AIGA: um ambiente integrado de gerência para redes em malha sem fio IEEE 802.11s

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIDNCIAS EXATAS E DA TERRA

DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E MATEMÁTICA APLICADA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS E

COMPUTAÇÃO

MESTRADO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃO

AIGA: Um Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha

Sem Fio IEEE 802.11s

Dhiego Fernandes Carvalho

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Dhiego Fernandes Carvalho

AIGA: Um Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha

Sem Fio IEEE 802.11s

Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de Pós-Graduação em Ciência e Computação, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Ciência e Computação.

Orientador: Prof. Dr. Marcos César Madruga A. Pinheiro

PPgSC – Programa de Pós-Graduação em Sistemas e Computação

DIMAp – Departamento de Informática e Matemática Aplicada

CCET – Centro de Ciências Exatas e da Terra

UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte

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Dissertação de Mestrado sob o título AIGA: Um Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha Sem Fio IEEE 802.11s apresentada por Dhiego Fernandes Carvalho e aceita pelo Programa de Pós-Graduação em Sistemas e Computação do Departamento de Informática e Matemática Aplicada da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, sendo aprovada por todos os membros da banca examinadora abaixo especificada:

______________________________________________ Prof. Dr. Marcos César Madruga A. Pinheiro

Presidente

UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte DIMAp – Departamento de Informática e Matemática Aplicada

______________________________________________ Augusto José Venâncio Neto

Examinador Interno

UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte DIMAp – Departamento de Informática e Matemática Aplicada

_____________________________________________ Rommel Wladimir de Lima

Examinador Externo à Instituição

UERN – Universidade do Estado do Rio Grande do Norte DI – Departamento de Informática

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Agradecimentos

Dedico esse trabalho em primeiro lugar a minha filha Diana, que apesar de vivermos longe, ela sempre esteve nos meus pensamentos diários e foi um dos meus maiores estímulos em continuar com a minha carreira acadêmica.

Agradeço também ao meu orientador Marcos César Madruga A. Pinheiro, pois neste longo tempo que esteve sendo meu orientador e professor, sempre esteve ao meu lado, orientando na minha vida acadêmica, profissional e pessoal. Posso considerá-lo além do meu orientador e professor, meu amigo pessoal que sou eternamente grato.

Agradeço aos meus pais por me darem condições de estudo, as oportunidades e ferramentas que hoje são necessárias para ser o que sou. Muitas coisas que tenho hoje, principalmente por estar concluindo a minha dissertação de mestrado, devem-se a eles. Sem meus pais, eu não teria as oportunidades que muitas pessoas infelizmente não tiveram em suas vidas.

Sou grato aos meus amigos, que são muitos e não posso citar todos, que nos momentos de dificuldade nesse longo período que passei até concluir esta dissertação, passando por alguns tropeços que a vida dar, ajudaram-me e estivaram ao meu lado, incentivando-me mesmo que seja com uma simples palavra de apoio.

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AIGA: Um Ambiente Integrado de Gerência para Redes Em

Malha Sem Fio IEEE 802.11s

Autor: Dhiego Fernandes Carvalho Orientador: Prof. Dr. Marcos César Madruga A. Pinheiro

RESUMO

Por serem redes com diversas características interessantes como auto-organização e tolerância a falhas, as Wireless Mesh Networks (WMN) vem sendo estudadas a bastante tempo pela comunidade científica. Muitos desses estudos tipicamente são conduzidos utilizando redes em ambientes controlados conhecidos como testbeds. Além disso, após a conclusão do processo de padronização do IEEE 802.11s as WMN baseadas nessa tecnologia vem sendo cada vez mais utilizadas como redes de produção nas organizações. Como são redes bastante flexíveis no que diz respeito ao seu modo de operação, pois suportam um elevado número de parâmetros de configuração, a tarefa de gerenciamento dessas redes tende a ser muito complexa. Não existe uma configuração ideal que atenda a qualquer cenário, sendo preciso identificar o conjunto de valores que oferecem o melhor desempenho para cada caso. Desse modo, após a configuração da rede é importante verificar se ela se comporta conforme esperado. Para isso, é necessário injetar tráfego na rede e monitorar seu comportamento. Este trabalho propõe o AIGA, um Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha Sem Fio IEEE 802.11s, que facilita o gerenciamento de WMNs de produção bem como da utilização de testbeds para realização de experimentos.

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AIGA: A Management Integrated Environmental for Wireless

Mesh Networks IEEE 802.11s

Author: Dhiego Fernandes Carvalho Supervisor: Marcos César Madruga A. Pinheiro

ABSTRACT

A Wireless Mesh Network (WMN - Wireless Mesh Network) IEEE 802.11s standard to become

operational it is necessary to configure the parameters that meet the demands of its users, as

regards, for example, the frequency channels, the power antennas, IPs addresses, meshID,

topology, among others.This configuration can be done via a CLI (Command - Line Interface) or a

remote interface provided by the equipment manufacturer, both are not standardized and

homogeneous, like black boxes for the developers, a factor that hinders its operation and

standardization. The WMN, as a new standard, is still in the testing phase, and tests are necessary

to evaluate the performance of Path Discovery Protocol, as in this case of HWMP (Hybrid Wireless

Mesh Protocol), which still has many shortcomings. The configuration and test creation in a WMN

are not trivial and require a large workload. For these reasons this work presents the AIGA, a

Management Integrated Environment for WMN IEEE 802.11s, which aims to manage and perform

testbeds for analyzes of new Path Discovery Protocols in a WMN.

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Lista de Figuras

Figura 1: Comparação Entre Uma Rede IEEE 802.11 Infraestruturada (a) E Outra Em Malha (b). .22

Figura 2: HWMP No Modo Reativo...25

Figura 3: Anúncios De Quadros PREQ No Modo Pró-ativo Informando Quem É O Nó Raiz...26

Figura 4: HWMP Trabalhando No Modo Pró-ativo...26

Figura 5: Menu De Configuração Do Attitude Adjustment...28

Figura 6: Estrutura Do AIGA...37

Figura 7: Cenário Da Rede 802.11s...38

Figura 8: Configuração Da Rede IEEE 802.11s E Seus Atributos...40

Figura 9: Programas Que Compõem O Gerador De Tráfego...41

Figura 10: Geração De Tráfego...43

Figura 11: Programa De Geração De Tráfego...44

Figura 12: Monitoramento Dos Parâmetros De Rede...46

Figura 13: Monitoramento Dos Quadros Do Protocolo De Descoberta De Caminho Da Rede IEEE 802.11s...48

Figura 14: Diagrama De Sequência Dos Componentes Do Módulo De Gerenciamento SNMP...50

Figura 15: Pacote De Configuração Do Protocolo De Geração De Tráfego...54

Figura 16: Pacote De Requisição Do Protocolo De Geração De Tráfego...55

Figura 17: Pacote De Resposta Do Protocolo De Geração De Tráfego...56

Figura 18: Diagrama De Sequência Do Protocolo De Geração De Tráfego...56

Figura 19: Configuração Das Máquinas Da WMN No AIGA...58

Figura 20: Configuração Da Topologia Da WMN No AIGA...60

Figura 21: Configuração De Tráfego Da WMN Do AIGA...61

Figura 22: Coleta Das Informações Da WMN No AIGA...62

Figura 23: Testbed Com Os Doze Roteadores...64

Figura 24: Topologia 3 X 4 Disparando Pacotes Do Roteador 9 Ao Roteador 4...65

Figura 25: Topologia 3 X 3 Disparando Pacotes Do Roteador 9 Ao Roteador 3...68

Figura 26: Topologia 2 X 2 Enviando Pacotes Do Roteador 5 Ao Roteador 2...70

Figura 27: Topologia Em Linha Enviando Pacotes Do Roteador 5 Ao Roteador 11...72

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Índice De Tabelas

Tabela 1: Comparação Entre Os Trabalhos Pesquisados...34

Tabela 2: Objetos Da MIB Utilizados Pelo AIGA...51

Tabela 3: Especificação Das Máquinas Utilizadas Nos Testes Da Rede 802.11s...63

Tabela 4: Configurações Dos Pacotes UDP...64

Tabela 5: Configurações Dos Pacotes TCP...64

Tabela 6: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Reativo Na Topologia 3 X 4...66

Tabela 7: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Reativo Na Topologia 3 X 4...66

Tabela 8: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes TCP No Modo Pró-ativo Na Topologia 3 X 4...67

Tabela 9: Resultados Dos Tráfegos Gerados Pelos Pacotes UDP No Modo Pró-ativo Na Topologia 3 X 4...67

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Sumário

1 Introdução...15

1.1 Motivações E Justificativas...16

1.2 Objetivos...17

1.2.1 Objetivos Específicos...17

1.3 Organização Da Dissertação...18

2 Embasamento Teórico...19

2.1 Gerência...19

2.2 IEEE 802.11s...20

2.2.1 Arquitetura Do 802.11s...21

2.2.2 Protocolo De Descoberta De Caminho...22

2.2.2.1 Modo Reativo...23

2.2.2.2 Modo Pró-ativo...24

2.2.2.3 Modo Híbrido...25

2.3 OpenWRT...26

2.4 Testbed...27

2.4.1 Roofnet...28

2.4.2 Testbed De WMN Baseado No Padrão IEEE 802.11...28

2.4.3 IMesh...28

3 Trabalhos Relacionados...29

3.1 Abaré...29

3.2 Janus...29

3.3 Meshadmin...30

3.4 SCUBA...31

3.5 MeshFlow...31

3.6 MAYA...32

3.7 OpenFlow...32

3.8 Comparação Entre Os Trabalhos Pesquisados...33

4 Arquitetura Do AIGA...35

4.1 Módulo De Configuração...37

4.2 Módulo De Geração De Tráfego...40

4.3 Módulo De Monitoramento...44

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4.3.2 Parâmetros Da Rede IEEE 802.11s...45

5 Visão Geral Da Implementação Do AIGA...48

5.1 Net-SNMP...48

5.1.1 Extensão Da MIB...49

5.2 Protocolo De Geração De Tráfego...52

5.2.1 Mensagem De Configuração...53

5.2.2 Mensagem De Requisição...54

5.2.3 Mensagem De Resposta...54

5.3 Interface Gráfica...56

5.3.1 Configuração Das Máquinas...56

5.3.2 Configuração Da Topologia...58

5.3.3 Configuração De Tráfegos...59

5.3.4 Coleta Das Informações...60

6 Avaliação...62

6.1 Topologia Em Grade 3 X 4...64

6.1.1 Modo Reativo...65

6.1.2 Modo Pró-ativo...65

6.4 Topologia Em Linha...70

6.5 Comparações Dos Resultados...72

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Lista de Siglas

AP – Access Point (Ponto de Acesso)

AODV – Ad hoc On Demand Distance Vector (Vetor de Distância por Demanda Ad Hoc) CLI – Command-line Interface (Interface de Linha de Comando)

DO - Destination Only Flag (Bandeira de Somente o Destino) GUI – Graphical User Interface (Interface Gráfica de Usuário).

FCAPS - Fault, Configuration, Accounting, Performance and Security (Falha, Configuração, Contabilidade, Desempenho e Segurança).

HWMP – Hybrid Wireless Mesh Protocol (Protocolo de Malha Sem Fio Híbrido)

ISO – International Organization for Standardization (Organização Internacional para Padronização)

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos)

IP – Internet Protocol (Protocolo de Internet) LAN – Local Area Network (Rede de Área Local) MAP – Mesh Access Point (Ponto de Acesso Mesh)

MAC – Media Access Control (Controle de Acesso ao Meio)

MIB – Management Information Base (Base de Gerência de Informação) MP – Mesh Point (Ponto Mesh)

MPA – Mesh Point Access (Acesso do Ponto Mesh) MPP – Mesh Portal Point (Portal do Ponto Mesh)

OSI - Open Systems Interconnection (Interconexão de Sistemas Abertos)

PERR – Path Error (Erro de Caminho) RM – Root Mesh (Mesh Raiz)

PREQ – Path Request (Solicitação de Caminho)

PREP – Path Reply (Resposta de Caminho)

RF - Reply and Forward Flag (Bandeira de Resposta e Encaminhamento)

RRAN - Root Annoucenement (Anúncio do Raiz)

SNMP – Simple Network Management Protocol (Protocolo de Gerência de Redes Simples)

SNMPv1 - Simple Network Management Protocol version 1 (Protocolo de Gerência de Redes Simples versão 1)

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Simples versão 3) STA – Station (Estação)

TCP – Transport Control Protocol (Protocolo de Controle de Transporte)

UDP – User Datagram Protocol (Protocolo de Datagrama de Usuário) WMN – Wireless Mesh Network (Rede em Malha Sem Fio)

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1 Introdução

Tradicionalmente as redes sem fio baseadas no padrão IEEE 802.11 eram utilizadas no modo de operação infra-estruturado ou no modo adhoc. Há alguns anos o IEEE definiu mais um modo de operação que suporta a criação de Wireless Mesh Networks (WMN). Esse modo, especificado pelo IEEE 802.11s [IEEE Std 802.11 2012], tem sido adotado por várias indústrias e fabricantes de equipamentos, desde que foi inicialmente proposto, em março 2006. O processo de padronização foi concluído recentemente, no ano de 2012, e muito da sua estrutura está sob análise em busca de possíveis melhorias.

Uma vez que as WMNs são redes de múltiplos saltos, que criam um único domínio de nível dois (camada de enlace do modelo OSI/ISO), é necessário que exista um protocolo para descoberta das rotas referentes aos endereços MAC. As rotas são armazenadas em tabelas, que utilizam endereços MAC ao invés de endereços IP, de modo que tais protocolos são chamados de protocolos de Descoberta de Caminho, ao invés de protocolos de roteamento, enfatizando a diferença para o roteamento IP, referente a camada três do modelo OSI/ISO. Embora o IEEE 802.11s defina um protocolo padrão de descoberta de caminho, chamado HWMP [Bahr 2006], que inclusive já passou por várias melhorias [Bahr 2008], ele permite a utilização de qualquer outro protocolo. Apesar do HWMP ser um protocolo que apresenta desempenho satisfatório em determinadas situações, ele possui algumas limitações, como, por exemplo, a baixa escalibidade, que restringe a quantidade de nós que podem participar da rede. Isso ocorre, porque em ambos os modos de operação do HWMP, reativo e pró-ativo, os nós enviam seus quadros de descoberta de caminho em difusão. Adicionalmente, no modo pró-ativo há um congestionamento no nó raiz, diminuindo e muito o desempenho da rede [Wang e Lim 2007]. Tais fatos têm levado à comunidade científica a desenvolver diversos outros protocolos de descoberta de caminho para redes IEEE 802.11s.

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tempo de respostas para mensagens, entre outras opções. Após essas configurações, é necessário gerar tráfego para poder analisar o comportamento de rede com o protocolo utilizado. Novamente existe uma grande possibilidade de combinações, como por exemplo, tipo dos pacotes (ex: tcp, udp etc), tamanho dos pacotes, intervalo de tempo entre o envio dos pacotes, origem e destino dos pacotes, entre outros. Por fim, é importante definir quais parâmetros são necessários medir (vazão da rede, perda de pacotes, atraso, número de quadros em difusão etc) e coletar essas informações.

1.1 Motivações e Justificativas

Além do seu uso para fins de pesquisas pela comunidade acadêmica, as WMN IEEE 802.11s vem ganhando cada vez mais espaço como redes de produção nas organizações. De qualquer modo, em ambos os casos, a tarefa de configuração dessas redes para que entrem em operação e o gerenciamento posterior para mantê-las operacionais são tarefas complexas. Isso ocorre porque essas redes possuem uma arquitetura bastatnte flexível. Ou seja, como a exelente característica de auto-organização e tolerância a falhas inerentes dessas redes decorrem principalmete de não existir um modelo rígido de estrutura que a rede deve seguir, isso significa também que não existe uma configuração ideal que atende a todas as situações. Desse modo, é preciso identificar para cada caso qual a configuração para o conjunto possível de parâmetros que proporciona o melhor desempenho e confiabilidade para a rede.

Conforme citado na seção anterior, o número de parâmetros que devem ser monitorados e controlados é muito elevado, abrangendo os canais de frequência, potência das antenas, endereços IPs, máscara de rede, meshID, topologias (quem são os vizinhos de cada nó), parâmetros do protocolo de descoberta de caminho (no caso do HWMP, por exemplo, se a rede trabalha no modo reativo ou protivo), entre outros. A falha na configuração adequada desses parâmetros pode levar a diversos problemas, entre os quais podemos citar: a utilização de canais de frequência já utilizados por outras redes coexistindo no mesmo espaço físico pode degradar bastante o desempenho0 a utilização de uma potência muito alta no radio pode elevar o nível de interferência com outros nós0 uma configuração de topologia inadequada pode levar a segmentação da rede deixando alguns nós isolados (o mesmo pode ocorrer se a potência do rádio for muito baixa)0 uma definição de parâmetros do protocolo de encaminhamento de quadros inadequada pode aumetar o número de mensagens em broadcast transmitidas, bem como elevar o tempo para descoberta das rotas.

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a configuração e o monitoramento da rede, uma vez que uma grande rede normalmente é composta por vários equipamentos de fabricantes diferentes.

Naturalmente a forma para evitar esses problemas é utilizar um protocolo padronizado. Por isso o SNMP [Stallings 1998] tem sido empregado em vários trabalhos sobre gerenciamento de redes sem fio, conforme poderá ser visto no capítulo 3 desse texto. Entretanto, na MIB IEEE 802.11 [CISCO MIB 2014], diversos parâmetros específicos das redes WMN IEEE 802.11s não são suportados, principalmente os específicos do protocolo de descoberta de caminho HWMP.

Embora não faça parte da tarefa de gerenciamento da rede proriamente dita, sempre que se realiza a configuração de uma rede, seja ela cabeada ou sem fio, se realizam também testes para verificar a efetividade da configuração feita. Esses testes tipicamente incluem a geração de algum tipo de tráfego na rede e a coleta de informações a respeito do comportamento da rede.

Pelo que foi exposto pode-se observar a necessidade de uma solução de gerenciamento de WMNs que utilize SNMP e permita a configuração dos parâmetros específicos do IEEE 802.11s, bem como a realização de testes para validar a efetividade da configuração realizada.

1.2 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho é propor, desenvolver, implementar e avaliar um Ambiente Integrado de Gerência para Redes IEEE 802.11s, que integra as tarefas de configuração da rede, geração de tráfego e coleta de dados, permitindo assim, que se possa verificar se uma dada configuração de rede realizada produz o resultado esperado. Para isso, um ponto chave desse trabalho é a expansão da MIB IEEE 802.11 para suportar um maior número de atributos relacionados as redes em malha sem fio.

Embora possa ser utilizado para analisar diversos aspectos de uma rede em malha sem fio, o ambiente proposto, que se chama AIGA (Ambiente Integrado de Gerência para Redes em Malha sem fio IEEE 802.11s), tem como foco de interesse principal permitir a análise dos protocolos de descoberta de caminho.

1.2.1 Objetivos Específicos

Para atingir o objetivo geral desse trabalho, os seguintes objetivos específicos precisam ser alcançados:

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operacional0

• Geração de tráfego: criação de um módulo que permita a definição dos tráfegos a serem gerados para a realização dos testes da rede IEEE 802.11s0

• Monitoramento (coleta de resultados): criação de um módulo que tem a função de coletar informações decorrentes dos tráfegos gerados na WMN que são utilizados nos testes. Essas informações incluem tanto dados de desempenho (atraso, vazão etc), bem como informações sobre o comportamento do protocolo de encaminhamento de quadros (número de mensagens do protocolo que foram transmitidas, por exemplo).

Sem o ambiente proposto, a configuração da rede IEEE 802.11s e criação dos testes seriam tarefas trabalhosas, inflexíveis e lentas, pois cada uma dessas etapas (configuração, geração de tráfego e monitoramento) requer uma grande carga de trabalho. Desse modo, os principais benefícios do AIGA são: configuração da rede para torná-la operacional e criação de testes, podendo-se modificar as configurações de rede e os testes (variando-se, por exemplo, o tipo de tráfego gerado, ou topologia da rede) com o mínimo de esforço.

1.3 Organização da Dissertação

Este trabalho é dividido do seguinte modo: o capítulo 2 mostra o embasamento teórico sobre os temas relacionados ao assunto abordado nessa dissertação0 o capítulo 3 apresenta os trabalhos relacionados sobre gerência em redes IEEE 802.11s que serviram de base para esta dissertação0 o capítulo 4 apresenta a arquitetura do ambiente proposto0 o capítulo 5 descreve sobre a implementação e as tecnologias utilizadas0 o capítulo 6 a avaliação do AIGA0 o capítulo 7

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2 Embasamento Teórico

Alguns conhecimentos prévios sobre os assuntos que serão abordados por este trabalho são necessários para uma melhor compreensão do mesmo. Neste capítulo serão abordados alguns destes importantes temas.

2.1 Gerência

Para garantir a correta e eficiente operação de uma rede é necessário que seu comportamento seja monitorado e controlado através de softwares e protocolos de gerenciamento. Quanto mais heterogênas e dinâmicas forem as redes, como pode ser o caso, por exemplo, das WMNs, maior é a necessidade de gerenciamento.

Gerenciar uma rede consiste, resumidamente, em: obter informações da rede, tratá-las para diagnosticar possíveis falhas e encaminhar as soluções dessas falhas [Telecom 2014]. Para realizar tais tarefas programas de gerência devem ser incorporados a todos os dispositivos de rede que estejam em operação. A gerência consiste em praticamente em três entidades:

• Estações de gerência: têm a função de gerenciar os dispositivos gerenciados0

• Dispositivos gerenciados: são os equipamentos de rede que mantêm a rede em operação e que são gerenciados pela estação de gerência0

• Protocolo de gerência: é responsável pela troca de informação entre as estações de gerência e os dispositivos gerenciados0

De acordo com a ISO [ISO/IEC 7498-4 1989], a gerência pode ser classificada por cinco áreas funcionais: gerência de falha, configuração, contabilidade, desempenho e segurança. Essas cinco áreas são conhecida como o modelo FCAPS (Fault, Configuration, Accounting, Performance and Security):

• Gerência de Falha: cada dispositivo de rede deve ser monitorado individualmente para garantir seu perfeito funcionamento. Quando acontece uma falha é importante saber exatamente onde ela ocorreu, ou está ocorrendo, isolar a falha, reconfigurar a rede para que funcione sem o dispositivo defeituoso, e consertar o dispositivo de rede com problemas0

• Gerência de Configuração: está relacionado as tarefas de manutenção, adição e atualização, referentes aos equipamentos e aos canais de comunicação.

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• Gerência de Desempenho: consiste em monitorar os dispositivos de rede para determinar o comportamento da rede durante sua operação. O desempenho da rede está focado em alguns parâmetros de rede (latência, atraso, variação do atraso, perda de pacotes, erro, taxa de transmissão, etc). Coletar tais informações ajuda na descoberta de situações anormais na rede e a evitar problemas antes mesmo que eles aconteçam (gerenciamento pró-ativo).

• Gerência de Segurança: provê facilidades para proteger os recursos da rede e as informações dos usuários, devendo ser implantada de acordo com a política de segurança da organização.

2.2 IEEE 802.11s

A portabilidade e a interoperabilidade são grandes virtudes do mundo moderno, pois quanto mais fácil a comunicação entre dispositivos de diferentes tipos, melhor é a disseminação da informação. As Redes Sem Fio no padrão IEEE 802.11, estão bastante difundidas, principalmente em LANs, devido a facilidade de instalação, portabilidade, interoperabilidade, mobilidade, custo e suporte. Apesar de sua gama de facilidades, ainda há muitos desafios a serem superados, de modo que apesar de já existirem vários adendos ao padrão IEEE 802.11 (a, b, g, n, etc) novos recursos continuam sendo incorporados, como por exemplo, segurança, mobilidade, taxa de transmissão, entre outros, como é o caso das WMNs, definidas no adendo IEEE 802.11s .

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As WMNs têm recebido grande atenção nos últimos anos, de modo que muitas empresas passaram a utilizar esse modelo ou comercializam produtos, por exemplo, roteadores e APs, relacionados a ele. Muitas delas têm se juntado em uma força tarefa para convergir as WMNs e incentivar a sua adoção em escala mundial. Em outubro de 2006, a Aliança Wi-Fi (WFA – Wi-Fi Alliance) estabeleceu uma força tarefa para as redes em malha baseadas no IEEE 802.11, encarregada em criar um documento de Marketing, uma especificação de uma certificação e um plano de testes.

A primeira versão do IEEE 802.11s foi lançada em Março de 2006, propondo um padrão inovador que estabelecia a descoberta e encaminhamento de quadros em vários saltos, uma vez que, até então esse modelo não era suportado. Apenas em 2012 o IEEE conseguiu concluir o processo de padronização do 802.11s incorporando-o ao IEEE 802.11.

2.2.1 Arquitetura do 802.11s

De acordo com a especificação do IEEE 802.11s, os componentes da arquitetura da WMN são:

• Cliente (STA): São os equipamentos que não suportam o modo mesh, mas entram na rede através dos Pontos de Acesso Mesh (MAP).

• Nó Mesh (MP): são os nós que formam o núcleo do 802.11s, uma vez que é através deles que os quadros Mesh são encaminhos na da rede.

• Ponto de Acesso Mesh (MAP): é um MP que também é um Ponto de Acesso, incorporando as duas funcionalidades: os STAs se associam ao MAP e os quadros do IEEE 802.11s são encaminhados por ele. Ou seja, converte quadros mesh em não mesh, e vice-versa.

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• Portal Mesh (MPP): é um MP que também é um gateway, ou seja, um ponto de interconexão de duas redes diferentes, por exemplo, a rede Local em Malha Sem Fio e uma rede cabeada. Os demais Nós da Rede sabem quem é o portal através de anúncios de quadros GANN (Gate Annoucenement) ou de quadros RANN (Root Annoucenement). • Nó Raiz (RM): é um tipo de Nó Mesh que é utilizado apenas no modo pró-ativo do protocolo de encaminhamento de quadros. Os demais Nós Mesh sabem de sua existência através de anúncios de quadros PREQ no modo pró-ativo, ou de anúncios de quadros RANN que informam e constroem um caminho ao Nó Raiz.

No IEEE 802.11s cada par de conexão é chamado de Peer Link. O mecanismo de descoberta dos vizinhos de um nó é praticamente o mesmo do padrão IEEE 802.11, havendo uma varredura da rede de modo ativo ou passivo. Além disso, os beacons e probes, quadros de sinalização definidos pelo padrão IEEE 802.11, são estendidos para incluírem novos campos referentes à WMN.

Nas Redes Sem Fio infraestruturadas (IEEE 802.11) é estabelecido um SSID para permitir a identificação do AP de cada rede sem fio separadamente. Cada AP pode ter um SSID diferente, ou um grupo de APs podem ter o mesmo SSID quando estão conectados em uma mesma rede. No padrão IEEE 802.11s há também um identificador (ID), chamado de Mesh ID, semelhante ao SSID, pois cada WMN precisa ser identificada separadamente.

2.2.2 Protocolo de Descoberta de Caminho

Para que um nó da WMN consiga se comunicar com outro que não seja seu vizinho (não possui um Par de Conexãodiretamente), é necessário que seja identificado o caminho até ele. Desse modo, faz necessário um Protocolo de Descoberta de Caminho para descobrir e selecionar a rota para cada nó da rede.

O IEEE 802.11s define como protocolo padrão de descoberta de caminho o Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP), e como métrica padrão para escolha do melhor caminho o Air Link Metric (Métrica de Ligação Aérea). Embora o HWMP seja o protocolo padrão, o IEEE 802.11s suporta a utilização de outros protocolos de encaminhamento de quadros. O HWMP pode ser configurado para trabalhar em dois modos:

• Modo reativo: funcionalidade desse modo sempre está disponível, independente se o nó raiz está configurado na rede Mesh ou não. Nesse modo a rota para um dado destino é descoberta apenas no momento em que se precisa enviar um quadro para ele0

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anuncia na rede periodicamente. Para isso ele pode utilizar mensagens PREQ de modo pró-ativo ou mensagens RANN que serão detalhados a seguir0

O protocolo é chamado de híbrido porque pode trabalhar nos dois modos. Os tipos de mensagens do HWMP são:

• Path Request (PREQ): é o quadro enviado para descobrir o caminho para um dado endereço MAC. São enviados em difusão por toda rede no modo reativo. No modo proativo tem a função de difundir a rota do nó Raiz para todos os nós da WMN0

• Path Retly (PREP): é o quadro de resposta do destino. É enviado em resposta pelo MP de destino quando o quadro PREQ chega a ele socilitando um caminho. Quando o modo proativo é utilizado, os nós mesh que receberam um PREQ do nó raiz, respondem com um PREP com o valor especial0

• Path Error (PERR): é o quadro que indica erro no caminho. Quadro usado para anunciar que um ou mais destinos não estão acessíveis. O anúncio é feito a todas as fontes de tráfico que tem um caminho ativo ao destino0

• Root Annoucenement (RANN): é o quadro que informa quem é o nó raiz (root) da rede. Ele é enviado por difusão por toda a rede para que todos os nós saibam quem é a raiz da rede IEEE 802.11s. Este tipo de quadro é usado apenas no modo pró-ativo. Como normalmente o nó raiz é o mesmo que o portal da rede, para não ter que enviar quadros GANN e RAAN ao mesmo tempo, o RANN é setado com seu flag em 1, indicando que também é o portal, de modo a minimizar o número de quadros que são enviados na rede0 • Gate Annoucenement (GANN): é o quadro usado para anunciar a presença de um Portal

Mesh (ponto de interconexão entre duas redes distintas, que normalmente também é o Nó Raiz). Os Anúncios de Portal permitem que os Nós Mesh construam um caminho até a ele0

A seguir serão apresentados os modos de funcionamento do HWMP.

2.2.2.1 Modo Reativo

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criam uma rota para o nó que a originou (MP3). É por isso que o PREP pode ser transmitido para o nó que originou o PREQ sem usar broadcast. Do mesmo modo, a medida que o PREP é transmitido para o nó de origem, uma rota é criada para o nó que originou o PREP (MP7), sempre apontando para o nó que acabou de reencaminhá-lo. O HWMP faz cache dessas rotas, mas periodicamente envia as mensagens novamente para verificar se existe uma nova rota melhor que a atual.

2.2.2.2 Modo pró-ativo

No modo pró-ativo, antes de qualquer transmissão, todos os nós da Rede Local em Malha Sem Fio devem saber quem é o nó raiz da rede mesh. Existem duas formas para quep os nós da rede saibam quem é o raiz:

• Envio de mensagens PREQ no modo pró-ativo: as mensagens PREQ pró-ativas são enviadas pelo nó raiz com seu flag pró-ativo configurado em 1 (um) a todos os nós da rede em um intervalo de tempo específico (dot11MeshRootInterval). O PREQ pró-ativo pode ser configurado com um o flag PREP pró-ativo em 1 (um) ou 0 (zero). No primeiro caso o nó mesh contrói uma rota reversa para o nó raiz e no segundo é configurada uma rota reversa ao nó raiz apenas se o nó mesh tiver dados a enviar ao nó raiz.

• Envio de mensagens RANN: as mensagens RANN são enviadas pelo nó raiz a todos os nós da rede em um intervalo de tempo específico (dot11MeshHWMPrannInterval). Os nós que receberam as mensagens RANN respondem com um PREQ (flag pró-ativo setado em 0) ao raiz. Ele responde de volta com um PREP (flag pró-ativo setado em 0) e desta forma é estabelecido por todos os nós da rede um caminho direto e reverso ao nó Raiz.

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através do PREQ no modo pró-ativo. As transmissões dos PREQs no modo pró-ativo são feitas depois de um intervalo de tempo (em milisegundos) definido pelo administrador da rede.

A Figura 4 mostra o exemplo de uma rede mesh trabalhando no modo pró-ativo. Normalmente o raiz é o próprio portal mesh (MPP1), pois este nó da WMN é quem trabalha diretamente na borda da rede e conecta outros tipos diferentes de redes. Todos os nós da rede sabem quem é o raiz, através dos anúncios RANN ou PREQ pró-ativos. Quando MP3 quer enviar dados ao MP7, por exemplo um tráfego TCP, todos os pacotes passam pelo nó raiz da rede.

2.2.2.3 Modo Híbrido

O HWMP pode trabalhar no modo reativo e proativo concorrentemente, por tal motivo o Figura 4: HWMP trabalhando no modo pró-ativo

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HWMP é chamado de protocolo híbrido. Este tipo de operação permite que a comunicação comece imediatamente, encaminhando todo o tráfego para o nó raiz (através de todo mecanismo descrito na sessão 2.1.2.2), enquanto o modo reativo descobre o caminho mais curto entre os dois nós mesh (sessão 2.1.2.1). Depois de descoberto o melhor caminho, o tráfego é enviado por ele.

2.3 OpenWRT

As máquinas que fazem parte do IEEE 802.11s, descritas nas figuras 2, 3 e 4, necessitam de um sistema operacional para uma WMN estar operacional. Nessa dissertação foi utilizado nas máquinas da WMN o OpenWrt que é uma distribuição do Linux usada em sistemas embarcados, tipicamente roteadores sem fio. Ao invés de criar um único e estático firmware, o OpenWrt provê um sistema de arquivos configurável com um pacote de gerenciamento para customizar o seu sistema operacional embarcado. Qualquer pessoa está apta a inserir e remover pacotes no seu sistema de acordo com a sua necessidade. Para os desenvolvedores, o OpenWrt é um framework

para construir uma aplicação sem ter que desenvolver um firmware completo em volta dele, e para os usuários ele significa a capacidade de ter uma completa customização do seu sistema [OPENWRT 2013].

No caso do desenvolvimento deste trabalho, a versão do OpenWRT utilizada foi o attitude adjustment (12.09, usa versão 3.3 do kernel do Linux), lançado em maio de 2013. Ele é uma plataforma customizável, podendo ser compilado para diversos tipos de arquitetura de hardware. Isso é denominado de “Sistema Alvo” na configuração do OpenWrt. Como nesse projeto foram utilizados roteadores Mikrotik 433AH, a arquitetura alvo selecionada no OpenWrt foi AR71xx/AR7240/AR913x, conforme mostrado na Figura 5.

Esse modelo customizável do OpenWrt permitiu que a implementação dos agentes SNMP e do módulo gerador de tráfego fossem implantados no sistema operacional dos roteadores sem maiores problemas.

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O Openwrt é um sistema Linux e oferece uma interface de comandos ao usuário. Tal fato é muito importante pois facilita no processo de desenvolvimento e testes dos sistemas implantados nos equipamentos, como é o caso do AIGA.

2.4 Testbed

Embora o ambiente proposto nesse trabalho possa ser utilizado para realizar o gerenciamento de qualquer WMN baseada no padrão IEEE 802.11s, é importante ressaltar que durante a análise das tecnologias e protocolos de rede é muito comum se fazer uso de redes implantadas em ambientes controlados, as quais são chamadas de testbeds. Testbed é uma plataforma de experimentação de grandes projetos em desenvolvimento. Ele permite o teste de ferramentas e novas plataformas em um determinado cenário no mundo real. Este tipo de experimento é usado como prova que uma certa tecnologia funciona em local supervisionado e que os testes são controlados em um ambiente computacional específico.

Um testbed pode incluir software, hardware e componentes de rede. No desenvolvimento de um software, o hardware e os componentes de redes são configurados para que uma aplicação seja projetada a um determinado tipo de teste. Pode-se dizer que um testbed é um ambiente de teste controlado.

No caso do desenvolvimento de um novo Protocolo de Descoberta de Caminho para o IEEE 802.11s, um testbed pode ser criado para analisá-lo. Tipicamente os roteadores seriam posicionados em um ambiente controlado, como, por exemplo, em uma sala.

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2.4.1 Roofnet

Testbed criado pela Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory do

Massachusetts Intitute of Tecnology (MIT) [Bicket et al. 2003], tem como objetivo descobrir o caminho mais rápido de um ponto A ao ponto B dentro de uma rede mesh e monitorar constantemente os caminhos de rede. Foram disponibilizados quarenta nós mesh em apartamentos espalhos em mais de oito quilômetros quadrados de área urbana, sendo que o percurso mais longo entre eles não pode ultrapassar quatro saltos. Através do roofnet, procurou-se fornecer acesso à Internet aos estudantes da universidade. A distância, perda de sinal e perda de pacotes eram medidos por um programa executando dentro dos nós mesh.

2.4.2 Testbed de WMN baseado no padrão IEEE 802.11

Testbed desenvolvido para validar a perfomance de uma WMN em um ambiente real [Song et at. 2009]. O testbed proposto foi implantado em uma sala fechada com três roteadores e dois clientes mesh, onde os roteadores têm o mínimo de mobilidade. Serviços multimídia tais como: voz, vídeo e texto também foram usados para confirmar as funções dos componentes do testbed

(roteadores e clientes).

2.4.3 iMesh

O iMesh é uma infraestrutura de Rede em Malha baseada no modo IEEE 802.11b, antes da criação do 802.11s [Navda et al. 2005]. Nela foi feita uma implementação de testbed com seis

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3 Trabalhos Relacionados

Esse capítulo tem como objetivo apresentar os trabalhos encontrados na literatura que abordam os assuntos mencionados no capítulo anterior (redes IEEE 802.11s, OpenWRT e testbeds) e que possuem objetivos semelhantes ao trabalho proposto. Entender os principais objetivos de cada um desses trabalhos, e analisar as arquiteturas propostas ajudou na especificação e modelagem do AIGA.

3.1 Abaré

[Pinheiro et al. 2010] propõem o Abaré que tem o objetivo de implantar e manter uma WMN em grande escala, sendo dividido em três camadas::

• Administração: o agente gerente e o agente instalador se encontram nesta camada. É responsável pela comunicação direta entre os roteadores e o administrador da rede0 • Núcleo: é onde se encontra o Abaré Core API e outros módulos que compõem o núcleo

da ferramenta. Aqui estão localizados os módulos responsáveis por enviar, armazenar, processar e coletar as informações transmitidas.

• Roteador: o Middrrouter está localizado nesta camada. Ele é responsável pelos programas instalados no roteador.

O framework utiliza scripts para coletar dados em cada roteador. A configuração dos roteadores está na mudança de endereços IPs, criação de scripts que executarão as tarefas que serão processadas em cada roteador e a mudança do firmware de cada máquina. A comunicação entre os gerentes e agentes são realizadas através da linguagem XML que serão executadas pelo

Middrrouter. O administrador da rede tem uma visualização de toda rede através de um servidor Web que está localizado no Abare Core API.

Apesar do Abaré ser feito para WMNs, ele não é baseado no padrão IEEE 802.11s.

3.2 Janus

[Riggio e Miorandi 2007] propõem o framework JANUS, uma ferramenta de gerência para redes IEEE 802.11s. A arquitetura da ferramenta, que é muito parecida com a do SNMP, possui os seguintes componentes:

• Mesh Node: é um nó Mesh que participa do WMN e roda o Janus Agent.

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Client, mantendo o controle de vários aspectos do dispositivo gerenciado. O Janus Agent fica ouvindo as conexões TCP do Nó do WMN.

• Mesh Knowledge Base: é o banco de dados do dispositivo gerenciado. Todas as informações que podem ser localizadas e rastreadas sobre o Nó Mesh estão aqui.

• Janus Client: é o programa executando em cada máquina. Pode ser considerado uma versão distribuída do Mesh Knowledge Base. Responsável pelo polling e o recebimento das traps enviadas pelo Janus Agent. Serve também para mudar as variáveis gravadas dentro de cada dispositivo gerenciado.

Apesar do JANUS usar uma arquitetura idêntica ao SNMP, ele não utiliza esse protocolo. Cada Junus Client consulta o Janus Agent periodicamente na porta 1167 para obter os objetos gerenciados. Quandos os objetos gerenciados são entregues ao Janus Client, então o cliente grava os objetos gerenciados no Mesh Knowledge Base. Um testbed em ambiente fechado foi realizado com a ferramenta usando seis Nós (computadores) Sem Fio e um servidor web (utilizado para monitorar todo o tráfego da rede e plotar as informações em um gráfico). O tráfego gerado no testbed foi analisado por um outro programa separado da ferramenta.

3.3 Meshadmin

[Valle e Muchaluat-Saade 2011] propõem o MeshAdmin, framework criado dentro da UFF. O meshAdmin é uma ferramenta de gerência de Redes em Malha Sem Fio utilizando o protocolo SNMP para sua implementação. A estrutura do Meshadminpossui cinco módulos principais:

• Módulo de coleta de dados: realiza a coleta dos dados nos nós e enlaces entre eles. Em cada Nó Mesh foi adicionado um programa agente (Mini SNMP) que é utilizado para coleta das informações solicitadas pelo gerente da rede.

• Módulos de armazenamento de dados: As informações obtidas pelo módulo de coleta são armazenadas no módulo de armazenamento de dados. Este módulo recebe as informações adicionadas pelo administrador da rede através do Painel de Configuração e armazena as mensagens geradas pelo módulo de alerta.

• Painel de configuração da ferramenta: é o painel utilizado pelo administrador para inserir os nós da rede Mesh e outros parâmetros de configuração. Este painel é dividido em quatro partes: Autenticação, Configuração, Diagnóstico e Monitoramento.

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oferece uma interface web desenvolvida utilizando o Django [Ref]. A tela inicial da ferramenta é dividida em três partes: visualização da topologia, informação de redes e nós e mensagens de alerta. O módulo de exibição tem como objetivo gerenciar a rede em tempo real.

A ferramenta foi testada em ambiente aberto na própria UFF com o intuito de verificar o impacto do overhead gerado pelo tráfego de monitoramento injetado pelo módulo de Coleta. Nos testes foram elaborados cinco cenários com 5, 7, 9, 10 e 12 nós, e foram realizadas 30 medições com intervalos de 20 minutos cada. Todos os testes realizados obtiveram resultados satisfatórios.

3.4 SCUBA

[Jardosh et al.] proprõem o SCUBA, uma ferramenta de monitoramento das WMNs. Possui um banco de dados e uma plataforma de visualização de toda a WMN feita em Java. O diagnóstico da rede é obtida através das métricas que são dividas em três tipos de contextos:

• Contexto do Roteador: consiste nas métricas de Vazão dos pacotes TCP e no RTT (Round-Trip Time) dos pacotes UDP. Essas métricas têm o objetivo de medir a qualidade entre os roteadores e o gateway de rede.

• Contexto de Enlace: o Contador de Transmissões Esperadas é a única métrica neste contexto. Determina a qualidade dos enlaces entre os nós do WMN.

• Contexto do Cliente: números de clientes associados a cada roteador, a porcentagem de cada canal utilizado por cliente, RSSI e o volume de interferências externas são as quatros métricas utilizadas neste contexto. São as métricas do ponto de vista do cliente porque descrevem as conexões de cada um deles e o tráfego gerado dentro do WMN. Todas essas métricas podem ser vistas em dois tipos de visões dos nós da rede: Planar e Hiperbólica. As duas possuem suas específicas vantagens e desvantagens. A ferramenta foi testada em ambiente fechado (UCSB MeshNet), possuindo 14 roteadores 802.11 a/g e um gateway. O objetivo do teste era verificar como o SCUBA indetificava um simples problema na rede MeshNet. O resultado foi satisfatório, mas se verificou um overhead computacional e nas transmissões dos pacotes na rede.

3.5 MeshFlow

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algumas propriedades do tráfego que passa por cada nó da WMN. O framework é dividido em cinco partes:

• Definição do registro: defini-se o que se deve gerenciar.

• Criação do registro: cria-se o registro para ser trafegado na rede. • Gravação do registro: registros são gravados nas máquinas da rede.

• Exportação do registro: registro é exportado até a máquina de gerenciamento dedicada. • Análise do registro: depois de exportado, os registros são gravados na máquina de

gerenciamento e submetida a uma análise completa da rede.

Definido as cincos partes do MeshFlow, a implementação fica a cargo do desenvolvedor que deve denificar as peculiaridades da rede para colocar em prática a estrutura da ferramenta proposta.

3.6 MAYA

[Manzoni et al. 2007] propõem o MAYA, Uma Ferramenta de Gerência para WMN. A arquitetura do MAYA é dividida em três partes:

• Nó Servidor: a interface web e o banco de dados do MAYA são instalados neste nível.

• Sistema de Distribuição da Rede Mesh: a rede distribuída é instalada neste nível, composta dos Roteadores Sem Fio usando uma aproximação de uma rede adhoc.

• Clientes: são os equipamentos que se associam aos roteadores da rede.

A implementação do MAYA é dividida em uma GUI, utilizando linguagens web, e um módulo de instalação de configuração, sendo feito por em linguagem C. O servidor usa tanto mensagens UDP e conexões SSH para configurar os roteadores. O protocolo utilizado nos testbeds é o AODV no OpenWRT.

3.7 OpenFlow

[McKeown et al 2008] propõem o OpenFlow, uma forma de novos pesquisadores experimentar novos protocolos em redes que são usadas no dia a dia. O OpenFlow é baseado em

switches e roteadores com tabelas de fluxo internas e uma interface padronizada para adicionar e remover entradas das tabelas de fluxo. O OpenFlow é constituído de três partes principais:

• Tabela de Fluxo: com uma associação para cada entrada de fluxo para dizer aos

switches e roteadores OpenFlow como processar o fluxo.

(33)

o controlador e os roteadores e switches do OpenFlow.

• Protocolo OpenFlow: que provê forma aberta e padronizada para o controlador comunicar com os switches e roteadores OpenFlow.

Muitos testbeds foram implementados com o OpenFlow, um exemplo é o testbed realizado na Universidade de StandFord utilizando NetFPGA em redes cabeadas [Covington et al 2008]. Outro exemplo em Redes Sem Fio, especificamente em WMN, é o de KUAMesh [Dely et al 2011].

3.8 Comparação entre os trabalhos pesquisados

As características de cada um dos trabalhos encontrados na literatura estão resumidas na Tabela 1.

Tabela 1: Comparação entre os trabalhos pesquisados

Trabalhos / Característic

as

Monitorame nto

Configuração SNMP Possui MIB Proprietária

Interface Gráfica

Abaré Sim Sim. Muda

firmware dos roteadores, endereços IPs e criação de scripts.

Não (Scripts) Não, possui banco de dados

proprietário

Sim (WebService – Apache)

MeshAdmin Sim Sim. Adiciona

nós mesh e configura as

máquinas.

Sim - v3 Sim – Parte dele

Sim (WebService – API JavaScript do Google Maps)

SCUBA Sim Não Não Não, possui um

banco de dados proprietário

Sim. Plataforma feita em Java.

MeshFlow Sim Pode configurar

ou não

Pode usar ou não

Pode ter ou não Pode ter ou não

JANUS Sim Não Não Não, possui

banco de dados proprietário.

Sim (Webservice- Geoplot)

MAYA Sim Sim. Através de Scripts

Não Não Sim. Interface Web

OpenFlow Não. Limitado

as informações

sobre os fluxos.

Sim. Usado para testar novos

protocolos.

Não. Usa o próprio protocolo OpenFlow

Não Não

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exemplo, os parâmetros específicos do HWMP. Os demais trabalhos não incluem recursos relacionados a testes nem suportam a configuração de diversos atributos específicos das redes IEEE 802.11s.

(35)

4

Arquitetura do AIGA

No capítulo anterior foram mostrados os trabalhos pesquisados na literatura que se relacionam com os objetivos propostos deste trabalho. Conforme foi discutido, nenhum deles atendia completamente as necessidades desta dissertação, pois o gerenciamento de uma WMN, incluindo o suporte a realização de testes para analisar o correta operação da rede, requer a realização das seguintes tarefas:

• Configuração: configurar as máquinas (roteadores) e os parâmetros dos protocolo Descoberta de Caminho para atenderem a diferentes cenários de testes (ex: diferentes topologias, diferentes tráfegos etc)0

• Geração de tráfego: é necessário para a geração de testes, pois diferentes tipos de tráfegos são necessários para medir o desempenho do protocolo de Descoberta de Caminho0

• Monitoramento: é a coleta das informações referentes ao desempenho dos tráfegos gerados de acordo com a configuração de rede e do protocolo de Descoberta de Caminho utilizados.

Conforme citado no capítulo 1, este trabalho propõe um ambiente chamado AIGA, que integra a realização dessas três tarefas acima mencionadas, podendo ser utilizado para gerenciar WMNs em cenários reais (de produção) ou em ambientes controlados (testbeds). Embora o AIGA possa ser utilizada para analisar diversos aspectos de uma WMN seu foco principal é permitir a análise dos protocolos de Decoberta de Caminho do IEEE 802.11s.

No gereciamento, pode-se optar, por exemplo, configurar uma rede com um determinado meshID, endereços IPs em uma determinada faixa, utilizar um canal de frequência em comum para todas as interfaces sem fio das máquinas da WMN, configurar quem serão os seus Pares de Conexões etc. Também no gerenciamento é importante configurar os parâmetros do Protocolo de Descoberta de Caminho, como, por exemplo, no caso do HWMP, alterar se o protocolo irá trabalhar no modo reativo ou pró-ativo. Após reconfigurações na rede, principalmente quando testbeds são utilizados para analisar o desempenho dos protocolos de Descoberta de Caminho, é necessário gerar tráfego na rede para em seguida medir seu desempenho de acordo com os parâmetros configurados. A estrutura do AIGA é baseada em quatros entidades principais:

• Gerente: é o programa responsável pelo gerenciamento da WMN. É a entidade central da rede, controlada por um administrador da rede.

(36)

(o SNMP é utilizado por ser o protocolo mais comum em gerência de redes) do gerente para a configuração e solicitação de objetos na MIB. Ele controla todas as mensagens SNMP do software gerente que chegam até ele.

• MIB: é a estrutura de armazenamento hirárquica em árvore que armazena as informações sobre os objetos que serão acessados e configurados pelo gerente da rede. • Software de geração de tráfego: é o software responsável pela geração de tráfego. Sua

comunicação com o gerente é feita através de um protocolo próprio, desenvolvido nesse trabalho.

A Figura 6 mostra os componentes do AIGA e o relacionamento entre suas quatro entidades principais.

O AIGA faz uso do SNMP para as tarefas de configuração e monitoramento, bem como de um programa adicional a ser executado nas máquinas que é encarregado da geração de tráfego.

A Figura 7 mostra o gerente da rede utilizando o AIGA para gerenciar e realizar um testbed

em uma WMN de acordo com o cenário desejado para cada experimento, onde a topologia desse experimento consiste de uma rede em grade, com cada máquina estabelecendo conexões apenas com seus vizinhos imediatos na horizontal e vertical (independente do layout físico do testbed).

(37)

O AIGA é dividido em três módulos que realizam as tarefas necessárias para a realização de da gerência e testbeds para avaliar o desempenho dos protocolos de Descoberta de Caminho. A junção das especificações desses módulos, que são feitos pelo gerente da rede, caracteriza um experimento, ou seja, um testbed. O restante desse capítulo apresenta cada um desses módulos em detalhes.

4.1 Módulo de Configuração

O primeiro passo para gerenciar uma WMN é configurar a rede de acordo com os parâmetros de rede e do protocolo de Descoberta de Caminho. O módulo de configuração tem o objetivo de configurar as máquinas da rede (meshID, Pares de Conexão, canal de frequência etc) e configurar o protocolo de Descoberta de Caminho utilizado, neste caso o HWMP.

De modo que se possa realizar a configuração desejada, as máquinas possuem atributos de configuração que podem ser alterados pelo gerente da rede, sendo divididos nas categorias de Configuração IP e Configuração Wi-Fi. Esses atributos são apresentados a seguir:

• Configuração IP

• Endereço IP: endereço IP da interface IEEE 802.11s0

• Máscara de Rede: máscara de rede da Interface IEEE 802.11s0 • Configuração Wi-Fi (IEEE 802.11)

• Placa ativa: ativa ou desativa a placa sem fio da rede IEEE 802.11s0

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rede IEEE 802.11s0

• Potência das antenas: modifica a potência em dBm das antena da rede IEEE 802.11s da máquina0

• Canal de cada placa Wi-Fi: canal de frequência que a interface sem fio da máquina irá trabalhar0

• Mesh (802.11s)

• Mesh ID: é o SSID Mesh utilizado para associação dos pares de conexão da interface IEEE 802.11s da máquina0

• Topologia Mesh: identifica quem são os pares de conexão da interface IEEE 802.11s da máquina0

• Deletar Par de Conexão: elimina determinado par de conexão da interface IEEE 802.11s da máquina0

• Liberar Novos Pares de Conexão: identifica se a interface IEEE 802.11s da máquina pode ou não estabelecer novos pares de conexão. OBS: Esse atributo de configuração é necessário, pois se um determinado par de conexão for eliminado, ele poderá voltar a ser associado à máquina caso a outra máquina da rede IEEE 802.11s também esteja liberada para novos pares de conexão.

• Encaminhar quadros Mesh: identifica se a interface IEEE 802.11s da máquina pode ou não encaminhar quadros IEEE 802.11s na rede0

• Algoritmo de Descoberta de caminho (HWMP)0

• HWMP

• Targe Only Flag (TO): se definido em 1 (um), somente o nó de destino poderá responder com um PREP0

• Retly and Forward Flag (RF): se setado em 0 (zero), o Nó Mesh intermediário não poderá encaminhar os PREQ, tal mecanismo acontece quando o TO estiver com o valor 0.

(39)

• Portal: identifica quem é o portal da rede (ponto de interconexão entre uma rede IEEE 802.11s e outra que não seja).

Recomenda-se que cada máquina da WMN usada em testbed possua também uma placa de rede ethernet, configurada com um endereço IP (provavelmente através de um servidor DHCP) para ser a interface utilizada para conexão do modulo de configuração do AIGA à maquina da rede. Optou-se por utilizar esse método de configuração, normalmente chamado de “fora de banda” (offband), para que o tráfego do AIGA não interfira no tráfego da WMN, bem como para evitar o risco de se perder a conectividade com os equipamentos0 fato que poderia ocorrer se as próprias interfaces IEEE 802.11s fossem utilizadas para esse fim.

O AIGA permite que cada configuração, tanto de rede e protocolo de Descoberta de Caminho, seja salva em um arquivo, para que possa ser utilizada futuramente. Isso evita que todos os passos da etapa de configuração precisam ser repetidos para a criação de cada testbed, simplificando bastante essa tarefa.

Conforme foi dito no início dessa seção, a configuração é o passo inicial para gerenciar uma WMN de acordo com os parâmetros de rede e do protocolo de Descoberta de Caminho. A Figura 8 mostra um exemplo de como uma rede IEEE 802.11s foi configurada0 os traços entre as máquinas (roteadores) representam as associações sem fio entre eles, ou seja, os pares de conexão (Peer Links). Foram estabelecidos endereços IPs para a interface IEEE 802.11s de cada máquina, na faixa entre 192.168.1.1 a 192.168.1.12 com máscara vinte e quatro (255.255.255.0). Todas as interfaces IEEE 802.11s de cada máquina tem o meshID com o nome “teste”, trabalhando no canal 11 (onze) e com uma potência de 40 dBm. Todos os passos do AIGA de geração de testes são realizados entre o programa gerência darede e o programa agente instalado nas máquinas da WMN via protocolo de

(40)

Gerência SNMP.

Depois de configurada a rede, é importante gerar tráfego para verificar se ela se comporta conforme esperad. Para isso, deve-se injetar pacotes na rede para que se possa medir o desempenho da mesma e do protocolo de Descoberta de Caminho, conforme descrito na próxima seção.

4.2 Módulo de Geração de Tráfego

A pós a configuração da rede, o segundo passo é a definição do tráfego a ser gerado na rede. Essa definição é feita na estação de gerência e permite que se especifique o tráfego a ser gerado por cada máquina da rede individualmente. Uma vez realizada a especificação do tráfego, essas informações precisam ser transmitidas para as máquinas da WMN, pois são eles que de fato fazem a geração do tráfego. Isso é feito utilizando um protocolo de comunicação próprio, definido exclusivamente para esta finalidade, e que será detalhado posteriormente. Uma vez que cada equipamento receba a especificação do tráfego, eles iniciam a geração dos pacotes.

A Figura 9 apresenta os programas que compõem o módulo de geração de tráfego. O TC-Server (Traffic Control Server) é um programa que deve executar em cada máquina da WMN, enquanto o TC-Client (Traffic Control Client) faz parte do software em execução na máquina de gerência. A função do TC-Server é receber do TC-Client a especificação do tráfego a ser gerado, interpretar essas mensagens, e chamar um segundo programa para gerar os pacotes, passando para ele os parâmetros adequados. Não houve necessidade de desenvolver esse segundo programa no AIGA, pois optou-se por utilizar um programa bastante conhecido e já amplamente utilizado pela comunidade de redes, chamado iperf [IPERF 2013].

O TC-Client representa a gerência, enquanto que o TC-Server, o Iperf Server UDP e o Iperf

Server TCP representam a geração de tráfego na máquina conforme demostrado na figura 6 no início desse capítulo.

(41)

O Iperf [Iperf 2013] é um programa utilizado para testar a largura de banda, variação do atraso (jitter), perda de pacotes e taxa de transmissão do pacotes da rede. Para realizar a medição desses parâmetros, o iperf injeta pacotes TCP ou UDP com diferentes atributos em uma determinada rede. Como utiliza o modelo cliente servidor, o Iperf requer que exista um servidor executando na máquina de destino de acordo com o protocolo (TCP ou UDP) utilizado pelo cliente. Desse modo, cada máquina da WMN deve executar duas instâncias do Iperf em modo servidor (uma para TCP e outra para UDP), conforme mostrado na Figura 9. Embora nem sempre sejam utilizadas em todas as máquinas, pois isso dependerá do testbed a ser realizado, essas instâncias são necessárias para que qualquer máquina da WMN possa ser alvo de um fluxo de dados. Naturalmente, cada máquina que for gerar algum tráfego (fluxo) para outra, executará temporariamente uma instância do Iperf em modo cliente.

O tipo de tráfego a ser gerado pelo Iperf, deve inicialmente ser especificado na estação de gerência e essa especificação deve ser transferida pelo TC-Client ao TC-Server de cada máquina envolvida, utilizando o protocolo de geração de tráfego que será especificado no capítulo 5. Lembrando que vários fluxos podem ser definidos para cada equipamento, a seguir são mostrados os parâmetros que podem ser configurados para cada fluxo TCP e UDP.

• Fluxo TCP

• IP de origem: IP da máquina de origem que irá injetar de pacotes na rede0

• IP de destino: IP da máquina de destino que receberá os pacotes enviados pela máquina de origem0

• ID do fluxo: cada solicitação de tráfego terá um identificador para cada conexão TCP injetada pela máquina de origem0

• Janela de Transmissão: é o tamanho do buffer da máquina de destino que armazenará os pacotes TCP que chegarão a ele0

• Tempo de Transmissão: é a quantidade de tempo em segundos que o programa na máquina de origem (iperf) injetará pacotes TCP na rede0

• Tamanho do Pacote: é o tamanho do buffer para ler e escrever. O iperf trabalha em escrever um vetor por um “tamanho” de bytes em uma quantidade de vezes

• MSS (Maximum Segment Size – Tamanho Máximo de Segmento): é o tamanho do maior segmento TCP que o iperf pode transmitir na rede.

• Fluxo UDP

• IP de origem: IP da máquina de origem que irá iniciar a injeção de pacotes na rede0

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máquina de origem0

• ID do fluxo: cada solicitação de tráfego terá um identificador para cada transmissão UDP injetada pela máquina de origem0

• Banda de Transmissão: é a banda passante que será fixada para a transmissão dos pacotes UDP.

• Tempo de Transmissão: é a quantidade de tempo em segundos que o programa na máquina de origem (iperf) injetará pacotes UDP na rede0

• Tamanho do Pacote: tamanho do pacote UDP que será injetado na rede0

É importante ressaltar que as máquinas suportam a geração simultânea de tráfego, ou seja, um mesmo roteador pode gerar pacotes para dois roteadores, ou mais, simultaneamente. Por isso, é utilizado o parâmetro “ID do fluxo”, de modo que se possa identificar unicamente cada fluxo de dados enviado por uma dada máquina. Portanto, para cada máquina deve-se utilizar um ID diferente para cada fluxo configurado. Esse atributo será utilizado pelo módulo de monitoramento.

A Figura 10 mostra uma visão macro do processo de geração de tráfego para enviar um fluxo de dados, cujo identificador será 20, da máquina 1 para a máquina 12 com os seguintes parâmetros:

• Identificador: vinte (20)0

• Tempo: vinte segundos0

• Janela: 10 Kilobytes0

• Tamanho: 1 Kilobyte0

• Tamanho Máximo de Segmento (MSS): 1,5 Kilobytes0

(43)

pacotes não é definida pelo administrador da rede, mas criada automaticamente pelo Protocolo de Descoberta de Caminho em uso na rede IEEE 802.11s.

A Figura 11 detalha o exemplo mostrado na Figura 9, enfatizando porém a comunicação entre os programas envolvidos. Inicialmente o administrador da rede utiliza o TC-Client para especificar e transferir a definição de tráfego (um fluxo) para o TC-Server que está executando no roteador 1 da WMN. Essa máquina é a máquina que consta como origem do fluxo, e essa mensagem é transferida utilizando o protocolo de geração de tráfego que será detalhado no capítulo 5 (passo 1). O TC-Server gera uma chamada para executar o Iperf em modo cliente passando para ele os parâmetros necessários para gerar o tráfego desejado (passo 2). O Iperf envia pacotes para o servidor TCP executando no roteador 12 (passo 3). Durante a geração dos pacotes no passo 3, o Iperf também calcula alguns parâmetros relacionados ao desempenho da transmissão. Como essas informações são calculadas pelo Iperf Servidor, elas são enviadas para o Iperf cliente do roteador 1 e são armazenadas pelo TC-Server (passo 4) desse roteador.

O modelo de geração de tráfego utilizado no AIGA permite que se criem diversos padrões de tráfego para serem aplicados sobre uma mesma configuração de rede, de modo a analisar como ela se comporta sob cada um deles, bem como de aplicar o mesmo padrão de tráfego sobre configurações de rede diferentes, permitindo identificar qual delas melhor suporta esse tipo de tráfego.

Depois de configurada a rede IEEE 802.11s, e realizada a geração do tráfego de dados, deve-se analisar as informações coletadas por cada máquina durante esdeve-se período para que deve-se tenha uma visão do comportamento da rede.