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JISTEM - Journal of Information Systems and Technology Management

versão On-line ISSN 1807-1775

JISTEM J.Inf.Syst. Technol. Manag. (Online) vol.5 no.2 São Paulo  2008

http://dx.doi.org/10.4301/S1807-17752008000200003 

Avaliação experimental de redes mesh com os classmate pcs da Intel

 

Experimental evaluation of wireless mesh network with the Intel classmate pcs

 

 

Jorge R. Beingolea Garay; Roberto K. Hiramatsu; Sergio T. Kofuji; Roseli de Deus Lopes

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - USP

Endereço para correspondência

 

 


RESUMO

Este artigo apresenta os resultados da avaliação de uma rede mesh empregando o padrão 802.11s e laptops de baixo custo para inclusão digital fabricados pela Intel - os Classmate PCs. Os experimentos de avaliação contemplaram tanto testes em ambientes internos como externos, nos quais foram realizados testes de cobertura da rede e comunicação multihop. Os experimentos realizados mostram uma taxa máxima obtida na transferência de pacotes de 14Mbps e 12Mbps para TCP e UDP, respectivamente, comprovando a viabilidade da solução proposta para o processo de inclusão digital nas escolas públicas.

Palavras-chave: Classmate PC; Redes Malha; Inclusão Digital; 802.11s.


ABSTRACT

This paper shows performance evaluation results of a wireless mesh network employing an 802.11s standard and low cost Intel Classmate PCs. The experiments consist of throughput and coverage range determination, in indoor and outdoor scenarios, in which net and communication multihop coverage tests were done. The results show maximum throughput of 14 Mbps for TCP and 12 Mbps for UDP respectively, proving the proposed solution's viability for the digital inclusion process in public schools.

Keywords: Classmate PC; Mesh Network; Digital Inclusion; 802.11s.


 

 

1 INTRODUÇÃO

Como alternativa para a intensificação da inclusão digital no país, o Governo Brasileiro se uniu a uma das maiores iniciativas internacionais de inclusão digital, o Projeto OLPC (One Laptop per Child) proposto pelo MIT (Massachusetts Institute of Technology). Esse projeto propõe a utilização, em escolas públicas, de laptops de baixo custo com capacidade de comunicação sem fio em rede mesh (malha), conhecidos como laptops XO. Experiências do uso de computadores portáteis no processo de aprendizado são realizadas em diferentes escolas, sob a supervisão de importantes centros de pesquisa das maiores universidades do país e com o aval do Governo Federal.

Nessa perspectiva, o Projeto RUCA (2007) (Rede em Malha do Projeto Um Computador por Aluno), administrado pela RNP (Rede Nacional de Pesquisa), realiza um estudo de redes mesh utilizando a arquitetura de hardware dos XO. O Grupo de Pesquisa em Redes Mesh (REMESH, 2007) implementou no Brasil o primeiro projeto piloto para o estudo da viabilidade de uma rede de acesso universitária sem fio de tipo mesh. Enquanto isso, a Google implantou a Google Mesh, uma rede de acesso comunitário à Internet na Califórnia, que fornece uma largura de banda de 1Mbps (GOOGLE, 2007).

Mesmo com a existência desses projetos, as redes de tipo mesh são relativamente novas, existindo ainda muitas questões técnicas para serem resolvidas, tais como: a segurança na conexão; a estabilidade de conexão através de eficientes algoritmos de seleção de canais, para a otimização e confiabilidade na transmissão de dados (ALICHERRY; BHATIA; LI, 2006); e técnicas de transmissão multi-rádio e multi-salto (DRAVES; PADHYE; ZILL, 2004). Questões estas que precisam ser consideradas na implementação de uma rede mesh, contemplando as diferentes arquiteturas de hardware existentes.

Paralelamente ao Projeto OLPC, com os XO, surgem outras iniciativas ao processo de inclusão digital. Uma delas é promovida pela Intel, através do computador portátil Classmate PC (CLASSMATE PC, 2007), que se encontra no momento em sua segunda versão, o Classmate PC 1.5. Esses computadores portáteis, assim como os XO, consideram entre suas formas de comunicação a implementação de uma rede IEEE 802.11s, que provê uma solução para a formação de redes mesh sem fio auto-configuráveis.

Diante desse contexto, o objetivo deste trabalho é determinar a eficiência desse tipo de rede, considerando seu baixo custo de implementação e a necessidade de pouca infra-estrutura dentro do cenário de uma escola.

 

2 O CLASSMATE PC E A INCLUSÃO DIGITAL

O Classmate PC é o resultado de uma iniciativa da Intel para o processo de inclusão digital nas escolas. Essa iniciativa tem por objetivo prover aos futuros usuários - os alunos - um hardware versátil e com possibilidade de conexão em rede, através de interfaces com e sem fio.

As duas versões de Classmate PC existentes, versão 1.0 e a 1.5, possuem módulos internos de rede Wi-Fi (wireless fidelity), com suporte à rede mesh que segue o padrão IEEE 802.11s. Esse hardware é composto por um processador Celeron de 900MHz, memória RAM de 256Mbytes e uma memória Flash de 2Gbytes.

A disponibilidade de acesso à Internet como fonte de conhecimento, através de uma infra-estrutura de baixo custo, é um aspecto importante no conceito do OLPC. Nessa direção, os computadores podem conectar-se entre si e acessar um mesmo recurso sem a necessidade de um backbone físico convencional cabeado. A viabilidade desse projeto sustenta-se em alguns aspectos importantes como: o desempenho e a robustez da rede sem fio para possibilitar a interconexão dos laptops, o acesso a recursos compartilhados e eventualmente o acesso à Internet.

O LSI (Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo) é um dos centros de pesquisa brasileiro que faz parte do projeto de inclusão digital, tendo como foco o uso dos XO em algumas escolas do Estado de São Paulo. Além de avaliações experimentais do XO, o LSI também se dedica ao estudo de outras iniciativas de plataformas de baixo custo, dentre as quais inclui-se o Classmate PC da Intel.

 

3 IEEE 802.11S E OS CLASSMATE PCS

O IEEE 802.11s é um padrão que especifica a transmissão através de múltiplos saltos (multi-hop) no nível da camada de enlace para redes ad-hoc, oferecendo comunicação em grupo de complexidade exponencial. Esse padrão determina o uso de um protocolo de roteamento chamado HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) (BAHR, 2006), que é baseado no conhecido protocolo para redes ad-hoc, AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) (PERKINS; BELDING-HOYER; DAS, 2003).

Nas redes de tipo mesh, os nós atuam como encaminhadores de pacotes de outros nós que não se encontram na área de conexão direta com os seus destinos, permitindo maior alcance, melhor cobertura da rede e o fácil acesso aos diferentes recursos que existem dentro da mesma. Assim, é possível adicionar facilmente usuários e pontos de acesso à rede. Além dessa característica de escalabilidade, outro elemento importante desse tipo de rede é o natural suporte à redundância nas rotas de comunicação.

Com o intuito de determinar a eficiência desse tipo de rede, em relação a uma arquitetura diferente a do XO, foi utilizado o Classmate PC, tornando essa última arquitetura uma alternativa ao processo de inclusão digital.

A implementação da rede mesh ao Classmate PC segue a arquitetura proposta pelo padrão IEEE 802.11s, a qual considera quatro tipos de nós na organização da rede: i) um Cliente ou Estação (STA - Client or Station), que requer os serviços da rede, mas não provê nenhum tipo de serviço de descoberta ou roteamento de pacotes; ii) o Ponto Mesh (MP - Mesh Point), nó que participa na formação e operação da rede mesh; iii) o Ponto de Acesso Mesh (MAP - Mesh Access Point), que mantém o AP para prover serviços aos clientes da rede; e iv) o Portal de Acesso Mesh (MPP - Mesh Portal Point), que proporciona os serviços de gateway entre uma rede mesh e uma rede externa, como a Internet.

Os Classmate PCs utilizam um único sistema de rádio a 2.4Ghz e duas interfaces de rede sem fio que são providas pelo sistema operacional: rausb0, interface principal de conexão a uma rede Wi-Fi, e a interface mesh0 para conexão à rede mesh. Além das interfaces sem fio, os Classmate PCs disponibilizam uma interface para rede física chamada eth0.

Essas interfaces permitem que os dispositivos atuem como STA, MP e também como MPP, possibilitando o tráfico dentro e fora de uma rede mesh da mesma forma que o XO. Existem duas formas de transformar um Classmate PC em um MPP através da interface sem fio. A primeira é conectando o Classmate PC a uma rede sem fio estruturada, que poderíamos chamar de wired, por meio da interface rausb0. A segunda é por meio de scripts iniciando a interface virtual mesh0, que será associada a um ponto de acesso AP. O tráfico da interface rausb0 conectada ao AP e repassada à interface mesh0 servirá de MPP para os outros nós da rede mesh. O funcionamento dessa rede necessita de algumas configurações adicionais com o objetivo de manter a rede funcionando de forma semelhante aos XO.

Outra forma do Classmate PC atuar como MPP é utilizar a interface eth0 e a interface virtual mesh0 para configuração, atuando neste caso como um roteador, o que possibilita o tráfico da interface mesh0 para a rede cabeada, através da interface eth0. Essa configuração ainda não foi testada, mas há a possibilidade de gerenciar essas duas interfaces em um mesmo Classmate PC.

 

4 CONECTIVIDADE NOS CLASSMATE PCS

O sistema de rádio dos Classmate PCs é composto por um chipset Railink rt73 e uma interface 802.11b/g. Diferentemente dos XO, os Classmate PCs não possuem antenas externas que ajudam na transmissão e recepção de dados, especialmente em ambientes internos, onde a densidade da estrutura física do cenário de comunicação é capaz de atenuar o sinal dos dispositivos transmissores. Como em vários laptops comerciais, no Classmate PC, a antena é integrada à estrutura do display, onde cada uma das interfaces de comunicação rausb0 e eth0 utiliza um barramento de comunicação USB.

A geração do tráfico TCP e UDP é realizada através da ferramenta Iperf tool (NLANR/DAST, 2007) e para o controle de tráfego da rede mesh é utilizada a ferramenta Wireshark, como um sniffer alternativo (WIRESHARK, 2007).

4.1 Roteamento

Atualmente, o padrão 802.11s estabelece o uso obrigatório do protocolo HWMP, sendo que este é um protocolo de roteamento para garantir a interoperatividade da rede, combinando o conceito de descoberta de rotas de baixa demanda com a criação de árvore de roteamento pró-ativo. A descoberta de rotas de baixa demanda oferece uma maior flexibilidade para a criação de redes mesh, nas quais os nós são móveis; enquanto que o roteamento pró-ativo reduz a carga do tráfico de controle intra-mesh em redes com nós fixos. A seguir serão descritos, detalhadamente, as rotas de baixa demanda e o roteamento pró-ativo.

a) HWMP rotas de baixa demanda: permitem aos nós móveis obterem novas rotas para os destinos de forma rápida e sem manter rotas não ativas. O emissor envia um comando RRQ (Route Request Packets) em broadcast (Figura 1).

 

 

A rota é criada logo após a obtenção da resposta do destinatário com um comando de route-reply ao nó intermédio, que tem uma rota válida ao emissor (Figura 2).

 

 

A rota é mantida até que exista uma perda de comunicação de algum dos nós. Nesse caso, uma mensagem de route-error é emitida e inicia-se um novo processo.

b) HWMP roteamento pró-ativo: cria-se uma tabela de roteamento em cada nó em resposta à solicitação do MPP (gateway) em broadcast. Os nós mesh calculam o melhor caminho até o gateway em função do número de saltos e armazenam as distintas sub-rotas (Figura 3).

 

 

Em caso de perda de comunicação de um nó com o gateway é emitida uma mensagem de erro pelo nó, identificando uma mudança de rota ao resto da rede.

Visto por uma ótica menos técnica, nos Classmate PCs, cada nó seria uma espécie de Cliente-Emissor-Repetidor da rede Wi-Fi, resultando em uma rede mesh. Tecnicamente, cada ponto de conexão é um nó interconectado a outros nós, formando a mesh via rádio. Vale ressaltar que cada ponto é também independente, na medida em que pode decidir a rota que cada pacote de informação seguirá em cada momento. Finalmente, quando é produzido um corte na rede o próprio nó deverá ser capaz de decidir como traçar uma nova rota.

 

5 EXPERIMENTOS REALIZADOS

Nas subseções seguintes serão detalhadas as configurações e os procedimentos efetuados para a realização dos experimentos. Ao final, será exposto cada um dos resultados obtidos em decorrência dessas configurações.

5.1 Configuração Prévia

As simulações em software, em alguns casos, não refletem os dados obtidos experimentalmente, pois não é possível parametrizar todas as interações do hardware transmissor sem fio e o ambiente de propagação. Assim, medições experimentais em cenários reais tornam-se importantes para determinar os fenômenos que possam influenciar negativamente o desempenho da rede.

Neste trabalho, foi escolhido um cenário real para a realização dos testes, possibilitando resultados com maior exatidão em relação aos obtidos por simulação. Dessa maneira, acredita-se que esses resultados poderão auxiliar na futura implementação de redes mesh fazendo uso dos Classmate PCs.

Durante as configurações, algumas ferramentas de rede foram consideradas, bem como o uso de um SO baseado em Linux.

O Sistema Operacional Metasys (METASYS, 2007), baseado na distribuição Linux OpenSuse 10.1 e 10.2 personalizado para o harware do Classmate PC, é bastante robusto e proporciona algumas ferramentas que possibilitam a interação entre os usuários, através de um comunicador chamado Pidgin. Esse software possui as virtudes de um sistema de chat e sua diferença está relacionada ao funcionamento em uma rede mesh que utiliza um protocolo de conexão multicast, denominado bonjour. Essa ferramenta foi utilizada unicamente para verificar a estabilidade da conexão mesh nos experimentos de variações de distâncias. O Pidgin precisava ser desligado antes de iniciar cada um dos testes TCP e UDP com a ferramenta Iperf. Esse procedimento evita que os frames de sincronismo, de cada um dos Classmate PCs, não ocupem a largura da banda a ser testada, interferindo nos resultados finais dos experimentos realizados.

Na realização desses experimentos, várias versões do núcleo do sistema operacional e arquivos de configuração foram testadas, com o intuito de melhorar a estabilidade das conexões através das interfaces rausb0 (Wi-Fi) e mesh0 (rede mesh). O passo seguinte foi a instalação da versão do SO Metasys beta2b com suporte mesh em cada um dos Classmate PCs que fizeram parte de nosso experimento.

O Wireshark foi a ferramenta de sniffer RF (Rádio Freqüência) utilizada para captura do tráfego de dados provenientes de interfaces sem fio. Após a instalação do sniffer, foi instalado o Iperf para a realização dos testes de transmissão de frames TCP e UDP. No entanto, durante os procedimentos de instalação que estavam relacionados à compilação, a limitação de espaço de armazenamento no hardware constituiu-se em um problema. Essa dificuldade foi resolvida com a utilização de um servidor OpenSuse de mesma versão àquela instalada ao Classmate PC, pois os componentes de software usados nesse laptop são baseados em arquitetura x86. Foi também compilada ao servidor a ferramenta Iperf, sendo instalada via NFS nos Classmate PCs.

Na realização dos experimentos, outros problemas foram encontrados durante as configurações iniciais, como a instabilidade da rede mesh que perdia a conexão após um determinado intervalo de tempo ou quando um novo dispositivo era iniciado na rede mesh (outro Classmate PC). A falha era provocada por um conflito com o comunicador Pidgin que estava configurado para iniciar junto ao SO. A solução foi desativar a configuração que permitia o início pré-determinado do comunicador.

É preciso ressaltar ainda que outras configurações devem ser realizadas como: editar o arquivo \init.d para iniciar a interface mesh0 e a conexão mesh de forma automática junto com o gerenciador de conexões sem fio, para que assim se inicie a detecção da rede mesh de forma automática uma vez iniciado o sistema.

a) Hardware dos Classmate PCs

A documentação do Classmate PC é escassa. Alguns de seus componentes são facilmente identificados pelo SO, como o processador Celeron de 900Mhz, mas os detalhes mais técnicos, como a estrutura física da placa-mãe é pouco conhecida. A incompatibilidade inicial do SO com o novo chip de rádio da Railink, acondicionado na nova versão dos Classmate PCs, foi um dos nossos maiores impedimentos na configuração da rede Wi-Fi e da rede mesh. Problema esse que foi resolvido após algumas correções na versão do SO Metasys, com a adoção de uma nova versão do driver da placa Wi-Fi. Esse procedimento possibilitou o uso da interface física rausb0 e a interface virtual mesh0, simultaneamente.

Outro problema identificado foi o tipo de criptografia utilizado nos Classmate PCs, o qual só suporta WEP de 64 bits, sendo que alguns AP suportam WEP de 128 bits e os mais modernos WEP e WAP.

b) Testes de energia

Entre as limitações que são sempre apresentadas nos experimentos realizados em campo têm-se o abastecimento de energia para os equipamentos que estão sendo usados nas avaliações. Limitação essa que os Classmate PCs resolvem muito bem, utilizando uma bateria Sansung de Li-Ion de 11.1 volt de 4000 mA hora e com uma duração de quatro horas na realização dos experimentos. O resultado do consumo progressivo de energia é apresentado no Gráfico 1.

 

 

Os experimentos de consumo de energia apresentaram os mesmos resultados em todos os momentos, mesmo em ambientes internos ou externos. Devido à eficiência da bateria do Classmate PC, os experimentos foram realizados em três dias. Inicialmente foram feitos testes prévios para eliminar possíveis erros na configuração dos Classmate PCs e na rede mesh, bem como nas ferramentas de software utilizadas.

Incluiu-se aos experimentos o teste de energia, visando garantir que os resultados não fossem afetados pelas variações de carga da bateria.

c) Comunicação RF

Experimentos de propagação são bastante difíceis de serem realizados e reproduzidos, pois cada cenário apresenta situações e variáveis diferentes na transmissão. É preciso ressaltar que variáveis de propagação em ambientes internos não são consideradas em uma análise realizada em ambientes externos, em decorrência da diversidade da estrutura física do ambiente de propagação. Sendo que o ganho da antena do rádio transmissor em cada um desses ambientes é totalmente diferente. Os Classmate PCs não possuem antenas externas, o que pode resultar em desvantagem em determinados ambientes.

Outra limitação é a dificuldade da análise de RF, pois o tipo de comunicação - múltiplas rotas - quando utilizado dificulta a coleta de amostras em campo. Diante dessas condições variáveis, a solução inicial seria realizar uma coleta de amostras baixa em diversas situações e em número maior, para que o resultado possa ser o valor médio obtido de todas essas amostras.

d) Variação de Distâncias

Neste ponto são descritos os parâmetros considerados para a realização dos testes de alcance do sinal, segundo a variação de distâncias, criando finalmente uma relação com a taxa de transferência de pacotes TCP e UDP. O cenário é um ambiente externo e a distância de separação entre o servidor Iperf e o cliente para a transmissão de frames TCP e UDP é de até 500m.

A altura determinada para esse receptor e transmissor é de 1.20m, para melhorar a linha de visão direta e possibilitar a ausência de obstáculos entre os dispositivos. Essa seria a altura máxima de elevação por parte de um aluno, utilizando um desses dispositivos em um ambiente externo.

A idéia desses experimentos é reproduzir de forma mais realista o cenário de uso real. Assim, na realização dos experimentos de variação de distâncias são considerados dois tipos de cenários: i) o cenário A que é um cenário livre de obstáculos; e ii) o cenário B que é um cenário no qual se inclui o trânsito de pessoas e de veículos.

A transmissão nos Classmate PCs é realizada com uma potência máxima de 18dBm. O receptor Wi-Fi desses dispositivos normalmente consegue identificar sinais de muito baixa potência, até mesmo de -92dBm. A unidade dBm é uma referência em decibéis a uma potência de 1mW. Portanto, a potência em dBm é calculada através da fórmula em (1):

A sensibilidade nos receptores é importante, pois os sinais de RF dispersam-se e atenuam-se no caminho de propagação, permitindo que a potência recebida seja sempre muito menor do que a irradiada pelo transmissor. Os modelos matemáticos utilizados para descrever a propagação de ondas eletromagnéticas (RF) são em sua totalidade derivadas das equações de Maxwell (ESKELINEN, 2004; SCHNELL, 1993). Inicialmente, é possível considerar um modelo simples dado pela fórmula de transmissão de Friis, a qual descreve de forma clara e simples a propagação de ondas no espaço livre (fórmula 2) (ULABY; MOORE; FUNG, 1981):

Sendo: PR e PT são as potências recebidas e transmitidas, GT e GR são os ganhos das antenas do transmissor e do receptor, ð ?é o cumprimento de onda e d é a distância entre o transmissor e o receptor. A variável LFS representa a perda de transmissão no espaço livre (Free Space Transmission Loss).

Também é necessário calcular a perda na transmissão em um ambiente externo (o valor de LFS), a qual pode ser calculada através da fórmula em (3) (CARRANO; MARTINS; MAGALHÃES, 2007):

Um modelo possivelmente mais adequado deverá considerar a presença dos diversos obstáculos existentes no caminho entre o transmissor e o receptor, como as árvores em áreas abertas, os edifícios próximos etc. Nesses casos, o sinal de rádio sofrerá atenuação devido à absorção de energia eletromagnética (BULUSU; HEIDEMANN; ESTRIN, 2000; ULABY; MOORE; FUNG, 1981).

Os experimentos realizados limitaram-se a uma distância de 500m, a potência de saída foi de 18dBm, a sensibilidade do receptor foi de -92dBm e a altura inicialmente determinada foi de 1.20m. Após os 350m, adicionou-se uma elevação de mais 0.5m em decorrência da geografia do campo de testes. O resultado foi uma taxa de transferência que superou os 3Mbps, valor esse que é suficiente para prover ao usuário de qualquer tipo de serviço de rede.

As operadoras de acesso banda larga à Internet, em geral, oferecem serviços de conexão à Internet com uma largura máxima de 4Mbps, sendo que as mesmas só garantem 10% da banda contratada. Isto é, 500kbps de taxa, considerando hipóteses extremas. Um dos serviços testados nessa distância foi a do comunicador Pidgin do SO Metasys, sendo que o resultado foi imediato e eficiente. Os Classmate PCs conseguiram sincronizar-se rapidamente e o delay nas comunicações, como resultado a estas distâncias, foi quase imperceptível.

As medidas com o Iperf foram realizadas entre um servidor e um cliente Iperf. A transmissão dos frames foi efetuada em duas etapas: na primeira, utilizou-se transmissão TCP e, na segunda, utilizaram-se frames UDP. Para ambos os casos, fez-se também uma análise de perda de pacotes segundo a variação de distâncias.

No Gráfico 2, pode-se observar a vazão de dados TCP que atinge os 14Mbps a 50m e diminui com o aumento da distância entre o dispositivo transmissor (Cliente Iperf) e o receptor (Servidor Iperf).

 

 

A perda de dados é demonstrada no mesmo gráfico, sendo que esta só começa a mostrar-se como significativa após os 250m, atingindo uma perda máxima igual a 4% da vazão total transmitida em distâncias de até 500m.

No Gráfico 3a, observa-se que a vazão UDP atinge o valor máximo de 1.6Mbps e apresenta pouca variação até os 200m. Esse valor poderia ser considerado como eficiente, no entanto, após os 200m tem-se uma queda de 18,75%, isto é, uma vazão de 1.3Mbps (81,25% do valor inicial).

 

 

Já no Gráfico 3b, é possível verificar a perda de dados no mesmo cenário, segundo uma variação de distância de até 500m. Os resultados obtidos indicam uma perda igual a 0 até os 100m, uma perda inicial e linear de 1.5Mbps até os 200m e que só passa a ser significativa acima dos 350m, com uma perda de vazão que alcança os 7.6Mbps, em relação à vazão transmitida e apresentada no Gráfico 3a.

Os resultados dos experimentos realizados no cenário B são apresentados no Gráfico 4, o qual mostra a vazão TCP e UDP, segundo uma variação de distância de até 500m. A vazão TCP atinge um valor de até 6.0Mbps, com uma queda significativa em distâncias acima dos 100m. Já no caso da transmissão UDP, a vazão é de 1.0Mbps com uma queda de 27% até os 500m em relação ao valor inicial.

 

 

A diminuição da vazão de dados no cenário B (Gráfico 4) ocorre devido à existência de obstáculos entre os pontos de transmissão, causando uma quebra no enlace entre o dispositivo transmissor e receptor.

A falta de visibilidade provocada pelos obstáculos existentes entre os dispositivos contribuiu na atenuação do sinal inicialmente irradiado pelo transmissor, causando um impacto na vazão de dados. Segundo os experimentos realizados no cenário B, a transmissão UDP apresenta um resultado mais linear, mesmo sendo baixa.

Na realização de nossos experimentos, há ainda um terceiro cenário chamado de multihop, que faz uso de uma rede de maior densidade. Nesse experimento, é utilizado um número de seis Classmate PCs, a separação existente entre os dispositivos é de no máximo 10m e a vazão de dados é medida em função do número de saltos. A transmissão de frames é realizada de duas formas: a primeira é feita através do Iperf, transmitindo um frame de 1400 Kbytes; e a segunda é realizada através da ferramenta SCP. Inicialmente, a transmissão via Iperf garantiu uma vazão inicial de 14Mbps e de 3.29Mbps a 500m.

Nesse experimento do cenário multihop é incrementado o número de nós em seis Classmate PC. O incremento é realizado de forma progressiva e entre o transmissor e o receptor (Figura 4).

 

 

Os testes prévios são sempre utilizados como passo inicial aos experimentos finais, com o objetivo de eliminar possíveis erros tanto do software como também do hardware que estão sendo utilizados nestas avaliações.

Nesse experimento, o objetivo é determinar a largura de banda disponível para um aluno com um Classmate PC em uma rede mesh. Se considerarmos que a vazão inicial é de 12Mbps e que, do segundo a um terceiro laptop, essa largura de banda pode cair em 30%, será que ainda é possível existir largura de banda suficiente para aqueles alunos que estão com seus laptops a mais de três saltos?

Para responder a esta indagação, no experimento realizado foi considerado um número máximo de seis saltos, onde se obteve como resultado uma vazão inicial de 12.2Mbps com um salto e de 2.9Mbps com seis saltos (Gráfico 5).

 

 

O resultado de 2.9Mbps proporciona banda suficiente para obter e administrar qualquer serviço de rede de forma eficiente. Essa consideração leva em conta que a separação existente entre os laptops é de no máximo 10m.

Existe a possibilidade de obter-se o mesmo resultado em uma distância de cobertura maior, se considerarmos os resultados apresentados no Gráfico 3a, onde se alcançou uma taxa de 1.3Mbps para uma distância de até 500m.

O segundo e último experimento realizado no ambiente multihop foi a transferência de frames utilizando a ferramenta SCP, comum para a transferência de arquivos neste tipo de ambiente. O valor atingido foi de 3.0Mbps com um salto e uma queda de 50% em até seis saltos, com o valor de 1.5Mbps.

Os resultados podem ser observados no Gráfico 6.

 

 

6 CONCLUSÕES

O objetivo do presente trabalho foi analisar o desempenho de uma rede mesh 802.11s no contexto da inclusão digital, avaliando a capacidade de comunicação em mesh do Classmate PC.

Os experimentos realizados iniciaram-se com a transmissão de frames TCP e UDP segundo a variação de distâncias e observando o seu impacto na taxa de transferência de pacotes. Os experimentos apresentaram resultados positivos com valores acima de 2Mbps a 250m (2,73Mbps) e de 1,25Mbps a 350m. E o desempenho da taxa de transferência foi de 3,29Mbps para distâncias de até 500m, com altura superior a 1.70m nos dispositivos após os 350m.

A implementação de uma rede mesh sobre o padrão 802.11s apresenta desafios de comunicação, seja qual for a plataforma de hardware (XO ou Classmate PC). Entretanto, os Classmate PCs apresentaram um bom comportamento como resultado de sua implementação em uma rede mesh sobre o padrão 802.11s, porém alguns aspectos técnicos como a instabilidade da rede mesh e problemas do controlador da interface Wi-Fi precisaram ser resolvidos.

O maior problema apresentado foi a sensibilidade da transmissão em faixas livres de 2.4GHZ, sendo essa freqüência sensível a interferências, ruído, obstáculos etc. Isso é visível nos resultados experimentais do cenário B (Gráfico 4).

Embora os resultados sejam positivos para distâncias de até 500m (cenários A e B), é importante ressaltar que estes são resultados ao ar livre. Os testes de multihop, cenário em ambiente interno, apresentaram resultados de uma queda significativa causados pela pouca penetração desses dispositivos através de bandas de freqüência de 2.4GHz. O que limitou a distância de separação máxima dos Classmate PCs a 10m, resultando em uma vazão UDP de 2.9Mbps após seis saltos e de 1.5Mbps para SCP.

O resultado da diminuição do sinal em ambientes internos pode ser resolvido através de um hardware adicional como um repetidor ou da projeção de antenas externas nos dispositivos, embora o projeto dos Classmate PCs não a permita. Talvez seja possível considerar a utilização de antenas externas de baixo custo, estrategicamente posicionadas nas escolas, com o intuito de melhorar a cobertura e penetração dos Classmate PCs nas salas de aula. Já no caso da comunicação ao ar livre, é bastante fácil conseguir um bom sinal com pouco esforço.

 

REFERÊNCIAS

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WIRESHARK SNIFFER. 2007. Disponível em: http://www.wireshark.org Acesso em: Novembro de 2007.         [ Links ]

 

 

Endereço para correspondência:
Jorge R. Beingolea Garay
Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, Faculdade de Engenharia Elétrica Psi, Laboratório de Sistemas Integráveis Lsi.
Av. Prof. Luciano Gualberto, travessa 3, 380 - Butantã
SP, Brasil - 05508-900
Telefone: (11) 3091-9741 Ramal: 9741 Fax (11) 3091-5665
E-mail: jorge@pad.lsi.usp.br

Roberto K. Hiramatsu
Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia de Sistema Eletrônicos
Av. Prof. Luciano Gualberto, travessa 3, 158 - Butantã
SP, Brasil - 05508-900
Telefone: (11) 3091-5674 Fax: (11) 3091-5665
E-mail: kenji@lsi.usp.br

Sergio T. Kofuji
Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais
Av. Prof. Luciano Gualberto, travessa 3, 158 - Butantã
SP, Brasil - 05508-900
Telefone: (11) 3091-5662 Fax: (11) 3091-5664
E-mail: sergio.kofuji@poli.usp.br

Roseli de Deus Lopes
Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia de Sistema Eletrônicos
Av. Prof. Luciano Gualberto, travessa 3, 158 - Butantã
SP, Brasil - 05508-900
Telefone: (11) 3091-5661 Fax: (11) 3091-5665
E-mail: roseli@lsi.usp.br

Recebido em: 24/01/2008
Aprovado em: 18/07/2008

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