Redes em malha sem fios

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1 Instituto de Matemática e Estatística Universidade de São Paulo MAC 5743 Computação Móvel Professor Alfredo Goldman vel Lejbman Redes em malha sem fios Cristiano Malanga Breuel São Paulo, dezembro de 2004

2 Índice 1 Introdução O que são redes em malha sem fios Origem Motivações Vantagens Custo Simplicidade Robustês Desafios Degradação da largura de banda Interferência eletromagnética Perda freqüente de pacotes Questões econômicas e sociais Segurança Tecnologias IEE DSR DSDV AODV Projetos RoofNet Experimento Roteamento Conclusões do projeto Microsoft Research Experimento Roteamento SSCH Detecção e correção de problemas Conclusões do projeto Outros projetos Conclusão

3 1 Introdução Desde a apresentação, em 1997, do padrão IEEE [7], conhecido como WiFi, muitas aplicações vêm sendo criadas para esta tecnologia. Seu principal uso é em redes locais e públicas, através de pontos de acesso ligados diretamente a uma rede fixa (wired). Uma dessas novas aplicações são as redes em malha sem fios (wireless mesh networks). Esse novo tipo de rede dispensa o uso da rede fixa entre os pontos de acesso, que roteiam tráfego, entre si, dinamicamente. Neste trabalho, examina-se o estado atual do trabalho em redes em malha sem fios. Serão examinados suas motivações, fundamentos técnicos e desafios. Serão também examinados em detalhe dois projetos que pretendem transformar em realidade a tecnologia das malhas sem fios. 3

4 2 O que são redes em malha sem fios As redes em malha sem fios são redes com topologia dinâmica, variável e de crescimento orgânico, constituídas por nós cuja comunicação, no nível físico, é feita através de uma das variantes do padrão IEEE , e cujo roteamento é dinâmico. Essas redes têm muito em comum com as redes móveis ad-hoc (Mobile Ad-hoc networks, ou MANETs). Assim com estas últimas, utilizam meio de transmissão sem fios e têm topologia dinâmica. A principal diferença entre as duas reside no fato de que os nós das redes em malha sem fios têm localização fixa, embora suas localizações não sejam predeterminadas. Os algoritmos de roteamento, portanto, têm muita semelhança entre si. Na ilustração abaixo, vemos um exemplo de como poderia ser empregada uma rede em malha sem fios. Os nós nas residências comunicam-se entre si, roteando o tráfego, que é escoado para um link com a Internet em apenas um desses nós. Figura 1 Exemplo de uso de uma rede em malha sem fios 4

5 3 Origem A idéia de roteamento automático em uma rede em malha remonta ao trabalho de Paul Baran nos início dos anos Ele imaginou uma rede com links de microondas ponto-a-ponto. Suas idéias foram implementadas na rede ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network, agência do departamento de defesa dos EUA), dando origem a muitos dos algoritmos de roteamento utilizados na Internet atual. Nos anos 1970 e 1980 a PRNet (Packet Radio Network) da DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) criou muitas das técnicas usadas em redes em malha sem fios. O trabalho feito em redes móveis ad-hoc (MANETs) rendeu protocolos dos quais derivam os utilizados em redes em malha sem fios. Os principais deles são DSR (Dinamic Source Routing), DSDV (Destination- Sequenced Distance-Vector routing) e AODV (Ad-Hoc on Demand Distance Vector). 5

6 4 Motivações O trabalho em redes em malha sem fios surgiu da constatação de que as redes sem fios poderiam ser aproveitadas para reduzir o custo da última milha no acesso à Internet. Através da colaboração entre os nós, um link com a rede fixa poderia ser compartilhado, permitindo um uso mais eficiente da banda, evitando o custo da passagem de fios até os usuários finais e beneficiando-se da economia de escala. O conceito foi estendido para o compartilhamento de outros recursos, além do link com a rede fixa. Na visão dos pesquisadores da Microsoft Research, as redes em malha sem fios podem ser utilizadas para aplicações como backup distribuído, cache de conteúdo da Internet, e divulgação de informação de relevância local. Uma outra motivação ao uso das redes em malha sem fios é o acesso em locais onde é difícil ou impossível criar uma rede com fios. Estes locais incluem regiões pobres e sem infra-estrutura, ambientes hostis a redes sem fios centralizadas (com muitas barreiras e interferência) e locais onde haja restrição para a instalação de redes com fio (construções históricas, por exemplo). 6

7 5 Vantagens 5.1 Custo Entre as principais vantagens das redes em malha sem fios está a já citada racionalização de custos. O custo dos links sem fios já é mais baixo que o de criar novos pontos de acesso com fios, que podem incluir a necessidade de obras caras, trabalhosas e inconvenientes. E o custo do hardware cai rapidamente. Já existem à venda no mercado equipamentos apelidados mesh boxes. Estes equipamentos encapsulam, em caixas pequenas e resistentes, todo o hardware e software necessário para criar um nó de uma rede em malha sem fios. Este kits incluem tipicamente um computador, uma ou mais antenas IEE802.11, um sistema operacional (na maioria dos casos, um sistema aberto, como Linux) e o software de roteamento específico. 5.2 Simplicidade A simplicidade para o usuário final é outra vantagem deste tipo de rede. Como o roteamento é dinâmico (e, normalmente, a atribuição de endereços também), a instalação resume-se a ligar o mesh box à tomada, ou instalar um software no PC do usuário. 5.3 Robustês O roteamento dinâmico também significa que dificilmente será necessário um administrador da rede. Se mudam as condições da rede, como a adição ou remoção de um nó ou interferência em um link, a rede se adapta sem interferência humana. Esta capacidade de adaptação automática é outra vantagem das redes em malha sem fios. O termo malha implica que a maioria dos nós estará conectada a mais de um outro nós. Com isso, a rede torna-se muito mais robusta que uma rede convencional, pois a queda de um nó ou de um link não implica em quebra da conectividade, já que o sistema é capaz de encontrar novas rotas dinamicamente. 7

8 6 Desafios 6.1 Degradação da largura de banda As redes sem fios utilizam meio de transmissão compartilhado, o ar. Para que dois nós possam se comunicar, eles precisam utilizar a mesma freqüência. Devido a isso, apenas um nó pode transmitir de cada vez. Nas arquiteturas convencionais, N nós comunicam-se apenas com um nó, que está ligado a uma rede fixa e roteia o tráfego. Nesta situação, a largura de banda é dividida por N. Isso ocorre tanto em redes sem fios quanto com fios, e é aceitável, pois em geral nem todos os nós estão se comunicando simultaneamente, e o número de pontos de acesso pode ser adequado ao número de nós. Nas redes em malha sem fios, este problema aumenta exponencialmente com o número de nós em uma determinada rota, pois cada nó só pode usar 1/N do tempo para transmitir os pacotes ao próximo. No caso mais comum, em que quase todo o tráfego será direcionado para o nó que tem conexão com a rede fixa, a situação dos nós que estão distantes do ponto de acesso pode se tornar insustentável. Vemos no gráfico abaixo o resultado de um estudo que mediu o desempenho de uma transmissão TCP/IP em uma rede em malha sem fios. Desempenho TCP (Kbps) Comprimento do caminho (Hops) Figura 2 Impacto do comprimento do caminho no desempenho do TCP 8

9 Existem diversos trabalhos que buscam minimizar este problema. As principais técnicas são a alternância de canais (channel hopping) e o uso de dois ou mais rádios, em freqüências diferentes. 6.2 Interferência eletromagnética O problema da interferência eletromagnética é inerente a toda rede sem fios, não apenas a redes em malha sem fios. Os espectros utilizados pelos padrões da família IEEE , são de uso livre. Devido a isso, existem diversos equipamentos, como telefones sem fio, que utilizam o mesmo espectro. Vemos abaixo a influência do uso de um telefone sem fio na comunicação IEE b. Uso do telefone sem fio Figura 3 Efeito da interferência de um telefone sem fio na comunicação IEEE b A solução para este problema não é técnica, exigindo regulamentação por parte de organizações governamentais ou associações de fabricantes. 6.3 Perda freqüente de pacotes Outro problema inerente às redes sem fios é a perda freqüente de pacotes, causada por interferência, obstáculos e recepção por múltiplos caminhos. Esta perda, inerente a comunicação por rádio, é uma desvantagem em relação às redes fixas. 9

10 6.4 Questões econômicas e sociais Talvez os principais empecilhos à adoção das redes em malha sem fios sejam as questões econômicas e sociais, uma vez que este tipo de rede tem como pressuposto o compartilhamento de recursos entre vizinhos. Os experimentos feitos até agora utilizaram equipamento cedido pelos projetos, e tiveram participação de pessoas ligadas às instituições (funcionários da empresa, alunos da universidade). Os usos comerciais são principalmente de empresas e universidades, que compram soluções de interligação de seus campi. O modelo comunitário pode funcionar bem em organizações, como empresas e universidades. Mas quando se trata de indivíduos, é provável que haja conflitos, na medida em que pode haver abuso na utilização, injustiça nos valores investidos por cada um, ou violações de privacidade. 6.5 Segurança A questão da segurança nas redes em malha sem fios ainda está em aberto. A principal dificuldade é garantir a privacidade dos dados trafegados entre os nós da rede. A abordagem utilizada até hoje tem sido considerar essas redes como extensões da Internet. Assim como nesta última, não há criptografia embutida, e o usuário deve utilizar protocolos seguros ponto-a-ponto (como HTTPS e SSH) quando precisar de privacidade. Outra questão é a permissão de acesso à rede. A maioria das redes sem fios atuais utiliza chaves compartilhadas para autenticação das máquinas. Esta abordagem pode não funcionar se existirem diversos pontos de acesso, controlados por indivíduos diferentes. A chance de que a chave compartilhada vaze torna-se muito grande. 10

11 7 Tecnologias 7.1 IEE O IEE é uma família de padrões da IEEE que define a tecnologia mais utilizada para redes sem fios. Todos os projetos em redes em malha sem fios utilizam estes padrões. A tabela abaixo sumariza os padrões que compõem a família atualmente [1]: Padrão Freqüências Taxas de transferência (Mbit/s) legado 2.4 GHz, IR 1, b 2.4 GHz 1, 2, 5.5, a 5.2, 5.8 GHz 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, g 2.4 GHz 1, 2, 5.5, 11; 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Tabela 1 Padrões da família IEEE O padrão mais utilizado é o g, mas alguns projetos utilizam também o a. 7.2 DSR O DSR é um protocolo desenvolvido originalmente para redes móveis ad-hoc (MANETs). Suas principais características são: Cada nó mantém em cache as rotas conhecidas; Só existem rotas entre quem se comunica; Cada pacote contém a rota completa até o destino; Rotas desconhecidas são determinadas através de floods de requisições de rotas na rede. 7.3 DSDV O DSDV é outro protocolo desenvolvido para MANETs. Ele é mais parecido com protocolos de redes com fios convencionais, construindo rotas através de tabelas que são passadas entre os nós periodicamente. Ele cria a noção de um número de seqüência, utilizado para controlar a atualidade das rotas. 11

12 7.4 AODV O AODV combina as idéias do DSR e do AODV. Assim como o primeiro, as rotas entre dois nós são criadas apenas quando surge a necessidade de comunicação entre eles. E assim como o segundo, as rotas são mantidas em tabelas nos nós, e não enviadas em cada pacote, e é usado um número de seqüência para controle da atualidade das rotas. 12

13 8 Projetos Dentre os projetos de redes em malha sem fios existentes, os dois que detalhamos a seguir se destacam pela abrangência dos experimentos e pela contribuição técnica e científica. 8.1 RoofNet O RoofNet é uma iniciativa do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL) do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Seu objetivo é estudar as questões envolvidas em redes sem fios de grande escala Experimento O experimento realizado pela equipe consistiu de uma rede de 50 nós espalhados por uma área urbana próxima á universidade. O hardware em cada nó era padronizado e fornecido pela equipe, consistindo de um PC com sistema operacional Linux em um gabinete compacto e resistente, e uma antena, colocado no topo dos edifícios participantes. Os PCs dos voluntários eram ligados a esses nós por cabos Ethernet. A Figura 4 mostra o mapa da cidade de Cambridge (EUA), com indicação dos nós do RoofNet. Figura 4 Mapa do experimento RoofNet 13

14 8.1.2 Roteamento SrcRR O protocolo de roteamento utilizado no projeto foi denominado SrcRR, e é baseado no DSR. A diferença entre ele e este último está na métrica utilizada para determinação da rota ótima. Enquanto o DSR utiliza o número de hops, o SrcRR utiliza a métrica ETX, que leva em conta também a taxa de perda de pacotes entre os nós. ETX A métrica ETX mede o número previsto de transmissões necessárias para transmitir um pacote sobre um link, incluindo retransmissões. Sua fórmula é: ETX 1 = d f d r Onde d f é a taxa de entrega de pacotes e d r é a taxa de entrega de ACKs. Assim, em um link sem perdas, o ETX seria igual a um. Quanto maior a taxa de perda de um link, maior a métrica, penalizando as rotas que incluam esse link Conclusões do projeto A conclusão do projeto é que, do ponto de vista tecnológico, o uso prático de redes como a RoofNet seria viável. No entanto, existem alguns empecilhos: o protocolo de roteamento SrcRR provavelmente não escalaria acima de poucas centenas de nós, é preciso haver uma boa distribuição de nós com acesso fixo à Internet, e o custo do hardware é relativamente alto. 8.2 Microsoft Research A Microsoft Research tem uma equipe dedicada a pesquisar redes em malhas sem fios, no projeto denominado Self-Organizing Neighborhood Wireless Mesh Networks (Redes em malha sem fios auto-organizáveis para vizinhanças). O foco dessa equipe é pesquisar tecnologias que viabilizem esse tipo de rede a médio e longo prazo Experimento Os experimentos realizados até agora pela Microsoft Research tiveram menor escala que o do RoofNet, envolvendo poucas dezenas de nós em uma área muito menor. Um deles foi realizado em apartamentos de um condomínio localizado próximo à sede da empresa, outro em uma das sedes da mesma. 14

15 O hardware utilizado é o próprio PC do usuário. O software consiste em um driver para o sistema operacional Windows que cria uma camada virtual entre a de enlace e a de rede Roteamento MR-LQSR O protocolo de roteamento utilizado pelo projeto é denominado MR- LQSR. Assim como o ScrRR, ele é baseado no DSR, diferindo deste nas métricas definidas. O MR-LQSR pretende ser um aperfeiçoamento do SrcRR, levando em conta, além da taxa de perdas do link, a taxa de transmissão. Ele pretende também ser otimizado para o uso de interfaces de rede com múltiplos rádios e/ou canais. ETT O ETT é uma métrica do link que leva em conta os seguintes fatores: Taxa de perda p Largura de banda B Tamanho médio de pacote S Janela de backoff 1 mínima CW min A fórmula do cálculo da métrica é a que se segue: ET ETT = ET Onde : ET xmit backoff Onde : S = B(1 p) CWminf(p) = 2(1 p) f(p) = 1+ xmit i = 7 i= 0 + ET 2 (i 1) backoff WCETT O WCETT (Weighted Cumulative ETTs) é a métrica agregada de um caminho. Cada link do caminho tem sua métrica determinada pelo ETT, e o WCETT agrega os links individuais para obter a métrica do caminho como um todo. i p 1 O backoff é o tempo que o uma interface da rede espera para retransmitir, em caso de colisão. 15

16 O WCETT leva em conta: O número de hops n no caminho O número de canais k de cada interface Dois parâmetros de ajuste a e b A fórmula do seu cálculo é a que segue: SSCH a* WCETT = onde X j = n i= 1 ETT o hop i está no canal j ETTi + a + b i ( b* max X ) 1 j k O SSCH (Slotted Seeded Channel Hopping) é um protocolo da camada de enlace que explora a capacidade das placas IEE de usar múltiplos canais. Cada nó muda de canal em intervalos fixos. A seqüência dos canais é determinada por números pseudo-aleatórios, com sementes diferentes para cada nó. Sabendo as sementes dos nós próximos, um nó pode determinar em que canal eles estarão em cada momento. Assim, ele pode escolher o mesmo canal quando deseja se comunicar com um determinado nó. Com isso, na maior parte do tempo, não há colisões entre comunicações que ocorrem em pares disjuntos de nós. Na Figura 1, vemos um gráfico comparativo do desempenho do SSCH em comparação com uma rede IEE comum. As medidas foram feitas em uma rede com 100 nós, no padrão IEEE a (com 13 canais), em que todos os fluxos são multi-hop (passando por múltiplos nós na rota). j 16

17 Throughput (Mbps) SSCH IEEE Número de fluxos Figura 5 Comparação do SSCH com IEE tradicional Detecção e correção de problemas A equipe da Microsoft Research desenvolve um framework de gerenciamento de falhas para redes em malha sem fios. Este gerenciamento consiste na detecção, isolamento e diagnóstico de falhas. A abordagem adotada consiste em reproduzir em um simulador os eventos ocorridos na rede, a partir de dados coletados. Assim, é possível determinar o comportamento que a rede teria em diversas condições, facilitando o diagnóstico de problemas e das condições de tráfego da rede. A Figura 6 esquematiza a arquitetura do framework. Manager Module Raw Data Collect Data Agent Module SNMP MIBs Performance Counters WRAPI MCL Native WiFi Measured Performance Diagnose Faults Root Causes Clean Inject Performance Data Candidate Estimate Faults Routes Link Loads Signal Strength Simulate Figura 6 Arquitetura do framework de gerenciamento de falhas 17

18 8.2.5 Conclusões do projeto Os pesquisadores da Microsoft concluem que as redes em malha sem fios são viáveis, mas as tecnologias existentes atualmente ainda são inadequadas. Eles crêem que, com o trabalho desenvolvido por eles, em conjunto com o desenvolvimento da indústria de hardware e dos organismos de padronização, será possível em algum tempo ter redes deste tipo operando em situações reais. 8.3 Outros projetos Existem diversos projetos comerciais de redes em malha sem fios. Listamos alguns dos principais. O Mobile Mesh é um protocolo formado por 3 sub-protocolos, com funções específicas: Descoberta de Links Roteamento Descoberta de fronteiras O protocolo foi desenvolvido pela empresa Mitre ( work/tech_transfer/mobilemesh/), porém é distribuído com a licença de código aberto GPL. As empresas LocustWorld ( e 4g Mesh Cube ( vendem sistemas prontos de redes em malha sem fios. Os sistemas são similares ao utilizado no projeto Roofnet, consistindo de caixas com PCs pré-configurados com software específico e interfaces WiFi. 18

19 9 Conclusão A tecnologia de redes em malha sem fios parece promissora, para uso em algumas situações específicas. Estas situações incluem locais onde seja difícil passar cabos, mas que tenham boas condições para redes sem fios. Com a gradual redução nos preços dos equipamentos, a tecnologia pode tornar-se interessante também em áreas de baixo poder aquisitivo. Uma outra aplicação possível é para interligar vizinhos, permitindo compartilhamento rápido de informações e recursos. Além dos desafios técnicos, que parecem estar sendo rapidamente resolvidos, o maior obstáculo à adoção generalizada de redes em malha sem fios é social. Este tipo de rede pressupõe o compartilhamento voluntário de recursos, o que pode ser inviável em muitas situações. 19

20 Bibliografia [1], IEEE Wikipedia. Disponível em: < Acesso em: nov./2004. [2] AGUAYO D.; BICKET J.; BISWAS S.; JUDD, G.; MORRIS, R. Link-level Measurements from an b Mesh Network. In SIGCOMM 04, 30/ago. 03/set., 2004, Portland, Oregon, EUA. Disponível em: < Acesso em: nov./2004. [3] AGUAYO D.; BICKET, J.; Biswas, S.; DE COUTO, D. S. J.; MORRIS, R. MIT Roofnet Implementation. Disponível em: < Acesso em: nov./2004. [4] BAHL, P.; CHANDRA, R.; DUNAGAN, J. SSCH: Slotted Seeded Channel Hopping for Capacity Improvement in IEEE Ad-Hoc Wireless Networks. In MobiCom 04 26/set.-01/out, 2004, Philadelphia, Pennsylvania, EUA. Disponível em: < Acesso em: nov./2004. [5] DE COUTO, D. S. J.; AGUAYO D.; BICKET, J.; Biswas, S.; MORRIS, R. A High Throughput Path Metric for MultiHop Wireless Routing. MobiCom 03, 14/set. 19/set., 2003, San Diego, California, EUA. Disponível em: < Acesso em: nov./2004. [6] DRAVES, R.; PADHYE, J.; ZILL, B. Comparison of Routing Metrics for Static Multi-Hop Wireless Networks. In SIGCOMM 04, 30/ago. 3/set., 2004, Portland, Oregon, EUA. Disponível em: < Acesso em: nov./2004. [7] DRAVES, R.; PADHYE, J.; ZILL, B. Routing in Multi-Radio, Multi-Hop Wireless Mesh Networks. In MobiCom 04 26/set.-01/out, 2004, Philadelphia, Pennsylvania, EUA. Disponível em: < Acesso em: nov./2004. [8] INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING : Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Disponível em: < Acesso em nov./2004. [9] JOHNSON, D. B. Routing in ad hoc networks of mobile hosts. In Proc. of the IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, Dez/1994. Disponível em: < Acessado em nov./2004 [10] KRAG, T.; BÜETTRICH, S. Wireless Mesh Networking. O Reilly Wireless Devcenter, Disponível em: 20

21 < Acesso em: nov./2004. [11] PERKINS, C. E.; BHAGWAT, P. Highly dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector routing (DSDV) for mobile computers. In Proc. Of the ACM SIGCOMM Conference (SIGCOMM '94), ago./1993. Disponível em < Acessado em nov./2004. [12] PERKINS, C. E.; ROYER, E. M. Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing. In Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, New Orleans, EUA, fev./1999. Disponível em < Acessado em nov./2004. [13] QIU, L.; BAHL, P.; RAO, A; ZHOU, L. Fault Detection, Isolation, and Diagnosis in Multihop Wireless Networks. Microsoft Technical Report MSR-TR , Disponível em: <ftp://ftp.research.microsoft.com/pub/tr/tr pdf>. Acesso em: nov./2004. [14] VEL LEJBMAN, Alfredo Goldman. Redes Móveis Ad-hoc. Notas de aula da disciplina MAC-5743, IME-USP, out./

22 Índice de Tabelas Tabela 1 Padrões da família IEEE Índice de Figuras Figura 1 Exemplo de uso de uma rede em malha sem fios...4 Figura 2 Impacto do comprimento do caminho no desempenho do TCP...8 Figura 3 Efeito da interferência de um telefone sem fio na comunicação IEEE b...9 Figura 4 Mapa do experimento RoofNet Figura 5 Comparação do SSCH com IEE tradicional Figura 6 Arquitetura do framework de gerenciamento de falhas