07 - WiMesh

1) Introdução

O Wireless Mesh (WiMesh) — cujo nome vem do inglês mesh, que remete à idéia de uma teia — é uma rede de acesso à Internet em banda larga sem fio em malha e auto-configurável, que interconecta um conjunto de nós fixos capazes de rotear pacotes entre si. Os nós e roteadores de redes WiMesh utilizam o padrão 802.11s, baaseado no 802.11 a/b/g, em modo Ad-hoc, onde os nós de acesso se comunicam sem a necessidade de um AP central controlando toda a comunicação, criando asim uma malha de dados sem fio com custo de implantação reduzido devido à não necessidade de prévia implantação de uma infra-estrutura. Possui um alcance intermediário de 200 m entre o o WiFi e o Wimax.

<http://www.youtube.com/watch?v=-QtxW46f_hc>

As principais aplicações são criação de Hot-Zones de acesso à Internet em locais de grande circulação de pessoas, como aeroportos, parques, etc, sistemas inteligentes de transporte, segurança, automação residencial e os projetos das cidades digitais para disponibilizar acesso à Internet a população em geral.

Algumas das empresas que investem nessa tecnologia são: Cisco, Nortel, D-Link, Aria Telecom, Axis Commmunication, Trellis (empresa brasileira), entre outras.

Os pontos relevantes são:

• Normalmente, em uma rede Wireless comum, quando se aumenta a distância entre dois pontos, a velocidade de transmissão tende a diminuir. Com o WiMesh, essa limitação deixa de existir, tendo em vista que sempre se pode utilizar a conexão com o nós intermediários (que podem ser equipamentos móveis, inclusive os usuários), tornando, assim, a distância de cada salto compatível com o que se deseja transmitir.
• Otimização do espectro de freqências, considerando que a distância entre os nós diminui sensivelmente, pois não há um nó central que concentra todas as conexões, a potência transmitida pode ser também reduzida, permitindo uma maior e mais eficiente reutilização das frequências disponíveis.
• Isenção da obrigatoriedade de se ter linha de visada, pois a conexão pode ser feita utilizando-se vários nós intermediários, sem a necessidade de conexão direta entre a origem e o destino.
• A rede WiMesh não é dependente de um apenas um caminho ou nó em específico, ou seja, no caso da queda de um dos nós, a transmissão passa a ser feita através de outros nós e portanto não há interrupção de uma comunicação já ativa, pois os próximos pacotes serão roteados através de nós alternativos;
• Faixas de freqüências liberadas pela ANATEL;
• Interação com as redes WiFi;
• Backhaul com velocidade de 54 Mbps em 5GHz (802.11a) entre AP's;
• Cobertura de áreas de usuários em clusters WiFi a velocidades de 11Mbps (802.11b) ou 54 Mbps (802.11g), em 2,4 GHz.

2) Funcionamento

Nas redes WiMesh temos um roteador (ou mais) ligado à internet e vários outros roteadores espalhados por toda área de cobertura, que comunicam entre si até encontrarem a melhor rota de saída para a internet ou para alcançar outros host da rede.

Funciona no modo Ad-hoc, que é uma rede local sem fio que não possui uma infra-estrutura implantada previamente, onde os computadores acessariam as outras máquinas da rede sem ser mediado por um AP (Acess Point). O modo Ad-hoc é interessante em casos de desastres naturais e operações de guerra, sendo este última o motivo principal da criação destas redes. As redes WiMesh são um exemplo de utilização de redes Ad-hoc, onde os AP’s comunicam entre si neste modo formando uma malha através da união de seus BSS (Basic Service Set) formando um extenso ESS (Extended Service Set), que é uma rede de AP’s conectados entre si.

O sistema de controle de acesso distribuído ao meio utilizado nas redes WiMesh é o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), o mesmo utilizado por redes WiFi tradicionais, onde os dispositivos esperam um canal de transmissão limpo para evitar colisões. Depois de cadatransmissão a rede entra em um modo onde as estações só podem começar a transmitir em canais a ela pré-alocados. Ao terminar a transmissão, a primeira estação com espaço alocado tem o direito de transmitir com mínimas probabilidades de colisão. Se não transmitir, o direito passa a estação para a segunda estação com espaço alocado.

Os protocolos envolvidos são o OLSR (Optimized Link State Routing) e três classes de protocolos para roteamento, os pró-ativos, os reativos e os híbridos.

3) Estágio atual

A tecnologia de redes WiMesh vive um momento muito bom e de prosperidade, por ter uma solução que é interessante e tem diversas aplicabilidades úteis, além de ser relativamente barata. Portanto a perspectiva é de crescimento e de estabilidade no mercado, pois até em 2008 o mercado em torno do WiMesh tinha a previsão de atingir a cifra de US$ 1 bilhão, segundo a consultoria norte-americana Heavy Reading.

A propaganda atual do WiMesh gira em torno das cidades digitais que são redes de acesso a internet banda larga pública, que permitirão um acesso mais democrático a internet, e que utilizam essa tecnologia. As cidades digitais já estão sendo implantadas em Curitiba, Rio de Janeiro, em São Paulo (devido a um acordo com a Telefonica em 2010).

Grandes empresas já estão usando as redes WiMesh, como a Petrobrás, que a utiliza em seu sistema de monitoramento e a Votorantim Celulose e Papel, que a utiliza para conectar seu escritório de administração em florestas com o seu novo parque industrial que estão a uma distância de cerca de 4 Km, e que segundo um site sobre tecnologia e negócios, com essa implementação, a eprpesa economizou ceca de 1 milhão de dólares, pois a outra opção pensada seriam fibras ópticas.

Em fevereiro, a Trellis (empresa brasileira) recebeu um investimento de R$ 2 milhões da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), ligada ao Ministério da Ciência e Tecnologia, para desenvolver equipamentos e softwares WiMesh. Para isso, a Trellis firmou convênio com a Universidade Federal Fluminense. A meta é lançar os produtos em 2010 e investir R$ 25 milhões na tecnologia ao longo dos próximos cinco anos, quando a companhia espera faturar R$ 250 milhões com o projeto. As pesquisas incluem o desenvolvimento de software para aparelhos de celular, um roteador sem fio e um algoritmo que permita a espalhar o sinal de forma eficiente.

Os problemas com a tecnologia são:

• Os pesquisadores e fabricantes não conseguiram, até agora, desenvolver uma rede suficientemente inteligente para garantir que as conexões sejam distribuídas da maneira mais eficaz, estima-se que a partir do quinto roteamento, ocorre um diminuição grande na velocidade de conexão;
• E não existe uma padronização do WiMesh, nem uma organização que reúna os desenvolvedores da tecnologia - como existe o WiMax Forum, no caso do WiMax, tecnologia de banda larga sem fio que tem o apoio de companhias como a americana Intel.

4) Características técnicas

5) Protocolos

Existem basicamente 3 classes de protocolos de roteamento: os Pró-ativos, os Reativos e os híbridos.

Os protocolos de roteamento 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, DSDV, WRP, etc. A vantagem de utilizar um protocolo pró-ativo é ter uma tabela de roteamento constantemente atualizada tendo assim a rota disponível a qualquer momento. A grande desvantagem dessa classe de protocolos é o custo para manter as tabelas atualizadas devido à troca de mensagens de controle que ocupam parte da capacidade de transmissão das redes. Em redes WiMesh esta desvantagem não é tão grande por não haver uma mudança constante da topologia da rede, o que diminui o envio de pacotes de controle entre os dispositivos de roteamento.

Para redes Ad-hoc tradicionais genéricas utiliza-se uma classe de protocolos de roteamento on demand ou reativos, ou seja, eles 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. Assim a rota só é descoberta sob demanda, ou seja, quando um dispositivo tiver um dado a enviar para outro. Isto é feito inundando a rede com pacotes de controle até receber uma resposta do host destinatário, assim que a rota é descoberta o pacote é enviado. Esta característica é muito importante em redes de baixa largura de banda, pois diminui o tráfego de pacotes de controle, aumentando assim a capacidade de transmissão de dados. Esta classe tem a vantagem 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. Porém, ao enviar um dado para um determinado nó que o roteador “não sabe” a rota, tem-se um retardo maior no envio da informação enquanto o roteador tenta descobrir o destino.

Existem ainda os protocolos Híbridos, que combinam as características 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 on demand, 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.

O protocolo mais utilizado atualmente na construção de redes WiMesh é o protocolo OLSR (Optimized Link State Routing) que é padronizado pelo IETF (Internet Engineering Task Force) através do RFC 3626, é um protocolo pró- ativo, ou seja, possui uma tabela de roteamento ativa e constantemente atualizada que, como foi explicado anteriormente não representa um grande problema para redes WiMesh devido à mínima movimentação na topologia da rede, exceto no caso de interferências ou problemas em algum dos roteadores.

No protocolo OLSR são selecionados dinamicamente, conforme o crescimento da rede, alguns nós vizinhos que são denominados MPR’s (Multi Point Relays) onde, através deles os roteadores enviam informações que têm como destino nós mais distantes, diminuindo assim o tráfego na rede e a colisão de informações na camada de transporte.

O OLSR padrão decide pela melhor rota apenas pelo menor número de saltos, o que não é a melhor alternativa pois, apesar de termos um menor numero de saltos entre dois dispositivos este menor caminho pode estar mais congestionado que outro com saltos adicionais. Uma proposta apresentada no Grupo de Trabalhos da Rede Nacional de Pesquisa sobre Redes Mesh é a utilização da extensão OLSR-ML (Optimized Link State Routing – Minimum Loss) onde a taxa de perda dos links é monitorada e, quando a topologia é montada, o roteador decide pela rota com a menor taxa de perda acumulada.

6) Serviços

A interação das redes Wirelles Mesh com a Internet é completa, pois ela serve para rotear o acesso a rede dependendo do tipo de aplicação.

O WiMesh tem alta interoperabilidade com o WiFi.

E as aplicações futuras do WiMesh são a automação residencial, a industrial, segurança, monitoramento e inclusão digital.

7) Referências

• http://www.wimesh.org/

• PINHEIRO, José Maurício Santos, Redes móveis Ad Hoc. Projeto de Redes, [S.l], Abril 2005. Disponível em:<http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_redes_moveis_ ad_hoc.php>.

• NUNES, Bruno Astuto Arouche, Fatores Impactantes na Performance de Redes Ad Hoc Sem Fio. UFRJ, Rio de Janeiro. Disponível em:<http://www.ravel.ufrj.br/ arquivosPublicacoes/mono_bruno_2003.pdf>.

• WiMesh é nova promessa para transmissão digital sem fio. Unicamp, Campinas. Disponível em: <http://www.labjor.unicamp.br/midiaciencia/article.php3?id_article=350>

• Votorantim Celulose e Papel implanta rede Wi Mesh e economiza um milhão de reais. Disponível em: <http://www.ipnews.com.br/telefoniaip/index.php?option=com_content&id=15558&task=view>

• Simão, J. B. A concepção de um modelo de cidade digital baseado nas necessidades informacionais do cidadão: o caso dos municípios brasileiros de pequeno porte. 2010. Faculdade de Ciência da Informação. Universidade de Brasília, 2010.