CALIDAD DE SERVICIO (QoS) EN REDES MÓVILES AD HOC INALÁMBRICAS CON TRAFICO DIFERENCIADO

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1 CALIDAD DE SERVICIO (QoS) EN REDES MÓVILES AD HOC INALÁMBRICAS CON TRAFICO DIFERENCIADO Luis Lujan-Vega 1, David Valtierrez 1, Sandra Rodríguez Ríos 2, Ricardo Blanco Vega 2, Germán Acosta 1, Rafael Vazquez 2, Roció Nevarez 1, Alfredo Gómez Fong 1, Víctor Gonzalez 1 1 Departamento de Ingeniería en Sistemas Computacionales Instituto Tecnológico de Delicias Paseo Tecnológico Km (639) Cd. Delicias, Chihuahua. Cp lujanluis@gmail.com {alfgomez, rocionevarez2000, gdacostac, avaltierrez,sandra_rodriguez, gusnun}@hotmail.com 2 Departamento de Ingeniería en Sistemas Computacionales Instituto Tecnológico de Chihuahua II Av. Industrias 11101, Complejo Industrial. (614) Chihuahua, Chihuahua. {rblancovega, ralph_vazquez}@gmail.com Abstracto: Este artículo evalúa el rendimiento de la diferenciación de servicios (Diffserv) [18] en una red móvil Ad-Hoc (MANET) aplicando el modelo SWAN (Stateless Wireless Ad-Hoc Network) [1,13]. Los sistemas inalámbricos se han convertido en el segmento de mayor y más rápido crecimiento en las telecomunicaciones. Están empezando a ofrecer múltiples servicios con calidad (QoS): Conversaciones telefónicas, transferencia de ficheros, acceso a la web o la realización de videoconferencia, sin restricciones de lugar y de tiempo. Estos ejemplos de comunicación inalámbrica espontánea entre dispositivos se denomina redes Ad-Hoc. En realidad, la formación de redes Ad-Hoc como tal no es nueva, sino lo es nuevo es la forma de configuración y uso de sus elementos [6]. Una característica importante en estas redes es otorgar calidad de servicio en sus aplicaciones. Esto se logra mediante la diferenciación de paquetes y clasificándolos en un número pequeño clases de servicios (CoS) y utiliza mecanismos de prioridad para proporcionar una calidad de servicio adecuada a cada clasificación. Este estudio preliminar se realizo simulando MANET con trafico en tiempo real (RT) y trafico best-effort (BE), aplicando servicios diferenciados con el modelo SWAN [1] en el entorno del simulador ns2.[20] SWAN es un modelo de red sin estados, el cual usa algoritmos de control distribuidos para entregar servicios diferenciados en MANET de una manera escalable y robusta. Estos algoritmos aplican controles basados en retroalimentaciones para soportar servicios de tiempo real soft y servicios diferenciados en redes inalámbricas Ad Hoc. El modelo usa el rate control (rc) para trafico UDP y TCP best effort, y un admission control (ac) para trafico UDP de tiempo real. SWAN aplica la notificación explicita de congestionamiento (ECN) para regular dinámicamente trafico de tiempo real admitido. El novedoso aspecto de este modelo es que no requiere de QoS en la capa MAC. [12] I.- INTRODUCCIÓN Los sistemas inalámbricos han capturado la atención y la imaginación del publico, y se han convertido en el segmento de mayor y más rápido crecimiento en las telecomunicaciones, donde su principal consecuencia han sido dotar de movilidad a los nodos de la red al liberarlos de sus conexiones físicas (cableado), dichos nodos pueden funcionar de encaminadores y de anfitriones (Host) [5].Los sistemas inalámbricos también están empezando a ofrecer múltiples servicios con calidad (Quality of Service QoS-) como una conversación telefónica, la transferencia de archivos, acceso a la web o la realización de videoconferencia, sin restricciones de lugar y de tiempo. Estos ejemplos de comunicación inalámbrica espontánea entre dispositivos o nodos podría ser definido de manera informal como un esquema, al que a menudo se denomina formación de redes Ad Hoc, que permite a los dispositivos establecer la comunicación, en cualquier momento y en cualquier lugar. En realidad, la formación de redes Ad Hoc como tal no es nueva, sino lo es nuevo es la forma de configuración, de uso y de sus elementos [11,6].

2 1.1.- Redes Móviles Ad Hoc (MANET) Las redes Ad Hoc consisten en nodos móviles interconectados con enlaces de comunicación inalámbricos multisaltos que a diferencia de las redes inalámbricas convencionales, las redes Ad Hoc no tienen una infraestructura fija de red o administración central, donde la topología de estas redes cambia dinámicamente con nodos móviles entrando o saliendo de la red, y con consecuencias de que algunos enlaces de comunicación llegan a ser inválidos [4], por ello uno de los principales objetivos en este tipo de redes es encontrar una trayectoria que tenga suficientes recursos para satisfacer las limitaciones del retardo, ancho de banda, calidad de los datos multimedia (video, audio, etc.) y/o otras métricas [5] enviando paquetes hacia otros nodos y ejecutar las aplicaciones del usuario, adicionalmente también todos los nodos pueden ser móviles dinámicamente, creando una red inalámbrica auto-creciente, auto-organizada y auto-administrada. [11] Por lo tanto, las comunicaciones en estas redes se crearían únicamente por interacciones entre sus nodos móviles inalámbricos, usando esas interacciones para proporcionar el control de flujo necesario y funciones de administración, [4] pero siendo la comunicación degradada en alguno casos por la movilidad de sus nodos. Es decir, los nodos pueden entrar y salir de áreas de mayor. [4] Para mantener esas comunicaciones existen una serie de protocolos de encaminamiento, los cuales se muestran y describen a continuación (Figura 1): Figura 1: Clasificación de los protocolo en MANET Los protocolos proactivos: son aquellos que mantienen rutas a todos los nodos, incluyendo nodos a los cuales no se están enviando paquetes. Reaccionan a cualquier cambio en la topología incluso aunque no resulte afectado ningún tráfico por el cambio, y requieren mensajes periódicos de control para mantener rutas a todos y cada uno de los nodos de la red. El ritmo al que se envían estos mensajes de control debe reflejar la dinámica de la red a fin de mantener rutas válidas. Por lo tanto, los recursos escasos, tales como la energía y el ancho de banda del enlace, serán usados más frecuentemente para el tráfico de control a medida que aumente la movilidad del nodo. [6,21] Los protocolos reactivos: también conocidos como On demand son un procedimiento alternativo que comprende el establecimiento de rutas reactivas, lo que dicta que las rutas entre nodos se determinen solamente cuando se necesiten de forma explícita para encaminar paquetes. Esto evita que los nodos actualicen cada ruta posible de la red, y en vez de ello permite concentrarse o bien en las rutas que se están usando, o en las rutas que están en el proceso de ser establecidas. [6,22] Los protocolos híbridos: Son aquellos que combinan estrategias proactivas y reactivas de los protocolos antes mencionados. Esos protocolos dividen la red en zonas (clusters) y corren un protocolo proactivo dentro de esas zonas y corren un protocolo reactivo entre las diferentes zonas (interclusters). Este tipo de protocolo es mejor de aplicar en redes grandes donde se realiza un clustering frecuentemente. [5,6] Retos a superar en MANET. De una forma resumida y no por orden de importancia, son numerosos los retos que deben superarse para alcanzar los beneficios prácticos de las redes MANET, tales como: La calidad de servicio (QoS) solicitada por las aplicaciones multimedia. Que es afectada principalmente por el

3 retardo y por la administración del disponible ancho de banda. Métodos de control de acceso al medio efectivos( o canal) Administración móvil segura Encaminamiento efectivo (Throughput alto, pérdida nula o baja de paquetes, etc.) Conseguir elementos / equipos con potencia extremadamente baja para evitar tener que recargar frecuentemente la batería. Dispositivos de poco peso debido a que son portátiles y deben poder llevarse encima (wearable). Resolver el problema de las interferencias. Conseguir interoperabilidad entre los diferentes equipos que están moviéndose dentro en la red, a través de un eficiente modelo y protocolo de encaminamiento. Creación de contenidos en tiempo real. Y superar los factores ambientales que juegan un papel muy importante, no solo limitando la distancia entre dos nodos, sino agregándole ruido, interferencia y variedad de terrenos que obstruyen la señal. [8,11,17,18] Con la llegada de redes de altas velocidades en Giga bits por segundo (Gbps) que soporten un amplio rango de aplicaciones de comunicaciones intensivas y tiempo real, además requerimientos de QoS plantean nuevos retos para el desarrollo de sistemas de encaminamiento en redes Ad Hoc Seleccione la ruta de la red que tenga suficientes recursos para conocer los requerimientos de QoS de cualquier conexión admitida Realice una eficiencia global en la utilización de recursos Escalares, como el crecimiento de la red Que responda rápidamente a los cambios de la red Proporcione rutas libres de ciclos Minimice retardos (ruta más corta) Presente múltiples rutas para estar libres de congestión. 8.- Deben tener ejecución descentralizada. 9.- Ser eficientes en el ancho de banda Utilizar enlaces bidireccionales y unidireccionales Conservar la potencia. [3,4,6,10,11] Los protocolos deben probarse en escenarios donde el movimiento es al azar dentro de una área. Dentro de los escenarios reales se pueden encontrar: Conferencia Cobertura de eventos Área de desastres [15] II.- QoS EN REDES AD HOC El concepto de calidad de servicio (QoS) ha sido propuesto para evaluar las prestaciones cuantitativas y cualitativas de un conjunto de requerimientos de servicio que serán encontrados, otorgados y mantenidos por la red mientras transporta un paquete desde el origen al destino, siendo una función de la red satisfacer ese grupo de requerimientos en términos de retardo estático extremo a extremo (E2E), disponibilidad de ancho de banda, probabilidad de pérdidas de paquetes en una conexión.[3] Por ejemplo en multimedia esto puede incluir calidad de imágenes, o tiempo de respuesta, al hecho que una imagen fue producida o fue una respuesta a un estimulo ocurrido. La QoS puede estar delimitada por un conjunto de condiciones, las cuales pueden ser: Link constraints: especifican la restricción en el uso de los enlaces, por ejemplo: Tener ancho de banda disponible para cierta aplicación. Path constraints: especifica los requerimientos QoS extremo a extremo en una simple trayectoria. Tree constraints: especifica los requerimientos para un árbol multicast. [8] El costo de transporte y el rendimiento total de la red pueden ser incluidos como parámetros. El costo generalmente se describe en términos monetarios por proceso o en términos de tiempo usado en un proceso. Es frecuentemente el caso de que el costo será usado para poner los límites superiores e inferiores a las otras características. El costo de un enlace

4 también puede ser en función de la utilización del buffer o ancho de banda. El costo total de una ruta (árbol) es el total del costo de todos los enlaces en la trayectoria. La optimización del problema es encontrar la trayectoria con menor costo entre todas las rutas factibles. Obviamente que los recursos en la red de deben estar disponibles durante la invocación del servicio para la garantía QoS. La primera tarea esencial es encontrar una adecuada ruta a través de la red, entre el origen y el destino que tendrá los recursos necesarios disponibles para encontrar las características de QoS para el servicio deseado. La tarea de reservación recursos (pedir, identificar y terminar) es el otro ingrediente indispensable de QoS. [4] Características de los Enlaces con QoS para Esquemas de Tiempo Real Para tener tráfico en tiempo real como voz, video en vivo, debe mantenerse bajo ciertos límites el retardo total y la varianza del retardo, el cual se puede lograr reduciendo hasta donde sea posible el número de saltos, o encaminadores intermedios en el camino. Con cambios potencialmente impredecibles de topología en una red Ad Hoc este objetivo es difícil de lograr. Aunque existen aplicaciones en tiempo real Blandas (soft) presentan cierta tolerancia en cuanto a que los mensajes lleguen después de su deadline. Muchas de las aplicaciones multimedia están en esta categoría. Pero las aplicaciones de Tiempo Real Duras (hard) permiten imponer cualquier restricción para establecer la comunicación, pero una vez establecida no se permite que ningún mensaje llegue después de su deadline y mucho menos que se pierda mensajes. En esta categoría están las aplicaciones industriales por ejemplo que controlan robots o sistemas de seguridad. Una aproximación para otorgar calidad de servicio es diferenciar entre el conjunto de paquetes que circulan por la red. Cuando se desarrolló el concepto de conmutación de paquetes, se aplicó un servicio de mejor esfuerzo, el cual trata los paquetes sin hacer ninguna diferenciación entre los diferentes tipos de flujos. Todos los paquetes reciben la misma prioridad al momento de ser procesados por el planificador de paquetes el cual se encarga de decidir cual paquete es el que va a pasar primero al enlace. De esta manera, los paquetes son más sensibles a los retardos. [8]Una manera de mejorar este esquema del mejor esfuerzo, es tratar a los paquetes de manera diferente, tomando la decisión de cómo procesarlo dependiendo del contenido del encabezado del paquete. Los campos que son de utilidad en el encabezado para el manejo del paquete son los campos de dirección fuente y destino, el puerto de origen y destino, tipo de servicio (ToS) y el protocolo. El encaminador basándose en estos datos puede tomar una decisión de cómo procesar el paquete. Sin embargo, cuando la cantidad de paquetes es muy grande varios cientos o miles de paquetes por segundo- esto puede repercutir en el rendimiento del encaminador. Si existen similitudes entre diferentes paquetes, es posible clasificar los paquetes en grupos y tomar decisiones de cómo procesar los paquetes dependiendo del grupo al que pertenezca un paquete. Este mecanismo se logra reservando ciertos bits en el encabezado del paquete de hecho el campo de tipo de servicio del protocolo Ipv4 estaba reservado para este propósito- y definir en él, el tipo de servicio que se le debe aplicar al paquete de acuerdo a las políticas que s hayan especificado para ese propósito. [9] 2.2.-Servicios Diferenciados El modelo de Servicios Diferenciados se basa en tráfico sin reservación. Este modelo clasifica los paquetes en un número pequeño de tipos de servicios y utiliza mecanismos de prioridad para proporcionar una calidad de servicio adecuada al tráfico. El objetivo principal de este mecanismo es asignar el ancho de banda a diferentes usuarios en una forma controlada durante periodos de congestión. Este mecanismo se aplica igualmente a aplicaciones tradicionales basadas sobre TCP, tales como transferencia de archivos, accesos a bases de datos o Servidores de Web, y nuevas clases de aplicaciones tales como audio o video en tiempo real. [9] Los Servicios Diferenciados pueden proveer a los usuarios, una expectativa predecible del servicio que las redes le proveerá en tiempos de congestión, y permite que diferentes usuarios obtengan diferentes niveles de servicio de la red. [3,18]

5 III. SIMULACION CON EL MODELO SWAN (SERVICE DIFFERENTIATION IN STATELESS WIRELESS AD HOC NETWORKS) El objetivo de este punto es realizar estudios aplicando servicios diferenciados con el modelo SWAN [1,2,18] en el entorno del simulador ns2. [13] SWAN es un modelo de red sin estados, el cual usa algoritmos de control distribuidos para entregar servicios diferenciados en MANET de una manera escalable y robusta. Estos algoritmos aplican controles basados en retroalimentaciones para soportar servicios de tiempo real soft y servicios diferenciados en redes inalámbricas Ad Hoc. El modelo usa el rate control (rc) para trafico UDP y TCP best effort, y un admission control (ac) para trafico UDP de tiempo real. SWAN aplica la notificación explicita de congestionamiento (ECN) para regular dinámicamente trafico de tiempo real admitido. El novedoso aspecto de este modelo es que no requiere de QoS en la capa MAC, como puede verse en la figura 3.1. [3,9] Cada nodo dispone de mecanismos para poder clasificar los paquetes, conformarlos (si es necesario) y poner en marcha (en el caso de que sea preciso) un proceso denominado control de admisión. El clasificador [13] de un nodo se halla situado entre las capas MAC e IP (Véase la Fig 3.2) Y es capaz de diferenciar entre paquetes best-effort y de tiempo real. Esto es posible porque cuando se desea enviar un nuevo flujo de paquetes de tiempo real, primero se somete a dichos paquetes a un proceso denominado control de admisión con el fin de determinar si existen recursos suficientes para poder aceptar la nueva sesión de tiempo real. Figura 3.1 Capas del Protocolo con SWAN Figura 3.2 Mecanismo Clasificador de Paquetes 3.1 Metodología Utilizada El modelo se aplico en un entorno de simulación MANET con protocolo AODV (Figura 3.3), evaluando los parámetros de: Throughput, Retardo medio (E2E) y Jitter. El entorno de simulación considera los siguientes escenarios: Fuentes de video: 1 (Trafico de tiempo real) Fuentes de FTP: 19 (Trafico de tiempo no real o best effort) Área de simulación: 500x2500 mts. 40 nodos Tiempo de simulación de 400 seg. Tiempo de pausa de 20 seg. Movimiento Random Waypoint (RWP)

6 Figura 3.3 Metodología Utilizada IV Resultados y conclusiones Las trazas de resultados que dieron las simulaciones, fuero analizadas con el Trace Graph.[23] Y se obtuvieron las siguientes graficas donde se muestran las métricas mas importantes para evaluar la Calidad de Servicio aplicado a Trafico Real(TR) y Best Effort (BE). 19 Fuentes de tiempo real (video) y 1 de tiempo no real (FTP) Se observa que cuando esta activado el admission control (ac), el throughput de tiempo real aumenta debido a que se le da prioridad, y por lo tanto su retado medio y cantidad de paquetes perdidos disminuyen. Fig 4.1, pero el las prestaciones del trafico Best Effort disminuyen (Figura 4.2 y 4.3) y mejorando las de Tiempo Real (TR). Trafico Real Trafico BE Figura 4.1 Throughput

7 Trafico BE Trafico TR Figura 4.2 Jitter Trafico BE Trafico TR Figura 4.3 Delay E2E IV CONCLUSIONES Para redes inalámbricas móviles, las prestaciones de los protocolos de encaminamiento son afectadas por muchos factores, como la tecnología empleada, el comportamiento del nivel de enlace, movilidad, dispersión y velocidad de los nodos, etc. Por otro lado el modelo SWAN tuvo buenas prestaciones al tener baja tasa de paquetes perdidos, pero mostró un incremento en el retardo medio y jitter debido a su naturaleza reactiva con tamaño de paquetes de 512 bytes. Sus prestaciones se mantuvieron más estables y eficientes en los escenarios altamente dinámicos. También se observo que la aplicación de servicios diferenciados en MANET, mejora las prestaciones del tráfico en tiempo real, teniendo una mejor calidad de servicio extremo extremo. Algunas características de la arquitectura DiffServ, tales como la ausencia de un mecanismo de señalización que sobrecargue la red o la falta de reserva de recursos por flujo. Parecen convertir a este modelo en uno muy apropiado para su aplicación en redes ad hoc. Además. Un modelo de calidad de servicio distribuido sin estados como DiffServ. Se adapta mejor al entorno de una red ad hoc debido a sus propiedades inherentes tales como simplicidad. Escalabilidad y habilidad para hacer frente a las condiciones dinámicas de la red SWAN tiene la ventaja de que puede diferenciar correctamente servicios en redes ad hoc heterogéneas con capas f.iac correspondientes a distintas tecnologías Sin embargo, esto no significa que los mecanismos de calidad de servicio a nivel de la capa MAC para IEEE S02.11 no tengan su utilidad. De hecho, resultaría muy interesante implementar un modelo de calidad de servicio como SWAN en una red ad hoc donde el protocolo a nivel de la capa MAC fuera por ejemplo el IEEE S02.11e para observar la interacción entre ambos protocolos y mejorar la diferenciación de servicios

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