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Artigos de Redes Wireless – Parte 24

8- Camadas MAC e Física

A comunicação entre dois nós de uma rede, pode ser representada por um modelo de referência dividido em camadas. Este modelo foi criado pelo ISO (International Standards Organization) e tinha como finalidade especificar as funções de uma rede existente em cada componente de rede e agrupá-las em camadas. Este modelo ficou conhecido como modelo de referência OSI (Interconexão de Sistemas Abertos). O modelo OSI é dividido em 7 camadas como ilustrado na figura 111.

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Figura 111 – Modelo OSI e as 7 camadas

A comunicação ocorre da seguinte forma: os dados são encapsulados a medida que percorrem as camadas, no sentido da mais alta para a mais baixa (aplicação para a física) no lado da transmissão e são desencapsulados de camada em camada (física para a aplicação) no lado da recepção até chegar a camada mais alta.

Eis as funções de cada camada:

Aplicação – Estabelecer comunicação entre os usuários e fornecer serviços básicos de comunicação. Entre os aplicativos que trabalham nessa camada, poderíamos citar o FTP e o HTTP.

Apresentação – Realizar transformações nos dados antes de enviá-los a camada de aplicação. Entre essas transformações, poderíamos citar a criptografia e a compressão.

Sessão – Fornecer a conexão entre dois processos.

Transporte – Garantir que os dados cheguem ao seu destino, fornecendo uma comunicação fim a fim confiável, controlando o fluxo e a seqüência de pacotes.

Rede – Rotear os pacotes da origem para o destino.

Enlace – Estabelecer a conexão entre dois dispositivos físicos compartilhando o mesmo meio físico. Detectar e corrigir erros que porventura venham a ocorrer no meio físico.

Física – Transmitir a informação através do meio.

As camadas combinadas definem a funcionalidade de uma rede. Redes wireless implementam apenas as camadas mais baixas do modelo, a camada Física e a de Enlace.
O padrão 802.11 especifica uma camada MAC que fornecem uma variedade de funções que suportam a operação em WLANs. Essa camada gerencia e mantém a comunicação entre os nós de uma WLAN, coordenando o acesso ao meio compartilhado, no caso em questão, o ar.

Já as camadas físicas dizem respeito a tecnologia utilizada. Por exemplo, para o DSSS temos as camadas : 802.11a, b e g.

8.1 – Comunicação em uma WLAN

Entender os parâmetros de comunicação que são configuráveis em um equipamento, bem como o modo de implementar tais parâmetros influencia diretamente na forma como WLANs são configuradas e gerenciadas. Mais do que isso. Esses parâmetros, tem influência direta em um ponto crucial para a saúde de uma rede, a sua performance.

8.1.1 – Controle de Colisão

Uma vez que a frequência de rádio é um meio compartilhado, WLANs tem que lidar com a possibilidade de colisões da mesma forma que as LANs fazem. Porém não há meios de uma estação WLAN que esteja transmitindo reconheça que está ocorrendo uma colisão. WLANs utilizam um protocolo conhecido como CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Colision Avoidance), ou seja ele atua evitando que as colisões ocorram diferentemente do CSMA/CD das redes LAN. Mas como isso funciona? O CSMA/CA utiliza sinais de reconhecimento conhecidos como ACK. Tudo ocorre de forma muito simples. Quando uma estação transmite um pacote para uma outra estação, a estação receptora envia um ACK, tão logo receba este pacote. Assim, a estação transmissora sabe que o pacote foi recebido. Se a estação transmissora não receber o ACK do destino, ela conclui que houve uma colisão e re-transmite o pacote.

Porém esse mecanismo juntamente com protocolos utilizados para evitar colisões tais como o RTS/CTS, causa um overhead que é o responsável pelo consumo de 50% da largura de banda disponível em uma WLAN. Logo, em uma WLAN 802.11b que tem taxa de sinalização de 11 Mbps, teríamos um throughput de no máximo 5.5 Mbps. Já no CSMA/CD esse overhead é em torno de 30%. Quando uma LAN se torna congestionada o overhead salta para 70%, o que não ocorre em uma WLAN congestionada em que o overhead continua na faixa dos 50%.

8.1.2 – Fragmentação

A divisão de pacotes em fragmentos tem as suas vantagens e desvantagens. Se por um lado é importante, porque reduz o tempo gasto na re-transmissão de pacotes se erros ocorrerem, por outro introduz mais overhead na rede, devido ao fato de haverem mais pacotes para transmitir, diminuindo seu thgrouput. Nunca é demais lembrar que pacotes maiores, tem uma probabilidade maior de colisões em uma rede. Um método de variar o tamanho do fragmento é necessária e o padrão 802.11 fornece suporte a fragmentação.

Reduzindo o comprimento de cada pacote, diminui a probabilidade de interferências durante a transmissão conforme ilustrado na figura 112. Isso pode ser verificado devido a baixa taxa de erros conseguida quando pacotes menores estão sendo transmitidos. Cada fragmento necessita de cabeçalho e de um ACK correspondente. O mais importante aqui é que o ajuste no nível de fragmentação, é um ajuste no overhead de cada pacote transmitido e logo influi diretamente na performance da rede.

A fragmentação não é usada em qualquer frame. Frames de broadcast e multicast não são fragmentados. Assim evita-se overhead desnecessário em uma rede.

Encontrar o nível de fragmentação adequado no sentido de maximizar o thgrouput da rede é uma tarefa de suma importância e difícil.

O tamanho máximo de um frame que pode atravessar um segmento WLAN sem fragmentação é de 1518 bytes.

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Figura 112 – Fragmentação de um pacote. Transmitir o pacote inteiro aumenta a possibilidade de colisões e portanto re-transmissões. Com pacotes menores o overhead na rede é maior, embora a probabilidade de colisões seja menor.

Uma forma de usar a fragmentação para melhorar o throughput de uma rede, é monitorar a taxa de erro de pacotes e ajustar o nível de fragmentação manualmente. Uma boa prática é monitorar a rede ao longo de um dia inteiro e observar que impacto o ajuste realizado terá na rede. Uma outra forma é ajustar nos clientes e no AP o limiar de fragmentação. Se você diante de uma situação de alta taxa de erro de pacotes, aumente o limiar de fragmentação começando do nível máximo e vá diminuindo gradualmente até observar uma melhora na performance.

8.1.3 – Redução de Taxa Dinâmica (DRS)

Seleção de taxa automática (ARS) e Redução de taxa dinâmica (DRS) são ambos termos usados para expressar uma característica comum de WLANs, que é o ajuste automático de velocidade em função do aumento da distância entre o cliente e o ponto de acesso. Esse ajuste é feito em pulos discretos. À medida que o cliente se distancia do ponto de acesso e portanto a distância aumenta, a velocidade cai proporcionalmente. Vimos anteriormente que a amplitude de um sinal diminui, a medida que nos distanciamos do ponto de acesso. O padrão 802.11, especifica as velocidades de 1, 2, 5.5 e 11Mbps para uma rede 802.11b. Quando a amplitude do sinal diminui, a unidade de transmissão sofrerá uma redução na sua taxa nominal para o valor imediatamente mais baixo dentro dessa escala de valores. Não há possibilidade portanto da velocidade cair de 11 para 10 Mbps, uma vez que 10 não é um valor especificado pelo padrão.

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Figura 113 – Ajuste automático de velocidade em função do aumento da distância de um cliente em relação ao ponto de acesso.

Entender como isso funciona é importante no planejamento do thgrouput da rede, tamanho das células, potências de pontos de acesso e estações e da segurança.

8.1.4 – Função de Coordenação Distribuída (DCF)

DCF é um método de acesso especificado pelo padrão 802.11, que permite que estações em uma WLAN possam acessar o meio compartilhado (RF), usando o protocolo CSMA/CA. Neste caso o meio de transmissão é uma porção da banda de radiofreqüência que a WLAN está usando para enviar dados. Os service sets, BSS, ESS e IBSS podem usar o modo DCF. Os pontos de acesso nesses service sets atuam da mesma que os hubs nas redes LAN para transmitir seus dados e o modo DCF é o modo pelo qual o ponto de acesso envia seus dados.


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