Aula 7 - Redes Locais Sem Fio

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Redes de Computadores
Prof. Me. Anderson Bessa da Costa
Redes Locais Sem Fio –
Wireless LAN (IEEE 802.11)
Objetivos
 Entender os conceitos de comunicação
sem fio
 Entender o funcionamento de uma
WLAN baseada em 802.11
Roteiro
 Histórico
 Introdução
 Topologias do 802.11
 Protocolo WEP
 Extensões do 802.11
 Redes Pan
 Referências
Histórico
 Em 1985 a FCC (Federal Communications
Commission) impulsionou o desenvolvimento
comercial de componentes LAN baseados em
radio difusão, por ter autorizado o uso
público das bandas ISM (Industrial, Scientific,
and Medical)
 O que são bandas ISM?
 São bandas utilizáveis por todos independente de
requisição ao Ministério da Comunicação o de
licença especial;
Frequência Largura Centro Disponibilidade
6.765 MHz 6.795 MHz 30 kHz 6.780 MHz Sujeito a aceitação local
13.553 MHz 13.567 MHz 14 kHz 13.560 
MHz
Mundial
26.957 MHz 27.283 MHz 326 kHz 27.120
MHz
Mundial
40.660 MHz 40.700 MHz 40 kHz 40.680 
MHz
Mundial
433.050 MHz 434.790 MHz 1.74 MHz 433.920
MHz
Região 1 apenas e sujeito 
a aceitação local
902.000 MHz 928.000 MHz 26 MHz 915.000
MHz
Região 2 apenas (com 
algumas exceções)
2.400 GHz 2.500 GHz 100 MHz 2.450 GHz Mundial
5.725 GHz 5.875 GHz 150 MHz 5.800 GHz Mundial
24.000 GHz 24.250 GHz 250 MHz 24.125 GHz Mundial
61.000 GHz 61.500 GHz 500 MHz 61.250 GHz Mundial
122.000 GHz 123.000 GHz 1 GHz 122.500
GHz
Sujeito a aceitação local
244.000 GHz 246.000 GHz 2 GHz 245.000 
GHz
Sujeito a aceitação local
A International Telecommunication Union (ITU), divide o mundo
em três regiões ITU para propósitos de gerenciar o espectro de
rádio global.
Histórico
 Depois da liberação das bandas ISM, a
indústria de equipamentos wireless
começaram a desenvolver tecnologias de
rádio proprietárias;
 Para evitar a falta de interoperabilidade entre
as novas tecnologias que estavam surgindo,
em 1980 o grupo de trabalho do IEEE do 802
responsável pelos padrões de redes locais
começaram a projetar/desenvolver padrões
para redes sem fio;
Histórico
 A partir de então, os padrões para redes locais sem fio são
criados por um órgão de padronização;
 O IEEE 802 é um desses órgãos, e possui três grupos de
trabalhos (Working Groups ou WGS) dedicados a redes sem fio:
 Grupo de trabalho 11: é o responsável pelo padrão
802.11 para as redes locais sem fio (WLANs);
 Grupo de trabalho 15: é o responsável pelo padrão 802.15 que
atua na área das redes de área pessoal (Wireless Personal Area
Networks ou WPANS);
 Grupo de trabalho 16: é o responsável pelo padrão 802.16 que
elabora as especificações para as redes metropolitanas sem fio
(Broadband Wireless Metropolitan Area Networks ou WirelessMAN),
com o objetivo de oferecer acesso fixo em banda larga (WiMAX);
Organização Internacionais de
Padronização
Roteiro
 Histórico
 Introdução
 Topologias do 802.11
 Protocolo WEP
 Extensões do 802.11
 Redes PAN
 Referências
Equipamentos
Elementos
Hospedeiros sem fio:
• Laptops, Smartphones, Tablets,
Desktops, Videogame, etc ..
Elementos
Estação-base:
• Tipicamente se conecta à rede
cabeada
• Relay – responsável por enviar
pacotes entre a rede cabeada e
os hospedeiros sem fio na sua
“área”
• Exemplo:
• torres de celulares
• pontos de acesso 802.11
Elementos
Enlace sem fio:
• Tipicamente usado para
conectar os hospedeiros móveis
à estação-base
• Protocolos de acesso múltiplos
coordenam o acesso ao enlace
• Várias taxas de dados e
distâncias de transmissão
Características
 É importante perceber que, em algumas LANs
sem fio, nem todas as estações estão dentro
do alcance de alguma outra estação;
 Além disso, para LANs sem fio internas, a
presença de paredes entre as estações pode
produzir um impacto decisivo sobre o alcance
efetivo de cada estação;
Características
 Em qualquer rede de difusão, a questão
fundamental é determinar quem tem
direito de usar o canal quando há uma
disputa por ele
 Que algoritmo utilizar para gerenciar o
acesso ao canal?
Características
 Por que não experimentar o CSMA?
(apenas ouvir outras transmissões e só
transmitir se ninguém mais estiver
fazendo isso)
 Na verdade este protocolo não é
apropriado;
POR QUÊ?
Características
Problema da estação oculta:
• Se detectar o meio físico, C não ouvirá A, pois essa estação está fora do
alcance e, portanto, concluirá incorretamente que pode fazer a transmissão
para B;
• Se começar a transmitir, C interferirá com B, removendo o quadro de A;
O problema de uma estação não conseguir detectar uma provável concorrente
pelo meio físico, porque a estação concorrente está muito longe, é denominado
problema da estação oculta.
Suponha uma situação onde A
esteja transmitindo para B.
Características
Problema da estação exposta:
• Se detectar o meio físico, C ouvirá uma transmissão em andamento e concluirá
incorretamente que não pode transmitir para D quando, na verdade, essa
transmissão só geraria uma recepção de má qualidade na zona entre B e C,
onde nenhum dos receptores desejado está localizado;
Esta situação é chamada de problema da estação exposta.
Suponha uma situação onde B
esteja transmitindo para A.
Introdução às redes locais
sem fio
 Wireless LAN – WLAN:
 Wireless LAN – Redes Locais Sem Fio;
 “Uma rede sem fio é um sistema que interliga vários equipamentos
fixos ou móveis utilizando o ar como meio de transmissão [IEEE
802.11]”
 Uma WLAN converte pacotes de dados em onda de rádio ou
infravermelho e os envia para outros dispositivos sem fio;
 Objetivos do IEEE 802.11
 Suportar diversos canais de comunicação; sobrepor diversas redes
na mesma área de canal; apresentar robustez com relação a
interferências; possuir mecanismos para evitar nós escondidos;
oferecer privacidade e controle de acesso ao meio;
 Para tanto, o IEEE 802.11 definiu um nível físico onde as transmissões
são realizadas por rádio frequência ou infravermelho;
Introdução às redes locais
sem fio
 WLAN: Termo utilizado para definir qualquer um dos
seguintes padrões definidos pelo IEEE:
 IEEE 802.11:
 Velocidade limitada a 2 Mbps em 2.4 GHz;
 IEEE 802.11b:
 Velocidade limitada a 11 Mbps em 2.4 GHz;
 IEEE 802.11a:
 Velocidade limitada a 54 Mbps em 5 GHz;
 IEEE 802.11g
 Velocidade em torno de 54 Mbps em 5 GHz;
 IEEE 802.11n
 Velocidade de 128 Mbps nas faixas 2.4 GHz e 5GHz;
CAMADA FÍSICA
Parte da pilha do protocolo
802.11
Camada Física
Duas técnicas são possíveis:
 Transmissão por RF:
 Utiliza a faixa de frequência entre 2.4 – 2.4835 GHz (ou
5 GHz em alguns casos);
 O sinal pode ser interceptado por receptores colocados
fora do prédio;
 Transmissão por pulsos de Infra-Vermelho:
 Utiliza faixa de 300 – 428,000 GHz;
 Mais seguro, mas é afetado pela luz do sol e por
obstáculos;
Camada Física
 Método Infravermelho: Utiliza quase a mesma
tecnologia que os controles remotos dos televisores;
 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) e
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): Utilizam
uma parte do espectro que não exige licenciamento
(a banda ISM de 2,4 GHz). Os dispositivos de
abertura de portas de garagem controlada por rádio
também empregam essa parte do espectro, e assim
seu notebook pode acabar competindo com a porta
de sua garagem. Os telefones sem fio e os fornos de
microondas também utilizam essa banda;
Camada Física
 OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) e HR-DSSS (High Rate Direct
Sequence Spread Spectrum): Novas técnicas
para alcançar maior largura de banda.
Operam em até 54 Mbps e 11 Mbps,
respectivamente;
 Em 2011, uma segunda modulação do OFDM
foi introduzido, masem uma banda de
frequência diferente da primeira;
ACESSO MÚLTIPLO
Acesso Múltiplo
 Evita colisões: 2 ou mais nós transmitindo ao mesmo
tempo
 802.11: CSMA – escuta antes de transmitir
 não colide com transmissões em curso de outros nós
 não faz detecção de colisão
 difícil de receber (sentir as colisões) quando transmitindo devido ao
fraco sinal recebido (desvanecimento)
 pode não perceber as colisões: terminal oculto, fading
 meta: evitar colisões: CSMA/C(collision)A(avoidance)
 dois mecanismos: ACK e RTS+CTS
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
 Transmissor 802.11
1. Se o canal é percebido quieto (idle) pelo emissor
então
1. Transmite o quadro inteiro (sem CD)
2. Se o canal é percebido ocupado, então
1. Inicia um tempo de backoff aleatório
2. Quando o meio está livre envia o pacote
3. Temporizador para receber o ACK é iniciado
4. Se não vem ACK, aumenta o intervalo de backoff aleatório,
repete 2
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
 Receptor 802.11
 Se o quadro é recebido OK
 retorna ACK (ACK é necessário devido ao
problema do terminal oculto)
PROBLEMA? EVITA
COLISÕES?
Carrier Sense Multiple 
Access/Collision Avoidance
 O outro modo de operação do CSMA/CA
se baseia no MACAW e emprega a
detecção de canal virtual, como
ilustrado na Figura
CSMA/CA estilo MACAW
Nesse exemplo, A quer transmitir para B. C é uma estação dentro do
alcance de A (e possivelmente dentro do alcance de B, mas isso não
importa). D é uma estação dentro do alcance de B, mas não dentro
do alcance de A.
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
 O protocolo começa quando A decide
transmitir dados para B. Ela inicia a
transmissão enviando um quadro RTS
para B, a fim de solicitar permissão para
enviar um quadro;
 Quando recebe essa solicitação, B pode
decidir conceder a permissão, e nesse
caso, envia de volta um quadro CTS;
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
 Após a recepção do CTS, A envia seu
quadro e inicia um timer ACK. Ao
receber corretamente o quadro de
dados, B responde com um quadro
ACK, concluindo a troca de dados;
 Se o timer do ACK de A expirar antes
do quadro ACK voltar a ele, o protocolo
inteiro será executado novamente;
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
 E as estações C e D?
 C está dentro do alcance de A, e então pode
receber o quadro RTS. Se o fizer, C perceberá que
alguém vai transmitir dados em breve e, assim,
para o bem de todos, desiste de transmitir
qualquer coisa até a troca ser concluída;
 A partir das informações fornecidas nas solicitações RTS,
ela pode avaliar quanto tempo a sequência irá demorar.
Assim, reivindica uma espécie de canal virtual ocupado
por ela própria, indicado por NAV (Network Allocation
Vector – Vetor de Alocação de Rede);
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
 E as estações C e D?
 D não escuta o RTS, mas escuta o CTS, e assim
também reivindica o sinal NAV para ela própria;
Obs.: Os sinais NAV não são transmitidos; eles são apenas 
lembretes internos de que a estação deve se manter inativa 
por um determinado período de tempo;
ESTRUTURA DO QUADRO
Estrutura do Quadro
 O formato do quadro de dados do
802.11 é mostrado na Figura abaixo:
Estrutura do Quadro
 Duração: por quanto tempo o quadro e
sua confirmação ocuparão o canal;
 Sequência: permite que os fragmentos
sejam numerados;
Roteiro
 Histórico
 Introdução
 Topologias do 802.11
 Protocolo WEP
 Extensões do 802.11
 Redes PAN
 Referências
Topologia
 A topologia do IEEE 802.11 consiste na
interação dos componentes de rede para
prover uma WLAN que possibilite a
mobilidade das estações transparentemente
para os protocolos de níveis mais altos (ex:
IP, TCP, UDP)
 O padrão 802.11 suporta duas topologias:
 Independent Basic Services Set (IBSS) Networks
– Ad Hoc
 Extended Service Set (ESS) Networks – Infra-
estruturado
Topologia
 Independent Basic Services Set (IBSS)
Networks:
 Uma IBSS é uma rede que não tem um backbone
de infraestrutura e consiste de pelo menos duas
estações wireless. Este tipo de rede é comumente
conhecido como AD HOC;
 Extended Service Set (ESS) Networks
 Uma ESS possui um backbone de infraestrutura
para viabilizar a comunicação entre as estações na
rede sem fio (wireless) e na rede fixa (wired)
Topologia do 802.11 Ad-Hoc
 Ad-hoc:
 Sem estrutura pré-
definida;
 Cada computador é
capaz de se comunicar
com qualquer outro;
 Pode ser implementada
através de técnicas de
broadcast ou mestre
escravo;
Topologia do 802.11 Infra-
Estruturada
 Infraestrutura:
 Os computadores se conectam
a um elemento de rede central
denominado access point;
 Uma WLAN pode ter vários
access points conectados
entre si de uma rede física;
 Funciona de maneira similar
as redes de celulares;
Topologia do 802.11
Infraestrutura
 O padrão IEEE 802.11 define uma arquitetura para as redes
sem fio, baseada na divisão da área coberta pela rede em
células
 Os elementos que compõem essa arquitetura são descritos
abaixo:
 BSA (Basic Service Area) – Conhecidas também como células;
 BSS (Basic Service Set) – representa um grupo de estações
comunicando-se por radiodifusão ou infravermelho em uma BSA;
 AP (Access Point) ou Ponto de Acesso – são estações especiais
responsáveis pela captura das transmissões realizadas pelas
estações de sua BSA, destinadas a estações localizadas em outras
BSAs, retransmitindo-as, usando um sistema de distribuição;
 Uma das funções do access point é implementar uma ponte entre a rede wireless
e a rede física;
Topologia do 802.11
Infraestrutura
 Modo infraestruturado
 Basic Service Set (BSS) – com apenas um 
Access Point (AP)
Wireless Fidelity – Wi-Fi
 Wi-Fi ou Wireless Fidelity é uma associação
internacional formada em 1999 para certificar a
interoperabilidade dos produtos WLAN baseados no
padrão 802.11, conhecida pelo nome Wireless
Ethernet Compatibility Alliance;
 O certificado Wi-Fi garante que o produto passou por
testes rigorosos de interoperabilidade, e assume que
produtos de diferentes fabricantes podem
interagirem entre si sem nenhum problema de
compatibilidade;
 Recomendação: só compre equipamentos wireless
com certificação Wi-Fi;
Roteiro
 Histórico
 Introdução
 Topologias do 802.11
 Protocolo WEP
 Extensões do 802.11
 Redes PAN
 Referências
Protocolo WEP
 Wired Equivalent Privacy (WEP);
 É um protocolo de segurança que é
parte padrão do IEEE 802.11, e foi
introduzido na tentativa de dar
segurança durante o processo de
autenticação, proteção e confiabilidade
na comunicação entre os
Protocolo WEP
 Crescente utilização e popularização das
chamadas WLANS;
 maior mobilidade e maior praticidade;
 usuários domésticos, instituições,
universidades e empresas utilizando;
 mas e a segurança? como proteger os
dados?
Protocolo WEP
 Inicialmente, cada uma das partes que
desejam participar da comunicação deve
possuir uma chave secreta que será utilizada
no processo de criptografia e no processo
inverso também;
 O nome que se dá a este processo é criptografia
simétrica devido ao fato da chave ser única para
os dois processos;
 É importante lembrar que a troca de chaves deve
ser feita de maneira segura;
Protocolo WEP
 Suponhamos que queremos enviar uma
mensagem M que irá ser transmitida através
de uma WLAN que utiliza o protocolo WEP;
 Primeiramente, essa mensagem será
computada por um programa conhecido
como “checksum”, que é um algoritmo
polinomial detector de erros aleatórios, que
irá gerar um ICV (Integrity Check Value) para
que na recepção,possa ser verificada a
integridade da mensagem;
Protocolo WEP
 Num segundo estágio, é gerado uma sequência de
bits pseudoaleatórios a partir da chave secreta K (40
bits) e de um vetor de inicialização V (24 bits) gerado
aleatoriamente também. Essa sequência é gerada
pelo algoritmo de criptografia RC4;
 Então, finalizando o processo de criptografia, faz-se
um xor entre o texto plano P e a sequência RC4. O
resultado dessa operação de xor constituirá o pacote
cifrado que será transmitido ao longo do ar;
Protocolo WEP
 Além do pacote cifrado, transmite-se
também o vetor de inicialização
utilizado. Para que o processo reverso
de decriptografar seja possível;
Protocolo WEP
Protocolo WEP
 Problema
 A criptografia WEP, permite que a mesma
sequência aleatória se repita aleatoriamente;
 Dados C1 e C2 que são dois pacotes cifrados com
o mesmo vetor de inicialização e a mesma chave
secreta;
 Pode-se recuperar o xor dos dois textos .. ocorre então o
cancelamento da sequência RC4;
 Isto permite uma série de ataques ao protocolo uma vez
que se um dos dois textos é conhecido;
Problemas
 Autenticação e criptografia baseada em WEP é muito
fraca
 Foi quebrada em 2001;
 Existem programas open source para quebra de criptografia
WEP;
 Existem diversos tutoriais na internet que ensinam a quebrar
este tipo de segurança;
 O problema maior é que a chave de criptografia é
estática;
 As discussões sobre segurança em redes sem fio
serão cobertas futuramente em Segurança de Redes;
Roteiro
 Histórico
 Introdução
 Topologias do 802.11
 Protocolo WEP
 Extensões do 802.11
 Redes PAN
 Referências
Roteiro
 Histórico
 Introdução
 Topologias do 802.11
 Protocolo WEP
 Extensões do 802.11
 802.11a
 802.11b
 802.11g
 Redes PAN
 Referências
802.11a
 Foi criado após o padrão 802.11b;
 Esta nova especificação surgiu principalmente da necessidade
de uma maior taxa de transferência;
 Outro fator de grande influência foi a grande quantidade de
dispositivos utilizando a faixa de 2.4 GHz, como por exemplo:
redes 802.11b, telefones sem fio, microondas, dispositivos
Bluetooth, HomeRF, etc. .. causando interferências;
 Atuando na faixa de 5 GHz, os ruídos e tráfego gerado pelos
dispositivos anteriormente citados não interferem na
comunicação desta rede;
 Finalizado e publicado no final de 1999;
802.11a
 As faixas utilizadas na banda não
licenciada de 5 GHz pelo 802.11a
variam conforme o país;
 O 802.11a define taxas de transmissão
até 54 Mbps, utilizando o OFDM
(Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) ao invés da Spread
Spectrum;
802.11a
 As taxas de transmissão suportadas são:
 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54 Mbps;
 sendo que as taxas de 6, 12 e 24 Mbps são obrigatórias para
os produtos que implementam o padrão;
 IEEE 802.11a tem uma camada física incompatível
com a versão IEEE 802.11b:
 Modulação Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM)
 Esta modulação tem um overhead menor que a DSSS
(praticamente dobra a eficiência de uso da banda disponível)
802.11a
 A camada MAC do IEEE 802.11a é idêntica ao
IEEE 802.11b.
 As desvantagens atuais:
 A frequência de 5 GHz faz com que o sinal se
atenue duas vezes mais rápido que em 2.4 GHz;
 Um grande problema que os fabricantes vêm
enfrentando para a implementação desta
especificação é o alto consumo de energia que os
dispositivos utilizam;
802.11b
 O IEEE 802.11b define um nível físico que utiliza
DSSS de altas taxas (High Rate Direct Sequence
Spread Spectrum – HR-DSSS) como uma extensão do
DSSS do padrão 802.11;
 HR-DSSS opera na faixa de frequência de 2.4 GHz
incluindo as taxas de transmissão de 5.5 Mbps e 11
Mbps adicionalmente às taxas de 1 Mbps e 2 Mbps
do padrão inicial;
 Finalizado e publicado no final de 1999;
802.11b
 Interoperável com a implementação do DSSS
definido no padrão do 802.11. Sendo assim, é
compatível com o padrão inicial;
 Para prover taxas de transmissão de dados mais
altas, 802.11b utiliza CCK (Complementary Code
Keying), uma técnica de modulação que torna mais
eficiente o uso do espectro de rádio;
 CCK é uma técnica mais eficiente de implementar o
CHIPPING CODE;
802.11g
 O propósito deste projeto é desenvolver uma extensão de nível
físico do 802.11b definindo taxas de transmissão mais altas (até
54 Mbps) na banda de 2.4 GHz;
 O padrão é compatível com o 802.11 inicial e com 802.11b;
Possibilitando negociação de diferentes taxas de transmissão
em uma mesma WLAN;
 Ele implementa todos requisitos obrigatórios do 802.11b;
 Define uma taxa de pelo menos 20Mbps podendo chegar a 54
Mbps;
 Utiliza Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ao
invés da DSSS como base para prover taxas de transmissão de
dados com mais alta velocidade;
802.11g
 A área de cobertura de um sinal que opera a uma
taxa de 54 Mbps (802.11g) normalmente é menor do
que o existente nos pontos de acesso ao 802.11b
operando a 11 Mbps;
 Por isso não pode ser feita substituição instantânea as redes 802.11b por
802.11g;
 Usa autenticação WEP estática já aceitando outros tipos de
autenticação como WPA (Wireless Protect Access) com
criptografia dinâmica (método de criptografia TKIP e AES);
 O 802.11g sofre os mesmos problemas de interferência de rádio
frequência do 802.11b por operar na banda de 2.4 GHz;
 Status: Finalizado e publicado como parte do padrão 802.11b,
sendo um melhoramento do padrão corrente;
Comparações entre padrões 
802.11[a-b-g]
Roteiro
 Histórico
 Introdução
 Topologias do 802.11
 Protocolo WEP
 Extensões do 802.11
 Redes Pan
 Referências
Bluetooth (PAN)
 Padrão para comunicação sem-fio, de
curto alcance e baixo-custo:
 aproximadamente de 10 metros a até 100
metros em condições ideias e baixo custo;
 velocidade em torno de 1 Mb;
 Inicialmente projetado para eliminar
cabos na conexão de periféricos a
computadores de mesa;
PAN
 Atualmente bluetooth é considerado uma
tecnologia para PAN que prevê inúmeras
aplicações:
 PAN (Personal Area Network – IEEE 802.15);
 Sincronizar dados com smartphones e PCs;
 Mouse, teclado, fone sem fio;
PicoNets
 Os dispositivos Bluetooth se comunicam entre si e
formam uma rede denominada piconet, na qual
podem existir até oito dispositivos interligados, sendo
um deles o mestre e os outros dispositivos escravos;
ScatterNet
 Nas aplicações Bluetooth, várias
piconets independentes e não
sincronizadas podem se sobrepor ou
existir na mesma área;
 Neste caso, forma-se um sistema ad
hoc disperso denominado scatternet,
composto de múltiplas redes, cada uma
contendo um número limitado de
dispositivos;
Referências
 Slides Prof. Hana Karina S. Rubinsztejn;
 Slides Prof. Willian Amorin;
 Tanenbaum, A. S. Redes de
Computadores;
 Peterson, L. L.; Davie, B. S. Redes de
Computadores: Uma Abordagem de
Sistemas;