Avaliação de Protocolos de Roteamento para Redes Ad hoc e RSSF Aplicados à TV Digital Interativa e Cidades Digitais 1

Avaliação de Protocolos de Roteamento para Redes Ad hoc e RSSF Aplicados à TV Digital Interativa e Cidades Digitais 1 Etienne C. R. de Oliveira e Célio V. N. de Albuquerque Universidade Federal Fluminense, Departamento de Ciência da Computação, Niterói, Brasil, 24.210-240 {eoliveira,célio}@ic.uff.br Abstract The Brazilian government has been working to reduce social and digital exclusion rates by investing in a number of programs, such as the Connected Citizen Computers for Everyone, Tele-centers, Digital Cities and the Brazilian Interactive Digital TV (IDTV) System, among others. Of those, Digital Cities and IDTV are the ones that can potentially reach a more significant number of Brazilians. The Self-configurable wireless ad hoc networks have been considered an excellent alternative to the communication infrastructure required by both Digital Cities and Brazilian IDTV programs. The low cost of the transmission and reception units, the easy implementation and the possibility to reach wide areas depending on the technology used are some of the attributes that make such networks the most adequate option to those programs, besides the obvious technological advantage of not using cables. This work evaluates protocols designed for ad hoc networks and protocols designed for sensor networks when applied to Brazilian IDTV and Digital Cities, comparing their performance through ns-2 simulations in small, medium and large area scenarios. The results of these experiments point to sensor protocols, specifically to the Directed Diffusion Push algorithm, as a promising alternative to traditional ad hoc network protocols for the studied scenarios. Keywords: Digital Inclusion, Interactive Digital TV, Ad hoc Networks, Sensor Networks. Resumo O Governo Federal vem se esforçando para reduzir o percentual de brasileiros que sofrem com os problemas das exclusões social e digital através de incentivos e investimentos em vários programas de alcance diferenciado. Dentre esses projetos, dois se destacam em relação à capacidade de atingir uma quantidade significativa de brasileiros: Cidades Digitais e Sistema Brasileiro de Televisão Digital Interativa (SBTVDI). As redes ad hoc sem fio autoconfiguráveis são uma excelente alternativa para prover a infra-estrutura de comunicação necessária à implantação do projeto Cidades Digitais e do projeto SBTVDI. Além da vantagem tecnológica óbvia de não necessitar de cabos, o custo reduzido das unidades de transmissão e recepção, a facilidade de implementação e o vasto alcance de determinadas tecnologias são algumas das características que se encaixam nas diretrizes dos projetos destacados. Este artigo compara o desempenho de protocolos para redes ad hoc com o desempenho de protocolos para redes de sensores em cenários cujo padrão de tráfego estabelecido seja aplicável ao SBTVDI e às Cidades Digitais. Resultados das simulações indicam que protocolos para redes de sensores apresentam um desempenho superior aos protocolos para redes ad hoc, com destaque para o algoritmo de difusão Push do protocolo Directed Diffusion. Palavras clave: Inclusão Digital, TV Digital Interativa, Redes Ad hoc, Redes de Sensores. 1 Este trabalho foi parcialmente financiado pela TBE/Aneel.

1 Introdução O Governo Federal vem se esforçando para reduzir o percentual de brasileiros que sofrem com os problemas das exclusões social e digital através de incentivos e investimentos em vários programas de alcances diferenciados, tais como Cidadão Conectado Computador para Todos, Telecentros, Cidades Digitais, GESAC Governo Eletrônico Serviço de Atendimento ao Cidadão, Projeto Casa Brasil, Sistema Brasileiro de Televisão Digital Interativa etc. Dentre os projetos relacionados, dois se destacam em relação à capacidade de atingir uma quantidade significativa de brasileiros: Cidades Digitais e Sistema Brasileiro de Televisão Digital Interativa. O projeto Cidades Digitais deve prover acesso gratuito à Internet e, ainda, oferecer acesso a informações regionalizadas, tais como acesso à intranet de centros de pesquisa, órgãos do governo, universidades etc. Já a implantação do Sistema Brasileiro de Televisão Digital Interativa deverá possibilitar ao governo uma maior interação com a população mais carente, seja através de programas educativos e interativos, seja através da oferta de novos serviços à população, além de também prover acesso à Internet. Torna-se, então, imprescindível um estudo sobre alternativas de viabilidades técnica e econômica para a definição de uma infra-estrutura de comunicação para o projeto Cidades Digitais e para o Sistema Brasileiro de Televisão Digital Interativa, de forma que os referidos projetos possam, de fato, obter a abrangência desejada e atingir as metas de redução das exclusões social e digital planejadas pelo Governo Federal. Alternativas baseadas no sistema de telefonia fixa, no sistema de telefonia celular ou na rede de distribuição de energia elétrica apresentam limitações em relação ao poder de penetração na população mais carente ou em relação à maturidade da tecnologia empregada. As redes ad hoc sem fio autoconfiguráveis, descritas nas seções 4 e 5, constituem uma excelente alternativa para prover a infra-estrutura de comunicação necessária à implantação do projeto Cidades Digitais e do projeto Sistema Brasileiro de Televisão Digital Interativa. Além da vantagem tecnológica óbvia de não necessitar de infra-estrutura cabeada, o custo reduzido das unidades de transmissão e recepção, a facilidade de implementação e o vasto alcance de determinadas tecnologias são algumas das características que se encaixam nas diretrizes dos projetos destacados. Protocolos para redes ad hoc são comumente utilizados no cenário das Cidades Digitais, assim como existem propostas para uso desta classe de protocolos para o canal de interatividade no cenário dos Sistemas de Televisão Digital Interativa [8]. O padrão de tráfego destes cenários pode ser fortemente caracterizado por: tráfego de descida: no caso do Canal de Descida Complementar do Sistema de Televisão Digital Interativa, temos a emissora ou o provedor de conteúdo enviando dados para os assinantes. No caso do download de dados da Cidade Digital, todos os dados serão encaminhados do ponto de acesso para as estações requisitantes; tráfego de subida: no caso do canal de retorno do Sistema de Televisão Interativa e do upload de dados através de pontos de acesso da Cidade Digital, temos todo o tráfego destinado a um único ponto. Este padrão de tráfego, em especial, indica um potencial para o uso de protocolos de redes de sensores, que são projetados com o intuito de enviar as informações coletadas para o nó que propagou o interesse. O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento de protocolos de roteamento para redes ad hoc e o comportamento de protocolos de roteamento para redes de sensores, nos cenários cujo padrão de tráfego estabelecido seja aplicável ao Sistema Brasileiro de Televisão Digital Interativa e às Cidades Digitais, mantendo-se o viés nas inclusões digital e social. As simulações serão executadas com o simulador de redes ns-2 [30]. Este trabalho está organizado da seguinte forma: a seção 2 descreve a questão da interatividade relacionada à TV Digital; a seção 3 apresenta o projeto Cidades Digitais e descreve conceitos básicos sobre redes Mesh; as seções 4 e 5 abordam, sucintamente, as redes ad hoc sem fio e as redes de sensores sem fio (RSSF); a seção 6 descreve o escopo e a metodologia utilizados nas simulações e avalia os resultados em termos de atraso, vazão, perdas e conectividade; por fim, a seção 7 apresenta a conclusão final deste trabalho, assim como propostas para trabalhos futuros. 2 Interatividade na TV Digital Os sistemas de TV Digital Interativa incorporaram inúmeras características até então inexistentes nos sistemas analógicos tradicionais. Entre estas características, a interatividade na TV Digital pode ser relacionada com uma das mais relevantes e definida como a capacidade de um dispositivo, denominado URD Unidade Receptora- Decodificadora, interagir ou permitir interação com o seu respectivo usuário. Cabe ao Canal de Interatividade a função de prover a infra-estrutura necessária à comunicação entre aplicações interativas executadas na URD e os servidores de aplicação localizados nas emissoras de televisão e em provedores de conteúdo. O Canal de Interatividade é composto por dois canais de comunicação, a saber: 2

canal de retorno define uma tecnologia de acesso que possibilite a comunicação dos telespectadores com as emissoras de televisão e provedores de conteúdo; canal de descida complementar define uma tecnologia de acesso que possibilite a comunicação das emissoras de televisão e provedores de conteúdo para os telespectadores. Essa comunicação pode ocorrer em broadcast, quando direcionada a todos os telespectadores, multicast (ponto-multiponto), quando direcionada a um grupo específico de telespectadores ou em unicast (ponto-a-ponto), quando a informação for individualizada, ou seja, direcionada a um telespectador específico. Deve-se ressaltar que o sinal de transmissão dos programas televisivos é enviado em broadcast para os telespectadores através do canal de descida do canal de rádio-difusão. Os seja, os canais de retorno e de descida complementar são utilizados exclusivamente para prover a interatividade do telespectador com a emissora ou o provedor de conteúdo, cabendo ao canal de descida do canal de rádio-difusão o envio do conteúdo dos programas televisivos. Este trabalho estará avaliando a comunicação somente nos canais de descrida complementar e de retorno. A Figura 1 exemplifica este modelo. Figura 1.Diagrama do Canal de Interatividade. Os protocolos para redes ad hoc, assim como os protocolos para redes de sensores, adaptam-se perfeitamente aos padrões de tráfego definidos pelo canal de descida complementar e pelo e canal de retorno. 3 Cidades Digitais Uma Cidade Digital pode ser definida como um sistema de pessoas e instituições conectadas por uma infra-estrutura de comunicação digital que tem como referência comum uma cidade real e como objetivos a criação de um canal de comunicação entre pessoas, grupos, administração pública etc. As cidades digitais são uma excelente alternativa ao processo de erradicação das exclusões social e digital [48]. A implantação no Brasil de projetos de Cidades Digitais ainda é incipiente e depende de ações específicas. Entre as tecnologias de comunicação mais empregadas atualmente nas Cidades Digitais podemos citar as redes Mesh. As redes mesh sem fio (WMNs Wireless Mesh Networks) [1,7] vêm se destacando como uma das melhores alternativas para implantação de redes de acesso em campi universitários e em centros de pesquisa, nas Cidades Digitais. Como exemplo é possível relacionar as experiências ReMesh [38], Vmesh [45], entre outras, e as experiências de algumas cidades brasileiras, tais como Mangaratiba (RJ), Tiradentes (MG) etc. As redes mesh podem ser definidas como redes dinâmicas, auto-organizáveis e auto-configuráveis, cujos nós estabelecem e mantêm conexão entre eles, criando, de fato, uma rede ad hoc (sem infra-estrutura) [3]. Protocolos tradicionais para redes ad hoc vêm sendo utilizados em redes mesh, como o protocolo OLSR (Optimized Link State Routing) [9] nos projetos ReMesh [38] e Vmesh [45], assim como o protocolo AODV-MR (Adhoc On-demand Distance Vector Multi-Radio) em [35] etc. 4 Redes ad hoc Sem Fio Uma rede ad hoc sem fio pode ser definida como uma rede onde uma parte ou todos os nós podem ou não ter mobilidade, onde a comunicação entre os nós ocorre de forma direta (não há necessidade de encaminhar todas as mensagens para um ponto central) e inexistem requerimentos para qualquer tipo de infra-estrutura. 3

Em função de características peculiares, torna-se imprescindível a utilização de protocolos de roteamento desenvolvidos especificamente para atuar em redes ad hoc sem fio. A descoberta e a manutenção de rotas, assim como a taxa de transmissão de dados, são quesitos de extrema importância que distinguem a eficiência e o desempenho dos protocolos de roteamento ad hoc sem fio. Do mesmo modo, como a largura de banda é limitada, cabe aos protocolos de roteamento a função de evitar ao máximo o desperdício deste recurso precioso. Inúmeros autores, tais como [2,10, 40] entre outros, classificam os protocolos de roteamento para redes ad hoc em protocolo reativos, protocolos pró-ativos e protocolos híbridos. Nos protocolos de roteamento pró-ativos (table-driven), os nós da rede mantêm informações de roteamento para todos os nós da rede, de forma que quando for necessário enviar dados para um determinado nó, a rota para este nó será conhecida. Podemos citar os protocolos (Destination-Sequenced Distance-Vector) [32] e OLSR (Optimized Link State Routing) [9] como exemplos de protocolos de roteamento pró-ativos. Nos protocolos de roteamento reativos ou por demanda, os nós da rede somente iniciam o processo de descobrimento de rotas no momento em que existe alguma informação a ser transmitida, ou seja, quando há uma demanda. Os protocolos DSR (Dynamic Source Routing) [24] e AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector) [33] são exemplos de protocolos reativos. Protocolos híbridos reúnem em um único protocolo as abordagens de protocolos reativos e pró-ativos. O protocolo ZRP (Zone Routing Protocol) [14] é classificado como protocolo híbrido. Por questão de limitação de espaço, as características dos protocolos para redes ad hoc citados não serão descritas. Informações específicas sobre o funcionamento dos referidos protocolos podem ser encontradas em seus artigos originais, assim como em [2, 6, 10-11, 22-23, 27-28, 34, 40]. 5 Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) Sensores podem ser definidos como pequenos dispositivos, com baixo consumo de energia, capazes de autoorganização, cooperação, processamento, comunicação e monitoramento de objetos, animais, condições meteorológicas etc. Colônias de sensores podem ser lançadas ou estrategicamente posicionadas em locais inóspitos ao ser humano, provendo informações cruciais para a tomada de decisão ou para pesquisas científicas [3, 13]. Entre as características próprias das RSSF, podemos relacionar [12-13, 25-26]: roteamento centrado em dados diferentemente das redes tradicionais, os dados gerados pelas redes de sensores são identificados por um par atributo-valor. A comunicação centrada em dados define um novo paradigma de endereçamento, no qual os nós são endereçados pelos atributos dos dados que eles geram (par atributo-valor) ou por sua localização geográfica, em vez de serem endereçados pela sua localização topológica na rede (endereços IP); agregação de dados como as RSSFs são centradas em dados, a atividade de disseminação de dados deve ser analisada no nível da aplicação, de forma que seja possível definir se os dados serão simplesmente retransmitidos, agregados com outros dados e transmitidos ou simplesmente eliminados. Desta forma, os nós da rede de sensores interessados em obter dados propagam uma mensagem de interesse na rede e os dados que se encaixam no interesse propagado são enviados ao nó solicitante pelos demais nós da rede de sensores. Nós intermediários podem, ainda, armazenar dados em cache, modificá-los ou podem responder a mensagens de interesse caso disponham das informações solicitadas em cache. Os protocolos de roteamento para RSSF podem ser classificados em protocolos planos, hierárquicos e geográficos [10, 41]. Nos protocolos de roteamento plano, todos os sensores são considerados iguais, ou seja, a atividade de roteamento é tratada de forma idêntica por todos os sensores da rede [12, 41]. Os protocolos Directed Diffusion [13, 20] e SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) [17] são exemplos de protocolos de roteamento plano. Já no roteamento hierárquico são definidas duas classes distintas de sensores: sensores fontes e sensores líderes de grupo, denominados cluster-head. Os sensores fonte têm a função de coletar e enviar os dados observados para o sensor líder de seu grupo. Cabe a este sensor a decisão de executar uma fusão ou agregação dos dados recebidos antes de reenviá-los. Os protocolos LEACH [18] e TEEN [29] são exemplos de protocolos de roteamento hierárquico. Os protocolos de roteamento geográfico utilizam informações geográficas obtidas através de um sistema de GPS (Global Positioning System) ou através de um sistema local, válido somente para os sensores da rede. Como exemplo, podemos citar os protocolos GeoMote [5] e GEAR [47], entre outros. 4

Por questão de limitação de espaço, as características dos protocolos citados não serão descritas. Informações específicas sobre o comportamento dos referidos protocolos podem ser encontradas em seus artigos originais, assim como em [3, 10, 12-13, 16, 25-26, 41-42]. 6 Simulações Entre os inúmeros protocolos de roteamento para redes ad hoc, os protocolos AODV, e DSR foram considerados para este trabalho por estarem entre os mais referenciados, conforme pode ser observado nas subseções 6.1 e 7.1. Os algoritmos de difusão 1PP One Phase Pull [42], Two Phase Pull [42] e Push [16] do protocolo Directed Diffusion para redes de sensores foram considerados pelo mesmo motivo. As subseções a seguir apresentam o escopo e a metodologia utilizados para realização das simulações no artigo. 6.1 Escopo Os protocolos para redes ad hoc AODV, e DSR foram selecionados em função da quantidade de referências encontrada em artigos, livros e demais trabalhos acadêmicos. Inúmeros trabalhos apresentam comparações entre protocolos para redes ad hoc, referenciando, ao menos um, entre os três protocolos utilizados neste trabalho, como pode ser visto em [6, 11, 15, 23, 27-28, 34], entre outros. Dentre os protocolos para redes de sensores, o protocolo Directed Diffusion foi escolhido também por ser um dos protocolos para redes de sensores mais citados, quiçá o mais referenciado. Referências para o protocolo Directed Diffusion e seus algoritmos de difusão 1PP, e Push são encontradas em [10, 12, 16, 41-42], entre tantas outras publicações. O padrão IEEE 802.11 [19], com taxa de 11 Mbps, foi escolhido como protocolo para a subcamada MAC tanto para as simulações com protocolos para redes ad hoc, quanto nas simulações com os algoritmos de difusão 1PP, e Push do protocolo Directed Diffusion para redes de sensores. O alcance da antena foi limitado em 250 metros. Embora existam protocolos para a subcamada MAC desenvolvidos especificamente para redes de sensores, tais como S-MAC [46], B-MAC [36], TRAMA [39] etc, com o intuito de manter inalteradas as características das simulações, variando somente os protocolos de roteamento, o padrão IEEE 802.11 foi utilizado em todas as simulações. Este trabalho não aborda nem avalia o comportamento do padrão IEEE 802.11. Avaliações e comentários acerca do comportamento do padrão IEEE 802.11 podem ser encontradas em [10, 40] etc. Como as inclusões digital e social norteiam este trabalho, foram selecionadas três comunidades carentes brasileiras, localizadas no município do Rio de Janeiro, com áreas geográficas de proporções diferenciadas para a constituição dos cenários e realização das simulações. Os valores a seguir descrevem os cenários analisados [37]: comunidades do Complexo da Maré foram mapeadas em uma área de 1898 x 770 metros; os Morros do Adeus e do Piancó foram mapeados em uma área de 731 x 355 metros; o Morro Dona Marta foi mapeado em uma área de 190 x 352 metros. 6.2 Metodologia Em cada um dos três cenários foi posicionado, no ponto central, o dispositivo de conexão com a rede pública. Com o intuito de analisar o comportamento dos protocolos AODV,, DSR, DD-1PP, DD- e DD-Push, foram realizadas 100 simulações de 10 minutos com o simulador de redes ns-2 [30], com 1, 2, 5, 10, 20 e 50 nós posicionados de forma aleatória para cada um dos padrões de tráfego de descida e de subida (descritos na seção 1). A quantidade máxima de nós (50 nós) é adequada à proposta deste trabalho, uma vez que o objetivo é atender a população carente somente através de telecentros, ou seja, a proposta não tem a pretensão de atingir diretamente os domicílios das comunidades estudadas. Os nós permanecem fixos e ligados durante todo o tempo das simulações. Embora a economia de energia seja uma métrica importante, esta questão não foi avaliada neste trabalho, pois existe a pressuposição que todos os nós encontram-se conectados à rede de energia elétrica. No caso do cenário do padrão de tráfego de descida foram criados n fluxos em unicast do ponto de acesso para cada um dos nós. Já no caso do cenário do padrão de tráfego de subida foram criados n fluxos em unicast de cada um dos nós para o ponto de acesso. Embora o protocolo Directed Diffusion e seus algoritmos de difusão 1PP, e Push apresentem roteamento centrado em dados, conforme descrito na seção 5, as conexões no ns-2 foram criadas através de n fluxos unicast, ou seja, da mesma forma que as conexões criadas para os protocolos para redes ad hoc. Cabe ressaltar que a quantidade de fluxos em unicast está relacionada à quantidade de nós de cada simulação (1, 2, 5, 10, 20 ou 50), ou seja, um fluxo unicast por nó. Cada fluxo unicast descrito envia, a uma taxa constante de 150 Kbps, pacotes com tamanho de 200 bytes. A taxa de 150 Kbps foi empregada com intuito de provocar, propositalmente, 5

congestionamento nas simulações com maior quantidade de nós. Já o tamanho do pacote de 200 bytes foi utilizado por se aproximar do tamanho do pacote do MPEG-2. O protocolo Directed Diffusion do ns-2 [30] foi modificado de forma a suportar o tráfego CBR (Constant Bit Rate) definido. No caso do projeto do Sistema Brasileiro de TV Digital Interativa, os cenários avaliados refletem somente o canal de descida complementar e o canal de retorno. No caso do projeto Cidades Digitais, os cenários avaliados refletem tanto os canais de upload quanto de download de dados. No caso da TV Digital Interativa, a comunicação de cada telespectador com a emissora ou o provedor de conteúdo caracteriza-se claramente como um fluxo unicast, contendo mensagens individualizadas. Já a comunicação da emissora ou do provedor de conteúdo pode ser enviada em broadcast, multicast ou unicast. No caso da Cidade Digital, embora tráfegos em broadcast e, eventualmente em multicast, sejam esperados, o tráfego unicast prevalece. Estatísticas extraídas da rede ReMesh [38] corroboram esta afirmativa. As referências ao termo sensor na subseção 6.3 foram utilizadas apenas com intuito de realçar os protocolos para redes de sensores ou de descrever uma característica específica do protocolo Directed Diffusion e de seus algoritmos de difusão. Este trabalho não propõe o uso de dispositivos sensores para comunicação de dados nos cenários avaliados, somente compara os protocolos para redes ad hoc com os protocolos para redes de sensores. As métricas de atraso médio, vazão média, percentual de perdas na camada MAC e na camada de rede foram calculadas com índice de confiança de 95%. 6.3 Trabalhos Relacionados Embora não se tenha conhecimento de algum trabalho que apresente resultados comparando os protocolos de roteamento para redes ad hoc com os protocolos para redes de sensores relacionados neste trabalho e em cenários correlacionados aos projetos Cidades Digitais e Sistemas de Televisão Digital Interativa, a literatura dispõe de uma quantidade significativa de trabalhos similares, tais como: em [11, 34], os autores efetuam comparações entre os protocolos para redes ad hoc DSR e AODV; já em [22], os autores comparam os protocolos para redes ad hoc AODV, DSR e STAR; os protocolos para redes ad hoc AODV,, DSR e TORA são comparados em [6]; o protocolo para redes ad hoc CADV [28] é proposto e comparado com os protocolos para redes ad hoc AODV e ; os autores apresentam o protocolo para redes de sensores SEED [15] e comparam seu desempenho com cinco protocolos para redes ad hoc, tais como AODV, DSR etc; em [44], os autores comparam o desempenho dos protocolos para redes ad hoc AODV, e DSR em cenários típicos de redes de sensores; em [16], os autores comparam os algoritmos de difusão 1PP,, Push e Gear do protocolo para redes de sensores Directed Diffusion variando a quantidade de mensagens transmitidas por segundo, a quantidade de sensores sorvedouro, a quantidade de sensores fonte; etc. 6.4 Resultados De forma a simplificar o entendimento, os resultados serão apresentados agrupados pelo padrão de tráfego, ou seja, agrupados no padrão de tráfego de descida e no padrão de tráfego de subida. Resultados adicionais das simulações realizadas, incluído a análise de outras métricas, estão disponíveis em [31]. 6.4.1. Padrão de Tráfego de Descida Podemos observar na Figura 2 que, em relação à métrica de atraso, o fato do algoritmo de difusão executar uma fase de inundação a mais que os algoritmos 1PP e Push implicou em um maior atraso. Já o comportamento do protocolo DSR era esperado. O efeito produzido pelo armazenamento de rotas no route cache do protocolo DSR surte efeito até um limite, dependendo da topologia da rede. Após este limite, o protocolo DSR passa a apresentar resultados inferiores [34]. Além disso, o aproveitamento de rotas desatualizadas no root cache pelo protocolo DSR implica o estabelecimento de rotas ineficientes e o protocolo DSR envia uma quantidade significante de pacotes de controle em simulações com muitos fluxos de dados [22]. Deve-se ressaltar que o cenário do Morro Santa Marta apresenta uma característica peculiar, pois em função da área reduzida, todos os nós encontram-se a 1 salto de distância do ponto de acesso, conseqüentemente, a comunicação entre os nós passa a ser direta (sem retransmissão de nós intermediários). Essa característica justifica um melhor resultado de todos os protocolos, exceto do algoritmo de difusão pelos 6

motivos relatados. Marta. A Figura 2 apresenta os resultados obtidos nos cenários do Complexo da Maré e do Morro Santa Figura 2. Tráfego de Descida Métrica: Atraso. Na análise da métrica de vazão, disponível através da Figura 3, o comportamento do algoritmo de difusão Push do protocolo Directed Diffusion corrobora as afirmativas de [42] em relação ao melhor desempenho apresentado. Os referidos autores afirmam que o algoritmo de difusão Push é indicado para redes com muitos nós sorvedouros (nós que desejam receber dados) e com poucos nós fonte (nós produtores ou que contém de dados). Essa descrição se encaixa perfeitamente no modelo de tráfego de descida. Além disso, a capacidade de armazenamento de dados em nós intermediários e de agregação de dados dos algoritmos de difusão do protocolo Directed Diffusion reduz a necessidade e a quantidade de transmissões. A capacidade do algoritmo de difusão de utilizar caminhos diferentes na comunicação (para mensagens de dados e de controle) de um ponto de acesso para um nó e deste nó para o ponto de acesso possibilita o uso mais racional dos recursos da rede. O cenário do Complexo da Maré, por dispor de uma área geográfica ampla, favorece o algoritmo de difusão. Já o algoritmo de difusão 1PP, por estabelecer um único caminho para a comunicação nos dois sentidos, não é capaz de aproveitar melhor os recursos existentes na rede. Os protocolos para redes ad hoc apresentaram um percentual de perda na camada de rede bem superior aos protocolos para redes de sensores, devido, principalmente, a ocorrência de congestionamento, justificando a vazão apresentada. O protocolo DSR entra em colapso quando a quantidade de nós cresce até o limite (50 nós) no cenário do Morro do Adeus e do Piancó. O cenário do Morro do Adeus e do Piancó apresenta, como característica, um espaço geográfico reduzido, porém com nós se posicionando a até 3 saltos do ponto de acesso, obrigando os nós intermediários a efetuarem retransmissões. Conforme descrito por [22], o protocolo DSR envia uma quantidade significante de pacotes de controle em simulações com muitos fluxos de dados, implicando na queda vertiginosa da vazão. Informações detalhadas acerca deste comportamento podem ser encontrados em [31]. A Figura 3 exibe os resultados obtidos nos cenários do Complexo da Maré e do Morro do Adeus e do Piancó. 7

6.4.2. Padrão de Tráfego de Subida Figura 3. Tráfego de Descida Métrica: Vazão. Em relação à métrica de atraso, representada pela Figura 4, o algoritmo de difusão aparece em destaque, com atraso registrado de 0,670 segundo nas simulações com 50 nós no cenário do Complexo da Maré. A capacidade do algoritmo de difusão de utilizar caminhos diferentes na comunicação de um ponto de acesso para um nó e deste nó para o ponto de acesso influencia de forma positiva no aproveitamento dos recursos da rede. Já para os algoritmos de difusão 1PP e Push, o atraso calculado foi, respectivamente, de 0,735 segundo e 0,738 segundo. Os algoritmos de difusão Push e apresentaram o menor atraso entre todos os protocolos analisados nos cenários do Morro do Adeus e do Piancó e do Morro Santa Marta, respectivamente. Em relação aos protocolos para redes ad hoc, o comportamento apresentado pelo protocolo DSR era, de fato, esperado, em função das constatações relatadas. No cenário do Morro do Adeus e do Piancó, o protocolo AODV apresentou um atraso médio de 5,005 segundos. Em [34], os autores observaram que o atraso elevado do protocolo AODV, identificado na Figura 3, ocorre em função do alto nível de congestionamento da rede. Nas simulações com 50 nós, o protocolo AODV enviou uma média de 5.180,18 mensagens de controle (RREQ e RREP) por segundo, enquanto que o protocolo DSR enviou, em média, 189,90 mensagens de controle por segundo. Cabe ressaltar que os autores descrevem inúmeras críticas ao protocolo AODV, tais como: não dispõe de mecanismos que permitam a implementação de controle de tráfego, de forma a efetuar uma distribuição eficiente dos fluxos de dados; não implementa um mecanismo de roteamento baseado na fonte (source routing), que possibilitaria o aprendizado de mais rotas; pela incapacidade de aprender novas rotas escutando a rede em modo promíscuo; pela inexistência de rotas alternativas em função dos nós de destino no protocolo AODV enviarem uma mensagem RREP (Route Reply) somente ao primeiro RREQ (Route Request) recebido; etc. A Figura 4 apresenta os resultados obtidos nos cenários do Complexo da Maré e do Morro do Adeus e do Piancó. Deve-se ressaltar que, para melhor visualização, os gráficos encontram-se em escalas diferenciadas. Figura 4. Tráfego de Subida Métrica: Atraso. A Figura 5 exibe os resultados obtidos nos cenários do Morro do Adeus e do Piancó e do Morro Santa Marta em relação à métrica de vazão. Os algoritmos de difusão do protocolo Directed Diffusion novamente apresentaram uma melhor vazão, com destaque para o algoritmo Push, que a princípio, seria mais indicado para o padrão de tráfego de descida. Entre os protocolos para redes ad hoc, os protocolos e DSR apresentaram resultados satisfatórios, embora inferiores aos resultados apurados pelos algoritmos de difusão do protocolo Directed Diffusion. O fraco desempenho do protocolo para redes ad hoc AODV deve-se, principalmente, à quantidade de mensagens de controle enviadas, principalmente nas redes mais densas. 8

Figura 5. Tráfego de Subida Métrica: Vazão. 7 Conclusão No padrão de tráfego de descida, os algoritmos de difusão do protocolo Directed Diffusion para redes de sensores apresentaram, de forma genérica, um desempenho melhor que os protocolos para redes ad hoc, com destaque para o algoritmo de difusão Push. Em todos os cenários avaliados o algoritmo de difusão Push apresentou o melhor desempenho nas métricas percentual total de perdas na camada de rede e vazão. Nas métricas atraso e percentual de perdas na camada MAC, os protocolos para redes ad hoc suplantaram, na maioria dos cenários, os algoritmos de difusão do protocolo Directed Diffusion para redes de sensores, com os protocolos e AODV exibindo os melhores resultados. No padrão de tráfego de subida, os algoritmos de difusão do protocolo Directed Diffusion para redes de sensores apresentaram, novamente, um desempenho melhor que os protocolos para redes ad hoc, com destaque para os algoritmos de difusão Push e. No cenário do Complexo da Maré, o algoritmo de difusão apresentou o melhor desempenho nas métricas atraso, percentual de perda na camada de rede e vazão. Já o algoritmo de difusão Push exibiu o melhor desempenho nas métricas atraso, percentual de perdas na camada de rede e vazão nos cenários do Morro do Adeus e do Piancó, exibindo, ainda, a maior vazão no cenário do Morro Santa Marta. Os protocolos para redes ad hoc não conseguiram exibir, em nenhuma das métricas, resultados consistentemente melhores que os resultados dos algoritmos de difusão 1PP, e Push. Características intrínsecas aos protocolos para redes de sensores, tais como a capacidade de agregação de dados em nós intermediários e o roteamento centrado em dados, além de características próprias dos algoritmos de difusão (uso de caminhos diferentes na comunicação do ponto de acesso para um nó e deste nó para o ponto de acesso) e Push (adequado para cenários com muitos nós e poucos ponto de acesso [42]) do protocolo Directed Diffusion possibilitaram um desempenho superior ao desempenho apresentado pelos protocolos para redes ad hoc. A única métrica em que os algoritmos de difusão do protocolo Directed Diffusion para redes de sensores não obteve um desempenho constantemente superior ao desempenho dos protocolos para redes ad hoc foi o percentual de colisões na camada MAC. Os resultados apontam que os protocolos de roteamento para redes de sensores, por disporem de características favoráveis aos padrões de tráfego de descida e de subida, apresentam-se como alternativas promissoras aos protocolos de roteamento tradicionais para redes ad hoc nos projetos Cidades Digitais e Sistema Brasileiro de Televisão Digital Interativa. A Tabela 1 apresenta um resumo dos resultados obtidos nas simulações, indicando o grupo de protocolos (protocolos para redes ad hoc ou protocolos para redes de sensores) que apresentou o melhor resultado nas métricas avaliadas, com os padrões de tráfego de descida e de subida, nos cenários do Complexo da Maré, Morro do Adeus e do Piancó e Morro Santa Marta com 50 nós. Informações detalhadas acerca de todos os resultados podem ser obtidas em [31]. 9

MORRO DO ADEUS E DO COMPLEXO DA MARÉ MORRO SANTA MARTA PIANCÓ DESCIDA SUBIDA DESCIDA SUBIDA DESCIDA SUBIDA AD HOC ATRASO (EM SEGUNDOS) 0,226 SEN- SOR AD HOC SEN- SOR AD HOC SEN- SOR AD HOC SEN- SOR AD HOC SEN- SOR AD HOC AD HOC SENSORES AD HOC SENSORES SENSORES SENSORES 0,439 1PP 1,002 0,670 0,101 0,147 1PP 2,389 1,893 0,068 AODV 0,063 1PP 3,271 AODV SEN- SOR 2,354 PERCENTUAL DE PERDA NA CAMADA MAC PERCENTUAL DE PERDA NA CAMADA DE REDE AD HOC AD HOC AD HOC AD HOC AD HOC SENSORES 1,03 5,99 7,66 DSR 9,09 0,27 AODV 0,35 7,27 DSR 7,51 0,00 AODV 0,12 SENSORES SENSORES SENSORES SENSORES SENSORES SENSORES 94,87 34,22 91,82 73,13 89,36 76,09 89,24 86,57 84,57 AODV 82,71 9,66 DSR 89,03 9,46 86,05 VAZÃO (EM MBPS) 0,357 SENSORES SENSORES SENSORES SENSORES SENSORES SENSORES 1,467 0,648 0,863 0,760 1,175 0,869 0,993 1,102 AODV 1,235 0,899 1,235 7.1 Trabalhos Futuros Tabela 1. Resumo das Simulações. Como a única métrica em que os algoritmos de difusão do protocolo Directed Diffusion para redes de sensores não obteve um desempenho constantemente superior ao desempenho dos protocolos para redes ad hoc foi o percentual de colisões na camada MAC, estima-se que a avaliação de protocolos de controle de acesso ao meio, tais como S-MAC [46], B-MAC [36], TRAMA [39], MMF-TDMA [43], entre outros, possa ampliar o desempenho dos protocolos para redes de sensores sobre os protocolos para redes ad hoc mantendo-se os padrões de tráfego de descida e de subida. A avaliação de tráfego TCP e, conseqüentemente, dos protocolos HTTP e FTP, sobre os algoritmos de difusão 1PP, e Push permitirá uma avaliação mais precisa do cenário do projeto Cidades Digitais. Além disso, a implementação de um modelo de tráfego que permita a simulação de uma rede full mesh, com tráfego descida e de subida simultâneos, possibilitaria a avaliação de serviços diferenciados, tais como peer-to-peer e VoIP (Voice over IP). Referências [1] Abelém, A., Albuquerque, C., Muchaluat-Saade, D. Redes Mesh: Mobilidade, Qualidade de Serviço e Comunicação em Grupo. SBRC. Cap. 2, (maio, 2007). [2] Abolhasan, M., Wysocki, T, Dutkiewicz, E. A review of routing protocols for mobile ad hoc networks. Ad Hoc Networks. Vol. 2, No. 1, (janeiro, 2004), pp. 1-22. [3] Akyildiz, I., Su, W., Snkarasubramaniam, Y., Cayirci, E. Wireless sensor networks: a survey. Computer Networks: The International Journal of Computer and Telecommunications Networking. Vol. 38, No. 4, (março, 2002), pp. 393-422. [4] Akyildiz, I., Wang, X., Wang, W. Wireless Mesh Networks: a Survey. Computer Networks. Vol. 47, No. 4, (janeiro, 2005), pp. 445 487. [5] Broadwell, P., Polastre, J., Rubin, R. Geographic Multicast for Networked Sensors. http://citeseer.nj.nec.com/broadwell01geomote.html, 2006. [6] Broch, J., Maltz, D., Johnson, D., et al. A Performance Comparison of Multi-Hop Wireless Ad Hoc Network Routing Protocols. ACM/IEEE MobiCom. (outubro, 1998), pp. 85-97. [7] Bruno, R., Conti, M., Gregori, E. Mesh Networks: Commodity Multihop Ad Hoc Networks. IEEE Communications Magazine. Vol. 43, No. 3, (março, 2005), pp. 123-131. [8] Campista, M., Moraes, I., Esposito, P., et al. Wireless Ad Hoc Networks on Underserved Communities: An Efficient Solution for Interactive Digital TV. Mobile Wireless Communication Network. Vol. 211, (2006), pp. 187-198. 10

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