UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E
ESTATÍSTICA
Gabriel de Freitas Piassetta Lucas Lanz Mocellin
UTILIZAÇÃO DE UMA METODOLOGIA DE REDES MESH SEM FIO DE BAIXO CUSTO PARA INCLUSÃO SÓCIO-DIGITAL.
Florianópolis – SC 2012
UTILIZAÇÃO DE UMA METODOLOGIA DE REDES MESH SEM FIO PARA INCLUSÃO SÓCIO-DIGITAL DE BAIXO CUSTO.
Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte dos requisitos para obtenção do grau de bacharel de Sistemas de Informação pela Univerisade Federal de Santa Catarina.
Orientador Prof. Dr. Roberto Willrich
Banca
Prof. Dr. Mário Antônio Ribeiro Dantas Prof. Dr. João Cândido Lima Dovicchi
Universidade Federal de Santa Catarina 2012
Agradecimentos
Queremos agradecer primeiramente e acima de tudo nossas famílias por toda base e educação, que com muito esforço, trabalho e dedicação puderam nos dar, sem elas nunca chegaríamos onde estamos chegando.
Agradecemos também os professores com quais tivemos contatos, todos contribuiram em nossa formação acâdemica e também com muita relevância, nossa formação pessoal, cada um com seu jeito de ser e ensinar.
Não podemos deixar de agradecer também ao professor orientador Roberto Willrich, que mesmo tendo semestres super ocupados nos ajudou muito na medida do possível.
E claro, por último mas não menos importante, muito pelo contrário, nossos amigos da kktua com seu sub-conjunto, fireball, por toda sua ajuda nos apoiando e nos incentivando, as vezes não, a concluir esse trabalho, ora nos trazendo suprimentos para o melhor desenvolvimento do trabalho, ora consumindo os suprimentos em conjunto, que junto com a inseparável viola, nos trazia importante alento.
Resumo
Uma wireless mesh network (WMN, rede sem fio em malha) é um grupo de várias redes Ad Hoc, que se organizam e se configuram automaticamente, onde os nós possuem uma localização fixa, mas não pré-determinada e são dispostos em uma topologia em malha. O objetivo deste trabalho é utilizar uma metodologia de planejamento de uma rede sem fio mesh com muitos dispositivos, utilizando o protocolo de roteamento B.AT.M.A.N. afim de prover acesso à internet a um grande número de pessoas com o menor investimento possível e demonstrar a possibilidade de aplicação do uso dessa tecnologia em projetos de inclusão sócio-digitais. Palavras-chave: redes mesh, baixo custo, alta concentração de dispositivos, inclusão sócio-digital.
Abstract
A wireless mesh network is a group of ad hoc networks, which organize and configure themselves automatically, where the nodes have a fixed location, but not pre-determined and are arranged in a mesh topology. The objective of this study is to use a methodology of planning a wireless mesh network with many devices, using the routing protocol B.A.T.M.A.N. and thus provide low cost access to internet and to show that is possible to use this tecnology in social and digital inclusion.
Keywords: wireless mesh, low cost, high concentration, social and digital inclusion.
Siglas e Abreviações
ANATEL, Agência Nacional de Telecomunicações.
B.A.T.M.A.N - Better Approach To Mobile Ad hoc Networking DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol
DNS, Domain Name Server ETX, Expected Transmission count
IEEE, Institute of Electrical and Eletronics Engineers. IP, Internet Protocol
NAT, Network Address Translation NLOS, Non line of sight.
OGMs, Originator messages
OLSR, Optimised Link State Routing
OLPC, One laptop per child (Um Laptop por Criança) ONU, Organização das Nações Unidas
PCDF, Projeto Cidade Digital de Florianópolis PNBL, Plano Nacional de Banda Larga PoE, Power over Internet
PSTN, public switched telephone network (Rede Telefônica Pública Comutada).
TIC, Tecnologias da Informação e Comunicação. VoIP, Voice over Internet Protocol
WiMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access (Interoperabilidade Mundial para Acesso de Micro-ondas) WLAN, Wireless Local Area Network.
WMN, Wireless mesh network (Rede sem fio em malha). WPAN, Wireless Personal Area Network (Rede pessoal sem fio). (Rede local sem fio).
Sumário
1. Introdução...9 1.1 Objetivos...12 1.2 Justificativa...13 1.3 Estrutura do documento...14 2. Referencial Teórico...15 2.1 Redes...152.2 Redes Sem Fio...15
2.2.1 Padrões de rede sem fio...17
2.3 Redes mesh ...18
2.4 Redes mesh Sem Fio...19
2.4.1 A História das redes mesh...23
2.4.2 Vantagens das Wireless mesh Network:...24
2.5 Comparação entre os protocolos de Roteamento mesh existentes. .26 2.5.1 OLSR - Optimised Link State Routing ...26
2.5.2 B.A.T.M.A.N - Better Approach To Mobile Ad hoc Networking...27
2.5.3. Protocolo BABEL ...28
2.6 Exemplos de Redes mesh Atuais...29
2.6.1 Escola Naval de Pós Graduação de Monterey...29
2.6.2 Instituto de Tecnologia de Massachusetts...29
2.6.3 Fundaçao Fantsuam em Kafanchan...30
2.7 Redes mesh nas Cidades...30
2.7.1 Rede mesh em Florianópolis...31
3. Projeto de Redes mesh...35
3.1 Considerações Iniciais...35
3.3 Requisitos de Software...37
3.4 Planejamento da rede mesh...37
3.4.1 Mapear a rede...37
3.4.2 Definir a topologia...38
3.4.3 Alocação de canais...39
3.4.4 Planejamento de endereçamento IP...39
4.1 Hardware utilizado...41
4.2 Configuração...41
4.3 Dificuldades encontradas...43
4.4 Resultados...45
5. Conclusão e trabalhos futuros...47
6. Referências...48
7. Anexos...50
7.1 Instalação do B.A.T.M.A.N...50
1. Introdução
Hoje, redes de computadores são de extrema importância para a comunicação moderna e um dos seus mais importantes meios. Os aspectos atuais da rede telefônica pública comutada PSTN, como a migração progressiva da transmissão de analógica para digital usando redes de fibra ótica, VoIP entre outras modificações modernas, são controlados por computador e a telefonia aumenta cada vez mais seu progresso em relação ao Protocolo de Internet isso sem o avanço da rede de computadores[5].
O uso da comunicação cresceu significativamente na última década e o aumento explosivo do tráfego de rede nas comunicações talvez não teria sido possível sem a rede de computadores avançando ao longo do tempo.
As redes de computadores e as tecnologias necessárias para conexão e comunicação ajudam fortemente a comandar as indústrias de hardware, software e periféricos. Essa expansão é espelhada pelo crescimento nos números e tipos de usuários das redes, de pesquisadores a usuários domésticos.
O número de usuários das redes, em particular redes sem fio, teve um incremento com a utilização massiva dos telefones móveis. Os telefones móveis são parte de sistemas massivos de rede sem fio. Enviar ou receber informações no exterior é possível através de sistemas de rede sem fio usando satélites e outros sinais para se comunicar em todo o mundo. A rede sem fio também é usada em serviços de emergência, tais como o departamento de polícia, que utiliza redes sem fios para trocar informações importantes rapidamente.
O acesso sem fio as redes é a maneira rápida para conectar-se à Internet em países e regiões onde a infra-estrutura de telecomunicações é pobre ou há falta de recursos, como na maioria dos países em desenvolvimento ultimamente podemos ainda dizer que as redes wireless
mesh vem ganhando seu espaço, já que podem levar conexão a diversos lugares com um baixo investimento.
Existem vários projetos e estudos de casos onde estas redes são bem aproveitadas, principalmente projetos de inclusão digital e aplicações em países em desenvolvimento, como demonstrado no capitulo 4.
Alinhado a isto, a ONU, Organização das Nações Unidas, patrocinou um evento importante chamado a Cúpula Mundial sobre a Sociedade da Informação[16] que foi realizado em 2 etapas, uma em Genebra no ano de 2003 e a segunda em Tunis no ano de 2005. Este evento teve a participação de representantes de 175 países e teve como objetivo principal de aumentar a inclusão digital no mundo.
O primeiro encontro foi principalmente para alinhar os objetivos entre os diferentes países, concretizado no documento “Declaração de Princípios”[17], onde todos os países descrevem claramente os desejos políticos e um “Plano de Ação”[18] que estabelece etapas concretas de uma sociedade da informação para todos, refletindo os interesses de cada país.
O segundo encontro focou em viabilizar as ações descritas no Plano de Ação, como achar soluções para a governança da Internet e mecanismos de financiamento.
Como resultado desta cúpula, podemos citar a interligação de vilas, pontos de acesso à internet, centros de saúde, hospitais, governos em todas as esferas, universidades, centros de pesquisa e escolas, bibliotecas, museus, centros de cultura e garantir acesso a rede mundial de computadores a pelo menos 50% da população mundial.
Para atingir esses objetivos ambiciosos, a participação de instituições de pesquisa e ensino juntamente com a área privada se fez presente. As Linhas de ações são definidas no Plano de Ação e detalha como a participação de cada uma dessas partes pode contribuir para o desenvolvimento da Sociedade da Informação.
Adicionalmente o “Plano de Ação” visa a adaptar os currículos escolares para enfrentar os desafios da sociedade da informação e assegurar também que todos tenham acesso à televisão e ao rádio.
No âmbito governamental, a orientação é que os governos estabeleçam estratégias de interligações, fomento de iniciativas privadas, incentivos na pesquisa e na área privada, modernização e informatização dos sistemas governamentais, tudo que de uma forma ou de outra colabore para atingir os objetivos propostos.
Neste mesmo contexto, em Novembro de 2009 o Ministério das comunicações estabelece o Plano Nacional de Banda Larga (PNBL) [23]. Uma proposta para ampliação massiva da oferta de internet banda larga aos brasileiros e dentre os principais objetivos estão:
- Acelerar a entrada da população na Sociedade da Informação - Promover maior difusão das aplicações de Governo Eletrônico e facilitar aos cidadãos o uso dos serviços do Estado;
- Contribuir para a evolução das redes de telecomunicações do país em direção aos novos paradigmas de tecnologia e arquitetura que se desenham no horizonte futuro, baseados na comunicação sobre o protocolo IP;
- Contribuir para o desenvolvimento industrial e tecnológico do país, em particular do setor de tecnologias de informação e comunicação (TICs);
Esta proposta vislumbra claramente 3 estratégias e situações diferentes para levar infraestrutura de comunicação:
- Municípios grandes: onde haverá competição entre empresas
- Município menores: haverá necessidade de incentivos e metas de universalização
- Áreas remotas: o atendimento só será possível através de programas públicos.
Além disso, trecho da proposta: "Destaca-se a baixa renda da família brasileira como o principal fator limitante ao consumo de assinatura banda larga."
Com esses objetivos propostos, está em desenvolvimento um projeto ambicioso de inclusão sócio-digital de baixo custo, baixo consumo elétrico e altamente sustentável, o Projeto Cauã[6] liderado por Jon Hall, que tem como metas, entre outras:
* Levar internet as pessoas digitalmente desfavorecidas. * Criar um modelo aberto de comunicação.
* Reduzir o consumo de energia dos desktops. 1.1 Objetivos
O presente trabalho teve como objetivo avaliar se redes mesh são efetivamente soluções para os problemas abordados. Para tal, neste projeto é definida um roteiro de implantação de uma rede mesh em um edífico residencial, incluindo análises de custos, seguido de uma implantação e teste de funcionalidade facilitando o desenvolvimento de um mundo interconectado. Utilizando para isso soluções de baixo custo, baixo consumo energético e tecnologia sustentável.
solução viável para as situações apresentadas anteriormente, já que os fatores determinantes giram em torno do financiamento do projeto, desde a implantação até a manutenção e operação das redes.
No âmbito das interligações e redes de baixo custo, as redes wireless mesh são os candidatos com grandes possibilidades de sucesso, dadas suas característivas de rápida instalação, alcance a lugares remotos sem a necessidade de infraestrutura cabeada, mecanismos de gerenciamento pró-ativo, detecção e auto-cura de problemas de rede e menor custo de manutenção comparado a redes cabeadas.
Mesh é uma tecnologia recente em termos de soluções para redes sem fio, com a publicação do padrão 802.11s. Neste sentido, devido a falta de documentação apropriada, este projeto também tem como contribuição a definição de um roteiro de implantação deste tipo de rede usando equipamentos doméstico
1.2 Justificativa
O Projeto Cauã é um ambicioso projeto de integração idealizado pelo presidente da Linux International, Jon Hall. Foi criado a partir de várias indagações do idealizador sobre questões pontuais da computação nos dias de hoje. Atualmente o desktop médio utiliza entre 200 e 300 watts de energia, pensar em inclusão digital é logo pensar em disponibilizar mais e mais desktops a população isso significa alcançar um consumo exorbitante de energia, algo entre 200 e 300 bilhões de watts e crescendo.[7]
Em várias cidades do mundo as pessoas moram em áreas muito densas, edifícios altos, bairros densos, onde cade família paga para um provedor para lhe fornecer link para a internet. Muito desses computadores e desses links ficam ociosos grande parte do tempo, mas e se criassemos uma banda larga oferecendo largura e latência de banda suficiente para a criação de um modelo cliente servidor? E se o computador se transformasse
em TV, Rádio, Telefone, Sistema de automação doméstica? As pessoas ficariam tentadas a deixá-los sempre ligado.
Esse modelo de computação é plausível. O time do Projeto Cauã está estudando a implementação de redes mesh sem fio afim de alcançar algumas de suas metas. Dessa forma esse trabalho pretende demonstrar que é bastante plausível o uso de redes mesh sem fio para prover a solução da inter-conexão mundial, de forma eficiente, barata e sustentável.
1.3 Estrutura do documento
Este relatório está organizado da seguinte forma.
O capítulo 2 introduz conceitos básicos e cria um referencial teórico na área de redes de computadores, redes sem fio e redes mesh. Bem como histórico da tecnologia e comparação dos principais protocolos.
O capítulo 3 apresenta as etapas de um projeto de rede mesh, mostra recomendações iniciais, requisitos de hardware, requisitos de software e como planejar a infra-estrutura da rede mesh.
O capítulo 4 demonstro o estudo de caso aplicado usando a metodologia apresentada, bem como os resultados obtidos.
2. Referencial Teórico
Esse capítulo apresenta as bases teóricas dos assuntos abordados nesse trabalho.
2.1 Redes
Uma rede de computadores é uma coleção de componentes de hardware e computadores interligados por canais de comunicação que permitem o compartilhamento de recursos. Quando pelo menos um processo em um dispositivo é capaz de enviar e receber dados para a partir de, pelo menos, um processo residente em um dispositivo remoto, então ambos dispositivos estarão fazendo parte de uma rede.
Em uma rede, a linguagem de comunicação usada por dispositivos de computador é chamado de protocolo. As redes costumam implementar protocolos para suportar aplicações específicas. Os protocolos mais populares incluem o TCP / IP, o protocolo dominante na Internet e nas redes domésticas.
As redes sem fio possuem algumas características exclusivas e neste capítulo apresentamos os principais conceitos e classificações dentre as redes sem fio e suas diferentes configurações.
2.2 Redes Sem Fio
Uma rede sem fio é uma rede de computadores que usa radiofrequência (comunicação via ondas de rádio) ou infravermelho como meio padrão para comunicação, não mais sendo necessário cabos de qualquer espécie. É também conhecido pelo anglicismo wireless ou ainda wifi.
As redes sem fio são classificadas conforme sua abrangência. WPAN (Wireless Personal Area Network) ou rede pessoal sem fio.
Normalmente utilizada para interligar dispositivos eletrônicos fisicamente próximos, como as tecnologias bluetooth e infra-vermelho. WLAN (Wireless Local Area Network) é uma opção para áreas um pouco maiores, como universidades e edifícios, utiliza tecnologias como Wifi. WWAN (Wireless Wide Area Network) é a rede de maior alcance utilizada para interligar Universidades ou até interligar cidades, como a tecnologia WiMAX.
Dentre as vantagens das redes sem fio podemos citar:
● Flexibilidade: dentro da área de cobertura, uma determinada estação pode se comunicar sem nenhuma restrição. Além disso, permite que a rede alcance lugares onde os fios não poderiam chegar.
● Facilidade: a instalação pode ser rápida, evitando a passagem de cabos através de paredes, canaletas e forros, portanto uso mais eficiente do espaço físico.
● Redução do custo: Além da facilidade, a implementação de uma rede sem fio é mais barata que a de rede cabeada.
Em contrapartida, apresentam as seguintes desvantagens:
● Qualidade de serviço: a qualidade do serviço provido ainda é menor que a das redes cabeadas. Tendo como principais razões para isso a pequena banda passante devido às limitações da radiotransmissão e a alta taxa de erro devido à interferência. Embora a taxa de transmissão das Redes sem Fio esteja crescendo rapidamente, ela ainda é muito baixa se comparada com as redes cabeadas.
● Custo: o preço dos equipamentos de Redes sem Fio é mais alto que os equivalentes em redes cabeadas. Embora ultimamente com a produção massiva desses equipamentos, o custo tenha diminuído. ● Segurança: intrinsecamente, os canais sem fio são mais suscetíveis
a interceptores não desejados. O uso de ondas de rádio na transmissão de dados também pode interferir em outros equipamentos de alta tecnologia, como por exemplo, equipamentos utilizados em hospitais. Além disso, equipamentos elétricos são capazes de interferir na transmissão acarretando em perdas de dados e alta taxa de erros na transmissão.
● Restrições: por utilizar radio-frequência para comunicação e o ar como meio de transmissão, pode interferir em outros serviços que também utilizem radio-frequência, por este motivo está suscetível a permissões de uso em certos países. Normalmente há um faixa autorizada, ou em alguns países ainda é necessário pagar pela utilização desta faixa. No Brasil a faixa de frequência de operação do wifi é liberada irrestritamente pela ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações).
2.2.1 Padrões de rede sem fio
Conforme sua popularidade crescia, em 1990 o IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers) criou um grupo para a regulamentação das redes sem fio para facilitar a interoperação entre os vários fabricantes e padrões, este padrão é chamado IEEE 802.11.
O padrão IEEE 802.11 é subdivido em várias partes especificando diferentes tecnologias. Conforme fosse padronizadas as novas tecnologias, são criadas novas partes. As principais e que utilizaremos neste projeto são:
* 802.11a - “Uma rede sem fio é um sistema que interliga vários equipamentos fixos ou móveis utilizando o ar como meio de transmissão”[IEEE 802.11a]. Opera na frequência de 5,0 GHz e alcança velocidades de até 54Mbps.
* 802.11b - opera na frequência de 2.4 GHz e tem taxa de transferência de até 11Mbps.
* 802.11g - opera na frequência de 2.4 GHz e tem taxa de transferência de até 54Mbps, suporta alguns tipos de criptografia.
* 802.11n - opera nas frequências de 2.4GHz e 5.0GHz. Tem taxa de transferência de 65Mbps até 300Mbps. Adiciona antenas que operam com MIMO - várias entradas e várias saídas.
* 802.11s - Emenda que adiciona funcionalidades de rede mesh, auto-configuração e auto-cura.
2.3 Redes mesh
Rede mesh é um tipo de rede onde cada nó deve não só capturar e disseminar seus próprios dados, mas também servir como referência para os outros nós, isto é, deve colaborar para propagar os dados na rede.
Uma rede mesh pode ser projetada usando uma técnica de alagamento ou uma técnica de roteamento. Quando se utiliza uma técnica de roteamento, a mensagem se propaga ao longo de um caminho, de nó para nó até que o destino seja alcançado. Para garantir toda a disponibilidade dos seus caminhos, uma rede de roteamento deve permitir conexões contínuas e reconfiguração em torno de caminhos quebrados ou bloqueados, usando algoritmos de auto recuperação.
Uma rede mesh, cujos nós estão todos conectados uns aos outros é uma rede totalmente conectada. Redes mesh podem ser vistas como um tipo de rede ad hoc.
roteamento baseada opere na quebra de um nó para baixo ou quando uma conexão vai mal. Como resultado final, a rede é bastante confiável, pois geralmente há mais de um caminho entre a origem e o destino das fontes. Embora usado principalmente em cenários sem fio, este conceito é também aplicável para redes cabeadas e em interações de software.
Fig 1. Rede em mesh não conectada
Fig 2. Rede em mesh completamente conectada
As redes mesh sem fio foram originalmente desenvolvidas para aplicações militares e são típicas de arquitetura em malha. Ao longo da última década, o tamanho, custo e requisitos de energia de rádios diminuíram, permitindo que mais rádios fossem incluídos dentro de cada dispositivo, atuando como um nó em malha. Os rádios adicionais dentro de cada nó permitem o suporte a múltiplas funções, tais como o acesso do cliente, serviço de gateway (ponto de acesso a internet), e digitalização (necessário para a alta velocidade de entrega de aplicações móveis). Além disso, a redução no tamanho do rádio, o custo e poder permitiram os nós de rede, a fim de tornarem-se modulares – um nó ou dispositivo agora pode conter vários cartões de rádio ou de módulos, permitindo que os nós sejam personalizados para lidar com um conjunto único de funções e de
frequência de bandas.
Uma WMN (Wireless mesh Network) é uma rede de computadores sem fio feita de nós organizados em uma topologia em malha. Estas redes geralmente consistem de clientes e roteadores. Os clientes normalmente são laptops, celulares e dispositivos sem fio enquanto roteadores repassam o tráfego para outros roteadores.
Essa rede possui 2 características principais:
● Auto-cura - quando um nó falhar, os outros deveriam continuar a comunicar-se entre si diretamente ou indiretamente através de nós intermediários sem a necessidade de um ponto central.
● Auto-configuração - otimizar o uso de energia, da rede e das frequências disponíveis e utilização das melhores rotas para chegar ao destino final. Com a adição de novos nós, automaticamente reorganizar-se.
A área de cobertura dos nós de rádio que trabalham como uma única rede é chamado às vezes de nuvem mesh. O acesso a esta nuvem é dependente dos nós de rádio que trabalham em harmonia uns com os outros para criar uma rede de rádio. Uma rede mesh é confiável e oferece redundância. Quando um nó deixa de funcionar, para o resto dos nós ainda pode haver comunicação uns com os outros, diretamente ou através de um ou mais nós intermédios. WMNs podem ser implementadas com uma diversa tecnologia sem fio, incluindo 802.11, 802.15, 802.16, tecnologias celulares ou combinações de mais de um tipo.
Uma WMN pode ser vista como um tipo especial de rede ad hoc sem fio e muitas vezes tem uma configuração mais planejada e pode ser utilizada para fornecer dinamismo e conexão customizada eficaz sobre uma determinada área geográfica.
Uma rede ad hoc, por outro lado, é formada sob demanda, quando os dispositivos sem fio encontram-se ao alcance da comunicação uns dos outros. Os roteadores mesh podem ser móveis e serem movidos de acordo com demandas específicas surgidas na rede. Muitas vezes, os roteadores mesh não são limitados em termos de recursos, em comparação aos outros nós da rede e, portanto, podem ser explorados para executar funções que requerem maiores recursos. Desta maneira, a WMN, é diferente de uma rede ad hoc, uma vez que estes nós são muitas vezes limitados por recursos.
Fig 3. Rede em mesh sem fio
A principal vantagem das WMNs é a sua capacidade inerente para formar uma rede na energização. Veja o que acontece na Figura 3, quando o poder dos nós em malha aumentam. Os nós escutam a transmissão um do outro e formam uma rede.
Fig 4. Auto-cura
Também observe na figura 4 o que acontece quando um nó falha e como os nós descobrem um caminho de roteamento alternativo. Esta recuperação é totalmente automática.
2.4.1 A História das redes mesh
Os militares foram uma das primeiras organizações para investigar as aplicações de rede mesh. Na década de 1980, a pesquisa militar financiou a implementação de redes multi-hop mesh no campo de batalha, mas os esforços foram frustrados pelo alto custo do hardware. Como o custo do hardware veio na década de 1990, as universidades começaram a construir e testar redes mesh para uso no campus.[8]
Em 1998 uma equipe da Carnegie Mellon criou uma série de carros montados em nós que se comunicavam, não só uns com os outros, mas também com dois nós em cada extremidade do campus.[9]
Pela primeira vez surgia um sistema confiável que automaticamente fazia o ajuste da topografia da rede, mantendo conexões de forma eficaz. Dentro de alguns anos equipamentos de rede tornaram-se
baratos e confiáveis o suficiente para a exploração mais extensa da rede mesh.
Ao longo dos anos, a WMN viu implantações originais baseadas na tecnologia de rádio, cada uma incorporando melhorias interativas permitindo uma maior escalabilidade e desempenho de rede, tanto de rendimento como de latência. Esta fase inicial do desenvolvimento pré padrão IEEE tecnológico é conhecida como primeira geração da WMN.
2.4.2 Vantagens das Wireless mesh Network:
As redes WMNs possuem uma série de vantagens em relação as redes sem fio em geral. Elas utilizam menos fios e isto significa custo menor para configurar uma rede, especialmente para grandes áreas de cobertura. Quanto mais nós você instalar, maior e mais rápida a rede sem fio se tornará.
Eles contam com os mesmos padrões WiFi (802.11a, b, g), já em vigor para a maioria das redes sem fio. Eles são convenientes onde as conexões Ethernet de parede estão faltando - por exemplo, em locais de concertos ao ar livre, armazéns ou configurações de transporte. Também são úteis para configurações de rede sem vista da linha (NLOS) onde os sinais sem fio são intermitentemente bloqueados. Por exemplo, em um parque de diversões uma roda gigante, ocasionalmente bloqueia o sinal de um ponto de acesso sem fio. Se há dezenas ou centenas de outros nós ao redor, a rede mesh irá ajustar-se para encontrar um sinal claro.
As redes mesh são "auto-configuráveis," a rede incorpora automaticamente um novo nó na estrutura existente, sem quaisquer ajustes por um administrador de rede.
As redes mesh são "auto-recuperáveis", já que a rede encontra automaticamente os caminhos mais rápidos e confiáveis para enviar dados, mesmo se nós são bloqueados ou perdem seus sinais.
As configurações da WMN permitem que as redes locais corram mais rápido, porque os pacotes locais não têm que viajar de volta para um servidor central.
Os nós mesh sem fio são fáceis de instalar e desinstalar, tornando a rede extremamente adaptável e expansível, de acordo com a necessidade da cobertura.
A principal limitação com as implementações de redes mesh pré-padrão é a falta de interoperabilidade dos produtos. Mas se o cliente tem uma rede de acesso padrão 802.11, alguns produtos de fornecedores irão interoperar com os pontos do legado de maneira transparente.
A atual safra de produtos 802.11 funcionam bem para aplicações tradicionais que se concentram em atividades centralizadas na Internet como e-mail, navegação na internet, downloads, alguns streaming de vídeo e telefonia IP. Mesmo as aplicações multimídia são devidamente apoiadas com os mais avançados dispositivos 802.11n.
À medida que a rede sem fio se extende a ambientes de uso mais pesado, onde o fornecimento de dados aumenta, até a capacidade 802.11n pode não ser suficiente. Quando a alta definição multimídia necessita ser movida entre dispositivos locais para o processamento, o modelo sem fio atual vai experimentar limitações.
As WMNs oferecem a solução para este problema. Dispositivos sem fio são capazes de se comunicar diretamente sem passar através de um ponto central (o ponto de acesso). Com a topologia mesh, o tráfego pode fluir através do melhor caminho. O dispositivo de acesso à Internet, que é comumente colocado com o ponto de acesso, não precisa se tornar o gargalo. Estas redes podem até mesmo ser criadas sem a necessidade de um ponto de acesso, onde a informação será mantida local entre os dispositivos de ponto a ponto. Dispositivos como smartphones podem facilmente conectar-se com reprodutores de mídia pessoais e câmeras de vídeo, sem
dispositivos intermediários, como um ponto de acesso. Se a infra-estrutura está disponível, estes dispositivos em malha serão capazes de usá-lo para acesso à Internet baseados em recursos também. Isso criará oportunidades para novos tipos de dispositivos e serviços.
Em ambientes industriais, as soluções com WMNs tem sido uma necessidade. As redes sem fio, em geral, são ideais para aplicações que requerem implantação fácil e barata, operações flexíveis e gerenciáveis, de longo alcance e de cobertura mais uniforme. As WMNs que usam hardware prontamente disponíveis no comércio padrão são as ideais e são as utilizadas nesse trabalho. Os casos de uso incluem telemática, sensores de vigilância e segurança, controles de processos e robótica.
A habilidade dos dispositivos mesh para fluxos de descarga de dados de alta capacidade a partir do ponto de acesso e distribuição de dados diretamente entre os nós, além dos benefícios de infra-estrutura de topologia de rede mesh, são sinais de que a hora é certa para fortes soluções baseadas em 802.11s.
2.5 Comparação entre os protocolos de Roteamento mesh existentes
Existem algumas implementações de protocos de roteamento para redes mesh. Nenhum deles implementa totalmente o padrão oficial IEEE 802.11s, que regulamenta como os dispositivos devem se comportar em uma rede mesh.
Pesquisamos os protocolos mais utilizados e chegamos a 3 principais: OLSR, BATMAN e BABEL. Fizemos uma breve comparação entre eles, apontando vantagens e desvantagens do mesmo e o porque de nossa escolha.
O Protocolo OLSR usa um algoritmo de estado de link para determinar de forma proativa o caminho mais eficiente entre os nodos. A rede é estruturada usando Multi-Point-Relays dinâmicos que aumenta a vazão da rede criando um esquema de rede altamente eficiente.
Isso é alcançado selecionando apenas um sub-conjunto de nós vizinhos para a tabela de roteamento ao invés de testar todos os nodos. Essa técnica minimisa o rebroadcasting e o número de pacotes de controle requeridos para estabelecer uma rota de conexão. MPRs são eleitas de uma forma que todo nó pode comunicar-se com a MPR passando por apenas um nó.
A informação da rede é compartilhada entre MPRs para manter um roteamento network-wide. Isso permite que toda MPR tenha uma tabela de roteamento completa enquanto simultaneamente minimiza a topologia de mensagens de controle.
2.5.2 B.A.T.M.A.N - Better Approach To Mobile Ad hoc Networking
B.A.T.M.A.N. é um procotoco de roteamento pró-ativo que oferece um abordagem fundamentalmente diferente para selecionar a melhor rota alinhando-se aos hardwares embutidos que possuem poucos recursos.
A primeira funcionalidade que o difere é a descentralização da informação de roteamento – nenhum nó possui rotas para todos os destinos da rede. Em vez disso, cada nó mantém uma direção geral e os destinos para o melhor nó vizinho, o nó vizinho conhece também a melhor rota para o outro nó vizinho, seguindo assim sucessivamente até chegar no destino final.
A segunda diferença significante é o algoritmo de determinação de caminho. Para estabelecer uma direção geral até o destino o
B.A.T.M.A.N usa o princípio que melhores links vão fornecer melhores e mais robustas comunicações. Cada nó envia periodicamente mensagens de broadcast conhecido como originator messages (OGMs) mensagem originadora para informar ao seus vizinhos a sua própria existência. Os vizinhos então repassam essa informação aos seus vizinhos até que cada nó conheça a existência de todos os nós. Devida a natureza pouco confiável das mensagens de broadcast o flood de OGM não irá passar eficientemente por links congestionados. Então, o melhor caminho será o de links com pouca utilização. Esse algoritmo se mostra muito menos complexo que o cálculo de estado de link e necessita de menos capacidade de processamento.
2.5.3. Protocolo BABEL
Babel é também um protocolo de roteamento pró-ativo baseado no distance-vector algorithm algoritmo de vetor de distância. Essa técnica é uma evolução do Expected Transmission count (ETX) algorithm algoritmo contador de transmição esperada[4] e seleciona rotas mais inteligentes daquelas utilizando um approach de simple hop-count. BABEL tem duas características que otimizam a performance de retransmissão. Primeiro, ele usa rotas sensíveis ao histórico para minimizar o impaco de routes-flap que é a situação onde nós continuamente mudam suas rotas preferidas entre fonte e destino, o que leva a instabilidade de rota. Portanto quando existe mais de uma rota de link com qualidade similar a seleção de rota favorece um caminho previamente estabelecido.
Segundo, BABEL executa um update reativo e força uma requisição para informação de roteamento quando este detecta uma falha de link em um de seus nós preferidos. BABEL alega que tem uma quase imediata convergência de rotas quando dispara uma atualização explícita.
Para esse trabalho, utilizaremos o protocolo B.A.T.M.A.N, visto que trabalharemos com hardwares com pouco poder computacional e de
acordo com artigos pesquisados é o protocolo de menor curso dentre os avaliados.
2.6 Exemplos de Redes mesh Atuais
Nesse sub-capítulo apresentamos redes mesh já existentes, que fundamenta e nos dá segurança de que o objetivo proposto é plausível.
2.6.1 Escola Naval de Pós Graduação de Monterey
A Escola Naval de Pós Graduação de Monterey, na Califórnia, realizou uma demonstração de WMN para segurança nas fronteiras. Em um sistema piloto, câmeras aéreas mantidas por balões, e transmitiram em vídeo de alta resolução, em tempo real, para o pessoal localizado no solo, imagens através de uma rede mesh. [10]
2.6.2 Instituto de Tecnologia de Massachusetts
Esse case é um dos mais inspirador, pois a meta foi de criar uma estrutura barata e teve como objetivo a inclusão sócio-digital. O projeto foi realizado em um laboratório de mídia do Insituto de Tecnologia de Massachusetts que desenvolveu o laptop XO-1 ou “Um Laptop por Criança” (OLPC), que se destina às escolas desfavorecidas de países em desenvolvimento e usa redes mesh (com base no padrão IEEE 802.11s) para criar uma infra-estrutura ao mesmo tempo barata e forte.
As conexões instantâneas feitas pelos laptops alegam reduzir a necessidade de uma infra-estrutura externa, como a Internet para alcançar todas as áreas, porque um nó conectado poderia compartilhar a conexão com nós nas proximidades.[11]
2.6.3 Fundaçao Fantsuam em Kafanchan.
Outra rede wireless mesh de sucesso foi desenvolvida na Fundação Fantsuam em Kafanchan, uma comunidade com 83.000 pessoas localizada na região central da Nigéria[2].
2.7 Redes mesh nas Cidades.
Com as WMNs, as cidades podem conectar os cidadãos e os serviços públicos através de uma conexão sem fio generalizada de alta velocidade.
Um número crescente de centros está instalando pontos WiFi públicos. As redes mesh possibilitam que as cidades estejam conectadas de forma barata, integrando todos os pontos Wifi em comum para cobrir todo o município.
Algumas vantagens das redes em mesh municipais:
* Os internautas podem verificar o seu e-mail no trem, no parque, em um restaurante.
* Os funcionários de obras públicas podem monitorar os diagnósticos de eletricidade da cidade e abastecimento de água através da instalação de nós sem fio em instalações de tratamento de água, esgotos e geradores. * Não há necessidade de cavar trincheiras para passar os cabos. * A segurança pública e os trabalhadores de emergência podem acessar redes virtuais seguros dentro da grande rede para manter linhas de comunicação abertas, mesmo quando o telefone regular ou de serviço celular é baixo.
* Com os nós em mesh montados em postes e semáforos, policiais e bombeiros podem permanecer conectados à rede, mesmo quando em
movimento.
* Nós mesh consumem pouca energia[20] com isso é possível deixá-los ligados apenas com energia solar.
* Cidades com geografia irregular são beneficiadas, porque não é necessário uma visada direta do nó ao gateway, pois o link de internet pode ser fechado por múltiplos hops.
* Pelo seu poder de auto-cura e baixo consumo energético é a melhor solução para “cidades de desastres”.
* Ainda pelo seu poder de auto-cura e baixo consumo energético, redes mesh são indicadas para cidades com fornecimento elétrico errático.
De acordo com um relatório da MuniWireless.com de março de 2007, 81 cidades norte-americanas já têm instaladas por toda sua região, redes sem fio municipais, além da construção de mais 164 redes deste tipo.
O relatório também diz que 38 cidades dos Estados Unidos já têm redes municipais sem fio para uso exclusivo da segurança pública e de funcionários municipais.
2.7.1 Rede mesh em Florianópolis
Em reunião com entidades e empresas do setor de tecnologia e telefonia, a Prefeitura de Florianópolis apresentou, no dia 22 de Junho de 2012, o projeto Cidade Digital – sistemas de Wifi e VoIP [12].
O Projeto cidade Digital propõe a implantação de uma infraestrutura de rede digital para atender toda a cidade, interligando as unidades da Prefeitura de Florianópolis e oferecendo internet sem fio com acesso gratuito para a população. A rede digital fará a integração de 200 unidades da Prefeitura de Florianópolis à rede de fibra óptica da Rede Metropolitana Governamental.
Com a integração, todo o território do município de Florianópolis terá cobertura de fibra óptica. Interligado à rede, serão disponibilizados pontos de acesso público com tecnologia Wifi. A rede de fibra-óptica também será o suporte de um sistema de voz sobre IP (VoIP), que prevê a integração das centrais de telefonia da Prefeitura de Florianópolis. O sistema irá permitir a redução dos custos atuais de ligação e ampliar a segurança das informações trafegadas.[12]
O projeto Cidade Digital de Florianópolis (PCDF), contempla a instalação de 200 pontos de rede Wi-Fi baseado na tecnologia 802.11b/g, que possibilite o acesso aos meios de informação e comunicação da Prefeitura Municipal de Florianópolis, como forma de gerar possibilidade de obtenção de informação junto ao serviço público municipal. Tendo como objetivos específicos:
- Democratizar e otimizar o uso dos recursos tecnológicos da informação e da comunicação, para colaborar na produção e socialização do conhecimento;
- Modernizar e racionalizar a administração pública;
- Disseminar uma sociedade da informação e do conhecimento e impulsionar atividades que possibilitem à comunidade uma incorporação mais ágil deste novo conceito, de modo que:
- Viabilize o desenvolvimento social e facilite o acesso à formação e à informação para todos;
- Assegure a disponibilidade e o acesso às novas tecnologias; - Elimine as barreiras físicas do acesso à informação;
- Garantir a coordenação e regulamentação dos esforços para criar uma estrutura física de acesso lógico e alto desempenho, a ser utilizada também pelas ações de Inclusão Digital. [13]
Podemos observar nessa consulta pública uma oportunidade latente para a implementação de uma rede mesh. Não é surpresa que uma das exigências do projeto seja:
“ A solução prevista é composta por equipamento de transmissão Wi-Fi para ambientes outdoor, com a capacidade de propagação mínima de 150 metros em formato de célula, o mesmo deve ser preparado para fixação em paredes ou postes. Para casos em que apenas 150 metros não são suficientes para cobrir as áreas previstas, o equipamento deve ser capaz de operar em modo mesh, que garanta a expansão da área de cobertura com a instalação de um segundo equipamento intercomunicado via rede sem fio com o primeiro equipamento ou utilizando-se de antenas setoriais de maior alcance. “[13]
3. Roteiro de Implantação de Redes mesh
Esse capítulo apresenta as etapas de um projeto de rede mesh, para ser utilizada como metodologia de implementação afim de prover soluções para as questões apresentadas nesse trabalho, como o Projeto Cauã, Redes mesh nas cidades, Plano Nacional de Banda Larga e Plano da Cúpula Mundial da Sociedade da Informação de informatização mundial. Essa metodologia foi usada no estudo de caso apresentado nesse trabalho. Essa metodologia foi baseada no [A do-it-yourself guide to planning and building a Freifunk based mesh network ] [24]
3.1 Considerações Iniciais
Antes de planejar a rede mesh é de suma importância observar algumas considerações:
Custo do Planejamento x Custo do Suporte. Existe uma relação direta entre o custo de planejar e construir uma rede de forma correta desde o ínicio e o custo de manter uma rede mal planejada. Vale o esforço de planejar corretamente a rede, estudar os equipamentos mais adequados e criar rotas redundantes na WMN sempre que possível.
Regulamentação. Cada País possui uma regulamentação própria sobre as telecomunicações, o uso das ondas de rádio, a frequência utilizada, a potência de sinal do equipamento wireless. Para entender a idéia por trás dessas regulamentações e quais tipos de restrições possúimos no Brasil, observe na referência[14].
Planejamento dos canais wireless. Existem apenas 3 canais que não se sobrepoem nos padrões IEEE 802.11 b/g, que são os canais 1,6,11. É importante, na medida do possível, usar esses canais, deve-se observar
também como outras redes vizinhas estão usando os canais.
Planejamento de endereçamento das redes. Etapa de extrema importância. Deve-se definir as redes e sub-redes e seus respectivos endereços IP para facilitar todo o processo.
Visada de pontos de acesso. As redes wireless são bastante sensíveis a obstruções. No planejamento da localização dos pontos de acesso é importante analisar se esses possuem, na medida do possível, campo aberto entre eles.
Pontos de Interferência. Micro-ondas, ar-condicionados e equipamentos de rádio, como telefones sem fio, podem interferir no sinal dos equipamentos WiFi, deve-se evitar esse tipo de interferência ao instalar os pontos de acesso.
Condições Climáticas. Equipamentos eletrônicos em geral são sensíveis à condições climáticas em instalações ao ar livre, deve-se levar em conta o custo de boas proteções para esses casos.
3.2 Requisitos de Hardware
- Roteador compátivel ao OpenWRT, observar a lista de roteadores em[15].
- Cabos de Rede RJ-45.
- Adaptadores PoE, Power over Internet, para nós ao ar livre. - Antenas direcionais, para links de longa distâncias.
- Antenas omni-direcionais, para hot-spots. - Proteções para nós ao ar livre
- OpenWRT última versão. (Download em http://downloads.openwrt.org/) - Módulo do protocolo B.A.T.M.A.N última versão. (Download em http://downloads.open-mesh.org/batman/stable/sources/batman-adv/)
3.4 Planejamento da rede mesh
Redes mesh wireless precisam de planejamento cuidadoso é bastante simples implementar uma WMN como poucos nós, porém, conforme a rede aumenta a manutenção da mesma fica bastante complicada, por isso é extremamente necessário configurar e administrar propriamente a rede mesh. Para isso alguns passos podem ser tomados.
3.4.1 Mapear a rede
- Identificar e demarcar: Nessa etapa se identifica, através de mapas ou plantas, os principais clientes da rede mesh como casas e escritórios, depois com o auxílio de softwares como google earth, demarca-se a localização dos clientes levando em conta suas distâncias e visada. - Planejar os links: Após a demarcação dos clientes, pode-se agora definir os links entre eles, como recomendado anteriormente é importante que os links tenham caminhos redundantes, que devem ser desenhados no mapa. Outra informação importante que deve ser agora marcada é a localização dos gateways de internet.
Uma etapa bastante custosa e trabalhosa em um projeto de redes mesh é o alinhamento de antenas entre dois nós muito afastados, dificultando a criação do link, recomendamos para isso seguir esse ótimo tutorial para o planejamento do link economizando US$ 9700,00[21].
O principal objetivo dessa etapa é ter uma imagem geral de como deve ficar a rede, com isso teremos a informação de qual topologia usar e quantos nós teremos na WMN.
3.4.2 Definir a topologia
Com a figura em mãos, fruto da etapa 3.4.1, podemos agora desenhar a topologia ideal para a rede. Existem basicamente 3 tipos de topologia: Mesh simples, Mesh com backbone, Mesh em clusters.
Mesh simples: Essa topologia é utilizada quando todos os nós possuem acesso direto ao gateway, ou com no máximo um hop que é quando para se chegar ao gateway é necessário passar por um nó comum. Essa topologia é recomendada para WMNs de pequeno tamanho, ou com alta densidade de nós e gateways.
Mesh com backbone: Quando o desenho da rede é retangular e com isso alguns nós precisam passar por 2 ou mais nós para se chegar ao gateway um backbone deve ser projetado. Backbone são rotas entre os nós, até o gateway com uma grande largura de banda e pouca latência de rede, será o caminho principal dos nós afastados até o link de internet.
Mesh em clusters: Indicada para redes segmentadas geograficamente. O link entre os clusters deve ser feito com antenas direcionais, buscando também redundância entre os clusters, como mostrado na figura 6.
Figura 6. Topologia Cluster
3.4.3 Alocação de canais
Após a definição da topologia, temos em mãos os nós normais, os nós do backbone e os hotspots que são os pontos de acesso dentro dos clientes. Aqui é um exercício simples, temos que separar os canais desses nós para não termos interferências, então para isso, bastar separá-los entre os canais 1,6 e 11, que como dito anteriormente não se sobrepoem. Exemplo: nós normais da mesh no canal 1, nós do backbone no canal 6 e hotspots no canal 11.
3.4.4 Planejamento de endereçamento IP
Nessa etapa seguimos a mesma lógica, separando via endereços IP redes e sub-redes os clusters, os backbones, os nós da mesh e os hotspots. É altamente recomendável que se use IPs reservados para esses fins, que estão definidos pela RFC 1918[19], que são.
10.0.0.0 10.255.255.255 (10/8 prefixo)
172.16.0.0 172.31.255.255 (172.16/12 prefixo)
192.168.0.0 192.168.255.255 (192.168/16 prefixo)
Após o planejamento, podemos iniciar a fase de configuração dos roteadores, essa fase está definida em anexo.
4. Estudo de Caso
Afim de testar se a tecnologia pode ser aplicada como solução de T.I para os problemas de inclusão sócio-digital este capitulo visa demonstrar na prática a aplicabilidade da tecnologia mesh em condomínios resdenciais. Foi feita também uma avaliação de custos. A necessidade proposta foi a de pura navegação web para os moradores de um condomínio residencial.
4.1 Hardware utilizado
Pesquisamos vários equipamentos de baixo custo e que atendesse as necessidades que basicamente são: suportar instalação do OpenWRT, dispositivo de rede sem fio de boa qualidade, alcance razoável, espaço de armazenamento de 8MB para poder trabalhar tranquilamente, aliado a um bom preço e baixo consumo energético. Dentre as várias alternativas, chegamos ao TP-Link TL-WR1043ND, que cumpre todas as necessidades e tem um preço de na faixa R$ 150,00. Foram adquiridados 4 unidades para utilização neste trabalho, gastando no total R$ 600,00.
4.2 Configuração
A configuração de rede, está explicada na figura 7, fundamentalmente temos 3 interfaces utilizáveis que são:
* br-lan: Interface LAN, uma bridge com VLAN das 4 portas cabeadas do roteador.
* bat0: Interface virtual da Rede mesh, que opera em cima da interface wlan0 que é a interface real do dispositivo sem fio.
Figura 7. Configuração da rede
Foram utilizados 4 roteadores para o experimento e foram nomeados da seguinte forma, TP1, TP2, TP3, TP4, onde o número respectivo de cada roteador substitui nas configurações de IP apontadas na figura 6.
Resolvemos separar a LAN da MESH por questões de segurança, isso permite que os clientes tenham uma rede pública (mesh) e uma rede privada (LAN), podemos colocar um firewall controlando a troca de dados entre as interfaces. Caso o usuário aceite participar da rede pública porém gostaria de manter sua rede interna com seu roteador wireless ele simplesmente conecta o seu roteador na LAN do roteador mesh e fica totalmente transparente para o usuário.
Outra decisão tomada foi a de termos exclusivamente roteadores e clientes que utilizem o protocolo batman-adv, ou seja, se um usuário normal tentar conectar na rede sem configurar devidamente a função mesh, não conseguirá utilizar a rede, fomentando assim a construção da “bolha de sinal” pois os usuários serão automaticamente repetidores do sinal.
4.3 Dificuldades encontradas
Versões do batman-adv incompatíveis entre si. O release de novas versões do batman-adv é feito em média a cada 3 meses, e normalmente não tem compatibilidade com versões anteriores, já que utilizam muitas funcionalidades do kernel e por isso são altamente dependentes do kernel utilizado. A versão pré-compilada do firmware OpenWRT e do pacote para os usuários finais Ubuntu não vem com a opção de debug enable, o que dificultava muito a identificação de problemas, já que era baseado na tentativa e erro. Os problemas principais foram: dificuldade na identificação dos nós vizinhos, às vezes identifica às vezes não. Neste caso identificava somente os nós que possuíssem a mesma versão.
Os problemas de incompatibilidade entre os protocolos que só foram descobertos depois de muita pesquisa, e discussão em fórums e principalmente no canal #batman da IRC.Freenode.org.
Compilação do OpenWRT muito lenta e com erros de compilação aleatórios. Ao final descobrimos que ele baixa toda estrutura do OpenWRT quando é solicitado para atualizar a base, isto é, 1.5Gb de dados. Erro de comnpilação não evidentes, por exemplo apontava erro no “large file support” que é uma opção disponível do kernel para trabalhar com arquivos maiores que 2Gb, como não precisávamos disso, foi desabilitado, porém mais tarde verificamos que o OpenWRT não compilava sem essa opção habilitada.
O processo de compilação é razoavelmente simples, porém se houver necessidade de aprofundamento no processo de compilação, acontecem alguns inconvenientes. Em príncipio tínhamos como objetivo instalar sistemas de monitoramento, de geração de análise de dados, interfaces de visualização da rede mesh em cada roteador, porém isso dificultou muito a compilação do sistema o que nos obrigou a abandonar a idéia e compilar um sistema bem enxuto.
Configurações disponíveis em mais de um local. Por exemplo a configuração de DNS pode ser feita de uma maneira mais básica em /etc/config/dhcp ou de uma maneira mais detalhada em /etc/dnsmasq.conf, porém caso haja duplicidade de informação, este último é o que vale. Isto causou um inconveniente de haver alguma configuração setada neste último que não estavam sendo respeitadas quando modificávamos no primeiro.
Diferentes implementações do modo “Ad hoc” e a compatibilidade com o batman-adv. No caso do driver utilizado, ele não suporta que seja utilizado o batman-adv em cima de uma bridge, por algum motivo desconhecido, muito provavelmente por causa da implementação do modo “Ad hoc” deste driver específico.
Documentação escassa e decentralizada do protocolo. O batman-adv possui uma documentação em forma de WIKI e não é estruturada, ou seja, são informações espalhadas ao longo do site, o que torna difícil a evolução contínua e lógica do entendimento do protocolo. Para uma rede mesh que utiliza o protococo batman-adv funcionar, o BSSID deve começar com “02”. Esta informação está nas perguntas frequentes, porém não está no exemplo de como criar uma rede mesh básica, ou seja, se por eventual copiar exatamente o exemplo, vai funcionar, se por acaso desejar utilizar uma nomenclatura própria (mudar nome da rede, utilizar outro canal, ou neste caso, alterar a inicial do BSSID), a rede poderá não funcionar.
seja desabilitado o firewall dos roteadores para evitar problemas de bloqueio de pacotes, porém nos gateways com acesso a internet se faz necessário ao menos uma regra que faz o NAT (Network Address Translation) dos IP’s privados utilizados.
4.4 Resultados
Para os testes utilizamos nosso próprio laptop, que possui uma placa de rede com suporte a redes Ad hoc com o batman-adv instalado com Ubuntu 12.04, chamamos este laptop de “s10”.
Conectamos o laptop na rede utilizando o software do próprio Ubuntu, o Network Manager. Conectado na rede ad hoc “mesh_liberty”
A partir deste momento estamos conectado na mesh e podemos verificar informações dos nós vizinhos, como qualidade do link, última vez vista, e possíveis “next hops” executando o comando abaixo como usuário “root”:
root@s10:~# batctl o
[B.A.T.M.A.N. adv 2011.2.0, MainIF/MAC: wlan0/f4:ec:38:fd:b8:34 (bat0)]
Originator last-seen (#/255) Nexthop [outgoingIF]: Potential nexthops ...
00:23:4d:48:84:20 0.180s (255) 00:23:4d:48:84:20 [ wlan0]: f4:ec:38:fb:ec:06 ( 72) f4:ec:38:f2:8d:ec (245) 00:23:4d:48:84:20 (255) f4:ec:38:fb:ec:06 0.600s (139) f4:ec:38:fb:ec:06 [ wlan0]: 00:23:4d:48:84:20 ( 0) f4:ec:38:f2:8d:ec (122) f4:ec:38:fb:ec:06 (139) f4:ec:38:f2:8d:ec 0.520s (255) f4:ec:38:f2:8d:ec [ wlan0]: f4:ec:38:fb:ec:06 ( 72) 00:23:4d:48:84:20 (245) f4:ec:38:f2:8d:ec (255) root@s10:~#
Executamos teste de desconectar o roteador que o cliente estava conectado para verificar a migração para outro servidor. Em 1:43 segundos o cliente estava navegando novamente a partir do momento que o roteador utilizado foi desconectado. O tempo não foi como o programado pois o
cliente s10 tentou solicitar IP ao mesmo servidor DHCP que ofereceu inicialmente, não havendo resposta, destinou a solicitação ao broadcast (qualquer IP), então obteve um novo IP e voltou a navegar.
Esta situação demonstra a alta disponibilidade da rede, ou ainda chamado de fail-over.
O teste foi repetido e um segundo roteador foi desconectado, repetindo-se exatamente o mesmo comportamento apresentado anteriormente.
O multi-hop foi testado e funciona com um pequeno aumento na latência. com um single-hop, ou seja, conectado diretamente no IP de destino, o tempo de ping, fica em torno de 3ms. Para o multi-hop com 1 ponto adicional o tempo ficou em 12ms. Essa medida é muito variável pois depende da distância que os equipamentos se encontram entre si.
Para uma segunda etapa vamos fazer testes de roaming, que é quando um cliente modifica os pontos de acesso sendo necessário modificar a rota de acesso a um destino. Também pretendemos fazer medições mais precisas e variadas, como de largura de banda e jitter, útil para aplicações de tempo real.
5. Conclusão e trabalhos futuros.
O experimento realizado demonstrou que esta tecnologia desmonstrou ser uma solução tecnicamente e economicamente viável para solucionar os problemas de inclusão sócio-digital e para cumprir algumas metas de projetos ambiciosos como o projeto Cauã. Porém, o uso dessa tecnologia exige um conhecimento avançado, pois os sistemas atuais (firmware) e protocolos ainda estão em um estágio experimental.
Fica claro nesse trabalho as enormes possibilidades que as redes mesh podem oferecer aos projetos mundiais de inclusão social e digital, como as propostas pela ONU. O maior benefício das redes mesh é justamente sua característica integradora e escalável, o que facilita o desenvolvimente da solução propriamente dita. Podemos destacar ainda os inúmeros projetos de redes livres espalhados pelo mundo, como a rede em Dharamsala na Índia[20] com mais de 30 nós e 2000 computadores fomentados por uma comunidade bastante ativa que visa também a inclusão “sócio-digital”.
A tecnologia está em fase inicial, ainda não temos um protocolo implementado na sua totalidade de acordo com o padrão IEE 802.11s, nem um protocolo de facto, mas mesmo assim é possível usar as redes mesh para inúmeras aplicações, como roaming, aumento do alcance e alta disponibilidade da rede wireless.
Devido a complexidade de montar uma rede como esta, talvez não seja o mais indicado para setups pequenos e que englobem o usuário final, porém para fazer uma mesh somente entre roteadores com alguns pontos de entradas para usuário final, pode ser uma rede de longo alcance, alta confiabilidade e baixo custo.
Como próximos trabalhos, pretendemos otimizar a rede montada e distribuir por todo o condomínio, compartilhando o link de internet de todos
os moradores, fazendo que qualquer local do prédio possua acesso a internet, para isso precisamos configurar os roteadores para aceitar clientes não mesh.
Queremos usar esse case para contribuir com a comunidade redes livres, afim de fomentar o desenvolvimento dessa tecnologia, além de escrever um manual completo em português.
A longo prazo podemos estender o caso de uso para alguma comunidade carente da grande Florianópolis, como o maciço do Morro da Cruz que vem recebendo bastante investimentos do governo federal.[21]
6. Referências
[1] PRZYBYSZ, A. L.; LUIZ, O. J. Infra-estrutura e Roteamento em Redes Wireless mesh.
[2] AICHELE, CORINNA,Wireless Networking in the Developing World
[3] Disponível em www.itu.int/wsis/ acesso 24 jun. 2012
[4] HENDERSON, THOMAS “A Wireless Interface Type for OSPF”, MILCOM Military Communications Conference.
[5] Disponível em http://technet.microsoft.com/pt-BR/library/bb124606 acesso em 24 jun. 2012
[6] Disponível em http://www.projectcaua.org/ acesso em 24 jun. 2012 [7] Disponível em http://www.caxiasdigital.com.br/blog/projeto-caua- reduzirz-desperdicio-avancar-a-computacao-proporcionar-a-inclusao-digital-e-o-empreendedorismo/ acesso em 25 jun. 2012
[8] WANG, XUDONG, “Wireless mesh networks: a survey ”
[9] Disponível em http://carmesh.eu/workshop.html acesso em 26 jun. 2012
[10] LOUNSBURY, ROBERT, Optimum Antenna Configuration For Maximizing Access Point Range Of An Ieee 802.11 Wireless Mesh Network In Support Of Multimission Operations Relative To Hastily Formed Scalable Deployments
[11] CARRANO, RICARDO,”Mesh Networks for Digital Inclusion - Testing OLPC's XO mesh Implementation
[12] Disponível em http://floripamanha.org/2012/06/projeto-cidade-digital-e-apresentado-para-entidades-e-empresas-de-tecnologia/ acesso em 27 jun. 2012
[13] Disponível em http://portal.pmf.sc.gov.br/governo/consultas-publicas/? p=385 acesso em 28 jun. 2012
[14] MARQUES, ALMEIDA, A regulação do acesso wireless à internet no Brasil.
[15] Disponível em http://wiki.openwrt.org/toh/start acesso em 28 jun. 2012 [16] Disponível em http://www.itu.int/wsis/index.html acesso em 28 jun. 2012
[17] Disponível em http://www.itu.int/wsis/docs/geneva/official/dop.html acesso em 28 jun. 2012
[18] Disponível em http://www.itu.int/wsis/docs/geneva/official/poa.html acesso em 28 jun. 2012
[19] Disponível em http://www.ietf.org/rfc.html acesso em 28 jun. 2012 [20] Disponível em http://drupal.airjaldi.com/node/56 acesso em 28 jun. 2012
[21] Cerca de 5 milhoes do pac 2 será para maciço do morro da cruz, Diario Catarinense, Florianópolis, editorial eletrônico. 22 jun 2012.
[22] Disponível em http://drupal.airjaldi.com/node/74 acesso em 28 jun. 2012
[23] Disponível em http://www4.planalto.gov.br/brasilconectado/pnbl/ acesso em 28 jun. 2012
[24] JOHNSON, DAVID, Buiding a Rural Wireless mesh Network - A do-it-yourself guide to planning and building a Freifunk based mesh network
7. Anexos
7.1 Instalação do B.A.T.M.A.N
Para instalar o B.A.T.M.A.N, é necessário baixar os fontes do build system OpenWRT para compilá-lo com o módulo batman com modo debug habilitado com o intuito de analisar as mensagens de erro caso necessário. O OpenWRT contem todas as informações de build para compilar e configurar um sistema Linux completo.
svn co svn://svn.openwrt.org/openwrt/ openwrt
Após o checkout é necessário atualizar os pacotes do sistema: cd openwrt
scripts/feeds update
Com o OpenWRT instalado é necessário adicionar o pacote batman-adv. O pacote padrão do OpenWRT já vem com o batman adicionado bastando assim instalar os módulos para o kernel do Linux. scripts/feeds install kmod-batman-adv
Agora com o módulo batman adicionado ao kernel é necessário configurá-lo, para entrar no menu de configuração do OpenWRT.
make menuconfig
De acordo com o roteador que estiver utilizando, já existem templates que já instalam os drivers necessários, neste caso foi necessário selecionar:
Target System (Atheros AR71xx/AR7240/AR913x) Target Profile (TP-LINK TL-WR1043ND v1)
Selecione o sistema base módulo kmod-batman-adv como modo debug enable em
Kernel modules ---> Network Support ---> Após isso somente compilar: make
O firmware estará na pasta “bin” dentro da pasta de compilação.
Agora é só atualizar o firmware do roteador. Para cada roteador há um procedimento específico, no nosso caso, a atualização pela própria interface do fabricante funciona perfeitamente.
7.2 Configuração
O primeiro passo de configuração é necessário adicionar as interfaces que irão participar da mesh no batman-adv quais interfaces ele deve usar para construir a rede mesh, podendo ser um device wireless como uma wlanX ou uma athX mas também dispositivos comuns de ethernet, usualmente ethX. Podemos fazer isso com o comando:
batctl if add wlan0 batctl if
Nessa etapa é de suma importância verificar o log do sistema para ver se tudo correu bem. Importante ressaltar também que essas interfaces que foram adicionadas usando batctl não precisam de endereço IP configurados pois o batman-adv opera na camada 2 de rede. Essas interfaces são interfaces do tipo bridge, não é necessário usar nenhuma 'plain-interface' como rotas. Após a instalação e a configuração inicial do
módulo batman já é possível configurar a rede mesh de acordo com as necessidades e com a estrutura dos nós. Uma configuração básica para um condomínio residencial vai ser abordado no estudo de caso desse trabalho.
Toda configuração de IP será feita nesta interface bat0. O próprio batman-adv se encarrega de encaminhar para a respectiva interface.
Após a instalação do openwrt e do batman-adv precisamos configurar os roteadores, após inúmeros testes a rede mesh ficou estável com esse conjunto de configuração.
/etc/config/batman-adv config 'mesh' 'bat0'
option 'interfaces' 'wlan0' option 'aggregated_ogms' option 'bonding'
option 'fragmentation'
option 'gw_bandwidth' '2Mbit/1Mbit' option 'gw_mode' 'server'
option 'gw_sel_class' option 'log_level' option 'orig_interval' option 'vis_mode'
/etc/config/batman-adv é o arquivo de configuração do B.A.T.M.A.N. aqui podemos setar as principais opções do protocolo.
Algumas opções são detalhadas a seguir:
‘aggregated_ogms’: é ativada para reduzir o overhead do protocolo, foi criado para encontrar todos os participantes da rede, batman tem a habilidade de coletar e agregar essas mensagens do protocolo, que se
