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Rede Wireless (WLAN) – Conceito e Funcionamento

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Entenda como funciona e os conceitos e tipos de problemas de uma rede wireless 

 O IEEE constituiu um grupo chamado de Wireless Local-Area Networks Standard Working Group, com a finalidade de criar padrões para redes sem fio, definindo um nível físico para redes onde as transmissões são realizadas na frequência de rádio ou infravermelho, e um protocolo de controle de acesso ao meio, o DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC). Esse padrão é denominado de Projeto IEEE 802.11 e tem, entre outras, as seguintes premissas: suportar diversos canais, sobrepor diversas redes na mesma área de canal, apresentar robustez com relação à interferência, possuir mecanismos para evitar nós escondidos, oferecer privacidade e controle de acesso ao meio.

Uma WLAN (Wireless LAN) utiliza um meio compartilhado onde um número indeterminado de host pode competir pelo meio em qualquer momento. As colisões são algo constante em uma WLAN porque trabalha em modo Half Duplex e sempre dentro da mesma frequência. Só uma estação pode transmitir em um determinado momento de tempo.

Para conseguir o modo Full Duplex todas as estações que transmitem e as que recebem deveriam fazer em frequências diferentes. Operação não permitida no padrão IEEE 802.11.

Quando dois ou mais estações wireless transmitem ao mesmo tempo os sinais são misturados, as estações receptoras verão o resultado como erros, ruídos ou dados incorretos. Como mecanismo de comprovação quando uma estação transmite um quadro a estação receptora deve responder com um ACK para dar aviso da correta recepção do quadro.

Os quadros ACK servem como um meio rudimentar para a detecção de colisões, mas não consegue preveni-las. O padrão IEEE 802.11 utiliza um método preventivo chamado CSMA/CA (carrier sense multiple access collision avoidance). Enquanto que as redes cabeadas detectam as colisões, as redes wireless tentam enviar. Todas as estações devem escutar antes de poder transmitir um quadro.

Quando uma estação necessita enviar um quadro, pode-se cumprir 2 condições:

  • Nenhum outro dispositivo está transmitindo. A estação pode transmitir seu quadro de imediato. A estação receptora deve enviar um frame ACK para confirmar que o quadro original chegou bem e livre de colisões.
  • Outro dispositivo está nesse momento transmitindo um quadro. A estação tem que esperar até que o quadro em progresso esteja finalizado. A estação espera um período aleatório de tempo para transmitir seu próprio frame.

Além desse processo as estações devem esperar um tempo aleatório antes de transmitir chamado DCF Interframe Space (DIFS); se tem mais de uma estação esperando para transmitir não gerarão colisões. As estações checam os cabeçalhos com a informação do tempo e esperam antes de transmitir seus quadros. Como todas as estações interceptam o mesmo tempo contido no quadro transmitido, cada uma delas decidirá se transmite ou não seu próprio quadro. No tempo especifico contido no quadro emissor é somado outro período aleatório antes de transmitir seu próprio quadro.

Todo esse processo é chamado de DCF (Distribuited Coordination Function) e mesmo que o tempo seja aleatório sempre existe a possibilidade de que duas ou mais estações elejam o mesmo valor para esse período. Não existe nenhum outro mecanismo que evite transmissões simultâneas que gerem colisões.

A partir de uma colisão as estações não receberão os ACK e terão que enviar seus quadros novamente.

Os frames estão constantemente no ar e qualquer um pode recebê-los.

WLAN – Conceito

Uma rede wireless básica não compreende nenhum tipo de organização; um PC com capacidade wireless pode conectar em qualquer parte e em qualquer momento. Naturalmente deve existir algo mais que permita enviar ou receber sobre o meio sem fio antes que o PC possa comunicar.

Na terminologia 802.11 um grupo de dispositivos wireless é conhecido servisse set. Os dispositivos devem compartilhar o mesmo set identifier (SSID), que é um texto string incluído em cada frame que é enviado. Se tiver coincidência entre o receptor e o emissor é produzido à troca. O PC converte em cliente da rede wireless e para isso deve possuir um adaptador wireless e um software que atuem com os protocolos wireless.

O padrão 802.11 permite que os clientes wireless comuniquem entre eles sem necessidade de outros meios de rede, conhecido como rede ad-hoc ou Independent Basic Service Set (IBSS).

Não existe controle incorporado sobre a quantidade de dispositivos que podem transmitir e receber frames sobre um meio wireless. Também dependerá da possibilidade de agentes externos permitam transmitir a outras estações sem dificuldade, isso dificulta que seja proporcionado uma qualidade de transmissão adequada.

BSS (Basic Service Set) centraliza o acesso e controla sobre o grupo de dispositivos wireless utilizando um AP (Access Point) como um concentrador do Service Set. Qualquer cliente wireless tentando utilizar a rede tem que completar uma condição dp grupo com o AP.

O AP ou ponto de acesso leva a cabo certas considerações antes de permitir a transmissão da estação:

  • O SSID deve concordar
  • Uma taxa de transferência de dados compatível
  • As mesmas credenciais de autenticação

O membership do AP é chamado associação, o cliente deve enviar uma mensagem de petição de associação. O AP permite ou denega a associação enviando uma mensagem de resposta de associação. Uma vez associado todas as comunicações desde e até o cliente passarão pelo AP. Os clientes agora não podem comunicar-se diretamente com outros sem a intervenção do AP.

Um AP é um concentrador, mas não é passivo como um hub ethernet, gerencia e administra a rede wireless anunciando sua própria presença para que todos os clientes possam associar-se e controla o processo de comunicação.

É também o responsável do envio dos ACK as estações que estão enviando.

Um AP pode funcionar como um uplink até uma rede ethernet porque dispõe de capacidade wireless e cabeada. Os AP situados em lugar diferente podem estar conectados entre eles com uma infraestrutura de switching.

Essa topologia recebe o nome no padrão 802.11 ESS (Extended Service Set).

Comparação entre os Wireless Service Set:

conceitos e tipos de problemas de uma rede wireless

Access Point- O que é?

 A função principal do AP é pontear dados wireless até a rede tradicional cabeada. Um AP pode aceitar conexões de cliente wireless convertendo-os em membros da LAN como se fosse conexões cabeadas.

Um AP também pode atuar como um bridge formando um enlace wireless de uma LAN até outra em longa distancias. Os enlaces entre os APs são utilizados normalmente para conectividade entre edifícios. Cisco desenvolveu uma plataforma AP que pode pontear redes de um AP até outro AP em grades distancias externas.

Os APs atuam como um ponto central controlando o acesso dos clientes a rede LAN. Qualquer tentativa de acesso a WLAN deve estabelecer inicialmente conexão com o AP, quem permitirá um acesso aberto ou restrito segundo as credenciais de autenticação. Os clientes devem efetuar um “cumprimento” de duas vias antes de se associar. O AP pode solicitar mais condições antes da associação, antes de permitir o acesso ao cliente, como credenciais especificas ou volume de dados.

Podemos comparar o AP com um mecanismo de tradução onde os quadros de um meio são enviados a outro em camada 2; também associa o SSID a uma ou múltiplas VLAN, como foi mostrado na figura anterior.

Um AP pode proporcionar conectividade WLAN somente aos clientes dentro de sua cobertura, o sinal está definido pela emissão que possa ter a antena. Em um espaço aberto poderia se descrever como uma forma circular arredor da antena omnidirecional. O padrão de ondas emitidas tem três dimensões, afetando também os pisos superiores e inferiores de um edifício.

A localização do AP deve ser cuidadosamente planificada para proporcionar cobertura em toda a área necessária. Como os usuários são móveis, faz com que a cobertura do AP seja diferente, os objetos podem interpor entre eles e as antenas.

A área de cobertura do AP é denominada de célula. Os clientes dentro de uma célula podem se associar com o AP e utilizar livremente a WLAN.

A célula está limitando a capacidade de operação dos clientes em seu raio de cobertura. Para expandir a área total de cobertura WLAN podemos somar mais células em zonas próximas simplesmente distribuindo os AP em essas zonas.

A ideia e que a soma das células possa cobrir cada uma das áreas onde o cliente está localizado.

Os clientes podem se mover de uma célula AP a outra e suas associações vão passando de um a AP a outro automaticamente, mecanismo chamado de roaming. Os dados que estão sendo confiados em um AP uma vez o cliente se move de célula devem ser confiados pelo outro AP novo. Isso minimiza a possibilidade de perdas de dados durante o processo de roaming.

Um bom desenho de uma rede WLAN tenta aproveitar o máximo de cobertura de um AP minimizando a quantidade de pontos de acessos necessários para cobrir uma zona determinada reduzindo por sua vez o custo da instalação.

Também é importante lembrar que o meio é Half Duplex e que a maior quantidade de usuários menor a largura de banda disponível.

Em ambientes seguros o tamanho da célula é reduzido em micro células ou Pico células reduzindo a potencia do AP.

RADIOFREQUÊNCIA EM  REDES WLAN

 As comunicações por RF (radiofrequência) começam com uma oscilação transmitida de um dispositivo que será recebida em um ou vários dispositivos. Essa oscilação de sinal é baseada em uma constante chamada frequência. O transmissor e receptor devem estar na mesma frequência para transmitir a sinal. A estação transmissora tem um dispositivo transmissor unido a uma antena, e igual que o receptor, que recebe o sinal através de sua antena.

Um range de frequência é chamado de banda, como o utilizado em estações de radio AM (Amplitud Modulada) ou FM (Frequência Modulada).

Muitas comunicações de WLAN ocorrem dentro da banda de 2.4 GHz compreendida em um range de 2,412 a 2,484 GHz; enquanto que outras utilizam uma banda de 5 GHz em um range de 5,150 a 5,825 GHz.

O sinal emitido por uma estação wireless é chamado de portadora (carrier) é um sinal constante a uma determinada frequência. Uma estação de radio só transmite a portadora não está emitindo dados de nenhum tipo. Para agregar informação, o transmissor deve modular a portadora para inserir a informação de deseja transmitir. As estações receptoras devem reverter o processo desmodulando a portadora para recuperar a informação original. Os métodos de modulação podem ser diferentes segundo varia a frequência ou a amplitude do sinal da portadora.

As WLAN utilizam umas técnicas de modulação mais complexas porque seus volumes de dados são maiores que as de áudio.

O principio de uma modulação WLAN é empacotar tantos dados com sejam possíveis dentro de um sinal e dessa maneira minimizar as possíveis perdas por interferências ou ruídos. Quando os dados são perdidos devem ser retransmitidos utilizando mais recursos.

Mesmo que o receptor espere encontrar a portadora em uma frequência fixa, a modulação faz que a portadora varie cada certo tempo. Essa variação de frequência de portadora é chamada de canal, o que faz referencia com um tipo de numeração. Os canais WLAN estão definidos no padrão 802.11.

WLAN – PRINCIPAIS PROBLEMAS DE REDES WIFI

PERDAS DE SINAL

As características de um sinal de RF podem variar dependendo do meio que atravessa, por interferências eletromagnéticas, ruídos, sinais de outras RF, etc.

Algumas das principais causas são:

  • Reflexão: Ocorre quando um sinal de RF incide sobre um objeto que tem dimensões muito largas quando comparado ao comprimento de onda do sinal. Prédios, paredes e muitos outros obstáculos podem causar reflexões. Dependendo da superfície do obstáculo, o sinal refletido pode permanecer intacto ou sofrer perda devido à absorção de parte do sinal.

  • Refração: é o desvio que uma onda sofre ao passar através de um meio de densidade diferente. Na realidade quando uma onda atravessa um meio de densidade diferente, parte da onda é refletida e parte sofre um desvio em outra direção. Refração pode se tornar um problema para links RF de longa distância. Como as condições atmosféricas estão sujeitas a variações, refração pode fazer com que o sinal sofra um desvio acentuado de forma que o sinal não chegue ao receptor.

  • Difração: Ocorre quando o caminho entre o transmissor e o receptor é obstruído por uma superfície com bordas de tamanhos irregulares. Nesse caso parte do sinal sofre um desvio na sua direção, passando a circundar a superfície. Parte do sinal que circunda a superfície sofre um retardo na sua velocidade de propagação enquanto que a outra parte mantém a velocidade de propagação original. Difração é confundida com refração. Mas a principal diferença é que difração ocorre quando um sinal incide sobre um objeto e refração ocorre quando um sinal atravessa um meio.

  • Absorção: quando um sinal RF atravessa um material que possa absorver sua energia o sinal será atenuado; quanto mais denso seja o material mais atenuação sofrerá o sinal.

Zonas de Fresnel – O que é?

Um dos fatorem que influem em um sinal de radio é a distancia até o destino. Tecnicamente a zona Fresnel é o volume de espaço entre o emissor e receptor de RF, de maneira que o espaço entre as ondas nesses volume não supere os 180 graus.

Alguns dos fatores que devem ser levado em consideração em zonas Fresnel podem ser:

  • Utilização de antenas corretas
  • Ausência de condições climatológicas adversas
  • Visão direta
  • Altura correta das antenas

Tipos de Antena Wireless

Existe uma grande variedade de tipos e modelos de antenas WLAN, as mais conhecidas são as seguintes:

  • Antena omnidirecional: Estas antenas propagam o sinal equitativamente em todas as direções em um plano, mas não ao longo da longitude da antena. O “em todas as direções” é uma figura de linguagem, pois as antenas concentram o sinal na horizontal, em um raio de 360 graus, irradiando, em compensação, pouco sinal na vertical. É adequada para um cômodo grande porque distribui o sinal de maneira igualitária.
  • Antena Semidirecional: Essas antenas concentram de forma significativa a energia do transmissor em uma determinada direção. Diferentemente das antenas omni que possuem um diagrama de radiação circular e uniforme em várias direções, as antenas semi-direcionais possuem um diagrama de irradiação na forma hemisférica ou cilíndrica. Existem vários tipos de antenas semi-direcionais, mas aqueles frequentemente mais usados em WLAN são: Patch, Painel e Yagi. Todas são planas, possuem diferentes características e são projetadas para montagem em superfícies planas, como paredes ou muros.  Antenas semi-direcionais são ideais em situações em que desejamos interligar duas redes distintas localizadas em prédios diferentes separados por uma curta distância em um link ponto a ponto.
  • Antena Direcional: um sinal de RF em longas distancias deve ser propagada em uma linha imaginaria sem interrupções. As antenas direcionais e as altamente direcionais estão construídas para essa função. Focalizam o sinal em um padrão elíptico alongado e fino. Em virtude do seu estreito cone de irradiação, essas antenas não possuem uma área de cobertura que possa ser usada por usuários, ao invés, são ideais para links de comunicação ponto a ponto de longa distância e podem transmitir a uma distância de até 20 km.

TIPOS E FORMATO DO FRAME WLAN

Qualquer dispositivo associado aos padrões 802.11 tem que utilizar certos tipos de frames para se comunicar dentro das redes WLAN. Alguns frames são utilizados por certos clientes wireless enquanto que outros são para o uso do AP.

Os frames podem ser classificados como:

  • Frames de Gestão: São utilizados para gerenciar as mensagens da WLAN e a associação dos clientes. Esse tipo de trama inclui:
    • Transmissões anunciando o AP e seus parâmetros wireless.
    • Associação de clientes, reassociação e disassociação.
    • Autenticação e desautenticação de clientes.
  • Frames de controle: Utilizados para controlar as associações do cliente e o AP, incluem:
    • Petição e resposta, quando um cliente solicita informação sobre o AP.
    • Mensagens RTS e CTS quando o AP tem que intervir para avaliar quadros de diferentes valores.
  • Frames de dados: São enviados de qualquer dispositivo wireless. Geralmente contem os dados ou a carga útil.

Os frames WLAN tem um cabeçalho de 32 bytes e um FCS (Frame Check Sequence) de 4 bytes. Os endereços de origem e destino contidos no quadro é um endereço MAC 48 bits, como em Ethernet 802.3. Os frames de gestão incluem um campo BSSID (Basic Servie Set Identifier) de 48 bits.

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