Aula 1 - Redes sem fios - Introdução

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Aula 1 - Redes sem fios - Introdução

  1. 1. Tecnologia em Redes de Computadores Tópicos Avançados em Redes – RED008 – Parte 1: Introdução Professor: André Peres andre.peres@poa.ifrs.edu.br Instituto Federal do Rio Grande do Sul - IFRS Porto Alegre
  2. 2. Introdução● Nova era da informação – Convergência ● Integração de diversos serviços em meios de comunicação comuns ● União de voz, vídeo e dados ● Cada vez mais presente ● VoIP, VOD, Televisão digital, ... – Ubiquidade ● Conectividade em qualquer lugar a qualquer hora ● Mobilidade e flexibilidade
  3. 3. Introdução● O objetivo:
  4. 4. Introdução ● O objetivo: Conexão dos Dispositivos pessoais(rede pessoal sem fios)
  5. 5. Introdução● O objetivo: Rede local sem fios Nas empresas Rede local sem fios Nas residências
  6. 6. Introdução● O objetivo: Última milha sem fios (rede metropolitana)
  7. 7. Introdução● O objetivo:Rede metropolitanaCom MOBILIDADE
  8. 8. Introdução Backbone de Alta capacidade● O objetivo: (fibra)
  9. 9. Introdução● Consequências: redes sem fios + fibras ópticas – Necessidade de comunicação sem fios para: ● Mobilidade ● Flexibilidade de infra-estrutura – Consequente aumento de vazão de dados – Para comportar este aumento: ● Backbones de alta capacidade ● Multiplexadores comportando todos estes serviços ● QoS
  10. 10. Introdução● Já temos solução para todos estes aspectos – Mas não chegamos ao limite das tecnologias ! – Ainda podemos criar diversos novos serviços ● IP móvel ● Redes MANET ● ...● Começamos analisando as redes sem fios...
  11. 11. Redes sem FiosTipos de Redes Sem Fios:● – WWAN - Grande abrangência ● CDMA, HSPA, LTE, UMB .... – WMAN – Abrangência metropolitana ● Wi-Max (IEEE 802.16) – WRAN – Abrangência regional ● (IEEE 802.22) → draft – WLAN – Abrangência Local (rede local) ● Wi-Fi (IEEE 802.11) – WPAN – Abrangência Pessoal (10m) ● Bluetooth (IEEE 802.15) – LRWPAN – WPAN de baixo consumo ● Zigbee (IEEE 802.15.4)
  12. 12. Redes sem FiosComunicação sem a utilização de fios● – Mobilidade ● acesso em qualquer ponto ● área de abrangência de acordo com necessidade – Flexibilidade ● é trivial adicionar novos nodos na rede ● sem problemas de cabeamento
  13. 13. Introdução● Comparando: – Comunicação com fios ● Limites físicos definidos ● Meio controlável (comutação física) ● Controle sobre localização das estações – Comunicação sem fios ● Limites físicos amplos e difíceis de definir ● Meio incontrolável ● Sem controle sobre localização de estações
  14. 14. Redes sem Fios● Frequências Utilizada – Dois grupos: ● Concedidas pelo governo – Pagas (leilões) – Específicas para uma região – Livres de interferência ● Livres para uso (ISM - Industrial Scientific and Medical) – acordo internacional – sem necessidade de regulamentação local – escolha de fabricantes: telefones sem fio, forno de microondas … – problema: interferência mútua
  15. 15. Redes sem Fios– UHF ISM 902 - 928 MHz– S-Band 2 - 4 GHz– S-Band ISM 2.4 - 2.5 GHz– C-Band 4 - 8 GHz– C-Band Satelite Downlink 3.7 - 4.2 GHz– C-Band Radar (tempo) 5.25 - 5.925 GHz– C-Band ISM 5.725 - 5.875 GHz– C-Band Satelite Uplink 5.925 - 6.425 GHz– X-Band 8 - 12 GHz– X-Band Radar (polícia) 8.5 - 10.55 GHz– Ku-Band 12 - 18 GHz
  16. 16. Redes sem Fios● Normalmente: – WWAN → não ISM – WMAN → ISM e não ISM – WRAN → ISM ou não ISM – WLAN → ISM – WPAN → ISM
  17. 17. Redes sem Fios● WWAN (Wireless Wide Area Networks) – Celulares (1979) – 1a geração: ● EUA → AMPS ● Europa → TACS, NMT, C450, … ● Incompatíveis ! ● Analógicos ● Utilizavam modulação por frequência (FM)
  18. 18. Redes sem Fios● WWAN (Wireless Wide Area Networks) (1982) – Formado na Europa um comitê ● Groupe Special Mobile (GSM) ● Renomeado posteriormente para Global System for Mobile ● Alocação da faixa duplex (900MHz) GSM900 (1986) – Padrão aberto baseado na ISO – Adotado por diversos países na europa (roaming)
  19. 19. Redes sem Fios● WWAN (Wireless Wide Area Networks) – GSM é adotado por outros países ● GSM900 → Europa, África do Norte, Oriente Médio, Ásia e Austrália ● GSM1800 → Ásia e alguns países da América do Sul ● GSM1900 → América do Norte – Identificação do usuário → cartão SIM ● Subscriber Identity Module ● Permite que usuário possa fazer roaming ● Telefones 900, 1800 e 1900 podem ser utilizados em qualquer lugar com cobertura GSM
  20. 20. Redes sem Fios● WWAN (Wireless Wide Area Networks) – GSM faz parte da 2a geração ● Existência de serviços globais ● PCS (Personal Communications Services) ● Voz, dados, vídeo – Alternativas ao GSM: ● TDMA (Time Division Multiple Access) ● CDMA (Code Division Multiple Access)
  21. 21. Redes sem Fios● WWAN (Wireless Wide Area Networks) ● GSM – Utiliza FDM e TDM – Múltiplos canais de frequência divididos em fatias de tempo ● TDMA – Multiplexação do canal em fatias de tempo – Cada ligação utiliza uma das fatias ● CDMA – Transmissões no mesmo canal de frequência ao mesmo tempo – O que diferencia uma ligação da outra é a utilização de um código – Utiliza espalhamento espectral
  22. 22. Redes sem Fios● WWAN (Wireless Wide Area Networks) – Evolução:
  23. 23. Redes sem Fios● WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) – IEEE 802.16 (wi-max) ● Worldwide Interoperability for Microwave Access ● Banda larga sem fios ● Alternativa para DSL, cabo, fibra na última milha ● Utiliza frequências ISM e não liberadas – 802.16 define frequências de 10 → 66 Ghz (antenas fixas) – 802.16a define frequências de 2 → 11 Ghz (mobilidade NLOS) – 802.16d une as definições em documento único ● Permite QoS (vídeo, voz, dados)
  24. 24. Redes sem Fios● WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) ● Conexões ponto – multiponto ● Estação base coordenando conexões múltiplas ● MIMO ou SIMO ● Uplink e Downlink em canais separados (TDD ou FDD) – Time Division Duplex ou Frequency Division Duplex ● Velocidades similares ao LTE – LTE 144 Mbps (SIMO) – WiMax 144.4 Mbps (SIMO) ● Possibilidade de conexões entre estações base em MESH
  25. 25. Redes sem Fios● WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Fonte: WimaxForum
  26. 26. Redes sem Fios● WRAN (Wireless Regional Area Network) – IEEE 802.22 – Ligação de regiões remotas – Utilização de frequências de difusão de TV ● VHF / UHF ● Entre 54 MHz e 862 MHz – Ainda em versão draft
  27. 27. Redes sem Fios● WLAN (Wireless Local Area Network) – IEEE 802.11 (wi-fi) – Alternativa às redes ethernet – Evolução significativa 1997 → 2010padrão frequência velocidade max Spread Spectrum Spacial Streams Canal 802.11 2.4GHz 2Mbps FHSS/DSSS 1 20 Mhz802.11b 2.4GHz 11Mbps HR­DSSS 1 20 Mhz802.11a 5.7GHz 54Mbps OFDM 1 20 Mhz802.11g 2.4GHz 54Mbps OFDM 1 20 Mhz802.11n 2.4GHZ / 5.7GHz 600Mbps OFDM + MIMO 1, 2, 3 ou 4 20 ou 40 Mhz
  28. 28. Redes sem Fios● WLAN (Wireless Local Area Network) – Possibilidade de conexões: ● Com ponto de acesso central (AP) → BSS (Basic Servise Set) ● Sem infra-estrutura central (ad-hoc) → IBSS (Independent BSS) ● Múltiplos pontos de acesso com roaming → ESS (Extended SS)
  29. 29. Redes sem FiosRedes de Computadores: camada MAC (enlace 802.11)
  30. 30. Redes sem FiosPadrões de Nível Físico diferentes (802.11)●
  31. 31. Redes sem Fios● WPAN (Wireless Personal Area Network) ● IEEE 802.15 (Bluetooth) ● Frequência ISM de 2.4GHz ● Criação de redes pessoais – Até 8 dispositivos → piconet ● Um master os demais slaves ● Um slave pode pertencer a mais de uma piconet → scatternet ● O master coordena a comunicação
  32. 32. Redes sem Fios● WPAN (Wireless Personal Area Network)
  33. 33. Redes sem Fios● WPAN (Wireless Personal Area Network) – Versões: ● Bluetooth 1.2 – 1 Mbps ● Bluetooth 2.0 – 3 Mbps ● Bluetooth 3.0 – 24 Mbps
  34. 34. Redes sem Fios● WPAN (Wireless Personal Area Network) – Classes de dispositivos bluetooth: ● Classe 1 – 100 mW – Até 100m ● Classe 2 – 2.5 mW – Até 10m ● Classe 3 – 1 mW – Até 1 m
  35. 35. Fibras Ópticas● Acréscimo de serviços sendo disponibilizados aos usuários via redes sem fios (convergência) – Grande capilaridade (ubiquidade)● Aumento do número de usuários● Aplicações tempo real● Precisamos de um backbone com alta capacidade● Fibras Ópticas
  36. 36. Fibras Ópticas● Comunicação utilizando fibras ópticas – Utilização da luz para transmissão de dados – Para a transmissão ● LED ● Laser – Aproveita-se índices de refração de materiais para que a luz permaneça na fibra – Menor atenuação – Menos interferência
  37. 37. Fibras Ópticas– Transmissor → fibra → detector (receptor) ● Existência de luz = 1 ● Ausência de luz = 0 ● Conversor sinal elétrico → sinal luminoso na origem ● Conversor sinal luminoso → sinal elétrico no destino– Atualmente o que limita a taxa de transmissão das fibras é a capacidade de conversão sinal elétrico ↔ sinal luminoso
  38. 38. Fibras Ópticas– Refração: ● Quando o sinal troca de meio de propagação com densidades diferentes, altera sua direção ● A alteração da direção depende do material do meio original e do material do novo meio
  39. 39. Fibras Ópticas– Nas fibras multimodo, pode-se colocar mais de um sinal na fibra ao mesmo tempo – Ângulo de entrada na fibra → “modo”– Nas fibras monomodo, apenas 1 sinal
  40. 40. Fibras Ópticas● Uso de LED ou Laser: – LED: ● Taxa de transmissão menor ● Fibra multimodo ● Distância menor ● Durabilidade maior ● Custo baixo – Laser: ● Taxa de transmissão maior ● Fibra multimodo ou monomodo ● Distância maior ● Durabilidade menor ● Custo alto
  41. 41. Fibras Ópticas– Padrões das fibras (principais): ● Existem diversos padrões para instalação, manutenção e testes de fibras ópticas ● Alguns órgãos que padronizam as fibras: – ANSI – American National Standards Institute – EIA – Electronic Industries Alliance – TIA – Telecommunications Industry Association ● Algumas normas: – ANSI/EIA/TIA TSB72 – administração de fibras ópticas no datacenter – ANSI/EIA/TIA 526-14 – procedimentos de teste para fibras multimodo – ANSI/EIA/TIA 526-7 – procedimentos de teste para fibras monomodo – ANSI/EIA/TIA 568 – requerimentos mínimos para conectores, cabos, hardware e equipamentos de teste
  42. 42. Fibras Ópticas– Padrões das fibras (principais): ● Existem padrões para definir a instalação física das fibras – Ângulos das curvas do cabo – Resistência dos cabos – Forma de instalação de cabos aéreos – … ● EIA-445 Fiber Optic Test Procedures (FOTPs) ● EIA-458-B Standard Optical Fiber Material Classes and Preferred Sizes
  43. 43. Fibras Ópticas● Em relação à transmissão: – Possibilidade de multiplexação: ● TDM – multiplexação de canais por slots de tempo ● WDM – multiplexação de canais por tamanho de onda ● DWDM – aprimoramento do WDM – Transmissão em fibras em sistemas telefônicos ● EUA → SONET (Synchronous Optical Network) ● Europa → SDH (Synchronous Digital Hierarchy) ● Sonet e SDH: substituição do PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)
  44. 44. Fibras Ópticas– PDH ● Década de 60 e 70 ● Cabos coaxiais Hierarquia Digital Taxa de bits Estrutura típica E0 64 Kbps 1 canal de voz E1 2 Mbps 30 canais de voz E2 8 Mbps 4 E1 E3 34 Mbps 16 E1 E4 140 Mbps 64 E1 ou 4 E3
  45. 45. Fibras Ópticas– SONET ● Relógios atômicos para sincronização ● Padronizado nos EUA 1989 / 1992 Nível Taxa de bits OC-1 51.84 Mbps OC3 155.52 Mbps OC-9 466.56 Mbps OC-12 622.08 Mbps OC-18 933.12 Mbps OC-24 1.244 Gbps OC-36 1.866 Gbps OC-48 2.488 Gbps
  46. 46. Fibras Ópticas– SDH ● Relógios atômicos para sincronização ● Padronizado na Europa 1989 / 1992 Hierarquia Digital Taxa de bits Estrutura típica STM1 155 Mbps 63 E1 ou 3 E3 STM4 622 Mbps 4 STM1 STM16 2.5 Gbps 16 STM1 ou 4 STM4 STM64 10 Gbps 64 STM1 ou 16 STM4 ou 4 STM16
  47. 47. Backbone● Ex: SDH – Diversos clientes são conectados ● Linhas E1 – Estas conexões são multiplexadas no backbone SDH – Tráfego é classificado conforme o tipo
  48. 48. Fibras Ópticas– Onde podemos chegar? ● Em 25 de março de 2010 a NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) alcançou a taxa de 69.1 Tbps em uma única fibra... utilizando 432 comprimentos de onda em um canal de 171 Gbps
  49. 49. Ubiquidade e Convergência– Estamos chegando lá...
  50. 50. Ubiquidade e Convergência– Ainda... algumas previsões para o futuro ** Fonte: Google Internet Summit 2009 **– Dispositivos de rádio programáveis ● Software-defined radio ● Usuário adquire o rádio e a antena e faz o upload do software contendo a codificação do sinal a ser utilizada pelo rádio– Dispositivos de rádio configuráveis ● Software-determined radio ● Usuário adquire o rádio com códigos pré-programados e escolhe a codificação a ser utilizada em um determinado momento
  51. 51. Internet das coisas● Internet das coisas – Imaginando uma estrutura sem fios de grande capacidade – Diminuição de custos de hardware ● Celulares, tablets, … … – IPv6 – Surge a possibilidade de colocar “qualquer coisa” na rede
  52. 52. Coisas● Futuro = sensores + atuadores = robôs● Em carros: – Ex: Tiguan (VW) ● http://www.youtube.com/watch?v=16Izr52lpFw – Ex2: Auto Pilot (VW) ● http://www.motorauthority.com/news/1062073_volkswa gen-shows-off-self-driving-auto-pilot-technology-for- cars
  53. 53. Coisas● Futuro = sensores + atuadores = robôs● Em eletrodomésticos: – Refrigerador com internet (LG) ● http://www.gizmag.com/go/1132/● Em qualquer coisa: – Sensores sem fios para lavoura – Sensores para controle de poluição – “Poeiras” de sensores – ...
  54. 54. Sensores sem Fios● Estrutura – Sensores: ● Dispositivos capazes de detectar (“sentir”) sinais de diversas naturezas, condições físicas, compostos químicos, radiações, etc... ● Exemplos de sensores: ● Temperatura ● Tensão elétrica ● Umidade do ar e solo ● Corrente elétrica ● Pressão ● Posição (GPS) ● Som ● Fluxo ● CO2 ● Distância ● Aceleração ● Tempo ● Luminosidade ● Velocidade ● Amônia ● etc... ● Radiação
  55. 55. Sensores sem Fios● Estrutura – Equipamento sem fios para sensor (nó sensor): ● Dispositivo conectado a um ou mais sensores, capaz de transmitir os dados coletados através de uma rede sem fios ● Normalmente → radiofrequência ou infravermelho ● Limitações sérias de – Processamento – Abrangência (capacidade de transmissão) – Energia (alimentado por baterias) – Baixo custo (descartável – entre US$ 0,1 e US$ 10,00)
  56. 56. Sensores sem Fios● Rede de sensores sem fios: – Grande número de dispositivos (nós sensores) distribuídos em uma região geográfica com objetivo de monitorar algum fenômeno – Usado normalmente em situações onde: ● Áreas com acesso perigoso ● Áreas de difícil acesso ● Aplicações especiais de monitoramento ● Guerras ● Desastres
  57. 57. Sensores sem Fios● Rede de sensores sem fios: – Meio para que se construa um ambiente de monitoramento contínuo de fácil acesso à informação
  58. 58. Sensores sem Fios● Comunicação – Ideal → redes mesh (MANET) ● Rede ad-hoc ● Cada nó pode repassar informações, servindo como elemento “roteador” A B
  59. 59. Sensores sem FiosPossíveis tecnologias para construção da rede●
  60. 60. Sensores sem Fios● Estrutura do nó sensor (802.15.4 - Zigbee) LLC (802.2) Adaptação (depende da tecnologia) Enlace Físico IEEE 802.15.4
  61. 61. Sensores sem Fios● Arquitetura: Internet gateway nós sensores usuário
  62. 62. Sensores sem Fios● Arquitetura: – Gateway ● Realiza a coleta de dados dos nós sensores ● Possibilidade de pré-processamento dos dados – Conversão – Sumarização – Cálculos – Transformação dados → informação ● Possui maior capacidade de processamento, comunicação e energia
  63. 63. Sensores sem Fios● Principais características do uso da rede ● Nós heterogêneos ● Nós de dimensões reduzidas ● Grande quantidade de nós (por m2) ● Nós resistentes ao ambiente ● Tolerância a falhas (perda de nós) ● Possibilidade de mobilidade de nós ● Operação remota (sem acompanhamento) ● Topologia possivelmente variável – O próprio ambiente (água, vento, etc...) pode provocar alterações na posição dos nós – Mobilidade
  64. 64. Sensores sem Fios● Exemplos de nós: – Berkeley ● COTS dust ● Smart dust – UCLA ● WINS – Sensor webs – … … … … ...
  65. 65. Sensores sem Fios● COTS Dust – Possui ● CPU ● Memória ● Conversor A/D para leitura de sensores ● Rádio Transmissor – Necessita ● Sensores ● Bateria ● Antena – Custo ● Previsto → inferior a US$ 1,00
  66. 66. Sensores sem Fios● COTS Dust – Sistema operacional ● TinyOS – Programação ● C ● Java ● Perl ● NesC
  67. 67. Sensores sem Fios● Smart Dust – Projeto ainda em desenvolvimento – Pequeno e barato – Espalha-se a “areia” pelo ambiente Estado atual: Onde se deseja chegar:
  68. 68. Sensores sem Fios● Exemplos de Aplicações – Medicina → tele monitoramento – Veterinária → rfid + tele monitoramento – Casa inteligente → zwave, zigbee, insteon, X10... – Engenharia → deformações, vibrações, vento, … – Monitoramento de microclima – Agricultura de precisão – Monitoramento de poluição – ....
  69. 69. Sensores sem Fios● Considerações – Propagação de sinais em ambientes hostis ● Animais ● Plantas ● Água ● Obstáculos ● … – Nanosensores ● Promessa para futuro... ● Ambiente → espalhado no ambiente coletando dados ● Medicina → Injetado no paciente ● Investigação em busca de proteínas, vírus, etc...
  70. 70. Sensores sem Fios● Atuadores – Dispositivos capazes de interferir no ambiente – Usados em conjunto com sensores, podem automaticamente realizar ações pré- programadas
  71. 71. Sensores sem Fios● Sugestão para pesquisas.... – Definição dos objetivos/requisitos da pesquisa – Aquisição de hardware para hospedar sensores – Aquisição dos sensores – Mão na massa !
  72. 72. Sensores sem Fios● Exemplos de equipamentos – Automação residencial ● Zwave – Sem fios – Gateways ● Insteon – Sem fios – Rede elétrica – Gateways – Grande oferta ● X10 – Rede elétrica – Mais antigo – Alguns problemas
  73. 73. Sensores sem Fios● Exemplos de equipamentos – Arduino ● Hardware “free” (projeto) ● Barato ● Linguagem de programação própria ● Diversos sensores disponíveis ● Possibilidade de expansão ● Lojas no Brasil: – Multilogica – Unite – RoboCore
  74. 74. Sensores sem Fios● Exemplos de equipamentos – Arduino ● Como o projeto é “free”, são disponibilizados os arquivos do projeto do hardware ● Qualquer pessoa pode construir um clone do arduino, ou utilizar o projeto como base para algo diferente ● Ainda, existem diversos modelos do arduino, variando processador, memória, slots, tamanho, etc....
  75. 75. Sensores sem Fios● Exemplos de equipamentos – Alguns clones do Arduino: – Freeduino SB – Cosmo Black Star – Freeduino MaxSerial – Freeduino Through-Hole – Illuminato Genesis – metaboard – Seeeduino – eJackino – Japanino – Wiseduino – TwentyTen – Volksduino – ZArdino – Zigduino
  76. 76. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Nano
  77. 77. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Mini
  78. 78. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Arduino BT (bluetooth)
  79. 79. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Lilypad
  80. 80. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Arduino FIO
  81. 81. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Arduino PRO
  82. 82. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Arduino PRO Mini
  83. 83. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Conector Ethernet para Arduino
  84. 84. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Conector Zigbee para Arduino
  85. 85. Sensores sem Fios● Modelos Arduino: – Sensores (alguns)
  86. 86. Sensores sem Fios ● Kit para iniciantes (R$ 218,00)1 Arduino Uno - A placa USB mais recente da familia Arduino1 Cabo USB - Para conectar o Arduino ao seu computador.1 Protoboard - Para testar seus primeiros circuítos conectando os outros componentes do kit1 Sensor de temperatura (termistor ntc 1k)1 Sensor de luminosidade (LDR 5mm)1 potenciômetro 10kΩ1 chave momentânea (botão)5 LEDs amarelos5 LEDs verdes5 LEDs vermelhos15 resistores 330Ω2 sensores/atuadores piezoelétricos10 jumpers (para conexões) 15cm10 jumpers (para conexões) 10cm10 jumpers (para conexões) 5cm
  87. 87. Sensores sem Fios● Kit osciloscópio digital (R$ 300,00)
  88. 88. Disciplina de Tópicos● Tópicos a serem tratados (sugestão): – Redes sem fios – IPv6 – Arduino – ...

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