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:: Redes Móveis Ad Hoc

José Mauricio Santos Pinheiro em 05/04/2005

 

Introdução

É grande o crescimento das redes sem-fio. Nos últimos anos assistiu-se a uma vasta proliferação de tecnologias de redes wireless (WLAN) tais como Bluetooth, WiMAX, equipamentos baseados na norma IEEE 802.11 (Wi-Fi) e novas tecnologias estão chegando. Muitas pessoas carregam consigo dispositivos portáteis tais como notebooks, telefones celulares, PDA’s e mp3Players, para uso profissional e pessoal.

Todos estes equipamentos oferecem uma solução atraente aos usuários que pretendem uma rápida e simples instalação sem os problemas associados ao cabeamento. Entretanto, a maioria destes dispositivos não se comunica entre si. Tecnologias que utilizam redes móveis ad hoc podem permitir que esses dispositivos portáteis possam se comunicar e interagir entre si de forma espontânea.

Redes móveis sem fio

Basicamente, existem dois tipos de redes móveis sem fio: as redes infra-estruturadas e as redes ad hoc:

Redes infra-estruturadas

Redes infra-estruturadas são aquelas em que o Host Móvel (HM) está em contato direto com uma Estação de Suporte à Mobilidade (ESM), também conhecida como Ponto de Acesso (AP), na rede fixa.

O funcionamento deste tipo de rede móvel é semelhante ao da telefonia celular, onde toda a comunicação deve, necessariamente, passar pela central, mesmo que os equipamentos móveis estejam a uma distância em que poderiam, eventualmente, comunicar-se diretamente.

Figura 1- Rede Infra-Estruturada

Toda a comunicação entre os nós móveis é feita através de estações de suporte à mobilidade. Neste caso, os nós móveis, mesmo próximos uns dos outros, estão impossibilitados de realizar qualquer tipo de comunicação direta.

A figura anterior mostra um modelo de comunicação em redes infra-estruturadas onde as estações de suporte podem estar conectadas a gateways que permitem a comunicação entre os nós móveis e a parte fixa da rede.

Redes Ad Hoc

Outro tipo importante de rede móvel é a rede ad hoc, também conhecida como MANET (Mobile Ad hoc NETwork), onde os dispositivos são capazes de trocar informações diretamente entre si.

Ao contrário do que ocorre em redes convencionais, não há pontos de acesso, ou seja, não existem estações de suporte à mobilidade (sem infra-estrutura de conexão) e os nós dependem uns dos outros para manter a rede conectada. Por esse motivo, redes ad hoc são indicadas principalmente em situações onde não se pode, ou não faz sentido, instalar uma rede fixa.

Figura 2 - Rede Ad Hoc

Os nós de uma rede ad hoc podem se mover arbitrariamente. Deste modo, a topologia da rede muda freqüentemente e de forma imprevisível. Assim, a conectividade entre os nós móveis muda constantemente, requerendo uma permanente adaptação e reconfiguração de rotas.

Associado a esse fato, limitações de banda passante e de energia das baterias dos nós torna o roteamento, principalmente o multiponto, em redes ad hoc um desafio.

Aplicações

Como citado, a utilização de uma rede ad hoc está associada a cenários onde exista uma necessidade de se instalar rapidamente uma rede de comunicação. Normalmente, são situações onde não há uma infra-estrutura de rede previamente instalada. Algumas das aplicações possíveis para redes tipo ad hoc são:

Coordenação de resgates em situações de desastre;

Troca de informações táticas em campos de batalha;

Compartilhamento de informações em reuniões e aulas.

 

Vantagens e Desvantagens

Várias vantagens e desvantagens podem ser citadas ao se comparar redes ad hoc com redes infra-estruturadas e com redes fixas (cabeamento estruturado).

Vantagens

Instalação rápida: Redes ad hoc podem ser estabelecidas dinamicamente em locais onde não haja previamente uma infra-estrutura instalada;

Tolerância à falhas: A permanente adaptação e reconfiguração das rotas em redes ad hoc permitem que perdas de conectividade entre os nós possam ser facilmente resolvidas desde que uma nova rota possa ser estabelecida;

Conectividade: Dois nós móveis podem se comunicar diretamente desde de que cada nó esteja dentro da área de alcance do outro;

Mobilidade: esta é uma vantagem primordial com relação às redes fixas.

Desvantagens

Roteamento: A mobilidade dos nós e uma topologia de rede dinâmica contribuem diretamente para tornar a construção de algoritmos de roteamento um dos principais desafios em redes ad hoc;

Localização: Uma questão importante em redes as hoc é a localização de um nó, pois além do endereço da máquina não ter relação com a posição atual do nó, também não há informações geográficas que auxiliem na determinação do posicionamento desse nó;

Taxa de erros: A taxa de erros associada a enlaces sem-fio é mais elevada quando comparada aos enlaces em redes estruturadas;

Banda passante: Com cabeamento convencional, a banda passante pode chegar a 1Gbps. Nos enlaces via redes wireless temos taxas de até 2Mbps tipicamente.

 

Protocolos de Roteamento

Não existe um consenso sobre o tipo de protocolo de roteamento ad hoc que seja adequado a todos os cenários. Cada protocolo possui vantagens e desvantagens de acordo com situações específicas. De acordo com o grupo de trabalho MANET do IETF, há uma lista de qualidades desejáveis para os protocolos de roteamento em redes ad hoc:

Operação distribuída;

O algoritmo de roteamento deve evitar a formação de loops de roteamento, mesmo que seja por curtos intervalos. Soluções do tipo ad hoc como TTL (Time-to-Live) devem ser evitadas, pois abordagens mais estruturadas podem levar a um melhor desempenho;

As rotas devem ser criadas somente quando um nó fonte deseja estabelecer uma comunicação (operação sob demanda). Deste modo, recursos como banda passante e energia podem ser utilizados de forma mais eficiente. A desvantagem é o tempo gasto na descoberta de uma rota;

Operação pró-ativa, onde as rotas são previamente armazenadas em tabelas de roteamento. Essa operação é recomendada, pois em certos cenários, a latência causada pela utilização de protocolos de roteamento que funcionem sob demanda pode ser inaceitável;

É desejável a existência de técnicas de segurança para evitar espionagem e modificação de dados transmitidos. Sem alguma forma de segurança proporcionada pela camada de rede ou de enlace, os algoritmos de roteamento são vulneráveis a vários tipos de ataques;

O protocolo de roteamento deve se adaptar aos períodos de inatividade dos nós sem maiores conseqüências, mesmo que tais períodos sejam informados ou não;

Suporte a enlaces unidirecionais: no projeto de algoritmos de roteamento, normalmente assumi-se que um enlace é bidirecional e vários algoritmos não funcionam quando operando em enlaces unidirecionais.

Protocolos Ad Hoc

Existem vários protocolos de roteamento ad hoc. Tais protocolos devem lidar com limitações típicas desses tipos de rede como consumo de energia dos nós móveis, banda passante limitada, e altas taxas de erro.

Basicamente, os protocolos de roteamento ad hoc de dividem em dois grupos: table-driven e on-demand.

Protocolos Table-Driven

Os protocolos do tipo table-driven são aqueles que utilizam tabelas de roteamento para manter a consistência das informações de roteamento em todos os nós. Nesta classificação estão incluídos os protocolos DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing), WRP (Wireless Routing Protocol) e CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing).

Protocolos On-Demand

Os protocolos do tipo on-demand criam rotas somente quando desejado por um nó fonte. Fazem parte desse grupo os protocolos AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing), DSR (Dynamic Source Routing), LMR (Lightweight Mobile Routing), TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm), ABR (Associativity-Based Routing) e SSR (Signal Stability Routing).

Algoritmos de Roteamento

Um dos problemas fundamentais numa rede ad hoc é determinar e manter as rotas, já que a mobilidade de um computador pode causar mudanças na topologia. Vários algoritmos de roteamento para redes ad hoc já foram propostos. Estes algoritmos diferem na forma em que novas rotas são determinadas e como as existentes são modificadas, quando necessário.

De acordo com o grupo de trabalho MANET, os algoritmos de roteamento para redes ad hoc podem ser avaliados através das seguintes métricas:

Vazão e atraso fim-a-fim;

Tempo de aquisição de rota: importante para os algoritmos de roteamento que estabelecem rotas sob demanda;

Porcentagem de pacotes entregue fora de ordem;

Eficiência: algumas medidas podem ser obtidas para se verificar a eficiência de um protocolo de roteamento. Um primeiro exemplo é o número médio de bits de dados transmitidos por bits de dados entregues. O objetivo é verificar a eficiência na entrega de dados dentro da rede. Outra medida possível é o número médio de bits de controle transmitidos por bits de dados entregues. Neste caso, pode-se verificar qual o overhead causado pela parte de controle do algoritmo de roteamento.

Comunicação em uma rede Ad Hoc

As redes ad hoc são classificadas como redes de comunicação direta e redes de múltiplos saltos. Nas redes de comunicação direta, cada dispositivo é capaz de comunicar-se somente com dispositivos que estejam ao seu alcance. Em redes ad hoc de múltiplos saltos, dois dispositivos que são mutuamente inalcançáveis podem se comunicar se houver pelo menos uma cadeia de dispositivos que seja alcançável por ambos.

Em redes sem fio infra-estruturadas a questão do alcance se resume no dispositivo estar posicionado dentro de uma célula da rede ou dentro do raio de atuação do ponto de acesso. Já nas redes ad hoc os dispositivos podem se comunicar diretamente desde que haja uma cadeia de comunicação que permita o encaminhamento da informação da origem até o destino (neste caso, atuam como roteadores). Assim, o alcance não fica limitado ao raio de ação de cada dispositivo individualmente, mas à soma dos raios de ação de todos os dispositivos. Por esse motivo, a localização momentânea de um dispositivo com relação aos demais influi diretamente na sua "alcançabilidade".

Por exemplo, em uma rede Ad Hoc, uma rota entre dois computadores pode ser formada por vários hops (saltos), através de um ou mais dispositivos na rede. Na figura seguinte os círculos demonstram o alcance da comunicação das unidades móveis. Sendo assim, as mensagens de A para D, por exemplo, devem passar por B e C para chegar até D.

 

Figura 3 - Comunicação em rede Ad Hoc

Resumo

Em redes sem infra-estrutura, as denominadas redes ad hoc, todos os dispositivos são capazes de estabelecer uma comunicação direta com outros dispositivos da rede, não havendo a necessidade de um ponto de acesso, ou seja, em uma rede móvel ad hoc todos os dispositivos móveis podem se comunicar diretamente através de enlaces sem fio. Nessa rede também é possível o acesso aos equipamentos de uma rede fixa, desde que exista algum tipo de infra-estrutura disponível.

Convém salientar ainda que o protocolo de comunicação da rede móvel deve considerar certas características que não ocorrem em uma rede fixa. É bom lembrar que os elementos portáteis de uma rede ad hoc apresentam várias limitações de recursos, principalmente largura de banda e autonomia de bateria.

Inicialmente as redes ad hoc foram pensadas para serem usadas em caso de catástrofes onde seria impossível manter uma rede fixa de apoio, como em situações de resgate, tragédias naturais, aplicações militares, dentre outras. Atualmente com o avanço dos dispositivos portáteis e da comunicação sem fio, as aplicações de redes ad hoc tornaram-se muito mais abrangentes.

José Maurício Santos Pinheiro
Professor Universitário, Projetista e Gestor de Redes, 
membro da BICSI, Aureside e IEC.

Autor dos livros:
 
· Guia Completo de Cabeamento de Redes ·
· Cabeamento Óptico ·
· Infraestrutura Elétrica para Redes de Computadores
·
· Biometria nos Sistemas Computacionais - Você é a Senha ·

E-mail: jm.pinheiro@projetoderedes.com.br

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