tecnologia em redes de computadores - echaia.com.br · kurose, j.; ross, k., redes de computadores...
TRANSCRIPT
http://www.echaia.com
Graduação Tecnológica em Redes de Computadores
Redes Sem Fio
Euber Chaia Cotta e [email protected]
http://www.echaia.com
Ementa:• Conceitos de comunicação sem fio;
• Visão geral dos protocolos;
• Características;
• Tecnologias;• Segurança;
• Aplicabilidade;
• Custo;
• Projetos;• Melhores práticas.
http://www.echaia.com
Redes Sem Fio
• Bibliografia: Assunção, Marcos F. A. Wireless Hacking - Ataque e
Segurança de Redes Sem Fio Wi-fi. Editora: VISUAL BOOKS, 2013.
Kurose, J.; Ross, K., Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem Top-Down. 5ª. Edição, Editora Addison Wesley, 2010.
Rufino, Nelson Murilo de O., Segurança em Redes sem Fio. 4ª Edição. Editora Novatec, 2014.
Tanenbaum, Andrew S., Redes de Computadores. Tradução da 5ª Edição. Editora Campus, 2011.
http://www.echaia.com
Redes Sem Fio - Agenda
• Visão Geral: motivação, definições, desafios, background técnico, ...
• Tecnologias WWAN: Wimax e “Celular” WMAN: Wimax WPAN: Bluetooth e Zigbee WLAN: Wi-Fi
• Laboratórios e Trabalhos Práticos Montagem de diversas topologias com diferentes
configurações Site Survey
http://www.echaia.com
Redes Sem Fio
Forma de Avaliação– Prova I: 15 pontos
– Prova II: 25 pontos– Prova III: 35 pontos– PEC: 2 pontos e PIN: 5 pontos
– Trabalhos Práticos: 10 pontos• Site Survey: 5
• Configuração de equipamentos: 5
– Listas de atividades: 8 pontos
http://www.echaia.com
Redes Sem Fio - Prática – WiFi
• Instalar o software abaixo (ou semelhantes para iPhone/iPad e Android) em seu dispositivo com rede sem fio: InSSIDer - http://www.metageek.net/ - Windows LinSSID - http://www.qwt.sf.net/ - GNU/Linux
Capturar redes wireless em casa, trabalho, faculdade, rua, etc e trazer a captura das telas (print screens) nas próximas aulas.
http://www.echaia.com
Redes Sem Fio - Vídeos
Vídeos:
Um Dia Feito de Vidro 1 e 2
Mobilidade e Interatividade
Sight
http://www.echaia.com
Diferença entre equipamentos
Repetidor (Repeater);
Ponto de Acesso (Access Point);
Roteador Sem Fio (Router Wireless).
http://www.echaia.com
Notebook/Netbook
PDA (Personal Digital Assistants)
Telefones Celulares
Sensores
Outros gadgets
Dispositivos computacionais
http://www.echaia.com
• Conectividade Desconexões frequentes
Qualidade variável do “enlace”
Ruído/interferência de sinal
• Maior frequência de erros
Regiões de sombra ou sem cobertura
Largura de banda limitada e compartilhada
• Ordens de magnitude menores que a rede cabeada
• Conjunto imprevisível de dispositivos compartilhando ou competindo pelo meio de transmissão
Zonas de congestionamento
Desafios (1)
http://www.echaia.com
• Mobilidade Nível Físico
• Velocidade de locomoção pode causar problemas em handoffs/hadover
• Passagem por áreas de cobertura de tecnologias distintas ou sem cobertura
Serviços e Middleware
• Necessidade de descobrir e se conectar a diferentes provedores de serviço
Aplicações
• Necessidade de se adaptar ao contexto de execução (rede, recursos no dispositivos, localização, condições físicas)
Desafios (2)
http://www.echaia.com
Tecnologias heterogêneas
Chaveamento entre as tecnologias
Restrições dos dispositivos
Menos recursos
Energia limitada
Interface com o usuário
Segurança
Meio compartilhado suscetível a captura de tráfego
Desafios (3)
http://www.echaia.com
Acesso remoto convencional
Comércio
Assistência técnica
Área hospitalar
Mercado Financeiro
Aplicações Policiamento/Segurança
Entregas de encomendas
Otimização de rotas
Rastreamento
Logística
Automatização de armazéns
http://www.echaia.com
Aplicações Seguradoras
Avaliação de sinistros
Aplicações militares
Entretenimento
Computação pervasiva
Sensores
Esportes
Sensor na bola de futebol
…
http://www.echaia.com
Redes Wireless
Cobertura (indoor, outdoor, acesso a alta/baixa velocidade)
Taxa de transmissão, latência máxima, etc.
Confiabilidade e estabilidade da comunicação
Segurança
Garantias de QoS
Dispositivos Móveis
Formas de interação (voz, textual, vídeo, gráficas)
Capacidade de identificar localização geográfica
Capacidade de processamento e armazenamento local
Aplicações → Requisitos
http://www.echaia.com
Redes Infra-estrutura (ou estruturadas):
WWAN: Redes celulares
WRAN: Super Wi-Fi
WMANs: WiMax
WLANs: Wi-Fi
Redes Ad hoc (“ad hoc”- latin, “para este propósito”)
WLANs
WPANs: Bluetooth, ZigBee, IrDA, …
Redes de Sensores
Classificação das Redes Sem Fio
http://www.echaia.com
Pontos de Acesso, Estações Base - BS (AP, ERB – BTS - Node B - eNB , …):
transmissor/receptor + antena + amplif. de sinal + …
Unidade Móvel:
dispositivo transmissor/receptor de baixa potência + antena + processador
Célula/Área de cobertura:
Área geograficamente atendida por uma BS
Teoricamente áreas circulares, muitas vezes representadas por hexágonos
Menor sinal → menor relação sinal/ruído → mais erros → menor taxa de transmissão
Redes infraestruturaPrincipais elementos
http://www.echaia.com
Redes infraestrutura Área de Cobertura
Formas hipotéticas de representaráreas de cobertura
Exemplo real de representação de áreas de cobertura
http://www.echaia.com
Todo nó é potencial fonte e destino de pacotes
Todos os nós são roteadores de pacotes
Trasmissões simultâneas podem gerar interferência
Fonte de energia limitada
Liberdade de locomoção
Redes Ad HocPrincipais Características
http://www.echaia.com
Características de propagação definidas fundamentalmente pelas propriedades do meio de transmissão
O meio apresenta propriedades que variam com a frequência da onda irradiada, determinando mecanismos de propagação diferentes para diversas faixas do espectro de radiofrequência.
Ondas Eletromagnéticas
http://www.echaia.com
Ondas Eletromagnéticas
No espaço livre, os parâmetros do meio podem se modificar em função da região envolvida e das variações ao longo do tempo
A falta de uniformidade da atmosfera terrestre, que varia em função da altitude, localização geográfica e condições meteorológicas, influencia sensivelmentea passagem das ondas
http://www.echaia.com
Propagação por ondas espaciais:
Utilizam reflexão ionosférica
Constitui importante método de radiocomunicação a longa distância
Propagação por ondas terrestres:
A intensidade do campo depende de:
Potência do transmissor
Carcterísticas da antena transmissora
Difração das ondas face a curvatura terrestreou outros obstáculos
Ondas Eletromagnéticas
Loacalização no terreno
Direção de trasmissão
Condições meteorológicas locais
http://www.echaia.com
Banda ou faixa de frequência
Cada tecnologia opera em uma banda diferente
A maioria das bandas são reguladas
FCC – EUA
Anatel – Brasil
Existem bandas que não requerem licenciamento
ISM (Industrial, Scientific and Medical): 902 MHz a 928 MHz, 2.400 MHz a 2.483,5 MHz e 5.725 MHz a 5.850 MHz;
U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure): 5.150 MHz e 5.825 MHz.
Espectro de Frequência
http://www.echaia.com
Espectro de FrequênciaAlocação de bandas de telefonia celular no Brasil (sem o 3G)
http://www.echaia.com
Espectro de Frequência
Relação entre frequência f e comprimento de onda :
f. = c, onde:
c é a velocidade da luz no vácuo (3*108 m/s)
http://www.echaia.com
Propagação
Reflexão, absorção e refração depende do material, polarização, frequência,
ângulo de incidência em superfície terrestre, edificações, camadas
atmosféricas, etc.
http://www.echaia.com
Propagação
Espalhamento/Difração Ao incidir sobre um objeto em um determinado
ângulo, uma onda eletromagnética é decomposta em várias ondas “difusas” de intensidade menor.
http://www.echaia.com
Propagação
Propagação Multi-caminho (“multi-path”) Reflexão em diferentes objetos pode causar
recebimentos defasados
http://www.echaia.com
PropagaçãoAtenuação
Decremento da intensidade média de sinal Motivo 1: ondas que chegam fora de fase, com ângulos e
amplitudes diferentes, devido a reflexão e movimentação do emissor/receptor e principalmente pela distância (perda de propagação).
Motivo 2: a perda, ou dissipação de energia, ocorre sobre a forma de calor (efeito Joule em meios metálicos) e radiação.
A
http://www.echaia.com
Materiais Enfraquecimento Exemplos
Ar Nenhum Espaço aberto, pátio interior
Madeira Fraco Porta, pavimento, divisória
Plástico Fraco Divisória
Vidro Fraco Vidraças não matizadas
Vidro matizado Médio Vidraças matizadas
Água Médio Aquário, fonte
Seres vivos Médio Multidão, animais, humanos, vegetação
Tijolos Médio Paredes
Paredes Médio Divisórias
Cerâmica Elevado Mosaicos
Papel Elevado Rolos de papel
Betão Elevado Paredes mestras, andares, pilares
Vidro à prova de bala Elevado Vidros a prova de bala
Metal Muito ElevadoBetão armado, espelhos, armário metálico, gaiola de elevador
http://www.echaia.com
Transmissão de Dados
Analógico: Transmissão analógica, os sinais elétricos variam continuamente entre todos os valores possíveis, permitidos pelo meio de transmissão.
Digital: série de sinais, que tem apenas dois valores elétricos (ou gama discreta de valores) que correspondem à informação que se deseja transmitir.
http://www.echaia.com
Transmissão de dados
• Para facilitar a transmissão do sinal através dos meios físicos, e adequar as frequências aos sistemas de comunicação, se utiliza a chamada onda portadora, sobre a qual viaja o sinal a ser transmitido.
• A onda portadora é um sinal senoidal caracterizado por três variáveis: Amplitude, Frequência e Fase. Por definição, este sinal existe ao longo de todo o tempo, ou seja com "t" variando de menos infinito a mais infinito.
http://www.echaia.com
Modulação• A modulação consiste em se imprimir uma informação
em uma onda portadora pela variação de um ou mais dos seus parâmetros
http://www.echaia.com
Modulação
Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying
Phase Shift Keying (de 180 º)
f1 f2 f1
http://www.echaia.com
Modulação
• Para transmissão sem fio, o bitstream digital precisa ser primeiro transformado em sinal analógico (baseband signal) e depois sofrer uma modulação analógica para uma frequência portadora (“carrier”)
Modulação Digital01101
Modul. Analógica
carrier
Basebandsignal
http://www.echaia.com
Antenas• Irradiam e recebem ondas eletromagnéticas (p.ex. um sinal modulado)
através do ar
• Transferem energia do transmissor para o meio (e vice-versa)
• Podem ter diferentes padrões de propragação omnidirecional: em todas as direções direcional: em apenas uma direção semidirecional: não tão concentrada quanto a direcional setorizada: em 3, 6, etc. direções
omnidirecional direcional com setore
http://www.echaia.com
Antenas• O alcance é determinado por:
Potência de transmissão Frequência de transmissão Visada - Objetos na região de cobertura
• Antenas direcionais têm maior ganho de energia (concentra a potência de sinal irradiado em uma direção) e conseguem uma transmissão a distâncias maiores
Regiões:Transmissão: receptor B pode também transmitirDetecção: sinal pode ser recebido, mas
não consegue se comunicarInterferência: sinal de A interfere na transmissão
A
B
http://www.echaia.com
WLAN – ComponentesAntenas – Zona de Fresnel
• Direcionais
– Links: ficar atendo à Zona de Fresnel– Causado por difração das ondas em uma abertura circular– Obstáculos dentro desta zona causam recebimento de sinais
fora de fase (multi-caminho)
http://www.echaia.com
WLAN – ComponentesAntenas – Zona de Fresnel
• Uma obstrução de até 40% é aceitável
• Mas até 20% é o recomendado
60%
100%
http://www.echaia.com
WLAN – ComponentesAntenas – Zona de Fresnel
• Defasagem de fase:
• 1ª zona – 0º a 90º
• 2ª zona – 90º a 270º
• 3ª zona – 270º a 450º
http://www.echaia.com
WLAN – ComponentesAntenas – Zona de Fresnel
http://www.wirelessconnections.net/calcs/FresnelZone.asphttp://www.novanetwork.com.br/suporte/calculos/fresnel.php
http://www.afar.net/fresnel-zone-calculator/
http://www.echaia.com
Potência
Potência = “Força que determinada entidade possui”
Unidade: Watt - W
Quantificação: Medir a relação de potências, na prática, equivale a medir o ganho ou atenuação que afetaram um sinal.
– Ganho: Quando potência de saída (PS) é maior que a de entrada (PE)
– Atenuação: Quando potência de entrada (PE) é maior que a de saída (PS)
http://www.echaia.com
Sigla Significado Ordem
mW Miliwatt 10-3W
μW Microwatts 10-6W
nW Nanowatts 10-9W
pW Picowatts 10-12W
PotênciaUnidades de Medida
http://www.echaia.com
Potência dB
• Devido as grandes variações existentes na medição dos sinais, é utilizada a escala logarítmica, que tornam as variações lineares.
• Decibel (dB): – Relação logarítmica entre as potências de
saída e de entrada– Ganho / Atenuação de um componente
= 10 log (PS/PE)
http://www.echaia.com
PotênciaUnidades de Medida - dB
• dB → Ganho ou atenuação na escala logarítmica– É uma unidade de comparação– dB = 10 LOG (P1/P2), onde P1 e P2 são os valores das
potências em Watts
• dBm → Unidade para indicar a relação entre duas potências quando a potência de referência é 1mW– dBm = 10 LOG (P1/1mW)
• dBi → Ganho ou atenuação em relação a uma antena isotrópica, ou seja, ideal (irradia igualmente em todas a direções)
http://www.echaia.com
Unidades de MedidaPotência
-3 dB ≈ Metade da potência em mw+3 dB ≈ Dobro da potência em mw-10 dB ≈ Um décimo da potência em mw+10 dB ≈ Dez vezes a potência em mw
Exemplos:• Uma antena que gera ganho de 9 dBi, traria um ganho de
8x no sinal• Um conector com perda de 3dB (ou ganho de -3 dB)
dividiria a potência final por 2
http://www.echaia.com
Unidades de MedidaPotência
Dado o circuito RF abaixo, calcular o sinal resultante irradiado pela antena, levando-se em conta os dados mostrados na tabela abaixo:
http://www.echaia.com
Unidades de MedidaPotência
Presult = 100mW - 3 dB - 3 dB - 3 dB + 12 dBPresult = 100mW / 2 / 2 / 2 * 16Presult = 200mW
http://www.echaia.com
• Perda em espaço livre ou simplesmente perda no meio, refere-se a perda incutida a um sinal RF devido a dispersão do sinal que é um fenômeno natural.
• A medida que o sinal transmitido atravessa a atmosfera, o nível de potência diminui em uma razão inversamente proporcional a distância percorrida e proporcional ao comprimento de onda do sinal.
Perda no Espaço Livre
http://www.echaia.com
Perda no Espaço Livre• O nível de potência se torna portanto um fator muito
importante quando é analisada a viabilidade de um link.
A tabela ao lado apresenta uma estimativa da perda do meio (espaço livre) para dadas distâncias entre transmissor e receptor em 2,4Ghz.Para calcularmos esta proporção, a equação acima é muito importante no planejamento de qualquer rede sem fio. No nosso caso utilizaremos a frequência de 2,4 GHz o que resulta em um comprimento de onda de 12,5 cm.
http://www.echaia.com
O link budget é a contabilização de todos os ganhos e perdas partindo do transmissor, passando pelo meio (perda no espaço livre, cabos, fibras, etc.) até o receptor em um sistema de telecomunicações.
Equação simplificada:Potência de Recepção (dBm) = Potência de Transmissão (dBm)
+ Ganhos (dB) − Atenuações (dB)
Link Budget
http://www.echaia.com
Ruído
• Sinais indesejáveis– Origem humana
• Influência de outros sistemas de comunicação
• Dispositivos de ignição e comutação elétrica
• …
– Origem natural • Descargas atmosféricas
• Radiação extra-terrrestre
• ...
http://www.echaia.com
• É a relação entre a potência do sinal e a potência do ruído no canal de comunicação.
• SNR = Signal to Noise Ratio
dB = 10 LOG (Sinal/Ruído)
• Valor depende da potência de transmissão
Qualidade do SinalRelação Sinal-Ruído
http://www.echaia.com
• RSSI = Received Signal Strength Indication
• Sem unidade
• Em Wi-Fi, valor informado pelo fabricante e arbitrário dentro de um intervalo. Cisco → 0 a 100 Windows XP → 0 a 100 Atheros → 0 a 127
• No inSSIDer ele simplesmente quer dizer “força do sinal”, a medida em dB está incorreta.
Qualidade do Sinal - RSSI
http://www.echaia.com
• Uso compartilhado e eficiente do meio da banda
• Garantir a não interferência de canais
• Multiplexação em dimensões: Espaço (s) Tempo (t) Frequência (f) Código (c)
Múltiplo Acesso - Objetivos
http://www.echaia.com
• Quatro possibilidades básicas: FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiplex Access) SDMA (Space Division Multiplexing)
• Existe a possibilidade de combinar os mecanismos acima, de forma a conseguir uma maior eficiência na utilização do espectro. Exemplo: TDMA/FDMA amplamente utilizado pelas
operadoras de telefonia celular.
Múltiplo Acesso
http://www.echaia.com
FDMA
FDMA – Frequency Division Multiple Access
...
• Cada canal carrega a informação de um único usuário.• Os canais são subutilizados.• Requer bons filtros para evitar interferência de canal adjacente.• O sincronismo entre Fonte e Destino requer menor overhead quando comparado com o TDMA.• Exemplo: AMPS: 2 bandas com 833 canais de 30 kHz cada
Min_freq
Max_freq
http://www.echaia.com
TDMATDMA – Time Division Multiple Access
• O TDMA compartilha a banda disponível entre os usuários, dividindo-a em time-slots transmissão dos dados é descontínua (bursts)• Utiliza mais bits de sincronização e guarda se comparado ao FDMA• Devido à característica de trasmissão em rajadas, existe um menor gasto de bateria (transmite só durante o tempo de um time-slot)
...
Min_freq
Max_freq
http://www.echaia.com
FDMA + TDMAFDMA e TDMA combinados (Exemplos: IS-136, GSM)
• Esta técnica combina a divisão da banda em faixas menores (portadora) que por sua vez é subdivida no tempo (time-slots). Consequentemente tem-se uma melhor utilização do espectro.• No GSM as 2 bandas de 25 MHz (Up/ Down Link) são divididas em portadoras de 200 KHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8 time slots de 4.615ms.
...
Min_freq
Max_freqportadora
http://www.echaia.com
CDMACDMA – Code Division Multiple Access
• Todos usuários transmitem na mesma banda (simultâneamente) o dado codificado; e somente os detentores da chave conseguem decifrar o dado. Isso garante maior segurança.• A capacidade não é fixa, dependendo da relação S/N do meio. É eficiente quando utilizada para muitos usuários.
Min_freq
Max_freq
http://www.echaia.com
SDMA – Space Division Multiple Access• Usado em redes celulares (células são
áreas irregulares em torno de uma antena)• Atribuir faixas de frequência diferentesa regiões (células) adjacentes, de formaa evitar a interferência de sinal• Para células distantes, pode-se
reutilizar a faixa de frequência• Para isto, o alcance de transmissão
da antena deve ser bem ajustado
SDMA
http://www.echaia.com
Técnicas de espalhamento de sinal:• Em vez de transmitir em faixa estreita de frequência (e
com alta potência), transforma-se o sinal em faixa larga de frequência (e baixa potência). A energia final para a transmissão geralmente é igual.
• O receptor tem a capacidade de identificar sinal apesar de interferências e transformar o sinal de faixa larga para faixa estreita
• Principal vantagem: resistência a interferências de faixa estreita
Espalhamento de Sinal
P
f
P
f
P
f
P
f
P
f
http://www.echaia.com
• FHSS O sistema salta de uma frequência para outra segundo
um padrão randômico, transmitindo uma pequena sequência em cada subcanal.
• DSSS A potência é espalhada sobre uma faixa ampla de
frequência usando uma codificação matemática.
• OFDM Um canal é dividido em vários subcanais e uma porção
do sinal é codificada através de cada subcanal em paralelo (tecnicamente, não é espalhamento de sinal).
Espalhamento de Sinal
http://www.echaia.com
FHSSFrequency Hopping Spread Spectrum: • Banda de frequência total é dividida em vários canais de banda menor +
banda de separação• Transmissor e receptor permanecem no mesmo canal (frequência)
durante certo tempo e depois “pulam” para outro canal, seguindo uma hopping sequence pré-determinada requer sincronização
• Implementa FDM/TDM
http://www.echaia.com
• Um hopping code (pseudo-randômico) determina a frequência portadora para cada time-slot • Quando é detectada uma colisão, retransmite-se o dado no próximo slot• Há um limite para o # de transmissões simultâneas• Bluetooth: usa 79 portadoras com 1.600 hops/s• Vantagem: evita interferência com transmissão em largura de banda estreita
FHSS
...
Min_freq
Max_freq
http://www.echaia.com
DSSSDirect Sequence Spread Spectrum• Princípio de funcionamento
• A fonte codifica cada bit de dados de acordo com um chipping code (que causa o espalhamento do sinal) e destino faz o “encolhimento” usando o mesmo código• Espalhamento e encolhimento através de operação NOT XOR• ZigBee e 802.11b utilizam DSSS
Chipping Code [00010011100]Dados: 1 0 1
11111111111, 00000000000, 11111111111Code: 00010011100, 00010011100, 00010011100
Sequência transmitida:00010011100, 11101100011, 00010011100
http://www.echaia.com
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing– Caso especial de FDM– Combina esquemas de múltiplo acesso com
modulação
Frequency Division Multiplexing
OFDM frequency dividing
http://www.echaia.com
OFDM
• Divide um canal “largo” em vários sub-canais.• Os sub-canais são utilizados em paralelo para obter
maior throughput.• 802.11:
• 802.11a• 802.11g• 802.11n• 802.11ac• 802.11ad• UWB
http://www.echaia.com
OFDM• Como as técnicas de espalhamento de sinal,
aumenta a resitência à interferência de banda estreita