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
[email protected],[email protected]
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
com outras redes clientes convencionais, possibilitando integrar rede em malha sem fio com
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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.
Figura 2: Client Wireless Mesh Network (AKYILDIZ, 2005)
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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 próativos e reativos. Em uma rede em que os nós estão 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).
Figura 4: Tree based (LIM, 2011)
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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.
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