Redes Mesh: Estudo de caso em ambiente de WISP

Transcrição

1 Redes Mesh: Estudo de caso em ambiente de WISP Giales Fischer Grutzmann, Msc. Eduardo M. Monks 1 Faculdade de Tecnologia Senac Pelotas (FATECPEL) Curso Superior de Tecnologia em Redes de Computadores Rua Gonçalves Chaves, Centro CEP Pelotas RS Brasil giales@gmail.com, emmonks@gmail.com Resumo. Este artigo tem como objetivo explorar as tecnologias envolvidas em redes Mesh e analisar as soluções que melhor se adequam a um ambiente de WISP (Wireless Internet Service Provider). Palavras-chave: Mesh; HWMP; RSTP; Abstract. This article aims to explore the technologies involved in Mesh networks and analyze the solutions that are best suited to an environment of WISP (Wireless Internet Service Provider). Keywords: Mesh; HWMP; RSTP; 1. Introdução Devido ao constante crescimento das redes do tipo Wireless, em ambiente de provimento de acesso à Internet sem fios, e pelo constante aumento do número de usuários, há uma necessidade de encontrar novos meios para atender a demanda, cada vez maior de tráfego de informações, sempre levando em conta questões como alta disponibilidade e alto desempenho. Com o objetivo de melhorar esses serviços, surgiu no ano de 2006 [CONNER, W. Steven et. al] a tecnologia de redes em malha sem fios Wireless Mesh Networks, e com o passar do tempo vem surgindo novos protocolos que trabalham nesse modelo de redes, que são adaptações de protocolos de rotamento para redes ad-hoc. As soluções tradicionais para construção de redes sem fio com múltiplos saltos realizam a decisão de roteamento e o encaminhamento das informações transmitidas no nível de rede, o que tem a vantagem de ser independente da tecnologia de enlace e segue o modelo tradicional de arquitetura de rede que coloca comunicação inter-rede como responsabilidade da camada três. Uma proposta mais recente para comunicação em múltiplos saltos em redes sem fio aborda a implementação de técnicas de encaminhamento através de múltiplos saltos no nível de enlace, como uma extensão das funcionalidades das redes locais sem fio [CAMP, J. E KNIGHTLY, E., 2008]. Tendo como cenário um provedor de acesso à Internet sem fios, que atualmente possui uma rede de núcleo sem alta disponibilidade, este artigo propõe uma reestruturação dessa rede, utilizando uma topologia Mesh, com o auxílio do protocolo de roteamento HWMP+ (Hybrid Wireless Mesh Protocol Plus) [MIKROTIK, 2010], provendo uma rede mais robusta e confiável. 2. Redes Mesh As redes do tipo Mesh, são redes com topologia dinâmica, variável e de fácil expansão [AKYILDIZ et al., 2005]. Esta topologia e constituída por nós cuja comunicação, no nível

2 físico, é feita através do padrão IEEE s [802.11TM, 2010]. Essas redes têm muito em comum com as redes móveis do tipo ad-hoc, conhecidas por MANETs (Mobile Adhoc networks, ou MANETs) [802.11TM, 2010]. A principal diferença entre as duas redes se dá ao fato de que os nós das redes Mesh têm localização fixa, embora suas localizações não sejam predeterminadas [BREUEL, 2004]. Os algoritmos de roteamento destes tipos de redes, têm muita semelhança entre si. Como a maioria dos nós estará conectada a mais de um nó, torna-se uma rede com alta disponibilidade, pois a queda de um nó não implica na perda de conectividade, já que o sistema encontra novas rotas automaticamente. As redes Mesh possuem 3 tipos de protocolos de roteamento, os proativos, os reativos e os híbridos. Na figura 1, uma ilustração de exemplo de uma rede Mesh, interligando várias moradias, muitas delas com mais de uma opção de rota de saída para a Internet. Figura 1. Exemplo de uma rede Mesh. 3. Tipos de protocolos de roteamento 3.1. Protocolos Proativos Os protocolos proativos tem como objetivo descobrir a topologia da rede, através do envio e recebimento de mensagens de controle. Um nó pode enviar mensagens de controle informando que está ativo na rede e enviar mensagens de controle divulgando os nós com os quais ele tem alcançabilidade. A partir das informações de controle recebidas, cada nó calcula a sua tabela de roteamento interna, utilizando como parâmetro métricas prédefinidas pelo protocolo. A principal vantagem deste tipo de protocolo é que as rotas para diversos nós que fazem parte da rede estão sempre disponíveis, e o mesmo é muito sensível a mudanças na topologia na rede. Por se anunciarem mais frequentemente, consomem mais recursos de energia. Exemplos: DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) [PERKINS, 1994], OLSR (Optimized Link State Routing) [IETF, 2003a] 3.2. Protocolos Reativos Os protocolos reativos tem como objetivo criar rotas para um destino somente quando necessário. Na inicialização do algoritmo, o nó realiza um processo de descoberta de rotas na rede. Esse processo termina quando uma rota é encontrada ou quando todas as combinações possíveis de rotas são avaliadas, com o objetivo de encontrar a melhor rota para o destino. Quando uma rota é descoberta e estabelecida, ela é mantida até que não

3 seja mais necessária ou até que todas as possibilidades de rotas entre o nó atual e os nós de destino sejam avaliadas. Os protocolos dessa classe são eficientes em cenários nos quais há limitação de recursos, tal como energia elétrica, poder de processamento ou capacidade de comunicação. Uma vez que a rede não é inundada com mensagens de controle e nem os nós que fazem parte dessa rede têm a obrigação de enviar constantes mensagens de broadcast para informar que os mesmos estão ativos na rede [OLIVEIRA, 2008]. Exemplos: DSR (Dynamic Source Routing) [IETF RFC 4728, 2008], AODV (Ad-hoc On-Demand Vector) [IETF, 2003b] Protocolos Híbridos Os protocolos híbridos reúnem as características encontradas nos protocolos proativos e reativos. São eficientes em redes ad-hoc, cujo comportamento varia com o passar do tempo. A rede em que todos os nós estão igualmente ativos exige que a tabela de roteamento seja constantemente atualizada. Entretanto, com o passar do tempo, a maioria dos nós podem tornar-se menos ativos ou até mesmo não ativos, fazendo assim com que uma abordagem reativa seja mais adequada nesse novo contexto. Outra questão em relação aos protocolos dos tipos anteriores está na escalabilidade, pois à medida em que aumentam o número de nós da rede, os protocolos proativos têm a tendência de se tornarem não escaláveis, devido ao grande número de mensagens de controle propagadas utilizando pacotes em broadcast. Portanto, em grandes redes, a latência para a descoberta e manutenção de uma rota passa a se tornar um limitador de recursos da rede. Exemplos: ZRP (Zone Routing Protocol) [ZRP, 2005], HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) [802.11TM, 2010], HWMP+ (Hybrid Wireless Mesh Protocol Plus) [MIKRO- TIK, 2010]. 4. Estudo de caso Neste artigo, por questões de limitação de tecnologias e de dispositivos disponíveis na rede do provedor, optou-se pelo uso do protocolo HWMP+ (Hybrid Wireless Mesh Protocol Plus) [MIKROTIK, 2010], que é proprietário do sistema operacional RouterOS, da empresa Mikrotik [MIKROTIK, 2010]. Será feita uma comparação com RSTP (Rapid Spanning Tree)[IEEE 802.1, 2004], que possibilita o funcionamento da topologia em Mesh sem o uso de um protocolo de roteamento específico Protocolo RSTP (Rapid Spanning Tree) O protocolo RSTP (Rapid Spanning Tree) [IEEE 802.1, 2004], possibilita incluir redundâncias de enlaces na topologia da rede, com o objetivo de fornecer caminhos alternativos caso um enlace ativo falhe e também evitar a ocorrência de loops na rede. Os loops na rede causam sobrecarga, porque causam o excessivo envio de mensagens em broadcast, que indefinitamente são repassados em todas as interfaces que fazem parte de uma rede. Neste protocolo, quando ativado nos dispositivos da rede, ocorre a eleição do dispositivo root, que contém a maior prioridade na rede, e todos os dispositivos trocam pacotes de controle, chamados BPDU (Bridge Protocol Data Unit), transmitindo informações sobre a topologia, portas, endereços MAC, prioridade e custo do caminho. Também conhecido como protocolo IEEE 802.1w [IEEE 802.1, 2004], o protocolo RSTP possui cinco diferentes estados de portas, são elas: inválida, escuta, aprendizagem, bloqueio e encaminhamento [CISCO, 2006]. Como demonstrado na figura 2a, a porta que

4 recebe o melhor BPDU (Bridge Protocol Data Unit), ou seja, contém a maior prioridade, é considerada porta raiz, e é também a porta mais próxima para o dispositivo root. A porta designada, conforme figura 2b, é a porta em que pode-se enviar o melhor BPDU (Bridge Protocol Data Unit), baseado na menor Brige ID, menor caminho e Port ID. Como demonstrado na figura 2c, a porta alternativa, tem comunicação com outro dispositivo que tem conectividade com o dispositivo principal e permanece em estado de bloqueio, e também é utilizada caso a porta raiz fique com o caminho indisponível. Deste modo, também funciona a porta backup, mostrada na figura 2d, esta porém, fica no mesmo dispositivo, e é usado para o mesmo fim da porta alternativa. Figura 2. Estados de porta do RSTP Protocolo HWMP+ (Hybrid Wireless Mesh Protocol Plus) O protocolo HWMP+ (Hybrid Wireless Mesh Protocol Plus) [MIKROTIK, 2010] é um protocolo de roteamento de camada de enlace para redes Mesh, proprietário da empresa Mikrotik. Baseia-se no protocolo híbrido HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) [802.11TM, 2010] da IEEE s e foi usado em substituição do protocolo RSTP (Rapid Spanning Tree) [CISCO, 2006], otimizado para evitar loops de roteamento. O HWMP+, no entanto, não é compatível com o padrão IEEE HWMP do projeto s. Este protocolo suporta tanto interfaces wireless, interligadas entre si com WDS (Wireless Distribution System) [802.11TM, 2010], quanto interfaces ethernet, bem como um misto dessas interligações Descrição do protocolo O protocolo HWMP+ (Hybrid Wireless Mesh Protocol Plus) [MIKROTIK, 2010], quando utilizado no modo reativo é muito parecido com o protocolo AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector) [IETF RFC 3561, 2003]. Neste protocolo, todos os caminhos são descobertos sob demanda, com mensagens PREQ (Path Request), enviadas por broadcast na rede, o dispositivo de destino envia de volta pelo método unicast o PREP (Path Response). A figura 3a, mostra o roteador A descobrindo o melhor caminho para o roteador C, que por sua vez envia uma mensagem do tipo unicast para o roteador A. Quando utilizado no modo proativo, o protocolo HWMP+ tem um ou mais roteadores habilitados no modo portal, que nada mais é do que um nó de entrada e saída da rede Mesh,

5 habilitando o envio de broadcast de RANN (Root Announcement) na rede. Após isto, dispositivo de destino envia de volta pelo modo unicast o PREG (Path Registration). Estas rotas para portais servirão como uma espécie de rota padrão, se um roteador interno não sabe o caminho para determinado destino, ele pula para o seu portal mais próximo, que encaminhará para o destino correto. Na figura 3c, o roteador raiz envia uma mensagem do tipo RANN (Root Announcement), os nós internos, então, respondem com um PREG (Path Registration). Figura 3. HWMP+ nos modos reativo e proativo. 5. Projeto Um dos núcleos da rede do provedor, localizado na cidade de Canguçu-RS, como ilustrado na figura 4, comporta atualmente todo tráfego de rede deste município, com mais de 1300 usuários domésticos e empresariais, representando 65% da clientela da empresa, com velocidades de 200Kbps até 5Mbps. A topologia atual desta parte da rede, no entanto, não provê redundância de caminhos entre os POPs (Points Of Presence) da rede, tornando-se um ponto único de falha da rede. Cada POP do provedor, provê acesso à Internet para seus clientes, por meio da tecnologia Wireless, onde cada cliente possui um equipamento de recepção de rádiofrequência, que utiliza vários padrões de tecnologias existentes no mercado. Não obstante, a interconexão entre esses POPs do provedor, pode-se tornar um gargalo na rede, ocasionando uma má qualidade do serviço prestado.

6 Figura 4. Rede antiga, sem uso de Mesh. O projeto sera implementado somente no nu cleo da zona urbana deste municı pio, onde ha a maior concentrac a o de tra fego da empresa, provendo alta disponibilidade e alto desempenho na interligac a o dos pontos de acesso do provedor. Na figura 5, a topologia da rede proposta no artigo. Figura 5. Rede nova, com uso de Mesh. Estes 5 pontos de acesso, mostrados na figura 5, sera o interligados entre si, conforme disponibilidade geogra fica e de visibilidade. Por exemplo, o ponto POP5 na o tem visada para os pontos POP1 e POP2, mas tem visada para os pontos POP3 e POP4. Atualmente, o POP5 comunica-se apenas com o POP3, e uma redunda ncia foi criada com a interligac a o com o POP4.

7 5.1. Equipamentos utilizados Em todos os pontos de acesso serão utilizadas Routerboards, modelo 493 [MIKROTIK, 2010], com o sistema operacional RouterOS da Mikrotik [Mikrotik, 2012], baseado no sistema operacional Linux. Para os enlaces ponto a ponto, serão utilizados cartões mini pci, modelo R52H e R52n [MIKROTIK, 2010]. O cartão R52n possui dupla saída de rádiofrequência, no entanto, utilizou-se somente uma delas, por questões de limitações das antenas disponíveis para o projeto, que não possuem dupla polarização. Figura 6. Routerboard RB493 e o cartao mini pci R52H, da Mikrotik. 6. Testes realizados De acordo com a topologia similar montada em bancada, mostrada na figura 7a, foram realizados diversos testes, utilizando Routerboards modelo 493 [MIKROTIK, 2010]. Entre os testes, foram simuladas quedas de enlaces para analisar o tempo de convergência da rede, falta de energia elétrica em determinado POP, teste de vazão entre os enlaces alternando entre caminhos de mesmo custo, alteração do custo dos caminhos, reinicialização total da rede e o tempo de retorno na conectividade de enlace. Foram disparadas sequências de pings entre os nós da rede, e, para medir o tempo de convergência dos enlaces, usou-se um cronômetro, repetindo os testes algumas vezes e por fim, calculando o tempo médio. Em ambiente real, como demonstra a figura 7b, foram realizados os mesmos testes anteriores, e os resultados obtidos foram os mesmos, salvo a capacidade de tráfego entre os POPs, que por questões de limitações da tecnologia foram reduzidas.

8 Figura 7. Esquema da topologia em bancada (a) e ambiente real (b). 7. Resultados obtidos Os resultados obtidos em testes de bancada utilizando o protocolo RSTP (Rapid Spanning Tree) [CISCO, 2006], analisando o quesito de perda de conectividade do enlace principal, foi o tempo de convergência de 20 a 30 segundos, variando conforme o caminho desabilitado. Já no protocolo HWMP+ (Hybrid Wireless Mesh Protocol Plus) [MIKROTIK, 2010], o tempo de convergência ficou entre 2 a 10 segundos, dependendo do enlace. Observou-se também, que, em caminhos de igual custo, a vazão de rede alternava entre os enlaces, utilzando várias vezes mais de um enlace para o tráfego de rede. No modo reativo o tempo de convergência apresentou-se mais elevado que no modo proativo. Foram analisadas, que em determinados momentos, em que os enlaces eram recalculados, um alto pico de tráfego na rede, entre 6 a 8 Mbps, em curtos espaços de tempo, tráfego esse que transportava informações dos caminhos possíveis entre os pontos de acesso. Em relação à métrica adotada pelo protocolo HWMP+, observou-se que a taxa atual de vazão do enlace não é levada em conta no cálculo do custo do caminho, ocasionando às vezes um gargalo na rede, dependendo do seu tamanho ou uso. No ambiente real os resultados foram quase idênticos, somente notou-se uma variação dinâmica e frequente dos custos dos caminhos da rede, pois a cada mudança na modulação dos enlaces sem fios, ao mesmo tempo, gerava uma mudança de métrica. Tabela 1. Tabela de testes de convergência Tipo de teste Descrição Tempo de convergência, aprox. Queda de nó Foi reiniciada uma routerboard 2 segundos Alteração de Foi alterado o custo de um enlace, que inicialmente 2 segundos custo era o principal Queda dupla de Foram reiniciadas duas routerboards ao 5 segundos nó Reinicialização total mesmo tempo Foram reiniciadas todas routerboards ao mesmo tempo, não foi contado o tempo de inicialização do sistema 10 segundos

9 8. Conclusão O crescimento das redes sem fio do tipo Mesh, geram a necessidade de desenvolvimento de novas tecnologias próprias para o uso deste tipo de rede. De forma geral, o objetivo deste artigo foi projetar e implementar uma reestruturação de uma rede de núcleo de um provedor de acesso à Internet sem fios, provendo alta disponibilidade, e analisando o desempenho de uma rede Mesh neste contexto, avaliando as funcionalidades da topologia. Os testes realizados, tanto como foco a alta disponibilidade, foram satisfatórios, visto que em poucos segundos após a queda de um dos nós da rede, um novo caminho na rede assume a troca de tráfego. As métricas de roteamento são fundamentais em redes Mesh, pois seus enlaces e rotas necessitam estar em processo constante de avaliação, porém interferindo pouco no desempenho da rede, que por sua vez, pode ser otimizado, obrigando os enlaces a terem valor de custo igual entre caminhos alternativos, para a divisão aleatória de tráfego entre os caminhos da rede. Em relação a capacidade de transmissão nas interconexões nos POPs, a rede implementada atende perfeitamente os requisitos atuais desta parte da rede do provedor. Para melhoria da topologia atual, como trabalhos futuros, poderiam ser utilizados em todas as Routerboards cartões e antenas com tecnologia superior, com o objetivo de aumentar a vazão entre os POPs, pois a tendência da demanda é crescer com o passar do tempo. Também há a possibilidade de trocar o modelo da Routerboard para uma mais robusta, caso o gargalo seja memória ou processamento. Como o protocolo s, ainda está em desenvolvimento, ele necessita algumas melhorias, como a possibilidade do protocolo HWMP+ utilizar no cálculo da métrica, a vazão atual e vazão disponível do enlace, a fim de prover um maior desempenho, e também de métodos de qualidade de serviço para aplicações multimídia. 9. Referências Bibliográficas [Akyildiz et al., 2005] Akyildiz, I.,Wang, X., andwang,w. (2005). Wireless Mesh Networks: a survey. In Computer Networks and ISDN Systems, páginas [802.11TM, 2010] TM (2010). IEEE Standard Group Web Site. Disponível em: [CISCO, 2006] Understanding Rapid Spanning Tree Protocol (802.1w) Disponível em: [IEEE 802.1, 2004] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Media Access Control (MAC) Bridges. Disponível em: [MIKTORIK, 2010] Mikrotik Routers and Wireless. Disponível em: [OLIVEIRA, 2008] OLIVEIRA, Carlito Fernandes de. (2008). Avaliação comparativa de protocolos de roteamento de redes Mesh, Trabalho de conclusão de curso, Universidade de Goiás. [BREUEL, 2004] BREUEL, Cristiano Malanga. Redes em malha sem fios (2004). [PERKINS, 1994] Perkins, Charles E. and Bhagwat, Pravin (1994). Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers.

10 [IETF, 2003a] RFC Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) (2003). [IETF, 2003b] RFC Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing (2003). [IETF, 2008] RFC 4728 The Dynamic Source Routing Protocol (DSR)for Mobile Ad Hoc Networks for IPv4 (2008). [ZRP, 2005] The Zone Routing Protocol (ZRP) (2005). Disponível em [CAMP, J. E KNIGHTLY, E., 2008] Camp, J. e Knightly, E. (2008). The IEEE s extended service set mesh networking standard, IEEE Communications Magazine. [CONNER, W. Steven et. al] CONNER, W. Steven, KRUYS Jan, KIM, Kyeongsoo (Joseph), ZUNGA, Juan Carlos (2006). IEEE802.11s Tutorial, Overview of the Amendment for Wireless Local Area Mesh Networking, IEEE 802 Plenary, Dallas.

11 ANEXO A Testes realizados Figura 1. Testes de ping na rede, e pico de mensagens de broadcast. Figura 2. Teste de vazão em bancada, mostrando que o tráfego passa através de duas interfaces distintas.

12 ANEXO B Telas de configuração Figura 3. Esquema de configuração da interface Mesh. Figura 4. Configuração de uma interface que faz parte da rede Mesh, local onde pode-se alterar os custos. Figura 5. Configuração de uma interface wireless de um link ponto a ponto.

13 Figura 6. Configuração WDS do link ponto a ponto. Figura 7. Tabela de roteamento da rede Mesh em um dos nós.