CARLOS RAFAEL GUERBER. Wireless Mesh Network SUMÁRIO

CARLOS RAFAEL GUERBER SUMÁRIO 1 REDES MESH SEM FIO...2 1.1 CENÁRIOS DE UTILIZAÇÃO...3 1.2 CLASSIFICAÇÃO MESH...4 1.3 TOPOLOGIA MESH...6 1.3.1 Topologia de Comunicação com Múltiplos Rádios...7 1.4 MESH CONNECTIVITY LAYER (MCL)...8 1.4.1 Avaliação MCL...10 1.5 ROOFNET...12 1.6 ESPECIFICAÇÃO IEEE 802.11s...13 REFERÊNCIAS...15 Wireless Mesh Network MAFRA 2008

2 3 1 REDES MESH SEM FIO Em sua definição Wireless Mesh Networks, (WMN) ou redes em malha sem fio referem-se a um modelo de rede sem fio descentralizada na qual cada nó que a compõem atua como ponto de passagem para outros nós. No caso da queda na comunicação de um dos nós os pacotes de dados são roteados para nós alternativos. Esse modelo de rede é auto-configurável e pode tecnicamente ter alcance estendido indefinidamente desde que haja nós distribuídos por toda a sua área de utilização. As WMNs são uma técnica para redes sem fio de nova geração. Apresentam uma solução para construção de redes wireless com escala de grande alcance sem a dependência de uma infra-estrutura de rede preexistente permitindo estender WLANs ao alcance de WWANs (Hubaux et al, 2006). 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 802.11 e cujo roteamento permita ser dinâmico. Nas WMNs os roteadores e clientes mesh operam como STA e como roteador encaminhando pacotes em nome de outros nós que possam estar fora do alcance direto da transmissão sem fio com o seu destinatário. Uma rede mesh sem fio é dinamicamente auto organizável e auto configurável, com os nós da rede mantendo e estabelecendo conectividade entre si em comunicação ad hoc admitindo receber novos nós em incremento conforme necessário. A configuração de uma WMN não apresenta maiores dificuldades visto que os componentes necessários estão disponíveis na forma de protocolos de roteamento ad hoc adaptados para múltiplos saltos e variáveis IEEE 802.11 MAC para acesso ao meio, contudo apresenta carências em outras áreas de pesquisa. (ALBUQUERQUE et al, 2006). Para que as redes mesh sem fio disponibilizem toda capacidade esperada vários aspectos devem ser observados e melhorados de acordo com a necessidade. Como exemplo, os protocolos de acesso ao meio e de roteamento não possuem requisitos de escalabilidade suficiente, o throughput cai significativamente à medida que o número de nós ou de hops na topologia aumentam. Como conseqüência os protocolos existentes das camadas de aplicação, transporte, rede e acesso ao meio precisam de melhoramentos ou reinvenção (Akyildiz et al, 2005 e ALBUQUERQUE et al, 2006). Existem alguns fatores críticos que influenciam na performance da rede, estes fatores levam em consideração aspectos de rádio freqüência, escalabilidade da arquitetura, conectividade mesh, serviços de banda larga com requisitos de qualidade de serviço, segurança e facilidade de uso. (Akyildiz et al, 2005). 1.1 CENÁRIOS DE UTILIZAÇÃO As redes em malha para serem viáveis economicamente devem possuir cenários de utilização que justifiquem o seu aprimoramento. Alguns dos cenários possíveis são (AKYILDIZ & WANG, 2005): Redes Domésticas: em substituição as tradicionais redes 802.11, onde os roteadores mesh entrariam no lugar dos tradicionais pontos de acesso; Acesso Comunitário: vizinhos se utilizando de redes em malha para uso de sistemas de arquivos distribuídos, compartilhamento de arquivos, streaming de vídeo, etc.; Redes Empresariais: Em um mesmo prédio ou até em vários prédios escritórios de pequeno e médio porte simplificaria o processo de comunicação. Com as redes em malha, cabos seriam eliminados e a comunicação entre nós de edifícios diferentes seria mais simples através dos roteadores mesh; Redes Metropolitanas: As redes em malha se adaptam bem a esse meio, pois possuem taxa de transmissão alta, bem superior a redes de celular e a transmissão entre nós não requer um backbone cabeado; Sistema de transporte: Com essa tecnologia pode-se estender o acesso não só as estações e paradas, mas também dentro de trens, ônibus e barcos; Sistemas de segurança: Como vídeos demandam muita banda, as redes em malha se tornam uma vantagem além de facilitar a instalação do sistema e de novas câmeras ou sensores conforme a necessidade em, virtualmente, qualquer local.

4 5 1.2 CLASSIFICAÇÃO MESH Ser de fácil configuração e instalação e apresentar tolerância à falhas A arquitetura de uma WMN pode ser classificada em três grupos principais baseados na funcionalidade dos nós: infrastructure/backbone WMN, client WMN e hybrid WMN: (ALBUQUERQUE et al, 2006; AKYILDIZ et al, 2005 e AKYILDIZ & WANG, 2005): Infrastructure/Backbone WMNs: pode ser construída usando vários tipos de tecnologias de rádio, incluindo IEEE 802.11 (WiFi). Os roteadores mesh formam uma malha entre si, podendo estar conectados a internet por meio de um gateway e servindo de backbone para clientes mesh. Também permite a integração com outras redes sem fio existentes com a utilização de propriedades bridges ou gateways em roteadores mesh. A comunicação mesh pode ser estabelecida para longo alcance com a utilização de antenas direcionais. Client WMNs: Prove redes ponto a ponto entre clientes. Nesta arquitetura os nós clientes constituem a rede e desempenham as funcionalidades de roteamento e configuração, assim como fornecem aplicações finais aos usuários. Não requer roteadores mesh. Usualmente são formadas por tipo de rádio em seus equipamentos. Hybrid WMNs: Esta arquitetura é a combinação das arquiteturas backbone e client. Usuários mesh podem acessar a rede através de roteadores ou entre clientes mesh diretamente. A arquitetura apresentada na Figura 7 ilustra este modelo de rede sugerindo a expansão em nível de WMANs onde cada STA mesh possui seu próprio BSS e assim aumenta gradativamente o alcance da rede formando a malha a níveis metropolitanos se necessário. Desta forma configura-se um ESS. Os roteadores comunicam-se possibilitando que as mensagens sejam distribuídas. Outros nós podem fazer o papel de ponte para sub-redes wireless conectando pontos de acesso formando um DS que servirá aos dispositivos móveis como porta de entrada para a rede. Assume-se que os roteadores sem fio possam fornecer acesso para diferentes grupos de dispositivos como redes de celulares, sensores ou clientes cabeados. (AKYILDIZ et al, 2005). As características de uma rede em malha sem fio se aplicam a idéia de uso da arquitetura hybrid WMNs, pois se considera a melhor forma de utilização da potencialidade oferecida pela tecnologia mesh sem fio. Entre suas características destacam-se (AKYILDIZ et al, 2005 e AKYILDIZ & WANG, 2005): Prover comunicação entre hosts que não possuem linha visada, Line of Sight (LOS). Oferecer suporte a comunicação ad hoc e a capacidade ser auto configurável e auto organizável. Aumentar a performance de rede devido à flexibilidade de sua arquitetura. Figura 7 - Arquitetura WMN

6 7 Se uma rede mesh não previr que dispositivos móveis podem usufruir do acesso a Internet os roteadores poderiam utilizar protocolos para roteamento em redes fixas. Mas para que nós móveis possam fazer parte da rede é conveniente utilizar algum protocolo de roteamento ad hoc para que as rotas possam ser alteradas a qualquer momento pela mobilidade ou ausência de algum nó. (ALBUQUERQUE et al, 2006). O número de possibilidades de conexões aumenta ao passo que novas STAs são acrescentadas. A quantidade de conexões Ne (número de enlaces) poderia ser matematicamente representada em (1), onde n.representa o número de nós na rede (SOARES et al, 2002). Ambientes metropolitanos não assumem a situação full mesh, mas sim uma interligação parcial devido à ausência de linha visada entre todos os nós. 1.3 TOPOLOGIA MESH A topologia mesh permite que a rede se ajuste automaticamente em sua inicialização, nesta situação existem múltiplos caminhos entre os diferentes nós. n( n 1) Ne = 2 Equação 1 Quantidade de enlaces full mesh para um rádio 802.11 (1) Usando esta configuração é possível construir redes mais extensas cobrindo grandes áreas geográficas. Como exemplo, a concepção de uma malha sem fio com 100 (cem) nós full mesh representaria 4950 (quatro mil novecentos e cinqüenta) enlaces. Em Bittencourt e Oe (2005) é formalizada a topologia full mesh conforme Figura 8, com um desenho representativo de uma topologia em modelo de grafos, onde há possibilidade de diversos itinerários para transporte de um pacote. Isso faz com que uma rede não dependa exclusivamente de um único computador, ou seja, caso um computador seja retirado da rede por algum motivo o tráfego de rede não será comprometido, pois o restante dos computadores poderá manter uma comunicação entre si. A situação full mesh poderia ser considerado como o pior caso de complexidade computacional, desta forma seria interessante avaliar se o desenvolvimento de uma solução para esta situação não resultaria em processamento desnecessário, tanto para os roteadores quanto aos clientes mesh. 1.3.1 Topologia de Comunicação com Múltiplos Rádios Nos sistemas de comunicação com apenas um rádio o equipamento pode enviar ou receber um pacote, mas não ambos ao mesmo tempo. Isto reduz a capacidade da rede, pois cada nó seguinte na transmissão precisa serializar suas operações de recepção e transmissão (Microsoft Research, 2006). Um exemplo seria considerar uma rede com 4 (quatro) nós (A, B, C, D) e apenas um rádio. Para enviar 4 pacotes de A até seriam necessários 12 passos entre transmissões e recepções, ou seja, cada nó executa somente uma operação de cada vez num processo de entrada e saída. Se imaginarmos a mesma situação com dois rádios seriam necessários 6 (seis) passos em ordem de enviar com sucesso os pacotes, pois cada nó será capaz de receber um novo pacote enquanto envia outro em ações simultâneas. O princípio de funcionamento mesh está associado à densidade da rede, assim as possibilidades de caminhos aliada a multiplicidade de vários rádios pode ser uma forma de utilização desta topologia. Porém os algoritmos que operam nessas redes devem ter a preocupação em selecionar o melhor rádio em cada nó e o melhor caminho entre dois pontos da rede (MICROSOFT RESEARCH, 2006). Figura 8 Topologia full mesh

8 9 O crescente interesse em WMNs tem resultado em diferentes tipos de pesquisas para o desenvolvimento de soluções para os ambientes mesh. Cada solução apresentada adota diferentes tipos de abordagens sejam estas proprietárias ou não. 1.4 MESH CONNECTIVITY LAYER (MCL) A Microsoft Research montou uma equipe de pesquisadores, destinado ao estudo do assunto WMN, e no desenvolvimento de uma solução para estas redes. O projeto chama-se Self-Organizing Neighborhood Wireless Mesh Networks. (MICROSOFT RESEARCH, 2006) O equipamento utilizado são os próprios computadores pessoais do usuário, e o software é um driver instalado no sistema operacional Windows, o qual cria uma camada intermediária virtual entre as camadas de enlace e de rede da pilha ISO/OSI. O Mult-Radio LQSR (MR-LQSR), proposto por Draves et al. (2004), foi concebido como um protocolo de roteamento que combina a nova métrica Weighted Cumulative Expected Transmission Time (WCETT) ao protocolo Link Quality Source Routing (LQSR), que permite obter melhorias na escolha do melhor caminho ao levar em consideração o uso de múltiplos rádios. Em outros protocolos de roteamento para redes ad hoc as métricas utilizadas não possibilitam tirar proveito desta característica para o cálculo do melhor caminho. Algumas definições de projeto do protocolo MR-LQSR incluíram premissas para uso em ambiente de redes onde se pretende utilizá-lo, são elas (DRAVES et al, 2004): Todas as estações da rede são fixas; Cada estação é equipada com um ou mais rádios 802.11, podendo ser uma mistura de 802.11a, b ou g, e o número de rádios não precisa ser o mesmo; Assume-se que se uma estação é equipada com múltiplos rádios, os mesmos estão sintonizados em diferentes canais que não interferem entre si. Três principais objetivos foram definidos por Draves et al. (2004): O protocolo deve levar em consideração a taxa de perda e a largura de banda de um link quando o considera para inclusão no caminho. Uma vez que o protocolo de acesso ao meio Medium Access Control (MAC) das especificações 802.11 incorpora mecanismos de retransmissão Automatic Repeat Request (ARQ). O ARQ é um método de correção de falhas que consiste na solicitação automática da retransmissão de um pacote de dados, caso o receptor detecte algum erro, o tempo de transmissão de um pacote em um link sem fio é dependente da largura de banda e da taxa de perda da camada física; A métrica, que combina os pesos de cada enlace, deve ser crescente, ou seja, ao se adicionar um salto em uma rota existente o custo nunca pode diminuir, visto que atravessar um link extra implica em mais consumo de recursos da rede e também em aumento no atraso total do caminho. Para uma conexão Transmission Control Protocol (TCP), por exemplo, significa aumento no Round Trip Time (RTT); Fazer uso de uma métrica não decrescente permite o uso do algoritmo de Dijkstra para encontrar o caminho; esta métrica do caminho deve explicitamente considerar a redução da vazão devido à interferência entre enlaces que operam no mesmo canal, analogamente também deve considerar o uso de diferentes canais, os quais não interferem um no outro ao longo do caminho. A nova métrica criada para representar as premissas e objetivos definidos no projeto do MR-LQSR foi o Weight Cumulative Expected Transmission Time (WCETT). É uma métrica do caminho, ou seja, uma métrica que combina os pesos de cada link no percurso e reflete sua qualidade. O MR-LQSR atribui um peso a cada link como sendo igual ao tempo médio que um pacote de tamanho fixo S leva para ser transmitido com sucesso sob o link. Este tempo depende da largura de banda e da taxa de perdas deste link. Para atribuir os pesos a cada link o MR-LQSR define o Expected Transmission Time (ETT) - Número Médio de Transmissões ajustado à largura da banda. O ETT é função de outra métrica, o Expected Transmission Count (ETX) - Número Médio de Transmissões, proposta por Couto et al. (2003).

10 11 A solução mesh apresentada pela pesquisa é implementada através da camada, Mesh Connectivity Layer (MCL), que é um driver que implementa um adaptador virtual de rede, como fica representado no sistema operacional. A rede mesh que estiver ao alcance do usuário será apresentada como enlace virtual. A MCL é implementada entre as camadas de enlace e de rede como mostra a Figura 9, adaptada (DRAVES et al., 2004). Figura 9 Mesh Connectivity Layer (MCL) Cada nó recebe dois ou mais rádios que irão trabalhar em canais com freqüências diferentes. Isto possibilita que os nós possam receber e enviar pacotes simultaneamente ao contrário da transmissão com apenas um rádio, onde cada nó precisa sincronizar a recepção e o envio de pacotes em todas as transmissões (DRAVES et al., 2004). Para uma melhor compreensão da tecnologia, realizou-se um teste com o MCL. A seção 4.3.1 descreve esta experimentação. Critérios como densidade da rede não foram considerados, assim apenas 3 (três) STAs foram utilizadas. Portanto, é possível assumir que quanto mais densa a rede, mais complexo se torna o estabelecimento de rota e maior é o número de caminhos em potencial, em contrapartida, quantos menos nós mais óbvia a rota se torna. Este critério é de bastante importância, visto que para compreensão e observação dos parâmetros escolhido para a avaliação, se fez necessário induzir a rota a ser escolhida pelo protocolo do MCL. Os cenários apresentavam as seguintes características, ambiente com paredes em alvenaria, onde situações foram criadas para utilização dos parâmetros de avaliação, com a alteração do posicionamento, aumento e diminuição da distância, presença ou não de linha visada para os nós. A mobilidade considerada para os dispositivos é nula. Dois notebooks e um desktop foram utilizados, com 1 (um) rádio IEEE 802.11g operando nos mesmos canais. A Figura 10 ilustra um destes cenários onde dois testes são efetuados, sendo um destes da máquina C para B e o outro de B para C, sem linha visada entre ambas. Pode ser observado nesta situação que as duas comunicações passaram pela máquina A, pois esta possibilitava linha de visada com os nós B e C. 1.4.1 Avaliação MCL O objetivo dos testes seria identificar características de funcionamento wireless mesh com a aplicação da tecnologia MCL. Para isso, houve a necessidade da proposição de 7 (sete) cenários, com o intuito de observar o comportamento da rede tendo como parâmetro de avaliação o posicionamento dos nós, linha visada, distância entre os nós (distante ou próximo) e relação com os nós vizinhos. Figura 10 Cenário de avaliação MCL Os testes de software foram efetivados com comandos ICMP e compartilhamento de arquivos e impressão.

12 13 Com estas experimentações foi avaliado que a tabela de rotas é dinâmica, dependendo da disposição dos nós e sua montagem é realizada considerando em primeiro caso o sinal mais forte de rádio, e em segundo caso a STA mais próxima. Quando a formação dos dispositivos é alterada, nota-se um delay de poucos segundos (2 a 3s), para atualizar a tabela de rotas. Mesmo que não haja sinal, o MCL mantém a rota, até encontrar nível de sinal suficiente para estabelecer conexão e se necessário, utilizar novo caminho. Este delay se deve ao MCL manter os dados em cash de memória. Nas redes em malha sem fio, a rota dos pacotes é montada por completo na STA de origem devido ao reconhecimento e estabelecimento da rota com métricas que procuram avaliar o custo da transmissão através de cada link de comunicação do caminho. A avaliação mesh a partir deste experimento comprova o funcionamento das WMNs de acordo com sua definição, dentro de suas características, assim a tecnologia MCL implementa wireless mesh networks. O protocolo Srcr tenta encontrar a rota que forneça o throughput mais alto entre quaisquer pares de nós Roofnet, escolhendo aquela de menor valor para o ETT. Este considera que a rota escolhida reúne as condições mais favoráveis para trafegar a maior quantidade de pacotes por unidade de tempo. Inclui o número previsto de transmissões para a transmissão dos pacotes sobre os enlaces envolvidos em cada uma das possíveis rotas, as retransmissões necessárias são também levadas em conta. Dentre os projetos de redes em malha sem fios existentes podem ser citados pela abrangência dos experimentos científicos e contribuição técnica além dos descritos: VMesh (TSARMPOPOULOS et al, 2005), MeshNet (MESHNET, 2005), WMESH (NORTEL, 2005), Cisco Mesh Network Solution (CISCO, 2005) e GT-Mesh (ALBUQUERQUE et al, 2006). 1.6 ESPECIFICAÇÃO IEEE 802.11s 1.5 ROOFNET O Roofnet (AGUAYO et al, 2004 apud ALBUQUERQUE et al, 2006) 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 fio de grande escala. A proposta Roofnet do MIT (ROOFNET, 2006) define um tipo de rede no qual o próprio equipamento de acesso dos usuários é utilizado como roteador para os demais usuários da rede. Isto é, o equipamento de cada usuário conecta-se aos equipamentos dos usuários próximos sucessivamente até atingir um ou mais pontos de escoamento para Internet. O protocolo de roteamento do Roofnet, o Srcr (AGUAYO et al. 2004 apud ALBUQUERQUE et al, 2005) é baseado no protocolo DSR, sendo que a diferença básica entre ambos reside na métrica utilizada para determinação da rota ótima. Enquanto o protocolo DSR utiliza o número de saltos, o Srcr utiliza a métrica ETT, derivada da ETX (COUTO et al, 2003 apud ALBUQUERQUE et al, 2006), que leva em conta também a taxa de perda de pacotes entre os nós. O IEEE 802.11s considera as redes mesh como um ESS mesh formado por uma coleção de APs interconectados por meio de links sem fio que possibilitam aprendizado automático da topologia e configuração dinâmica das rotas (HAUSER et al, 2004 e IEEE Std. 802.11s, 2006). A proposta seria uma extensão para o MAC IEEE 802.11 em ordem de criar um sistema de distribuição mesh sem fio que suporte transmissões em broadcast, multicast e unicast utilizando métricas para descoberta de caminhos por sinal de rádio sobre topologias de múltiplos saltos auto configurável. Um ESS mesh seria equivalente a um ESS cabeado, respeitando o relacionamento das STAs com seus BSS e ESSs. A emenda permitiria a formação e a interoperação entre ESSs mesh, desde que permita a utilização de métricas e/ou protocolos alternativos para seleção de trajeto baseados nas exigências da aplicação. Pretende-se que na arquitetura definida pela emenda seja permitido que um ESS mesh possa comunicar-se com as camadas superiores e conectar-se a outras redes usando protocolos de camadas mais elevadas. Este padrão utilizaria mecanismos da segurança IEEE 802.11i, ou uma extensão do mesmo, com a finalidade de assegurar que em um ESS mesh todos o

14 15 APs seriam controlados por uma única entidade administrativa lógica de segurança. A idéia seria de usar um ou mais rádios IEEE 802.11 em cada nó ponto de acesso. (HAUSER et al, 2004 e IEEE Std. 802.11s, 2006). REFERÊNCIAS [Aguayo et al, 2004] AGUAYO, D. BICKET, J. BISWAS, S. JUDD, G. MORRIS, R. A Measurement Study of a Rooftop 802.11b Mesh Network, Proceedings of ACM SIGCOMM Conference (SIGCOMM 2004), Setembro 2004. [Akyildiz et al, 2005] AKYILDIZ, I. F. WANG, X. WANG, W. Wireless mesh networks: a survey. Computer Networks 47 (2005) 445 487. Elsevier, 2005. Disponível em http://www.elsevier.com/locate/comnet. Acesso em 18/07/2006. [Akyildiz & Wang, 2005] AKYILDIZ, I. F., WANG, X. A Survey on Wireless Mesh Networks. IEEE Radio Communications. Setembro, 2005. ALBUQUERQUE, Célio Vinicius Neves de, et al. GT-Mesh RT1 - Termo de referência e estado da arte. RNP. Fevereiro, 2006 [Arindam et al., 2006] Arindam K. Das, Hamed M. K. Alazemi, Rajiv Vijayakumar, Sumit Roy. Optimization Models for Fixed Channel Assignment in Wireless Mesh Networks with Multiple Radios. 2006. Disponível em: http://commnet.ee.washington.edu/funlab/public/secon05.pdf. Acesso em: 27/02/2007. [Bicket et al, 2005] BICKET, John. AGUAYO, Daniel. BISWAS, Sanjit. MORRIS, Robert. Architecture and Evaluation of an Unplanned 802.11b Mesh Network, Mobicom. Agosto, 2005. [Chakrabarti & Mishra, 2001] CHAKRABARTI, S. MISHRA, A. QoS Issues in Ad Hoc Wireless Networks. IEEE Communications Magazine, Fevereiro 2001. Disponível em: http://www.stanford.edu/class/ee360/lec14_sp3.pdf. Acesso em: 18/01/2007. [CISCO, 2005] Cisco Systems Inc. Cisco Wireless Mesh Networking Solution. 2005. Disponível em: http://www.cisco.com/go/wirelessmesh. Acesso em: 20/08/2006. DRAVES, R. et al. Routing in Multi-Radio, Multi-Hop Wireless Mesh Networks. MobiCom, 2004. EKLUND, C. et al. IEEE Standard 802.16: A Technical Overview of the Wireless MAN Air Interface for Broadband Wireless Access. IEEE Communications Magazine, vol. 40, pg. 98-107, 2002. [Hauser et al, 2004] HAUSER, Jim. BAKER, Dennis. CONNER, W. Steven. IEEE P802.11 Wireless LANs. Draft PAR for IEEE 802.11 ESS Mesh. Janeiro, 2004. Disponível em: http://www.ieee802.org/11/pars/11-04-0054-02-0mes-par-ieee-802-11-ess-mesh.doc. Acesso em: 10/01/2007.

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