Aumento da capacidade de uma rede mesh IEEE 802.11 com uso de múltiplos canais

Resumo Estendido

Introdução

Com a rápida adoção das redes infraestruturadas WiFi (padrão 802.11), veio a necessidade de oferecer acesso sem fio em locais onde a ligação de vários APs a um switch não era possível. Muitas vezes a instalação de cabos Ethernet no centro de grandes ambientes como indústrias, é considerado fisicamente e financeiramente inviável. Uma rede infraestruturada sem fio é composta de APs (Access point=Ponto de acesso) e clientes, os quais necessariamente devem utilizar esses APs para trafegarem em uma rede.

Além das redes sem fio infraestruturadas existem as redes sem fio não infraestruturadas baseadas em soluções que estendem os padrões existentes como as redes Mesh (padrão 802.11s em fase de desenvolvimento). A rede Mesh ou rede de malha, é uma alternativa ao padrão 802.11 para diretrizes de tráfego de dados além das redes a cabos ou a infra-estruturada wireless. Uma rede Mesh é composta de vários nós/roteadores Mesh, que passam a se comportar como uma única e grande rede como o exemplo da figura 1, 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.

Porém com o aumento das redes Mesh, também aumentam a quantidade de nós/roteadores que provoca a perda de desempenho por número de saltos/retransmissões. Não existe na prática uma limitação para o número de saltos que um pacote pode dar numa rede Mesh, mas existe a degradação da performance que vai aumentando conforme aumenta o número de saltos. Em equipamentos com apenas uma antena de rádio 802.11g de um fabricante dos EUA, a performance que pode chegar a 7 Mbps no primeiro salto, não passa de 1 Mbps à partir do quinto salto. No uso de apenas uma interface com a rede Mesh operando em um único canal, é necessário que a estação bloqueie o recebimento de quadros dos vizinhos, para que possa transmitir para a estação destino, provocando outro problema, o atraso na comunicação .

Uma solução para evitar a perda de performance em múltiplos saltos seria a utilização de duas ou mais interface de rádio em cada roteador Mesh. Essa solução necessitaria de um mecanismo de controle de encaminhamento para fazer balanceamento de fluxo entre as interfaces de rádio para obter um ganho na vazão de pacotes. Porém não existe ainda um padrão finalizado que regulamenta a utilização de múltiplos canais em roteadores Mesh.

Uma abordagem interessante para tratar estes tipos de cenários é o SDN (Software-Defined Networking). Com SDN é possível criar um controlador para equipamentos de rede e programar todo o seu funcionamento, para isso, se abstrai a camada de hardware e faz o controle da rede de forma centralizada na camada lógica de controle do SDN. A camada de controle fala diretamente com as camadas de aplicação e de hardware. Por esse motivo, pode-se criar ambientes de rede de forma customizada, atendendo especificamente a necessidade do administrador de rede. Tendo essa possibilidade de se programar o funcionamento da rede na camada de controle, pode-se criar regras de encaminhamento para que o fluxo de dados assuma algum determinado caminho, afim de realizar balanceamento de tráfego e evitar a degradação da performance utilizando múltiplos canais de transmissão.

O protocolo mais utilizado para implementar SDN é o Openflow. Ele foi o primeiro padrão de interface de comunicação entre as camadas de controle e de hardware. O Openflow usa padrões nos fluxos de pacotes para identificar o tráfego de rede de acordo com regras pré definidas estaticamente ou dinamicamente programadas pelo software de controle do SDN. Então ele permite que o administrador defina como os determinados fluxos de pacotes devem ser encaminhados pelos equipamentos de rede. Dessa maneira, pode-se realizar balanceamento de tráfego entre as múltiplas interfaces dos roteadores Mesh utilizando vários canais de transmissão. Para isso, precisa-se identificar os determinados fluxos de pacotes e assumir diferentes caminhos pelos roteadores Mesh, de forma a utilizar todas as interfaces disponíveis e aumentar a performance da rede Mesh.

Motivação

As redes Mesh se apresentam como uma opção às rede infraestruturada, quando há a necessidade de oferecer acesso sem fio em locais onde a ligação de vários APs a um switch através de cabos não é possível. Porém essas redes apresentam limitações de vazão quando são organizadas de tal maneira que é necessário o encaminhamento de pacotes por estacões intermediárias, ocorrendo uma significativa diminuição na vazão e o aumento na perda de quadros transmitidos.

Através do protocolo OpenFlow é possível aumentar a vazão nos encaminhamentos por múltiplos canais programando o funcionamento dos roteadores Mesh. Sendo que, sem essa possibilidade estamos limitados aos mecanismos disponibilizados pelos fabricantes dos equipamentos, não havendo muito poder de controle e customização. Sendo assim, Openflow/SDN possibilita desenvolver uma implementação de controle de rede utilizando múltiplos canais nos roteadores Mesh, de forma analisar a ocorrência de mudanças nos resultados na vazão e perda de dados.

Objetivo Geral

O objetivo deste trabalho é desenvolver um controlador Openflow capaz de programar os roteadores Mesh de uma rede local de forma a balancear o tráfego entre suas interfaces usando diferentes canais.

Cronograma

Bibliografia

• Openflow White Paper
• Software-Defined Networking: The New Norm for Networks. ONF White Paper, Abril de 2012
• Multihop MAC: Desvendando o Padrão IEEE 802.11s. Débora Christina Muchaluat Saade et al. SBRC, 2008
• TCC CST Telesomunicações - Murilo Bauer