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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E MATEMÁTICA APLICADA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃO MESTRADO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃO AIGA: Um Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha Sem Fio IEEE s Dhiego Fernandes Carvalho Natal - RN Março de 2014

2 Dhiego Fernandes Carvalho AIGA: Um Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha Sem Fio IEEE s Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de Pós-Graduação em Ciência e Computação, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Ciência e Computação. Orientador: Prof. Dr. Marcos César Madruga A. Pinheiro PPgSC Programa de Pós-Graduação em Sistemas e Computação DIMAp Departamento de Informática e Matemática Aplicada CCET Centro de Ciências Exatas e da Terra UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte Natal - RN Março de 2014

3 Dissertação de Mestrado sob o título AIGA: Um Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha Sem Fio IEEE s apresentada por Dhiego Fernandes Carvalho e aceita pelo Programa de Pós-Graduação em Sistemas e Computação do Departamento de Informática e Matemática Aplicada da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, sendo aprovada por todos os membros da banca examinadora abaixo especificada: Prof. Dr. Marcos César Madruga A. Pinheiro Presidente UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte DIMAp Departamento de Informática e Matemática Aplicada Augusto José Venâncio Neto Examinador Interno UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte DIMAp Departamento de Informática e Matemática Aplicada Rommel Wladimir de Lima Examinador Externo à Instituição UERN Universidade do Estado do Rio Grande do Norte DI Departamento de Informática Natal, 31 de março de 2014

4 Agradecimentos Dedico esse trabalho em primeiro lugar a minha filha Diana, que apesar de vivermos longe, ela sempre esteve nos meus pensamentos diários e foi um dos meus maiores estímulos em continuar com a minha carreira acadêmica. Agradeço também ao meu orientador Marcos César Madruga A. Pinheiro, pois neste longo tempo que esteve sendo meu orientador e professor, sempre esteve ao meu lado, orientando na minha vida acadêmica, profissional e pessoal. Posso considerá-lo além do meu orientador e professor, meu amigo pessoal que sou eternamente grato. Agradeço aos meus pais por me darem condições de estudo, as oportunidades e ferramentas que hoje são necessárias para ser o que sou. Muitas coisas que tenho hoje, principalmente por estar concluindo a minha dissertação de mestrado, devem-se a eles. Sem meus pais, eu não teria as oportunidades que muitas pessoas infelizmente não tiveram em suas vidas. Sou grato aos meus amigos, que são muitos e não posso citar todos, que nos momentos de dificuldade nesse longo período que passei até concluir esta dissertação, passando por alguns tropeços que a vida dar, ajudaram-me e estivaram ao meu lado, incentivando-me mesmo que seja com uma simples palavra de apoio. Por fim, sou profundamente grato e dedico este trabalho a todos vocês.

5 AIGA: Um Ambiente Integrado de Gerência para Redes Em Malha Sem Fio IEEE s Autor: Dhiego Fernandes Carvalho Orientador: Prof. Dr. Marcos César Madruga A. Pinheiro RESUMO Por serem redes com diversas características interessantes como auto-organização e tolerância a falhas, as Wireless Mesh Networks (WMN) vem sendo estudadas a bastante tempo pela comunidade científica. Muitos desses estudos tipicamente são conduzidos utilizando redes em ambientes controlados conhecidos como testbeds. Além disso, após a conclusão do processo de padronização do IEEE s as WMN baseadas nessa tecnologia vem sendo cada vez mais utilizadas como redes de produção nas organizações. Como são redes bastante flexíveis no que diz respeito ao seu modo de operação, pois suportam um elevado número de parâmetros de configuração, a tarefa de gerenciamento dessas redes tende a ser muito complexa. Não existe uma configuração ideal que atenda a qualquer cenário, sendo preciso identificar o conjunto de valores que oferecem o melhor desempenho para cada caso. Desse modo, após a configuração da rede é importante verificar se ela se comporta conforme esperado. Para isso, é necessário injetar tráfego na rede e monitorar seu comportamento. Este trabalho propõe o AIGA, um Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha Sem Fio IEEE s, que facilita o gerenciamento de WMNs de produção bem como da utilização de testbeds para realização de experimentos. Palavras-chave: Redes em Malha Sem Fio, WMN, IEEE s, Testbeds, gerenciamento.

6 AIGA: A Management Integrated Environmental for Wireless Mesh Networks IEEE s Author: Dhiego Fernandes Carvalho Supervisor: Marcos César Madruga A. Pinheiro ABSTRACT A Wireless Mesh Network (WMN - Wireless Mesh Network) IEEE s standard to become operational it is necessary to configure the parameters that meet the demands of its users, as regards, for example, the frequency channels, the power antennas, IPs addresses, meshid, topology, among others. This configuration can be done via a CLI (Command - Line Interface) or a remote interface provided by the equipment manufacturer, both are not standardized and homogeneous, like black boxes for the developers, a factor that hinders its operation and standardization. The WMN, as a new standard, is still in the testing phase, and tests are necessary to evaluate the performance of Path Discovery Protocol, as in this case of HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol), which still has many shortcomings. The configuration and test creation in a WMN are not trivial and require a large workload. For these reasons this work presents the AIGA, a Management Integrated Environment for WMN IEEE s, which aims to manage and perform testbeds for analyzes of new Path Discovery Protocols in a WMN. Keywords: Wireless Mesh Networks, IEEE s, Testbeds, Management.

7 Lista de Figuras Figura 1: Comparação Entre Uma Rede IEEE Infraestruturada (a) E Outra Em Malha (b)..22 Figura 2: HWMP No Modo Reativo...25 Figura 3: Anúncios De Quadros PREQ No Modo Pró-ativo Informando Quem É O Nó Raiz...26 Figura 4: HWMP Trabalhando No Modo Pró-ativo...26 Figura 5: Menu De Configuração Do Attitude Adjustment...28 Figura 6: Estrutura Do AIGA...37 Figura 7: Cenário Da Rede s...38 Figura 8: Configuração Da Rede IEEE s E Seus Atributos...40 Figura 9: Programas Que Compõem O Gerador De Tráfego...41 Figura 10: Geração De Tráfego...43 Figura 11: Programa De Geração De Tráfego...44 Figura 12: Monitoramento Dos Parâmetros De Rede...46 Figura 13: Monitoramento Dos Quadros Do Protocolo De Descoberta De Caminho Da Rede IEEE s...48 Figura 14: Diagrama De Sequência Dos Componentes Do Módulo De Gerenciamento SNMP...50 Figura 15: Pacote De Configuração Do Protocolo De Geração De Tráfego...54 Figura 16: Pacote De Requisição Do Protocolo De Geração De Tráfego...55 Figura 17: Pacote De Resposta Do Protocolo De Geração De Tráfego...56 Figura 18: Diagrama De Sequência Do Protocolo De Geração De Tráfego...56 Figura 19: Configuração Das Máquinas Da WMN No AIGA...58 Figura 20: Configuração Da Topologia Da WMN No AIGA...60 Figura 21: Configuração De Tráfego Da WMN Do AIGA...61 Figura 22: Coleta Das Informações Da WMN No AIGA...62 Figura 23: Testbed Com Os Doze Roteadores...64 Figura 24: Topologia 3 X 4 Disparando Pacotes Do Roteador 9 Ao Roteador Figura 25: Topologia 3 X 3 Disparando Pacotes Do Roteador 9 Ao Roteador Figura 26: Topologia 2 X 2 Enviando Pacotes Do Roteador 5 Ao Roteador Figura 27: Topologia Em Linha Enviando Pacotes Do Roteador 5 Ao Roteador Figura 28: Comparação Dos Resultados Dos Bytes Transferidos Dos Pacotes TCP Entre As Diferentes Topologias...74 Figura 29: Comparação Dos Resultados Dos Taxa De Transmissão Dos Pacotes TCP Entre As

8 Diferentes Topologias...75 Figura 30: Comparação Dos Resultados Dos Bytes Transferidos Pelos Pacotes UDP Entre As Diferentes Topologias...76 Figura 31: Comparação Dos Resultados Das Taxas De Transmissão Dos Pacotes UDP Entre As Diferentes Topologias...76 Figura 32: Comparação Dos Resultados Das Variações De Tráfego (jitter) Dos Pacotes UDP Entre As Diferentes Topologias...77 Figura 33: Comparação Dos Resultados Das Taxas De Perda Dos Pacotes Dos Pacotes UDP Entre As Diferentes Topologias...77

9 Índice De Tabelas Tabela 1: Comparação Entre Os Trabalhos Pesquisados...34 Tabela 2: Objetos Da MIB Utilizados Pelo AIGA...51 Tabela 3: Especificação Das Máquinas Utilizadas Nos Testes Da Rede s...63 Tabela 4: Configurações Dos Pacotes UDP...64 Tabela 5: Configurações Dos Pacotes TCP...64 Tabela 6: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Reativo Na Topologia 3 X Tabela 7: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Reativo Na Topologia 3 X Tabela 8: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Pró-ativo Na Topologia 3 X Tabela 9: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Pró-ativo Na Topologia 3 X Tabela 10: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Reativo Na Topologia 3 X Tabela 11: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Reativo Na Topologia 3 X Tabela 12: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Pró-ativo Na Topologia 3 X Tabela 13: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Pró-ativo Na Topologia 3 X Tabela 14: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Reativo Na Topologia 2 X Tabela 15: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Reativo Na Topologia 2 X Tabela 16: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Pró-ativo Na Topologia 2 X Tabela 17: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Pró-ativo Na Topologia 2 X Tabela 18: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Reativo Na Topologia Em Linha...72

10 Tabela 19: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Reativo Na Topologia Em Linha...72 Tabela 20: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Pró-ativo Na Topologia Em Linha...73 Tabela 21: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Pró-ativo Na Topologia Em Linha...73 Tabela 22: Média Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP Na Rede s...74 Tabela 23: Média Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP Na Rede s...75

11 Sumário 1 Introdução Motivações E Justificativas Objetivos Objetivos Específicos Organização Da Dissertação Embasamento Teórico Gerência IEEE s Arquitetura Do s Protocolo De Descoberta De Caminho Modo Reativo Modo Pró-ativo Modo Híbrido OpenWRT Testbed Roofnet Testbed De WMN Baseado No Padrão IEEE IMesh Trabalhos Relacionados Abaré Janus Meshadmin SCUBA MeshFlow MAYA OpenFlow Comparação Entre Os Trabalhos Pesquisados Arquitetura Do AIGA Módulo De Configuração Módulo De Geração De Tráfego Módulo De Monitoramento Parâmetros De Desempenho De Rede...44

12 4.3.2 Parâmetros Da Rede IEEE s Visão Geral Da Implementação Do AIGA Net-SNMP Extensão Da MIB Protocolo De Geração De Tráfego Mensagem De Configuração Mensagem De Requisição Mensagem De Resposta Interface Gráfica Configuração Das Máquinas Configuração Da Topologia Configuração De Tráfegos Coleta Das Informações Avaliação Topologia Em Grade 3 X Modo Reativo Modo Pró-ativo Topologia Em Grade 3 X Modo Reativo Modo Pró-ativo Topologia Em Grade 2 X Modo Reativo Modo Pró-ativo Topologia Em Linha Modo Reativo Modo Pró-ativo Comparações Dos Resultados Conclusões...78

13 Lista de Siglas AP Access Point (Ponto de Acesso) AODV Ad hoc On Demand Distance Vector (Vetor de Distância por Demanda Ad Hoc) CLI Command-line Interface (Interface de Linha de Comando) DO - Destination Only Flag (Bandeira de Somente o Destino) GUI Graphical User Interface (Interface Gráfica de Usuário). FCAPS - Fault, Configuration, Accounting, Performance and Security (Falha, Configuração, Contabilidade, Desempenho e Segurança). HWMP Hybrid Wireless Mesh Protocol (Protocolo de Malha Sem Fio Híbrido) ISO International Organization for Standardization (Organização Internacional para Padronização) IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos) IP Internet Protocol (Protocolo de Internet) LAN Local Area Network (Rede de Área Local) MAP Mesh Access Point (Ponto de Acesso Mesh) MAC Media Access Control (Controle de Acesso ao Meio) MIB Management Information Base (Base de Gerência de Informação) MP Mesh Point (Ponto Mesh) MPA Mesh Point Access (Acesso do Ponto Mesh) MPP Mesh Portal Point (Portal do Ponto Mesh) OSI - Open Systems Interconnection (Interconexão de Sistemas Abertos) PERR Path Error (Erro de Caminho) RM Root Mesh (Mesh Raiz) PREQ Path Request (Solicitação de Caminho) PREP Path Reply (Resposta de Caminho) RF - Reply and Forward Flag (Bandeira de Resposta e Encaminhamento) RRAN - Root Annoucenement (Anúncio do Raiz) SNMP Simple Network Management Protocol (Protocolo de Gerência de Redes Simples) SNMPv1 - Simple Network Management Protocol version 1 (Protocolo de Gerência de Redes Simples versão 1) SNMPv3 - Simple Network Management Protocol version 3 (Protocolo de Gerência de Redes

14 Simples versão 3) STA Station (Estação) TCP Transport Control Protocol (Protocolo de Controle de Transporte) UDP User Datagram Protocol (Protocolo de Datagrama de Usuário) WMN Wireless Mesh Network (Rede em Malha Sem Fio) WFA Wi-Fi Alliance (Aliança Wi-Fi)

15 1 Introdução Tradicionalmente as redes sem fio baseadas no padrão IEEE eram utilizadas no modo de operação infra-estruturado ou no modo adhoc. Há alguns anos o IEEE definiu mais um modo de operação que suporta a criação de Wireless Mesh Networks (WMN). Esse modo, especificado pelo IEEE s [IEEE Std ], tem sido adotado por várias indústrias e fabricantes de equipamentos, desde que foi inicialmente proposto, em março O processo de padronização foi concluído recentemente, no ano de 2012, e muito da sua estrutura está sob análise em busca de possíveis melhorias. Uma vez que as WMNs são redes de múltiplos saltos, que criam um único domínio de nível dois (camada de enlace do modelo OSI/ISO), é necessário que exista um protocolo para descoberta das rotas referentes aos endereços MAC. As rotas são armazenadas em tabelas, que utilizam endereços MAC ao invés de endereços IP, de modo que tais protocolos são chamados de protocolos de Descoberta de Caminho, ao invés de protocolos de roteamento, enfatizando a diferença para o roteamento IP, referente a camada três do modelo OSI/ISO. Embora o IEEE s defina um protocolo padrão de descoberta de caminho, chamado HWMP [Bahr 2006], que inclusive já passou por várias melhorias [Bahr 2008], ele permite a utilização de qualquer outro protocolo. Apesar do HWMP ser um protocolo que apresenta desempenho satisfatório em determinadas situações, ele possui algumas limitações, como, por exemplo, a baixa escalibidade, que restringe a quantidade de nós que podem participar da rede. Isso ocorre, porque em ambos os modos de operação do HWMP, reativo e pró-ativo, os nós enviam seus quadros de descoberta de caminho em difusão. Adicionalmente, no modo pró-ativo há um congestionamento no nó raiz, diminuindo e muito o desempenho da rede [Wang e Lim 2007]. Tais fatos têm levado à comunidade científica a desenvolver diversos outros protocolos de descoberta de caminho para redes IEEE s. No desenvolvimento de novos Protocolos de Descoberta de Caminho para redes IEEE s, a melhor forma de analisar seus respectivos desempenhos de modo a indicar qual é o mais eficiente, é analisá-los com diferentes cenários de rede. Porém, para cada cenário a ser analisado existe um elevado número de parâmetros a serem configurados, como por exemplo, canais de frequência, potência do sinal, topologia da rede (quem são os vizinhos de um nó). Além desses, para cada protocolo de Descoberta de Caminho existem diversos outros parâmetros a serem configurados. No HWMP (Hybrid Wireless Mesh Network), por exemplo, pode-se definir se haverá ou não um nó raiz, definir se nós intermediários podem responder requisições de rotas, definir 15

16 tempo de respostas para mensagens, entre outras opções. Após essas configurações, é necessário gerar tráfego para poder analisar o comportamento de rede com o protocolo utilizado. Novamente existe uma grande possibilidade de combinações, como por exemplo, tipo dos pacotes (ex: tcp, udp etc), tamanho dos pacotes, intervalo de tempo entre o envio dos pacotes, origem e destino dos pacotes, entre outros. Por fim, é importante definir quais parâmetros são necessários medir (vazão da rede, perda de pacotes, atraso, número de quadros em difusão etc) e coletar essas informações. 1.1 Motivações e Justificativas Além do seu uso para fins de pesquisas pela comunidade acadêmica, as WMN IEEE s vem ganhando cada vez mais espaço como redes de produção nas organizações. De qualquer modo, em ambos os casos, a tarefa de configuração dessas redes para que entrem em operação e o gerenciamento posterior para mantê-las operacionais são tarefas complexas. Isso ocorre porque essas redes possuem uma arquitetura bastatnte flexível. Ou seja, como a exelente característica de auto-organização e tolerância a falhas inerentes dessas redes decorrem principalmete de não existir um modelo rígido de estrutura que a rede deve seguir, isso significa também que não existe uma configuração ideal que atende a todas as situações. Desse modo, é preciso identificar para cada caso qual a configuração para o conjunto possível de parâmetros que proporciona o melhor desempenho e confiabilidade para a rede. Conforme citado na seção anterior, o número de parâmetros que devem ser monitorados e controlados é muito elevado, abrangendo os canais de frequência, potência das antenas, endereços IPs, máscara de rede, meshid, topologias (quem são os vizinhos de cada nó), parâmetros do protocolo de descoberta de caminho (no caso do HWMP, por exemplo, se a rede trabalha no modo reativo ou protivo), entre outros. A falha na configuração adequada desses parâmetros pode levar a diversos problemas, entre os quais podemos citar: a utilização de canais de frequência já utilizados por outras redes coexistindo no mesmo espaço físico pode degradar bastante o desempenho; a utilização de uma potência muito alta no radio pode elevar o nível de interferência com outros nós; uma configuração de topologia inadequada pode levar a segmentação da rede deixando alguns nós isolados (o mesmo pode ocorrer se a potência do rádio for muito baixa); uma definição de parâmetros do protocolo de encaminhamento de quadros inadequada pode aumetar o número de mensagens em broadcast transmitidas, bem como elevar o tempo para descoberta das rotas. Tipicamente a configuração dos equipamentos pode ser feita através de uma Command Line Interface (CLI) ou por uma interface remota oferecida pelo fabricante do equipamento, como é o caso de uma interface web. Em ambos os casos, essas interfaces não são padronizadas, dificultando 16

17 a configuração e o monitoramento da rede, uma vez que uma grande rede normalmente é composta por vários equipamentos de fabricantes diferentes. Naturalmente a forma para evitar esses problemas é utilizar um protocolo padronizado. Por isso o SNMP [Stallings 1998] tem sido empregado em vários trabalhos sobre gerenciamento de redes sem fio, conforme poderá ser visto no capítulo 3 desse texto. Entretanto, na MIB IEEE [CISCO MIB 2014], diversos parâmetros específicos das redes WMN IEEE s não são suportados, principalmente os específicos do protocolo de descoberta de caminho HWMP. Embora não faça parte da tarefa de gerenciamento da rede proriamente dita, sempre que se realiza a configuração de uma rede, seja ela cabeada ou sem fio, se realizam também testes para verificar a efetividade da configuração feita. Esses testes tipicamente incluem a geração de algum tipo de tráfego na rede e a coleta de informações a respeito do comportamento da rede. Pelo que foi exposto pode-se observar a necessidade de uma solução de gerenciamento de WMNs que utilize SNMP e permita a configuração dos parâmetros específicos do IEEE s, bem como a realização de testes para validar a efetividade da configuração realizada. 1.2 Objetivos O objetivo geral deste trabalho é propor, desenvolver, implementar e avaliar um Ambiente Integrado de Gerência para Redes IEEE s, que integra as tarefas de configuração da rede, geração de tráfego e coleta de dados, permitindo assim, que se possa verificar se uma dada configuração de rede realizada produz o resultado esperado. Para isso, um ponto chave desse trabalho é a expansão da MIB IEEE para suportar um maior número de atributos relacionados as redes em malha sem fio. Embora possa ser utilizado para analisar diversos aspectos de uma rede em malha sem fio, o ambiente proposto, que se chama AIGA (Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha sem fio IEEE s), tem como foco de interesse principal permitir a análise dos protocolos de descoberta de caminho Objetivos Específicos Para atingir o objetivo geral desse trabalho, os seguintes objetivos específicos precisam ser alcançados: Configuração da Rede: criação de um módulo de configuração das máquinas da rede IEEE s com os parâmetros de rede necessários (meshid, potência das antenas, canal de configuração, endereço IP das interfaces sem fio etc) para deixar a WMN 17

18 operacional; Geração de tráfego: criação de um módulo que permita a definição dos tráfegos a serem gerados para a realização dos testes da rede IEEE s; Monitoramento (coleta de resultados): criação de um módulo que tem a função de coletar informações decorrentes dos tráfegos gerados na WMN que são utilizados nos testes. Essas informações incluem tanto dados de desempenho (atraso, vazão etc), bem como informações sobre o comportamento do protocolo de encaminhamento de quadros (número de mensagens do protocolo que foram transmitidas, por exemplo). Sem o ambiente proposto, a configuração da rede IEEE s e criação dos testes seriam tarefas trabalhosas, inflexíveis e lentas, pois cada uma dessas etapas (configuração, geração de tráfego e monitoramento) requer uma grande carga de trabalho. Desse modo, os principais benefícios do AIGA são: configuração da rede para torná-la operacional e criação de testes, podendo-se modificar as configurações de rede e os testes (variando-se, por exemplo, o tipo de tráfego gerado, ou topologia da rede) com o mínimo de esforço. 1.3 Organização da Dissertação Este trabalho é dividido do seguinte modo: o capítulo 2 mostra o embasamento teórico sobre os temas relacionados ao assunto abordado nessa dissertação; o capítulo 3 apresenta os trabalhos relacionados sobre gerência em redes IEEE s que serviram de base para esta dissertação; o capítulo 4 apresenta a arquitetura do ambiente proposto; o capítulo 5 descreve sobre a implementação e as tecnologias utilizadas; o capítulo 6 a avaliação do AIGA; o capítulo 7 apresenta as conclusões sobre o trabalho e os novos recursos que podem ser incorporados em versões futuras. 18

19 2 Embasamento Teórico Alguns conhecimentos prévios sobre os assuntos que serão abordados por este trabalho são necessários para uma melhor compreensão do mesmo. Neste capítulo serão abordados alguns destes importantes temas. 2.1 Gerência Para garantir a correta e eficiente operação de uma rede é necessário que seu comportamento seja monitorado e controlado através de softwares e protocolos de gerenciamento. Quanto mais heterogênas e dinâmicas forem as redes, como pode ser o caso, por exemplo, das WMNs, maior é a necessidade de gerenciamento. Gerenciar uma rede consiste, resumidamente, em: obter informações da rede, tratá-las para diagnosticar possíveis falhas e encaminhar as soluções dessas falhas [Telecom 2014]. Para realizar tais tarefas programas de gerência devem ser incorporados a todos os dispositivos de rede que estejam em operação. A gerência consiste em praticamente em três entidades: Estações de gerência: têm a função de gerenciar os dispositivos gerenciados; Dispositivos gerenciados: são os equipamentos de rede que mantêm a rede em operação e que são gerenciados pela estação de gerência; Protocolo de gerência: é responsável pela troca de informação entre as estações de gerência e os dispositivos gerenciados; De acordo com a ISO [ISO/IEC ], a gerência pode ser classificada por cinco áreas funcionais: gerência de falha, configuração, contabilidade, desempenho e segurança. Essas cinco áreas são conhecida como o modelo FCAPS (Fault, Configuration, Accounting, Performance and Security): Gerência de Falha: cada dispositivo de rede deve ser monitorado individualmente para garantir seu perfeito funcionamento. Quando acontece uma falha é importante saber exatamente onde ela ocorreu, ou está ocorrendo, isolar a falha, reconfigurar a rede para que funcione sem o dispositivo defeituoso, e consertar o dispositivo de rede com problemas; Gerência de Configuração: está relacionado as tarefas de manutenção, adição e atualização, referentes aos equipamentos e aos canais de comunicação. Gerência de Contabilização: Corresponde ao registro e controle do uso dos recursos da rede por parte dos usuários; 19

20 Gerência de Desempenho: consiste em monitorar os dispositivos de rede para determinar o comportamento da rede durante sua operação. O desempenho da rede está focado em alguns parâmetros de rede (latência, atraso, variação do atraso, perda de pacotes, erro, taxa de transmissão, etc). Coletar tais informações ajuda na descoberta de situações anormais na rede e a evitar problemas antes mesmo que eles aconteçam (gerenciamento pró-ativo). Gerência de Segurança: provê facilidades para proteger os recursos da rede e as informações dos usuários, devendo ser implantada de acordo com a política de segurança da organização. 2.2 IEEE s A portabilidade e a interoperabilidade são grandes virtudes do mundo moderno, pois quanto mais fácil a comunicação entre dispositivos de diferentes tipos, melhor é a disseminação da informação. As Redes Sem Fio no padrão IEEE , estão bastante difundidas, principalmente em LANs, devido a facilidade de instalação, portabilidade, interoperabilidade, mobilidade, custo e suporte. Apesar de sua gama de facilidades, ainda há muitos desafios a serem superados, de modo que apesar de já existirem vários adendos ao padrão IEEE (a, b, g, n, etc) novos recursos continuam sendo incorporados, como por exemplo, segurança, mobilidade, taxa de transmissão, entre outros, como é o caso das WMNs, definidas no adendo IEEE s. Nas Redes Locais Sem Fio IEEE convencionais, tipicamente é utilizada uma infraestrutura cabeada para interconectar todos os APs. O padrão IEEE s define que a comunicação entre as máquinas (sendo APs ou não) deve ser sem fio, formando Pares de Conexão, eliminando a necessidade de uma rede cabeada, e formando uma WMN. A Figura 1 ilustra esses dois modos de operação. 20

21 Figura 1: Comparação entre uma rede IEEE infraestruturada (a) e outra em malha (b) As WMNs têm recebido grande atenção nos últimos anos, de modo que muitas empresas passaram a utilizar esse modelo ou comercializam produtos, por exemplo, roteadores e APs, relacionados a ele. Muitas delas têm se juntado em uma força tarefa para convergir as WMNs e incentivar a sua adoção em escala mundial. Em outubro de 2006, a Aliança Wi-Fi (WFA Wi-Fi Alliance) estabeleceu uma força tarefa para as redes em malha baseadas no IEEE , encarregada em criar um documento de Marketing, uma especificação de uma certificação e um plano de testes. A primeira versão do IEEE s foi lançada em Março de 2006, propondo um padrão inovador que estabelecia a descoberta e encaminhamento de quadros em vários saltos, uma vez que, até então esse modelo não era suportado. Apenas em 2012 o IEEE conseguiu concluir o processo de padronização do s incorporando-o ao IEEE Arquitetura do s De acordo com a especificação do IEEE s, os componentes da arquitetura da WMN são: Cliente (STA): São os equipamentos que não suportam o modo mesh, mas entram na rede através dos Pontos de Acesso Mesh (MAP). Nó Mesh (MP): são os nós que formam o núcleo do s, uma vez que é através deles que os quadros Mesh são encaminhos na da rede. Ponto de Acesso Mesh (MAP): é um MP que também é um Ponto de incorporando as duas funcionalidades: os STAs se associam ao MAP e os Acesso, quadros do IEEE s são encaminhados por ele. Ou seja, converte quadros mesh em não mesh, e vice-versa. 21

22 Portal Mesh (MPP): é um MP que também é um gateway, ou seja, um ponto de interconexão de duas redes diferentes, por exemplo, a rede Local em Malha Sem Fio e uma rede cabeada. Os demais Nós da Rede sabem quem é o portal através de anúncios de quadros GANN (Gate Annoucenement) ou de quadros RANN (Root Annoucenement). Nó Raiz (RM): é um tipo de Nó Mesh que é utilizado apenas no modo pró-ativo do protocolo de encaminhamento de quadros. Os demais Nós Mesh sabem de sua existência através de anúncios de quadros PREQ no modo pró-ativo, ou de anúncios de quadros RANN que informam e constroem um caminho ao Nó Raiz. No IEEE s cada par de conexão é chamado de Peer Link. O mecanismo de descoberta dos vizinhos de um nó é praticamente o mesmo do padrão IEEE , havendo uma varredura da rede de modo ativo ou passivo. Além disso, os beacons e probes, quadros de sinalização definidos pelo padrão IEEE , são estendidos para incluírem novos campos referentes à WMN. Nas Redes Sem Fio infraestruturadas (IEEE ) é estabelecido um SSID para permitir a identificação do AP de cada rede sem fio separadamente. Cada AP pode ter um SSID diferente, ou um grupo de APs podem ter o mesmo SSID quando estão conectados em uma mesma rede. No padrão IEEE s há também um identificador (ID), chamado de Mesh ID, semelhante ao SSID, pois cada WMN precisa ser identificada separadamente Protocolo de Descoberta de Caminho Para que um nó da WMN consiga se comunicar com outro que não seja seu vizinho (não possui um Par de Conexão diretamente), é necessário que seja identificado o caminho até ele. Desse modo, faz necessário um Protocolo de Descoberta de Caminho para descobrir e selecionar a rota para cada nó da rede. O IEEE s define como protocolo padrão de descoberta de caminho o Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP), e como métrica padrão para escolha do melhor caminho o Air Link Metric (Métrica de Ligação Aérea). Embora o HWMP seja o protocolo padrão, o IEEE s suporta a utilização de outros protocolos de encaminhamento de quadros. O HWMP pode ser configurado para trabalhar em dois modos: Modo reativo: funcionalidade desse modo sempre está disponível, independente se o nó raiz está configurado na rede Mesh ou não. Nesse modo a rota para um dado destino é descoberta apenas no momento em que se precisa enviar um quadro para ele; Modo proativo: neste modo um Nó Mesh deve ser configurado como nó raiz e se 22

23 anuncia na rede periodicamente. Para isso ele pode utilizar mensagens PREQ de modo pró-ativo ou mensagens RANN que serão detalhados a seguir; O protocolo é chamado de híbrido porque pode trabalhar nos dois modos. Os tipos de mensagens do HWMP são: Path Request (PREQ): é o quadro enviado para descobrir o caminho para um dado endereço MAC. São enviados em difusão por toda rede no modo reativo. No modo proativo tem a função de difundir a rota do nó Raiz para todos os nós da WMN; Path Reply (PREP): é o quadro de resposta do destino. É enviado em resposta pelo MP de destino quando o quadro PREQ chega a ele socilitando um caminho. Quando o modo proativo é utilizado, os nós mesh que receberam um PREQ do nó raiz, respondem com um PREP com o valor especial; Path Error (PERR): é o quadro que indica erro no caminho. Quadro usado para anunciar que um ou mais destinos não estão acessíveis. O anúncio é feito a todas as fontes de tráfico que tem um caminho ativo ao destino; Root Annoucenement (RANN): é o quadro que informa quem é o nó raiz (root) da rede. Ele é enviado por difusão por toda a rede para que todos os nós saibam quem é a raiz da rede IEEE s. Este tipo de quadro é usado apenas no modo pró-ativo. Como normalmente o nó raiz é o mesmo que o portal da rede, para não ter que enviar quadros GANN e RAAN ao mesmo tempo, o RANN é setado com seu flag em 1, indicando que também é o portal, de modo a minimizar o número de quadros que são enviados na rede; Gate Annoucenement (GANN): é o quadro usado para anunciar a presença de um Portal Mesh (ponto de interconexão entre duas redes distintas, que normalmente também é o Nó Raiz). Os Anúncios de Portal permitem que os Nós Mesh construam um caminho até a ele; A seguir serão apresentados os modos de funcionamento do HWMP Modo Reativo No modo reativo as rotas só são criadas quando se precisa transmitir algo para um dado nó. Supondo que na rede ilustrada pela Figura 2, o MP3 (Nó Mesh 3) precise enviar pacotes para o MPA7 (Ponto de Acesso Mesh 7), é necessário primeiro descobrir o caminho para ele. Neste caso, sendo utilizado o modo reativo o MP3 envia um mensagem PREQ, que é propagada em difusão por toda rede até chegar ao destino, o MPA7, que por sua vez irá enviar uma mensagem PREP de resposta para a origem (MP3). A medida que o PREQ é encaminhado na rede, os nós intermediários 23

24 criam uma rota para o nó que a originou (MP3). É por isso que o PREP pode ser transmitido para o nó que originou o PREQ sem usar broadcast. Do mesmo modo, a medida que o PREP é transmitido para o nó de origem, uma rota é criada para o nó que originou o PREP (MP7), sempre apontando para o nó que acabou de reencaminhá-lo. O HWMP faz cache dessas rotas, mas periodicamente envia as mensagens novamente para verificar se existe uma nova rota melhor que a atual. Figura 2: HWMP no modo reativo Modo pró-ativo No modo pró-ativo, antes de qualquer transmissão, todos os nós da Rede Local em Malha Sem Fio devem saber quem é o nó raiz da rede mesh. Existem duas formas para quep os nós da rede saibam quem é o raiz: Envio de mensagens PREQ no modo pró-ativo: as mensagens PREQ pró-ativas são enviadas pelo nó raiz com seu flag pró-ativo configurado em 1 (um) a todos os nós da rede em um intervalo de tempo específico (dot11meshrootinterval). O PREQ pró-ativo pode ser configurado com um o flag PREP pró-ativo em 1 (um) ou 0 (zero). No primeiro caso o nó mesh contrói uma rota reversa para o nó raiz e no segundo é configurada uma rota reversa ao nó raiz apenas se o nó mesh tiver dados a enviar ao nó raiz. Envio de mensagens RANN: as mensagens RANN são enviadas pelo nó raiz a todos os nós da rede em um intervalo de tempo específico (dot11meshhwmpranninterval). Os nós que receberam as mensagens RANN respondem com um PREQ (flag pró-ativo setado em 0) ao raiz. Ele responde de volta com um PREP (flag pró-ativo setado em 0) e desta forma é estabelecido por todos os nós da rede um caminho direto e reverso ao nó Raiz. Na Figura 3 é mostrado um exemplo de como são feito os anúncios de quem é o nó Raiz 24

25 através do PREQ no modo pró-ativo. As transmissões dos PREQs no modo pró-ativo são feitas depois de um intervalo de tempo (em milisegundos) definido pelo administrador da rede. Figura 3: Anúncios de quadros PREQ no modo pró-ativo informando quem é o nó raiz. A Figura 4 mostra o exemplo de uma rede mesh trabalhando no modo pró-ativo. Normalmente o raiz é o próprio portal mesh (MPP1), pois este nó da WMN é quem trabalha diretamente na borda da rede e conecta outros tipos diferentes de redes. Todos os nós da rede sabem quem é o raiz, através dos anúncios RANN ou PREQ pró-ativos. Quando MP3 quer enviar dados ao MP7, por exemplo um tráfego TCP, todos os pacotes passam pelo nó raiz da rede. Figura 4: HWMP trabalhando no modo pró-ativo Modo Híbrido O HWMP pode trabalhar no modo reativo e proativo concorrentemente, por tal motivo o 25

26 HWMP é chamado de protocolo híbrido. Este tipo de operação permite que a comunicação comece imediatamente, encaminhando todo o tráfego para o nó raiz (através de todo mecanismo descrito na sessão ), enquanto o modo reativo descobre o caminho mais curto entre os dois nós mesh (sessão ). Depois de descoberto o melhor caminho, o tráfego é enviado por ele. 2.3 OpenWRT As máquinas que fazem parte do IEEE s, descritas nas figuras 2, 3 e 4, necessitam de um sistema operacional para uma WMN estar operacional. Nessa dissertação foi utilizado nas máquinas da WMN o OpenWrt que é uma distribuição do Linux usada em sistemas embarcados, tipicamente roteadores sem fio. Ao invés de criar um único e estático firmware, o OpenWrt provê um sistema de arquivos configurável com um pacote de gerenciamento para customizar o seu sistema operacional embarcado. Qualquer pessoa está apta a inserir e remover pacotes no seu sistema de acordo com a sua necessidade. Para os desenvolvedores, o OpenWrt é um framework para construir uma aplicação sem ter que desenvolver um firmware completo em volta dele, e para os usuários ele significa a capacidade de ter uma completa customização do seu sistema [OPENWRT 2013]. No caso do desenvolvimento deste trabalho, a versão do OpenWRT utilizada foi o attitude adjustment (12.09, usa versão 3.3 do kernel do Linux), lançado em maio de Ele é uma plataforma customizável, podendo ser compilado para diversos tipos de arquitetura de hardware. Isso é denominado de Sistema Alvo na configuração do OpenWrt. Como nesse projeto foram utilizados roteadores Mikrotik 433AH, a arquitetura alvo selecionada no OpenWrt foi AR71xx/AR7240/AR913x, conforme mostrado na Figura 5. Esse modelo customizável do OpenWrt permitiu que a implementação dos agentes SNMP e do módulo gerador de tráfego fossem implantados no sistema operacional dos roteadores sem maiores problemas. A fase inicial na geração de um sistema OpenWrt consiste, portanto, em selecionar os programas desejados, drivers, o Sistema Alvo, entre outras opções, conforme demostrado na Figura 5. Depois de definidas essas informações, é necessário compilar para gerar a imagem de um sistema operacional. Essa imagem pode ser instalada na memória flash do roteador ou ser armazenada em um servidor TFTP de modo a ser obtida via rede e carregada para a memória RAM dos roteadores no momento de sua inicialização. Durante o desenvolvimento do AIGA utilizou-se a segundo opção por ser mais flexível e ágil, uma vez que permite que sejam feitas alterações no sistema gerado sem requerer a instalação manual da nova versão em cada roteador. 26

27 O Openwrt é um sistema Linux e oferece uma interface de comandos ao usuário. Tal fato é muito importante pois facilita no processo de desenvolvimento e testes dos sistemas implantados nos equipamentos, como é o caso do AIGA. Figura 5: Menu de Configuração do Attitude Adjustment 2.4 Testbed Embora o ambiente proposto nesse trabalho possa ser utilizado para realizar o gerenciamento de qualquer WMN baseada no padrão IEEE s, é importante ressaltar que durante a análise das tecnologias e protocolos de rede é muito comum se fazer uso de redes implantadas em ambientes controlados, as quais são chamadas de testbeds. Testbed é uma plataforma de experimentação de grandes projetos em desenvolvimento. Ele permite o teste de ferramentas e novas plataformas em um determinado cenário no mundo real. Este tipo de experimento é usado como prova que uma certa tecnologia funciona em local supervisionado e que os testes são controlados em um ambiente computacional específico. Um testbed pode incluir software, hardware e componentes de rede. No desenvolvimento de um software, o hardware e os componentes de redes são configurados para que uma aplicação seja projetada a um determinado tipo de teste. Pode-se dizer que um testbed é um ambiente de teste controlado. No caso do desenvolvimento de um novo Protocolo de Descoberta de Caminho para o IEEE s, um testbed pode ser criado para analisá-lo. Tipicamente os roteadores seriam posicionados em um ambiente controlado, como, por exemplo, em uma sala. Existem diversos testbeds usados em WMNs, alguns dos quais serão descritos a seguir. 27

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