ANGELO BANNACK APLICANDO GESTÃO DE ENERGIA AO PROTOCOLO DE ROTEAMENTO PARA REDES AD HOC MÓVEIS VRP. Dissertação apresentada como requisito parcial

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1 ANGELO BANNACK APLICANDO GESTÃO DE ENERGIA AO PROTOCOLO DE ROTEAMENTO PARA REDES AD HOC MÓVEIS VRP Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre. Programa de Pós-Graduação em Informática, Setor de Ciências Exatas, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Luiz Carlos Pessoa Albini CURITIBA 2008

2 ANGELO BANNACK APLICANDO GESTÃO DE ENERGIA AO PROTOCOLO DE ROTEAMENTO PARA REDES AD HOC MÓVEIS VRP Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre. Programa de Pós-Graduação em Informática, Setor de Ciências Exatas, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Luiz Carlos Pessoa Albini CURITIBA 2008

3 ANGELO BANNACK APLICANDO GESTÃO DE ENERGIA AO PROTOCOLO DE ROTEAMENTO PARA REDES AD HOC MÓVEIS VRP Dissertação aprovada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre no Programa de Pós-Graduação em Informática da Universidade Federal do Paraná, pela Comissão formada pelos professores: Orientador: Prof. Dr. Luiz Carlos Pessoa Albini Departamento de Informática, UFPR Prof. Dr. Aldri Luiz dos Santos Departamento de Informática, UFPR Prof. Dr. Luiz Henrique Andrade Correia Departamento de Informática, UFLA Curitiba, 25 de Agosto de 2008 ii

4 iii Para Luciane

5 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus pela vida e a capacidade de conquistas com a qual me presenteou. A minha noiva, Luciane, pelo apoio e compreensão em todos os momentos durante a execução deste trabalho e também por todo amor e carinho dedicados desde que nos conhecemos. Aos meus pais por terem possibilitado minha vinda à Curitiba para estudar. Agradeço também ao amigo Giordano pela ajuda com os testes iniciais e ao Lactec por ter cedido seus laboratórios para tais testes. Aos amigos Marilda e Antonio pela ajuda com os intervalos de confiança. E ao pessoal da Divisão de Suporte do Tribunal de Justiça do Paraná por terem facilitado o andamento das pesquisas e simulações, essenciais para esta dissertação. iv

6 Algo só é impossível até que alguém duvide e acabe por provar o contrário. Albert Einstein v

7 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS xi LISTA DE TABELAS xii LISTA DE ALGORITMOS xiii LISTA DE SIGLAS xiv RESUMO xv ABSTRACT xvi 1 INTRODUÇÃO Gestão de Energia Controle de Potência de Transmissão Transição para o Modo de Operação Dormindo (sleep) Balanceamento de Fluxos Objetivos Motivação Organização CONSUMO DE ENERGIA DAS UNIDADES DA REDE Modelo de Consumo de Energia PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO PARA REDES MANET Dynamic Source Routing Ad-hoc On-demand Distance Vector Virtual Routing Protocol vi

8 4 VIRTUAL ROUTING PROTOCOL WITH ENERGY MANAGEMENT VRP/EM1 - Flooding de Energia Restante Especificação do Protocolo Atualização das Unidades Espionadas Atualização da Energia dos Caminhos Virtuais Aquisição de Rotas Mensagens Utilizadas pelo VRP/EM Route Reply - RREP Route Energy - RENE VRP/EM2 - Construção do Caminho Virtual Passo a Passo Especificação do Protocolo Aquisição de Rotas Mensagens Utilizadas pelo VRP/EM VRP/EM3 - Múltiplos Caminhos Especificação do Protocolo Aquisição de Rotas Mensagens Utilizadas pelo VRP/EM SIMULAÇÕES E RESULTADOS Avaliação da Técnica de Balanceamento de Fluxos Avaliação do VRP/EM Variação da Velocidade das Unidades Variação da Densidade da Rede Variação da Taxa de Transmissão para Velocidades de até 20m/s Variação da Taxa de Transmissão para Velocidades de até 1, 4m/s Variação do Número de Unidades da Rede CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS Trabalhos Futuros vii

9 A MENSAGENS UTILIZADAS PELO PROTOCOLO VRP 86 A.1 Route Translation - RTRANS A.2 Route Request - RREQ A.3 Route Reply - RREP A.4 Route Error - RERR A.5 Mensagens de Hello - HELLO A.6 Mensagens de Dados BIBLIOGRAFIA 93 viii

10 LISTA DE FIGURAS 3.1 Estrutura virtual anel-de-anéis Caminho virtual entre duas unidades Estrutura anel-de-anéis utilizada pelo protocolo VRP/EM Tabela de energias para uma dada unidade a Tabela de energias para uma dada unidade f Tabela de energias após RENE trocadas entre a e f Tabela de energias completa Mensagem Route Reply (RREP) utilizada pelo protocolo VRP/EM Mensagem Route Energy - RENE Tempo de vida da rede dos protocolos AODV e DSR Possível melhoria no tempo de vida aplicando a técnica de Balanceamento de Fluxos Taxa de entrega dos protocolos AODV e DSR Energia utilizada pela interface de rede com mensagens de roteamento, controle e dados no protocolo AODV Energia utilizada pela interface de rede com mensagens de roteamento, controle e dados no protocolo DSR Energia utilizada pela interface de rede para enviar e receber mensagens no protocolo AODV Energia utilizada pela interface de rede para enviar e receber mensagens no protocolo DSR Tempo de vida da rede variando-se a velocidade das unidades Taxa de entrega variando-se a velocidade das unidades Energia média gasta por mensagem de dados variando-se a velocidade das unidades ix

11 5.11 Energia média gasta com mensagens de roteamento variando-se a velocidade das unidades Tempo médio de execução variando-se a velocidade das unidades Seqüência de expiração para velocidade de 0 m/s - unidades estáticas Seqüência de expiração para velocidade de 10 m/s Seqüência de expiração para velocidade de 20 m/s Tempo de vida da rede variando-se a densidade Taxa de entrega variando-se a densidade Energia média gasta por mensagem de dados variando-se a densidade Energia média gasta com mensagens de roteamento variando-se a densidade Tempo médio de execução variando-se a densidade Seqüência de expiração para área de 1000x1000 m Seqüência de expiração para área de m Seqüência de expiração para área de 100x100 m Tempo de vida da rede variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) Taxa de entrega variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) Energia média gasta por mensagem de dados variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) Energia média gasta com mensagens de roteamento variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) Tempo médio de execução variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 1 Kbps e velocidade máxima de 20 m/s Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 20 Kbps e velocidade máxima de 20 m/s Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 204 Kbps e velocidade máxima de 20 m/s Tempo de vida da rede variando-se a taxa de transmissão (1,4 m/s) Taxa de entrega variando-se a taxa de transmissão (1,4 m/s) x

12 5.34 Energia média gasta por mensagem de dados variando-se a taxa de transmissão (1,4 m/s) Energia média gasta com mensagens de roteamento variando-se a taxa de transmissão (1,4 m/s) Tempo médio de execução variando-se a taxa de transmissão (1,4 m/s) Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 1 Kbps e velocidade máxima de 1,4 m/s Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 20 Kbps e velocidade máxima de 1,4 m/s Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 204 Kbps e velocidade máxima de 1,4 m/s Tempo de vida da rede variando-se o número de unidades Taxa de entrega variando-se o número de unidades Energia média gasta por mensagem de dados variando-se o número de unidades Energia média gasta com mensagens de roteamento variando-se o número de unidades Tempo médio de execução variando-se o número de unidades Seqüência de expiração para 108 unidades na rede Seqüência de expiração para 150 unidades na rede Seqüência de expiração para 201 unidades na rede A.1 Mensagem Route Translation - RTRANS A.2 Mensagem Route Request - RREQ A.3 Mensagem Route Reply - RREP A.4 Mensagem Route Error - RERR A.5 Mensagem de Hello - HELLO A.6 Mensagem de dados xi

13 LISTA DE TABELAS 1.1 Consumo médio de uma interface de rede b Consumo médio para envio e recebimento de mensagens Parâmetros utilizados nas simulações Métricas utilizadas para comparação entre os protocolos de roteamento.. 47 xii

14 LISTA DE ALGORITMOS 4.1 Calcula caminho virtual de maior energia entre duas unidades Encaminha RTRANS passo a passo Aquisição de rotas no protocolo VRP/EM xiii

15 LISTA DE SIGLAS ACK AODV CBR CPU CTS DCF DIFS DSR IP MAC MANET NIC PDA RAM RENE RERR RREP RREQ RTRANS RTS SIFS UDP VRP VRP/EM Acknowledgement Ad-hoc On-demand Distance Vector Constant Bit Rate Traffic Generator Central Processing Unit Clear To Send Distributed Coordination Function DCF Interframe Space Dynamic Source Routing Internet Protocol Media Access Control Mobile Ad-hoc Network Network Interface Card Personal Digital Assistant Random Access Memory Route Energy Route Error Route Reply Route Request Route Translation Request To Send Short Interframe Space User Datagram Protocol Virtual Routing Protocol Virtual Routing Protocol with Energy Management xiv

16 RESUMO Uma rede ad hoc móvel (MANET) é uma rede sem fio que não necessita de infra-estrutura pré-existente. O roteamento em tais redes deve ser estabelecido de maneira distribuída, e auto organizada, além de levar em consideração a mobilidade das unidades. Como as unidades móveis são dependentes de baterias, é importante também minimizar o consumo de energia. Estudos mostram que um dos grandes consumidores de energia de unidades pertencentes a uma rede ad hoc móvel, são as interfaces de rede. Uma das maneiras possíveis de racionar o uso de energia é através de protocolos de roteamento que otimizem o envio de mensagens, através de rotas estrategicamente escolhidas. A presente dissertação apresenta um estudo da aplicabilidade de gestão de energia por balanceamento de fluxos ao protocolo de roteamento Virtual Routing Protocol (VRP). A principal vantagem do VRP é obter uma alta taxa de entrega de mensagens, porém, ele possui um alto consumo de energia. A gestão de energia aplicada ao VRP minimiza este problema de consumo de energia mantendo a taxa de entrega do VRP. Diversas simulações e comparações foram realizadas utilizando o simulador GloMoSim comparando o VRP com e sem gestão de energia com o DSR e o AODV. É mostrado que o protocolo VRP sem gestão de energia é mais oneroso, em relação ao consumo de energia em comparação aos outros protocolos e que quando utiliza gestão de energia ele se aproxima do consumo do DSR e do AODV. A principal contribuição nesta dissertação, além de apresentar a gestão de energia aplicada ao protocolo VRP, é mostrar que o balanceamento de fluxos é uma técnica simples e eficiente para ser explorada com o intuito de reduzir o consumo de energia e até mesmo melhorar a taxa de entrega em MANETs. xv

17 ABSTRACT A mobile ad hoc network (MANET) is a wireless network that does not use any kind of pre-existent infrastructure. Routing in such networks must establish routes in a distributed and self-organized fashion, and should consider nodes mobility. As mobile units are battery dependents, it is important to minimize energy consumption. Studies show that the network interface is one of the major energy consumer. One possible way to minimize the energy consumption is through routing protocols that optimize the message flow, using strategically chosen routes. This dissertation presents a study of the applicability of energy management using flow balance over the Virtual Routing Protocol (VRP). VRP main advantage is the higher delivery rates, but, it is achieved through a high energy consumption. Applying energy management to VRP minimizes this problem while maintaining the delivery ratio. Several simulations and comparisons where made using GloMoSim simulator comparing the VRP, with and without energy management, with DSR and AODV. Is is possible to conclude that VRP without energy management is more expensive, in terms of energy consumption, when compared with these other protocols. While VRP with energy management has an energy consumption as good as DSR and AODV. Another contribution in this study is to show that the flow balance is a simple and efficient technic that can be exploited to reduce the energy consumption in MANETs. xvi

18 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Redes ad hoc móveis, também conhecidas como MANETs, abreviação para mobile ad hoc networks, são redes sem fio que podem ser construídas em qualquer lugar, pois elas independem da existência de infra-estrutura fixa [31]. As unidades de tais redes são, em sua maioria, pequenas, portáteis, alimentadas por baterias e se comunicam umas com as outras através de sinais de rádio. Como o alcance de tais sinais é limitado, redes ad hoc são normalmente multi-salto, isto é, cada unidade deve funcionar como um roteador de mensagens para as demais unidades da rede. Devido ao fato das unidades serem móveis, a topologia da rede pode mudar imprevisivelmente e as rotas estabelecidas inicialmente podem tornar-se obsoletas, necessitando serem recalculadas [18]. Desta forma, o roteamento em redes ad hoc precisa usar algoritmos distribuídos que calculem múltiplas rotas, livres de laços e mantenham uma baixa sobrecarga de comunicação. Os protocolos tradicionais existentes para redes fixas, com fio, geralmente consomem uma quantidade significativa de banda da rede, necessitam de grande poder de processamento das unidades e nem sempre se preocupam em agir rapidamente em caso de mudanças de topologia. Como as unidades de redes MANET normalmente têm baixo poder de processamento, possuem interfaces de redes com restrições de desempenho e necessitam de um calculo rápido de novas rotas em caso de mudança de topologia, tais protocolos tornam-se inadequados [29]. Isto faz do roteamento em redes ad hoc móveis um excelente campo de pesquisa além de um grande desafio. Outro desafio em redes ad hoc é o consumo de energia. Como as unidades móveis são dependentes de baterias é importante minimizar o consumo de energia. Estudos mostram que os maiores consumidores de energia em dispositivos móveis são CPU s, displays, memórias (FLASH, RAM) e interfaces de rede sem fio [11, 26]. Conseqüentemente, a

19 2 redução no consumo de energia tem sido altamente considerada no desenvolvimento de novos circuitos eletrônicos para dispositivos móveis, criando-se por exemplo, displays, memórias e CPU s de baixo consumo. Alguns pesquisadores desenvolvem ainda algoritmos para reduzir o consumo de energia em momentos de pouca utilização do dispositivo, desligando ou mantendo os periféricos não utilizados em modo de baixa demanda de energia (modo idle). Como o roteamento é parte essencial das MANETs [16] é possível desenvolver protocolos de roteamento que otimizem o uso da interface de rede, com o objetivo de reduzir o consumo de energia. Baseando-se no fato de que as interfaces de rede estão em boa parte do tempo inativas [16], sem enviar nem receber mensagens, a energia utilizada para manter a interface ligada poderia ser economizada simplesmente desligando a placa de rede quando ela não estivesse em uso. Entretanto as unidades precisam participar de protocolos de roteamento multi-salto, e não apenas ligar sua interface de rede para receber mensagens destinadas a ela. Além disso, na maioria dos protocolos de rede, mensagens podem ser enviadas a qualquer momento, e a unidade precisa estar preparada para recebe-las, com sua interface de rede sempre ativa. 1.1 Gestão de Energia O problema da conservação de energia em redes ad hoc vem sendo abordado de diversas formas. Uma delas implica em reduzir o consumo energético das unidades da rede utilizando técnicas mais eficientes para roteamento [10], influenciando diretamente o consumo de energia das interfaces de rede. Tais técnicas podem ser divididas em [10]: Controle da Potência de Transmissão; Transição para o Modo de Operação Dormindo (sleep); Balanceamento de Fluxos.

20 Controle de Potência de Transmissão Esta técnica visa reduzir a potência de transmissão da interface de rede de forma a utilizar somente a potência necessária para a comunicação com unidades próximas, evitando assim consumir mais energia para comunicar-se com unidades distantes [38]. Neste caso são utilizados caminhos mais longos, com múltiplos saltos, para se chegar até a unidade destino. Min e Chandrakasan [33] analisam sob quais condições se torna interessante a utilização de múltiplos saltos a partir da redução da potência de transmissão. Eles demonstram que a utilização de dois saltos ao invés de um, quando possível, torna-se vantajosa quando a parcela de energia que pode ser reduzida é maior que o custo fixo associado à comunicação. Alguns protocolos como o Energy Aware Dynamic Source Routing Protocol (EADSR) [4], Flow Argumentation Routing (FAR) [5], Minimum Energy Routing (MER) [14] e Power aware Localized Routing (PLR) [41] utilizam esta técnica. Na tese de Scriptor [39], é possível encontrar um teste prático com o protocolo EADSR, utilizando interfaces de rede Cisco Aironet 350 Series [8], que permitem tal controle Transição para o Modo de Operação Dormindo (sleep) Segundo Bahl, Shih e Sinclair [40], os modos de operação de uma interface de rede sem fio podem ser divididos em: Transmit (Transmitindo dados); Receive (Recebendo dados); Idle (Aguardando dados); Sleep (Dormindo). O consumo de energia de cada modo é proporcional a ordem desta lista. Baseado no mesmo artigo, no qual foi medido o consumo de energia de uma interface de rede Compaq WL110 [9] conectada a um computador de mão do tipo HP IPAQ 3600, a Tabela 1.1 foi obtida, ilustrando o consumo médio de uma interface de rede atuando no modo

21 802.11b. Maiores detalhes de como esta tabela foi calculada podem ser encontradas no artigo publicado no ICCSC 2008 [3]. Modo de Operação Potência Consumida (mw ) Transmit (Transmitindo dados) 798 Receive (Recebendo dados) 548 Idle (Aguardando dados) 407 Sleep (Dormindo) 38 Tabela 1.1: Consumo médio de uma interface de rede b 4 A técnica de transição para o modo de operação dormindo se beneficia do fato de que tal modo de operação é de longe o de menor consumo, e mantém as unidades da rede neste estado quando a comunicação não é necessária, acordando as unidades de tempos em tempos de forma a receber mensagens e participar do roteamento. Embora podendo ser utilizada em sistemas com algum tipo de administração centralizada, esta técnica possui viabilidade limitada em redes ad hoc. Sua complexidade é grande visto que necessita de algum mecanismo de controle para que as unidades entrem e saiam do modo dormindo. Além disso, uma unidade no modo dormindo deve confiar que suas vizinhas armazenarão mensagens destinadas a ela, que venham eventualmente ser enviadas neste período. O protocolo Span [6] implementa o roteamento utilizando esta técnica para reduzir o consumo de energia das unidades da rede. Os protocolos Geographic Adaptive Fidelity (GAF) [45], e Prototype Embedded Network (PEN) [17] também utilizam a técnica de transição para o modo de operação dormindo para o roteamento Balanceamento de Fluxos O objetivo da técnica de balanceamento de fluxos, Load Balance [7, 10, 20, 22], consiste em evitar a utilização de uma única rota repetidas vezes, o que levaria ao rápido esgotamento da energia das unidades utilizadas nesta rota. Desta forma, procura-se balancear os fluxos de dados por diferentes rotas, levando em consideração a energia restante nas unidades da rede, escolhendo as rotas que contenham unidades com maior quantidade de energia. O balanceamento de tráfego é mais simples em redes com roteamento estático, onde a topologia pode ser seguramente obtida, porém é mais complexo em redes móveis que

22 possuem topologias altamente dinâmicas. A técnica de balanceamento de fluxos possui duas derivações [27]: 5 1. Caminho único; 2. Múltiplos caminhos. No balanceamento de fluxos por caminho único, uma rota com bom potencial de energia é descoberta e utilizada por todas as mensagens de dados até que uma nova rota, com melhores condições de energia, seja localizada pelo protocolo de roteamento. O objetivo principal é evitar o uso de uma única rota por muito tempo, o que pode reduzir rapidamente a energia das unidades pertencentes à rota. O grande desafio desta técnica é decidir quando uma rota deixou de ser favorável e uma nova rota deve ser utilizada. Na variação da técnica de balanceamento de fluxos utilizando múltiplos caminhos, técnica também conhecida como Multi-Path Routing [27], as mensagens de dados seguem caminhos distintos durante todo o tempo. Rotas diferentes são utilizadas simultaneamente para enviar mensagens de uma unidade à outra na rede. Desta forma as mensagens podem chegar a qualquer ordem e o consumo de energia fica distribuído na rede. Alguns autores [15, 30, 31, 37] tratam esta variação da técnica de balanceamento de fluxos simplesmente como uma estratégia de encaminhamento de mensagens e não necessariamente uma técnica de redução de consumo de energia. O protocolo max-min zp min [32], combina os benefícios de selecionar a rota com o menor consumo de energia com aquela que maximiza a energia residual em cada unidade da rede. Para sua utilização uma unidade precisa conhecer precisamente a quantidade de energia de todas as unidades próximas. O max-min zp min utiliza o balanceamento de fluxos por caminho único. Além dele também pode-se citar os protocolos Localized Energy Aware Routing (LEAR) [44] e Conditional Max-Min Battery Capacity (CMMBCR) [43] como utilizadores da técnica de balanceamento de fluxos de caminho único para reduzir o consumo de energia da rede.

23 6 1.2 Objetivos Esta dissertação tem como principal objetivo a aplicação da técnica de balanceamento de fluxos ao protocolo de roteamento Virtual Routing Protocol (VRP) [1, 2] como forma de racionar o consumo de energia da rede. O VRP tem a principal vantagem de obter uma alta taxa de entrega de mensagens, porém, possui alguns problemas com relação ao consumo de energia. Devido à necessidade de manter rotas reais sempre atualizadas para um conjunto de unidades (unidades espionadas), o consumo de energia aumenta, e conseqüentemente o tempo de vida da rede diminui. A aplicação do balanceamento de fluxos minimiza este problema de consumo de energia mantendo e até melhorando a taxa de entrega do VRP. A nova versão do VRP é denominada de Virtual Routing Protocol with Energy Management (VRP/EM) e possui três diferentes variantes (VRP/EM1, VRP/EM2 e VRP/EM3), cada uma explorando uma diferente abordagem da técnica de balanceamento de fluxos. Ele não é um protocolo totalmente novo e sim uma variação do VRP incluindo a funcionalidade de gestão de energia. Diversas simulações e comparações foram realizadas utilizando o simulador GloMo- Sim [46] comparando as três variações do VRP/EM com os protocolos Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) [36], Dynamic Source Routing (DSR) [24] e é claro com o VRP. É mostrado que o protocolo VRP é mais oneroso, em relação ao consumo de energia, quando comparado com estes protocolos e que pelo menos uma das variantes do VRP/EM se aproxima do consumo do DSR e do AODV. Para obter tais resultados o simulador GloMoSim foi adaptado para incluir o modelo de consumo de energia derivado da proposta de Feeney e Nilsson [16]. O protocolo VRP bem como o VRP/EM foram implementados no mesmo. 1.3 Motivação Esta dissertação tem como origem a continuação do trabalho iniciado por Albini na concepção do VRP [1, 2]. A adaptação do protocolo para levar em consideração consumo de

24 7 energia das unidades da rede é proposta do próprio Albini em seu trabalho original. A atuação profissional na área de medição de energia veio de encontro a esta proposta, e foi o grande motivador para a execução do mesmo. As simulações para redes ad hoc são sempre realizadas baseando-se em tempos curtos de simulação. Os valores típicos são da ordem de 300 segundos. Normalmente são utilizados unidades e valores fictícios para a energia inicial da bateria bem como para o consumo de energia da interface de rede. Não há preocupação com valores e dimensões do mundo real. Este trabalho utiliza simulações até o fim da bateria das unidades da rede. São utilizados valores derivados de equipamentos comerciais para o nível inicial da bateria bem como para o consumo da interface de rede na transmissão de mensagens. Todos os valores de energia utilizados são em W h, que é escala do sistema internacional de medidas para consumo energético. Além disso, como a capacidade das baterias não aumenta na mesma proporção de seu consumo ou do desempenho de novos equipamentos eletrônicos, a redução do consumo de energia de unidades móveis continua sendo um excelente desafio e motivador de muitas pesquisas. 1.4 Organização Esta dissertação esta dividida da seguinte forma: O Capítulo 2 propõe e descreve um modelo de consumo de energia para redes MANET. O Capítulo 3 descreve brevemente os protocolos VRP, AODV e DSR que foram utilizados nas simulações e comparações. O Capítulo 4 descreve o protocolo VRP/EM e suas três variantes. O Capítulo 5 discute e apresenta todas as simulações e estudos realizados. O Capítulo 6 apresenta a conclusão desta dissertação de mestrado bem como sugestões para trabalhos futuros. O Anexo A descreve todas as mensagens utilizadas pelo protocolo VRP e que também são utilizadas pelo VRP/EM, exceto nos casos especificados no Capítulo 4.

25 8 CAPÍTULO 2 CONSUMO DE ENERGIA DAS UNIDADES DA REDE O consumo de energia das unidades pertencentes a uma rede ad hoc móvel não se resume somente a interface de rede. Outros periféricos contribuem para reduzir os níveis de energia, tais como o próprio processador, o display ou as memórias de armazenamento (voláteis ou não). Durante o envio e o recebimento de mensagens é necessário algum tipo de processamento e armazenamento das mensagens recebidas ou enviadas, o que ocasiona consumo de energia. Este Capítulo descreve o modelo de consumo de energia implementado no GloMoSim e utilizado para realizar as simulações desta dissertação. Este modelo foi publicado no ICCSC 2008 [3]. Os parâmetros são derivados da proposta de Feeney e Nilsson [16], porém os valores reais utilizados foram calculados conforme descrito abaixo. 2.1 Modelo de Consumo de Energia De forma a simplificar o trabalho de equacionar o consumo de energia das unidades de uma rede MANET os parâmetros de consumo energético foram divididos em algumas variáveis. Tais variáveis foram inicialmente descritas no artigo publicado no ICCSC 2008 [3]. Considera-se a existência de um valor fixo, representando o consumo médio de energia para manter a unidade em pleno funcionamento, independente do consumo da interface de rede, pelo período de 1 (um) segundo. Tal valor é denominado de NODE-SPENT-ENERGY- PER-SECOND. Da mesma forma, o consumo médio por segundo de energia para manter a interface de rede ligada em modo de espera (Idle), sem receber mensagens, é denominado de NIC-SPENT-ENERGY-PER-SECOND. A camada MAC do padrão [42] define o envio de um preâmbulo, antes do envio de qualquer mensagem. Desta forma, para o envio de uma mensagem, independente de a

26 9 mesma ser um RTS, CTS, ACK ou uma mensagem de dados, considera-se o consumo de energia segmentado através dos parâmetros listados abaixo. Tais parâmetros são derivados do modelo inicialmente proposto por Feeney e Nilsson [16]: NIC-SEND-HEADER-SPENT-ENERGY: Energia gasta durante a fase de preparação para o envio da mensagem, incluindo o encapsulamento da mensagem, o tempo Inter Frame (DIFS, SIFS e/ou backoff, conforme a mensagem), a alteração do modo de comunicação, bem como o envio do preâmbulo MAC ; NIC-SEND-BYTE-SPENT-ENERGY: Energia gasta para enviar um byte da mensagem incluindo cabeçalho. Da mesma forma, para o recebimento de uma mensagem, considera-se o consumo de energia dividido nos seguintes parâmetros: NIC-RECV-HEADER-SPENT-ENERGY: Energia gasta durante a fase de preparação para o recebimento da mensagem, incluindo a alteração do modo de comunicação, bem como o desencapsulamento da mensagem e o recebimento do preâmbulo MAC ; NIC-RECV-BYTE-SPENT-ENERGY: Energia gasta para receber um byte da mensagem incluindo cabeçalho e dados. Baseado nos parâmetros acima, considera-se que a quantidade de energia gasta para enviar uma mensagem é: NIC-SEND-HEADER-SPENT-ENERGY +(NIC-SEND-BYTE-SPENT-ENERGY tamanho da mensagem incluindo o cabeçalho ) A quantidade de energia gasta para receber uma mensagem é: NIC-RECV-HEADER-SPENT-ENERGY +(NIC-RECV-BYTE-SPENT-ENERGY tamanho da mensagem incluindo o cabeçalho ) O preâmbulo do padrão pode ser curto ou longo. O preâmbulo longo deve ser obrigatoriamente implementado por todos os dispositivos que suportam o protocolo

27 , já o preâmbulo curto é opcional. Para fins de simulação, será utilizado apenas o preâmbulo longo e o modo Tal preâmbulo possui 192 bits e é enviado a taxa de 1 Mbps. Cada byte das mensagens trafega a 11 Mbps, independente da qualidade dos sinais de rádio do ambiente, ou seja, somente o padrão b é utilizado. Considera-se então, para fins de simulação, que: o preâmbulo MAC leva 192 µs para ser enviado; cada byte de uma mensagem leva 0,727 µs para seu completo envio. Durante o envio do preâmbulo e dos bytes da mensagem a unidade que transmite a mensagem estará, obrigatoriamente, com sua interface de rede em modo transmit, e a unidade que recebe, em modo receive. Considera-se ainda uma margem de tolerância de 10 µs [16], em que as unidades estarão nos modos acima, como forma de garantia de entrega das mensagens bem como para quantificar a energia gasta para a preparação das mensagens e também o tempo para alternar entre os modos de operação da interface de rede. Desta forma, considerando a tabela 1.1 contendo valores médios para o consumo de uma interface de rede b operando em seus diversos modos, os tempos citados acima, e descontando o valor de energia necessária para manter a interface de rede energizada em modo idle, pode-se calcular os valores típicos para os parâmetros de energia consumidas no envio e recebimento de mensagens. Tais valores são ilustrados na tabela 2.1. Parâmetro Cálculo Energia (pw h) NIC-SEND-HEADER-SPENT-ENERGY ( µs) * 798 mw NIC-SEND-BYTE-SPENT-ENERGY 0,727 µs * 798 mw 161 NIC-RECV-HEADER-SPENT-ENERGY ( µs) * 548 mw NIC-RECV-BYTE-SPENT-ENERGY 0,727 µs * 548 mw 111 Tabela 2.1: Consumo médio para envio e recebimento de mensagens Segundo informações do fabricante [19] e também confirmado pela empresa Thaddeus Computing Inc [21], a bateria de um computador de mão do tipo HP IPAQ 3600, que possui mah e 3,7 V, consegue manter a unidade ligada, em média, por 14 horas com uso contínuo, sem possuir nenhum periférico conectado, como por exemplo interfaces de rede

28 sem fio. Desta forma pode-se concluir que o consumo de energia por segundo, sem considerar o consumo da interface de rede, deste dispositivo é aproximadamente mah 3,7 V pw h ( ), que é o valor médio para NODE-SPENT-ENERGY-PER-SECOND. A 14 h s energia total da bateria (NODE-START-ENERGY) é de mw h (2.200 mah 3, 7 V ). Se for considerado o valor médio típico para manter a interface de rede em modo idle como 407 mw, conforme a tabela 1.1, então o consumo de energia por segundo médio da interface de rede é de aproximadamente pw h ( para NIC-SPENT-ENERGY-PER-SECOND mw ), que é o valor médio s É interessante observar que quase a metade da energia ( =41, 18%) é utilizada para manter a interface de rede ativa, em modo idle, aguardando por mensagens. Isto explica e justifica o fato de se buscar protocolos de roteamento que reduzam ou otimizem o consumo de energia das unidades da rede. Esta é uma das grandes motivações para a execução do presente trabalho.

29 12 CAPÍTULO 3 PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO PARA REDES MANET Este Capítulo descreve os protocolos Dynamic Source Routing (DSR) [24, 25], Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) [34, 36] e Virtual Routing Protocol (VRP) [1, 2]. O AODV e o DSR são os protocolos MANET mais estudados e avaliados. Eles são utilizados na comparação com o trabalho original do VRP e também são os protocolos com a melhor implementação no simulador utilizado, o GloMoSim. Desta forma eles possuem grande relevância para este trabalho. O VRP é descrito devido sua relevância nesta dissertação, pois o protocolo VRP/EM é derivado dele. Os protocolos de roteamento normalmente são classificados em três grandes grupos: Proativos; Reativos; Híbridos. Os protocolos proativos são aqueles que mantêm as informações sempre atualizadas, independente do uso das rotas armazenadas. Quando uma unidade necessita enviar uma mensagem na rede, ela já sabe previamente qual a rota a ser seguida. Tais protocolos costumam ter uma sobrecarga alta quando uma quebra de enlace é detectada pois precisam enviar um broadcast total (flooding) para determinar a nova rota. Além disso, geralmente as rotas devem ser atualizadas periodicamente ou a partir da detecção de um evento na rede, como por exemplo a alteração da topologia ou a quebra de um enlace. Protocolos reativos, também conhecidos como on-demand, não mantém informações de roteamento atualizadas, e constroem caminhos de roteamento somente quando realmente necessário. Normalmente as unidades vizinhas são sempre conhecidas, de forma a facilitar o envio de mensagens e a descoberta de novas rotas. Tais protocolos costumam ter uma

30 13 sobrecarga baixa e exigir menos memória do que os algoritmos proativos, porém levam um tempo maior para a construção das rotas. Os protocolos AODV e DSR são reativos. Os protocolos híbridos utilizam uma parte proativa e outra reativa no algoritmo de roteamento. Normalmente a parte proativa é definida para unidades próximas, distanciadas em um número predeterminado de saltos de cada unidade ou delimitados por algum tipo de hierarquia. Cada unidade pode definir sua própria zona proativa, e pode utilizar qualquer protocolo proativo para determinar as unidades desta região. A parte reativa é utilizada para se chegar até as unidades que estão fora da zona proativa. Este é o caso do protocolo VRP, que utiliza uma parte proativa para encontrar rotas até as unidades espionadas e outra reativa para encontrar rotas sob demanda. 3.1 Dynamic Source Routing O fundamento básico do protocolo Dynamic Source Routing (DSR) [23, 24, 25] é o uso do roteamento pela origem (source routing), ou seja, a unidade transmissora conhece o caminho completo até o destino e conseqüentemente, todas as mensagens de dados carregam tais informações. Quando uma unidade deseja enviar uma mensagem de dados para um destinatário da qual ela ainda não conhece a rota, o procedimento de descoberta de rota é utilizada para determinar dinamicamente tal rota. O processo ocorre através do envio em flooding de uma mensagem de requisição de rota (RREQ). Cada unidade que recebe uma RREQ, adiciona seu endereço na mensagem e reencaminha a mesma na rede, a menos que a unidade seja a destinatária ou conheça uma rota até o destino. Neste caso a unidade responde a RREQ utilizando uma mensagem de resposta de rota (RREP) que é transmitida até a origem, utilizando a rota descoberta. A rota recebida pela origem através da mensagem de RREP é então armazenada numa tabela de roteamento e pode ser utilizada para o envio de dados. Se uma quebra de enlace ocorrer a unidade de origem é notificada através de uma mensagem de erro de rota (RERR). Neste caso a origem remove qualquer rota utilizando o enlace quebrado de sua tabela de roteamento. Se as rotas removidas forem necessárias

31 14 para o envio de mensagens de dados, um novo processo de descoberta de rota deve ser iniciado pela origem. Devido a natureza do algoritmo, nenhum mecanismo para detecção de laços se faz necessário. Todas as unidades que encaminham uma RREP aproveitam a oportunidade e armazenam uma cópia da rota em suas tabelas de roteamento para possível uso futuro. O protocolo DSR é descrito na RFC 4728 [25]. 3.2 Ad-hoc On-demand Distance Vector Como o próprio nome indica, o Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) [34, 35, 36] é um protocolo para redes MANETs que atua sob demanda, isto é, procura por rotas somente quando elas são realmente necessárias e o faz através de um mecanismo de descoberta de rotas. As rotas descobertas são mantidas enquanto elas são necessárias pela origem. AODV constrói rotas através de um ciclo de mensagens de requisição de rota (RREQ) e resposta de rota (RREP). Quando uma unidade de origem necessita de uma rota para uma unidade da qual ela ainda não conhece, uma mensagem de RREQ é enviada em broadcast através da rede. Unidades que recebem esta mensagem atualizam suas tabelas de roteamento adicionando uma entrada para informar que para chegar na origem basta enviar a mensagem para a unidade que acabou de enviar a RREQ. A mensagem de RREQ contém, além do endereço da unidade de origem, o número de seqüência da mensagem e o identificador de broadcast. Uma unidade que recebe uma RREQ pode enviar uma mensagem de RREP se ela é a destinatária ou se ela possui uma rota para o destino com um número de seqüência maior ou igual àquele contido na RREQ. Se este é o caso, então ela encaminha a RREP para a origem encaminhando a mensagem de volta para a unidade que enviou a RREP. Caso contrário a RREQ é reencaminhada na rede. As unidades mantêm controle da origem da RREQ e do identificador de broadcast. Se elas receberem uma RREQ já processada a mensagem é simplesmente descartada. Como a mensagem de RREP deve ser propagada até a origem, as unidades atualizam

32 15 suas tabelas de roteamento adicionando uma entrada para informar que para chegar no destino original da RREQ (que agora é origem da RREP) basta enviar a mensagem para a unidade que acabou de enviar a RREP. Quando a unidade de origem receber a RREP, ela pode então transmitir pacotes de dados para a destinatária simplesmente encaminhando a mensagem para a unidade que entregou a RREP. Se a origem receber outra mensagem de RREP vinda de uma unidade da qual já se sabe a rota, porém contendo um número de seqüência maior ou passando por menos unidades intermediárias, ela pode atualizar sua tabela de roteamento para aquele destino e utilizar a rota para transmitir dados. Desde que a rota seja utilizada ela permanece na tabela de roteamento. Entende-se por utilização da rota o fato da unidade enviar mensagens de dados periodicamente através dela. Uma vez que a origem pare de enviar mensagens pela rota, ela será automaticamente excluída pelas unidades participantes da mesma após um período de espera. Se uma quebra de enlace ocorrer enquanto a rota está ativa, a unidade que detectou a quebra propaga uma mensagem de erro de rota (RERR) até a origem, informando desta quebra. Se a origem ainda deseja utilizar a rota o processo de descoberta de rotas é reiniciado. O protocolo AODV é descrito na RFC 3561 [34]. 3.3 Virtual Routing Protocol O Virtual Routing Protocol (VRP) [1, 2] é um protocolo de roteamento para MANETs que utiliza estruturas virtuais mapeadas para a rede real. As unidades conhecem e compartilham a mesma estrutura virtual e a utilizam para construir caminhos virtuais que podem ser traduzidas em rotas reais utilizando mensagens de tradução de rotas. A princípio qualquer estrutura virtual pode ser utilizada, porém a mais comum, especificada no trabalho original, é a anel-de-anéis. Além disso, cada unidade da rede possui um conjunto de nós espionados (peered) e um outro conjunto de unidades espiãs (scout). Para entender a estrutura anel-de-anéis, suponha que existam dois inteiros, x e y, tais que, x y = N, onde N é o número de unidades da rede. No grafo L, que representa a

33 16 estrutura lógica virtual, as unidades são distribuídas em x anéis lógicos, cada um formado por y unidades. No grafo L, uma unidade é conectada a s 1 unidades em seu anel, onde 1 < s y, e a 1 (uma) unidade no próximo anel. Desta forma, s determina o número de unidades que são espiãs bem como o número de unidades que são espionadas. A Figura 3.1 ilustra uma estrutura virtual, do tipo anel-de-anéis, com x = 3, y = 11 e s = 4. Somente as arestas para as unidades espiãs e espionadas para uma dada unidade w estão representadas. s w[s] s w[1] w p w[1] pw[2] p w[s] s w[2] s w[s-1] p w[s-1] V a-1 V a V a+1 w Unidades espiãs de w Unidades espionadas por w Outras unidades Figura 3.1: Estrutura virtual anel-de-anéis O conjunto V, que representa as unidades na rede, é particionado em x anéis, denominados V 0, V 1,..., V x 1, onde a unidade u V a se a y u < (a + 1) y. Ou seja: V a = {u : a y u < (a + 1) y} O conjunto A, que representa os enlaces virtuais, é composto por enlaces (u, v), onde (u, v) A se: v mod y = (u + d) mod y, onde 1 d < s, ou v = (u + y) mod n. A união de todas as unidades u com enlace para a unidade w forma o conjunto de unidades espiãs de w. Formalmente: S w = {u : (u, w) A}. Uma unidade espiã de w é uma unidade que deve conhecer um caminho real a partir dela mesma até w. O

34 17 conjunto P w = {v : (w, v) A} é o conjunto de unidades espionadas por w, e portanto as unidades pertencentes a P w devem conhecer um caminho real até w. O número de elementos de S w é igual a s assim como o número de elementos de P w. Formalmente temos que S w = s = P w. Desta forma, p w[i] são os elementos de P w e s w[i] os elementos de S w. Como todas as unidades da rede utilizam a mesma estrutura virtual, elas conhecem o conjunto de unidades espionadas umas das outras. Quando uma rota para uma unidade, disjunta do conjunto de espionadas, é necessária, o VRP constrói um caminho virtual que utiliza somente unidades espionadas e gera uma mensagem de tradução de rotas (RTRANS) para obter o caminho real até a unidade destino. A mensagem RTRANS é enviada para a primeira unidade espionada no caminho virtual, utilizando a rota real obtida previamente. Quando uma unidade espionada recebe a mensagem RTRANS, ela adiciona a rota real até a próxima unidade espionada no caminho virtual, e envia a mensagem através da rede, utilizando a rota real, até a próxima unidade espionada. Este processo termina quando a mensagem RTRANS chega no fim do caminho virtual, ou seja, a destinatária da mensagem. Esta unidade, destinatária, elimina todos os possíveis laços na rota real (o caminho pela qual a RTRANS passou), e envia a rota obtida para a origem utilizando uma mensagem de resposta de rota (RREP). A RREP utiliza a mesma rota real obtida. Quando a RREP atinge a origem, a nova rota é armazenada na tabela de roteamento e a unidade pode enviar mensagens de dados para a unidade destino utilizando esta rota. A Figura 3.2 ilustra um possível caminho virtual para uma estrutura anel de anéis, com x = 3, y = 11 e s = 3, a partir da unidade 2 até a unidade 31. O caminho virtual representado é V P = (2, 13, 24, 27, 30, 31). Note que nem todos os enlaces estão representados na figura. Como o VRP é um protocolo de roteamento source routing, todas as mensagens de dados carregam informações da rota real até o destino. Se em uma troca de mensagens a rota se tornar inválida (devido a uma unidade se movimentar ou sua bateria ter terminado)

35 18 Figura 3.2: Caminho virtual entre duas unidades uma mensagem de erro de rota (RERR) é enviada até a unidade de origem para informar sobre a quebra de enlace, e uma nova rota virtual é construída e traduzida utilizando uma mensagem RTRANS. O VRP utiliza mensagens de HELLO para manter atualizada informações sobre as unidades vizinhas. As mensagens utilizadas pelo VRP estão detalhadas no Anexo A.

36 19 CAPÍTULO 4 VIRTUAL ROUTING PROTOCOL WITH ENERGY MANAGEMENT Este capítulo descreve as alterações realizadas no VRP para permitir a implementação do Virtual Routing Protocol with Energy Management (VRP/EM), de forma a atuar de acordo com a técnica de balanceamento de fluxos. O VRP/EM possui três derivações. As duas primeiras, VRP/EM1 e VRP/EM2, são baseadas na técnica de balanceamento de fluxos por caminho único. A terceira, VRP/EM3, utiliza o balanceamento de fluxos por múltiplos caminhos. Diferentemente do VRP tradicional o VRP/EM1 e o VRP/EM2 utilizam as rotas com maior quantidade de energia restante. Na verdade o valor de energia restante de uma rota partindo da unidade i até a unidade j, denominado de er i,j, é calculado como sendo o valor da energia restante na unidade que possui menos energia da rota. Sendo V ER i,j o vetor de energia restante das unidades que formam a rota real da unidade i até a unidade j, dado por V ER i,j = {e i = e 0, e 1, e 2,..., e j = e n }, então o valor de energia restante da rota que liga a unidade i até j, er i,j, é dado pelo menor valor entre e 1 e e n. O valor da energia restante na unidade de origem, e 0, não é considerado no cálculo da energia da rota. Por exemplo, para uma rota entre as unidades i e j, com o vetor de energia restante das unidades da rota sendo dado por V ER i,j = {10, 25, 30, 12, 20}, a energia restante da rota é 12. As seguintes formas de escolher tal rota são propostas e analisadas neste trabalho: 1. Flooding de Energia Restante: O envio periódico, pelas unidades espiãs, de flooding da quantidade de energia das rotas reais, er i,j, até suas unidades espionadas, de forma a permitir que as unidades construam caminhos virtuais com maior quantidade de energia. Esta derivação do protocolo é denominada VRP/EM1;

37 20 2. Construção do Caminho Virtual Passo-a-Passo: Supondo que as unidades da rede somente conhecem a energia restante, er i,j, das rotas até suas unidades espionadas, ao invés de montar um caminho virtual e traduzí-lo na rede com uma tradicional mensagem RTRANS, a unidade deve montar o caminho virtual e traduzílo simultaneamente, de maneira gradativa, enviando uma mensagem RTRANS para a unidade espionada de maior quantidade de energia. A rota virtual montada não pode conter laços, de maneira a evitar que a mensagem trafegue indefinidamente na rede. Esta derivação do protocolo VRP/EM é denominada VRP/EM2. Na variação VRP/EM3, também denominada de Múltiplos Caminhos, não existe a preocupação direta com o consumo de energia das unidades e nem em escolher rotas com maior quantidade de energia. O protocolo simplesmente busca um conjunto de diferentes rotas para um mesmo destino, e cada vez que uma mensagem de dados precisa ser transmitida, uma diferente rota do conjunto é utilizada. Como o protocolo VRP/EM é baseado no VRP, muitas de suas características e definições continuam sendo verdadeiras para ele, em especial as descritas abaixo: A grande diferença do protocolo proposto com relação ao VRP está na estratégia de seleção de rotas, que no caso deste novo, é realizada utilizando-se a rota virtual com maior quantidade de energia, e não necessariamente o caminho virtual mais curto. Todas as definições utilizadas no VRP são válidas para o VRP/EM. O mesmo ocorre para a estrutura anel-de-anéis, que é a única estrutura analisada neste trabalho. A escalabilidade dos protocolos VRP/EM1, VRP/EM2 e VRP/EM3 segue o mesmo princípio da utilizada pelo VRP, com unidades removidas tratadas como não atingíveis. A análise da inclusão de unidades da rede foi deixada para trabalhos futuros. Os 3 níveis de prioridade utilizados pelas mensagens do VRP continuam sendo válidos para o VRP/EM. As seções abaixo descrevem as alterações necessárias no VRP para permitir a implementação de cada uma das três variações do protocolo VRP/EM. A Seção 4.1 descreve o

38 VRP/EM1. A Seção 4.2 descreve o VRP/EM2. Por último, o VRP/EM3 é descrito na Seção VRP/EM1 - Flooding de Energia Restante A técnica de Flooding de Energia Restante, denominada de VRP/EM1, consiste no envio periódico, pelas unidades espiãs, da quantidade de energia da unidade que possui menos energia em cada caminho real até suas unidades espionadas, denominado de er i,j. O algoritmo utilizado para calcular o valor de er i,j é descrito na Seção Um novo campo, denominado energia da rota, foi adicionado a mensagem RREP. Este campo é utilizado para permitir o cálculo de er i,j. Na tabela de roteamento foi adicionado mais um campo denominado energia da rota, que contém o valor de er i,j. Foi criada uma nova tabela interna, denominada de Tabela de Energias, T i, que mantém os valores de energia da rota dos caminhos virtuais da rede coletados pela unidade i. Uma nova mensagem denominada Route Energy (RENE) foi criada para enviar em broadcast o conteúdo da tabela T i. Esta mensagem é enviada em broadcast na rede, periodicamente. Todas as unidades que recebem esta mensagem armazenam a quantidade de energia de cada caminho virtual, e utilizam esta informação para escolher o caminho virtual com maior quantidade de energia antes de traduzir uma rota. Para a escolha do caminho com maior energia é utilizada uma variação do algoritmo de caminho de custo mínimo de Dijkstra [12, 13], também conhecido como algoritmo de Dijkstra. As próximas seções descrevem os detalhes de funcionamento do protocolo VRP/EM Especificação do Protocolo O protocolo VRP/EM1 adiciona uma nova fase ao VRP original, Atualização da Energia dos Caminhos Virtuais, sendo dividido nas 4 seguintes fases: 1. Atualização das Unidades Espionadas, descrita na Seção Esta fase é

39 utilizada pelas unidades espiãs para atualizar as rotas até suas unidades espionadas Atualização da Energia dos Caminhos Virtuais, descrita na Seção Esta fase permite a atualização da energia de cada rota virtual da rede de forma a possibilitar o cálculo do caminho virtual de maior energia a ser utilizado na fase de aquisição de rotas. 3. Aquisição de Rotas, descrita na Seção Esta fase permite que qualquer unidade encontre uma rota real até qualquer outra unidade da rede. 4. Manutenção de Rotas - Esta fase é utilizada pelas unidades para avisar sobre a quebra de enlaces. A fase de manutenção de rotas utilizada pelo VRP/EM1 é exatamente igual àquela utilizada pelo VRP. As fases do VRP/EM1 são descritas nas Seções abaixo, e as mensagens utilizadas na Seção Atualização das Unidades Espionadas A atualização das unidades espionadas continua com o funcionamento semelhante a fase de mesmo nome do protocolo VRP incluindo os procedimentos de atualização das unidades espionadas e atualização proativa das unidades espionadas. A diferença está na mensagem de RREP retornada pelo recebimento de uma RREQ. Para permitir que as unidades espiãs enviem periodicamente o valor da quantidade de energia da unidade que possui menos energia em cada caminho real até suas unidades espionadas, er i,j, o modo como a mensagem RREP é encaminhada até a origem foi alterado, da seguinte forma: A unidade que gera a mensagem RREP, em resposta a uma RREQ, deve preencher o campo energia da rota com o valor da energia restante em sua bateria; Cada unidade que encaminha uma mensagem RREP deve avaliar o campo energia da rota, e se a quantidade de energia restante em sua bateria for menor do que o

40 valor deste campo, o mesmo deve ser substituído com o valor da energia restante da unidade; 23 Quando a mensagem RREP chegar até seu destinatário, a rota até a unidade espionada deve ser armazenada, juntamente com o valor de energia da rota encontrado, que representa a quantidade de energia da unidade com menos energia no caminho, er i,j. O valor de energia da rota encontrado no destino da mensagem RREP deve ser armazenado, juntamente com a origem e o destino da mensagem, na tabela T. Caso já exista uma entrada para o par (origem, destino) nesta tabela, o valor de energia da rota deve ser atualizado em T. A cada execução do procedimento de atualização proativa das unidades espionadas, a tabela de roteamento é atualizada com novas rotas e com os novos valores de er i,j. Estas informações serão utilizadas nas fases de Atualização da Energia dos Caminhos Virtuais e Aquisição de Rotas, descritas nas Seções e , respectivamente. Além disso, as rotas conhecidas são removidas da tabela de roteamento, de forma a obrigar o algoritmo a calcular novas rotas para comunicações em andamento, evitando assim a utilização constante de uma mesma rota e seu conseqüente esgotamento Atualização da Energia dos Caminhos Virtuais A fase de atualização da energia dos caminhos virtuais não existe no protocolo VRP. Ela é responsável pelo envio periódico da energia de cada rota virtual da rede, tabela T, de forma a possibilitar o cálculo do caminho virtual de maior energia a ser utilizado na fase de Aquisição de Rotas. O objetivo desta fase é o de distribuir a tabela T i para todas as unidades da rede, utilizando a mensagem RENE. Inicialmente somente o valor da energia das unidades espionadas por i é conhecido, armazenado na tabela T i, e propagado pela mensagem RENE. Com o envio periódico da tabela T i na rede, ela vai se tornado cada vez mais

41 24 completa, pois o conteúdo da tabela recebida das unidades vizinhas é armazenada em T i e propagada na rede. Caso já exista uma entrada (origem, destino) na tabela T i, o valor da energia da rota somente é atualizado se o valor recebido for menor do que o valor previamente armazenado. Isto garante que o valor mais recente conhecido seja armazenado, pois a energia das rotas somente tende a diminuir com o passar do tempo. Para melhor entender o funcionamento de atualização da energia dos caminhos virtuais, considere a estrutura virtual anel-de-anéis composta por 3 anéis (x = 3) de 3 unidades cada (y = 3), e com cada unidade espiando 2 outras unidades (s = 2), ilustrado na figura 4.1. O número nas arestas exemplifica o valor da energia da rota, calculado pela fase anterior. a 68 c b d f e i g h Figura 4.1: Estrutura anel-de-anéis utilizada pelo protocolo VRP/EM1 Seja T a a tabela de energias da unidade a preenchida com a energia da rota até as unidades espionadas por a, P a, exemplificada na figura 4.2. A tabela T a é preenchida com os valores de er a,j logo após a execução da fase anterior, atualização das unidades espionadas. Origem Destino Energia da Rota a b 93 a d 91 Figura 4.2: Tabela de energias para uma dada unidade a Seja f uma unidade no raio de transmissão da unidade a, e com a tabela de energias, T f, preenchida conforme exemplifica a figura 4.3.

42 25 Origem Destino Energia da Rota f d 79 f i 82 Figura 4.3: Tabela de energias para uma dada unidade f Após o recebimento das mensagens RENE enviadas por a e f, as tabelas de energias das duas unidades ficará conforme exemplifica a figura 4.4. Origem Destino Energia da Rota a b 93 a d 91 f d 79 f i 82 Figura 4.4: Tabela de energias após RENE trocadas entre a e f Com o decorrer do tempo e o constante envio da tabela T i de cada unidade, utilizando mensagens RENE, mesmo as unidades mais distantes receberão os valores de energia da rota de todas as unidades conexas da rede, ficando com a tabela T i preenchida conforme ilustra a figura 4.5. Origem Destino Energia da Rota a b 93 a d 91 b c 63 b e 72 c a 68 c f 65 d e 92 d g 85 e f 75 e h 56 f d 79 f i 82 g a 90 g h 83 h b 95 h i 73 i c 68 i g 80 Figura 4.5: Tabela de energias completa Apesar de simples, esta fase tende a causar congestionamentos na rede, pois as mensa-

43 26 gens RENE são enviadas em broadcast (todas as unidades vizinhas recebem a mensagem e não a propagam). Outra opção seria o envio em flooding somente do valor da energia da rota das unidades espionadas, porém, através de simulações foi possível constatar um congestionamento excessivamente grande na rede, impedindo o funcionamento do algoritmo e a conseqüente entrega de mensagens Aquisição de Rotas Com a execução da fase de atualização da energia dos caminhos virtuais, as unidades conhecem a tabela de rotas, T, de toda a rede, podendo então executar a fase de aquisição de rotas de forma a calcular o caminho virtual de maior energia entre a unidade atual, i, e uma unidade destinatária, j. Este caminho virtual, denominado de V P ME i,j, será então traduzido, utilizando a mensagem RTRANS, da mesma forma que ocorre com a fase de aquisição de rotas do protocolo VRP. A fase de aquisição de rotas somente é executada quando uma mensagem de dados precisa ser enviada a partir de uma unidade i até uma unidade de destino, j, e não existe rota presente na tabela de roteamento de i até j, e j não é vizinha de i. Além disso, as mensagens RTRANS enviadas são armazenadas em uma tabela interna, de forma a evitar o envio da mesma RTRANS num curto espaço de tempo pré-determinado. As mensagens de dados, que aguardam a tradução da rota virtual em um caminho físico, são armazenadas internamente até que a resposta da RTRANS seja conhecida (mensagem RREP) ou, em caso de demora na tradução do caminho virtual, a fase de aquisição de rotas é repetida, e uma nova RTRANS encaminhada na rede. Para o cálculo do caminho virtual de maior energia, V P ME i,j, uma variação do algoritmo de caminho de custo mínimo de Dijkstra é utilizado. O algoritmo de Dijkstra original é utilizado para calcular o menor caminho a partir de uma unidade de origem num grafo, até qualquer outra unidade do grafo. No protocolo VRP/EM1 é utilizada uma variação do algoritmo de Dijkstra para encontrar o caminho virtual, V P ME i,j, que possui a maior quantidade de energia restante, er i,j. Lembrando que o valor de energia restante de uma rota partindo da unidade i até a unidade j, denominado de er i,j, é calculado como

44 27 sendo o valor da energia restante na unidade que possui menos energia da rota. Sendo V ER i,j o vetor de energia restante das unidades que formam a rota real da unidade i até a unidade j, dado por V ER i,j = {e i = e 0, e 1, e 2,..., e j = e n }, então o valor de energia restante da rota que liga a unidade i até j, er i,j, é dado pelo menor valor entre e 1 e e n. O valor da energia restante na unidade de origem, e 0, não é considerado no cálculo da energia da rota. O algoritmo 4.1, escrito em pseudo-linguagem, é a variação do algoritmo de Dijkstra utilizado para calcular o valor de V P ME i,j Mensagens Utilizadas pelo VRP/EM1 Existem 6 (seis) diferentes tipos de mensagens utilizadas pelo VRP/EM1: 1. Route Translation - RTRANS; 2. Route Request - RREQ; 3. Route Reply - RREP; 4. Route Error - RERR; 5. Route Energy - RENE; 6. Mensagens de dados. A mensagem RTRANS é utilizada somente na fase de aquisição de rotas quando há a necessidade de traduzir um caminho virtual em um caminho físico. Ela possui o mesmo formato da mensagem RTRANS utilizada pelo VRP, descrita no Anexo A.1. As mensagens RREQ e RREP são utilizadas nas fases de aquisição de rotas e atualização das unidades espionadas, para estabelecer rotas de uma unidade a outra e manter o caminho físico até as unidades espionadas. A mensagem RREQ possui o mesmo formata da mensagem RREQ utilizada pelo VRP, descrita no Anexo A.2, enquanto que a mensagem RREP foi alterada de forma a incluir o campo energia da rota. Seu novo formato, utilizado pelo VRP/EM1, está descrito na Seção

45 28 Algoritmo 4.1 Calcula caminho virtual de maior energia entre duas unidades Entrada: Origem= Unidade de origem do caminho virtual Destino= Unidade de destino do caminho virtual L= Grafo representando a estrutura virtual da rede T Origem = Tabela de energias armazenada pela unidade Origem Saída: CaminhoV irtual= Caminho virtual de maior energia entre Origem e Destino 1. Para Todo u L Faça 2. energia[u] 0 3. caminho[u] α 4. P 5. energia[origem] 6. s Origem 7. Repita 8. P P + s 9. Para Todo a adjacente a u Faça 10. Se (a / P ) Então 11. Se (enlace [s, a] T Origem ) Então 12. menor energia menor valor entre (energia[s], er s,a ) 13. Senão 14. menor energia energia[s] 15. Se (energia[a] < menor energia) Então 16. energia[a] menor energia 17. caminho[a] s 18. maior energia Para Todo u L, com u / P Faça 20. Se (energia[u] > maior energia) Então 21. s u 22. maior energia energia[u] 23. Até P = L 24. CaminhoV irtual 25. u Destino 26. Enquanto (u Origem) Faça 27. Se (caminho[u] = α) Então 28. CaminhoV irtual 29. Retorne CaminhoV irtual 30. Senão 31. CaminhoV irtual u + CaminhoV irtual 32. u = caminho[u] 33. Retorne CaminhoV irtual A mensagem RERR é utilizada nas fases de aquisição e manutenção de rotas, para avisar às unidades sobre a quebra de enlaces. Ela possui o mesmo formato da mensagem RERR utilizada pelo VRP, descrita no Anexo A.4.

46 29 A mensagem RENE é uma nova mensagem utilizada exclusivamente pelo VRP/EM1 na fase de atualização da energia dos caminhos virtuais e serve para distribuir a tabela de rotas, T, entre todas as unidades da rede. Seu formato é descrito na Seção No protocolo VRP, a mensagem HELLO é utilizada para descobrir quem são as unidades vizinhas, em caso da impossibilidade de os protocolos de níveis 1 e 2 (físico e enlace) fornecerem tais informações. Devido ao seu princípio de funcionamento, a mensagem RENE pode também desempenhar a função da mensagem HELLO. Desta forma, a mensagem HELLO se faz desnecessária, bastando que no processo de recebimento da mensagem RENE por uma unidade i, o endereço da unidade de origem, j, seja adicionado na tabela de unidades vizinhas de i. Como o VRP/EM1, e também o VRP, são protocolos passivos, a mensagem de dados precisa informar a rota real a ser utilizada no encaminhamento até a unidade destinatária. Desta forma a mensagem de dados continua com o mesmo formato daquele utilizado pelo VRP, descrito no Anexo A Route Reply - RREP A mensagem Route Reply (RREP) é utilizada pela destinatária de uma mensagem de RTRANS ou RREQ, para informar à origem, i, sobre a rota calculada até a destinatária, j, bem como o valor da energia desta rota, er i,j. Tipo Prioridade Origem Destino Rota Real Salto Atual Energia da Rota Figura 4.6: Mensagem Route Reply (RREP) utilizada pelo protocolo VRP/EM1 A mensagem RREP, ilustrada na figura 4.6, contém os seguintes campos: Tipo: O seu conteúdo identifica que esta é uma mensagem RREP. Possui tamanho de 1 byte; Prioridade: A prioridade é herdada da mensagem RTRANS ou RREQ. Tamanho de 1 byte;

47 Origem: O identificador da unidade de origem da mensagem. Seu tamanho depende 30 do valor utilizado como identificador. Nas implementações desse trabalho foram utilizados 4 bytes; Destino: O identificador da unidade de destino da mensagem. Seu tamanho tem as mesmas características do campo Origem; Rota Real: A rota real da origem até o destino da mensagem RREP, coletada pela mensagem RTRANS ou RREQ. Seu tamanho varia de acordo com o tamanho da rota, com 1 byte para armazenar a mensagem e 4 bytes para cada elemento da rota; Salto Atual: O número de unidades pela qual a mensagem RREP já passou. Utilizado para facilitar a identificação da próxima unidade a ser encaminhada a mensagem dentro da Rota Real. Possui 1 byte de tamanho; Energia da Rota: Energia restante da rota, calculada como sendo o valor da energia restante na unidade que possui menos energia na rota pela qual a RREP passou. Ocupa 8 bytes. Quando uma unidade j recebe uma mensagem RREP da qual apenas faz parte da Rota Real, mas não é a destinatária, o valor do campo Energia da Rota é substituído pelo valor da energia restante na bateria da unidade j, se este valor for menor do que o valor já contido no campo Energia da Rota. O valor de Salto Atual é incrementado e a mensagem é encaminhada para a próxima unidade na Rota Real. Desta forma, quando a mensagem RREP atingir a unidade Destino, i, o campo Energia da Rota terá o valor de er i,j, que será então armazenado na tabela de energias, T i, e poderá ser utilizado na fase de aquisição de rotas. Se uma unidade, que encaminha uma mensagem RREP, não consegue entregar a mensagem para a próxima unidade da Rota Real, ela descarta a mensagem. Neste caso, a destinatária final da mensagem RREP (unidade de origem da RTRANS ou RREQ) não receberá a mensagem, e deverá retransmitir a mensagem RTRANS ou RREQ após um período de time-out.

48 Route Energy - RENE A mensagem Route Energy (RENE) é utilizada para distribuir a tabela de energias, T i, coletada e mantida por uma unidade i. A cada intervalo de tempo pré-determinado, uma mensagem RENE é gerada e enviada em broadcast para todas as unidades vizinhas de i. A figura 4.7 ilustra a mensagem RENE. Tipo Prioridade Origem Tabela de Energias Figura 4.7: Mensagem Route Energy - RENE Os campos da mensagem RENE são definidas da seguinte forma: Tipo: O seu conteúdo identifica que esta é uma mensagem RENE. Ocupa 1 byte; Prioridade: A prioridade é sempre baixa. Tamanho de 1 byte; Origem: O identificador da unidade de origem da mensagem. Seu tamanho depende do valor utilizado como identificador. Nas implementações desse trabalho foram utilizados 4 bytes; Tabela de Energias: A tabela de energias, T i, coletada e mantida pela unidade i, que contém o valor de energia da rota, er i,j de algumas ou todas as rotas virtuais da rede. Na implementação realizada este campo possui um campo de 1 byte para armazenar o tamanho da tabela e cada entrada da tabela divide-se em 3 outros campos: Origem, Destino e Energia, com cada um ocupando 4, 4 e 8 bytes respectivamente. Se a rede possuir muitas unidades, a Tabela de Energias pode se tornar extremamente grande, trazendo dificuldades ao funcionamento do protocolo, em especial ao consumo de energia para propagar esta mensagem na rede (as unidades consomem energia tanto para enviar quanto para receber mensagens, e o consumo é proporcional ao tamanho da mensagem). Por essa razão a utilização desta mensagem pode interferir no correto funcionamento do protocolo VRP/EM1.

49 4.2 VRP/EM2 - Construção do Caminho Virtual Passo a Passo 32 A Construção do Caminho Virtual Passo a Passo - técnica denominada de VRP/EM2 - consiste na tradução de caminhos virtuais utilizando sempre o caminho com maior quantidade de energia restante, e i,j, entre as rotas armazenadas. Desta forma a mensagem RTRANS é sempre encaminhada para a unidade espionada, presente na tabela de roteamento, com maior e i,j, desde que tal unidade ainda não esteja presente no campo caminho virtual da mensagem, de forma a evitar laços virtuais. Antes de enviar a mensagem, o caminho real é adicionado à RTRANS, da mesma forma que ocorre com a RTRANS tradicional, porém o campo caminho virtual é preenchido somente com a próxima unidade espionada, e não com todo o caminho virtual, como ocorre no VRP. Para permitir o cálculo de e i,j, a mensagem RREP foi alterada, da mesma forma que para o VRP/EM1, incluindo um novo campo, denominado energia da rota. As demais mensagens utilizadas pelo VRP são também utilizadas pelo VRP/EM2, sem nenhuma alteração. O protocolo VRP/EM2 utiliza uma nova tabela interna, denominada Tabela de Energia da Rota, T ER i, que mantém o valor de e i,j da unidade i até cada uma de suas unidades espionadas. As próximas seções descrevem o protocolo VRP/EM2 em detalhes Especificação do Protocolo Assim como o VRP, o VRP/EM2 é dividido em 3 fases: 1. Atualização das Unidades Espionadas - Esta fase é utilizada pelas unidades espiãs para atualizar as rotas até suas unidades espionadas. A fase de atualização das unidades espionadas possui funcionamento semelhante à fase de mesmo nome do protocolo VRP/EM1, descrita na Seção , com exceção do valor de e i,j que não é incluído à Tabela de Energias, T i, pois tal tabela não existe no VRP/EM2.

50 2. Aquisição de Rotas, descrita na Seção Esta fase permite que qualquer unidade encontre uma rota real até qualquer outra unidade da rede Manutenção de Rotas - Esta fase é utilizada pelas unidades para avisar sobre a quebra de enlaces. A fase de manutenção de rotas utilizada pelo VRP/EM2 é exatamente igual àquela utilizada pelo VRP. As fases do VRP/EM2 são descritas nas Seções abaixo, e as mensagens utilizadas na Seção Aquisição de Rotas A fase de aquisição de rotas é a responsável por encontrar uma rota de uma unidade de origem, o, até a unidade destinatária, d, que será utilizada para comunicação de dados. Se d é vizinha de o, então a rota é trivial. Caso contrário a aquisição de rotas é realizada utilizando mensagens RTRANS, conforme o procedimento abaixo. Sejam: P i o vetor de unidades espionadas pela unidade i, com P i = {p 0, p 1, p 2,...p n }; T ER i a tabela que armazena o valor de er i,p para cada unidade espionada por i, com T ER i = {er i,p0, er i,p1, er i,p2,..., er i,ps }; V P o,d o caminho virtual formado passo a passo pela mensagem RTRANS partindo da unidade o até d, com V P o,d = {o = vp 0, vp 1, vp 2,..., d = vp n }. Desta forma, cada unidade espiã, i, com i V P o,d, que recebe ou gere uma mensagem RTRANS destinada a d, executa o procedimento descrito no algoritmo 4.2. As demais unidades, j, pertencentes a rota real, com j / V P o,d, tratam a mensagem RTRANS da maneira tradicional, apenas encaminhando-a para a próxima unidade da rota.

51 34 Algoritmo 4.2 Encaminha RTRANS passo a passo Entrada: o= Unidade de origem da mensagem RTRANS d= Unidade de destino da mensagem RTRANS i= Unidade que está executando o algoritmo P i = Vetor de unidades espionadas por i T ER i = Tabela de Energia da Rota mantida por i V P o,d = Caminho virtual gerado pela RTRANS N i = Conjunto de unidades vizinhas a i R o,d = Caminho real de o até d calculado pela RTRANS 1. Se (i = d) Então 2. Gera RREP e envia para o 3. Senão 4. Se (d N i ) Então 5. Encaminha RTRANS diretamente para d 6. Senão 7. p p/p P i, p / V P o,d e er i,p é o maior valor em T ER i 8. Se (p = ) Então 9. Gera RERR e envia para o 10. Senão 11. V P o,d V P o,d + p 12. R o,d R o,d + rota de i até p 13. Encaminha mensagem RTRANS para a próxima unidade em R o,d Mensagens Utilizadas pelo VRP/EM2 Assim como no VRP, existem 5 (cinco) diferentes tipos de mensagens utilizadas pelo VRP/EM2: 1. Route Translation - RTRANS; 2. Route Request - RREQ; 3. Route Reply - RREP; 4. Route Error - RERR; 5. Mensagens de Hello - HELLO; 6. Mensagens de dados. Com exceção da mensagem RREP, todas as demais mensagens tem o mesmo formato e são utilizados pelas fases de mesmo nome do protocolo VRP descritas no Anexo A.

52 35 Assim como no VRP e no VRP/EM1, a mensagem RREP é utilizada na fases de aquisição de rotas e atualização das unidades espionadas, para estabelecer rotas de uma unidade a outra e manter o caminho físico até as unidades espionadas. Seu novo formato inclui o campo energia da rota, e é o mesmo utilizado pelo VRP/EM1, descrito na Seção VRP/EM3 - Múltiplos Caminhos O protocolo VRP/EM3, técnica denominada de Múltiplos Caminhos, não se preocupa diretamente com o consumo de energia das unidades e nem em escolher rotas com maior quantidade de energia. O protocolo simplesmente busca um conjunto R d de diferentes rotas para um mesmo destino, d, e cada vez que uma mensagem de dados precisa ser transmitida, uma diferente rota, r, do conjunto é utilizada, com r R d. A cardinalidade máxima de R d é a mesma do número de unidades espionadas, s, ou seja R d s. Um novo vetor interno denominado Identificador da próxima rota, IDR, foi criado para ajudar a decidir qual a próxima rota a ser utilizada. O parâmetro id, que já existia na tabela de roteamento, porém era sempre preenchido com o valor zero, agora recebe o identificar de cada nova rota armazenada para um determinado destino. Nenhuma nova mensagem foi criada, e as mensagens utilizadas tem o mesmo formato das mensagens do VRP, descritas no Anexo A. A principal diferença para o VRP está na fase de aquisição de rotas, e também no aumento significativo do tamanho da tabela de roteamento, visto que são necessárias s diferentes rotas para cada novo destino. As próximas seções descrevem o protocolo VRP/EM3 em detalhes Especificação do Protocolo Assim como o VRP, o VRP/EM3 é dividido em 3 fases: 1. Atualização das Unidades Espionadas - Esta fase é utilizada pelas unidades espiãs para atualizar as rotas até suas unidades espionadas. A fase de atualização de

53 unidades espionadas utilizada pelo VRP/EM3 é exatamente igual àquela utilizada pelo VRP Aquisição de Rotas, descrita na Seção Esta fase permite que qualquer unidade encontre uma rota real até qualquer outra unidade da rede. 3. Manutenção de Rotas - Esta fase é utilizada pelas unidades para avisar sobre a quebra de enlaces. A fase de manutenção de rotas utilizada pelo VRP/EM3 é exatamente igual àquela utilizada pelo VRP. A fase de aquisição de rotas do VRP/EM3 é descrita na Seção abaixo Aquisição de Rotas A principal modificação no VRP/EM3 foi realizada na fase de aquisição de rotas, de forma a possibilitar a descoberta de s rotas diferentes para cada novo destino, com s sendo o número de unidades espionadas. Cada vez que uma rota para um destino, d, é solicitada, o VRP/EM3 procura na tabela de roteamento se existe alguma rota para d. Em caso positivo, a mensagem é enviada, utilizando a próxima rota menos utilizada. O vetor interno Identificador da próxima rota, IDR, é utilizado neste caso para decidir qual o identificador da próxima rota a ser utilizada para mensagens destinadas a d. Se não existem rotas para o destino, d, a mensagem é armazenada internamente, e uma mensagem RTRANS é gerada solicitando a tradução de um caminho virtual até d. A diferença para o VRP está no fato de que a rotina que gera caminhos virtuais foi alterada de forma a gerar s caminhos virtuais distintos, cada um iniciando em uma unidade espionada diferente, de forma a permitir a descoberta de diferentes rotas até o destino. Cada caminho virtual gerado possui um identificador, id com id {1, 2, 3,..., s}. A mensagem RTRANS segue o mesmo procedimento utilizado pelo VRP para sua tradução. Quando uma mensagem de dados é enviada para d e o número de rotas para d na tabela de roteamento é menor do que s, um novo caminho virtual é gerado e traduzido por uma mensagem RTRANS. Este novo caminho virtual gerado é disjunto daqueles utilizados

54 37 Algoritmo 4.3 Aquisição de rotas no protocolo VRP/EM3 Entrada: o= Unidade de origem da mensagem de dados e que está executando o algoritmo d= Unidade de destino da mensagem de dados msg= Mensagem de dados a ser transmitida N o = Conjunto de unidades vizinhas a o T R o = Tabela de roteamento da unidade o IDR d = Identificador da próxima rota para d s= Número de unidades espionadas por o r o,d = Rota de o até d id(r o,d )= Identificador da rota r o,d 1. R o,d r o,d /r o,d T R o 2. qtde rotas R o,d 3. Se (qtde rotas > 0) Então 4. r o,d r o,d /r o,d T R o, e id(r o,d ) = IDR d 5. Se (r o,d = ) Então 6. r o,d rota qualquer de o até d, r o,d, com r o,d T R o 7. Senão 8. IDR d IDR d Se (IDR d > s) Então 10. IDR d Envia msg para d utilizando a rota r o,d 12. Senão 13. Armazena msg internamente para ser transmitida quando houver rota disponível 14. Se (qtde rotas < s) Então 15. R i/i = id(r o,d ) e r o,d T R o 16. prox id Menor id/id {1, 2, 3,..., s} e id / R 17. Gera e envia RTRANS com caminho virtual gerado baseado em prox id para gerar as rotas armazenadas na tabela de roteamento. Os identificadores de rota, id, são utilizados neste caso para decidir qual caminho virtual ainda não foi traduzida. Cada vez que uma mensagem é enviada, o valor de IDR d é incrementado de uma unidade, até o limite de s, quando seu valor é reinicializado com o valor 1 (um). O valor de IDR d é utilizado para procurar na tabela de rotas a rota a ser utilizada pela mensagem de dados até o destino d. O algoritmo 4.3, escrito em pseudo-linguagem, é utilizado quando uma nova mensagem de dados precisa de uma rota para ser transmitida.

55 Mensagens Utilizadas pelo VRP/EM3 Assim como no VRP, existem 5 (cinco) diferentes tipos de mensagens utilizadas pelo VRP/EM3: 1. Route Translation - RTRANS; 2. Route Request - RREQ; 3. Route Reply - RREP; 4. Route Error - RERR; 5. Mensagens de Hello - HELLO; 6. Mensagens de dados. Todas as mensagens tem o mesmo formato e são utilizados pelas fases de mesmo nome do protocolo VRP descritas no Anexo A. A exceção fica para as mensagens RTRANS, RREP e RERR que ganharam mais um campo: Identificador da Rota. Este novo campo é utilizado para que o VRP/EM3 gerencie as rotas que já foram traduzidas, ou quebradas, e que necessitem de uma nova tradução.

56 39 CAPÍTULO 5 SIMULAÇÕES E RESULTADOS Neste capítulo diversas simulações são apresentadas como forma de avaliar as três versões do VRP/EM e verificar as melhorias obtidas, comparando-os com o VRP. De formar a quantificar os ganhos obtidos, os protocolos VRP e sua derivação, VRP/EM, são comparados também com os dois principais protocolos de roteamento existentes: Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing Protocol (AODV) e Dynamic Source Routing (DSR). Os protocolos AODV e DSR foram escolhidos pelo fato de serem os principais protocolos de roteamento existentes e também por possuírem uma ótima implementação no GloMoSim Além disso, o DSR envia informações de roteamento juntamente com as mensagens, assim como o VRP e o VRP/EM, e é objeto de comparação no trabalho original de Albini [1] na especificação do VRP. Já o AODV é um protocolo ativo e que não necessita enviar informações de roteamento juntamente com as mensagens de dados, o que reduz a sobrecarga nas mensagens e tende a consumir menos energia por esse motivo. As versões do DSR e AODV utilizadas nas simulações não utilizam nenhuma técnica de gestão de energia. Antes da criação do VRP/EM o GloMoSim foi adaptado para avaliar o consumo de energia de protocolos de roteamento. Uma avaliação da quantidade de energia que poderia ser economizada pelos protocolos AODV e DSR utilizando a técnica de balanceamento de fluxos foi realizada. Os detalhes de sua execução e os resultados obtidos estão descritos na Seção 5.1. A avaliação das versões do VRP/EM e sua comparação com o VRP, AODV e DSR estão descritos na Seção 5.2. Todos os resultados obtidos e descritos neste capítulo foram realizados utilizando-se o GloMoSim versão 2.03 modificado para considerar o consumo de energia das unidades da rede. Foi utilizado um computador com processador Pentium Xeon 3.2 GHz, com 4 GB de

57 RAM e sistema operacional Debian Etch executando kernel Linux Os valores de energia utilizados são os descritos na Seção 2.1 derivados de uma interface de rede Compaq WL110 [9] conectada a um computador de mão do tipo HP IPAQ Os parâmetros fixos utilizados em todas as simulações estão listados na Tabela 5.1. Cada seção deste capítulo informa explicitamente os parâmetros utilizados que divergem dos valores desta tabela. As barras verticais em cada ponto dos gráficos indica o intervalo de confiança calculado com nível de 95%. Parâmetro Valor SIMULATION-TIME 14H NODE-PLACEMENT UNIFORM MOBILITY RANDOM-WAYPOINT MOBILITY-WP-PAUSE 0 MOBILITY-WP-MIN-SPEED 0 MOBILITY-WP-MAX-SPEED 20 m/s MOBILITY-POS-GRANULAR 0,5 PROPAGATION-LIMIT -111 dbm PROPAGATION-PATHLOSS FREE-SPACE NOISE-FIGURE 10 dbm TEMPERATURE 300 K RADIO-TYPE RADIO-ACCNOISE RADIO-FREQUENCY 2, 4GHz RADIO-BANDWIDTH 11 Mbps RADIO-RX-TYPE SNR-BOUNDED RADIO-RX-SNR-THRESHOLD 10 db RADIO-TX-POWER 7,005 dbm RADIO-ANTENNA-GAIN 0 db RADIO-RX-SENSITIVITY -91 dbm RADIO-RX-THRESHOLD -81 dbm MAC-PROTOCOL PROMISCUOUS-MODE YES NETWORK-PROTOCOL IP NETWORK-OUTPUT-QUEUE 100 PACKET-SIZE 512 bytes Tabela 5.1: Parâmetros utilizados nas simulações Avaliação da Técnica de Balanceamento de Fluxos A técnica de balanceamento de fluxos, descrita na Seção 1.1.3, pode ser utilizada para aumentar o tempo de vida de redes MANET, evitando o uso de uma única rota consecutivamente. O objetivo desta seção é explorar esta técnica demonstrando que sua eficácia

58 41 depende da taxa de transmissão. Será demonstrado que os melhores resultados podem ser obtidos quando diversas unidades atuam como roteadores (que apenas encaminham e não geram ou geram poucos pacotes) na rede. Isto permite que o tráfego seja distribuído uniformemente, conseqüentemente aumentando a taxa de transmissão efetiva bem como o tempo de vida da rede. Os resultados aqui descritos foram publicados no ICCSC 2008 [3]. Para obter tais resultados, dois parâmetros foram avaliados: 1. Tempo de vida utilizando protocolo de roteamento (TVPR); 2. Máximo tempo de vida da rede (MTVR). O TVPR é o tempo de vida da rede quando utilizando um protocolo de roteamento. O MTVR é o tempo de vida máximo possível, no caso ideal, sem sobrecarga gerada pelo roteamento nem perdas de mensagens. Para obter o TVPR as simulações são realizadas utilizando-se um total de 50 unidades na rede. Elas se movem constantemente utilizando o modelo de mobilidade random waypoint, sem tempo de parada, com velocidade máxima de 20 m/s numa área de simulação de 1000x1000 m 2. Cada resultado é a média de 5 simulações utilizando diferentes valores (1 a 5) para a semente do gerador de números aleatórios. O DSR e o AODV foram utilizados como protocolos de roteamento. O tráfego é modelado através de um gerador de mensagens à taxa constante, denominado Constant Bit Rate Traffic Generator (CBR), com dez unidades enviando pacotes de 512 bytes para outras dez diferentes unidades. O intervalo de tempo entre os pacotes variou de 4 segundos a 8 milliseconds, o que equivale a taxas de transmissão de bps a bps para cada unidade geradora de pacotes. Os pacotes são enviados a partir do início da simulação até o tempo em que a primeira unidade ficar sem energia. Os rádios das unidades são configurados com raio de transmissão de 250 metros. Para obter o MTVR as simulações são realizadas utilizando-se 2 unidades, uma enviando pacotes de 512 bytes utilizando o gerador CBR e a outra apenas recebendo estes pacotes. Elas se movem constantemente utilizando o modelo de mobilidade random way-

59 Tempo de Vida (minutos) point, sem tempo de parada, com velocidade máxima de 20 m/s numa área de simulação 42 de 100x100 m 2. Os rádios das unidades são configurados com raio de transmissão de 250 metros, de forma a garantir a entrega de todos os pacotes. O roteamento estático é utilizado nesta situação para não gerar nenhuma sobrecarga de roteamento. Os mesmos intervalos de tempo entre cada pacote CBR são utilizados para simular diferentes taxas de transmissão. A Figura 5.1 ilustra o tempo de vida da rede obtido pelo AODV e DSR. É possível observar que quanto maior a taxa de transmissão, menor o tempo de vida da rede Taxa de Transmissão (Kbps) Figura 5.1: Tempo de vida da rede dos protocolos AODV e DSR AODV DSR Máximo Os valores máximos teóricos possíveis também são ilustrados na Figura 5.1. A diferença entre o máximo tempo de vida da rede e o tempo de vida obtido pelo AODV e DSR, ilustrado na Figura 5.2, é a possível melhoria que se pode esperar de tais protocolos para o tempo de vida da rede, quanto for utilizado o balanceamento de fluxos. Note que a possível melhoria no tempo de vida da rede aumenta proporcionalmente a taxa de transmissão, mas apenas até 100 Kbps. Após este ponto, a rede atinge seu limite e então, independentemente da taxa de transmissão, o número de mensagens que são entregues reduz drasticamente, como ilustra a Figura 5.3. Como pode ser visto na Figura 5.2, utilizando a técnica de balanceamento de fluxos, o tempo de vida da rede pode ser melhorado em até 22 minutos nos cenários avaliados. É possível dividir o consumo de energia em três grupos: controle (RTS, CTS e ACK), dados e mensagens de roteamento (RREQ, RREP e RERR). As Figuras 5.4 e 5.5 mostram que as mensagem de controle consomem a maior parte da energia, aproximadamente 59%

60 Taxa de Entrega (%) Possível Melhoria no Tempo de Vida (minutos) AODV DSR Taxa de Transmissão (Kbps) Figura 5.2: Possível melhoria no tempo de vida aplicando a técnica de Balanceamento de Fluxos Taxa de Transmissão (Kbps) Figura 5.3: Taxa de entrega dos protocolos AODV e DSR AODV DSR em média. Outros 34% são consumidos para transmitir mensagens de dados e menos de 7% para transmitir mensagens de roteamento. Isto ocorre devido ao fato de que mensagens de controle são geradas em função de outras mensagens. Para cada mensagem de dados ou roteamento enviada em unicast, pelo menos três novas mensagens são geradas: RTS, CTS e ACK. Todas as unidades que estão próximas do transmissor receberão estas mensagens e irão gastar energia ao fazer isso. As Figuras 5.6 e 5.7 ilustram a quantidade de energia utilizada para enviar e receber mensagens em diferentes taxas de transmissão utilizando os protocolos AODV e DSR, respectivamente. Observe que quase 89% da energia utilizada pela interface de rede (sem considerar o estado em espera - idle) é utilizada para receber mensagens e os outros 11%

61 Energia (mwh) Energia (mwh) Dados Controle Roteamento Taxa de Transmissão (Kbps) Figura 5.4: Energia utilizada pela interface de rede com mensagens de roteamento, controle e dados no protocolo AODV Dados Controle Roteamento Taxa de Transmissão (Kbps) Figura 5.5: Energia utilizada pela interface de rede com mensagens de roteamento, controle e dados no protocolo DSR para enviá-las. Isto acontece pela transmissão das mensagens de controle (RTS, CTS e ACK) para cada mensagem de dados e roteamento enviada. Cada uma das três mensagens de controle serão recebidas por todas as unidades que estão na área de comunicação da transmissora, gastando energia de todas estas unidades. Protocolos de roteamento utilizando balanceamento de fluxos têm sido apresentados como uma alternativa para obter maior taxa de transmissão e melhorar a taxa de entrega em redes MANET. Estes protocolos procuram distribuir o tráfego na rede como forma de obter tais resultados. Uma boa distribuição de tráfego pode aumentar o tempo de vida da rede, evitando o uso de uma única rota por muito tempo. Esta Seção avaliou a técnica de balanceamento de fluxos para redes móveis ad hoc.

62 Energia (mwh) Energia (mwh) Taxa de Transmissão (Kbps) AODV Rx AODV Tx Figura 5.6: Energia utilizada pela interface de rede para enviar e receber mensagens no protocolo AODV Taxa de Transmissão (Kbps) DSR Rx DSR Tx Figura 5.7: Energia utilizada pela interface de rede para enviar e receber mensagens no protocolo DSR Foi mostrado que é possível aumentar o tempo de vida da rede em até 22 minutos nos cenários avaliados. Também foi mostrado que a maior parte da energia é consumida pelas mensagens de controle (RTS, CTS e ACK), aproximadamente 59% em média, outros 34% são consumidos pelas mensagens de dados e menos de 7% com mensagens de roteamento (RREQ, RREP e RERR). Outro importante resultado apresentado é que aproximadamente 89% da energia da interface de rede é utilizada para receber mensagens, e apenas 11% para enviá-las. Isto ocorre devido ao fato de que mensagens de controle são geradas em função das mensagens de dados e roteamento. Para cada mensagem de dado ou roteamento enviada em unicast, três novas mensagens são geradas: RTS, CTS e ACK. Essas três mensagens são recebidas por todas as unidades na área de comunicação da transmissora, gastando energia de todas estas unidades.

63 46 Com base nas informações encontradas é factível avaliar que um protocolo de roteamento, utilizando a técnica de balanceamento de fluxos, pode melhorar o tempo de vida da rede. Isto motivou a criação do protocolo VRP/EM, que é avaliado na próxima seção. 5.2 Avaliação do VRP/EM As três variantes do VRP/EM foram comparadas com o VRP tradicional, o DSR e o AODV. Os seguintes parâmetros foram utilizados para avaliar e comparar os protocolos: Variação da velocidade das unidades; Variação da densidade da rede; Variação da taxa de transmissão para velocidades de até 20m/s (veículo em movimento); Variação da taxa de transmissão para velocidades de até 1, 4m/s (pessoa caminhando); Variação do número de unidades da rede. Independente do parâmetro variado, as métricas utilizadas para a comparação entre os protocolos estão ilustradas na tabela 5.2. A comparação entre os protocolos é realizada utilizando a aplicação implementada no GloMoSim que permite o envio de mensagens a uma taxa constante, denominada Constant Bit Rate Traffic Generator (CBR). O CBR utiliza o UDP como camada de transporte e o protocolo IP para o nível de rede. Somente a estrutura anel-de-anéis foi utilizada como estrutura virtual para os protocolos VRP e as variantes do VRP/EM. A Seção apresenta os resultados obtidos quando variando a velocidade das unidades. Na Seção estão os resultados quando variando-se a densidade da rede. As Seções e apresentam os resultados obtidos quando variando a taxa de transmissão para velocidades de até 20m/s e 1, 4m/s respectivamente. Os resultados obtidos quando variando-se o número de unidades da rede podem ser vistos na Seção

64 Métrica Descrição Tempo de vida da rede Indica o tempo transcorrido entre o início da simulação e o momento em que a primeira unidade ficou sem energia Taxa de entrega Porcentagem de mensagens de dados recebidas corretamente pelas unidades destinatárias Energia média gasta por Indica a energia despendida em média para entregar mensagem de dados uma mensagem de dados. É considerada a energia gasta pelas mensagens de roteamento, controle e pelas próprias mensagens que transportam dados, incluindo a energia utilizada pela interface de rede para receber e transmitir mensagens de cada unidade que participa do processo de roteamento Energia média gasta com Energia média despendida para entregar uma mensagem de dados, porém considerando somente o valor da mensagens de roteamento energia utilizada para enviar e receber mensagens de roteamento Tempo médio de execução Tempo médio gasto para a execução completa de uma simulação pelo GloMoSim. Ela serve como base para demonstrar o esforço de processamento necessário pelos protocolos de roteamento simulados Seqüência de expiração Parâmetro apresentado inicialmente em [43]. É definida como a seqüência de tempo em que as unidades da rede ficam sem bateria. Em alguns casos o tempo de vida da rede por si só não demonstra o aproveitamento energético de um protocolo, e então a seqüência de expiração permite uma avaliação mais precisa dos protocolos Tabela 5.2: Métricas utilizadas para comparação entre os protocolos de roteamento Variação da Velocidade das Unidades Para a variação da velocidade das unidades as simulações são realizadas utilizando-se um 47 total de 50 unidades na rede. Elas se movem constantemente utilizando o modelo de mobilidade random waypoint, sem tempo de parada, com velocidade máxima variando de 0 a 20 m/s, numa área de simulação de 1000x1000 m 2. Cada resultado é a média de 5 simulações utilizando diferentes valores (1 a 5) para a semente do gerador de números aleatórios. O tráfego é modelado utilizando a aplicação CBR, com dez unidades enviando pacotes de 512 bytes para outras dez diferentes unidades. O intervalo de tempo entre os pacotes é de 250 milliseconds, o que equivale a uma taxa de transmissão de bps para cada

65 Tempo de Vida (minutos) unidade geradora de pacotes. Os pacotes são enviados a partir do início da simulação 48 até o tempo em que a última unidade ficou sem energia. Os rádios das unidades são configurados com raio de transmissão de 250 metros. Para os protocolos VRP e as variantes do VRP/EM a estrutura anel-de-anéis é utilizada com x = 5, y = 10 e s = 5. A Figura 5.8 ilustra o tempo de vida da rede conforme a variação da velocidade. É possível observar que o VRP/EM2 obteve uma pequena melhora na tempo de vida em relação ao VRP, porém, o tempo de vida não chegou a ser tão bom quanto os obtidos pelo AODV e DSR. O VRP/EM3 foi o protocolo com o pior tempo de vida da rede entre os protocolos analisados, demonstrando que uma simples variação de rotas não é necessariamente a melhor forma de melhorar o tempo de vida da rede Velocidade (m/s) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.8: Tempo de vida da rede variando-se a velocidade das unidades A taxa de entrega (Figura 5.9) do VRP é muito boa em todas as velocidades estudadas, mas mesmo assim o VRP/EM1 e o VRP/EM2 conseguiram melhorar ainda mais a taxa de entrega, demonstrando que a técnica de balanceamento de fluxos pode melhorar a taxa de entrega de protocolos de roteamento. O VRP/EM3 possui uma melhor taxa de entrega do que o VRP para velocidades de até aproximadamente 6m/s, tornando-se pior para velocidades maiores, devido principalmente a sobrecarga causada pela necessidade de construir caminhos alternativos, e pela conseqüente maior quebra desses caminhos em velocidades maiores. O AODV possui a melhor taxa de entrega em todas as velocidades

66 Taxa de Entrega (%) 49 analisadas, e o DSR a pior taxa AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM Velocidade (m/s) Figura 5.9: Taxa de entrega variando-se a velocidade das unidades A Figura 5.10 ilustra a energia média gasta para enviar uma mensagem de dados nas diferentes velocidades analisadas. Nota-se claramente que o VRP/EM3 é o que gasta mais energia para cada mensagem entregue. Isto se deve principalmente ao fato deste protocolo necessitar construir rotas alternativas para o envio de mensagens, e gastar energia ao fazer isso. Além disso, quanto maior a velocidade maior a quebra de enlaces e a conseqüente geração de mensagens de roteamento para encontrar novos caminhos alternativos ou reconstruir os que foram quebrados. O gasto de energia do VRP/EM2 é sutilmente menor do que o VRP em quase todas as velocidades analisadas, mostrando que é possível economizar energia utilizando a técnica de balanceamento de fluxos. Devido a sua simplicidade os protocolos AODV e DSR são os que consomem menor quantidade de energia para entregar uma mensagem de dados. Isto mostra a necessidade de técnicas de controle de energia em protocolos que possuem um maior grau de complexidade no roteamento. Na Figura 5.11 pode se notar claramente o gasto maior das mensagens de roteamento geradas principalmente pelo VRP/EM3, que necessitam de um maior número de reconstruções de rotas alternativas quebradas devido a maior velocidade das unidades da rede. O VRP/EM1 e o VRP consomem praticamente o mesmo com mensagens de roteamento, e o AODV e o DSR são os que menos consomem energia no roteamento.

67 Energia por Mensagema de Dados (uwh/mensagem) 32,0 30,0 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 Energia para Entregar um Pacote de Dados Velocidade (m/s) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 50 Figura 5.10: Energia média gasta por mensagem de dados variando-se a velocidade das unidades 9,0 Roteamento 8,0 7,0 AODV 6,0 DSR 5,0 VRP 4,0 VRP/EM1 3,0 VRP/EM2 2,0 1,0 VRP/EM3 0,0 Energia por Mensagem de Dados (uwh/mensagem) Velocidade (m/s) Figura 5.11: Energia média gasta com mensagens de roteamento variando-se a velocidade das unidades A velocidade média de execução (Figura 5.12) demonstra o esforço necessário, em termos de processamento, de cada protocolo estudado. O VRP/EM3 é o protocolo com maior esforço, e que demorou mais para concluir as simulações, seguido do VRP/EM1. O VRP/EM2 e o VRP possuem praticamente o mesmo tempo de processamento, demonstrando que a técnica aplicada praticamente não afetou o desempenho do protocolo. O AODV e o DSR são os protocolos com menor tempo de processamento. A seqüência de expiração quando as unidades estão sem movimento (Figura 5.13) ilustra que as últimas unidades da rede esgotam sua bateria num tempo maior para os protocolos VRP/EM2 e VRP/EM3, demonstrando que o balanceamento de fluxos consegue prolongar ainda mais o tempo de vida de algumas poucas unidades da rede. Quando a velocidade aumenta para 10m/s (Figura 5.14) as últimas unidades da rede esgotam sua bateria praticamente no mesmo tempo para todos os protocolos, exceto

68 Tempo de Vida (minutos) Tempo de Vida (minutos) Tempo médio de execução da simulação (minutos) Tempo de Execução AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM Velocidade (m/s) Figura 5.12: Tempo médio de execução variando-se a velocidade das unidades Seqüência de Vida - 0 m/s Seqüência de Expiração AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.13: Seqüência de expiração para velocidade de 0 m/s - unidades estáticas para o VRP/EM3 em que a última unidade esgota sua bateria muito antes dos demais protocolos. Isto reforça o fato de que o VRP/EM3 gasta muita energia em busca de caminhos alternativos e a reconstrução de tais caminhos em caso de quebra. Seqüência de Vida - 10 m/s Seqüência de Expiração AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.14: Seqüência de expiração para velocidade de 10 m/s Quando a velocidade aumenta ainda mais, para 20m/s (Figura 5.15), as últimas uni-

69 Tempo de Vida (minutos) 52 dades da rede esgotam sua bateria praticamente no mesmo tempo para os protocolos VRP, VRP/EM1 e VRP/EM2. Tendo novamente o protocolo VRP/EM3 com o pior desempenho e os protocolos DSR e AODV com a melhor seqüência de expiração para este caso Seqüência de Vida - 20 m/s Seqüência de Expiração Figura 5.15: Seqüência de expiração para velocidade de 20 m/s AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 O VRP/EM3 foi o que obteve o pior desempenho entre os protocolos estudados na variação de velocidade. Isto é explicado devido a necessidade de utilização de caminhos alternativos e devido a maior quebra de rotas quando a velocidade das unidades aumenta, visto que este protocolo utiliza a técnica de balanceamento de fluxos de múltiplos caminhos. O VRP/EM3 é o protocolo com maior tempo de simulação, demonstrando o esforço necessário pelo protocolo para a construção de rotas alternativas. O protocolo VRP/EM2 conseguiu melhorar o desempenho do VRP quando variando a velocidade das unidades da rede. O tempo de vida ficou maior, bem como a taxa de entrega, que já era alta e ficou ainda maior. Mesmo com a melhora de desempenho, a quantidade de energia gasta pelo VRP/EM2 é menor do que o VRP e semelhante em alguns casos. Apesar das melhoras o VRP/EM2 não conseguiu ultrapassar o tempo de vida dos protocolos DSR e AODV. Isto se deve ao fato da complexidade maior envolvida no VRP e conseqüentemente no VRP/EM2. Porém não descarta a necessidade de utilização de técnicas de controle de consumo energético, visto que cada protocolo tem algum tipo de benefício em detrimento de outras características, e a técnica de balanceamento de fluxos de caminho único pode melhorar pelo menos duas importantes característica dos

70 53 protocolos de roteamento: o tempo de vida da rede e a taxa de entrega Variação da Densidade da Rede Na variação da densidade da rede as simulações são realizadas utilizando-se um total de 50 unidades na rede. Elas se movem constantemente utilizando o modelo de mobilidade random waypoint, sem tempo de parada, com velocidade máxima de 20 m/s, numa área de simulação variando de m 2 a m 2. Cada resultado é a média de 5 simulações utilizando diferentes valores (1 a 5) para a semente do gerador de números aleatórios. O tráfego é modelado utilizando a aplicação CBR, com dez unidades enviando pacotes de 512 bytes para outras dez diferentes unidades. O intervalo de tempo entre os pacotes é de 250 milliseconds, o que equivale a uma taxa de transmissão de bps para cada unidade geradora de pacotes. Os pacotes são enviados a partir do início da simulação até o tempo em que a última unidade ficou sem energia. Os rádios das unidades são configurados com raio de transmissão de 250 metros. Para os protocolos VRP e as variantes do VRP/EM a estrutura anel-de-anéis é utilizada com x = 5, y = 10 e s = 5. A Figura 5.16 ilustra o tempo de vida da rede quando variando a densidade. Em uma área grande (maior do que m 2 ), pouco densa, a perda de mensagens é inevitável e enorme. Desta forma todos os protocolos possuem um tempo de vida semelhante. Conforme a área vai diminuindo e a densidade aumentando o comportamento varia conforme cada protocolo. O VRP/EM2 possui um maior tempo de vida do que o VRP para todas as densidades estudadas, chegando a se igualar ao AODV e ao DSR para áreas menores do que m 2. O VRP/EM3 é o que possui o menor tempo de vida em praticamente todas as densidades analisadas, obtendo um desempenho similar ao VRP/EM1 e ao VRP em áreas menores do que m 2. A necessidade de buscar caminhos alternativos e reconstruí-los devido a quebra de enlaces torna-se menor com o aumenta da densidade, e é por isso que o VRP/EM3 possui resultado similar ao VRP/EM1 e ao VRP em altas densidades. A taxa de entrega (Figura 5.17) do VRP/EM2 é a melhor para áreas maiores do

71 Taxa de Entrega (%) Tempo de Vida (minutos) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Máximo Área (m 2 ) Figura 5.16: Tempo de vida da rede variando-se a densidade que m 2. Quando a área diminui e a densidade torna-se alta, e a conseqüente quebra de enlaces inexiste, todos os protocolos conseguem entregar praticamente todas as mensagens. Isto ocorre em áreas menores do que m 2, o que equivale a densidades maiores do que 0, 0005 unidades por m AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Área (m 2 ) Figura 5.17: Taxa de entrega variando-se a densidade A Figura 5.18 ilustra a energia média gasta para cada mensagem de dados entregue com sucesso. O VRP/EM2 conseguiu um resultado melhor do que o VRP em todas as densidades analisadas e conseguiu um desempenho igual ao AODV e ao DSR em densidades altas com áreas menores do que m 2. O VRP/EM1 foi o que consumiu a maior energia para entregar mensagens em densidades baixas com área de simulação

72 Energia por Mensagem de Dados (uwh/mensagem) 55 menor do que m 2. O VRP/EM3 bem como o VRP possuem um consumo bastante homogêneo em todas as densidades estudadas. Energia para Entregar um Pacote de Dados Energia por Mensagem de Dados (uwh/mensagem) Área (m 2 ) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.18: Energia média gasta por mensagem de dados variando-se a densidade A energia média gasta por mensagens de roteamento (Figura 5.19) é pequena e similar em todos os protocolos estudados quando a densidade é alta (área de simulação maior do que m 2 ). Isto se explica pelo fato de nessas densidades o número de quebra de enlaces ser pequeno ou inexistente. Em densidades menores (área maior do que m 2 ), o VRP/EM2 obteve um melhor desempenho do que o VRP, ficando próximo do AODV e DSR. O VRP/EM3 consumiu mais energia com mensagens de roteamento nestas condições Routing AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Área (m 2 ) Figura 5.19: Energia média gasta com mensagens de roteamento variando-se a densidade Mesmo com as melhoras obtidas pelo VRP/EM2 quando comparado ao VRP, o tempo médio de execução (Figura 5.20) do VRP/EM2 ficou abaixo ao do VRP para áreas de simulação menores do que m 2. O VRP/EM1 obteve o maior tempo de execução

73 Tempo de Vida (minutos) 56 em praticamente todas as densidades estudadas. Com área de aproximadamente m 2 (densidade de 0,00005 unidades por m 2 ) o tempo de execução do AODV é o menor, seguido do DSR. Em terceiro lugar ficam empatados o VRP e o VRP/EM2, e em quarto o VRP/EM1 e o VRP/EM3. Tempo médio de execução da simulação (minutos) 16,0 8,0 4,0 2,0 1,0 0,5 0,3 0,1 Tempo de Execução AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Área (m 2 ) Figura 5.20: Tempo médio de execução variando-se a densidade A seqüência de expiração para densidade de 1000x1000 m 2 apresentada na Figura5.21, mostra que as últimas unidades da rede ficam sem bateria praticamente no mesmo tempo para os protocolos VRP e as três variantes do VRP/EM. Os protocolos AODV e DSR possuem quase a mesma seqüência de expiração e ela se mantém maior do que os demais protocolos para todas as unidades. O VRP teve praticamente a mesma seqüência de expiração do que o VRP/EM2 e ambos foram melhores do que o VRP/EM1 e o VRP/EM3. Seqüência de Vida Seqüência de Expiração Figura 5.21: Seqüência de expiração para área de 1000x1000 m 2 AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Para uma área de m 2 (Figura 5.22) a seqüência de expiração é melhor para os protocolos DSR e AODV, seguido pelo VRP/EM2. Os protocolos VRP/EM1, VRP

74 Tempo de Vida (minutos) Tempo de Vida (minutos) e VRP/EM3 ficam em quarto, quinto e sexto lugares respectivamente. Em nenhum momento os gráficos se sobrepõe. Neste caso o VRP/EM2 conseguiu melhorar o resultado 57 obtido pelo VRP Seqüência de Vida Seqüência de Expiração AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.22: Seqüência de expiração para área de m 2 Com uma densidade ainda maior, numa área de 100x100 m 2, ilustrado pela Figura 5.23, os protocolos VRP e as variações do VRP/EM obtém praticamente a mesma seqüência de expiração, assim como o AODV e o DSR, porém o resultado obtido pelo AODV e DSR é melhor do que os demais protocolos. É interessante observar que neste caso, devido a grande proximidade, as unidades recebem quase todas as mensagens da rede, o que acaba consumindo energia praticamente igual de todas elas, tornando o gráfico neste caso em algo muito similar a uma reta, em particular para as últimas unidades da rede. Seqüência de Vida Seqüência de Expiração AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.23: Seqüência de expiração para área de 100x100 m 2

75 58 Na variação da densidade, o protocolo VRP/EM2 obteve resultado equivalente ao AODV e ao DSR e bem melhor do que o obtido pelo VRP no tempo de vida da rede e conseqüentemente no consumo de energia. O VRP/EM também conseguiu obter a maior taxa de entrega dentre todos os protocolos analisados em densidades mais baixas, para áreas menores do que m 2. Em densidades mais altas ocorre um alto grau de colisão de mensagens e também o recebimento de mensagens por um conjunto maior de unidades, o que acaba gerando um consumo linear de quase todas as unidades da rede, o que explica a seqüência de expiração da rede se tornar quase uma constante para um grande conjunto de unidades, em densidades altas. Apesar de possuir um tempo de execução ligeiramente maior do que o DSR e o AODV, o VRP/EM2 conseguiu a façanha de obter alguns resultados melhores do que todos os protocolos analisados, provando a eficácia da técnica de balanceamento de fluxos de caminho único quando bem aplicada Variação da Taxa de Transmissão para Velocidades de até 20m/s Na variação da taxa de transmissão para velocidades de até 20 m/s as simulações são realizadas utilizando-se um total de 50 unidades na rede. Elas se movem constantemente utilizando o modelo de mobilidade random waypoint, sem tempo de parada, com velocidade máxima de 20 m/s (velocidade média de um veículo em movimento), numa área de simulação de 1000x1000 m 2. Cada resultado é a média de 5 simulações utilizando diferentes valores (1 a 5) para a semente do gerador de números aleatórios. O tráfego é modelado utilizando a aplicação CBR, com dez unidades enviando pacotes de 512 bytes para outras dez diferentes unidades. O intervalo de tempo entre os pacotes varia de 4 segundos a 1 milliseconds, o que equivale a taxas de transmissão de bps a Kbps para cada unidade geradora de pacotes. Os pacotes são enviados a partir do início da simulação até o tempo em que a última unidade ficou sem energia. Os rádios das unidades são configurados com raio de transmissão de 250 metros.

76 Tempo de Vida (minutos) 59 Para os protocolos VRP e as variantes do VRP/EM a estrutura anel-de-anéis é utilizada com x = 5, y = 10 e s = 5. A Figura 5.24 ilustra o tempo de vida de acordo com a variação da taxa de transmissão para unidades movendo-se a velocidades de até 20m/s. Para taxas de transmissões elevadas, acima de Kbps, os protocolos VRP e VRP/EM1 são os que possuem o maior tempo de vida dentre todos os protocolos avaliados. Para taxas de transmissão de até Kbps, o protocolo VRP/EM2 obteve uma sensível melhora em relação ao VRP. O VRP/EM3 obteve o melhor resultado dentre todos para taxas de transmissão entre 200 Kbps e Kbps, e obteve resultados melhores do que o VRP para taxas entre 20 Kbps e Kbps. O VRP/EM1 obteve resultado muito semelhante, porém pior do que o VRP em todas as taxas de transmissão estudadas Taxa de Transmissão (Kbps) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.24: Tempo de vida da rede variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) A taxa de entrega (Figura 5.25) do protocolo VRP/EM2 foi a maior dentre todos para taxas de transmissão maiores do que 256 Kbps. O VRP/EM1 obteve resultados discretamente melhores do que o VRP para taxas de transmissão de até 64 Kbps e taxas de entrega semelhantes ao VRP para taxas de transmissão maiores do que 64 Kbps. O VRP/EM3 obteve a quinta maior taxa de entrega para taxas de transmissão de até 128 Kbps, sendo melhor do que o VRP somente em taxas de transmissão maiores do que 128 Kbps. O protocolo AODV obteve a melhor taxa de entrega para taxas de transmissão entre

77 Taxa de Entrega (%) 60 8 Kbps e 256 Kbps. O DSR se destaca pelo fato de possuir a pior taxa de entrega para taxas de transmissão menores do que 64 Kbps, porém obteve melhor resultado do que o VRP para taxas de transmissão maiores do que 96 Kbps Taxa de Transmissão (Kbps) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.25: Taxa de entrega variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) A Figura 5.26 ilustra a energia média gasta para enviar mensagens de dados variandose a taxa de transmissão, com unidades movendo-se a velocidades de até 20 m/s. O VRP/EM3 consome a maior quantidade de energia para enviar mensagens para taxas de transmissão pequenas, de até 8 Kbps. O consumo de energia é semelhante ao VRP para taxas de transmissão altas, maiores do que Kbps. O VRP/EM2 possui menor consumo de energia por mensagem de dados quando comparado com o VRP em todas as taxas de transmissão avaliadas. Para taxas de transmissão de até 64 Kbps a redução é discreta, porém para taxas de transmissão maiores do que 64 Kbps a vantagem torna-se muito grande, deixando o VRP/EM2 com consumo menor do que o AODV e um pouco maior do que o DSR. O protocolo VRP/EM1 possui consumo muito similar ao do VRP para todas as taxas de transmissão. O AODV possui o menor consumo de energia para enviar mensagens de dados dentre os protocolos estudados para taxas de transmissão de até 192 Kbps, perdendo sua liderança para o DSR para taxas de transmissão maiores. A Figura 5.27 ilustra a energia média gasta com mensagens de roteamento para enviar mensagens de dados variando-se a taxa de transmissão, com unidades movendo-se a

78 Energia por Mensagema de Dados (uwh/mensagem) Energia para Entregar um Pacote de Dados AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM Taxa de Transmissão (kbps) Figura 5.26: Energia média gasta por mensagem de dados variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) velocidades de até 20 m/s. É interessante observar que o VRP/EM3 consome a maior quantidade de energia no roteamento dentre todos os protocolos estudados, para taxas de transmissão pequenas, de até 8 Kbps. O consumo de energia é semelhante ao VRP para taxas de transmissão maiores do que 92 Kbps. Isto reflete o fato de que construir e manter diversos caminhos distintos para um mesmo destino não compensa quando as taxas de transmissão são pequenas e a velocidade é alta, com muitas quebras de enlaces e conseqüentemente de rotas. O VRP/EM1 possui um consumo com mensagens de roteamento muito semelhante ao do VRP para todas as taxas de transmissão simuladas. O protocolo VRP/EM2 reduziu o consumo do roteamento do VRP para taxas de transmissão maiores do que 32 Kbps, e manteve o consumo para taxas menores do que 32 Kbps. O AODV e o DSR obtiveram o menor consumo no roteamento dentre todos os protocolos estudados, com especial vantagem para o DSR em taxas de transmissão maiores do que 192 Kbps. O tempo médio de execução das simulações pode ser visualizado na Figura Podese observar que os protocolos AODV e DSR possuem um tempo de execução bem semelhantes para todas as taxas de transmissão simuladas. O mesmo ocorre para os protocolos VRP e as três variantes do VRP/EM. Em algumas taxas de transmissão os protocolos VRP/EM1 e VRP/EM3 são os protocolos com maior tempo de execução. Apesar de a técnica de balanceamento de fluxos trazer um pouco mais de complexidade ao VRP, a mesma não alterou significativamente o tempo de simulação e conseqüentemente

79 Tempo médio de execução da simulação (minutos) Energia por Mensagema de Dados (uwh/mensagem) 40,96 20,48 10,24 5,12 2,56 1,28 0,64 0,32 0,16 0,08 0,04 0,02 0,01 Roteamento Taxa de Transmissão (kbps) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 62 Figura 5.27: Energia média gasta com mensagens de roteamento variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) o desempenho do protocolo. Isto demonstra que o balanceamento de fluxos tende a não necessitar de maior recurso de processamento. Tempo de Execução 128,00 64,00 32,00 16,00 8,00 4,00 2,00 1,00 0,50 0,25 0, Taxa de Transmissão (Kbps) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.28: Tempo médio de execução variando-se a taxa de transmissão (20 m/s) A seqüência de expiração para taxa de transmissão de 1 Kbps e velocidade máxima das unidade de 20 m/s pode ser verificada na Figura O protocolo VRP/EM2 possui uma seqüência de expiração melhor do que o VRP original. A seqüência do VRP/EM1 e do VRP/EM3 é muito semelhante e é a pior de todos os protocolos estudados. O AODV e o DSR possuem uma seqüência de expiração praticamente idêntica para a taxa de transmissão de 1 Kbps e após o fim da energia da 25 a unidade a bateria das demais termina praticamente junto. A Figura 5.30 ilustra a seqüência de expiração para taxa de transmissão de 20 Kbps e velocidade máxima das unidades de 20 m/s. Este caso é muito semelhante ao observado na Figura 5.29, com o AODV e o DSR tendo uma seqüência de expiração muito semelhante e o VRP e as três variantes do VRP/EM também.

80 Tempo de Vida (minutos) Tempo de Vida (minutos) 494,5 494,0 493,5 493,0 492,5 492,0 491,5 Seqüência de Vida - 1Kbps Seqüência de Expiração AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 63 Figura 5.29: Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 1 Kbps e velocidade máxima de 20 m/s O VRP/EM1 se destaca por ter obtido a pior seqüência de expiração para todas as unidades. O VRP/EM2 demorou mais para as primeiras unidades esgotarem a bateria, mas após o fim da energia da 35 a unidade as demais terminam em tempos semelhantes as do VRP e do VRP/EM Seqüência de Vida - 20 Kbps Seqüência de Expiração AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.30: Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 20 Kbps e velocidade máxima de 20 m/s Quando a taxa de transmissão aumentou para 204 Kbps a seqüência de expiração para unidades se movendo com velocidades de até 20 m/s mudou um pouco, conforme ilustra a Figura O AODV deixou de obter a melhor seqüência de expiração e passou a ser o pior, tecnicamente empatado com o VRP/EM1. O VRP/EM3 obteve a segunda melhor seqüência de expiração, com as primeiras 5 unidades terminando suas baterias em tempos semelhantes ao do DSR e as demais terminando um pouco antes do que as do DSR. O protocolo VRP/EM1 obteve praticamente a mesma seqüência de expiração do que o VRP para taxas de transmissão de 204 Kbps e velocidades máximas das unidades da rede de 20

81 Tempo de Vida (minutos) 64 m/s. 495 Seqüência de Vida - 204Kbps AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM Seqüência de Expiração Figura 5.31: Seqüência de expiração para taxa de transmissão de 204 Kbps e velocidade máxima de 20 m/s O protocolo VRP/EM2 foi o que obteve maiores melhorias em relação ao VRP original, para a variação da taxa de transmissão para unidades movendo-se a velocidades de até 20 m/s. O VRP/EM1 e o VRP/EM3 ficaram na lanterna, obtendo algumas melhoras em relação ao VRP, mas também o pior desempenho em outros quesitos. A taxa de entrega do protocolo VRP/EM2 foi a maior dentre todos para taxas de transmissão maiores do que 256 Kbps. Para taxas de transmissão de até Kbps o VRP/EM2 obteve uma sensível melhora em relação ao tempo de vida do VRP. Mesmo com estes ganhos, o consumo de energia não aumentou, pelo contrário, ele ficou melhor do que o VRP em todas as taxas de transmissão avaliadas. Para as três variantes do VRP/EM, o tempo de execução não variou significativamente com relação ao VRP, mostrando que a técnica de balanceamento de fluxos, apesar de trazer um pouco mais de complexidade ao VRP, tende a não necessitar de maior recurso computacional Variação da Taxa de Transmissão para Velocidades de até 1, 4m/s Na variação da taxa de transmissão para velocidades de até 1,4 m/s as simulações são realizadas utilizando-se um total de 50 unidades na rede. Elas se movem constantemente utilizando o modelo de mobilidade random waypoint, sem tempo de parada, com velocidade máxima de 1,4 m/s (velocidade média de uma pessoa andando [28]), numa área

82 65 de simulação de 1000x1000 m 2. Cada resultado é a média de 5 simulações utilizando diferentes valores (1 a 5) para a semente do gerador de números aleatórios. O tráfego é modelado utilizando a aplicação CBR, com dez unidades enviando pacotes de 512 bytes para outras dez diferentes unidades. O intervalo de tempo entre os pacotes varia de 4 segundos a 1 milliseconds, o que equivale a taxas de transmissão de bps a Kbps para cada unidade geradora de pacotes. Os pacotes são enviados a partir do início da simulação até o tempo em que a última unidade ficou sem energia. Os rádios das unidades são configurados com raio de transmissão de 250 metros. Para os protocolos VRP e as variantes do VRP/EM a estrutura anel-de-anéis é utilizada com x = 5, y = 10 e s = 5. A Figura 5.32 ilustra o tempo de vida da rede quando variando a taxa de transmissão com unidades se movendo a velocidades de até 1,4 m/s. Para taxas de transmissão de até Kbps o protocolo DSR obteve o melhor tempo de vida dentre todos os estudados. Acima desta taxa o VRP/EM3 obteve o maior tempo de vida. O protocolo VRP/EM1 obteve praticamente o mesmo tempo de vida que o VRP para todas as taxas analisadas. O VRP/EM2 obteve resultado similar ao VRP para taxas de transmissão de até 72 Kbps, sendo pior do que o VRP entre 72 Kbps e 800 Kbps e para taxas maiores do que Kbps. O destaque para o tempo de vida variando-se a taxa de transmissão ficou por conta do protocolo VRP/EM3 para taxas acima de Kbps. Nesta situação o VRP/EM3 obteve o maior tempo de vida dentre todos os analisados. A taxa de entrega variando-se a taxa de transmissão e com velocidade das unidades de até 1,4 m/s está ilustrada na Figura Pode-se observar que o protocolo AODV possui a mais alta taxa de entrega para taxas de transmissão entre 6 e Kbps. O VRP/EM2 é o melhor para taxas de até 6 Kbps, e o DSR para taxas acima de Kbps. O VRP/EM2 melhorou a taxa de entrega do VRP em todas as taxas de transmissão simuladas. Os protocolos VRP/EM1 e VRP/EM3 obtiveram resultados tecnicamente idênticos ao VRP para taxas de transmissão acima de 72 Kbps. O VRP/EM1 obteve resultados ligeiramente melhores do que o VRP em taxas de transmissão de até 72 Kbps.

83 Taxa de Entrega (%) Tempo de Vida (minutos) Taxa de Transmissão (Kbps) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.32: Tempo de vida da rede variando-se a taxa de transmissão (1,4 m/s) O VRP/EM3 foi melhor do que o VRP e ficou abaixo somente do AODV para taxas entre 8 e 32 Kbps. Ele foi pior do que o VRP, ficando melhor somente que o DSR para taxas de transmissão menores do que 8 Kbps Taxa de Transmissão (Kbps) AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM3 Figura 5.33: Taxa de entrega variando-se a taxa de transmissão (1,4 m/s) O AODV é o protocolo com o menor consumo de energia por mensagem de dados para taxas de transmissão de até 256 Kbps e unidades se movendo a velocidades de até 1,4 m/s. Este resultado pode ser visualizado na Figura Esta figura ilustra também que o VRP/EM3 obteve o maior consumo de energia por mensagem de dados para taxas de transmissão de até 64 Kbps. O protocolo VRP/EM1 obteve um consumo um pouco superior ao do VRP para todas

84 Energia por Mensagema de Dados (uwh/mensagem) 67 as taxas de transmissão simuladas, mostrando desvantagem neste quesito. Já o VRP/EM2 conseguiu reduzir o consumo do VRP para taxas superiores a 64 Kbps, obtendo ainda um consumo equiparável ao do AODV para taxas maiores do que Kbps. O DSR é o que menos consumiu energia para enviar uma mensagem de dados para taxas de transmissão superiores a 256 Kbps. Energia para Entregar um Pacote de Dados AODV DSR VRP VRP/EM1 VRP/EM2 VRP/EM Taxa de Transmissão (kbps) Figura 5.34: Energia média gasta por mensagem de dados variando-se a taxa de transmissão (1,4 m/s) A Figura 5.35 ilustra a energia média gasta com mensagens de roteamento quando variando-se a taxa de transmissão e com unidades se movendo a velocidades de até 1,4 m/s. Os protocolos DSR e AODV dividiram a liderança, com o AODV tendo o menor consumo com mensagens de roteamento para taxas entre 1,5 e 512 Kbps e o DSR para as demais taxas simuladas. O VRP/EM2 conseguiu melhorar os resultados do VRP e obter o terceiro menor consumo de energia com mensagens de roteamento para taxas de transmissão superiores a 72 Kbps. Como o AODV e o DSR possuem um roteamento de natureza mais simples o consumo de energia com mensagens de roteamento tende a ser naturalmente menor. O VRP/EM2 conseguiu reduzir o consumo do VRP, mesmo sendo mais complexo, devido a construção de rotas de maneira gradativa, passo-a-passo, sem necessitar redescobrir as unidades espiadas em caso de quebras de enlaces, o que acaba gerando um flooding na rede. O consumo de energia com mensagens de roteamento foi o maior para o VRP/EM1 quando as taxas de transmissão são superiores a 256 Kbps. Isto se deve principalmente