C O M P U T A Ç Ã O M Ó V E L AMBIENT NETWORKS GUILHERME GRIMALDI NEPOMUCENO. 2 Semestre de

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1 M A C C O M P U T A Ç Ã O M Ó V E L AMBIENT NETWORKS GUILHERME GRIMALDI NEPOMUCENO 2 Semestre de

2 Motivação Imagine o seguinte cenário: Uma banda viaja em uma turnê pela Europa em um trem especial, que além de servir como meio de transporte, funciona como um palco para os shows e ainda disponibiliza entrevistas e aparições para convidados especiais e fãs pagando para viajar com a banda. Para facilitar a comunicação e a distribuição de informações entre os vários agentes dentro e fora do trem, várias redes devem ser disponibilizadas. Outras redes temporárias serão criadas durante os shows da banda para troca de conteúdo entre a banda e os fãs, dentre os próprios fãs e dentre os fãs e amigos distantes que não puderam vir ao show. Potencialmente todas essas redes estarão usando tecnologias de acesso diferentes e os usuários terão uma percepção mínima quando transferidos de uma tecnologia para outra ou quando novo trafego é adicionado a recursos restritos. Além disso essas redes ambiente permitirão capacidades e configurações com a mínima interação humana. Atualmente, o mundo da computação móvel é composto de um número muito grande de dispositivos e aparelhos, cada qual utilizando tecnologias de acesso diferentes, diversas redes sem fio e uma infinidade de serviços variados que, com o passar dos tempos, só tende a crescer. Com o objeto de conectar as pessoas e compartilhar conteúdo, faz-se necessário que essas redes cooperem entre si. Além disso, essa cooperação deve ser feita de forma rápida e fácil para o usuário, que não quer e muitas vezes nem pode ter o trabalho de reconfigurar ou trocar de aparelho. Dessa forma, garante-se então que o usuário poderá, independentemente de sua localização ou meio de acesso utilizado, ter acesso ao serviço que ele quer, na hora que ele quer. Portanto, um dos grandes desafios de hoje em dia é desenvolver tecnologias para comunicação em redes sem fio que sejam verdadeiramente plug-and-play, simples de se usar, com baixo custo e que sejam capazes de usar de forma eficiente todos os investimentos em infra-estrutura atuais e futuros além de manter competitividade de acesso. O projeto do Ambient Networks visa resolver todos esses desafios. Introdução Ambient Networks é um projeto colaborativo de larga escala dentro do 6th Framework Programme um programa de financiamento e promoção de pesquisa, desenvolvimento tecnológico e demonstração da União Européia, como parte do Wireless World Initiative 2

3 uma grande iniciativa de pesquisa para futuros sistemas de comunicação das atuais redes fixas e móveis além do 3G (B3G). O WWI é um esforço conjunto entre industria e universidade, composto de cinco projetos de pesquisa, dentre eles MobiLife, SPICE, WINNER, E2R e o próprio Ambient Networks. Nesse sentido, o projeto envolve um grande e forte consórcio composto por fabricantes de aparelhos, operadoras de serviço, vendedores e organizações de pesquisa com o intuito, determinação e capacidade de criar um consenso e padronização gerais para sistemas móveis e sem fio além do 3G. O projeto visa resolver os desafios enfrentados atualmente ao se trocar de uma rede para outra, de forma a manter o contato com o resto do mundo. Para isso está desenvolvendo uma solução de integração de redes móveis adaptável, que garantirá maior cooperação e competitividade entre as muitas tecnologias de acesso, operadoras e agentes de negócio. Ele busca desenvolver uma infra-estrutura básica que permitirá que os aparelhos se conectem uns aos outros e, através deles, ao resto do mundo. Objetivos do projeto Como objetivo estratégico principal, o projeto focaliza em tecnologias capazes de permitir que as pessoas se comuniquem utilizando da forma mais eficiente possível os recursos disponíveis, combinando redes e serviços diferentes. A comunicação através de dispositivos móveis como laptops, PDAs, telefones celulares deve ser feita de forma transparente para o usuário e com o mínimo de interação possível. Ou seja, para manter um serviço ativo enquanto o usuário se move ou troca de aparelho, ele não deve ter que se reconfigurar ou se re-conectar a mesma ou outra operadora. O projeto pretende criar um arcabouço genérico, porém completo, capaz de resolver a questão do roaming, da troca de operadoras e da disponibilização de serviços através de redes e operadoras diferentes. O conceito se baseia na composição dinâmica de redes para prover acesso a qualquer rede através de acordos inter-redes instantâneos e oferece funções de controle comuns para uma grande gama de diferentes aplicações e métodos de acesso, permitindo um controle integrado, transparente e escalável das capacidades da rede. 3

4 Como resultado, deve apresentar uma solução completa e coerente para redes sem fio, capaz de reduzir os custos tanto dos usuários finais, que, por exemplo, não precisarão de roaming, como dos provedores e operadoras, que poderão compartilhar gastos e facilitar a introdução contínua de novos e melhores serviços, estimulando assim um crescimento sustentável do setor da comunicação móvel. Para se alcançar essa solução é necessário definir: uma arquitetura que possibilite a composição dinâmica e fácil de redes distintas; um conjunto de componentes de redes móveis adaptativos e auto-configuráveis, que reduza custos de planejamento, implantação, configuração e manutenção; um arcabouço de segurança integrado e compreensivo, que proveja proteção de redes fim-a-fim e robustez contra ataques. Para garantir que essa solução defina novos padrões para futuras redes context-aware e redes móveis multi-domínio, é necessário definir: novos algoritmos para administrar recursos de rádio em tecnologias diferentes e em vários domínios para prover acesso eficiente e de baixo custo, independentemente dos limites administrativos; uma nova camada de conexão capaz de adaptar e incorporar facilmente as atuais a as futuras interfaces de rádio; um protocolo de composição de redes que garanta conectividade, administração de recursos, segurança, resolução de conflitos e manuseamento de conteúdo; um suporte para acordos dinâmicos que provejam qualquer parte com acesso a qualquer rede em qualquer lugar; uma forma de administrar mobilidade em multi-domínios para usuários sobre uma grande quantidade de redes de acesso sem fio heterogêneas, incluindo novas formas de acesso tais como Personal Area Networks (PANs) e redes veiculares; um suporte para entrega de conteúdo multimídia, desenvolvendo funcionalidades de transporte e roteamento intra-domínios e balanceando QoS em diferentes tipos de acesso e requerimentos do serviço; redes context-aware para melhor eficiência e novas aplicações; interfaces comuns, escaláveis e seguras entre domínios; um auto-gerenciamento inovador não apenas para novos nós mas também para novas redes compostas. Para assegurar uma viabilidade comercial é necessário: 4

5 identificar os vários papéis e cenários de negócio, assim como os meios e conceitos de implantação, que permitam agentes de diferentes tamanhos e tipos participar, competir e cooperar para criar novos modelos de negócio baseados em acordos de confiança estabelecidos. Por fim, é necessário validar e testar todas as soluções desenvolvidas em atividades de prova de conceito em todas as áreas do projeto. É importante saber que o Ambient Networks não visa apenas prover ferramentas para os usuários finais se comunicarem de novas formas, mas também prover ferramentas para que novos tipos de negócios possam ser realizados. O Projeto O projeto foi subdividido em quatro grandes áreas de trabalho: Conceitos e arquiteturas, Interfaces de negócio, Problemas técnicos e Validação e prototipagem. Teve início a partir de um conjunto de cenários selecionados que representam a visão dos usuários, operadoras de rede e provedores de serviço sobre quais seriam os vários novos serviços e como estes poderiam ser usados em casa, no escritório ou em qualquer situação social. A partir daí criou-se uma especificação técnica dos componentes tecnológicos e serviços básicos, que foi analisada a respeito das tecnologias atualmente existentes e novas formas como elas poderiam ser utilizadas. Novas tecnologias foram então consideradas para atender a demanda dos novos serviços e logo depois analisadas e otimizadas. Por fim as idéias serão testadas através de simulações e prototipagem. Com esse modelo em mente, o projeto foi dividido em três fases: Fase 1 ( ): definir os fundamentos conceituais, o desenho da arquitetura e a viabilidade técnica e comercial; Fase 2 ( ): desenvolvimento tecnológico, especificação detalhada e criação das interfaces de negócio; Fase 3 ( ): validação, otimização, padronização e disseminação no mercado. 5

6 Atualmente o projeto se encontra no final da segunda fase. Além disso, devido ao tamanho do escopo do projeto, ele foi subdivido em 8 pacotes de trabalho (workpackages ou WPs), cada um composto de vários agentes e com uma função definida, como mostra a figura. WP1 é responsável por desenvolver o conceito e arquitetura gerais do projeto, além de coordenar os demais WPs, e agregar os resultados em uma solução coerente. WP2 é responsável pela criação de uma arquitetura de acesso multi-rádio (MRA), essencial para o conceito de Ambient Networks. O MRA visa gerenciar todos os recursos de acesso a rádio disponíveis, que potencialmente pertencem a diferentes tecnologias, e coordená-los, controlando o fluxo de dados, de forma a garantir acessibilidade independente da localização. WP3 é responsável pela composição de redes, o principal objetivo do projeto. Ele deve primeiro prover uma forma de interconectar as funções de controle de dois ou mais domínios, tais como mobilidade e configuração. Depois deve prover um serviço de conectividade fim-a-fim, melhorado com controle de qualidade de serviço para mobilidade e congestionamento. WP4 definirá uma estrutura de mobilidade capaz de superar deficiências em redes heterogêneas existentes, como dar suporte a vários tipos de pontos finais móveis, ou como nomeá-los ou endereçá-los. WP5 tratará do grande desafio de prover conteúdo multimídia em ambientes que mudam dinâmica e constantemente. Introduz-se a funcionalidade de redes virtuais ou sobrepostas (overlay) que permite que o conteúdo seja entregue sobre infra-estruturas existentes em pontos específicos. Isso permite um processamento na própria rede, como cache, roteamento e adaptação. 6

7 WP6 integra o conceito de context-aware ao Ambient Networks, beneficiando-se das informações sobre a localização, direção e velocidade do movimento ou possibilidades de acesso sem fio. Para isso é necessário haver uma infra-estrutura capaz de coletar, processar e disseminar informações de contexto. Um exemplo interessante dessa integração é que a transmissão de um por uma conexão cara pode esperar quando houver informação de contexto dizendo que mais a frente haverá um ponto de conexão barata. WP7 lida com todo o aspecto de segurança. Com tantas redes se conectando deve-se garantir que não haverá intrusão nem acesso sem consentimento por parte de terceiros. Logo a segurança foi incorporada ao desenho e o desenvolvimento do projeto desde o início. WP8 é responsável por possibilitar a composições, decomposição e o auto-gerencimento dinâmicos de redes, incluindo o uso de tecnologias peer-to-peer, configurações plug-andplay, otimizações etc. Quando há uma composição de redes separadas, é crucial que os sistemas de controle de ambas sejam unificados em um sistema único e consistente. Da mesma forma, uma decomposição deve ser capaz de separar os controles. Composição de redes Central ao projeto está o conceito de composição de redes, uma forma de lidar com a natureza dinâmica do ambiente móvel de hoje em dia. Atualmente é muito comum e até mesmo fácil estabelecer uma integração entre usuários de um sistema ou serviço; acesso a internet permite troca de informações fácil e rapidamente. No entanto, estabelecer uma integração do plano de controle, como segurança, cobrança, qualidade de serviço e mobilidade, para as diferentes redes ainda é muito difícil. Ambient Networks introduz o conceito de Composição de Redes como um procedimento uniforme e dinâmico para possibilitar compartilhamento do plano de controle que é habilitado com o mínimo de intervenção humana. Além disso, esse procedimento é o mesmo para todas as redes, independentemente do tipo ou tecnologia. Esse conceito é baseado em um arcabouço aberto para controle de funcionalidades, que pode ser estendido com novas capacidades, assim como pode ser usado sobre infra-estruturas de conectividade existentes. 7

8 O ACS (Ambient Control Space) é o espaço composto por uma série de funções de controle utilizado internamente pela AN para administrar as redes. Ele provê as funções que podem ser acessadas e permite estendê-las, e está em total controle sobre os recursos da rede e provê compatibilidade com os diferentes tipos de serviço e conectividade. Juntamente com uma rede de conectividade, forma um Ambient Network. É importante salientar que o ACS não trata com os nós das redes, apenas com redes em si. Assim, serviços e funções são ligadas a elas diretamente. Mesmo que no início, essas redes sejam compostas de apenas um nó, para que se tornem redes propriamente ditas, elas precisam se fundir umas com as outras. Essa composição consiste de alguns passos, principal entre eles o de negociação e realização de um acordo de composição, e é a mesma, independente das partes interessadas: após as partes identificarem a intenção de uma união, é estabelecido uma interoperabilidade segura; um acordo de composição então é negociado, cada parte disponibilizando informações sobre as funcionalidades que possui e pretende compartilhar. Nesse momento questões de segurança são levadas em consideração, dando ou restringindo acesso a determinadas funções; finalmente o acordo é realizado e as redes se fundem. Essa fusão pode criar uma nova AN que engloba as partes independentes, tratando-as como uma única rede, ou apenas compartilhar algumas funções específicas, mantendo as redes separadas. Essas composições podem ocorrer de forma automática e com mínima intervenção dos usuários, baseadas em políticas pré-estabelecidas, agregando ou substituindo funções. Além disso, esse processo pode ser aplicado recursivamente, compondo novas redes. O ACS provê a manutenção dessa composição, permitindo novas composições, alterações do acordo e até mesmo a decomposição. Existem três interfaces disponíveis para se comunicar com um ACS: Ambient Network Interface (ANI): oferece um padrão para conectar as funções de um ACS com as de outro, realiza a composição/ decomposição de redes e anuncia funções em domínios adjacentes. 8

9 Ambient Service Interface (ASI): provê um acesso único para serviços e aplicações às funções do ACS. Ambient Resource Interface (ARI): disponibiliza um ponto de referência comum para todos os recursos controlados pelo ACS. Quando duas redes se encontram e decidem se unir, um novo ACS será formado com ambas (embora as duas ainda tenham seus próprios ACS, assim como suas próprias interfaces dentro do novo e global ACS). O novo ACS composto terá seus próprios ANI, ASI e ARI e irá utilizar essas interfaces para se fundir a outras Ambient Networks. Outras opções de composição incluem o estabelecimento de um novo ACS virtual que controla apenas algumas funções/recursos de cada rede (Control Sharing) ou simplesmente não fundir as duas ANs (Network Interworking). Exemplo de composição Um usuário possui uma PAN composta por um PDA com Bluetooth, um telefone celular GSM e um laptop com rede sem fio. Todos os equipamentos estão ligados e formam uma rede. Esse usuário está em movimento (num táxi) e seu laptop está baixando seus s através da conexão com celular na rede GSM, que é mais lenta e cara. 9

10 Bluetooth GSM Laptop Telefone Rede celular Ele então resolve parar em um cybercafé, que é coberto por uma rede sem fio grátis. Logo, sua PAN imediatamente inicia a negociação para se fundir com a rede disponível, utilizando o laptop como roteador. Uma vez completada, o download do continua normalmente, mas ao invés de utilizar a rede GSM mais cara, agora usa a rede wi-fi gratuita. Se ele desejar usar o PDA para navegar na internet, este também usará a conexão wi-fi do laptop. Bluetooth wi-fi PDA Laptop Hotspot Impactos potenciais O projeto de Ambient Networks tem o potencial para um impacto fundamental e sustentável no desenvolvimento de futuras redes móveis, no mercado de comunicações e outros mercados de diversas áreas das seguintes maneiras: Estimulando o crescimento sustentável e mantendo a competitividade no setor de comunicação ao criar novas oportunidades de negócio de acesso sem fio e de serviços de rede, beneficiando o usuário final; Criando um padrão definitivo e um consenso para estabelecer uma nova arquitetura móvel, robusta e independente de plataforma para além do 3G; Possibilitando o aparecimento de novos negócios emergentes da própria comunidade de usuários. Configurações automáticas, segurança e tecnologias de auto-gerenciamento permitirão usuários e pequenas empresas interagirem com o mundo da comunicação como parceiros de negócio, conectando suas redes e disponibilizando seus próprios novos serviços; Fortalecendo a coesão social ao prover um acesso móvel eficiente, inteligente e seguro, fácil de usar e de baixo custo; Possibilitando uma evolução incremental do mercado ao disponibilizar uma transição transparente a novos serviços e tecnologias. Conclusão O projeto é bastante ambicioso e tem um grande potencial para mudar a forma como a comunicação móvel é feita atualmente. Embora seja difícil contemplar o uso das soluções 10

11 apresentadas em todos os dispositivos disponíveis, independentemente do tipo, tamanha ou funcionalidade, é interessante pensar que a tecnologia para tanto existe e pode ser adotada, dada o peso do grupo de participantes do projeto, tanto no mercado como no mundo acadêmico. Referências LUNDGREN, Lars. Ambient Networks for FIND Mobile/DTN group. Ericsson Research Stockholm, Meeting May GUNNAR, Anders. Ambient Networks: Mobile Communication Beyond 3G. Uppsala University,