Solução para Difusão de Tráfego Multicast em Redes Emalhadas com Suporte de Mobilidade

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Solução para Difusão de Tráfego Multicast em

Redes Emalhadas 802.11 com Suporte de

Mobilidade

Carlos Oliveira

V

F

Relatório da Preparação da Dissertação realizada(o) no âmbito do

Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Major Telecomunicações

Orientador: Prof. Dr. José Ruela

Co-orientador: Eng. Rui Campos

Resumo

As redes 802.11 são, actualmente, uma das principais tecnologias sem fios utilizadas no acesso ubíquo à Internet, em banda larga. Neste contexto, surgiu um novo conceito baseado na aplicação das redes emalhadas sem fios como sendo uma extensão à rede por cabo comum. Com isto, apareceram várias propostas de soluções que visam a criação automática de redes emalhadas sem fios. No entanto, o tratamento do tráfego multicast tem sido realizado de forma ineficiente, visto que estas soluções se focam, principalmente, no tráfego unicast. Assim, o objectivo desta dissertação é implementar uma nova solução para difusão de tráfego multicast, com suporte de mobilidade, de forma a garantir melhores níveis de eficiência, realizando uma melhor gestão dos recursos da rede.

Índice

Resumo ... iii

Índice ... v

Acrónimos ... vii

Capítulo 1 ... 1

Capítulo 2 ... 3

2.2 Protocolos de Routing Multicast ... 3

2.3 Mobilidade ... 5

Capítulo 3 ... 7

Capítulo 4 ... 10

Capítulo 5 ... 12

Capítulo 6 ... 13

Referências ... 14

Acrónimos

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

AP Access Point

WiFIX Wi-Fi Network Infrastructure Extension

MAP Mesh Access Point

ODMRP On-demand Multicast Routing Protocol CAMP Core-assisted Mesh Protocol

ADMR Adaptive Demand-driven Multicast Routing SRMP Source Routing-based Multicast Protocol

SPT Shortest Path Tree

MCT Minimum Cost Tree

QoS Quality of Service

AR Access Router

IP Internet Protocol

MAC Medium Access Control

Eo11 Ethernet-over-802.11

IGMP Internet Group Management Protocol MLD Multicast Listener Discovery

Introdução 1

Capítulo 1

Introdução

A Internet tem vindo a tornar-se a infra-estrutura de comunicação mais utilizada em todo o mundo. Cada vez mais os utilizadores requisitam serviços que necessitam de acessos de banda larga a qualquer momento e em qualquer lugar. Neste contexto, as redes 802.11 desempenham um papel fundamental, pois permitem o acesso à Internet sem fios em banda larga. No entanto, a cobertura de grandes áreas geográficas através da tecnologia 802.11 poderá implicar a instalação de diversos Access Points (APs) ligados através de uma infra-estrutura de rede por cabo. Esta abordagem poderá acarretar vários tipos de custos e força a que a instalação dos APs seja efectuada apenas em locais onde estão disponíveis acessos a essa mesma infra-estrutura.

Para resolver este problema, surgem as redes emalhadas 802.11. Estas redes permitem, desde logo, uma maior flexibilidade, menor complexidade e uma diminuição dos custos de instalação, visto que os APs estão ligados via rádio. Com base no conceito de redes emalhadas sem fios, foi proposta em [1] uma nova solução denominada WiFIX (Wi-Fi Network Infrastructure Extension). Este sistema assenta numa rede constituída por Mesh Access Point (MAPs) estáticos que têm como função o encaminhamento do tráfego entre os terminais ligados directamente a uma das suas interfaces e a rede por cabo. Desta forma, considera-se este cenário como sendo uma extensão à infra-estrutura de rede comum. O objectivo deste trabalho é alargar a solução WiFIX actual, que, até ao momento se foca fundamentalmente no encaminhamento de tráfego unicast, definindo um mecanismo de difusão de tráfego multicast, com suporte de mobilidade de terminais, mais eficiente e tão, ou mais, fiável como o proposto pelo IEEE 802.11s, que se baseia no mecanismo de flooding puro, ocupando recursos desnecessariamente. A solução proposta pelo IEEE 802.11s servirá de termo de comparação no âmbito deste trabalho.

Introdução 1

Este documento encontra-se organizado em seis capítulos. O Capítulo 2 apresenta sucintamente o estado da arte. O Capítulo 3 expõe a solução proposta. O Capítulo 4 descreve a metodologia que será utilizada na realização do trabalho. O Capítulo 5 apresenta o programa de trabalhos. Por fim, no Capítulo 6 são apresentadas as conclusões.

Estado da Arte 2

Capítulo 2

Estado da Arte

No âmbito desta dissertação foi realizada uma pesquisa de soluções que abordam o problema objecto deste trabalho. Como resultado desta pesquisa, surgiu a análise de vários artigos relacionados com redes emalhadas sem fios, redes ad-hoc, protocolos de routing multicast e mobilidade. Neste capítulo apresenta-se uma descrição de cada uma das soluções, com especial destaque para a solução 802.11s.

2.1 802.11s

A primeira solução a considerar será a do IEEE 802.11s [2], que servirá de termo de comparação nos testes que serão efectuados. A proposta deste comité do IEEE no que diz respeito à forma como é transmitido o tráfego multicast baseia-se na difusão por broadcast. Desta forma a mobilidade de terminais é suportada intrinsecamente, uma vez que todos os nós da rede recebem o tráfego destinado a um determinado grupo multicast. Apesar deste mecanismo possuir alguma fiabilidade e simplicidade, em termos de eficiência não é a melhor solução, visto que cada nó da rede, após receber uma trama com o endereço de broadcast no campo de destino, vai retransmiti-la para o meio sem fios, o que fará com que os nós a possam receber mais do que uma vez. Isto provoca uma ocupação desnecessária do meio.

2.2 Protocolos de Routing Multicast

Existem várias propostas de protocolos de routing que privilegiam diferentes aspectos a considerar aquando do planeamento de uma rede emalhada sem fios. Em [3] [4] [5] são propostos protocolos de routing para multicast mesh-based ao contrário de outras soluções que são tree-based, como por exemplo o protocolo proposto em [9]. Os protocolos mesh-based são mais robustos, visto que existe maior número de caminhos possíveis e suportam

Estado da Arte 2

sem fios, que tem como objectivos principais diminuir o overhead e melhorar a escalabilidade. O protocolo ODMRP introduz o conceito de forwarding group que é o conjunto de nós responsável por encaminhar tráfego multicast pelos caminhos de custo mínimo entre todos os elementos de um determinado grupo. O facto de ser mesh-based torna-o robusto a falhas nas ligações, não sendo necessário enviar pacotes de controlo aquando dessas falhas, uma vez que existe mais do que um caminho entre dois nós. Em [5], os mesmos autores propõem melhorias ao ODMRP, nomeadamente em questões relacionadas com alterações na topologia da rede, referindo um mecanismo de previsão de mobilidade dos nós. Propõem, ainda, formas de diminuir a latência e aumentar a fiabilidade das transmissões, mais concretamente o uso de acknowledgements e retransmissões. Em [4] é introduzido o primeiro protocolo de routing multicast mesh-based desenvolvido para redes ad-hoc, CAMP (Core-assisted Mesh Protocol). Desta forma, possui algumas das características referidas no artigo anterior. No entanto, não prevê o suporte de mobilidade dos nós. O objectivo de [4] é mostrar que é possível criar estruturas de routing para comunicações multiponto mais resilientes que as árvores, ou seja, pretende mostrar que uma estrutura mesh-based é melhor que uma tree-based. Outro protocolo de routing multicast é proposto em [11], SRMP (Source Routing-based Multicast Protocol). É mais um protocolo mesh-based e providencia novos mecanismos para reduzir a complexidade das tarefas de routing e melhorar a performance em termos de atraso. Em relação aos protocolos referidos em [3] e [9], o esquema proposto neste artigo produz melhores resultados ao nível do overhead, visto que evita o envio periódico de mensagens de controlo. Para o cenário assumido para este trabalho, em que os MAPs são nós estáticos, estas soluções introduzem apenas complexidade desnecessária.

Em [9], é proposto mais um protocolo de routing multicast, ADMR (Adaptive Demand-driven Multicast Routing). O objectivo principal é reduzir as componentes de sinalização proactivas, algo que está presente na maioria dos protocolos, até à altura propostos. Desta forma, não possui mecanismos de inundação periódica da rede e possibilita o estabelecimento e manutenção de rotas de forma dinâmica. O protocolo foi desenhado para redes ad-hoc e torna-se necessário introduzir alterações em todos os nós, o que contraria um dos princípios fundamentais deste trabalho que é o facto de não ser necessário efectuar alterações nas

Estado da Arte 2

Pedro M. Ruiz et al. propõem em [12] um esquema tree-based, baseado no conceito de prefix continuity, introduzido por Jelger et al. em [13]. Esta solução visa a obtenção de uma redução do overhead em comparação com protocolos de routing tradicionais. Tal como na solução proposta neste trabalho, um dos objectivos de Pedro M. Ruiz et al. é desenvolver uma solução que não implique alterações nos terminais. No entanto, o facto de ser uma abordagem ao nível da camada de rede, requer a definição de um mecanismo de auto-configuração de endereços IP.

Em [10] é apresentada uma comparação entre duas diferentes abordagens ao routing multicast em redes emalhadas sem fios: SPTs (Shortest Path Trees) e MCTs (Minimum Cost Trees). As métricas usadas para avaliar estes dois tipos de árvores de routing foram: a taxa de pacotes entregues, o atraso, o jitter, o overhead e o throughput. Uyen Trang Nguyen concluiu que uma abordagem do tipo SPT traz mais vantagens relativamente às MCTs, visto que a rede apresenta melhor performance ao nível da maioria das métricas acima referidas, embora as SPTs introduzam maior overhead. A desvantagem mais significativa das SPTs tem a ver com a existência de grupos multicast muito grandes. Por exemplo, se numa rede com 300 nós existirem grupos com mais de 100 membros, a perda de pacotes de fluxos concorrentes é maior do que no caso das MCTs. Contudo, de uma forma geral, as SPTs são a abordagem mais apropriada para o routing multicast em redes emalhadas sem fios.

2.3 Mobilidade

Considerando o conceito de redes ad-hoc sem fios, é descrito em [7] um mecanismo de previsão de mobilidade de nós. O objectivo pretendido é antecipar mudanças de topologia da rede, estabelecendo novas rotas antes da quebra de conectividade. Esta é mais uma solução que assenta num cenário diferente daquele que serve de base ao WiFIX. Da mesma forma que acontece em casos anteriores, traria complexidade desnecessária, visto que os MAPs da solução WiFIX são estáticos. No entanto, não é de desprezar o cenário de mobilidade dos nós, pois seria um dos objectivos futuros desta solução.

Em [8] é proposto um esquema de gestão de mobilidade para redes emalhadas sem fios baseado num protocolo de routing híbrido. Além de prever mobilidade intra-domínio e inter-domínio, a solução proposta usa um protocolo que funciona ao nível da camada de ligação de dados e da camada de rede para encaminhar pacotes e facilitar o handover. O cenário de funcionamento considera que os nós da rede são dispositivos de nível três, chamados Access Routers (ARs). O esquema baseia-se no seguinte princípio: quando se inicia o handover, a

Estado da Arte 2

endereços na sua tabela de ARP e envia como resposta uma mensagem de confirmação do pedido. Se existir alguma ligação entre a estação em causa e uma outra durante o handover, esta envia uma mensagem de ARP gratuita indicando o endereço MAC do novo AR. De seguida, a estação envia um pedido de desassociação para o antigo AR, com o endereço MAC do novo. Desta forma, pode ser criado um túnel temporário entre os dois ARs para o envio de pacotes que entretanto cheguem ao antigo AR. Esta solução prevê um período em que a estação comunica com os dois AR em simultâneo.

Em suma, existem várias soluções para difusão de tráfego multicast em redes sem fios. No entanto, todas elas apresentam algumas lacunas. A solução proposta pelo IEEE 802.11s [2] propõe um mecanismo pouco eficiente, as soluções [3] [4] [5] [6] [7] [11] [12] introduzem demasiada complexidade para o cenário que estamos a abordar, a solução [9] implica realizar alterações nas estações e a solução [8] é direccionada para tráfego unicast. Assim, verifica-se a necessidade de uma nova solução como a que é proposta neste trabalho.

Solução Proposta 3

Capítulo 3

Solução Proposta

O que se propõe neste trabalho é alargar a solução WiFIX, que foi desenhada a pensar fundamentalmente no tráfego unicast, para difundir tráfego multicast de uma forma eficiente e com suporte de mobilidade de terminais. Neste capítulo apresentam-se os princípios desta solução.

O objectivo é estender a actual infra-estrutura das redes Wi-Fi, baseando-se em bridges 802.1D e num protocolo de routing do tipo SPT (Shortest Path Tree). Uma das vantagens é o facto de não ser necessário qualquer tipo de configuração nos terminais, apenas sendo feitas alterações ao nível dos APs, o que se reflecte em transparência para o utilizador. Ao contrário do que é proposto pelo IEEE 802.11s que, para o cenário da Figura 1, são necessários seis endereços para realizar o encaminhamento das tramas, o WiFIX usa apenas quatro. Como só eram disponibilizados dois campos para endereços MAC nas tramas utilizadas, desenvolveu-se um novo tipo de encapsulamento designado Ethernet-over-802.11 (Eo11), permitindo guardar os endereços da fonte original, do destinatário original e dos nós intermédios em cada salto. Desta forma, são estabelecidos túneis entre MAPs vizinhos para o envio de tramas unicast. Ao nível da implementação, os tunnel endpoints são vistos como portas Ethernet comuns para as camadas superiores da pilha protocolar. No que diz respeito às tabelas de comutação, os MAPs funcionam como learning bridges, sabendo que, ao receber uma trama com um endereço MAC de origem numa determinada porta, a estação com esse endereço passa a ser alcançada através dessa mesma porta. Esta informação é posteriormente usada para o encaminhamento das tramas dentro da rede emalhada 802.11.

A solução a implementar neste trabalho utilizará os referidos túneis para difundir o tráfego multicast dentro da rede emalhada 802.11, em vez de enviar as tramas em broadcast, como é proposto pelo IEEE 802.11s. Ora, as tramas unicast são enviadas ao maior débito possível,

Solução Proposta 3

previsto na norma. Com isto, consegue-se, desde logo, um aumento do desempenho. Além disso, verifica-se também um aumento da eficiência, uma vez que na proposta do IEEE 802.11s cada MAP difunde para todos os outros que estejam ao seu alcance, fazendo com que a mesma trama possa ser recebida mais do que uma vez, algo que é ultrapassado pelo mecanismo proposto pela solução WiFIX para multicast.

A solução a desenvolver no âmbito desta dissertação será dividido em três fases. Numa primeira fase, propõe-se tratar todo o tráfego multicast como tráfego broadcast, embora, como foi anteriormente referido, o envio das tramas seja realizado de forma diferente da que é proposta pelo IEEE 802.11s. Desta forma, garante-se um elevado nível de fiabilidade, mas um nível de eficiência aquém daquilo que é possível obter, uma vez que será enviado tráfego multicast para todos os nós, independentemente de terem, ou não, a si ligadas, estações pertencentes ao respectivo grupo do qual foi originado o tráfego. A segunda fase desta solução surge precisamente a partir desta premissa, ou seja, pretende-se que o tráfego originado por um nó pertencente a um determinado grupo multicast seja enviado apenas e só para os outros nós pertencentes a esse mesmo grupo. Para desenvolver esta solução, irá utilizar-se o mecanismo de IGMP (Internet Group Management Protocol) snooping, bem conhecido das redes locais com fios. O IGMP é utilizado na comunicação entre estações e routers e tem como objectivo permitir a gestão dos grupos multicast, nomeadamente sinalizar a adição e remoção de novos membros. Nesta base, o mecanismo de IGMP snooping permite aos MAPs escutar as trocas de informação, adquirindo conhecimento relativo aos grupos existentes. Ao activar esta funcionalidade num MAP, este conseguirá analisar os pacotes IGMP enviados pelas estações e, assim, construir uma tabela de grupos multicast. O funcionamento é o seguinte: quando uma estação envia uma mensagem IGMP Report relativa a um determinado grupo, o MAP adiciona o número da porta à qual a estação está ligada, à lista de multicast para esse grupo. Quando a estação envia uma mensagem IGMP Leave, a sua porta associada é removida da lista. Este mecanismo vai contribuir para a construção da árvore de routing multicast. A solução acima referida é aplicável aquando da utilização do IPv4 como protocolo da camada de rede. No entanto, existe, também, uma solução para o IPv6, em tudo semelhante a esta, chamada MLD (Multicast Listener Discovery) snooping. O

Solução Proposta 3

Metodologia 4

Capítulo 4

Metodologia

Neste capítulo apresenta-se uma descrição da metodologia a utilizar no decorrer deste trabalho.

A solução presente na norma IEEE 802.11s servirá de termo de comparação para a validação da solução aqui proposta para difusão de tráfego multicast em redes emalhadas 802.11. Para isso, serão definidos parâmetros de avaliação, quer do ponto de vista do desempenho quer do ponto de vista da eficiência, que permitam demonstrar os méritos da solução proposta por este trabalho. As métricas para avaliar o desempenho serão, por exemplo, o débito útil e o atraso, enquanto que para a eficiência será analisado o overhead introduzido por cada uma das soluções.

No capítulo anterior são definidas três grandes fases para o desenvolvimento da solução proposta. Como não poderia deixar de ser, estas três fases estão relacionadas com a metodologia a seguir. Em cada uma das fases implementar-se-á a solução proposta e far-se-ão os testes e a análise de resultados correspondente.

A primeira fase consiste na elaboração de uma solução para difusão de tráfego multicast tratando-o como tráfego broadcast, portanto a primeira tarefa a realizar será desenvolver

Metodologia 4

criado. Mais uma vez realizar-se-ão testes com base nos parâmetros referidos e analisar-se-ão os resultados.

Na terceira fase pretende-se evoluir a solução anterior para suportar mobilidade de terminais de forma mais eficiente que a proposta na primeira fase e seguir-se-ão os mesmos métodos utilizados.

O código fonte para implementação da solução proposta pelo IEEE 802.11s está disponível em

Programa de Trabalhos 5

Capítulo 5

Programa de Trabalhos

Neste capítulo apresenta-se o programa de trabalhos a desenvolver no âmbito desta dissertação. O projecto da solução para difusão de tráfego multicast baseado na solução WiFIX divide-se em três grandes fases. Desta forma, propõe-se o seguinte plano:

• De 17 de Fevereiro a 19 de Março – Implementação da solução para difusão de tráfego multicast tratado como broadcast, realização de testes e análise dos resultados;

• De 22 de Março a 30 de Abril – Evolução da solução anterior de modo a enviar o tráfego multicast apenas e só para os nós de destino multicast, realização de testes e análise de resultados;

• De 3 de Maio a 4 de Junho – Implementação da solução final que tem como objectivo a difusão de tráfego multicast com suporte a mobilidade de terminais, realização de testes e análise de resultados;

• De 7 a 25 de Junho (Sujeito a alteração – data definitiva da entrega da dissertação não definida) – Escrita da Dissertação.

Conclusão 6

Capítulo 6

Conclusão

Este trabalho surge no contexto da importância das redes emalhadas sem fios na facilitação do acesso ubíquo à Internet. A partir da perspectiva de um cenário de extensão à infra-estrutura de rede actual, surgiu a solução WiFIX. Com base nesta, pretende-se desenvolver uma solução mais eficiente e com melhor desempenho para a difusão de tráfego multicast em redes emalhadas 802.11 com suporte para mobilidade de terminais.

O processo de desenvolvimento deste trabalho iniciou-se com uma análise aprofundada da solução WiFIX e comparação com outras soluções existentes. Denotaram-se algumas falhas na forma como estas tratavam o problema da difusão de tráfego multicast. A proposta do IEEE 802.11s apresenta-se algo ineficiente, visto que se limita a enviar as tramas em broadcast, não aproveitando os recursos da rede apropriadamente. Outras propostas analisadas apresentavam soluções demasiado complexas para o cenário considerado neste trabalho. Do ponto de vista teórico, a solução aqui proposta apresenta vantagens ao nível da eficiência e do desempenho. O que se pretende agora é provar os resultados experimentalmente, sendo este o trabalho a desenvolver ao longo do próximo semestre.

Referências

[1] Rui Campos, Ricardo Duarte, Filipe Sousa, Manuel Ricardo, José Ruela, Network Infrastructure Extension Using 802.1D-based Wireless Mesh Networks, Wireless Communications And Mobile Computing, Wiley InterScience, 2009

[2] IEEE P802.11s/D2.0, draft amendment to standard IEEE 802.11: Mesh Networking, IEEE, March 2008, work in progress

[3] Sung-Ju Lee, William Su, Mario Gerla, On-Demand Multicast Routing Protocol in Multihop Wireless Mobile Networks, Kluwer Academic Publishers, Mobile Networks and Applications 7, 2002

[4] J. J. Garcia-Luna-Aceves, Ewerton L. Madruga, A Multicast Routing Protocol for Ad-Hoc Networks, IEEE, 1999

[5] Sung-Ju Lee, William Su, Mario Gerla, Ad Hoc Wireless Multicast with Mobility Prediction [6] W. A. Shittu, Aisha-Hassan A. Hashim F. Anwar, W. Al-Khateeb, A Proposed QoS Multicast Routing Framework for Next-Generation Wireless Mesh Network, IJCSNS, vol. 8 No. 9,September 2008

[7] William Su, Sung-Ju Lee, Mario Gerla, Mobility Prediction in Wireless Networks

[8] Zhenxia Zhang, Richard W. Pazzi, Azzedine Boukerche, A Mobility Management Scheme for Wireless Mesh Networks Based On Hybrid Routing Protocol, Computer Networks, 2009

[9] Jorjeta G. Jetcheva, David B. Johnson, Adaptive Demand-Driven Multicast Routing in Multi-hop Wireless Ad Hoc Networks

[13] C.Jelger, T.Noel, Proactive Address Autoconfiguration and Prefix Continuity in IPv6 Hybrid Ad Hoc Networks, in Proceedings of IEEESECON’05, September 2005, Santa Clara, CA, USA