Redes Mesh: Estendendo os limites de redes WiFi tradicionais. Laboratório MídiaCom

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1 Redes Mesh: Estendendo os limites de redes WiFi tradicionais Célio Albuquerque, IC / UFF

2 Redes Mesh - Conteúdo Redes WiFi Redes Mesh Pilotos pelo mundo Protocolos de roteamento ad-hoc Projeto ReMesh Projetos do MídiaCom

3 Padrão IEEE WLANs Wireless Local-Area Networks 2.4GHz (Banda ISM reservada para LAN, uso médico e industrial) Padrão desenvolvido pelo IEEE projeto padrão original a 1 ou 2Mbps em 2.4 GHz a - rádio em 5 GHz (6 a 54 Mbps) b - rádio em 2.4 GHz (5,5 e 11 Mbps) g - 54 Mbps, 2.4 GHz (compatível com b) (2003) n higher throughput improvements (2007)

4 Rede sem Fio com Infra-estrutura ESS Sistema de Distribuição AP-A AP-B BSS-A E-A1 E-A2 E-B2 E-B1 BSA (Basic Service Area) = célula BSS (Basic Service Set) = estações comunicando-se em uma BSA AP (Access Point) ESS (Extended Service Set) = estações comunicando-se em vários BSS s BSS-B

5 Rede sem Fio Ad-Hoc BSS = ESS E-1 E-4 E-2 E-3 BSA (Basic Service Area) = célula BSS (Basic Service Set) = estações comunicando-se em uma BSA

6 Redes Mesh - Definição Redes em malha ou Mesh são redes sem fio autoconfiguráveis que interconectam um conjunto de nós fixos capazes de rotear pacotes entre si. Os nós ou roteadores utilizam normalmente a tecnolgia em modo Ad-Hoc e constroem uma malha sem fio para transmissão de dados em faixa larga em localidades onde não existe infra-estrutura física ou onde o custo de comunicação por outras redes é elevado.

7 Redes Mesh Estendendo os limites de redes WiFi

8 Redes Mesh Integração com outros sistemas

9 Redes Mesh Extensão via Clientes Mesh

10 Redes Mesh Broadband Home Networking

11 Redes Mesh Community Networking

12 Redes Mesh Enterprise Networking

13 Redes Mesh Redes Metropolitanas

14 Redes Mesh Sistemas de Transporte

15 Redes Mesh Automação/Comunicação em Edifícios

16 Pilotos pelo mundo Redes Mesh: Estendendo os limites de redes WiFi tradicionais

17 Redes Mesh Pilotos pelo Mundo 1. GT ReMesh [UFF Niterói] 2. RoofNet [MIT - Boston] 3. VMesh [Grécia] 4. Microsoft Research 5. MeshNet [UCSB] 6. Comerciais 1. Nortel Wmesh (Taipei, Filadelfia, ) 2. Cisco Mesh Network (Canada, Tiradentes, ) 3. Mitre Mobile Mesh, 4G MeshCube, LocustWorld,

18 GT-ReMesh - UFF Rede UFF Internet

19 RoofNet - MIT Projeto desenvolvido no MIT para prover acesso através de uma rede Mesh a usuários em Cambridge Desenvolveram software próprio Utilizaram roteadores Wi-Fi WGT634U da Netgear Objetivo principal é o estudo de características de enlaces como perda de pacotes, rotas de maior throughput para ambientes de altas perdas, etc Site: No site é possível ver um mapa interativo da rede

20 RoofNet - MIT

21 Vmesh - Grécia Projeto piloto desenvolvido pelos professores N. Tsarmpopoulos e Y. Kalavros da University of Thessaly - Grécia A Low Cost and Simple-to-Deploy Peer-to-Peer Wireless Network based on Open Source Linux Routers,Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, Fortaleza, CE, maio de Utilizaram pontos de acesso Linksys WRT54G com o sistema operacional OpenWRT Adaptando os roteadores à antenas omni-direcionais montaram uma estrutura de teste Site do projeto:

22 Microsoft Mesh Principal objetivo é interconectar redes próximas formando redes comunitárias Dispõe de um pacote proprietário com o software e ferramentas de desenvolvimento para aplicações e drivers Possui um pacote aberto: Mesh Networking Academic Resource Toolkit 2005

23 MeshNet UC Santa Barbara Projeto da Universidade da California implantado no próprio campus: Santa Barbara Mesh Testbed Dispõe atualmente de 25 nós espalhados em cinco andares de um mesmo prédio Também utilizam o Linksys WRT54G Para conexão com a rede universitária utilizam o Mesh Gateway da Intel Principal objetivo é o desenvovimento de protocolos e sistemas para operações robustas em redes wireless multipath Site:http://moment.cs.ucsb.edu/meshnet/

24 Solução da Nortel Desenvolvida para o mercado corporativo e institucional Focado para instalação em regiões onde não há possibilidade de se instalar backbones de dados cabeados Solução proprietária

25 Protocolos de roteamento ad-hoc Redes Mesh: Estendendo os limites de redes WiFi tradicionais

26 Protocolos de Roteamento Ad-Hoc Classificação quanto à construção de rotas: Pró-ativos (table driven) Nós mantêm informação atualizada sobre a topologia da rede e calculam todas as rotas possíveis Ex.: OLSR, DSDV, WRP, CGSR, GSR, FSR, etc. Reativos (on demand) Nós que desejam realizam procedimento de descoberta de rota para um destino específico DSR, AODV, TORA, ABR, etc. Híbridos Combinam características de protocolos pró-ativos e híbridos ZRP, CESAR, etc.

27 Protocolos de Roteamento Ad-Hoc Pró-ativos (table driven) Vantagem: disponibilidade de rotas para todos os destinos durante todo o tempo; menor retardo no processo de estabelecimento de rotas. Desvantagem: alto overhead, devido a troca de mensagens de controle do protocolo de roteamento Reativos (on demand) Vantagem: menor overhead com pacotes de controle Desvantagem: retardo maior para estabelecimento de uma nova rota Híbridos Adequados para redes ad-hoc com muitos nós

28 OLSR Optimized Link State Routing Padrão IETF - RFC 3626 Protocolo pró-ativo baseado no clássico link state; Otimizado para redes Ad-hoc; Somente um pequeno grupo de nós conhece a rede (partial topology) Utiliza topologia parcial Cada nó seleciona um conjunto de nós vizinhos conhecidos como MPRs (MultiPoint Relays) ;

29 OLSR MPRs Exemplo Sem MPRs Com MPRs

30 OLSR Nós MPRs são responsáveis por encaminhar as mensagens de tráfego; Reduzem o flooding na rede para divulgação da topologia; Importantes também na informação do estado dos links. Rotas contêm somente MPRs intermediários entre origem e destino; OLSR padrão provê apenas roteamento ótimo em termos de números de hops; Extensões permitem uso de outras métricas ETX expected transmission count OLSR-ML minimum loss Qualidade de serviço não é levada em consideração;

31 GT-ReMesh: Instalação, configuração, gerência e autenticação Redes Mesh: Estendendo os limites de redes WiFi tradicionais

32 Resumo Executivo Primeira experiência brasileira em redes mesh Acesso universitário faixa larga sem fio Protótipo de roteador mesh sem fio Baixo custo Em operação desde março de 2006 Mais de 700GB de dados transferidos na rede externa em 2007 Estável e com desempenho satisfatório

33 GT-ReMesh UFF Arquitetura do Protótipo Rede Mesh de Acesso Universitário Faixa Larga Sem Fio Backbone: IEEE g, 54Mbps, 2.4GHz ISM Acesso Predial: Ethernet IEEE 802.3, 100Mbps Acesso Sem Fio: WiFi IEEE b/g Autenticação por usuário via Captive Portal Framework para QoS em desenvolvimento Protocolo de Roteamento Ad Hoc OLSR-ML

34 GT-ReMesh UFF Componentes de HW Roteadores compatíveis com OpenWRT: Linksys WRT54GS e WRT54G versões 2.2 a 4.0 Antenas Omnidirecionais 2.4GHz 18.5dB Cabo RGC dB/m Pares de conectores RP-TNC e N-Macho Módulo Power over Ethernet GT-ReMesh Caixa hermética e tripé Servidor de autenticação WiFi-Dog Servidor de gerência (mesh.ic.uff.br)

35 Gateway ReMesh - UFF

36 Componentes de SW no protótipo Sistema operacional OpenWRT Procolo Ad Hoc OLSR-ML (desenvolvido pelo GT a partir do protocolo OLSR original) Ferramenta iptables para roteamento das subredes utilizadas pela arquitetura Ferramenta wifidog para autenticação dos usuários ligados a cada nó da rede

37 Componentes de SW no protótipo Plugins do procolo OLSR: httpinfo, para disponibilização de informações do nó via web dotdraw para envio de informações de gráficos da topologia Servidor DHCP Servidor http Diversas ferramentas para medições: iperf, ping, ttcp e kismet.

38 Componentes de SW nos servidores wifidog-auth e banco de dados Postgres para autenticação e gerência dos usuários Ferramentas de medição (iperf, pathchar, ttcp, cliente kismet) Servidor http Pacote graphiz para geração de gráficos da topologia Diversos scripts em bash e shell para exibição das informações dos roteadores.

39 Modelo Proposto Rede UFF Internet

40 Gerência do serviço Gerência de configuração Imagens de software, Bcp, Bshell Gerência de acesso Autenticação e estatísticas Gerência de desempenho Visualização da topologia Monitoramento de desempenho

41 Bshell e Bcp

42 Gerência de Acesso

43 Padrão 802.1x

44 Servidor de Autenticação

45 Estatísticas

46 Mais estatísticas

47 Mais estatísticas

48 Visualização SVG

49 Qualidade de serviço

50 Novos Serviços sobre Redes Mesh Telefonia IP Transmissão de Vídeo Necessita de QoS para garantir qualidade na transmissão de pacotes de voz e vídeo Classes de serviço (ex. Cisco) Voz Vídeo Gold Silver

51 Qual o melhor caminho? 10ms A 10ms B 10ms Pequeno delay, com boa largura de banda? X 30ms C 40ms Y Grande delay, com 2 hops? 30ms E 50ms F 10ms Grande delay, com pequena largura de banda?

52 GT-ReMesh: Desempenho Redes Mesh: Estendendo os limites de redes WiFi tradicionais

53 Desempenho

54 Métricas de Roteamento

55 Medidas: Estabilidade de Rotas

56 Medidas: Qualidade dos links

57 Medidas: Vazão

58 ReMesh em Belém (UFPA)

59 ReMesh em Curitiba

60 ReMesh em Brasília

61 ReMesh em RS/SC Linha de transmissão Machadinho Campos Novos

62 Referências I. F. Akyildiz et al., Wireless Mesh Networks: A Survey, Computer Networks Journal, 2005 e IEEE Communications Magazine, September R. Bruno, M. Conti, and E. Gregori, Mesh Networks: Commodity Multihop Ad Hoc Networks, IEEE Communications Magazine, March

63 Parceria entre Departamento de Engenharia de Telecomunicações Escola de Engenharia TET/UFF Departamento de Ciência da Computação Instituto de Computação IC/UFF

64 Professores: Prof. Célio Vinícius Neves de Albuquerque IC Profa. Débora Christina Muchaluat Saade IC Prof. Igor Monteiro Moraes IC Prof. Luiz Claudio Schara Magalhães TET Prof. Ricardo Carrano TET Colaboradores: Vários Professores do IC (Julius, Lúcia, Esteban, Aura, )

65 Financiamento: Parcerias com universidades COPPE/UFRJ, LNCC, UFPA, IME, PUC-PR, UERJ, UFRN, UTFPR, UFMG, etc. e algumas empresas

66 oferece suporte à pesquisa e desenvolvimento de projetos na área de: Comunicação de Dados Multimídia - TET Redes de Computadores e Sistemas Multimídia - IC com ênfase nas linhas de: Televisão Digital Interativa Redes em Malha sem Fio Redes Mesh Telemedicina Redes Avançadas

67 TV Digital Interativa Desenvolvimento de linguagens declarativas para autoria multimídia => TV digital Linguagem NCL Desenvolvimento de editores e conversores Editores de âncoras Conversor NCL=> MPEG-4 XMT Facilidades para autoria em NCL XTemplate Aplicações Interativas Ex.: RummiTV, T-Censo, DamasTV, Editores gráficos EDITEC, Editor NCL com Templates

68 Redes Mesh Solução para canal de retorno do SBTVD Solução de baixo custo para roteador mesh openwrt Métricas e protocolos de roteamento OLSR-ML Testes de transmissão de voz e vídeo Provisão de QoS e multicast TC, BMF, IEEE e Mesh na Camada MAC (IEEE s) Alimentação solar e gerência de energia Ferramentas de visualização da topologia e gerência MTV, TCMesh, MeshAdmin

69 Telemedicina Uso de redes mesh em ambientes hospitalares Uso de redes mesh em cidades digitais como infraestrutura de comunicação para aplicações médicas em dispositivos sem fio Processamento de imagens médicas para volumetria do encéfalo Sistema de suporte a decisão para diagnóstico da Doença de Alzheimer

70 Redes Avançadas Protocolos de Streaming Protocolos de Transporte de Alta Velocidade Medição de Desempenho Otimização de Uso da Rede em Escolas Públicas Cache e Filtragem de conteúdo Internet do Futuro

71 Histórico de Projetos do Laboratório TV Digital, Redes Mesh, Telemedicina, Redes Avançadas FUNTTEL ITVSoft SBTVD GT-Mesh2 RUCA2 PensaRio AccessNetTech MultiTV RH-TVD ProCAD AutorTVDReuse GT-Scifi GT-ReBUS Agito tempo HiperTV AutoriaTV Giga GT-Mesh RUCA MARFIM MACC-Rio REMOTE REBU REMOTE2 MADRE INCT-MACC INCT-Web Eduroam-br REEF CIA2

72 Projetos Concluídos Projeto SBTVD 2005/2006 Financiamento FINEP/CPqD Pesquisas sobre canal de interatividade da TV Digital brasileira Professor Célio Uso de redes mesh como possível solução Parcerias UFRJ, Unicamp, etc.

73 Projetos Concluídos Projeto GTMesh 2005 a 2007 Rede Mesh de Acesso Universitário Faixa Larga Sem Fio Financiamento RNP Professores Célio, Débora e Schara Parceria IC/UFF - Professor Julius 1ª. fase Parceria UFPA/UTFPR/PUC-PR 2ª. fase Prover acesso à Internet a comunidade universitária (alunos, professores, funcionários) que morem nas proximidades dos campi da UFF Desenvolvimento do firmware do roteador sem fio, com customização do protocolo de roteamento e montagem do ponto mesh completo

74 Projetos Concluídos Projeto RUCA Rede do Projeto Um Computador por Aluno Financiado pela RNP Testes de conectividade de laptops populares (OLPC) Professores Schara, Débora e Célio Parcerias USP, UFRGS, UFPB, UNB, UFAM

75 Projetos Concluídos Projeto RUCA /2009 Rede do Projeto Um Computador por Aluno Financiado pela RNP Infraestrutura de rede nas escolas e interligação das escolas em rede Professores Schara, Débora e Célio

76 Projetos em Andamento ReMOTE: Rede de Monitoramento para linhas de Transmissão de Energia Instalação de rede mesh sem fio em linhas de transmissão como infraestrutura de suporte a aplicações de supervisão e controle da linha Instalação de rede piloto na linha de transmissão Campos Novos Machadinho (SC) Financiamento TBE (EATE, ENTE), ANEEL Professores Célio, Débora e Schara 2007 a 2015

77 Projetos Novos Grupos de Trabalho RNP: GT-Scifi Sistema de Controle Inteligente para Redes sem Fio GT-ReBUS Redes de Acesso em Ônibus Universitários Piloto Eduroam-br: Education Roaming em Universidades Brasileiras Redes Verdes [VER]: CNPq e CTIC Cidades Inteligentes

78 [VER]: Objetivo Criação de uma infraestrutura energeticamente eficiente ( Rede Verde ) e com baixo custo de implantação para suporte a serviços de utilidade pública oferecidos ao cidadão e ao turista de forma democrática. Projetos similares: SolarMESH (Ontario/Canadá) Quail Ridge Wireless Solar Mesh Network (Davis/CA) para monitoramento ambiental

79 [VER]: Redes Verdes Redes com Roteadores Sem-fio Padrão Roteadores Sem-fio Padrão Alimentados pela rede elétrica, dependem de um sistema de distribuição de energia, não contribuem para a redução de CO2. Roteadores Verdes são alimentados por fontes de energia limpas e renováveis (através de paineis solares, ou energia eólica).

80 [VER]: Proposta Rede em Malha Sem Fio Verde:

81 [VER]: Pesquisa Algoritmos de Gerenciamento de Energia Capacidade dos dispositivos de alternarem entre modos de operação com menor ou maior consumo Possibilitam economia de energia Possibilitam extensão do tempo de vida da rede

82 Laboratório Mídiacom Obrigado! Perguntas?

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