UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS ALGORITMOS DISTRIBUÍDOS OUTUBRO/2009

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS ALGORITMOS DISTRIBUÍDOS OUTUBRO/2009 Proposta de Trabalho Prático Autor: Robson Dias Lima Matricula : Introdução O objetivo deste documento é apresentar seis problemas na área de redes sem fio que tenham as características definidas no plano de trabalho da disciplina. Desses problemas são indicados dois para serem trabalhados no decorrer da mesma. 2. Definição dos Problemas As redes sem fio apresentam diversos problemas que podem ser solucionados através da aplicação de algoritmos distribuídos. Dentre eles podemos citar: O Problema da Eleição de Líder Uma das necessidades na auto-organização de uma rede sem fio pode ser a eleição de um nó que atue como coordenador. Um nó coordenador é responsável por realizar tarefas que um nó normal não realiza, mas em prol do funcionamento geral da rede. Todos os nós da rede devem ter conhecimento de quem é o seu líder e deve haver uma troca permanente de quem assume o cargo ou elege-se um novo nó como coordenador apenas quando o anterior houver falhado. Formalmente, um algoritmo é um algoritmo de eleição de líder se e somente se: Cada nó executa o mesmo algoritmo localmente. O algoritmo é descentralizado (pode ser iniciado por qualquer nó da rede) Resulta em uma configuração final na qual um dos nós é definido como líder e os demais como perdedores. Aplicações: Em uma rede de sensores sem fio pode-se haver a necessidade de se eleger um nó para atuar como nó sorvedouro, o qual seria o responsável por centralizar as informações provenientes dos demais nós, fundi-las, se necessário, e enviar o resultado para o observador da rede. Uma outra aplicação da eleição de líder em uma rede de sensores sem fio seria a definição de um nó coordenador que atuaria como policial da rede, o qual executaria algoritmos de detecção de intrusos baseando-se nas informações provenientes dos demais nós. A definição original deste problema foi Gerald LeLann em [1] N. Gross (1999), 21 ideas for 21st century. Business Week, August; [2] Albuquerque Urbano(2006). Sensores Industriais, 2ª Edição; [3] Fiorante Cugler (2001). Aplicações com sensores de imagem CCD, Agosto;

2 O Problema da Foto Global Instantânea Um outro problema que algoritmos distribuídos procuram solucionar é o chamado distributed snapshot. O problema consiste em determinar um estado global do sistema durante uma computação. Processos em um sistema distribuído, como é o caso de uma rede sem fio ad-hoc ou de sensores, comunicam-se através do envio e recebimento de mensagens. Um processo pode armazenar o seu próprio estado e as mensagens que envia e recebe, mas nada além disso. Para que o estado global do sistema seja determinado, um processo p deve cooperar com outros processos. Considerando que os processos não estão sincronizados por um relógio global, o problema consiste em derivar algoritmos através dos quais os processos armazenam seus próprios estados e os estados dos canais de comunicação de maneira que o conjunto disso forme o estado global do sistema. Algoritmos desse tipo realizam o papel de um grupo de fotógrafos observando uma cena panorâmica, dinâmica, como um céu cheio de pássaros uma cena tão ampla que não pode ser capturada por um único fotógrafo. Os fotógrafos devem tirar diversas fotos ( snapshots ) e montar as cenas em conjunto para formar uma imagem global de toda a cena observada. Aplicações: Em uma rede de sem fio um algoritmo de foto instantânea global pode ser necessário quando se deseja conhecer a situação de alguma propriedade da rede. Por exemplo, em uma rede de sensores podemos utilizar algoritmos desse tipo para obter um mapa de energia da rede para termos conhecido da reserva de energia disponível em cada nó em um determinado momento. [1] K. Many Chandy e Leslie Lamport (1984). Distributed Snapshots: Determining Global States of Distributed Systems. [2] da Silva, A.P.R. Teixeira, F.A. Lage, R.K.V. Ruiz, L.B. Loureiro, A.A.F. Nogueira, J.M.S (2003). Using a distributed snapshot algorithm in wireless sensor networks. O Problema da Replicação de dados A replicação de dados é um problema importante em redes sem fio porque trata da disponibilidade das informações na rede. A idéia é manter cópias dos dados em um mais nós para que, caso haja falha do nó que possui a informação original, que ela não seja perdida, podendo ser recuperada através das suas cópias. Os algoritmos distribuídos que tratam do problema da replicação de dados em redes sem fio devem levar em consideração o compromisso entre o número de réplicas e a quantidade de energia dispendida. Quanto mais réplicas, maior a disponibilidade da rede. Entretanto, maior também será o consumo de energia. Além disso, as informações devem ser de fácil acesso, o que significa que quanto mais dispersas na rede, mais próximas estarão de todos os nós. Aplicações: Em uma rede móvel ad-hoc o problema da replicação é bastante relevante. Por exemplo, em uma rede ad-hoc de distribuição de conteúdo, é importante que se tenha uma boa disponibilidade das informações com consumo baixo de energia. Em uma rede de sensores sem fio a replicação de conteúdo também

3 pode ser importante para que informações de sensoriamento não sejam perdidas caso um nó sensor falhe. [1] Hong-Zu Chou, Szu-Chi wang, Sy-Yen Kuo (2007). A Randomized Distributed Algorithm for Peer-to-Peer Data Replication in Wireless Ad Hoc Networks O Problema de Atribuição de Células a Centrais Uma das tarefas mais importantes no planejamento de redes de telefonia celular móvel é a atribuição de células a centrais telefônicas de comutação de modo ótimo, isto é, encontrar uma atribuição de células a centrais que respeite certas restrições e minimize o custo total de operação. Na minimização do custo total de operação, dois fatores devem ser considerados. O primeiro deles é o custo da ligação entre os assinantes das células e a central de comutação a qual elas estão conectadas (custo de cabeamento). Este custo depende da distância entre a célula e sua central. O segundo fator é o custo gerado pelo handoff entre células. O problema de se atribuir n células a m centrais numa rede de telefonia celular é um problema NP completo. [1] ABUAMARA, M. H., SAIT, S. M., SUBHAN, A (2006). A Heuristics Based Approach for Cellular Mobile Network Planning, The International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC06). [2] BATTACHARYA, P. S., SAHA, D., MUKHERJEE, A (1999). Heuristic for assignment of cells to switches in a PCSN: a comparative study. Proceedings of IEEE Int. Conf. On Personal Wireless Comm., pp [3] DIANATI, M., NAIK, S., SHEN, X., KARRAY, F (2003). A Genetic Algorithm Approach for Cell to Switch Assignment in Cellular Mobile Networks, Proc Canadian Workshop on Infor. Theory, pp O Problema de Cobertura e Conectividade Uma Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) é um tipo especial de rede ad-hoc, que possui capacidade de processamento e sensoriamento distribuídos. As RSSFs são compostas por dezenas ou centenas de pequenos nós autônomos, chamados nós sensores, que são alimentados por baterias. As RSSFs podem ser usadas em um número muito grande de aplicações, tais como controle de ambientes (estacionamentos, museus, entre outros), para monitoração do nível de poluição do ar, em linhas de produção e como espiões militares, provendo informações sobre movimentações de exércitos inimigos. A Figura (1) ilustra uma arquitetura comum de uma RSSF: diversos nós espalhados numa área realizam a monitoração de variáveis de interesse e enviam os seus dados para o nó sink, que é um nó especial usado para enviar informação para fora da rede (para o usuário final). Uma vez que tipicamente uma RSSF poderá estar espalhada numa região inóspita, como uma cratera de vulcão, e o número de nós numa rede como essa pode ser muito grande, a recarga ou troca de baterias pode ser inviável. Logo, o desenvolvimento de protocolos power-saving para organização de uma RSSF pode extender o seu tempo de vida, o que é muito desejável, tanto do ponto de vista da Qualidade de Serviço como do ponto de vista econômico. De fato, a restrição de energia é a principal preocupação na área de RSSFs, e envolve esforços de diferentes

4 áreas de pesquisa, como pesquisa operacional, projeto de protocolos, engenharia de hardware, entre outras. Figura 1 arquitetura de uma RSSF Este problema foi denominado PCC-RSSF (Problema de Cobertura e Conectividade em Redes de Sensores sem fio). Aplicações: Para fazer a comunicação entre os assinantes da rede de telefonia móvel, as antenas utilizam canais de radio e para evitar interferências, duas células adjacentes devem utilizar grupos diferentes de canais de rádios. Quando um usuário em comunicação se move de uma célula para outra, a estação básica (antena) da nova célula tem a responsabilidade de manter a comunicação deste usuário. [1] Haupt, R.L and Haupt, S.E (1998). Pratical Genetic Algorithms. John Wiley & Sons, Inc. [2] Megerian, S and Potkonjak, M. (2003). Low Power 0/1 Coveragem and scheduling techniques in Sensor Networks. UCLA Technical Reports. [3] Meguerdichian, S., Koushanfar, F., Potkonjak, M., and Srivastava, M.B. (2003). Coverage problems in Wireless ad-hoc Sensor Netwoks. In INFOCOM IEEE. [4] Menezes, G. C (2004). Modelos e algoritmos para definição da densidade e posicionamento dos nós em uma Rede de Sensores sem fio. Master s thesis, Universidade Federal de Minas Gerais. O Problema do Consenso na Computação Distribuída Acordo é o coração da computação distribuída e é uma dificuldade importante de ser superada em um ambiente propenso a falhas. Porém, sem sincronismo dos processos, o acordo é impossível. Sincronismo é necessário para fornecer informações sobre falhas, essas informações são a chave para o alcançar o acordo na presença de falhas. No problema do consenso os processos precisam decidir sobre um valor comum entre um dos valores propostos. Este problema consiste em entregar mensagens para processos de uma forma totalmente ordenada e confiável. A solução deste problema é a chave para a construção altamente confiável e consistente de serviços replicados. Solucionar este problema, corresponde a solucionar o problema de broadcast atômico. O uso de detectores de falha proposto por Chandra e Toueg, é uma abordagem que resolve o problema de consenso no mundo distribuído. Aplicações: Em uma rede ad-hoc a detecção de intrusos é de suma importância para a estabilidade do sistema de comunicação. Assim, o uso do consenso pode ser uma estratégia eficiente de proteção.

5 [1] Badache, N., Hurfin, M. and Macêdo, R. "Solving the Consensus Problem in a Mobile Environment". The 1999 IEEE International Performance, Computing, and Communications Conference IPCCC 99, pp.29-35, Phoenix, USA, Feb/99. [2] Badache, N., Hurfin, M. and Macêdo, R.. "A Solution for the Consensus Problem in a Mobile Environment". Anais do XVII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC99), pp , Salvador-Ba, Maio/99. [3] Chandra, T. and Toueg, S. "Unreliable Failure Detectors for Reliable Distributed Systems". Journal of the ACM, 43(1): , March Problemas Selecionados Considerando os seis problemas listados, para apresentação de relatório propondo uma nova solução escolho os problemas : Eleição de Líder e O problema do consenso na computação distribuída.