Vanets

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redes veiculares Ad Hoc

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Vanets

  1. 1. Um Estudo Sobre Redes Veiculares Ad Hoc (VANETs) Márcio Jonnes Ferreira da Silva Departamento de Informática – Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN) Santa Cruz – RN – Brasil marciojonnes@hotmail.com Abstract. This article was developed in order to clarify how the work VANETs (Inter Vehicular Networks) are also making a brief overview of MANET (Mobile Ad-hoc Network). It was also made an approach on the main characteristics of VANETs and some major problems with this type of communication, such as routing and security. Doing it is also collecting information on the functioning of the physical layer, data link and some technologies such as 3G and WAVE. Resumo. Este artigo foi desenvolvido com o intuito de esclarecer como funcionam as VANETs (Redes Inter Veiculares) fazendo-se também uma breve abordagem sobre MANET. Foi feito também uma abordagem sobre as principais características das VANETs e alguns dos principais problemas relacionados a esse tipo de comunicação, como o roteamento e a segurança. Fazendo-se, também, o levantamento de informações sobre o funcionamento das camadas físicas, de enlace e de rede e algumas tecnologias como WAVE e 3G. Palavras-chave: VANET. MANET. Comunicação. WAVE. 3G.1. Introdução As redes veiculares, também conhecidas por VANETs (Vehicular Ad-hocNetworks), IVC (Inter-Vehicle Comunications) ou ainda RVC (Road-VehicleComunications), são atualmente tecnologias que estão em bastante ascensão.Por isso, elas têm sido alvo de inúmeros focos de investigação em todo mundotendo como uns dos principais objetivos a melhoria da segurança nas estradas,o aumento do grau de automação na condução do veículo, a prevenção deengarrafamentos e o planejamento de trafego. Colaborando dessa forma, paraa criação de um sistema inteligente de transporte. A tecnologia utilizada nessas redes tem como principal objetivo em seuestudo fornecer uma ligação entre veículos e dos veículos com a estrada,promovendo uma ligação eficiente entre os mesmos. Ao longo dos anos tem-senotado um grande aumento do número de conferencias que abordaram esse
  2. 2. tema. E isso tem despertado grande interesse tanto na área acadêmica quantona área industrial. Inúmeros estudos sobre redes veiculares têm sido feitos na áreaacadêmica. E segundo Luís (2009), grandes companhias de automóveis comoa DaimlerChrysler, Audi, BMW, Fiat, Renault, Volkswagen, uniram-se com ointuito de criar um consócio denominado Car2Car Communication Consortium(C2CCC) de modo a padronizar um sistema de comunicação Car-to-Carbaseado em tecnologia Wireless LAN (WLAN) [8]. Também o Institute ofElectrical and Electronics Engineers (IEEE) demonstrou o seu interesse emredes veiculares, criando um grupo de trabalho, 802.11p, com o objetivo deadaptar a rede sem fios, 802.11, de modo a esta poder suportar aplicações ITS. Este presente trabalho tem por objetivo principal descrever um estudosobre as VANETs e trazer algumas das tecnologias abordadas por essas redes.Será abordado também, o funcionamento dessas tecnologias e como elasoperam em algumas camadas de sua arquitetura.2. VANETs (Redes Veiculares Ad Hoc) Segundo Cavalcanti, 2008, redes veiculares são redes formadas entreveículos automotores ou entre os veículos e a infraestrutura geralmente locali-zada às margens de ruas ou estradas. VANETS são redes móveis onde sãoestabelecidas comunicações intra-carros (IVC) ou entre carros e a estrada(RVC) nas quais iremos detalhar mais adiante. O principal objetivo desse tipode rede é buscar: mais segurança nas rodovias, informações sobre condiçõesde trafego de forma mais pratica e entretenimento. A figura abaixo demonstraum desses objetivos, onde há um acidente e os demais veículos são imediata-mente informados sobre o tal acidente. Figura 1: Um acidente na estrada sendo informado aos demais automó- veis
  3. 3. As VANETS ou Redes veiculares Ad Hoc, constituem um caso especialde redes ad hoc em que os nós são veículos equipados com uma interface decomunicação sem fio. Logo, percebemos que há alguns fatores relevantes co-mo o fato desses veículos poderem se mover em alta velocidade e o bloqueiona transmissão de dados por prédios e outro obstáculos, fazendo com que es-se tipo de comunicação seja intermitente, trazendo dificuldades no roteamentode pacotes. Outro obstáculo que também é de grande importância nas VANETsé a dificuldade que os protocolos de roteamento têm para evitar ruas onde ovolume do trafego é baixo, já que a inexistência de veículos nessas ruas im-possibilita a propagação de pacotes através dela.2.1. IVC (Comunicação Inter Veicular) A IVC é um tipo de comunicação direta entre veículos na qual não há anecessidade de utilização de uma infraestrutura fixa. Por isso, ela tem causadoum grande interesse tanto das empresas automobilísticas como dasacadêmicas. A comunicação Inter Veicular é considerada uma rede móvel Ad-Hoc (MANET) na qual os veículos se comunicam através de ondas de rádiosem a existência de uma entidade centralizadora que facilite a troca deinformações entre esses veículos. Por ser baseada numa rede Ad-Hoc, a IVCutiliza um roteamento que tem como base o encaminhamento multi-hop, ondeos nós intermediários encaminham pacotes da fonte ao destino e cada nó podeser simultaneamente um terminal ou um roteador. A principal característica de uma IVC é sua topologia de rede, pois amesma é altamente dinâmica devido à velocidade dos veículos. Motivo esseque nos leva a concluir que há uma constante mudança na vizinhança com osquais um veículo pode se comunicar. A IVC é útil para comunicações direta empequenas e médias áreas. Esse tipo de comunicação tem como principalobjetivo a troca de informações imediatas, como por exemplo, um acidente queaconteceu na estrada naquele exato momento, ou em situações onde osveículos precisam trabalhar coletivamente fazendo uma intensa troca deinformações. É importante destacar o papel desse segundo exemplo onde acomunicação em grupo é uma das formas de se conseguir confiabilidade emsituações criticas. Outro bom exemplo de como a comunicação em grupo pode ser degrande importância é a criação de sistemas rodoviários totalmente automáticosonde o motorista tem pouca ou nenhuma participação na direção. Neste caso épara evitar possíveis colisões, é preciso a coordenar as ações dos veículoscomo dividir o tráfego para diminuir os engarrafamentos. Realidade que nósainda não temos, mas que se aproxima cada vez mais. Devido às características das IVCs, o roteamento de mensagens temque ser dinâmico, pois é preciso determinar rotas sem o estabelecimento deum caminho fim-a-fim. Assim, elas formam um tipo de rede denominada redestolerantes a atrasos e desconexões (DTN). As DTNs são redes do tipo “Store-
  4. 4. and-forward”, ou seja, primeiro a mensagem é recebida integralmente earmazenada para, depois, ser enviada ao próximo nó, que pode ou não ser odestino final. As DTNs não operam sobre enlaces, que estão sempredisponíveis, logo, é preciso que os nós armazenem mensagens durante algumtempo, sendo preciso alguma forma de armazenamento persistente. Destaforma é de se esperar que o roteamento de mensagem tenha altas taxas deatraso e de jitter (variação estática do atraso na entrega de dados em umarede).2.2. RVC (Comunicação Veiculo-Estrada) “As RVCs (Comunicação Veiculo-Estrada) são redes formadas porveículos que se comunicam com dispositivos instalados na estrada” (Lott eHalfman, 2004). Esses dispositivos criam uma infraestrutura de rede capaz defornecer serviços de roteamento de mensagens e até mesmo conectar osveículos à internet. Essa rede tem uma topologia parcialmente variável e que pode funcionarde forma bastante semelhante a estrutura de telefonia celular ou pode operarde forma semelhante ao padrão 802.11 em modo de estrutura. É uma redebastante de estável. Uma solução bastante provável para a diminuição no atraso fim a fim, asperdas de mensagens e o consumo da banda seria a construção de sistemasinteligentes de transporte através da integração das IVC e RVC.3. Arquitetura nas Camadas Física, de Enlace e de Rede Uma dos temas que tem sido mais pesquisado nessa área é a criação deuma camada MAC capaz de se adaptar as características de uma VANET.Atualmente existem duas principais abordagens para o desenvolvimento deuma camada MAC para as IVC. E as duas utilizam o mesmo meio decomunicação, mas as interfaces de radio diferentes. Uma delas é baseada nopadrão 802.11 da família 802 do IEEE e a outra é baseada numa extensão datecnologia 3G da telefonia celular que trabalhe sem o acesso centralizado. [5] A topologia de uma rede VANET muda frequentemente e para fazer oroteamento de mensagens é um desafio. Existem basicamente duasabordagens de roteamento. Um é baseado na topologia e o outro é baseado noposicionamento. [6] Nos protocolos de roteamento baseado na topologia a entrega dos pacotesé feita através das informações dos veículos existentes na rede. Já nosprotocolos de roteamento baseado no posicionamento, em sua abordagem, elerequer apenas o posicionamento físico dos nós participantes da rede. Essesnós, determinam sua própria posição através de mecanismos como GPS e logo
  5. 5. em seguida, um serviço de localização é utilizado para determinar a posição dodestinatário e incluir no pacote esse endereço de destino. Nos protocolos de roteamento baseados no posicionamento não há anecessidade de efetuar o estabelecimento nem a manutenção das rotas, pois adecisão do roteamento dos nós é baseada na posição do nó de destino e daposição dos nós intermediário que iram rotear a mensagem. Um outro pontopositivo que deve ser levantado é que a trajetória dos veículos é quase semprebem definida pelas ruas e estradas e esse conhecimento ajuda o protocolo deroteamento a ser mais eficiente.4. Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) Com alguns estudos em andamento na intenção de adotar um padrão jáexistente para se utilizar nas VANETs, pode-se notar que nenhum dos padrõesatuais está adaptado completamente. Devido a isto alguns padrões estãosendo trabalhados de forma que se adaptem às VANETs. Um dos grupos detrabalho, o IEEE 802, está trabalhando em uma adaptação do IEEE 802.11apara criar um padrão para VANETs, o IEEE 802.11p. [10] Nesta especificação adaptada a camada física é dividida em sete canais de10MHZ cada, sendo estes divididos em canais de controle e canais de serviço.O espectro alocado para a WAVE é numa faixa maior que 5 Ghz. Não se podeutilizar diferentes canais ao mesmo tempo, porém cada estação pode alterarconstantemente entre o canal de controle e o de serviço. Por via se segurança,o tempo de uso de um canal de controle mais um canal de serviço não podeultrapassar os 100ms. A taxa de transferência da WAVE varia entre 3 e 27Mbpse ela foi projetada para trabalhar com um alcance menor que 1Km. Todasessas definições foram pensadas considerando que a velocidade dedeslocamento dos nós (carros) é maior que 110 km/h.5. 3G A tecnologia para VANETs que faz uso da rede de telefonia 3G opera comtaxa de transferência menor que 2Mbps, sendo esta uma limitação da própriatecnologia, e tem a latência na ordem de segundos. Ela foi projetada visandoalcance menor que 10Km e com velocidade de deslocamento entre os nós(carros) maior que 110Km/h. A tecnologia baseada em celular tem largura debanda nominal igual a 3MHz e opera na banda 800MHz, 1.9GHz. Esta tecnolo-gia não é padronizada pela IEEE. Por fazer uso das redes de telefonia, as redes 3G possibilitam o uso de te-lefonia móvel de longo alcance, além de poderem ser utilizadas para transmis-são de dados, enquanto as redes IEE802.11 são de curto alcance e ampla lar-gura de banda pois foram desenvolvidas para redes de dados.
  6. 6. 6. Segurança Em contrapartida ao que é feito em outros tipos de redes, onde asegurança é tratada como um item a parte, nas VANETs essa é uma dasprincipais abordagens que deve ser levado em conta desde o inicio, visto queum dos principais serviços oferecidos por essas redes visam a segurança nasrodovias. Como já foi dito antes, o roteamento de mensagens em redes ad-hocse dá através de encaminhamento multi-hop. Se nenhum mecanismo desegurança for adotado nesse roteamento, os nós faltosos (maliciosos ou não)podem desviar pacotes, modificar seu conteúdo e até mesmo injetar novospacotes na mensagem. E isso faz com que o comportamento da rede sejaincorreto, levando um motorista direto a um engarrafamento, quando naverdade se estava tentando evitá-lo ou até algo mais grave como um acidente. Diversos tipos de ataques podem ser executados, mas como não é afinalidade desse trabalho o detalhamento deste subtema serão levantadosapenas alguns dos vários tipos de ataques:  Selective Forwarding: esse tipo de ataque consiste em selecionar os tipos de pacotes que serão roteados. Como consequência informações importantes deixariam de circular na rede. [9]  Sinkhole Attacks: esse tipo de ataque é feito para que todo tráfego de informações passe por um determinado nó. O objetivo aqui é ter o controle de informações privilegiadas de uma determinada área. Outro aspecto desse ataque é que ele pode inundar um determinado nó com uma grande quantidade de mensagens. [9]  Falsificação, alteração, ou reenvio de informações de roteamento: esse tipo de ataque é utilizado para alterar informações de roteamento tornando-as mais longas do que o necessário, aumentando sua latência. [9]7. Conclusão Com base no trabalho nota-se que VANETs é uma tecnologia bastanterecente e que ainda tem muito que ser estudada, modificada e implementada.E que essa tecnologia tem um enorme potencial, visto no que foi dito nestetrabalho. Mas ainda há vários problemas a serem estudados, principalmentepela área acadêmica. Mas, é bem provável que as primeiras aplicações sejamcomerciais, desenvolvidas pelas empresas anteriormente comentadas. Vimos também que a arquitetura ainda não foi bem definida, mas quetecnologias importantes como WLAN e 3G apresentam característicasimportantes que já vem servindo de base para o estabelecimento de padrões,como é o caso do WAVE. Outro aspecto que foi trabalhado nesse artigo foi asegurança que nas VANETs é uma abordagem que deve ser levado em contadesde o inicio, diferentemente das outras tecnologias de rede, e mostramos
  7. 7. também alguns tipos de ataques. Finalizando, percebemos que essa tecnologia servira de grande ajuda paraa construção de sistemas inteligentes que trarão mais segurança nas rodovias,um maior conforto para os motoristas e um maior planejamento do tráfego.8. Referências 1. MODELO para submissão de Artigos SBC – IE. Disponível em: <http://www.sbc.org.br/index.php?language=1&content=downloads&id=3 73> Acesso em: 30Mar. 2010 2. Secure Vehicular Communication System. Disponível em: <http://infoscience.epfl.ch/record/129969/files/sevecom1.pdf?version=1> Acesso em 03 de Outrubro, 2011. 3. The Security of Vehicular Ad Hoc Network. Disponivel em: <http://infoscience.epfl.ch/record/54944/files/RayaH05C.pdf?version=1> Acesso em 03 de Outrubro, 2011. 4. <http://www.gta.ufrj.br/grad/09_1/versao-final/vanet/index.html> Acesso em 03 de Outrubro, 2011. 5. Jun Luo, Jean-Pierre Hubaux. A Survey of Inter-Vehicle Communication. School of Computer and Communication Sciences EPFL, CH-1015 Lausanne, Switzerland Technical Report IC/2004/24. 6. Martin Mauve, J• org Widmer, and Hannes Hartenstein. A Survey on Position-Based Routing in Mobile Ad-Hoc Networks. IEEE Network, 2001, Vol. 15, paginas 30-39. 7. LUIS, Nuno M. A. Melhoria de Protocolos de Encaminhamento em VANETs de Alta Densidade. Dissertação (Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores) - Faculdade de Ciências e Tecnologia. Lisboa. Universidade Nova de Lisboa. 2009. 8. CAR 2 CAR Communication Consortium. Disponível em < http://www.sevecom.org/Presentations/2006-11_Berlin/Sevecom_2006- 11-15_C%20C2C_Applications.pdf > Acesso em 05 de outubro de 2011. 9. Emanuel Fonseca and Andreas Festag. A Survey of Existing Approaches for Secure Ad Hoc Routing and Their Applicability to VANETS. NEC Technical Report NLE-PR-2006-19,NEC Network Laboratories, março de 2006, pagina 28. 10. Task Group p (2004). IEEE 802.11p wireless access for vehicular environments. Draft Standard. Disponivel em: <http://grouper.ieee.org/groups/802/11/> Acesso em 05 de Outubro de 2011. 11. <http://grenoble.ime.usp.br/~gold/cursos/2008/movel/slides/Vehicular.pdf > Acesso em 05 de Outubro de 2011.

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