REDES EM MALHA SEM FIO

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE MATEMÁTICA E ESTATÍSTICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO REDES EM MALHA SEM FIO PATRICIA ARAUJO DE OLIVEIRA MONOGRAFIA DESENVOLVIDA PARA A DISCIPLINA MAC COMPUTAÇÃO MÓVEL PROF. DR. ALFREDO GOLDMAN SÃO PAULO - SP, 2012

2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REDES EM MALHA SEM FIO ARQUITETURA CRIAÇÃO DO BACKBONE EM MALHA MECANISMOS DE SELEÇÃO DE CAMINHO HWMP e Airtime Link Metric FORMATO DOS QUADROS IEEE s PROJETOS MESH EXISTENTES CONCLUSÃO... 14

3 1. INTRODUÇÃO Um dos desafios da atualidade é conectar o maior número possível de pessoas e devido o crescimento do acesso por meio sem fio - em consequência do barateamento de dispositivos móveis (notebooks e celulares, por exemplo) - as WLANs (Wireless Local Area Networks) têm sido foco de diversas áreas de pesquisa por ser uma das soluções mais viáveis para tal finalidade. Todavia, esse tipo de rede ainda demanda por soluções que estendam sua área de cobertura, sem a necessidade de adicionar novos dispositivos (como pontos de acesso), diminuindo, desta forma, o custo de implantação. Neste sentido, soluções de múltiplos saltos vêm sendo estudadas de modo que se tornem capazes de encaminhar o tráfego originado em outros nós de maneira ad hoc e autoconfigurável, diminuindo, assim, a dependência de um ponto de acesso e possibilitando uma maior mobilidade dos nós, por exemplo. Para Saade et al. (2008), soluções que estendam o padrão para redes sem fio IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) têm sido um tópico de bastante interesse. Esse tipo de abordagem apresenta uma série de custos/benefícios já que é possível cobrir áreas antes não alcançáveis por meio cabeado, ou mesmo pelo acesso sem fio tradicional, com menor custo. Tais vantagens servem como motivação para pesquisa por soluções para encaminhamento através de múltiplos saltos. Projetos-piloto de acesso sem fio utilizando a tecnologia IEEE com topologia em malha vêm sendo propostos como, por exemplo, em Albuquerque (2010). As soluções tradicionais para as redes em malha sem fio operam em nível de rede, como proposto por Passos et al. (2006) e Muchaluat-Saade et al. (2007), porém há também as soluções que operem em nível de enlace, como em Carrano et al. (2011) e Garay (2008). As soluções tradicionais para construção de redes sem fio com múltiplos saltos realizam a decisão de roteamento e o encaminhamento das informações transmitidas no nível de rede, o que tem a vantagem de ser independente da tecnologia de enlace e segue o modelo tradicional de arquitetura de rede que coloca comunicação inter-rede como responsabilidade da camada três. (Saade et al., 2008) 3

4 A abordagem em nível de enlace para comunicação em múltiplos saltos em redes sem fio vem sendo estudada e desenvolvida pelo grupo de trabalho TGs (Task Group s ) do IEEE s (IEEE, 2012). O padrão foi finalizado em julho de 2011 e permite uma extensão das funcionalidades das redes locais sem fio (Camp & Knightly, 2008) (Faccin et al., 2006), estendendo o padrão IEEE existente, podendo popularizar a comunicação sem fio através de múltiplos saltos, uma vez que as implementações estarão disponíveis nos equipamentos do usuários final (Saade et al., 2008). 4

5 2. REDES EM MALHA SEM FIO O padrão s para as WMNs (Wireless Mesh Networks) foi proposto como uma extensão ao padrão A emenda introduz novos formatos de quadros, trata de questões como segurança e gerenciamento (Camp & Knightly, 2008), assim como uma série de otimizações necessárias para a montagem de redes em malha de múltiplos saltos no nível de enlace. Além disso, boa parte de seu conteúdo é dedicada à descrição de protocolos para encaminhamento de quadros na rede em malha. 2.1 ARQUITETURA Há quatro elementos básicos que compõem a arquitetura das redes em malha (Figura 1). O primeiro deles, denominado de cliente ou estação (STA - Station), é o nó que participa da rede, utilizando seus recursos e serviços, mas não possui capacidade de encaminhar pacotes de outros nós, como também não é visto como um caminho para chegar a outros nós dentro da rede em malha. Os demais nós tem como função a formação do backbone em malha e fornecer os recursos utilizados pelos STAs. De maneira geral, o nó que participa da formação e da operação da rede em malha é chamado de nó mesh (MP Mesh Point). Porém, ele pode desempenhar papéis específicos, como agregar a funcionalidade de ponto de acesso (AP - Access Point) para as estações ou incorporar a funcionalidade de gateway conectando ao backbone em malha a uma rede externa, com a Internet, por exemplo. Estes MPs que possuem funções especiais denominamos de Ponto de acesso mesh (MAP Mesh Access Point) e Portal mesh (MPP Mesh Portal Point), respectivamente (Garay et al., 2008). A Figura 1 apresenta uma possível topologia ad hoc para a arquitetura proposta, onde o espaço em azul representa a rede em malha em si em que estações (compatíveis com o padrão IEEE ), participam indiretamente (por não possuírem capacidade de um nó mesh) por intermédio de um MP com capacidade de ponto de acesso (MAP). 5

6 Figura 1 Arquitetura de uma Rede em Malha sem fio. Fonte: Aoki et al. (2006) Além disso, na Figura 1 acima, há um MPP presente, possibilitando à rede ilustrada a capacidade de acesso à Internet. Vale ressaltar a possibilidade de ser ter dentro da rede a presença de outros portais mesh, para uma rede com múltiplos gateways, cabendo a escolha de algum deles por conta de cada estação. A função de MPP pode ser oportunista e anunciada sempre que possível através dos protocolos e mecanismos aplicáveis as redes em malha. A Figura 1 representa o que seria uma topologia dinâmica em que os nós se movimentam de forma imprevisível e de maneira variada, como também enlaces podem ser formados ou quebrados em função de movimento e/ou como consequência de diferentes condições do meio. 2.2 CRIAÇÃO DO BACKBONE EM MALHA Nas redes IEEE infraestruturadas, para uma estação se autenticar e se associar a um AP, antes de enviar para ele um dado, é necessário se autenticar através de um identificador (SSID - Service Set Identifier) que é usado para distinguir os grupos de pontos de acesso que mantém uma mesma correlação funcional e pertençam a uma mesma rede. De maneira semelhante, as redes em malha sem fio necessitam de um identificador de rede. Para isto, o padrão propõe um identificador mesh (Mesh ID), que foi criado com o objetivo de não sobrecarregar a definição e função do SSID. 6

7 Outros dois elementos importantes, que juntamente com o Mesh ID caracterizam uma rede em malha, são: o protocolo de seleção de caminho e a métrica de seleção de caminho. Esses três elementos definem um perfil para um MP. Na Seção 2.3 serão apresentados os mecanismos de seleção de caminho, onde apresenta o protocolo e a métrica de seleção de caminho definidos como perfil obrigatório no IEEE s. Uma rede em malha é formada por nós mesh que compartilham com seus vizinhos o mesmo perfil, não impedindo que um nó tenha diferentes perfis, porém somente um estará ativo em um dado momento. A descoberta de vizinhança proposta é semelhante do IEEE , com escaneamento ativo e passivo. Os quadros de beacon 1 e probe 2 foram estendidos para incluir campos relacionados a rede em malha. Outro procedimento importante para criação de um backbone em malha é o estabelecimento de peer links (arestas do grafo mesh). Um MP deve criar e manter peer links com os vizinhos que compartilham de um mesmo perfil. Através do escaneamento (ativo ou passivo) um candidato a vizinho é encontrado e o MP abre um peer link utilizando o protocolo Mesh Peer Link Managent (IEEE, 2011). Um peer link é estabelecido pela troca de quadros Peer Link Open e Peer Link Confirm (Figura 2) e quando há necessidade do fechamento de um peer link, o MP manda um quadro Peer Link Close para o MP par. 1 2 Quadros de beacon são quadros enviados regularmente pelo ponto de acesso com objetivo de divulgar algumas de suas características, como os canais suportados por ele e tecnologia que usa na camada física. Quadros de probe são quadros enviados pelos nós que desejam associação com algum ponto de acesso. 7

8 Figura 2 Criação de um peer link entre nós mesh no IEEE s. Fonte: Carrano et al. (2011) Um peer link é identificado pelo endereço MAC dos participantes e por um par de identificadores de enlaces, que são gerados por cada um dos nós mesh para minimizar reuso em intervalos de tempo pequenos. 2.3 MECANISMOS DE SELEÇÃO DE CAMINHO Para assegurar a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, o padrão prevê o uso de um mecanismo único, porém, não limitado a isto, ele inclui também um framework expansível que pode ser usado para dar suporte a aplicações específicas. O mecanismo mandatório, definido pelo IEEE s, é o protocolo HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) (Bahr, 2006) para descoberta de caminho e a métrica Airtime Link Metric (IEEE, 2006) para seleção de caminho. Caso ocorra a necessidade de troca desses parâmentros de configuração, um elemento de configuração da malha (Mesh Configuration element) é enviado pelos quadros de controle (beacons) e pelos quadros Peer Link Open e Peer Link Confirm. Este elemento contém, dentre outros campos, dois identificadores: um do protocolo de seleção de caminho (Active Path Selection Protocol Identifier) e outro da métrica de seleção de caminho (Active Path Selection Metric Identifier). 8

9 2.3.1 HWMP e Airtime Link Metric O HWMP é um protocolo híbrido (reativo e pró-ativo), inspirado no protocolo AODV (Ad Hoc On Demand Distance Vector) (Perkins et al., 2003), que pretende mesclar as vantagens das abordagens pró-ativa e reativa, para seleção de caminho (Saade et al., 2008). Segundo Carrano et al. (2011), o HWMP pode ser configurado para trabalhar em dois modos: on-demand reactive mode (modo reativo sob demanda) e tree-based proactive mode (modo pró-ativo baseado em árvore). O modo sob demanda é baseado em um esquema peer-to-peer para estabelecimento de caminhos entre nós mesh, enquanto que no modo pró-ativo uma topologia em árvore é calculada por um nó mesh que se anuncia como raiz. O HWMP é considerado realmente hibrido, segundo Saade et al. (2008), pelo fato de poder ser usado no modo pró-ativo e reativo, ao mesmo tempo. Sendo que a principal vantagem dessa abordagem é que, por muitas vezes, o caminho disponível entre dois nós em uma topologia em árvore pode não ser o melhor caminho então, neste momento, a descoberta sob demanda pode ser empregada, fornecendo um caminho alternativo mais apropriado. No IEEE s, a métrica mandatória é a Airtime Link Metric. Ela representa a quantidade de tempo necessária para a transmissão de um quadro levando em consideração a taxa de transmissão, o overhead imposto pela camada física e a probabilidade de retransmissão do quadro, considerando a taxa de erro do enlace. O padrão não especifica como calcular a probabilidade de perda de quadros, deixando a opção para implementação. Nós transmitindo em uma taxa baixa podem usar toda a banda do canal com suas longas transmissões da mesma maneira que um enlace com alta probabilidade de erro pode ocupar o meio por longo tempo devido às retransmissões. A métrica Airtime Link Metric foi desenvolvida para evitar ambos os casos. Conforme o padrão, a métrica é calculada conforme a Equação 1: C a = O + B t r 1 1 e f (1) Onde O representa a latência constante de overhead que varia de acordo com a implementação da camada física, Bt é o tamanho do quadro de teste, r é a taxa de 9

10 transmissão que o MP transmite o quadro de teste e ef é a probabilidade de erro medida no envio do quadro de teste. Através dos cálculos de métrica feitos pelos nós que participam do processo de descoberta de um caminho (path discovery) são acrescentados ou atualizados dados nos quadros de gerenciamento dedicados à troca de informações de encaminhamento. As funções do HWMP são implementadas, independente do modo de operação (pró-ativo ou reativo), pelos seguintes quadros Path Request (PREQ) ou requisição de caminho, Path Reply (PREP) ou resposta de caminho, Path Error (PERR) ou erro no caminho e Root Announcement (RANN) ou anúncio de nó raiz. Um quadro PREQ é enviado em broadcast por um MP que deseja encontrar um caminho para outro MP. Os quadros Path Reply (PREP) são enviados pelo MP de destino, em resposta ao recebimento de uma requisição de caminho (PREQ), já os quadros PERR são usados para notificação de que um caminho não está disponível e os quadros RANN são usados, no modo pró-ativo, pelo nó que se anuncia como nó raiz (MP raiz). A abordagem pró-ativa do HWMP pode ser implementada através de dois mecanismos distintos, o que pode aumentar a eficiência no encaminhamento de quadros quando existe uma tendência de concentração de tráfego no nó raiz, que pode, por exemplo, estar atuando como MPP. Já a abordagem reativa é implementada apenas com um mecanismo, como apresentado na Figura 3. HWMP Reativo (Seleção de caminho sob demanda) Pró-ativo Construção de árvore Mecanismo PREQ Mecanismo RANN Figura 3 Variações do protocolo de seleção de caminho no HWMP. Fonte: Carrano et al. (2011) Os quadros que implementam as funções do HWMP são empregados nos três mecanismos apresentados na Figura 3. O primeiro deles, reativo, é chamado de seleção de caminho sob demanda. Os outros dois, pró-ativos, são denominados de mecanismo PREQ e mecanismo RANN, devido a utilização dos quadros PREQ e RANN para anúncio do nó raiz. 10

11 2.4 FORMATO DOS QUADROS IEEE s A Figura 4 apresenta a estrutura geral do quadro IEEE , onde o campo de controle de quadro possui um campo que identifica o tipo de quadro (Figura 55) e o outro que define o subtipo dentro de uma categoria. Por exemplo, um beacon, é definido como tipo gerenciamento e subtipo beacon. Figura 4 Estrutura geral de um quadro IEEE Fonte: Saade et al. (2008) Figura 5 Tipos de quadros Fonte: Saade et al. (2008) Como o padrão IEEE s é uma extensão do IEEE , a estrutura dos quadros se manteve a mesma. Porém, o padrão propõe novos quadros que são diferenciados através de um campo pré-anexado no campo Body (Figura 6). Sendo assim o quadro IEEE s é estruturalmente igual ao quadro do mesmo tipo do padrão IEEE , viabilizando assim a compatibilidade entre ambos. A diferença reside na alteração do campo Body, que é estendido, acrescentando-lhe um campo denominado cabeçalho mesh (Mesh Header) que permite, entre outras coisas, o uso de até 6 endereços MAC. Figura 6 Estrutura geral de um quadro IEEE s. Fonte: Carrano et al. (2011) 11

12 Na Figura 6 é apresentada a estrutura geral de um quadro IEEE estendido pelo cabeçalho mesh, pré-anexado ao corpo do quadro. A Figura 7 apresenta o cabeçalho mesh que contém quatro campos. Figura 7 Formato do cabeçalho mesh. Fonte: Carrano et al. (2011) O primeiro campo (Mesh Flags) define o uso dos primeiros dois bits (ficando 6 reservados) que determinam a quantidade de endereços MAC presentes no último campo Mesh Address Extension que pode variar entre 0 e 3. O campo Mesh Time to Live (TTL) indica a quantidade máxima de saltos que um quadro poderá realizar, ficando na responsabilidade de cada nó que retransmiti-lo o decréscimo do seu valor. Isto acontece para evitar que determinado quadro entre em algum loop de encaminhamento e seja retransmitido eternamente. O campo Mesh Sequence Number (Número de sequência mesh) é utilizado para identificar os quadros, o que permite a uma estação detectar o recebimento de duplicatas, prevenindo, assim, retransmissões desnecessárias dentro do backbone em malha. O quadro Mesh Address Extension tem a função de carregar endereços MAC extras, pois a rede em malha poderá utilizar até seis endereços. No formato de quadro IEE são utilizados quatro endereços: SA (Source Address), DA (Destination Address), TA (Transmitter Address) e RA (Receiver Address) que representam, respectivamente, os endereços MAC da fonte do quadro, do nó que é o destino final, do nó que transmite um quadro e do próximo nó que irá receber o quadro. O IEEE s propõe o uso de mais dois endereços no modo pró-ativo do HWMP, onde dois nós conseguem se comunicar através de um MP raiz. Neste contexto, um caminho completo inclui mais dois subcaminhos: um do MP fonte até o MP raiz e outro do MP raiz até o MP de destino. 12

13 3. PROJETOS MESH EXISTENTES Existem vários projetos (nacionais e internacionais) que implementaram as redes em malha sem fio como solução principalmente para expansão da área de cobertura para prover acesso a internet, um exemplo dele é na cidade de São Francisco, em 2007, onde a idéia era prover acesso à internet gratuito a cerca de 15 mil moradores da cidade e vizinhanças. Um exemplo brasileiro é na cidade de Tiradentes, em Minas Gerais, onde colocaram cinco antenas para cobrir o centro urbano da cidade e prover acesso à internet aos moradores. Outro projeto interessante que utiliza mesh é o Projeto OLPC (One Laptop Per Child) (OLPC, 2008). O laptop XO foi o primeiro dispositivo a adotar o s como base para implantação de uma rede sem fio com comunicação em múltiplos saltos implementada na camada MAC. Além de projetos como estes, há projetos acadêmicos que buscam avançar em pesquisas sobre redes Mesh. O projeto GT Mesh (GTMesh, 2012) é um exemplo disso. Exemplos de universidades que fazem parte do projeto: Universidade Federal Fluminense e Universidade Federal do Pará. 13

14 4. CONCLUSÃO As redes em malha sem fio se mostram viáveis visto que houve um crescimento considerável do acesso sem fio por meio de dispositivos móveis. Essa nova realidade levou ao avanço de pesquisas relacionadas a tecnologias que permitam acesso por meio não cabeado. Por essa razão as redes mesh são foco de muitas pesquisas, por ser uma solução que permite o encaminhamento do tráfego de maneira ad hoc e autoconfigurável e dessa forma possibilita a diminuição da dependência de pontos de acesso permitindo uma maior mobilidade entre os nós que participam da rede. Nesse sentido, as redes em malha sem fio se tornaram importantes e vieram como solução de extensão de área de cobertura de acesso e sua viabilidade se explica também através de uma das suas principais vantagens, o baixo custo. 14

15 REFERÊNCIAS SAADE, Debora C. Muchaluat et al. Multihop MAC: Desvendando o Padrão IEEE s. Livro de Minicursos do Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores. Rio de Janeiro, 2008, p PASSOS, D. et al. Mesh network performance measurements. In: International Information and Telecommunications Technologies Symposium (I2TS), p , MUCHALUAT-SAADE, D. C et al. Redes em Malha: Solução de Baixo Custo para Popularização do Acesso à Internet no Brasil. XXV Simpósio Brasileiro de Telecomunicações SBRT 2007, Recife, PE. CARRANO, Ricardo C. et al. IEEE s Multihop MAC: A Tutorial. IEEE communications surveys & tutorials, v. 13, n.1, GARAY, J. R. B. et al. Avaliação experimental de redes mesh com os classmate pcs da Intel. Revista de Gestão da Tecnologia e Sistemas de Informação, v.5, n.2, p , IEEE Disponível em < Acesso em 08 de junho de CAMP, J.; KNIGHTLY, E. The IEEE s extended service set mesh networking standard. IEEE Communications Magazine, FACCIN, S. M. et al. Mesh WLAN networks: concept and system design, IEEE Wireless Communications Magazine, v. 13, n. 2, p , AOKI, Hidenori; TAKEDA, Shinji; YAGYU, Kengo and YAMADA, Akira. IEEE s Wireless LAN MEsh Network Tecnology. Technology Reports. NTT DoCoMo Technical Journal, vol. 8, n. 2, BAHR, Michael. Proposed Routing for IEEE s WLAN Mesh Networks. WICON 06, The 2 nd annual Internaticional Wireless Internet Conference, Boston, IEEE s Task Group, Draft Amendment to Standard for Information Technology Telecommunications and Information Exchange Between Systems LAN/MAN Specific Requirements Part11: Wireless Medium Access Control (MAC) and physical layer (PHY) specifications: Amendment: ESS Mesh Networking, IEEE P802.11s/D1.0, November PERKINS, C.; BELDING-ROYER, E.; DAS, S. RFC 3561, Experimental. Ad hoc On- Demand Distance Vector (AODV) Routing. IETF, jul GTMesh. Disponível em < Acesso em 08 de junho de