06 - Wi-Fi

Introdução

Conceitos básicos

Durante muito tempo só foi possível interconectar computadores através de cabos e, para tanto, modificações de ambientes onde estavam os computadores, envolviam consequentemente mudanças e adaptações na estrutura do prédio para a passagem de fios. Atualmente, é possível evitar esses e outros problemas com o uso da tecnologia Wi-Fi (ou simplesmente WiFi), a qual permite a interconexão de computadores através de uma rede sem fio (wireless).
Assim, uma Wireless LAN (WLAN) é uma rede local sem fio padronizada pelo IEEE 802.11. É conhecida também pelo nome de Wi-Fi, abreviatura de “wireless fidelity” (fidelidade sem fios) e marca registrada pertencente à Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA).

Fornecedores/desenvolvedores

O Comitê 802 do IEEE, "Institute of Electrical and Electronics Engineers" dos Estados Unidos, é o grupo que lidera a padronização de redes locais (LANs) e Metropolitanas (MANs) a nível mundial.
Existem diversos fornecedores/desenvolvedores de equipamentos para as redes Wi-Fi, dentre eles podemos citar como principais:
- D-Link;
- Linksys;
- Cisco;
- TP-Link;
- 3Com;
- Netgear;
- Intelbras, etc.

Cronologia

A idéia de se criar redes sem fio não é nova. A indústria se preocupa com essa questão há tempos, mas a falta de padronização de normas e especificações se mostrou como um empecilho, afinal, vários grupos de pesquisa existentes trabalhavam com propostas diferentes. Por esta razão, algumas empresas, como 3Com, Nokia, Lucent Technologies (atualmente Alcatel-Lucent) e Symbol Technologies (adquirida pela Motorola), se uniram para criar um grupo para lidar com essa questão e, assim, nasceu em 1999 a Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), que passou a se chamar Wi-Fi Alliance, em 2003. Assim como acontece com outros consórcios de padronização de tecnologias, o número de empresas que se associam à Wi-Fi Alliance aumenta constantemente. No momento em que esse artigo era escrito, o grupo contava com a participação de mais de 300 empresas e entidades.

A WECA passou a trabalhar com as especificações IEEE 802.11 que, na verdade, não é muito diferente das especificações IEEE 802.3. Esta última é conhecida pelo nome Ethernet e simplesmente consiste na grande maioria das tradicionais redes com fio. Essencialmente, o que muda de um padrão para o outro são suas características de conexão: um tipo funciona com cabos, o outro, por radiofreqüência. A vantagem disso é que não é necessária a criação de nenhum protocolo específico para a comunicação de redes sem fios baseada nessa tecnologia. Além disso, é possível ter redes que utilizam ambos os padrões.

Com um caminho a seguir, a WECA ainda precisava lidar com outra questão: um nome apropriado à tecnologia, que fosse de fácil pronúncia e que permitisse rápida associação à sua proposta, isto é, às redes sem fio. Para isso, a WECA contratou uma empresa especializada em marcas, a Interbrand, que acabou criando não só a denominação Wi-Fi (provavelmente com base no tal termo "Wileress Fidelity"), como também o logotipo da tecnologia. A idéia deu tão certo que a WECA decidiu por mudar o seu nome em 2003 para Wi-Fi Alliance, conforme já informado.

Seguem abaixo a cronologia dos principais acontecimentos desta tecnologia:

• 1955: o Federal Communications Commission (FCC), órgão americano responsável pela regulamentação do uso do espectro de frequências, autorizou o uso de três faixas de frequência;
  
• 1990: o Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) instaurou um comitê para definição de um padrão para conectividade sem fio;
  
• 1997: após sete anos de pesquisa e desenvolvimento, o comitê de padronização da IEEE aprovou o padrão IEEE 802.11; nessa versão inicial, as taxas de transmissão nominais atingiam 1 e 2 Mbps;
  
• 1999: foram aprovados os padrões IEEE 802.11b e 802.11a, que usam as frequências de 2,4 e 5 GHz e são capazes de atingir taxas nominais de transmissão de 11 e 54 Mbps, respectivamente. O padrão 802.11b, apesar de atingir taxas de transmissão menores, ganhou fatias maiores de mercado do que 802.11a; as razões para isso foram basicamente duas: primeiro, as interfaces 802.11b eram mais baratas do que as 802.11a e, segundo, as implementações de 802.11b foram lançadas no mercado antes do que as implementações de 802.11a. Além disso, nesse ano foi criada a Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), que se organizou com o objetivo de garantir a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes;
  
• 2000: surgiram os primeiros hot spots, que são áreas públicas onde é possível acessar a Internet por meio das redes IEEE 802.11. A WECA lançou o selo Wireless Fidelity (Wi-Fi) para testar a adesão dos fabricantes dos produtos às especificações; mais tarde o termo Wi-Fi tornou-se um sinônimo de uso abrangente das tecnologias IEEE 802.11;
  
• 2001: a companhia americana de cafeterias Starbucks implementou hot spots em sua rede de lojas. Os pesquisadores Scott Fluhrer, Itsik Mantin e Adi Shamir demonstraram que o protocolo de segurança Wired Equivalent Privacy (WEP) é inseguro;
  
• 2002: a WECA passou a se chamar Wi-Fi Alliance (WFA) e lançou o protocolo Wi-Fi Protected Access (WPA) em substituição ao protocolo WEP;
  
• 2003: o comitê de padronização da IEEE aprovou o padrão IEEE 802.11g que, assim como 802.11b, trabalha na frequência de 2,4 GHz, mas alcança até 54 Mbps de taxa nominal de transmissão. Aprovou também, sob a sigla IEEE 802.11f, a recomendação de práticas para implementação de handoff;
  
• 2004: a especificação 802.11i aumentou consideravelmente a segurança, definindo melhores procedimentos para autenticação, autorização e criptografia;
  
• 2005: foi aprovada a especificação 802.11e, agregando qualidade de serviço (QoS) às redes IEEE 802.11. Foram lançados comercialmente os primeiros pontos de acesso trazendo pré-implementações da especificação IEEE 802.11e;
  
• 2006: surgiram as pré-implementações do padrão 802.11n, que usa múltiplas antenas para transmissão e recepção, Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), atingindo taxa nominal de transmissão de até 600 Mbps;
  
• 2009: foi aprovada a versão final da especificação 802.11n.

Pontos relevantes

Podemos citar como principais vantagens das redes wi-fi os seguintes itens:

• Não exige o uso de cabos, já que efetuam a transmissão de dados através da radiofrequência;
  
• Total compatibilidade dos padrões IEEE 802.11 e IEEE 802.3;
  
• Possibilidade de implementar redes que conectam computadores e outros dispositivos compatíveis (telefones celulares, televisões, consoles de videogame, impressoras, etc) que estejam próximos geograficamente;
  
• Permite ao usuário utilizar a rede em qualquer ponto dentro dos limites de alcance da transmissão;
  
• Permite a inserção rápida de outros computadores e dispositivos na rede;
  
• Evita que paredes sejam furadas ou adaptadas para a passagem de fios.
  

A flexibilidade do Wi-Fi é tão grande, que se tornou viável a implementação de redes que fazem uso dessa tecnologia nos mais variados lugares, principalmente pelo fato das vantagens citadas anteriormente resultarem em diminuição de custos. Assim sendo, é comum encontrar redes Wi-Fi disponíveis em hotéis, aeroportos, rodoviárias, bares, restaurantes, shoppings, escolas, universidades, escritórios, hospitais, etc, que oferecem acesso à internet, muitas vezes de maneira gratuita. Para utilizar essas redes, basta ao usuário ter algum laptop, smartphone ou qualquer dispositivo compatível com Wi-Fi.

Funcionamento

Princípios básicos de funcionamento

• 802.11 (original)
  

A primeira versão do padrão 802.11 foi lançada em 1997, após 7 anos de estudos, aproximadamente. Com o surgimento de novas versões, a versão original passou a ser conhecida como 802.11-1997 ou, ainda, como 802.11 legacy (aqui chamada de "802.11 original"). Por se tratar de uma tecnologia de transmissão por radiofreqüência, o IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) determinou que o padrão operasse no intervalo de freqüências entre 2,4 GHz e 2,4835 GHz. Sua taxa de transmissão de dados era de 1 Mbps a 2 Mbps e era possível usar as técnicas de transmissão Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) e Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Ambas as técnicas permitem transmissões utilizando vários canais dentro de uma freqüência, no entanto, a DSSS cria vários segmentos da informações transmitidas e as envia simultaneamente aos canais. A técnica FHSS, por sua vez, utiliza um esquema de salto de freqüência, onde a informação transmitida utiliza um determinada freqüência em um certo período e, no outro, utiliza outra freqüência. Essa característica faz com que o FHSS tenha velocidade de transmissão de dados um pouco menor, por outro lado, torna a transmissão menos suscetível à interferências, uma vez que a freqüência utilizada muda constantemente. O DSSS acaba sendo mais rápido, mas tem maiores chances de sofrer interferência, uma vez que faz uso de todos os canais ao mesmo tempo.

• 802.11b
  

Em 1999, foi lançado uma atualização do padrão 802.11 que recebeu o nome 802.11b. A principal característica dessa versão é a possibilidade de estabelecer conexões nas seguintes velocidades de transmissão: 1 Mbps, 2 Mbps, 5,5 Mbps e 11 Mbps. O intervalo de freqüências é o mesmo utilizado pelo 802.11 original (entre 2,4 GHz e 2,4835 GHz), mas a técnica de transmissão se limita ao DSSS, uma vez que o FHSS acaba não atendendo às normas estabelecidas pela Federal Communications Commission (FCC) quando opera em transmissões com taxas superiores a 2 Mbps. Para trabalhar de maneira efetiva com as velocidades de 5.5 Mbps e 11 Mbps, o 802.11b também utiliza uma técnica chamada Complementary Code Keying (CCK).
A área de cobertura de uma transmissão 802.11b pode chegar, teoricamente, a 400 metros em ambientes abertos e pode atingir uma faixa de 50 metros em lugares fechados (tais como escritórios e residências). É importante frisar, no entanto, que o alcance da transmissão pode sofrer influência de uma série de fatores, tais como de objetos que causam interferência ou impedem a propagação da transmissão a partir do ponto em que está localizado.
É interessante notar que, para manter a transmissão o mais funcional possível, o padrão 802.11b (e os padrões sucessores) pode fazer com que a taxa de transmissão de dados diminua até chegar ao seu limite (1 Mbps) à medida em que uma estação fica mais longe do ponto de acesso. O contrário também existe: quanto mais perto do ponto de acesso, maior a velocidade de transmissão.
O padrão 802.11b foi o primeiro a ser adotado em larga escala, sendo, portanto, um dos responsáveis pela popularização das redes Wi-Fi.

• 802.11a
  

O padrão 802.11a foi disponibilizado no final do ano de 1999, quase que na mesma época que a versão 802.11b. Sua principal característica é a possibilidade de operar com taxas de transmissão de dados no seguintes valores: 6 Mbps, 9 Mbps, 12 Mbps, 18 Mbps, 24 Mbps, 36 Mbps, 48 Mbps e 54 Mbps. O alcance geográfico de sua transmissão é de cerca de 50 metros. No entanto, a sua freqüência de operação é diferente do padrão 802.11 original: 5 GHz. Por um lado, o uso dessa freqüência é conveniente por apresentar menos possibilidades de interferência, afinal, essa valor é pouco usado. Por outro, pode trazer determinados problemas, já que muitos países não possuem regulamento para essa freqüência. Além disso, essa característica pode fazer com que haja dificuldades de comunicação com dispositivos que operam nos padrões 802.11 original e 802.11b.
Um detalhe importante, é que ao invés de utilizar DSSS ou FHSS, o padrão 802.11a faz uso de uma técnica conhecida como Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Nela, a informação a ser transmitida é dividida em vários pequenos conjuntos de dados que são transmitidos simultaneamente em diferentes freqüências. Essas freqüências são utlizadas de uma forma que impede que uma interfira na outra, fazendo com que a técnica OFDM funcione de maneira bastante satisfatória.
Apesar de oferecer taxas de transmissão maiores, o padrão 802.11a não chegou a ser tão popular quanto o padrão 802.11b.

• 802.11g
  

O padrão 802.11g foi disponibilizado em 2003 e é tido como o sucessor natural da versão 802.11b, uma vez que é totalmente compatível com este. Isso significa que um dispositivo que opera com 802.11g pode "conversar" com outro que trabalha com 802.11b sem qualquer problema, exceto o fato de que a taxa de transmissão de dados é, naturalmente, limitava ao máximo suportado por este último.
O principal atrativo do padrão 802.11g é poder operar com taxas de transmissão de até 54 Mbps, assim como acontece com o padrão 802.11a. No entanto, ao contrário dessa versão, o 802.11g opera com freqüências na faixa de 2,4 GHz e possui praticamente o mesmo poder de cobertura do seu antecessor, o padrão 802.11b. A técnica de transmissão utilizada nessa versão também é o OFDM, todavia, quando é feita comunicação com um dispositivo 802.11b, a técnica de transmissão passa a ser o DSSS.

• 802.11n
  

O padrão 802.11g ainda é o mais utilizado para redes Wi-Fi, no entanto, a maioria dos vários equipamentos vendidos hoje, trabalham também com o padrão 802.11n, cujo desenvolvimento se iniciou em 2004, sendo com isso, o sucessor natural do 802.11g.
O 802.11n tem como principal característica o uso de um esquema chamado Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), capaz de aumentar consideravelmente as taxas de transferência de dados através da combinação de várias vias de transmissão. Assim sendo, é possível, por exemplo, usar dois, três ou quatro emissores e receptores para o funcionamento da rede. Uma das configurações mais comuns neste caso é o uso de APs que utilizam três antenas (três vias de transmissão) e STAs com a mesma quantidade de receptores. Somando essa característica de combinação com o aprimoramento de suas especificações, o padrão 802.11n é capaz de fazer transmissões na faixa de 300 Mbps e, teoricamente, pode atingir taxas de até 600 Mbps.
Em relação à sua freqüência, o padrão 802.11n pode trabalhar com as faixas de 2,4 GHz e 5 GHz, o que o torna compatível com os padrões anteriores, inclusive com o 802.11a (pelo menos, teoricamente). Sua técnica de transmissão padrão é o OFDM, mas com determinadas alterações, devido ao uso do esquema MIMO, sendo, por isso, muitas vezes chamado de MIMO-OFDM. Alguns estudos apontam que sua área de cobertura pode passar de 400 metros.

• Outros padrões 802.11
  

O padrão IEEE 802.11 teve (e terá) outras versões além das mencionadas anteriormente, que não se tornaram populares por diversos motivos. Um deles é o padrão 802.11d, que é aplicado apenas em alguns países onde, por algum motivo, não é possível utilizar alguns dos outros padrões estabelecidos. Outro exemplo é o padrão 802.11e, cujo foco principal é o QoS (Quality of Service) das transmissões, isto é, a qualidade do serviço. Isso torna esse padrão interessante para aplicações que são severamente prejudicadas por ruídos (interferências), tais como as comunicações por VoIP.
Há também o padrão 802.11f, que trabalha com um esquema conhecido como handoff. Em poucas palavras, esse esquema faz com que um determinado dispositivo se desconecte de um AP (lembrando, um Access Point - ponto de acesso) de sinal fraco e se conecte em outro, de sinal mais forte, dentro da mesma rede. O problema é que alguns fatores podem fazer com que esse procedimento não ocorra da maneira devida, causando transtornos ao usuário. As especificações 802.11f (também conhecido como Inter-Access Point Protocol) fazem com que haja melhor interoperabilidade entre os APs para diminuir esses problemas.
Também merece destaque o padrão 802.11h. Na verdade, este nada mais é do que uma versão do 802.11a que conta com recursos de alteração de freqüência e controle do sinal devido ao fato da freqüência de 5 GHz (usada pelo 802.11a) ser aplicada em diversos sistemas na Europa. Há ainda o 802.11i, que será explicado no tópico a seguir (você verá o porquê).
Há vários outras especificações, mas a não ser por motivos específicos, é conveniente trabalhar com as versões mais populares, preferencialmente com a mais recente.

OBS: Apenas os produtos certificados (um processo relativamente caro e demorado) podem ostentar o logo "Wi-Fi Certified", de forma que muitos produtos, sobretudo os produtos mais baratos não passam pela certificação e não são vendidos como produtos Wi-Fi, embora isso não signifique necessariamente que eles sejam incompatíveis ou de qualidade inferior.

Fluxo de transmissão/recepção

Topologia/arquitetura

A topologia que é mais utilizada atualmente principalmente entre os usuários domésticos e empresas de pequeno porte é um modem fazendo a conversão de outros meios para ethernet e, em seguida, temos os pontos de distribuição wi-fi, conforme topologia abaixo:

Uma outra topologia que está passando a ser muito utilizada para clientes de maior porte, que por sua vez, muitas vezes precisam de vários pontos de distribuição wireless (ex: aeroportos, syber cafe, empresas, condomínios e casas que possuem grandes espaços), é a topologia com repetidores wi-fi, conforme mostrado abaixo:

Elementos

Os principais elementos das redes do padrão IEEE 802.11 são:

• BSS (Basic Service Set) – ou Conjunto Básico de Serviço, representa um grupo de estações comunicando-se por radiodifusão em uma BSA.
  
• Ponto de acesso (Access Point – AP) – são estações especiais responsáveis pela captura das transmissões realizadas pelas estações de sua BSA, destinadas a estações localizadas em outras BSAs, retransmitindo-as, usando um sistema de distribuição.