IER60808: Redes de acesso

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As redes de acesso interligam os usuários com a rede mundial. Sua função principal é prover o acesso dos mesmos a informações de dados, voz e vídeo através de serviços prestados por operadoras (fonte: Tutorial Redes Óticas). Quer dizer, uma rede de acesso é a parte de uma rede de telecomunicações que conecta os assinantes ao seu provedor de serviços imediato (fonte: wikipedia).


IER-Access-network.png
A rede de acesso e sua relação com o núcleo de uma rede de Telecomunicações (fonte)


Um provedor de acesso fornece um serviço de dados para seus clientes. Os links de acesso dos clientes têm características diferentes daqueles usados na rede local interna do provedor:

  • A quantidade de pontos de acesso é muito maior do que na rede local interna
  • Taxas de bits devem poder ser limitadas tanto para upstream quanto downstream
  • As distâncias entre equipamentos do provedor e os clientes são maiores, podendo chegar a alguns quilômetros
  • Existem diferentes tecnologias para implantar os links de acesso (EPON, GPON, xDSL, MetroEthernet, IEEE 802.11 PTMP, LTE, ...), ao contrário da rede local interna, onde tipicamente se usa somente Ethernet para rede cabeada e WiFi para rede sem-fio
  • Os custos para implantação e operação desses links são significativos, devido às distâncias e tecnologias envolvidas


Os primeiros provedores de acesso, nos primórdios da Internet (meados dos anos 90 até início dos anos 2000), usavam acesso discado. Para a realidade da época era uma escolha racional: a rede telefônica fixa atendia a maioria dos lares, e era possível transferir dados através de circuitos telefônicos. Apesar de esses links serem lentos para os padrões atuais (taxas na ordem de 30 kbps), terem baixa qualidade (muitos erros de transmissão), e serem caros (custo em função do tempo de uso), era o que havia e atendia a grande demanda das pessoas por acesso a Internet. Esse tipo de acesso somente caiu em desuso com o surgimento do ADSL, no final dos anos 90 e início dos anos 2000, que fornecia taxas de dados bem superiores e menor custo. O acesso com ADSL ainda é usado em larga escala, porém outras tecnologias despontam e a tendência é que o suplantem.

Uma característica comum às tecnologias de acesso citadas, seja acesso discado, ADSL ou similares (como ISDN, que não se popularizou), é estarem no domínio de operadoras de dados. Particularmente no Brasil, essas empresas nasceram dentro das grandes empresas de telecomunicações existentes, tais como as companhias telefônicas. Assim, o atendimento de clientes era feito usando infraestrutura e serviços dessas empresas, cabendo aos provedores de acesso complementarem os serviços de dados. As tecnologias envolvidas, e a rede de distribuição para atender os clientes, envolviam grandes investimentos. Porém as novas tecnologias de dados que vêm sendo adotadas têm menor custo, e podem ser implantadas em escalas menores e ainda serem viáveis. Isso tem viabilizado o surgimento de uma nova geração de provedores de acesso que não mais dependem da infraestrutura dessas grandes operadoras para implantarem links de dados para seus clientes.

Estrutura da rede MAN e acesso

Uma rede MAN envolve a infraestrutura e tecnologias para interligar equipamentos de comunicação no alcance típico de uma cidade. Essa grande rede pode ser decomposta em três partes:

  • Acesso: a rede de acesso se situa na borda da MAN, sendo composta por equipamentos que implantam os enlaces de acesso dos usuários da rede. Existem diversas tecnologias de acesso, como visto na aula anterior, tais como aquelas baseadas em comunicação sem-fio (Wifi, 3G, 4G, 5G), baseadas em fibra (GPON, EPON, Ethernet), ou em cabos metálicos (xDSL, DOCSIS).
  • Agregação: a rede de agregação interliga os equipamentos de acesso, fazendo a intermediação entre eles e o núcleo da rede. Tecnologias típicas nesse nível são MetroEthernet e .
  • Núcleo: o núcleo da rede integra todos os equipamentos de agregação da rede, sendo possivelmente interligada com outras redes (ex: rede de operadoras). Tecnologias típicas nesse nível são IP/MPLS.

A figura a seguir exemplifica uma rede MAN com esses níveis de organização:

PJI3-man-arch.png
Uma possível MAN (fonte da imagem)

Tecnologias de acesso

No escopo de um provedor metropolitano, algumas tecnologias de acesso têm se apresentado recentemente:

  • Na categoria FTTx destacam-se GPON e EPON:
    • GPON: usa fibra ótica passiva, com taxas típicas de até 2.5 Gbps e facilidades para condicionamento de tráfego. Segue o padrão ITU-T G.984. Essa tecnologia foi atualizada para taxas de até 10 Gbps, sendo então denominada xGPON.
    • EPON: também usa fibra ótica passiva, porém com limitações se comparada a GPON (e menor custo). Apresenta taxas de 1 Gbps ou 10Gbps (versão 10G-EPON), e se baseia no padrão IEEE 802.3ah, que é uma variação de Ethernet feita para última-milha.
  • PTMP: usa enlaces sem-fio ponto-multiponto, e se baseia tipicamente em uma versão modificada do padrão IEEE 802.11 (wifi), para que se adapte a links com maiores distâncias
  • VDSL: esta versão turbinada do ADSL pode ser usada combinada com GPON para atender clientes de um condomínio
  • MetroEthernet: disponibiliza enlaces Ethernet adaptados para longas distâncias
  • LTE: tecnologia de dados para dispositivos móveis nascida para os sistemas celulares, porém passível de ser usada para enlaces de acesso em menor escala (ver por exemplo esta linha de produtos de um fabricante da Grande Florianópolis)


Pji3-Tecnologias-acesso.jpg
Tecnologias de acesso (obtido desta fonte)


No caso de um provedor hipotético a ser implantado, é útil avaliar quais tecnologias podem ser usadas. Inicialmente vale revisar o que os provedores existentes utilizam, pois isso é um indicador de quais tecnologias estão mais popularizadas, têm menores custos e estão mais maduras.

Atividade

Revise as tecnologias usadas pelos provedores de acesso identificados na etapa 1.

Acesso sem-fio PTMP

Um provedor pode oferecer links de dados sem-fio para seus clientes. Isso tem a vantagem de não exigir infraestrutura entre provedor e cliente (cabos e equipamentos de interconexão), apresentando baixo custo de implantação. O atendimento de múltiplos clientes pelo provedor se apresenta como um cenário denominado PTMP (Ponto Multiponto, ou Point To MultiPoint no original em inglês). No provedor reside a estação base, e cada cliente usa um roteador sem-fio para estabelecer seu enlace. Esse cenário PTMP pode ser visto na seguinte figura.

Pji3-Ptmp.jpg


Redes sem-fio PTMP como essa são atualmente implementadas com base no padrão IEEE 802.11 (Wifi), porém com modificações para adaptá-lo a links de longa distância. A ideia é basicamente:

  1. A estação base transmite tráfego em downstream para os CPEs.
  2. O tráfego em upstream (CPEs para base) é feito com uma forma de TDMA sob o comando da base. A base pode, por exemplo, enviar ciclicamente uma mensagem para cada CPE convidando-o a transmitir por um tempo limitado.

Assim, podem-se ter as taxas de bits atuais do Wifi (ex: 150 Mbps ou 300 Mbps para IEEE 802.11n), além das funcionalidades bem conhecidas do Wifi.

Alguns exemplos de produtos que aplicam esses conceitos para prover enlaces PTMP são estes:

Atividades

Informações gerais

Foram instalados 6 roteadores sem-fio modelo WOM 5000i no laboratório de Redes. Eles podem ser acessados via interface web ou SSH, usando estas credenciais:

  • Usuário: admin
  • Senha: ifsc

Os WOM 5000 estão na subrede 10.0.0.0/24, usada para acesso às suas interfaces de gerenciamento. A tabela a seguir contém os endereços IP dos roteadores sem-fio:

Nome do roteador Endereço IP Firmware
IFSC_1 10.0.0.240 Cliente
IFSC_2 10.0.0.241 Cliente
IFSC_3 10.0.0.242 AP
IFSC_4 10.0.0.243 AP
IFSC_5 10.0.0.244 Cliente
IFSC_6 10.0.0.245 AP

Atualização de firmware (caso necessário)


O firmware é o software que implementa as funcionalidades específicas de um equipamento. Existem dois tipos de firmware para os roteadores sem-fio WOM 5000 da Intelbras:

  • Versão Cliente: deve ser usado quando o WOM tiver papel de cliente (quando se associar a um AP).
  • Versão AP: deve ser usado quando o WOM tiver papel de AP (ponto de acesso)

Para atualizar o firmware, devem-se seguir estes passos:

  1. Acesar a interface web do WOM 5000, usando o usuário e senha
    • Caso não se consiga o acesso: resetar o WOM 5000, pressionando o botão de reset por ao menos 10 segundos. Esse botão fica ao lado da tomada RJ-45. Se o botão estiver quebrado ou inoperante, deve-se abrir o invólucro do WOM 5000 e efetuar o reset manualmente, fechando o contato dos terminais do botão de reset com um fio.
  2. No seu computador, fazer download do arquivo de firmware desejado, e em seguida descompactá-lo. Oberve que é extraído um arquivo com extensão .bin, e este é o firmware de fato.
  3. Acessar a interface web do WOM 5000:
    • IP de fábrica: 10.0.0.1
    • Usuário: admin
    • Senha: admin
  4. Selecionar a aba Sistema e então selecionar Atualizar firmware
  5. Selecionar o arquivo de firmware, que tem extensão .bin
  6. Clicar em Enviar, e aguardar o WOM reiniciar

Parte 1: caso PTP

PJI3-Ptp-lab.jpg


  1. Escolham um par de roteadores sem-fio WOM 5000 da Intelbras. Esse roteador é capaz de estabelecer enlaces PTP (Point-to-Point) de até 5 km.
  2. Acessem a interface de gerenciamento Web desses roteadores, e configurem-nos para estabelecer um enlace sem-fio. O CPE do lado do laboratório deve estar em modo AP, e o outro em modo cliente. Configure os parâmetros da rede sem-fio e da LAN desses roteadores.
  3. Verifique o estabelecimento do enlace, testando a comunicação através do link.
  4. Teste a vazão do link sem-fio, realizando o download de um arquivo grande:
    1. Teste a vazão baixando esse arquivo uma vez
    2. Teste novamente, baixando-o duas ou mais vezes simultaneamente. Isso tem por objetivo verificar a variabilidade da taxa de dados obtida
    3. Faça uma medição de vazão usando o iperf:
      iperf -c 191.36.13.XX -t 60 -i 5
      
      ... substituindo 191.36.13.XX pelo endereço IP do computador do professor (lá se executou iperf -s)

Parte 2: Enlace PTP em modo WDS

Pji3-Ptp-lab-wds.jpg


  1. Modifique o enlace para que o CPE do cliente opere em modo Bridge (ver aba Rede), e modo de operação Wireless WDS (aba Wireless). Nesse tipo de link, ambos CPE funcionam como bridges, e assim os computadores da rede remota parecem fazer parte da rede do laboratório. Observe as seguintes informações em ambos CPE para que esse enlace funcione:
  2. No cliente, ative o modo WDS na aba Wireless, e em seguida faça um site survey (varredura). Quando forem listados os AP disponíveis, selecione o AP do seu provedor.
    • Usem a menor distância possível (300 m), pois isso afeta a temporização do protocolo de enlace usado no link sem-fio
  3. Salve a configuração e reinicie o cliente.
  4. Repita os testes de vazão feitos na Parte 1 deste roteiro, e compare-os com os resultados anteriores.


Esse equipamento facilita a configuração do modo WDS. O que ele faz ao se selecionar o AP no site survey é:

    • Canal: escolher o mesmo canal do AP no cliente
    • Configuração WDS: deve ser cadastrado o endereço MAC do CPE da outra ponta, e configurada a mesma senha de encriptação.

Parte 3: Enlace PTP em modo WDS com um dos CPE como roteador

Neste outro cenário, o enlace entre dois CPE é feito em modo WDS, porém um dos CPE atua como roteador e outro como bridge.

Pji3-Wom-ptp-wds-provedor.jpg


A ideia é usar os CPE para prover acesso a uma rede remota, porém isolando-a em uma subrede definida no lado do provedor. Isso simplifica a configuração do lado do cliente, pois o CPE desse cliente não precisa ter configuradas suas informações de rede IP (ele as obtém com DHCP).

  1. Configure o CPE conectado à rede externa em modo de Rede Cliente Provedor. O modo Wireless deve permanecer WDS, conforme realizado na Parte 2 deste roteiro. Observe que, no modo Cliente Provedor, a interface WAN é a interface ethernet, e a interface LAN é a interface sem-fio.
  2. O CPE remoto deve estar em modo de Rede Bridge e modo Wireless WDS, mantendo sua configuração realizada na Parte 2 do roteiro.
  3. A interface WAN do CPE roteador deve ser configurada em modo DHCP, e conectada ao switch do laboratório (alguma das tomadas de rede das bancadas). Assim ela pode obter sua configuração de rede adequada ao laboratório.
  4. A interface LAN do CPE roteador deve ser configurada com um IP da subrede a ser usada na rede remota. Além, disso, o serviço DHCP deve ser ativado, para que possa fornecer configuração de rede para os clientes remotos.
  5. Uma vez implantados os CPE, teste o acesso a Internet a partir de um computador da rede remota.
  6. Meça a vazão obtida nesse link, da mesma forma como foi realizado na parte 1 deste roteiro.

Parte 4: experimentando distâncias mais longas

  1. Instale um dos CPE no laboratório em modo AP. Use um cabo longo, pois esse CPE deve ficar fora do laboratório.
  2. Instale um CPE cliente de forma que fique o mais distante possível do CPE AP. Esse CPE cliente deve ficar conectado a um laptop. Esse laptop e CPE devem ser movidos para o final do corredor, próximo à enfermaria.
  3. Estabeleça um enlace PTP entre esses CPE, e teste a comunicação entre o laptop e algum computador do laboratório.
  4. Meça a vazão através do enlace ponto a ponto.
  5. Agora instale um ponto de acesso comum no laboratório, configure sua rede sem-fio, e associe o laptop à rede desse novo AP.
  6. Teste a comunicação e meça a vazão por esse novo enlace, usando o laptop.

Parte 5: caso PTMP

PJI3-Ptmp-lab.jpg

O experimento será baseado no cenário 1, e será feito em duas etapas:

  1. Com um ponto de acesso comum operando na faixa de 5 GHz
  2. Com uma estação base

Caso 1: com ponto de acesso comum (WOM 5000)

  1. Instale um ponto de acesso comum, configurando sua rede sem-fio na faixa de 5 GHz.
  2. Faça com que cada CPE se associe ao ponto de acesso. Eles devem operar em modo de Rede bridge e modo Wireless cliente (isso deve simplificar a configuração). Note que os CPE devem acessar o mesmo SSID definido no ponto de acesso.
  3. Teste a comunicação através do link sem-fio, incluindo o acesso a Internet
  4. Repita os testes de vazão realizados na Parte 1 deste roteiro.
    • Meça a vazão a partir da rede de cada CPE individualmente. Experimentem acessar serviço de streaming, baixar arquivos, e também medir a vazão com iperf:
      iperf -c 191.36.13.49 -i 5 -t 60
      
    • Meça a vazão a partir das redes dos CPE simultaneamente. Alternem o tipo de comunicação feita a partir de cada CPE (streaming,download, iperf, ...)
  5. Faça também os testes de latência com ping a partir das redes do CPE, com diferentes cargas de tráfego. Usem o computador do professor (191.36.13.49) como alvo do ping.


Caso 2: com estação base (manual do usuário)

  1. Instale a estação base APC 5A-15 da Intelbras, configurando-a para que opere em modo Access Point iPoll 3
  2. Faça com que cada CPE se associe à estação base. Eles devem operar em modo de Rede bridge e modo Wireless cliente (isso deve simplificar a configuração). Note que os CPE devem acessar o mesmo SSID definido no ponto de acesso.
  3. Teste a comunicação através do link sem-fio, incluindo o acesso a Internet
  4. Repita os testes de vazão realizados na Parte 1 deste roteiro.
    • Meça a vazão a partir da rede de cada CPE individualmente. Experimentem acessar serviço de streaming, baixar arquivos, e também medir a vazão com iperf:
      iperf -c 191.36.13.49 -i 5 -t 60
      
    • Meça a vazão a partir das redes dos CPE simultaneamente. Alternem o tipo de comunicação feita a partir de cada CPE (streaming,download, iperf, ...)
  5. Faça também os testes de latência com ping a partir das redes do CPE, com diferentes cargas de tráfego. Usem o computador do professor (191.36.13.49) como alvo do ping.