Multi-Radio - Link Quality Source Routing (MR-LQSR)

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1 Multi-Radio - Link Quality Source Routing (MR-LQSR) Gustavo Neves Dias Laboratório de Redes de Alta Velocidade - RAVEL Programa de Engenharia de Sistemas e Computação - PESC/COPPE Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ Ilha do Fundão, Rio de Janeiro/RJ - Brazil gustavo@ravel.ufrj.br Resumo Este trabalho apresenta uma visão geral do protocolo MR-LQSR proposto por Draves et. al. [1]. O MR- LQSR é uma combinação do protocolo de roteamento LQSR (Link Quality Source Routing) [2] com uma nova métrica do caminho, o WCETT (Weighted Cumulative Expected Transmission Time). O objetivo desta métrica é a escolha de um caminho entre estações origem e o destino com maior vazão. O protocolo é focado em ambientes de Redes Ad-hoc com estações fixas, tais como nas Redes Mesh [3]. Nestes ambientes, estações equipadas com múltiplos e heterogêneos rádios permitem obter uma métrica do caminho que leva em consideração: (1) o uso de diferentes canais de operação; (2) a largura de banda; e (3) a taxa de perda dos links entre estações. O protocolo atribui pesos aos links com base no Tempo Médio de Transmissão de um pacote sobre o link, denominado de ETT (Expected Transmission Time). O ETT é obtido em função da taxa de perda e largura de banda do link. Assim, os pesos dos links combinados dentro da métrica do caminho WCETT explicitamente consideram a interferência entre os links que usam os mesmos canais. São mostrados resultados comparativos que demonstram as melhorias no uso da nova métrica na seleção de caminhos. I. INTRODUÇÃO As Redes Ad-hoc (MANETs - Mobile Ad-hoc NETworks) tem sido uma área de pesquisa amplamente desenvolvida por vários anos. Recentemente, vêem surgindo um novo paradigma no uso das tecnologias de redes sem fio denominado de Redes em Malha ou Redes Mesh [3]. Nestas redes as estações, em sua maioria fixas ou com mínima mobilidade, formam uma malha de comunicação de múltiplos saltos através do qual encaminham pacotes entre si. Interessantes aplicações comerciais tal como as Redes Sem Fio Comunitárias (Community Wireless Networks) vêem sendo propostas com o objetivo de oferecer acesso a Internet banda-larga a locais onde antes não havia acesso. Em particular, estas estações não dependem do uso de baterias, o que permite o desenvolvimento de algoritmos de roteamento que objetivam a melhoria da capacidade da rede. No entanto, um dos principais problemas que norteia estas redes é a redução na capacidade total devido à interferência entre múltiplas transmissões simultâneas [4]. Uma estratégia para diminuir o impacto da interferência é equipar as estações com múltiplos rádios de forma a possibilitar uma melhoria à capacidade destas redes, uma vez que permite às estações transmitir e receber simultaneamente, e ainda fazer melhor uso do espectro de freqüências. Outra vantagem que surge com o uso de múltiplos rádios é que eles operam em diferentes faixas de freqüência (por exemplo, a em 5GHz e b/g em 2.4GHz) consequentemente possuem características diferentes de largura de banda, alcance de transmissão, entre outras características inerentes a cada faixa utilizada. O uso de múltiplos e heterogêneos rádios oferece um tradeoff que pode melhorar a robustez, conectividade e desempenho dessas redes. O protocolo MR-LQSR, proposto por Richard Draves [1] e outros pesquisadores da Microsoft que atuam no grupo de pesquisa em Redes Mesh [5], foi concebido como um protocolo de roteamento que combina a nova métrica WCETT (Weighted Cumulative Expected Transmission Time) ao protocolo LQSR (Link Quality Source Routing), protocolo este derivado do DSR (Dynamic Source Routing) que permite obter melhorias na escolha do melhor caminho ao levar em consideração o uso de múltiplos rádios. Em outros protocolos de roteamento para redes Ad-hoc tal como DSR [6], as métricas utilizadas não possibilitam tirar proveito desta característica para o cálculo do melhor caminho. Nas seções a seguir são apresentadas mais detalhes sobre o protocolo. II. PROTOCOLO MR-LQSR (MULTI-RADIO - LINK QUALITY SOURCE ROUTING) Como o próprio nome sugere o LQSR é um protocolo de roteamento, derivado do DSR, que pode ser classificado como um protocolo de Estado de Enlace com Roteamento na Origem 1. O MR-LQSR é uma implementação do protocolo LQSR com uma nova métrica do caminho chamada WCETT projetada para ambientes heterogêneos, onde as estações utilizam múltiplos rádios. São quatro os componentes que caracterizam de forma geral o protocolo: 1) Um componente que descobre os vizinhos na rede: Descoberta de Rota (Route Discovery [5]); 1 Técnica em que a estação de origem de um pacote determina a seqüência completa de estações através do qual o pacote será encaminhado. A estação de origem explicitamente lista esta rota no cabeçalho do pacote, identificando cada salto no encaminhamento através dos endereços dos próximos saltos os quais o pacote deverá ser transmitido até a estação de destino.

2 2) Um componente que atribui pesos aos links entre uma estação e as vizinhas; 3) Um componente que propaga e mantêm a informação de rotas que permitem alcançar outras estações na rede: Manutenção de Rotas (Route Maintenance [5]); e 4) Um componente que usa os pesos atribuídos aos links para encontrar um bom caminho para um dado destino. Em outras palavras, os pesos dos links são combinados para formar uma métrica do caminho. O primeiro e o terceiro são componentes comuns ao DSR e MR-LQSR. Já o segundo e o quarto são bem diferentes no MR-LQSR. O protocolo DSR atribui pesos iguais a todos os links na rede sendo a métrica do caminho a soma dos pesos ao longo do caminho, assim o DSR implementa o roteamento pelo menor caminho (shortest-path), enquanto que o MR- LQSR usa a nova métrica WCETT. Algumas definições de projeto do protocolo MR-LQSR incluíram premissas para uso em ambiente de redes onde se pretende utilizá-lo, são elas: Todas as estações da rede são fixas; Cada estação é equipada com um ou mais rádios , podendo ser uma mistura de a/b/g, e o número de rádios não precisa ser o mesmo; Assume-se que se uma estação é equipada com múltiplos rádios, os mesmo estão sintonizados em diferentes canais que não interferem entre si. Três principais objetivos foram também definidos: (1) o protocolo deve levar em consideração a taxa de perda e a largura de banda de um link quando o considera para inclusão no caminho. Uma vez que o MAC do incorpora mecanismos de retransmissão (ARQ 2 ), o tempo de transmissão de um pacote em um link sem fio é dependente da largura de banda e da taxa de perda da camada física; (2) a métrica do caminho, que combina os pesos de cada link, deve ser crescente, ou seja, ao se adicionar um salto em um caminho existente, o custo do caminho nunca pode diminuir, visto que atravessar um link extra implica em mais consumo de recursos da rede e também em aumento no atraso total do caminho, o que para uma conexão TCP, por exemplo, significa aumento no RTT; (3) fazer uso de uma métrica não decrescente permite o uso do algoritmo de Dijkstra 3 para encontrar o caminho; esta métrica do caminho deve explicitamente considerar a redução da vazão devido à interferência entre links que operam no mesmo canal, analogamente também deve considerar o uso de diferentes canais, os quais não interferem um no outro ao longo do caminho. A. Nova Métrica WCETT A nova métrica criada para representar as premissas e objetivos definidos no projeto do MR-LQSR foi o WCETT. 2 Automatic Repeat request. É um método de correção de falhas que consiste na solicitação automática da retransmissão de um pacote de dados, caso o receptor detecte algum erro. 3 O algoritmo de Dijkstra, cujo nome se origina de seu inventor, o cientista da computação Edsger Dijkstra, soluciona o problema do caminho mais curto para um grafo dirigido com arestas de peso não negativo. O WCETT é uma métrica do caminho, ou seja, uma métrica que combina os pesos de cada link no caminho e reflete sua qualidade. O MR-LQSR atribui um peso a cada link como sendo igual ao tempo médio que um pacote de tamanho fixo S leva para ser transmitido com sucesso sob o link. Este tempo depende da largura de banda e da taxa de perdas deste link. Para atribuir os pesos a cada link o MR-LQSR define o ETT (Number Expected Transmissions) - Número Médio de Transmissões ajustado a largura da banda. O ETT é função de outra métrica, o ETX (Expected Transmission Count) - Número Médio de Transmissões, proposta por De Couto et. al. [7]. A seguir é apresentado como computar estas métricas auxiliares, ETX e ETT, e como se chega ao valor do WCETT, a métrica do caminho. 1) Computando ETX: A métrica ETX proposta por De Couto et. al. mede o Número Médio de Transmissões, incluindo retransmissões, necessárias para enviar um pacote através de um link. O ETX é definido em função das taxas de perda de ambas as direções (forward e reverse) do link. Sejam p f e p r representar estas taxas, respectivamente. Uma vez que o MAC do requer o reconhecimento de pacotes para que uma transmissão seja feita com sucesso, define-se p como a probabilidade que um pacote enviado de uma estação x para estação y tem de falhar na transmissão: p = 1 (1 p f ) (1 p r ) (1) O MAC do irá retransmitir um pacote cuja transmissão falhou até conseguir. Seja s(k) a probabilidade que um pacote tem de ser enviado com sucesso de x para y depois de k tentativas: s(k) = p (k 1) (1 p) (2) Assim, o Número Médio de Transmissões - ETX, necessárias para enviar um pacote com sucesso é: ETX = k=1 k s(k) = 1 1 p A métrica do caminho proposta por De Couto. et. al. é representada pela soma dos valores de ETX para cada link no caminho. A equação (3) assume que a probabilidade que um dado pacote ser perdido na transmissão é independente do seu tamanho, e é independente e identicamente distribuído. A equação também assume que a métrica ETX é bidirecional - a métrica de x para y é a mesma de y para x. Embora a métrica ETX funcione melhor do que o roteamento pelo menor-caminho (shortest-path), no contexto de múltiplos rádios isto não necessariamente é verdade, uma vez que a métrica não possibilita dar qualquer preferência por caminhos em diferentes canais, e ainda, o ETX considera apenas as taxas de perda dos links no caminho e não sua largura de banda. Daí a necessidade de uma outra métrica que leve em consideração também a largura de banda dos links no caminho. (3)

3 2) Computando ETT: Define-se por ETT de um link o ETX ajustado à largura de banda, ou seja, multiplicando-se o valor de ETX pela largura de banda do link para se obter o tempo gasto na transmissão do pacote no link. Seja S o tamanho do pacote e B a largura de banda do link, então: ETT = ETX S B Para calcular o ETT a partir das equações (3) e (4) é necessário conhecer: As taxas de perda de pacotes em ambas as direções (forward e reverse); e A largura de banda de cada link. Os valores das taxas de perda de pacotes podem ser obtidos ou aproximados usando uma técnica denominada de broadcast de pacotes de sondagem, descrita por De Couto et. al.. Cada estação envia periodicamente (uma vez por segundo) um pacote de sondagem, em broadcast. Pacotes em broadcast não são retransmitidos pelo MAC do As estações então contam o número de pacotes de sondagens recebidos durante uma janela de tempo (dez segundos) e incluem esta informação nos seus pacotes de sondagem. As estações podem assim calcular a taxa de perda de pacotes no sentido reverso de forma direta, a partir da informação do número de pacotes de sondagem que receberam do vizinho dentro da janela de tempo, e podem usar a informação que elas próprias receberam na última sondagem a partir de um vizinho para calcular a taxa de perda de pacotes no sentido direto. Para calcular a largura de banda utilizou-se uma técnica de pares de pacotes [8]. Cada estação envia dois pacotes um após o outro para cada um de seus vizinhos a cada minuto. O primeiro pacote é pequeno (137 bytes), enquanto o segundo é grande (1137 bytes). A estação vizinha mede a diferença de tempo entre a recepção do primeiro e do segundo pacote e comunica o valor de volta a estação emissora, que captura um mínimo de 10 amostras consecutivas para então estimar a largura de banda dividindo o tamanho do segundo pacote pelo mínimo de amostras. É importante observar que esta estimativa não é muito precisa, uma vez que ignora vários fatores que afetam o tempo de entrega de um pacote. No entanto, a estimativa é suficientemente precisa para distinguir entre links com largura de banda significamente diferentes. 3) Computando a Métrica do Caminho - WCETT: Definidas as métricas ETX, ETT e os mecanismos para obter as taxas de perda em ambas as direções (forward e reverse) e largura de banda de cada link, a métrica do caminho, WCETT, é então definida em função de ETT. Denota-se por ETT i o ETT do link i entre as estações x e y. A métrica WCETT é a combinação dos ETTs dos links de cada salto ao longo do caminho, dessa forma a métrica reflete o quão bom é o caminho. Se os ETTs dos links no caminho forem somados, temse uma estimativa do atraso fim-a-fim experimentado por um pacote atravessando tal caminho, ou seja: (4) WCETT = n ETT i (5) i=1 onde n é o número de saltos no caminho. Porém, somente somar os ETTs não é suficiente, uma vez que a soma não inclui o impacto do uso de múltiplos rádios (da diversidade de canais) distinguindo os saltos em diferentes canais. Para isso é necessário um termo adicional. Considerando um caminho com n-saltos e assumindo que o sistema tem um total de k canais, define-se X j como: X j = Salto i esta no canal j ETT i ; 1 j k (6) Assim, X j é a soma dos tempos de transmissão dos saltos no canal j. A vazão total do caminho será dominada pelo canal de gargalo, o qual tem o maior X j. Pode-se simplificar usando a seguinte definição para WCETT: WCETT = max 1 j k X j (7) Com isso, pode ser visto que esta métrica irá favorecer caminhos que são mais diversos em canais. No entanto, o valor desta métrica nem sempre irá crescer conforme mais saltos são adicionados, visto que saltos adicionais usando canais que não são gargalo não afetam o valor da métrica. Combinando as médias acumuladas a partir das equações (5) e (7) tem-se: WCETT = (1 β) n i=1 ETT i + β max 1 j k X j (8) onde β é um parâmetro ajustável entre 0 β 1. Existem duas formas possíveis para interpretar a equação (8). Primeiro, pode-se ver como um tradeoff entre o benefício global e o egoísmo. O primeiro termo é a soma dos tempos de transmissão ao longo dos saltos no caminho. Isto reflete o consumo total de recursos ao longo do caminho. O segundo termo reflete o conjunto de saltos que terão o maior impacto na vazão deste caminho. A média ponderada pode ser vista como uma tentativa de balancear os dois. Note que esta média implicitamente assume que a rede não está muito carregada. Se cada canal está sendo completamente utilizado, então simplesmente minimizar o consumo total de recursos ajustando o β = 0 pode ser preferível. Segundo, pode-se ver a equação (8) como um tradeoff entre vazão e atraso. O primeiro termo pode ser considerado como uma medida de latência do caminho. O segundo termo, uma vez que representa o impacto do gargalo dos saltos, pode ser visto como uma medida de vazão do caminho. Novamente, a média ponderada é uma tentativa de encontrar um balanceamento entre os dois. Este tradeoff é ilustrado nos caminhos mostrados na Fig. 1. Imagine uma rede em que cada estação está equipada com dois rádios. Cada rádio está sintonizado um canal diferente, por exemplo, canal 1 e canal 2. Assume-se que não há interferência entre os canais e que existem diferentes alcance e largura de

4 Fig. 1. Exemplos de Caminhos usando WCETT [1]. banda. Quatro caminhos são considerados entre a estação de origem S e a estação de destino D. O ETT dos saltos nestes caminhos é mostrado na Figura. Os valores de WCETT para β = 0.9 e β = 0.1 também são mostrados. Considere o caminho 1. O gargalo neste caminho são os saltos no canal 1. Considere agora o caminho 2. Este caminho é similar ao primeiro, exceto pelo salto extra no canal 2. No entanto, os saltos no canal 1 ainda são o gargalo. Apesar disso, este caminho é pior do que o caminho 1, uma vez que inclui um salto extra. Isto aparece refletido no cálculo do WCETT. No entanto, o grau em que o caminho 1 é visto ser melhor do que o caminho 2 depende do valor de β. Se o valor atribuído for β = 1, o caminho 1 e 2 terão valores de WCETT idênticos. No entanto, o caminho 2 nunca terá uma métrica menor de WCETT do que o caminho 1. Considere agora os caminhos 2 e 3. O gargalo em ambos os caminhos são os saltos no canal 1. No entanto, é difícil decidir qual caminho é melhor. Isto reflete no fato de que para diferentes valores de β, um dos caminhos pode ser visto como melhor. Finalmente, considere o caminho 4. Embora este caminho não tenha diversidade de canais, este caminho é claramente melhor do que os três primeiros. Isto é refletido corretamente no cálculo da métrica WCETT. III. CONSIDERAÇÕES Na derivação do ETT não é considerado explicitamente o impacto da disputa devido ao tráfego de estações próximas. O tráfego na disputa afetaria o link de duas formas: (1) poderia aumentar a taxa de perda de pacotes devido às colisões; e (2) poderia reduzir a largura da banda disponível. É assumido que a taxa de perda de pacotes é um parâmetro independente. Para tanto, medidas da taxa de perda no canal são feitas constantemente e o valor do ETT é consequentemente atualizado. Também na derivação do ETT a capacidade total do link é utilizada ao invés da largura da banda disponível. Uma possível forma de incorporar este dado seria medir a largura de banda disponível do link ao invés de utilizar a capacidade total. No entanto técnicas atuais que objetivam medir a largura de banda disponível assumem um modelo ponto-a-ponto com filas do tipo FIFO para o link, o que não é adequado no caso de links sem fio. Ainda importante observar que a definição do ETT na equação (4) não incorpora o tempo de espera de backoff. A equação apenas reflete o tempo gasto realmente utilizando o canal. Em [1] é mostrado uma definição alternativa do ETT que inclui o tempo de backoff. O algoritmo de Dijkstra é usando para encontrar caminhos que minimizem a métrica WCETT, mas ele não faz isso corretamente para todas as situações. Por exemplo, considere três estações A, B e C. As estações A e B são conectadas por dois links, um no canal 1 e o outro no canal 2. O link no canal 1 tem o ETT ligeiramente menor do que o link no canal 2. As estações B e C são conectadas apenas via o canal 1. O algoritmo de Dijkstra na estação A irá primeiro computar que o link pelo canal 1 é a melhor rota de A para B, e então incorretamente computar que a melhor rota de A para C usa dois saltos no canal 1 ou invés de usar o canal 2 para ir de A para B. IV. TESTES E RESULTADOS O protocolo MR-LQSR (o protocolo de roteamento LQSR + métrica WCETT) foi implementado pelo grupo de pesquisa em Redes Mesh da Microsoft em um framework de roteamento ad-hoc que se chama Mesh Connectivity Layer (MCL) [4]. Arquiteturalmente, o MCL é um driver carregável do Windows. Várias métricas de qualidade do link são implementadas, incluindo WCETT, ETX e o básico menor-caminho (shortestpath). Para testes, um TESTBED foi montado com 23 estações localizadas no primeiro andar de um edifício comercial, espalhadas em escritórios, salas de conferência e laboratórios. A densidade das estações foi mantida deliberadamente alta para manter grandes as chances de uma ampla variação de caminhos com múltiplos saltos escolhidos. Cada estação foi equipada com duas interfaces de rede sem fio, uma a e outra g. Em particular, todas as interfaces executavam seleção automática de taxa e o RTS/CTS permaneceu desabilitado. 100 pares de estações foram escolhidas aleatoriamente e uma conexão TCP com duração de 2 minutos foi realizada entre cada par de estações. Cada estação enviava a quantidade máxima de dados que poderia. Apenas uma conexão TCP estava ativa de cada vez. Diversas medidas foram feitas durante os testes. Os resultados que mostraram o melhor desempenho e qualidade dos caminho com a utilização da métrica WCETT podem ser vistos em dois cenários: (1) com apenas uma interface

5 Impacto do β β = Vazão Média (Kbps) No. Médio de Saltos Tab. 1. Vazão Média e Número Médio de Saltos para diferentes valores de β [1]. Fig. 2. Comparação das métricas WCETT, ETX e menor-caminho nos cenários com um e dois rádios [1]. Fig. 3. Impacto do β [1]. ativa; e (2) com as duas interfaces ativas. A Fig. 2 mostra o comparativo entre as métricas e os cenários. Como mostra Fig. 2, a métrica WCETT trabalha bem em ambientes com único rádio e seu desempenho é comparado ao do ETX, sendo um pouco melhor. O aumento neste desempenho resulta do fato de que o WCETT leva em consideração a largura de banda dos links. Isto às vezes conduz a selecionar caminhos mais longos do que o ETX, no entanto, estes caminhos longos resultam em uma melhor vazão. Já no cenário com múltiplos rádios, neste caso dois, o WCETT fornece um ganho significativo na vazão, uma vez que as métricas ETX ou menor-caminho (shortest-path) não levam em consideração a vantagem do uso dos múltiplos rádios. O benefício fornecido pelo WCETT é maior para caminhos curtos, mas mesmo com caminhos com cinco saltos ou mais o WCETT ainda fornece um ganho no desempenho. É importante observar que a Fig. 2 mostra resultados obtidos com o valor do parâmetro β ajustado para β = 0.5. Uma vez que o β é o peso dado ao componente que leva em consideração a diversidade de canais, o impacto de diferentes valores de β deve ser considerado no tradeoff entre a maximização da vazão de um único fluxo TCP e o consumo menor dos recursos globais. A Tab. 1 e a Fig. 3 ilustram esse impacto. Pode-se concluir a partir da Tab. 1 e da Fig. 3 que os caminhos com maior número médio de saltos alcançam maior vazão quando favorecidos pelos maiores valores do parâmetro β, uma vez que o parâmetro dá maior peso ao termo da equação que considera a diversidade de canais. Mais detalhes e outros resultados comparativos podem ser encontrados em [1]. V. CONCLUSÃO Pode-se concluir que estações, quando equipadas com múltiplos e heterogêneos rádios, adicionam uma importância maior na seleção de caminhos que consideram a diversidade de canais em complemento a taxa de perda e largura de banda dos links. O protocolo MR-LQSR que combina o protocolo de roteamento LQSR mais a métrica WCETT realiza esta tarefa e em comparação com outras métricas básicas como ETX e menorcaminho demonstrou significativa melhoria de desempenho. A métrica WCETT permite que seja feito um tradeoff entre a diversidade de canais e o tamanho dos caminhos pelo ajuste do parâmetro de controle β. Os testes com diferentes valores deste parâmetro mostraram que caminhos longos que levam em consideração a diversidade de canais trazem significativos benefícios. Também é mostrado que para caminhos curtos, assim como a sobrecarga da rede, os benefícios obtidos pela seleção de caminhos com diversidade de canais é limitada. REFERÊNCIAS [1] R. Draves; J. Padhye; and B. Zill., Routing in Multi-Radio, Multi-Hop Wireless Mesh Networks, In MobiCom, Phildelphia, PA, Sep [2] R. Draves; J. Padhye; and B. Zill., The architecture of the Link Quality Source Routing Protocol, Technical Report MSR-TR , Microsoft Research, [3] Ian F. Akyildiz; Xudong Wang; Weilin Wang, Wireless Mesh Networks: a survey, Computer Networks, Volume 47, Número 4, Pag(s): , Mar [4] P. Gupta and P. R. Kumar., The capacity of wireless networks, IEEE Trans on Info Theory, Mar [5] [6] D. B. Johnson and D. A. Maltz., Dynamic source routing in ad-hoc wireless networks, In Mobile Computing, Kluwer Academic Publishers, [7] D. De Couto, D. Aguayo, J. Bicket, and R. Morris., High-throughput path metric for multi-hop wireless routing, In MOBICOM, Mar [8] S. Keshav., A Control-theoretic approach to flow control., In SIGCOMM, 1991.