Simulação e Avaliação de Desempenho em Redes Bluetooth

BACHARELADO EM CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO

Ademir Francisco da Silva

SIMULAÇÃO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO EM

REDES BLUETOOTH

Carlos Becker Westphal, Dr

Ademir Francisco da Silva

SIMULAÇÃO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO EM

REDES BLUTOOTH

Trabalho de conclusão de curso submetido à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do grau de bacharel em Ciências da Computação.

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Prof. Dr. Carlos Becker Westphal

Orientador

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Rafael Tavares

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Mário Dantas

DEDICATÓRIA

Aos meus pais, minha irmã, minha namorada e a todos os meu amigos.

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador, Carlos B. Westphal, pelo suporte e dedicação.

Aos meus professores, por tudo que me ensinaram ao longo de minha vida acadêmica.

Aos meus pais, Francisco e Vera que foram meus primeiros educadores e me ensinaram valores como honestidade, sinceridade e caráter.

A minha irmã Vanessa, por todas as horas de divertimento e apoio.

A minha namorada, Melissa, que me ouve, me entende e serve de fonte de inspiração.

Ao meu mais antigo amigo, Lilo , que sempre possuia palavras de perseverança, força e humildade.

Aos meus amigos de universidade, Paraná, Rufos, Tales, Miguelito, Paulo, Jan , China, Beiço por todo o tempo que passamos juntos, seja estudando ou em churrascos da galera.

Aos meus amigos Bodão,Carrascu, Gaúcho, Josi, Adriano Cadaveric, Poca, Neto, Sandro, Gaúcho Anartria, Everton, Telma, Sara, Gabi e tantos outros que não foram citados, simplesmente por suas amizades e por todas as festas e churrascos imperdíveis e inesquecíveis.

SUMÁRIO

2. Redes Sem Fio (Wireless Networks)...16

2.1 Introdução...16

2.2Padrão IEEE 802.11...17

2.2.1 Topologias...20

2.3 Problemas Relacionados a Redes sem Fio...24

2.4 Qualidade de Serviço (QoS) ...25

3. Tecnologia Bluetooth...28

3.1 Histórico das Redes Bluetooh...28

3.2 Redes com Bluetooh...30

3.2.1 Tipos de redes...30

3.2.2 Canais de Comunicação...31

3.2.3Pacotes de Dados...32

3.3 Principais Aplicações...34

3.4 Arquitetura Bluetooh...36

4. Ambiente Experimental (Network simulator) ...40

4.1 Network Simulator(NS-2)...40

4.2 Características do Simulador...41

4.3 Vantagens do NS...41

4.4 Limitações do NS...42

4.5 Componentes Básicos...42

4.6 Modelo Básico de Redes Sem Fio no Network Simulator ...42

5. Resultados e Análise das Simulações...44

5.1 Latência...44

5.2 Variação do Atraso (Jitter)...48

5.3 Perda de Pacotes...51

5.3.1 First in First out (FIFO...51

5.3.2 Stochastic Fair Queing (SFQ ...52

5.3.3 Fair Queuing...53

5.3.4 Deficit Round Robin...54

6. Conclusões...56

6.1 Trabalhos Futuros...57

7. Bibliografia...58

Lista de Figuras

Figura 1. Camadas físicas no padrão IEEE 802.11...13

Figura 2. Transmissão usando FHSS...14

Figura 3. Exemplo de Transmissão utilizando DSSS...15

Figura 4. Exemplo de rede ad-hoc...16

Figura 5. Rede ad-hoc com alguns hops...17

Figura 6. Rede Infra Estruturada...18

Figura 7. Exemplos de chips Bluetooth...25

Figura 8. Exemplo de uma piconet...26

Figura 9. Piconets associadas formam um Scatternet...27

Figura 10. Formato geral do pacote Bluetooth ...28

Figura 11. Formato geral do access code Bluetooth ...28

Figura 12. Cabeçalho de Pacote Bluetooth...29

Figura 13. Conferência sobre PDAs. ....30

Figura14.Sincronização Automática...30

Figura 15. Dispositivo Bluetooth que possibilita acesso a internet...31

Figura 16. Grande mobilidade e praticidade...31

Figura 17. Mulfuncionalidade de dispositivos...32

Lista de Tabelas

Tabela 1. Percentagem de Pacotes Recebidos. FIFO...47

Tabela 2. Percentagem de Pacotes Recebidos. SFQ...49

Tabela 3. Percentagem de Pacotes Recebidos. FQ...50

Tabela 4. Percentagem de Pacotes Recebidos. DRR...51

Lista de Gráficos

Gráfico 2. Taxa de crescimento da Latência para Fila FQ...42

Gráfico 3. Taxa de crescimento da Latência para Fila SFQ...43

Gráfico 4. Taxa de crescimento da Latência para Fila DRR...43

Gráfico 5. Jitter Fila FIFO...44

Gráfico 6. Jitter Fila FQ...45

Gráfico 7. Jitter Fila SFQ...45

Lista de Abreviaturas

AP - access point

ACL Asynchronous Connection-Less Link Bit Error Rate – BER

CAC - Channel Access Code (Código de Acesso ao Canal DAC - Device Access Code (Código de acesso do Dispositivo): IAC - Inquiry Access Code (Código de Acesso de Interrogação): IEEE - internet

IBSS - independent basic service set

ISO - (Internacional Organization for Standardization) LAN - local area network

MAC - medium access control MANET - mobile ad hoc network QoS - Quality of Service

SCO (Synchronous Connection-Oriented Link SIG -Special Interest Group

STA - stations

WAN - wide area network

WAP - wireless aplication protocol WLAN - wireless local area network WWAN - wireless wide area network

Abstract. An increasing demand of new forms of communication, either it stops commercial ends or only for comfort of the citizens, it makes with that the development of nets of communication without wire becomes each more necessary time. In this segment of the communication industry it is interesting to analyze which better the technology of communication if adapta for an environment of communication total without wire. Ahead of this premise this work analyzes different configurations and projects of lines for an ad-hoc net implemented under the Blutooth technology and which the impact of these configurations on the parameters of quality of service.

Key Words: Ad-hoc, Qualidade de serviço, Bluetooth

Resumo. A crescente demanda de novas formas de comunicação, seja ela para fins

comerciais ou apenas para conforto dos cidadãos, faz com que o desenvolvimento de redes de comunicação sem fio torne-se cada vez mais necessária. Neste segmento da indústria de comunicação é interessante analisar qual a tecnologia de comunicação se adapta melhor para um ambiente de comunicação totalmente sem fio. Diante desta premissa este trabalho analisa diferentes configurações e esquemas de filas para uma rede ad-hoc implementada sob a tecnologia Blutooth e qual o impacto dessas configurações sobre os parâmetros de qualidade de serviço.

1. INTRODUÇÃO

A crescente necessidade de novas formas de comunicação, que sejam mais ágeis e eficientes, e o advento de novas tecnologias de comunicação fizeram com que o homem trocasse velhos equipamentos de comunicação eletro-eletrônicos por equipamentos novos, mais rápidos, eficientes, e que consomem menos energia. Desde então os meios de comunicação desenvolveram-se muito graças as novas tecnologias como maior poder de processamento, maior capacidade de armazenamento e a popularização dos computadores pessoais.

A evolução desses meios deu origem as redes de computadores e posteriormente as redes de dispositivos compactos sem fio. Estas redes sem fio são objeto de estudo da linha de tecnologia de redes móveis ou wireless networks.

As redes locais sem fio (WLANs) constituem-se como uma alternativa às redes convencionais com fio, fornecendo as mesmas funcionalidades, mas de forma flexível, de fácil configuração e com boa conectividade em áreas prediais ou de campus. Podem ter diversos alcances dependendo da tecnologia utilizada, rádio freqüência ou infravermelho, e do receptor.[SILVA, 2004]

O surgimento das redes sem fio propiciou uma série de vantagens no dia a dia das pessoas. O telefone celular, por exemplo, permite uma comunicação interpessoal móvel em qualquer lugar da área de cobertura facilitando a simples comunicação pessoal e auxiliando também profissionais que necessitam constante comunicação, podendo marcar reuniões ou até resolver problemas da empresa na qual trabalha sem necessidade de locomoção.

As funcionalidades da internet foram trazidas para os aparelhos portáteis de comunicação, sendo comum ver pessoas usando celulares e PDA’s nas ruas, em casa, na praia ou em qualquer lugar. Pesquisas confirmam que no Brasil já existem mais telefones móveis do que fixos, o que revela a grande importância e o grande crescimento das redes sem fio.

Ao longo dos anos, a evolução da tecnologia correspondente a miniaturização dos componentes e elevação das taxas de transmissão das redes sem fio alavancaram o grande crescimento das mesmas.

Na área científica, os estudos concentram-se nas redes locais sem fio (WLAN –

Wireless Local Area Network). Tais tecnologias procuram acabar com o problema de

conexão física, através de cabos tanto em redes de computadores como em periféricos de computador . Bluetooh e HomeRF são exemplos de soluções wireless.

Bluetooth é uma tecnologia de rádio de curto-alcance criada pela Ericsson em

meados da década de 90 e desenvolvida hoje por diversas companhias. Esta tecnologia sem fio possibilita a transmissão de dados em curtas distâncias entre telefones, computadores e diversos outros equipamentos de comunicação portáteis.

Esta tecnologia permite eliminar vários problemas encontrados na utilização de redes cabeadas tradicionais como emaranhado de cabos, diversos padrões de cabos e conectores , dificuldade de movimentação das estruturas computacionais devido a restrição dos cabos.

Na tecnologia Bluetooth esses problemas são superados devido as características apresentadas; alta conectividade, mobilidade, comunicação sem fio, tamanho reduzido e ligação entre dispositivos diferentes com baixo custo e baixo consumo de energia.

Todas essas funcionalidades fazem desta uma tecnologia bastante promissora e passível de uso em larga escala.

Qualidade de serviço é a garantia de parâmetros exigidos para um bom funcionamento dos serviços de uma rede sem fio.

1.1 Objetivos

Analisar através de simulações, o comportamento de uma rede bluetooth com uma topologia do tipo Ad-Hoc e diferentes esquemas de filas mediante métricas de Qualidade de Serviço verificando qual destes esquemas é mais eficiente e melhor atende as necessidades de uma rede sem fio.

Para a análise destes esquemas serão necessários alguns objetivos específicos;

ƒAvaliar suas técnicas de transmissão; ƒEstudar a tecnologia bluetooth;

ƒAprender a utilizar a ferramenta de simulação Network Simulator(NS-2); ƒAvaliar os resultados da simulação

ƒContribuir nos estudos e pesquisas referentes as redes de computador sem fio. 1.2Justificativa

Atualmente, na chamada “sociedade da informação”, existem novos usuários que precisam estar constantemente ligados a uma rede de informação ou de comunicação. A rede fixa com cabos, conectores e terminais não atende as necessidades de muitos profissionais, por exemplo, um engenheiro que trabalha diretamente no canteiro de obras e que precisa de comunicação rápida ou em uma viagem de avião, nestes casos não existe infra-estrutura de rede e as redes sem fio surgiram para amenizar este problema

Com o objetivo de satisfazer seus clientes e conquistar cada vez mais usuários as empresas de telecomunicações são responsáveis por investimentos pesados em pesquisas de qualidade de serviço alem de concorrerem umas com as outras para aumentar cada vez mais suas margens de lucros através do oferecimento de uma variada gama de serviços. O

bluetooth , por exemplo , já oferece integração entre os mais variados dispositivos.

Assim como toda nova tecnologia, as redes Bluetooth são muito promissoras mas ainda tem muito a evoluir sendo assim pesquisas com redes sem fio, onde esta inserido o

bluetooth, procuram descobrir e desenvolver novas técnicas que atendam a crescente

demanda por qualidade em serviços de redes sem fio.

Devido ao grande crescimento, em tamanho e importância, das redes sem fio no meio acadêmico e comercial foi escolhido este tema com ênfase na tecnologia bluetooth como tema deste trabalho.

1.3Trabalhos Correlatos

Existem diversos centros de pesquisa e universidades em que existem publicações sobre estudos em redes sem fio e qualidade de serviço dentre os quais é importante destacar:

Análise de Tráfego de Dados em Redes Bluetooth ; (D´OLIVEIRA, 2001). Analisa

o tráfego de dados e o seu comportamento em redes de topologia ad hoc em função da largura de banda.

Proposta e Validação de um Mecanismo para Garantir QoS em Redes Sem Fio de Topologia Ad hoc (LIMA, 2002). Faz a descrição de uma mecanismo de gerenciamento de

largura de banda com o intuito de garantir as métricas de qualidade de serviço em redes sem fio do tipo ad hoc.

Qualidade de Serviço em redes IP com Diffserv: Avaliação Através de medições

(MELO. 2001). Faz uso da arquitetura de serviços diferenciados para avaliar a qualidade de serviço em aplicações de voz e multimídia em diversos ambientes.

A Performance Comparison of Multi-Hop Wireless Ad hoc Network (Broch, 1998).

É realizada uma comparação entre os quatro protocolos que gerenciam múltiplos saltos em redes ad hoc usando o network simulator..

Clustering Algorithms for Wireless Ad hoc Networks (AGGARWAL, 2000).

Apresenta um algoritmo para a formação de scatternets , dividindo a rede inicialmente em

piconets e elegendo em seguida um “super master” e em seguida ocorre um reorganização

1.4 Organização do Trabalho

Com o intuito de tornar o trabalho mais organizado e facilitar a leitura e compreensão o trabalho foi dividido em oito partes, sendo elas;

O primeiro capitulo procurou introduzir o assunto de redes sem fio citando brevemente suas vantagens e aplicações com ênfase na tecnologia Bluetooth com um pequeno comentário sobre a mesma.

Em seguida, no segundo capitulo são apresentados os conceitos importantes mais importantes sobre redes sem fio, seu funcionamento, suas características, técnicas de transmissão bem como uma visão do padrão 802.11 do IEEE. Também são abordados protocolos de comunicação e os fatores relacionados aos aspectos de qualidade de serviço.

No terceiro capitulo eh abordada a tecnologia bluetooth, um breve histórico eh apresentado, logo em seguida as principais características técnicas, arquiteturas e possíveis aplicações.

A ferramenta utilizada no trabalho, Network Simulator (NS-2), eh descrita no quarto capitulo, eh mostrado seu principio de funcionamento, suas características básicas alem de vantagens e desvantagens de se uso.

No quinto capítulo estão os testes realizados e os seus resultados comentados e interpretados. São mostradas todas as considerações a respeito dos resultados e suas implicações nas métricas de QoS.

Por último, no sexto capítulo , são apresentadas as conclusões a respeito da realização do trabalho, as dificuldades encontradas, as considerações finais e a sugestão de trabalhos futuros que podem aprofundar ainda mais a pesquisa em redes sem fio

2. REDES SEM FIO (WIRELESS NETWORKS)

Este capítulo irá abordar os tópicos básicos e os atuais requisitos de rede de computadores sem fio exigidos para o seu correto funcionamento.

2.1 Introdução

No principio a baixa taxa de transmissão, pequena largura de banda e custos elevados não propiciaram a popularização das redes sem fio mas com a evolução dos componentes eletrônicos e a ascensão do sistema de telefonia celular as redes sem fio passaram a ser vistas como uma boa alternativa para as novas necessidades de comunicação e acesso a dados em tempo real surgidas nos anos noventa.

Nos últimos anos o sensível avanço nas tecnologias de rede fez com que o numero de pessoas utilizando a internet e celulares passassem de alguns poucos milhares para milhões de pessoas. Com a popularização destas tecnologias a demanda por serviços aumentou consideravelmente e para atender a todas as necessidades de aplicações multimídia e acesso a dados em tempo real, foram criadas varias soluções e produtos

wireless.

Nas redes fixas tradicionais existem os conceitos de LAN(Local Area Network) e WAN(Wide Area Network), esses conceitos foram naturalmente estendidos para as redes sem fio. Redes WLAN(Wireless Local Area Network) funciona para áreas locais ou não muito abrangentes e as redes WWAN(Wireless Wide Area Network) são muito mais abrangentes e foram desenvolvidas inicialmente para transmissão de voz e mais tarde adaptadas a transmissão de dados.

2.2 Padrão IEEE 802.11

O grupo de trabalho IEEE 802.11, do Instituto dos Engenheiros Elétricos e Eletrônicos, é responsável pela definição do padrão para as redes locais sem fio WLANs. O padrão proposto especifica três camadas físicas (PHY) e apenas uma subcamada MAC (Medium Access Control).

De acordo com o padrão 802.11 as camadas estão dispostas da seguinte maneira:

Figura 1. Camadas físicas no padrão IEEE 802.11

O draft provê duas especificações de camadas físicas com opção para rádio, operando na faixa de 2.400 a 2.483,5 mHz (dependendo da regulamentação de cada país), e uma especificação com opção para infravermelho, como apresentado abaixo;

ƒFrequency Hopping Spread Spectrum Radio PHY (FHSS): Esta camada trabalha por

espalhamento espectral por salto de freqüência e fornece operação a 1 Mbps, ou com a opção de 2 Mbps. A versão de 1 Mbps utiliza 2 níveis da modulação GFSK (Gaussian

Frequency Shift Keying), e a de 2 Mbps utiliza 4 níveis da mesma modulação. Nesta

técnica a banda passante é subdividida em camadas de mesma freqüência e os dispositivos bluetooth devem trabalhar de forma sincronizada para enviar e receber dados. O FHSS transmite os dados em uma freqüência e depois troca para outra freqüência, transmite mais alguns bits, troca de freqüência novamente e assim em diante. Este procedimento dificulta a ação de possíveis interceptores do sinal, já que esses não possuem a sequência de hopping usada pelos dispositivos envolvidos na

transmissão. Caso exista uma fonte de ruído em um certo canal, esse ruído só vai prejudicar a transmissão na freqüência especifica daquele canal.

Figura 2. Transmissão usando FHSS

ƒDirect Sequence Spread Spectrum Radio PHY (DSS): Esta camada provê operação em

ambas as velocidades (1 e 2 Mbps). A versão de 1 Mbps utiliza da modulação DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying), enquanto que a de 2 Mbps usa modulação DBPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying).Esta técnica transforma a representação binária dos dados em sinais de rádio adequados para transmissão. O processo é executado multiplicando-se a freqüência da onda portadora por um valor digital. O DSSS opera entre 2,4 e 2,4835 GHz, variando com o país onde é utilizado. O IEEE 802.11 define 14 canais de freqüências sendo que cada canal tem 5MHz de banda. O DSSS trabalha espalhando o quadro de dados digitalmente e então modula-se esse quadro para uma freqüência determitada. O sinal digital em uma transmissão DSSS consiste de uma série de bits “1” com sinal positivo ou negativo, e chama-se direct

sequence.

A sequência estabelecida pelo 802.11 é a esta :+1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1 ,-1. O modulador faz com que o sinal da banda básica passe para um sinal analógico na freqüência de operação do canal escolhido.

Figura 3. Exemplo deTransmissão utilizando DSSS

ƒInfrared PHY (IR): Esta camada fornece operação 1 Mbps, com 2 Mbps opcional. A

versão de 1 Mbps usa modulação 16-PPM (Pulse Position Modulation com 16 posições), e a versão de 2 Mbps utiliza modulação 4-PPM. (SILVA, 2004). O infravermelho transforma os dados em ondas de luz para realizar a transmissão, como não é possível atravessar obstáculos este tipo de transmissão é usado apenas em ambientes fechados onde os dispositivos comunicam-se diretamente ou através de reflexão da luz. A reflexão da luz é feita geralmente através do teto.

ƒA subcamada MAC: Esta camada fornece os seguintes serviços: autenticação,

desautenticação, privacidade e transmissão da MADU (MAC Sublayer Data Unit), e, no lado do sistema de distribuição: associação, desassociação, distribuição, integração e reassociação. O protocolo da subcamada MAC é o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple

Access with Collision Avoidence).

As estações podem operar em duas situações distintas:

Configuração Independente: Cada estação se comunica diretamente entre si, sem

a necessidade de instalação de infra-estrutura. A operação dessa rede é fácil , mas a desvantagem é que a área de cobertura é limitada. Estações com essa configuração estão no serviço BSS (Basic Service Set);

Configuração de Infra-estrutura: Cada estação se comunica diretamente com o

ponto de acesso que faz parte do sistema de distribuição. Um ponto de acesso serve as estações em um BSS e o conjunto de BBS é chamado de ESS (Extended Service Set).

Além dos serviços acima descritos, o padrão ainda oferece as funcionalidades de

roaming dentro de um ESS e gerenciamento de força elétrica (as estações podem desligar

seus transceivers para economizar energia).

2.2.1 Topologias

O padrão IEEE 802.11 possui duas topologias para redes sem fio; infra-estruturada e

ad hoc.

As redes ad hoc, que também são conhecidas como MANET(Mobile Ad Hoc

Network) caracterizam-se pela total mobilidade dos dispositivos de comunicação que

podem comunicar-se diretamente sem a necessidade de qualquer infra-estrutura de apoio. Este tipo de rede é visto como redes dinâmicas e randomicas .

Figura 4. Exemplo de rede ad-hoc(www.ixbt.com/comm/wireless/ smc-80211b/ad-hoc.png)

Nesta topologia IBSS(Independent Basic Service Set), a rede esta estruturada da seguinte forma: as estações STA(stations) ou nos que estejam na mesma área de sinal podem se reconhecer e formar uma rede espontaneamente.

As redes ad hoc são muito úteis em locais onde a instalação de uma infra-estrutura de rede não pode ser instalada, como por exemplo, uma montanha ou um local com condições geográficas adversas. Também são utilizadas por militares para troca de informações no campo de batalha. Ainda

ha a possibilidade do uso de uma rede ad hoc por equipes de resgate durante catástrofes naturais com enchentes ou furacões.

A comunicação em redes ad hoc eh feita da seguinte forma: um nó de origem emite pacotes de radio através da transmissão do sinal e o nó destino recebe os pacotes se ele estiver na área de cobertura do sinal.

Figura 5. Rede ad-hoc com alguns hops

Caso um nó da rede queira se comunicar com outro que esteja fora da área de alcance do sinal, é possível que seja feita uma rota passando por outros nós , desta maneira a transmissão executa vários hops (saltos) por diversos computadores ate chegar no nó destino.

As redes ad hoc como qualquer outra topologia de rede apresenta vantagens e desvantagens, como vantagens valem ser citadas(site ad hoc);

ƒRápida instalação, uma vez que as redes ad hoc podem ser estabelecidas dinamicamente

ƒTolerância a 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;

ƒConectividade: dois nós móveis podem se comunicar diretamente desde de que cada nó

esteja dentro da área de alcance do outro. Em redes infra-estruturadas ou em redes fixas, mesmo que dois nós estejam próximos, é necessário que a comunicação passe pela estação de suporte à mobilidade (no caso de redes infra-estruturadas) ou, no caso de redes fixas, haver uma ligação por meio de cabo entre os dois nós;

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

Por outro lado existem as desvantagens;

ƒRoteamento: 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;

ƒLocalização: outra 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 existem informações geográficas que auxiliem na determinação do posicionamento do nó;

ƒTaxa de erros: a taxa de erros associada a enlaces sem-fio é mais elevada;

ƒBanda passante: enquanto em meios cabeados a banda passante já chega em 1 Gbps,

os enlaces sem-fio suportam tipicamente taxas de até 2 Mbps.

As redes com infra-estrutura são formadas pelas estações (STA) e pelos pontos de acesso (AP), que são responsáveis por grande parte do funcionamento da rede, estes pontos de acesso dão suporte a mobilidade das STAs. Os pontos de acesso são nós especiais responsáveis pela captura e retransmissão das mensagens enviadas pelos nós móveis da rede. A transferência de dados nunca ocorre diretamente entre duas estações. O AP também pode agir como uma ponte para outra rede (cabeada ou sem fio).

Figura 6. Rede Infra Estruturada

Em uma rede com infra-estrutura cada AP cobre uma determinada área, a área coberta por uma única AP eh chamada BSA (Basic Service Area) e a união dos conjuntos de estações que comunicam-se umas com as outras forma um BSS (Basic Service Set).

Caso seja necessário cobrir uma área maior que uma célula pode-se unir varias BSAs através de um sistema de distribuição composto por um meio físico como par trancado ou fibra ótica. Os BSAs ligados por um sistema de distribuição constituem um ESA (Extended Service Area).

As funções básicas dos pontos de acesso são:

ƒAutenticação, associação, reassociação: através da função ando, permite que uma estação

móvel permaneça conectada a infra-estrutura de rede mesmo quando esta se movimenta de um BSA para outro.

ƒGerenciamento de potência: esta função permite a economia de energia, o AP armazena

quadros de dados endereçados a uma estação que esta no modo power save . As estações operam em sincronia com as APs e periodicamente ativam seus receptores para os APs transmitirem os quadros armazenados.

ƒSincronização: As estações recebem quadros de sincronia (beacons) com informações do

2.3 Problemas Relacionados a Redes sem Fio

Toda nova tecnologia apresenta problemas inerentes que tem que ser resolvidos para um melhor funcionamento da rede, vale citar alguns problemas técnicos das redes sem fio que são recorrentes na literatura e publicações especializadas:

2.3.1 Perda de Comunicação entre Estações: Um dos principais problemas existentes em um ambiente de comunicações móveis está ligado à possibilidade de perda de comunicação entre dois nós, como conseqüência há degradação do nível do sinal recebido e da interferência presente no meio rádio. Dessa forma, a comunicação entre um nó e seus vizinhos (nós que são alcançáveis pelo sinal do nó que está sendo tratado) deve sempre ser restaurada, por exemplo, através de outros nós, segundo um mecanismo de roteamento apropriado.(GONDIM,AMORIM,SANTOS,SOBRAL, 2004)

2.3.2 Handoff: Ambas as redes, infra-estruturada e ad hoc, operam dentro de um alcance estipulado e quando uma estação móvel move-se de uma célula para outra ocorre o

handoff. O handoff é uma função que permite que uma estação continue sua comunicação

mesmo quando muda de uma célula para outra. Pode haver um handoff intracelular devido a interferências e obstáculos.

2.3.3 Problema da Estação Oculta e Problema da Estação Exposta: Este problema ocorre quando uma estação pode receber frames de duas outras, mas as duas estações transmissoras não conseguem receber frames uma da outra.(FERNADES, SANTOS,2003).Quando ocorre tal situação alguma estação que queira transmitir pode ouvir o meio e concluir que ele está apto para transmissão mesmo se houver outra estação transmitindo ocasionando uma colisão na estação receptora.

2.4 Qualidade de Serviço (QoS)

No princípio das redes convencionais com infra-estrutura de cabos, conectores e estações fixas utilizava-se a técnica do melhor esforço onde cada usuário compartilha largura de banda com os outros usuários conectados a rede. Os dados de cada usuário são enviados pela rede através das rotas disponíveis e caso haja uma sobrecarga ou congestionamento em algum roteador, por exemplo, pacotes de dados são descartados sumariamente.

Mais tarde a ISO(Internacional Organization for Standardization) introduziu o conceito de qualidade de serviço (Quality of Service - QoS) que é uma maneira de garantir a qualidade dos serviços oferecidos pela rede aos seus usuários mediante métricas que avaliem seu desempenho e monitorem seu funcionamento.

Nas redes fixas tradicionais ainda é comum a utilização da técnica do melhor esforço para a transmissão de dados, contudo, em uma rede de transmissão sem fio os recursos são muito limitados e é necessário a aplicação de métricas de QoS para garantir o bom funcionamento e fazer com que todos os usuários deste tipo de rede possam acessar os serviços da maneira mais rápida e eficaz possível.

Existem dois modelos de implementação de QoS: serviços integrados (IntServ) e serviços diferenciados (DiffServ). IntServ é baseado em reserva de recursos, enquanto DiffServ é uma proposta na qual os pacotes são marcados de acordo com classes de serviços pré-determinadas.(http://www.rnp.br/qos/qos-sobre.html , acesso em maio de 2004).

Em uma rede de comunicação, seja ela do tipo sem fio ou com infra-estrutura, diferentes aplicações ou até mesmo os usuários irão requisitar diferentes tipos de tráfego e garantia de recursos de rede para sua transmissões. A rede deve estar preparada para atender esses recursos que são:

Largura de banda (bandwidth): A largura de banda é determinada pelo meio de

transmissão que está sendo utilizado, pelos protocolos, pela distância entre os nós intermediários e pela velocidade de comutação nos nós intermediários.(SILVA,2003).

Vazão (throughput): A vazão caracteriza-se como a taxa em que os bits de dados

porém , como cada quadro de transporte de dados contém uma cabeçalho com informações de controle a taxa de bits de dados efetivamente transmitida é menor que a largura de banda disponível. Aplicação Vazão Aplicações transacionais 1 kbps a 50 kbps WhiteBoard 10 kbps a 100 kbps Voz 10 kbps a 120 kbps Aplicações WEB 10 kbps a 500 kbps FTP 10 kbps a 1 Mbps Streaming de Vídeo 100 kbps a 1 Mbps Conferência Virtual 500 kbps a 1 Mbps Vídeo MPEG 1 Mbps a 10 Mbps Imagens médicas 10 Mbps a 100 Mbps Realidade Virtual 80 Mbps a 150 Mbps

Latência: É o tempo necessário para a transmissão de um pacote de dados de um

ponto emissor a outro receptor. Este requisito pode ser medido em milissegundos e é muito importante se avaliar o desempenho de uma rede. As principais razões da latência são: tempos de processamento nos dispositivos que compõem a rede (roteadores, computadores) e nos dispositivos finais, tempo de acesso ao meio em enlaces compartilhados e tempo de propagação no meio físico (SILVA , 2003).

Variação do Atraso(Jitter): Nas transmissões de dados os fluxos são divididos em

pequenas partes e colocadas dentro de pacotes padrão para a o envio a rede. Caso a rede conseguisse enviar uniformemente os pacotes, estes deveriam chegar em intervalos constantes ao destino mas em todas as redes não a uma garantia de atraso constante, e cada bloco de dados chega ao destino com um atraso diferente. A diferença entre os tempos de atraso dos pacotes numa transmissão é chamada de jitter .

Muitos são os fatores que podem desencadear variações de atraso: diferenças no tempo de processamento de pacotes, diferentes tempos de acesso a rede e imperfeições de

software ou hardware.

Taxa de erros (Bit Error Rate - BER): Esta taxa é a razão entre os bits recebidos

com erros ou perdidos e a quantidade de bits enviados.

Perda de Pacotes : A perda de pacotes é a razão entre a quantidade de pacotes

perdidos e a quantidade de pacotes enviados. Geralmente os pacotes são perdidos no descarte em filas de roteadores ou em colisões em meios compartilhados em redes locais.

Para que seja fornecido QoS de maneira apropriada é necessário verificar a demanda e características das aplicações que estão na rede, por exemplo: uma aplicação de vídeo suporta uma pequena perda de pacotes sem alterar a qualidade da percepção da imagem mas requer um atraso muito baixo já uma cliente que executa o download de arquivos não pode descartar nenhum pacote mas pode lidar com maiores atrasos. Como existem diferentes tráfegos é interessante que existam estruturas de controle na rede que identifiquem os tipos de tráfego e que reservem recursos diferenciados para cada um deles de acordo com suas necessidades.

3. TECNOLOGIA BLUETOOTH

Este capítulo consiste de um estudo dos aspectos da tecnologia bluetooth,, as características , detalhes técnicos, maneira de funcionamento e tópicos relacionados com o trabalho demonstrando uma visão ampla da tecnologia.

3.1 Histórico das Redes Bluetooth

O bluetooh começou a ser desenvolvido na década de noventa pela empresa de telecomunicações Ericssom que iniciou pesquisas no desenvolvimento de uma nova tecnologia para transmissão e interconexão entre dispositivos utilizando baixas frequências de rádio .

Em 1997, cinco grandes companhias: Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba formaram o grupo Bluetooth Special Interest Group (SIG). O nome bluetooh foi escolhido para tecnologia em homenagem ao rei Harald Blatand, que era conhecido em seu reinado na Dinamarca como Harald Bluetooh. Esse apelido lhe foi dado por ele possuir uma coloração azulada em sua arcada dentária. Harald Bluetooth ficou conhecido por ser um unificador da Dinamarca, logo o significado de Bluetooth é unificação.

Em pouco tempo a tecnologia bluetooh cresceu bastante visto a ampla gama de aplicações disponíveis para essa nova tecnologia e muitas empresas se associaram, entre elas vale citar: HP, 3Com, Philips, Motorola, Samsung, Siemens, Dell, Sony, enfim. isso permitiu uma ampla divulgação da tecnologia em todo o mundo.

O sistema Bluetooth é uma interface de rádio universal na faixa de freqüência de 2.4 GHz globalmente disponível que facilita a comunicação sem fios de dados e voz em ambientes estacionários e móveis. Bluetooth simplifica a comunicação e a sincronização entre aparelhos e substitui muitos dos fios e cabos que são usados para conectar aparelhos: telefones, impressoras, PDA's, desktops e laptops, fax, teclados, joysticks - quase qualquer aparelho digital que use um chip Bluetooth será capaz de aproveitar as vantagens desta tecnologia.

Figura7. Exemplos de chips Bluetooth

Mais do que somente uma substituição de cabos, a tecnologia sem fio Bluetooth provê uma conexão universal para redes de dados existentes - possibilitando a formação de pequenos grupos privados de aparelhos conectados entre si. A tecnologia de rádio do Bluetooth usa um sistema de freqüência de sinal que provê um link seguro e robusto, mesmo em ambientes com alto ruído e de grande interferência(http://www.ericsson.com.br/bluetooth/index.asp, acesso em maio de 2004 ).

Esta tecnologia apresenta características muito interessantes, o que dá a ela algumas vantagens :

ƒÉ uma solução de baixo custo e altamente interessante para redes de curto alcance; ƒA quantidade de equipamentos com chips bluetooth cresce a cada dia ;

ƒSuporte a transmissão de voz e dados;

ƒFacilidade de integração com protocolos de comunicação.

O uso ou não do bluetooth depende obviamente das necessidades da aplicação e possui algumas limitações;

ƒO número de dispositivos que podem se conectar a rede é limitada ; ƒO alcance é bastante curto.

3.2 Redes com Bluetooth

Existem várias maneiras com as quais a tecnologia bluetooth se conecta e configura o modo de acesso a rede e como vão ser tratados os pacotes, estas funcionalidades fazem com que as rede bluetooth sejam confiáveis e eficientes

3.2.1 Tipos de Rede

Nas redes bluetooth existem dois tipos de rede, piconets e scatternet, e os dispositivos conectados podem exercer papel de master ou de slave. O elemento master é quem inicia a comunicação com outra estação e o dispositivo slave é quem recebe a transmissão de um master.

A piconet é uma associação de no mínimo dois e no máximo nove estações bluetooth, nesta configuração de rede um dispositivo tem o papel de master enquanto todos os outros são slaves.

Figura 8. Exemplo de uma piconet

A scatternet é uma associação de várias piconets , uma scatternet pode ser formada por várias piconets e a comunicação entre elas é feita pelos dispositivos master de cada

piconet(HOTSTMANN, 2002). Cada piconet é identificada por uma seqüência diferente de

Figura 9. Piconets associadas formam um Scatternet

3.2.2Canais de Comunicação

A especificação bluetooth conta com dois tipos de canais para a comunicação entre os dispositivos master e slave;

ƒSCO (Synchronous Connection-Oriented Link) : Enlace Síncrono Orientado a conexão, é

um enlace do tipo ponto-a-ponto, simétrico onde as parcelas de tempo ficam reservadas e a rede funciona como se fosse por comutação de circuito. Este tipo de configuração atinge 64Kbps,taxa exigida para a transmissão de dados de voz PCM, e é ideal para a comunicação de pacotes voz. Os pacotes SCO podem ser enviados com redundância para corrigir a perda de pacotes visto que não a reenvio da informação.

ƒACL (Asynchronous Connection-Less Link): Enlace sem Conexão Assíncrono, define

de conexão é análoga a rede de comutação de pacotes e é permitido apenas uma ligação deste tipo entre master e slave..

3.2.3Pacotes de Dados

O pacote de dado bluetooth é bem simples sendo composto das seguintes partes:

access code, header e payload.

Fig 10. Formato geral do pacote Bluetooth

3.2.3.1 Access Code (Código de Acesso)

O access code permite a sincronização das piconetes e a identificação da piconet ou do elemento endereçado, o formato geral do access code é o seguinte:

Fig 11. Formato geral do access code Bluetooth

Os tipos de códigos de acesso são os seguintes:

ƒCAC - Channel Access Code (Código de Acesso ao Canal): Este código funciona

identificando a piconet de forma única e é incluído em todos os pacotes transmitidos por esse canal. O CAC é derivado do LAP (Lower Address Part).

ƒDAC - Device Access Code (Código de acesso do Dispositivo): Usado no procedimento de

paging e é derivado do LAP do dispositivo que está sendo acessado.

ƒIAC - Inquiry Access Code (Código de Acesso de Interrogação): Utilizado por estações

master quando estas querem saber quantos dispositivos bluetooth estão no seu raio de ação. Existem dois tipos : GIAC(General Inquiry Access Code) que é direcionado para todas as estações bluetooth e o DIAC(Dedicated Inquiry Access Code) que é endereçado a um subgrupo que tenha alguma característica em comum.

3.2.3.2 Header (Cabeçalho)

O cabeçalho é composto por seis campos como demonstrado na figura:

Fig 12. Cabeçalho de Pacote Bluetooth

•AM_ADDR (3 bits): Endereço do membro ativo.É formado de um rótulo de 3 bits

para cada slave ativo na piconet. O rótulo 0 é utilizado quando mensagens serão do tipo broadcast.

•TYPE (4 bits): Tipo do pacote. Existem ao todo 16 tipos de pacote que tem

interpretação do seu significado dependente do tipo de link físico utilizado (SCO ou ACL).

•FLOW (1 bit): Controla o fluxo no caso de pacotes ACL. O valor zero indica que a

transmissão deve parar e o valor 1 que a transmissão pode seguir.

•ARQN (1 bit): Indica se houve sucesso na transmissão do pacote (ARQN = 1, ACK)

ou falha (ARQN = 0, NAK) no envio de um pacote ACL .

•SEQN (1 bit): Faz com que o receptor identifique a sequencia de transmissão de

pacotes podendo assim reconhecer a retransmissão de pacote no caso da perda de um ACK.

• HEC (Head Error Check) (8 bits): Verificador de Erro de Cabeçalho, permite a

verificação da integridade do cabeçalho enviado.

Somando-se os bits do campo header verifica-se que eles ocupam 18 dos 54 bits utilizados no pacote, isto porque existe um esquema de proteção contra erros chamado de codificação FEC 1/3 onde cada bit é transmitido três vezes.

3.2.3.3 Payload

O campo payload contém os dados das transmissões e quando não é de controle pode carregar pacotes de voz ou de dados ou ainda ambos. Um campo de dados pode ser dividido em cabeçalho , corpo da mensagem e código CRC que serve para a verificação de erros na transmissão.

3.3 Principais Aplicações

A tecnologia bluetooth procura melhorar e facilitar o uso das redes através da eliminação da necessidade do uso de cabos, conectores e estações fixas. Entre os principais usos do bluetooth destacam-se:

ƒConferência Interativa: Em conferências e reuniões podem ser transferidos documentos e

cartões de negócio a qualquer momento por qualquer um dos participantes sem qualquer utilização de fios facilitando a comunicação e agilizando as reuniões.

Figura 13. Conferência sobre PDAs.

ƒSincronizador Automático: Listas de endereços e agendas podem ser automaticamente

atualizados de acordo com o sincronizador presente no desktop ou no telefone móvel.

Figura 14. Sincronização Automática

ƒAcesso a internet: Através de um notebook, laptop ou qualquer dispositivo portátil é

LAN, ADSL) eliminando tempo gasto com locomoção e a necessidade de procurar uma estação fixa de acesso a rede.

Figura 15. Dispositivo Bluetooth que possibilita acesso a internet

ƒMobilidade: A conexão sem fios faz com que o usuário tenha total liberdade para utilizar

os serviços da rede onde quer que esteja além de também poder deixar as mãos livres para executar outras atividades.

Figura 16. Grande mobilidade e praticidade

ƒMultifuncionalidade: Um telefone bluetooth pode funcionar em casa como o telefone fixo,

quando em movimento como um telefone móvel normal e ainda profissionais como eletricistas, engenheiros, instaladores e muitos outros que necessitam de comunicação instantânea podem utiliza-lo como rádios walkie talkie.

Figura 17. Mulfuncionalidade de dispositivos

3.4 Arquitetura Bluetooth

A arquitetura bluetooth é definida com base no padrão 802.11para redes sem fio ad hoc . As características técnicas estão definidas nas especificações “Core” (núcleo) e “Profiles” (perfis).

Core define como vão funcionar e se relacionar partes internas partes internas do

sistema como protocolos , camadas e algoritmos e o profile define como os elementos que integrantes do sistema podem ser arranjados para a realização de aplicações desejadas.

As especificações bluetooth determinam o comportamento não só das camadas mais baixas da rede como também das camadas de aplicação.

As camadas inferiores são responsáveis pela interconexão e controle dos dispositivos bluetooth e as camadas superiores responsáveis pelos protocolos de aplicação.

Figura 18. A Pilha de protocolos Bluetooth

3.4.1 Bluetooth Radio

O bluetooth opera na faixa de freqüência ISM (Industrial, Scientific and Medical ) que opera de 2,4 a 2,48 GHz pois esta faixa não é regulamentada por órgãos oficiais e pode ser usada livremente sem restrições.

Para as transmissões é utilizada a técnica de espalhamento de espectro (spread

spectrum) por saltos de freqüência (frequency hopping) onde a banda existente é dividida

em 79 canais independentes de 1MHz e a frequencia de transmissão é chaveada ao longo do tempo. Desta maneira são amenizados os problemas de sinais externos e do desvanescimento de sinal (multipath fading) tornando a transmissão mais eficaz.

A especificação bluetooth define três classes de transmissores:

•Classe 1: Maior potência de transmissão de 100 mW, alcance de até 100 metros.

•Classe 2: Maior potência de transmissão de 2.5 mW, para alcances de 10 metros.

3.4.2Baseband

Esta camada atua como controladora de enlace do bluetooth e corresponde as camadas física e de enlace no modelo OSI. Esta camada é responsável pela interface física do canal e fornece os saltos de freqüência utilizados na transmissão FHSS(LOBATO,TAVARES, 2003).

3.4.3 Link Manager Protocol (Protocolo Gerente de Ligações)

O LMP prove funções como anexar e desanexar estações slaves trocar as regras entre masters e slaves e estabilizar ligações ACL e SCO.

Durante a configuração da ligação a LMP faz a configuração dos parâmetros , do poder de controle (quando suportado) , da qualidade do serviço (QoS) e da autenticação dos dispositivos a serem ligados.

De maneira geral as funções da LMP são as seguintes(HORSTMANN, 2002): 1.Gerenciamento de Piconet;

2.Configuração das ligações;

3.Funções de segurança

3.4.4Controle de Ligação Lógica e Protocolo de Adaptação(L2CAP)

Caso não exista um host controlador é nesta camada que são oferecidas algumas funcionalidades importantes as camadas superiores. São elas:

Multiplexação, quando dois dispositivos estão conectados deve ser oferecido a capacidade de uso de múltiplas aplicações.

Segmentação e re-união, as camadas superiores manda m pacotes de até 64 kb e as camadas inferiores aceita pacotes de até 2.745 bits, sendo assim a L2CAP diminui o tamanho dos pacotes no transmissor e os remonta no receptor.

Qualidade de serviço, a L2CAP verifica se o canal pode prover os requisitos de qualidade de serviço solicitado pelas aplicações e permite requisições de largura de banda, latência e jitter.

3.4.5 Host Controler Interface (HCI)

Em muitos equipamentos(laptpos, notebooks, computadores) pode ser adicionado um módulo bluetooth para ligar o dispositivo a rede, pode ser uma cartão PCMCIA ou conector USB. AS camadas mais baixas(radio, baseband e LMP) estão implementadas em

hardware , sendo um driver no equipamento host e um controlador de interface no módulo bluetooth. Para o correto funcionamento são necessárias duas camadas extras:

•Driver HCI: Driver para o host controlador de interface. Ele fica instalado no host, acima

do barramento físico, e traduz os dados para serem aceitos pelo host controlador no módulo bluetooth..

•Host Controlador de Interface: Este controlador está no hardware Bluetooth e faz a

4.Ambiente Experimental (Network Simulator)

Neste trabalho para avaliar melhor o efeito dos diferentes esquemas de fila e diferentes configurações de rede será utilizado um simulador de redes pois poderão ser simuladas grandes redes com diversas configurações diferentes o que seria impossível em uma rede real devido a total ausência de dispositivos sem fio e o grande custo financeiro para a aquisição de tais equipamentos, fator que impede este estudo em um ambiente real.

Desta maneira o simulador escolhido foi o NS-2 (Network Simulator 2.26) pois este programa é bem aceito na comunidade científica e já vem sendo usado em trabalhos anteriores no Laboratório de Gerência de Redes da Universidade Federal de Santa Catarina, laboratório no qual trabalha o orientador deste projeto, Carlos B. Westphal. Desta maneira é possível aprender com a experiência dos graduandos e mestrandos que lá trabalham e já estão mais familiarizados com este programa.

4.1 Network Simulator (NS-2)

O NS é um simulador amplamente aceito no meio científico e recomendado por grandes institutos e empresas como o IEEE(Institute of Eletrical and Eletronics Engineers) e a IBM.Ele originou-se do simulador REAL (Realist and Large)que por sua vez originou-se de um simulador da universidade de Columbia em Nova Iorque, o NEST. A partir de 1995 o desenvolvimento do NS foi executado pelo projeto VINT (Virtual InterNetwork

Testbed) que é patrocinado pelo DARPA e atualmente é suportado e distribuído pelo ISI

(Information Sciences Institute), ele é um programa de código fonte aberto e gratuito permitindo que seu código seja alterado de acordo com novas necessidades de simulações. O NS também inclui partes de desenvolvedores como a UCB Daedelus , CMU Monarch Projects, Sun Microsystems que foram responsáveis pelo código das simulações wireless.

O NS é compátivel com as plataformas mais populares e é possível instalar o simulador em diversos ambientes: FreeBSD, SunOS e também na plataforma Windows.

4.2Características do Simulador

O Network Simulator é um simulador de redes orientado por eventos discretos e orientado a objetos. O NS-2 simula vários tipos de rede IP, fornece suporte para simulações TCP, UDP além de várias disciplinas de filas , protocolos para redes móveis, redes sem fio como o 802.11, bluetooth e GPRS(General Packet Radio Service).

O NS possui também diversas bibliotecas de funções para geração de tráfegos CBR(Constant Bit Rate), útil para simulação de tráfegos de voz, VBR(Variable Bit

Rate)para ambientes com taxa de bits variável e FTP para simulação de transferência de

arquivos .

O NS é constituido de um núcleo programado em C++, e possui suporte a Otcl para construção de scripts e modelagem de simulação, tais características dão ao simulador flexibilidade ao permitir a construção de diferentes modelos de programação e garantem bom desempenho.

O núcleo do NS é responsável por tarefas que exigem grande processamento como a simulação de roteadores, encaminhamento de pacotes e funções de controle. Já os scripts que possuem os modelos a serem simulados são escritos em Otcl(Object Tool Control

Language) que é uma versão orientada a objetos da linguagem Tcl(Tool Control Language). A escolha de uma linguagem interpratada é que os scripts são constantemente

alterados para diferentes simulações e então não se faz necessário a recompilação do código a cada nova simulação.

4.3 Vantagens do NS-2

ƒDisponibilidade de simulador padrão para a comunidade científica (SILVA, 2003); ƒO código é aberto e gratuito para toda a comunidade;

ƒFacilidade para desenvolver novos protocolos;

ƒDisponibilidade de grande variedade de protocolos (multicast, redes ad hoc, redes de

4.4 Limitações do NS-2

O NS possui um aprendizado difícil pois há uma escassez de documentação adequada para pessoas iniciantes. A documentação geralmente se encontra quase sempre em páginas na internet de estudantes ou pesquisadores que utilizam o simulador.

Também é necessário o aprendizado da linguagem Otcl que não é muito complicada mas requer tempo de estudo e adaptação.

A versão para a plataforma Windows não é recomendada pois apresenta um funcionamento inferior ao da plataforma Unix que é sua plataforma de origem.

4.5 Componentes Básicos

Para se realizar uma simulação são necessários alguns componentes básicos :

ƒNó: Elementos mais simples de uma rede, estão associados a hosts de uma topologia; ƒAgente: No NS-2 são os protocolos TCP e UDP. Também são suportados vários outros

protocolos além da possibilidade da implementação de novos agentes na classe agent do NS-2

ƒEnlace: Interconecta dois nós e são uma representação em software das camadas físicas

meios de difusão e ambientes wireless.

ƒAplicação: Representa uma aplicação normal de um dispositivo da rede gerando tráfego

para o simulador.

4.6 Modelo Básico de Redes Sem Fio no Network Simulator

O modelo de redes sem fio consiste basicamente de um nodo móvel com características adicionais que dão suporte a simulações multi-hop, redes ad-hoc e LANs sem fios.

A classe de C++ MobileNode é derivada da classe Node. Um MobileNode é assim um objeto de Nodo básico com funcionalidades adicionadas de um nodo sem fio e móvel como habilidade para se mover dentro de uma determinada topologia e possui a habilidade para receber e transmitir sinais para e de um canal sem fios .

Existem quatro protocolos de roteamento para redes ad-hoc ; Destination Sequence Distance Vector (DSDV), Dynamic Source Routing (DSR), Temporally ordered Routing Algorithm (TORA) and Adhoc On-demand Distance Vector (AODV).

4.7 Modelo Simulado

Nas simulações de rede sem fio são necessários vários fatores e parâmetros, nós, enlace, agente, tipo do canal, tipo de interface de rede, aplicação, modelo de propagação de rádio, camada de ligação , tipo de fila, protocolo de roteamento Ad-Hoc, etc. Para o modelo simulado foram escolhidos diferentes tipos de fila e tamanho de pacote estações, todos os outros parâmetros são padrão do NS.

A arquitetura escolhida para a simulação foi uma rede ad-hoc . Este modelo é útil pois emula redes sem fio que podem ser utilizadas para redes locais compostas por dispositivos móveis (laptops , PDA`s) ou então conferências interativas onde os participantes podem estar distribuídos dentro de uma determinada área geográfica.

A arquitetura mostrada na figura anterior ilustra a rede ad-hoc formada por estações 802.11b onde é alcançada uma taxa de 2Mb/s, esta configuração é padrão do NS-2 e inclui o padrão bluetooth.

A área de abrangência é de 200m x 200m, nessa área os nodos movem-se utilizando velocidades e destinos aleatórios , cada nodo escolhe independentemente um destino e move-se até ele, ao chegar na posição aguarda um determinado período de tempo e depois move-se novamente.

Durante as simulações adotou-se tamanhos de pacotes de 64, 256, 512, 1024, 1700 e 2048 bytes visando analisar o impacto de diferentes tamanhos nas métricas analisadas como

jitter, latência e vazão e o tempo estipulado para a simulação foi de 300s.

Para cada configuração estipulada, a simulação foi repetida 5 vezes para obtenção de resultados mais concretos.

Além das configurações do número de estações e do tamanho de pacotes foram utlizados os quatro tipos de fila; FIFO, SFQ, FQ e DRR.

5. Resultados e Análise da Simulações

As simulações realizadas no Network Simulator utilizaram suas funcionalidades padrão para redes wireless.

Foi observado o comportamento da rede ad-hoc com os quatro tipos de fila disponíveis no NS; FIFO, que é o padrão do Host Controller e mais os esquemas FQ, SFQ e DRR.

A interpretação dos resultados mostrada a seguir levou em conta as métricas de QoS escolhidas para o trabalho, verificou-se a taxa de perda de pacotes, o jitter, vazão(Throughput)e a latência gerados em cada esquema de fila. Serão mostrados os resultados por por parâmetro de QoS; vazão, latência , jitter e perda de pacotes.

No esquema de fila FIFO, que é muito comum em sistemas operacionais e redes, não existe uma garantia de controle de tráfego ou seleção de pacotes, o único fator limitante é o tamanho da fila que foi estipulado em 30 pacotes (padrão do NS), em uma situação que esse número seja excedido os pacotes são descartados sumariamente.

5.1 Latência

Este parâmetro é um dos principais fatores de QoS para avaliação de uma rede. Nas aplicações de tempo real com streaming de vídeo é importante manter um atraso fim-a-fim baixo pois caso contrário podem haver sobreposições de quadros ou a execução do vídeo pode ser feita a uma taxa de frames muito pequena. Mesmo para tráfego de dados onde o importante é a integridade dos dados é importante estabelecer metas de latência que não tornem o tempo de transferência demasiadamente grande.

Os gráficos (1,2,3,4) mostram a respectivamente a latência obtida com os esquemas de fila FIFO, FQ, SFQ, DRR.

Latência FIFO

Gráfico 1. Taxa de crescimento da Latência para Fila FIFO

Latência FQ

Nos esquemas de fila FIFO e FQ ficou evidente que a quantidade de pacotes na fila não influencia muito a latência , o fator que mais influenciou foi o tamanho dos pacotes que aguardavam envio e quanto maior o tamanho do pacote maiores eram os reflexos na latência.

Nos estágios iniciais da simulação o tráfego de pacotes menores é maior, facilitando a transmissão e acarretando em latência baixa, mas a partir do momento em que pacotes maiores começam a ser enviados houve um crescimento do atraso fim-a-fim.

Durante as simulações, em ambos os esquemas de fila, quando havia o recebimento de um pacote grande (2048 bytes) ocorria um aumento considerável da latência em relação ao pacote anterior. Os pacotes posteriores mesmo sobre a influência de estarem atrás de um pacote grande possuem latência menor.

Como os pacotes menores(64, 128, 512 bytes) possuem um atraso menor que os grandes (1700, 2048 bytes) chega um momento em ficam na rede apenas os pacotes maiores acarretando em um crescimento bastante grande da latência se comparado ao momento em que os pacotes pequenos estavam no sistema.

Desta maneira, chega-se a conclusão que a presença de pacotes grandes na transmissão acarreta em latência cada vez maior e ainda há um efeito negativo sobre o atraso dos pacotes menores.

O esquema SFQ também sofre influência negativa dos pacotes maiores, mas como ele possui um controle de fluxos em que quando uma fila de um determinado fluxo alcança o limite o pacote é descartado. Devido a essa política de descarte de pacotes, ocorre uma perda de pacotes maior que dos outras esquemas de filas, mas consequentemente a latência é reduzida.

Já no esquema DRR, o gerenciamento da fila privilegia os pacotes com tamanho menores, eles são colocados e retirados da fila antes dos pacotes maiores, isso faz com que estes não sofram efeitos na latência devido aos pacotes maiores, ou seja, eles podem ser enviados depois dos maiores, mas ainda assim chegam antes e não há um efeito grande na latência. Naturalmente quando os pacotes maiores começam a circular a latência é elevada mas fica menor que nos esquemas FIFO e FQ.

Latência SFQ

Gráfico 3. Taxa de crescimento da Latência para Fila SFQ

Latência DRR

5.2 Variação do Atraso (Jitter)

A média da variação do atraso nas simulações foi influenciada pela diferença nos tamanhos dos pacotes como ocorrido com a latência. Os gráficos (5,6,7,8) exibem respectivamente os resultados de jitter obtidos obtidos com os esquemas FIFO, FQ, SFQ e DRR.

Jitter FIFO

Gráfico 5. Jitter Fila FIFO

Gráfico 6. Jitter Fila FQ.

Jitter SFQ

Jitter DRR

Gráfico 8. Jitter Fila DRR

Observa-se que nas filas FIFO e FQ os valores de jitter foram bastante parecidos e os pacotes menores possuem um jitter maior que nos esquemas DRR e SFQ devido a falta de política de descarte de pacotes e a alta latência dos pacotes maiores.

No esquema DRR os pacotes menores possuem valores menores de jitter e ainda observa-se que quando há a entrada de pacotes maiores no sistema ocorre um oscilação nos valores de jitter devido a política de descarte que começa a descartar os pacotes maiores.

O esquema SFQ que possui uma política de descarte de pacotes que visa baixar a latência e consequentemente o jitter alcançou valores mais baixos do que nos outros esquemas.

Pode-se dizer que se fosse adotado um tamanho padrão de pacotes para a comunicação entre as STA’s se chegaria a valores de jitter próximos do ideal, que são atrasos iguais para pacotes iguais.

5.3 Perda de Pacotes

Em qualquer tipo de rede, cabeada ou wireless, é importante adotar protocolos e esquemas de transmissão visando minimizar a perda ou descarte de pacotes pois isso implica em overhead de processamento para reenvio do mesmo pacote, aumento na latência de outros pacotes posteriores e há um efeito negativo nos fatores de QoS de maneira geral.

Em redes wireless os pacotes podem se perder devido a fatores como congestionamento, capacidade da fila, mobilidade das estações e tamanhos dos pacotes.

5.3.1 First in First out (FIFO)

Este tipo de fila é muito comum em sistemas operacionais e redes, e não possui uma política de seleção de quais pacotes devem ser excluídos ou não durante uma transmissão, a exclusão de pacotes se dá simplesmente quando o limite da fila é atingido, neste ponto todos os pacotes que chegam a fila começam a ser descartados indiscriminadamente.

Todos os pacotes nas filas FIFO possuem o mesmo tratamento e não possuem serviço garantido.

Tabela 1. Percentagem de Pacotes Recebidos. FIFO

Tamanho Enviados Recebidos Perdidos

64 115 109(94,78%) 6(5,22%) 128 115 108(93,92%) 7(6,08%) 256 115 110(95,65%) 5(4,35%) 512 115 110(95,65%) 5(4,35%) 1028 115 112(97,39%) 3(2,61%) 2048 115 114(99,13%) 1(0,87%) 690 663(96,08%) 27(3,92%)

Como todas as estações começam a transmitir no instante inicial da simulação, existe um quantidade bastante grande de dados entrando na rede a todo momento e quando a capacidade máxima de cada fila , que é de 30, foi alcançada começou a haver o descarte de pacotes.

Verificou-se que quanto maior a quantidade de pacotes de maior tamanho presentes na fila maiores são os tempos de processamento e permanência na fila, devido a esse fato a taxa de descartes foi proporcional ao fluxo de chegada de pacotes na fila.

Os pacotes de menor tamanho são enviados ao meio físico mais rapidamente que os pacotes maiores e proporcionam a diminuição do enfileiramento.

5.3.2 Stochastic Fair Queing (SFQ)

Neste esquema de enfileiramento são criados fluxos para cada tipo de pacote que chega ao nodo , respeitando o limite máximo de pacotes que é de 30. O SFQ cria filas separadas para cada fluxo de dados, como existem seis tipos de dados(64, 256, 512, 1024, 1700 e 2048 bytes) são criadas 6 filas em que cada uma contém 5 posições.

As filas de cada tipo de dado são do tipo FIFO e a transmissão dos dados dessas filas ocorre sobre a política round-robin onde um pacote de cada fila é transmitido por vez.

Como os pacotes menores ( 64 e 256 bytes) possuem um tempo de processamento menor e circulam mais rapidamente na rede, houve um esgotamento das filas dos mesmos primeiro e consequentemente o descarte desses começou antes dos pacotes maiores.

A fila dos pacotes maiores (1700 e 2048 bytes) foram as últimas a se esgotarem e a partir deste momento a taxa de descarte passou a ser semelhante para todos os fluxos de dados.

Tamanho Enviados Recebidos Perdidos 64 115 92(80%) 23(20%) 128 115 93(80,86%) 22(19,14%) 256 115 92(20%) 23(20%) 512 115 99(86,08%) 16(13,92%) 1028 115 90(78,26%) 25(21,74%) 2048 115 101(87,82%) 14(12,18%) 690 567(82,17%) 123(17,83%)

Tabela 2. Percentagem de Pacotes Recebidos. SFQ

5.3.3 Fair Queing (FQ)

Neste tipo de fila é atribuído a cada pacote um tempo teórico de finalização. O algoritmo retira os pacotes da fila e os envia quando houver capacidade no canal, pacotes com tempo de finalização curto são enviados antes de pacotes com tempo de finalização elevado.

O comportamento da fila FQ foi bastante semelhante ao da fila FIFO com um desempenho ligeiramente melhor.

Tamanho Enviados Recebidos Perdidos 64 115 108(93,92%) 7(6,08%) 128 115 109(94,78%) 6(5,22%) 256 115 109(94,78%) 6(5,22%) 512 115 105(91,3%) 10(8,7%) 1028 115 112(97,4%) 3(2,6%) 2048 115 103(85,6%) 12(14,4%) 690 646(93,6%) 44(6,4%)

Tabel 3. Percentagem de Pacotes Recebidos. FQ

5.3.4 Deficit Round Robin (DRR)

No esquema DRR existe a política de privilegiar a transmissão de pacotes menores primeiro em detrimento dos pacotes maiores.

Quando a fila está cheia o algoritmo procura eliminar pacotes da fila para alcançar um limite máximo de 95% de preenchimento da mesma. O DRR também tenta eliminar uma quantidade mínima de pacotes da fila , o que resulta na eliminação de pacotes maiores da fila para que 5% da fila esteja livre o mais rápido possível.

A melhor porcentagem de perda de pacotes foi alcançada com este esquema, o DRR foi o esquema que mais demorou para eliminar um pacote e obteve taxa zero para os pacotes de 64 e 128 bytes e perda muito pequenas paras os pacotes de 256 e 512 bytes.

Tamanho Enviados Recebidos Perdidos 64 115 115(100%) 0(0%) 128 115 115(100%) 0(0%) 256 115 115(100%) 0(0%) 512 115 107(93,04%) 8(6,96%) 1028 115 101(87,82%) 14(12,18%) 2048 115 113(98,26%) 2(1,74%) 690 666(96,52%) 24(3,48%)

6. Conclusões

Seguindo a mesma filosofia da internet, as redes sem fio funcionam com base no princípio do melhor esforço, sem nenhuma garantia ou comprometimento com as métricas de qualidade de serviço.

Diante deste cenário e visando atender as métricas de QoS das mais diferentes aplicações (multimídia, VoIP, etc), fica claro a necessidade de disponibilizar diferentes tipos de filas que sejam mais adaptáveis a cada tipo de fluxo suportado pelas mais diversas aplicações.

Em um contexto em que esteja envolvido fluxo de aplicações multimídia, por exemplo, seria interessante disponibilizar o esquema de fila SFQ, pois este mantém um

jitter constante e a latência baixa. Porém seriam necessários ajustes para superar seu ponto

fraco: a alta taxa de descarte de pacotes. Para superar esta deficiência poderia ser aumentado o número de pacotes, enfileirados em cada fluxo de dados.

Já em aplicações de transferência de arquivos onde o fator determinante é a integridade dos arquivos é recomendável utilizar o esquema DRR, pois este apresenta a menor taxa de perda de pacotes.

Os esquemas FIFO e FQ obtiveram desempenho mediano nas métricas avaliadas. O esquema FIFO apresentará um desempenho melhor em relação as métricas de latência e

jitter caso fosse adotado um tamanho uniforme ou com pequena variação para os pacotes.

O sistema de fila FQ possui uma fila mais longa fazendo com que o tempo de descarte seja maior, alcançando um bom índice de descarte de pacotes.

De uma maneira geral a adoção de tamanhos de pacotes mais uniformes beneficiará todos os esquemas de filas gerando uma melhoria em aspectos importantes de QoS como

jitter , latência e perda de pacotes.

Adicionando mecanismos para prover DiffServs (Differentiated Services) a esquemas de fila apropriados a comunicação entre os dispositivos Bluetooth poderá se tornar muito mais eficiente.