\documentclass{abnt}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[brazil]{babel}
\usepackage{hyperref}


\titulo{Redes sem fio ad-hoc: Os desafios impostos pelos atuais protocolos}
\comentario{Escrito como parte da disciplina INE5414 - Redes de Computadores I}
\autor{João Paulo Pizani Flor}
\orientador[Professor:]{Carlos Becker Westphall}
\data{\today}
\instituicao{Universidade Federal de Santa Catarina \par
Centro Tecnológico \par
Departamento de Informática e Estatística}



\begin{document}

	\capa
	\folhaderosto
	
	\tableofcontents
	
	\begin{abstract}
		In this paper we examine, conceptually, ad-hoc wireless networks. Our goal is to identify the main
		characteristics in these tecnologies that put them apart from wired networks and also from the usual
		\emph{infrastructured} wireless networks. We analyze which are the impacts of these differences in
		the design of the protocol stack.
		
		This paper is a survey, and as such several proposed solutions will be presented to each challenge identified,
		in each protocol layer. The solutions presented here were proposed by state-of-the-art researchers worldwide,
		and internationally recognized.		
	\end{abstract}
	
	\begin{resumo}
		Neste artigo examinamos de forma conceitual as redes sem fio ad-hoc. Nosso objetivo é o de identificar as
		principais características dessas tecnologias que as tornam bastante diferentes das redes cabeadas e também das
		redes sem fio \emph{infra estruturadas}. Nós analisamos quais são os impactos dessas diferenças na pilha de
		protocolos.
		
		O artigo tem a forma de um \emph{survey}, e nós apresentamos várias soluções propostas para cada desafio, em
		cada camada de protocolos. As soluções apresentadas são propostas por pesquisadores do estado da arte na área,
		e internacionalmente reconhecidos.
	\end{resumo}
	
	\chapter{Introdução}
		A tecnologia de redes de computadores sem fio certamente contribuiu muito para a ubiqüidade da conexão à internet.
		O preço do hardware de rede sem fio vem decaindo constantemente, devido à miniaturização dos componentes de
		fabricação e da melhoria nas técnicas de design de sistemas digitais. As taxas de transferência proporcionadas
		pelas tecnologias sem fio também aumentaram bastante, devido à melhorias na camada física (espectro
		eletromagnético) e de enlace de dados (correção de erros e alocação de canal).
		
		Essas melhorias na tecnologia de conexão \emph{wireless} não atingiram ainda um ponto fundamental \cite{hiertz}:
		o aumento da área de cobertura do serviço e a maior mobilidade dos dispositivos conectados. Os avanços
		conseguidos até agora nas taxas de transferência se devem ao aumento da potência de transmissão e ao uso de
		maiores bandas de freqüência. Isto não colabora para aumentar a taxa de sinal/ruído, e assim não aumenta a área
		coberta pelas redes de computadores sem fio.
		
		Para ''resolver'' esse problema já existem tecnologias disponíveis, como as redes celulares 3G e as redes WiMAX.
		Essas tecnologias têm, porém, alto custo, e levarão ainda um bom tempo até se popularizarem tanto quanto as do
		padrão IEEE 802.11. Isto pois ambas utilizam bandas de freqüência regulamentadas pelas agências nacionais, e 
		o hardware de acesso às redes 3G e WiMAX ainda está caro.
		
		Nesse contexto, as redes Wi-fi ad-hoc são ótimas alternativas para oferecer conectividade ubíqua e móvel por
		baixo custo, utilizando os padrões já maduros e consolidados da família IEEE 802.11. Porém os principais
		protocolos da pilha Internet não foram projetados com a existência de grandes redes sem fio ad-hoc em mente.
		Há várias características nos protocolos que levam a um menor desempenho de redes sem fio ad-hoc, quando
		comparadas a redes cabeadas utilizando os mesmos protocolos.
		
		Primeiramente, iremos fazer uma breve exposição dos três tipos de redes sem fio ad-hoc: Redes em malha (mesh),
		redes sem fio veiculares e redes de sensores sem fio. Serão apresentados os conceitos fundamentais de cada
		categoria, seu funcionamento e seus pontos fortes e fracos.
		
		A seguir iremos identificar alguns desafios que atualmente limitam o uso em larga escala das redes sem fio ad-hoc
		como meio de conexão de computadores. Iremos expor várias soluções propostas por vários pesquisadores
		internacionais para enfrentar esses desafios e integrar as redes sem fio ad-hoc com a infra-estrutura de rede
		existente.
	
	\chapter{Trabalhos correlatos}
		Os trabalhos correlatos usados como pesquisa para esse artigo discorrem sobre os problemas encontrados pelas
		redes sem fio ad-hoc, que as tornam únicas se comparadas com as redes cabeadas e com as redes sem fio em geral.
		O artigo \cite{hiertz} é um \emph{survey}, que explica as características gerais das redes sem fio ad-hoc, e
		expõe diversos protocolos e propostas de modificações em protocolos já existentes de enlace e de rede.
		Essas propostas expostas visam à melhoria das redes ad-hoc principalmente nos quesitos segurança e eficiência
		de roteamento.

		No artigo \cite{balasubramanian} é feito um estudo experimental sobre a qualidade de conexão obtida em
		veículos que se deslocam entre várias redes Wi-fi. No estudo se percebe que, mesmo havendo várias
		redes com boa intensidade de sinal nas proximidades, ocorrem muitas interrupções abruptas na conexão	
		e falhas constantes nas aplicações. Isso pois o padrão tradicional Wi-fi só permite comunicação através
		de uma estação-base por vez. Para solucionar esse problema, os autores desenvolveram o protocolo
		\emph{Vi-Fi}. O protocolo Vi-Fi e um protocolo da camada de enlace e permite a o uso de varias estações-base
		de forma concomitante, com o objetivo de permitir conectividade continua, mesmo em situações em que ha
		mobilidade.
		
		Já o trabalho \cite{santi} apresenta técnicas de controle de topologia em redes sem fio ad-hoc. Essa técnica
		consiste em se monitorar o grafo que representa as conexões entre os nodos da rede, com o objetivo de manter
		uma propriedade global desse grafo (por exemplo conexidade). A alteração nessas propriedades do grafo da rede
		resultam em varias características desejáveis, como robustez (presença de caminhos redundantes), menor consumo
		de energia e menor interferência entre os emissores dos nodos.
		
		O foco desse artigo sera identificar os maiores problemas que atualmente inibem a adoção em grande escala de
		redes sem fio ad-hoc; em que camadas da pilha de protocolos OSI e Internet estão localizadas estas questões e
		reunir as principais propostas de soluções para as mesmas.

	\chapter{Conceitos fundamentais}
		Nessa seção serão apresentadas os conceitos fundamentais e definições de redes sem fio infra-estruturada,
		\emph{relay} e em malha; comparando-as entre si e com as redes cabeadas tradicionais O entendimento dos conceitos
		apresentados nessa seção é necessário para que se compreenda as discussões posteriores.
		
		\section{Redes sem fio infra-estruturadas}
			As redes sem fio infra-estruturadas são certamente o tipo de rede sem fio mais popular atualmente. Em uma rede
			sem fio infra-estruturada todos os nodos realizam sua conexão através de um dispositivo centralizado, chamado
			\emph{Access Point} (daqui em diante chamado AP). Os protocolos de nível físico e de enlace das redes sem
			fio infra-estruturadas são definidos pela família de protocolos IEEE 802.11.
			
			Os dispositivos clientes enviam e recebem frames somente do AP. O AP também é responsável pelo controle de
			acesso do canal	\emph{(MAC - Medium Access Control)}. Devido às características de alcance limitado e de
			interferência, que são inerentes ao meio eletromagnético, o método de detecção de colisão não pode ser
			usado como estratégia de alocação de canal em redes sem fio.
			
			Para fazer alocação do canal é utilizado um handshake RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send) \cite{tanenbaum}
			entre emissor e receptor desejado. Os frames RTS e CTS avisam às outras estações na rede que uma transmissão
			irá se iniciar e fazem com que as outras estações calem-se, evitando assim interferências prejudiciais
			à transmissão. A conectividade dinâmica das redes ad-hoc torna ainda mais complicado o controle do canal.
			
		\section{Redes sem fio relay}
			Em uma rede desse tipo, além do AP central, temos dispositivos chamados \emph{relays}, que operam
			guiados pelo AP central e fornecem aos clientes da rede os mesmos serviços. Os dispositivos relay podem
			tanto ser dedicados quanto serem também clientes da rede e portanto gerarem seu próprio tráfego. Todos
			os dados que trafegam pela rede continuam ainda passando pelo AP, porém agora percorrem um caminho que
			pode passar por vários \emph{relays}.
			
			Uma rede relay pode conter vários dispositivos de relay, e assim o caminho de um frame do cliente até o
			AP pode passar por vários deles, porém na prática implementações com dois níveis (somente um relay no
			caminho) é utilizada.
			
			A grande vantagem em se utilizar dispositivos de relay é que eles diminuem a distância a ser percorrida
			pelo sinal, e assim aumentam a razão entre sinal e ruído + interferência \emph{(SINR - Signal to Noise
			plus Interference Ratio)}. Desse modo esquema mais sensíveis (menos tolerantes à ruído) de modulação e
			correção de erro podem ser utilizados, o que aumenta a largura de banda da rede como um todo \cite{hiertz}.
			
			Redes sem fio relay podem ainda operar em um único canal de freqüência ou em múltiplos canais. Na operação
			em único canal tanto o tráfego dos clientes quanto o tráfego de retransmissão ocupam a mesma banda no
			dispositivo de relay, e assim é necessária multiplexação no tempo. Já com a alternativa de múltiplos canais
			há uma segregação estática entre o tráfego de clientes e de retransmissão, que podem fluir simultaneamente.
			
		\section{Redes sem fio em malha}			
			Nas redes infra-estruturadas e com relays os dispositivos operam sob a coordenação de uma entidade central.
			Assim, caso essa entidade falhe, a comunicação entre as estações cessa, mesmo que não haja qualquer problema
			com as mesmas, e isso é claramente uma desvantagem. Nas redes sem fio em malha \emph{(WMN - Wireless Mesh
			Network)} não há entidade central para realizar a coordenação da comunicação e o controle do meio.
			
			Em uma WMN cada dispositivo age efetivamente como um roteador\footnote{É importante distinguir o termo
			\emph{roteador} usado nesse contexto do conceito de roteador que normalmente temos. Os roteadores
			convencionais trabalham na camada de rede, com pacotes IP. Os dispositivos de uma rede em malha encaminham
			frames da camada de enlace}, e vários caminhos estão disponíveis para o mesmo destino de um frame. Enquanto em
			uma rede infra-estruturada ou com relays a topologia lógica da rede é de \emph{estrela}, nas redes sem fio em
			malha a topologia é completamente diferente. De fato, a topologia de tais redes é dinâmica, e pode ser
			alterada mesmo durante a transmissão de dados. O controle da topologia das redes em malha é um assunto
			complexo, e uma boa introdução pode ser encontrada em \cite{santi}
			
			Algumas das vantagens das redes sem fio em malha, quando comparadas às redes sem fio tradicionais são:
			
			\begin{description}
				\item[Robustez] Como não há uma entidade central coordenadora, as redes sem fio em malha sobrevivem
				melhor às falhas em seus nodos
				\item[Cobertura] Cada dispositivo participante da rede contribui para estender a área de alcance da mesma
				\item[Baixo custo] São dispensados os altos custos que seriam necessários para se instalar uma
				infra-estrutura de AP's e relays para conectar a rede sem fio ao backbone cabeado
			\end{description}
			
			As características acima citadas fazem com que as redes sem fio em malha possam ser aplicadas
			nas mais diversas situações. Alguns exemplos são \cite{hiertz}:
			
			\begin{itemize}
				\item WMNs entre carros trocam informações sobre posicionamento e congestionamento e ajudam a
				evitar acidentes
				\item Em cenários militares, como ferramenta de comunicação e de espionagem
				\item Apoiando os serviços de emergência em desastres onde a infra-estrutura convencional de comunicação
				(telefones, redes cabeadas) foi destruída
				\item Escritórios e ambientes empresariais, onde novos nodos podem ser adicionados à rede sem a compra
				de nenhum novo equipamento
			\end{itemize}

	\chapter{Características desafiadoras das redes ad-hoc}
		As redes sem fio ad-hoc introduzem várias questões nos protocolos que não existem quando se utilizam redes
		sem fio convencionais (infra-estruturadas ou com relays). Nas redes convencionais, todos os dispositivos estão
		todos dentro da distância de recepção do AP. Já nas redes ad-hoc dois dispositivos quaisquer podem ou não
		estar na área de cobertura do sinal um do outro e mesmo assim devem comunicar-se. A seguir analisaremos algumas
		das funcionalidades da família 802.11 que se tornam mais complexas nas redes ad-hoc.
		
		\section{Projeto da sub-camada MAC - Medium Access Control}
			O controle de acesso ao meio nas redes sem fio ad-hoc é bastante dificultado pelo fato fundamental de que
			nem todas as estações conhecem umas às outras. O problema da estação escondida e da estação exposta
			tornam-se cruciais \cite{hiertz}. Assim, os mecanismos de coordenação de acesso ao canal precisam levar
			em conta essa grande fonte potencial de interferência.
			
			\subsection{Dispositivo escondido}
				Do inglês "hidden device", de acordo com \cite{hiertz}, um \emph{dispositivo escondido} em uma WMN
				é um dispositivo cujas transmissões não podem ser detectadas por um segundo dispositivo usando
				detecção de portadora (\emph{Carrier sense}), porém suas transmissões interferem na conversa entre
				estações terceiras.
				
			\subsection{Dispositivo exposto}
				Um dispositivo é chamado \emph{exposto} (do inglês \emph{exposed device}), se devido ao protocolo,
				ou às características momentâneas do meio de transmissão, ele crê que não está permitido a transmitir.
				Assim, ele se abstém da utilização do canal, mesmo que a transmissão simultânea a uma outra seja
				possível. Pelo fato de que um dispositivo exposto não causa problemas aos outros participantes
				da rede, a maior parte dos padrões da família wireless não levam essa questão em conta no seu projeto.
				
			Ambos os problemas citados anteriormente são criados pelo cenário em malha, e o problema do dispositivo
			exposto cresce substancialmente em redes mais densas. Em redes sem fio em malha com uma largura de banda
			baixa, a existência na rede de muitos dispositivos expostos num dado momento pode causar um grande
			desperdício de capacidade do canal.
			
			Ao contrário das redes cabeadas Ethernet, o meio físico eletromagnético tem um grande nível de localidade,
			e o paralelismo entre transmissões pode ser uma boa fonte de melhor utilização do canal. Infelizmente,
			nas redes infra-estruturadas essa capacidade é subutilizada.
	
		\section{Efeitos inter-camada da seleção de caminho}
			Nas redes sem fio em malha os frames que transitam entre emissor e receptor percorrem um caminho
			passando por vários nodos da rede até chegar em seu destino final. Como não há nenhuma entidade central
			coordenadora (por ex. AP), a tarefa de escolher a melhor rota (seqüência de nodos percorrido) é
			distribuída entre todos os nodos participantes da rede.
			
			De fato essa tarefa corresponde a um roteamento, porém esse roteamento ocorre na camada de enlace.
			Daqui em diante usaremos o termo \emph{seleção de rota} para distinguí-lo do roteamento tradicional
			feito nos protocolos de rede. A eficácia desses algoritmos de seleção de rota implementados na camada
			MAC é severamente limitada, pois o protocolo da camada superior não tem nenhuma noção da topologia da
			rede e das condições do rádio, etc. De fato, o protocolo de rede envia seus pacotes cegamente,
			desconhecendo informações que melhorariam muito a performance da rede.
			
			Talvez seja esse um bom exemplo de como nem sempre o modelo de referência OSI se aplica com sucesso.
			Quando se trata de redes sem fio em malha, parece que há uma separação artificial demais entre as
			camadas de enlace de dados e de rede; o que provoca a ocultação de dados que seriam importantes para
			a tomada de decisões da camada superior.
			
		\section{Segurança}
			Quando de fala em tecnologia da informação, o termo \emph{Segurança} abrange pelo menos três aspectos:
			
			\begin{description}
				\item[Confidencialidade] A mensagem só pode ser decodificada pelo receptor autorizado
				\item[Integridade] A mensagem não é alterada durante o caminho entre emissor e receptor
				\item[Disponibilidade] A rede é capaz de prover o serviço necessário à comunicação entre as partes
			\end{description}
			
			No que diz respeito às redes sem fio em malha, e levando em conta a sua topologia específica, necessidades
			até então ignoradas nas redes infra-estruturadas surgem. Devido ao fato de que diferentes dispositivos
			(os clientes) utilizam um recurso comum (o canal de transmissão) para prover vários serviços, diferentes
			níveis de segurança podem ser observados. Ao menos os seguintes aspectos adicionais podem devem ser
			considerados:
			
			\begin{itemize}
				\item Autenticação de dispositivos na malha
					\subitem Acesso pleno com permissão para encaminhar frames alheios
					\subitem Acesso parcial, com a possibilidade de se registrar com múltiplos vizinhos
					\subitem Acesso restrito, se conectando a apenas um dispositivo vizinho
					\subitem Acesso negado por completo
					
				\item Participação na seleção de rota
					\subitem Geração e propagação de meta-informação de seleção de rota
					\subitem Somente recepção de meta-informação de seleção de rota
			\end{itemize}
			
	\chapter{Conclusões}
		As redes sem fio, mesmo infra-estruturadas, já adicionam uma grande complexidade ao funcionamento dos
		protocolos atuais, tanto da pilha TCP/IP quanto do modelo de referência OSI. Alterações substanciais
		tiveram de ser realizadas na implementação do protocolo de enlace, em relação à Ethernet, para acomodar
		as características únicas do meio eletromagnético.
		
		Maiores ainda são os desafios impostos ao projetos dos protocolos quando se trata de redes sem fio ad-hoc.
		Além de requerer grandes mudanças nos padrões tradicionalmente usados na implementação de várias camadas
		da pilha de protocolos, as redes ad-hoc ainda expõem as fraquezas das separações entre as camadas da pilha
		OSI e TCP/IP. Algumas dessas interfaces tornam-se demasiadamente artificiais, e fazem com que, para que
		o padrão seja seguido, grande performance da rede seja perdida.
		
		A redação do presente artigo e a pesquisa necessária para tal permitiu a solidificação de todos os
		conhecimentos adquiridos em sala de aula durante o semestre. Tal pesquisa deu ainda uma perspectiva
		de estado da arte sobre redes de computadores, demonstrando que o conhecimento sobre os protocolos,
		sobre o papel de cada camada e a relação entre as mesmas é extremamente importante para compreender
		os desenvolvimentos tecnológicos em redes de computadores na atualidade.

	
	\bibliographystyle{plain}
	\bibliography{referencias_artigo_ine5414.bib}
	
			

\end{document}
