Um Protocolo Geográfico para Restringir as Mensagens de Descoberta e Resposta de Serviços em Redes Móveis Cooperativas

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1 Um Protocolo Geográfico para Restringir as Mensagens de Descoberta e Resposta de Serviços em Redes Móveis Cooperativas Janine Kniess 1,2, Orlando Loques 1 & Célio V. N. 1 1 Instituto de Computação Universidade Federal Fluminense UFF Rua Passo da Pátria Niterói, RJ - Brasil {jkniess loques celio }@ic.uff.br 2 Departamento de Ciência da Computação Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC Campus Universitário Prof. Avelino Marcante s/n - Joinville, SC Brasil {janine}@joinville.udesc.br Abstract Service Selection in service discovery protocols has an important effect on wireless multi-hop ad hoc networks (MANETs) performance. This work proposes a service selection mechanism based on localization to reduce the redundant replies in these protocols. The mechanism dynamically selects the best resource providers during the reply transmissions. This solution takes into account the following aspects: geographic position of the requesting node and of the service providers, nodes speed and the number of service providers requested. Another issue addressed in this work is a service discovery mechanism that adjusts the search area for each request. This mechanism consider the requesting node localization, the request response time and the maximum nodes speed. Our results show that both mechanisms make it possible to reduce the message request and reply overhead from the network. Keywords: Discovery and Seletion Service, Cooperative Wireless Ad Hoc Networks Resumo Seleção de serviços em protocolos de descoberta de serviço tem um efeito substancial no desempenho de redes ad hoc móveis sem fio de múltiplos saltos (MANETs). Neste artigo é proposto um mecanismo de seleção de Uma versão preliminar deste trabalho foi publicada no SBRC 29 [1] serviços baseado em localização para reduzir a disseminação de mensagens de resposta nestes protocolos. O mecanismo seleciona durante o encaminhamento as respostas dos melhores provedores considerando: a distância geográfica entre o requisitante e os provedores do serviço, a velocidade do nós e o número de provedores do serviço solicitado. Outra contribuição deste artigo é um mecanismo de descoberta de serviços que ajusta uma área de busca para cada pedido com base na localização onde o serviço é necessário, no tempo para atendimento do pedido e na velocidade máxima dos nós. Os resultados mostraram que estes mecanismos possibilitam melhorar o desempenho da rede através da redução das mensagens de requisição e resposta de serviços. Palavras-chave: Descoberta e Seleção de Serviços, Redes Ad Hoc Móveis Sem Fio Cooperativas 1. INTRODUÇÃO Redes ad hoc móveis sem fio (Wireless Mobile Ad Hoc Network-MANETs) são constituídas por dispositivos móveis e operam na ausência de uma infraestrutura fixa. Uma MANET pode ser criada rapidamente e com baixo custo em áreas onde a infraestrutura de comunicação não existe ou é precária. Comparada com as redes fixas e infraestruturadas, MANETs têm características singulares. A formação da topologia de rede é dinâmica e indepen-

2 dente, podendo os dispositivos computacionais participar ou sair da rede a qualquer momento, formando cenários de compartilhamento temporários. Essa perspectiva de compartilhamento cria formas inovadoras de utilização dos dispositivos sem fio em vários âmbitos: campos de batalha, serviços de emergência, e de busca e resgate pós-desatres naturais, tais como inundações ou terremotos [15]. Com a demanda de aplicações para MANETs, o número e a variedade de serviços proporcionados por essas redes estão aumentando continuamente. Um componente essencial para a usabilidade dessas redes é a descoberta de serviços. Em outras palavras, é preciso dotar os dispositivos móveis de meios para localizar os serviços oferecidos por qualquer nó da rede, anunciar seus próprios serviços, bem como, selecionar e invocar o serviço mais apropriado. Uma vez localizado o serviço, o usuário poderá acessá-lo. A descoberta de serviços em MANETs envolve vários desafios impostos pela instabilidade da rede (mobilidade e falhas) e pela escassez de recursos dos dispositivos móveis, como, por exemplo, memória, processamento, energia e variabilidade do canal de comunicação (taxa de dados, atraso, entre outros). Os desafios relacionados a MANETs são ainda maiores quando se consideram cenários com múltiplos saltos. Em MANETs formadas por grupos de colaboração temporários (equipes de resgate), os dispositivos móveis podem ter uma faixa de transmissão limitada pela tecnologia do dispositivo ou por obstáculos no caminho, impedindo alguns nós de se comunicarem diretamente com outros. Nesses cenários [14], a comunicação pode ocorrer através de múltiplos saltos e cada nó da MANET tem a responsabilidade de atuar como um roteador. Em MANETs de múltiplos saltos, a disponibilidade de serviços e recursos pode apresentar uma alta volubilidade, em comparação aos cenários de redes fixas e redes sem fio ad hoc de salto único. Uma abordagem comum usada pelos protocolos existentes para descoberta de serviços em MANETs para encaminhar a mensagem de requisição é usar os mecanismos de difusão por broadcast ou por multicast na camada de aplicação. Assim, através de broadcast, as mensagens são enviadas para todos os nós da rede, ou, através de multicast, um mecanismo de disseminação seletiva determina que um grupo de nós receba a mensagem. Essa técnica é comumente empregada porque a localização dos provedores de serviço não é previamente conhecida. Além disso, pode facilmente garantir a distribuição das mensagens para os provedores. Algumas ideias para descoberta de serviço propõem integrar as funcionalidades da descoberta de serviço com o mecanismo de roteamento das MANETs, a fim de minimizar o número de mensagens de descoberta transmitidas. Entretanto, essa abordagem limita a interoperabilidade do protocolo de descoberta em relação ao protocolo de roteamento. Nesse sentido, apesar das vantagens de usar um mecanismo por difusão, como independência quanto as informações de roteamento e distribuição da mensagem de requisição para o maior número de provedores aptos possíveis, o resultado de uma requisição para um serviço pode conter informações de vários provedores do mesmo serviço. Neste contexto, o ideal é que o(s) melhor(es) provedor(es) seja(m) selecionado(s), sem que haja a necessidade de interferência do usuário. Muitos esforços foram concentrados na área de descoberta de serviço. Entretanto, poucos protocolos consideram o desenvolvimento de mecanismos de descoberta com seleção de serviços. Seleção de serviços pode ser categorizada em seleção automática ou seleção assistida pelo usuário. Na seleção automática, o mecanismo escolhe automaticamente um ou mais serviço(s) entre os que atendem à consulta. Na seleção assistida pelo usuário, ou manual, o mecanismo retorna ao cliente a lista dos provedores que atendem à consulta, e o próprio cliente é quem deve realizar a seleção do mais adequado. A seleção de serviços apresenta-se como um aspecto importante no desenvolvimento de um protocolo de descoberta de serviços em ambientes dinâmicos, como das MANETs com múltiplos saltos. Para atender essa demanda, neste artigo é proposto e avaliado um protocolo de descoberta de serviços baseado em localização, denominado Location Aware Discovery Service (LADP). O protocolo LADP integra um mecanismo de seleção de serviços, automático, distribuído e ciente de localização (Location Aware Service Selection - LASS) com o objetivo de reduzir as mensagens de respostas em protocolos de descoberta para MANETs. O cenário alvo deste trabalho considera o uso de MANETs auxiliando equipes na busca e resgate em áreas vítimas de desastres naturais. Neste cenário identificouse que alguns aspectos são essenciais para o sucesso do atendimento, tais como: localização geográfica onde um serviços é solicitado; o tempo limite especificado para atendimento deste pedido (assume-se que o provedor tem que chegar no local do pedido dentro de um tempo máximo pré determinado); a velocidade de deslocamento do nó provedor do serviço até o local onde o serviço é requerido; e o número de provedores de serviços que devem ser disponibilizados. O mecanismo LASS leva em conta os aspectos citados para eliminar respostas excedentes da rede. Ao receber uma resposta, o nó verifica se a quantidade de respostas já tratadas por ele, associada a mesma requisição de serviços é maior que o número de provedores desejados. Além do número de provedores, o nó compara o tempo de deslocamento do provedor da última resposta anteriormente armazenada. Se um valor menor for obtido o nó encaminha a resposta. 24

3 Outra contribuição deste artigo é o mecanismo de descoberta de serviços ciente de localização (Location Aware Discovery Service - LADS). O mecanismo ajusta uma área de busca independente para cada pedido com base na localização de onde o serviço é solicitado, no tempo máximo para atendimento de uma requisição e na velocidade máxima dos nós. Este esquema pode auxiliar o mecanismo de seleção de serviços, LASS, na redução de mensagens da rede, uma vez que somente os nós aptos, isto é, aqueles que têm velocidade suficiente para chegar ao local onde o serviço está sendo solicitado em tempo hábil enviam resposta. Este artigo, além da introdução está organizado da seguinte forma. A Seção 2 apresenta o cenário de motivação e as principais propostas em descoberta de serviços existentes para MANETs. A Seção 3 introduz os mecanismos: Location Aware Discovery Service (LADS) e Location Aware Service Selection (LASS). A Seção 4 descreve a avaliação e os resultados. A Seção 5 apresenta as conclusões finais do trabalho. 2. MOTIVAÇÃO Esta seção apresenta um cenário de aplicação alvo dos mecanismos propostos neste artigo. Com base neste cenário, os desafios da pesquisa serão discutidos. Uma visão geral dos trabalhos relacionados será apresentada em seguida CENÁRIO ALVO DE APLICAÇÃO O terremoto que ocorreu na China em maio de 28 é usado neste trabalho como um exemplo de cenário de aplicação. Um grande terremoto medindo 8. na escala Richter teve seu epicentro em Wenchuan, na província de Sichuan, China. Wenchuan tem uma área de 484 km 2 e uma população de 16,119 habitantes. As estradas que conduzem ao local do epicentro foram bloqueadas por rochas que desabaram e a comunicação foi perdida. Milhares de toneladas de produtos químicos foram expostas e houve vazamento de material radioativo [2]. Nesse cenário, tanto o acesso às áreas isoladas, quanto a identificação de sobreviventes, e de eventos(focos de incêndio, vazamento de gás, etc.) é bastante difícil. Equipes especializadas em salvamento e resgate encontram-se distribuídas na área afetada. Neste contexto, conjectura-se que as equipes de resgate (formadas por humanos, veículos ou mesmo robôs) interconectadas por uma rede ad hoc móvel sem fio, poderia contribuir de forma significativa na identificação de eventos, bem como para o resgate de sobreviventes. Cada elemento móvel da equipe de resgate (denominado aqui de nó da rede), transporta um dispositivo para comunicação e pode atuar como um provedor ou requisitante de serviços, ou somente como participante da comunicação. Os provedores são os nós que disponibilizam recursos e os requisitantes os que solicitam serviços. Um recurso pode ser um carro do Corpo de Bombeiros, uma ambulância, um robô com a habilidade de alcançar áreas inacessíveis para um humano, ou um paramédico transportando um medicamento, entre outros. Os mecanismos propostos neste artigo focam em descoberta de serviço neste tipo de cenário DESAFIOS No cenário alvo, os nós da rede conhecem sua posição geográfica através de um sistema de localização à semelhança de um GPS e e assume-se que os nós possuem relógios sincronizados. Admitindo-se que no local da calamidade exista um sensor coletando informações do ambiente, os dados obtidos a partir da identificação de um fenômeno, por exemplo, o vazamento de algum tipo de gás, serão transformados em uma descrição do evento observado. Em seguida, partindo de algoritmos especializados, o sensor deduz que é necessário um provedor capaz de atuar em poucos minutos naquela área. Após a identificação do recurso necessário, o sensor envia para a rede a mensagem de requisição, buscando o recurso necessário. Um requisitante pode solicitar na mensagem de descoberta um ou mais provedores para o atendimento do pedido e especificar o tempo máximo para o atendimento da requisição. No cenário alvo, o tempo de atendimento, ou seja, o tempo que os provedores levam para chegar ao local do evento, é essencial para o sucesso do atendimento. A descoberta de serviço nesse contexto envolve alguns desafios. O primeiro é garantir a transmissão e a recepção da informação de descoberta, considerando a imprevisibilidade da topologia da rede. O segundo desafio é lidar com o desconhecimento mútuo dos nós quanto à sua localização. E o terceiro desafio é que somente os nós capazes de se deslocar ao local onde o recurso é necessário, dentro de um tempo limite, serão úteis no processo de descoberta, enviando a resposta para o requisitante TRABALHOS RELACIONADOS Diversos trabalhos na literatura tratam do problema da descoberta de serviços. Cronologicamente, podem ser citados os protocolos para redes fixas, Jini [8], Salutation [19] e SLP [6], outros como, Bluetooth SDP [16] e o DEAPspace [17] para redes sem fio ad hoc de salto único. Essas soluções não são viáveis para ambientes de larga escala e descentralizados, como por exemplo, o cenário apresentado na Seção 2, nos quais, existe a possibilidade de formação de redes ad hoc de saltos múltiplos. Nesta última classe, destacam-se os protocolos GSD (Group-based Service Discovery) [3], Allia (Alliance) [18], Konark Gossip [7], ORION (Optimized Routing In- 25

4 dependent Overlay Network) [9], o protocolo FTA (Field Theoretic Approach) [11], o protocolo P2PDP [13] e as abordagens cross-layer, de Varshavsky et al. [25] [21], de Lamont et al. [25] Lightweight Service Discovery [12] e de Athanaileas et al. [27] [1]. Uma estratégia geralmente não considerada na maioria das abordagens para descoberta de serviços é a seleção automática de serviços. Um mecanismo eficiente de seleção de serviços pode exercer um importante papel no desempenho da rede, pois possibilita que as melhores respostas sejam filtradas entre todas possíveis antes destas alcançarem o nó requisitante. Dentre as abordagens para MANETs de múltiplos saltos mencionadas, somente os protocolos oferecidos por: [1], [11], [13] e [21], disponibilizam um mecanismo para seleção automática de serviços. A abordagem FTA baseia-se na teoria de campos eletrostáticos. As requisições para uma instância de um dado tipo de serviço são encaminhadas seletivamente na direção do provedor que gerou o maior gradiente de campo, de forma similar ao roteamento de mensagens anycast. Contudo, essa abordagem não escala bem quando são disponibilizados diferentes tipos de serviços. Esta limitação é resultado do fato que os provedores necessitam trocar periodicamente mensagens de atualização do valor da capacidade do serviço por meio de um mecanismo de inundação. Cada tipo de serviço tem uma capacidade específica. Outra limitação dessa proposta é que apenas uma resposta para o serviço requisitado é enviada ao nó que emitiu o pedido. Em [1] e [21], a função de seleção de serviços é integrada ao mecanismo de roteamento em uma abordagem denominada de cross-layer. Em [21], o critério de seleção é a menor distância em número de saltos entre o requisitante e provedor, e a seleção ocorre somente quando as respostas chegam ao nó que originou a requisição. O protoloco descrito por [1] realiza a seleção de serviços através de duas métricas: distância em número de saltos e a energia residual dos nós. Neste protocolo o requisitante também recebe uma única resposta. O trabalho proposto por [13] é o que mais se assemelha com a proposta deste artigo. Em Lima et al. [27] é apresentado o mecanismo SbV (Suppresion by Vicinity) que permite suprimir automaticamente durante o encaminhamento as respostas excedentes. Entretanto, esse mecanismo não considera aspectos que são essenciais para o cenário de motivação apresentado na Seção 2, como por exemplo, a velocidade de deslocamento dos nós, o tempo máximo para deslocamento do provedor ao local onde o recurso é necessário e a localização geográfica entre requisitantes e provedores. Outro aspecto que diferencia a abordagem proposta neste artigo com o SbV, é que no SbV as respostas são encaminhadas até o dispositivo requisitante por broadcast salto a salto no nível da aplicação. No esquema de broadcast salto a salto, todos os vizinhos do dispositivo respondente escutam sua resposta. Essa resposta, porém, só pode ser retransmitida, também por broadcast pelos dispositivos ao longo do caminho reverso percorrido pela requisição. Os demais dispositivos, descartam a resposta. Em MANETs envolvendo topologias altamente dinâmicas, a rápida mudança da topologia de rede e a presença de falhas de hardware ou software, pode inviabilizar a aplicabilidade desse conceito. No LASS o encaminhamento das respostas fica a cargo do protocolo de roteamento, contudo, o mecanismo não guarda informações sobre os nós que participaram do processo de descoberta (por onde a mensagem passou) para filtrar as respostas. 3. PROTOCOLO PARA DESCOBERTA DE SERVIÇOS BASEADO EM LOCALIZAÇÃO Nesta seção, apresentam-se os mecanismos para descoberta e seleção de serviços propostos no LADP. O primeiro é um mecanismo que atua na fase de descoberta de serviços, denominado Location Aware Discovery Service (LADS). O segundo, um mecanismo de seleção de serviços automático e distribuído, denominado Location Aware Service Selection (LASS), que escolhe, de forma seletiva, as melhores respostas e descarta as excedentes durante o seu encaminhamento pela rede Location Aware Discovery Service (LADS) Esta seção descreve a estratégia adotada pelo mecanismo de descoberta de serviços LADS para limitar o escopo da busca para cada pedido individualmente e para reduzir o número de mensagens de descoberta. Seja S o conjunto de nós pertencentes à rede, o mecanismo de descoberta Location Aware Discovery Service (LADS) dimensiona o raio de busca R i, com base na velocidade máxima, vmax (parâmetro com valor conhecido para cada tipo de provedor de recurso), que um nó pode atingir e no tempo máximo para atendimento da requisição, tmax. LADS compõe um subconjunto S S para cada requisição de descoberta enviada por um requisitante i S diante da necessidade de promover uma descoberta de serviços para outros nós na rede. O raio R é dado pela equação: R i = v max t max. (1) O mecanismo define o raio de busca com base em vmax para que o raio inclua o maior número de provedores aptos possíveis. A mensagem somente irá trafegar pela área limitada por R i. Dado o par (i,j), sendo i S o nó requisitante, e j S o nó provedor, assumiu-se que a velocidade de deslocamento dos nós provedores é conhecida. O Algoritmo 1 descreve este mecanismo. 26

5 Algoritmo 1 Descoberta de serviços (LADS) nó j 1: ProcessDiscovery(i, coord X, coord Y, tmax, s) 2: j recebe mensagem (msg) ServDisc() do nó i, requisitando o serviço s 3: if d ij > R then 4: Discard(msg) 5: else if d ij /v j <= tmax then 6: if FindResource(s) then 7: if not (busy) then 8: Send ServResponse() 9: end if 1: end if 11: end if Na mensagem de descoberta ServDisc(), o nó requisitante envia as seguintes informações: uma identificação do nó; sua coordenada geográfica, coord X, coord Y ; o tempo máximo para atendimento da requisição, tmax; o serviço procurado, s; e o número de provedores desejado. LADS provê um mecanismo de descoberta reativo. Os nós atendem aos pedidos sob demanda. Por exemplo, na Figura 1, caso o nó i identifique a necessidade de um recurso, envia uma mensagem de descoberta de serviço(1) para a rede. Os nós vizinhos de i recebem a mensagem e a reencaminham sucessivamente, porém, somente os nós aptos respondem. Neste cenário, supondo que o nó j receba a requisição(2) do nó i, o algoritmo LADS verificará a distância euclidiana 1 (d ij ) entre os dois nós. Se d ij > R, a requisição é descartada por j, admitindo-se que esse nó esteja fora do raio de interesse. Caso contrário, se d ij R, o algoritmo verifica se o nó j tem velocidade de deslocamento suficiente para chegar ao local do evento dentro do tempo limite, se possui o recurso procurado e se o nó está disponível no momento. A equação 2 garante que somente os nós com velocidade de deslocamento suficiente para atender o pedido dentro do tempo máximo respondam à requisição enviada por i. Se a restrição dada por 2 for satisfeita, o nó j envia uma mensagem de resposta(4), para o nó i. d ij /v j <= t max. (2) Admite-se que os nós da rede têm velocidade máxima de deslocamento conhecida. Se j tem o recurso, mas v j é insuficiente, j não envia resposta para i, e apenas encaminha a mensagem de requisição para seus vizinhos na rede. Esse mecanismo evita transmissões de mensagens de resposta desnecessárias na rede. 1 O uso da distância euclidiana é uma simplificação do cálculo da trajetória. O desenvolvimento de um modelo mais apurado que inclui, por exemplo, obstáculos no caminho está em andamento. Figura 1. Funcionamento do protocolo Location Aware Selection Service (LASS) Como resultado do processo de descoberta, múltiplos provedores podem responder a uma requisição de serviço. O mecanismo LASS usa a informação de localização dos nós, o número de provedores solicitado pelo requisitante e a velocidade de deslocamento do nós para selecionar e descartar as respostas. Por exemplo, na Figura 1, quando o nó k(nó intermediário), recebe a resposta(5) do nó m para uma dada requisição, verifica se já encaminhou o número máximo de respostas (n provedores ) solicitado pelo requisitante. Se o número máximo foi alcançado, o nó k descarta essa resposta. Caso contrário, o nó k compara o tempo de deslocamento do nó m com o tempo de deslocamento da última resposta encaminhada para aquela requisição, por exemplo, do nó j(4). O nó k tem as respostas de j armazenadas. Se (d im /vm) (d ij /v j ), a resposta é encaminhada para o nó requisitante i(6). Essa restrição possibilita que o mecanismo LASS reduza o número de mensagens de resposta que trafegam na rede. Os resultados apresentados na Seção 4, demonstram que a taxa de sucesso de descoberta de serviço não foi afetada negativamente pelo mecanismo de seleção de serviços. O mecanismo de seleção de serviços é apresentado no Algoritmo 2. Na mensagem de resposta, ServResponse(), o provedor envia sua coordenada geográfica e sua velocidade de deslocamento. Se as restrições dadas nas linhas 6 e 7 do Algoritmo 2 forem atendidas, o nó receptor reencaminha a mensagem de resposta para seus vizinhos. Quanto ao encaminhamento das respostas pelos nós receptores, vale ressaltar, que as respostas repetidas (já tratadas para um determinado provedor) são descartadas. O mecanismo LASS pode ser usado de forma independente do mecanismo LADS em protocolos de descoberta de serviços para MANETs. Por exemplo, o 27

6 Algoritmo 2 Seleção de serviços (LASS) nó k 1: ProcessResponse(m, coord X, coord Y, v j, max provedores ) 2: k recebe mensagem (msg) ServResponse do nó m 3: k armazenou última resposta do nó j 4: if n provedores >= max provedores then 5: Discard(msg) 6: else if d im /vm <= d ij /v j then 7: n provedores = n provedores +1 8: Forward (msg) 9: else 1: Discard(msg) 11: end if Tabela 1. Parâmetros do Sistema. Parâmetro Valor Terreno 5m x 5m Número de nós 5, 1, 15, 2, 25 Tempo de Simulação 3s Alcance da antena 25m Tamanho do pacote 12 bytes Velocidade dos nós 7,2 km/h > 2, m/s 18,km/h > 5, m/s 36,km/h > 1, m/s 54,km/h > 15, m/s mecanismo de seleção poderia atuar sobre um protocolo de descoberta por difusão do tipo broadcast ou multicast. Nenhuma informação adicional seria necessária. Para garantir que somente os nós aptos respondam à requisição, cada nó, antes de enviar uma resposta, deve verificar se tem velocidade de deslocamento suficiente para atender ao pedido. A única restrição é que os nós requisitantes e provedores devem estar cientes de suas localizações geográficas. 4. RESULTADOS Para avaliar o protocolo proposto, realizaram-se experimentos computacionais com o simulador de redes Network Simulator(NS-2) [2]. A meta dessa avaliação é validar a eficácia do mecanismo de seleção de serviços na redução do número de mensagens de resposta sem prejudicar o processo de descoberta. Neste sentido, o mecanismo será avaliado em diferentes cenários, incluindo diferentes velocidades e tempo máximo de atendimento. Quanto ao desempenho, foram comparados os mecanismos de descoberta com seleção, sem seleção, e os de inundação tradicional AMBIENTE DE SIMULAÇÃO Para fins de simulação, mapeou-se o cenário apresentado na Seção 2 para uma área de 25km 2 considerando que uma dada equipe de resgate atuará em uma região afetada por um terremoto. Nesse conjunto de experimentos não foi considerada a presença de obstáculos no caminho. No cenário de simulação, a velocidade dos nós pode variar de 2, m/s (uma pessoa caminhando) até 15, m/s (um veículo com velocidade moderada) e usou-se o modelo de mobilidade Gauss-Markov [5]. Este modelo elimina mudanças bruscas de direção e paradas abruptas dos modelos randômicos possibilitando uma maior aproximação do movimento real dos usuários. A Tabela 1 apresenta os parâmetros de rede simulados. Cada nó disponibiliza no máximo um recurso. Realizou-se uma distribuição aleatória de recursos entre os nós, ou seja, foram realizados testes em que foram atribuídos recursos para 1%, 5%, 1%, 15%, 2% e 3% dos nós da rede. Assume-se que cada nó conhece sua localização corrente. Nas simulações realizadas, usou-se o protocolo de roteamento OLSR (Optimized Link State Routing)[4] como protocolo de roteamento de múltiplos saltos sobre o protocolo da camada MAC IEEE OLSR é uma otimização do clássico algoritmo de estado de enlace. O conceito chave deste protocolo é o uso de multipoint relays (MPRs)[4], que são os únicos nós que encaminham as mensagens. Os demais nós apenas recebem tais mensagens, mas não as retransmitem. Os MPRs são selecionados de forma que todos os nós que estiverem a dois saltos do emissor possam ser alcançados. Essa técnica reduz de maneira substancial a sobrecarga de mensagens, quando comparada a um mecanismo de inundação tradicional. Essa característica a torna particularmente apropriada para a rede representada pelo cenário proposto neste trabalho MÉTRICAS Foram analisadas as métricas: taxa média de descoberta (SD), qualidade das respostas (TQoS) e sobrecarga das mensagens do protocolo de descoberta na rede (NMD). Definição das métricas: (1) SD = Número de respostas recebidas/ Número de requisições enviadas; (2) TQoS = Tempo médio de atendimento/número total de respostas recebidas; e (3) NMD = Número de mensagens de descoberta de serviços transmitidas/número total de mensagens transmitidas. Para manter a integridade dos experimentos, adotaram-se os mesmos parâmetros em todos os cenários. Nos experimentos realizados, cada nó faz 29 pedidos durante 3s de simulação. O número mínimo de provedores (número de recursos desejado) que deve ser entregue foi estipulado em 1(um). Todos os nós 28

7 da rede são móveis, incluindo o que realiza consultas. O que diferencia os cenários é o tempo máximo para atendimento do pedido (que varia em 1,5 e 5,5 minutos), o percentual de recursos dos nós e o número de nós na rede. O intervalo de confiança apresentado nos resultados é de 95% ANÁLISE DE RESULTADOS Os experimentos representados pelas Figuras 2 e 3 apresentam a taxa média de descoberta (número médio de respostas) (SD) obtida pela comparação dos mecanismos de descoberta com seleção, descoberta sem seleção e inundação. A métrica SD define se o requisitante encontrou ou não o recurso. Para este experimento, definiu-se que 1% dos nós da rede têm o recurso procurado. O número de nós na rede varia de 5 a 25 nós e o tempo de atendimento é de 5,5 minutos. Na Figura 2, a velocidade de deslocamento dos nós é de 2, m/s e, na Figura 3, a velocidade de deslocamento é de 15, m/s. Os resultados mostraram que a taxa média de descoberta é de 1% (para cada pedido enviado, pelo menos uma (1) resposta foi recebida) para todas as quantidades de nós na rede e para ambas as velocidades com o mecanismo LASS. Para ambas as velocidades, os cenários de rede mais densos apresentaram uma taxa de descoberta maior. Por exemplo, usando o mecanismo de descoberta sem seleção, com 5 nós e velocidade de 2, m/s, a taxa média de descoberta foi de 1,38 para 1,76 com 25 nós e com a mesma velocidade. O mesmo comportamento pode ser observado no cenário da Figura 3, onde a velocidade de deslocamento é de 15, m/s. Nesse experimento, com 5 nós, a taxa média de descoberta foi de 1,45 para 2,1 em um cenário com 25 nós. A taxa média de descoberta foi melhor para todos os casos com o mecanismo de inundação, porém todos os nós que têm o recurso respondem, inclusive os que não atendem ao perfil da requisição. Na Figura 4, apresenta-se uma análise da taxa média de descoberta (SD) pela variação do percentual de recursos dos nós. O número de nós na rede é de 15 e o percentual de recursos varia em 1%, 5%, 1%, 15%, 2% e 3%. A velocidade máxima de deslocamento dos nós é de 15, m/s e o tempo de atendimento é de 5,5 minutos. Para esse experimento, o mecanismo de descoberta com seleção, quando comparado ao mecanismo de inundação, possibilitou reduzir a taxa média de respostas excedentes de 3,74 para 1,12, quando o percentual de recursos é de 1%. Outra conclusão que pode ser obtida com esse experimento, é que o mecanismo LASS reduz o número de respostas a medida que o percentual de recursos aumenta. Na Figura 5, é mostrado o efeito da mobilidade dos nós sobre a taxa média de descoberta (SD). Para esse experimento, definiu-se que 1% dos nós da rede têm o recurso procurado. A velocidade de deslocamento dos nós varia de 2, m/s para 15, m/s. Foram usados 2 nós e o tempo de atendimento é de 1,5 e 5,5 minutos. Os resultados apresentados mostram que pelo menos uma resposta foi recebida em todos os cenários, exceto para os cenários onde o tempo de atendimento é de 1,5 minutos e a velocidade de deslocamento dos nós é de 2, m/s e 5, m/s. No experimento com tempo de atendimento de 1,5 minuto e velocidade de 2, m/s, a taxa de sucesso de descoberta foi de,91. Com velocidade de deslocamento de 5, m/s, a taxa média de descoberta foi de,93. Esse resultado justifica-se pelo fato de o mecanismo LADS limitar a área de busca com base na velocidade máxima dos nós. Para esses casos, quando os nós têm velocidade de 2, m/s, a área de busca é de 18 metros e, quando tem velocidade de 5, m/s, a área é de 45 metros. Dentro desse raio, não foi encontrado um provedor apto para atender ao pedido dentro do tempo limite. Conclui-se que alguns fatores, como a velocidade de deslocamento e o raio R, influenciaram os resultados neste último cenário. Quanto mais baixos o tempo de atendimento e a velocidade, menor será a probabilidade de um nó encontrar novos vizinhos que disponibilizem o recurso, salvo em alguns casos específicos em que haja uma concentração de nós em uma região. Na Figura 6 avalia-se a qualidade das respostas percebidas pelo nó requisitante, ou seja, o tempo médio de atendimento (TQoS) em função do número de nós na rede. O tempo de atendimento é dado pela fórmula, dij/vj. Neste cenário, o tempo de atendimento é de 5,5 minutos, a velocidade dos nós é de 15, m/s, o percentual de recursos é de 1% e o número de nós na rede varia entre 5 e 25 nós. Os resultados mostram que a qualidade das respostas recebidas pelo nó requisitante aumentou com o uso do mecanismo LASS para todas as quantidades de nós, quando comparada com os outros mecanismos investigados. Isso porque o mecanismo LASS seleciona, durante a fase de transmissão de respostas, os melhores provedores e descarta aquelas com o maior tempo de atendimento. O uso da técnica de inundação não adiciona vantagem ao cenário simulado, considerando a métrica TQoS. Além de aumentar o número de transmissões de respostas na rede, distribui mensagens de nós que não estão aptos para atender ao pedido. Já o mecanismo de descoberta sem seleção possibilita que somente os provedores dentro do raio R enviem a mensagem de resposta. Entretanto, nesse caso, todas as possíveis respostas serão transmitidas, provocando uma diminuição na qualidade das respostas. Outro aspecto observado neste experimento é que, à medida que o número de nós cresce, aumenta o tempo de atendimento. Esse comportamento justifica-se porque nos cenários mais densos um número maior de respostas é gerado. 29

8 Taxa Média de Descoberta Descoberta com Seleção Descoberta sem Seleção Velocidade dos Nós (2m/s) Número de Nós Figura 2. Análise da taxa média de descoberta, em função do número total de nós na rede para um cenário com velocidade máxima de 2, m/s. Taxa Média de Descoberta Descoberta com Seleção Descoberta sem Seleção Velocidade dos Nós (15m/s) Número de Nós Figura 3. Análise da taxa média de descoberta, em função do número total de nós na rede para um cenário com velocidade máxima de 15, m/s. Além disso, no mecanismo LASS o envio de respostas para o nó requisitante fica a cargo o protocolo de roteamento e, em alguns casos, o nó requisitante pode receber por algum caminho um número de respostas maior que o limite máximo estipulado. Os resultados da Figura 7 mostram o efeito da mobilidade dos nós versus tempo médio de atendimento (TQoS). A rede tem 2 nós, o tempo de atendimento é de 5,5 minutos, o percentual de recursos é de 1% e a velocidade de deslocamento varia de 2, m/s até 15, m/s. Nesse experimento, constatou-se que, para todas as velocidades, o mecanismo de descoberta com seleção de serviços possibilitou uma melhora significativa na qualidade das respostas recebida pelo requisitante. Esse resultado demonstra a efetividade do mecanismo LASS na redução de respostas dos nós menos aptos da rede antes de alcançarem o nó requisitante. Através desse experimento também constatou-se que, à medida que a velocidade dos nós aumenta, o tempo médio de atendimento cresce. Esse comportamento se deve ao fato de o tamanho do raio estar relacionado com a velocidade de deslocamento. As maiores velocidades de deslocamento resultam em um raio maior e, consequentemente, um número maior de respostas será obtido. O gráfico da Figura 8 ilustra o efeito da mobilidade dos nós em relação à sobrecarga (NMD) de mensagens da rede com seleção de serviços e com inundação. Para esse 3

9 Taxa Média de Descoberta Descoberta com Seleção Descoberta sem Seleção Número de Nós (15) Percentual de Recursos Figura 4. Análise da taxa média de descoberta, em função do percentual de recursos para um cenário com velocidade máxima de 15, m/s. Número de nós (2) Descoberta com Seleção 1.5 min Descoberta com Seleção 5.5 min Taxa Média de Descoberta Velocidade dos Nós (m/s) Figura 5. Análise da taxa média de descoberta, em função da mobilidade dos nós para um cenário com 2 nós. experimento, considera-se que 3% dos nós têm o recurso procurado, a velocidade de deslocamento varia de 2, m/s até 15, m/s, o tempo de atendimento é de 1,5 minutos e 5,5 minutos e o número de nós na rede é de 25. Os resultados mostraram que, para todas as velocidades e tempo de atendimento, o mecanismo de descoberta com seleção de serviços possibilitou uma redução significativa no número de mensagens em relação ao mecanismo de inundação. Por exemplo, com uma velocidade de 1, m/s e com o tempo de atendimento de 5,5 minutos, foi obtido um desvio percentual de 1% na redução das mensagens. 5. CONCLUSÕES Neste artigo, apresentou-se o protocolo de descoberta de serviço baseado em localização (LADP). O protocolo LADP é composto por dois mecanismos: um mecanismo para descoberta de serviços, LADS, e um mecanismo para seleção automática e distribuída de serviços, LASS. O mecanismo LADS reduz o escopo da inundação das mensagens de descoberta, uma vez que só enviam mensagens os nós aptos, aqueles que têm velocidade de deslocamento suficiente para chegar em tempo hábil ao local onde o serviço está sendo solicitado, e o mecanismo LASS reduz de forma significativa as mensagens de respostas sem prejuízo do processo de descoberta, mesmo nas redes com 31

10 Tempo Médio de Atendimento (s) Velocidade dos nós 15 m/s Tempo de Atendimento com seleção 5.5 min Tempo de Atendimento sem Seleção 5.5 min Número de Nós Figura 6. Análise do tempo médio de atendimento em função do número de nós na rede para um cenário com velocidade máxima de 15, m/s. Tempo de Atendimento (s) Número de Nós (2) Tempo de Atendimento com Seleção 5.5 min Tempo de Atendimento sem Seleção 5.5 min Velocidade dos Nós (m/s) Figura 7. Análise do tempo médio de atendimento em função da velocidade dos nós para um cenário com 2 nós. alta mobilidade dos nós. Com base na análise dos resultados, comprovou-se que o uso dos dois mecanismos, LADS e LASS, possibilitou uma redução na sobrecarga de mensagens da rede, quando comparados com um mecanismo que encaminha as mensagens por difusão, mais especificamente, através de inundação. O mecanismo LASS melhorou o desempenho da rede por meio da supressão de respostas excedentes sem comprometer o processo de descoberta. Os resultados obtidos também mostraram que o percentual de redução de respostas variou conforme o aumento da velocidade de deslocamento e o número de nós. Justifica-se esse comportamento pelo aumento do número de mensagens que trafegam na rede dos cenários com maior velocidade e nas redes mais densas, devido às frequentes mudanças da topologia da rede e da troca de mensagens. Além de melhorar o desempenho da rede, o mecanismo LASS também contribuiu para aumentar a qualidade das respostas recebidas pelo usuário da aplicação. Por fim, conclui-se que os dois mecanismos podem ser usados de forma independente, desde que os nós provedores e requisitantes sejam cientes das suas localizações geográficas, e as informem nas mensagens de resposta e de descoberta. 32

11 Sobrecarga de Mensagens (%) Percentual de Recursos (3%) Sobrecarga com Seleção 1.5 min Sobrecarga com Seleção 5.5 min Velocidade dos Nós (m/s) Figura 8. Análise da sobrecarga de mensagens da rede em função da mobilidade dos nós para um cenário com 25 nós. Referências [1] S.E. Athanaileas, C.N. Ververidis, and G.C. Polyzos. Optimized service selection for manets using an aodv-based service discovery protocol. In thannual Mediterranean Ad Hoc Networking Workshop (MEDHOCNET 26), Corfu, Greece, June, 27. [2] D. Barboza. One week later, a nation pauses to share its mourning and grief. The New York Times, May, 28. [3] D. Chakraborty, A. Joshi, Y. Yesha, and T. Finin. Toward Distributed Service Discovery in Pervasive Computing Environments. IEEE TRANSACTIONS ON MOBILE COMPUTING, pages , 26. [4] T. Clausen and P. Jacquet. RFC3626: Optimized Link State Routing Protocol (OLSR). RFC Editor United States, 23. [5] C. de Waal and M. Gerharz. Bonnmotion: A mobility scenario generation and analysis tool. Communication Systems group, Institute of Computer Science IV, University of Bonn, Germany. Website: informatik. uni-bonn. de/iv/mitarbeiter/dewaal/bonnmotion, 23. [6] E. Guttman. Service location protocol: Automatic discovery of IP network services. 3(4):71 8, [7] S. Helal, N. Desai, and V. Verma. Konark-a service discovery and delivery protocol for ad-hoc networks. Wireless Communications and Networking, 23. WCNC IEEE, 3, 23. [8] S.M. Inc. Jini Architectural Overview. Technical White Paper,January, [9] A. Klemm, C. Lindemann, and OP Waldhorst. A special-purpose peer-to-peer file sharing system for mobile ad hoc networks. In Vehicular Technology Conference, 23. VTC 23-Fall. 23 IEEE 58th, volume 4, 23. [1] J. Kniess, O. Loques, and C. V.N.. Um protocolo baseado em localização para restringir as mensagens de descoberta e resposta de serviços em redes ad hoc móveis com nós cooperativos. Proc. of the XXIX Brazilian Symposium on Computer Networks (SBRC 29),Recife, 29. [11] V. Lenders, M. May, and B. Plattner. Service discovery in mobile ad hoc networks: A field theoretic approach. Pervasive and Mobile Computing, 1(3):343 37, 25. [12] L. Li and L. Lamont. A lightweight service discovery mechanism for mobile ad hoc pervasive environment using cross-layer design. In Pervasive Computing and Communications Workshops, 25. PerCom 25 Workshops. Third IEEE International Conference on, pages 55 59, 25. [13] dos S. L. Lima, T. A. G. Azevedo, A. Ziviani, M. Endler, L. G. S. Fernando, and B. S. Bastos. Reduzindo a implosão de respostas em protocolos de descoberta de serviços para redes sem fio ad hoc de saltos múltiplos. Proc. of the XXV Brazilian Symposium on Computer Networks (SBRC 27), Belém,

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