Grupo 1

Alunos: Augusto Nodari, Gabriella Vieira Lima e Giulia Baroni Cadorin.

INTRODUÇÃO

Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexões (DTN), do inglês Delay-Tolerant Networking, representam uma abordagem à arquitetura de redes de computadores que busca solucionar questões técnicas em redes heterogêneas que podem não ter conectividade de rede contínua. A comunicação no espaço, por exemplo, enfrenta atrasos significativos e indisponibilidade de enlaces de ponta a ponta, o que demanda protocolos de rede adicionais. As interrupções na rede podem ser causadas por diversos fatores, como as limitações do alcance do rádio sem fio, a baixa densidade de nós móveis, recursos energéticos, ataques e ruído. Nesses cenários desafiadores, os protocolos de roteamento ad hoc mais conhecidos, como AODV e DSR, não conseguem estabelecer rotas. Isso ocorre porque esses protocolos tentam primeiro estabelecer uma rota completa para então encaminhar os dados. A DTN surge como uma solução para esses ambientes, utilizando uma abordagem de "armazenar e encaminhar" para superar os desafios de latência e interrupção. Caso ocorra uma falha na comunicação entre os nós da rede, cada nó pode armazenar os dados até que o próximo nó se torne disponível, de forma análoga a como os e-mails são salvos em uma caixa de saída até que uma conexão de rede seja estabelecida.

HISTÓRIA DAS REDES DTN

A trajetória da DTN, embora consolidada nos últimos anos, possui raízes em desenvolvimentos anteriores da internet. A arquitetura da DTN é uma evolução daquela originalmente concebida para a Internet Interplanetária, um sistema de comunicação projetado para oferecer serviços semelhantes aos da internet em distâncias interplanetárias para apoiar a exploração do espaço profundo. O conceito da Internet Interplanetária foi impulsionado por Vinton Cerf, um dos "pais da Internet", em colaboração com o Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA e outros laboratórios da agência. O objetivo era criar um novo padrão para a comunicação entre planetas, utilizando comunicações por rádio/laser que fossem tolerantes a degradações de sinal, incluindo atrasos variáveis e interrupções causadas, por exemplo, pelo movimento celeste. A formalização da arquitetura DTN foi documentada na RFC 4838, que forneceu a base para o Protocolo de Pacote (Bundle Protocol) e suas camadas de convergência de suporte. Essa arquitetura abrange os conceitos de redes ocasionalmente conectadas, que podem sofrer partições frequentes e englobar múltiplos conjuntos de protocolos divergentes. O trabalho de Cerf com a NASA levou à instalação da rede tolerante a atrasos na Estação Espacial Internacional em junho de 2016, com o objetivo de avançar em direção a uma Internet Interplanetária. Desde então, a DTN tem sido continuamente aprimorada e testada em cenários espaciais e terrestres, com novas versões do Protocolo de Pacote (BP), como o BPv7, sendo lançadas.

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

A capacidade de transportar ou rotear dados de uma fonte para um destino é uma habilidade fundamental que todas as redes de comunicação devem possuir. As Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexões (DTNs) são caracterizadas pela falta de conectividade, resultando na ausência de caminhos instantâneos de ponta a ponta. O princípio central da DTN é o mecanismo de armazenar e encaminhar (store-and-forward). Em vez de descartar pacotes quando não há um caminho para o destino, os nós da DTN armazenam os pacotes (chamados de bundles ou pacotes) em um armazenamento persistente. O nó então carrega esses pacotes consigo e espera por uma oportunidade de contato com outro nó para encaminhá-los. Essa abordagem se assemelha à comutação de mensagens e permite a comunicação em ambientes onde a conectividade é intermitente e os atrasos são longos e variáveis. A camada de pacote (bundle layer) forma uma sobreposição tolerante a atrasos e interrupções que interconecta redes que normalmente poderiam sustentar conectividade contínua de ponta a ponta e tempos de ida e volta curtos, empregando armazenamento persistente para ajudar a combater a interrupção da rede. Vantagens da DTN: Resiliência: Capaz de operar em ambientes com conectividade intermitente e altas taxas de erro. Interoperabilidade: Pode interconectar redes heterogêneas com diferentes protocolos. Entrega Confiável: Aumenta a probabilidade de entrega de dados em redes desafiadoras ao evitar o descarte de pacotes durante interrupções. Desvantagens da DTN: Alta Latência: Atrasos significativos podem ocorrer devido ao armazenamento prolongado de dados nos nós. Recursos de Armazenamento: Exige que os nós tenham capacidade de armazenamento suficiente para reter os pacotes até que a transmissão seja possível. Segurança: A ausência de caminhos bidirecionais contínuos dificulta protocolos criptográficos complexos e a troca de chaves, tornando a autenticação e a privacidade um desafio.

TECNOLOGIAS E PROTOCOLOS

A arquitetura DTN é definida pela RFC 4838 e se baseia em uma camada de sobreposição que utiliza o Protocolo de Pacote (Bundle Protocol - BP) para fornecer serviços de comunicação em ambientes desafiadores. Protocolo de Pacote (Bundle Protocol - BP) O Protocolo de Pacote é o coração da arquitetura DTN. Ele opera acima das camadas de transporte de redes específicas e cria uma camada de sobreposição para a comunicação entre regiões de rede distintas. Os dados da aplicação são agrupados em "pacotes" (bundles) que podem ser enviados através de configurações de rede heterogêneas com garantias de serviço de alto nível. Esses pacotes são as unidades de dados que são armazenadas e encaminhadas pelos nós da DTN. O BPv7 é uma versão mais recente deste protocolo, implementada em sistemas como o DTN7. Camadas de Convergência (Convergence Layers) As camadas de convergência adaptam o Protocolo de Pacote para operar sobre diferentes protocolos de rede subjacentes. Por exemplo, a RFC 7122 especifica camadas de convergência para transportar dados do Protocolo de Pacote sobre datagramas da Internet, como UDP e DCCP. Isso permite que a DTN utilize a infraestrutura de rede existente sempre que possível. Alguns exemplos de camadas de convergência incluem: TCPCL: Camada de Convergência TCP. LTPCL: Camada de Convergência LTP. Protocolo de Transmissão Licklider (Licklider Transmission Protocol - LTP) O LTP é projetado para fornecer comunicação confiável em links de longa distância e/ou com interrupções, como os encontrados no espaço profundo. Ele divide os pacotes em segmentos menores para transmissão e inclui mecanismos para retransmissão de dados perdidos, sendo uma peça importante para o desempenho da DTN em certos cenários. Aumentar o tamanho do segmento do LTP pode resultar em um melhor desempenho da DTN. Roteamento em DTN O roteamento em DTNs é um desafio significativo devido à falta de caminhos de ponta a ponta. Os protocolos de roteamento em DTN devem decidir para qual nó encaminhar um pacote com base em informações de contato, que podem ser conhecidas antecipadamente ou descobertas de forma oportunista. Alguns exemplos de estratégias de roteamento incluem: Inundação (Flooding): Protocolos como o MaxProp e o RAPID baseiam-se em inundações para replicar pacotes, aumentando as chances de entrega ao custo de um maior uso de recursos. Baseado em Utilidade: O protocolo RAPID utiliza uma função de utilidade para atribuir um valor a cada pacote com base na métrica que está sendo otimizada (por exemplo, atraso médio) e replica primeiro os pacotes que resultam no maior aumento local de utilidade.

APLICAÇÕES

A DTN possui um vasto campo de aplicações em cenários onde as redes convencionais falham. Algumas das áreas mais proeminentes incluem: Comunicação Espacial: A aplicação original e mais emblemática da DTN é na comunicação interplanetária. A NASA utiliza a DTN para garantir a entrega de dados de missões no espaço profundo, onde os atrasos podem ser de minutos a horas. Atualmente, a DTN está em uso por missões científicas como a espaçonave PACE e é um componente fundamental da Especificação de Interoperabilidade LunaNet da NASA, uma estrutura para a construção e operação de ativos interoperáveis na Lua e em seus arredores. Ambientes Terrestres Desafiadores: A DTN é ideal para cenários terrestres com conectividade limitada ou inexistente. Isso inclui: Áreas Rurais e em Desenvolvimento: A DTN pode fornecer conectividade em regiões com infraestrutura de telecomunicações escassa ou inexistente. Projetos como o KioskNet exploram o uso da DTN para fornecer acesso à internet em áreas rurais. Redes de Sensores para Monitoramento da Vida Selvagem: Sensores acoplados a animais podem coletar dados e retransmiti-los quando entram em contato com outros sensores ou estações base. Recuperação de Desastres: Em situações de desastre onde a infraestrutura de comunicação é danificada, a DTN pode ser usada para estabelecer redes de comunicação de emergência. Sistemas Militares e Táticos: A natureza robusta da DTN a torna adequada para comunicações em campos de batalha, onde a infraestrutura pode ser unreliable ou hostil. Redes Veiculares: Veículos podem atuar como nós em uma DTN, trocando informações entre si e com a infraestrutura rodoviária para melhorar a segurança e a eficiência do tráfego. Internet das Coisas (IoT): Com a proliferação de dispositivos IoT, muitos dos quais podem ter conectividade intermitente, a DTN pode servir como um substrato de convergência para permitir a interoperabilidade entre dispositivos heterogêneos em escalas de distância variadas.

FUTURO DAS REDES DTN

O futuro da DTN parece promissor, impulsionado pela crescente necessidade de comunicação em ambientes cada vez mais desafiadores. A pesquisa e o desenvolvimento em DTN continuam a evoluir, com implementações de código aberto como o DTN7 (escrito em Go) e o µD3TN, que facilitam a pesquisa e o desenvolvimento de aplicações. O refinamento arquitetônico de implementações como o µD3TN visa melhorar a modularidade, flexibilidade e desempenho em diferentes aplicações, tanto terrestres quanto extraterrestres. A abordagem de software-defined networking (SDN) aplicada à DTN também é uma área de pesquisa ativa, prometendo maior flexibilidade e gerenciamento dinâmico da rede. Com o advento das redes 5G e a proliferação da computação de borda (edge computing), a DTN deve ganhar um valor considerável, atuando como um substrato de convergência dinâmico acima da camada de rede, permitindo a interoperação de diversas redes de rádio heterogêneas e aplicações. A NASA continua a investir na DTN como a espinha dorsal de suas futuras redes de comunicação espacial, como a LunaNet, o que impulsionará ainda mais a tecnologia. Espera-se que a DTN desempenhe um papel crucial em cenários que vão desde a exploração espacial até a conectividade global em áreas remotas e a Internet das Coisas.

CONCLUSÃO

O trabalho apresentado abordou a tecnologia de Redes Tolerantes a Atrasos e Desconexões (DTN), sua evolução histórica, conceitos fundamentais, arquitetura, tecnologias e protocolos, além de suas variadas aplicações. A DTN surge como uma solução robusta para a comunicação em ambientes onde a conectividade é intermitente e os atrasos são significativos, superando as limitações dos protocolos de internet tradicionais. Desde suas origens no conceito de Internet Interplanetária até suas diversas aplicações terrestres, a DTN demonstrou seu potencial para conectar o desconectado. Ao empregar um mecanismo de "armazenar e encaminhar" através de seu Protocolo de Pacote, a DTN garante a entrega de dados em cenários desafiadores, desde o espaço profundo até áreas rurais e zonas de desastre. O trabalho ressalta o potencial disruptivo da DTN, sugerindo que estamos diante de uma tecnologia fundamental para a expansão das redes de comunicação em fronteiras novas e exigentes. À medida que mais organizações, como a NASA, e a comunidade de pesquisa investem e aprimoram essa tecnologia, veremos seu impacto crescer e moldar nosso mundo cada vez mais conectado.