Redes Veiculares

 As redes veiculares, ou simplesmente VANET’s (Vehicular Ad hoc NETworks), são uma subcategoria das redes móveis ad hoc (MANET’s – Mobile Ad hoc NETworks). Portanto, consistem de uma rede autoconfigurável e distribuída, sendo composta por nós móveis, ou seja, veículos em movimento. Esse tipo de rede costuma não necessitar de uma infraestrutura fixa para comunicação ou disseminação de informação, entretanto há três tipos de comunicação que podem ser utilizadas: ad hoc puro (V2V – Vehicle-to-Vehicle), infraestruturada (V2I – Vehicle-to-Infrastructure) e a forma híbrida.

 Na comunicação V2V, apenas veículos fazem parte da comunicação, atuando como roteadores e transmitindo as mensagens do remetente ao destinatário através de múltiplos saltos. Assim, não há necessidade de um elemento centralizador ou gastos com infraestruturas, porém a conectividade da rede é dependente da densidade da rede e da mobilidade dos nós, podendo interferir no alcance de propagação das mensagens. Além disso, é necessário que os algoritmos de roteamento sejam capazes de lidar com particionamento da rede e enlaces perdidos, pois a topologia da rede é altamente dinâmica e os nós se movem em velocidades altas. Diferentemente, a comunicação V2I exige a construção de infraestrutura para suportar as redes veiculares, pois nesse tipo de comunicação, veículos só trocam infomações com as infraestruturas às margens das vias. Essa técnica envolve custos extremamente altos, porém aumenta a cobertura da comunicação e possibilita a integração com outras redes, como a Internet, por exemplo. Por último, a comunicação híbrida busca unir os dois tipos de comunicação já descritos, de forma que um veículo possa trocar informações com outro veículo ou com a infraestrutura. Nesse caso, há ainda a necessidade de pontos fixos de interconexão, porém em quantidades bem menores, o que reduz o custo da rede, aumenta a conectividade, possibilita o fornecimento de serviços de outras redes e mantém as comunicações V2V e V2I.

 Apesar de, à primeira vista, as redes MANET’s parecerem ser a solução perfeita para as redes veiculares, há algumas características únicas que as diferenciam e revelam que algumas adaptações devem ser feitas para que possam suportar as VANET’s, as quais incluem:

 Uma vez que o objetivo é construir uma rede de comunicação entre veículos, é necessário definir qual tecnologia será utilizada. A natureza dessa rede requer uma tecnologia sem fio, porém existem várias, como as redes de celular (LTE, GSM, entre outras), as WLAN’s (Wireless Local Area Networks – 802.11 a/b/g/e/n) e Bluetooth. Dentre as tecnologias mencionadas, as redes de celular apresentam latência inapropriada às comunicações em redes veiculares, além de haver possíveis quedas de conexão, porém não é de toda descartada, pois podem oferecer serviços valiosos para esses ambientes. Quanto às redes locais (WLAN’s), os projetos já existentes da família IEEE 802.11 não suportavam as comunicações V2V e V2I, principalmente porque as redes veiculares possuem características singulares, conforme visto na seção Características, as quais trazem desafios não contemplados na especificação dessas tecnologias. Por fim, as redes construídas sobre a tecnologia Bluetooth também apresentam desvantagens quando aplicadas às redes veiculares, tais como a limitação do número de nós e a baixa taxa de transferência.

 Era necessário, portanto, o desenvolvimento de uma tecnologia padronizada e específica para o ambiente veicular. Essa iniciativa começou com a alocação da faixa de comunicação de curto alcance dedicada (DSRC – Dedicated Short Range Communications), em 1999, pelos Estados Unidos, consistindo de 75 MHz na faixa de 5,9 GHz, dividida em sete canais (ver Figura 5). Em 2004, o IEEE deu início à uma emenda ao padrão 802.11 para adaptá-lo às requisições das redes veiculares, tornando-se conhecida como 802.11p. Essa emenda define as alterações na camada Física e de Enlace. Quanto às camadas superiores, o grupo IEEE 1609 ficou responsável por desenvolver as especificações. Os padrões IEEE 802.11p e IEEE 1609 definem juntos a arquitetura WAVE (ver Figura 6). Alguns dos documentos são mencionados abaixo.

 Tal arquitetura deve suportar comunicações V2V e V2I. Para tanto, dois componentes são fundamentais e compõem o sistema WAVE: as unidades de bordo (OBU’s – On-Board nits), localizados nos veículos, e as unidades de acostamento (RSU’s – RoadSide Units), fixos em estruturas às margens das vias, como postes e semáforos. As OBU’s possibilitam a comunicação V2V, realizam o roteamento entre os nós e o controle de congestionamento, fornecem segurança aos dados, utilizam serviços das RSU’s, dentre outras funções. Em suas estruturas, são compostas por um processador de comandos de recursos (RCP – Resource Command Processor) e seus recursos, que incluem uma memória de leitura e escrita, uma interface de usuário e uma interface especializada para conectar a outras OBU’s e um dispositivo para comunicação de curto alcance baseado na tecnologia IEEE 802.11p. Por outro lado, as RSU’s possibilitam a comunicação V2I e hospedam aplicações que ofereçam serviços, tais como acesso à outras redes ou serviços que reunam informações de vários veículos com uma comunicação direta – sem veículos intermediários, reduzindo o atraso das mensagens. Além disso, elas podem aumentar o alcance das redes veiculares retransmitindo as mensagens para outras OBU’s ou RSU’s. São equipadas com um dispositivo de rede para comunicação de curto alcance baseado na tecnologia IEEE 802.11p e pode ser equipada com outros dispositivos de rede para conectá-las à outras infraestruturas de rede.

 Uma outra abordagem para a arquitetura pode ser feita com relação às aplicações. Em arquiteturas de redes do tipo 802.11, existem os Conjuntos de Serviços (SS – Service Set), de modo que duas estações podem se comunicar uma com a outra se elas pertencerem ao mesmo SS. Três tipos de SS estão definidas: Basic Service Set (BSS), Independent BSS (IBSS) e Extended Service Set (ESS).

 Uma estação em IBSS que se comporte como um ponto de acesso de BSS transmite periodicamente uma sinalização contendo o SSID (Service Set IDentification) do serviço que ela oferece. No ponto de vista das outras estações, ao receber essa sinalização, ela pode ingressar ao serviço sincronizando seu tempo e frequência com aquele contido na sinalização. Não há problema em usar essa arquitetura para as aplicações WAVE, porém não é eficiente naquelas voltadas para a segurança, pois vários passos são exigidos para a formação de um SS, como sincronização, autenticação e associação, sendo mais ideal a utilização de mensagens pelo protocolo WSMP, que pode pular essas etapas (ver Protocolos). Nas redes veiculares, o correspondente à estação que inicia o serviço é o Dispositivo Provedor, o qual transmite Anúncios de Serviços WAVE (WSA – WAVE Service Advertisement) para indicar a disponibilidade para troca de mensagens a um ou mais Canais de Serviço (SCH – Service Channel). Por outro lado, as estações que recebem as sinalizações são equivalentes aos Dispositivos Receptores, os quais têm a possibilidade de ingressar no serviço após receber um WSA.

 Um dos principais desafios encontrados nas Redes Veiculares é o de segurança. Em uma rede tão mutável e dependente do coletivo, a segurança se torna um dos aspectos centrais para seu correto funcionamento. Com a quantidade de veículos e de tráfego existentes, uma pequena falha de segurança pode levar a resultados desastrosos, sejam causados por um usuário mal intencionado ou por alguma falha acidental. Alguns exemplos de fácil entendimento podem ser citados para introduzir a questão de segurança no tópico. Por exemplo, é possível que alguém transmita informações falsamente observadas para ganhar vantagem, como reportar que há um acidente em certa via para que os outros veículos mudem seus trajetos e a via fique liberada para ele. Também há casos mais sérios, como alterar o software do veículo a partir da rede, por exemplo, desabilitando seus freios, podendo causar diversos acidentes.

 Os tipos de falha de segurança são diversos. Os principais são descritos abaixo:

 Com tantos problemas vigentes, e possivelmente mais problemas a serem descobertos, já existem propostas e ideias de solução e prevenção desses problemas. Pode se combater o problema de autenticação por meio de algo como um Código de Autenticação de Mensagem (MAC) ou por meio de uma assinatura eletrônica. Também é um tópico recorrente em pesquisas o estudo de Sistemas Detectores de Intrusão (IDS) para o protocolo CAN, que pode ser usado para detectar intrusões e colaborar com a segurança. A implementação de medidas de segurança se mostra difícil devido às limitações dos ECUs, como memória e processamento.

 As VANETs são uma importante subdivisão das MANETs com características cruciais para seus propósitos, dos quais se destacam aplicações não voltadas e voltadas para a segurança, cada uma delas com diversos exemplos.

 No que diz respeito à tecnologia sobre a qual a comunicação torna-se possível, a iniciativa de padronização demonstra que essa rede é possível, já havendo uma arquitetura projetada. Observa-se também que, apesar dos desafios inerentes às redes veiculares, já existem diversas propostas de protocolos de roteamento nesses ambientes.

 Por ser uma ideia razoavelmente nova e com estrutura altamente mutável, a ideia de rede veicular deixa claro que não é algo simples de se projetar e de se trabalhar com. Apresenta assim, diversos problemas a serem resolvidos, principalmente nos quesitos de latência e segurança.