Chapter 6 slides, Computer Networking, 3rd...

6: Redes Móveis e sem Fios 6-1

Redes Sem Fios e MóveisCap 6 do KuroseNota dos autores:We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!) If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material.

Thanks and enjoy! JFK/KWR

All material copyright 1996-2007J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved

Computer Networking: A Top Down Approach 4th edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2007.


Introdução

# de assinantes de telefones móveis excede largamente o número de assinantes de telefones fixos 34 milhões em 1993; 2 bilhões em 2005

Redes de computadores cada vez mais com mais dispositivos móveis: laptops, palmtops, PDAs, telefones VOIP A mobilidade veio para ficar

Dois desafios importantes mas diferentes Comunicações sem fios : comunicação através de

ligações sem fios Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda

contantemente o seu ponto de ligação à rede


Sumário Introdução Ligações sem fios e

características da rede CDMA

Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802.11

Arquitectura 802.11 Protocolo de acesso ao

meio 802.11 Quadro IEE 802.11 Mobilidade na mesma sub-

rede IP Funcionalidades avançadas

no 802.11 Para além do 802.11:

Bluetooth e WiMAX

Acesso celular à Internet Visão geral da Arquitectura

Celular Revisão sumária das normas

e tecnologias celulares Principios da Gestão da

Mobilidade Endereçamento Encaminhamento para um nó

móvel IP Móvel Gestão da Mobilidade em

Redes Celulares Encaminhamento de

chamadas para um utilizador móvel

Handoffs no GSM Redes sem fios e Mobilidade:

impacto nas camadas superiores

Sumário


Elementos de uma rede sem fios

Infra-estructurade Rede

Hosts sem fios laptop, PDA, telefone IP Correm aplicações Podem ser

estacionários ou móveis Sem fios não significa

mobilidade




Estação Base Conectada à rede com

fios, normalmente relay – responsável pelo

envio de pacotes entre hosts com e sem fios na sua “area” i.e., torres das células

, pontos de acesso 802.11




ligação sem fios Tipicamente usado para ligar

os móveis à estação base Também usado como ligação

de backbone Acesso ao link coordenado

por protocolos múltiplos Variação no débito de dados

e distância de transmissão


Características das normas para ligações sem fios seleccionadas

Indoor10-30m

Outdoor50-200m

Mid-rangeoutdoor

200m – 4 Km

Long-rangeoutdoor

5Km – 20 Km

.056

.384

1

4

5-11

54

IS-95, CDMA, GSM 2G

UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G

802.15

802.11b

802.11a,g

UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 3G cellularenhanced

802.16 (WiMAX)

802.11a,g point-to-point

200 802.11n

Dat

a ra

te (M

bps) data




modo infra-estructura Estação Base liga os

móveis à rede com fios

handoff: o móvel muda de estação de base que o liga à rede com fios


Elementos de uma rede sem fiosModo ad hoc Sem estações de base Os nós podem apenas

transmitir para outros nós dentro sa sua área de cobertura

Os nós organizam-se em rede: encaminham através de si próprios


Taxonomia de Redes sem Fios

Salto único Saltos múltiplos

Infra-estructura(i.e., APs)

Sem Infra-estructura

host liga-se à estação de base (WiFi,WiMAX, cellular) que se liga à

Internet

Sem estação de base nemLigação à Internet

(Bluetooth, redes adhoc)

O host pode ter que passar por vários nós relay sem fios

para se ligar à Internet: mesh net

Sem estação de base, sem ligação à Internet. Pode ter que usar relaysPara atingir um dado nó

sem fios na MANET, VANET


Características das Ligações Sem Fios (1)Diferenças para as ligações com fios ….

Força decrescente do sinal : o sinal de rádio é bastante atenuado quando se propaga através do meio (perdas do percurso)

Interferência com outras fontes: as frequências normalizadas para redes sem fios (i.e., 2.4 GHz) são partilhadas com outros dispositivos como telefones ; Também há interferência com motores por exemplo

Propagação multi-percurso: o sinal de rádio reflecte-se na superfície dos objectos e no chão, chegando ao destino em várias réplicas do sinal em instantes diferentes.

…. Torna a comunicação (mesmo ponto-a-ponto)através de ligações sem fios muito mais “complicada”


Características das Ligações Sem Fios (2)

SNR: signal-to-noise ratio Maior SNR – mais fácil extrair

o sinal do ruído (uma “coisa boa”)

Compromissos SNR versus BER Dada a camada física:

aumenta a potência -> aumenta SNR->diminui BER

Dada a SNR: encontre uma camada física que se adapte aos requisitos BER, dando o máximo débito

• A SNR pode mudar com a mobilidade : adapte a camada física dinamicamente (técnica de modulação, débito)

10 20 30 40

QAM256 (8 Mbps)

QAM16 (4 Mbps)

BPSK (1 Mbps)

SNR(dB)B

ER

10-1

10-2

10-3

10-5

10-6

10-7

10-4


Características das Ligações Sem Fios (3)Múltiplos transmissores e receptores sem fios criam

problemas adicionais (para além do acesso múltiplo)

AB

C

Problema do terminal escondido B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir-se entre si oque significa que não se apercebem

da interferência em B

A B C

Força do Sinal de A

space

Força doSinal de C

Atenuação do sinal: B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir-se interferem

em B


Code Division Multiple Access (CDMA)

Usado em vários normas para canais broadcast sem fios (celular, satélite, etc)

Código único atribuído a cada utilizador, i.e. partição do conjunto de códigos

Todos os utilizadores partilham a mesma frequência, mas cada um deles tem a sua própria sequência de transporte (i.e. código) para codificar os dados

Sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence)

Descodificação = produto interno do sinal codificado com a sequência de transporte (chipping)

Permite a “coexistencia” de múltiplos utilizadores que transmitem simultaneamente com mínima interferência (se os códigos forem ortogonais)


CDMA Codificação/Descodificação

slot 1 slot 0

d1 = -1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

Zi,m= di.cmd0 = 1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutput

channel output Zi,m

sendercode

databits

slot 1 slot 0

d1 = -1d0 = 1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutputreceiver

code

receivedinput

Di = Zi,m.cmm=1

M

M


Problema 1 Qual seria o valor de saida do

transmissor se o código CDMA fosse (1,-1,1,-1,1-1,1-1)?


CDMA: Interferência de duas transmissões


Problema 2 Apresente um exemplo de 2 Tx e 2 Rx,

apresente um exemplo de código CDMA que não permita aos dois receptores extrair os bits originais dos dois transmissores.









Bluetooth e WiMAX










Sumário


Redes Locais sem fios IEEE 802.11

802.11b 2.4-5 GHz espectro sem

licença Até 11 Mbps direct sequence spread

spectrum (DSSS) na camada física

• Todos os hosts usam o mesmo código de “chipping”

802.11a Gama 5-6 GHz Até 54 Mbps

802.11g Gama 2.4-5 GHz Até 54 Mbps

802.11n: antenas múltiplas Gama 2.4-5 GHz Até 200 Mbps

Todas usam CSMA/CA para acesso múltiplo Todas têm versões com estação de base e para

redes ad-hoc


Arquitectura da LAN 802.11 Cada host sem fios

comunica com uma estação de base Estação de Base =

Ponto de Acesso (AP) Cojunto básico de serviço

(BSS) (aka “cell”) no modo infra-estrtutura contém: Hosts sem fios Pontos de Acesso (AP):

Estações de Base

BSS 1

BSS 2

Internet

hub, switchor routerAP

AP


Arquitectura da LAN 802.11 Cojunto básico de serviço

(BSS) em modo Ad hoc contém: Hosts sem fios

BSS


802.11: Canais e Associação 802.11b: gama do espectro 2.4GHz-2.485GHz dividido

em 11 canais com diferentes frequências AP admin escolhe a frequência para o AP Possível interferência: escolha do mesmo canal que

um AP vizinho ! host: deve associar-se a um AP

Varre os canais, ouvindo os quadros de orientação (beacon frames) contendo o nome do AP (SSID) e endereços MAC

Selecciona um AP para se associar Pode autenticar-se (ver Capítulo 8) Tipicamente corre o DHCP para obter um endereço

IP na subrede do AP


Problema 3 Suponha que há dois ISPs disponibilizando

acesso WiFi num café, cada um dos quais a operar o seu AP e tendo o seu próprio bloco de endereços IP Suponha adicionalmente que cada ISP configurou o

seu AP para funcionar no canal 11. Será que o protocolo 802.11 deixa de funcionar nesta situação? O que acontece se 2 estações cada uma de um ISP tentam transmitir ao mesmo tempo.

Responda às mesmas questão se um AP funcionar no canal 1 e outro no canal 11. As suas respostas mudam?


802.11: Varrimento Activo/Passivo

AP 2AP 1

H1

BBS 2BBS 1

122

3 4

Varrimento Activo(1) Pedido de prova enviada de

H1 (2) Resposta de prova enviada dos

APs (3) Quadro de pedido de

associação enviada pelo H1 para o AP seleccionado

(4) Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado

AP 2AP 1

H1

BBS 2BBS 1

12 3

1

Varrimento Passivo: (1) beacon frames enviadas dos APs(2) Quadro de pedido de associação

enviada pelo H1 para o AP seleccionado

(3) Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado


Acesso mútiplo no IEEE 802.11 Evitar colisões: 2+ nós a transmitir

simultaneamente. 802.11: CSMA – Ouvir antes de transmitir

Não colidir com uma transmissão de outro nó em curso 802.11: Não há detecção de colisão !

É dificil receber (ouvir colisões) quando se transmito devido à fraqueza do sinal recebido (desvanescimento, fading)

Em qualquer caso não se consegue ouvir as colisões em todas situações: terminal escondido, fading

Objectivo: Evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance)

AB

CA B C

Força do sinal A

space

Força do sinal C


Protocolo de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) do IEEE 802.11 : CSMA/CATransmissor 802.111 Se se apercebe do canal inactivo durante o

tempo DIFS então Transmite o quadro completo (sem CD)

2 Se o canal estiver ocupado então arranca um tempo aleatório de backoffO temporizador faz uma contagem

decrescente à espera do canal inactivoTransmite quando o tempo termina Se não tiver confirmação (ACK), aumenta o

intervalo aleatório do tempo de backboff, e repete o passo 2

Receptor 802.11- Se o quadro recebido estiver OK devolve o ACK após o tempo SIFS (ACK é

necessário por causa do problema do terminal escondido)

sender receiver

DIFS

data

SIFS

ACK

Tempo


CSMA/CD versus CSMA/CA CSMA/CD (Ethernet)

Transmite mal se aperceba que o canal está livre

CSMA/CA Apercebe-se que o canal está livre mas refreia

a sua vontade de transmitir e conta a partir dum valor aleatório de forma decrescente até zero antes de transmitir

Porquê a Diferença?


Problema 4 No passo 4 do protocolo CSMA/CA, uma

estação que transmite com sucesso um quadro começa no passo 2 e não no passo 1. Que raciocínio fizeram os engenheiros do 802.11 para não permitir essa estação enviar imediatamente o quadro seguinte (se detectar o canal livre)?


CSMA/CD versus CSMA/CA

Ethernet Começam logo a

transmitir e dá colisão Não é grave Há mecanismos de

detecção de colisão

Wireless Esperam um tempo

de contagem random Uma delas ganha e

começa a transmitir A outra ouve a

vencedora e deixa de contar à espera do canal livre

Uma terceira estação está a transmitir; estão 2 à espera.

Pode ocorrer na mesma se as 2 estações estiverem escondidas uma da outraEscolhem tempos muito próximos


Prevenção de Colisão (mais)ideia: permitir ao transmissor reservar o canal em vez

acesso aleatório dos quadros de dados: evitar colisões em quadros de dados longos.

O transmissor primeiro envia pacotes pequenos com pedido de envio (request-to-send ,RTS) para a BS usando o CSMA As RTSs podem também colidir (mas são pequenas)

A estação de base (BS) difunde clear-to-send (CTS) em resposta ao in response to RTS

CTS ouvido por todos nós Transmissor envia o quadro de dados As outras estações atrasam (deferem) as suas

transmissões

Evitar por completo colisões de quadros de dados com recurso a pequenos pacotes de

reserva!


Collision Avoidance: RTS-CTS exchange

APA B

time

RTS(A) RTS(B)

RTS(A)

CTS(A) CTS(A)

DATA (A)

ACK(A) ACK(A)

reservation collision

defer


Problema 5 Suponha que uma estação 802.11 é

configurada para reservar sempre o canal com uma sequência RTS/CTS. Suponha que a estação subitamente transmitir 1000 bytes de dados e todas as outras estações estão em repouso nesse instante. Como função do SIFS e do DIFS e ignorando atrasos de propagação and erros de bits, calcule o tempo necessário para transmitir o quadro e receber a confirmação.


Ligações ponto-a-ponto 802.11 802.11 pode ser usado com antenas

direccionais para ligações ponto-a-ponto de dezenas de Km Hardware de baixo custo Antenas direccionais Potência reforçada

Exemplo na Índia [Raman 2007]


framecontrol duration address

1address

2address

4address

3 payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

Quadro 802.11 : Payload e CRC

Payload – Datagrama IP ou pacote ARP Embora possa ir até 2,312 bytes normalmente é inferior

a 1500 bytes CRC (Cyclic Redundancy Checking)

Permite ao receptor detectar erros no quadro recebido É bastante útil porque aqui há erros mesmo !



1address

2address

4address

3 payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

Quadro 802.11 : endereçamento

Endereço 2: endereço MAC do host sem fios ouAP que transmite o quadro

Endereço 1: endereço MAC do host sem fios ouAP destinatário do quadro Endereço 3: endereço

MAC da interface do router a que o AP está ligado

Endereço 4: usado apenas no modo ad hpc


Internetrouter

APH1 R1

AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addraddress 1 address 2 address 3

802.11 frame

R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address

802.3 frame

Quadro 802.11: endereçamento



1address

2address

4address

3 payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

Type FromAPSubtype To

APMore frag WEPMore

dataPower

mgtRetry RsvdProtocolversion

2 2 4 1 1 1 1 1 11 1

Quadro 802.11 : Outros campos

duration of reserved transmission time (RTS/CTS)

frame seq #(for reliable ARQ)

frame type(RTS, CTS, ACK, data)


hub or switch

AP 2

AP 1

H1 BBS 2

BBS 1

802.11: Mobilidade na mesma subrede

router H1 permanece na

mesma sub-rede: o endereço IP pode ser o mesmo

Switch: a que AP está associado H1? Auto-aprendizagem

(Cap.5, Kurose): o switch vai ver o quadro proveniente de H1 e recordar que porta do switch pode ser usada para chegar a H1


802.11: Funcionalidades avançadasAdaptação da taxa de

transmissão A estação de base e

o host móvel, mudam dinamicamente a sua taxa de transmissão (técnica de modulação da camada física) conforme o host se move, o SNR varia

QAM256 (8 Mbps)QAM16 (4 Mbps)BPSK (1 Mbps)

10 20 30 40SNR(dB)

BE

R

10-1

10-2

10-3

10-5

10-6

10-7

10-4

operating point

1. A SNR diminui, a BER aumenta conforme o nó se afasta da estação de base2. Quando a BER se torna muito grande mude-se para uma taxa transmissão mais baixa mas com BER mais pequena.


802.11: Funcionalidades avançadasGestão da Energia node-to-AP: “Vou adormecer até o próximo

quadro beacon” O AP sabe que não transmite quadros para o nó O nó acorda antes dó próximo quadro beacon

Quadro beacon: contém a lista dos dos nós móveis com quadros em espera no AP O nó acorda se há quadros em espera, caso

contrário adormece até ao próximo quadro beacon


Próxima aula Introdução Ligações sem fios e







Bluetooth e WiMAX










Sumário


Para além do 802.11 802.11

Comunicação entre dispositivos a menos de 100m

Comunicação a maior distância para ligações ponto-a-ponto

• Antenas direccionais Duas outras normas IEEE para protocolos

Distâncias mais curtas – 802.15• Comunicação Bluetooth

Distâncias maiores – 802.16• WiMax


M Raio deCobertura

E

EE

I

P

I

I

M

E

Dispositivo mestre

Dispositivo Escravo

Dispositivo InactivoI

802.15: Rede Pessoal sem Fios (WPAN) Menos que 10 m de

diâmetro Substituição de cabos

(rato, teclado, auriculares) ad hoc: sem infra-

estructura Mestre/Escravo:

Escravos pedem permissão para enviar (para o mestre)

Meste autoriza pediddos 802.15: evolução da

especificação Bluetooth 2.4-2.5 GHz Banda rádio Até 721 kbps


802.16: WiMAX Tal como 802.11 &

celular: modelo de estação de base (EB) Transmissões de/para EB

por hosts com antenas omnidireccionais

Backbone EB-para-EB com antenas ponto-a-ponto

Ao contrário do 802.11: Cobertura ~ 6 milhas

(“cidade em vez de café”)• Milha = 1852 metros

~14 Mbps

Ponto-Multiponto

Ponto-a-Ponto


WiMAX:escalonamento carga/descarga Quadro de Transmissão

Subquadro de descarga: EB para nó Subquadro de carga : nó para EB

prea

m.

DL-MAP

UL-MAP

DLburst 1 SS #1DL

burst 2DL

burst nInitialmaint.

requestconn.

downlink subframe

SS #2 SS #k

uplink subframe

…

…

…

…

EB diz aos nós quem vai receber (DL map) E quem vai enviar (UL map), e quando

Norma WiMAX standard disponibiliza mecanismo mas não o algoritmo de escalonamento









Bluetooth e WiMAX










Sumário


Mobile Switching

Center

Rede Telefónica e Internet

Mobile Switching

Center

Componentes de redes celulares liga as células à rede gere estabelecimento de chamadas manipula mobilidade

MSC

cobre região geográfica Estação de Base (EB) análoga ao PA 802.11 utizadores móveis ligam-se à rede via EAInterface ao ar: protocolo físico e de ligação entre a EA e os utilizadores móveis

Célula

Rede com fios


Redes Celulares: o 1ºsaltoDuas técnicas para

partilharo espectro rádio entre os móveis e a EB

FDMA/TDMA combinados: Dividir espectro em canais de frequência e cada canal em pedaços (slots) de tempo

CDMA: Acesso múltiplo por divisão de código

frequencybands

time slots


Normas e Tecnologias para Redes Celulares: visão sumária Normalmente classificadas em gerações

1ªs gerações concebidas apenas para voz• Pouco interessantes num curso de Redes

Últimas gerações• Suportam voz e dados

Um calão de siglas para as várias tecnologias• Interessante para descodificar o calão que ouvimos

no dia a dia 1ª Geração (1G)

• Sistemas analógicos com FDMA apenas para comunicação por voz

• Quase extinta e substituída pela segunda geração (2G) já digital


Normas para Redes Celulares2G systems: canais de voz IS-136 TDMA: FDMA/TDMA combinados

(América do Norte) GSM (global system for mobile

communications): FDMA/TDMA combinado Mais usado

IS-95 CDMA: code division multiple access

IS-136 GSM IS-95GPRS EDGECDMA-2000

UMTS

TDMA/FDMADon’t drown in a bowlof alphabet soup: use thisfor reference only


Normas para Redes Celulares2.5 G systems: canais de voz e dados Para os impacientes pelo serviço 3G: extensões ao 2G general packet radio service (GPRS)

Evolução do GSM Dados enviados em canais múltiplos (se disponíveis)

enhanced data rates for global evolution (EDGE) Também evolução do GSM, com utilização de modulação

melhor Débitos de dados até 384K

CDMA-2000 (fase 1) Débitos de dados até 144K Evolução do IS-95


Normas para Redes Celulares

3G systems: dados/voz CDMA-2000

Evolução dos sistemas 2G IS-95 e compatível com eles

Usa o CDM na sua interface com o ar CDMA em slots TDMA data service: 1xEVolution Data

Optimized (1xEVDO) até 14 MbpsUsa escalonamento oportunista

parecido com o do WiMax


4ª Geração(4G)O ideal para acesso Internet sem fios… Acesso Internet Ubíquo

Casa, escritório, Café, carro, praia Acesso com o maior débito possível

Em função da nossa localização física Acesso transparente a diversas tecnologias

Conforme mudamos de localização e mesmo se houver necessidade de tecnologia, não ser preciso a intervenção do utilizador

Manter mesmo em movimento as nossas conexões TCP activas Manter sempre as nossas conexões activas

Ter acesso a VOIP e Vídeo em tempo real sobre IP Isso tudo de borla (grátis) ou quase ( a baixo custo)!

….. Mais tópicos (e mais interessantes) sobre redes celulares com a mobilidade









Bluetooth e WiMAX










Sumário


O que é a mobilidade? Espectro de mobilidade na perspectiva da rede:

Sem Mobilidade Alta mobilidade

Utilizador móvel sem fios conectadoao mesmo PA

Utilizador móvel, passando através doPonto de Acesso mantendo conexões abertas (tal como no telefone móvel)

Utilizador móvel conectado/desconectado da rede usando o DHCP.


É importante manter o endereço? No seu telemóvel o seu número mantém-

se quando muda de local (por exemplo dum país para outro e o fornecedor é diferente!)

Será indispensável o labtop manter o endereço? Se tiver conexões abertas como no caso do

BWM é importante• A mobilidade é transparente às aplicações• Caso contrário terá que ser a aplicação a lidar com a

mobilidade e a suportá-la. O Mobile IP torna a mobilidade transparente

para as aplicações!


É importante manter o endereço? No caso do utilizador que se move dum

local para outro e quer conectividade no novo local Manter o mesmo endereço não é importante O labtop tem endereços diferentes nos dois

locais que lhe são atribuídos automaticamente pelo DHCP


Que infra-estrutura com fios existe? Estamos assumir que existe sempre

uma infra-estrutura de rede com fios ISP em casa, ISP do escritório ISP com acesso sem fios na auto-estrada

E se a infra-estrutura não existir? Se dois utilizadores estiverem na

proximidade um do outro podem comunicar?

• Redes Móveis Ad Hoc (Mobile Ad Hoc Networks –MANET)

– IETF MANETs WG


Analogia com o serviço postal Um jovem com 20 anos e picos sai de casa

e mora numa série de hóteis e apartamentos e muda frequentemente de enedereço

Como pode um amigo de infância encontrar o seu endereço? Contactando a família

• Que sabe do endereço para mandar o dinheiro para a renda !

Comunicação posterior pode ser• Indirectamente através da família• Directamente do endereço obtido da família


Mobilidade: VocabulárioRede na origem (home network): rede de “residência” do móvel(e.g., 128.119.40/24)

Endereço permanente: endereço na rede de origem que pode ser usada sempre para alcansar o utilizador móvele.g., 128.119.40.186

Agente na origem (home agent): entidade que executa as funções de mobilidade em vez do utilizador móvel quando ele é remoto

Rede de Longa

Distância

correspondente


Mobilidade: mais vocabulário

Endereço de correspondência (Care-of-address): endereço na rede visitada (i.e., 79.129.13.2)

Rede de Longa

Distância

Rede visitada (visited network): rede de residência actual do móvel i.e., 79.129.13/24)

Endereço permanente: mantém-se constante (i.e., 128.119.40.186)

Agente externo(foreign agent): entidade na rede visitada que executa as funções de mobilidade em lugar do móvel

correspondente: quer comunicar com o móvel


Como contactar um amigo móvel:

Pesquisar todas listas telefónicas?

Telefonar para os pais?

Esperar que ele faça saber onde está?

Estou curioso: onde está Alice?

Considere um amigo que muda frequentemente de residência. Como o encontra?


Mobilidade: abordagens Manipulada pelo encaminhamento: encaminhadores

anunciam os endereços permanentes dos nós móveis visitantes através da troca habitual de tabelas de encaminhamento. Tabelas de encaminhamento indicam onde está o

host móvel Não há mudanças nos sistemas finais

Manipulada pelos sistemas finais: Encaminhamento indirecto: a comunicação entre

o correspondente e o móvel faz-se através do agente na origem, que reenvia para o móvel remoto

Encaminhamento directo : o correspondente obtém o endereço externo do móvel e envia directamente para ele.


Mobilidade: abordagens Manipulada pelo encaminhamento: encaminhadores

anunciam os endereços permanentes dos nós móveis visitantes através da troca habitual de tabelas de encaminhamento. Tabelas de encaminhamento indicam onde está o

host móvel Não há mudanças nos sistemas finais

Manipulada pelos sistemas finais: Encaminhamento indirecto: a comunicação entre

o correspondente e o móvel faz-se através do agente na origem, que reenvia para o móvel remoto

Encaminhamento directo : o correspondente obtém o endereço externo do móvel e envia directamente para ele.

Nãoescalável

para milhõesde móveis


Mobilidade: registo

Resultado Final: Agente externo sabe do nó móvel Agente na origem conhece a localização do nó

movel

wide area network

Rede de origem

Rede visitada

1

O nó móvel contacta o agente externo quando entra na rede visitada

2

Agente externo contacta o agente na origem: “Este nó móvel reside na minha rede”


Encaminhamento Indirecto

wide area network

Rede de origem

Rede visitada

3

24

1Pacotes do correspondente usando o endereço de origem do móvel

Agente na origem intercepta os pacotes e encaminha-os para o agente externo

Agente externa recebe os pacotes e envia-os para o móvel

O nó móvel responde directamente para o correspondente


Encaminhamento Indirecto: comentários

Nó móvel usa dois endereços: Endereço permanente: usado pelo

correspondente (a localização do móvel é transparente para o correspondente)

Endereço de correspondência (care-of-address): usado pelo agente na origem para enviar para o móvel

Funções do agente externo podem ser feitas pelo próprio móvel

Encaminhamento triangular: correspondente- rede de origem-móvel Ineficiente quando o correspondente e móvel estão na mesma rede


Encaminhamento Indirecto:funcionalidades necessárias Protocolo entre nó móvel e agente

externo Protocolo de registo do agente externo

pelo agente na origem Método de encapsulamento do agente

na origem Método de desencapsulamento do

agente externo


Encaminhamento Indirecto: Movimentação entre redes

Suponha que o utilizador móvel se muda para uma nova rede Regista-se no novo agente externo novo agente externo contacta agente na

origem agente na origem actualiza care-of-address

para o móvel Os pacotes continuam a ser expedidos para o

móvel (mas com care-of-address novo) Mobilidade, mudança de rede externa são

transparentes: conexões activas podem ser mantidas


Encaminhamento directo

Rede de Longa

Distância

Rede de origem

Rede visitada

4

2

41Correspondente pede e recebe endereço externo do móvel

Correspondente expede para agente externo

Agente externo recebe pacotes e expede para o móvel

Móvel responde directamente para o móvel

3


Encaminhamento Directo: comentários

Resolve o problema de encaminhamento triangular

Não transparência para o correspondente: tem que obter o care-of-address do agente na origem O que acontece quando o móvel muda de

rede visitada?


Rede de Longa

Distância 1

Rede externa visitada no início da sessão

Agente Externo Âncora

24

Novo agente externo

35

Agente do correspondente

correspondente

Nova rede externa

Acomodação da mobilidade com encaminhamento directo Agente externo âncora: AE na 1ª rede visitada Dados encaminhados sempre para o AE âncora Quando o nó móvel se move: o novo AE recebe

os dados expedidos do AE anterior (cadeia)









Bluetooth e WiMAX










Sumário


IP Móvel (Mobile IP) RFC 3344 Tem muitas das funcionalidades que já

vimos: Agente na origem, Agente externo, Registo

no agente externo, care-of-addresses, encapsulamento (pacote-dentro-de-pacote)

Três componentes normalizados: Encaminhamento indirecto de datagramas Descoberta de Agente Registo com o agente na origem


Mobile IP: encaminhamento indirecto

Endereço permanente: 128.119.40.186

Care-of address: 79.129.13.2dest: 128.119.40.186

Pacote enviado pelo correspondente

dest: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186

Pacote enviado pelo agente na origem ao agente externo: um pacote dentro de outro pacote dest: 128.119.40.186

Pacote do agente externo para o nó móvel


Mobile IP: descoberta de agentes Anúncio de agentes: agentes externo e na

origem anunciam o serviço difundindo mensagens ICMP (typefield = 9)

RBHFMGV bits reserved

type = 16

type = 9 code = 0 = 9

checksum = 9

router address standard

ICMP fields

mobility agent advertisement

extension

length sequence #

registration lifetime

0 or more care-of-addresses

0 8 16 24

R bit: necessário registo

H,F bits: agente na origem (H) ou externo (F)


Mobile IP: Exemplo de registo

visited network: 79.129.13/ 24 home agent

HA: 128.119.40.7 f oreign agent

COA: 79.129.13.2 COA: 79.129.13.2

….

I CMP agent adv. Mobile agent MA: 128.119.40.186

registration req. COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification:714 ….

registration req. COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format ….

registration reply HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 encapsulation format ….

registration reply HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 ….

time


Componentes da arquitectura de rede celular

correspondente

MSC

MSCMSC MSC

MSC

Rede Telefónica Pública com fios

Redes celulares diferentes, mantidas por diferentes operadores

Recordemos:


Mobilidade em redes celulares Rede de origem: rede do fornecedor de celulares de que

somos assinantes (i.e., TMN, Optimus) home location register (HLR): Base de dados na rede

origem contendo o nosso número de telemóvel permanente, informação do perfil de utilização (serviços, preferências, tarifário) e informação a respeito da localização actual (pode ser outra rede)

Rede visitada: rede móvel a que estamos actualmente ligados (por exemplo UNITEL, Angola) visitor location register (VLR): base de dados com

entradas para cada utilizador actualmente na rede Pode ser a rede de origem


Public switched telephonenetwork

UtilizadorMóvel

homeMobile

Switching Center

HLR Rede de origem

RedeVisitada

correspondente

Mobile Switching

Center

VLR

GSM: encaminhamento indirecto para o móvel

1 Chamada encaminhada paraRede de origem

2

MSC na origem consulta HLR, obtém o número devisitante (roaming) naRede visitada

3

MSC na origem estabelece o 2º

troço do percurso da chamada parao MSC na rede visitada.

4

MSC na rede visitada completaa chamada da estação de base parao móvel


Mobile Switching

Center

VLR

BSS velha BSS nova

EncaminhamentoAntigo Novo

GSM: handoff com MSC comum Objectivo do Handoff:

encaminhar a chamada através duma nova estação de base (sem interrupção)

Razões para o handoff: Sinal mais forte de/para

nova BSS(menos gastos de bateria, conectividade assegurada)

Balanceamento de carga: libertar canal na BSS actual

GSM não especifica como executar o handoff (política), apenas como (mecanismo)

handoff iniciado pela antiga BSS


Mobile Switching

Center

VLR

old BSS

1

3

24

5 6

78

GSM: handoff com MSC comum

new BSS

1. BSS antiga informa o MSC do handoff eminente e disponibiliza lista de 1+ novas BSSs

2. MSC estabelece percurso (aloca recursos) para nova BSS e avisa esta do handoff

3. A nova BSS aloca canal rádio para ser usado pelo móvel

4. Nova BSS avisa MSC e antiga BSS que está pronta

5. Antiga BSS diz ao móvel para fazer o handoff para a nova

6. O móvel e a nova BSS sinalizam-se para se activar o canal

7. Móvel sinaliza o MSC (via nova BSS): handoff completo. MSC reencaminha chamada via nova BSS

8 Recursos MSC-antiga BSS libertados


Rede de origem

Home MSC

PSTN

correspondente

MSC

MSC âncora

MSCMSC

(a) Antes do handoff

GSM: handoff entre MSCs MSC âncora: 1º MSC

visitado durante a chamada Chamada permanece

encaminhada pelo MSC âncora Novos MSCs adicionados no

fim da cadeia de MSCs consoante o móvel se move para um MSC novo

IS-41 permite um passo opcional de minimização de percurso para diminuir a cadeia de MSCs.


home network

Home MSC

PSTN

correspondent

MSC

anchor MSC

MSCMSC

(b) Depois do handoff

GSM: handoff entre MSCs MSC âncora: 1º MSC

visitado durante a chamada Chamada permanece

encaminhada pelo MSC âncora Novos MSCs adicionados no

fim da cadeia de MSCs consoante o móvel se move para um MSC novo

IS-41 permite um passo opcional de minimização de percurso para diminuir a cadeia de MSCs.


Mobidade: GSM versus Mobile IPGSM element Comment on GSM element Mobile IP element

Home system Network to which mobile user’s permanent phone number belongs

Home network

Gateway Mobile Switching Center, or “home MSC”. Home Location Register (HLR)

Home MSC: point of contact to obtain routable address of mobile user. HLR: database in home system containing permanent phone number, profile information, current location of mobile user, subscription information

Home agent

Visited System Network other than home system where mobile user is currently residing

Visited network

Visited Mobile services Switching Center.Visitor Location Record (VLR)

Visited MSC: responsible for setting up calls to/from mobile nodes in cells associated with MSC. VLR: temporary database entry in visited system, containing subscription information for each visiting mobile user

Foreign agent

Mobile Station Roaming Number (MSRN), or “roaming number”

Routable address for telephone call segment between home MSC and visited MSC, visible to neither the mobile nor the correspondent.

Care-of-address


Sem fios, mobilidade: impacto nos protocolos das camadas superiores Logicamente o impacto deve ser mínimo …

Modelo de serviço melhor esforço mantém-se inalterado

O TCP e o UDP correm sobre redes sem fios e móveis

… mas em termos de desempenho: Perdas e atraso nos pacotes devido a erros nos bits

(pacotes descartados, atrasos devido a retransmissões na camada de ligação) e handoff

TCP interpreta as perdas como congestão e pode diminuir a janela de congestão desnecessáriamente

Prejuízos do atraso no tráfego de tempo real Largura de banda limitada das ligações sem fios


Controlo de congestão de TCP Pode ser problemático em ambientes

sem fios Muitos erros de bits e handoffs

Abordagens propostas Recuperação local

• Técnicas sofisticadas para recuperação de erros de bits

Consciência do originador TCP das ligações em fios

• Distinção entre tipos de perdas Partição da conexão fim-a-fim

• Parte com fios+ Parte sem fios• Melhor desempenho com conexões TCP partidas


Chapter 6 SummaryWireless wireless links:

capacity, distance channel impairments CDMA

IEEE 802.11 (“wi-fi”) CSMA/CA reflects

wireless channel characteristics

cellular access architecture standards (e.g., GSM,

CDMA-2000, UMTS)

Mobility principles: addressing,

routing to mobile users home, visited networks direct, indirect routing care-of-addresses

case studies mobile IP mobility in GSM

impact on higher-layer protocols

Chapter 6 slides, Computer Networking, 3rd...

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