Seção: Tutoriais Banda Larga

 

Redes LAN/MAN Wireless II: Protocolo 802.11

 

A figura 2 apresenta o posicionamento na estrutura de camadas OSI [6] do protocolo 802.11.

 

Figura 2: Camadas Física e de Enlace de uma rede 802.11.

 

 

Camada Física (PHY)

 

As funções dessa camada são:

  • Codificação e decodificação de sinais;
  • Geração/remoção de parâmetros (preamble) para sincronização;
  • Recepção e transmissão de bits;
  • Inclui especificação do meio de transmissão.

Na camada física, o 802.11 define uma série de padrões de transmissão e codificação para comunicações sem fio, sendo os mais comuns: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrun), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) e OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

 

Os padrões de rede sem fio para essa camada são:

 

802.11

A taxa de transmissão original desse padrão era de 2 Mbit/s usando-se FHSS e 2,4 GHz (freqüência de operação). Entretanto, sob condições não ideais, uma taxa de transmissão de 1 Mbit/s era utilizada.

802.11b

O maior avanço/inovação no padrão 802.11 foi a padronização de uma camada física que suportasse alta taxa de transmissão. Assim foi criado o IEEE 802.11b, que suporta taxas adicionais de 5,5 e 11 Mbit/s usando a mesma freqüência de operação. O padrão de transmissão DSSS é utilizado para prover taxas de transmissão maiores.

 

A taxa de 11 Mbit/s é atingida em condições ideais. Sob condições não ideais são utilizadas velocidades menores, de 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s ou 1 Mbit/s. Usa a mesma faixa de freqüência dos fornos de microondas, telefone sem fio, babá eletrônica, câmera de vídeo sem fio e equipamentos Bluetooth.

802.11a

Esse padrão foi o primeiro a ser padronizado, mas somente agora está sendo largamente comercializado e utilizado. Opera a taxas de 54 Mbit/s na freqüência de 5 GHz. Ao invés de utilizar a modulação DSSS, o 802.11a usa OFDM, que permite que os dados sejam transmitidos por sub-freqüências e grande taxa de transmissão (throughput).

 

Essa tecnologia habilita a rede sem fio a transmitir vídeo e voz. Por estar operando em uma faixa de freqüência diferente do 802.11b, não sofre interferências de outros tipos de equipamento e portanto fornece uma alta taxa de transmissão com sinal livre de interferências. Em condições ideais pode transmitir a 54 Mbit/s. Outras velocidades também podem ser alcançadas em caso de não haver condições ideais (48, 36, 24, 18, 12 e 6 Mbit/s).

802.11g

Opera a uma taxa de 54 Mbit/s, utilizando-se da faixa de freqüência de 2,4 GHz e modulação OFDM. O padrão 802.11g é também compatível com o 802.11b e pode operar em taxas de transmissão que o 802.11b opera, com a modulação DSSS. Os adaptadores 802.11g podem conectar-se a um AP 802.11b e adaptadores 802.11b podem conectar-se a um AP 802.11g. Assim, o 802.11g fornece uma opção de upgrade/migração para redes 802.11b, pois apresenta a mesma faixa de freqüência de operação com uma taxa de transmissão mais elevada.

 

Adaptadores 802.11b não podem sofrer upgrade para 802.11g através da atualização do firmware do adaptador – devem ser substituídos. Já no processo de migração do 802.11b para o 802.11a, todos os adaptadores de rede e os AP’s devem ser trocados ao mesmo tempo. Da mesma forma que o 802.11a, o 802.11g opera a 54 Mbit/s em condições favoráveis e a menores taxas (48, 36, 24, 18, 12 e 6 Mbit/s) para condições menos favoráveis [7].

 

Camada de Enlace

 

O padrão 802 define duas camadas separadas, o LLC (Logical Link Control) e o MAC (Media Access Control), para a camada de enlace de dados do modelo OSI.

 

As funções da camada MAC são:

  • Aspectos de transmissão: reunir dados dentro de um pacote com endereços e campos detecção de erro.
  • Aspectos de recepção: abre pacote e executa reconhecimento de endereços e detecção de erros.
  • Controle de acesso ao meio de transmissão LAN.

As funções da camada LLC são:

  • Provê interface para camadas superiores e executa controle de fluxo e erro de pacotes.  

O quadro MAC do 802.11, como mostrado na Figura 3, consiste em um cabeçalho (header) MAC, o corpo do quadro e o campo FCS (frame check sequence). Os números na figura representam o número de bytes de cada campo.

 

 

Figura 3: Quadro MAC de uma rede 802.11.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.

 

A descrição dos campos é apresentada a seguir.

 

Frame Control Field (Campo de Controle do Quadro)

 

Esse quadro contém informações de controle usado para definir o tipo de Quadro MAC 802.11. A estrutura desse quadro é mostrada na Figura 4.

 

 

Figura 4: Quadro de Controle do Quadro MAC do 802.11.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.

 

No quadro de controle, temos:

  • Protocol Version (versão do protocolo): Indica a versão corrente do protocolo 802.11 utilizado. As estações receptoras usam esse valor para determinar se a versão do protocolo do quadro recebido é suportada.
  • Type e Subtype (tipo e subtipo): determina a função do quadro. Há 3 diferentes tipos de quadro: controle, dados e gerenciamento. Há múltiplos subtipos para cada tipo de quadro. Cada subtipo determina uma função específica desempenhada com o seu tipo de quadro associado.
  • To DS (para o sistema distribuição) e From DS (do sistema de distribuição): Indica se o quadro está indo para o DS ou se é oriundo do DS. Esses campos somente são utilizados em quadro do tipo dados de estações associados a AP.
  • More Fragments (mais fragmentos): indica se mais fragmentos do quadro (dado ou gerenciamento) estão vindo.
  • Retry (retransmissão): indica se a informação (dado ou gerenciamento) está ou não sendo retransmitida.
  • Power Management (Gerencimento de Energia): indica se a estação que transmitiu a informação está em active mode (modo ativo) ou em power-save-mode (modo economia de energia).
  • More Data (mais dados): indica para uma estação operando em power-save-mode que o AP tem mais quadros para enviar. Isso é também usado por AP’s para indicar que quadros de broadcast/multicast adicionais estarão sendo enviados.
  • WEP: indica ou não se está sendo usado no quadro o processo de criptografia e autenticação. Isso pode ser configurado para todos os quadros de dados e gerenciamento que têm o subtype configurado para autenticação.
  • Order (ordem): indica se todos os quadros de dados recebidos devem ser processados em ordem.

Duration/ID Field (Duração/ID Campo)

 

Esse campo é usado para todos os campos de controle, exceto com o subtype chamado Power Save (PS) Poll, para indicar o tempo restante necessário para receber a próxima transmissão.

 

Quando é usado o subtipo PS Poll, esse campo contém a AID (Associaton Identity) da estação que está transmitindo. Para a reserva virtual usando-se CTS/RTS esse campo contém o período de tempo que o meio vai ficar ocupado.

 

Address Field (Campo Endereço)

 

Dependendo do tipo de quadro, os 4 campos de endereço irão conter uma combinação dos seguintes tipos de endereços, conforme ilustrado na tabela 1:

  • BSS Indentifier – BSSID (Identificador de BSS): BSSID unicamente identifica cada BSS. Quando o quadro é vindo de uma estação que opera em modo infra-estrutura BSS, BSSID é o endereço MAC do AP. Quando o quadro é vindo de uma estação que opera em modo ad hoc (IBSS), o BSSID é um número randômico gerado e localmente administrado pela estação que iniciou a transmissão.
  • Destination Address – DA (Endereço Destino): indica o endereço MAC do destino final para a recepção do quadro.
  • Source Address – AS (Endereço Fonte): indica o endereço MAC da fonte que originou (criou) e transmitiu inicialmente o quadro.
  • Receiver Address – RA (Endereço do Receptor): indica o endereço MAC da próxima estação que irá receber o quadro.
  • Transmitter Address – TA (Endereço do Transmissor): indica o endereço MAC da estação que transmitiu o quadro na rede sem fio.
Tabela 1: Campos de Endereço do Quadro MAC do 802.11.
Fonte: IEEE 802.11 – Tutorial – Mustafá Ergen – University of California - Berkeley
To DS
From DS
end.1
end.2
end.3
end.4
0
0
DA
SA
BSSID
0
1
DA
BSSID
SA
1
0
BSSID
SA
DA
1
1
RA
TA
DA
SA

 

Sequence Control (Controle de Seqüência)

 

Esse campo contém dois subcampos, conforme mostra a Figura 5:

  • Sequence Number (Número de Fragmento): indica o número de seqüência de cada quadro. Esse número é sempre o mesmo para cada quadro enviado para o caso de um quadro fragmentado. Já para o próximo quadro não fragmentado, o número é incrementado até atingir 4095 e então retornar para o valor zero novamente.
  • Fragment Number (Número de Seqüência): indica o número para cada fragmento do quadro enviado. O valor inicial é zero e é incrementado para cada fragmento.
Figura 5: Sub-campos do Controle de Seqüência do Quadro MAC.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.

 

Frame Body (Corpo do Quadro)

 

Contém a informação específica de dados ou de gerenciamento.

 

Frame Check Sequence – FCS (Seqüência de Verificação do Quadro)

 

O transmissor do quadro aplica um CRC-32 (Cyclic Redundancy Check) sobre todos os campos do cabeçalho MAC e sobre o corpo do quadro para gerar o FCS. O receptor do quadro utiliza-se do mesmo CRC para determinar o seu próprio valor de FCS e então verificar se ocorreu ou não erro durante a transmissão.

 

Protocolo DFWMAC

 

Além de definir um mecanismo para transmissão física usando radiofreqüência ou infravermelho, o IEEE definiu um protocolo de acesso ao meio (subcamada MAC do nível de enlace de dados), denominado de DFWMAC (Distributed Foundation Wireless Medium Access Control), que suporta dois métodos de acesso: um método distribuído básico, que é obrigatório; e um método centralizado, que é opcional, podendo esses dois métodos coexistir (IEEE 802.11a), o protocolo de acesso ao meio das redes 802.11 também trata de problemas relacionados com estações que se deslocam para outras células (roaming) e com estações perdidas (hidden node).

 

O método de acesso distribuído forma a base sobre a qual é construído o método centralizado. Os dois métodos, que também podem ser chamados de Funções de Coordenação (Coordination Functions), são usados para dar suporte à transmissão de tráfego assíncrono ou tráfego com retardo limitado (time bounded).

 

Uma função de coordenação é usada para decidir quando uma estação tem permissão para transmitir. Na Função de Coordenação Distribuída (Distributed Coordination Functions - DCF), essa decisão é realizada individualmente pelos pontos da rede, podendo dessa forma ocorrer colisões. Na função de coordenação centralizada, também chamada de função pontual (Point Coordination Function - PCF), a decisão de quando transmitir é centralizada em um ponto especial que determina qual estação deve transmitir e em que momento, evitando teoricamente a ocorrência de colisões.

 

Na seqüência, seguem detalhes do funcionamento dessas duas funções.

 

Função de Coordenação Distribuída (DCF)

 

Representa o método de acesso básico do protocolo DFWMAC. É uma função conhecida como CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) com reconhecimento. A DCF trabalha semelhantemente a função CSMA/CD da tecnologia de rede local cabeada (Padrão Ethernet 802.3), apenas com uma diferença: o protocolo CSMA/CD do Ethernet controla as colisões quando elas ocorrem, enquanto que o protocolo CSMA/CA do padrão sem fio apenas tenta evitar as colisões.

 

A utilização dessa função distribuída é obrigatória para todas as estações e pontos de acesso, nas configurações Ad Hoc e com infra-estrutura, e ela, a DCF, trabalha da seguinte maneira, quando uma estação deseja transmitir:

  • A estação sente o meio para determinar se outra estação já está transmitindo.
  • Se o meio estiver livre, a estação transmite seu quadro, caso contrário, ela aguarda o final da transmissão.
  • Após cada transmissão com ou sem colisão, a rede fica em um modo onde as estações só podem começar a transmitir em intervalos de tempo a elas pré-alocados.
  • Ao findar uma transmissão, as estações alocadas ao primeiro intervalo têm o direito de transmitir. Se não o fazem, o direito passa as estações alocadas ao segundo intervalo, e assim sucessivamente até que ocorra uma transmissão, quando todo o processo reinicia.
  • Se todos os intervalos não são utilizados, a rede entra então no estado onde o CSMA comum é usado para acesso, podendo, dessa forma, ocorrer colisões.

No método CSMA/CA pode ocorrer colisões e esse método não garante a entrega correta dos dados. Com isso, uma estação após transmitir um quadro, necessita de um aviso de recebimento que deve ser enviado pela estação destino. Para isso, a estação que enviou o quadro aguarda um tempo (timeout) pelo aviso de recebimento do quadro por parte da estação destino.

 

Caso esse aviso não chegue no tempo considerado, a estação origem realiza novamente a transmissão do quadro.

 

Para melhorar a transmissão de dados, o protocolo DFWMAC acrescenta ao método CSMA/CA com reconhecimento, um mecanismo opcional que envolve a troca de quadros de controle RTS (Request To Send) e CTS (Clear To Send) antes da transmissão de quadros de dados. Esse mecanismo funciona da seguinte forma:

  • Uma estação antes de efetivamente transmitir o quadro de dados, transmite um quadro de controle RTS, que carrega uma estimativa da duração no tempo da futura transmissão do quadro de dados.
  • A estação de destino em reposta ao quadro de controle RTS envia um quadro de controle CTS avisando que está pronta para receber o quadro de dados. Só então a estação transmissora envia o quadro de dados, que deve ser respondido com um reconhecimento (ACK) enviado pela estação receptora.
  • O quadro RTS basicamente possui as funcionalidades de reservar o meio para a transmissão do quadro de dados e de verificar se a estação de destino está pronta para receber o quadro de dados, sendo esta última funcionalidade devido à possibilidade da estação de destino estar operando no modo de economia de energia (modo power save).

A Figura 6 apresenta a troca de dados para a transmissão de informações, usando o mecanismo opcional com RTS e CTS. 

 

Figura 6: DFWMAC com RTS-CTS.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.

 

O mecanismo básico do controle de acesso DFWMAC é ilustrado na Figura 7, nela podemos observar que uma estação com quadros para transmitir deve “sentir” o meio livre por um período de tempo.

 

Figura 7: DFWMAC Básico.
Fonte: André Pimenta Mathias – UFRJ.

 

O método de acesso CSMA/CA inclui os seguintes parâmetros:

  • Distributed Inter Frame Space (DIFS) – espaço entre quadros da DCF. Este parâmetro indica o maior tempo de espera, monitorando o meio, aguardando no mínimo um intervalo de silêncio para transmitir os dados.
  • Priority Inter Frame Space (PIFS) – espaço entre quadros da PFC. Tempo de espera entre o DIFS e o SIFS (prioridade média). Envia quadros de contenção de superquadros e é usado para o serviço de acesso com retardo.
  • Short Inter Frame Space (SIFS) – é usado para transmissão de quadros carregando respostas imediatas (curtas), como ACK.

Função de Coordenação Pontual (PCF)

 

Trata-se de uma função opcional que pode ser inserida no protocolo DFWMAC, sendo construída sobre uma função de coordenação distribuída (DCF). É implementada através de um mecanismo de acesso ordenado ao meio, que suporta a transmissão de tráfego com retardo limitado ou tráfego assíncrono.

 

Para a integração dessas duas funções – pontual e distribuída – é utilizado o conceito de superquadro, fazendo com que o protocolo possa trabalhar de uma forma em que a função pontual assuma o controle da transmissão, para evitar a ocorrência de colisões.

 

Para isso, o protocolo DFWMAC divide o tempo em períodos denominados superquadros, que consiste em dois intervalos de tempo consecutivos, que são usados da seguinte maneira:

  • No primeiro tempo, controlado pela PCF, o acesso é ordenado, o que evita a ocorrência de colisões;
  • No segundo tempo, controlado pela DCF, o acesso baseia-se na disputa pela posse do meio, podendo ocorrer colisões.