digital cities and open mans: a new communications paradigm · o desenvolvimento de uma open man....

Abstract— Digital cities can be defined as a highly interactive digital communication environment built to mimic the behavior of real cities. Open access metropolitan area networks (Open MANs) are communication networks built to allow universal access of city’s population to a single digital multimedia communication network. The goal of this paper is to discuss the impact in the community when delivering digital cities solutions upon the universal access scenario of the Open MANs. We also present results obtained of deployment of such solutions in some Brazilian cities and the perspectives for this project in Brasil in the coming years. Keywords— Convergent Networks, Digital Cities,

Multimedia networks, Open Access Metropolitan Networks, Universal Access Networks.

I. INTRODUÇÃO

ESDE o final do século 19, com o desenvolvimento dos primeiros sistemas de comunicação eletro-eletrônicos, as

comunicações têm contribuído para provocar revoluções radicais periódicas no modus operandi da sociedade moderna. Após o desenvolvimento das tecnologias digitais a freqüência de tais revoluções tem crescido enormemente. Assim, a Sociedade atual é mantida em um estado constante de revolução tecnológica. Talvez a mais recente dessas mudanças, que ousa brilhar como uma revolução, está acontecendo com a convergência entre as redes ópticas e sem fio de alta velocidade, oferecendo quase que largura de banda ilimitada, com o conceito de rede de transmissão de dados multimídia através dos protocolos TCP/IP. Essa convergência nos leva à construção de uma rede de comunicações inteligente que permite oferecer grande quantidade de serviços e aplicações de forma a atender as necessidades dos usuários finais tendo estes o controle, pelo menos parcial da rede. Em particular, a evolução recente das Cidades Digitais e das Redes Metropolitanas de Acesso Aberto (Open MANs) e a sua convergência são ocorrências interessantes que podem desencadear a criação de um novo

Este trabalho foi apoiado pela Faculdade de Engenharia Elétrica e

Computação (FEEC) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), São Paulo, Brasil.

Leonardo de Souza Mendes é Professor Titular do Departamento de Comunicações da FEEC, Unicamp, (e_mail: [email protected]).

Mauricio Luis Bottoli é aluno de doutorado da FEEC, Unicamp, (e_mail: [email protected]).

Gean Davis Breda é Pesquisador Colaborador da FEEC, Unicamp, (e_mail: [email protected]).

paradigma em comunicação. Nós podemos definir uma Open MAN como uma rede multimídia convergente que oferece acesso para toda população de um município. Muitas soluções de rede podem cair na categoria desta definição ampla. No entanto, o estado da arte é o desenvolvimento de redes TCP/IP impulsionada por soluções ópticas e sem fio Ethernet (Gigabit Ethernet, 10G Ethernet, IEEE802.11x, IEEE802.16x, etc), que oferecem um ambiente único genérico que pode ser considerado o melhor candidato para tornar-se a solução ideal para uma rede convergente única e universal. Esta solução apresenta diversas qualidades que a qualificam como a melhor candidata. Por um lado, o protocolo de comunicação de dados TCP/IP é maduro e já foi bem testado. No entanto, ainda há muito espaço para inovações e melhorias. Este protocolo apesar de ter uma inclinação natural para o funcionamento seguindo a lei do melhor esforço, tem demonstrado ser capaz de acomodar facilmente modificações de forma a adequá-lo ao transporte de serviços multimídia mais sofisticados, exemplos: serviços de distribuição de TV e telefonia. Assim, novos serviços e aplicações, tais como: vídeo conferências, escolas virtuais, plataformas de e-Gov e muitos outros podem ser desenvolvidos e implementados facilmente sobre tais redes.

Por outro lado, a Ethernet, em seus vários desenvolvimentos, é uma infra-estrutura de rede simples e barata que permite uma plataforma de transporte muito simples para as redes TCP / IP. Na verdade, a construção de redes híbridas ópticas e sem fio para as cidades de hoje, baseada no protocolo Ethernet, não difere muito da criação das redes para empresas ou campus universitários que se tornaram popular no final dos anos noventa e início do século 21. Assim, a união do TCP/IP e Ethernet MAN pode formar uma solução poderosa para apoiar a criação de Open MANs. Alguns destes projetos nacionais de rede, com tal estrutura, têm sido desenvolvidos e popularizados com o nome de INTERNET 2 ou Super Via da Informação[1]. Outros projetos foram desenvolvidos com o intuito de fornecer soluções de acesso universal às comunidades residenciais e comerciais de cidades ou países inteiros [2] [3] [4].

Em geral, podemos definir uma Cidade Digital como um conjunto de aplicações Web, aplicações IP, serviços e equipamentos que proporcionam um ambiente ubíquo e pervasivo disponível para o cidadão, de forma perene. Cidades Digitais, também conhecidas como Cyber Cidades, Cidades Virtuais, Cidades Eletrônicas, Cidades inteligentes, e outros nomes, representam uma espécie de projeção de uma cidade no mundo digital e emerge como uma das forças que podem contribuir para a organização do espaço [5] em uma cidade.

D

Leonardo de Souza Mendes, Maurício Luis Bottoli and Gean Davis Breda

Digital Cities and Open MANs: A New Communications Paradigm

394 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO. 4, AUG. 2010

Cidades Digitais podem ter muitas definições. Silva[5] define que Cidades Digitais são as pessoas, sistemas e instituições que permanecem conectadas a uma infra-estrutura de comunicação digital. Em cidades digitais é possível utilizar cidades reais como referência para suas contrapartidas digitais, visando o desenvolvimento das relações sociais de diferentes propósitos. Isto inclui um ou mais dos itens citados abaixo.

1. Criação de espaços políticos e culturais para manifestação de pessoas e grupos.

2. Criação de canais de comunicação e negociação entre governos municipais e população.

3. Favorecendo uma maior identificação dos visitantes com a cidade de referência.

4. Criação de um banco de dados de informação de muitas espécies diferentes e de fácil acesso sobre a cidade de referência.

Cidades Digitais, como definido por Graham [6], podem servir como um ambiente de aplicações e serviços para melhorar a comunicação entre munícipes e o governo local, estimulando muitas atividades que promovem novas oportunidades aos cidadãos, como nós podemos identificar abaixo: “... cidades virtuais são espaços digitais, geralmente baseados na World Wide Web, que foram desenvolvidos para conectar-se, de uma maneira explícita, as agendas de desenvolvimento de cada cidade. Essas cidades virtuais estão funcionando como ferramenta política para uma variedade de planos urbanísticos e objetivos como: marketing urbano global, estímulo ao consumo e aos negócios, melhorando a comunicação entre os cidadãos e os governos locais, aumentando a competitividade das empresas locais, uma maior integração das economias locais e o renascimento da vida cívica e cultural local. "(Graham, [6]).

Neste artigo, nós discutimos Open MANs e Cidades Digitais. Discutimos também como estas novas tecnologias influenciam a vida cotidiana do cidadão moderno e o que acontecerá quando colocarmos Cidades Digitais e Open MANs para trabalhar conjuntamente. A partir desta discussão nós argumentamos que uma das grandes vantagens deste modelo é a possibilidade de convergência e democratização das diferentes formas de comunicação, permitindo a troca de dados multimídia, tais como: imagens médicas, videoconferência, ensino a distância, banco de dados educacionais e serviços de comunicações de voz. Cidades Digitais e Open MANs são parte de um ambiente de distribuição de informações que permite a inclusão digital e a universalização da informação [6][7]. O acesso universal à informação é um pré-requisito para a evolução da Sociedade da Informação.

II. REDES METROPOLITANAS DE ACESSO ABERTO

Os impactos sociais e econômicos do acesso universal é tão importante que governos como o da Coreia do Sul [8][9] já asseguraram um acesso universal de 1,5 Mbps para 100% das suas casas. Em grande parte da Europa, a maioria dos moradores têm conexões rápidas (acima de 2 Mbps), e com 30 Euros por mês é possível ter um acesso de 15 Mbps. No Japão

é possível contratar prestadores de serviços para acessos de 100 Mbps utilizando a tecnologia FTTH("Fiber-to-the-home"), pelo valor de US$ 70. Juntamente com a iniciativa privada, o governo japonês pretende oferecer aos assinantes conexões de até 10 Gbps em 2010 e ter todas as residências com acesso óptico [10] em 2015.

O atraso no desenvolvimento das Infovias, ou seja, a ausência destas na economia local está causando uma correspondente perda no PIB. A diferença de US$ 3,4 trilhões de dólares entre previsões realizadas em 2000 baseadas na hipótese da existência de uma rede com acesso universal (estimativa de US$ 6,8 trilhões) e a realidade, indica [11] que o volume desse custo é da ordem de trilhões de dólares em escala internacional. Para o Brasil, cujo PIB está entre 2 a 3% do PIB mundial, isso pode representar algo da ordem de US$ 100 bilhões de perda de PIB por ano de atraso. Na realidade, essa perda pode ser ainda maior se considerarmos a quantidade de negócios que não são realizados e que poderiam ser ofertados, tendo em vista o baixo investimento de capital requerido pelas empresas baseadas na internet. Este fato é ainda maior em sociedades mais pobres. Cidades como Pedreira nos fornecem um bom exemplo de como a qualidade de vida em uma pequena cidade do Brasil pode melhorar com o desenvolvimento de uma Open MAN. É também evidente o impacto positivo na eficiência que se traduz em qualidade dos serviços públicos ofertados.

Uma Open MAN pode ser definida como uma rede de comunicação de dados composta por uma infra-estrutura de rede de comunicação que serve de espinha dorsal para uma Intranet pública da cidade, a qual está aberta para a municipalidade. Além disso, a Open MAN deve ser capaz de comutar não apenas o tráfego local, mas também de permitir que seus usuários se conectem à Internet, utilizem POTS (Plain Old Telefone Services) e até mesmo, utilizem soluções CATV. Em termos simples, podemos dizer que a Open MAN é um sistema de transporte público de informação. Podemos afirmar que esta solução é para a informação o que as ruas da cidade são para os transeuntes e veículos. Nessa concepção a construção de Open MANs tornar-se parte da demanda de infraestrutura da cidade, tanto quanto a construção de ruas e avenidas, ou mesmo, da rede de distribuição de energia elétrica.

A. Arquitetura Física

Do ponto de vista físico, podemos descrever a Open Man dividida em três camadas: Camada de Acesso, Camada de Distribuição e Núcleo da Rede. Na Fig. 1 apresentamos a arquitetura física conceitual de uma Open MAN. O núcleo da rede que é normalmente construído utilizando-se fibra óptica, forma a parte principal da rede. Sendo capaz de transportar centenas de gigabits por segundo de informação, o núcleo é o que garante que a Open MAN irá suportar a demanda de tráfego da cidade. Em nosso projeto o núcleo da rede é construído para atender os maiores geradores de tráfego da cidade. Estes normalmente são os Data Centers públicos e privados, universidades, escolas, hospitais, centros de saúde, etc. O núcleo também deve cuidar da interligação da MAN com as redes de serviços públicos, tais como: Internet, rede de telefonia pública e as empresas de distribuição de TV.

MENDES et al.: LATINCON06 - DIGITAL CITIES AND 395

Finalmente, o núcleo deve também oferecer os pontos de interligação da camada de rede de distribuição. Todas estas conexões ligam-se ao núcleo através de pontos específicos chamados POPs (Pontos de Presença). Devido à sua natureza dos POPs, altas taxas e alta velocidade no núcleo, iremos chamar estes de GPOPs (Gigabit POPs). A Camada de Distribuição é responsável por centralizar o fluxo de dados dentro e fora dos pontos de acesso. Esta camada é composta de vários centros de distribuição ligados diretamente ao núcleo da rede através de um GPOP. Devido à sua função, o centro de distribuição deve ser capaz de lidar com dezenas de megabits por segundo ou até gigabits por segundo de fluxo de dados. Um ponto de conexão nesta camada é chamada de DPOP. O DPOP pode ser construído utilizando diversas tecnologias diferentes, desde sem fio até par trançado, ou mesmo, links de fibra óptica.

Optical Fiber GPOP

GPOP

DPOPDPOPDPOP

Distribution Cell(Access Layer)

Distribution Layer

Network Core

Finalmente, a camada de acesso é responsável pela manipulação do ponto genérico de presença da Open MAN. Estes pontos são destinados a conectar residências e pequenas empresas. Os pontos derivam dos DPOPs formando as células de distribuição. A tecnologia utilizada deve seguir a mesma tecnologia adotada para os DPOPs aos quais as células de distribuição são conectadas.

B. Arquitetura Lógica

Do ponto de vista lógico, a Open MAN, pelo menos na forma que estamos tratando, é construída sobre os protocolos Ethernet e TCP/IP. A Ethernet é um padrão que trata da comunicação de dados em nível local (broadcast e/ou domínios de colisão). A Ethernet padrão oferece uma variedade de soluções que nos permite tratar diversas camadas da infra-estrutura física de uma Open MAN como uma única e uniforme camada. Esse padrão está presente em soluções wireless, soluções de cabos par trançado, cabo coaxial, e soluções de fibra óptica. Uma das principais vantagens da tecnologia Ethernet está na sua versatilidade. A primeira solução foi desenvolvida para permitir interconexão entre computadores utilizando cabos coaxiais num ambiente LAN. Neste caso o cabo opera como um simples meio físico que todos os computadores precisam utilizar para passar informação uns para os outros. Assim, como um único meio está disponível e mais de um computador deseja enviar informação no mesmo momento, é necessário um protocolo para fazer a mediação. O protocolo Ethernet definiu um mecanismo de detecção de colisão chamado CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Sistemas Ethernet modernos se

distanciaram enormemente das suas primeiras versões. Muitas melhorias foram promovidas no protocolo. Originalmente, o protocolo Ethernet podia cuidar da comunicação no domínio das colisões. Hoje é possível ter o domínio de broadcast de uma solução Ethernet espalhado para além das fronteiras físicas locais, estendendo VLANs sobre uma área de uma Metro Ethernet. Outra importante propriedade desta solução é seu baixo custo. Na verdade, quando comparados com os custos normais associados à construção de redes SDH, ATM, ou redes WDM, com um backbone Ethernet híbrido (óptico/sem fio) o custo é quase insignificante. Além disso, o funcionamento e a gestão de um backbone Ethernet é muito mais simples do que estas outras tecnologias, mais sofisticadas. No entanto, o uso dessa infra-estrutura em um ambiente promíscuo, como o de uma Open MAN, requer o desenvolvimento ou aperfeiçoamento de diversas tecnologias, incluindo recursos de segurança necessários para a identificação e autenticação dos usuários, equipamentos e sistemas que utilizam a rede.

Para complementar a arquitetura lógica das Open MANs, uma solução tem que ser utilizada para escoar o tráfego entre as várias redes públicas e privadas que podem conviver dentro da mesma LAN da cidade, para permitir a troca de tráfego entre Open MANs de diferentes cidades e também para permitir a troca de tráfego entre a rede da cidade e prestadores de serviços externos, como a interligação com a Internet ou para a PSTN (Public Service Telephone Network).

Por causa de sua universalidade, o TCP/IP é sem dúvida o melhor candidato para se tornar o protocolo de troca de dados das Open MANs. Na verdade, o TCP / IP não é um protocolo único. É uma família de protocolos que trabalham juntos para resolver os vários problemas que devem ser tratados quando as informações devem ser enviadas através de várias redes que compõe uma única grande rede como a Internet. Na Fig. 2 mostramos o protocolo TCP/IP com base no modelo de fluxo de dados.

Originalmente, o protocolo de rede de transmissão TCP/IP (ou seja, o protocolo IP) foi desenvolvido para ser um protocolo baseado no “melhor esforço”. Isso significa que essa rede não garante a entrega final das informações. Todas as garantias devem ser oferecidas por camadas superiores da pilha do protocolo. Na verdade, o protocolo TCP foi desenvolvido para oferecer tal garantia. No entanto, o TCP/IP, foi desenvolvido de tal forma que "no final, as coisas iriam trabalhar bem".

Figura 1 - Descrição Física de uma pen MAN


OSPF EGP TCP UDP ICMP IGMP

IP RARPARP

RIP BGP

Ethernet, Token Ring, PPP, and so on

Telnet, FTP, TFTP,HTTP,SNMP,SMTP, and so on

Port Number

Protocol Number

Type code

ApplicationLayer

Data LinkLayer

InternetLayer

TransportLayer

Figura 2 - Descrição da pilha do protocol TCP/IP baseado no modelo de fluxo de dados.

Tal conceito de qualidade de serviço não é o suficiente para um modelo de rede que pretende se tornar “a escolha” ou “o modelo” para redes convergentes. Assim, o que aconteceu com TCP / IP que o transformou de uma rede de comunicação considerada backup nos anos da guerra fria para uma rede moderna com, alta velocidade, regras de QoS, Internet e (em muitos casos) como a escolha das indústrias por uma rede de telecomunicações? A resposta é simples: a evolução e a revolução da tecnologia. A eletrônica, microeletrônica, tecnologia digital, rede de dados, redes sem fio, engenharia de software e tantas outras contribuições pavimentaram o caminho para um novo universo de possibilidades. Hoje, com o desenvolvimento de inúmeros novos protocolos para sua família, tais como: IPV6, DiffServ, MPLS, RTP e muitos outros, o TCP/IP está pronto para requerer a coroa da nova rede “para tudo”. O conceito de “tudo sobre IP” foi lançado e nós o adotamos na nossa concepção de rede Open MAN. Uma rede comunitária, omnipresente, de acesso aberto para as cidades, capaz de lidar com todas as demandas de comunicação da "Era do Conhecimento" da sociedade moderna.

C. Aplicações e Serviços

Neste nível as máquinas devem começar a falar a linguagem do homem. As pessoas comuns sempre reclamam de ter problemas com os computadores. É óbvio que ninguém em sã consciência vai comprar um computador novo para sua avó e pedir-lhe para fazer o download e instalar o Linux a partir da Internet. Definitivamente, o Linux (ou até mesmo sistemas operacionais Windows ou MAC) não podem ser postos como algo que se assemelha a linguagem comum dos homens. No entanto, a linguagem multimídia visual que está começando a aparecer na Web pode ser considerada uma linguagem que as pessoas comuns podem apreender sem muitas dificuldades. Quando falamos sobre a arquitetura de Aplicações e serviços (A&S) sobre as Open MANs, não estamos nos referindo as aplicações atuais que podem ser vistas nos computadores, ou dos serviços que estamos acostumados a ter da rede de Telefonia Pública ou das Redes de Televisão. Aqui, falamos sobre a visão das pessoas a respeito de aplicações omnipresentes e serviços que existem em uma rede ubíqua.

Um vislumbre deste mundo do qual estamos falando pode ser visto na forma como nos relacionamos hoje com nossos telefones celulares. Mais e mais nós estamos recorrendo a esse pequeno dispositivo para resolver várias dificuldades que a vida cotidiana nos apresenta. Assim, os telefones celulares quebraram os limites da telefonia e tornaram-se uma conexão com um mundo de serviços ubíquos que nos acompanha onde quer que estejamos.

Do ponto de vista dos usuários, as aplicações e serviços da Open MANs são interfaces que podem encontrar na rede (provavelmente aplicações web, serviços web, aplicações SOAP, aplicativos Corba, e assim por diante) as necessidades específicas que satisfaçam o que o usuário esteja procurando. Alguns exemplos são aplicações e-Gov, soluções VoIP, IPTV, entretenimento, e-learning, e-saúde, e muitos outros. Dada a característica genérica e multifacetada do ambiente TCP/IP, não é simples para descrever a arquitetura das A&S usando uma topologia única. Na seção de cidades digitais apresentamos uma visão mais detalhada desta arquitetura.

É possível construir uma rede global de Internet com o tipo de omnipresença que as redes de telefonia celular nos permitem ter hoje em dia? Nós engrossamos as fileiras de quem acredita nisso.

Podemos perguntar: Quais são as necessidades (tecnológicas, econômicas, regulatórias ou sociais) necessárias para que isso aconteça? Nas linhas seguintes deste documento, vamos apresentar a nossa experiência na criação de redes de acesso aberto potencializadas por um conjunto de aplicações Web e serviços que imitam uma cidade virtual para seus usuários, e tentar responder algumas dessas questões. Estas redes seguem praticamente os modelos aqui apresentados, incluindo a ideia de que ela se torne um ambiente sempre presente, pronto para apoiar o usuário em qualquer necessidade que a vida possa apresentar.

D. Benefícios do Desenvolvimento de Open MANs

Existem muitos benefícios para uma cidade com o desenvolvimento de uma Open MAN. Alguns destes são: • Democratização da Cultura. • Economia com sistema próprio de telefonia. • Democratização da informação e no acesso aos serviços,

incluindo telecomunicações. • Educação à distância, alfabetização digital e

desenvolvimento de bibliotecas virtuais. • Criação de novos empregos, atração de novas empresas

para o município. • Transparência na administração pública. • Melhora na qualidade dos serviços oferecidos aos

munícipes. • Estímulo na relação entre governo e cidadãos. • Fortalecimento do processo democrático com uma real

inclusão digital. Uma Open MAN pode ser vista também como uma ponte entre o atual legado e os novos modelos de telecomunicações nos quais o acesso a informação é totalmente democratizado. Para isso é criada a super via da informação, uma infraestrutura de comunicações que compreende todas as


infraestruturas necessárias de forma que seja possível ao município interconectar suas unidades à rede de alta velocidade.

A infraestrutura de cabos de uma Open MAN pode ser baseada em diferentes tecnologias, dependendo das características físicas e de transmissão requeridas. Dentre as tecnologias disponíveis, a mais promissora é baseada em fibra óptica como meio físico. No futuro, prevemos que a Open MAN pode prover aos cidadãos os mais diferentes serviços (acesso à Internet de alta velocidade, VoIP, videoconferência, vídeo sobre demanda, Web TVs, Web Rádios, acesso do cidadão aos serviços públicos, e-business, e-learning, etc.). A Fig. 3 apresenta uma visão de uma Open MAN atendendo a demanda geral de aplicações e serviços de uma cidade. Dessa forma, a utilização de sistemas de alta capacidade é uma exigência tanto para a demanda de serviços, como para a necessidade de atender a esta demanda por muitos anos, o que, hoje, sugerem o uso de uma infra-estrutura óptica de transmissão. O projeto óptico deve considerar questões relacionadas a cidade, tal como a distribuição dos prédios públicos, localização das regiões de concentração industrial, comercial e residencial do município, locais turísticos, pontos de interesse para a segurança pública (câmeras de segurança), etc. As redes sem fio, considerando que, inicialmente, anéis de fibra ótica atenderão parte dos prédios públicos, são necessárias como tecnologias alternativas para cobrir o restante da cidade.

III. INFRAESTRUTURA DAS OPEN MANS

O objetivo inicial de uma Open MAN é interconectar as instituições e prédios públicos, tais como: escolas municipais, prefeitura, centros de saúde, hospitais, etc. Em seguida, a infra-estrutura da Open MAN pode crescer para permitir que serviços adicionais possam ser oferecidos, exemplo, acesso universal à Internet disponível para a população da cidade. Para demonstrar a viabilidade deste projeto uma Open MAN foi desenvolvida na cidade de Pedreira, São Paulo [12]. Ela consiste de uma arquitetura de rede híbrida, óptica e sem fio. A principal infraestrutura desta rede é composta por um backbone Gigabit Ethernet complementado por células de acesso sem fio baseadas no padrão IEEE802.11 “a” e “g”. Na Fig. 4 podemos visualizar o projeto conceitual da Open MAN de Pedreira.

MENMEN

PSTNPSTN

HospitaHospitalsls

Universities andUniversities andPublic SchoolsPublic Schools

Homes, Businesses,Homes, Businesses,IndustriesIndustries

EnEntertainmenttertainment

Public ServicesPublic Services

ConsultingConsulting

Public DBPublic DB

UNI

UNI

UNI

UNI

Figura 3 – Instituições e prédios públicos interconectados através de um backbone óptico que agrega todo o tráfego de dados das unidades municipais e também todos os Serviços sobre IP disponibilizados aos munícipes.

Figura 4 – Modelo Conceitual da Open MAN de Pedreira, SP.

A abordagem mais simples considera a cobertura da cidade

através de conjuntos de células de rádio, sem fio. Estas estão baseadas na construção de uma rede de nós de distribuição que estão ligados ao backbone principal por fibra óptica ou mesmo links de rádio no padrão IEEE802.11a. Nos pontos de distribuição está instalada uma célula sem fio baseada nos padrões IEEE802.11b/g. Uma característica importante dessas células é que a fim de melhorar a qualidade e o rendimento, as células são pequenas, distância de, no máximo, 100 metros, normalmente para conectar não mais que 60 pontos. A partir dessas células a cidade oferece aos seus munícipes acesso gratuito à internet. A Fig. 5 mostra o modelo de distribuição através de soluções de acesso sem fio.


Figura 5 – Modelo de distribuição através de soluções sem fio.

Outra possível abordagem é baseada na implantação de

cabos metálicos de par trançado que viriam a substituir as células de rádio baseadas no procolo IEEE802.11b/g. Neste caso, os usuários estão conectados à rede através de um switch DSLAM operando com modems ADSL2+. Essa abordagem é mostrada na Fig. 6.

A Open MAN de Pedreira foi proposta em setembro/2006 e implantada em novembro daquele mesmo ano. A infra-estrutura de fibra óptica, cabo óptico, é distribuída utilizando-se dos postes de energia elétrica da cidade. Um total de 12 nós ou pontos estão interligados ao backbone principal através de ligações ópticas de 1 Gbps. O nó central da rede está localizado na Prefeitura Municipal onde todo o tráfego é centralizado. Lá também chegam os links de internet, bem como, a rede de telefonia pública comutada, como mostrado na Fig. 4.

A. Custos para implantação do Backbone

Acredita-se geralmente que altos custos estão associados a implantação de infra-estrutura óptica para rede de comunicações. Nosso objetivo aqui é mostrar que no caso de Open MANs, a infra-estrutura óptica é o único caminho de conciliar acessibilidade com conexões de alta velocidade necessárias para a convergência dos serviços que estamos propondo. Apresentamos neste trabalho os resultados relativos aos recursos que foram investidos por algumas cidades brasileiras na construção de suas Open MANs e na execução de sua versão de Cidade Digital. Vamos analisar os resultados de dois casos práticos. No primeiro caso, analisamos os resultados da implantação da Open MAN de Pedreira, São Paulo, uma cidade com cerca de 45.000 habitantes. No segundo caso, analisamos os dados da cidade de São José do Rio Preto [13], São Paulo, com cerca de 400.000 cidadãos. Em ambas cidades foi implantada uma infra-estrutura híbrida de rede, fibra óptica e acesso sem fio.

Pedreira criou uma rede que atende tanto, prédios públicos, como fornece acesso universal para pessoas e empresas. A meta do governo municipal, além de desenvolver os setores da

rede pública própria, foi também oferecer acesso gratuito a soluções de e-Gov e disponibilizar Internet a toda a população. Este objetivo foi completamente alcançado. Pedreira está agora no processo de implantação da solução Conexão do Saber e uma solução de e-Gov baseada em um ambiente Web. Também está sendo desenvolvido no âmbito municipal um projeto para estudo das métricas de segurança da Internet.

Em Pedreira escolhemos o meio óptico para ser a principal

solução na criação da Open MAN. Um total de 12 nós foram conectados usando fibra óptica. A solução inclui o backbone de fibra implantada sobre os postes de energia elétrica e os equipamentos necessários para criar uma rede Ethernet de 1 Gbps. Foram implantados cerca de 10 Km de cabos de fibra óptica monomodo. A espinha dorsal da rede de rádios implantada é baseada no padrão IEEE 802.11a. Este backbone atende 25 pontos que incluem as escolas e centros de saúde. O backbone wireless visa interligar os pontos da rede que não puderam ser ligados diretamente pela rede de fibra óptica, devido a razões econômicas. O investimento inclui o projeto executivo, a compra de equipamentos, incluindo cabos de fibras ópticas, equipamentos de rede e custos de instalação.

Figura 6 - Modelo de distribuição de acesso por modens VDSL para a Open MAN de Pedreira, SP.

São José do Rio Preto implantou uma rede híbrida, óptica e sem fio. A cidade já está participando na solução Conexão do Saber e também está implantando uma solução de e-Gov baseada num ambiente Web. Nós também analisamos os resultados obtidos com a implantação da Open MAN da cidade de São José do Rio Preto, SP, Brasil. Neste caso, todos os nós foram conectados através do backbone de fibra óptica, ou seja, toda a infra-estrutura de comunicação está baseada em uma rede Gigabit Ethernet. Como em casos anteriores, o investimento inclui site survey, projeto, compra de equipamentos, implantação e instalação. Na tabela a seguir destacamos alguns dos investimentos que foram feitos para implantar MANs em


cidades do estado de São Paulo. Os valores descritos na tabela foram normalizados para uma cidade com 50.000 habitantes, com capacidade de proporcionar acesso gratuito a Internet à cerca de 80% da população.

TABELA I CUSTOS PARA CONTRUIR UMA OPEN MAN NUMA CIDADE COM 50000

HABITANTES. (US$1,00=R$1,96)

Custo estimado Custo estimadoPrimeiro ano Segundo ano

TEP e Datacenter 78.675,89R$ 78.675,89R$ Equipamentos Open MAN 1.013.201,69R$ 202.640,34R$ Serviços Open MAN 63.499,83R$ 63.499,83R$ Telefonia IP 236.826,41R$ 236.826,41R$ Plataforma Cidades Digital (e-Gov) 248.408,14R$ 248.408,14R$ Plataforma Conexão do Saber (e-Education) 196.090,67R$ 196.090,67R$ Plataforma de Monitoramento e Vigilância 319.496,00R$ 319.496,00R$ O&M da Cidade Digital 126.999,66R$ 126.999,66R$ Link de Conexão com Internet 139.380,13R$ 139.380,13R$ Custo Total 2.422.578,42R$ 1.612.017,07R$ Estimativa da Receita Anual da Cidade Digital 3.194.960,00R$ 4.472.944,00R$ Receita anual de telecomunicações (Pedreira) 15.974.800,00R$ 15.974.800,00R$

Recursos a serem instalados

IV. OUTROS ASPECTOS PARA CIDADES DIGITAIS

A. UMA ARQUITETURA PARA DESENVOLVIMENTO DE APLICAÇÕES DE E-GOV

Nossa proposta neste item é uma arquitetura chamada SIGM, uma ferramenta para o desenvolvimento de sistemas de e-Gov [14][15], que leva em consideração características do ambiente de governo, tais como: a existência de sistemas legados, bases de dados heterogêneas e redundantes, a mudança de paradigma para plataformas baseadas na web, a necessidade de desenvolvimento de serviços constante por parte do governo, etc. A arquitetura é baseada no modelo MVC com a adição de uma camada de dados. O objetivo SIGM é integrar aplicações heterogêneas que estão em um domínio distinto integrando em uma base de dados única, que abrange dados de todos os cidadãos, empresas, dados sociais, serviços públicos, procedimentos de gestão, serviços internos, serviços online, usuários do sistema, endereço, etc. A Fig. 7 apresenta as camadas da arquitetura do SIGM.

Figura 7 - Layer Architecture

B. UMA ARQUITETURA PARA CRIAÇÃO DE CIDADES DIGITAIS

A criação de cidades digitais fornece canais de comunicação para facilitar e melhorar as relações entre cidadãos e governo, cidadãos e empresas, e empresas e governo. Este ambiente de comunicação é adequado para guiar essas relações por causa da identificação, autenticação e seguranças sofisticadas oferecidas pelo middleware de uma cidade digital. Para um usuário autenticado a cidade digital pode proporcionar um ambiente rico em informações e serviços. O DHTs proposto neste trabalho teve como uma de suas principais características a separação entre identificador e localizador. Esse recurso proporciona mobilidade superior e melhora a segurança. Outra característica importante deste DHT é que o serviço não está mapeado em um endereço físico. O serviço pode ser mapeado em um nome simples, permitindo uma maior transparência no que diz respeito à migração.

Para proporcionar a interoperabilidade entre diferentes cidades digitais sem a criação de inconsistência ou replicação dos serviços, é indispensável a criação de uma camada de abstração. Na Fig. 8 podemos analisar uma proposta de arquitetura para Cidades Digitais.

C. APLICAÇÃO DE MÉTRICAS DE SEGURANÇA PARA REDES METROPOLITANAS DE ACESSO ABERTO

Uma MAN é caracterizada por uma variedade de serviços

que pretendem disponibilizar a todos os setores da sociedade em um processo de universalização do acesso à informação. A necessidade de privacidade dos dados e a manipulação do número elevado de usuários criaram novos desafios


relacionados à segurança da informação, criando um paradigma para a rede. Estamos propondo a utilização de métricas de segurança como uma importante ferramenta para a solução das questões que envolvem o cenário apresentado. CERT (2006) [16] recomenda o uso de métricas de segurança para lidar com as vulnerabilidades da segurança que podem ocorrer nas MANs.

Figura 8 - Proposta de Arquitetura para Cidades Digitais

Os atributos que constituem o modelo das métricas de

segurança são: objetivo, medida, a fonte de dados, a freqüência, a classificação de métricas e fórmulas.

A classificação apresentada na Fig. 9 permite o tratamento de problemas de segurança separadamente em cada uma das camadas do modelo MAN. Este procedimento permite uma melhor compreensão sobre a segurança em cada camada e, consequentemente, a análise dos respectivos problemas potenciais.

D. UMA ARQUITETURA PARA MONITORAMENTO E CONTROLE EM ESCALA MUNICIPAL

Outra aplicação que está operacional em Pedreira é uma

arquitetura para integrar as características físicas do mundo real com sistemas de computação, através de redes sensoras e atuadores. Estes dispositivos estão conectados em uma rede metropolitana de acesso aberto com banda larga atingindo uma escala municipal. O monitoramento e controle dos ambientes da cidade representam uma classe de serviços municipais que trazem enormes benefícios para a gestão da cidade, a administração do governo e da sociedade, como um todo. A arquitetura proposta utiliza a tecnologia ZigBee, sem fio, conjuntamente com à rede metropolitana de banda larga, a fim de criar uma grande rede sensora/atuadora para monitorar e controlar ambientes da cidade como hospitais, escolas, centros de saúde, edifícios públicos, ruas e outros espaços públicos. Esta arquitetura permite uma interação entre as

características físicas da cidade real com ferramentas computacionais, resultando em um sistema onde as informações de ambientes reais podem ser acessadas e manipuladas por comunidades específicas, funcionários do governo, e também para ser usado para criar ambientes inteligentes. A arquitetura de baixo nível é constituído de nós sensores / atuadores que interagem diretamente com o ambiente com base em suas características físicas. Os nós podem ser implantados em grande número cobrindo todo o ambiente. Os nós sensores transmitem os dados através da rede ZigBee para o gateway de rede. O gateway é responsável pela transmissão de dados do sensor através da rede metropolitana de acesso aberto para a estação remota, onde um software processa os dados e, finalmente, as informações são exibidas para os usuários através de uma interface. O mesmo acontece com os nós atuadores, porém de uma maneira oposta, os dados são transmitidos através de comandos do usuário remoto, das estações base, para os nós atuadores que respondem ao pedido, com ações sobre o meio ambiente.

. Estrutura da Rede NomeADSL, Fibra Óptica, Sem fio, Híbrida ExemplosFalhas nas conexões físicas; CamadaMá configuração de firewall e Questões equipamentos de rede de segurançaPontos de InterconexãoPrédio públicos e privadose residênciasQuestões de segurança relativasa infecção por vírus, senhas fracas e falta de atualizações de segurançaServiçosVoIP, sistemas de e-GovDistribuição de InternetVulnerabilidades de segurançados serviços MBAN Figura 9 – Classificação da Segurança de Open MANs

V. CONCLUSÃO

Neste trabalho descrevemos nossa experiência em projetar e implementar Redes Metropolitanas de Acesso Aberto (Open MAN) e projetos de Cidades Digitais para algumas localidades brasileiras. Nossa melhor experiência com a construção de Open MANs aconteceu na implantação da rede comunitária de Pedreira, uma cidade com 45 mil habitantes localizada no sudeste do Brasil. Em Pedreira foi implantada uma rede híbrida, óptica e sem fio. Essa rede conecta os principais prédios públicos da cidade, incluindo todas as escolas, postos de saúde e o hospital. A rede também oferece uma cobertura sem fio que permite a qualquer cidadão se conectar à rede e ter acesso à Internet sem qualquer custo.

Mostramos também a descrição geral de uma cidade digital, com uma aplicação formal construída sobre uma Open MAN omnipresente. Ninguém poderia imaginar uma cidade onde a rede está apta a “seguir” o usuário e estar presente para servi-lo sempre que for necessário.


Descrevemos também as formalidades de alguns projetos na área de cidades digitais que estão sendo desenvolvidas no Larcom/UNICAMP. Estes projetos foram desenvolvidos conforme as demandas das cidades com as quais estamos trabalhando. Os resultados têm se mostrado tão úteis que esses projetos estão se expandindo e sendo rapidamente adotados por outras cidades. Hoje, um total de seis municípios, totalizando mais de um milhão de pessoas, estão utilizando essas soluções. Também descrevemos o Conexão do Saber e uma aplicação de e_Gov baseado em um ambiente Web.

AGRADECIMENTOS O trabalho aqui apresentado foi desenvolvido sob a égide

do projeto "Infovia Municipal – Uma Rede de Acesso Aberto" e do "SIGM - Um sistema integrado de e-Gov para Cidades". Estes projetos foram apoiados, em parte, pelos governos das cidades de São José do Rio Preto, Pedreira, Penápolis, e Campinas no Estado de São Paulo, Brasil.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] http://www.internet2.edu/ [2] Yoo, J-H, Broadband Internet network management software platform

and systems in KT. Int. J. Network Mgmt 2006; 16: 383–397. [3] Varshney U, Vetter R. Emerging mobile and wireless networks.

Communications of the ACM, 2000;43(6): 73–81. [4] Jesuale, N., Spectrum policy issues for state and local government. Int. J.

Network Mgmt 2006; 16: 89–101. [5] Silva, Michéle T. Candido, A (Ciber) Geografia das Cidades Digitais,

Brasil, 2002. [6] Graham II JW. Authenticating Public Access networking, SIGUCCS’02,

20–23 November 2002, Providence, Rhode Island, USA. [7] Fodil, I. and Pujolle, G., Roaming and service management in public

wireless networks using an innovative policy management architecture. Int. J. Network Mgmt 2005; 15: 103–121.

[8] Lee Y-K, Lee D, Broadband Access in Korea: Experience and Future Perspective. IEEE Communications Magazine, 2003; 41(12): 30–36.

[9] Lim Y, Kim TS. Enabling Systems for KT’s Residential Ethernet Solutions, In ISSLS 2002, Seoul, Korea, April 2002.

[10] InfoExame, ano 20, no 230, pp 28, maio de 2005. [11] Wayne Caswell, Reviving the FORGOTTEN Information

Superhighway, Home Toys Article, Junho, 2003. [12] http://www.pedreira.sp.gov.br/ [13] http://www.riopreto.sp.gov.br/ [14] Cho, K, Fukuda K, Esaki, H, Kato, A, The Impact and Implications of

the Growth in Residential User-to-User Traffic. SIGCOMM’06, September 11–15, 2006, Pisa, Italy.

[15] Flener R. at all,. 2002. Java P2P unleashed. Sams. first edition, Indianapolis – USA.

[16] CERT. (Unpublished, 2006). Potential Vulnerabilities in Municipal Communications Network. Report dated May 2006.

Leonardo de Souza Mendes graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Gama Filho, Rio de Janeiro, em 1985. Em 1987 recebeu o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela Pontífice Universidade Católica do Rio de Janeiro. Em 1991 finalizou seu PhD em Engenharia Elétrica pela Syracuse University, USA. Em 1992 foi contratado pela Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC) da Universidade Estadual de

Campinas (Unicamp), onde atualmente é Professor Titular. Suas áreas de pesquisa são: Redes Metropolitanas de Acesso Aberto, Engenharia de Software e Engenharia Social com aplicações em e-Gov e e-Learning. Endereço: Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Sala LE11A, CEP: 13083-970 – Campinas – SP, Brasil. Telefone: +55 019 35213703, e-mail: [email protected].

Maurício Luis Bottoli graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, em 1996. Em 1999 recebeu o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP. Desde 2002 atua em projetos relacionados a sistemas de e_Learning. Atualmente atua como pesquisador no Laboratório de Redes e Comunicações da FEEC/UNICAMP onde coordena o

projeto Conexão do Saber. Endereço: Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Sala LE11A, CEP: 13083-970 – Campinas – SP, Brasil. Telefone: +55 019 35213703, e-mail: [email protected].

Gean Davis Breda se formou em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria, Brasil, em 1993. Recebeu seu título de mestre em 1996 e o de Doutor em Engenharia Elétrica e Computação em 2008, ambos pela Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Entre os anos de 1996 e 2002 trabalhou como Engenheiro de Sistemas em Telefonia Celular, CDMA/TDMA/WLL. Desde 2002 o foco do trabalho está na pesquisa e

desenvolvimento de aplicativos para Redes Metropolitanas. Seu trabalho inclui o projeto de Redes Metropolitanas de Acesso Aberto para diversas cidades no Brasil. Desde 2008 se juntou ao grupo de pesquisadores colaboradores da Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Unicamp. Endereço: Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Sala LE11A, CEP: 13083-970 – Campinas – SP, Brasil. Telefone: +55 019 35213703, e-mail: [email protected].


digital cities and open mans: a new communications paradigm · o desenvolvimento de uma open man....

Documents