura 11 - Representação da Camada Física (PHY) no Modelo OSI ... 39
Figura 12 - Exemplo de seqüência de chip ... 41
Figura 13 - Espaçamento Mínimo entre canais na América do Norte... 41
Figura 14 - 3 Sistemas DSSS separados por freqüências ... 42
Figura 15 - Exemplo de comunicação utilizando raios infravermelhos difusos... 43
Figura 16 - Frame MSDU dividido em Vários Fragmentos MPDUs ... 46
Figura 17 - Mecanismo de aceeso do Algoritmo "Exponencial Backoff"... 48
Figura 18 - Formato Geral de um Frame ... 48
Figura 19 - Estrutura Lógica da Camada MAC do IEEE 802.11 ... 49
Figura 20 - Mecanismo de Acesso Básico da Camada MAC ... 51
Figura 21 - Utilização dos Quadros RTS e CTS ... 52
Figura 22 - Funcionamento de CFP... 53
Figura 23 - Um Típico Sistema de Radiofreqüência ... 59
Figura 24 - Atenuação de um sinal de RF ... 60
Figura 25 - Reflexão Causada por Multicaminho (Multi-path) ... 64
Figura 26 - Zona de Fresnel... 65
Figura 27 - Zona de Fresnel Livre de Obstáculos... 66
Figura 28 - Forma de Radiaçào de Antena Omni-direcional... 68
Figura 29 - Forma de Radiação de Antena Direcional ... 68
Figura 31 - Topologia do Ambiente de Caracterização de Tráfego ... 90
Figura 32 - Tamanho dos Pacotes... 91
Figura 33 - Distribuição do Tráfego por Protocolo ... 92
Figura 34 - Distribuição dos Protocolos TCP/UDP ... 92
Figura 35 - Topologia do Ambiente de Testes ... 93
Figura 36 - RTT entre UFSC <-> CEFET com Pacotes de 84 Bytes ... 99
Figura 37 – Taxa de Erro Wireless CEFET <-> UFSC com Pacotes de 84 Bytes ... 99
Figura 38 - Vazão TCP Bidirecional ... 101
Figura 39 - Taxa de Erro Wireless para Tráfego TCP... 102
Figura 40 - Vazão UDP Bidirecional... 103
Figura 41 - Taxa de Erro Wireless para Tráfego UDP ... 103
Figura 42 - Nível do Sinal RSSI entre CEFET - Morro da Cruz (MC)... 104
Figura 43 - Nível do Sinal RSSI entre UFSC- Morro da Cruz (MC)... 104
Figura 44 - Efeito do Tamanho do Pacote na Taxa de Erro Wireless-Vazão 550 kbps105 Figura 45 - Efeito do Tamanho do Pacote na Taxa de Erro Wireless-Vazão 410 kbps106 Figura 46 - Efeito do Tamanho do Pacote na Taxa de Erro Wireless-Vazão 190 kbps106 Figura 47 - Efeito do Tamanho do Pacote na Taxa de Erro Wireless ... 107
Figura 48 – Efeito do Tamanho do Pacote e Vazão no Atraso... 109
Figura 49 - Efeito do Tamanho do Pacote e Vazão na Variação de Atraso (Jitter)... 110
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Antenas disponíveis (FCC - USA) ... 70
Tabela 2 – Vazão Típica de Algumas Aplicações ... 75
Tabela 3 - Caracterização de Link de RF ... 82
Tabela 4 - Caracterização de Site ... 83
Tabela 5 - Valores para cabeçalho TCP e UDP ... 86
Tabela 6 - Parâmetros de Tráfego TCP ... 96
Tabela 7 - Parâmetros de Tráfego UDP ... 96
Tabela 8 – RTT, Taxa de Perdas e Taxa de Erros Wireless entre UFSC-CEFET... 100
Tabela 9 - RTT, Taxa de Perdas e Taxa de Erros Wireless entre CEFET-UFSC ... 100
Tabela 10 - Vazão Máxima TCP e Taxa de Erro Wireless... 101
Tabela 11 - Vazão Máxima UDP e Taxa de Erro Wireless ... 102
Tabela 12 - Vazão TCP e Taxa de Erro Wireless - Variação do Tamanho do Pacote . 107 Tabela 13 – Valores Médios do Atraso para Tráfego UFSC <-> CEFET... 108
Tabela 14 - Valores Médios da Variação do Atraso para Tráfego UFSC <-> CEFET 109 Tabela 15 - Valores Médios da Taxa de Perdas para Tráfego UFSC <-> CEFET... 111
Lista de Equações
Equação 1 - Expressão representando relação entre dois valores... 60
Equação 2 – Equação da Atenuação de RF ... 60
Equação 3 – Equação da Perda de Espaço Livre ... 61
Equação 4 - Cálculo do Nível de Potência do Sinal Recebido ... 61
Equação 5 - Cálculo da Potência Transmitida pela Antena ... 61
1. Introdução
A necessidade crescente do homem em romper suas próprias limitações, buscando soluções tecnológicas ou mesmo novas tecnologias como forma de expandir o universo de possibilidades, faz da informação um bem de valor inestimável. Como é possível estabelecer comunicação a partir de um automóvel, uma aeronave, um táxi, um ônibus ou em situações de calamidade como enchentes e terremotos e até mesmo em uma guerra?
Alguns sistemas de comunicação utilizam meios materiais para interconectar equipamentos, como as fibras ópticas e os fios de cobre, na forma de pares trançados ou cabos coaxiais. Outros sistemas transmitem os dados através do ar, por meio de algum tipo de onda, como é o caso da transmissão por raios infravermelhos, por laser, por microondas ou por rádio. As redes que utilizam técnicas de transmissão desse segundo tipo são chamadas de redes sem fio [DER93].
As evoluções da comunicação sem fio e da tecnologia da informática buscam atender a diversas necessidades do mercado como, por exemplo, as redes locais sem fio, os serviços celulares, as transmissões via satélite, TV, sistemas de navegação, etc [FER99].
Muitos pesquisadores e visionários sustentam firmemente a posição de que, no futuro, as redes de computadores serão compostas por equipamentos portáteis interconectados por backbones de fibra óptica de alta velocidade [TAN97]. Eles são motivados, basicamente, por dois processos distintos que convergem a esse enfoque: a crescente miniaturização dos componentes eletrônicos e o advento da tecnologia de comunicação pessoal sem fio. Neste último caso, temos como melhor exemplo a telefonia celular como referência de sucesso inegável.
Com a miniaturização dos componentes eletrônicos tornando-se fato e necessidade incontestável a partir da segunda metade da década de 1980, assistimos a mudanças de hábitos e processos de administração nas empresas. Empregados passam a conviver com os clientes em seus ambientes de trabalho, gerando demanda por métodos de conectividade sem fio, surgindo novas pesquisas, produtos e soluções de wireless. As redes locais sem fio, em particular, constituem-se em uma das alternativas desse processo.
A partir do aparecimento de novos produtos no mercado, cria-se a necessidade de estabelecimento de padrões que regulem a utilização das redes locais sem fio. Surge então o Grupo de Trabalho 802 do Institute for Electrical and Electronic Engineers (IEEE), responsável pelo desenvolvimento de padrão orientado à pesquisa dos aspectos de implementação de tecnologias para redes locais sem fio, que, no segundo semestre de 1997, conclui o padrão 802.11. Esse padrão foi alterado, em 1999, para adição de suporte para alta velocidade (camada física) de operações em banda de 2.4 GHz, faixa de uso público e não licenciado das bandas Industrial, Científica e Médica (ISM – Industrial, Scientific and Medical).
O mundo tem experimentado bastante progresso desde a conclusão do padrão IEEE 802.11, e a tecnologia de redes locais sem fio (WLAN – Wireless Local Area Network) tem-se mostrado bastante eficiente quando os propósitos são mobilidade, instalação em áreas de difícil acesso a cabeamento, confiabilidade e baixo custo.
Juntamente com o rápido crescimento que estamos vivenciando, as empresas travam lutas acirradas e associações estratégicas em busca de maior fatia de mercado. Com a tecnologia de redes locais sem fio, não é diferente, haja vista o crescimento desta tecnologia como alternativa de baixo custo. Assim, a disputa entre provedores de serviço por posicionamento no mercado leva a promessas muitas vezes inalcançáveis. Disponibilidade, capacidade de resposta, desempenho, segurança, confiabilidade e aumento de produtividade são freqüentes apelos na luta pela conquista de novos clientes ou manutenção dos existentes.
É inegável, portanto, a necessidade de se estabelecerem mecanismos que expressem a qualidade dos serviços prestados pelo provedor ao cliente, através da gerência eficiente e eficaz dos níveis de serviço. É necessário avaliar o impacto de toda anormalidade ocorrida no ambiente de fornecimento de serviços sobre o próprio serviço e sobre os usuários finais [STU00]. Temos, então, caracterizada a necessidade da implementação e gerência dos Acordos de Nível de Serviço (SLA – Service Level Agreements), como instrumentos que estabelecem o nível de serviço a ser fornecido pelo provedor ao cliente, formalizando compreensão mútua no que tange a serviços,
pessoas. O progresso e a difusão maciça de diversas tecnologias e do computador de uso pessoal estão influenciando os negócios, que agora passam a ter também suas bases nos conhecimentos e informações contidas no e-business, utilizando-se das mais diferentes tecnologias de comunicação. A ativação do mundo cibernético por intermédio do compartilhamento de informações está trazendo uma revolução na vida do ser humano sob o ponto de vista econômico, político e cultural. Por conseqüência, traz também mudanças de postura e definição de novas medidas na relação entre fornecedores e clientes, visando melhoria contínua e crescente na qualidade de serviços prestados.
1.1 Motivação
Atualmente, organizações de todo porte necessitam acessar e compartilhar informações através de redes digitais. O poder das redes de comunicação, da computação colaborativa e distribuída foi percebido como elemento indispensável no cenário mundial. Entretanto, muitos dos recursos hoje desfrutados, até poucos anos atrás, eram limitados a acessos através de redes locais com fio [LOU97]. Profissionais com necessidades de mobilidade constante e acesso a informação on-line, como os médicos, trabalhadores de chão de fábrica, usuários do comércio e universitários contribuíram para disseminar a tecnologia das redes locais sem fio (WLAN – Wireless Local Area Network), notadamente após a autorização do uso da banda Industrial, Científica e Médica (ISM – Industrial, Scientific e Medical) pelo órgão regulamentador de comunicações nos Estados Unidos (FCC – Federal Communications Comission) em 1985, a regulamentação do padrão IEEE 802.11 (WLAN – Wireless Local Area Network) em junho de 1997 e as adições em 1999.
De maneira geral, a tecnologia de redes locais sem fio, embora padronizada e difundida comercialmente desde 1997, só em nossos dias começa a ser utilizada comercialmente em larga escala no Brasil e, especificamente, no estado de Santa Catarina (foco de nosso estudo), como uma alternativa para o mercado corporativo de solução de baixo custo e desempenho satisfatório. Outros benefícios são associados ao uso desta tecnologia, como a mobilidade, a possibilidade de instalação em áreas de difícil acesso a cabeamento, o tempo de instalação reduzido, o aumento da confiabilidade (visto que 50 % dos problemas de redes fixas são provenientes de cabeamento [GEI96]) e o crescimento constante do mercado de equipamentos portáteis.
Ontem, alta velocidade significava fibra. Amanhã, talvez, as soluções wireless de acesso fixo sejam uma opção viável. E ela já começou em alguns mercados. A Sprint e a WorldCom compraram o wireless em quase todos os mercados, e seus serviços de dados wireless de banda larga, que prometem uma performance semelhante ao DSL, foram bem recebidos por alguns clientes. Além disso, mercados mais focados nos serviços wireless de acesso fixo não devem ser ignorados. A maioria dos fabricantes LAN wireless oferece soluções de bridging Ethernet ponto-a-ponto, que fornecem links interedifícios em ambientes de campus e áreas metropolitanas [MOL01].
No momento atual, a multiplicidade de ofertas com variedade de custos tem proporcionado crescente competitividade no mercado de prestação de serviços em telecomunicações e informática. Este pano de fundo, com a difusão e utilização das diversas tecnologias no mercado brasileiro e mundial, é o responsável direto e promotor de preocupação constante dos provedores de serviço. Basicamente, podemos destacar três desafios que os provedores de serviço de telecomunicação devem enfrentar para garantir sucesso no novo mercado competidor [SPE99]:
1. oferta de serviços com preços competitivos;
2. oferta de serviços com alta qualidade (para atender ou até mesmo exceder as expectativas do usuário, tanto em termos de capacidade tecnológica como de interações humanas);
3. oferta contínua de novas formas de serviços que facilitem a vida do usuário.
Esta situação faz com que a atenção seja naturalmente focada nos padrões de qualidade e produtividade dos serviços prestados nos mais diversos tipos de empresas provedoras de serviço.
Com o surgimento da Internet e com o crescimento dos negócios ao longo das redes de comunicação, muitos dos quais inteiramente baseados na conectividade das redes, os problemas que afetam as redes de comunicação passaram a ter um impacto cada vez mais forte na vida das organizações, pessoas e clientes. Quando a rede está fora de operação ou quando está lenta ou congestionada, os clientes ficam insatisfeitos e começam a procurar outras alternativas para atender as suas necessidades [BLA99].
de indicadores de níveis de prestação de serviços para mostrar aos seus atuais e futuros clientes o primor pela qualidade e bom atendimento na prestação de serviços, garantindo o cumprimento dos índices que se comprometeram a prestar, por meio de verdadeiros contratos ou Acordos de Nível de Serviços (SLA – Service Level Agreement).
1.2 Objetivo
O objetivo deste trabalho é propor uma metodologia para caracterizar o perfil de um enlace sem fio em ambiente aberto, avaliando, através de medições, o comportamento do canal de comunicação wireless.
Serão estudadas as características das redes sem fio e os aspectos que comprometem o desempenho da rede. Ao término deste trabalho, serão apresentados observações conclusivas sobre o comportamento do enlace wireless e um relatório de caracterização de enlace sem fio em ambiente aberto (outdoor). Os seguintes pontos deverão ser respondidos:
• O que são redes locais sem fio e qual a finalidade de empregá-las?
• Quais elementos são importantes na avaliação de redes sem fio em ambiente aberto?
• Como traçar o perfil de redes wireless em ambiente aberto?
• Para que caracterizar o perfil de um enlace sem fio?
• Que elementos é importante destacar em uma avaliação de perfil do link wireless?
1.3 Abrangência
Os usuários que contratam serviços de comunicação esperam que estes sejam fornecidos de forma eficiente e sem interrupções. Pesquisas demonstram [INF98], que as interrupções nos serviços afetam a produtividade das organizações, conforme pode ser visto na Figura 1. Dependendo do tipo de organização e do seu grau de dependência em relação aos serviços de comunicação, as interrupções ou degradações afetam desde a sua produtividade até os lucros [DCM99].
Figura 1 - Principais Causas de Redução dos Serviços de Comunicação
O crescimento do mercado, aliado ao grande leque de opções em tecnologias de comunicação, torna-o extremamente competitivo, e alguns provedores de serviço começam a esboçar o oferecimento a seus clientes de instrumentos que possibilitem avaliar a eficiência e efetividade dos serviços prestados.
Duas espécies de interrogações são normalmente externadas pelos clientes quando contratam um serviço de comunicação:
• O que este link pode me dar? Qual é a capacidade de trafegar informações? Em outras palavras, qual sua vazão?
• Qual a disponibilidade do link?
Este trabalho propõe o estudo dos elementos que podem influir no desempenho de um enlace sem fio em ambiente aberto. Propõe também um relatório para caracterização do canal de comunicação wireless, restringindo-se, desta forma, a responder a primeira interrogação do cliente. Em suma, o estudo está concentrado em observar e avaliar a performance de link sem fio e produzir um relatório caracterizando o enlace, quanto aos aspectos físicos e de desempenho.
A realização deste trabalho baseia-se no enlace wireless implantado através do projeto UCER – Uso Controlado e Eficiente de Redes IP Utilizando Tecnologia MPLS
61 % Problemas no provedor de serviço Principais Causas 47 % 36 % 24 % 13 % 6 % 7 % 6 %
Respostas dos Clientes de Serviços de Comunicação (*) Problemas de hardware Problemas de cabo/ falhas de linha Erro humano/configuração Falhas de alimentação Ações da natureza Outros Causas desconhecidas
(W2B – http://w2bnet.com.br), uma empresa de alta tecnologia no segmento de redes sem fio. O projeto conta com financiamento do CNPq, através do programa RHAE. Estão envolvidos neste projeto os seguintes departamentos: Informática e Estatísitca (INE/UFSC), Núcleo de Processamento de Dados (NPD/UFSC) e Gerência de Tecnologia de Informação (GTI/CEFETSC).
1.4 Estrutura
O presente trabalho está estruturado em oito capítulos, incluindo a introdução, e pode ser representado graficamente conforme a Figura 2. O Capítulo 2 apresenta conceitos e princípios em redes locais sem fio, baseados nos padrões IEEE 802.11. Caso o leitor tenha conhecimento deste conteúdo poderá passar ao capítulo seguinte. O Capítulo 3 introduz alguns termos e definições sobre radiofreqüência que subsidiam o processo de caracterização do link, notadamente quanto ao aspecto físico. Se o leitor estiver familiarizado com estes conceitos, poderá prosseguir, indo para o Capítulo 4. Nesse capítulo, serão abordados aspectos necessários à avaliação do desempenho e perfil do enlace sem fio. O Capítulo 5 propõe uma metodologia para caracterização de perfil e comportamento de enlace sem fio em ambiente aberto. Pelo embasamento proporcionado pelo conjunto de informações levantadas nos capítulos 4 e 5, verificar-se-á, no Capítulo 6, como foi concebido o ambiente do experimento para a avaliação e caracterização do link. O Capítulo 7 apresenta a avaliação dos resultados obtidos no experimento e o relatório de perfil do link wireless. O último capítulo conclui o estudo, ressaltando as contribuições, limitações e perspectivas futuras. Finalizando, seguem as referências bibliográficas.
2. Redes Sem Fio
O desenvolvimento da tecnologia de transmissão de dados, também conhecido como "revolução digital", tem provocado mudanças radicais no modo de vida das pessoas. O progresso e a difusão maciça da internet e do computador de uso pessoal estão influenciando no comportamento, assim como nos negócios, que agora têm as suas bases nos conhecimentos e informações contidas no e-business. A comunicação sem fio surge, neste cenário, como uma revolução na era da computação, antecedida pelo surgimento dos centros de processamentos de dados, dos terminais, dos sistemas multiusuário baseados em mini-computadores e das redes de computadores, nas décadas de cinqüenta, sessenta, setenta e oitenta, respectivamente.
O propósito deste capítulo é oferecer uma visão técnica básica sobre alguns conceitos envolvendo a comunicação sem fio e o padrão IEEE 802.11, entendendo seus conceitos, princípios e principais elementos.
2.1 Histórico
Desde os tempos mais remotos, o homem anseia comunicar-se rapidamente a longa distância. Alguns mencionam como forma de comunicação sinais de fumaça na antiga Grécia. Outras indicações de redes “sem fio” datam de 1800, ou antes, quando índios do centro-oeste americano utilizavam pele de veado sobre a fogueira para emitir sinais de fumaça, objetivando o envio de mensagens. Se necessário, dependendo da distância entre a origem e o destino da mensagem, pessoas utilizavam o mesmo método em fogueiras intermediárias, para retransmitir a mensagem [GEI96].
Outros marcos foram estabelecidos por grandes pensadores e inventores de nossa história, contribuindo significativamente para o progresso da ciência. Em 1820, Hans Cristian Oersted descobre experimentalmente que a corrente elétrica produz um campo magnético. Em 1831, Michel Faraday dá uma contribuição fundamental às comunicações sem fio, demonstrando a indução magnética. A invenção do telegrafo por Samuel F. B. Morse, em 1838, inaugura uma nova era na comunicação. Em 1864, James Maxwell traça os fundamentos teóricos sobre campos magnéticos. Em 1887, Heinrich Hertz demostra as equações de Maxwell sobre ondas eletromagnéticas. Em fins de 1896, Marconi, embasado nos conceitos desenvolvidos por Maxwell e Hertz, descobre a
radiotelegrafia, conseguindo a primeira patente industrial na área de comunicação sem fio [DIA01].
Desde então, o mundo experimentou enorme avanço. Pesquisadores descobriram, durante os séculos XIX e XX que ondas de rádio podiam ser enviadas pelo ar com pequeno consumo de energia de transmissão e antenas de fácil fabricação.
A evolução no tratamento de informações não aconteceu somente na área da comunicação. Equipamentos para processamento e armazenamento de informações também foram alvo de grande invenções. A introdução de sistemas de computadores na década de 1950 foi, provavelmente, o maior avanço do século XX nesse sentido [SOA95].
A conjunção destas duas tecnologias – comunicação e processamento – veio revolucionar o mundo em que vivemos, abrindo as fronteiras para novas formas de comunicação e permitindo uma maior eficácia dos sistemas computacionais. Redes de computadores são hoje uma realidade neste contexto. Para que possamos entendê-las, é necessário que observemos como se deu a evolução dos sistemas de computação até os dias de hoje, quando a distribuição do poder computacional é uma tendência indiscutível [SOA95].
Tecnologias de rede e comunicação de rádio foram empregadas na Universidade do Havaí, em 1971. Foi o primeiro sistema de computadores a empregar a técnica de radiodifusão ao invés de cabos ponto a ponto. Quando o projeto foi implantado, as linhas telefônicas disponíveis na ocasião eram caras e pouco confiáveis. Havia a necessidade de interligação de subredes da universidade, espalhadas pelas ilhas, ao Centro de Computação. A comunicação foi realizada através da instalação, em cada estação, de um pequeno transmissor/receptor de rádio FM, com um alcance suficiente para comunicar-se com o transmissor/receptor do Centro de Computação.
O projeto foi idealizado e implementado de tal forma que não havia comunicação direta entre estações, apenas de uma estação para o Centro de Computação e deste para uma estação. Foram utilizadas duas faixas de freqüência; uma em 407.305 MHz para o tráfego no sentido Centro-Estação, e outra em 413.475 MHz para o tráfego no sentido
tecnologia hoje amplamente utilizada, chamada Ethernet. Com a disponibilização da tecnologia Ethernet para redes fixas, a taxas de transmissão de dados de até 10 Mbits/s, a utilização da tecnologia de redes sem fio sofreu um arrefecimento.
Experiências conduzidas pela Hewlett-Packard, examinavam a comunicação sem fio entre terminais [BAU95], o que levou ao pedido, junto ao órgão de regulamentação de telecomunicações americano FCC (Federal Communications Comission), de uma faixa de freqüência para redes sem fio. Em 1985, o FCC, autorizou o uso público e desregulamentado das bandas Industrial, Científica e Medica (ISM – Industrial, Scientific and Medical), tornando-se o fato um catalisador positivo no desenvolvimento comercial das redes locais sem fio.
Em fins de 1990, como resultado da miniaturização dos componentes eletrônicos e do desenvolvimento da comunicação pessoal sem fio, surgiram comercialmente as primeiras redes sem fio. Este fato fez emergir necessidades em função de novos hábitos frente à utilização da tecnologia de redes sem fio. Com a demanda por conectividade de redes sem fio, surgem soluções e novos produtos no mercado, fazendo emergir a necessidade de estabelecimento de padrões para amadurecimento da tecnologia de redes sem fio. Foi então atribuído ao Grupo de Trabalho 802 do Institute for Electrical and Eletronic Engineers (IEEE) a responsabilidade pelo desenvolvimento dos padrões para redes locais sem fio. O padrão foi concluído e publicado no segundo semestre de 1997 e ficou conhecido como padrão IEEE 802.11. Em setembro de 1999, foram publicadas adições ao padrão IEEE 802.11, elevando as velocidades nominais de 1 Mbit/s e 2 Mbit/s para 5.5 Mbit/s e 11 Mbit/s, aplicáveis à banda ISM operando em 2.4 GHz.
Alguns benefícios são evidentes na adoção da tecnologia de redes sem fio, sob o ponto de vista do usuário. Entre os benefícios de se adotar o uso de redes sem fio, pode-se citar:
• Mobilidade: A liberdade de localização geográfica é uma das grandes prerrogativas
das redes sem fio. Médicos, enfermeiros, técnicos de campo, profissionais em atividades de inventariamento e estudantes, por exemplo, desempenham tarefas típicas onde a mobilidade é o elemento fundamental que pode ser propiciado pelas redes sem fio;
• Facilidade de instalação: Existem locais que, devido a sua geografia ou
locais de difícil acesso, supermercados ou lojas com aumento de movimento sazonal. Para esses casos, as redes sem fio apresentam-se como uma alternativa viável;
• Tempo de instalação reduzido: A instalação de cabos em redes fixas é uma
atividade que exige um tempo considerável. Soluções wireless podem reduzir sobremaneira o tempo de instalação do meio físico;
• Confiabilidade: É sabido que o tempo de downtime é de cerca de 50 % nas redes
fixas, devido a problemas de cabeamento [GEI96]. Redes sem fio utilizam poucos cabos. Logo a redução de downtime por problemas de cabeamento é conseqüência natural;
• Aumento de número de computadores portáteis: Associado a necessidade de
mobilidade, o número crescente de computadores portáteis no mercado e as suas características de interoperabilidade são elementos facilitadores para conexão às redes sem fio.
No entanto, alguns problemas associados ao uso das redes wireless não devem ser esquecidos. Alguns deles são:
• Gerenciamento de energia: Equipamentos sem fio, normalmente portáteis e
utilizados em locais onde não se dispõe de energia para alimentá-los, tornam a adoção de redes sem fio algo bastante crítico. Embora sejam utilizados mecanismos para economizar energia, a exemplo do Sleep Mode, que reduz em até 50% o consumo, a simples adição de uma placa de rede é sinônimo de redução significativa na autonomia da bateria;
• Projeto de redes wireless: Determinar a maneira como um prédio ou outros
obstáculos influenciarão na propagação das ondas de rádio através de simples inspeção é um procedimento inaceitável. O projeto de uma rede wireless representa tarefa relativamente complexa, pois faz-se mister fazer testes de cobertura de propagação para realizar uma correta instalação da rede.
• Riscos à saúde: Inúmeros estudos apontam para diferentes direções. Alguns
estudiosos isentam as redes dos riscos à saúde, outros nem tanto. Presume-se, que as redes wireless sejam menos nocivas ou mais seguras que os telefones celulares, devido a operação em baixo nível de energia (50 a 100 miliwatts), comparado aos celulares (600 miliwatts a 3 watts).
As transmissões empregadas nas redes sem fio podem causar, segundo estudos em experimentos de laboratório, as seguintes conseqüências à saúde:
a) Problemas biológicos [LIN97]; b) Tumores no cérebro [SAL97];
c) Lesões nos olhos [BER97], [VAL98]; d) Problemas no código DNA [LAI97].
2.2 Principais Conceitos
Neste tópico serão abordados alguns conceitos que visam facilitar a compreensão do tema.
2.2.1 Espectro Eletromagnético
É importante tomarmos consciência de como estamos imersos em ondas eletromagnéticas, iniciando pelo Sol, a maior e mais importante fonte para os seres terrestres, cuja vida depende do calor e da luz recebidos através de ondas eletromagnéticas. Além do astro rei, recebemos também radiação eletromagnética emitida por átomos de hidrogênio neutro que povoam o espaço interestelar da nossa galáxia, as emissões na faixa de radiofreqüências dos quasares e os pulsos intensos de radiação dos pulsares (estrelas pequenas cuja densidade média é em torno de 10 trilhões de vezes a densidade média do sol).
Há ainda as fontes terrestres de radiação eletromagnética: as estações de rádio e de TV, o sistema de telecomunicações por microondas, lâmpadas artificiais, corpos aquecidos e muitas outras. Essas ondas foram previstas em 1865 pelo físico escocês James Clerk Maxwell. Ele conseguiu provar teoricamente que uma perturbação eletromagnética devia se propagar no vácuo com uma velocidade igual à da luz. Em 1887, o físico alemão Heinrich Hertz, pela primeira vez, produziu e observou ondas
eletromagnéticas. Seu trabalho foi homenageado posteriormente dando-se o nome hertz (Hz) à unidade de freqüência.
O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é chamado de freqüência, f
.
A distância entre dois pontos máximos (ou mínimos) consecutivos é chamada comprimento de onda, simbolizado pela letra λ (lambda) [HAL95]. A Figura 3 ilustra uma onda senoidal e suas principais características.Figura 3 - Onda Eletromagnética
No vácuo toda onda eletromagnética viaja na mesma velocidade, que é de cerca de 2,99792458 x 108 m/s (cerca de 30 cm por nanossegundo), também conhecida como velocidade da luz. A relação fundamental entre f
,
λ e c (no vácuo) é:c = λ f
Podemos resumir as características das ondas eletromagnéticas como sendo as seguintes:
• São formadas por campos elétricos e campos magnéticos variáveis;
• Propagam-se no vácuo com velocidade c;
• Podem propagar-se num meio material com velocidade menor que a obtida no vácuo. A palavra espectro (do latim spectrum, que significa fantasma ou aparição), foi usada por Isaac Newton, no século XVII, para descrever a faixa de cores que apareceu
A Figura 4 representa o espectro eletromagnético através das faixas de freqüência e comprimento de ondas.
Figura 4 - Espectro Eletromagnético
Quando se instala uma antena com o tamanho apropriado em um circuito elétrico, as ondas eletromagnéticas podem ser transmitidas e recebidas com eficiência por um receptor localizado a uma distância bastante razoável. Toda comunicação sem fio é baseada nesse princípio [TAN97], [WEI99].
2.2.2 Modulação
A modulação é uma técnica que modifica um sinal analógico básico conhecido em um meio, de forma a codificar uma informação neste sinal. Qualquer propriedade mensurável de um sinal analógico pode ser usado para transmitir informação, pela simples mudança desta propriedade, de forma que as alterações efetuadas possam ser detectadas no receptor. Ao processo de variação dos parâmetros do sinal (amplitude, freqüência e fase) chamamos de modulação. O sinal que é modulado chama-se portadora (signal carrier), porque ele carrega a informação digital de um canal de informação para o outro.
2.2.3 Comunicação sem fio, computação móvel e redes de computadores sem fio
A comunicação é uma das maiores necessidades da sociedade humana desde os primórdios de sua existência. Conforme as civilizações se espalhavam, ocupando áreas cada vez mais dispersas geograficamente, a comunicação a longa distância se tornava cada vez mais uma necessidade e um desafio. Formas de comunicação através de sinais de fumaça ou pombos-correio foram as maneiras encontradas por nossos ancestrais para tentar aproximar as comunidades distantes [SOA95].
As grandes descobertas e evoluções experimentadas no campo das transmissões dos sinais elétricos provocaram significativa evolução nas comunicações e mudança de comportamento das pessoas, cada vez mais ávidas por informações, que atualmente podem ser acessadas de diversas maneiras: com fio, sem fio, por sistemas móveis, portáteis sem fio, etc.
A comunicação sem fio consiste em estabelecer comunicação através do ar. As formas mais comuns utilização sem fio são as conhecidas emissões AM, FM, televisão, rádio-táxi e comunicações militares. A comunicação sem fio é o suporte para a computação sem fio e móvel.
Embora a rede sem fio e a computação móvel tenham uma estreita relação, elas não são iguais, como mostra a Figura 5. Às vezes, os computadores portáteis podem ser conectados por fio. Por exemplo, se um viajante conecta um computador na tomada de telefone de um hotel, temos mobilidade sem o uso de uma rede sem fio. Outro exemplo é o de alguém que carrega consigo um computador portátil enquanto inspeciona eventuais problemas técnicos ocorridos em um trem. Por outro lado, alguns computadores sem fio não são portáteis. Esse é o caso, por exemplo das empresas sediadas em prédios antigos, nos quais não há cabeamento de rede para conectar os computadores, sendo então utilizada uma rede sem fio para conectá-los [TAN97].
Sem fio Móvel Aplicações
Não Não Estações de trabalho fixas em escritórios
Não Sim Utilização de um portátil em um hotel; manutenção de trem Sim Não LANs em prédios mais antigos, sem fiação
2.2.4 Diferenças e semelhanças entre WLANs e LANs
O padrão para redes locais sem fio IEEE 802.11 foi projetado para que as redes que o utilizam tenham aspecto e aparência como qualquer rede local IEEE 802. Isso significa que uma rede padrão IEEE 802.11 precisa parecer idêntica a qualquer rede com fio, para que o usuário não sofra impacto em seu uso. Da mesma forma, precisa suportar todos os protocolos e ferramentas para administração de uma rede fixa.
Para garantir a semelhança com as redes locais com fio, o padrão IEEE 802.11 foi projetado com a interface idêntica ao padrão IEEE 802.3. A especificação 802.11 opera abaixo da subcamada de controle lógico de enlace (LLC) do padrão 802.2, provendo todos os serviços requeridos por aquela subcamada.
Também existem diferenças entre LANs e WLANs. As duas diferenças mais significativas são a falta de uma ligação por fio (o enlace é o ar) e a mobilidade conferida pela falta desta ligação física. Estas diferenças conduzem a enormes benefícios, assim como a algumas desvantagens atribuídas às WLANs.
A ligação entre transmissores e receptores em uma WLAN é realizada pelo ar, através de ondas de rádio ou infravermelho. Em função de os dados serem difundidos em um meio público, o ar, existe uma preocupação em proteger estas informações. O grupo 802.11 percebeu que esta preocupação pudesse se constituir em um problema para os usuários e projetou mecanismos de criptografia, que serão abordados no tópico de controle de acesso ao meio.
O link sem fio também expõe as transmissões de uma WLAN aos caprichos da propagação eletromagnética. Para WLANs baseadas em ondas de rádio ou infraver-melho, tudo num ambiente é um refletor ou atenuador dos sinais que conduzem os dados na rede. Isto pode causar alterações significativas na potência de um sinal recebido por uma estação WLAN, as vezes retirando por completo uma estação da rede. A movimentação de pessoas em um ambiente, portas e outros objetos também podem afetar a potência de um sinal, modificando sua atenuação ou reflexão.
A segunda diferença significante entre uma WLAN e uma LAN é a mobilidade. O usuário de uma WLAN não está amarrado a uma tomada fixada em uma parede. Os dois principais benefícios de uma WLAN (enlace pelo ar e mobilidade) são também causa de muitas complexidades internas.
sem a necessidade de procurar tomadas ou contatar antecipadamente com o administrador de rede. Dispondo-se de um laptop equipado com interface WLAN IEEE 802.11, a conexão com a rede está disponível no escritório, em uma sala de conferência, no estacionamento do edifício e até mesmo em outro estado ou país. Isto significa que todas as informações estão disponíveis, enquanto você está sentado em uma conferência ou escritório. Estão sempre disponíveis nestes locais o e-mail, o servidor de arquivos e a internet [OHA99].
Por outro lado, a mobilidade traz consigo alguns problemas. A maioria dos protocolos de rede e equipamentos em uso atualmente não foi projetada para lidar com a mobilidade. Eles foram projetados com a suposição de que os endereços atribuídos a um nodo de rede permaneceriam em local fixo na rede. Hoje, há modos de contornar este problema utilizando novos protocolos, incluindo DHCP e IP móvel.
Outro problema introduzido pela mobilidade é a perda da conexão dos serviços baseados na localização de um usuário, quando endereços de rede não são associados a localização física. Desta forma, diferentes caminhos devem ser definidos, por exemplo, para uma impressora na rede, quando a localização física do usuário na rede pode ser constantemente modificada. Isto pode aumentar a complexidade do provimento do serviço, mas satisfaz as necessidades do usuário móvel.
2.3 Meio de Transmissão
Sistemas wireless utilizam como meio de transmissão largura de banda limitada de um canal de radiofreqüência ou impulsos de raios infravermelhos. Caracteristicamente, sistemas de rede por radiofreqüência herdam alguns aspectos que caracterizam o meio de transmissão [BAU95]:
• O meio é de domínio público;
• A faixa de comunicação é limitada, seja por questões legais impostas por órgãos reguladores – o órgão regulador no Brasil é a ANATEL –, ou por leis físicas;
Banda I 26 MHz 2,4 GHz 928 MHz Banda S Espectro de rádio frequência 2,4835 GHz 83,5 MHz Banda M 5,725 GHz 5,850 GHz 902 MHz 125 MHz
propagar-se além da área geográfica coberta pela rede, a utilização deste meio é vista pelo usuário com restrições no que tange ao aspecto segurança. Isto é, o usuário teme que sabotagem eletrônica possam paralisar o funcionamento da rede ou que invasores possam captar o sinal de sua rede fora do escopo da organização. Entretanto, como foi dito anteriormente, métodos criptográficos foram projetados pelo IEEE 802.11 objetivando resguardar a privacidade dos dados e acesso seguro a rede.
Outro problema associado ao fato de o meio ser de domínio público está na inabilidade do controle e gerência do acesso ao canal, sujeito a diversos tipos de interferências. Outra conseqüência é a ingerência do órgão regulador em disciplinar a utilização desse meio.
Por operar em um intervalo de comunicação restrito, a rede com comunicação por radiofreqüência é limitada em relação às redes locais fixas. Aliados às altas taxas de erros surgem novos esquemas de acesso ao meio, diferentes das redes fixas.
Pelo fato de a detecção da portadora das ondas eletromagnéticas não ser confiável (verificação se houve ou não colisão), existe a necessidade de implementação de circuitos dedicados a esta finalidade. Além desse aspecto, a detecção da portadora durante a transmissão pode levar de 30 a 50 µs, tempo bastante significativo se levarmos em conta o consumo de energia dos usuários móveis.
Redes wireless de rádio freqüência utilizam as bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) para transmissão. As bandas ISM (ver Figura 6) foram regulamentadas pelo órgão regulador americano FCC (Federal Communications Comission), como uma faixa de freqüência para redes sem fio, podendo ser utilizadas sem a necessidade de pedido de autorização para operação.
Figura 6 - Bandas ISM
padrão IEEE 802.11 operam na faixa de 2400 MHz a 2483,5 MHz da banda ISM. Foi escolhida esta faixa, em detrimento as demais, pela sua disponibilidade na maioria dos países.
Com relação às redes que utilizam os raios infravermelhos, embora sua vazão seja maior comparada as por radiofreqüência, o seu uso torna-se restrito em função das limitações impostas pela tecnologia, notadamente no que tange às interferências provocadas por luz solar, objetos opacos, lâmpadas fluorescentes e incandescentes, fumaça de cigarro e pó. Estes aspectos condenam as aplicações desta tecnologia a ambientes internos.
2.4 O Padrão IEEE 802.11
Em 1997, o IEEE adotou o primeiro padrão para WLANS, o padrão IEEE 802.11. Este padrão foi revisado em 1999. O padrão IEEE 802.11 define uma subcamada de controle de acesso ao meio (MAC) interagindo com outras três camadas físicas (PHY). As três camadas PHY são: infravermelho (IR), frequency hopping spread spectrum (FHSS) operando na faixa de 2.4 GHz, e a direct sequence spread spectrum (DSSS) operando também na faixa de 2.4 GHz. Todas as três camadas físicas descrevem operações a 1 e 2 Mbps. A Figura 7, ilustra o padrão 802.11 e suas camadas.
Figura 7 - Padrão IEEE 802.11 e suas camadas
A revisão de 1999, estabeleceu duas novas extensões camadas PHY. A primeira, definida pelo padrão 802.11a , é a OFDM (orthogonal frequency domain multiplexing), operando em 5 GHz e provendo capacidade de transmissão a taxas de até 54 Mbps. A segunda extensão define especificações para operar em banda ISM a 2.4 GHz,
2.4.1 Arquitetura IEEE 802.11
A arquitetura do padrão IEEE 802.11 WLAN foi planejada para suporte a rede onde a maior decisão é estruturar a distribuição das estações móveis. Essa arquitetura tem várias vantagens, como a flexibilidade para suporte a pequenas redes, ser tolerante a falhas em todo equipamento WLAN e eliminar possíveis gargalos. A arquitetura do padrão IEEE 802.11 inclui vários componentes: a estação, o AP, o meio sem fio, o Basic Service Set, o Distribution System e o Extended Service Set [OHA99].
A arquitetura IEEE 802.11 pode parecer muito complexa, mas esta complexidade aparente é o que proporciona robustez e flexibilidade. Ela também embute um nível de caminhos indiretos, que não estão presentes nas LANs fixas. Este nível de caminhos indiretos controla completamente a arquitetura IEEE 802.11 e a transparência do protocolo para os usuários da WLAN, permitindo a uma estação móvel “andar” ao longo de uma WLAN e parecer fixa para os protocolos sobre o MAC, que não possuem nenhum conceito de mobilidade. Este “truque” realizado pelo IEEE 802.11 permite a todos os protocolos de rede existentes rodar sobre uma WLAN sem qualquer consideração especial. A seguir, serão apresentados os conceitos relativos aos principais componentes da arquitetura IEEE 802.11.
2.4.1.1 Componentes da Arquitetura IEEE 802.11
Sinteticamente, uma LAN 802.11 é baseada em uma arquitetura modular, sendo o sistema dividido em células. Cada célula (chamada Basic Service Set ou BSS, no padrão 802.11) é controlada por uma estação base (chamada Access Point ou AP) [BRE99].
Embora uma rede LAN wireless possa ser formada por uma única célula, com um único AP, muitas instalações são formadas por muitas células, onde os APs estão conectados através de algum tipo de backbone (chamado Distribution System ou DS). Este backbone é normalmente Ethernet e, em alguns casos, wireless.
O conjunto de redes LAN wireless interconectadas, incluindo as diferentes células, seus respectivos APs e o DS, é visto como uma simples rede 802 para as camadas superiores do modelo OSI e é conhecido como Extended Service Set ou ESS. A Figura 8 mostra uma WLAN IEEE 802.11 típica, incluindo os componentes descritos acima.
Figura 8 - IEEE 802.11 WLAN Típica
2.4.2 Topologia de Redes Wireless
No padrão IEEE 802.11 para LANs sem fios, há dois modos diferentes para configurar uma rede: ad hoc e infra-estruturada [SIL98], [PRA98], [KAT94].
2.4.2.1 Rede ad hoc
Nas redes ad hoc, são reunidos computadores para formar uma rede. Como pode ser visto na Figura 9, não há nenhuma estrutura de comunicação de apoio, não há nenhum ponto fixo e, normalmente, todas as estações móveis, em uma área restrita, podem estabelecer comunicação peer-to-peer entre si. Um exemplo disto é uma reunião empresarial onde executivos compartilham projetos e informações financeiras em seus laptops. Estudos sobre as características de canais de redes wireless indicam que, apesar da pequena área de comunicação, não se pode presumir uma topologia de rede totalmente conectada.
Figura 9 - Rede wireless ad hoc
2.4.2.2 Rede Infra-estruturada
O segundo tipo de rede usado em LANs sem fios é a rede infra-estruturada, conforme Figura 10. Esta arquitetura utiliza dois elementos: as estações móveis e os pontos de acesso (APs). Cada ponto de acesso é responsável pela conexão das estações móveis de uma área de cobertura (BSS – Basic Service Set) com a rede fixa. O AP desempenha tarefas importantes na coordenação das estações móveis: Aceita ou não a inserção de uma nova estação à rede, colhe estatísticas para melhor gerenciamento do canal e ajuda a definir quando uma estação deve ou não ser controlada por outro ponto de acesso. Cada estação está associada a apenas um ponto de acesso em um determinado instante de tempo [PRA98].
Figura 10 - Rede Infra-estruturada
Em uma rede infra-estruturada, todas as estações móveis se comunicam com o AP. O AP provê tanto a conexão com a rede local fixa, se houver, como a função de transmissão para o BSS local. Assim, se uma estação móvel no BSS precisar se
comunicar com outra estação móvel, a comunicação é primeiramente enviada ao AP e então o AP a encaminha para a outra estação móvel. Isto produz duas comunicações que têm origem e terminam no mesmo BSS, consumindo duas vezes a largura de banda que a mesma comunicação consumiria se fosse enviada diretamente de uma estação móvel à outra. Apesar de que isto parece ter um custo significativo, os benefícios pesam mais que o seu valor. Um dos benefícios providos pelo AP é a buferização do tráfico para uma estação móvel enquanto ela estiver operando em baixa capacidade de energia [OHA99], já que o consumo de energia é um problema à medida em que não se prevê aumento significativo na capacidade de armazenagem de energia até o ano de 2005 [SOU97].
2.4.3 Camada Física (PHY)
A camada física, doravante chamada de PHY, define as características mecânicas, elétricas, funcionais e procedurais para ativar, manter e desativar conexões físicas que se destinam a transmitir bits entre entidades do nível de enlace. As características mecânicas definem, por exemplo, o tamanho e a forma dos conectores, pinos, cabos etc. que compõem um circuito de transmissão. As características elétricas especificam os valores dos sinais elétricos (níveis de tensão e corrente) usados para representar bits, o tempo entre mudanças desses valores (intervalo de sinalização) etc. As características elétricas determinam as taxas de transmissão e distâncias que podem ser atingidas. Já as características funcionais definem o significado dos sinais transmitidos nas interfaces do nível físico. As características procedurais especificam combinações e seqüências de sinais que devem ocorrer para que uma interface do nível físico cumpra o seu papel de transmitir bits [SOA95].
A PHY situa-se ao fundo da pilha do modelo OSI, conforme pode ser visto na Figura 11. A PHY é a interface entre a subcamada de controle de acesso ao meio (MAC) e o meio wireless, transmitindo e recebendo frames de dados sobre o meio wireless compartilhado.
Figura 11 - Representação da Camada Física (PHY) no Modelo OSI
A PHY provê três níveis de funcionalidade. O primeiro permite a troca de frames entre o MAC e a PHY, sob o controle da subcamada de procedimento de convergência da camada física (PLCP). O segundo, a PHY utiliza osinal da portadora e a modulação de espalhamento espectral para transmitir frames de dados sobre o meio, controlado pela subcamada de dependência do meio físico (PMD). No terceiro nível de funcionalidade, a PHY fornece uma indicação da portadora, visando a verificação da atividade do meio.
Conforme já mencionado, as redes locais wireless utilizam dois meios de transmissão: canais de radiofreqüência ou canais ópticos de raios infravermelhos. As redes que empregam raios infravermelhos são compostas de equipamentos mais simples, haja vista necessitarem apenas da detecção da amplitude de sinais ópticos. Redes que utilizam os raios infravermelhos como meio de transmissão são tidas como sistemas de baixo custo e não possuem restrições dos órgãos regulamentadores.
As redes de radiofreqüência apresentam um cenário oposto as de raios infravermelhos. A tecnologia de radiofreqüência na qual as WLANs são baseadas é conhecida como modulação de espalhamento espectral e tem suas raízes na atividade militar datada da Segunda Guerra Mundial. Entre as vantagens que podem ser elencadas no uso da tecnologia de espalhamento espectral, podemos citar: a segurança inerente às transmissões, a resistência as interferências ocasionais e intencionais, a redundância, a resistência a multicaminhos (multipath) e ao efeito fading.
O espalhamento do sinal pela banda é realizado por um código independente dos dados. Para o receptor recuperar o sinal original, a recepção deve ser sincronizada com a transmissão através de um código. Um dos parâmetros-chave desta técnica reside nos número de formatos de sinais ortogonais que podem ser utilizados para a transmissão de dados. Sinais ortogonais são os sinais empregados em um formato para comunicação
que não podem ser detectados por processadores do outro formato. A multiplicidade de formatos de sinal permite o acesso múltiplo de comunicação simultaneamente. Dois pontos que se comunicam possuem o mesmo código, de maneira que o receptor possa recuperar o sinal transmitido, apesar de outras transmissões estarem sendo feitas ao mesmo tempo.
Como resultado, sistemas que utilizam espalhamento espectral podem coexistir com outros sistemas de rádio, sem causar transtornos ou perturbações às atividades dos demais. O efeito imediato deste comportamento é que estes sistemas podem ser operados sem a necessidade de licença, e isso fez a modulação de espalhamento espectral ser a tecnologia escolhida para WLAN.
São apresentados três padrões na camada PHY como técnicas de transmissão wireless: Espalhamento Espectral por Seqüência Direta (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum), Espalhamento Espectral por Salto de Freqüência (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) e Infravermelho (IR). As referidas técnicas serão abordadas a seguir.
2.4.3.1 Espalhamento Espectral por Seqüência Direta (DSSS)
O sistema de transmissão DSSS é uma das três camadas físicas suportadas pelo padrão IEEE 802.11, utilizando como meio de transmissão a radiofreqüência, operando na banda, não licenciada, de 2,4 GHz. Neste sistema, cada tempo de bit é dividido em n intervalos, denominados de chips. Cada estação possui uma seqüência pseudo-randômica de n bits, chamada seqüência de chips. Para enviar o bit 1, uma estação envia uma seqüência de chips. Para enviar o bit 0, é enviado o complemento de sua seqüência de chips. A Figura 12 representa uma seqüência com n=11, onde n é chamado de fator de spread spectrum. Observa-se que a informação transmitida, ao invés de ser x bits/s é de nx chips/s [PRA96]. Sendo assim, necessita-se que a largura de banda disponível para a transmissão seja aumentada por um fator n, o que faz desta técnica um tipo de spread spectrum [TAN97].
Figura 12 - Exemplo de seqüência de chip
A PHY DSSS, segundo o padrão 802.11, usa uma seqüência de 11 bits para espalhar os dados antes de transmiti-los. Cada bit transmitido é modulado por esta seqüência. Este processo espalha a energia de radiofreqüência em torno de uma banda de faixa larga, que pode ser necessária para transmitir o dado. O receptor concentra o sinal de radiofreqüência recebido para recuperar o dado original.
Como técnica de modulação, esta camada utiliza para provimento em operações de 1 Mbps a técnica DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying), enquanto que para operações em 2 Mbps a técnica usada é a DQPSK ((Differential Quadrature Phase Shift Keying) [SIL98].
A especificação IEEE 802.11 para a América do Norte, na banda de 2.4 GHz, define 11 canais de 22 Mhz de largura cada um, que podem ser utilizados pela PHY DSSS. Considerando-se a largura de banda definida para transmissões em DSSS (22 Mhz), o número máximo de canais de 2 Mbps que podem co-existir é três, podendo então operar na mesma área, simultaneamente, três sistemas distintos, sem interferências [SCH01], [BUD01]. A Figura 13 representa o espaçamento mínimo entre canais para a América do Norte, que é de 25 MHz. e a Figura 14 representa 3 sistemas DSSS, separados por freqüência:
Figura 14 - 3 Sistemas DSSS separados por freqüências
No padrão IEEE 802.11, 14 canais de freqüência de centro estão definidos para operarem na faixa de freqüência não licenciada de 2.4 GHz. Na América do Norte, são permitidos 11 canais, variando de 2.412 GHz a 2.462 GHz. Na maior parte da Europa, são permitidos 13 canais, variando de 2.412 GHz até 2.472 GHz. No Japão, é reservado um canal de freqüência de 2.483 GHz [OHA99].
2.4.3.2 Espalhamento Espectral por Salto de Freqüência (FHSS)
O sistema de transmissão FHSS é uma das três camadas físicas suportadas pelo padrão IEEE 802.11, utilizando como meio de transmissão a radiofreqüência, operando na banda, não licenciada, de 2.4 GHz. Neste sistema, divide-se a banda de freqüência em canais de freqüência com a mesma largura. Os canais são espaçados uniformemente sobre a faixa de freqüência de 83.5 MHz, ocupando uma largura de banda de 1 MHz. O sinal é difundido numa seqüência pseudo-randômica destes canais. Em dado instante, um canal desta seqüência é utilizado por curto período de tempo para transmissão dos dados. Os canais da seqüência devem ser igualmente utilizados. O receptor deve saltar em sincronia com o transmissor para recuperar os dados. A informação será plenamente recuperada se a série de canais do transmissor for conhecida pelo receptor [PRA96].
Durante o desenvolvimento do padrão IEEE 802.11, as seqüências de salto foram aprovadas para operação na América do Norte, Europa e Japão. O número de canais alocados para o espalhamento do espectro depende da localização geográfica. Na
