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Qualidade de Serviço em Redes sem Fio em debora/fsmm/trab-2007-2/qosmesh.pdf · PDF file 2008-02-27 · A popularização das redes de acesso sem fio aumenta ainda mais estes desafios

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  • Qualidade de Serviço em Redes sem Fio em Malha

    Livia Ferreira Gerk

    Escola de Engenharia – Universidade Federal Fluminense (UFF)

    Rua Passos da Pátria, 156 – Niterói – RJ - Brasil

    [email protected]

    Resumo. Este trabalho tem como objetivo apresentar os desafios relacionados à implementação de Qualidade de Serviço (QoS) em Redes Sem Fio em Malha (Redes Mesh) bem como algumas propostas de implementação relacionadas a padrões e alterações em protocolos de roteamento, indicando caminhos para aprofundamento em trabalhos futuros.

    1. Introdução

    Redes sem fio em malha ou redes mesh são redes com topologia dinâmica e de crescimento orgânico, constituídas por nós cuja comunicação, no nível físico, é feita através de uma das variantes dos padrões IEEE 802.11 e 802.16 e cujo roteamento é dinâmico.

    Recentemente, estas redes têm sido alvo de estudo de grandes empresas fornecedoras de equipamentos de rede e operadoras de telecomunicações e de instituições acadêmicas. Dentre as aplicações implementadas, estão o fornecimento de acesso banda larga dentro dos campi das universidades e para as comunidades próximas e a criação de cidades digitais, permitindo também a inclusão digital. As redes mesh oferecem um menor custo de infra-estrutura, pois requerem menor número de pontos de acesso às redes cabeadas (Internet), proporcionando conectividade a uma área muito maior que as redes sem fio tradicionais.

    Estas redes, ao contrário das redes ad-hoc do padrão IEEE 802.11 nas quais se baseiam, não enfrentam restrições referentes à mobilidade e ao consumo de energia, pois normalmente os nós têm localização fixa e podem ser facilmente alimentados, tornando-os capazes de prover maior largura de banda, confiabilidade e redundância.

    Atualmente, o interesse em aplicações multimídia, como telefonia IP, vídeo sob demanda, dentre outras, tem crescido bastante. A entrega de conteúdo multimídia através da Internet, uma rede que suporta serviço de melhor esforço, já é uma tarefa desafiadora pelos requisitos restritos de retardo e variação do retardo destas aplicações. A popularização das redes de acesso sem fio aumenta ainda mais estes desafios pela variação das condições da rede nestes ambientes. Com isso, o fornecimento de Qualidade de Serviço (QoS) em redes sem fio se tornou uma área de grande interesse dos pesquisadores, resultando em padrões como o IEEE 802.11e.

    No entanto, as redes mesh possuem características exclusivas que fazem com que a aplicação direta das técnicas já existentes não seja eficiente. Dessa forma, o objetivo deste trabalho é detalhar as especificidades das redes mesh e como elas influem na implementação de QoS, apresentando alguns dos trabalhos sendo desenvolvidos nesta área e indicando futuros direcionamentos nessa linha de pesquisa.

    O restante deste trabalho está organizado da seguinte forma. A Seção 2 explica o que são redes mesh, mostrando suas características principais, e apresentando o padrão

  • emergente IEEE 802.11s para implementação de redes mesh no nível 2. Os desafios de implementação de QoS em redes mesh são detalhados na Seção 3. Na Seção 4, são apresentadas algumas propostas de implementação com relação a aspectos dos desafios citados, sendo relacionadas propostas para futuros trabalhos na Seção 5. A Seção 6 conclui o trabalho.

    2. Redes Mesh Sem Fio

    Uma rede mesh sem fio é uma rede sem fio construída a partir de uma mistura de nós fixos e móveis estabelecendo uma rede ad hoc interconectada por enlaces sem fio [26]. O objetivo de sua implementação é prover um sistema de distribuição (distribution system – DS) sem fio para interligar os pontos de acesso (Basic Service Sets – BSS) ou outros tipos de rede em um único Extended Service Set (ESS) mesh.

    A ausência da necessidade de cabeamento entre os pontos de acesso oferece baixo custo e rapidez de implementação. Através da troca de informações entre os nós, a rede descobre seus elementos e rotas e se configura automaticamente, reduzindo também os custos e esforços de administração e manutenção da rede.

    A característica fundamental das redes mesh é o encaminhamento através de múltiplos saltos. [25] A força do sinal é mantida quebrando-se as longas distâncias em uma série de pequenos saltos. Os nós intermediários não só regeneram o sinal como também tomam decisões de encaminhamento baseadas no conhecimento da rede. Com isso, aumenta-se a área de cobertura e a eficiência espectral (quantidade de bits por segundo por Hertz) com a possibilidade de reuso de freqüências.

    A topologia em mesh, em oposição à topologia em estrela das redes infra- estruturadas, oferece maior robustez devido aos múltiplos caminhos para cada destino e à recuperação automática de falhas nesses caminhos.

    Os nós mesh são pontos de acesso que incorporam as funções de roteamento, segurança, dentre outros, e alguns deles funcionam como gateways para interconexão com outras redes. Normalmente, o tráfego flui de e para estes gateways.

    Existem 2 abordagens para a implementação de redes mesh: através de protocolos de roteamento ad hoc nível 3 e através de encaminhamento em múltiplos saltos nível 2 com um novo protocolo MAC (Media Access Control).

    A primeira abordagem tem sido utilizada nas diversas implementações em universidades, como Universidade Federal Fluminense (UFF) e Massachusetts Institute of Technology (MIT), e nas chamadas cidades digitais, como as desenvolvidas em São Francisco (USA), Sud Mennucci, Piraí e Belo Horizonte (Brasil). A implementação do encaminhamento em múltiplos saltos se baseia nos protocolos de roteamento ad hoc, porém através de novas métricas, além do número mínimo de saltos, mais adequadas às características das redes mesh. Algumas destas métricas, focadas na QoS, são discutidas na Seção 4.

    A segunda abordagem está sendo padronizada pelo IEEE (Institute of Electrical and Eletronic Engineers) no padrão IEEE 802.11s e propõe novos mecanismos de controle de acesso ao meio, incorporando o encaminhamento em múltiplos saltos ao nível 2. Esta abordagem será detalhada na próxima subseção.

    2.1 Redes Mesh no Nível 2 – Padrão IEEE 802.11s

    O padrão IEEE 802.11 provê um formato de quadro com 4 endereços para troca de pacotes de dados entre pontos de acesso (access point – AP) através de um sistema de

  • distribuição sem fio (wireless distribution system – WDS), porém não define como configurar ou usar este WDS [2].

    Deste modo, foi criado um grupo de estudos para desenvolvimento do padrão IEEE 802.11s, que prevê a configuração automática de caminhos entre APs sobre topologias de múltiplos saltos auto-configuráveis que suportem tráfego unicast, broadcast e multicast.

    As redes mesh apresentam taxas de transmissão mais altas devido à menor distância de comunicação, capacidade de rede estendida pelo reuso de freqüências e maior robustez pelos mecanismos de recuperação de rotas.

    Os elementos principais de um ESS mesh são mostrados na Figura 1.

    Figura 1. Elementos de um ESS Mesh

    Os Mesh Points (MP) são equipados apenas com funções de rede mesh. Os Mesh Access Points (MAP) apresentam, além das funções de rede mesh, funções de ponto de acesso. Um Mesh Portal (MPP) possui funções de rede mesh e de gateway para conexão com redes externas. As estações denotadas por STA são equipamentos sem fio legados, sem qualquer função de rede mesh. A rede de acesso, conectada ao MAP, não é necessariamente sem fio. Um WDS faz o transporte do tráfego entre os MPs, MAPs e MPPs. O futuro padrão IEEE 802.11s prevê um WDS composto de no máximo 32 elementos, incluindo MPs, MAPs e MPPs. No entanto, aos MAPs podem estar conectadas centenas de STAs, aumentando bastante a extensão da rede [3].

    Diferentemente das redes ad hoc, as redes mesh provêem conectividade de múltiplos saltos através de uma hierarquia: de e para os MPPs e entre STAs associadas a diferentes MAPs.

  • Figura 2: Pilha de Protocolos IEEE 802.11s

    A Figura 2 apresenta a pilha de protocolos proposta no draft do padrão IEEE 802.11s, que é composta dos seguintes blocos [1]:

    ? Mesh Topology Learning, Routing and Forwarding: contém funções para descoberta dos nós vizinhos, funções para obter métricas de rádio de modo a prover informações sobre a qualidade dos enlaces sem fio, protocolos de roteamento para determinar as rotas para transferir pacotes baseado em seus endereços MAC de destino e uma função de encaminhamento de pacotes. Para um uso eficiente dos recursos, os protocolos de roteamento devem usar métricas de rádio e múltiplos canais de freqüência de acordo com as condições de rádio;

    ? Mesh Network Measurement: contém funções para cálculo de métricas de rádio a serem usadas pelos protocolos de roteamento e para medir as condições de rádio para suporte à seleção de canais de freqüência;

    ? Mesh Medium Access Coordination: contém funções para tratar os problemas do “terminal escondido” e do “terminal exposto”, para realizar controle de prioridade, de congestionamento e de admissão e para possibilitar o reuso espacial de freqüências;

    ? Mesh Security: contém funções para a proteção de quadros de dados e de gerenciamento, como protocolos de roteamento, e assume os esquemas de segurança definidos no padrão IEEE 802.11i. Usa o

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