Estudio del encaminamiento basado en la estabilidad del enlace en protocolos de redes Ad Hoc

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE MÁLAGAM ESCUELA TÉCNICA T SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN Estudio del encaminamiento basado en la estabilidad del enlace en protocolos de redes Ad Hoc Realizado por: Irene Nieves PérezP Dirigido por: Eduardo Casilari Pérez

2 Índice Redes Móviles M Ad Hoc (MANETs). Protocolos de encaminamiento en redes Ad Hoc. Especificaciones DSR según n la norma. Protocolos de encaminamiento basados en potencia. Estudio por simulación. Conclusiones. Líneas futuras.

3 Redes Móviles M Ad Hoc (MANETs) Redes inalámbricas que no requieren infraestructura fija ni administración centralizada. Naturaleza dinámica. La topología a de la red cambia con el tiempo. Red inalámbrica multisalto. Necesidad de nuevos protocolos de encaminamiento.

4 Redes Móviles M Ad Hoc (MANETs) Dispositivos fuera de rango de transmisión necesitan de otros intermedios para establecer la comunicación. n. Dispositivos fuera de rango de transmisión necesitan de otros intermedios para establecer la comunicación. n.

5 Características MANET Características Topología a dinámica Requisitos energía Ancho de banda limitaco Tratamientos de seguridad Descripción Los nodos se mueven arbitrariamente con velocidades diferentes La topología de la red cambia. Algunos o todos los nodos cuentan con baterías as extraen la energía. Capacidad inferior redes fijas o cableadas. Efectos desvanecimientos, ruído do, interferencias Vulnerables sufren ataques o escuchas

6 Aplicaciones MANET (I) Trabajo colaborativo Ambito de los negocios redes de área personal teléfonos celulares, portátiles tiles Aplicaciones militares Uso en el campo de batalla de un territorio desconocido donde otras infraestructuras no pueden ser desplegadas.

7 Aplicaciones MANET (II) Situaciones de crisis Desastres naturales donde las intraestructuras existentes han sido inhabilitadas o destruídas das Aplicaciones civiles Redes de servicio de transporte, sensores de fuego, búsqueda b de personas, barcos, pequeñas aeronaves, etc

8 Pila de Protocolos MANET Debido a la naturaleza dinámica de las redes Ad Hoc,, no es viable la utilización n de protocolos de encaminamiento implementados para las tradicionales redes fijas

10 Encaminamiento Ad Hoc Protocolos Proactivos Proactivos: Cada nodo de la red mantiene costantemente actualizada información n de encaminamiento. Mínimo retardo. Alto consumo de ancho de banda. Alto overhead por mensaje de encaminamiento. Eficiente cuando la red es pequeña. Protocolos Reactivos: Encaminamiento bajo demanda, crean rutas sólo s cuando las necesitan. Consumen menos ancho de banda. Aumenta el retardo para conseguir una ruta. Overhead bajo. Protocolos Híbridos: H bridos: Combinación n de encaminamiento proactivo y encaminamiento reactivo. Reducen el retardo reactivo y disminuyen el overhead proactivo.

11 Principales Protocolos de Encaminamiento

12 Comparación Todos garantizan rutas libres de bucles. DSR y TORA permiten múltiples m rutas. DSR es el único que admite enlaces unidereccionales y no implementa broadcast periódico

14 DSR Protocolo de encaminamiento diseñado específicamente para redes Ad Hoc inalámbricas comunicación multisalto. Overhead bajo. Soporte para múltiple m rutas. Rutas libre de bucles. Asegura una tasa de reparto de paquetes de datos elevadas. Compuesto de dos mecanismos: Descubrimiento de ruta. Mantenimiento de ruta.

15 Descubrimiento de Ruta en DSR (I) Y Y A B H S C I E G F K J Z M D N L A B H S [S] C I E G F K J Z M D N L EL nodo iniciador del proceso transmite un paquete de petición n de ruta (RREQ) como paquete broadcast. Estos paquetes de broadcast serán n recibidos por todos los nodos que se encuentren denro del rango de transmisión n inalámbrico del nodo iniciador.

16 Descubrimiento de Ruta en DSR (II) Y Y A B H S E C [S,C] I [S,E] G F K J Z M D N L A B H S C I E F G [S,C,G] [S,E,F] K J Z M D N L En el nodo H se pueden producir colisiones al recibir paquetes RREQ procedentes de vecinos distintos como son B y C. Un nodo sólo s reenvía a el paquete RREQ si es la primera vez que lo recibe. C recibe un paquete de G y H que no será reenviado.

17 Descubrimiento de Ruta en DSR (III) Y Y A B H S C I E G F Z [S,E,F,J] M J D K [S,C,G,K] N L A B H S C I E G F K J Z [S,E,F,J,M] M L D N J y K reenvían el paquete al nodo destino D. Si dichas retransmisiones colisionasen, no se podría a repartir el paquete a D. El nodo D ya no reenvía a el paquete puesto que es el nodo destino. Nodos como Z, no recibirán n nunca RREQ procedentes de S porque se encuentra fuera de los correspondientes rangos de cobertura.

18 Descubrimiento de Ruta en DSR (IV) Y A B H S C I E Z RREP [S,E,F,J,D] F M J G D K N L Cuando el nodo destino recibe la petición n de ruta, devuelve un paquete de respuesta de ruta (RREP) al nodo iniciador del proceso que almacenará esta ruta en su caché. El paquete RREP se envía a hacia el origen siguiendo la ruta invertida que fue añadida a adida al paquete RREQ. Si no se puede, se iniciará un nuevo proceso de descubrimiento de ruta por parte de D.

19 Descubrimiento de Ruta en DSR (V) Buffer de envío o Contiene una copia de cada paquete que no se puede enviar porque el nodo no dispone de una ruta hacia el destino. Si al nodo que llega un RREQ, ya llegó recientemente otro RREQ con el mismo identificador de petición n y dirección destino se descarta el paquete. Si al nodo llega un RREQ cuya dirección n está incluida en dicho paquete se descarta el paquete. En otro caso se añade a ade la propia dirección n del nodo al paquete RREQ y se propaga mediante broadcast. El paquete RREP se puede enviar por la ruta invirtiendo la ruta del paquete RREQ si y solo si se consideran enlaces bidireccionales. Si los enlaces son unidireccionales, se inicia un proceso de descubrimiento de ruta para el RREP piggyback del paquete RREP dentro del paquete RREQ.

20 Mantenimiento de Ruta en DSR (I) A es responsable del enlace entre A y B, B será responsable del enlace entre B y C y así sucesivamente. Un mensaje acknowledgement (ack) proporciona confirmación n de si un enlace es capaz de soportar datos. Si C no recibe un ack de D después s de varias peticiones, devolverá un error de ruta (RERR) a A y a cualquier otro nodo que pueda usar dicho enlace de C a D.

21 Mantenimiento de Ruta en DSR (II) Cuando el nodo A recibe el error de ruta RERR elimina aquellas rutas que contienen el salto erróneo de su caché de rutas Para enviar otros paquetes al mismo destino E, A puede usar otra ruta a E que permanezca almacenada en su caché.

22 Mantenimiento de Ruta en DSR (I) A es responsable del enlace entre A y B, B será responsable del enlace entre B y C y así sucesivamente. Un mensaje acknowledgement (ack) proporciona confirmación n de si un enlace es capaz de soportar datos. Si C no recibe un ack de D después s de varias peticiones, devolverá un error de ruta (RERR) a A y a cualquier otro nodo que pueda usar dicho enlace de C a D.

23 Respuesta a peticiones de ruta usando la caché El nodo F recibe una RREQ para el nodo E y a su vez F tiene ya en e su caché una ruta desde él l mismo a E. La concatenación n de la ruta almacenada en el paquete RREQ y la encontrada en la caché de F, incluirá el nodo C duplicado. F en este caso editará la ruta para eliminar la duplicación.

24 Límite de saltos de RREQ y salvamento de paquetes Time-to to-live (TTL) Utilizado para limitar el número de nodos intermedios permitidos a los que reenviar la copia de un paquete RREQ. Parámetro que puede afectar a la carga de la red. Se proponen dos técnicas t usadas en las implementaciones de búsqueda de destino: Non-Propagating Expanding ring Salvaging Cuando un nodo intermedio que reenvía a un paquete detecta que el siguiente salto en la ruta original para ese paquete se ha roto, el nodo debe guardar ese paquete en lugar de desecharlo si dicho nodo contiene en su caché otra ruta alternativa hacia el destino del paquete.

25 Acortamiento de rutas automático tico Las rutas en uso se pueden acortar automáticamente ticamente si uno o más m nodos intermedios en la ruta llegasen a no ser necesarios. El nodo D escucha un paquete de datos que se está transmitiendo desde B a C. Si D está en la ruta fuente del paquete, D supone que el nodo anterior a él, es decir C, no se va a necesitar más. m D debe enviar una respuesta de ruta gratuitous a A con la nueva ruta sin pasar por C: A B D E

26 Establecimiento de flujos en Flujo DSR Ruta desde el nodo origen al nodo destino representada por cada uno de los reenvíos producidos salto por salto en cada nodo de la ruta. Identificado unívocamente por: Dirección n del nodo fuente Dirección n del nodo destino Identificador de flujo (flow ID) Pueden existir diferentes flujos para alcanzar un mismo destino. Uno de estos flujos es el que se considera como flujo por defecto. Utilidad de definir flujos: Se suprime la lista fuente de la cabecera del paquete reduce el overhead del protocolo.

27 Caché de rutas en DSR Cada nodo implementado en DSR debe mantener una caché. Añade información n conforme aprende nuevos enlaces entre nodos en la red. Elimina información n conforme aprende que enlaces en la red se han roto. Caraterística sobre otros protocolos como AODV capacidad para soportar almacenamiento de más m s de una ruta para cada destino en la caché. Distintas alternativas para buscar en la caché y seleccionar la mejor ruta de entre todas la encontradas hacia el destino. Tamaño o caché puede ser fijo o variable. Distintas políticas para el manejo de entradas y de reemplazos. Dos tipos de organización n de la caché: Organización n de tipo path cache Organización n de tipo link cache

28 Tablas en DSR Tabla de petición n de ruta Almacena información n sobre los RREQ que han sido generados o reenviados por un nodo. Tabla de respuestas de ruta gratuitous Almacena información n sobres RREP gratuitous enviados por ese nodo como parte del proceso de acortamiento de rutas automático. tico. Tabla de flujos Almacena información n acerca de los flujos que han sido utilizados por los paquetes enviados o reenviados recientemente por ese nodo. Tabla de identificadores de flujo por defecto Almacena información n para cada preja origen-destino para la cual un nodo reenvía a paquetes.

29 Formato cabecera de opciones DSR Incluida en la cabecera IP del paquete. Cabecera de opciones DSR Porci Porción n de longitud fija + secuencia de ceros o más m s opciones DSR.

30 Opción n de Petición n de Ruta Direcciones [1 n] n] Dirección n del i-ésimoi nodo grabado en la opción n de petición n de ruta.

31 Opción n de Respuesta de Ruta Direcciones [1 n] n] Ruta fuente que está siendo devuelta en la respuesta de ruta.

32 Opción n de Error de Ruta Tipo de error Node_Unreachable Flow_State_Not_Supported Option_Not_Supported Actualmente se definen

33 Extensión n de opciones para estado de flujo en DSR La extensión n para estado de flujo es opcional en DSR. Requiere un nuevo tipo de cabecera de estado de flujo de DSR. Cabecera Lleva información n del identificador de flujo y el contador de saltos del flujo que sigue el paquete

34 Generación n de un paquete Cuando se genera un paquete el nodo de encaminamiento debe buscar en su caché una ruta para la dirección n destino I. Si la encuentra selecciona una de ellas para enviar el paquete. El paquete no contendrá opción n de petición n de ruta. Si la longitud es mayor que 1 se insertará la opción n de ruta fuente DSR. II. Si no se encuentra alguna ruta en la caché se inicia un proceso de descubrimiento de ruta hacia dicho destino. a) Se añade a ade la opción n de petición n de ruta en la cabecera de opciones DSR del paquete y se reemplaza el campo de dirección n IP con la dirección n de broadcast. b) O se salva el paquete en el buffer de envío o y se inserta la petición n de ruta en otro paquete.

35 Procesado de un paquete recibido Cuando un nodo recibe un paquete reenviado, escuchado o como destino final I. Si el paquete contiene una cabecera de opciones DSR el nodo debe procesar cualquiera de las posibles opciones contenidas Opción n de respuesta de ruta Opción n de petición n de ruta Opción n de error de ruta Opción n de reconocimiento Opción n de ruta fuente II. Si la dirección n IP de la cabecera coincide con la dirección n IP del paquete El nodo elimina la cabecera de opciones DSR y todas las opciones DSR incluídas Pasa el resto del paquete al nivel de red

37 Rotura de enlaces Cuando una ruta se rompe hay que iniciar un nuevo proceso de descubri miento de ruta Generar nuevos paquetes de control con lo que se incrementa el overhead. Aumenta el retardo que sufren los paquetes para ser entregados en espera del nuevo descubrimiento de ruta Se pueden producir pérdidas p de paquetes Disminuye el rendimiento de la red Aumenta el consumo de potencia de los dispositivos móvilesm

38 Objetivo Objetivo protocolos de encaminamiento Mantener en funcionamiento la red tanto tiempo como sea posible. Se necesita por tanto que la duración de la ruta elegida por el protocolo de encaminamiento sea la máxima posible,, es decir, que el tiempo de vida de la ruta sea máximo. Parámetro del que depende la estabilidad del enlace la movilidad de los nodos. Un enlace se rompe un nodo sale fuera del rango de transmisión n del otro.

39 Tiempo de vida de las rutas Asunción: n: (I) Tiempo de duración n ruta Estabilidad ruta Tiempo de vida Ruta está compuesta de múltiples m enlaces inalámbricos Si uno se rompe, la ruta deja de ser útil. Probabilidad de fallo de un enlace P fallo_enlace (i) Probabilidad de fallo de una ruta compuesta de N enlaces: N P fallo _ ruta = 1 (1 Pfallo _ enlace(1)) i= 1

40 Tiempo de vida de las rutas (II) Reducir la tasa de fallos en rutas Disminuir la tasa de fallos de enlaces Disminuir el número n de enlaces que componen la ruta. Si se quiere reducir el número n de enlaces Se tiende a seleccionar enlaces entre nodos alejados Incrementa tasa de fallos de los enlaces. Si se seleccionan enlaces cortos Ruta total tiene mayor número de nodos Incrementa el retardo y la tasa de error de los paquetes debido a colisiones.

41 Tiempo de vida de las rutas (III) Ruta con enlaces alejados. Envío o de paquetes con bajo retardo Un pequeño o movimiento de un nodo rompería a la ruta incrementando el retardo total de transmisión Ruta con enlaces cercanos. Longitud total de la ruta es mayor pero los enlaces son másm estables Se pueden producir más m s errores de transmisión n en los paquetes

42 Tiempo de vida de las rutas (IV) En una red Ad Hoc de alta densidad Las rutas más m s cortas compuesta de enlaces alejados suelen ser más m s inestables. Los nodos están n localizados en el borde del rango de transmisión de otros nodos. Un pequeño o movimiento provoca la rotura del enlace Efecto borde (edge effect) Conocimiento a priori sobre la rotura de rutas Reconfiguración anticipada incrementa overhead Reconfiguración retrasada incrementa retardo

43 Modelos de movilidad (I) El tiempo de vida de las rutas depende Velocidad de los nodos Dirección n de movimiento de los nodos El modelo de movilidad de los nodos juega un papel esencial en el encaminamiento Ad Hoc. Si el patrón n de movimiento es determinista Se puede determinar analíticamente el tiempo de vida de las rutas. Resulta altamente improbable. Si el patrón n de movimiento es aleatorio Sólo se puede hacer una estimación n del tiempo de vida. Análisis probabilístico stico.

44 Longevidad de las rutas en función n de los modelos de movilidad Varios modelos para estudiar sus efectos en la longevidad de las rutas. Algunos tienen soluciones analíticas y otros no. Determinista Parcialmente determinista Movimiento de Brownian Movimiento Brownian con deriva Random Waypoint

45 Protocolos basados en potencia (I) Si se consigue predecir el movimiento de los nodos se podrían conseguir rutas más estables. Actualmente existen métodos para conocer la posición de los nodos en cada instante de tiempo: GPS (Global Position System) Costoso Se intentan buscar alternativas que de forma indirecta proporcionen información acerca de dicha posición. Potencia de la señal recibida

46 Protocolos basados en potencia (II) Objetivo protocolo basados en potencia: Conseguir rutas más estables Algunos ejemplos: SSA (Signal Stability-Based Adaptive Routing). RABR (Routelifetime Assessment Based Routing). RFCP (Route Fragility Coefficient Protocol). MPSR (Multipath Power Sensitive Routing Protocol). FAR (Flow Augmentation Routing Protocol). OMMP (Online Max-Min Routing Protocol). PLRP (Power-Aware Localized Routing Protocol). MERP (Minimum Energy Routing Protocol).

48 SIMULADORES DE REDES Cada vez más m s necesarios Simuladores de redes actuacles GloMoSim (Global Mobile Information System Simulation Library) NCTUns (National Chiao Tung University of Taiwan Network Simulator) OMNeT++ (Objective Modular Network Tetbed in C++) OPNET (Optimized Network Engineering Tools) NS-2 (Netowrk Simulator-2)

49 NS-2 2 (Network( Simulator 2) Simulador de eventos discretos Implementa los principales protocolos como IP, TCP, UDP, FTP, HTTP Permite tasa de tráfico constante CBR y variable VBR. Funciona tanto para redes fijas como inalámbricas. Amplia elección n en cuanto a escenarios de simulación. Posee interfaz gráfico de usuario conocido como NAM. Software libre. Herramienta pionera en su campo y por tanto muy divulgada.

50 NS-2 2 (Network( Simulator 2) Desarrollado por la universidad de Berkeley en C++ t OTcl (Lenguaje de scripts orientados a objeto). Actualmente forma parte del proyecto VINT. Estructura básica b del NS

51 Generación Script (I) Para simular los escenarios de simulación n en este proyecto se necesitó generar scripts. Definición opciones canal, tipo de propagación, tipo de interfaces de red y capa MAC, disciplinas de cola, tipos de antenas de los nodos, dimensiones topología escenarios, número n de nodos a simular, tiempo de simulación Crear instancia objeto simulador crean nodos y enlaces, conectan componentes de red creados, crean conexiones entre los agentes Crear objetos de trazas construyen archivos de salida de la simulación n y directorio de trabajo donde se alamacenan. Crear objeto simulador de eventos almacena información n global sobre el estado del medio, la red o los nodos.

52 Generación Script (II) Generación n de scripts: Creación n de nodos y su configuración posicionamiento en el entorno de simulación n y dotación n de dirección n y velocidad de movimiento. Generación n de tráfico comportamiento del escenario NS proporciona herramientas para la generación automática Generador de movimiento de los nodos Random Waypoint Generador de tráfico CBR.

53 Análisis de los resultados generados Después s de arrancar la simulación, NS genera unos archivos de salida que contienen los resultados del análisis. Archivo con extensión n.tr. Archivo con extensión. n. nam Misma información pero en formato distinto Estudio de ficheros resulta largo y tedioso Análisis ejecutando programa en lenguaje PERL (Practical Extraction and report Languaje) - Utilizado para filtrar, obtener información n de ficheros y realizar búsquedas. Se empleó en este proyecto para: - Filtrado por tráfico CBR (paquetes de datos y control) - Filtrado por nivel de red - Filtrado por paquetes enviados y recibidos - Almacenamiento datos en estructura de tipo HASH

54 Modificación n de la implementación n de DSR Modificación n de la cabecera de los paquetes para almacenar información n sobre la potencia de recepción n de dicho paquete en un nodo Creación n de un nuevo campo de potencia y métodos m para acceder a ella (lectura y escritura) Desarrollo software para inicialización n y actualización n de dicha potencia Modificación n de la estructura de rutas usada por DSR. Implementación n propiedad de potencia asociada a cada ruta Modificación software para inicialización n y actualización n de dicha propiedad Desarrollo software para inserción n de rutas en la caché de rutas de DSR. Diseño software para elección n de rutas en la caché: Modificación n del tipo de búsqueda b de rutas en la caché Elección n de ruta deseada

55 Objetivos Dos nuevas estrategias de encaminamiento CMPM o Camino de Máxima M Potencia MínimaM CMSMPM o Camino de Menor Número N de Saltos con Maxima Potencia MínimaM Parámetros a medir para la evaluación n de estas nuevas métricas m de encaminamiento Porcentaje de pérdidas p de Paquetes Parámetro opuesto al PDR (Packet Delivery Ratio) Retardo Extremo-Extremo (End-To-End Delay) Sobrecarga (Overhead)

56 Escenarios de Simulación Área de simulación Nº Terminales Patrón de movilidad Modelo de tráfico Tiempo de simulación Rango transmisión inalámbrico Nº de ejecuciones por punto Protocolo Ad Hoc Tamaño cola interna Nivel de enlace Modelo de Propagación 1500m x 300m 50 Modified Random WayPoint Velocidad máxima = [1,10] m/s Velocidad mínima = 1 m/s 10 fuentes CBR Tasa = 10 paquetes/s Tamaño de paquete = 512 Bytes 1000 s 250m 3 DSR 64 paquetes b RTS/CTS habilitado Espacio Libre

57 Resultados: Porcentaje de paquetes recibidos

58 Resultados: Retardo

59 Resultados: Sobrecarga

61 Conclusiones El comportamiento de las redes Ad Hoc se ve afectado por diverso parámetros, en especia, por el movimiento de los nodos. No siempre la elección n de la ruta por menor número n de saltos es la mejor aunque es un factor importante. Una mejora en la estabilidad de los enlaces provoca: Un aumento del tiempo de vida de las rutas. Reducción n del overhead asociado. Disminución n de la probabilidad de colisiones de los pquetes Se reduce el retardo promedio que tarda un paquete en ser entregado a su destino Se ha escrito un artículo firmado por A.Triviño, I.Nieves, E.Casilari,FJ.. González y titulado Routing Ad Hoc basado en la estabilidad de las rutas aceptado en la URSI Oviedo

62 Líneas Futuras Simulaciones con distintos parámetros de la red, trafico tiempo de pausa de los nodos, distintos patrones de movimiento Mismo diseño o de elección n de rutas usando otra alternativa de estructura de la caché basada en links. Modificaciones a las métricas m de encaminamiento Respuesta a paquetes RREQ en base al campo de tiempo de vida (TTL) como alternativa a la potencia de recepción. Sondeo de la distancia entre nodos viendo el tiempo de respuesta a paquetes enviados. En función n a este tiempo se pueden seleccionar rutas más m s estables.

63 Fin