O controle de acesso ao meio (medium access control (MAC), do inglês) compre- ende todos os mecanismos que permitem o usuário ter acesso ao meio físico e compartilhar tal meio com os outros usuários na rede. O padrão de rede IEEE 802.11 usa um método de acesso aleatório (BASAGNI et al., 2004).
Em protocolo de acesso aleatório, os usuários buscam o acesso ao canal de maneira descoordenada. Um nó transmissor utiliza sempre toda a capacidade do canal durante a transmissão e quando existe colisão (ver Figura 2.5), cada nó envolvido na colisão retransmite seu frame até que Ąque completamente sem colisão. No entanto, o transmissor não necessariamente retransmite seu frame que foi colidido imediatamente, mas depois de um atraso aleatório independentemente escolhido. O nó que escolher o menor atraso aleatório será o primeiro a retransmitir seu pacote de dados.
Fonte 1
Fonte 2
Fonte 3
Colisão
Figura 2.5 Ű Esquema de colisão entre pacotes de dados.
Os protocolos de acesso aleatório mais populares são: ALOHA e o acesso múl- tiplo com veriĄcação de portadora (carrier sense multiple access (CSMA), do inglês).
Em protocolos ALOHA, um nó começa a transmitir indiferentemente se outros nós estão transmitindo (FOROUZAN, 2006). Por outro lado, o protocolo CSMA segue a ideia de que antes de começar a falar, uma pessoa educada escuta se alguém está falando e espera até que todos tenham terminado. O protocolo CSMA propõe mecanismos mais civilizados, seguindo as regras de conversação entre pessoas educadas. EspeciĄcamente, CSMA é um mecanismo MAC no qual um usuário veriĄca a ausência de outro transmissor tentando acessar o meio compartilhado (FOROUZAN, 2006). O termo ŞveriĄcação de portadoraŤ signiĄca que o transmissor ŚescutaŠ um sinal de portadora antes de tentar transmitir. Se uma portadora é detectada, ele espera até o Ąnal da transmissão de um determinado nó para iniciar sua própria transmissão.
Uma outra regra de conversação é que se alguém começa a falar ao mesmo tempo, deve-se então parar de falar. Este é um fenômeno chamado de detecção de colisão (collision
detection (CD), do inglês) que é empregado pelo protocolo CSMA/CD em redes Ethernet.
A detecção melhora o desempenho do CSMA por Ąnalizar a transmissão assim que é detectada uma colisão, o que reduz a probabilidade de uma segunda colisão ao tentar novamente retransmitir a mensagem. Dito de outra forma, uma estação de transmissão de dados que detecta outro sinal durante sua transmissão pára de transmitir, em seguida emite um sinal especial (chamado de jam signal) para garantir que todos os usuários saibam da colisão, e aguarda um intervalo de tempo aleatório antes de tentar transmitir sua mensagem (FOROUZAN, 2006).
O padrão IEEE 802.11 também utiliza o protocolo de acesso múltiplo com veriĄca- ção de portadora com anulação/prevenção de colisão CSMA/CA (collision avoidance). A prevenção de colisão torna-se um esquema de avaliação do meio para deĄnir se o canal está ocupado ou livre. Portanto, se o canal é percebido livre o usuário irá atrasar a transmissão por um intervalo de tempo aleatório, procedimento este chamado de backof, e caso após este tempo permanecer livre, então o usuário processa imediatamente sua transmissão. Caso contrário, a transmissão é adiada e executa-se novamente o procedimento de backof. Isto reduz a probabilidade de colisão no canal (SCHILLER,2000).
O IEEE 802.11 também deĄne mecanismos suplementares para o controle de fra-
mes no CSMA/CA chamados de Şsolicitar para enviarŤ (request-to-send (RTS), do inglês)
e o Şlivre para enviarŤ (clear-to-send (CTS), do inglês). Antes de uma transmissão do pa- cote de dados, um usuário transmite um RTS informando sobre a estação e quanto tempo irá realizar a tarefa, em seguida o receptor responde com um CTS. Estes pacotes de dados de controle são signiĄcativamente menores que os frames de dados. Além disso, colisões entre pacotes RTS são menos impactantes ao sistema do que colisões envolvendo pacotes de dados usuários.
2.2.1 Descrição do protocolo CSMA/CA
O padrão IEEE 802.11 propõe duas funções, ou dois modos, de acesso ao meio (SCHILLER, 2000):
∙ função de coordenação distribuída (distributed coordination function (DCF), do in- glês);
∙ função de coordenação pontual (point coordination function (PCF), do inglês). A função DCF é um modo utilizado por todos os dispositivos móveis da rede e que permite o acesso equitativo ao canal de rádio sem qualquer gerenciamento centralizado de acesso (modo totalmente distribuído). Em particular, este modo é utilizado pelas redes
ad-hoc. Já para função PCF, o acesso é efetuado de forma ordenada com a autorização
de um controlador. Este é um modo no qual as estações base são responsáveis pela gestão de acesso ao canal em sua área de cobertura para os dispositivos móveis que lhes são inerentes. Como esta tese tem foco em redes ad-hoc, não entraremos em detalhes para o caso PCF.
O princípio da função DCF consiste em ŚescutarŠ o meio para disponibilizar-se da informação de que existe ou não uma outra estação transmitindo. O transmissor deve portanto garantir que o meio está livre para um determinado período de tempo, o qual é referenciado como espaço entre frames (distributed inter-frame space (DIFS)), antes de transmitir. Se o meio está livre durante este tempo, a fonte inicia a transmissão de seu pacote de dados, caso contrário, a transmissão é então adiada por período de tempo aleatório para que seja retransmitido. O terminal receptor envia um pacote de conĄrmação chamado de acknowledge packet (ACK) depois de um curto período de tempo conhecido como short inter-frame space (SIFS).
A Figura 2.6 descreve em resumo o protocolo CSMA/CA de uma rede ad-hoc. A Fonte 1 deseja transmitir um pacote de dados pela rede sem-Ąo, então ele envia um
frame RTS para o destino para solicitar permissão para transmitir com parâmetro de
reserva após esperar pelo DIFS. O receptor pode então permitir a transmissão, neste caso após o SIFS, ele envia um frame CTS indicando que está pronto para receber a mensagem. Após o recebimento do CTS, a Fonte 1 executa o procedimento e inicia a transmissão de seu pacote de dados. Se o receptor é capaz de decodiĄcar corretamente o pacote recebido, ele envia de volta um frame ACK de conĄrmação do sucesso na recepção após um curto período de tempo SIFS. Por Ąm, em termos dos usuários, a reserva do canal é implementada devido ao vetor de alocação de rede (network allocation vector (NAV), do inglês) o qual é um indicador para a estação de quanto tempo ele deve adiar para acessar o meio.
Fonte 1 Fonte 2 Fonte 3 Destino canal ocupado frame frame DIFS DIFS DIFS SIFS SIFS
ASK RTS CTS backoff backoff restante t NAV (RTS) NAV (CTS)
Figura 2.6 Ű Descrição do protocolo CSMA/CA.
Numa rede ad-hoc sem-Ąo, nem todas as estações estão ao alcance uma das outras. Diante disso, ocasiona-se dois problemas distintos chamados de: problema da estação oculta e problema da estação exposta. Os mecanismos de proteção adicionais RTS/CTS deĄnidos pelo IEEE 802.11 também tem a função de combater tais problemas. Vejamos com mais detalhes a ocorrência de tais situações.
2.2.2 Problema da estação oculta
Este problema ocorre quando duas estações não conseguem ŚescutarŠ qualquer tipo de informação uma da outra devido à distância ou obstáculos entre elas. A Figura 2.7
mostra uma situação do problema da estação oculta. As estações A e C conseguem se conectar por não estarem dentro da mesma célula, no entanto, suas zonas de transmissão são não disjuntas. Uma colisão pode então ocorrer quando os usuários A e C enviarem dados simultaneamente para a estação B que se encontra na interseção de suas zonas de transmissão. Neste caso, diz-se que as estações A e C estão ocultas entre si em relação a B.
Os mecanismos RTS/CTS descritos anteriormente permitem resolver este pro- blema da seguinte forma: antes de transmitir, o usuário A envia uma mensagem RTS à B. Na sequência, o usuário B autoriza a transmissão em resposta pela mensagem CTS para estação A. Como C também está dentro do alcance de B, segue que a mensagem CTS
também chega ao usuário C. Desta forma, a estação C identiĄca que algum dispositivo oculto está utilizando o canal e, automaticamente, pára de transmitir seus dados, até que A tenha concluído a sua transmissão.
Figura 2.7 Ű O problema da estação oculta.
2.2.3 Problema da estação exposta
A Figura2.8ilustra uma transmissão da estação B para A. O usuário C é o vizinho de B e detecta que o canal está ocupado. Então, quando C tem pacote de dados para enviar para o usuário D, ele não consegue tal procedimento devido à exposição na transmissão do usuário B. No entanto, C pode transmitir pacotes de dados em direção à D sem interferir o receptor A. Este problema em que uma estação deixa de utilizar o canal quando ele está disponível é chamado de problema da estação exposta, devido a estação C está exposta à transmissão de A e de B.
A presença de interferência em redes ad-hoc é abordada nas próximas seções cujo modelo introduzido baseia-se no processo denominado de shot-noise.