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Elda Regina de SenaRafael Fernandes Lopes

Redes Ad Hoc

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Sumário

Introdução às Redes Ad Hoc Desenvolvimento Características Aplicações Tipos Vantagens X Desvantagens O Padrão IEEE 802.11 Roteamento e Segurança Caching em redes Ad Hoc Considerações finais

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Ad Hoc definição: formado ou utilizado para

determinado fim ou necessidade específica ou imediata.

Merriam-Webster’s Collegiate Dictionary

Redes Ad Hoc definição: plataformas ou nós móveis que

podem se mover arbitrariamente dentro de uma infra-estrutura temporária e estabelecer uma rede efêmera sem a presença de uma entidade central.

Introdução às Redes Ad Hoc

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Redes Wireless Estruturadas

depende de infra-estrutura instalada. recursos são alocados por uma entidade central. serviços estão integrados no sistema.

Ad Hoc não depende de infra-estrutura prévia. recursos são alocados pelos participantes. serviços dependem unicamente dos participantes.

Introdução às Redes Ad Hoc

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Introdução às Redes Ad Hoc

Modelo de comunicação em redes móveis infra-estruturadas

Redes Estruturadas Sistema Celular

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Introdução às Redes Ad Hoc

Modelo de comunicação em redes móveis ad hoc

Redes Ad Hoc dispositivos móveis interconectados formam a

rede

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Redes de Comunicação direta

Neste tipo de rede os nós da rede se comunicam única e exclusivamente com os nós que estão dentro do seu raio de cobertura

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Redes de Múltiplos Saltos (Multihop)

Neste tipo de rede os nós se comportam como roteadores, permitindo a comunicação entre nós da rede cuja distância ultrapassa o raio de cobertura, tornando-a bem mais complexa

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Grande flexibilidade: Podem ser formadas rapidamente mesmo em lugares ermos

Baixo custo de instalação

Robustez: podem resistir a catástrofes da natureza e a situações de destruição por motivo de guerra

Vantagens

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Desvantagens As estações são mais complexas: rotear

pacotes e prover mecanismos de acesso ao meio

Adiciona-se todos os problemas de redes sem fio: Baixa taxa de transmissão Alta probabilidade de Erro Grande variação das condições do

meio de transmissão

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DARPA PRNet (Packet Radio Network) – 1972/1981 SURAN (Survivable Radio Network) –

1983/1992 LPR (Low Cost Packet Radio)

GloMo (Global Mobile) – 1994/2000 Militares

TI (Tactical Internet) ELB (Extending the Litoral Battlespace)

Desenvolvimento

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IETF MANET WG objetivo: padronizar um protocolo de

roteamento com diversos modos de operação, sendo cada um deles especializados em diferentes contextos ambientais.

http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html

http://tonnant.itd.nrl.navy.mil/manet/manet_home.html

Desenvolvimento

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Dispositivos completamente funcionais Segurança Capacidade de roteamento

Topologia dinâmica Dispositivos móveis Impacto nos protocolos de roteamento

Características Ad Hoc

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Características Ad Hoc

Enlaces instáveis Altas taxas de erro Protocolos adequados para ambientes

wireless TCP em ambientes wireless

Energia escassa Dispositivos de baixo consumo Limita processamento e capacidade

de transmissão

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Aplicações Ad Hoc

Redes Instantâneas

Sensores e Atuadores

Aplicações Militares

Computação Pervasiva

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Redes Instantâneas

Ausência de infra-estrutura destruição de infra-estrutura instalada –

calamidades terremotos, enchentes

criação de infra-estrutura provisória sala de imprensa

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Redes Instantâneas

Impossibilidade de Instalação prédios históricos construções tombadas infra-estrutura inadequada

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Sensores e Atuadores

Sensores coordenados – Sensor Dust Controles ambientais

Sensores embarcados automotivos aéreos – “fly-by-wireless” !

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Aplicações Militares

Aplicações Militares distribuição da rede eliminação de ponto único de falhas sem necessidade de infra-estrutura

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Computação Pervasiva

Computação Pervasiva Ubiquitous Computing – meio ambiente

computacional computação distribuída e invisível todo o

tempo sincronização de informação entre

dispositivos informação disponível todo o tempo em

qualquer lugar

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Computação Pervasiva

boas idéias: casas inteligentes redes automotivas

boas tentativas: Electrolux Screen Fridge 1999

www.electrolux.se/screenfridge/ NCR “Microwave Bank” 1998

www.knowledgelab.com

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A tecnologia 802.11

Com o uso deste padrão evita-se colisões, interferências na transmissão, etc.

Dois hosts que não se comunicam diretamente podem transmitir mensagens simultaneamente para um vizinho comum sobre a mesma freqüência

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IEEE 802.11 altamente difundido, grande infra-

estrutura instalada altas taxas de transmissão para novas

versões IEEE 802.11a – até 54Mbps

mas não permite multihop indispensável para redes Ad Hoc dispensável para redes pervasivas

A tecnologia 802.11

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As aplicações wireless normalmente confiam em algum ponto de suporte à mobilidade, como as estações base

Muitas vezes é necessário estabelecer comunicação quando a infra-estrutura está inacessível, sobrecarregada, danificada ou destruída

Para remover esta dependência, todos os nós móveis disponíveis são tratados como “comutadores intermediários”

Roteamento e segurança

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Roteamento e segurança

Estender a quantidade de nós móveis é melhor que estender a quantidade de transceivers base

Fácil instalação e atualização, baixo custo e manutenção, mais flexibilidade e a habilidade de empregar novos e eficientes protocolos de roteamento para comunicação wireless

Porém, como os nós da rede empregam relações de confiança, a comunicação pede algumas características extras no que diz respeito à segurança

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Roteamento e segurança Roteamento

Roteamento eficiente = desafio Os algoritmos convencionais de roteamento não

funcionam, pois broadcasts são necessários para a sincronização entre os nós e banda destas redes é geralmente escassa

Problemas: Atualizações periódicas da topologia de rede aumenta

o overhead da banda Transmissão de informação tem alto custo energia A quantidade de informação de sincronização é

proporcional ao número de nós da rede, prejudicando portanto a escalabilidade

Rotas redundantes acumulam-se sem necessidade Sistemas de comunicação muitas vezes não podem

responder às mudanças dinâmicas na topologia de rede

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Roteamento e segurança

Tipos de algoritmos de roteamento: Algoritmos de roteamento On-Demand

São conhecidos como protocolos reativos, pois as rotas somente são estabelecidas quando isto é solicitado

Algoritmos de roteamento de estado de enlace

São conhecidos como protocolos pró-ativos porque informações sobre as rotas são negociadas mesmo que as rotas nunca tenham sido utilizadas

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Roteamento e segurança

Algoritmos de roteamento: Algoritmos de roteamento On-Demand

Roteamento pela origem dinâmico (DSR) Roteamento vetor-distância sob demanda Ad Hoc

(AODVR)

Algoritmos de roteamento de estado de enlace

Roteamento de estado de enlace otimizado (OLSR) Topologia de broadcast baseada em repasse de

caminho inverso (TBRPF)

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Roteamento e segurança

Algoritmos de roteamento On-Demand Roteamento pela origem dinâmico (DSR)

Baseia-se no conceito de roteamento pela origem, em que o nós emissor deve prover a seqüência de todos os nós através dos quais um pacote viajará

Cada nó mantém seu próprio cache de rotas, essencialmente uma tabela de roteamento com os endereços dos nós intermediários

As rotas são determinadas dinamicamente e somente se houver necessidade; não existem broadcasts periódicos

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Roteamento e segurança Caso um nó origem queira enviar um pacote, ele

deve primeiramente checar seu cache de rotas

Se existir uma entrada válida para o destino, o nó envia o pacote usando aquela rota

Se nenhuma rota válida está disponível, o nó origem inicia o processo de descobrimento de rotas, enviando um pacote especial de requisição de rotas (RREQ) para todos os nós vizinhos

O RREQ propaga-se através da rede, coletando os endereços de todos os nós visitados, até que ele alcance o nó destino ou um nós intermediários que tenha uma rota válida para o nó destino

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Roteamento e segurança O nó destino pode responder para o nó origem

utilizando roteamento inverso ou iniciando um processo de descoberta de rotas do nó origem

Caso na procura de uma rota, um nó encontre um link que não mais existe (ou que esteja down), ele envia um pacote de erro de rota (RERR)

Este algoritmo é fácil de implementar, pode trabalhar com links assimétricos e não envolve overhead quando não há mudanças na rede

Existem porém o problema da grande largura de banda utilizada, overhead inerente ao roteamento pela origem

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Roteamento e segurança

Roteamento pela origem dinâmico. Um nó origem (1) envia um pacote especial de requisição de rota para todos os nós vizinhos, e ele propaga a através da rede. Após o

recebimento da RREQ o nó destino (6) envia um pacote especial de resposta de rota para o nó origem anunciando a nova rota descoberta

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Roteamento vetor-distância sob demanda Ad Hoc (AODVR)

Quando uma rota é requisitada, ele utiliza um processo de descoberta de rota similar ao do DSR

A diferença entre o AODVR e o DSR está fundamentalmente no fato de que, enquanto o DSR armazena as informações de toda a rota, o AODVR só mantém uma entrada por destino

Esta entrada armazena somente a informação do próximo salto para um determinado destino

Roteamento e segurança

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Roteamento e segurança A descoberta é feita enviando um broadcast de RREQ

Cada nó que recebe pela primeira vez um pacote RREQ coloca em sua tabela uma entrada com a rota reversa, para o originador da mensagem, e reenvia esse pacote de RREQ

Ao chegar no destino (ou em algum nó com uma rota válida para o destino) um pacote RREP será enviado em unicast para o nó origem, utilizando esta rota

Na volta do pacote RREP, as rotas inversas também serão formadas pelos roteadores intermediários

As rotas são mantidas atualizadas utilizando-se um número de seqüência e um broadcast_id (que são incrementados quando a conectividade de um nó muda e quando um nó realiza um novo pedido de descobrimento de rotas, respectivamente)

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Roteamento e segurança O AODVR oferece muitas vantagens se comparado

ao DSR: Ele suporta multicast por construir árvores conectando

todos os membros multicast com os nós requeridos Menores pacotes de controle e mensagens resultam

em menos overhead de banda de rede A necessidade de ter somente dois endereços quando

estiver roteando – destino e o próximo salto – melhor que ter a seqüência inteira garante boa escalabilidade por causa do tamanho do pacote que não depende do diâmetro da rede

Como desvantagens, o AODVR trabalha somente com links simétricos e por causa disto ele não habilita o roteamento com vários caminhos (multipath), novas rotas devem ser descobertas quando um link é quebrado

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Roteamento e segurança

Algoritmos de roteamento: Algoritmos de roteamento On-Demand

Roteamento pela origem dinâmico (DSR) Roteamento vetor-distância sob demanda Ad Hoc

(AODVR)

Algoritmos de roteamento de estado de enlace

Roteamento de estado de enlace otimizado (OLSR) Topologia de broadcast baseada em repasse de

caminho inverso (TBRPF)

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Roteamento e segurança Algoritmos de roteamento de estado de enlace

Roteamento de estado de enlace otimizado (OLSR) Uma otimização do protocolo de estado de enlace Introduz números seriais para tratar rotas antigas Tem como objetivo:

Reduzir a inundação de mensagens de controle de topologia Reduzir o tamanho das mensagens de controle de topologia

Utiliza Multipoint Relays (MPRs), que repassam todo o tráfego de um nó

Cada nó anuncia aos nós que ele selecionou como MPR A partir destas informações outros nós podem construir

uma tabela “último salto” e calcular a tabela de roteamento disso

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Roteamento e segurança

v

Retransmitting nodeor multipoint relay

Um subconjunto de vizinhos de “um salto” são escolhidos como MPRs. O conjunto de MPRs deve cobrir todos os vizinhos de “dois saltos”

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Roteamento e segurança

Topologia de broadcast baseada em repasse de caminho inverso (TBRPF)

Utiliza caminhos mais curtos para cada destino Cada nó computa uma source tree (provendo caminhos para

todos os nós alcançáveis) baseado nas informações parciais da topologia, armazenado em uma tabela de topologias, usando uma modificação do algoritmo de Dijkstra

Para minimizar o overhead, cada nó reporta somente partes de sua source tree para os seus vizinhos

Utiliza uma combinação de atualizações periódicas e diferenciais para informar a vizinhança sobre as suas source trees

Utiliza mensagens HELLO para descobrir as mudanças no estado das vizinhanças

Mensagens muito menores que as mensagens utilizadas em outros protocolos de estado de enlace, por exemplo, como o OSPF

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Roteamento e segurança

Segurança Algoritmos de roteamento normalmente

consideram todos os nós da rede como nós confiáveis

Ataques contra a segurança da rede ah hoc poderiam afetar esses protocolos

Os ataques são classificados como: Ativos Passivos

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Roteamento e segurança

Tipos de Ataques Ativos: Ataques de modificação Ataques de fabricação Ataques de personificação (impersonating) Ataques cooperativos

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Roteamento e segurança

Como evitar estes ataques ? Chaves simétricas Assinatura Digital – Chaves assimétricas Hash Chains TESLA

Protocolos mais utilizados SAODV Ariadne

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Caching em redes Ad Hoc Suponhamos uma rede wireless, sendo

utilizada em um campo de batalha, que consiste de comandantes e um grupo de soldados

Os soldados podem acessar centros de informação para obter informações geográficas detalhadas, informações sobre o inimigo, obter novos comandos, etc

Soldados vizinhos tendem a ter missões similares e portanto interesses comuns. Muitos soldados precisam acessar o mesmo dado em instantes diferentes de tempo

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Caching em redes Ad Hoc Se este dado estiver próximo a um soldado,

pode-se evitar acessos posteriores ao centro de informação, economizando energia da bateria, largura de banda e tempo

Em redes ad hoc, nós móveis comunicam-se com cada um dos outros utilizando links wireless multihop

Na falta de um suporte de infra-estrutura cada nó funciona como um roteador, repassando os pacotes de dados para outros nós

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Se usuários de estações móveis, que tem uma área de cobertura limitada, formam uma rede ad hoc, um usuário que desloca-se através da rede deve permanecer tendo acesso aos dados

Se um dos nós através do caminho até a origem dos dados tiver uma cópia em cache do dado requisitado, ele pode repassar esse dado ao usuário que o requisitou, economizando banda e energia, e reduzindo o tempo de espera

Este processo é conhecido como cache cooperativo e está preocupado em que, múltiplos nós compartilhem e coordenem dados cacheados

Caching em redes Ad Hoc

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Caching em redes Ad Hoc Para aumentar a acessibilidade aos dados, nós

móveis devem fazer o cache de itens de dados diferentes de seus vizinhos.

A replicação desses dados do servidor podem criar problemas de segurança

Algumas técnicas de cache em redes ad hoc: CachePath CacheData HybridCache

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Cache cooperativo em redes ad hoc. Mecanismos de suporte do middleware provê cache cooperativo seguro, gerenciamento de cache e busca de informação

Caching em redes Ad Hoc

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Caching em redes Ad Hoc

CachePath e CacheData

Rede ad hoc. Nó N11 é a origem do dado e os nós pretos são nós roteadores. O nó N1 é a cabeça do cluster

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Caching em redes Ad Hoc

Consistência de Cache: Baseada no mecanismo de TTL (Time to

Live)

Caso o TTL expire aquele cache é removido

Melhoria deste algoritmo: sempre que uma nova cópia do dado passar pelo

nó que contém o cache, deve-se atualizar sua informação de cache

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Caching em redes Ad Hoc

HybridCache Combina as técnicas de CachePath e

CacheData

Quando um determinado dado passa por um nó móvel, ele faz o cache do caminho ou do dado baseado em alguns critérios

Estes critérios incluem o tamanho e o TTL do item de dados

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Considerações finais Redes Móveis

área nova de pesquisa vasto campo de pesquisa vários desafios a serem vencidos

Maior desafio: Roteamento Protocolos de roteamento: DSR e AODV

Algoritmos de Roteamento características boas e ruins dependendo das

condições da rede. futuro próximo:ter-se algorítmos eficientes e

adaptáveis às mais variadas características ambientais.

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?Dúvidas

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Referências bibliográficas WU, Jie, STOJMENOVIC, Ivan. Ad Hoc Networks. IEEE Personal

Communications, 02/2004, p. 29.

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MILANOVIC, Nikola, MALEK, Miroslaw, DAVIDSON, Anthony, MILUTINOVIC, Veljko. Routing and Security in Mobile Ad Hoc Networks. IEEE Personal Communications, 02/2004, p. 61.

JUNIOR, Aurelio Amodei, DUARTE, Otto Carlos M. B. Segurança no Roteamento em Redes Móveis Ad Hoc. 2002

ALBUQUERQUE, Luciano Renovato de. Segurança em Redes Ad Hoc. 2003

KOLSTAD, Jon, LUNDIN, Andreas. Ad-Hoc Routing in Wireless Mobile Networks. 2003

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