Desvendando o protocolo s. Cecilia Fernandes

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1 Desvendando o protocolo s Cecilia Fernandes 12 de dezembro de 2008

2 Resumo. Nesse texto, foco na tecnologia de redes de mesh, cada vez mais presentes, com a grande expansão da computação móvel. Iniciando com uma explicação sobre as redes de Mesh, no que se baseiam e em sua história, cito exemplos da utilização bem sucedida das redes de mesh de primeira e terceira gerações. Em seguida, seguindo rascunhos do padrão a ser denido s, para redes de mesh, escrevo sobre o que há de comum nas versões desse rascunho lidas. 1 Introdução Com o barateamento e difusão da computação móvel, diversos padrões foram criados para as redes Wi-Fi. Esses padrões são regidos pelo IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers - e são destinados a um m e têm faixa de frequência própria, entre outras características. O padrão s ainda está em fase de rascunho e rege sobre as redes de mesh, que, por sua vez, vêm sendo cada vez mais utilizadas. Essas, já estão presentes em aplicações em minas e no projeto bastante discutido One Laptop Per Child, ou OLPCs. Nesse trabalho discorre-se sobre a aplicação das mesh networks e do que se espera do resultado nal da especicação do padrão s. 2 Mesh Networks Embora inicialmente planejadas e utilizadas em aplicações que precisavam transmitir informações de locais pouco acessíveis até centrais, as redes de mesh logo teve seu potencial descoberto e, recentemente, explorado pela computação móvel. Elas consistem da existência de nós interconectados que devem transmitir uma informação de um lado a outro da rede, mas superar falhas causadas por nós que simplesmente podem deixar de funcionar em determinado momento. Mais do que isso, essas redes devem poder se criar sozinhas e dinamicamente, se adaptando ao funcionamento ou não dos nós ao seu redor. Quando um evento como esse acontece, a rede deve procurar outro caminho para que a informação chegue ao destino, procurando outros nós disponíveis que possam, sem passar pelo ponto danicado, levar a informação ao destino combinado. O fato de redes de mesh tolerarem tais falhas, as torna redes bastante conáveis. 1

3 2.1 Um pouco de história As redes de mesh surgiram primariamente para suprir as necessidades de transmitir dados de e para locais de difícil acesso. Para tanto, a sugestão foi criar uma rede que dependesse de nós transmissores e receptores de informação. Diferentes heurísticas foram testadas e comparadas. A primeira dela utilizava, em cada nó, apenas um rádio que utilizava somente uma frequência. Embora funcional, a rede demonstrava problemas de performance, já que o rádio único precisa alternar entre receber e enviar sinal. Com a intenção de solucionar esse problema, surgiu a segunda versão: uma com dois rádios, um destinado a cuidar dos clientes e outro para cuidar da infraestrutura, como encontrar nós da rede e caminhos entre eles. Esses rádios funcionam independentemente e podem operar em duas frequências distintas, uma para cada m. Com essa modicação, houve sensível melhoria na performance das redes de mesh. Na terceira geração das redes de mesh, decidiu-se por utilizar dois backhauls, que podem funcionar simultaneamente como clientes e servidores e escolhem dinamicamente os canais de cada comunicação, aperfeiçoando ainda mais a performance da rede. Apesar das diferenças de performance de uma geração para outra da tecnologia mesh, uma geração não substituiu a outra, mas sim complementou. As três gerações ainda convivem e são aplicadas em mercados diferentes. 2.2 Aplicações atuais Uma utilização da primeira geração de redes de mesh que teve bastante repercussão, inclusive na mídia geral, em 2007, foi a dos OLPCs. O projeto One Laptop Per Child decidiu utilizar a primeira geração das redes por seu baixo custo, em detrimento da performance. A proposta do projeto visa beneciar comunidades mais carentes com um computador por criança e, para isso, tem o objetivo de fazê-lo custar apenas US$100. Contudo, também pelo foco do projeto, optaram por suportar redes de mesh. Com elas, os laptops bastante limitados seriam capazes de compartilhar aplicações, arquivos e estender a área coberta por internet. Os denominados Mesh Portals são as máquinas conectadas, no momento, à internet. Cada OLPC, cada nó, pode se tornar um Mesh Portal se estiver conectado à rede direta ou indiretamente, se estiver conectado à rede sem o criada por outro OLPC. Uma demonstração da colaboração de recursos dos OLPCs foi feita no FISL de A demonstração feita no OLPC XO envolveu três laptops e 2

4 o a execução de música. Mostrando com sucesso o compartilhamento dos recursos, a apresentação foi ovacionada pelo público presente. Já a terceira geração de redes de mesh tem tido resultados bastante recentes em minas de carvão, onde problemas impeditivos atrapalhavam e diminuiam a produção de carvão, uma vez que essa tinha que ser interrompida quando se detectava uma falha no sistema. Claramente, celulares não eram opção para mandar avisos, já que camadas de rocha bloqueiam o sinal. O tempo gasto para ir à superfície chamar o técnico que poderia resolver o problema foi reduzido a zero com a implantação de nós em uma rede de mesh. Após a adoção do sistema, cou muito mais simples e rápido informar e portanto resolver os problemas encontrados. Outra aplicação das redes de terceira geração envolve a área militar. A Naval Postgraduate School realizou em 2007 experimentos com nós móveis de terceira geração que tem o intuito de se tornar a nova ferramenta de controle de fronteiras estadunidense. Veículos aéreos, terrestres e aquáticos foram equipados com a infraestrutura de mesh criada especicamente para esse m e os resultados foram positivos num primeiro experimento, mas deixou a desejar nos seguintes: a rede era rapidamente saturada quando nós distantes tentavam se comunicar em meio aquático e a conexão se tornava extremamente lenta. Entretanto, a área de cobertura alcançada foi bastante satisfatória e estudos subsequentes virão. 3 Os padrões Com a grande e relativamente recente expansão das redes sem o (wireless), surgiu a necessidade de uma padronização dessas. Isso para que máquinas pudessem se comunicar de uma forma única. Tal foi o sucesso da especicação que ela logo se tornou o padrão mais utilizado, máquinas passaram a ser produzidas já com interfaces e diversos pontos de rede sem o se espalharam pelas cidades do mundo. Já em 1990, a IEEE cou responsável pela criação de um comitê para determinar o padrão de conectividade das redes sem o. Esse processo inicial levou sete anos e foi apenas em 1997 que a primeira versão das redes IEEE saiu. Ela supunha velocidades de até 2Mbs (mega bits por segundo). Após essa primeira especicação, saíram outras, mais especícas, tentando acompanhar os avanços das tecnologias wireless a 54 Mbps, 5,0 Ghz b 11 Mbps, 2,4 GHz 3

5 802.11d compatibilidade em diferentes países e preocupação com qualidade de serviço f dene protocolo IAPP g 54 Mbps, 54 Mbps, autenticação WEP h otimização da escolha de canal i melhorias na segurança j 4.9GHz e 5GHz k escolha do melhor ponto de acesso m n 128 Mbps, 2,4Ghz e 5Ghz, suporte a MIMO p veicular r hando eciente s Redes mesh Self-healing / Self-conguring t testes e métricas para u redes móveis/celular v gerenciamento Particularmente, focaremos no ainda em construção padrão s s - Wireless Mesh Networks A especicação s ainda está em desenvolvimento e não é distribuida junto com os outros padrões no documento da IEEE. Contudo, alguns rascunhos não ociais podem ser encontrados. Todas as informações deste ponto em diante podem ser alteradas já na primeira versão do padrão s. Para entender a especicação é importante conhecer o vocabulário ubíquo: Mesh link: conexão entre dois nós; Vizinhos: nós que possuem link de mesh entre eles; Mesh point: nós que podem prover serviços/gerenciar; 4

6 Mesh access point: nó conectado a estações; Mesh portal: nó com conexão com a internet; Seleção de canais Quando um Mesh Point é ativado, deve procurar, ativa ou passivamente, por outros mesh points próximos. Se encontrar, tenta participar da rede, vericando se há segurança na rede a ser gerada. Se não encontrar ou não houver segurança, cria uma nova rede de mesh Interconexão Mesh portals são nós que fazem a conexão entre redes wireless e cabeadas. Para se comunicar com redes não-mesh, utiliza-se o padrão IEEE d Seleção de caminho e roteamento A heurística utilizada para escolher caminhos usa a estrutura de árvore da rede criada e a contagem de nós de distância. A especicação ainda supõe o uso de RA-OLSR para otimizar a busca de caminhos. Mesh points podem requisitar rotas ou responder rotas requisitadas por outros mesh points e, para assegurar a existência da rota calculada, novas requisições de conrmação são feitas. Além disso, a segunda melhor opção também é mantida à mão, caso a primeira conexão se perca Segurança O padrão de segurança da s será, provavelmente, regido pela especicação da Ecient Mesh Security Association. A autenticação segue o padrão i, que utiliza o protocolo Pairwise Master Key, especico para conexões wireless Gerenciamento de consumo de energia Mesh access points têm necessariamente que se manter sempre acordados, mas simples mesh points podem usar um mecanismo de economia de energia. Nós que estejam completamente carregados devem se manter acordados para que a rede ua mais ecientemente 5

7 4 Conclusão Embora ainda não concluida, o padrão s já tem em vista os problemas que as redes de mesh enfrentam com a mobilidade, alcance e bateria de seus nós. Certamente a especicação já está avançada em sua construção, mas a cada dia surgem novas tecnologias e na área de redes de mesh. Como já há implementações reais de redes em mesh, o padrão já é necessário e não se pode mais atrasar muito o lançamento dessa especicação por mais que fosse necessário atualizá-la depois. Pelo menos um rascunho ocial da IEEE seria uma boa ajuda àqueles que gostariam de se informar sobre o assunto de maneira mais conável. A falta de informação ocial sobre o assunto até desmotiva os interessados. 5 Bibliograa Referências [Wikipedia Wireless Mesh] Wikipedia. Wireless mesh network. wikipedia.org/wiki/wireless_mesh_network. [Wikipedia Mesh History] Wikipedia. History of wireless mesh networking. networking. [OLPC Mesh] One Laptop Per Child. Mesh Network Details. laptop.org/go/mesh_network_details. [Fisl OLPC] VidaGeek.net. FISL 8.0: Wireless Meshing with OLPC. fisl-80-wireless-meshing-with-olpc/. [Miners Mesh] Byron Henderson. Miners give a nod to nodes. MissionCritical Communications RadioResource. Ed. Julho/2008. [Naval Postgraduate School] A. J. Healey, D. P. Horner, S. P. Kragelund, B. D. Wring, A. Monarrez High Bandwidth Communications for VSWMCM Operations. Center for Autonomous Underwater Vehicle Research Naval Postgraduate School. [Wikipedia Pt ] Wikipedia em português. IEEE wikipedia.org/wiki/ieee_

8 [Wikipedia s] Wikipedia. IEEE s. wiki/ieee_802.11s. [802.11s draft] Joseph D. Camp and Edward W. Knightly. The IEEE s Extended Service Set Mesh Networking Standard. Electrical and Computer Engineering, Rice University, Houston, TX. 7