1 Redes Ad Hoc Sem Fio Prof. Marco Aurélio Spohn DSC/UFCG 2010.1

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Redes Ad Hoc Sem Fio

Prof. Marco Aurélio Spohn

DSC/UFCG

2010.1

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Roteiro

Uma breve revisão:

Protocolos de comunicação

Protocolos de acesso ao meio

Protocolos de Acesso ao Meio em Redes Ad Hoc Móveis

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Protocolos de Comunicação

Um conjunto de regras governando a interação entre processos em um sistema de comunicação.

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Protocolos de Comunicação

Protocolos de comunicação transformam máquinas outrora isoladas em uma sociedade (rede) de computadores.

Os protocolos especificam como processos em máquinas distintas devem interagir para prover um determinado serviço.

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Protocolos de Comunicação Um protocolo tem cinco partes:

O serviço que é oferecido

As hipóteses sobre o ambiente onde ele é executado, incluindo os serviços utilizados por ele

O vocabulário de mensagens utilizado para implementá-lo

O formato de cada mensagem no vocabulário

As regras de procedimentos (i.e., algoritmos) governando a consistência das mensagens trocadas e a integridade do serviço provido.

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Protocolos de Comunicação: fundamentos

A descrição do protocolo não tem nenhuma ambiguidade

Faz o que deve ser feito todo o tempo

Não deixa nenhum parceiro de comunicação esperando para sempre para que algo aconteça

Faz uso eficiente dos recursos disponíveis

Permite o uso dos recursos de uma forma justa ou de acordo com acordos predefinidos

Simplicidade é muito importante!

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Protocolos de Comunicação: fundamentos (cont.)

A descrição do protocolo é completa

Safety: um protocolo faz o que deve ser feito, todo o tempo!

Liveness: livre de deadlock!

Eficiência: faz uso eficiente dos recursos disponíveis.

Fairness: uso justo ou contratual dos recursos

Simplicidade é desejável, mas não necessária.

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Protocolos de Comunicação: avaliação de desempenho

Vazão (throughput)

Atrazo (delay)

Fairness...

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Protocolos de Comunicação: avaliação de desempenho

Fairness:

long term: observada em um longo período de tempo (e.g., correspondente a transmissão de milhares de pacotes). Para N competidores, Prob(sucesso)=1/N

short term: uma propriedade mais forte; o acesso ao meio deveria ser justo durante períodos de

tempos curtos. Um protocolo pode ser long term fair mas short term unfair.

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PHYSICAL

A arquitetura OSIEspecifica as funçoes de cada nível, não os protocolos

que os implementam!

LINK

End-user services (e.g., mail, file transfer)

Formatting, encryption, compression of data

Setup and management of end-to-end dialogue

End-to-end delivery of messages to processes

End-to-end transmissions (of packets) in net

Transmissions (of packets) over a link

Transmission of bit over physical media

Web access

TCP

IP

PPP, CSMA/CD

NETWORK

TRANSPORT

SESSION

PRESENTATION

APPLICATION

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medium access control

logical link control

Protocolos de Acesso ao Meio

Coordenar o acesso concorrente ao meio!

PHYSICAL

LINK

NETWORK

TRANSPORT

SESSION

PRESENTATION

APPLICATION

Sharing of link and transportof data over the link

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Protocolos de Acesso ao Meio: abordagens

Com contenção Sem contenção:

Divisão de canal (TDMA, FDMA)

Revezamento (e.g., token ring)

“Podem ser classificados como determinísticos ou probabilísticos”

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MAC: Revezamento Após um tempo máximo de espera, cada estação tem

chance de transmitir. A estação pode abrir mão da sua vez.

A decisão de quem transmite pode ser centralizada (e.g., polling) ou distribuída.

Após transmitir, o direito de transmissão passa para a próxima estação.

Eficiente quando muitas estações tem dados para serem transmitidos durante períodos extensos (stream).

Exemplos: token-based protocols. Token bus,token ring.

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MAC baseado em escalonamento

Tempo é dividido em espaços de tempo (slots).

Uma estação reserva slots para o futuro.

Múltiplos slots para transmissões prolongadas.

Exemplos: NAMA, LAMA, HAMA

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MAC baseado em contenção

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O protocolo ALOHA

Desemvolvido @ U of Hawaii no início da década de 70.

Packet radio networks. “Livre para todos (free for all): estação tem um

pacote para transmitir, transmite!. Espera por confirmação (ACK) por um tempo

máximo (round trip time, RTT) Caso não receba o ACK, reenvia o pacote até N

vezes e então desiste.

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O protocolo ALOHA

As estações decidem retransmitir baseado na informação recebida do nó central!

Two frequency bands;Up link and down link(413MHz, 407MH at 9600 bps)

Central node retransmitsevery packet it receives!

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Colisões

Pacotes inválidos podem ocorrer devido a ruídos no canal ou

Porque outras estações transmitiram ao mesmo tempo: colisão.

Colisão acontece mesmo quando o último bit de um pacote sobrepõe-se com o primeiro bit do próximo pacote.

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O canal no ALOHA

Qual a percentagem do tempo que o canal está sendo utilizado para enviar pacotes corretos?

Isto nos dá a vazão (throughput) do protocolo!.

time

user i

time

user j

time

sum...

NEW

NEW

P

τ is not important

NEW NEW

collision

I B I B I B I B I

NEW

NEW

RET.

RET.

RET.

RET.

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ALOHA: período de vulnerabilidade

Timet0

t0+t t0+2t t0+3t

vulnerable

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ALOHA: vazão é a taxa de chegada (arrival rate).Por conveniência, normalizada como:: G=λ P

λ

Da definição de vazão:

S=G×ponde p é a probabilidade de uma transmissão bem sucedida

Assumindo que chegadas são do tipo Poisson e que todos os pacotes tem o mesmo tamanho, todos os pacotes tem a mesma probabilidade de sucesso..

Um pacote tem sucesso caso nenhum outro pacote chegue um tempo P antes dele começar ou enquanto estiver sendo transmitido:

p=e− 2P λ =e−2G

Logo,

S=Ge−2G G

S

0.18

0.5

Pk=P {k arrivals in 0, t ]}= λ t k

k!e−λ t

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Slotted Aloha

Dobra a vazão do ALOHA! Pacotes podem ser transmitidos

somente no começo de cada slot: ALOHA discreto

O tempo de vulnerabilidade é reduzido à metade!!

S = G e-G. S = Smax = 1/e = 0.368 for G = 1.

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Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

A capacidade do ALOHA e do slotted ALOHA é limitada devido ao longo período de vulnerabilidade de um pacote.

Escutar o meio antes de transmitir reduz o período de vulnerabilidade ao atraso de propagação no meio.

Esta é a base do CSMA (Kleinrock and Tobagi, UCLA, 1975).

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CSMA O nó que deseja transmitir primeiro

escuta o canal para verificar se alguém já está transmitindo (carrier sense).

Se o canal estiver sendo utilizado, o nó espera; caso contrário, transmite.

Ainda existe a possibilidade de colisões!!!

O transmissor espera pela confirmação (ACK); se não receber, retransmite

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Protocolo CSMA

transmit

no

wait for a round-trip time

positiveack?yes

compute randombackoff integer kno

delay packettransmission

k times

Packetready

ChannelBusy?

yes

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CSMA (cont.) Eficiente quando o tempo médio de

transmissão >> tempo de propagação. Colisões podem ocorrer somente quando duas

ou mais estações transmitem simultaneamente dentro de um período de tempo “bem curto”!

Se uma estação transmite e nenhuma colisão ocorre durante o tempo de propagação até a estação mais distante, então de fato NENHUMA colisão ocorrerá!

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CSMA: variantes Depois de detectar a portadora, uma estação

pode persistir e tentar transmitir assim que o canal estiver ocioso novamente.

1-persistent CSMA (IEEE 802.3) Caso o meio estiver ocioso, transmite; caso

contrário, espera até que o meio esteja livre, então transmite com probabilidade p=1.

Caso ocorra colisão aguarda por um período randômico e inicia novamente.

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CSMA: variantes Non-persistent CSMA: caso o meio estiver

livre, transmite; caso contrário, aguarda um tempo randômico antes de tentar novamente.

P-persistent: quando o canal estiver ocioso, transmite com probabilidade p.

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CSMA/CD CSMA com detecção de colisões (Collision

Detection (CD)). Problema: quando pacotes colidem, o meio

fica inutilizável durante a duração dos pacotes em colisão.

Considerando pacotes longos (quando comparados com o tempo de propagação), trata-se de um disperdício considerável!

O que acontece caso as estações escutem o meio enquanto transmitem?

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CSMA/CD: protocolo

1. Meio livre, transmite e vai para passo 3; caso contrário, passo 2.

2. Espera até que o meio esteja livre e transmite com (prob.) p=1.

3. Caso detecte colisão, transmite um breve sinal de “jamming” (Ethernet: 32bits, equiv. CRC do pacote) e aborta a transmissão.

4. Depois de abortar, aguarda por um tempo randômico e tenta novamente.

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MAC em redes sem fio

O canal “wireless”

MAC em redes sem fio

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O canal wireless

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O spectrum eletromagnético: usos para comunicação

UHF: ultra high frequency; SHF: super high frequency; EHF: extremely high frequency; THF: tremendously high frequency

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O spectrum eletromagnético: aspectos “políticos”

Existem orgãos nacionais e internacionais que regulam o uso do spectrum eletromagnético

Alguns governos deixaram algumas faixas do spectrum livres para uso geral (chamadas de Industrial, Scientific, Medical (ISM) bands). Exemplo: ISM nos Estados Unidos:

A faixa de 2.4GHz está disponível na maioria dos países, mas é suscetível a interferências de fornos microondas e instalações de radares. IEEE 802.11 e Bluetooth estão nesta faixa.

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O Problema da Multiplexação

Analogia: uma auto-estrada compartilhada pormuitos usuários

time

frequency

A wireless channel

(how to divide resource among multiple recipients?)

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Frequency-Division Multiplexing

Analogia: uma auto-pista com múltiplas faixas.time

frequency

user 1

user 2

user 3user 4

guard-band

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Time-Division Multiplexing

Requisito: coordenação precisa no tempo!time

frequency

user 1 user 2 user 3 user 4

guard-band

user 1 user 2

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Frequency-Time-Division

time

frequency

time-slot (usually of the same size)

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MAC em redes sem fio

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MAC para redes sem fio MAC para redes com fio não são

apropriados. Características intrínsecas ao meio

“wireless”: Terminal escondido, exposto, e “near/far

terminals”.

Detecção de colisão em comunicação “wireless” é impraticável!

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O problema do terminal escondido

BA C

• A sends to B, C cannot receive A • C wants to send to B• If use CSMA/CD:

• C senses a “free” medium, thus C sends to B• Collision at B, but A cannot detect collision

• Therefore, A is “hidden” from C

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O problema do terminal exposto

BA C

• B sends to A, C wants to send to D• If use CSMA/CD

• C senses an “in-use” medium, thus C waits• But A is outside the radio range of C, therefore

waiting is not necessary• Therefore, C is “exposed” to B

D

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The Near and Far Terminal Problem

BA C

• A and B send to C• Friis Law (power decay proportional to distance

square)• B drowns out A’s signal (at the physical layer), so

C cannot receive AEsse problema é relevante no modo estruturado

(i.e., com pontos de acesso)

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The Near and Far Terminal Problem: principalmente em sistemas CDMA (“the shared resource in a CDMA system is the signal power”)

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Collision Avoidance

Collision avoidance emula a detecção de colisão em redes onde as estações são half duplex. Este é o caso de redes sem fio. Rádios full-duplex são

muito $$$! O objetivo é eliminar o problema do terminal

escondido do CSMA. Exemplos: MACA, MACAW, FAMA, RIMA.

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Collision Avoidance

As estações trocam pacotes de controle para determinar quem pode transmitir para um determinado receptor.

O diálogo pode ser controlado pelo transmissor ou pelo receptor.

Sender-initiated: RTS (S to R) -> CTS (R to S) -> DATA (S to R) -> ACK (R to S). Exemplos: MACA, MACAW, FAMA, and IEEE 802.11.

Receiver-initiated: RTR (R to S) -> DATA (S to R) -> ACK (R to S) Exemplo: RIMA

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Collision Avoidance: RTS/CTS

Assumindo pacotes RTS e CTS de mesma duração!

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Collision Avoidance: defeitos do RTS/CTS (mesma duração)

Não é perfeito; pode ocorrer colisões: primeiro caso

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Collision Avoidance: defeitos do RTS/CTS (mesma duração)

Não é perfeito; pode ocorrer colisões: segundo caso

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Floor Acquisition Multiple Access (FAMA)

Soluciona as deficiência do RTS/CTS:

utilizando packet sensing: tipo ALOHA

(como o MACA), mas utiliza um CTS mais

longo fazendo com que qualquer terminal

escondido que não tenha ouvido o RTS

escute o CTS (de fato é um jamming)

utilizando carrier sensing: repetindo o CTS

múltiplas vezes

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Floor Acquisition Multiple Access (FAMA)

Com packet sensing:

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Floor Acquisition Multiple Access (FAMA)

Com carrier sensing:

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IEEE 802.11

Padrão IEEE para redes locais sem fio Especifica os níveis físico e MAC.

IEEE 802.11: terminologia básica

Basic Service Set (BSS): bloco básico de construção da arquitetura 802.11Um grupo de estações que

coordenam o seu acesso ao meio em determinadas condições.

Basic Service Area (BSA): área geográfica coberta por um BSS (análoga a uma célula em uma rede celular).

IEEE 802.11: terminologia básica

Uma BSS pode ser criada expontaneamente sem nenhuma infraestrutura (redes ad hoc)

IEEE 802.11: terminologia básica

Um conjunto de BSSs podem ser conectadas por um sistema de distribuição formando um Extended Service Set (ESS). Cada BSS tem um ponto de acesso (access point, AP). Portais (portals) conectam o sit. dist. a redes externas.

802.11: sub-nível MAC

Dois modos de operação:

Distributed Coordination Function (DCF)

Point Coordination Function (PCF)

802.11: sub-nível MAC

Point Coordination Function (PCF): utiliza uma estação base de controle.

802.11: sub-nível MAC

Distributed Coordination Function (DCF): também conhecido como modo ad hoc; não utiliza nenhuma forma de infraestrutura central de controle; utiliza Carrier Sense Multiple Access with collision avoidance)

CSMA/CA: operação básica

Uma estação ao sentir o meio ocioso por um período DIFS (DCF interframe space) transmite!

Em caso de colisão (assume-se que ocorreu!):

calcula um random backoff (tempo de espera durante a janela de contenção), e continua o carrier sense:

caso o meio ficar ocupado durante o tempo de espera, congela contador e continua assim que o meio estiver ocioso novamente.

caso contador zere (durante meio ocioso), transmite.

CSMA/CA: operação básica

Diferentes tempos de espera: Short IFS (SIFS) para pacotes com prioridade (pacotes de controle), e PCF IFS (PIFS) para coordenação com estação base (no modo com infraestrutura).

802.11: CSMA/CA

802.11: CSMA/CA

Carrier sensing: physical carrier sensing virtual carrier sensing

802.11: CSMA/CA

Physical carrier sensing: detecta atividade no canal via intensidade relativa no sinal de outras fontes

802.11: CSMA/CA

Virtual carrier sensing: cabeçalho do pacote MAC indica quanto tempo será necessário para a transmissão a seguir

802.11: CSMA/CA

Virtual carrier sensing: estações detectando o campo de duração ajustam o seu network allocation vector (NAV)

802.11: CSMA/CA

O canal é marcado como ocupado se um dos dois mecanismos considerar o meio ocupado!

802.11: CSMA/CA com fragmentação

Redes sem fio são vulneráveis a ruídos e interferências (por exemplo, interferência de fornos microondas)

Desta forma, a probabilidade de que um pacote chegue ao destino corretamente diminui com o tamanho do pacote

802.11: CSMA/CA com fragmentação

p = probabilidade que um bit esteja errado

= probabilidade de que um pacote de n bits

esteja correto

Caso , a probabilidade de receber corretamente um pacote Ethernet completo (i.e., 12144 bits) é menos de 30%.

Mesmo com quase uma dúzia de pacotes por segundo serão danificados.

1− p n

p= 10−4

p= 10−6

802.11: CSMA/CA com fragmentação

Para reduzir a taxa de erros, utiliza-se fragmentação NAV corresponde apenas ao tempo para transmissão

do primeiro fragmento Fragmentos subsequentes são transmitidos após um

período SIFS (o que garante que nenhuma outra estação transmita antes do final da transmissão de todos os fragmentos)

802.11: Point Coordination Function (PCF), modo infra-

estrutura Função do PCF realizada pelo Point Coordinator (PC)

no AP Livre de contenção! Polling: estação base coordena transmissão das

demais estações, sem que estas precisem concorrer pelo canal

PCF deve conviver

com o modo DCF!

802.11: Point Coordination Function (PCF)

Contention Free Period (CFP) Repetion Interval (CFP_Rate) determina a frequência de ocorrência do PCF (i.e., valor do CFP_Rate determina duração CFP)

802.11: Point Coordination Function (PCF)

No início nominal de um período CFP, o PC (AP) sente o meio. Caso este fique ocioso por um intervalo PIFS, o PC (AP) inicia o CFP de fato.

802.11: Point Coordination Function (PCF)

CFP é iniciado com a transmissão de um beacon (sincronização é uma das funções do AP). Intervalos SIFS são utilizados entre transmissões subsequentes.

802.11: Point Coordination Function (PCF)

Caso o CFP esteja pouco carregado o PC pode encurtar o CFP dando mais tempo para o período de contenção, para isso o PC envia um CF-End.

802.11: nível físico

Cinco técnicas de transmissão permitidas Infrared FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum)

Diferem na tecnologia utilizada e velocidades

802.11: nível físico, infrared

Utiliza transmissão difusa (i.e., não utiliza line of sight): 0,85 ou 0,95 microns

Duas velocidades: 1 Mbps e 2 Mbps Sinais infra-vermelho não podem

penetrar paredes células em salas separadas ficam bem

isoladas Devido a baixa velocidade esta não é

uma opção popular

802.11: nível físico, FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

79 canais, cada com largura 1MHz, iniciando em 2.4GHz (velocidades de 1 ou 2 Mbps)

Um número pseudo-randômico é utilizado para gerar a sequência de frequências

Desde que as estações utilizem a mesma semente (seed), e estejam sincronizadas, elas saltam para as mesmas frequências simultaneamente

tempo gasto em cada frequência chamado de dwell time

Seguro, desde que um intruso não conheça a sequência de frequências e o dwell time

802.11: nível físico, DSSS Direct Sequence Spread

Spectrum

Também restrito a 1 ou 2 Mbps

Representa cada bit de dados 0 e 1 pelos símbolos -1 e +1 e então multiplica cada símbolo por um padrão binário de +1 e -1 para obter um sinal digital que varia mais rapidamente e que ocupa uma banda de frequência maior.

802.11: nível físico, OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Padrão 802.11a Até 54Mbps Utiliza a banda de 5 GHz (também ISM)

802.11: nível físico, HR-DSSS

802.11b (de fato foi aprovado antes do 802.11a)

Até 11 Mbps Apesar de mais lento que o 802.11a

possui um alcance até 7 vezes maior

802.11g

Uma versão melhorada do 802.11b Utiliza modulação OFDM (como no

padrão a), mas opera na faixa 2.4 GHz (como no b)

Teoricamente pode atinger 54Mbps