Redes Ad Hoc Móveis (Mobile Ad Hoc Networks - MANETs)

Transcrição

1 Introdução à Computação Móvel Prof. Francisco José da Silva e Silva Prof. Rafael Fernandes Lopes Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação (PPGCC) Universidade Federal do Maranhão (UFMA) Redes Ad Hoc Móveis (Mobile Ad Hoc Networks - MANETs)

2 Introdução Diversas tecnologias de redes sem fio dependem de uma infraestrutura existente Ex: redes celulares, WLANs Conectividade com um único salto Mobile Ad hoc NETworks (MANETs) não requer a existência de uma infraestrutura prévia Formada espontaneamente a partir de um conjunto de nós (possivelmente móveis) Conectividade entre os nós se dá tipicamente por meio de múltiplos saltos Mobilidade provoca mudanças na topologia e, portanto, nas rotas Do latim, "Ad Hoc" é uma expressão que significa "para este fim

3 Comunicação em uma rede ad hoc A B C

4 Comunicação em uma rede ad hoc Topologia lógica 4 Topologia física e cobertura

5 Comunicação em uma rede ad hoc Topologia lógica Topologia física e cobertura

6 Por que MANETs? Independência da existência de uma infraestrutura fixa Úteis quando a infra estrutura está ausente, destruída ou sem possibilidade de uso Redes de curto alcance Facilmente implementadas

7 MANETs Características Não assume nenhuma infraestrutura de apoio Sem necessidade de administração, configuração ou projeto Fonte de energia limitada (i.e., baterias) Rotas entre nós podem conter múltiplos saltos ( hops ) Qualquer nó pode transmitir ou receber dados e pode atuar como intermediário na comunicação Cada nó normalmente possui conectividade com mais de um nó Nós tem liberdade de locomoção: rotas podem mudar ao longo do tempo! Segurança é um problema intrínseco

8 MANETs Características Os nós tipicamente tem as mesmas responsabilidades e recursos: Bateria (energia) Rádio (alcance de transmissão) Processamento Roteamento Porém com capacidades assimétricas: Alcance de transmissão e rádios podem diferir Vida da bateria pode diferir Nós podem ter diferentes capacidades de processamento Nós podem ter diferentes padrões de velocidade e mobilidade

9 MANETs Características No entanto, em alguns tipos de MANETs as responsabilidades dos nós podem diferir Somente alguns nós podem rotear pacotes Alguns nós podem atuar como líderes para outros nós próximos (e.g., cluster-head) Características de tráfego podem diferir em diferentes redes ad hoc: Taxa de transmissão (i.e., bit rate) Limitações de pontualidade na entrega de dados Confiabilidade Unicast, multicast, broadcast Podem coexistir e cooperar com uma rede baseada em infraestrutura fixa

10 MANETs Características Padrão de mobilidade pode diferir: Pessoas sentadas na sala de espera em um aeroporto Taxistas em uma cidade Estudantes se deslocando no campus Movimentos de militares Características de mobilidade Velocidade, Predição de movimento Direção e padrão Uniformidade (ou não) das características de mobilidade entre os nós

11 Aplicações Personal Area Networking (PANs) Ambientes militares Soldados, tanques e aviões Ambientes civis Rede de taxis, salas de encontro, barcos Operações de emergência Resgate, combate a incêndios

12 Desafios Os nós devem realizar comunicações de forma coordenada sem depender de nenhuma infraestrutura Descoberta de serviços e nós na vizinhança Controle de acesso ao meio Roteamento unicast e multicast Controle de topologia Gerenciamento de grupos Segurança QoS etc...

13 Desafios Relativos à natureza dos canais sem fio Transmissão com alcance limitado Transmissão broadcast por natureza Problema do terminal escondido Enlaces com altas taxas de erro Desvanecimento por multipercurso (multipath fading) Interferências Problema de segurança intrínsecos, pois todos os nós podem escutar o meio Largura de banda limitada

14 Desafios Relativos à mobilidade dos nós Mobilidade acarreta perda de pacotes ou destino locomove-se além do alcance da transmissão (desconexão/partição) Mudanças de topologia que causam mudança nas rotas Relativos à limitações dos dispositivos Limitações de energia (por conta do uso de baterias) Para minimizar o gasto de energia é necessário reduzir o número de mensagens de controle Capacidade de processamento limitadas

15 Roteamento Principal desafio em redes ad hoc Em redes ad hoc o roteamento é um problema bem mais complexo que em redes cabeadas Redes cabeadas têm uma associação natural entre endereços IP e localização na rede (domínio administrativo) Política store-and-forward considera o prefixo mais longo em tabelas de rotas atualizadas pelos algoritmos de roteamento Rotas variam pouco em redes cabeadas: em redes ad hoc o ambiente é altamente dinâmico

16 Algoritmos de Roteamento Tradicionais Vetor distância Troca periódica de mensagens com os vizinhos Mensagem informa quem pode ser encontrado e a que distância Seleção do trajeto mais curto, se possível RIP Protocolo demora para convergir Estado de enlace Notificação periódica de todos os roteadores sobre o estado de todos os enlaces Cada roteador conhece toda a topologia da rede OSPF Muito tráfego

17 Problemas dos Algoritmos Topologia dinâmica Tradicionais Mudanças frequentes na alcançabilidade dos nós Variações na qualidade dos enlaces Nós com diferentes capacidades (energia, velocidade, etc.) Limitação de recursos em redes móveis Atualizações periódicas em tabelas de roteamento demandam energia e não contribuem diretamente para uma transmissão mais eficiente A largura de banda limitada é reduzida ainda mais devido à necessidade de troca de informações de roteamento Enlaces podem ser assimétricos (N1 pode mandar, mas não receber dados de N2) Principal Problema Protocolos de roteamento foram projetados para redes cabeadas, em que mudanças são pouco frequentes e enlaces são simétricos

18 Roteamento salto-a-salto O pacote de dados só contém o destino

19 Roteamento a partir da origem O pacote roteia-se sozinho A origem constrói toda a rota

20 Transferência de dados por inundação O transmissor S envia em broadcast o pacote de dados P para todos os seus vizinhos Cada nó que receba P, o encaminha para seus vizinhos Números de sequência são utilizados para evitar a possibilidade de encaminhar o mesmo pacote mais de uma vez O pacote P alcança o destino D considerando que D é alcançável a partir do transmissor S O nó D não encaminha o pacote

21 Transferência de dados por inundação Y Z S E A B H C I G F K J D M N L Represents a node that has received packet P Represents that connected nodes are within each other s transmission range 21

22 Broadcast transmission Transferência de dados por inundação Y Z S E A B H C I G F K J D M N L Represents a node that receives packet P for the first time Represents transmission of packet P 22

23 Transferência de dados por inundação Y Z S E A B H C I G F K J D M N L Node H receives packet P from two neighbors: potential for collision 23

24 Transferência de dados por inundação Y Z S E A B H C I G F K J D M N L Node C receives packet P from G and H, but does not forward it again, because node C has already forwarded packet P once 24

25 Transferência de dados por inundação Y Z S E A B H C I G F K J D M N L Nodes J and K both broadcast packet P to node D Since nodes J and K are hidden from each other, their transmissions may collide => Packet P may not be delivered to node D at all, despite the use of flooding 25

26 Transferência de dados por inundação Y Z S E A B H C I G F K J D M N L Node D does not forward packet P, because node D is the intended destination of packet P 26

27 Transferência de dados por inundação Y Z S E A Flooding completed B H C I G F K J D M N L Nodes unreachable from S do not receive packet P (e.g., node Z) Nodes for which all paths from S go through the destination D also do not receive packet P (example: node N) 27

28 Transferência de dados por inundação Y Z S E A B H C I G F K J D M N L Flooding may deliver packets to too many nodes (in the worst case, all nodes reachable from sender may receive the packet) 28

29 Simplicidade Transferência de dados por inundação: Vantagens Pode ser mais eficiente que outros protocolos quando a taxa de envio de dados é mais baixa que o overhead do envio de mensagens de descoberta e manutenção de rotas e.g., quando os nós transmitem pequenos pacotes de dados e relativamente infrequentes, e muitas mudanças de topologia ocorrem entre transmissões consecutivas Potencialmente alta confiabilidade de entrega de dados Porque os pacotes podem ser entregues ao destino por diferentes caminhos 29

30 Transferência de dados por inundação: Desvantagens Overhead alto Os pacotes de dados podem ser entregues para muitos nós que não precisam recebê-los Potencial baixa confiabilidade na entrega dos dados Inundação utiliza broadcast difícil de implementar broadcast confiável sem aumentar o overhead significativamente O broadcasting no IEEE MAC é não confiável No exemplo, os nós J e K podem transmitir para D ao mesmo tempo, resultando em uma colisão Neste caso, o destino pode não receber o pacote 30

31 Inundação de pacotes de controle Muitos protocolos realizam inundação de pacotes de controle (potencialmente limitado), em vez de pacotes de dados Os pacotes de controle são utilizados para descobrir rotas Rotas descobertas são subsequentemente utilizadas para enviar pacotes de dados O overhead da inundação de pacotes de controle é amortizado pelos pacotes de dados transmitidos entre inundações consecutivas 31

32 Requisitos dos algoritmos de roteamento em redes ad hoc Dinâmico e descentralizado Disseminação de informações de roteamento Caminhos com múltiplos saltos ( multi-hop ) Livre de loops durante todo o tempo ou quase livre de loops Overhead de sinalização limitado Auto-configuração e adaptação dinâmica de topologia Baixo consumo de largura de banda de comunicação e energia Escalável com o número de nós Efeito localizado de mudanças de fluxo ou topologia

33 Taxonomia Protocolos Pró-Ativos (Table-Driven) Determina rotas independentemente de padrões de tráfego Protocolos tradicionais de estado de enlace e vetor distância são pró-ativos Atualização periódica; alta sobrecarga Protocolos Reativos (On Demand) Mantém rotas somente se necessárias Protocolos Híbridos

34 Taxonomia Existem ainda duas classes de algoritmos que são orientados a aspectos específicos de sua operação: Location-Aware: Se utiliza da posição física (por exemplo, coordendas geográficas) dos nós para estabelecer uma rota Energy-Aware: Leva em consideração a energia contida em cada nó para fazer o roteamento. Este tipo de protocolo é particularmente interessante pois, além de minimizar a energia consumida para enviar um pacote, ele maximiza o tempo de vida da rede Podem ser classificados de acordo com a taxonomia apresentada anteriormente

35 Relação de Compromisso Protocolos pró-ativos Sempre mantém as rotas Atraso pequeno na determinação de rotas Gasto de largura de banda para atualizações Mantém rotas que podem não ser usadas Protocolos reativos Pequeno sobrecusto Atraso importante na determinação de rotas Usa inundação (busca global) Qual o melhor?

36 Características dos protocolos de roteamento Latência Overhead Abordagem Pró-Ativa Baixa As rotas são mantidas todo o tempo Alta Disseminação frequente de informações de topologia é necessária Abordagem Reativa Alta Uma rota nunca é mantida quando não é utilizada Baixa Em geral, poucos pacotes de controle são transmitidos Vários estudos baseados em simulações têm mostrado que protocolos reativos têm apresentado um melhor desempenho em MANETs que os pró-ativos Entretanto, não existe um protocolo que opere bem em todos os cenários Que abordagem alcança o melhor desempenho depende dos padrões de mobilidade e de tráfego

37 Ad Hoc Routing Protocols Proactive On Demand Hybrid DSDV Destination Sequenced Distance Vector OLSR Optimized Link State Routing AODV Ad Hoc On- Demand Distance Vector DSR Dynamic Source Routing LMR Lightweight Mobile Routing ABR Associativity Based Routing CGSR Clusterhead Gateway Switch Routing TORA Temporally- Ordered Routing Algorithm SSR Signal Stability Routing

38 Roteamento Pró-Ativo Tentativa de manter informações de roteamento entre quaisquer par de nós consistentes e atualizadas Adequado para tráfego aleatório entre pares de nós Objetivo: Reagir às mudanças da topologia de rede, propagando as atualizações, a fim de obter uma visão consistente das distâncias/custos de roteamento na rede Apropriado para aplicações que geram um tráfego constante e bem distribuído entre os nós da rede ad hoc

39 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Charles E. Perkins and Pravin Bhagwat. Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers, 1994 Adaptação do Routing Information Protocol (RIP) para redes MANET Cada nó mantém uma tabela de roteamento com o registro de todos os possíveis destinos e o número de hops para cada um destes destinos Além disso, cada entrada na tabela contém um número de sequência, que é usado para distinguir rotas antigas de rotas novas

40 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Periodicamente, os nós enviam RoutingAdvertisements (RA) (com suas tabelas de roteamento) para todos os seus vizinhos Aos poucos difundindo na rede as mudanças de conectividade RAs podem ser de 2 tipos: full dump : envio de toda a tabela de roteamento -> gera muito tráfego Incremental: atualizações contém apenas as mudanças desde o último full dump Cada nó espera um certo tempo antes de atualizar as entradas antigas por entradas mais recentes A fim de confirmar se a mudança de topologia se estabilizou

41 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Anúncio de rotas: Anuncia aos vizinhos sobre suas próprias informações de rotas Endereço de destino Métrica = Número de saltos ao destino Número de sequência do destino Outras informações (e.g. endereços físicos) Regras para definir o número de uma informação Em cada anúncio, incremente seu próprio número de sequência de destino (utiliza somente número pares) Se um nó não é mais alcançável (timeout), incremente o número de sequência em 1 (número de sequência ímpar) e defina a métrica =

42 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Destination Address Destination Seq # Next_Hop B 132 B 0 C 144 C 1 D 202 D 1 E 156 D 2 Hop_co unt

43 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Destination Address Destination Seq # Next_Hop B 132 B 0 C 144 C 1 D 202 D 1 E 156 D 2 Hop_co unt <A, 102, 0>

44 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Destination Address Destination Seq # Next_Hop B 132 B 0 C 144 C 1 D 202 D 1 E 156 D 2 A 102 A 1 Hop_co unt <A, 102, 0> <A, 102, 1>

45 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Destination Address Destination Seq # Next_Hop B 132 B 0 C 144 C 1 D 202 D 1 E 156 D 2 A 102 A 1 Hop_co unt <A, 102, B, 2> <A, 102, 1>

46 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Destination Address Destination Seq # Next_Hop B 132 B 0 C 144 C 1 D 202 D 1 E 156 D 2 A 102 A 1 Hop_co unt

47 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Destination Address Destination Seq # Next_Hop Hop_co unt B 132 B 0 C 144 C 1 D 203 D E 157 D A 102 A 1

48 DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Destination Address Destination Seq # Next_Hop Hop_co unt B 132 B 0 <D, 203, E, 157, > C 144 C 1 D 203 D E 157 D A 102 A 1

49 Roteamento Reativo Uma rota somente é criada quando o nó fonte precisa enviar para o destino: Quando um nó precisa de uma rota, inicia o processo de descoberta de rota Este processo termina quando a rota é descoberta, ou quando todas os possíveis caminhos tiveram sido analisados Uma vez que a rota é criada, esta é mantida por um protocolo de manutenção Não há necessidade de atualizações periódicas! É adequado para MANETs com demanda de comunicação esporádica e seletiva (apenas entre alguns pares de nós) e em que a topologia apresenta uma variabilidade baixa

50 Roteamento Reativo Princípios Gerais Descoberta de Rotas: Difunde (broadcast para todos vizinhos diretos) um Route Request (RREQ) com endereço destino e identificação única ID Quando um nó recebe este broadcast: Se o próprio é o destinatário então envia ao remetente uma resposta RREP (contendo a rota registrada em RREQ) Se RREQ já foi recebido anteriormente (detecção através do ID) então simplesmente descarta o pacote Senão, adiciona o próprio endereço na lista de hops (no pacote) e também difunde RREQ para seus vizinhos O Remetente em algum momento recebe RREP contendo a rota descoberta

51 Roteamento Reativo Princípios Gerais Otimizações Se o diâmetro da rede é conhecido, pode-se limitar o número de difusões (através de TTL) Cada nó coloca em seu cache a sequência de endereços visitados por todos pacotes que passaram por ele (com uma certa validade) Usa-se esta informação no cache para a descoberta de caminhos (caminhos próprios, ou para outros nós)

52 Dynamic Source Routing (DSR) David B. Johnson and David A. Maltz. Dynamic source routing in ad hoc wireless networks. Mobile Computing, Kluwer Academic Publishers, pp , Quando o nó S deseja enviar um pacote para D, e não conhece uma rota para D, o nó S inicia uma descoberta de rota S inunda a rede com um Route Request (RREQ). Cada nó adiciona seu próprio identificador quando encaminhar o RREQ

53 Descoberta de Rotas no DSR Y Z A B H S C I E G F K J D M N L Represents a node that has received RREQ for D from S

54 Descoberta de Rotas no DSR Y Broadcast transmission B A H S [S] C I E G F K J D M Z N L Represents transmission of RREQ [X,Y] Represents list of identifiers appended to RREQ

55 Descoberta de Rotas no DSR Y A B H S E C [S,C] I [S,E] G F K J D M Z N L Node H receives packet RREQ from two neighbors: potential for collision

56 Descoberta de Rotas no DSR Y Z A B H S C I E G F [S,C,G] [S,E,F] K J D M N L Node C receives RREQ from G and H, but does not forward it again, because node C has already forwarded RREQ once

57 Descoberta de Rotas no DSR Y Z A B H S C I E G F K [S,E,F,J] M J D [S,C,G,K] N L Nodes J and K both broadcast RREQ to node D Since nodes J and K are hidden from each other, their transmissions may collide

58 Descoberta de Rotas no DSR Y Z A B H S C I E G F K J [S,E,F,J,M] M L D N Node D does not forward RREQ, because node D is the intended target of the route discovery

59 Descoberta de Rotas no DSR O destino D, ao receber o primeiro RREQ, envia um Route Reply (RREP) RREP é enviado em uma rota obtida invertendo a rota adicionada ao RREQ recebido RREP contém a rota de S a D a partir da qual o RREQ foi recebido pelo nó D

60 Resposta de Rota no DSR Y A B H S C I E Z RREP [S,E,F,J,D] F M J G D K N L Represents RREP control message

61 Resposta de Rota no DSR RREP pode ser enviado invertendo a rota contida no RREQ somente se os enlaces forem garantidamente bidirecionais Se enlaces unidirecionais (assimétricos) forem permitidos, então o RREP pode precisar de uma descoberta de rota para S a partir de D A menos que D já conheça uma rota para S Se uma descoberta de rota é iniciada por D para obter uma rota a S, então o RREP é incluído no conteúdo do RREQ de D Se a camada MAC do IEEE for utilizada para enviar dados, então os enlaces têm que ser bi-direcionais (dado que ACKs são usados)

62 Processamento do RREP O nó S, ao receber o RREP, mantém um cache da rota Quando o nó S envia um pacote de dados para D, a rota inteira é incluída no cabeçalho do pacote Consequentemente o nome, source routing. Nós intermediários usam a rota incluída no pacote para determinar para qual nó o pacote deve ser encaminhado

63 Envio de dados no DSR Y A B H S DATA [S,E,F,J,D] E F C G K I J D M Z N L Packet header size grows with route length

64 DSR Vantagens Rotas mantidas somente entre nós que precisam se comunicar Reduz o overhead de manutenção de rotas Caching de rotas pode reduzir o overhead da descoberta de rotas Uma única descoberta de rota pode produzir muitas rotas ao destino, devido ao cache local dos nós intermediários

65 DSR Desvantagens Cabeçalho do pacote cresce com o comprimento da rota Inundação de requisições de rota podem potencialmente alcançar todos os nós da rede Cuidado deve ser tomado para evitar colisões entre requisições de rotas propagadas por nós vizinhos Inserção de um atraso aleatório antes de encaminhar o RREQ Uso de mecanismos para evitar broadcasting redundante

66 DSR Desvantagens Contenção aumenta caso muitas respostas de rota voltem ao transmissor devido a múltiplos nós respondendo utilizando seu cache local Problema da tempestade de RREPs A tempestade pode ser tratada evitando que os nós enviem RREPs se eles receberem um outro RREP com uma rota mais curta Um nó intermediário pode enviar um RREP contendo uma rota obsoleta de seu cache, poluindo outros caches Este problema pode ser tratado com algum mecanismo para a remoção de rotas em cache potencialmente inválidas Timeouts estáticos Timeouts adaptativos baseados na estabilidade do enlace

67 DSR Principal desvantagem Roteamento pela origem é uma abordagem muito frágil em grandes redes com topologias dinâmicas É difícil reparar rotas da origem a partir de nós intermediários sem gerar loops

68 Algoritmos iniciados na fonte Resumo: Roteamento iniciado na fonte usa meio sem fio de forma mais eficiente (só quando há demanda) Mas a descoberta de rotas é baseado em difusão na rede, o que têm alta latência e consome muita banda Há problemas quando: a topologia é altamente dinâmica os enlaces não são bi-direcionais Funciona bem somente se demanda é pouco frequente por comunicação e para redes pequenas

69 Métricas Alternativas O número de saltos é somente uma das possíveis métricas para determinar a rota Geralmente, é aconselhável levar em conta também a qualidade dos enlaces Poderia utilizar um critério que tentasse combinar: Número mínimo de saltos com maximização da qualidade média dos enlaces Em redes sem fio, a qualidade do enlace é fortemente determinada pela possibilidade de interferência Quanto menor for o número de vizinhos diretos, melhor A métrica de menor interferência é usada no algoritmo Least Interference Routing (LIR)

70 Alguns Outros Protocolos de Roteamento Pró-ativos FSLS Fuzzy Sighted Link State FSR Fisheye State Routing OLSR Optimised Link State Routing Protocol TBRPF Topology Broadcast Based on Reverse Path Forwarding STAR Source-Tree Routing in Wireless Networks Reativos AODV Ad hoc On demand Distance Vector DSR Dynamic Source Routing Estrutura Hierárquica CGSR Clusterhead-Gateway Switch Routing HSR Hierarchical State Routing LANMAR Landmark Ad Hoc Routing ZRP Zone Routing Protocol Com auxílio de informação de localização DREAM Distance Routing Effect Algorithm for Mobility GeoCast Geographic Addressing and Routing GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing LAR Location-Aided Routing