Redes descentralizadas
Estruturas descentralizadas poderão ser úteis em redes inspiradas na norma de redes sem fios IEEE 802.11, mais conhecidas como WiFi. Ao contrário da maioria das redes por cabo, as redes WiFi estão constantemente a mudar a sua topologia. Qualquer agente externo (um edifício, uma árvore, chuva, ventoo, vidro duplo ou mesmo um pássaro) poderá mudar as suas propriedades. Se o administrador da rede atribuir o controlo dessa mesma rede apenas a um ou mais nós (Masters), e se algum agente externo causar uma mudança da topologia, um desses nós poderá ser afetado e consecutivamente o desempenho da rede. É por isso que uma estrutura não centralizada poderá ser útil numa rede WiFi em ambiente exterior. O mesmo se aplica numa rede existente num ambiente interior, caso algum objeto ou estrutura se encontre entre dois nós, impossibilitando a sua ligação. Outra importante vantagem que caracteriza uma rede mesh é a liberdade. A liberdade de se poder participar na rede. A liberdade de não ser um nó Master, nó esse que determina a prioridade e discriminação do tráfego que atravessa a rede.
Mesh network e ad-hoc network móvel
Uma rede mesh é uma rede onde todos os nós participantes são routers, o que quer dizer que todos eles aceitam e reenviam pacotes dos outros nós de acordo com as regras de encaminhamento – routing. Graças a esta propriedade todos os nós têm que estar conectados a pelo menos uma ligação, sendo esta a única restrição relativamente à topologia da rede. Assim, para que qualquer participante, neste caso um router, se possa juntar à rede é necessário um sistema de coordenação. É neste contexto que surgem os protocolos de routing, protocolos que devem ser dinâmicos e que se tornam importantes na comunicação entre routers.
Quando se fala de redes descentralizadas e flexíveis, na realidade está-se a falar de redes MANET (Mobile Ad-Hoc NETwork). MANET são redes com propriedades mesh que utilizam o modo de ligação adhoc 802.11, permitindo que os nós possam estar em movimento e possam ligar-se/desligar-se frequentemente sem qualquer problema.
Classificação de redes
As redes sem fio podem ser classificadas conforme a conectividade dos seus elementos de rede, em redes ponto-a-ponto (PTP) como wds, Ponto-para-multiponto (PMT) ou multiponto-para-multiponto (MPM). Redes PTP funcionam bem, embora não sejam escaláveis e o seu nível de adaptabilidade seja baixo. Redes PMT são moderadamente escaláveis, mas têm baixa adaptabilidade, como por exemplo Worldwide Interoperability for Microwave Access (WIMAX) ou Bluetooth. De maneira a ultrapassar estas limitações, redes MPM apresentam algumas características que permitem um melhor funcionamento que as redes anteriores, assim como uma maior adaptabilidade e escalabilidade para acomodar um grande número de utilizadores. De referir que conforme se aumentam os números de nós na rede, diminui a potência de transmissão que cada nó necessita para transmitir.
Vantagens da mesh
Auto-organização e auto configuração: as WMNs são flexíveis quanto à arquitectura, ou seja, conseguem reorganizar-se e configurar-se por elas próprias. Estas características reduzem o tempo de set-up, assim como os custos de manutenção. Devido a estas características a rede é vocacionada para se alterar, expandir e adaptar, conforme as necessidades dos utilizadores finais. Baixo custo de desenvolvimento: Os routers mesh são routers sem fios e têm a aptidão de servir em ambientes com muitos hops (saltos). Assim, o uso de wireless routers em grandes áreas é mais barato quando comparado com routers AP de single hop, que utilizam conexões de cabo. Tipicamente as conexões de cabo são mais caras de instalar e manter, o que faz com que o desenvolvimento de WMNs seja mais rápido e mais fácil com um custo de operação menor.
Aumento da fiabilidade: Numa WMN existem múltiplos caminhos desde os nós de origem até aos nós de destino, o que permite caminhos alternativos em casa de falha. Por exemplo, em caso de congestionamento numa área da rede, poderá ser escolhido um caminho diferente. Esta característica é usada para equilibrar o tráfego na rede, o que permite uma diminuição dos engarrafamentos de tráfego, bem como o aumento do desempenho e da fiabilidade das WMNs.
Escalabilidade: Enquanto que nas redes tradicionais sem fios, quando o número de nós dessas redes aumenta, o desempenho é afetado negativamente, nas WMNs o aumento de nós aumenta a capacidade de melhor balanceamento de carga e o número de rotas alternativas. Os pacotes gerados localmente poderão chegar mais depressa ao seu destino do que pacotes gerados um ou dois saltos à frente. Para isso podem-se utilizar algumas configurações disponíveis nas WMNs através de protocolos que gerem as comunicações.
Interoperabilidade: As WMNs têm uma arquitetura MPM (multiponto-para-multiponto) que é compatível com normas existentes tais como WiMAX, Cellular, WiFi, Zigbee, Bluetooth, Sensor, MANET, Vehicular, etc., o que torna atrativo o incremento do desenvolvimento e a reutilização das WMNs nas estruturas existentes. Todas as tecnologias mencionadas estão aptas, ou estarão aptas brevemente, para poderem ser configuradas como WMNs e comunicar umas com as outras. Os desenvolvimentos necessários para que qualquer tipo de redes comuniquem entre si melhoram as normas actuais e mantêm a interoperabilidade.
Normas da indústria
IEEE 802.11s WiFi Mesh: Atualmente a família da norma IEEE 802.11 é a mais aceite. Extended Service Set (ESS) e Wireless Distribution System (WDS) são definidos como IEEE 802.11s, para aplicações de mesh multi-hop e para auto configuração de caminhos entre Wave Radio Modules (WRM). A norma 802.11s define uma técnica de selecção de caminho (rota) conhecida por ser o seu protocolo de routing, que é Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP).
IEEE 802.15.1 Bluetooth: Bluetooth é o nome comercial designado para esta norma que é especializada em wireless Personal Area Networks (PANs). O taskgroup 5 está a definir os mecanismos necessários na camada física e na camada Media Access Control (MAC) das redes sem fios PANs (WPANs), para que possam ser usadas como redes mesh. Existem duas possibilidades de topologias mesh em redes WPANs: topologia total mesh e topologia parcial mesh. Enquanto na topologia total cada nó está diretamente conectado a todos os nós, na topologia parcial, alguns deles estão ligados a todos os outros, enquanto os restantes só estão conectados aos nós que retransmitem dados.
IEEE 802.15.4 Zigbee: Zigbee foi inicialmente proposto pela empresa Motorola. Nas WPANs existem dois tipos de ligações, single-hop e multi-hop. Zigbee pode suportar mesh definindo um coordenador. Isso significa que esse coordenador é responsável por configurar a topologia da rede de uma forma multi-hop. Este método é muito apropriado para Wireless Sensor Mesh Networks (WSMNs).
IEEE 802.16 WiMAX: A norma IEEE 802.16j é uma norma para comunicações sem fios para Metropolitan Area Networks (MANs) que pretende proporcionar a funcionalidade Mobile Multi-hop Relay (MMR). Esta funcionalidade permite utilizar uma topologia multi-hop do tipo mesh numa rede WIMAX, usando, para isso,estações da própria rede, como estações de retransmissão. Assim uma instalação baseada nesta topologia permite uma eficiente extensão da cobertura da rede, e ao mesmo tempo uma poupança em termos de custos comparativamente com uma instalação de linhas fixas de transmissão. A norma IEEE 802.16j foi aprovada em 2009 como uma emenda à norma IEEE 802.16-2009.
Arquitetura mesh
O objetivo da arquitetura das WMNs é fornecer acesso à internet com uma largura de banda significativa. As WMNs consistem em Mesh Clients (MC) e Wireless Mesh Routers (WMRs), que retransmitem entre si os pacotes de dados, através de uma arquitetura multi-hop. Outros elementos existentes serão os gateways, que normalmente estarão na fronteira das redes onde terão acesso a um internet Service Provider (ISP). Cada nó WMR comunicará com outro WMR, que esteja ao seu alcance, o que permitirá que os dados possam percorrer uma longa distância através dos nós intermediários que terão a função de retransmitir a informação recebida. Esses nós, não só retransmitirão o sinal de rádio, como também retransmitirão os pacotes de dados provenientes de nós mais longínquos. Esta arquitetura permite comunicações contínuas e reconfigura-se no caso de nós intermédios deixarem de existir. Se existir uma grande quantidade de tráfego, será escolhido um caminho alternativo caso ele exista, até que a informação chegue ao seu destino. A infraestrutura que suporta as redes WMNs é constituída pelos nós que fazem parte do backbone, sendo que compete a esses nós levar o sinal até às extremidades, estando em constante ligação ao ISP. Os MC podem aceder a esses serviços através dos WMRs. Os nós que fazem parte do backbone chamam-se internet Gateways, que oferecem acessibilidade à internet. Uma rede típica WMN está ilustrada na Figura 1.
Componentes da mesh
Existem três tipos de nós numa WMN: cliente, router e gateway.
Clientes WMN são os utilizadores finais, tais como: laptops, Personal Digital Assistants (PDAs), smartphones, etc., que podem aceder à rede para uso de aplicações como por exemplo email, Voice over internet Protocol (VoIP), jogos, deteção de localização – Global Positioning System (GPS), etc. Todos estes aparelhos, supostamente são dispositivos móveis, têm energia limitada, poderão ter capacidades de routing e poderão estar ou não sempre ligados à rede.
Routers WMN existem para encaminhar o tráfego existente na rede. As comunicações multi-hop, efetuadas pelos routers, provocam um baixo consumo de energia para transmissão de dados. Adicionalmente, o protocolo de acesso ao meio (MAC), num router mesh suporta múltiplos canais e múltiplas interfaces, de maneira a permitir a escalabidade num ambiente mesh multi-hop. Gateways WMN são routers com acesso wireless directo à infraestrutura cablada/internet. Os gateways ao possuírem múltiplos interfaces para se poderem ligar, quer às redes com fio, quer às redes sem fios, tornam-se caros. Assim existem um menor número de gateways WMN na rede. Além disso, o seu posicionamento na rede tem um impacto direto no desempenho dessa mesma rede.
Aplicações da rede mesh
Existem aplicações que não podem ser suportadas senão através das redes WMNs. Daí o interesse no seu desenvolvimento. A seguir discriminam-se algumas aplicações possíveis.
Acesso wirelesspt de banda larga: Hoje em dia o acesso à banda larga é um recurso importante para se aceder à informação.
Fornece serviços em tempo real através de aplicações, como: video telephony, jogos on-line, video on demand, telecomunicações, etc. Cada nova aplicação tem um impacto na qualidade de vida, aumenta a produtividade, permite ganhar tempo. Nas áreas urbanas e suburbanas a escolha do acesso à banda larga é feita através de acesso por cablagens (cabo, Digital Subscriber Line (dsl) ou fibra ótica). Nas áreas rurais, como têm uma cobertura mais limitada, são usadas outras tecnologias, tais como satélites ou redes celulares.
O acesso ao satélite tem dois inconvenientes: a tecnologia é cara e existe uma grande latência devido à distância do satélite. No caso das redes celulares, o custo da instalação de torres de rede é elevado e por vezes difícil. A falta de fornecedores de serviços e o grande custo do próprio serviço implica um menor uso da banda larga nestas zonas rurais. WMNs permitem uma implementação mais fácil e um custo menor, proporcionando uma alternativa em áreas onde a televisão por cabo, a fibra óptica ou o dsl não estão disponíveis. Podem ser rapidamente instaladas sem a necessidade de equipamento caro e o fornecedor de serviço poderá ter um rápido retorno do investimento. Além disso, devido ao seu baixo custo e fácil operacionalidade o acesso à banda larga aos residentes urbanos é também possível usando WMNs, aliás já existem muitas redes urbanas e tendem a aumentar.
Aplicações industriais: Num edifício existem muitos dispositivos que precisam de ser monitorizados e controlados como por exemplo dispositivos eléctricos, incluindo a própria energia do edifício, luz, ar condicionado, elevadores, etc. Atualmente, as comunicações por cabo são a forma usada para essa monitorização e controlo. Isso torna-se muito dispendioso devido à complexidade e manutenção da rede de cabo. As redes WiFi são uma opção para a redução de custos. Mas esta solução ainda não atingiu um desempenho satisfatório devido à cablagem de Ethernet que é necessária para os WiFi Access Points. A substituição de APs por routers mesh resolve o problema. O processo de implementação será mais simples e os custos serão reduzidos.
Cuidados de Saúde: Num hospital ou num centro médico é necessário monitorizar e atualizar a informação dos pacientes como por exemplo o histórico médico, resultados de testes, informação de seguro de saúde, etc., que precisa de ser processada e transmitida de quarto para quarto. A capacidade de se poder ligar à rede é crucial para assegurar o acesso aos dados em cada sala de operações, nos serviços administrativos e nos laboratórios. Em muitos hospitais a transmissão de dados é feita em banda larga, devido às grandes quantidades de dados transmitidos, como por exemplo imagens médicas de alta resolução e monitorização periódica de informação. WMNs permitem o acesso ilimitado a qualquer dispositivo médico. Não necessita da existência de cablagens, eliminando pontos inacessíveis, permitindo um menor custo e simplicidade, que não podem ser oferecidos pelas redes cabladas.
Sistemas de transporte: O acesso à internet, utilizando-se as normas IEEE 802.11 e IEEE 802.16, é limitado nas estações e paragens de meios de transporte utilizados pelas pessoas. A tecnologia WMN pode ajudar a estender o acesso em autocarros, aviões, barcos e comboios. Assim, os passageiros a bordo de qualquer meio de transporte poderão aceder à internet enquanto viajam de um lugar para outro. Outros serviços como monitorização de veículos ou câmaras de segurança podem ser suportados também.
Hóteis e unidades de alojamento: Em hotéis e estâncias turisticas, um dos serviços que costuma existir é a conectividade gratuita à internet de alta velocidade. WMNs são fáceis de instalar, de baixo custo, sem necessidade de alterar estruturas e tanto podem ser utilizadas dentro das instalações como no exterior dessas mesmas instalações.
Armazéns: Uma maneira de fazer controlo do stock que existe nos armazéns é usando um scanner de mão. É necessária conectividade na área. WMNs asseguram essa conectividade em armazéns modernos, como por exemplo para controlar a logística em armazéns de shipping, com menor esforço e custo.
Eventos temporários: Quando decorre uma construção de um edifício, os arquitetos e engenheiros, podem manter-se em contacto utilizando uma câmara e um sistema de intercomunicação. Assim, terão uma imagem real dos avanços do projeto. Outros eventos poderão ser, comícios políticos, mercados de rua, concertos ao ar livre, onde se podem colocar e retirar WMNs em minutos.
Redes comunitárias de acesso livre
Uma rede comunitária é uma rede feita e mantida pelos seus participantes. Ao contrário dos modelos utilizados pelas companhias de telecomunicações mundiais (cujo objetivo é o lucro), cada utilizador segue a filosofia do “faça você mesmo”. Através de acordos e de organizações, os participantes são capazes de se ligar via wireless aos seus vizinhos e estes ligarem-se a outros vizinhos, e assim por diante. Estas comunidades são normalmente abertas e livres. A maioria destas redes usam a tecnologia WiFi, porque é a maneira mais barata e fácil de desenvolver uma rede ao ar livre, associando protocolos mesh e sistemas MANET. Este modelo chamado de Free Wireless Community Network (FWCN), é atualmente usado em muitos locais e cresce de dia para dia. No contexto português existem vários projetos, salientando-se o protejo “mvnet (wirelesspt.net)” implementado na localidade de Moitas Venda que utiliza tecnologia mesh e que ambiciona vir a ligar a primeira rede mesh do mundo em dois continentes separados, nomeadamente América do Norte e Europa. A enciclopédia (wiki) que este projeto disponibiliza é a mais completa e dinâmica na língua portuguesa, no que concerne à tecnologia mesh. Alguns projetos de redes livres wireless em Portugal localizam-se em Olhão, em Torres Novas/Tomar, em Arruda dos Vinhos, no Vale do Sousa e em Valongo.
Projectos, iniciativas em comunidades mesh
Algumas das maiores comunidades que usam WMNs na Europa são Freifunk na Alemanha com mais de 100 redes independentes e Guifi.Net em Espanha, na Catalunha com uma rede que consiste em mais de 12000 nós ativos. A título de exemplo enumera-se alguns projetos e seus objetivos/significado:
Open Mesh Project – construção de uma rede mesh para o Egipto. Open Source Mesh – grupo que procura criar software mesh, open-source, fiável. B.A.T.M.A.N. – Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking; routing protocol for multi-hop adhoc mesh networks.
Roofnet – 802.11b/g rede mesh em desenvolvimento no MIT CSAIL. GNUnet – framework para p2p seguro através da rede que não utiliza qualquer serviço centralizado. Dot-P2P – sistema DNS aberto, livre e descentralizado. SMesh – rede wireless mesh sem “cortes” que está a ser desenvolvida em John Hopkins University. Coova – software open source para controlo de acesso a captive portal (UAM) e fornecimento de acesso a 802.1X. Babel – protocolo loop-free distance-vector routing para IPv6 & IPv4.
SolarMESH – rede wireless Local Area Network (LAN) mesh IEEE 802.11 alimentada a energia solar e solução de infraestrutura de retransmissão .
WING – rede wireless mesh network para a próxima geração de internet; parcialmente produzida em cima de Roofnet.
Daihinia – ferramenta para WiFi; transforma uma simples rede adhoc numa rede adhoc multi-hop. P2P DNS – construção de um sistema DNS p2p.
Digitata.org – desenvolvimento de uma infraestrutura de baixo custo (terminais de internet de banda baixa) para permitir o acesso básico à internet, às crianças de países de África.
Netsukuku – rede adhoc que usa conectividade WiFi e usa endereços especificamente construídos, que permitem comunicações entre máquinas sem necessidade do protocolo HTTP.
Tonika – projeto de rede open source; plataforma de administração livre para uma larga escala de redes (social), com robustez, segurança, anonimato, resiliência e desempenho garantidos.
Seguidamente enumeram-se algumas comunidades, cuja filosofia está inerente ao conceito mesh: We Rebuild - cluster de ativistas que se juntaram para colaborar em assuntos relacionados com o acesso livre à internet, sem vigilância intrusiva.
Athens Wireless Metropolitan Network – comunidade wireless na Grécia. wlan ljubljana (na Eslovénia) – rede wireless livre, open Ljubljana. (Redes wireless livres pelo mundo)
Plataformas comercias de gestão de redes mesh
Após pesquisa e investigação das plataformas de gestão existentes para redes mesh, chegou-se à conclusão que de uma forma genérica, essas plataformas visam os mesmos objetivos e apresentam um conjunto similiar de funcionalidades base.
Essas funcionalidades são: A possibilidade de criação de uma rede. A associação de nós à rede criada. A monitorização dos nós em tempo real. A possibilidade de configuração das características da rede e dos nós. A apresentação de aspetos de visualização gráfica da localização e estado dos nós, utilizando para isso, aplicações para apresentação de mapas. A monitorização automática de problemas existentes na rede, 24 horas por dia, com mecanismos de envio de notificações de alerta para o administrador da rede. A criação de registos do histórico da rede, nomeadamente do número de utilizadores, do tráfego de dados, de alterações efetuadas na rede, etc. A criação de gráficos de forma a interpretar todo o funcionamento da rede. Outras funcionalidades podem ser acrescentadas como por exemplo monitorização de sinal de vídeo e áudio. Algumas soluções de gestão de redes mesh podem ser encontradas tanto em projetos comerciais, como em projetos de código aberto (open source).
Alguns exemplos de plataformas comerciais são: Cloudtrax e MeshConnect, que fazem parte do projeto Open-Mesh, a plataforma Wifi Mesh, a plataforma da empresa Nodalis, a plataforma da empresa Meraki, entre outras.
Na Figura 2 pode-se ver um ecrã da plataforma Cloudtrax, onde se pode observar um mapa com a localização de 3 nós, assim como informações sobre o estado desses nós, o nome atribuído aos nós, o número de clientes, o tempo desde a última ligação, informações sobre gateways, latência, velocidade ou quebras de serviço.
Na Figura 3, apresenta-se um ecrã da plataforma Wifi Mesh, onde se pode observar um mapa com a localização de 3 nós, assim como se pode observar que existe outras opções de gestão nos separadores, nomeadamente mapas, nós, clientes ou gráficos. Esta plataforma encontra-se online, onde pode ser criada uma rede, assim como podem ser adicionados nós.
A Figura 4 ilustra um ecrã da plataforma de gestão da empresa Nodalis, onde se pode observar um mapa com a localização de vários nós, assim como informações sobre o estado desses nós, o nome atribuído aos nós, os IPs, os endereços MACs, a distância em metros entre nós, indicador dos níveis da qualidade da ligação e os valores de potência associados aos sinais rádio.
Nas Figuras 5 e 6 podem-se visualizar mapas onde são apresentados os números de utilizadores por nó de duas redes mesh, sendo para isso utilizadas as plataformas de gestão da empresa Meraki. Na Figura 6 pode-se observar a localização de vários nós, assim como informações visuais sobre o estado desses nós, nomeadamente se se tratam de nós gateways ou nós repetidores, as áreas de influência do sinal rádio, assim como o número de clientes de cada nó.
Plataformas livres de gestão de redes mesh
Orangemesh é uma plataforma de gestão open source e foi desenvolvida para a utilização em redes que têm como base de instalação o firmware ROBIN (Routing Olsr Batman INside), desenvolvido com base no firmware OpenWRT “Kamikaze” e “Backfire”, que funciona principalmente em routers Accton, La Fonera, Ubiquiti, Engenius e Wiligear equipados com chipsets Atheros. O firmware ROBIN permite a instalação de BATMAN (L3) ou olsr. Na Figura 7 pode-se observar um ecrã da plataforma de gestão Orangemesh.
Orangemesh é um software escrito principalmente em PHP, embora existe alguns guiões (scripts) escritos em Javascript, destinados à elaboração de mapas, usando para isso Google Maps API. Também é escrito em Cascading Style Sheets (CSS), que serve para estilizar o aspeto de apresentação visual, e em HyperText Markup Language (HTML). Um servidor central Orangemesh pode suportar várias redes ROBIN, cada uma associada a uma conta diferente. Orangemesh existe completamente separada da rede mesh, onde todas as comunicações entre os nós mesh e o servidor são feitas através da internet.