Pocket Switched Networks: Real World Mobility and its consequences for opportunistic forwarding

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1 Pocket Switched Networks: Real World Mobility and its consequences for opportunistic forwarding Pedro Luis Furio Raphael, Introdução Nos ultimos anos, o número de aparelhos móveis capazes de processar e armazenar informações, bem como transmiti-las usando vários tipos de redes com ou sem fio (chamaremos estes aparelhos simplesmente de aparelhos móveis ), cresceu muito. Este cénario colocou em evidencia que os protocolos de conexão e transmissão de dados hoje utilizados não são os ideias quando tratamos aparelhos móveis. Uma caracteristica marcante dos aparelhos móveis é a sua capacidade de levar dados de uma localização a outra simplesmente por ser carregado para esta nova posição por seu posuidor. Pensando em explorar esta capacidade, criou-se o conceito de Pocket Switched Networks. Pocket Switched Networks (que chamaremos simplesmente de PSNs ) são um tipo de Delay-Tolerant Networking ( DTNs ), que utiliza o conceito de oportunistic networking. Como o nome ja diz, oportunistic networking faz uso de conexões oportunistas para mandar uma mensagem entre aparelhos da rede. Este conceito é especialmente útil quando os posuidores de aparelhos móveis se encontram entre ilhas de conexão, como por exemplo, o caminho entre suas casas e seus lugares de trabalho. Neste cenário, a análise dos padrões de movimentação de um ser humano se torna extremamente importante para o projeto de um bom algo- 1

2 ritmo de encaminhamento de mensagens através de DTNs. Nos artigos analisados [1, 2], são feitos experimentos com aparelhos móveis mínimos (aparelhos que se conectam uns aos outros por Bluetooth) em situações normais. Estes aparelhos foram distribuidos para, por exemplo, pessoas que estão em uma conferencia. Os dados gerados por tais aparelhos permitiu aos autores dos artigos chegarem a varias conclusões a respeito dos padrões de movimentação de seres humanos nestes ambientes. Este trabalho visa resumir as principais contribuições destes artigos. 2 Experimentos Realizados Os dois artigos analisados fazem ao todo tres experimentos, todos com um aparelho movel chamado imote, criado pela Intel Research. Um aparelho imote consiste de uma processador ARM7, uma memória, um dispositivo de conexão Bluetooth e uma bateria. Figura 1: Um imote. Este aparelho foi programado para fazer uma busca (que demoram 5 segundos) por outros aparelhos com Bluetooth a cada 120 segundos (mais ou menos 12 segundos segundo uma distribuição aleatória uniforme). Durante estes 120 segundos o aparelho fica em sleep mode, e esta passivel de ser descoberto por outros aparelhos. Cada contato 2

3 com outro aparelho foi armazenado na memória como uma tripla (MAC Address, tempo de inicio, tempo de término). O primeiro experimento foi realizado com 17 pesquisadores do Intel Research Cambridge. O segundo experimento foi realizado com 18 estudantes de doutorado de um grupo de pesquisas da University of Cambridge. Devido a fatores externos, apenas 9 e 12 imotes respectivamente, forneceram dados relevantes. O terceiro experimento foi realizado com participantes da conferencia IEEE Infocom, realizada em Miami, em março de Neste experimento, 54 imotes foram distribuidos a voluntarios, e a estes foi pedido que mantivessem o imote o maior tempo possivel do dia consigo. Destes 54, 41 forneceram dados relevantes, 11 não forneceram dados relevantes devido a varias falhas no hardware e na bateria e 2 não foram devolvidos. Neste resumo, focaremos apenas no terceiro experimento, pois ele foi o maior dos tres realizados e o resultado dos tres são consistentes. 3 Analise dos Dados Obtidos A figura 2 mostra os dados do log de um imote. O eixo Y mostra os IDs dos outros aparelhos (imotes ou não) e o eixo X mostra o tempo. Os imotes tem os IDs de 1 a 41. Neste experimento, além dos 41 imotes, foram encontrados 182 outros dispositivos móveis. Apesar do número ser bem maior, estes foram vistos com muito menos frequencia, confirmado pelo número de contatos, entre imotes e 5791 entre imotes e outros aparelhos. A principal causa para isso, conjecturada nos artigos, é que os donos dos aparelhos ligam o bluetooth apenas no momento em que querem transmitir alguma informação, deixando-o desligado em outros momentos (e, portanto, invisível aos imotes). A figura 3 mostra o tempo de contato e o tempo de não contato entre imotes. Tempo de contato é o intervalo de tempo em que dois aparelhos móveis podem se comunicar quando estão ao alcance um do outro. Tempo de não contato é o intervalo de tempo entre dois contatos. 3

4 Figura 2: Histograma de dispositivos encontrados por um imote: outro imotes a esquerda, outros aparelhos a direita. O tempo de contato é muito importante para se avaliar a quantidade de informações esperada (tamanho da banda) que poderia ser transmitida entre aparelhos móveis. No entanto, os artigos deixam essa análise para trabalhos futuros e se preocupam, principalmente, com o tempo de não contato. O tempo de não contato entre aparelhos móveis é importante para se determinar a latencia e a probabilidade de uma mensagem ser entregue ao seu destinatário. Como visto na figura 3 a direita, o tempo de não contato segue aproximadamente uma lei de potencia com coeficiente 0.4. Este resultado, a menos do coeficiente, é visto em todos os experimentos e é uma das principais contribuições dos artigos, pois os algoritmos de encaminhamento geralmente são modelados e testados para padrões de movimentação que seguem outras distribuições que não a lei de potencia. Outro ponto importante da figura é o tempo de não contato entre outros aparelhos móveis e imotes, que também segue uma lei de potencia. Como estes aparelhos não foram introduzidos pelos autores, este fato confirma que os dados obtidos pelos imotes realmente representam dados do mundo real e não são resultado de viés nos experimentos. Além do tempo de contato/não contato, é útil examinar o tempo em que um aparelho móvel tem ou não tem contato com ao menos um outro 4

5 Figura 3: Distribuições de tempo de contato (esquerda) e tempo de não contato (direita). aparelho da rede. Como vemos na figura 4, tanto o tempo de contato quanto o tempo de não contato com qualquer aparelho da rede também seguem leis de potencia, com coeficientes diferentes. O tempo de contato é significantemente maior e o tempo de não contato menor. Isto sugere que se um aparelho móvel quiser se comunicar com um grupo de outros aparelhos (um grupo de aparelhos que tem conexão com a internet, por exemplo), suas chances são bem maiores. As proximas figuras mostram tres medidas de distribuição dos contatos entre os nós. O objetivo é verificar se esta distribuição é uniforme, como muitos algoritmos oportunistas supõe. A figura 5 a esquerda mostra o número de descobertas de um aparelho móvel, enquanto a direita mostra o número de contatos entre pares de aparelhos. A figura 5 a esquerda mostra que cada imote foi descoberto entre vezes durante o experimento, o que é contrário a suposição de que todos os nós de uma rede tem comportamento parecido. Este fato poderia ser considerado por novos algoritmos de roteamento, que prefeririam nós que se comunicam mais para encaminhar mensagens. A figura 5 a direita mostra uma grande variabilidade no número de 5

6 Figura 4: Distribuições de tempo de contato com qualquer dispositivo (esquerda) e tempo de não contato com qualquer dispositivo (direita). vezes que cada par (imote, imote) entrou em contato, novamente contrariando o modelo em que todos os nós tem chances iguais de encontrar todos os outros. Novamente, isto sugere que novos algoritmos poderiam manter a frequencia com que cada nó se comunica de maneira a encaminhar os pacotes na direção dos nós que se comunicam mais com o destinatário. A figura 6 a esquerda mostra o número de imotes descobertos por cada imote no experimento. Estes dados não consideram quanto tempo cada imote ficou em contato com os outros, apenas se ele entrou em contato alguma vez durante os 3 dias de experimentos. Esta figura sugere uma nova heuristica para possiveis algoritmos de encaminhamento, que é a identificação de comunidades. Como é possivel ver na figura, cada imote se encontrou com quase todos os outros, ou seja, eles são parte de uma mesma comunidade. Já os outros aparelhos móveis que não imotes, foram encontrados poucas vezes (pelo motivo ja explicado acima, ou porque alguém estava passando pelo lado de fora da conferencia e foi visto uma vez a distancia e depois nunca mais). Este dispositivos estariam fora da comunidade e um algoritmo poderia manter dados sobre as comunidades a qual um dispositivo pertence e usar deste conhecimento para encaminhar mensagens. 6

7 Figura 5: Distribuições do numero de descobertas de um aparelho (esquerda) e do numero de contatos entre pares de aparelhos (direita). A figura 6 a direita mostra o tempo de não contato em várias partes do dia. Note que esta também segue uma lei de potencia. Esta figura também sugere uma heurística interessante para algoritmos de roteamento, relacionada com padrões temporais encontrados na movimentação dos aparelhos móveis. 4 Conclusão Pocket Switched Networks usam o poder da conectividade dos aparelhos móveis atuais bem como um conhecimento dos padrões de movimentação dos donos destes aparelhos para dar suporte a conexão em lugares onde normalmente esta não existiria. Os experimentos realizados nos artigos [1, 2] estão disponiveis em Os resultados obtidos nestes experimentos mostram que o tempo de não contato entre aparelhos móveis segue uma lei de potencia, diferentemente do que é geralmente considerado na analise de algoritmos de roteamento. Além disso, outras conclusões importantes foram feitas, como: quando um aparelho quer se comunicar com um grupo de nós, o 7

8 Figura 6: Esquerda: distribuição do numero de imotes descobertos por cada imote no experimento. Direita: distribuição do tempo de não contato durante varias partes do dia. coeficiente da lei de potencia aumenta consideravelmente (ou seja, o tempo de contato é maior); o contato entre os nós não é igualmente provavel e os nós não se comportam todos da mesma maneira, sendo alguns muito mais ativos do que outros; a formação de comunidades entre os nós, ou seja, alguns nós sempre se encontram e, portanto, tem a probabilidade maior de se encontrar no futuro; algoritmos de encaminhamento poderiam usar informações sobre as horas do dia em que um nó é mais ativo para aumentar sua eficiencia na entrega das mensagens. Os artigos ainda descrevem trabalhos futuros na área de coleta de dados relacionadas ao padrão de movimentação de humanos. 8

9 Referências [1] A. Chaintreau, P. Hui, J. Crowcroft, C. Diot, R. Gass, and J. Scott. Pocket switched networks: Real-world mobility and its consequences for opportunistic forwarding. University of Cambridge, Computer Lab, Tech. Rep. UCAM-CL-TR-617, [2] P. Hui, A. Chaintreau, J. Scott, R. Gass, J. Crowcroft, and C. Diot. Pocket switched networks and human mobility in conference environments. In Proceedings of the 2005 ACM SIGCOMM workshop on Delay-tolerant networking, pages ACM,