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Resumo
Este
artigo apresenta as definições e formas de implantação
de redes em malha sem fio (WiMesh), abordando
seus protocolos de roteamento e encaminhamento bem
como sua topologia e possíveis aplicações. A partir
desse estudo, será feita uma análise da viabilidade
da utilização desta tecnologia, ao invés de tecnologias
de cabos ou tecnologias sem fio comuns.
1 Introdução
Primeiramente
neste trabalho descreveremos as redes WiFi tradicionais,
que são a tecnologia de acesso à rede sem fio que
temos disponíveis mais facilmente na atualidade e
que proporcionam uma cobertura extremamente limitada.
Depois discutiremos a tecnologia Mesh, abordando como
estender da área de acesso através de uma malha de
Access Points (AP’s). Abordaremos também a tecnologia
que sustenta as redes Mesh demonstrando como é feito
o roteamento e o
encaminhamento
de pacotes através dessa malha sem fio. Citaremos
também as possíveis aplicações desta tecnologia em
diversos ambientes.
2 Redes
WiFi
As
redes WiFi seguem o padrão 802.11 desenvolvido pelo
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
e homologado no ano de 1997, que é bastante aceito
pela comunidade internacional. Na época da elaboração
do padrão as redes WiFi operavam utilizando a freqüência
de 2,4GHz, que é livre de licenciamento, e possibilitavam
uma largura máxima de banda entre 1 e 2Mbps. Mais
recentemente, em 1999, foram aprovados os padrões
802.11b e 802.11a, que usam freqüências de 2,4GHz
e 5GHz e podem atingir de 11Mbps a 54Mbps, respectivamente.
Atualmente o padrão mais utilizado é o 802.11g que
tem as mesmas especificações do padrão
802.11b,
mas oferece uma velocidade de até 54Mbps. Existem
várias vertentes de padronização promissoras como
a 802.11n que está em fase final de homologação e
terá sua largura de banda alcançando até 104Mbps operando
nas faixas de 2,4GHz (livre) e 5GHz (licenciada).
Algumas empresas, entre elas a Cisco, editaram uma
proposta de criação do padrão IEEE 802.11s específico
para redes Mesh que pretende padronizar os protocolos
de roteamento e a gerência de uma rede em malha.
3 Redes
WiMesh
Conforme
definição do professor Célio Vinícius Neves Albuquerque
(UFF) redes Mesh são "redes em malha sem fio
auto-configuráveis que interconectam um conjunto de
nós fixos capazes de rotear pacotes entre si".
Geralmente os nós e roteadores de redes WiMesh utilizam
a tecnologia 802.11 em modo Ad-hoc, onde os nós de
acesso se comunicam sem a necessidade de um AP central
controlando toda a comunicação, criando asim uma malha
de dados sem fio com custo de
implantação
reduzido devido à não necessidade de prévia implantação
de uma infraestrutura.
As redes
sem fio que utilizamos atualmente são divididas em
células que determinam o Basic Service Set (BSS),
ou seja, a área de cobertura daquela célula. Quando
se tem a infra-estrutura com um ponto de acesso (AP)
central temos uma rede local sem fio com infra-estrutura.
Poderíamos ter também uma rede local sem fio sem infra-estrutura,
onde os computadores acessariam as outras máquinas
da rede sem ser mediado por um AP, esse modo de comunicação
é chamado de modo Ad-hoc.
O modo
Ad-hoc é interessante pelo fato de não necessitar
da implantação prévia de uma infra-estrutura, característica
muito interessante em casos de desastres naturais
e operações de guerra, sendo este última o motivo
principal da criação destas redes. As redes WiMesh
são um exemplo de utilização de redes Adhoc, onde
os AP’s comunicam entre si neste modo formando uma
malha através da união de seus BSS formando um extenso
ESS (Extended Service Set), que é uma rede de AP’s
conectados entre si.
2.1 Controle
de Acesso
O
sistema de controle de acesso distribuído ao meio
utilizado nas redes WiMesh é o CSMA/CA (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance), o mesmo
utilizado por redes WiFi tradicionais, onde os dispositivos
esperam um canal de transmissão limpo para evitar
colisões. Depois de cada transmissão a rede entra
em um modo onde as estações só podem começar a transmitir
em canais a ela préalocados.
Ao
terminar a transmissão, a primeira estação com espaço
alocado tem o
direito de transmitir com
mínimas probabilidades de colisão. Se não transmitir,
o direito passa a estação para a segunda estação com
espaço alocado.
3.2 Topologia
Em
uma rede WiFi tradicional (Fig. 1) temos um ponto
de acesso ligado à internet
que oferece conectividade aos dispositivos que estão
na área coberta pelo sinal
(BSS).
Fig.
1 - Rede WiFi Tradicional
uma
solução utilizando redes WiMesh (Fig. 2) temos um roteador
WiMesh (ou mais)
ligado à internet e vários outros roteadores espalhados
por toda área de cobertura,
que comunicam entre si até encontrarem a melhor rota
de saída para a internet ou para alcançar outros host
da rede.
Fig.
2 - Rede WiMesh
4 Protocolos
de Roteamento
4.1 Tipos
Existem basicamente
3 classes de protocolos de roteamento: os Pró-ativos,
os Reativos e os híbridos.
Os protocolos
de roteamento Pró-ativos, ou table driven, são baseados
em tabelas de roteamento que são continuamente atualizadas
com toda a topologia da rede, utilizam algoritmos
específicos para calcular o caminho de menos custo.
Exemplos
desta classe são os protocolos OLSR, DSDV, WRP, etc.
A vantagem de utilizar um protocolo pró-ativo é ter
uma tabela de roteamento constantemente atualizada
tendo assim a rota disponível a qualquer momento.
A grande desvantagem dessa classe de protocolos é
o custo para manter as tabelas atualizadas devido
à troca de mensagens de controle que ocupam parte
da
capacidade
de transmissão das redes. Em redes WiMesh esta desvantagem
não é tão grande por não haver uma mudança constante
da topologia da rede, o que diminui o envio de pacotes
de controle entre os dispositivos de roteamento.
Para
redes Ad-hoc tradicionais genéricas utiliza-se uma
classe de protocolos de roteamento on demand ou reativos,
ou seja, eles não ficam continuamente enviando informações
da topologia da rede e não ficam atualizando suas
tabelas, a não ser que eles tenham um pacote de dados
para enviar a um determinado destino.
Assim
a rota só é descoberta sob demanda, ou seja, quando
um dispositivo tiver um dado a enviar para outro.
Isto é feito inundando a rede com pacotes de controle
até receber uma resposta do host destinatário, assim
que a rota é descoberta o pacote é enviado. Esta característica
é muito importante em redes de baixa largura de banda,
pois diminui o tráfego de pacotes de controle, aumentando
assim a capacidade de transmissão de dados. Esta classe
tem a vantagem de demandar um pequeno overhead de
controle porque não há a necessidade de manter as
tabelas dos roteadores constantemente atualizadas
com a topologia da rede. Porém, ao enviar um dado
para um determinado nó que o roteador "não sabe"
a rota, tem-se um retardo maior no envio da informação
enquanto o roteador tenta descobrir o destino.
Existem ainda os protocolos
Híbridos, que combinam as características dos protocolos
pró-ativos e reativos. Um exemplo de protocolo hibrido
é o ZRP (Zone Routing Protocol) que estabelece uma zona
onde ele vai atuar como pró-ativo, a partir do limite
dessa zona ele passa a atuar como on demand, fazendo
um flood de pacotes de atualização para descobrir qual
rota utilizar para enviar a informação.
Esses
protocolos são adequados para redes Ad-hoc com muitos
nós porque pudesse estabelecer uma zona onde se tem
um conhecimento parcial da topologia da rede e, caso
necessite enviar alguma informação para um nó mais
distante este protocolo atuaria como um protocolo
on demand.
4.2 Protocolo
OLSR
O
protocolo mais utilizado atualmente na construção
de redes WiMesh é o protocolo OLSR (Optimized Link
State Routing) que é padronizado pelo IETF (Internet
Engineering Task Force) através do RFC 3626, é um
protocolo pró-ativo, ou seja, possui uma tabela de
roteamento ativa e constantemente atualizada que,
como foi explicado anteriormente não representa um
grande problema para redes WiMesh devido à mínima
movimentação na topologia da rede, exceto no caso
de interferências ou problemas em algum dos roteadores.
No protocolo OLSR são selecionados
dinamicamente, conforme o crescimento da rede, alguns
nós vizinhos que são denominados MPR’s (Multi Point
Relays) onde, através deles os roteadores enviam informações
que têm como destino nós mais distantes, diminuindo
assim o tráfego na rede e a colisão de informações na
camada de transporte.
O OLSR
padrão decide pela melhor rota apenas pelo menor número
de saltos, o que não é a melhor alternativa pois,
apesar de termos um menor numero de saltos entre dois
dispositivos este menor caminho pode estar mais congestionado
que outro com saltos adicionais. Uma proposta apresentada
no Grupo de Trabalhos da Rede Nacional de Pesquisa
sobre Redes Mesh é a utilização da extensão OLSRML
(Optimized Link State Routing – Minimum Loss) onde
a taxa de perda dos links é monitorada e, quando a
topologia é montada, o roteador decide pela rota com
a menor taxa de
perda acumulada.
5 Possíveis
Implantações
Uma possível aplicação
da tecnologia WiMesh seria instalação de um roteador
WiMesh dentro de uma residência para prover uma comunicação
em banda larga entre todos componentes eletrônicos que
dispõem de chips sem fio como Tv’s digitais, fornos
de microondas, geladeiras, freezeres, câmeras, PDA’s,
computadores, entre outros. Em geral um único AP não
consegue cobrir toda área de uma residência devido ao
grande número de obstáculos como paredes e móveis, com
o uso da tecnologia WiMesh os roteadores comunicam entre
si aumentando assim a cobertura e a qualidade do sinal
sem a necessidade de implantação de uma infra-estrutura
de cabos.
Um outro
caso onde caberia a utilização da tecnologia WiMesh
seria uma condomínios e/ou empresas com múltiplos
prédios onde, criando uma rede em malha sem fio, seria
dispensada a implantação de uma infra-estrutura de
cabos, o que tornaria a rede mais cara e dificultaria
a manutenção.
6 Considerações
Finais
As
redes sem fio, cada vez mais, têm tido uma participação
cada vez maior em nossas vidas e muitas tecnologias
têm sido criadas para explorar esta "novidade".
Espera-se
ter atingido o objetivo de tornar mais fácil a compreensão
do funcionamento das redes WiMesh, embora não seja
a pretensão desse artigo ser um guia, mas amenizar,
para acadêmicos e outras pessoas ligadas à implantação
e manutenção de redes, a busca pela tecnologia que
melhor se encaixa às suas necessidades.
7 Referências
Bibliográficas
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