Acesso à Internet via rede sem fio
A rede sem fio da UNITAU
Em muitos lugares, devido à pobre infra-estrutura da rede pública de comunicação e/ou aos altos custos dos serviços existentes, o acesso à Internet torna-se difícil ou dispendioso, ou mesmo uma combinação perversa dos dois. Este artigo discute a aplicação da tecnologia de redes sem fio (wireless networks) como uma alternativa às linhas dedicadas e às redes de comutação de pacotes.
Assim, dois estudos de casos são discutidos: a rede de um campus universitário um pequeno backbone sem fio que oferece acesso Internet a usuários comerciais em cinco cidades circunvizinhas localizadas no Vale do Paraíba, estado de São Paulo.
A Universidade de Taubaté (UNITAU) não encontra-se localizada numa área delimitada, ou seja, num único campus. Seus prédios encontram-se espalhados pela cidade. Conectá-los com linhas dedicadas estava muito além de qualquer orçamento aceitável e muito aquém do desempenho aceitável, então eles optaram pela tecnologia de redes sem fio.
A rede sem fio da UNITAU opera a 2,4 GHz num espectro espalhado de seqüência direta. A topologia de rede é em estrela, numa configuração ponto a multiponto. A estação central, localizada numa torre de relógio visível de quase qualquer ponto da cidade, de forma que a visibilidade direta não é nenhum obstáculo, é um roteador equipado com uma antena multidirecional ativa. As estações satélites foram equipadas com antenas direcionais de alto ganho. Os roteadores em todas as estações são velhos PCs 386. A rede sem fio da UNITAU é extensível no sentido de que novas estações satélites podem ser adicionadas facilmente ao seu backbone. Havendo a necessidade, a topologia pode evoluir para uma árvore, adicionando-se uma nova estação central.
O projeto da rede da UNITAU foi baseado no da nossa própria rede sem fio, que, na época da confecção deste artigo, era composta de três nós (pontos centrais com antenas multidirecionais) mais oito estações satélites clientes. Dois nós esncontram-se localizados em São José dos Campos, e o terceiro, em Taubaté, a 39 Km de distância. A comunicação entre estas duas cidades é feita através de um link dedicado de 2,4 GHz com antenas direcionais de alto ganho. O sistema opera a 915 MHz em São José e a 2,4 GHz em Taubaté. O plano original era operar a 915 MHz nesta cidade também, mas interferências causadas por um operador de pager inutilizou esta faixa de 915 MHz ISM. Serviços de radiochamada opera em 200 W ou mais, enquanto que serviços ISM encontram-se limitados pelo regulamento brasileiro a 1 W. Os roteadores são PCs, rodando Linux . Eles acumulam um número de funções, além de rotear pacotes, como servir páginas Web, oferecer serviço de relógio e rodar algumas ferramentas de diagnóstico. O sistema está operando desde novembro de 1996. As únicas interrupções foram causadas pela já mencionada interferência e o mal funcionamento do amplificador. O tempo de funcionamento é comparável as muito mais dispendiosas linhas dedicadas.
Um ano de experiência com as redes sem fio funcionando em bandas ISM tem mostrado que esta tecnologia representa uma boa escolha sempre que custo, disponibilidade ou confiança das alternativas baseadas em outras tecnologias forem problemáticas.
Nossa empresa é um pequeno provedor de serviços Internet, localizado em São José dos Campos-SP, cuja meta é prover acesso de alta qualidade a serviços Internet para usuários comerciais da região. Inicialmente, tentou-se trabalhar com linhas dedicadas, mas, naquele tempo, elas custavam caro e possuíam um baixo desempenho. Nos dias de hoje, elas sõo um pouco menos dispendiosas e trabalham um pouco melhor, entretanto, preço e desempenho ainda pesam. Assim, no início de 1996, foi-se em busca de alternativas em relação às linhas dedicadas. Redes de comutação de pacotes baseadas em X.25 ou frame relay encontravam-se disponíveis, mas elas eram ainda mais caras que as linhas dedicadas, considerando o volume de tráfego esperado. A tecnologia de RDSI ainda não era oferecida pela companhia telefônica local. A tecnologia de redes sem fio apresentava-se de forma promissora, assim, decidiu-se gastar tempo e dinheiro com ela.
Na época, o que se desejava era:
Baixo custo, confiança, uso de equipamentos e softwares de prateleira, ou seja, que não tenham sido projetados especificamente para tal;
Uso de freqüências e potências onde se pode operar sem licença;
Uma faixa grande o suficiente para incluir boa parte da cidade nas nossas premissas.
A resposta ao primeiro item, na parte de hardware, veio através da família de produtos de rede sem fio da Lucent (anteriormente NCR ); na de software, veio com o Linux , um clone UNIX de alta tecnologia, distribuído gratuitamente através da licença pública da GNU.
O segundo desejo foi satisfeito pelo Ministério das Comunicações, através da regulamentação da banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) que abre mão da necessidade de uma licença, uma vez que sejam usados equipamentos aprovados (rede sem fio é) e que sejam observados os limites de freqüência, modulação, potência e intensidade de campo.
Fabricantes de antenas brasileiros e equipamentos auxiliares acabaram não só permitindo cobrir boa parte da cidade, mas estabelecer um link de 39 Km a baixíssima potência. Assim, teve-se o terceiro item também satisfeito.
Após cinco minutos de uma análise profunda, chegou-se a conclusão que a melhor topologia para o provedor de acesso via rede sem fio é em estrela, com os usuários nas pontas e o gateway para a Internet no centro. Como uma forma de alcançar todos os usuários reais, bem como aqueles potenciais, a estação central deve estar equipada com uma antena multidirecional. Um amplificador foi adicionado a fim de compensar o seu baixo ganho. O equipamento padrão do usuário inclui uma antena de alto ganho Yagi, com ou sem aplificador dependendo da distância e das condições do link.
Escolheu-se operar na faixa baixa do ISM (915 MHz) uma vez que, naquele tempo, equipamentos UHF eram mais baratos e a máxima potência permitida era maior que para 2,4 GHz. Esta decisão mostrou-se, mais a frente, ser um engano, pois esta faixa é bastante sensível a interferências de equipamentos "mal comporatdos" que operam nas faixas vizinhas. Por outro lado, o preço dos equipamentos SHF caíram praticamente para o mesmo nível dos UHF.
O próximo problema a ser resolvido era a instalação física da Estação Central Um. Estando o escritório localizado no sexto andar de um edifício e a antena no telhado deste - acima do décimo oitavo andar (ver Figura 1) -, não havia forma de instalar um cabo coaxial de baixa perda entre estes dois pontos, devido ao seu diâmetro e as suas características mecânicas; o edifício não foi projetado para isto.
Figura 1: São José dos Campos Vista da Estação Um
Desta forma, decidiu-se colocar o computador no telhado e providenciar força e acesso à rede local através de cabos menores e mais flexíveis que o cabo coaxial. Uma caixa especial com controle térmico passivo foi construída para abrigar o equipamento. O "pombal" (ver Figura 2), como foi apelidado, foi afixado a parede que recebe menos sol durante todo o ano. Em novembro de 1996, todo o sistema estava pronto para ser testado.
Figura 2: O Pombal
Os testes foram conduzidos com um link para o cliente mais distante, uma BBS e provedor de acesso dial-up. Os resultados foram animadores, pois foi obtido acesso de rede local a quase 6 Km do hub. Os resultados entusiasmaram outros usuários que acabaram optando pelo sistema de redes sem fio. Ao mesmo tempo, foi decido pela manutenção do preço deste novo serviço abaixo das linhas dedicadas, como uma forma de torná-lo atrativo do ponto de vista comercial e de desempenho.
Primeiro, São José, depois, o mundo! Graças ao sucesso da Estação Central Um e sob a pressão de alguns clientes, começou-se a planejar um outro ponto de presença em Taubaté, um importante centro econômico e cultural do Vale do Paraíba, distante 4o Km de São José dos Campos.
A idéia era utilizar a mesma tecnologia para estabelecer um link entre a Estação Central Um e a pretendida Estação Central Dois. A Banda de 915 MHz mostrou-se inadequada, uma vez que as antenas teriam que ter grandes (e caros) refletores. Assim, optou-se por trabalhar em 2,4 GHz. Depois de alguns cálculos, foi encontrado que alguma coisa melhor que 55 dBi, mais amplificadores nos pontos finais deveria ser o suficiente. A Estação Um foi dotada com uma nova placa Wavelan de 2,4 GHz, um amplificador e uma antena de 24 dBi (ver Figura 3). A Estação Dois foi instalada numa torre de antena de rádio FM com uma grande antena tipo tambor de 34 dBi. Após alguns contratempos com o alinhamento desta antena, tratou-se de colocar o link em operação. A distância entre os pontos (medida por um equipamento GPS) foi de 39 Km. A Estação Central Dois tinha ainda uma antena unidirecional de 915 MHz para converter o sinal para os clientes de Taubaté. Mas, logo esta teve que ser mudada para 2,4 GHz devido a interferências causadas por um operador de pager (ver o drama da interferência abaixo). O primeiro ping para Taubaté foi conseguido às 16h do dia 19 de maio de 1997. Poucas semanas depois, a operação regular começou.
Figura 3: Antena de 24 dBi com Amplificador
Uma outra importante cidade da região é Jacareí, distante 15 Km de São José. Inicialmente, não era possível chegar até lá porque um edifício no centro de São José a eclipsava completamente. Como artilharia estava fora de questão, procurou-se por um outro lugar para instalar uma estação em São José com visibilidade para Jacareí e o edifício onde se encontra a Estação Um. Assim, nasceu a Estação Três. Ela foi equipada com uma antena multidirecional (como sempre), mais um Yagi para melhorar o ganho na direção de Jacareí. Ela entrou no ar em dezembro de 1997.
Nosso backbone agora estende-se de Jacareí à Taubaté com três pontos-de-presença. Dentro da faixa e linha de sinal de qualquer das estações centrais e com condições favoráveis para instalar antenas, é possível colocar qualquer rede na Internet em questões de horas.
Taubaté é uma cidade de porte médio no coração do Vale do Paraíba, a cerca de 40 Km de São José dos Campos e a 140 Km da cidade de São Paulo. Ela abriga um complexo de escolas superiores, centros de pesquisa e a Universidade de Taubaté , mais conhecida como UNITAU. Esta universidade encontra-se distribuída pela cidade. Embora tal distruição propicie uma boa intereção com a comunidade, a comunicação entre os diversos prédios da universidade torna-se um problema. Conectá-los via linhas dedicadas estava além de qualquer orçamento e aquém do desempenho esperado. A companhia telefônica não permite a passagem de cabos em suas galerias e cavar novas galerias seria muito dispendioso, além de requerer uma permisssão especial da prefeitura e causar muitos incômodos aos cidadãos.
A solução encontrada foi adotar a tecnologia de redes sem fio. Assim, foi apresentado um projeto baseado na experiência já adquirida com o estabelicimento de nossa rede sem fio. Devido a restrições físicas, não era possível fazer com que uma antena em um dos edifícios "visse" os outros cinco. Foi adotada uma configuração em estrela, portanto. Um sétimo ponto ponto foi adicionado para trabalhar como uma estação central. Ela foi instalada no alto de uma torre de relógio que é visível de quase toda a cidade, incluindo, é claro, os seis edifícios da UNITAU. Os rádios selecionados foram WaveLans da Lucent na faixa de 2,4 GHz. A experiência com respeito a interferência obtida na faixa de 915 MHz forçou a adoção da freqüência de 2,4 GHz.
Os roteadores em todas as estações são velhos PCs 386 resgatados do "cemitério de máquinas obsoletas". Como computadores de trabalho, eles não mais são apropriados, uma vez que não podem executar de forma eficiente as novas interfaces gráficas cheias de apitos e sino que encontamos nos dias atuais, no entanto, eles ainda são bastante úteis como roteadores. O sistema operacional Linux foi instalado e configurado no disco principal. Este disco foi copiado sete vezes de forma que, no final, tinha-se um disco para cada estação mais um de backup. Todos os discos são iguais, exceto por um arquivo que contém o nome do sistema. Os roteadores foram montados e testados no Laboratório do Depatamento de Ciência da Informação da UNITAU.
A estação central recebeu uma antena multidirecional reforçada por um amplificador HyperLink (ver Figura 4). Cada estação satélite recebeu uma antena parabólica de alto ganho (24 dBi) sem amplificador. Esta antena pode ser superdimensionada para alguns pontos, mas elas foram adotadas por questão de uniformidade. Todas as estações foram dotadas com no-breaks por duas razões: eles funcionam como estabilizadores e tornam o sistema usável durante a falta de energia.
Figura 4: Antena Multidirecional
Na época da escrita deste artigo, a rede da UNITAU estava em operação por seis meses. Sua topologia em estrela pode não ser muito eficiente no sentido que cada pacote é transmitido duas vezes: da estação satélite para a central e de volta para alguma outra estação satélite. Mas, ela nào é formetente presa à topologia da cidade e pode ser estendida através da adição de novas estações satélites. O uso de velhos computadores, componentes de uso geral e softwares de domínio público tornou o projeto adequado ao baixo orçamento da universidade.
ROTEADORES VERSUS PONTES: UMA BREVE DISCUSSÃO
O elemento chave da rede sem fio descrita aqui é um grupo de estações de rádio composto de uma única estação central, equipada com uma antena multidirecional, e um número de estações satélites com antenas direcionais de alto ganho direcionadas para a estação central. Em cada estação, há um PC com uma interface de rádio que comporta-se como uma placa Ethernet padrão. O conjunto, entretanto, não se comporta como uma rede local Ethernet, uma vez que cada estação satélite só pode "ver" a estação central, a menos que duas satélites sejam diametralmente opostas (elas e a estação central estejam numa mesma linha). Numa rede Ethernet bem configurada, cada estação pode "ver" as demais.
Se um pacote de dados deve ir da estação stélite A para outra estação satélite B, ele deve ser encaminhado através da estação central. Há, pelo menos, duas formas de implementar o mecanismo de entrega de pacotes. As estações podem ser configuradas para trabalhar como pontes ou roteadores IP. O Linux, rodando num PC, suporta os dois tipos. O que é melhor depende principalmente da aplicação da rede sem fio. Se é para fundir várias redes locais numa grande rede virtual que cubra diferentes famílias de protocolos, entào é indicado o uso de pontes. Por outro lado, se trata-se de uma rede que roda apenas IP e se quer dar às redes locais um certo grau de independência, o roteador IP é a melhor escolha, uma vez que eles suportam a filtragem de pacotes, translação IP e outras características de firewall.
Em ambos os casos estudados, o roteamento IP foi o método de entrega escolhido. A rede sem fio da Universidade de Taubaté é "IP puro" e conecta um número de diferentes departamentos, cada um dos quais com suas próprias políticas de acesso e de segurança. O provedor de acesso Internet, por sua vez, tem diferentes empresas comerciais em cada estação satélite, tornando ainda mais dramática as diferenças das políticas de acesso e de segurança.
Quando defindo as tabelas de roteamento das estações satélites deve-se levar em conta que, enquanto a interface de rádio comporta-se como de múltiplo acesso, ela realmente trabalha como se fosse ponto-a-ponto. Este comportamento peculiar também faz o rotemento dinâmico (ex.: RIP ou OSPF) um verdadeiro pesadelo SE o caráter ponto-a-ponto da interface de rádio não for levado em consideração, pois a estação satélite não será capaz de falar com outras estações satélites, embora outras máquinas de sua rede local o façam.
INTERFERÊNCIA: LUTE CONTRA ELA OU MORRA!
Com a decisão da instalação de um ponto de presença em Taubaté, foi projetada uma estação central com dois rádios: um a 915 MHz e uma antena multidirecional para atender aos clientes, e outra a 2,4 GHz e uma antena parabólica de alto ganho para conectar-se a nossa rede em São José dos Campos, distante 39 Km. Foi escolhido 2,4 GHz para o link de longa distância por serem o tamanho e o custo das antenas de 915 MHz proibitivos. Devido ao sucesso da experiência em São José, o link para os clientes foi escolhido em 915 MHz.
Três meses depois que a estação de Taubaté entrou em operação, o pesadelo começou. De tempos em tempos, de forma randômica, o rádio de 915 MHz "ensurdecia" por cerca de 20 a 30 segundos. Quando retornava, ele reportava boas condições do link para todos os clientes, ruído de fundo muito baixo e um número assustadoramente alto de pacotes rejeitados devido a IDs de rede não reconhecidos. O mal funcionamento acontecia com maior freqüência durante o dia, especialmente em horários comerciais e quase desaparecia ao final da tarde.
Usando um analisador de espectro, encontrou-se um forte sinal a 921 MHz no ar durante as "crises de surdez" do nosso rádio. Tal sinal encontrava-se na faixa de espectro espalhado, de 902 a 928 MHz. Isto poderia explicar o alto número de pacotes rejeitados. Finalmente, depois de algum tempo, descobriu-se a fonte da interferência: um repetidor de um operador de pager, licensiado para trabalhar em 931 MHz, 150 W, contra nosso mero 1 W. O sinal de 921 MHz aparecia (ainda aparece) devido a uma amplitude de modulação parasita de 10 MHz no operador de FM deles. Este tipo de contaminação espectral é proibido pelas leis de telecomunicação brasileiras. Para tornar as coisas ainda piores, a antena repetidora estava a apenas 30 metros da nossa. O local encontra-se superlotado de antenas devido a visão soberba que se tem de toda a cidade.
Após negociações infrutíferas com o proprietário do repetidor de rádio chamada, e um e-mail nunca respondido para o contato do escritório do Ministério das Comunicações em São Paulo, foi avaliado que uma ação legal poderia levar mais tempo e, por conseguinte, custar mais, do que mudar todo o sistema para 2,4 GHz. Assim, tal mudança foi feita.
Figura 5: Quosque tandem interferentes abutere patientia nostra
AMPLIFICADORES E CABOS COMO FONTES DE PROBLEMAS
Amplificadores para uso externo não são tão confiáveis como gostaríamos. Alguns problemas na operação do nosso sistema aconteceram devido a falhas nos amplificadores. Cabeamento e conectores são também uma fonte de problemas se eles não são manuseados apropriadamente.
A instalação ao ar livre de amplificadores requer alguns cuidados com a proteção do mesmo com relação a entrada de água no seu interior. O seu invólucro é fortemente fechado com um anel e todos os possíveis pontos onde a água poderia entrar sào selados com silicone. Mesmo assim, houve o caso de um amplificador que pifou após nove meses de operação. Havia mais que 2 ml de água dentro de sua caixa e alguns contatos deterioraram-se devido a oxidação. Os dispositivos restantes foram enviados ao fabricante para análise.
Uma outra aborrecedora falha de amplificador causava a troca de estado de transmissão para o de recepção antes que o sinal de transmissão terminasse. Particularmente, este é um problema de difícil detecção, pois assemelha-se ao caso onde existe uma fatídica fonte de interferência no ar. Esta primeira hipótese foi afastada após alguns testes com o analisador de espectro. O mais engraçado era que, com a redução da unidade máxima de transmissão da interface de 1500 octetos para um número muito pequeno, digamos, 168, o problema era minimizado. A dedução de que o problema residia no amplificador só foi possível após a troca de cada componente da linha, de placas de rádio a cabos, injetor de corrente contínua, e amplificadores por suas unidades de backup.
A resposta de freqüência dos amplificadores vai além da faixa de espectro expandido. Isto os torna sensíveis a sinais das faixas vizinhas. Os sintomas são os mesmos da interferência, mas nada pode ser observado com um analisador de espectro. A boa notícia é o uso de filtros passa-banda de cavidade ressonante entre a antena e o amplificador para torná-lo seletivo com relação a freqüência. A má notícia é que o seu custo é o mesmo que o de um amplificador, além de ser difícil de instalá-lo ao ar livre. Deve-se alertar para o fato de que este equipamento não evitar o tipo de interferência descrita anteriormente.
Também enfrentou-se alguns problemas devido a cabos com conectores mal montados. Em pelo menos um caso, foi difícil identificar a falha. Hoje em dia, são feitos testes em cada cabo e conector antes de sua instalação, independente de seus logotipos bonitos ou de seus certificados de qualidade.
A rede sem fio para a Internet que operamos está funcionando desde 1996. Nestes anos, ela tem provado ser uma opção eficiente em termos de custos: serviços confiáveis são oferecidos a preços mais baixos do que através de linhas dedicadas. O projeto para a UNITAU mostrou que a mesma tecnologia adequa-se bem às necessidades de conectividade de organizaçÒes que encontram-se distribuídas numa determinada área urbana.
Sites remotos podem ser acessados também a um custo relativamente baixos. Um outro ponto que deve ser chamado a atenção diz respeito a facilidade e a rapidez com que estações satélites podem ser instaladas, estando a infra-estrutura das estações base estabelecida. Uma estação satélite portátil, constituída de um notebook com adaptador de rádio PCMCIA pode ser útil em situações de emergência. Em área onde a infra-estrutura de comunicação terrestre é precária ou não existente, sistemas como estes decritos aqui podem ser a melhor, senão a única, solução para prover acesso à Internet.
A boa relação preço-desempenho desta tecnologia depende fortemente da disponibilidade de componentes de baixo custo, como placas Wavelan, cabos, amplificadores e antenas. Tais equipamentos não são caros devido ao processo de fabricação em massa, que só é possível por serem as faixas ISM áreas livres do espectro (embora, numa área livre, alguns regulamentos tenham que ser obedecidos de forma que todospossam coexistir lá). Um equipamento de rádio que faz o mesmo que o utilizado por nós, mas numa outra faixa de freqüência, é de cerca de uma ordem de magnitude mais caro do que aqueles projetados para a banda ISM.
Um outro ponto chave para o sucesso de nossa rede é o sistema operacional Linux. Não apenas por ser este gratuito, mas porque o memso é distribuído com o código fonte de cada componente. A disponibilidade do código fonte foi fundamental para fazê-lo funcionar com uma nova geração de placas de rádio, inicialmente, não suportadas. A conversa com os autores do código, por e-mail, foi melhor do que qualquer suporte comercial conhecido. Iniciativas para produzir software gratuitos como o Linux e a Free Software Foundation deve ser encorajado e mantido.
Interferência, especialmente na faixa baixa ISM de 915 MHz, é um empecilho real. Infelizmente, esta faixa encontra-se entre a telefonia celular analógica e as aplicações convencionais. A telefonia celular não é uma fonte de interferência porque sua operação é bastante proficional e de acordo com as regulamentações do setor. O mesmo não pode ser dito das aplicações que trabalham próximo a 931 MHz e acima. Operação na faixa ISM é considerado um serviço secundário, devendo aceitar qualquer interferência. O único argumento legal contra os operadores das fontes de interferência é provar que eles, com freqüência violam os regulamentos sobre contaminação espectral e modulação. Nunca foi observado por nós interferências na faixa de 2,4 GHz.
Geier, Jim, Wireless Networking Handbook, New Riders, 1996, 413p.
Kirch, Olaf, Linux Network Administrator's Guide, O'Reilly & Associates, Inc., 1995, 335p. See also http://sunsite.unc.edu/LDP the Linux Documentation Project homepage.