Treze razões pelas quais uma rede wireless é lenta

No meu último ano de graduação tenho estudado redes sem fio. Confesso que não gostava muito desse assunto mas, passando a conhecê-lo um pouco mais, realmente tomei gosto pela coisa. É interessantíssimo o funcionamento de uma rede sem fio (e complexo também).

Como parte de um trabalho realizado, listo abaixo algumas conclusões sobre o porque de uma rede sem fio ser mais lenta (ter menos vazão de dados) do que uma rede cabeada, por exemplo.

Como introdução, vale destacar que alterações na pilha tcp/ip versão 4 foram necessárias para o funcionamento das redes sem fio (padrão 802.11), porém, estas alterações (significativas, você perceberá) foram feitas apenas nas camadas 1 e 2. Na camada dois apenas na parte MAC (Media Access Control). Assim, ter um conhecimento prévio da pilha de protocolos tcp/ip v4 ajuda no entendimento do que vem a seguir.

Outro detalhe importante é que uma rede sem fio possui três tipos de quadros: dados, gerenciamento e controle.

Ok, vamos aos fatos:

1 – Meio de transmissão, ruídos e sobreposição de canais: Como o meio de transmissão é o ar, este está sujeito a ruídos causados por vários Access Points no mesmo meio e/ou demais equipamentos que possam causar intereferência. Além disso, basicamente temos 11 canais de transmissão diferentes nas redes sem fio, em uma faixa de freqüência que se for dividida para separar estes 11 canais, trará sobreposíções. Destacando que os únicos canais que não se sobrepõem são os de número 1, 6 e 11.

2 – Confirmação em camada 2: Para cada quadro de dados transmitido, é necessário enviar uma confirmação, gerando tráfego excessivo. Esta confirmação é enviada apenas para quadros de dados.

3 – Beacon frames: informações sobre características das camadas 1 e 2 precisam ser enviadas constantemente para que os dispositivos saibam como está sendo realizada a transmissão. Todos devem “falar a mesma língua” em aspectos como a frequência de transmissão, por exemplo. Um beacon frame, por padrão, é enviado em média a cada 100ms. Desta forma, por segundo temos 10 beacon frames enviados, que ajudam a aumentar o volume de tráfego.

4 – Informações redundantes nos quadros transmitidos: Para aumentar a confiablidade dos dados transmitidos, informações redundantes são enviadas para que alguma informação perdida possa ser restaurada, haja vista o meio de transmissão utilizado pelas redes sem fio. Conforme o dispositivo sem fio se distancia do Access Point (AP), mais informações redundantes são enviadas, assim, a quantidade de dados efetivos transmitidos por quadro diminui, exigindo que mais quadros sejam usados para transmitir a informação útil (aquela proveniente das camadas superiores).

5 – Divisão de largura de banda com o aumento de hosts adicionados ao AP: Conforme o número de equipamentos associados à um ap aumenta, a largura de banda é divida entre eles, semelhante ao que acontece num hub (meio de transmissão não determinístico).

6 – RTS / CTS (Request to Sent / Clear to Sent): Com alguns problemas de interferência e, consequentemente, na transmissão, o rts/cts pode ser usado como alternativa para “organizar” a transmissão, onde cada dispositivo solicita permissão para transmitir e o AP libera para este dispositivo, fazendo os demais aguardarem. E como para cada transmissão este processo é executado, quando configurado, acarreta inevitavelmente numa sobrecarga.

7 – Democratização do meio: Com recursos como IFS (Inter-frame Spacing), Janela de contenção e janelamento de valor igual a 1 (um quadro transmitido por vez, com confirmação, conforme item 2), tem-se como objetivo democratizar o meio para que cada dispositivo tenha seu espaço para transmitir, sem esperar muito tempo. Assim, para cada quadro a ser transmitido, todos os trâmites da transmissão devem ser executados (o envio da confirmação do quadro de dados, por exemplo).

8 – Power Save Mode: Este modo utilizado pelos dispositvos wireless (exceto APs) visa desligar por espaços de tempo aleatórios, parte do dispositivo, para economizar energia. Neste meio tempo, se o AP tentar transmitir algo e a placa estiver no modo power save, ele irá armazenar em buffer o quadro até que o dispositivo wireless esteja totalmente ligado, para fazer a transmissão. Este trabalho de armazenar o quadro em buffer, comunicar o computador de destino e transmitir o quadro, acarreta em mais sobrecarga ao AP. Imagine, por exemplo, transmissões em broadcast com dispostivos no modo power save.
9 – MTU padrão maior que o padrão utilizado em Ethernet 802.3: A unidade de transmissão de transmissão do wireless é de 2304 bytes. O padrão utilizado no ethernet é de 1500 bytes (em média). Assim, para esta transmissão, pacotes em ap precisam ser bufferizados e fragmentos para transmissão no meio cabeado.

10 – CSMA físico e virtual: Além do CSMA (Carrier Sense Multiple Access) utilizado também em redes 802.3, é necessário o uso de um CSMA virtual para aumentar a garantia de que o meio estará livre para transmitir. O problema de nó escondido é o motivo para a criação do CSMA virtual.

11 – Redundância de recursos na camada 2: Como a pilha de protocolos tcp/ip foi escrita para redes cabeadas, alterações foram realizadas até a camada 2 ( até a subcamada MAC) para se adaptar ao meio de transmissão da wireless lan e com isso algumas questões se tornaram redundantes como por exemplo a fragmentação e a confirmação nesta camada. Estes também ocorrem nas camadas 3 (ip) e 4 (tcp) do modelo tcp/ip, respectivamente.

12 – Implementação de tecnologias para segurança aumentam o tráfego: Como o meio da wireless lan é de acesso livre (ar) são necessárias várias tecnologias para evitar a captura de tráfego sensível por parte de pessoas mal intencionadas (é mais fácil ligar uma antena do que plugar um cabo em uma rede cabeada). Assim, tecnologias como a troca constante de chaves por parte do WPA2 aumentam o tráfego corrente e carga dos equipamentos.

13 – Maior número de endereços de origem e destino: No modo Root de um AP, por exemplo, um quadro pode conter até 4 endereços: Estes são:

Origem: Quem manda o pacote.

Destino: A quem o pacote é destinado, obviamente.

Como os access points são intermediários de uma comunicação e usam o meio cabeado para trocar dados (denominado DS: Distribution System), se a estação de origem estiver associada à um AP e a de destino à outro, também precisarão ir ao cabeçalho os endereços dos APs. Isso também influencia no processo de comutação, pois mais endereços precisam ser identificados e/ou alterados durante o processo de transmissão dos quadros.

Estas são algumas razões para uma rede sem fio ter baixa vazão, se comparada com uma rede cabeada. É óbvio que apenas um dos ítens apresentados não teria tanta influência na vazão da rede. Porém, o conjunto da obra é que faz tanta diferença.

Atualmente, ainda não homologado pelo ieee, temos o padrão 802.11n que promete taxas de até 600Mbps, basicamente usando mais de uma antena para transmissão. Mas claro, estamos falando de promessas e teoria 🙂

Espero que você tenha entendido um pouco mais sobre redes wireless e deixo aberto aqui para sugestões e/ou mais comentários para quem tiver algo para acrescentar sobre redes sem fio, assunto realmente muito interessante.

Um abraço,

Tiago Lima

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5 Responses to Treze razões pelas quais uma rede wireless é lenta

  1. Fernando says:

    Não sabia que tinhas blog. Gostei do post: informação geek que muitos leigos conseguem entender 😀

  2. tarifa says:

    possue uma rede mista , mas na rede sem fio a velocidade da internet é cerca de 50%menor que na cabeada, gostaria de saber por que isso ocorre na realidade obrigado

  3. JOnas says:

    Muito bom, Thiago!

  4. SEVERO says:

    montei uma rede wirelles numa administradora, esta muito lenta, todas as maquinas estao em rede sem fio,o programa que eles utilicao em rede so roda rapido em cabo, o roteador e um d-link dir300, pode ser a velocidde do roteador..

  5. Cavera Master Sorcerer says:

    Agora eu sei porque a minha net e um lixo FD..
    😦

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