Roteamento em Redes em Malha Sem Fio com Balanceamento de Carga e Caminhos Mais Curtos

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS INSTITUTO DE INFORMÁTICA MICAEL OLIVEIRA MASSULA CARVALHO DE MELLO Roteamento em Redes em Malha Sem Fio com Balanceamento de Carga e Caminhos Mais Curtos Goiânia 214

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS INSTITUTO DE INFORMÁTICA AUTORIZAÇÃO PARA PUBLICAÇÃO DE DISSERTAÇÃO EM FORMATO ELETRÔNICO Na qualidade de titular dos direitos de autor, AUTORIZO o Instituto de Informática da Universidade Federal de Goiás UFG a reproduzir, inclusive em outro formato ou mídia e através de armazenamento permanente ou temporário, bem como a publicar na rede mundial de computadores (Internet) e na biblioteca virtual da UFG, entendendo-se os termos reproduzir e publicar conforme definições dos incisos VI e I, respectivamente, do artigo 5 o da Lei n o 961/98 de 1/2/1998, a obra abaixo especificada, sem que me seja devido pagamento a título de direitos autorais, desde que a reprodução e/ou publicação tenham a finalidade exclusiva de uso por quem a consulta, e a título de divulgação da produção acadêmica gerada pela Universidade, a partir desta data. Título: Roteamento em Redes em Malha Sem Fio com Balanceamento de Carga e Caminhos Mais Curtos Autor(a): Micael Oliveira Massula Carvalho de Mello Goiânia, 19 de Dezembro de 214. Micael Oliveira Massula Carvalho de Mello Autor Dr. Kleber Vieira Cardoso Orientador Dr. Leizer de Lima Pinto Co-Orientador

3 MICAEL OLIVEIRA MASSULA CARVALHO DE MELLO Roteamento em Redes em Malha Sem Fio com Balanceamento de Carga e Caminhos Mais Curtos Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação do Instituto de Informática da Universidade Federal de Goiás, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciência da Computação. Área de concentração: Ciência da Computação. Orientador: Prof. Dr. Kleber Vieira Cardoso Co-Orientador: Prof. Dr. Leizer de Lima Pinto Goiânia 214

4 MICAEL OLIVEIRA MASSULA CARVALHO DE MELLO Roteamento em Redes em Malha Sem Fio com Balanceamento de Carga e Caminhos Mais Curtos Dissertação defendida no Programa de Pós Graduação do Instituto de Informática da Universidade Federal de Goiás como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciência da Computação, aprovada em 19 de Dezembro de 214, pela Banca Examinadora constituída pelos professores: Prof. Dr. Kleber Vieira Cardoso Instituto de Informática UFG Presidente da Banca Prof. Dr. Leizer de Lima Pinto Instituto de Informática UFG Prof. Dr. José Ferreira de Rezende COPPE UFRJ Prof. Dr. Vinicius da Cunha Martins Borges Instituto de Informática UFG

5 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador(a). Micael Oliveira Massula Carvalho de Mello Graduou-se em Sistemas de Informação pela Universidade Federal de Goiás (29-212). Durante sua graduação, participou do Programa Institucional de Iniciação Científica (PIBIC) da Universidade Federal de Goiás (UFG) e de projetos de pesquisa sob a coordenação do professor Dr. Kleber Vieira Cardoso. No período do mestrado, participou do Projeto GT-ATER, fases 1 e 2, desenvolvido no Instituto de Informática (INF) da Universidade Federal de Goiás (UFG) em parceria com a Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP).

6 Dedico esta dissertação a Deus, aos meus pais, a minha namorada, aos meus irmãos e a toda a minha família e amigos, por todo apoio e carinho.

7 Agradecimentos A Deus pela graça da vida e por tudo que me proporciona. Aos meus pais, Walter e Junair, por todo seu amor, carinho, compreensão, apoio, orientação e paciência. À Ludmila, minha namorada e futura esposa, por todo seu amor, carinho, compreensão e apoio. Aos meus irmãos, Raissa e Uriel, por todo seu amor, carinho e apoio. Ao Prof. Kleber Vieira Cardoso, por sua orientação, amizade, paciência e confiança. Ao Prof. Leizer de Lima Pinto, por sua orientação, contribuição e confiança. Aos Profs. José Ferreira de Rezende e Vinicius da Cunha Martins Borges, por aceitar o convite, pela presença na banca e contribuições à dissertação. Aos meus amigos e colegas: Vínicius, Diego, Danillo, Éder, Tolentino, Ramon, Brosig, Nogueira, Márcio, Marques, Felipe, Maikon e todos os demais; pela amizade, apoio e momentos de descontração. Aos colegas e amigos do grupo de pesquisa Labora: Lafaiet, Vivian, Bruno, Cleber, Otto, Pedro, Mario, Warley, Fausto, Camila, André e todos os demais; pela amizade, apoio e momentos de descontração. À equipe da secretaria: Berenice, Edir, Enio, Mirian, Patrícia e todos os demais; pela atenção, paciência e suporte operacional. Ao INF/UFG, pelas instalações e equipamentos utilizados. Agradeço à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo suporte financeiro.

8 Aquilo que nós mesmos escolhemos é muito pouco: a vida e as circunstâncias fazem quase tudo. John Ronald Reuel Tolkien ( ), Citação atribuída.

9 Resumo de Mello, Micael Oliveira Massula Carvalho. Roteamento em Redes em Malha Sem Fio com Balanceamento de Carga e Caminhos Mais Curtos. Goiânia, p. Dissertação de Mestrado. Instituto de Informática, Universidade Federal de Goiás. Redes em Malha Sem Fio - Wireless Mesh Networks (WMNs) são infraestruturas com propriedades autonômicas, como auto-organização e autorrecuperação, que podem ser implementadas com tecnologias amplamente disponíveis e de custo acessível. Além de suas aplicações atuais, como redes comunitárias e redes de acesso à Internet, as WMNs podem auxiliar na comunicação de Internet das Coisas e constituir infraestruturas robustas para redes inteligentes de energia, dentre outros usos. No entanto, WMNs geralmente apresentam questões relativas a desempenho devido a fatores como sobrecarga em determinadas partes da rede e interferências nos enlaces sem fio. Nesse contexto, é importante que sejam utilizadas soluções que promovam balanceamento de carga na rede e que minimizem as interferências entre os enlaces sem fio. A pesquisa nessa área tem mostrado que uma das abordagens mais promissoras consiste em tratar de maneira conjunta o roteamento e a atribuição de canais. Porém, a maior parte dos trabalhos dependem de conhecimento prévio do tráfego da rede e tratam fluxos com baixa granularidade. Nesta dissertação, tratamos o problema de desempenho em WMNs, em especial as que possuem múltiplos rádios e múltiplos canais disponíveis, utilizando uma abordagem conjunta, mas sem as restrições anteriores. Nossa proposta é uma heurística conjunta, cuja principal contribuição está no roteamento, o qual persegue um compromisso entre o balanceamento de carga e o comprimento dos caminhos seguidos pelos fluxos. Implementamos nossa proposta no Network Simulator 3 (ns-3) e a comparamos com outros trabalhos da literatura. Verificamos que nossa heurística apresenta ganhos de vazão na maior parte dos cenários avaliados, além de promover maior justiça entre os fluxos que concorrem pelos recursos. Palavras chave Redes em malha sem fio, Roteamento com balanceamento de carga, Atribuição de canais, Abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais, Comprimento dos caminhos

10 Abstract de Mello, Micael Oliveira Massula Carvalho. Routing in Wireless Mesh Networks with Load-balancing and Shortest Paths. Goiânia, p. MSc. Dissertation. Instituto de Informática, Universidade Federal de Goiás. Wireless Mesh Networks (WMNs) are infrastructures with autonomic properties, such as self-organization and self-recovery, which can be developed with widely available technologies and low cost solutions. Besides their current applications, such as community networks and broad-band Internet access, WMNs can offer contributions in the context of the Internet of Things and help to build robust infrastructures to smart energy networks, among other uses. However, WMNs usually have performance issues due to overload in certain parts of the network and interference in wireless links. In this context, it is important that solutions are used to promote load-balancing and to mitigate interference between wireless links. Research in this area shows that one of the most promising approaches are in the subject of the joint routing and channel assignment. However, most of the previous works depends on the knowledge of the network traffic and handle flows with low granularity. In this thesis, we handle the performance problem in WMNs, in particular those having multiple radios and multiple available channels, using a joint approach, but without the mentioned restrictions. Our proposal is a joint heuristic, whose main contribution is the routing, which pursues the compromise between load-balancing and the path length of the network flows. We have developed our proposal in the Network Simulator 3 (ns-3) and have compared it with other works in literature. We found that our heuristic provides throughput improvements in most of the analyzed scenarios, besides promote greater justice between the flows that compete for resources. Keywords Wireless mesh networks, Load-balancing routing, Channel assignment, Joint routing and channel assignment, Path length

11 Sumário Lista de Figuras 1 Lista de Tabelas 12 Lista de Algoritmos 13 Lista de Acrônimos 14 1 Introdução 15 2 Fundamentos e trabalhos relacionados Roteamento com balanceamento de carga Atribuição de canais Abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais Conclusão 23 3 Proposta Modelo Bottleneck, Path length and Routing overhead heuristic BPR Routing and Channel Assignment, Joint Improvement heuristic RCAJI Outra solução para a abordagem conjunta Conclusão 33 4 Avaliação Cenários e experimentos Análise de propriedades da rede Gargalo Comprimento dos caminhos Quantidade de atualizações de rotas Desempenho da rede Impacto da quantidade de fluxos Impacto da quantidade de rádios Impacto da quantidade de canais Conclusão 45 5 Considerações finais e trabalhos futuros 55 Referências Bibliográficas 57

12 Lista de Figuras 2.1 Exemplo de WMN utilizada como infraestrutura de acesso à Internet Caso no qual o re-roteamento é realizado na remoção de rota de um fluxo que terminou Primeiro caso no qual o re-roteamento não é realizado na remoção de rota de um fluxo que terminou Segundo caso no qual o re-roteamento não é realizado na remoção de rota de um fluxo que terminou Comprimento dos caminhos seguidos pelos fluxos. 39 (a) Topologias de tipo A. 39 (b) Topologias de tipo B. 39 (c) Topologias de tipo C Atualizações de rotas. 4 (a) Topologias de tipo A. 4 (b) Topologias de tipo B. 4 (c) Topologias de tipo C Vazão agregada ao variar a quantidade de fluxos presentes na rede. 43 (a) Topologias de tipo A. 43 (b) Topologias de tipo B. 43 (c) Topologias de tipo C Justiça ao variar a quantidade de fluxos presentes na rede. 47 (a) Topologias de tipo A. 47 (b) Topologias de tipo B. 47 (c) Topologias de tipo C Quantidade de trocas de canais ao variar a quantidade de fluxos presentes na rede. 48 (a) Topologias de tipo A. 48 (b) Topologias de tipo B. 48 (c) Topologias de tipo C Vazão agregada ao variar a quantidade de rádios disponíveis. 49 (a) Topologias de tipo A. 49 (b) Topologias de tipo B. 49 (c) Topologias de tipo C Vazão mínima ao variar a quantidade de rádios disponíveis. 5 (a) Topologias de tipo A. 5 (b) Topologias de tipo B. 5 (c) Topologias de tipo C Justiça ao variar a quantidade de rádios disponíveis. 51

13 (a) Topologias de tipo A. 51 (b) Topologias de tipo B. 51 (c) Topologias de tipo C Vazão agregada ao variar o número de canais disponíveis. 52 (a) Topologias de tipo A. 52 (b) Topologias de tipo B. 52 (c) Topologias de tipo C Vazão mínima ao variar o número de canais disponíveis. 53 (a) Topologias de tipo A. 53 (b) Topologias de tipo B. 53 (c) Topologias de tipo C Justiça ao variar o número de canais disponíveis. 54 (a) Topologias de tipo A. 54 (b) Topologias de tipo B. 54 (c) Topologias de tipo C. 54

14 Lista de Tabelas 4.1 Parâmetros do simulador Estatísticas sobre o gargalo da rede Estatísticas sobre os enlaces dos nós vizinhos a dois saltos do gateway. 38

15 Lista de Algoritmos 3.1 BPR - Adicionar rota para um novo fluxo BPR - Remover rota para fluxo que terminou JRCAR - Roteamento com balanceamento de carga JRCAR - Atribuição de canais 34

16 Lista de Acrônimos BPR Bottleneck, Path length and Routing overhead. 16, 26, 29 31, 33, 55 JRCAR Joint Routing, Channel Assignment and Rate allocation. 22, 23, 3, 31, 33, 35 38, 4, 42 46, 55, 56 ns-3 Network Simulator 3. 16, 33, 35, 36, 4, 42, 45, 55, 56 OLSR Optimized link state routing protocol. 33, 35, 4, RCAJI Routing and Channel Assignment, Joint Improvement. 16, 17, 3, 31, 33, 35 38, 4, 42 46, 55, 56 WMN Wireless Mesh Network , 24 WMNs Wireless Mesh Networks. 15, 16, 18 21, 23, 25, 55, 56

17 Introdução CAPÍTULO 1 Redes em Malha Sem Fio - Wireless Mesh Networks (WMNs) surgiram como um paradigma de comunicação de redes de próxima geração com o objetivo de oferecer melhores serviços [1]. As WMNs formam um backbone sem fio de múltiplos saltos, com o objetivo de fornecer conectividade aos equipamentos clientes. Esses clientes podem usar a infraestrutura oferecida para realizarem comunicações com redes externas, como por exemplo, a Internet. Constituídas por elementos capazes de se auto-organizar e auto-configurar [1], as WMNs têm capacidade de cobrir uma grande área a um baixo custo. Essas características tornam as WMNs uma tecnologia com potencial para inúmeras aplicações, como por exemplo, redes domésticas, redes comunitárias, redes empresariais e acesso à Internet para áreas onde a infraestrutura cabeada é de difícil implantação [1, 21]. Além disso, WMNs podem estar conectadas a diferentes sistemas de comunicações heterogêneos, como por exemplo, redes de sensores e redes de celulares. Isso também as tornam uma infraestrutura adequada para cidades inteligentes [14, 41]. Desempenho é um problema frequente nas WMNs, uma vez que o número de nós e o tráfego da rede podem aumentar de maneira significativa. O tráfego da rede pode ser definido como um conjunto de fluxos gerados por diferentes tipos de aplicações. Enquanto infraestrutura de acesso, a maior parte dos fluxos nas WMNs tem como origem ou destino os gateways da rede. Dessa forma, é natural que os enlaces sem fio próximos aos gateways sejam potenciais pontos de gargalo. Com o intuito de melhorar o desempenho, o roteamento deve escolher caminhos para cada fluxo de maneira a minimizar os gargalos da rede. Ou seja, é vantajoso que o roteamento realize decisões que promovam balanceamento de carga [5]. Além disso, é importante que o roteamento busque minimizar o número de saltos entre origem e destino de cada fluxo [17], pois caminhos com muitos saltos podem elevar o atraso e reduzir a vazão dos fluxos. Outro fator que afeta o desempenho das WMNs é a interferência presente nos enlaces de comunicação sem fio, a qual pode ser reduzida com a utilização de canais ou faixas de frequência ortogonais. O padrão 82.11b/g prevê a utilização de até 3 canais ortogonais, enquanto o padrão 82.11a permite o uso de até 12 canais. Além

18 16 disso, o baixo custo atual da tecnologia torna viável utilizar múltiplos rádios em cada equipamento, possibilitando o uso de múltiplos canais simultaneamente. Nesse contexto, a atribuição de canais passa a desempenhar a importante função de maximizar a capacidade da rede. O roteamento e a atribuição de canais têm um alto grau de acoplamento, pois ambos são sensíveis à carga nos enlaces de comunicação e ambos se afetam mutuamente [3]. A atribuição de canais define a largura de banda dos enlaces de comunicação, afetando o roteamento na escolha de caminhos, uma vez que o roteamento tende a aproveitar a largura de banda disponível. Por outro lado, o roteamento define o tráfego que passa pelos enlaces de comunicação, influenciando a atribuição de canais em suas decisões. Caso o roteamento sobrecarregue uma determinada região da rede, a atribuição de canais precisará realizar uma nova seleção de canais de maneira a maximizar a vazão e minimizar o nível de interferência dessa região. Assim, é importante definir uma estratégia na qual o roteamento e a atribuição de canais cooperem para melhorar o desempenho da rede. Nesta dissertação, abordaremos a questão de desempenho em WMNs com múltiplos rádios e múltiplos canais, tendo como foco a abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais. Algumas soluções foram propostas baseadas nessa abordagem [34, 33, 13, 3, 16]. Dentre esse conjunto de soluções, consideramos a heurística proposta por Gálvez et al. [16] como a mais avançada no estado da arte, pois a mesma trata o problema no nível de fluxos TCP sem a necessidade de conhecimento prévio do tráfego da rede. Apresentamos, então, a heurística Routing and Channel Assignment, Joint Improvement (RCAJI) como uma solução para a abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais em WMNs com múltiplos rádios e múltiplos canais. A principal contribuição da heurística RCAJI está em sua heurística de roteamento, a Bottleneck, Path length and Routing overhead (BPR), pela qual se busca um compromisso entre o balanceamento de carga e o comprimento dos caminhos. Assim como Gálvez et al. [16], a BPR trata o problema no nível de fluxos TCP sem conhecimento prévio do tráfego da rede. Os objetivos desta dissertação são: apresentar um modelo matemático multiobjetivo para o problema de roteamento com balanceamento de carga e caminhos mais curtos; descrever em detalhes a heurística RCAJI, apresentando seus algoritmos; realizar a comparação entre a heurística RCAJI e outras soluções presentes na literatura; e apresentar e discutir a avaliação de desempenho realizada com os resultados obtidos a partir do simulador de redes Network Simulator 3 (ns-3). O restante desta dissertação está organizada da seguinte maneira: no Capítulo 2, apresentamos os fundamentos envolvidos no desenvolvimento desta dissertação e os principais trabalhos que apresentam soluções para roteamento, para atribuição de canais e para a abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais; no Capítulo 3, descrevemos formalmente o problema de roteamento com balanceamento de carga e

19 17 descrevemos em detalhes a heurística RCAJI; no Capítulo 4, apresentamos e discutimos a avaliação de desempenho realizada; no Capítulo 5, apresentamos as considerações finais e as perspectivas para trabalhos futuros.

20 Fundamentos e trabalhos relacionados CAPÍTULO 2 Uma Rede em Malha Sem Fio - Wireless Mesh Network (WMN) pode ser definida como uma infraestrutura com capacidades de auto-organização e auto-configuração que mantém dinamicamente a conectividade da malha [2]. As WMNs surgiram como um paradigma de comunicação com o objetivo de fornecer melhores serviços aos usuários e custos mais baixos aos operadores [1]. Além disso, as WMNs têm o potencial para que o acesso ubíquo a Internet de alta velocidade seja alcançado [21]. Um exemplo de WMN pode ser visto na Figura 2.1. Figura 2.1: Exemplo de WMN utilizada como infraestrutura de acesso à Internet. Uma WMN é composta por roteadores da malha (mesh routers) e clientes da malha (mesh clients). Os mesh routers formam um backbone sem fio para fornecer uma rede de múltiplos saltos. Além disso, alguns mesh routers podem assumir o papel de gateway para acesso a outras redes, como por exemplo, a Internet. Os mesh clients são equipamentos típicos de usuários finais, como notebooks e smartphones, ou até mesmo

21 2.1 Roteamento com balanceamento de carga 19 equipamentos sensores ou de monitoramento, como sensores de temperatura, umidade e câmeras de vigilância. Os mesh clients se associam aos mesh routers para ter acesso à Internet ou realizar comunicações internas (cliente a cliente). Três principais arquiteturas são previstas para WMNs [1]: WMNs infraestruturadas, WMNs clientes e WMNs híbridas. As WMNs infraestruturadas são o tipo mais comum de WMNs, no qual os mesh routers formam o backbone sem fio para que os mesh clients estabeleçam suas comunicações. Por esta razão, a proposta dessa dissertação foi desenvolvida no contexto de WMNs infraestruturadas. Nas WMNs clientes, os mesh routers são excluídos da arquitetura e seus papéis passam a ser realizados pelos mesh clients. Nas WMNs híbridas, os mesh routers são mantidos com seus papéis originais, porém os mesh clients também podem colaborar na criação da infraestrutura da malha, agindo como simples clientes ou como mesh routers. Naturalmente, para que as comunicações com a Internet ou dentro da própria WMN sejam realizadas, é necessária a utilização de um protocolo de roteamento na rede. Basicamente, o objetivo do roteamento é escolher rotas para os fluxos da rede e realizar o encaminhamento dos pacotes desses fluxos em cada salto do backbone sem fio. Adicionalmente, o protocolo de roteamento pode realizar o balanceamento de carga com o intuito de minimizar pontos de gargalo e consequentemente melhorar o desempenho da rede. 2.1 Roteamento com balanceamento de carga A maior parte do tráfego das WMNs, as quais fornecem uma infraestrutura para acesso à Internet, tem como origem ou destino os mesh routers que agem como gateways da rede. Dessa forma, os enlaces sem fio próximos a esses gateways são potenciais pontos de gargalo. Isso implica que fluxos que passam pelos gargalos terão vazão reduzida, o que leva a uma redução da vazão agregada e da justiça da rede. Assim, o balanceamento de carga passa a ter um papel importante no desempenho da rede [5]. Algoritmos centralizados foram propostos com o intuito de realizar o roteamento com balanceamento de carga em ambientes com um único gateway, distribuindo o tráfego da rede através de sub-árvores, onde o gateway é a raiz [9, 1, 18]. Nessa abordagem, as rotas ficam restritas à estrutura da árvore, impedindo que o balanceamento de carga usufrua do aspecto denso presente em WMNs [39, 6] e, portanto, limitando o potencial de ganho de desempenho do balanceamento de carga. Para usufruir do aspecto denso comum às WMNs, diversas métricas para roteamento ciente de carga foram desenvolvidas para melhorar o balanceamento de carga na rede [7], tais como WCETT-LB [24], ILA [35], CWB [28] e NLR [42]. Essas métricas usam dados como comprimento de fila, tempo de canal ocupado e número de fluxos para

22 2.2 Atribuição de canais 2 detectar congestionamento nos enlaces de comunicação. A métrica é propagada pelo protocolo de roteamento para que algoritmos distribuídos do mecanismo de roteamento possam realizar suas decisões. Essa abordagem normalmente causa alta oscilação nas rotas da rede, devido a alta variação nos valores das métricas [32]. Mecanismos de roteamento com balanceamento de carga foram desenvolvidos com base em uma abordagem de seleção de múltiplos caminhos para um único fluxo [26, 3]. Essa abordagem tem como característica selecionar rotas paralelas simultâneas para um fluxo, fazendo com que os pacotes desse fluxo sejam enviados por múltiplos caminhos. Essa abordagem pode oferece um balanceamento de carga que pode ser teoricamente melhor. Porém, mecanismos de camada de transporte como o TCP são afetados drasticamente, pois a chegada de pacotes fora de ordem e as variações no atraso na entrega dos pacotes aumentam consideravelmente. Somente o roteamento com balanceamento de carga não é suficiente para mitigar o problema de desempenho das WMNs. Os enlaces de comunicação sem fio disputam o acesso ao meio para realizar suas comunicações. Dessa forma, é importante aplicar abordagens como escalonamento de enlaces ou heurística de atribuição de canais para mitigar as interferências entre os enlaces de comunicação da rede [29]. 2.2 Atribuição de canais A utilização de um único canal ou frequência de comunicação em uma WMN é de pouca utilidade prática devido ao reuso espacial extremamente limitado [4], o que leva a reduções significativas da vazão à medida que o tamanho da rede aumenta [15]. A utilização de múltiplos canais é possível através de um único rádio com trocas frequentes de canais. Essa abordagem tem uso restrito, pois cria instabilidade na conectividade da rede e gera atraso adicional decorrente da frequente troca de canais [36, 33], afetando a vazão da rede. Por outro lado, o uso de múltiplos rádios permite que múltiplos canais sejam utilizados simultaneamente na formação dos enlaces sem fio [36]. Além disso, a redução dos custos dos equipamentos do conjunto de padrões IEEE tem tornado economicamente viável o uso de múltiplos rádios. As WMNs de múltiplos rádios e múltiplos canais preveem a utilização de canais ortogonais para atribuição de canais [15]. Isso permite um reuso espacial muito melhor que a abordagem de canal único, porém ainda muito limitado devido a quantidade de canais disponíveis. O padrão 82.11b/g opera na faixa de 2,4 GHz e fornece até 3 canais ortogonais e o padrão 82.11a, opera na faixa de 5 GHz e prevê a utilização de até 12 canais ortogonais. Algoritmos centralizados para atribuição de canais são encontrados em diversos trabalhos na literatura e podem ser classificados em três abordagens principais [15]:

23 2.3 Abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais 21 modelar a rede através de um grafo [25, 38, 37, 31], modelar a rede através de fluxos [34, 22, 3] e modelar a rede em partições [8, 4]. Os algoritmos propostos para as abordagens de modelar a rede através de um grafo e modelar a rede em partições têm em comum o objetivo de minimizar o nível de interferência da rede. Os algoritmos que modelam a rede através de fluxos tendem a alocar mais largura de banda para enlaces de comunicação que são mais utilizados, ou seja, são cientes de carga. Há também na literatura trabalhos que propuseram protocolos e algoritmos distribuídos para atribuição de canais em WMNs de múltiplos rádios e múltiplos canais [33, 11, 27]. Nessa abordagem, cada mesh router executa uma instância do algoritmo e aplica decisões locais com base em informações do próprio mesh router e/ou de sua vizinhança. Além disso, esses algoritmos aplicam estratégias como selecionar o canal com menor carga, menor interferência, ou menor uso para rádios com maior prioridade. Algoritmos centralizados tendem a obter soluções melhores que os algoritmos distribuídos porque têm visão global da rede, porém dependem de informações da topologia da rede e necessitam de mecanismos para disseminar as decisões relativas à atribuição de canais. Por outro lado, algoritmos distribuídos agem localmente e não dependem de informações de toda a rede, porém necessitam de protocolos para obter informações de nós vizinhos ou agir com algum grau de cooperação com os mesmos. Independentemente da abordagem escolhida, é importante que a atribuição de canais e o roteamento estejam alinhados dentro da mesma estratégia. Esse tipo de abordagem conjunta tem sido utilizada para maximizar o desempenho da rede [36]. 2.3 Abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais Na abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais tratamos a interdependência e o alto acoplamento entre o roteamento e a atribuição de canais [3]. Ambas as abordagens de forma separada são sensíveis à carga nos enlaces de comunicação formados entre os mesh routers da WMN. Enquanto o roteamento com balanceamento de carga busca aliviar a sobrecarga dos enlaces de comunicação, a atribuição de canais visa alocar canais com mais banda aos enlaces mais sobrecarregados. Existem outros tipos de abordagem conjunta que envolvem controle de potência, alocação de taxa, escalonamento de enlaces e diversos outros mecanismos que podem maximizar o desempenho da rede [36]. Escolhemos tratar a abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais, pois em WMNs de múltiplos rádios e múltiplos canais o roteamento e a atribuição de canais são mecanismos básicos e necessários para que os enlaces sejam formados e o encaminhamento dos pacotes na rede seja realizado.

24 2.3 Abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais 22 Nesse contexto, a abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais consiste em encontrar uma combinação de caminhos para fluxos e canais para rádios em cada mesh router de modo que a vazão da rede seja maximizada. Adicionalmente, é desejável que a justiça da rede também seja maximizada. Encontrar uma combinação ótima para esses dois fatores é um problema NP-Difícil dada a explosão combinatória a medida que a rede aumenta [3, 16]. Raniwala et al. [34] propuseram uma solução centralizada para essa abordagem conjunta. O algoritmo de atribuição de canais desenvolvido pelos autores aloca canais com mais banda para enlaces de comunicação mais carregados. Para a solução de roteamento os autores empregaram algoritmos como o Shortest Path Routing e o Randomized Multipath Routing. Conhecimento prévio do tráfego da rede é fornecido como entrada para o algoritmo de atribuição de canais. Raniwala et al. [33] também desenvolveram uma solução distribuída. Os algoritmos de roteamento e atribuição de canais realizam decisões locais em cada mesh router da rede. Na atribuição de canais, cada mesh router seleciona os canais menos utilizados em torno de sua vizinhança, enquanto o roteamento constrói sub-árvores para realizar o balanceamento de carga. Novamente, conhecimento prévio do tráfego da rede é necessário. Alicherry et al. [3] desenvolveram uma modelagem matemática para a abordagem conjunta de roteamento e atribuição de canais. Eles desenvolveram um algoritmo aproximado para obter uma solução de roteamento, escalonamento de enlaces e atribuição de canais com o intuito de maximizar a vazão da rede. Os autores aplicam primeiro uma solução de programação linear para o algoritmo de roteamento para depois aplicar um algoritmo aproximado para escalonamento de enlaces e atribuição de canais. O tráfego da rede precisa ser previamente conhecido. Gardellin et al. [13] propuseram uma solução baseada em divisão e conquista. A rede é dividida em partes menores, a solução ótima de cada parte é calculada e em seguida todas as soluções são combinadas. Conhecimento do tráfego da rede, da alocação de taxa e da potência de sinal recebida em cada rádio de cada mesh router são necessários. Gálvez et al. [16] desenvolveram a heurística Joint Routing, Channel Assignment and Rate allocation (JRCAR) para resolver conjuntamente roteamento e atribuição de canais. Heurísticas separadas para roteamento e atribuição de canais são apresentadas. Ambas levam em conta a carga nos enlaces de comunicação. A estratégia da heurística consiste em resolver primeiro o roteamento e na sequência realizar a atribuição de canais. O roteamento é tratado no nível de fluxos de aplicações TCP, ou seja, um fluxo é identificado como endereço de origem, endereço de destino, porta de origem e porta de destino. Selecionamos a heurística JRCAR como trabalho principal a ser comparado