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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA INSTITUTO DE MATEMÁTICA DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Ibirisol Fontes Ferreira Esquema de roteamento multicaminho em redes MESH sem fio com OpenFlow para suporte a aplicações VoIP Salvador 2013

2 Ibirisol Fontes Ferreira Esquema de roteamento multicaminho em redes MESH sem fio com OpenFlow para suporte a aplicações VoIP Monografia apresentada ao Curso de graduação em Ciência da Computação, Departamento de Ciência da Computação, Instituto de Matemática, Universidade Federal da Bahia, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação. Orientador: Prof o. Dr. Gustavo Bittencourt Figueiredo Salvador 2013

3 RESUMO Alguns tipos de tráfego rede, como é o caso do tráfego originado por aplicações VoIP, precisam que garantias de QoS sejam dadas pela rede. Essa necessidade torna-se ainda mais acentuada em redes sem fio, onde há enormes desafios para disponibilização de serviços de qualidade, seja pelas próprias limitações do meio de transmissão ou pelas tecnologias de suporte ainda muito incipientes, se comparadas às redes de meio de transmissão guiados. Neste contexto, diversas abordagens são tomadas para prover priorização de tráfego em redes sem fio, entre elas existe o roteamento multicaminhos, que dado um tráfego de rede, ele permite dividi-lo por vários caminhos distintos entre um destino e uma origem. Com isto, é esperada uma distribuição da carga na rede e um aproveitamento global da capacidade dos enlaces. Mas apenas a técnica de roteamento multicaminhos não garante que um tráfego terá o desempenho desejado, apenas pela sua segmentação, por isto, abordagens como duplicação de fluxo podem ser agregadas para uma maior eficiência da técnica. Palavras-chave: mvoip, voip, redes mesh, sdn, openflow, multicaminho, roteamento, tráfego splitting,

4 AGRADECIMENTOS Começo agradecendo ao meu orientador Prof o. Dr. Gustavo Bittencourt Figueiredo por ter me dado a oportunidade de iniciar os estudos científicos na área de redes de computadores, e também por me ajudar na escolha e elaboração do objeto de estudo que utilizei nesse trabalho. À minha chefe Claudete Mary e Souza Alves e ao meu chefe Luiz Cláudio de A. Mendonça agradeço a oportunidade que me deram de trabalhar no PoP-BA, permitindo-me apreender muitas das coisas que contribuíram para minha formação. Também agradeço por me incentivarem a participar do grupo de pesquisa SPACES onde pude desenvolver esse presente trabalho. Na universidade tive a oportunidade de encontrar pessoas de bom coração e que me fizeram acreditar ainda mais nas pessoas e no espírito colaborativo. Primeiro como calouro e um pouco a parte da realidade da universidade, encontrei nos professores e professoras pessoas exemplares, muitos deles me ensinaram não só a competência na área de computação, como também lições valiosas para a vida em sociedade as quais agradeço imensamente. Em um segundo convívio na universidade, conheci o GRACO (Gestores da Rede Acadêmica de Computação) onde me senti em casa e aprendi muito do que sei hoje. Agradeço a todos os amigos que fiz por lá, e em especial a Bruno Ramos, Carlos Novais, Eduardo Júnior, Fábio Machado, Humberto Galiza, Italo Valcy, Jundaí Abdon, Leandro Andrade, Madson Araújo, Péricles Souza, Rogerio Bastos. Aos meus atuais e ex-colegas de trabalho, que pude conhecer no PoP-BA, Jerônimo Aguiar, Lucas Borges, Luiz Barreto, Ronaldo Almeida e Thiago Bomfim, e também aos demais colegas da STI (antigo CPD) deixo meus sinceros agradecimentos pela cooperação e amizade em vários momentos da minha vida acadêmica e profissional. Agradeço aos funcionários do IM/UFBA e as pessoas da comunidade circunvizinha, que me ajudaram em algum momento dessa jornada. Também agradeço muitíssimo a minha mãe Veralucia Fontes e ao meu pai Valter Ferreira, a minha irmã Thiara Fontes, a minha namorada Lilian Rau, pelo apoio que me deram nesse momento final da minha graduação, tendo paciência e compreensão nesse momento tão difícil e ao mesmo tempo especial.

5 Aos meus familiares e amigos(as), da Bahia, do Pará e dos outros lugares por onde passei, agradeço pela atenção e carinho que depositaram em mim, mesmo me ausentando do convívio próximo por estar trilhando meu caminho na universidade. Em especial as minhas tias Maria José Fontes e Conceição Fontes, que tanto me ajudaram. Agradeço a Carlos Chalegre e Família, Pedro Fontes, Luzianio Freire e a Alexandre Britto por me darem os primeiros incentivos a continuar minha vocação na área de computação. Por fim, agradeço a todos aqueles que me ajudaram e que por algum motivo não foram citados diretamente nesse espaço.

6 Dedico esse trabalho à minha Mãe.

7 LISTA DE FIGURAS 2.1 Exemplo simplificado de uma arquitetura mvoip Exemplo do fluxo de uma sessão SIP/SDP entre dois agentes SIP Pilha de procolos e dados usados para envio de mídia Arquitetura Backbone Mesh Arquitetura Software-Defined Networking Arquitetura do OpenFlow Entrada em uma tabela de regras de um switch OpenFlow Etapas no tratamento de pacotes no switch OpenFlow Fluxo de um pacote através do pipe em um switch OpenFlow Exemplo de cenário contendo equipamento com suporte a OpenFlow Roteamento multipath Técnicas de Traffic Splitting Tipo de duplicação fluxo Arquitetura do CORE Fluxo de execução do CORE Funcionamento do framework do grupo SPACES Funcionamento do componente Splitter Elementos de um nó Mesh no CORE Regras OpenFlow em um nó de origem do streaming Topologia usada nos experimentos Comportamento das políticas de splitting Funcionamento do teste de QoE

8 LISTA DE TABELAS 2.1 Métodos e Repostas SIP Padrões de codificação de áudio Características dos padrões IEEE Métricas de roteamento em redes Mesh Sumário das principais mensagens especificadas no OpenFlow Índice de qualidade MOS C.1 Medidas de Avaliação das Politícas de Splitting C.2 Índice PESQ e MOS-LQO das técnicas de splitting R.R. e B.C. para o áudio de referencia ITU P C.3 Desvio padrão do índice PESQ e MOS-LQO das técnicas de splitting R.R. e B.C. para o áudio de referencia ITU P

9 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers, p. 21 IETF Internet Engineering Task Force, p. 16 ISP Internet Service Provider, p. 12 LTE Long Term Evolution, p. 15 LXC Linux Containers, p. 49 MOS Mean Opinion Score, p. 64 MOS-LQO Mean Opinion Score - Listening Quality Objective, p. 64 mvoip Mobile VoIP, p. 12 OVS Open vswitch, p. 53 PESQ Perceptual Evaluation of Speech Quality, p. 63 QoE Quality of experience, p. 21 QoS Quality of Service, p. 21 RTCP Real-Time Transport Control Protocol, p. 17 RTP Real-time Transport Protocol, p. 17 SDP Session Description Protocol, p. 17 R.R. Round-Robin, p. 42 VLAN Virtual LAN, p. 39 VoIP Voice over IP, p. 12 VoWLAN Voice over Wireless LAN, p. 12 AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector, p. 27 AODV-ST AODV-Spanning Tree, p. 27 API Application Programming Interface, p. 50 avtext Audio/Video Transport Extension, p. 45 Codec coder/decoder, p. 19 DCF Distributed Coordination Function, p. 21 DSDV Destination-Sequenced Distance Vector, p. 27 DSR Dynamic Source Routing, p. 27 GPS Global Position System, p. 12 GSM Global System for Mobile Communications, p. 13 GSR Global State Routing, p. 27

10 GUI Graphical User Interface, p. 50 HTTP Hypertext Transfer Protocol, p. 16 IPv6 Internet Protocol version 6, p. 29 LAN Local Area Network, p. 12 MAC Medium Access Control, p. 25 MOS Mean Opinion Score, p. 19 MR-LQSR Multi-Radio - Link Quality Source Routing, p. 27 MSC Message Sequence Chart, p. 18 MTU Maximum Transmission Unit, p. 43 MUP Multi-Radio Unification Protocol, p. 27 NAT Network Address Translation, p. 46 OLSR Optimized Link State Routing Protocol, p. 27 SIP Session Initiation Protocol, p. 13, p. 16 TCP Transmission Control Protocol, p. 16 URI Uniform Resource Identifier, p. 15 WLAN Wireless LAN, p. 12

11 SUMÁRIO 1 Introdução 12 2 VoIP Móvel Arquitetura mvoip Protocolos envolvidos em uma chamada mvoip Inicialização de uma Sessão Transmissão de áudio Desafios na adoção do mvoip Redes Mesh Sem Fios Arquitetura de uma Wireless Mesh Network Tecnologias Wireless Roteamento em Wireless Mesh Network Redes Definidas por Software Arquitetura Software-Defined Networking OpenFlow Arquitetura do OpenFlow switch OpenFlow Canal de comunicação Seguro Protocolo OpenFlow Controlador OpenFlow

12 5 Roteamento Multicaminhos Especificidades do roteamento multicaminhos Split de tráfego Roteamento multicaminhos em redes Mesh Ambiente de emulação Framework para o plano de controle e de encaminhamento Cenário inicial Plano de controle para roteamento multicaminhos Cenário de experimentação Análise das técnicas de split de tráfego Qualidade de experiência das técnicas de split Conclusão Dificuldades encontradas Trabalhos futuros Apêndice A -- Serviço de traffic splitting para o CORE 69 A.1 Módulo Splitter A.2 script de inicialização do serviço de Splitter A.3 script de parada do serviço de Splitter Apêndice B -- patch aplicado no iperf 73 Apêndice C -- Resultados experimentais 74 Referências Bibliográficas 79

13 12 1 INTRODUÇÃO Vários eventos de rede podem acarretar em problemas que prejudicam aplicações VoIP, sejam problemas ligados as características do meio físico ou resultantes de anomalias no funcionamento dos equipamentos de rede. Entre os principais problemas é possível destacar alta latência, perda de pacotes e jitter, que podem resultar em atraso de voz ou até fechamento de chamadas estabelecidas. Os problemas são ainda mais agravantes em redes sem fios, que possuem diversas peculiaridades oriundas do meio de transmissão compartilhado. Tendo em vista que a nova geração de aplicações de telefonia IP, como é o caso do mvoip são inerentes a ambientes de rede sem fio, e dada a proliferação das redes Mesh sem fio em ambientes robustos de organizações, instituições de ensino e pesquisa, entre outras, é inevitável buscar maneiras de mitigar os problemas relacionados ao tráfego VoIP nesse tipo de ambiente sem fio. Nesse trabalho montou-se um esquema de roteamento multicaminhos e divisão de tráfego, que permite a priorização de tráfego VoIP em redes Mesh sem fio. Nesta proposta usou-se o cenário de uma rede Mesh sem fio trabalhando no paradigma de Software-Defined Networking. Além do esquema de roteamento, avaliou-se duas formas de particionamento de tráfego, uma baseada em duplicação de fluxo e a outra na distribuição do tráfego entre os caminhos da origem ao destino na rede. Também mostrou-se uma forma de avaliar o desempenho da proposta de roteamento multicaminhos em relação ao tráfego VoIP na perspectiva do usuário da rede. Foram usados critérios de avaliação baseado no ITU P862 e nas amostras de conversas disponibilizadas junto ao padrão. É esperado que com as técnicas de split de tráfego do roteamento multicaminhos, obtenhase uma maior tolerância a atrasos, a perda de pacotes, permitindo também, a distribuição da carga do tráfego ao longo dos caminhos disponíveis na rede. Dessa forma, é possível contribuir para a manutenção da qualidade das chamadas VoIP em redes Mesh sem fio. Neste presente capítulo é feita a organização do trabalho, mostrando os temas que serão abordados e a ordem dos tópicos que serão descritos. No capítulo 2 é feita uma revisão bibliográfica sobre as problemáticas que envolvem as aplicações mvoip, enfatizando a necessidade

14 13 de garantias de QoS no serviço de entrega de pacotes em uma rede sem fio. O capítulo 3 traz uma discussão a respeito das tecnologias de rede sem fio, enfatizando as redes Mesh sem fio, seu funcionamento e suas problemáticas. A seguir, no capítulo 4 aborda-se a utilização do paradigma Software-Defined Networking e as motivações para o seu uso, mostra-se os benefícios que podem ser alcançados com essa tecnologia, também traz-se uma breve abordagem sobre o funcionamento do OpenFlow, que serviu como base para o desenvolvimento do esquema de roteamento multicaminhos. No capítulo 5 discute-se as técnicas de roteamento multicaminhos e as formas de split de tráfego, focando os questionamentos nas vantagens e desvantagens de se utilizar essa forma de roteamento. Por fim, o esquema proposto de roteamento multicaminhos em redes Mesh é mostrado no capítulo 6, esse capítulo também traz o ambiente de emulação utilizado nos experimentos, as ferramentas usadas, o cenário de teste e os resultados obtidos.

15 14 2 VOIP MÓVEL A utilização de dispositivos eletrônicos como celulares, tablets e smartphones é um hábito geral nos dias atuais (RIBEIRO; LEITE; SOUSA, 2009), (GOOGLE, 2013). O aumento do consumo e utilização desses aparelhos é fortemente motivado pelo crescimento dos recursos computacionais neles disponibilizados. É comum, por exemplo, a realização de consultas ao sistema global de posicionamento (GPS), do inglês Global Position System partir de um smartphone, para saber onde o portador do aparelho se localiza. Também são muito usadas as câmeras integradas a esses dispositivos para realizar chamadas de vídeo. Outro recurso fortemente difundido nessa geração de dispositivos móveis é a conectividade a redes sem fio. Esse recurso possibilita que cada vez mais usuários façam uso de serviços avançados que geralmente necessitam de conexão à Internet. A exemplo, podemos citar os serviços Google Maps (GOOGLE.COM, 2005) ofertado pela empresa Google, o serviço de telefonia IP Skype (SKYPE.COM, 2003), o fring (FRING.COM, 2007), entre outros. Para conectar-se a Internet os usuários desses aparelhos móveis utilizam na maioria dos casos dois tipos de conexão (STALLINGS, 2004), o primeiro tipo de conexão se dá através da rede das operadoras de celulares, que fornecem através de sua infraestrutura acesso a rede mundial de computadores. A segunda forma de conexão à Internet, usada por esses aparelhos, se dá por meio do padrão IEEE (IEEE..., 2012). E por meio dessa conexão, é possível acessar redes domésticas conectadas a rede mundial de computadores através de um ISP. Dentro desse impulso crescente do uso de serviços de Internet em dispositivos móveis, popularizam-se diversas formas de comunicação de voz, que usam redes de comutação de pacotes, entre elas destacam-se o VoIP, do inglês Voice over IP (VoIP), VoWLAN (ULSETH; ENGELSTAD, 2006) e mvoip, do inglês Mobile VoIP, (MILLS-TETTEY; KOTZ, 2002). Esta última tem tido, nos dias atuais, uma crescente adesão, poia permite que a comunicação por voz entre dispositivos móveis, tanto por conexões através de uma WLAN como pela rede de telefonia, seja realizada pela rede mundial de computadores. Em contraste com a telefonia VoIP padrão, no mvoip, o foco não só está na telefonia IP, mas também nas tecnologias de acesso sem fio e nas problemáticas envolvidas no estabelecimento de uma chamada a partir de dispositivos

16 15 móveis. Entre os benefícios de realizar uma chamada telefônica mvoip a partir de um dispositivo móvel, assim como no VoIP tradicional, pode-se destacar a redução dos custos financeiros, como é apontado por Geer (2009), pois nos dias de hoje as empresas, organizações e pessoas físicas já possuem conexão a Internet e, além disso, também possuem infraestrutura sem fio dentro dos ambientes de trabalho e moradia. Dessa forma um portador de aparelho móvel pode se beneficiar das redes já existentes, tanto em ambientes corporativos como no ambiente doméstico para a realização de chamadas. Para justificar ainda mais o beneficio da redução de custos nas ligações com mvoip, pode-se evidenciar na diferença no preço entre os serviços de dados e voz ofertados pelas operadoras de celulares. Geralmente, os custos para que um cliente obtenha um plano de dados ao invés de um plano de voz são menores, isto permite que esse usuário, ao realizar uma chamada mvoip pelo plano de dados, economize mais do que ao fazer uma chamada convencional. Ainda é necessário levar em consideração, que no mvoip as ligações são direcionadas prioritariamente pela conexão a uma rede WLAN, pois o intuito é que a infraestrutura da operadora somente seja utilizada quando a qualidade de uma conexão WLAN esteja ruim ou quando não houver a disposição uma rede sem fio com acesso à Internet. Outras das vantagens do mvoip é tolerância a falhas e a mobilidade, desde que, os dispositivos são portáteis e possuem duas conexões distintas a Internet, possibilitando assim, que chamadas em andamento sejam mantidas mesmo com o termino imediato de uma conexão sem fio. Isso é claro, é um dos desafios do mvoip, já que, as conexões sem fio são de domínios completamente diferentes, tanto administrativo como tecnológico. 2.1 ARQUITETURA MVOIP Os aparelhos móveis com suporte a mvoip caracterizam-se pela utilização de duas tecnologias sem fio para realização de chamadas VoIP, fazendo-as através da rede que estiver disponível ou que for selecionada pelo usuário do aparelho. Na Figura 2.1 é possível entender um cenário típico mvoip, a linha tracejada - em azul - representa a conectividade do dispositivo móvel à torre GSM, do inglês Global System for Mobile Communications (STALLINGS, 2004) da operadora de celular, já a linha pontilhada - em vermelho - mostra a conexão à uma WLAN, podendo ser através de um roteador sem fio ou mesmo Hot Spot. Quando conectado a uma dessas duas redes, para a realização de uma ligação, o dispositivo móvel faz uma chamada usando um protocolo de sinalização, como por exemplo o SIP, do inglês Session Initiation Protocol (RO- SENBERG et al., 2002), (vide seção 2.2) ou H.323 (ITU-T, 1998) - que junto ao SIP formam

17 16 as duas maiores pilhas de protocolos para comunicação VoIP na Internet- que buscará outro dispositivo compatível com mvoip no mesmo seguimento de rede ou em uma localidade remota, como é mostrado pela linhas em preto passando pela nuvem que representa a Internet, chegando a um outro aparelho compatível com mvoip. WLAN Figura 2.1: Exemplo simplificado de uma arquitetura mvoip O fluxo de uma ligação mvoip, em uma arquitetura desse tipo, obedece os seguintes passos, para estabelecimento de uma chamada VoIP: 1. O dispositivo móvel conecta-se a uma WLAN ou a uma rede de uma operadora de celular. (a) Caso seja à rede da operadora de celular, o aparelho terá de ativar o plano de dados. 2. Estabelecerá uma chamada com um destinatário VoIP, pertencente a rede local ou remota. (a) Caso o destinatário da chamada seja pertencente a rede local, ele fará uma ligação direta para o endereço de rede conhecido do dispositivo usando um dos protocolo de sinalização de telefonia para redes IP. (b) Caso o destinatário esteja em uma rede remota, e o endereço seja conhecido, a ligação será efetuada como no passo anterior.

18 17 (c) Caso o destinatário pertença a um domínio administrativo distinto e seu endereço de rede não seja conhecido, o dispositivo móvel de origem deverá estabelecer a chamada usando o identificador do usuário VoIP no servidor VoIP responsável pela rede de destino. (d) Do contrário, o dispositivo móvel de origem irá realizar uma conexão com o Gateway VoIP 1 da prestadora do serviço mvoip. 3. Escolherá o codec mais adequado para o tipo de rede utilizada, levando em consideração largura de banda e outros requisitos do serviço. 4. Trocará dados de voz entre os dispositivos. 5. Terminará a chamada. Os passos acima citados não são indispensáveis, podem variar de acordo com a aplicação que implementa o mvoip. Em Hwang et al. (2010) propõe-se uma arquitetura mais detalhada para o mvoip, também inclui-se uma discussão sobre tecnologias sem fio para dispositivos móveis, como o sistema LTE, do inglês Long Term Evolution 2 e os padrões usados nas WLANs (ver discussão na seção 3.2). 2.2 PROTOCOLOS ENVOLVIDOS EM UMA CHAMADA MVOIP Para realizar uma ligação mvoip, as aplicações embarcadas para VoIP nos dispositivos móveis, ou também chamadas softphones 3, utilizam os protocolos já usados em uma chamada VoIP comum, com a diferença de que agora precisam de garantias mais específicas da rede para manter o bom estado de uma chamada como será descrito na seção 2.3, ou seja, a qualidade do áudio e a estabilidade da transmissão e recepção dos dados. 1 Equipamento que faz o estabelecimento da comunicação entre dispositivos de diferentes tecnologias, no caso do mvoip ele faz o papel de intermediador entre os aparelhos mvoip e os telefones comuns, incluindo os aparelhos celulares. 2 É um sistema para comunicação móvel que objetiva altas taxas de transmissão de dados. O LTE foi concebido para ser adotado pelas operadoras de celulares em paralelo a descontinuação de sistemas existentes, a exemplo do GSM. 3 São assim chamados os programas de computador usados para estabelecer uma chamada de voz sobre a rede IP.

19 INICIALIZAÇÃO DE UMA SESSÃO Quando o usuário de dispositivo móvel quer realizar uma ligação ele deverá possuir o identificador, seja um número telefônico, o nome de usuário associado a um domínio ou até mesmo um IP de uma máquina - normalmente essa forma de identificar a entidade remota é uma URI, do inglês Uniform Resource Identifier 4 válida, no caso do SIP uma SIP URI - para o qual ele quer telefonar. Depois disso ele irá discar para acessar o destino usando uma aplicação VoIP, essa aplicação poderá usar um protocolo próprio, como é o caso do Skype, ou protocolos padronizados. Entre os protocolos padronizados, um dos mais usados é o SIP, do inglês Session Initiation Protocol (ROSENBERG et al., 2002), elaborado e padronizado pelo IETF. O SIP é um protocolo da camada de aplicação que foi criado para estabelecer sessões multimídias na Internet, responsabilizando-se principalmente pela criação, modificação e término de uma sessão. O seu uso é difundido em diversos tipos de aplicações, que fazem chamadas telefônicas, conferência multimídia ou até mesmo uma distribuição de streaming por uma rede IP. No SIP os dispositivos finais, telefones IPs, dispositivos móveis e computadores pessoais, são entidades denominadas agentes, que podem atuar como cliente ou servidor. Essas entidades utilizam mensagens de texto, similares às usadas nas transações do protocolo HTTP 5, para realizarem a requisição ou resposta de uma determinada função ou determinado método. Em algumas situações, em que os agentes estão em domínios administrativos distintos e não sabem ou não podem fazer chamadas diretamente a outros agentes, pode ocorrer, se estiverem em ISP distintos, que outros elementos extras entrem em cena na arquitetura do SIP. Um dos novos elementos é o Servidor Proxy que faz o encaminhamento de requisições a outros agente SIP ou a outro Servidor Proxy se passando pelo cliente, também aparece o chamado Servidor de Registro que é acionado quando um cliente se torna acessível para ligações destinadas a um identificador SIP, ele registra o agente SIP gravando sua localização, endereço de rede, porta TCP/UDP 6 e usuário. Há dois tipos de mensagens no SIP, uma para requisições feitas pelo cliente e outra para as respostas envias pelo servidor. As mensagens de requisição possuem em seu corpo o nome de um método ou função solicitada, já a de resposta contém o estado e resultado da requisição. A tabela 2.1 mostra os métodos e códigos de respostas mais básicos, contidos no protocolo SIP. 4 É um padrão que define a forma de identificação do protocolo e local para acesso a um serviço ou recurso na Internet, esse padrão pode ser consultado no documento WEB <http://tools.ietf.org/rfc/rfc3986.txt>. 5 O protocolo HTTP, do inglês Hypertext Transfer Protocol, é o protocolo por trás do funcionamento da WEB. 6 TCP, do inglês Transmission Control Protocol, e UDP, do inglês User Datagram Protocol, são protocolos da camada de transporte, uma explanação sobre o funcionamento de cada um deles pode ser encontrada em (KUROSE; ROSS, 2009).

20 19 INVITE ACK BYE OPTIONS REGISTER CANCEL 1xx 2xx 3xx 4xx 5xx 6xx Métodos SIP Usado para requisitar o estabelecimento de uma sessão. Para confirmar a resposta de uma solicitação INVITE. Usado para finalizar a sessão através de um dos agentes SIP. Para perguntar as funcionalidades suportadas. Utilizada para associar um agente SIP a URI SIP no Servidor de Registro. Pode cancelar a sessão ou a requisição de um método. Respostas SIP Para confirmar a recepção de um método ou informar que uma solicitação está sendo encaminhada. Remete ao sucesso, entendimento ou realização de um método solicitado. Indica ao cliente que alguma ação será tomada antes de proceder com uma solicitação, geralmente usada para informar encaminhamentos. Resposta de erro à solicitação do cliente. Problema encontrado pelo servidor ao tentar atender uma função suplicada. Falhas consideradas globais, pois não poderão ser atendidas por nenhum servidor. Tabela 2.1: Métodos e Repostas SIP Nem todos os métodos e todas as respostas são usados no estabelecimento de uma sessão SIP simples entre dois agentes, mas alguns deles são mandatórios, e são mostradas mais a frente. As mensagens utilizadas no SIP, para criar uma sessão permitem que as partes entrem em acordo, quanto ao tipo de mídias que serão usados. Isso possibilita que um cliente SIP, mesmo sem saber sobre os tipos de formatos suportados pelo outro agente, consiga entrar em acordo e estabelecer a comunicação. O protocolo que permite o acordo entre os agentes sobre as mídias suportadas e que serão usadas na comunicação é o SDP, do inglês Session Description Protocol (HANDLEY; JACOBSON; PERKINS, 2006). Ele provê uma maneira de descrever as codificações usadas em uma sessão com mídias. No SIP ele é usado com o fim de estabelecer entre as partes envolvidas um acordo quando ao tipo da mídia, o formato da mídia e o protocolo de transmissão. O SDP deve ser anunciado no cabeçalho da mensagem SIP e é usado apenas nas mensagens onde as funcionalidades são trocadas. No SDP são transmitidas as informações do protocolo de

21 20 transmissão da mídia, no caso do VoIP é informado na maiorias das aplicações o protocolo RTP, do inglês Real-time Transport Protocol (SCHULZRINNE et al., 2003). O áudio e vídeo propriamente ditos, são enviados através do RTP, que reserva duas portas UDP, uma para a mídia em sim (o streaming) e outra para o controle do fluxo, que é realizado com o RTCP, do inglês Real-Time Transport Control Protocol 7. O RTP, embora o nome muitas vezes confunda os seus utilizadores sobre sua real utilidade, não prove nenhum mecanismo para aplicações de tempo real (não foi produzido para garante restrições temporais no envio e entrega de informações), é uma forma de referência temporal na adição de campos com o identificador do pacote, número de sequência, marca temporal (timestamp 8 ) e informações de monitoramento do fluxo de mídia. A Figura 2.2 mostra através de um diagrama de sequência de mensagens (MSC 9 ) o fluxo das mensagens trocadas entre as entidades SIP e alguns dos conteúdos que carregam durante uma chamada. Nela o "Agente A "é o cliente enquanto o "Agente B "é o servidor. Para iniciar a comunicação o "Agente A "envia uma mensagem de requisição contendo o método "INVITE", o "Agente B "envia uma mensagem de resposta com o estado "100 - Trying". Após conseguir entregar a solicitação à aplicação do servidor, por exemplo um softphone, ele responde com estado "180 - Ringing". Quando a ligação é atendida, o servidor envia uma resposta "200 - OK", o cliente então envia uma mensagem de requisição com um "OK". A partir desse momento, através dos parâmetros predeterminados no SDP nas mensagens SIP anteriores, são estabelecidas duas conexões com o protocolo RTP/RTCP, uma direciona o áudio do cliente ao servidor e outra faz o contrário. Por fim, ao término da chamada, um dos agentes envia uma mensagem de "BYE"e o outro uma resposta com o estado "200 - OK"e assim a chamada é encerrada. 7 O RTCP é definido no mesmo documento que descreve o protocolo RTP, para mais detalhes consultar o documento (SCHULZRINNE et al., 2003) 8 Termo usado para denotar a utilização de informações que permitem associar o tempo de ocorrência de um evento ao horário corrente. 9 Diagrama de Sequência de Mensagens, do inglês Message Sequence Chart, é um tipo de diagrama usado para representar interações sequenciais entre entidades, geralmente usado para representar as trocas de mensagens feitas na execução de um protocolo. A linguagem para descrever esse tipo diagrama foi padronizada pelo International Telecommunication Union, mais informações podem ser encontradas na página WEB <http://www.itu.int/rec/t-rec-z.120>

22 21 Agente A INVITE 100 Trying 180 Ringing 200 OK ACK RTP/RTCP BYE 200 OK Agente B Figura 2.2: Exemplo do fluxo de uma sessão SIP/SDP entre dois agentes SIP TRANSMISSÃO DE ÁUDIO No envio do áudio de uma chamada VoIP, as ondas sonoras captadas pelo microfone do aparelho VoIP deverão ser convertidas em dados, para então serem transmitidas como informação pela rede de computadores. Na conversão e recuperação dessas ondas sonoras, e dos dados, são usadas técnicas de amostragem e quantização 10, que a depender de como e com qual duração é feita, pode prejudicar ou melhorar a qualidade e necessidade de banda na transmissão do áudio. O que definir os parâmetros na conversão entre ondas sonoras e dados e vice-versa são os codecs 11. Estes por sua vez podem exigir uma largura de banda alta ao fornecer uma qualidade ótima da transmissão da mídia, ou podem usar pouca largura de banda da rede e fornecer uma mídia de qualidade inferior. Na telefonia IP existem diversos codecs padronizados, comerciais e de domínio público, mas alguns deles foram criados para redes de dados específicas e não são usados em larga escala na Internet. Entre aqueles que possuem maior destaque é possível citar o padrão G.729 (ITU-T, 1996a) e o G.711 (ITU-T, 1988), ambos padronizados pelo International Telecommunication Union e adotados por várias aplicações de VoIP e mvoip. Ao estabelecer a chamada VoIP com o protocolo SIP e selecionar o formato de mídia, que será transmitido com o protocolo SDP, a transmissão do áudio é feita com um dos codecs citados acima, e para que a chamada tenha uma boa qualidade a taxa de transmissão e banda disponível exigida por eles deve ser garantida. A Tabela 2.2 mostra algumas informações sobre os dois codecs. Informações disponíveis em (BORDIM, 2010) e (PER..., ). 10 Uma introdução a esse tema pode ser encontrada em (BORDIM, 2010). 11 Codec, do inglês coder/decoder, é uma abreviação para Codificador e Decodificador.

23 22 Padrão de Tamanho das Taxa de geração de Taxa de transmissão Qualidade codificação amostras de voz a serem enviadas amostras do codec necessária na rede acordo MOS 12 ) G Bytes 64 Kbps 87.2 Kbps Excelente G Bytes 8 Kbps 31.2 Kbps Boa Tabela 2.2: Padrões de codificação de áudio (de com O protocolo RTP tem um cabeçalho de 12 Bytes, o UDP 8 Bytes, o IP possui mais 20 Bytes. Somando aos dados do áudio coletado pelos respectivos codecs G.711 e G.729, tem-se o custo de transmissão na rede, por pacote, que é mostrado na Figura 2.3. Figura 2.3: Pilha de procolos e dados usados para envio de mídia Apesar de haver maior utilização de recursos de rede pelo padrão G.711 comparado ao G.729, ele ainda é muito utilizado em cenários em que a largura de banda não é problema e sua utilização é justificada pelo ganho na qualidade da transmissão de voz. 2.3 DESAFIOS NA ADOÇÃO DO MVOIP Diversas empresas, organizações e pesquisadores estão demonstrando interesse nos estudos das tecnologias e problemáticas envolvidas na comunicação mvoip. Nesse aspecto, alguns dos estudos na área comprovam o crescimento da utilização de mvoip, prospectam o seu avanço e listam os problemas encontrados na sua aplicação. A pesquisa de mercado feita pela empresa Point Topic (VOIP..., 2012) em 2012, mostra que aplicações mvoip tem favorecido o crescimento VoIP de um modo geral. Shin (2012), mostra alguns fatores que levam aos usuários de 12 MOS, do inglês Mean Opinion Score, é um método para qualificação da voz humana, usado para medir a qualidade de uma transmissão de áudio.

24 23 dispositivos móveis a adotarem a telefonia mvoip, em substituição da telefonia padrão das operadoras de celulares. Nesse estudo verificou-se que tecnologias sem fio e móveis tem tido um crescimento considerável nos últimos anos. Além disso, diversos mercados no mundo inteiro estão estimulando maiores investimentos na área, permitindo assim, que aplicações e equipamentos com suportes que permitam o funcionamento nesse modelo de telefonia móvel sejam desenvolvidos. Além de Shin (2012), os estudos desenvolvidos por Geer (2009) revelam que a economia na comunicação é um fator crucial na adoção de mvoip. Tanto para empresas quanto para usuários domésticos de dispositivos móveis. Esses estudos também revelam que as empresas de telefonia consideram o mvoip um concorrente indesejável, e acabam aplicando restrições políticas no tipo de tráfego permitido em suas redes de dados, ou seja, algumas empresas de telefonia bloqueiam o tráfego de mvoip. Essa prática cria um conceito negativo sobre as operadoras. Contra essas tendências Shin (2012) e também Kim, Park e Ko (2013), mostram que novas formas de cobranças devem ser empregadas pelas operadoras, para que medidas retaliativas não prejudiquem a utilização de serviços mvoip pelos assinantes. Embora as tecnologias de redes WLAN tenham tido um rápido desenvolvimento nos últimos anos, tanto no âmbito das redes sem fio domésticas, que geralmente possuem equipamentos sem suporte a tecnologias de priorização de tráfego, quanto nas redes de grandes organizações, que geralmente possuem equipamentos com tecnologias mais incipientes. O mvoip ainda não possui seus requisitos de largura de banda, cadência de entrega do áudio e qualidade de transmissão garantidos - nesse caso os requisitos de QoS 13 - nesse tipo de redes, o que afeta diretamente a qualidade da experiência (QoE 14 ) dos usuários. Com o intuito de resolver problemas de priorização de tráfegos em redes sem fio no padrão IEEE , o IEEE 15 lançou a padrão IEEE e (IEEE..., 2005), complementar ao IEEE Esse padrão ataca alguns problemas na transmissão de pacotes ao nível da camada física, que precisam de garantias de QoS. No geral, esse padrão fez modificações ao nível da camada de enlace, acrescentando novos mecanismos para acesso ao meio sem fio, que permitem 13 Qualidade de serviço, do inglês Quality of Service (QoS), são conjuntos de garantias asseguradas a certos tipos de tráfego para que ele seja priorizado em detrimento de outros em uma rede IP. Uma discussão sobre os fundamentos de QoS pode ser encontrada em Kurose e Ross (2009). 14 Qualidade de experiência, do inglês Quality of experience (QoE), é uma medida que estabelece a qualidade da experiência de uso de um serviço. Para medir essa qualidade, usa-se critérios subjetivos, a exemplo, a opinião de usuários, que avaliam o quanto uma chamada telefônica foi audível, ou se apresentou lapsos de interferências, e etc. 15 IEEE, do inglês Institute of Electrical and Electronics Engineers, é uma organização que promove padronizações de tecnologias no âmbito da engenharia, eletrônica e computação. Atualmente, é responsável por vários padrões utilizados em equipamentos de comunicação sem fio como o IEEE , o IEEE e IEEE A página oficial o IEEE pode ser acessada em <http://www.ieee.org/index.html>.

25 24 aos equipamentos com tráfego prioritário à transmissão preferencial, em detrimento dos outros dispositivos da rede. Trabalhos com o propósito de melhoraria do desempenho do IEEE foram propostos por outros pesquisadores, como é o caso de Raptis, Vitsas e Paparrizos (2009), que propuseram métricas para calcular o atraso, nível de perda de pacotes, na função DCF 16 do IEEE Todas essas medidas de melhoramento do IEEE , para aplicações com necessidade de QoS, não resolvem todos os problemas encontrados em redes sem fios que operam nesse padrão. Em redes de múltiplos saltos, como é o caso das Wireless Mesh Network (consultar a seção 3), outras medidas devem ser tomadas. Técnicas de agregação de pacotes são utilizadas para diminuir o custo de retransmissão dos pacotes de voz por essas redes, já que normalmente há vários nós para o fluxo de informação ser retransmitido e a transmissão de um único pacote por vez não compensa, em relação a probabilidade de que haja a perda. Em (MAJEED; ABU- GHAZALEH, 2012) e (CASTRO et al., 2007) abordagens para implementar essa técnica são propostas e analisadas. Conclui-se que estudo de técnicas, para priorização de tráfego em redes sem fio é uma necessidade, principalmente quando se considera as especificidades de aplicações de transmissão de voz pela rede IP. 16 Função Coordenação Distribuída, do inglês Distributed Coordination Function (DCF), é um técnica empregada no IEEE , para controlar o momento da transmissões das estações.

26 25 3 REDES MESH SEM FIOS Para a construção de uma rede sem fio, que não esteja atrelada a uma topologia estática e em que os nós da rede possam utilizar outros nós subjacentes para o envio do tráfego, considera-se ideal uma rede em malha sem fio, comumente chamada Wireless Mesh Network (WMN). Em uma rede Mesh, os nós são responsáveis por manter a conectividade da rede de forma dinâmica. Esta funcionalidade é proporcionada por mecanismos que permitem autoconfiguração, auto organização e crescimento não previsível de equipamentos participantes da rede (HOS- SAIN; LEUNG, 2008). Ao contrário de outros tipos de rede sem fio, os nós de uma rede Mesh encaminham dados que não são originados e destinados a eles, de maneira que, há roteamento entre os nós, mais especificamente roteamento dinâmico, justamente pela imprevisibilidade dos elementos que a compõe. Por ter a característica de adaptabilidade topológica, as redes Mesh tem chamado a atenção de pesquisadores e organizações, geralmente em estudos que tratam problemas relacionados a redes para situações de desastre e emergência, sistema de socorro e atendimento médico, sistema para transporte inteligente, redes temporárias, sistemas de vigilância e policiamento, redes comunitárias e metropolitanas (MISRA; MISRA; WOUNGANG, 2008). Para estruturas de grandes cidades, as redes Mesh são tidas como solução para problemas de acessibilidade à Internet, como é apresentado por Siris, Tragos e Petroulakis (2012). As WMN podem ser empregadas como redes de acesso aos mais variados tipos de dispositivos, isto porque redes Mesh foram concebidas para possibilitarem a coexistência heterogênea de múltiplas tecnologias sem fio. Uma das maiores vantagens de uma rede WMN é sua rapidez, custo de construção e manutenção, essas características a torna de fácil configuração e montagem (HOSSAIN; LEUNG, 2008). Com o intuito de prover essa funcionalidade, diversas empresas já vendem soluções prontas para Wireless Mesh Network comunitárias e corporativas, como é o caso da empresa open-mesh 1, que vende uma solução de rede Mesh para compartilhamento de Internet banda 1 Para informações sobre a empresa open-mesh e seus produtos consulte o site <http://www.open-mesh.com/>, outras empresas que também tem produtos similares são Aruba Networks <http://www.arubanetworks.com/ products/mesh-routers/> e Cisco <http://www.cisco.com/en/us/netsol/ns621/index.html>.

27 26 larga. 3.1 ARQUITETURA DE UMA WIRELESS MESH NETWORK Uma WMN pode servir para diferentes fins, seja redes de acesso, para que pessoas de um bairro se unam e façam uma rede colaborativa para compartilharem suas conexões à Internet e ampliarem sua área de cobertura sem fio. A esse tipo de provimento, na maioria das vezes, os elementos da rede Mesh são arranjados como na Imagem 3.1, nesse exemplo, os nós estão dispostos na chamada arquitetura de backbone2. Os equipamentos de borda são os cliente Mesh, representam os dispositivos finais da rede, que fazem o papel de clientes e originam o tráfego para ser encaminhado pelos roteador Mesh, que por sua vez encaminham o tráfego entre si até chegar a um dos gateway Mesh. A função dos gateway Mesh é escoar o tráfego, na maioria dos casos por uma conexão com fio, para a Internet. Figura 3.1: Arquitetura Backbone Mesh As redes WMN podem ser empregadas com suporte com mais de uma tecnologia sem fio, podendo por exemplo, ter uma rede de telefonia, usando 3G, 4G ou GSM e ligada a estrutura Mesh. Nesse caso, uma torre de telefonia estaria ligada a um roteador Mesh e escoaria todo 2 Essa palavra refere-se aos equipamentos que fazem,exclusivamente, encaminhamento na parte central de uma rede. Muitas vezes, são equipamentos com alto poder computacional.

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