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Anais do XVIII Encontro de Iniciação Científica - ISSN 1982-0178

III Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação da PUC-Campinas - ISSN 2237-0420

24 e 25 de setembro de 2013

CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA E VAZÃO EM REDES IEEE802.11

Thalis A. Apolonio

Faculdade de Engenharia Elétrica CEATEC

thalisvz@hotmail.com

Lia Toledo Moreira Mota Grupo de Pesquisa em Eficiência Energética

CEATEC lia.mota@puc-campinas.edu.br

Resumo: Este resumo apresenta um método para identificar ofensores - dispositivos causadores da anomalia da MAC - em redes IEEE 802.11. Para via-bilizar tal identificação, foi montada uma bancada de testes, que permite a coleta das informações neces-sárias para determinar a potência recebida nas esta-ções e a taxa de transferência efetiva dos dispositi-vos conectados a um ponto de acesso. Utilizando uma síntese dessas informações coletadas, pode-se caracterizar a anomalia da MAC, assim identificando o provável ofensor.

Palavras-chave: Anomalia da MAC, IEEE 802.11, Bancada de Testes.

Área do Conhecimento: Engenharias – Engenharia Elétrica.

1. INTRODUÇÃO Nos dias de hoje, as redes sem fio padrão IEEE 802.11 proporcionam ampla conectividade, mobilida-de e facilidade sem que seja necessário a utilização de cabos ou fios para a conexão de uma vasta quan-tidade de dispositivos de uso cotidiano. Para uma determinada rede sem fio, o crescente aumento do número desses dispositivos causa um aumento da competição pelo acesso ao meio que afeta o desem-penho da rede. A anomalia da MAC em redes com o padrão IEEE 802.11b foi demonstrada pela primeira vez em [5], quando se observou um desempenho consideravel-mente degradado de algumas estações em relação a outras da rede. Essa anomalia faz com que uma es-tação em más condições (ofensor) provoque uma redução na taxa de transferência das demais esta-ções, ao estabelecer comunicação efetiva com o ponto de acesso [1, 6]. Assim, a identificação do o-fensor pode ser considerada uma etapa prévia da mitigação da anomalia da MAC em redes IEEE 802.11 e se constitui no principal objetivo deste tra-balho.

2. METODOLOGIA A anomalia da MAC pode ser identificada através da montagem de uma bancada que possui no mínimo um ponto de acesso e dois notebooks (estações) ligados ao mesmo AP. A partir desta montagem uma estação é movida para outro lugar criando diversas condições de camadas físicas, tornando a estação movida uma estação com um potencial de ofensivi-dade maior que a outra estação que está fixa perto do ponto de acesso, sendo assim caracterizado a anomalia da MAC. A topologia da rede básica com duas estações (notebooks A e B) está ilustrada na Figura 1. Com esta montagem foi possível observar a caracterização da anomalia da MAC acontecer du-rante os testes, através de um programa que mede a potência, relação sinal ruido, taxa de vazão da rede, que será explicado com maiores detalhes neste re-sumo.

Figura 1. Topologia da rede básica da bancada de t es-

tes.

O notebook A tem uma placa de rede sem fio Intel com capacidades de conexão nos padrões IEEE 802.11 a, b, g e n. Possui um processador Intel I5, 4 GB de memória RAM e um disco rígido de 250 GB. O sistema operacional é o Linux Ubuntu Desktop. O notebook B tem uma placa de rede sem fio IEEE 802.11n com chipset Atheros AR9485. Possui um processador Processador Intel Core I3, 4 GB de memória RAM e disco rígido de 500 GB. O sistema operacional desse notebook é o Linux Ubuntu Desk-top.

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O Ponto de Acesso Sem Fio possui uma placa de rede sem fio do fabricante Mikrotik RouterBoard RB14. Essa é uma placa PCI ideal para aplicações de conexão à distribuições de sinal Wi-fi de alto de-sempenho e está acoplada à placa-mãe de um com-putador Pentium 4 com processador de 1.5 GHz, 2 GB de memória RAM e 40 GB de disco rígido. A Fi-gura 2 ilustra os componentes da rede básica de tes-tes em bancada para que seja feita a caracterização da anomalia da MAC.

Figura 2. Bancada de Testes.

Além dos Notebooks A e B e o ponto de acesso, foi feita uma gaiola de Faraday, que foi um experimento conduzido por Michael Faraday que demonstrou, que em uma superfície condutora eletrizada possui cam-po elétrico nulo em seu interior, ou seja, no interior da gaiola, dado que as cargas se distribuem de forma homogênea na parte mais externa da superfície con-dutora. Foi utilizada esta teoria para dar maior poten-cial de ofensividade ao Notebook que foi movido du-rante os experimentos, sendo assim, o notebook que está dentro de uma gaiola de Faraday, não recebe sinal do AP no qual ele está conectado.

É possível reproduzir a anomalia da MAC utilizando a bancada de testes proposta neste trabalho e obser-var em tempo real exatamente quando ela se instala. Para isso, as estações podem ser movidas para lu-gares distantes do ponto de acesso ou posicionadas atrás de obstáculos que atenuam o sinal. Com isso, ocorre alteração do sinal e consequente degradação na relação sinal-ruído das estações, o que significa que a qualidade do enlace na camada física se torna desfavorável e que, portanto, passam a acontecer erros com maior frequência, fazendo com que mais pacotes de dados sejam perdidos. Configura-se as-

sim um cenário apropriado para o surgimento da a-nomalia da MAC, como descrito em [5]. Na imple-mentação realizada, as estações podem se conectar à rede assim que o ponto de acesso é ligado, pois o sistema fica ativo automaticamente. Nessa condição, os experimentos podem ser adequadamente criados para reproduzir, registrar e analisar a anomalia da MAC, permitindo que a proposta desse trabalho pos-sa ser desenvolvida e validada. Alguns scripts na linguagem Shell Script foram desenvolvidos para au-tomatizar a leitura das informações de camada física das estações da rede. Essas informações são usa-das para se determinar a relação sinal-ruído e a taxa de transferência de cada dispositivo conectado à re-de sem fio, que são entradas utilizadas no sistema nebuloso para determinar o potencial ofensivo das estações, como descrito a seguir.

3. RESULTADOS

Nos testes realizados, os dados de maior importância foram coletados, como a potência do sinal, recebido, taxa nominal negociada e a taxa efetivamente prati-cada. Logo que montada, a bancada de testes o Pon-to de acesso foi ligado para que o notebook A se co-nectasse ao ponto de acesso e foi analisado, através de medições, que as condições de conexão do note-book A estavam normais, sem problemas. Depois o notebook B se conectou ao mesmo ponto de acesso que o notebook A estava conectado, onde ambos negociaram sua taxa de transferência a 11 Mbps, sendo assim, uma conexão de mesma velocidade oferecida as duas estações pelo AP. Sem nenhuma condição que caracterizasse a anomalia da MAC como demonstrado na Figura 3.

Com a movimentação de um dos notebooks para longe do ponto de acesso criou-se algumas condi-ções de camadas físicas, foi observado que o note-book que foi afastado teve sua potência restringida por causa de várias barreiras físicas criadas, uma delas por estar dentro de uma Gaiola de faraday e outra por estar longe do ponto de acesso, tendo sua potência de sinal recebido abaixo do esperado para uma conexão boa, e os dados coletados da estação que estava perto do ponto de acesso, teoricamente em boas condições, acompanhou os dados da esta-ção com maior potencial de ofensividade, em outras palavras, provocou a redução da taxa de transferên-cia da estação em boas condições. Por fim, com a utilização de uma gaiola de Faraday e com o afasta-mento de um dos notebooks foi possível observar, com clareza, a instalação da anomalia da MAC, pois com a restrição da potência do notebook afastado, que era o notebook B, foi notado que a estação pró-xima ao ponto de acesso, que é o notebook A, teve

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uma redução significativa na taxa de transferência como mostrado na Figura 4, sendo que esta estação não possuía nenhuma camada física que impedisse que o sinal chegasse até ele, a única explicação para se entender o porque da redução da taxa de transfe-rência desta estação, fisicamente em boas condi-ções, ser degradada é o que foi demonstrado em [6], o que se chama de anomalia da MAC. Foram feitos mais testes, com a mesma bancada e mesmas con-dições o que observou-se nas duas estações foi igual para todos os testes realizados, sendo assim a ano-malia da MAC foi caracterizada.

Figura 3. Rede sem anomalia .

Figura 4. Ofensor operando com baixa potência

Com toda metodologia usada, montagem da banca-da, procedimentos utilizados, emulação da anomalia e realização dos testes, o resultado foi que conse-guiu-se criar uma caracterização da Anomalia da MAC. A bancada de testes se traduz em um sistema capaz de fornecer, para cada estação na rede, a me-dição da potência do sinal recebido, da taxa nominal negociada entre o ponto de acesso e a estação, da taxa efetiva que a estação realmente está utilizando e a data e hora de cada leitura. A rede básica descri-ta anteriormente, com um ponto de acesso e duas estações, foi utilizada para a coleta dos dados.

No primeiro cenário testado, as estações A e B foram deixadas livres para negociar suas taxas com o pon-to de acesso. A Figura 6, demonstrada em realização dos testes, ilustra a evolução das taxas de transmis-são praticadas pelas duas estações com o passar do tempo. Observa-se um compartilhamento da capaci-dade do canal enquanto a estação B está ativa, mas

não houve caracterização da anomalia, pois a capa-cidade total de throughput da rede é mantida. A Ta-bela I ilustra os dados coletados nesse cenário, para as duas estações (A e B).

Tabela I Medições do primeiro cenário. Obsolescência do equipamento 0.3 0.3

Potência do sinal recebido (dBm) -41.73 -44.59

Taxa nominal negociada (Mb/s) 11 11

Taxa efetivamente praticada (%) 38,36 6,45

Potencial ofensivo 0.35 0.40

Tabela II edições do segundo cenário.

Obsolescência do equipamento 0.3 0.3

Potência do sinal recebido (dBm) -57.72 -86.51

Taxa nominal negociada (Mb/s) 11 11

Taxa efetivamente praticada (%) 47,36 6,36

Potencial ofensivo 0.41 0.65

Estas modificações na estação B, fizeram com que a potência desta estação diminuísse, aumentando o seu potêncial de ofensividade.

4. CONCLUSÔES Com a ampla quantidade de aparelhos eletrôni-

cos utilizados nos dias atuais que utilizam a comuni-cação em redes locais sem fio, Wi-Fi, é de extrema importância considerar a anomalia da MAC que se apresenta nas redes IEEE 802.11. O console do sis-tema operacional Linux Ubuntu também oferece ao ponto de acesso grande flexibilidade e agilidade, pois a partir dele é possível fazer qualquer verificação ou configuração do sistema em tempo real. Isso é im-portante para minimizar o tempo que a anomalia afe-ta a rede ou mesmo que ela se instale, e dessa for-ma também se evita desperdício de recursos da rede e se viabiliza que os usuários tenham taxas de dados que permitam um nível aceitável de qualidade de serviço e experiência. A caracterização da anomalia faz com que recursos sejam subutilizados, ou seja, há um consumo de energia elétrica desnecessário em cima dessa quantidade enorme de aparelhos ele-trônicos conectados a uma rede Wi-Fi, pois a utiliza-ção desta rede não está ocorrendo de forma a apro-veitar ao máximo a conexão dessas redes, tornando a tecnologia ineficiente quanto ao desempenho técni-co, econômico e energético. Com esta caracteriza-ção da anomalia da MAC, podemos identificar a for-ma que o problema da anomalia acontece em redes IEEE 802.11, e além de identificar podemos evitar que este tipo de caracterização aconteça tornando a rede mais eficiente quanto a utilização da mesma.

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REFERÊNCIAS

[1] Institute of Electrical and Electronics Engineering, 1997. 802.11- 1997 IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange between Systems-Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, DOI=http://dx.doi.org/10.1109/IEEESTD.1997.85951

[2] IEEE. http://standards.ieee.org/about/get/802/802.11.html, Acessado em 2013-05-10.

[3] Institute of Electrical and Electronics Engineering, 2004. IEEE 802.11i-2004: Amendment 6: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements. IEEE Standards. 2004-07-23.

[4] IEEE Std 802.11e-2005. IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications - Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service Enhancements – Nov, 2005.

[5] Heusse, Martin and Rousseau, Franck; Berger-Sabbatel, Gilles; Duda, Andrzej. Performance Anomaly of 802.11b, IEEE INFOCOM 2003.

[6] Guirardello, M.. Política de QoS com Priorização de Acesso ao Meio para Redes IEEE 802.11. 2008. 104f. Dissertação para obtenção do grau de mestre na Pontifícia Universidade Católica de Campinas, Campinas, 2008.