S´ ergio Luiz Heinzen Reduc ¸˜ ao do tempo de varredura na transic ¸˜ ao de BSS em redes IEEE 802.11 S˜ ao Jos´ e – SC Dezembro / 2011
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Transcript
Sergio Luiz Heinzen
Reducao do tempo de varredura na transicao de BSSem redes IEEE 802.11
Sao Jose – SC
Dezembro / 2011
Sergio Luiz Heinzen
Reducao do tempo de varredura na transicao de BSSem redes IEEE 802.11
Monografia apresentada a Coordenacao doCurso Superior de Tecnologia em Sistemasde Telecomunicacoes do Instituto Federal deSanta Catarina para a obtencao do diploma deTecnologo em Sistemas de Telecomunicacoes.
Orientador:
Prof. Marcelo Maia Sobral, Dr.
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES
INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA
Sao Jose – SC
Dezembro / 2011
Monografia sob o tıtulo “Reducao do tempo de varredura na transicao de BSS em redes
IEEE 802.11”, defendida por Sergio Luiz Heinzen e aprovada em 16 de dezembro de 2011, em
Sao Jose, Santa Catarina, pela banca examinadora assim constituıda:
Prof. Marcelo Maia Sobral, Dr.Orientador
Prof. Ederson Torresini, M.ScIFSC
Prof. Eraldo Silveira e Silva, Dr.IFSC
Tudo o que temos de decidir e o que fazer com o tempo que nos e dado.
J. R. R. Tolkien
Agradecimentos
Dedico meus sinceros agradecimentos primeiramente aqueles que fizeram que eu chegasse
ate aqui, meu pai e minha mae, que me ensinaram que a educacao sempre vem em primeiro
lugar.
Agradeco ao meu orientador Prof Marcelo Maia Sobral, pela oportunidade de desenvolver
o trabalho sob sua orientacao, e a toda ajuda prestada ao longo de seu desenvolvimento.
Agradeco a todos os professores do IFSC da area de telecomunicacoes, que com os seus
conhecimentos passados ao longo desses anos, contribuıram muito para a realizacao desse tra-
balho. Agradeco tambem a todos aos meus colegas de curso e a todos que contribuiram de
alguma maneira para que eu pudesse realizar esse trabalho.
Como ultimo agradecimento, agradeco ao CNPq e ao IFSC pela bolsa de pesquisa disponi-
bilizada para a realizacao do trabalho.
Resumo
Uma rede sem-fios IEEE 802.11 pode ser composta por multiplos pontos de acesso, deforma a ampliar a cobertura de sinal em um determinado espaco fısico. Dispositivos moveisque se comunicam por meio desse tipo de rede estao sujeitos a migrarem entre as areas decobertura de seus pontos de acesso, de forma a manter uma qualidade de comunicacao aceitavelentre dispositivo e ponto de acesso. No entanto, o atraso de transicao entre pontos de acessoapresenta atualmente uma variacao significativa. Em boa parte, tal atraso se deve ao temponecessario para que o dispositivo faca uma varredura para encontrar um ponto de acesso comqualidade de sinal aceitavel. Neste trabalho apresenta-se uma proposta para reducao do atrasode transicao entre pontos de acesso. O mecanismo proposto estende o padrao IEEE 802.11para que um ponto de acesso informe a um dispositivo sobre a existencia de pontos de acessovizinhos, evitando assim que esse dispositivo precise localiza-los por meio de varredura.
Abstract
A wireless network IEEE 802.11 can be composed of multiple access points in order toextend the signal coverage in a given space. Mobile devices that communicate through sucha network are capable of migrate between the coverage areas of its access points, in order tomaintain an acceptable quality of communication between the device and access point. How-ever, the delay of transition between access points currently presents a significant variation.Most of this delay is due to the time required for the device to do a scan to find an access pointwith acceptable signal quality. This paper presents a proposal to reduce the delay of transitionbetween access points. The proposed mechanism extends the standard IEEE 802.11 for an ac-cess point device to a report on the existence of neighboring access points, thus preventing thisdevice need to find them by scanning.
Sumario
Lista de Figuras
Lista de Tabelas
1 Introducao p. 12
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 13
1.2 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 13
1.3 Organizacao do texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 13
2 Infra-estrutura de redes IEEE 802.11 p. 15
2.1 Visao Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 15
2.1.1 Formas de organizacao de redes IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . p. 16
2.1.2 Componentes de redes IEEE 802.11 infra-estruturadas . . . . . . . . p. 20
2.1.3 Basic Station Set (BSS) - Basic Station Set e Extended Service Set
(ESS) - Extended Service Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 21
2.1.4 Varredura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 22
2.1.5 Transicao de BSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 23
2.2 Norma IEEE 801.11k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 25
2.3 Consideracoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 27
3 Materiais e Metodos p. 29
3.1 Modelo Proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 29
3.2 Plataforma de desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 31
3.2.1 Hostapd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 31
3.2.2 Wpa supplicant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 32
3.3 Implementacao da proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 33
3.4 Cenarios de teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 35
3.4.1 Testes sem o mecanismo implementado . . . . . . . . . . . . . . . . p. 37
3.4.2 Testes com o mecanismo proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 40
3.5 Consideracoes finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 44
4 Conclusoes p. 45
4.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 46
Lista de Abreviaturas p. 47
Referencias Bibliograficas p. 48
Lista de Figuras
2.1 Famılia IEEE 802 adaptado de (GAST, 2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 15
2.2 Rede IEEE 802.11 no modo ad hoc (GAST, 2005) . . . . . . . . . . . . . . . p. 17
2.3 Rede IEEE 802.11 em topologia malha (BRUNO; CONTI; GREGORI, 2005) p. 18
2.4 Rede IEEE 802.11 infra-estruturada (VILELA; CARDOSO; REZENDE, 2007) p. 19
2.5 Componentes de uma rede IEEE 802.11 no modo infra-estruturado . . . . . . p. 20
2.6 ESS em uma rede IEEE 802.11 (GAST, 2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 21
2.7 Exemplo de varredura passiva(GAST, 2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 22
2.8 Esquema de mensagens trocadas no processo de varredura . . . . . . . . . . p. 23
2.9 Transicao de BSS em rede IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 24
2.10 Distribuicao ideal de uma rede para a norma IEEE 802.11k . . . . . . . . . . p. 26
2.11 Transicao segundo a norma IEEE 802.11k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 27
3.1 Modelo de transicao proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 30
3.2 Formato do quadro Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 31
3.3 Conteudo de um quadro Action recebido na estacao . . . . . . . . . . . . . . p. 31
3.4 Diagrama de ligacoes no loop de enventos no hostapd (MALINEN, ) . . . . . p. 32
3.5 Panorama do cenario implementado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 33
3.6 Funcionamento do mecanismo no Hostapd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 34
3.7 Funcionamento do mecanismo no Wpa supplicant . . . . . . . . . . . . . . . p. 35
3.8 Cenario para teste sem movimentacao da estacao . . . . . . . . . . . . . . . p. 37
3.9 Cenario para teste com movimentacao da estacao . . . . . . . . . . . . . . . p. 37
3.10 Cenario para teste com movimentacao da estacao . . . . . . . . . . . . . . . p. 38
3.11 Tempo entre desautenticacao e pedido de associacao com novo ponto de acesso p. 39
3.12 Captura de pacotes mostrando o processo de transicao . . . . . . . . . . . . . p. 40
3.13 Tempo entre o recebimento do quadro Action e o pedido de associacao com
o BSS indicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 41
3.14 Cenario real utilizado no teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 42
3.15 Captura de pacotes na transicao com mecanismo implementado . . . . . . . . p. 42
3.16 Tempo entre recebimento do quadro Action e inicio da associacao . . . . . . p. 43
Lista de Tabelas
3.1 Descricao do hardware de testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 36
3.2 Descricao do hardware de testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 36
3.3 Comparativo entre os testes realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 36
3.4 Intervalo desautenticacao e inicio da associacao com novo ponto de acesso . . p. 39
3.5 Intervalo entre recebimento do quadro Action e inicio da associacao . . . . . p. 41
3.6 Intervalo entre recebimento do quadro Action e inicio da associacao . . . . . p. 43
12
1 Introducao
Redes locais sem-fio IEEE 802.11 infra-estruturadas tem se disseminado como solucao
para prover acesso ubıquo em ambientes delimitados.Nessas redes, os dispositivos se comuni-
cam por intermedio de um equipamento especial conhecido como ponto de acesso. Como o
alcance do sinal entre ponto de acesso e dispositivos e limitado a algumas dezenas de metros,
um conjunto de pontos de acesso e cuidadosamente implantado quando se necessita cobrir uma
area maior. Cada ponto de acesso encabeca um conjunto de dispositivos moveis, esse conjunto
e denominado BSS. Assim, os dispositivos sempre estao no alcance de ao menos um ponto de
acesso, sendo desta forma membros do respectivo BSS, e podem transitar de um BSS a outro a
medida que se movimentam. No entanto, a transicao de BSS esta sujeita a atrasos que podem
se mostrar significativos.
A transicao de BSS sofre atrasos devidos a caracterısticas da tecnologia da rede sem-fio.
A primeira caracterıstica delas se refere a decisao sobre o momento em que se deve iniciar a
transicao de BSS, o que envolve a medicao e avaliacao da qualidade de sinal do ponto de acesso
atual. Uma vez iniciada a transicao, deve-se efetuar a busca por um BSS cujo ponto de acesso
apresente qualidade de sinal aceitavel. A segunda diz respeito a autenticacao do dispositivo
cliente no ponto de acesso que mantem o BSS localizado. Uma solucao para o problema da
reducao do atraso de autenticacao foi apresentada na norma IEEE 802.11r (??). No caso do
atraso de varredura, existem algumas propostas para reduzi-lo.
A busca por um BSS com qualidade de sinal aceitavel, chamada de varredura, implica
atualmente a sondagem quanto a existencia de BSS em cada possıvel canal de comunicacao.
Esse procedimento pode demorar 100ms por canal investigado, e assim a verificacao de todos
os canais pode ser demorada. Algumas propostas existem para acelerar a deteccao de novo
BSS, sendo usual a realizacao de varreduras periodicas antecipadas (background scanning) para
que os dispositivos mantenham uma tabela atualizada com os BSS disponıveis nas redondezas.
No entanto, para que essa tecnica de varredura forneca resultados satisfatorios em dispositivos
moveis, as varreduras antecipadas devem ser frequentes, o que pode afetar o desempenho da
rede (SINGH; ATWAL; SOHI, 2008).
1.1 Objetivos 13
Uma proposta, apresentada em 2008, e a norma IEEE 802.11k, que diz respeito a participacao
dos pontos de acesso para auxiliar os nodos moveis em transicao. Nessa nova norma, o ponto de
acesso do BSS onde esta um dispositivo o informa uma lista de pontos de acesso em seu alcance,
desta forma ajudando-o a escolher mais rapidamente um BSS adequado. Comparada com as
tecnicas de varreduras periodicas, a participacao dos pontos de acesso proposta na norma IEEE
802.11k evita o trafego de controle adicional e o atraso de busca de BSS devido a sondagem
dos canais de comunicacao(HERMANN et al., ).
1.1 Objetivos
O objetivo geral do trabalho e propor um mecanismo capaz de reduzir o tempo de transicao
de BSS usando a infra-estrutura da rede para auxiliar a estacao a migrar de AP oportunamente.
Para tanto, e necessario criar um mecanismo para que o AP do BSS corrente possa sugerir a
uma estacao que mude de BSS, informando-lhe as melhores opcoes de AP para onde migrar.
Esse mecanismo deve incorporar o monitoramento pelos AP das qualidades de enlace sem-fio
das estacoes em seus alcances, de forma a poderem avaliar que APs poderiam melhor receber
estacoes que porventura migrem de BSS.
1.2 Motivacao
O projeto tem como motivacao o desenvolvimento de uma solucao no campo de redes sem-
fio, pois essas redes estao em grande expansao no mercado. A implantacao de um metodo
de transicao de BSS no qual a infra-estrutura da rede possa auxiliar uma estacao a decidir
oportunamente fazer uma transicao de BSS, e para qual BSS migrar. Com isso, espera-se reduzir
o tempo total gasto para que uma estacao mude de BSS.
1.3 Organizacao do texto
• Capitulo 2: Descreve as referencias bibliograficas que formam o embasamento teorico do
projeto, e apresentada uma visao geral do funcionamento de redes 802.11, seus modos
de organizacao, o processo de varredura e transicao de BSS e descrito e uma visao geral
sobre a norma IEEE 802.11k que serviu como inspiracao e apresentada.
• Captulo 3: Nessa capitulo sao apresentados os aplicativos utilizados no projeto. Tambem
e apresentada a metodologia, os cenarios de teste e os resultados obtidos no cenario atual
1.3 Organizacao do texto 14
de redes 802.11, sem alteracoes no mecanismo de transicao, confrontados com o mecan-
ismo de transicao desenvolvido no projeto utilizados para medir o tempo de transicao em
redes 802.11 e as melhorias obtidas.
• Capitulo 4: Apresenta as conclusoes do documento, e algumas propostas de trabalhos
futuros.
15
2 Infra-estrutura de redes IEEE 802.11
Este capıtulo aborda algumas caracterısticas das normas IEEE 802.11 e 802.11k que sao
fundamentais para entendimento do trabalho realizado.Este capıtulo tambem mostra como sao
os atuais mecanismos de varredura e transicao de BSS e apresenta uma proposta de transicao
rapida que possui semelhancas com a norma IEEE 802.11k.
2.1 Visao Geral
A famılia IEEE 802 define uma serie de especificacoes e tecnologias para Local Area
Network (LAN), formando o que se denomina arquitetura IEEE 802. A figura 2.1 mostra a
relacao entre os varios componentes dessa arquitetura.
Figura 2.1: Famılia IEEE 802 adaptado de (GAST, 2005)
A arquitetura IEEE 802 diz respeito as duas camadas mais baixas do modelo OSI, sendo elas
as camadas de enlace e fısica. Na arquitetura IEEE 802, a camada de enlace e subdividida em
i) subcamada Media Access Control (MAC), responsavel pelo acesso ao meio de transmissao e
formatos de quadros de dados e controle, e ii) subcamada Logical Link Control (LLC), que im-
plementa um protocolo de enlace capaz de efetuar controle de erros e de fluxo (porem raramente
utilizado). A camada fısica, chamada de Physical (PHY), corresponde ao meio de transmissao
e as tecnicas utilizadas para codificar e transmitir a informacao.
Em 1999, o Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) Computer Society
publicou um padrao para redes locais sem-fio denominado “Wireless LAN Medium Access
2.1 Visao Geral 16
Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications” e identificado por IEEE 802.11
(IEEE, ). Esse padrao especifica o protocolo MAC Carrier sense multiple access with colli-
sion avoidance (CSMA/CA) e diversas camadas PHY com diferentes taxas e alcances de trans-
missao. Varios grupos de trabalho continuam propondo extensoes e aperfeicoando esse padrao.
Dentre as melhorias propostas, destacam-se aquelas relacionadas a desempenho, as quais im-
plicam alteracoes no protocolo MAC ou na camada PHY. Essas modificacoes visam superar
limitacoes e adaptar o padrao para novas aplicacoes para redes locais sem-fio.
2.1.1 Formas de organizacao de redes IEEE 802.11
Para que exista comunicacao entre as estacoes das redes sem-fio IEEE 802.11 e necessario
que essas redes estejam organizadas de forma apropriada. Existem tres formas principais de
organizacao de redes IEEE 802.11, as quais correspondem aos seguintes modos de operacao:
• Modo Ad hoc
• Modo Malha(Mesh)
• Modo Infra-estruturado
Modo de organizacao Ad hoc
As redes ad hoc sao constituıdas por estacoes que utilizam comunicacao sem-fio. A prin-
cipal caracterıstica dessas redes e a ausencia de infra-estrutura, como pontos de acesso ou
estacoes-base, existentes em outras redes locais sem-fio. A comunicacao entre estacoes que
estao fora do alcance de transmissao deve ser feita pela camada de rede, o que implica o encam-
inhamento de mensagens por multiplos saltos atraves da colaboracao de estacoes intermediarias
(NI et al., 1999). Alem disso, a topologia da rede pode mudar dinamicamente devido a mobili-
dade das estacoes que fazem parte da rede.
Numa rede ad hoc nao ha topologia predeterminada, nem controle centralizado (PIRES;
FONTES; REZENDE, 2004). Redes ad hoc nao requerem uma infraestrutura tal como um back-
bone ou pontos de acesso configurados antecipadamente. Enquanto em redes convencionais e
necessario que haja um ponto de acesso pelo qual todas as informacoes da rede irao passar,
nas redes ad hoc os dispositivos podem se comunicar diretamente entre si, o que pode permitir
que haja maior flexibilidade na rede como mostra a figura 2.2. As redes ad hoc possuem como
alegadas vantagens o baixo custo de instalacao e facilidade de configuracao.
2.1 Visao Geral 17
Figura 2.2: Rede IEEE 802.11 no modo ad hoc (GAST, 2005)
Existem vantagens no uso de redes ad hoc para certos tipos de aplicacoes. Uma vez que
uma infraestrutura fixa nao e um pre-requisito, uma rede ad hoc pode ser montada rapidamente.
Isso torna essas redes adequadas em casos onde nao existe acesso a outra infra-estrutura de
comunicacao ou onde a infra-estrutura existente nao possa ser usada por razoes de seguranca,
custo, ou outros motivos. Alem disso, como as redes ad hoc nao dependem de pontos central-
izadores para determinar sua operacao e organizacao. Caso uma estacao presente na rede falhar
ou mesmo sair da rede, sera feito uma redescoberta de rotas, enquanto novas rotas nao forem
estabelecidas algumas partes da rede podem ficar com comunicacao. A rede pode ser expandida
facilmente com a adicao de novas estacoes(IETF, 2007).
Em uma rede ad hoc em que estacoes se movem arbitrariamente, a topologia da rede pode
mudar frequentemente e de forma imprevisıvel. Nesse caso, a conectividade entre as estacoes
moveis pode mudar constantemente, requerendo uma permanente adaptacao e reconfiguracao
de rotas. Devido a isso, o roteamento e o maior problema enfrentado em redes ad hoc, princi-
palmente naquelas compostas por um grande numero de estacoes(NI et al., 1999).
Modo de organizacao malha(mesh)
Uma rede em malha e composta de varios roteadores sem-fio, que passam a se comportar
como uma unica e grande rede, possibilitando que o cliente se conecte em qualquer um destes
roteadores. Os roteadores tem a funcao de repetidores sendo que cada roteador esta conectado a
um ou mais roteadores vizinhos. Desta maneira e possıvel transmitir mensagens entre diferentes
roteadores por diferentes caminhos.
Redes malha sao redes comunitarias baseadas em algoritmos de roteamento cooperativos,
2.1 Visao Geral 18
tais quais os encontrados em redes sem fio ad-hoc. A figura 2.3 exibe um exemplo de rede
mesh. Essas redes evoluıram a partir das redes moveis ad-hoc. Usuarios finais se conectam aos
pontos de acesso da rede mesh atraves de rede Ethernet cabeada ou rede sem-fio IEEE 802.11
(SAADE et al., 2007).
Figura 2.3: Rede IEEE 802.11 em topologia malha (BRUNO; CONTI; GREGORI, 2005)
Uma rede malha possibilita a comunicacao entre diferentes dispositivos. A rede em malha
tem uma topologia fixa, sendo que os roteadores sem-fio presentes na rede serao parte de sua
estrutura principal, formando o backbone, atuando apenas como roteadores, e comunicando-se
via interface sem fio. Estacoes podem se conectar a estes roteadores e atuarem apenas como
clientes. Como as redes malha tiveram suas origens nas redes Ad hoc, todos os elementos
devem ser capazes de encaminhar informacoes de vizinhos para seu destino. Devem tambem ser
capazes de se auto-configurar e se restabelecer no caso de perda de enlaces (BRUNO; CONTI;
GREGORI, 2005).
Um padrao da IEEE esta em desenvolvimento desde 2005, e o IEEE 802.11s define o fun-
cionamento de redes em malha, entre outras coisas propoe novos formatos de quadros e padroes
de roteamento.
Modo de organizacao infra-estruturado
O modo de operacao infra-estruturado e o mais comum e mais utilizado em aplicacoes de
redes 802.11 (FOROUZAN; COOMBS; FEGAN, 2001). A maior parte da configuracao de uma
rede IEEE 802.11 infra-estruturada esta no Access Point (AP). As estacoes devem apenas se
associar ao ponto de acesso mais proximo para poderem se comunicar pela rede sem-fio. Este
2.1 Visao Geral 19
modo de operacao atende a aplicacao mais comum para os usuarios que se conectam a redes
sem-fio, que e servir de ponte para acesso a redes externas, como a Internet.
Figura 2.4: Rede IEEE 802.11 infra-estruturada (VILELA; CARDOSO; REZENDE, 2007)
O funcionamento de redes infra-estruturadas e semelhante ao da telefonia celular, onde toda
a comunicacao deve, necessariamente, passar pelo AP, mesmo que os equipamentos moveis es-
tejam a uma distancia em que poderiam comunicar-se diretamente. Toda a comunicacao entre
estacoes moveis e feita atraves de do ponto de acesso ao qual cada estacao esta associada. As-
sim, as estacoes, mesmo proximas umas das outras, estao impossibilitadas de realizar qualquer
tipo de comunicacao direta.
Uma rede sem-fio IEEE 802.11 infra-estruturada se compoe de um ou mais conjuntos de
estacoes sem-fio chamados de BSS (Basic Station Set), como mostrado na figura 2.4. Cada BSS
e encabecado por uma estacao base, denominada ponto de acesso (ou AP, do original Access
Point). Um ponto de acesso tem o papel de mediar a comunicacao entre as estacoes sem-fio
a ele associadas, e tambem a comunicacao entre essas estacoes sem-fio e as estacoes da rede
cabeada(CHINTALA, 2007). Alem disso, operacoes de gerencia da rede sem-fio costumam ser
realizadas pelo AP, tais como aquelas relacionadas com seguranca e qualidade de servico.
2.1 Visao Geral 20
2.1.2 Componentes de redes IEEE 802.11 infra-estruturadas
Redes IEEE 802.11 infra-estruturadas sao compostas por quatro elementos principais, como
mostrado na figura 2.5.
Figura 2.5: Componentes de uma rede IEEE 802.11 no modo infra-estruturado
• Sistema de Distribuicao (Distribution System (DS)): componente logico IEEE 802.11
usado para comunicacoes entre os pontos de acesso da rede. O padrao IEEE 802.11
(IEEE, ) nao especifica qualquer tecnologia especıfica para o sistema de distribuicao. Na
maioria dos produtos comerciais, o sistema de distribuicao pode ser implantado usando-
se a rede local Ethernet ou a propria rede sem-fio. No caso de se usar a rede sem-fio, o
sistema de distribuicao e chamado de WDS! (WDS!).
• Ponto de Acesso (AP - Access Point): dispositivo em uma rede sem fio IEEE 802.11
que faz o intermedio as transmissoes entre as estacoes sem-fio presentes na rede. Pode
tambem servir como ponte entre a rede sem-fio e a rede local Ethernet.
• Meio sem-fios (Wireless Medium): meio de transmissao na rede sem-fio. Existem varios
canais definidos para transmissao em redes sem fio IEEE 802.11, os quais serao apresen-
tados na secao 2.1.4. Obstaculos como paredes, portas e veıculos, entre outros, podem
interferir na transmissao e reduzir o alcance maximo de sinal em uma rede sem-fio IEEE
802.11
• Estacoes sem-fio (WSTA - Wireless Stations): dispositivos que se comunicam usando
a rede sem-fios, como por exmeplo laptops, smartphones e tablets. Estacoes podem ser
moveis ou fixas.
2.1 Visao Geral 21
2.1.3 BSS - Basic Station Set e ESS - Extended Service Set
Redes IEEE 802.11 possuem uma cobertura limitada, cujo alcance depende principalmente
da potencia de transmissao, dos ganhos das antenas e da taxa de dados, alem das caracterısticas
do ambiente onde esta implantada a rede. O alcance em campo aberto pode variar tipica-
mente de aproximadamente 20 metros, quando a taxa de dados e de 54Mbps, a quase 100
metros, quando a taxa de dados e cerca de 1Mbps (CHINTALA, 2007). No caso de redes infra-
estruturadas, o padrao IEEE 802.11 possibilita combinar varios BSS para ampliar a area de
cobertura de uma rede WLAN, formando um ESS (Extended Service Set). Um ESS e composto
de dois ou mais BSS, cujos pontos de acesso possuem o mesmo Service Set Identifier (SSID)
e estao interligados por meio de um sistema de distribuicao (DS). A figura 2.6 apresenta um
exemplo de um ESS formado por quatro BSS.
Figura 2.6: ESS em uma rede IEEE 802.11 (GAST, 2005)
Dentro de um ESS, estacoes podem se comunicar como se estivessem na mesma rede local,
ainda que estejam em diferentes BSS. Alem disso, estacoes podem se mover de um BSS para
outro, e manterem suas configuracoes de rede das camadas superiores (inclusive comunicacoes
em andamento). No entanto, essa transicao de BSS implica uma interrupcao momentanea da
conexao da estacao a rede sem-fio. A duracao dessa interrupcao se deve ao tempo necessario
para identificar um BSS para onde seja possıvel fazer a transicao, e ao tempo dispendido para
efetuar a autenticacao nesse BSS.
2.1 Visao Geral 22
2.1.4 Varredura
O processo de identificacao de BSS por uma estacao e chamado de varredura, e consiste
em vasculhar os canais (frequencias de operacao de uma rede sem-fio) em busca de pontos de
acesso. Essa busca pode ser feita de forma passiva, em que a estacao identifica pontos de acesso
observando o trafego da rede sem-fio, ou ativa, em que a estacao envia quadros de controle que
devem ser respondidos por pontos de acesso.
Na varredura passiva, uma estacao aguarda por um quadros do tipo Beacon em cada um dos
canais definidos no padrao IEEE 802.11. Quadros Beacon contem informacoes que descrevem
um BSS, tais como seu SSID, modo de seguranca utilizado, taxas de bit suportadas e outras
possıveis funcionalidades. Essas informacoes sao necessarias para que uma estacao se associe
ao ponto de acesso que encabeca o BSS. A busca em cada canal pode levar ate 100ms, pois esse
e o intervalo medio entre envios de quadros Beacon por APs, esse intervalo pode ser alterado no
AP. No exemplo mostrado na figura 2.7, uma faz uma varredura passiva em que foram recebidos
Beacons dos tres primeiros pontos de acesso. Desta forma, com esse mecanismo de varredura
uma estacao nao precisa transmitir nenhum quadro para identificar os pontos de acessoem seu
alcance.
Figura 2.7: Exemplo de varredura passiva(GAST, 2005)
Na varredura ativa, mostrada na figura 2.8, uma estacao envia quadros de gerenciamento
chamados Probe Request em cada um dos possıveis canais de comunicacao (VILELA; CAR-
DOSO; REZENDE, 2007). Ao receber um quadro Probe Request, um ponto de acesso responde
com um quadro Probe Response. Esse quadro contem as mesmas informacoes incluıdas em
quadros Beacon. Para acelerar a varredura, a estacao envia quadros Probe request somente em
canais em uso. Para detectar os canais em uso a estacao sintoniza no canal e esperaObstaculos
por uma uma indicacao de um quadro qualquer ou pelo tempo de expiracao do quadro probe.
O tempo de expiracao impede que a estacao fique esperando uma resposta no mesmo canal
2.1 Visao Geral 23
indefinidamente(GAST, 2005).
Figura 2.8: Esquema de mensagens trocadas no processo de varredura
O software wpa supplicant3.2.2 tem suporte a um outro tipo de varredura, chamada de
backgroud scanning, que utiliza o tempo ocioso da estacao para buscar pontos de acesso em seu
alcance. Esse processo de varredura inclui caracterısticas das varreduras passiva e ativa(SINGH;
ATWAL; SOHI, 2008). No backgroud scan, se a estacao nao esta mantendo nenhum fluxo de
dados nos ultimos 250 ms, ela comeca a executar a varredura ativa em canais vizinhos que
possam estar em uso. No entanto, durante o backgoud scan um quadro Power Save Mode (PSM)
e enviado para ponto de acesso atual para solicitar que todo o trafego que eventualmente seja
enviado para a estacao durante o backgroud scan seja armazenado em um buffer. A estacao
tambem monitora continuamente a intensidade do sinal do canal atual por meio da varredura
passiva na qual a estacao obtem informacoes por meio de quadros do tipo beacon enviadons
pelo ponto de acesso em media a cada 100 ms.
Obstaculos
2.1.5 Transicao de BSS
Dentro de um ESS, em uma rede IEEE 802.11, existe a possibilidade de estacoes migrarem
entres os BSS, como no caso de algumas estacoes serem moveis. A transicao de BSS, esquema-
2.1 Visao Geral 24
tizada na figura 2.9, ocasiona uma interrupcao no enlace sem-fio da estacao movel, que assim
nao pode enviar ou receber mensagens enquanto nao se associar a um novo BSS. Para que a
transicao se realize, a estacao sem-fio deve se dissociar do BSS atual, efetuar uma varredura
para identificar um novo BSS, e em seguida se associar e autenticar no ponto de acesso do novo
BSS. Sendo assim, a transicao de BSS apresenta um atraso cuja duracao depende da localizacao
de um novo ponto de acesso e da subsequente associacao e autenticacao.
Figura 2.9: Transicao de BSS em rede IEEE 802.11
Atualmente nas redes IEEE 802.11, quem decide sobre o momento de fazer a transicao de
BSS e o driver da placa de rede sem-fio presente na estacao . Essa decisao se baseia em uma es-
timativa de qualidade de enlace em relacao ao ponto de acesso em que a estacao esta associada.
Dependendo do modelo de interface de rede sem-fios, o estimador de qualidade de enlace pode
se basear na intensidade de sinal recebido (Received Signal Strenght indicator (RSSI)) ou na
relacao entre sinal e ruıdo (Signal-to-Noise Ratio (SNR)), na taxa de bits recebidos sem erros
ou mesmo na taxa de quadros transmitidos com sucesso. Assim, uma vez que o valor fornecido
pelo estimador de qualidade de enlace ficar abaixo de certo limiar, a estacao se dissocia do
ponto de acesso atual e busca um novo BSS para se reconectar a rede (LIST, ).
Em uma rede IEEE 802.11, RSSI e uma indicacao do nıvel de potencia recebida pela antena.
O RSSI e um dos itens utilizados para que a estacao decida o momento de buscar por um novo
BSS. O calculo do valor do RSSI e feito de modo diferente em cada driver de rede sem-fio.
2.2 Norma IEEE 801.11k 25
O driver de um placa de rede sem-fio so decide se disassociar do BSS ao qual a estacao esta
associada quando a qualidade de sinal cai abaixo do limiar definido. No entanto, se o limiar
for baixo, muitos erros de transmissao podem ocorrer antes da transicao ser desencadeada. Por
outro lado, se o limiar for alto, transicoes podem ocorrer com frequencia desnecessaria. Como
esse modelo pode causar atrasos de transicao elevados, foi apresentada uma extensao chamada
IEEE 802.11k, que propoe mecanismos para efetuar transicoes de BSS mais rapidas.
2.2 Norma IEEE 801.11k
A norma IEEE 802.11k foi apresentada em 2008 e tem como objetivo fazer que os pontos de
acesso auxiliem na melhor distribuicao das estacoes em todo o ESS. O padrao proposto define
uma serie de pedidos de medicao e de relatorios com detalhes do enlace de dados e estatısticas
dos clientes. Na maioria dos casos, os pontos de acesso solicitam que as estacoes fornecam
uma serie de dados, porem em alguns casos, as estacoes podem solicitar dados dos pontos de
acesso(HERMANN et al., ).
Atualmente, os APs e as estacoes nao podem compartilhar as informacoes sobre o canal.
Com o IEEE 802.11k, um ponto de acesso pode solicitar que uma estacao associada ou um
ponto de acesso vizinho construa um historico do ruıdo presente no canal, que ira mostrar a
potencia de todos os sinais que interfiram nesse canal. Um ponto de acesso tambem pode
solicitar para outro ponto de acesso dados sobre carga de canal ou quanto tempo o canal foi
utilizado durante um determinado perıodo. Sendo assim um ponto de acesso entao sabera se ha
muita interferencia ou o trafego em um canal antes de utiliza-lo.
Essa norma define que os APs devem participar da transicao para auxiliar as estacoes
moveis a decidir quando e para onde devem fazer a transicao. Nessa norma, o ponto de
acesso do BSS onde esta uma estacao informa uma lista dos APs em seu alcance, desta forma
ajudando-o a escolher mais rapidamente um BSS adequado. Comparada com as tecnicas de
varreduras periodicas, a participacao dos pontos de acesso proposta na norma IEEE 802.11k
evita o trafego de controle adicional e o atraso de busca de BSS devido a sondagem dos canais
de comunicacao(HERMANN et al., ).
A norma IEEE 802.11k tambem se destina a melhorar a forma como o trafego e distribuıdo
dentro de uma rede. Em uma LAN sem-fio, cada dispositivo se conecta normalmente ao ponto
de acesso (AP), que fornece o sinal mais forte. Dependendo do numero e localizacao ge-
ografica dos assinantes, este arranjo pode levar a excesso de demanda em um ponto de acesso
e subutilizacao de outros, resultando em degradacao do desempenho geral da rede. Em uma
2.2 Norma IEEE 801.11k 26
rede em conformidade com 802.11k, se o ponto de acesso que tem o sinal mais forte e fica
com sobrecarga com a sua plena capacidade, algumas das estacoes associadas ao BSS sao re-
manejadas a um dos APs subutilizados que apresente nivel de sinal suficiente para atender a
estacoes. Mesmo que o sinal seja mais fraco, o rendimento global e maior porque e feito uso
mais eficiente dos recursos da rede.
Para que o desempenho do ESS seja efetivamente melhorado pelo uso da norma IEEE
802.11k e necessario que exista uma boa area na qual a cobertura de diferentes APs fiquem
sobrepostas (figura 2.10), com a existencia de areas com cobertura de mais de um ponto de
acesso e possivel remanejar estacoes facilmente caso um ponto de acesso esteja operando em
sobrecarga ou caso a estacao esteja em movimento dentro do ESS. (HERMANN et al., )
Figura 2.10: Distribuicao ideal de uma rede para a norma IEEE 802.11k
As medicoes de parametros de radio em uma rede sem-fio ajuda os aplicativos a serem
adaptados automaticamente para o ambiente de radio dinamico. Com as melhorias introduzidas
pela nova norma, medicoes nao sao feitas apenas localmente, tambem sera possıvel solicitar
medicoes das estacoes vizinhas do mesmo ESS. Alem disso, as medicoes podem ser realizadas
nao so no canal de operacao do BSS ao qual a estacao esta associada, mas em qualquer canal
ao qual a estacao e capaz de sintonizar. Durante a varredura ativa, uma estacao deve-se manter
associada a fim de nao interromper o fluxo de dados em andamento no canal de trabalho.
Toda a informacao resultante e disponibilizada para camadas superiores para qualquer fi-
nalidade, sendo especialmente util para as estrategias de gerenciamento de recursos do BSS.
Isso significa que o padrao 802.11k fornece informacoes uteis sobre varios parametros de radio,
o projeto de mecanismos de gerenciamento de recursos esta fora de seu escopo.
Segundo a norma IEEE 802.11k os passos para a transicao sao:
2.3 Consideracoes 27
• 1 - O ponto de acesso detecta que uma estacao associada esta se distanciando, e informa
a estacao que esta deve se preparar para mudar de BSS.
• 2 - A estacao solicita uma lista dos APs que estao proximos a ela.
• 3 - O ponto de acesso envia um relatorio sobre os APs da vizinhanca.
• 4 - A estacao muda para o melhor BSS segundo o relatorio recebido.
Figura 2.11: Transicao segundo a norma IEEE 802.11k
Como o padrao 802.11k foi concebido para ser implementado em software, equipamentos
WLAN existentes podem ser atualizados para suportar o padrao.Para que o padrao seja eficaz,
tanto os clientes(placas e adaptadores WLAN) quanto a infra-estrutura (APs e switches WLAN)
deverao atualizar o software com a implementacao do padrao IEEE 802.11k.
Devido a grande complexidade da norma IEEE 802.11k, foi proposto um modelo de transicao
inspirado na ideia principal da norma, porem mais simples de ser implementado no tempo
disponıvel.
2.3 Consideracoes
Em redes IEEE 802.11 os tempos envolvidos na transmissao de quadros de dados e gerencia
sao da ordem de milisegundos, o que torna necessario que as Wireless Station (WSTA) presentes
no ESS percam o mınimo de tempo possıvel em transicoes entre direferentes BSS. Estacoes
precisam fazer varreduras antes de migrar entre BSS na rede, isso faz com que a estacao fique
sem comunicacao por tempo consideravelmente alto.
Com a ideia de usar os pontos de acesso para auxiliar na transicao de BSS, foram propostas
modificacoes no padrao IEEE 802.11 para reduzir o tempo gasto em uma transicao de BSS.
Essa proposta e descrita no capıtulo 3. O mecanismo proposto possui algumas similaridades
2.3 Consideracoes 28
com a norma IEEE 802.11k, porem o foco principal da norma e o uso da estrutura de rede para
balancear a carga nos pontos de acesso.
29
3 Materiais e Metodos
No cenario atual de redes IEEE 802.11 sem-fio, quando a estacao decide migrar de BSS
ela faz uma varredura. Que busca identificar os possıveis destinos, essa varredura pode gerar
atrasos elevados, o que prejudica algumas aplicacoes moveis. O driver da placa de rede sem-fio
so decide migrar de BSS quando a qualidade do enlace esta no limite do funcionamento, o que
gera uma elevada taxa de erros na transmissao. Para reduzir o tempo de transicao os pontos de
acesso devem auxiliar a estacao a decidir qual o momento certo para mudar e para onde migrar
com base em estimativas de qualidade de enlace da estacao. O mecanismo implementado utiliza
a estrutura da rede sem-fio para auxiliar as estacoes a realizar a transicao de BSS.
Essa capıtulo aborda proposta de um modelo de transicao com auxılio da infraestrutura, um
prototipo com equipamentos reais para demonstrar o mecanismo, e experimentos para avaliar a
melhora obtida com o uso desse mecanismo.
3.1 Modelo Proposto
Para reduzir o tempo gasto pela estacao com a varredura, propoe-se que a infra-estrutura
da rede sem-fio auxilie as estacoes a realizarem oportunamente transicoes de BSS. Para isso,
um AP deve avisar uma estacao de seu BSS para que inicie uma transicao quando detectar
que sua qualidade de enlace esteja reduzida. Esse aviso deve conter uma lista com ao menos
um outro AP com que a estacao possa manter uma boa qualidade de comunicacao. Os AP de
um ESS monitoram e avaliam as qualidades de enlace de todas as estacoes em seus alcances, e
compartilham essas informacoes entre si. Assim, esse monitoramento torna possıvel que pontos
de acesso auxiliem estacoes sobre o momento oportuno para iniciarem uma transicao e para qual
BSS migrarem.
Na figura 3.1 esta representado o processo de transicao de BSS segundo a proposta, em que
os pontos de acesso do ESS trocam informacoes periodicamente. Quando uma estacao entra na
area de cobertura de um ponto de acesso vizinho, o ponto de acesso obtem informacao sobre
3.1 Modelo Proposto 30
Figura 3.1: Modelo de transicao proposta
a qualidade do enlace da estacao. Esse ponto de acesso vai enviar dados sobre a qualidade do
enlace no proximo envio periodico, possibilitando um comparativo da qualidade de enlace da
estacao em diferentes BSS. Caso a valor da potencia de sinal recebido da estacao no ponto de
acesso de seu BSS esteja abaixo de um valor mınimo aceitavel, esse ponto de acesso envia uma
mensagem de notificacao sugerindo que a estacao inicie uma transicao de BSS. Essa mensagem
contem uma lista de identificadores de BSS vizinhos, com respectivas qualidades de enlace
em relacao a estacao em questao. Se ao menos um desses BSS ja existirem na tabela de BSS
mantida na estacao, obtida com varreduras previas, uma nova varredura nao e necessaria, e a
estacao esta apta a iniciar a transicao de BSS.
Para funcionar de forma correta o mecanismo necessita de algumas informacoes que ajudem
o ponto de acesso a emitir notificacoes de transicao de BSS para suas estacoes associadas. Alem
disso, essas notificacoes devem conter informacoes suficientes para possibilitar que as estacoes
iniciem a transicao de BSS sugerida. As informacoes envolvidas no processo sao:
• Nıvel de sinal que a estacao apresenta - Utilizado por pontos de acesso para estimar a
qualidade do enlace.
• Endereco MAC de cada ponto de acesso que consegue detectar a estacao - Utilizado
3.2 Plataforma de desenvolvimento 31
por pontos de acesso para saber onde a estacao e visıvel, quais os possıveis destinos da
estacao.
Para informar a estacao que ela deve mudar de BSS foi necessario o uso de algum tipo de
quadro presente no padrao IEEE 802.11 que possa transportar informacao de controle. Esse
e o caso de quadros de controle do tipo Action, que foi assim escolhido para a transmissao
das informacoes. Neste trabalho, os quadros Action(figura 3.2 ) contem uma lista contendo os
enderecos MAC dos AP vizinhos acompanhados das qualidades de enlace da estacao medidas
nesses AP. Com isso, o recebimento de um quadro do tipo Action inicia o processo de transicao
na estacao. A figura 3.3 exemplifica um quadro Action que contem um endereco de BSS.
Figura 3.2: Formato do quadro Action
Figura 3.3: Conteudo de um quadro Action recebido na estacao
3.2 Plataforma de desenvolvimento
A plataforma de testes e composta por computadores com o sistema operacional Linux,
onde dois softwares sao executados. Um dos softwares, chamado Hostpad, implementa o ponto
de acesso modificado e auxilia a estacao na transicao de BSS. O outro software, chamado
Wpa supplicant, e executado na estacao para habilita-la a receber quadros Action contendo
mensagens de aviso e migrar para o BSS indicado de acordo com o modelo proposto.
3.2.1 Hostapd
O Hostapd e um software de codigo aberto que implementa um ponto de acesso em um
PC com sistema operacional Linux e uma placa de rede sem-fio. O hostapd e projetado para
3.2 Plataforma de desenvolvimento 32
ser um daemon (programa que e executado em segundo plano) e atua como o componente de
autenticacao e controle de um BSS (MALINEN, ). Ele implementa ponto de acesso IEEE
802.11, servidor de Autenticacao IEEE 802.1X/WPA/WPA2/EAP, cliente RADIUS, servidor
EAP, e servidor de autenticacao RADIUS. Alem da plataforma Linux (usando drivers Host
AP, madwifi, mac80211), o hostapd tambem pode ser usado em computadores com sistema
operacional FreeBSD (com driver net80211). O Hostapd tambem e usado em firmwares de
alguns ponto de acesso comerciais baseados em Linux.
O hostapd tem em sua estrutura uma funcao de loop de eventos chamada(eloop), nessa
funcao os eventos que devem ser repetidos em um determinado intervalo de tempo sao colo-
cados. Varias dependencias ja existem no loop de eventos figura 3.4, tais como, eventos do
driver, eventos de configuracao e eventos de gerenciamento. Qual ponto a ser modificado no
hostapd deve ser colocado na lista de iniciacao do software, e caso seja algo periodico deve
estar presente no loop de eventos.
Figura 3.4: Diagrama de ligacoes no loop de enventos no hostapd (MALINEN, )
3.2.2 Wpa supplicant
O wpa supplicant e uma implementacao de software livre de um supplicant IEEE 802.11.
O wpa supplicant roda nas estacoes cliente e e responsavel pela autenticacao do usuario na rede
sem-fio e negociacao de chaves de encriptacao. Essa negociacao pode ser feita com com WPA-
PSK, em que se usa uma chave pre-compartilhada e do conhecimento de todos os usuarios da
rede sem-fio, ou WPA-EAP, em que cada usuario e autenticado individualmente de acordo com
suas credenciais. Alem disso, controla o roaming e a autenticacao e associacao IEEE 802.11 do
driver da interface de rede sem-fio. Wpa supplicant foi projetado para ser um ”daemon”ou seja,
um programa que e executado em segundo plano e atua com objetivo de controlar a conexao
sem-fio (DIENET, ).
3.3 Implementacao da proposta 33
3.3 Implementacao da proposta
Para a implementacao do mecanismo os pontos de acesso(Hostapd) foram modificados de
modo que fossem capazes de monitorar a rede e obter informacoes sobre todas as estacoes em
seu alcance e enviarem um comando para que a estacao migre. A estacao(Wpa supplicant)
por sua vez foi modificada para receber a informacao da estacao e conseguir interpreta-la para
efetuar a migracao ao ponto de acesso indicado. A figura 3.5 apresenta os componentes do
cenario onde o mecanismo foi implementado.
Figura 3.5: Panorama do cenario implementado
Hostapd
Para o funcionamento adequado no ponto de acesso (Hostapd), o mecanismo foi desen-
volvido como mostrado na figura 3.6.
O hostapd precisa estimar a qualidade de enlace das estacoes cujas transmissoes consegue
receber, o que inclui as estacoes associadas em outros BSS. Para monitorar a rede, o hostapd
ativa o modo monitor da interface sem-fio, e captura quadros vindos de estacoes que estao em
seu alcance. Atualmente, o mecanismo implementado no hostapd usa o valor de potencia de
sinal recebido e o ruido presente no canal para calcular a estimativa de qualidade de enlace.
Essa estimativa se baseia apenas na intensidade de sinal recebido, porem outros estimadores
mais apurados podem ser utilizados para o calculo dessa estimativa.
O calculo da estimativa de qualidade de enlace se baseia em uma media movel das potencias
de sinal de quadros recebidos. Assim, para cada estacao o ponto de acesso mantem uma fila
circular com as potencias de sinal dos ultimos quadros recebidos. O tamanho da fila circular e
configuravel, e determina a quantidade de valores usados para o calculo da media movel. Assim,
apenas valores recentes sao considerados no calculo da estimativa de qualidade de enlace.
Apos a obtencao de informacoes sobre alguma estacao presente na rede, o ponto de acesso
cria uma tabela onde armazena as informacoes de cada estacao. Periodicamente o ponto de
3.3 Implementacao da proposta 34
acesso envia a tabela de estacoes para o ponto de acesso vizinho. Com essa tabela um ponto de
acesso sabe se uma estacao associada esta presente na area de cobertura do seu vizinho.
Figura 3.6: Funcionamento do mecanismo no Hostapd
Quando uma estacao esta se movimentando dentro do BSS, a qualidade de enlace pode
variar. Quando a qualidade de enlace fica abaixo do mınimo aceitavel, o ponto de acesso ver-
ifica em quais BSS vizinhos a estacao e visıvel. Se ao menos um BSS reportou que a estacao
apresenta uma qualidade de enlace aceitavel, o ponto de acesso atual envia um quadro Action
contendo a lista de BSS vizinhos para que a estacao possa iniciar uma transicao.
Wpa supplicant
Para o funcionamento adequado na estacao, o wpa supplicant foi modificado para suportar o
mecanismo de transicao, como mostrado na figura 3.7. O mecanismo implementado na estacao
e desencadeado pelo recebimento de uma quadro do tipo Action contendo o endereco do BSS
para onde a estacao deve migrar. O recebimento do quadro Action na estacao indica que ela esta
com qualidade de enlace abaixo do mınimo estabelecido no BSS.
Um quadro Action enviado para a estacao contem uma lista de BSS para os quais a estacao
pode migrar, conforme mostrado na figura 3.3. Ao recebe-lo, a estacao faz uma verificacao
para saber se ao menos um dos BSS indicados no quadro Action esta presente em sua tabela
3.4 Cenarios de teste 35
de BSS (obtida de varreduras previas). Caso isso se verifique, a estacao podera iniciar uma
transicao para esse BSS. Caso nenhum BSS esteja presente na tabela de BSS, o processo e
interrompido e a estacao nao inicia uma transicao. Esse comportamento difere um pouco do
que foi inicialmente proposto, em que o quadro Action deveria conter todas as informacoes
necessarias sobre os BSS para onde uma estacao poderia migrar. O uso pelo wpa supplicant
dessas informacoes enviadas dentro de quadros Action nao foi resolvido em tempo, e assim o
wpa supplicant precisou se basear nos resultados de varreduras previas.
Figura 3.7: Funcionamento do mecanismo no Wpa supplicant
Como apresentado na secao 3.3, o processo de envio de quadros Action pelo AP e realizado
periodicamente. Assim, uma estacao com baixa qualidade de enlace pode receber repetidas
notificacoes vindas do AP, ate que efetue uma transicao de BSS ou melhore sua qualidade de
enlace. Desta forma, tao logo uma estacao realize uma varredura (ex: com background scan-
ning) e obtenha as informacoes necessarias sobre BSS vizinhos, a recepcao de uma notificacao
vinda de seu AP atual pode enfim desencadear uma transicao. Para isso, e suficiente que ao
menos um dos BSS indicados no quadro de notificacao seja enfim conhecido pela estacao.
3.4 Cenarios de teste
O objetivo dos testes e coletar informacoes sobre o tempo de transicao de uma estacao em
movimentacao entre BSS. A partir das informacoes adquiridas, deve-se avaliar o desempenho
3.4 Cenarios de teste 36
individual de cada teste realizado. Para realizacao dos testes foi utilizado um notebook e dois
PCs Desktop com placa de rede IEEE 802.11, como descritos na tabela 3.1.
Equipamento Hardware Adaptador Wireless Sistema OperacionalPCs Desktop AMD Athlon 3000+, Asus A8VM Ultra Atheros driver ath5k Ubuntu 10.10, Kernel 2.32.0
Notebook AMD RM-74 Turion X2, Atheros driver ath5k Ubuntu 10.10, Kernel 2.32.0
Tabela 3.1: Descricao do hardware de testes
Os softwares utilizados na realizacao dos testes sao descritos na tabela 3.2. Todos os testes
foram feitos usando o sistema operacional Linux como plataforma no ponto de acesso e na
estacao, sendo que, no teste sem uso do mecanismo proposto, a estacao poderia ser tambem um
cliente Windows.
Software Plataforma DescricaoHostapd Linux Software que emula o ponto de acesso
Wpa supplicant Linux Software para conectar o cliente ao ponto de acessoWireshark Linux Software utilizado para captura de pacotes durante a transicao
Tabela 3.2: Descricao do hardware de testes
Para tracar um comparativo entre as situacoes foram realizados testes em tres cenarios difer-
entes, cujas caracterısticas estao representadas na tabela 3.3. Foram utilizados dois cenarios
para os testes do mecanismo, pois foi necessario verificar seu funcionamento em um cenario
mais proximo possivel do ideal e seu comportamento em um cenario real.
Cenario sem modificacoes Cenario ideal c/ modificacao Cenario real c/ modificacaoDistancia entre APs Cerca de 20 metros cerca de 1 metro Cerca de 20 metros
Movimentacao Sim Nao Sim (LaCIP <–> LaBIC)Minima qualidade de enlace – -30dB -60dB
Tabela 3.3: Comparativo entre os testes realizados
No primeiro cenario, mostrado na figura 3.13, os pontos de acesso ficaram no Laboratorio
de Iniciacao Cientıfica(LABIC), separados por 1 m de distancia, e a estacao nao se movimentou.
Foi definido o nivel de sinal aceitavel maior que -30dB em um dos pontos de acesso, pois assim
esse ponto de acesso forcaria a estacao a migrar para seu BSS vizinho, levando em conta que a
qualidade de enlace da estacao apresentou valor entre -35dB e -40dB. A estacao foi forcada a
migrar para o ponto de acesso vizinho, pois a qualidade do enlace ficou com valor menor que
-30dB.
3.4 Cenarios de teste 37
Figura 3.8: Cenario para teste sem movimentacao da estacao
No segundo teste os pontos de acesso foram colocadas em locais diferentes, a uma distancia
de aproximadamente 20 metros. Foi garantida a existencia de uma area onde houvesse cobertura
por ambos pontos de acesso. A estacao iniciou a movimentacao proxima de um dos pontos de
acesso indo em direcao ao outro. A topologia da rede assim como os elementos presentes no
segundo cenario de testes e representada na figura 3.9.
Figura 3.9: Cenario para teste com movimentacao da estacao
3.4.1 Testes sem o mecanismo implementado
Os testes sem o uso do mecanismo buscam mostrar como funciona uma transicao de BSS
usual no padrao IEEE 802.11, alem do tempo decorrido desde o inıcio ate o final de uma
transicao. Para esse teste foi utilizado o cenario representado na figura 3.9. Como quem decide
o momento de migrar do ponto de acesso atual para um vizinho e o driver da interface sem-fio,
o momento da transicao pode variar de acordo com o driver da interface sem-fio.
A grande maioria das interfaces so decide sair do ponto de acesso ao qual esta associada
quando a potencia do sinal recebida e muito baixa e a perda de pacotes esta muito elevada.
Apos a estacao sair do ponto de acesso, o processo de varredura e iniciado para buscar um novo
BSS(LIST, ). A figura 3.10 mostra os quadros trocados entre a estacao e os pontos de acesso.
3.4 Cenarios de teste 38
Figura 3.10: Cenario para teste com movimentacao da estacao
Quando a estacao esta com a qualidade de enlace muito baixa o driver da interface sem-fio envia
ao wpa supplicant uma mensagem indicando para fazer a desautenticacao e iniciar a busca por
um novo BSS. Apos a estacao fazer a desautenticacao e iniciado o processo de varredura ativa,
no qual a estacao envia quadros Probe Request e aguarda em cada canal por uma resposta. Na
figura 3.10 e possıvel perceber que logo apos a desautenticacao a estacao envia quadros do tipo
probe. Mesmo que a estacao recebe resposta em um dos primeiros canais vasculhados ela faz a
varredura em todos os canais para entao enviar um quadro de Association Request para um BSS
vizinho, dando inicio a associacao com esse ponto de acesso.
Para estimar o atraso tıpico para completar uma transicao, foram feitas 10 medicoes do
tempo entre a desautenticacao e o pedido de associacao com o novo ponto de acesso, como
mostrado na tabela 3.4. O tempo de todas as transicoes ficou entre 4,21 segundos e 4,64 segun-
dos.
A figura 3.11 representa o tempo de cada transicao feita sem o uso do mecanismo. Em
todos os casos, foi necessaria uma varredura para identificar o ponto de acesso destino. A
atraso gerado entre a desautenticacao e o pedido de associacao com novo ponto de acesso, e
referente a varredura. A varredura foi o tempo gasto pela estacao na realizacao de uma busca
por pontos de acesso apos a desautenticacao para descobrir com qual BSS pode se associar.
3.4 Cenarios de teste 39
No Teste Desautenticacao (s) Inicio da Associacao (s) Intervalo (s)1 40,860498 45,302871 4,4423732 49,417458 53,719455 4,3019973 21,690892 26,182115 4,4912234 30,536674 34,912731 4,3760575 59.606293 64,162659 4,5563666 16,532285 21,051929 4,5196447 65,374123 70,021468 4,6473458 78,478255 82,697126 4,2188719 87,378207 91,934728 4,55652110 112,365892 117,012361 4,646469
Tabela 3.4: Intervalo desautenticacao e inicio da associacao com novo ponto de acesso
Figura 3.11: Tempo entre desautenticacao e pedido de associacao com novo ponto de acesso
3.4 Cenarios de teste 40
O tempo por volta de 4 segundos para que a estacao faca a transicao entre BSS e muito
elevado. Tendo em vista que a transmissao de um quadro na rede sem-fio e da ordem de milise-
gundos, a interrupcao de comunicacao decorrente de uma transicao no modelo atual impede a
transmissao de muitos quadros entre a estacao e a rede. O atraso resultante para uma aplicacao
que esteja sendo executada na estacao pode causar uma reducao significativa de qualidade de
servico (por exemplo, uma conversacao VoIP). Assim, o mecanismo de transicao atual nao
parece adequado para estacoes moveis.
3.4.2 Testes com o mecanismo proposto
Para avaliar o mecanismo de transicao rapida proposto, dois tipos de testes foram feitos:
• Teste forcado em um cenario ideal - Para mostrar que o mecanismo funciona em um
cenario artificial com condicoes ideais para a transicao em um cenario onde todos os
elementos estao proximos.
• Teste feito com um ponto de acesso distante do outro sem forcar o momento de
transicao - Para mostrar o funcionamento do mecanismo em um cenario real.
Teste em cenario ideal
Nos testes em cenario ideal, a estacao e forcada a se associar ao ponto de acesso com a
qualidade de enlace mınimo mais alto(-30dB). Isso tem por objetivo forcar o ponto de acesso a
enviar um quadro Action com indicacao de um vizinho destino assim que a estacao se associar.
Durante os testes a captura dos pacotes trocados entre a estacao e o ponto de acesso foi feito
por meio do software de captura de pacotes Wireshark.
Quando uma estacao recebe um quadro Action, inicia-se uma transicao para o BSS indi-
cado por meio desse quadro como explicado na secao 3.3. Na figura 3.12 e mostrada a troca
de mensagens capturada em uma transicao. Nota-se que a estacao nao faz varredura antes de
migrar para o novo BSS. Assim, logo apos o recebimento do quadro Action a estacao envia o
pedido de associacao para o BSS destino.
Figura 3.12: Captura de pacotes mostrando o processo de transicao
3.4 Cenarios de teste 41
Os tempos referentes aos testes feitos com cenario ideal e apresentado na tabela 3.5. Em
70% dos casos o inicio da associacao entre a estacao e o novo ponto de acesso ocorreu antes de
3 milisegundos, em 80% ocorreu antes de 4 milisegundos e em 20 % dos casos ocorreu acima
de 10 milisegundos.
No Teste Recebimento Action (s) Inicio da Associacao (s) Intervalo (ms)1 439,137731 439,140443 2,7122 538,147940 538,150774 2,8343 607,154423 607,194214 39,7914 718,166031 718,168724 2,6935 778,172351 778,185139 12,7886 904,184448 904,187131 2,6837 964,190831 964,193568 2,7378 1159,266740 1159,270351 3,6119 1345,286664 1345,289443 2,77910 1501,30283 1501,305596 2,766
Tabela 3.5: Intervalo entre recebimento do quadro Action e inicio da associacao
Figura 3.13: Tempo entre o recebimento do quadro Action e o pedido de associacao com oBSS indicado
Na figura 3.13 o grafico representada cada transicao entre a estacao e o BSS destino, no
cenario ideal em nenhuma ocasiao a estacao precisou fazer uma varredura antes de migrar. Isso
deve-se ao fato de que a estacao ja conhecia o ponto de acesso vizinho. Isso e possivel pois a
estacao fez background scanning em seu tempo ocioso, nesse background scanning a estacao
conheceu todos os pontos de acesso em seu alcance.
Em um cenario ideal ficou constatado que a estacao nao precisou fazer uma varredura para
descobrir para onde deveria ir, pois ja conhecia o destino indicado no quadro Action. Isso reduz
3.4 Cenarios de teste 42
muito o tempo gasto no processo de transicao visto que nao e necessario vasculhar cada canal
em busca de um ponto de acesso destino.
Teste com estacao em movimento
Para a realizacao dos testes com a estacao em movimento os pontos de acesso foram
distribuidos em locais afastados um do outro. Um deles ficou no Laboratorio de Iniciacao
Cientıfica(LABIC) e o outro no Laboratorio de Convergencia IP(LaCIP). A estacao foi deslo-
cada entre os dois pontos de acesso, como representado na figura 3.14.
Figura 3.14: Cenario real utilizado no teste
Na realizacao do teste em cenario real, a estacao foi inicialmente associada ao ponto de
acesso presente no LaCIP. Em seguida, a estacao foi movida em direcao ao LaBIC, e de la
retornou para o LaCIP . Durante a movimentacao, o wireshark esteve em execucao na estacao
para capturar os quadros transmitidos durante o processo. Com isso foi possıvel identificar o
quadro Action e o pedido de associacao com o BSS vizinho.
A figura 3.15 mostra uma das capturas feitas por meio do wireshark. Nela e possivel perce-
ber que, apos o recebimento do quadro Action, nao existe nenhum quadro probe request, o que
mostra que a estacao nao fez uma varredura antes de migrar para o ponto de acesso indicado.
Figura 3.15: Captura de pacotes na transicao com mecanismo implementado
Na tabela 3.6 sao mostrados os tempos entre a chegada de um quadro Action na estacao e
o pedido de associacao com o novo BSS. No cenario com movimentacao, 70% das transicoes
ocorrem em menos de 40 milisegundos, 90% ocorrem em menos de 1 segundo e apenas 10%
3.4 Cenarios de teste 43
acima de 1 segundo. Em nenhum dos casos houve varredura, sendo que, quando a estacao
nao conhece o BSS destino, ela aborta o processo de transicao, e se mantem conectada com o
BSS atual ate que conheca o destino indicado no quadro Action. O numero de quadros Action
recebidos pela estacao e mostrado na tabela 3.6, quando um quadro Action e recebido e a estacao
nao tem o BSS indicado em sua BSS table o processo de transicao nao e iniciado, e a estacao se
mantem conectada no BSS atual ate que conheca o BSS destino ou o nıvel de sinal melhore.
No Teste Recebimento Action (s) Inicio da Associacao (s) Intervalo (ms) Actions recebidos1 167,208338 169,036569 1828,231 82 303,211128 303,234758 13,63 13 646,755832 646,788837 33,005 24 396,843912 397,816206 972,294 55 777,409401 777,420537 11,136 16 774,408736 774,411748 3,012 17 963,547859 963,886821 338,962 28 966,550081 966,553060 2,979 19 1191,835674 1191,864804 29,13 2
10 1314,886540 1314,901485 14,945 1
Tabela 3.6: Intervalo entre recebimento do quadro Action e inicio da associacao
O grafico apresentado na figura 3.16 mostra a distribuicao do tempo das transicoes, em
nenhum dos casos a estacao precisou fazer uma varredura ativa para encontrar o BSS indicado
no conteudo do quadro Action, pois esse BSS ja fazia parte da BSS table da estacao.
Figura 3.16: Tempo entre recebimento do quadro Action e inicio da associacao
Nos testes onde existiu movimentacao a variacao de tempo foi maior que nos testes em um
cenario ideal, porem mesmo assim os tempos obtidos na transicao foram muito menores que os
tempo sem o mecanismo de transicao rapida.
3.5 Consideracoes finais 44
3.5 Consideracoes finais
Neste capitulo a proposta de transicao foi apresentada, assim como seu desenvolvimento
de todos os softwares envolvidos no processo. Os testes que confrontaram o cenario sem o
mecanismo e o cenario com o mecanismo, mostraram que o mecanismo reduziu o tempo gasto
em uma transicao de BSS, diminuindo assim o tempo que a estacao fica sem comunicacao com
a rede.
45
4 Conclusoes
Esse projeto propos um mecanismo para reduzir a duracao de transicoes entre BSS em
redes sem-fio IEEE 802.11. O mecanismo proposto busca o uso dos pontos de acesso de uma
rede para monitorar estacoes e decidir qual o momento adequado para realizar uma transicao de
BSS. O tempo de transicao entre os BSS pode ser reduzido com o auxilio dos pontos de acesso
do BSS, que, por meio de troca de mensagens entre si e envio de mensagens para as estacoes
definem quando e para onde a estacao deve migrar.
O mecanismo de transicao rapida implementado proporcionou que estacoes moveis rece-
bam indicacao de seus respectivos pontos de acesso no momento em que devem fazer uma
transicao e consigam realizar a transicao para o BSS indicado no quadro action. O mecanismo
mostrou-se eficaz pois com o auxilio da estrutura da rede para a transicao de BSS o tempo e
drasticamente reduzido.
Dentro da proposta inicial os pontos de acesso monitoram a rede e decidem quando uma
estacao deve migrar, nao e necessario que a estacao realize uma varredura ativa sendo que o
ponto de acesso informa para qual BSS migrar, porem o processo ainda depende do conheci-
mento previo do BSS destino por parte da estacao. Nao foi possıvel enviar todas as informacoes
sobre o BSS destino para a estacao. Caso essas informacoes sobre o BSS forem enviadas para
a estacao, e ela consiga interpreta-las nao sera necessario ter o BSS destino presente na BSS
table. Foi decidido nao usar informacoes sobre o numero de estacoes associadas em cada ponto
de acesso, nem sobre a taxa de erros de cada estacao, para que o desenvolvimento do projeto
fosse possıvel no tempo disponıvel.
4.1 Trabalhos Futuros 46
4.1 Trabalhos Futuros
Como propostas de trabalhos futuros ha a possibilidade de incluir mais informacoes sobre o
ESS na analise realizada pelos pontos de acesso, tais como, numero de estacoes associadas cada
BSS, que poderia ser usado na decisao de migrar para o BSS com menos estacoes associadas. A
taxa de erros no enlace de cada estacao associada tambem poderia ser incluıdo, pois com uma
taxa elevada de erros a transicao poderia ser adiantada. Outra proposta seria que os pontos de
acesso monitorassem todos os canais em uso, em busca de todos os BSS da rede que operam
em diferentes canais.
Outra melhoria possıvel diz respeito a identificacao de BSS vizinhos pelas estacoes, quando
a estacao nao conhecer o BSS indicado no quadro Action uma varredura poderia ser feita assim
que possıvel. Porem o uso da varredura seria descartado caso as informacoes contidas em
quadros Action contivessem as informacoes necessarias para que a estacao fizesse a transicao
para o BSS indicado.
47
Lista de Abreviaturas
BSS Basic Station Set
ESS Extended Service Set
AP Access Point
RSSI Received Signal Strenght indicator
SSID Service Set Identifier
MAC Media Access Control
LLC Logical Link Control
PHY Physical
CSMA/CA Carrier sense multiple access with collision avoidance
SNR Signal-to-Noise Ratio
LAN Local Area Network
WSTA Wireless Station
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
WSTA Wireless Station
DS Distribution System
PSM Power Save Mode
48
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