sábado, 25 de junho de 2011

redes mesh

1.    INTRODUÇÃO
Rede sem fio uma tecnologia relativamente antiga que deu um grande salto de desenvolvimento na década de noventa com a crescente  diminuião dos circuitos e a crescente  demanda dos dispositivos móveis conectados a internet, houve uma necessidade de expandir a rede com custos baixo e aproveitando as infra estrutura já existente e também  locais sem redes.
A tecnologia mesh em conjunto com outras (WiMax,Ad-Hoc,Wi-fi,etc) foi uma solução para redução do custo material e operacional da rede.

2.     DEFINIÇÃO
Desenvolvida  na década de noventa pelos militares norte-americanos da DARPA(Agencia de Projeto de Pesquisa Avançado de Defesa) permitem conexões com diversos dispositivos como computadores notebooks PDAs celulares e outros, que tem função de repetidores e roteadores  permitindo comunicação fim a fim sem a necessidade de criar uma comunicação com nó central. Mesh redes em malha sem fio com topologia dinâmica constituido por nós no nível físico que são regidas sobre os padrões IEEE 802.11 ,802.15 e 802.16 cujo o roteamento é dinâmico. Evoluíram a partir das redes móveis ad-hoc que usam  OLSR e AODV que são protocolo de roteamento de redes sem fio. A rede mesh quando ao contrario do ad-hoc presisam de um ponto de acesso com a rede infra-estruturada atingindo uma melhor performance com os protocolos que utilizam tabela de roteamento.

3.    MOTIVAÇÕES OU JUSTIFICATIVAS
a rede mesh ou rede de malha, é uma alternativa de protocolo ao padrão 802.11 para diretrizes de tráfego de dados e voz além das redes a cabo ou infra-estrutura wireless. Uma rede de infraestrutura é composta de APs (Access point = Ponto de acesso) e clientes, os quais necessariamente devem utilizar aquele AP para trafegarem em uma rede. Uma rede mesh é composta de vários nós/roteadores, que passam a se comportar como uma única e grande rede, possibilitando que o cliente se conecte em qualquer um destes nós. Os nós têm a função de repetidores e cada nó está conectado a um ou mais dos outros nós. Desta maneira é possível transmitir mensagens de um nó a outro por diferentes caminhos. Já existem redes com cerca de 500 nós e mais de 400.000 usuários operando. possuem a vantagem de serem redes de baixo custo, fácil implantação e bastante tolerantes a falhas. Á esta característica tem-se dado o nome de “resiliência”. Nessas redes, roteadores sem fio são geralmente instalados no topo de edifícios e comunicam-se entre si usando protocolos como o OLSR em modo ad hoc através de múltiplos saltos de forma a encaminhar pacotes de dados aos seus destinos. Usuários nos edifícios podem se conectar à rede mesh de forma cabeada, em geral via Ethernet, ou sem fio, através de redes 802.11. Quando estiverem 100% definidos os parâmetros para padronização do protocolo mesh pelo IEEE, este protocolo será denominado padrão 802.11s.
4.    PADRÕES IEEE
Os padrões 802.11
      802.11a 54 Mbps, 5,0 Ghz
      802.11b 11 Mbps, 2,4 GHz
      802.11d compatibilidade 802.11 em diferentes países
      802.11e preocupação com qualidade de serviço
      802.11f  roaming entre pontos   moveis
      802.11g 54 Mbps, 54 Mbps, autenticação WEP
      802.11h otimização da escolha de canal
      802.11i melhorias na segurança
      802.11j 4.9GHz e 5GHz  Extensão em 4,9 GHz no Japão (pode ser eventualmente aplicado em segurança pública nos EUA)
      802.11k escolha do melhor ponto de acesso
      802.11m Extensões para Manutenção e Gerenciamento
      802.11n 128 Mbps, 2,4Ghz e 5Ghz, suporte a MIMO
      802.11p veicular
      802.11r Roaming Avançado e Transferência de Contexto
     802.11t testes e métricas para 802.11
      802.11u redes móveis/celular
      802.11v  gerenciamento
      802.11s Redes mesh Self-healing / Self-conguring ;
Com a grande e relativamente recente expansão das redes sem fio(wireless),
surgiu  a  necessidade  de  uma  padronização  dessas.  Isso  para  que  máquinas
pudessem se comunicar de uma forma única.
Tal  foi  o  sucesso  da  especifiicação  que  ela  logo  se  tornou  o  padrão  mais utilizado,  máquinas  passaram  a  ser  produzidas  já  com  interfaces  802.11e
diversos pontos de rede sem  fio  se espalharam pelas cidades do mundo.
Já  em  1990,  a  IEEE  ficou  responsável  pela  criação  de  um  comitê  para
determinar o padrão de conectividade das redes sem fio.  Esse processo inicial
levou sete anos e foi apenas em 1997 que a primeira versão das redes IEEE
802.11s  saiu.  Ela supunha velocidades de até 2Mbs (mega bits por segundo).
Após  essa  primeira  especificação,  saíram  outras,  mais  específicas,  ten-
tando acompanhar os avanços das tecnologias wireles.
802.11s - Wireless Mesh Networks
Em meados de Março de 2005 a foi proposto um novo stardard denominado 802.11s para as redes em malha. Esse standard ainda está em ampla discussão, entretanto a idéia é definir camadas físicas e de acesso ao meio para redes em malha de maneira a aumentar o alcance sem pontos de falha através da técnica de múltiplos saltos.Existiam duas propostas que se destacavam pelo peso de seus integrantes: A Wi-Mesh Alliance que liderada pela Nortel inclui Philips, Thomson e Swisscom Innovations; e a SEEMesh (Simple, Efficient and Extensible Mesh) que inclui Intel, Nokia, Motorola, Cisco, e Texas Instruments, mas que recentemente se juntaram para discutir o stardard.esse protocolo define como se o nos se interconectam são  quatro  tipos :
Cliente  ou estação (sta) é um no que requer serviços mas não repassa dados ,nem participa da descoberta  de caminhos feito pelos  protocolos de roteamento.
Mesh point(MP)  é um no  que participa da formação e operação da rede mesh,repassando  dados e participando das descobertas de rotas .
Mesh acces point (map)    é  um mp  agregado a um ponto de acesso  que prove services  a clientes(STA).
Mesh portal point (mpp) é uma MP com uma funcionalidade especial  de atuar  como gateway entre  a rede mesh e a rede externa (internet,por exemplo)
PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO
Existem basicamente 3 classes de protocolos de roteamento:
Os Pró-ativos, os Reativos e os híbridos.
 Pró-ativos, ou “table driven”, são baseados em tabelas de roteamento que são continuamente atualizadas com toda a topologia da rede, utilizam algoritmos específicos para calcular o caminho de menos custo. Exemplos desta classe são os protocolos OLSR (Optimized Link State Routing) que é o protocolo utilizado pelos projetos de redes mesh VMesh e GT-Mesh UFF, porém podem ser utilizados outros protocolos pró-ativos, como DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), WRP (Wireless Routing Protocol), CGSR (Cluster Head Gateway Switch Routing), FSR (Fisheye State Routing) e GSR (Global State Routing.

 Vantagem do pró-ativo: Ter uma tabela de roteamento constantemente atualizada tendo assim a rota disponível a qualquer momento;
 Desvantagem do pró-ativo: É o custo para manter as tabelas atualizadas devido à troca de mensagens de controle que ocupam parte da capacidade de transmissão das redes.

Reativo ou  “on demand” não ficam continuamente enviando informações da topologia da rede e não ficam atualizando suas tabelas, a não ser que eles tenham um pacote de dados para enviar a um determinado destino.Exemplos de protocolos reativos: DSR (Dynamic Source Routing), AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector), TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm) e ABR (Associativity Based Routing).
Vantagem: Tem capacidade de demandar um pequeno “overhead” de controle porque não há a necessidade de manter as tabelas dos roteadores constantemente atualizadas com a topologia da rede;


Híbrido, ele exerci as duas funções  dos protocolos pró-ativos e reativos.  Um exemplo de protocolo hibrido é o ZRP (Zone Routing Protocol) que estabelece uma zona onde ele vai atuar como pró-ativo, a partir do limite dessa zona ele passa a atuar como reativo, fazendo um  flood de pacotes de atualização para descobrir qual rota utilizar para enviar a informação. Esses protocolos são adequados para redes Ad-hoc com muitos nós porque pode-se estabelecer uma zona onde se tem um conhecimento parcial da topologia da rede e, caso necessite enviar alguma informação para um nó mais distante este protocolo atuaria como um protocolo on demand reativo.

     

5.    MODULAÇÃO E CODIFICAÇÃO
Enquanto a rádio clássica utiliza uma modulação de frequência (rádio FM para requency Modulation) ou uma modulação de amplitude (rádio AM para Amplitude Modulation), o padrão 802.11b utiliza uma técnica de modulação de fase chamada PSK para Phase Shift Keying. Assim, cada bit produz uma rotação de fase. Uma rotação de 180° permite transmitir débitos pouco elevados (técnica chamada BPSK para Binary Fase Shift Keying) enquanto uma série de quatro rotações de 90° (técnica chamada QPSK para Quadrature Phase Shift Keying) permite débitos duas vezes mais elevados.
Optimizações
A norma 802.11b propõe uns outros tipos de codificação que permitem optimizar o débito da transmissão. As duas sequências Barker permitem definir apenas dois estados (0 ou 1) com duas palavras de 11 bits (complementos uma da outra).
Um método alternativo chamado CCK (complementary code keying) permite codificar directamente várias bits de dados numa só microplaqueta (chip) utilizando 8 sequências de 64 bits. Assim, codificando simultaneamente 4 bits, o método CCK permite obter um débito de 5.5 Mbps e permite obter um débito de 11 Mbps codificando 8 bits de dados.

A tecnologia PBCC (Packet Binary Convolutionnary Code) permite tornar o sinal robusto no que diz respeito às distorções devidas ao andamento múltiplo das ondas hertzianas. Assim, a empresa Texas Instruments teve êxito ao criar uma sequência que tira vantagem desta melhor resistência às interferências, oferecendo um débito de 22Mbit/s. Esta tecnologia baptizada 802.11b+ contudo não está conforme à norma IEEE 802.11b o que torna os periféricos que a suportam não compatíveis com os equipamentos 802.11b.
A norma 802.11a opera na banda de frequência dos 5 GHz, que oferece 8 canais distintos, é a razão pela qual uma técnica de transmissão alternativa que tira partido dos diferentes canais é proposta. O OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) permite obter débitos teóricos de 54 Mbps enviando os dados em paralelo para as diferentes frequências.

Tecnologia
Codificação
Tipo de modulação
Débito
802.11b
11 bits (Barker sequence)
PSK
1Mbps
802.11b
11 bits (Barker sequence)
QPSK
2Mbps
802.11b
CCK (4 bits)
QPSK
5.5Mbps
802.11b
CCK (8 bits)
QPSK
11Mbps
802.11a
CCK (8 bits)
OFDM
54Mbps
802.11g
CCK (8 bits)
OFDM

802.11n         MIMO-OFM                                        
6.  TOPOLOGIAS UTILIZADAS
As topologias estudadas são estrela, malha,arvore, barramento e anel
Subcatecorias das Redes em Malha
Topologias de full-mesh e mesh hierárquica
A full-mesh oferece excelente atraso e disponibilidade mas é muito cara
Uma alternativa mais barata é uma mesh parcial
Um tipo de mesh parcial é a mesh hierárquica, que tem escalabilidade mas limita as adjacências de roteadores
Para pequenas e médias empresas, usa-se muito a topologia hub-and- spoke
Topologia Full Mesh
Topologia Mesh Parcial
Topologia Hub-and-Spoke

7. VANTAGENS
- Uso de menos cabos significa um custo menor para montar uma rede, em uma grande área de cobertura.
- Quanto mais pontos forem instalados maior e mais rápida será sua rede sem fio.
- Contam com o mesmo padrão wifi (802.11a ,802.11 b e 802.11 g).
- São apropriadas onde não a paredes ou barreiras para fazer conexão ethernet. Exemplo, em locais abertos para shows, depósitos ou locais de transporte.
- As redes mesh se “configura automaticamente” incorporando um novo ponto na estrutura já existente sem a necessidade de qualquer ajuste por um administrador de redes.
- As redes mesh são “auto-reparadoras” elas encontram automaticamente o caminho mais rápido e confiáveis para enviar os dados,mesmo que os pontos estejam bloqueados ou perderem seu sinal.
- Os pontos de rede mesh sem fio são fáceis de instalar e desinstalar, tornando a rede extremamente adaptável e expansível á medida que for necessária mais ou menos cobertura.
-Aplicável em qualquer rede infraestruturada
- estabelece co  

8. APLICAÇÕES
Aplicações das redes mesh sem fios
Cidades e municipalidades
Com as redes mesh sem fios, as cidades podem conectar cidadãos e serviços públicos através de uma ampla conexão sem fio de alta velocidade.
Cada vez mais regiões comerciais estão instalando hotspots de WiFi públicos. As redes mesh permitem que as cidades conectem, de uma forma simples e barata, todos os hotspots juntos para cobrir toda a municipalidade.
Algumas vantagens das redes mesh municipal:
·         as pessoas que costumam viajar podem verificar seus e-mails no trem, no parque, em um restaurante;
·         os responsáveis por obras públicas podem monitorar o diagnóstico dos fornecimentos de água e energia da cidade instalando pontos sem fios nas estações de tratamento de água, nas tubulações e nos geradores. Não há necessidade de abrir valetas para passar os cabos;
·         os trabalhadores de emergência e segurança pública podem acessar as redes virtuais seguras dentro de uma rede maior para manter abertas as linhas de comunicação, mesmo quando o serviço de telefonia fixa ou móvel estiver inoperante. Com os pontos mesh montados em postes de luz e semáforos, policiais e bombeiros podem permanecer conectados à rede, mesmo em movimento.
De acordo com um relatório da MuniWireless.com (em inglês), em março de 2007, 81 cidades dos Estados Unidos já tinham instalado as redes sem fios municipais em toda a região ou cidade, e outras 164 estão construindo ativamente tais redes. O relatório também afirma que 38 cidades norte-americanas já possuem redes wireless municipais para uso exclusivo da segurança pública e dos funcionários da cidade.
Entretanto, nem todas as redes sem fios municipais existentes são redes mesh. Algumas funcionam com uma tecnologia chamada WiMAX, que tem a capacidade de transmitir os sinais a grandes distâncias usando poderosas transmissões por microondas. Outras redes municipais utilizam uma combinação de malha, WiMAX e outros.
Países em desenvolvimento
As redes mesh sem fios são úteis em países sem uma ampla infra-estrutura com fios; como um serviço de telefonia ou mesmo de eletricidade. Os pontos alimentados por energia solar podem ser conectados a um celular ou a uma conexão de Internet via satélite, o que poderia manter toda uma vila on-line.
Locais isolados e distantes
Mesmo nos países desenvolvidos, existem locais muito distantes da rede de provedores tradicionais de acesso à Internet de alta velocidade. Para essas regiões, estão sendo consideradas as redes mesh sem fios. Vários pontos seriam montados do ponto de acesso com fio disponível mais próximo até a área de difícil alcance.
Educação
Muitas escolas, faculdades e universidades estão transformando seus campus inteiros em redes mesh sem fios. Essa solução elimina a necessidade de enterrar cabos em construções antigas e atravessar os campus. Com dezenas de pontos internos e externos bem localizados, qualquer pessoa ficará conectada o tempo todo.
As redes mesh também têm a capacidade de atender as necessidades de alta largura de banda de alunos que precisam fazer o download de arquivos grandes.

2007 Dreamstime
Os alunos podem conectar-se em qualquer lugar
As escolas também podem montar todo seu sistema de segurança pública na rede, monitorando as câmeras de segurança e mantendo todo o pessoal em constante comunicação em situações de emergência.
Saúde
Muitos hospitais estão espalhados em prédios compactos, onde as redes de computador não foram projetadas durante sua construção. Os pontos mesh sem fios podem virar esquinas e enviar sinais a curtas distâncias através de vidros espessos, de modo a garantir acesso em todo ambiente operacional, laboratório e consultório.
A capacidade de conectar-se à rede é crucial, já que cada vez mais médicos e outros profissionais da saúde mantêm e atualizam as informações dos pacientes - resultados de exames, histórico médico e até informações sobre seguro - em dispositivos eletrônicos portáteis carregados de sala em sala.
Hospitalidade
A conectividade de Internet de alta velocidade em hotéis e resorts tornou-se regra, não exceção. As redes mesh sem fios são rápidas e fáceis de configurar interna e externamente sem ter que remodelar as estruturas existentes ou interromper negócios.
Locais temporários
Locais de construção podem aproveitar a fácil instalação e remoção das redes mesh sem fios. Arquitetos e engenheiros podem ficar conectados ao escritório, e as câmeras de vigilância controladas por Ethernet podem diminuir a ocorrência de roubos e vandalismo. Os pontos mesh podem ser movidos e adicionados à medida que o projeto da construção progride.
Outros locais temporários, como eventos na rua, shows ao ar livre e comícios políticos, podem montar e desmontar redes mesh sem fios em questão de minutos.
Depósitos
Simplesmente não há uma maneira eficaz de manter o controle do estoque e a logística de transporte sem os tipos de scanners portáteis controlados por Ethernet usados em depósitos modernos. As redes mesh sem fios podem garantir conectividade por toda a estrutura de um grande depósito com pouquíssimo esforço.
Futuras aplicações
O exército dos Estados Unidos, que ajudou a desenvolver a tecnologia mesh sem fios, espera o dia em que milhares de pontos de malha do tamanho de um microchip poderão ser colocados em um campo de batalha para montar redes instantâneas de vigilância e reconhecimento. As informações serão encaminhadas para as tropas em terra e o pessoal no quartel general.
Fabricantes de carro e empresas de telecomunicações estão trabalhando para desenvolver o ITS (Intelligent Transport Systems - Sistemas de Transporte Inteligente) controlado por redes mesh sem fios nas ruas e estradas. Com o uso de uma rede automatizada de câmeras de vigilância e sensores dentro do carro, os responsáveis pela segurança pública podem monitorar de perto os acidentes de trânsito e as condições das estradas perigosas.
PC Magazine (em inglês) relata que está sendo criada uma tecnologia que avisa um motorista quando um carro próximo aciona seu airbag. As redes mesh móveis também prometem aperfeiçoamentos para as opções de entretenimento no carro, como downloads de músicas digitais e filmes.
Os fabricantes de chips e desenvolvedores de software de rede como a Ember Corporation (em inglês) já comercializam soluções para casas e prédios automatizados que implementam as redes mesh para controlar e monitorar remotamente os sistemas de vigilância, o controle de temperatura e os sistemas de entretenimento. As futuras aplicações das redes mesh sem fios são limitadas somente por nossa imaginação.


9. CASOS PRÁTICOS
WIMESH LEVA A INTERNET RÁPIDA PARA O CAMPO
Diante o desafio de oferecer comunicação em banda larga para 170 chalés, cinco salões de eventos e a recepção, espalhados numa área de 42 alqueires, e com muita vegetação ao redor, onde influir no paisagismo seria totalmente desaconselhável, tocar em qualquer árvore ou mesmo da grama estaria fora de cogitação. Com a dificuldade de infraestrutura na implantação e execução do projeto e com a necessidade da internet. Foi então que um analista de tecnologia da informação de um clube de golf  na região norte do Paraná,  optou por construir uma rede Mesh, distribuída pela empresa WNI no Brasil.       
Ao todo foram usados 35 equipamentos de transmissão com uma fácil instalação, plataforma de gerenciamento e alta confiabilidade, oferecendo conexão a internet atendendo a 60 notebooks simultaneamente sem nenhuma ocorrência em diversos eventos e reuniões.






10. VANTAGENS DAS REDES MESH

COMO FUNCIONA
O segredo do sistema mesh está no protocolo de roteamento, que faz a varredura das diversas possibilidade de rotas de fluxo de dados, com base numa tabela dinâmica, onde o equipamento seleciona qual a rota mais eficiente a seguir para chegar ao seu objetivo, levando em conta a maior rapidez, com menor perda de pacotes, ou o acesso mais rápido á internet. Essa varredura é feita diversas vezes por segundo,sendo transparente a usuários, por exemplo, quando um nó que estava sendo utilizado para de funcionar o sistema se rearranja automaticamente.
VANTAGENS
Instalação rápida: redes ad hoc  podem ser estabelecidas dinamicamente em locais onde não a previamente uma infra-estrutura instalada;
Tolerância á falhas: a permanente adaptação e reconfiguração das rotas na rede permite que perdas de conectividade entre nós possam ser facilmente resolvidas desde que uma nova rota possa ser estabelecida;
Conectividade: Dos nós móveis podem se comunicar diretamente desde de que cada nó esteja dentro da área de alcance do outro. 

DESVANTAGENS
Taxa de erros: A taxa de erros associada a enlace sem-fio é mais elevada quando comparada aos enlaces em redes estruturadas;
Banda passante: Com cabeamento convencional, a banda passante pode chegar a 1Gbps. No enlace via rede wireless temos taxa de ate 2Mbps tipicamente.
Referências bibliográficas: