Redes Sem Fios e Mveis Cap 6 do

Redes Sem Fios e Móveis Cap 6 do Kurose Nota dos autores: We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in Power. Point form so you can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: q If you use these slides (e. g. , in a class) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!) q If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright 1996 -2007 J. F Kurose and K. W. Ross, All Rights Reserved Computer Networking: A Top Down Approach 4 th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July 2007. 6: Redes Móveis e sem Fios 1

Introdução r # de assinantes de telefones móveis excede largamente o número de assinantes de telefones fixos m 34 milhões em 1993; 2 bilhões em 2005 r Redes de computadores cada vez mais com mais dispositivos móveis: laptops, palmtops, PDAs, telefones VOIP m A mobilidade veio para ficar r Dois desafios importantes mas diferentes m m Comunicações sem fios : comunicação através de ligações sem fios Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda contantemente o seu ponto de ligação à rede 6: Redes Móveis e sem Fios 2

Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802. 11 m m m Arquitectura 802. 11 Protocolo de acesso ao meio 802. 11 Quadro IEE 802. 11 Mobilidade na mesma sub-rede IP Funcionalidades avançadas no 802. 11 Para além do 802. 11: Bluetooth e Wi. MAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m m Endereçamento Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário 6: Redes Móveis e sem Fios 3

Elementos de uma rede sem fios Hosts sem fios r laptop, PDA, telefone IP r Correm aplicações r Podem ser estacionários ou móveis Infra-estructura de Rede m Sem fios não significa mobilidade 6: Redes Móveis e sem Fios 4

Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede Estação Base r Conectada à rede com fios, normalmente r relay – responsável pelo envio de pacotes entre hosts com e sem fios na sua “area” m i. e. , torres das células , pontos de acesso 802. 11 6: Redes Móveis e sem Fios 5

Elementos de uma rede sem fios ligação sem fios r Tipicamente usado para ligar os móveis à estação base r Também usado como ligação de backbone Infra-estructura r Acesso ao link de Rede coordenado por protocolos múltiplos r Variação no débito de dados e distância de transmissão 6: Redes Móveis e sem Fios 6

Características das normas para ligações sem fios seleccionadas Data rate (Mbps) 200 54 5 -11 802. 11 n 802. 11 a, g 802. 11 b 4 1 802. 11 a, g point-to-point data 802. 16 (Wi. MAX) UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA 2000 -1 x. EVDO 3 G cellular enhanced 802. 15 . 384 3 G UMTS/WCDMA, CDMA 2000 . 056 2 G IS-95, CDMA, GSM Indoor Outdoor 10 -30 m 50 -200 m Mid-range outdoor Long-range outdoor 200 m – 4 Km 5 Km – 20 Km 6: Redes Móveis e sem Fios 7

Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede modo infra-estructura r Estação Base liga os móveis à rede com fios r handoff: o móvel muda de estação de base que o liga à rede com fios 6: Redes Móveis e sem Fios 8

Elementos de uma rede sem fios Modo ad hoc r Sem estações de base r Os nós podem apenas transmitir para outros nós dentro sa sua área de cobertura r Os nós organizam-se em rede: encaminham através de si próprios 6: Redes Móveis e sem Fios 9

Taxonomia de Redes sem Fios Salto único host liga-se à estação Infra-estructura de base (Wi. Fi, Wi. MAX, (i. e. , APs) cellular) que se liga à Internet Saltos múltiplos O host pode ter que passar por vários nós relay sem fios para se ligar à Internet: mesh net Sem estação de base, sem ligação à Internet. Sem estação de base nem Pode ter que usar relays Infra-estructura Ligação à Internet Para atingir um dado nó (Bluetooth, redes adhoc) sem fios na MANET, VANET 6: Redes Móveis e sem Fios 10

Características das Ligações Sem Fios (1) Diferenças para as ligações com fios …. m m m Força decrescente do sinal : o sinal de rádio é bastante atenuado quando se propaga através do meio (perdas do percurso) Interferência com outras fontes: as frequências normalizadas para redes sem fios (i. e. , 2. 4 GHz) são partilhadas com outros dispositivos como telefones ; Também há interferência com motores por exemplo Propagação multi-percurso: o sinal de rádio reflecte-se na superfície dos objectos e no chão, chegando ao destino em várias réplicas do sinal em instantes diferentes. …. Torna a comunicação (mesmo ponto-a-ponto)através de ligações sem fios muito mais “complicada” 6: Redes Móveis e sem Fios 11

Características das Ligações Sem Fios (2) r SNR: signal-to-noise ratio Maior SNR – mais fácil extrair o sinal do ruído (uma “coisa boa”) r Compromissos SNR versus BER m Dada a camada física: aumenta a potência -> aumenta SNR>diminui BER m Dada a SNR: encontre uma camada física que se adapte aos requisitos BER, dando o máximo débito 10 -1 m • A SNR pode mudar com a mobilidade : adapte a camada física dinamicamente (técnica de modulação, débito) 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 20 30 40 SNR(d. B) QAM 256 (8 Mbps) QAM 16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 6: Redes Móveis e sem Fios 12

Características das Ligações Sem Fios (3) Múltiplos transmissores e receptores sem fios criam problemas adicionais (para além do acesso múltiplo) C A B Problema do terminal escondido C Força do Sinal de A space r B, A ouvem um ao outro Atenuação do sinal: r A, C não podem ouvir-se entre si o r B, C ouvem um ao outro r B, A ouvem um ao outro que significa que não se apercebem da interferência em B r A, C não podem ouvir-se interferem em B 6: Redes Móveis e sem Fios 13

Code Division Multiple Access (CDMA) r Usado em vários normas para canais broadcast sem fios r r r (celular, satélite, etc) Código único atribuído a cada utilizador, i. e. partição do conjunto de códigos Todos os utilizadores partilham a mesma frequência, mas cada um deles tem a sua própria sequência de transporte (i. e. código) para codificar os dados Sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence) Descodificação = produto interno do sinal codificado com a sequência de transporte (chipping) Permite a “coexistencia” de múltiplos utilizadores que transmitem simultaneamente com mínima interferência (se os códigos forem ortogonais) 6: Redes Móveis e sem Fios 14

CDMA Codificação/Descodificação sender data bits code Zi, m= di. cm d 0 = 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 slot 1 channel output 1 -1 1 1 1 d 1 = -1 1 channel output Zi, m -1 -1 -1 slot 0 channel output M Di = S Zi, m. cm m=1 received input code receiver 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 slot 1 M 1 1 -1 -1 slot 0 d 0 = 1 d 1 = -1 slot 1 channel output slot 0 channel output 6: Redes Móveis e sem Fios 15

Problema 1 r Qual seria o valor de saida do transmissor se o código CDMA fosse (1, -1, 1 -1, 1 -1)? 6: Redes Móveis e sem Fios 16

CDMA: Interferência de duas transmissões 6: Redes Móveis e sem Fios 17

Problema 2 r Apresente um exemplo de 2 Tx e 2 Rx, apresente um exemplo de código CDMA que não permita aos dois receptores extrair os bits originais dois transmissores. 6: Redes Móveis e sem Fios 18

Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802. 11 m m m Arquitectura 802. 11 Protocolo de acesso ao meio 802. 11 Quadro IEE 802. 11 Mobilidade na mesma sub-rede IP Funcionalidades avançadas no 802. 11 Para além do 802. 11: Bluetooth e Wi. MAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m m Endereçamento Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário 6: Redes Móveis e sem Fios 19

Redes Locais sem fios IEEE 802. 11 r 802. 11 a r 802. 11 b m Gama 5 -6 GHz m 2. 4 -5 GHz espectro sem licença m Até 54 Mbps m Até 11 Mbps r 802. 11 g m direct sequence spread spectrum (DSSS) na camada m Gama 2. 4 -5 GHz física m Até 54 Mbps • Todos os hosts usam o r 802. 11 n: antenas múltiplas mesmo código de “chipping” m Gama 2. 4 -5 GHz m Até 200 Mbps r Todas usam CSMA/CA para acesso múltiplo r Todas têm versões com estação de base e para redes ad-hoc 6: Redes Móveis e sem Fios 20

Arquitectura da LAN 802. 11 r Cada host sem fios comunica Internet AP hub, switch or router BSS 1 AP BSS 2 com uma estação de base m Estação de Base = Ponto de Acesso (AP) r Cojunto básico de serviço (BSS) (aka “cell”) no modo infra-estrtutura contém: m Hosts sem fios m Pontos de Acesso (AP): Estações de Base 6: Redes Móveis e sem Fios 21

Arquitectura da LAN 802. 11 r Cojunto básico de serviço (BSS) em modo Ad hoc contém: m Hosts sem fios BSS 6: Redes Móveis e sem Fios 22

802. 11: Canais e Associação r 802. 11 b: gama do espectro 2. 4 GHz-2. 485 GHz dividido em 11 canais com diferentes frequências m AP admin escolhe a frequência para o AP m Possível interferência: escolha do mesmo canal que um AP vizinho ! r host: deve associar-se a um AP m Varre os canais, ouvindo os quadros de orientação (beacon frames) contendo o nome do AP (SSID) e endereços MAC m Selecciona um AP para se associar m Pode autenticar-se (ver Capítulo 8) m Tipicamente corre o DHCP para obter um endereço IP na subrede do AP 6: Redes Móveis e sem Fios 23

Problema 3 r Suponha que há dois ISPs disponibilizando acesso Wi. Fi num café, cada um dos quais a operar o seu AP e tendo o seu próprio bloco de endereços IP m m Suponha adicionalmente que cada ISP configurou o seu AP para funcionar no canal 11. Será que o protocolo 802. 11 deixa de funcionar nesta situação? O que acontece se 2 estações cada uma de um ISP tentam transmitir ao mesmo tempo. Responda às mesmas questão se um AP funcionar no canal 1 e outro no canal 11. As suas respostas mudam? 6: Redes Móveis e sem Fios 24

802. 11: Varrimento Activo/Passivo BBS 1 AP 1 BBS 2 1 1 2 AP 2 BBS 1 AP 1 BBS 2 1 2 3 H 1 Varrimento Passivo: (1) beacon frames enviadas dos APs (2) Quadro de pedido de associação enviada pelo H 1 para o AP seleccionado (3) Quadro de resposta de associação enviada para o H 1 pelo AP seleccionado 2 3 AP 2 4 H 1 Varrimento Activo (1) Pedido de prova enviada de H 1 (2) Resposta de prova enviada dos APs (3) Quadro de pedido de associação enviada pelo H 1 para o AP seleccionado (4) Quadro de resposta de associação enviada para o H 1 pelo AP seleccionado 6: Redes Móveis e sem Fios 25

Acesso mútiplo no IEEE 802. 11 r Evitar colisões: 2+ nós a transmitir simultaneamente. r 802. 11: CSMA – Ouvir antes de transmitir m Não colidir com uma transmissão de outro nó em curso r 802. 11: Não há detecção de colisão ! m É dificil receber (ouvir colisões) quando se transmito devido à fraqueza do sinal recebido (desvanescimento, fading) m Em qualquer caso não se consegue ouvir as colisões em todas situações: terminal escondido, fading m Objectivo: Evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance) A C A B B C Força do sinal A space 6: Redes Móveis e sem Fios 26

Protocolo de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) do IEEE 802. 11 : CSMA/CA Transmissor 802. 11 1 Se se apercebe do canal inactivo durante o tempo DIFS então sender Transmite o quadro completo (sem CD) 2 Se o canal estiver ocupado então DIFS arranca um tempo aleatório de backoff O temporizador faz uma contagem decrescente à espera do canal inactivo Transmite quando o tempo termina Se não tiver confirmação (ACK), aumenta o intervalo aleatório do tempo de backboff, e repete o passo 2 Receptor 802. 11 - Se o quadro recebido estiver OK receiver data SIFS ACK devolve o ACK após o tempo SIFS (ACK é necessário por causa do problema do terminal escondido) Tempo 6: Redes Móveis e sem Fios 27

CSMA/CD versus CSMA/CA r CSMA/CD (Ethernet) m Transmite mal se aperceba que o canal está livre r CSMA/CA m Apercebe-se que o canal está livre mas refreia a sua vontade de transmitir e conta a partir dum valor aleatório de forma decrescente até zero antes de transmitir Porquê a Diferença? 6: Redes Móveis e sem Fios 28

Problema 4 r No passo 4 do protocolo CSMA/CA, uma estação que transmite com sucesso um quadro começa no passo 2 e não no passo 1. Que raciocínio fizeram os engenheiros do 802. 11 para não permitir essa estação enviar imediatamente o quadro seguinte (se detectar o canal livre)? 6: Redes Móveis e sem Fios 29

CSMA/CD versus CSMA/CA Uma terceira estação está a transmitir; estão 2 à espera. r Ethernet r Começam logo a transmitir e dá colisão m m Não é grave Há mecanismos de detecção de colisão r Wireless r Esperam um tempo de contagem random m m Uma delas ganha e começa a transmitir A outra ouve a vencedora e deixa de contar à espera do canal livre Pode ocorrer na mesma se as 2 estações estiverem escondidas uma da outra Escolhem tempos muito próximos 6: Redes Móveis e sem Fios 30

Prevenção de Colisão (mais) ideia: permitir ao transmissor reservar o canal em vez acesso aleatório dos quadros de dados: evitar colisões em quadros de dados longos. r O transmissor primeiro envia pacotes pequenos com pedido de envio (request-to-send , RTS) para a BS usando o CSMA m As RTSs podem também colidir (mas são pequenas) r A estação de base (BS) difunde clear-to-send (CTS) em resposta ao in response to RTS r CTS ouvido por todos nós m Transmissor envia o quadro de dados m As outras estações atrasam (deferem) as suas transmissões Evitar por completo colisões de quadros de dados com recurso a pequenos pacotes de reserva! 6: Redes Móveis e sem Fios 31

Collision Avoidance: RTS-CTS exchange A B AP RTS(B) RTS(A) reservation collision RTS(A) CTS(A) DATA (A) time ACK(A) defer ACK(A) 6: Redes Móveis e sem Fios 32

Problema 5 r Suponha que uma estação 802. 11 é configurada para reservar sempre o canal com uma sequência RTS/CTS. Suponha que a estação subitamente transmitir 1000 bytes de dados e todas as outras estações estão em repouso nesse instante. Como função do SIFS e do DIFS e ignorando atrasos de propagação and erros de bits, calcule o tempo necessário para transmitir o quadro e receber a confirmação. 6: Redes Móveis e sem Fios 33

Ligações ponto-a-ponto 802. 11 r 802. 11 pode ser usado com antenas direccionais para ligações ponto-a-ponto de dezenas de Km m Hardware de baixo custo m Antenas direccionais m Potência reforçada r Exemplo na Índia [Raman 2007] 6: Redes Móveis e sem Fios 34

Quadro 802. 11 : Payload e CRC 2 2 6 6 6 frame address duration control 1 2 3 2 6 seq address 4 control 0 - 2312 4 payload CRC r Payload – Datagrama IP ou pacote ARP m Embora possa ir até 2, 312 bytes normalmente é inferior a 1500 bytes r CRC (Cyclic Redundancy Checking) m Permite ao receptor detectar erros no quadro recebido m É bastante útil porque aqui há erros mesmo ! 6: Redes Móveis e sem Fios 35

Quadro 802. 11 : endereçamento 2 2 6 6 6 frame address duration control 1 2 3 Endereço 1: endereço MAC do host sem fios ou AP destinatário do quadro 2 6 seq address 4 control 0 - 2312 4 payload CRC Endereço 4: usado apenas no modo ad hpc Endereço 3: endereço MAC da interface do router a que o AP está ligado Endereço 2: endereço MAC do host sem fios ou AP que transmite o quadro 6: Redes Móveis e sem Fios 36

Quadro 802. 11: endereçamento R 1 router H 1 Internet AP R 1 MAC addr H 1 MAC addr dest. address source address 802. 3 frame AP MAC addr H 1 MAC addr R 1 MAC address 1 address 2 address 3 802. 11 frame 6: Redes Móveis e sem Fios 37

Quadro 802. 11 : Outros campos frame seq # (for reliable ARQ) duration of reserved transmission time (RTS/CTS) 2 2 6 6 6 frame address duration control 1 2 3 2 Protocol version 2 4 1 Type Subtype To AP 6 2 1 seq address 4 control 1 From More AP frag 1 Retry 1 0 - 2312 4 payload CRC 1 Power More mgt data 1 1 WEP Rsvd frame type (RTS, CTS, ACK, data) 6: Redes Móveis e sem Fios 38

802. 11: Mobilidade na mesma subrede r H 1 permanece na mesma sub-rede: o endereço IP pode ser o mesmo r Switch: a que AP está associado H 1? m Auto-aprendizagem (Cap. 5, Kurose): o switch vai ver o quadro proveniente de H 1 e recordar que porta do switch pode ser usada para chegar a H 1 router hub or switch BBS 1 AP 2 H 1 BBS 2 6: Redes Móveis e sem Fios 39

802. 11: Funcionalidades avançadas QAM 256 (8 Mbps) QAM 16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) operating point 10 -1 10 -2 10 -3 BER Adaptação da taxa de transmissão r A estação de base e o host móvel, mudam dinamicamente a sua taxa de transmissão (técnica de modulação da camada física) conforme o host se move, o SNR varia 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 20 30 SNR(d. B) 40 1. A SNR diminui, a BER aumenta conforme o nó se afasta da estação de base 2. Quando a BER se torna muito grande mude-se para uma taxa transmissão mais baixa mas com BER mais pequena. 6: Redes Móveis e sem Fios 40

802. 11: Funcionalidades avançadas Gestão da Energia r node-to-AP: “Vou adormecer até o próximo quadro beacon” m. O AP sabe que não transmite quadros para o nó m O nó acorda antes dó próximo quadro beacon r Quadro beacon: contém a lista dos nós móveis com quadros em espera no AP m. O nó acorda se há quadros em espera, caso contrário adormece até ao próximo quadro beacon 6: Redes Móveis e sem Fios 41

Próxima aula r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802. 11 m m m Arquitectura 802. 11 Protocolo de acesso ao meio 802. 11 Quadro IEE 802. 11 Mobilidade na mesma sub-rede IP Funcionalidades avançadas no 802. 11 Para além do 802. 11: Bluetooth e Wi. MAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m m Endereçamento Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário 6: Redes Móveis e sem Fios 42

Para além do 802. 11 r 802. 11 m Comunicação entre dispositivos a menos de 100 m m Comunicação a maior distância para ligações ponto-a-ponto • Antenas direccionais r Duas outras normas IEEE para protocolos m Distâncias mais curtas – 802. 15 • Comunicação Bluetooth m Distâncias maiores – 802. 16 • Wi. Max 6: Redes Móveis e sem Fios 43

802. 15: Rede Pessoal sem Fios (WPAN) r Menos que 10 m de diâmetro r Substituição de cabos (rato, teclado, auriculares) r ad hoc: sem infra-estructura r Mestre/Escravo: m m especificação Bluetooth m m I 2. 4 -2. 5 GHz Banda rádio Até 721 kbps Raio de Cobertura M Escravos pedem permissão para enviar (para o mestre) Meste autoriza pediddos r 802. 15: evolução da I E E P E I M Dispositivo mestre E Dispositivo Escravo I Dispositivo Inactivo 6: Redes Móveis e sem Fios 44

802. 16: Wi. MAX r Tal como 802. 11 & Ponto-a-Ponto celular: modelo de estação de base (EB) m Transmissões de/para EB por hosts com antenas omnidireccionais m Backbone EB-para-EB com antenas ponto-a-ponto Ponto-Multiponto r Ao contrário do 802. 11: m Cobertura ~ 6 milhas (“cidade em vez de café”) • Milha = 1852 metros m ~14 Mbps 6: Redes Móveis e sem Fios 45

Wi. MAX: escalonamento carga/descarga r Quadro de Transmissão m Subquadro de descarga: EB para nó m Subquadro de carga : nó para EB pream. … DL- ULMAP DL burst 1 DL burst 2 downlink subframe … … DL burst n Initial request SS #1 SS #2 maint. conn. … SS #k uplink subframe EB diz aos nós quem vai receber (DL map) E quem vai enviar (UL map), e quando r Norma Wi. MAX standard disponibiliza mecanismo mas não o algoritmo de escalonamento 6: Redes Móveis e sem Fios 46

Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802. 11 m m m Arquitectura 802. 11 Protocolo de acesso ao meio 802. 11 Quadro IEE 802. 11 Mobilidade na mesma sub-rede IP Funcionalidades avançadas no 802. 11 Para além do 802. 11: Bluetooth e Wi. MAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m m Endereçamento Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário 6: Redes Móveis e sem Fios 47

Componentes de redes celulares MSC Célula q liga as células à rede q gere estabelecimento de chamadas q manipula mobilidade q cobre região geográfica q Estação de Base (EB) análoga ao PA 802. 11 q utizadores móveis ligam-se à rede via EA q. Interface ao ar: protocolo físico e de ligação entre a EA e os utilizadores móveis Mobile Switching Center Rede Telefónica e Internet Mobile Switching Center Rede com fios 6: Redes Móveis e sem Fios 48

Redes Celulares: o 1ºsalto Duas técnicas para partilharo espectro rádio entre os móveis e a EB r FDMA/TDMA combinados: Dividir espectro em canais de frequência e cada canal em pedaços (slots) de tempo frequency time slots bands r CDMA: Acesso múltiplo por divisão de código 6: Redes Móveis e sem Fios 49

Normas e Tecnologias para Redes Celulares: visão sumária r Normalmente classificadas em gerações m 1ªs gerações concebidas apenas para voz • Pouco interessantes num curso de Redes m Últimas gerações • Suportam voz e dados m Um calão de siglas para as várias tecnologias • Interessante para descodificar o calão que ouvimos no dia a dia m 1ª Geração (1 G) • Sistemas analógicos com FDMA apenas para comunicação por voz • Quase extinta e substituída pela segunda geração (2 G) já digital 6: Redes Móveis e sem Fios 50

Normas para Redes Celulares 2 G systems: canais de voz r IS-136 TDMA: FDMA/TDMA combinados (América do Norte) r GSM (global system for mobile communications): FDMA/TDMA combinado m Mais usado r IS-95 CDMA: code division multiple access TDMA/FDMA 0 CDMA-200 GPRS EDGE UMTS IS-136 GSM IS-95 Don’t drown in a bowl of alphabet soup: use this for reference only 6: Redes Móveis e sem Fios 51

Normas para Redes Celulares 2. 5 G systems: canais de voz e dados r Para os impacientes pelo serviço 3 G: extensões ao 2 G r general packet radio service (GPRS) m Evolução do GSM m Dados enviados em canais múltiplos (se disponíveis) r enhanced data rates for global evolution (EDGE) m Também evolução do GSM, com utilização de modulação melhor m Débitos de dados até 384 K r CDMA-2000 (fase 1) m Débitos de dados até 144 K m Evolução do IS-95 6: Redes Móveis e sem Fios 52

Normas para Redes Celulares 3 G systems: dados/voz r CDMA-2000 m Evolução dos sistemas 2 G IS-95 e compatível com eles m Usa o CDM na sua interface com o ar m CDMA em slots TDMA m data service: 1 x. EVolution Data Optimized (1 x. EVDO) até 14 Mbps m Usa escalonamento oportunista parecido com o do Wi. Max 6: Redes Móveis e sem Fios 53

4ª Geração(4 G) O ideal para acesso Internet sem fios… r Acesso Internet Ubíquo m Casa, escritório, Café, carro, praia r Acesso com o maior débito possível m Em função da nossa localização física r Acesso transparente a diversas tecnologias m Conforme mudamos de localização e mesmo se houver necessidade de tecnologia, não ser preciso a intervenção do utilizador r Manter mesmo em movimento as nossas conexões TCP activas m Manter sempre as nossas conexões activas r Ter acesso a VOIP e Vídeo em tempo real sobre IP r Isso tudo de borla (grátis) ou quase ( a baixo custo)! …. . Mais tópicos (e mais interessantes) sobre redes celulares com a mobilidade 6: Redes Móveis e sem Fios 54

Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802. 11 m m m Arquitectura 802. 11 Protocolo de acesso ao meio 802. 11 Quadro IEE 802. 11 Mobilidade na mesma sub-rede IP Funcionalidades avançadas no 802. 11 Para além do 802. 11: Bluetooth e Wi. MAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m m Endereçamento Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário 6: Redes Móveis e sem Fios 55

O que é a mobilidade? r Espectro de mobilidade na perspectiva da rede: Sem Mobilidade Utilizador móvel sem fios conectado ao mesmo PA Alta mobilidade Utilizador móvel conectado/ desconectado da rede usando o DHCP. Utilizador móvel, passando através do Ponto de Acesso mantendo conexões abertas (tal como no telefone móvel) 6: Redes Móveis e sem Fios 56

É importante manter o endereço? r No seu telemóvel o seu número mantém-se quando muda de local (por exemplo dum país para outro e o fornecedor é diferente!) r Será indispensável o labtop manter o endereço? m Se tiver conexões abertas como no caso do BWM é importante • A mobilidade é transparente às aplicações • Caso contrário terá que ser a aplicação a lidar com a mobilidade e a suportá-la. m. O Mobile IP torna a mobilidade transparente para as aplicações! 6: Redes Móveis e sem Fios 57

É importante manter o endereço? r No caso do utilizador que se move dum local para outro e quer conectividade no novo local m Manter o mesmo endereço não é importante m O labtop tem endereços diferentes nos dois locais que lhe são atribuídos automaticamente pelo DHCP 6: Redes Móveis e sem Fios 58

Que infra-estrutura com fios existe? r Estamos assumir que existe sempre uma infra-estrutura de rede com fios m ISP em casa, ISP do escritório m ISP com acesso sem fios na auto-estrada r E se a infra-estrutura não existir? m Se dois utilizadores estiverem na proximidade um do outro podem comunicar? • Redes Móveis Ad Hoc (Mobile Ad Hoc Networks – MANET) – IETF MANETs WG 6: Redes Móveis e sem Fios 59

Analogia com o serviço postal r Um jovem com 20 anos e picos sai de casa e mora numa série de hóteis e apartamentos e muda frequentemente de enedereço r Como pode um amigo de infância encontrar o seu endereço? m Contactando a família • Que sabe do endereço para mandar o dinheiro para a renda ! m Comunicação posterior pode ser • Indirectamente através da família • Directamente do endereço obtido da família 6: Redes Móveis e sem Fios 60

Mobilidade: Vocabulário Rede na origem (home network): rede de “residência” do móvel (e. g. , 128. 119. 40/24) Endereço permanente: endereço na rede de origem que pode ser usada sempre para alcansar o utilizador móvel Agente na origem (home agent): entidade que executa as funções de mobilidade em vez do utilizador móvel quando ele é remoto Rede de Longa Distância correspondente e. g. , 128. 119. 40. 186 6: Redes Móveis e sem Fios 61

Mobilidade: mais vocabulário Endereço permanente: mantémse constante (i. e. , 128. 119. 40. 186) Rede visitada (visited network): rede de residência actual do móvel i. e. , 79. 129. 13/24) Endereço de correspondência (Care-of-address): endereço na rede visitada (i. e. , 79. 129. 13. 2) Rede de Longa Distância correspondente: quer comunicar com o móvel Agente externo (foreign agent): entidade na rede visitada que executa as funções de mobilidade em lugar do móvel 6: Redes Móveis e sem Fios 62

Como contactar um amigo móvel: Considere um amigo que muda frequentemente de residência. Como o encontra? Estou curioso: onde está Alice? r Pesquisar todas listas telefónicas? r Telefonar para os pais? r Esperar que ele faça saber onde está? 6: Redes Móveis e sem Fios 63

Mobilidade: abordagens r Manipulada pelo encaminhamento: encaminhadores anunciam os endereços permanentes dos nós móveis visitantes através da troca habitual de tabelas de encaminhamento. m Tabelas de encaminhamento indicam onde está o host móvel m Não há mudanças nos sistemas finais r Manipulada pelos sistemas finais: m Encaminhamento indirecto: a comunicação entre o correspondente e o móvel faz-se através do agente na origem, que reenvia para o móvel remoto m Encaminhamento directo : o correspondente obtém o endereço externo do móvel e envia directamente para ele. 6: Redes Móveis e sem Fios 64

Mobilidade: abordagens r Manipulada pelo encaminhamento: encaminhadores anunciam os endereços permanentes dos nós móveis Não visitantes através escalável da troca habitual de tabelas de encaminhamento. para milhões de móveis m Tabelas de encaminhamento indicam onde está o host móvel m Não há mudanças nos sistemas finais r Manipulada pelos sistemas finais: m Encaminhamento indirecto: a comunicação entre o correspondente e o móvel faz-se através do agente na origem, que reenvia para o móvel remoto m Encaminhamento directo : o correspondente obtém o endereço externo do móvel e envia directamente para ele. 6: Redes Móveis e sem Fios 65

Mobilidade: registo Rede visitada Rede de origem 2 1 wide area network Agente externo contacta o agente na origem: “Este nó móvel reside na minha rede” O nó móvel contacta o agente externo quando entra na rede visitada Resultado Final: r Agente externo sabe do nó móvel r Agente na origem conhece a localização do nó movel 6: Redes Móveis e sem Fios 66

Encaminhamento Indirecto Agente na origem intercepta os pacotes e encaminha-os para o agente externo Agente externa recebe os pacotes e envia-os para o móvel Rede de origem Rede visitada 3 wide area network Pacotes do correspondente usando o endereço de origem do móvel 1 2 4 O nó móvel responde directamente para o correspondente 6: Redes Móveis e sem Fios 67

Encaminhamento Indirecto: comentários r Nó móvel usa dois endereços: m Endereço permanente: usado pelo correspondente (a localização do móvel é transparente para o correspondente) m Endereço de correspondência (care-of-address): usado pelo agente na origem para enviar para o móvel r Funções do agente externo podem ser feitas pelo próprio móvel r Encaminhamento triangular: correspondente- rede de origem-móvel m Ineficiente quando o correspondente e móvel estão na mesma rede 6: Redes Móveis e sem Fios 68

Encaminhamento Indirecto : funcionalidades necessárias r Protocolo entre nó móvel e agente externo r Protocolo de registo do agente externo pelo agente na origem r Método de encapsulamento do agente na origem r Método de desencapsulamento do agente externo 6: Redes Móveis e sem Fios 69

Encaminhamento Indirecto: Movimentação entre redes r Suponha que o utilizador móvel se muda para uma nova rede m Regista-se no novo agente externo m novo agente externo contacta agente na origem m agente na origem actualiza care-of-address para o móvel m Os pacotes continuam a ser expedidos para o móvel (mas com care-of-address novo) r Mobilidade, mudança de rede externa são transparentes: conexões activas podem ser mantidas 6: Redes Móveis e sem Fios 70

Encaminhamento directo Correspondente expede para agente externo Agente externo recebe pacotes e expede para o móvel Rede de origem 4 Rede de Longa Distância 3 2 Correspondente pede e recebe endereço externo do móvel Rede visitada 1 4 Móvel responde directamente para o móvel 6: Redes Móveis e sem Fios 71

Encaminhamento Directo: comentários r Resolve o problema de encaminhamento triangular r Não transparência para o correspondente: tem que obter o care-of-address do agente na origem m. O que acontece quando o móvel muda de rede visitada? 6: Redes Móveis e sem Fios 72

Acomodação da mobilidade com encaminhamento directo r Agente externo âncora: AE na 1ª rede visitada r Dados encaminhados sempre para o AE âncora r Quando o nó móvel se move: o novo AE recebe os dados expedidos do AE anterior (cadeia) Rede externa visitada no início da sessão 2 Agente Externo ncora Rede de Longa Distância 1 4 5 Agente do correspondente 3 Nova rede externa Novo agente externo 6: Redes Móveis e sem Fios 73

Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802. 11 m m m Arquitectura 802. 11 Protocolo de acesso ao meio 802. 11 Quadro IEE 802. 11 Mobilidade na mesma sub-rede IP Funcionalidades avançadas no 802. 11 Para além do 802. 11: Bluetooth e Wi. MAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m m Endereçamento Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário 6: Redes Móveis e sem Fios 74

IP Móvel (Mobile IP) r RFC 3344 r Tem muitas das funcionalidades que já vimos: m Agente na origem, Agente externo, Registo no agente externo, care-of-addresses, encapsulamento (pacote-dentro-de-pacote) r Três componentes normalizados: m Encaminhamento indirecto de datagramas m Descoberta de Agente m Registo com o agente na origem 6: Redes Móveis e sem Fios 75

Mobile IP: encaminhamento indirecto Pacote enviado pelo agente na origem ao agente externo: um pacote dentro de outro pacote dest: 79. 129. 13. 2 Pacote do agente externo para o nó móvel dest: 128. 119. 40. 186 Endereço permanente: 128. 119. 40. 186 dest: 128. 119. 40. 186 Care-of address: 79. 129. 13. 2 Pacote enviado pelo correspondente 6: Redes Móveis e sem Fios 76

Mobile IP: descoberta de agentes r Anúncio de agentes: agentes externo e na origem anunciam o serviço difundindo mensagens ICMP (typefield = 9) H, F bits: agente na origem (H) ou externo (F) R bit: necessário registo 6: Redes Móveis e sem Fios 77

Mobile IP: Exemplo de registo 6: Redes Móveis e sem Fios 78

Componentes da arquitectura de rede celular Recordemos: Rede Telefónica Pública com fios correspondente MSC MSC MSC Redes celulares diferentes, mantidas por diferentes operadores 6: Redes Móveis e sem Fios 79

Mobilidade em redes celulares r Rede de origem: rede do fornecedor de celulares de que somos assinantes (i. e. , TMN, Optimus) m home location register (HLR): Base de dados na rede origem contendo o nosso número de telemóvel permanente, informação do perfil de utilização (serviços, preferências, tarifário) e informação a respeito da localização actual (pode ser outra rede) r Rede visitada: rede móvel a que estamos actualmente ligados (por exemplo UNITEL, Angola) m visitor location register (VLR): base de dados com entradas para cada utilizador actualmente na rede m Pode ser a rede de origem 6: Redes Móveis e sem Fios 80

GSM: encaminhamento indirecto para o móvel Rede de origem HLR 2 MSC na origem consulta HLR, obtém o número de visitante (roaming) na Rede visitada correspondente home Mobile Switching Center 1 VLR 3 Mobile Switching Center 4 Public switched telephone network Chamada encaminhada para Rede de origem MSC na origem estabelece o 2º troço do percurso da chamada para o MSC na rede visitada. Utilizador Móvel Rede Visitada MSC na rede visitada completa a chamada da estação de base para o móvel 6: Redes Móveis e sem Fios 81

GSM: handoff com MSC comum r Objectivo do Handoff: encaminhar a chamada através duma nova estação de base (sem interrupção) r Razões para o handoff: VLR Mobile Switching Center m Encaminhamento Antigo Novo BSS velha m BSS nova m Sinal mais forte de/para nova BSS(menos gastos de bateria, conectividade assegurada) Balanceamento de carga: libertar canal na BSS actual GSM não especifica como executar o handoff (política), apenas como (mecanismo) r handoff iniciado pela antiga BSS 6: Redes Móveis e sem Fios 82

GSM: handoff com MSC comum VLR Mobile Switching Center 2 4 1 8 old BSS 5 7 3 6 new BSS 1. BSS antiga informa o MSC do handoff eminente e disponibiliza lista de 1+ novas BSSs 2. MSC estabelece percurso (aloca recursos) para nova BSS e avisa esta do handoff 3. A nova BSS aloca canal rádio para ser usado pelo móvel 4. Nova BSS avisa MSC e antiga BSS que está pronta 5. Antiga BSS diz ao móvel para fazer o handoff para a nova 6. O móvel e a nova BSS sinalizam-se para se activar o canal 7. Móvel sinaliza o MSC (via nova BSS): handoff completo. MSC reencaminha chamada via nova BSS 8 Recursos MSC-antiga BSS libertados 6: Redes Móveis e sem Fios 83

GSM: handoff entre MSCs r MSC âncora: 1º MSC visitado durante a chamada Rede de origem correspondente Home MSC âncora MSC m Chamada permanece encaminhada pelo MSC âncora r Novos MSCs adicionados no PSTN MSC (a) Antes do handoff fim da cadeia de MSCs consoante o móvel se move para um MSC novo r IS-41 permite um passo opcional de minimização de percurso para diminuir a cadeia de MSCs. 6: Redes Móveis e sem Fios 84

GSM: handoff entre MSCs r MSC âncora: 1º MSC visitado durante a chamada home network correspondent Home MSC anchor MSC m Chamada permanece encaminhada pelo MSC âncora r Novos MSCs adicionados no PSTN MSC (b) Depois do handoff fim da cadeia de MSCs consoante o móvel se move para um MSC novo r IS-41 permite um passo opcional de minimização de percurso para diminuir a cadeia de MSCs. 6: Redes Móveis e sem Fios 85

Mobidade: GSM versus Mobile IP GSM element Comment on GSM element Mobile IP element Home system Network to which mobile user’s permanent phone number belongs Home network Gateway Mobile Switching Center, or “home MSC”. Home Location Register (HLR) Home MSC: point of contact to obtain routable address of mobile user. HLR: database in home system containing permanent phone number, profile information, current location of mobile user, subscription information Home agent Visited System Network other than home system where mobile user is currently residing Visited network Visited Mobile services Switching Center. Visitor Location Record (VLR) Visited MSC: responsible for setting up calls Foreign agent to/from mobile nodes in cells associated with MSC. VLR: temporary database entry in visited system, containing subscription information for each visiting mobile user Mobile Station Roaming Number (MSRN), or “roaming number” Routable address for telephone call segment between home MSC and visited MSC, visible to neither the mobile nor the correspondent. Care-ofaddress 6: Redes Móveis e sem Fios 86

Sem fios, mobilidade: impacto nos protocolos das camadas superiores r Logicamente o impacto deve ser mínimo … m Modelo de serviço melhor esforço mantém-se inalterado m O TCP e o UDP correm sobre redes sem fios e móveis r … mas em termos de desempenho: m Perdas e atraso nos pacotes devido a erros nos bits (pacotes descartados, atrasos devido a retransmissões na camada de ligação) e handoff m TCP interpreta as perdas como congestão e pode diminuir a janela de congestão desnecessáriamente m Prejuízos do atraso no tráfego de tempo real m Largura de banda limitada das ligações sem fios 6: Redes Móveis e sem Fios 87

Controlo de congestão de TCP r Pode ser problemático em ambientes sem fios m Muitos erros de bits e handoffs r Abordagens propostas m Recuperação local • Técnicas sofisticadas para recuperação de erros de bits m Consciência fios do originador TCP das ligações em • Distinção entre tipos de perdas m Partição da conexão fim-a-fim • Parte com fios+ Parte sem fios • Melhor desempenho com conexões TCP partidas 6: Redes Móveis e sem Fios 88

Chapter 6 Summary Wireless r wireless links: m m m capacity, distance channel impairments CDMA r IEEE 802. 11 (“wi-fi”) m CSMA/CA reflects wireless channel characteristics r cellular access m architecture m standards (e. g. , GSM, CDMA-2000, UMTS) Mobility r principles: addressing, routing to mobile users m m m home, visited networks direct, indirect routing care-of-addresses r case studies m mobile IP m mobility in GSM r impact on higher-layer protocols 6: Redes Móveis e sem Fios 89