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Desafios na montagem e configuração de uma rede em malha padrão 802.11a em uma região
metropolitana
Rothschild A. Antunes1, Rafael B. Scarselli
2, Ruy de Oliveira
3 , Ailton A. Shinoda4, Ed’Wilson T. Ferreira5, Valtemir Nascimento6
1 IFMT, Cuiabá, Brasil,[email protected]
2 IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected] 3 IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected]
4UNESP, Ilha Solteira, Brasil, [email protected] 5IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected]
6IFMT, Cuiabá, Brasil, [email protected]
RESUMO Este artigo detalha os desafios superados na
implementação de uma rede mesh (malha) utilizando o padrão 802.11a, em uma área metropolitana. Sistematiza-se aqui, por exemplo, formas otimizadas de se instalar e configurar as antenas nessas redes. Dessa maneira, este trabalho esclarece alguns aspectos importantes, normalmente não encontrados na litertura, para esse tipo de implementação.
Palavras-Chave: Mesh, Configuração, 802.11a, ad hoc.
1. INTRODUÇÃO
Quando se fala em redes sem fio metropolitanas, é comum se pensar em uma estrutura ponto-multiponto, em que existe um ponto de acesso e vários clientes conectados a esse ponto de acesso. Um exemplo clássico de rede ponto-multiponto refere-se ao modelo usado pelas empresas que fornecem Internet sem fio residencial. Entretanto, existe outro modelo de rede chamado ad hoc, ou rede sob demanda [1] [2].
Nas redes ad hoc, cada nó funciona como dispositivo final (host), trocando mensagens com outros nós na rede, e também como roteador, encaminhando o tráfego de outros nós que estejam próximos.
O que tem tornado as redes ad hoc objeto de estudo por muitos pesquisadores recentemente são as redes mesh (malha) [3] [4]. Trata-se de um tipo de rede ad hoc em que se tem alguns nós fixos, cada um cobrindo uma área adjacente até seu vizinho, resultando numa grande área de cobertura para a rede. A topologia de uma rede mesh sem fio é parecida com a de um tecido, por isso o nome de rede em malha [5].
As principais vantagens das redes em malha são o baixo custo, a alta tolerância a falhas e a independência de cada nó em relação aos demais [3].
Quando se estuda redes em malha sem fio se depara imediatamente com os problemas de montagem e configuração dos dispositivos de rede. É possível observar
em outros trabalhos [6][8] com redes em malha que também existem problemas inerentes especificamente a este tipo de rede.
Uma das grandes dificuldades encontradas na imple-mentação de uma rede mesh em uma área metropolitana e a instalação dos rádios, que são normalmente colocados no topo de prédios ou casas. Devido à diferença de alturas entre os prédios, podem ocorrer problemas significativos na qualidade de sinal entre os rádios.
Este artigo se propõe a delinear o processo de construção e configuração de uma rede mesh em uma área metropolitana, utilizando equipamentos de baixo custo e software livre. Para isso, são mostrados detalhes importantes na construção dessas redes, como o tipo de hardware (rádios e antenas) a ser usado em uma área metropolitana, devido à grande diferença de altura entre os prédios, onde os rádios ficam instalados. Informações essas que são imprescindíveis para o bom desempenho de uma rede mesh, e que são normalmente omitidos na literatura.
Como os trabalhos utilizando simuladores estão ficando a cada dia mais muito saturados, este trabalho tem como objetivo auxiliar novos pesquisadores a montar uma rede mesh em áreas metropolitanas, e obter resultados uma rede real.
O artigo está dividido da seguinte forma: a seção 2 apresenta os principais trabalhos relacionados, a seção 3 descreve os materiais e métodos utilizados para a instalação de uma rede mesh, na seção 4 são mostrados os resultados e as considerações finais, e a seção 5 conclui este trabalho.
2. TRABALHOS RELACIONADOS
Diversas universidades e pesquisadores realizam projetos e estudos sobre a tecnologia de redes em malha sem fio (mesh), provendo acesso às redes universitárias para usuários que estejam próximos as universidades. Alguns desses projetos de redes mesh são descritos a seguir.
O projeto RoofNet (MIT) [6] foi desenvolvido para prover acesso de uma rede Mesh a usuários em Cambridge.
Montagem e Configuração de uma rede em malha padrão 802.11a em uma região metropolitana Rothschild A. Antunes, Rafael B. Scarselli, Ruy de Oliveira, Ailton A. Shinoda, Ed’ Wilson T. Ferreira, Valtemir Nascimento
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Foram utilizados roteadores sem fio WGT634U (Netgear), com o objetivo de estudar as perdas de pacotes, rotas de maior throughtput para ambientes de altas perdas em um enlace 802.11b.
Outro projeto de rede Mesh foi desenvolvido por professores da Universidade de Tessália (Grécia) [7], utilizando pontos de acesso Linksys WRT54G, com uma adaptação dos roteadores a antenas omnidirecionais, utilizando padrão 802.11b.
O projeto da Universidade Federal Fluminense (UFF), a rede Mesh [8], denominada ReMesh, utiliza dois modelos de roteadores Linksys WRT54G e WRT55AG, os quais trabalham como pontos de acesso e roteadores sem fio e operam na faixa de freqüência de 2.4 GHz.
Em outro projeto de rede mesh realizado na cidade de Tiradentes (Minas Gerais), foram utilizados equipamentos e software da Cisco. A solução da Cisco [9] atendeu a cidade muito bem, com rádio dual band, sendo usados os padrões IEEE 802.11a/b/g. Nos enlaces de link, foi utilizada a freqüência de 5.8GHz e no acesso aos dispositivos finais utilizou-se a freqüência 2.4GHz. O protocolo de roteamento mesh utilizado foi o Cisco Adaptive Wireless Path Protocol (AWPP), que também é da Cisco.
Este projeto detalha os procedimentos que devem ser seguidos a fim de se evitar problemas básicos comuns na implementação real de uma rede em malha sem fio em uma área metropolitana. Deve-se atentar para a escolha de equipamentos, softwares e freqüências a serem utilizados nesse tipo de rede. Nesse projeto, foi adotado equipamento radiotransmissor com tecnologia outdoor, não sendo necessária a utilização de caixas herméticas como ocorreu na maioria dos trabalhos relacionados na seção anterior. Outro diferencial deste trabalho é a adoção do padrão 802.11a [10], utilizando a freqüência de espectro de 5.8GHz, diferentemente dos trabalhos anteriores, que adotaram a faixa de 2.4GHz. A idéia aqui foi a de usufruir da maior banda passante deste padrão (54 Mbps), e evitar o espectro saturado de 2.4 Ghz.
Este trabalho completa os trabalhos descritos acima na medida em que se detalha a montagem da rede e seus principais problemas, incluindo os critérios a serem usados na escolha de rádios e antenas que poderão ser utilizados, a fim de se ganhar melhor desempenho nesse tipo de rede. A rede metropolitana estudada nesse artigo foi denominada de rede “Stormesh”
3. MATERIAIS E METODOS
3.1. Cenário para Instalação
A topologia da rede montada está mostrada na Figura 1. Nesta figura , pode-se ver a localização dos pontos instalados na cidade de Cuiabá, Mato Grosso, no Campus central do Instituto Federal de Mato Grosso (IFMT) e em alguns prédios próximos.
Dentro deste cenário, foi criada uma rede em malha com vários nós espalhados pela região próxima ao campus do IFMT, que opera em modo ad hoc com protocolo de roteamento OLSR[13]. Protocolo esse escolhido por ser uns dos mais utilizados nas áreas de pesquisa nos últimos anos
[7][8], e por isso consolidou-se como um protocolo já bem estável.
Figura 1. Localização dos Pontos A, B, C e D da rede mesh
3.2. Hardware Radio e Antena 5.8 Ghz
O rádio escolhido para ser instalado [11] possui cápsula protetora própria para ambiente externo à prova d’água, conforme mostra a Figura 2. Existe uma saída para antena externa e uma saída para cabo de rede UTP, que também serve de alimentação através de módulo PoE (Power Over Ethernet) que vem incluso no rádio juntamente com a fonte de alimentação. A configuração de hardware do equipamento é de 4MB de memória flash e 16MB de memória RAM, com CPU Atheros de 180MHZ.
A antena escolhida foi uma Hyperlink omni direcional de 8dbi de ganho com ângulo vertical de propagação de 16°, ângulo horizontal de propagação de 360°, impedância de 50 Ohm e potência máxima de saída 100 watts.
Figura 2. Nanostation e Antena 8 dB
3.3. Sistema Operacional e suas configurações
Para que os rádios funcionassem com o protocolo OLSR, foi necessária a troca do sistema operacional dos equipamentos, pois o firmware padrão [11] não suporta este protocolo nem sua instalação. Entre os vários sistemas existentes, optou-se pelo OpenWRT [12] por este suportar o protocolo OLSR [13] e oferecer uma interface de fácil configuração. O OpenWRT corresponde a uma distribuição Linux adaptada para dispositivos embarcados sem fio, e tem uma comunidade que provê suporte ao firmware.
Após instalação do OpenWRT no rádio, deve-se configurar os parâmetros relativos ao modo de operação e à interface da rede.
3
a) Modo de Operação: para se configurar uma rede mesh, os rádiotrasmissores têm que operar em modo ad hoc, ter um nome de rede (ESSID) comum para todos os rádiotrasnmissores e, por questões de segurança, possuir uma senha com um tipo de criptografia apropriada, conforme mostrada na Figura 3.
Figura 3. Configuração da rede Stormesh
b) Interface de rede: como temos duas interfaces de rede, uma LAN e uma WAN, deve-se configurar a interface LAN para prover acesso cabeado aos usuários através da placa Ethernet. A interface WAN associada à placa wireless, e usada para conexão com os outros radiotransmissores formando o backbone da rede. A Figura 4 mostra a configuração típica das interfaces de rede de um Rádio, nessa rede.
Interface Status
Interface lan
Device: eth0 (MAC 00:15:6D:BA:CD:57) Type: Ethernet Adapter Transfer
RX: 934623 Pkts. (1.01 G) TX: 802711Pkts. (128.26 MB)
IP Configuration Primary: 192.168.10.1/255.255.255.0
Interface wan
Device: ath0 (MAC 00:15:6D:B9:CD:57) Type: Wireless Adapter (Atheros)
Mode: Ad-Hoc SSID: Stormesh Channel: 161
Transfer RX: 2.77254e+06 Pkts. (1.79 GB) TX: 1.86277e+06 Pkts. (1.04 GB)
IP Configuration Primary: 10.0.0.10/255.0.0.0
Figura 04. Configuração das interfaces de rede do Radio
4. RESULTADOS
A partir do cenário onde os rádios foram instalados e configurados, pode-se observar na Figura 5 a topologia da rede Stormesh.
Nessa topologia, o rádio A está em cima da caixa d’água do campus central do Instituto Federal de Mato Grosso, a
uma altura de 30m do solo com uma antena omni direcional de 12dbi de ganho, 6° de polarização vertical no plano de propagação e conexão com a Internet através de cabo UTP.
Figura 5 – Perspectiva diagonal dos pontos com as estruturas prediais onde foram instalados os rádios
Outro rádio B foi instalado em um prédio a 290 metros de distância do ponto A em uma altura de 50 metros do solo com uma antena omni direcional de 8dbi de ganho com ângulo vertical de propagação de 16°. Um terceiro rádio foi adicionado ao ponto C a 80 metros de distância do rádio A, entre o rádio A e B, a uma altura de 14 metros de altura do solo com uma antena omni direcional igual ao do ponto B. Por fim, foi instalado um quarto rádio no ponto D usando o mesmo tipo de antena omni direcional de 8dbi a uma distância de 174 metros do ponto A e a 160 metros do ponto B.
Além das antenas externas omni de cada rádio, o Nanostation5 possui uma antena interna setorial de 14dbi de ganho, com ângulo de polarização horizontal de 55º, ângulo de polarização vertical de 18°, que também foi avaliada nos testes de ganho de sinal deste trabalho. Todos os rádios foram instalados com visada direta para o ponto A.
Através da Figura 5 é possível observar a notável diferença de altura entre eles. Devido a essas grandes diferenças de alturas entre os prédios, foi necessário estudar a propagação de onda das antenas utilizadas. As antenas externas utilizada nos clientes nesse cenário foram de 8 dB, escolhidas por terem uma abertura de ângulo vertical de propagação de 16°. A antena externa utilizada no ponto central (Ponto A), foi de 12dbi de ganho e 6° de polarização vertical no plano de propagação.
A escolha das antenas do tipo omini direcional para uma rede mesh metropolitana é fator muito importante, pois o ganho da antena e a sua abertura vertical vão determinar a qualidade de sinal na rede, como podemos observar na
Montagem e Configuração de uma rede em malha padrão 802.11a em uma região metropolitana Rothschild A. Antunes, Rafael B. Scarselli, Ruy de Oliveira, Ailton A. Shinoda, Ed’ Wilson T. Ferreira, Valtemir Nascimento
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Figura 6. As medidas mostradas na Figura 6 referem-se ao nível de sinal entre o ponto A e os demais pontos.
Os resultados na Figura 6 mostram que a relação entre a potência do rádio e o ângulo de abertura vertical das antenas é determinante na relação entre a altura da antena e a qualidade sinal. Pode-se notar que o melhor resultado é obtido quando se utiliza a antena setorial, padrão do rádio, de 14dbi de ganho, e ângulo de polarização vertical de 18º.
Figura 6. Qualidade de sinal comparando as antenas utilizadas
5. CONCLUSÕES
O projeto Stormesh conseguiu demonstrar a viabilidade de instalação e configuração de uma rede em malha sem fio utilizando o padrão 802.11a, como uma rede de backbone metropolitana. Diferentemente dos trabalhos existentes que utilizaram o padrão 802.11 b, com a freqüência 2.4 GHz e com largura de banda de até 11 Mbps, utilizou-se aqui uma freqüência de 5 GHz, mais estável e menos poluída, com uma largura de banda de até 54 Mbps.
Outro diferencial deste trabalho foi a utilização de rádio outdoor, que possui cápsula protetora própria para ambiente externo e não precisa ser montado em caixas herméticas. Muitos dos trabalhos existentes utilizam rádios indoor, montados dentro de caixas herméticas, que são fabricados para serem utilizados em ambientes de escritórios com ventilação e refrigeração.
Um resultado muito importante que foi demonstrado aqui foi a necessidade de ter que se preocupar com tipo de antena externa a ser usada em uma área metropolitana, devido à grande diferença de altura entre os prédios onde os rádios ficam instalados. Essa informação normalmente não é mencionada nos trabalhos relacionados. Foi possível observar um bom desempenho na qualidade de sinal na rede Stormesh com uso de antena adaptativa devido ao ângulo de polarização vertical de 18°, resultado muito importante, pois se pode aplicar essa solução não somente em áreas metropolitanas.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a professora Rosana Maria da Silva Santos pelas contribuições e também a Fundação de Apoio de Pesquisa do Estado de Mato Grosso (FAPEMAT).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] D. Johnson, D. Maltz, and J. Broch, “DSR: the dynamic source routing protocol for multihop wireless ad hoc networks”, Ad Hoc Networking, Addison-Wesley Longman Publishing Co., Boston, MA, 2001. [14]
[2] C. D. Hauenstein. “Wireless LAN a Grande Questão: 802.11a ou 802.11b?”. Tese de Mestrado – UFRGS. Dezembro de 2002.
[3] D. C. Saade, C. V. N. Albuquerque, L. C. S. Magalhães, D. Passos, J. Duarte, R. Valle. “Redes em Malha: Solução de Baixo Custo para Popularização do Acesso à Internet no Brasil”. XXV Simpósio Brasileiro de Telecomunicações, Recife/PE. Setembro de 2007.
[4] Cisco Wireless Mesh Networking Solution Overview, http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/wireless/ps5679/ps6548/prod_brochure0900aecd8036884a.html. Abril de 2011.
[5] D. Passos, D. V. Teixeira, D. C. M. Saade, L. C. S. Magalhães, C. V. N. Albuquerque. “Mesh Network Performance Measurements”. 5th International Information and Telecommunications Tecnologies Symposium. Cuiabá, MT, Brasil. Dezembro de 2006.
[6] J. Bicket, D. Aguayo, S. Biswas, R. Morris. “Architecture and Evaluation of an Unplanned 802.11b Mesh Network”, The Eleventh Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, Cologne, Germany, August 2005.
[7] N. Tsarmpopoulos, I. Kalavros, S. Lalis. “A low-cost and simple-to-deploy peer-to-peer wireless network based on open source linux routers”. Proceedings of the First International Conference on Testbeds and Research Infrastructures for the Development of NeTworks and COMmunities, Itália, February 2005.
[8] C. V. N. Albuquerque, D. C. M. Saade, D. G. Passos, D. V. Teixeira. “Rede Mesh de Acesso Universitário Faixa Larga Sem Fio”. RNP, Brasil. Agosto de 2006.
[9] Tecnologia Cisco Promove Inclusão Digital na histórica cidade de Tiradentes MG, http://www.cisco.com/web/BR/microsites/ps/portugues/downloads/CaseTiradentes.pdf. Abril de 2011.
[10] 802.11a. IEEE Standards, 1999.
[11] Ubiquiti Networks. AirOS V User´s Guide. Disponível em: http://ubnt.com/wiki/AirOS_5. Abril de 2011.
[12] OpenWRT Project. http://openwrt.org/. Abril de 2011.
[13] T. Clausen, P. Jacquet, A Laoiti, P Minet, P. Muhlethaler e A Qayyum, L Viennot, “Optimized Link State Routing Protocol” (OLSR). IETF RFC 3626. Outubro de 2003.
