Avaliação de Qualidade de Serviço na Rede em Malha Sem Fio com Métricas Desenvolvidas para o Protocolo OLSR

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1 Avaliação de Qualidade de Serviço na Rede em Malha Sem Fio com Métricas Desenvolvidas para o Protocolo OLSR Airton Ishimori 1,3, Raphael Paiva 1,3, Billy Pinheiro 2,3, Antônio Abelém Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação PPGCC/UFPA 2 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, PPGEE/UFPA 3 Grupo de Pesquisa em Redes de Computadores e Multimídia, GERCOM/UFPA 4 Instituto de Computação, UFPA raphaelbritopaiva@gmail.com, {airton,abelem,billy}@ufpa.br Abstract. This paper presents a evaluation of Optimized Link State Routing (OLSR) protocol with Expected Transmission Count (ETX), Expected Transmission Time (ETT), Minimum Delay (MD), Minimum Loss (ML) and Alternative Path (AP) metrics that were implemented and installed in the routers with OpenWrt at the UFPA wireless mesh networks. On the testbed was verified that the OLSR-ETT presents better performance and the OLSR- AP presented poor performance. Resumo. Este artigo apresenta uma avaliação do protocolo Optimized Link State Routing (OLSR) com as métricas Expected Transmission Count (ETX), Expected Transmission Time (ETT), Minimum Delay (MD), Minimum Loss (ML) e Alternative Path (AP) que foram implementadas e instaladas nos roteadores com OpenWrt na rede em malha sem fio da UFPA. No testbed foi verificado que o OLSR-ETT obteve melhor desempenho e o OLSR-AP apresentou pior desempenho. 1. Introdução Até o presente trabalho, as redes em malha sem fio ainda não possuem uma padronização de fato. Um grupo da IEEE [IEEE80211s, 2011] foi formado a fim de trabalhar na definição de um padrão para as redes em malha sem fio do tipo Wireless Local Area Network (WLAN). No entanto, antes mesmo dessa padronização ser iniciada, a academia e a indústria empenharam-se em busca de soluções alternativas para este tipo de rede sem fio. Devido à existência de uma rede em malha sem fio no campus da Universidade Federal do Pará (UFPA), foi possível realizar uma avaliação prática sobre o protocolo de roteamento Optimized Link State Routing (OLSR) [Clausen et al., 2003] com as métricas Expected Transmission Count (ETX) [De Couto et al., 2003], Expected Transmission Time (ETT) [Draves et al., 2004], Minimum Delay (MD) [Cordeiro et al., 2007], Minimum Loss (ML) [Passos et al., 2006] e Alternative Path (AP) [Mascarenhas et al., 2008] a fim de avaliar o desempenho das mesmas em um cenário de rede real. Para isso, as métricas MD, ML e AP foram implementadas no OLSR [OLSR.org, 2011] por meio do OpenWrt-SDK [OpenWrt, 2011]. Este trabalho está estruturado da seguinte forma. A seção 2 apresenta os trabalhos relacionados a redes em malha sem fio. A seção 3 descreve o protocolo OLSR e suas variações. Na seção 4, os experimentos e resultados são apresentados. Na seção 5 são apresentados as conclusões e os trabalhos futuros.

2 2. Trabalhos Relacionados Inúmeras universidades e empresas anteciparam-se em criar suas soluções proprietárias, desenvolvendo seus protocolos de roteamento e realizando testes de desempenho. O projeto Roofnet [Roofnet, 2011], uma iniciativa do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), realizou experimentos em uma rede em malha sem fio com algumas dezenas de nós PCs com sistema operacional Linux, executando o protocolo de roteamento Dynamic Source Routing (DSR) com a métrica ETT, e utilizando antenas omni-direcionais com rádio b e com todos os nós operando no mesmo canal. Os resultados dos experimentos demonstraram que a rede é viável, chegando a uma vazão média de 627 kbps em horários de pico. Os projetos VMesh [VMesh, 2011] e MeshNet [MeshNet, 2011] utilizam hardware da Linksys no modelo WRT54G com o firmware modificado para o OpenWrt [OpenWrt, 2011] e rádios b/g. Os experimentos atenderam aos requisitos de desempenho estabelecidos pelos projetos por meio do uso dos protocolos OLSR e Ad hoc On Demand Distance Vector (AODV) [Perkinks et al, 2003], respectivamente para o VMesh e MeshNet, atingindo valores de vazão em torno de 400 kbps. A solução WMESH [WMESH, 2011] da Nortel define uma arquitetura da rede em malha sem fio com roteadores operando sobre múltiplos rádios b/g. Outra solução proprietária é o CWMN [CWMN, 2011], consistindo em uma solução da Cisco que define uma arquitetura para a rede e oferece um protocolo de roteamento sem fio inteligente chamado Adaptative Wireless Path (AWP) [Cisco, 2011]. Todas essas soluções preocupam-se em realizar experimentos com um único protocolo de roteamento e uma única métrica de roteamento. Este artigo realiza um trabalho experimental em uma rede em malha sem fio real, comparando as variações de desempenho do protocolo OLSR por meio de diferentes métricas. 3. O Protocolo OLSR O protocolo de roteamento OLSR possui natureza pró-ativa, em outras palavras, os nós que executam o OLSR trocam mensagens de controle em intervalos periódicos para atualizar suas tabelas de rotas. Assim, quando um nó de origem tiver que transmitir pacotes para um destino, este já terá as informações de roteamento prontas. O OLSR apresenta um mecanismo eficiente para diminuir a sobrecarga ocasionada pelo tráfego de tais mensagens de controle na rede conhecido como Multipoint Relay (MPR). Pode-se dividir o funcionamento do OLSR em duas grandes partes: descoberta de vizinhos e disseminação da topologia. O protocolo OLSR padrão [Clausen et al., 2003] utiliza a métrica de contagem de saltos no algoritmo de seleção dos nós MPR e para montar a tabela de rotas. O algoritmo de roteamento utilizado é o Shortest Path First (SPF) de Djikstra O Protocolo OLSR e as Métricas de Roteamento O OLSR padrão utiliza, conforme mencionado na seção anterior, a métrica de contagem de salto, entretanto, estudos apresentaram que esta métrica não reflete as condições do meio sem fio, não sendo adequada pelo fato de não estimar a qualidade do enlace sem fio.

3 Uma métrica que estima a qualidade do enlace sem fio é o ETX. Seu funcionamento consiste em estimar o número esperado de transmissões necessárias para que uma transmissão ocorra com sucesso. Entretanto, esta métrica não aborda a vazão do canal sem fio durante sua estimativa, razão pela qual [Draves et al., 2004] propôs a métrica ETT, visando melhorar a acuraria da métrica ETX. Em [OLSR.org, 2011] os desenvolvedores do protocolo OLSR adotaram a métrica ETX como métrica padrão, chamando de OLSR-ETX. No trabalho realizado por [Passos et al., 2006] foi desenvolvido um plugin da métrica Expected Transmission Time (ETT) para o OLSR, chamado de OLSR-ETT. Tendo em vista a importância do estudo das métricas na rede em malha sem fio, as contribuições deste trabalho concentram-se na implementação dos protocolos OLSR- MD, OLSR-ML e OLSR-AP, todos utilizados no ambiente real, e na avaliação de desempenho de tais protocolos, somados ainda aos protocolos OLSR-ETX e OSLR- ETT, na rede em malha sem fio localizada na UFPA OLSR-MD Este protocolo utiliza a técnica de pares de pacotes Ad Hoc Probe [Chen et al., 2005] para estimar o retardo da transmissão dos enlaces. Assim, essa informação de retardo é utilizada para a construção da tabela de rotas e a escolha do melhor caminho da origem ao destino OLSR-ML O protocolo OLSR-ML utiliza a métrica ML, a qual é baseada na métrica ETX. A lógica é que a métrica ML estima a probabilidade de que um round-triple time ocorra com sucesso. Portanto, essa estimativa é utilizada para cálculo da tabela de rotas e para realizar o encaminhamento de pacotes OLSR-AP A métrica é baseada na métrica ETX, porém leva em consideração a interferência causada por nós vizinhos na escolha de uma rota para um destino. Desta forma, tal métrica considera as informações de interferência dos nós vizinhos para construção da tabela de roteamento e para seleção de um caminho. 4. Experimentos e Resultados Os protocolos OLSR-AP, OLSR-ML e OLSR-MD, citadas no tópico anterior, foram incorporados ao OLSR, que está implemetado em C, e posteriormente instalados no hardware embarcado da arquitetura Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages (MIPS) dos roteadores, utilizando antes a ferramenta OpenWrt-SDK [OpenWrt, 2011] para compilá-los tal arquitetura Cenário da Rede O cenário adotado para a realização dos testes, conforme ilustrado pela Figura 1, consiste na rede em malha sem fio do setor básico da UFPA, localizada à proximidade do Rio Guamá. A área coberta pela rede apresenta predominância de árvores de grande porte e copas largas, típicas da região amazônica.

4 Figura 1. Cenário da Rede em Malha Sem Fio da UFPA O cenário é constituído por seis nós, sendo cinco roteadores (RT1, RT2, RT3, RT4 e RT5) distribuídos entre os pavilhões das salas de aulas e um gateway (GW). Todos os nós que compõem a rede são da marca Linksys no modelo WRT54GL que utiliza o rádio g e firmware OpenWRT Metodologia dos Testes Os testes de desempenho dos protocolos foram realizados no cenário ilustrado pela Figura 1. Para isto, fluxos de tráfegos foram gerados do roteador RT4 ao gateway GW pelo período de 15 minutos para cada protocolo, sendo que a cada minuto foram processados os valores de ICMP obtidos. O tamanho do pacote utilizado nos testes foi de 10 KB. Por meio da ferramenta Ping, os valores de atraso e perdas foram obtidos. Para medida de vazão, a ferramenta Iperf [Iperf, 2011] foi utilizada. Assim, para calcular a média das vazões para cada protocolo, realizou-se o envio de um arquivo de tamanho igual a 5MB a partir do roteador RT4 com destino ao GW, da mesma forma como no processo de teste com Internet Control Message Protocol (ICMP) Avaliação dos Resultados A Figura 2 ilustra os valores de vazão dos protocolos analisadas durante o tempo de teste de 1 minuto e executados 15 vezes para cada protocolo. Figura 2. Média das Vazões

5 O OLSR-ETT apresentou melhor desempenho sobre os demais protocolos, atingindo uma vazão média de 2.01 Mbps, enquanto que com o OLSR-AP a rede atingiu aproximadamente a vazão de 1.39 Mbps. A diferença comparada ao OLSR-ETT é da ordem de 1.92 Mbps, uma dispersão considerável, chegando a ser maior que a vazão média obtida pelo OLSR-ETX (1.71 Mbps), OLSR-MD (1.62 Mbps) e OLSR-ML (1.49 Mbps). Como o OLSR-AP atua considerando o cálculo do nível de interferência causada por nós que estão no caminho e o cenário ilustrado pela Figura 1 mostra que há um número pequeno de nós vizinhos, uma rede com OLSR-AP provavelmente teria um desempenho mais satisfatório se o tamanho da rede em malha sem fio contivesse um maior número de vizinhos do caminho. Na Figura 3 estão ilustrados os valores médios das perdas obtidas no mesmo intervalo de tempo total de testes da vazão. Figura 3. Média das Perdas O OLSR-ETX apresentou taxa de perda média de aproximadamente 1.63% menor que o OLSR-ETT e de aproximadamente 1.81% menor que o OLSR-MD. O fato da disparidade entre os valores do OLSR-ML (5.67%) e OLSR-AP (6.59%), comparados aos demais protocolos, é justificado pelo horário de pico durante a fase destes testes, já que o tempo total de teste foi de apenas 15 minutos para cada métrica, sendo então os testes do OLSR-ML e OLSR-AP absorvidos pelo momento de pico da rede. 5. Considerações Finais Os testes realizados no cenário da rede em malha sem fio da UFPA apresentaram-se satisfatórios e apesar do tempo de teste ter sido de 15 minutos apenas, foi possível estimar que o OLSR-ETT se aplica melhor para o contexto da rede analisada. Apesar dos protocolos OLSR-MD e OLSR-ML não obterem um nível de desempenho como o OLSR-ETT e OLSR-ETX, ainda assim, atingiram valores de vazão satisfatórios. O OLSR-AP foi o que obteve pior desempenho em relação aos demais protocolos. O presente trabalho realizado em cima das redes em malha sem fio incrementa no estudo das redes em malha sem fio, visto que o emprego do protocolo OLSR-ETT é viável. Como trabalhos futuros, pretendemos realizar testes em períodos diferentes e durante um intervalo maior de tempo, bem como um estudo elaborado com utilização de ferramentas para produzir e coletar dados referentes ao fluxo de voz e vídeo.

6 Referências Chen, L., Sun, T., Yang, G., Sanadidi, M. Y, Gerla, M. Ad Hoc Probe: Path Capacity Probing in Wireless Ad Hoc Networks WICON, pp , First International Conference on Wireless Internet (WICON'05), Cisco, Cisco Wireless Mesh Network Solution. Url: Acessado em: Abril de Clausen, T. e Jacquet, P. "Optimized link state routing protocol (OLSR)". IETF RFC 3626, Cordeiro, W. et al., Providing Quality of Service for Mesh Networks Using Link Delay Measurements. 16th International Conference on Computer Communications and Networks, pages , Honolulu, CWMN, Cisco Wireless Mesh Network. Url: Acessado em: Abril de De Couto, S. J. D., Aguayo, D., Bicket, J., and Morris, R. A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing. In MobiCom 03. ACM Press, Draves, R., Padhye, J., Zill, B. Routing in multi-radio, multi-hop wireless mesh networks. 10th ACM MobiCom'04., p , IEEE8011s, TGs for WLAN Standards. Url: Acessado em: Abril de Iperf, Measurements Bandwidth. Url: Acessado em: Abril de Mascarenhas, D.; Rubistein, M.; Sztajnberg, A. Uma nova métrica para protocolos de roteamento em redes em malha sem fio. 26º Simpósio Brasileiro de Telecomunicações, Rio de Janeiro, MeshNet, UCSB MeshNet. Url: Acessado em: Abril de OLSR.org, OLSR daemon. Url: Acessado em: Abril de OpenWrt, OpenWrt Wireless Freedom. Url: Acessado em: Abril de Passos, D., Teixeira, D., Saade, D., Magalhães, L., Albuquerque, C. Mesh network performance measurements. International Information and Telecommunication Technologies Symposium, Cuiabá, Perkins, C.; Belding-Hoyer, E.; Das, S. Ad Hoc On Demand Distance Vector (AODV) Routing, IETF RFC 3561, Roofnet, Roofnet Mesh. Url: Acessado em: Abril de VMesh, VMesh Testbesd. Url: Acessado em: Abril de WMESH, Wireless Mesh. Url: Acessado em: Abril de 2011.