O que é arte. Definição de arte. História da arte.
Aula 1 - Redes sem fios - Introdução
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. 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
4. Introdução
● O objetivo:
Conexão dos
Dispositivos pessoais
(rede pessoal sem fios)
5. Introdução
● O objetivo: Rede local sem fios
Nas empresas
Rede local sem fios
Nas residências
6. Introdução
● O objetivo:
Última milha sem fios
(rede metropolitana)
7. Introdução
● O objetivo:
Rede metropolitana
Com MOBILIDADE
8. Introdução
Backbone de
Alta capacidade
● O objetivo: (fibra)
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. 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. Redes sem Fios
Tipos 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. Redes sem Fios
Comunicação 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. 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. 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
16. Redes sem Fios
● Normalmente:
– WWAN → não ISM
– WMAN → ISM e não ISM
– WRAN → ISM ou não ISM
– WLAN → ISM
– WPAN → ISM
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. 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. 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. 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. 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
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. 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. Redes sem Fios
● WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)
Fonte: WimaxForum
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. Redes sem Fios
● WLAN (Wireless Local Area Network)
– IEEE 802.11 (wi-fi)
– Alternativa às redes ethernet
– Evolução significativa 1997 → 2010
padrão frequência velocidade max Spread Spectrum Spacial Streams Canal
802.11 2.4GHz 2Mbps FHSS/DSSS 1 20 Mhz
802.11b 2.4GHz 11Mbps HRDSSS 1 20 Mhz
802.11a 5.7GHz 54Mbps OFDM 1 20 Mhz
802.11g 2.4GHz 54Mbps OFDM 1 20 Mhz
802.11n 2.4GHZ / 5.7GHz 600Mbps OFDM + MIMO 1, 2, 3 ou 4 20 ou 40 Mhz
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)
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
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
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. Backbone
● Ex: SDH
– Diversos clientes são conectados
● Linhas E1
– Estas conexões são multiplexadas no backbone SDH
– Tráfego é classificado conforme o tipo
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
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Sensores sem Fios
● Rede de sensores sem fios:
– Meio para que se construa um ambiente de
monitoramento contínuo de fácil acesso à
informação
58. Sensores sem Fios
● Comunicação
– Ideal → redes mesh (MANET)
● Rede ad-hoc
● Cada nó pode repassar informações, servindo como
elemento “roteador”
A
B
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. 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
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. Sensores sem Fios
● COTS Dust
– Sistema operacional
● TinyOS
– Programação
● C
● Java
● Perl
● NesC
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. 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. 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. Sensores sem Fios
● Atuadores
– Dispositivos capazes de interferir no ambiente
– Usados em conjunto com sensores, podem
automaticamente realizar ações pré-
programadas
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. 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. 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. 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. 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
86. Sensores sem Fios
● Kit para iniciantes (R$ 218,00)
1 Arduino Uno - A placa USB mais recente da familia Arduino
1 Cabo USB - Para conectar o Arduino ao seu computador.
1 Protoboard - Para testar seus primeiros circuítos conectando os outros componentes do kit
1 Sensor de temperatura (termistor ntc 1k)
1 Sensor de luminosidade (LDR 5mm)
1 potenciômetro 10kΩ
1 chave momentânea (botão)
5 LEDs amarelos
5 LEDs verdes
5 LEDs vermelhos
15 resistores 330Ω
2 sensores/atuadores piezoelétricos
10 jumpers (para conexões) 15cm
10 jumpers (para conexões) 10cm
10 jumpers (para conexões) 5cm
