Rede Mesh: topologia e aplicação

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Revista iTEC – Vol. IV, Nº 4, Jul. 2012 Página 16

Rede Mesh: topologia e aplicação

Tatiana Medeiros Cardoso, Paulo César Furlanetto Marques

Faculdade Cenecista de Osório (FACOS)

Rua 24 de maio, 141 – 95520-000 – Osório – RS – Brasil tati.info@gmail.com,pcesar.marques@terra.com.br

Resumo: O presente artigo aborda a topologia das redes em malha também conhecida como rede mesh. Composta por vários nós (roteadores) que se comunicam entre si, sendo eles autoconfiguráveis dentro da rede, as redes mesh são de fácil implantação e expansão. A aplicação das redes mesh também é um ponto abordado neste trabalho, sendo usada em regiões montanhosas, onde a aplicação de outro tipo de rede não seria possível.

Palavras-chave: Mesh, IEEE 802.11, ad-hoc

1. Introdução

Com a evolução das redes sem fio, surge uma nova forma de conexão: a rede em malha, também conhecida como rede mesh. As vantagens sobre qualquer outra rede como a facilidade de expansão, menor custo de implantação e fácil adaptação a lugares de difícil acesso, faz dela uma promessa de tecnologia sem limites físicos. A rede mesh já é realidade nos EUA e na Europa, no Brasil está sendo utilizada em caráter de pesquisa. Uma das características interessantes da rede mesh é a sua facilidade de expansão. Como a rede é composta por nós (roteadores) que se comunicam entre si, toda vez que um novo nó (roteador) é colocado na rede, ela se expande e assim sucessivamente a cada nó instalado.

Nas redes mesh, os nós, utilizam o padrão IEEE 802.11s1, formando uma rede em malha sem fio com transmissão em múltiplos saltos. Por ser uma rede de baixo custo e de fácil implantação, é considerada uma solução ao problema de popularização do acesso à Internet. Pode ser utilizada em hospitais, campus universitários, e em alguns lugares já existem as chamadas "cidades digitais", onde projetos de rede mesh beneficiam toda uma população. Em regiões onde o relevo é acentuado, e, portanto o acesso à rede seria mais complicado, projetos de rede em malha sem fio estão utilizando da energia solar para prover acesso a Internet em lugares onde uma infraestrutura cabeada não seria possível.

O artigo está organizado da seguinte forma: na seção 2 é abordado o funcionamento das redes mesh. Na seção 3 é descrito toda a infraestrutura da rede mesh, bem como seus

1_{O padrão IEEE 802.11s amplia a definição do sistema de distribuição sem fio original do padrão IEEE}

802.11, permitindo que a rede sem fio tenha uma área de cobertura que pode crescer à medida que novos nós se integram à rede adicionando um novo salto. - http://www.ic.uff.br/~celio/papers/minicurso-sbrc08.pdf

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protocolos de roteamento e como eles funcionam. Na seção 4 é feita uma abordagem sobre a qualidade de serviço das redes mesh. Na seção 5 são descritas algumas aplicabilidades dessa rede. Na seção 6 é mostrado um exemplo real da aplicabilidade das redes mesh na comunidade de Dharamsala na Índia. Por fim, na seção 7 apresentam-se as considerações finais.

2. Funcionamento das redes mesh

A Rede em malha sem fio é uma rede dinâmica onde seus nós se comunicam entre si através do padrão IEEE 802.11 em modo ad-hoc, sendo autoconfiguráveis. Os pacotes são repassados ao destino através de múltiplos saltos entre os nós. Por ausência de cabeamento entre os pontos de acesso, essa rede torna-se mais barata e de fácil implantação, reduzindo assim os custos em administração e manutenção.

Os protocolos da rede mesh determinam a melhor rota automaticamente, podendo ser reconfigurados dinamicamente se um nó se torna inutilizável. Nas redes tradicionais, se faz necessário uma infraestrutura prévia, pontos de acesso são definidos onde as mensagens passam antes de chegar ao seu destino final. Sendo assim, o usuário envia mensagens onde ela passa por um ponto de acesso, depois é enviada ao seu destino.

Nas redes mesh ou redes ad-hoc, isso não acontece, pois não é necessário pontos de acesso, cada cliente comunica-se entre si, portanto, cada um tem função de roteador dentro da rede, dessa forma, a rede possui maior mobilidade podendo expandir-se sem a necessidade de reconfiguração. Por ser uma rede onde constantes mudanças podem ocorrer, o roteamento de pacotes pode implicar em alguma dificuldade na questão de cálculo, por ser uma rede de alta mobilidade.

As redes mesh possuem dois tipos de nós: os roteadores mesh e os clientes mesh. Os clientes mesh por não possuírem funções de bridge e gateway em sua configuração, são mais simples de configurar que os roteadores mesh. Os roteadores mesh formam o backbone da rede, onde contém as funções de roteamento, com mínima mobilidade, possuem diversos enlaces com outros nós, roteadores e clientes. Por funcionarem como gateways e bridges, possibilitam a conexão com outras redes.

3. Arquiteturas mesh

A arquitetura mesh possui uma particularidade onde cada nó ou cada cliente efetua o roteamento na rede. É uma arquitetura pouco difundida, apesar de oferecer redundância é mais confiável, porém, na questão de roteamento pode causar congestionamentos indesejáveis na rede (OLIVEIRA, 2009).

3.1. Backbone Wireless Mesh Network

Os Roteadores Mesh formam o backbone, a infraestrutura da rede, utilizando-se da função

gateway para conexão com a Internet. Através dessa arquitetura, há possibilidade de ligação

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outras redes wireless utilizando as funções gateway e bridge dos roteadores mesh.

A conexão dos clientes pode ser feita via ethernet ou pode ser direta se possuírem tecnologias semelhante a roteadores mesh. Nesse caso os roteadores não possuem mobilidade como os clientes. A figura 1 apresenta um exemplo de rede mesh.

Figura 1: Backbone Wireless Mesh Network (AKYILDIZ, 2005)

3.2. Cliente Wireless Mesh Network

Os nós clientes (figura 2) têm função de configuração e roteamento e por serem responsáveis por aplicações de usuário final, não utilizam os roteadores mesh. Representam uma rede ad-hoc comum, realizando funções adicionais de roteamento e autoconfiguração.

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4. Protocolo de Roteamento

Por ser dinâmica e com alta mobilidade, as redes em malha sem fio, em questão de protocolos de roteamento, estão em constantes pesquisas para o desenvolvimento de protocolos que atenda essa topologia. As soluções hoje utilizadas são os protocolos de roteamento: Unicast e Multicast. O protocolo de roteamento Unicast é a transmissão mais comum, ponto a ponto, ou seja, um pacote do nó de origem terá somente um destino. Já no

Multicast, o pacote do nó de origem é transmitido a um grupo de nós destino (SANTOS et

al., 2010).

Protocolos Pró-Ativos: utilizados largamente para soluções de rede, esses protocolos mantêm a constante atualização da rede, através do envio e recebimento de mensagens de controle. As informações são utilizadas para construção de rotas entre destino e origem. Um nó envia mensagens de controle, informando seu status de ativo na rede. Com essas informações, os nós calculam a sua tabela interna de roteamento utilizando métricas pré-determinadas pelo protocolo.

A vantagem desse protocolo é a disponibilidade de rotas para diversos nós, sendo flexível às mudanças na topologia da rede. Com a propagação do número de nós na rede, os protocolos Pró-Ativos tendem a se tornar não escaláveis, devido ao aumento de mensagens de controle. Sendo assim a latência em grandes redes para manter e descobrir uma rota, torna-se um problema na rede. Exemplos de protocolos de roteamento para essa categoria: DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector), OLSR (Optimized Link State Routing) e WRP (Wireless Routing Protocol).

Protocolos Reativos: Esses protocolos criam rotas apenas quando há necessidade que um nó origem inicie a comunicação com um nó destino. O nó origem descobre uma ou mais rotas da rede. Esse grupo de rotas é avaliado para que se encontre a melhor rota entre elas, ou seja, a que tiver o menor atraso. Exemplos de protocolos de roteamento para essa categoria são: DSR (Dynamic Source Routing), AODV (Ad Hoc on-demand

Distance Vector).

Protocolos Híbridos: Contempla as principais características dos protocolos pró-ativos e repró-ativos. Em uma rede em que os nós estão pró-ativos, a tabela de roteamento precisa estar sempre atualizada. Porém os nós podem com o tempo ficarem menos ativos, tornando o protocolo reativo mais adequado, nesse caso.

Protocolos Multicast: Os protocolos Multicast são classificados em duas categorias: Tree Based e Mesh Based.

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Figura 3: Protocolos de roteamento estabelecem árvores para conectar os todos os clientes de um grupo.

A figura 3 mostra uma árvore Multicast onde os clientes em vermelho estão no mesmo grupo Multicast, os roteadores C e B não têm clientes no grupo. O objetivo dos protocolos é fazer que os pacotes passem por esse roteador para chegar até E e F. Para isso, criam-se árvores para interconectar todos os roteadores com os clientes que pertencem a um determinado grupo (REDE NACIONAL DE PESQUISA, s/a). Exemplos de protocolos para essa categoria: MAODV (Multicast Ad-hoc On-Demand Distance Vector), AMROUTE (Ad-Hoc Multicast Routing Protocol), MOLSR (Multicast Optmized Link State

Routing) e MZRP (Multicast Zone Routing Protocol).

Tree Based (figura 4): Existe um único caminho entre o nó de origem e o nó de destino, esses protocolos são eficientes no fluxo de dados. A árvore de Multicast é uma característica principal desse protocolo (SANTOS et al., 2010).

Mesh Based (figura 5): Ao contrário da Tree Based, Mesh Based possui múltiplos caminhos entre o nó de origem e nó de destino, portanto é mais robusta. A utilização de uma malha Multicast, adapta-se ao dinamismo da Rede Ad-hoc (SANTOS et al., 2010). Exemplos de protocolos para essa categoria são: ODMRP (On-Demand

Multicast Routing Protocol) e DCMP (Dynamic Core Based Multicast Routing Protocol).

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Figura 5: Mesh Based (LIM, 2011)

5. Qualidade de Serviço em redes mesh

Para obtenção de qualidade de transmissão no fluxo de dados, são necessários requisitos básicos para que ele chegue ao destino de forma integral. Esses requisitos são: taxa de perda de pacotes, largura de banda, taxa de bloqueio, latência na transmissão e garantia de serviço. A garantia de serviço torna-se hoje, um ponto importante quando a questão é a transmissão de voz e vídeo.

Prover a qualidade de serviço em redes mesh torna-se crítica em função da necessidade de atender aplicações multimídia, sendo que essas aplicações são sensíveis ao atraso e necessitam maior largura de banda (ABALÉM, 2007). A escalabilidade nas redes

mesh são a maior característica dessa tecnologia, porém o problema é gerar protocolos que

façam com que o roteamento seja eficaz suprindo as necessidades de qualidade de serviço (SANTOS et al., 2010).

Em grande parte das implementações nas redes mesh, o roteamento é feito utilizando o mínimo de saltos para se conseguir o melhor caminho entre os enlaces. Porém isso não provê garantia de chegada dos dados, a alta latência e o mínimo de perda de pacotes (SANTOS et al., 2010). Neste contexto, o roteamento por caminho mínimo, pode ser o com maior fluxo de dados, consequentemente com maior congestionamento, afetando a latência na transmissão dos dados. A utilização de uma métrica multidimensional, onde as informações de cada enlace pudessem ser conseguidas, garantindo um esforço menor atendendo as necessidades de cada enlace.

6. Aplicações das redes mesh

O surgimento das redes em malha sem fio trouxe a possibilidade de popularização da Internet, criando as chamadas “cidades digitais”, onde o acesso é facilitado através de pontos de acesso distribuídos estrategicamente em campus universitários, prédios comerciais, hospitais etc. As vantagens acerca dessa tecnologia beneficiam muitos segmentos, criando uma rede de comunicação de fácil implantação e baixo custo, podendo

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se expandir facilmente. Existem diversas aplicações que podem utilizar as redes mesh.

As redes em malha sem fio podem ser utilizadas onde não há uma infraestrutura cabeada como telefonia ou eletricidade. A utilização de fontes de energia solar é uma das vantagens da aplicação desse tipo de rede. As redes mesh podem ser alimentadas por placas que captam o calor do sol, sendo assim em lugares onde há um acesso deficiente de eletricidade a aplicação desse tipo de rede é a melhor solução. Com a necessidade cada vez maior de comunicação entre as pessoas, é necessária que haja cada vez mais, pontos de acesso a Internet, preferencialmente as redes wireless. Procuramos cada vez mais a mobilidade, o acesso à informação de forma rápida, segura, em qualquer lugar e a qualquer hora.

As redes em malha sem fio ou redes mesh já são uma realidade em diversas cidades no mundo, especialmente em lugares onde há obstáculos a redes cabeadas, como terrenos montanhosos. No Brasil temos o exemplo da cidade de Tiradentes no Estado de Minas Gerais, onde foram implantados equipamentos em pontos estratégicos, sendo um grande desafio, pois o local é montanhoso e as casas possuem paredes espessas dificultando a passagem do sinal wireless (ARRUDA, 2010).

No presente artigo, serão abordadas algumas aplicações que já fazem uso dessa tecnologia. Tratando-se de aplicação de redes mesh, podemos citar as seguintes:

Lugares isolados: como mencionado anteriormente, a aplicação de redes mesh em

lugares de difícil acesso, como regiões montanhosas onde prover o acesso a Internet só é possível por transmissões via wireless, mostrou-se satisfatório até então. Nessas regiões são instalados diversos pontos de acesso, utilizando-se de equipamentos de baixa potência e longo alcance, geralmente alimentados por energia solar (ROODS, 2007).

Educação: a implantação das redes mesh em universidades, escolas, provê o

acesso a Internet a alunos e professores, promovendo a comunicação rápida e a troca de informações. Não há necessidade de cabeamento, pois são instalados diversos pontos de acesso wireless que podem ser internos e externos (ROODS, 2007).

Saúde: como nem todas as construções são adaptadas para receber uma

infraestrutura de rede, a rede mesh é ideal nesses casos. Em hospitais, principalmente em prédios mais antigos, a rede mesh pode enviar sinais a curtas distâncias, através de vidros espessos. Isso garante a conexão entre os consultórios e laboratórios, mantendo atualizadas as informações sobre exames e históricos médicos, podendo o profissional de saúde ter acesso a essas informações quando necessário (ROODS, 2007).

Locais temporários: eventos ao ar livre como shows, comícios políticos e também

construções, podem usufruir da tecnologia das redes mesh, pelo fato de ser de fácil instalação e remoção (ROODS, 2007).

6.1. Rede mesh: Comunidade de Dharamsala (Índia)

Em fevereiro de 2005 na comunidade de Dharamsala na Índia, foi implantada a rede mesh. O desempenho dessa rede revelou-se satisfatório após testes realizados durante esse período. Constatou-se que em regiões como essa onde o terreno é montanhoso, torna-se mais apropriado para a implantação desse tipo de rede. A cobertura é ampla e em lugares

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onde o fornecimento de energia é ineficiente, o auxílio de placas solares para o fornecimento de energia, mostrou-se eficiente.

Figura 6: Placas solares que alimentam os equipamentos da rede de Dharamsala (FLICKENGER et al., 2008)

Através de 30 nós compartilhados em um canal único de rádio, fornece Internet banda larga a todos os membros da rede, tendo largura disponível de 6Mbps. São mais de dois mil computadores conectados submetendo a rede a uma grande carga. No entanto, o sistema trabalha com esta carga sem perda de pacotes ou aumento de latência. A questão de escalabilidade é problemática, pois a rede utiliza-se de um único canal de rádio.

O desenvolvimento de rádios de múltiplos canais, atendendo os requisitos técnicos da rede, resolve o problema de escalabilidade e foram testados na rede de Dharamsala obtendo ótimos resultados. A rede de Dharamsala possui roteadores mesh em todas as localidades, porém com antenas diferentes conforme a localização geográfica. Os roteadores são projetados e construídos localmente e a implantação da rede tem base nesse dispositivo de hardware que leva o nome de Himalayan Mesh-Router (FLICKENGER et al., 2008).

As antenas utilizadas são omnidirecionais de 8 a 11 dBi e direcionais de 12 a 24 dBi sendo algumas antenas setoriais de alto ganho, porém com custo elevado. Os serviços como centrais VOIP, são fornecidos aos membros baseada em um PABX por software. Possui também interface com a rede de telefonia pública.

A criptografia dessa rede, não permite acesso a dispositivos como notebooks e PDA’S. Através da distribuição de AP’S 802.11b em localidades onde há roteadores mesh instalados, fornecem apenas quando necessário o acesso a estes dispositivos. Roteadores

mesh consomem menos de 4 watts, isso os torna ideais para serem alimentados através de

energia solar.

7. Considerações Finais

As vantagens dessa tecnologia fazem da rede mesh a solução mais adequada quando é necessária a implantação de uma rede que traga maior mobilidade, economia, menor manutenção e fácil expansão. Seus protocolos de roteamento mantêm a rede em constante atualização, fazendo com que as melhores rotas sejam descobertas, tornando assim uma rede flexível a possíveis mudanças.

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A aplicação dessa rede torna cada vez maior a popularização da Internet, visto que se dispõe de pontos de acesso em lugares públicos, onde o sinal pode ser captado a qualquer hora. Exemplos como a rede de Dharamsala na Índia, são cada vez mais comuns em lugares onde o funcionamento de uma rede cabeada não seria possível, devido a terrenos com relevo acentuado.

Enfim, a tecnologia mesh, é a solução para expansão e provimento da Internet a população que vive em lugares isolados. Na cidade, é a forma mais rápida e econômica de expandir redes em empresas, universidades, escolas, hospitais, podendo transformar cidades em “cidades digitais”, trazendo assim a informação onde e na hora em que necessitamos.

Referências

ABALÉM, Antônio Jorge Gomes (et.al). Redes Mesh: Mobilidade, Qualidade de Serviço e Comunicação em Grupo. Minicursos: 25º Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos. Disponível em: <http://sbrc2007.ufpa.br/anais/2007/MC%20-%2002.pdf> - Acesso em: 14/09/2012.

ARRUDA, Fernanda Waltrick. Estudo da Tecnologia, do desenvolvimento e da utilização das redes mesh. Universidade Regional de Blumenau, Centro de Ciências Tecnológicas, Departamento de Engenharia Elétrica e Telecomunicações. Disponível em

http://www.inf.furb.br/~pericas/orientacoes/RedesMesh2010.pdf Acesso em 14/09/2012

AKYILDIZ, IAN F. A Survey on Wireless Mesh Networks. Xudong Wang, Kiyon, INC. Disponível em: <http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/papers/2005/j4.pdf> Acessado

em: 14/09/2012.

FLICKENGER, Rob et al.. Redes sem fio no mundo em desenvolvimento. Disponível em:

<http://wndw.net/pdf/wndw-pt/wndw-pt-ebook.pdf> - Acessado em: 14/09/2012.

LIM, Jay - P2P Research: Mesh vs Tree Topology - D isponível em <http://www.p2pzon.com/2011/08/p2p-research-mesh-vs-tree-topology.html> Acessado em: 06/1/2011.

OLIVEIRA, Eduardo Pinto de - Gerência de Redes BWA através de Framework e Métricas de Avaliação de Desempenho - Dissertação de Mestrado - Pontifícia Universidade Católica de Campinas, 2009 - Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/60092727/22/ Arquitetura-Mesh> - Acessado em: 11/09/2012.

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ROOS, Dave. "How Wireless Mesh Networks Work" 20 June 2007. HowStuffWorks.com. Disponível em: <http://computer.howstuffworks.com/how-wireless-mesh-networks-work. htm> Acessado em: 14/11/2012.

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