5.5 Outros ANTRALs
5.5.1 Algoritmos para MANETs
MANETS (Mobile Ad hoc Networks) são redes de comunicações nas quais os nós são móveis e comunicam-se uns aos outros por redes sem-fio. Não há infra-estrutura fixa. Todos os nós são iguais e não há controle central ou supervisão. Não há roteadores designados: todos os nós servem como hosts e como roteadores, e os pacotes de dados são encaminhados nó a nó, com vários saltos [89].
O interesse por MANETs cresce desde 1990 [90]. Estas redes são mais dinâmicas e possuem menos recursos que as redes cabeadas, e, por causa disso, a engenharia de um algoritmo de roteamento adequado é um problema desafiador. Os tradicionais LS e DV não são compatí- veis para grandes MANETs por causa de suas freqüentes atualizações de rotas, que consomem energia e parte significativa da largura de banda disponível. Os principais problemas para as MANETs são o roteamento em redes de topologia muito dinâmica, a conservação de potên-
cia em redes sem-fio e o provisionamento de QoS. Os algoritmos de roteamento devem ter propriedades como robustez, otimalidade e estabilidade, o que tornam o problema intrigante [91].
Um algoritmo de roteamento para MANETs pode ser classificado em três tipos:
• Proativo ou dirigido à tabela, se ele avalia as rotas antes que seja requisitado e mantém
informações atualizadas de roteamento para todos os nós;
• Reativo ou sob demanda, se o algoritmo de roteamento tenta estabelecer cada rota apenas
quando é necessário, e não mantém informações de rotas de todos os nós sempre atualiza- das, ou;
• Híbrido, buscando uma relação custo benefício entre ambas as estratégias anteriores.
Por um lado, os algoritmos de roteamento proativos para MANETs, como o DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) requerem o conhecimento da topologia da rede toda. Assim, não é apropriado para redes muito dinâmicas, como comumente são as MANETs. Por outro lado, esquemas de roteamento reativo, como o AODV e o DSR (Dynamic Source Routing), requerem que a transmissão de informações seja retardada até que uma rota seja encontrada, assim, tornam-se não apropriadas para comunicações de tempo real. Na Tabela
5.5.1são listados alguns importantes ANTRALs projetados para MANETs. Tabela 5.1: Algoritmos baseados em formigas para redes ad hoc.
Algoritmo Ano Autor
ARS 2000 Oida & Sekido [92] ARH e ARHnr 2002 Fujita et al. [93] Ant-AODV 2002 Marwaha et al. [94] ARA 2002 Günes et al. [95] PERA 2003 Baras & Mehta [96] Termite 2003 Roth & Wicker [97] AntHocNet 2004 Di Caro et al. [98] ADRA 2004 Zheng et al. [99] ABC-AdHoc 2004 Tatomir & Rothkrantz [100] ANSI 2005 Rajagopalan & Shen [101] W-AntNet 2007 Dhillon et al. [102]
5.6 Discussão
Os ANTRALs mostram um desempenho superior aos algoritmos tradicionais, seja sim- plesmente para a busca de melhores caminhos em redes de pacotes, seja para a solução de problemas adjacentes, tais como o roteamento orientado à Qualidade de Serviço (QoS) e ba- lanceamento de carga. Apesar de terem se passado cerca de quinze anos desde a publicação dos primeiros ANTRALs, somente agora as primeiras implementações em redes físicas es- tão sendo reportadas. As Pesquisas relacionadas aos ANTRALs têm sido bastante focadas em modificações dos primeiros algoritmos (ABC e AntNet), com eventuais ganhos de desem- penho, sobretudo no que diz respeito a superação do problema de estagnação. Percebe-se também uma carência em trabalhos analíticos nesta área, bem como algoritmos que consi- derem questões de segurança em sua concepção. É notável também uma grande pesquisa na área dos ANTRALs aplicados às redes móveis ad hoc Mobile Ad hoc Networks (MANETs). Estas redes também chamadas “redes sem infra-estrutura” são muito dinâmicas e possuem fortes restrições de seus recursos, o que torna mais difícil uma solução adequada de roteamento, e por isso mesmo, os ANTRAls aparecem como soluções atraentes.
A pesquisa relacionada aos ANTRALs está em uma fase em que, se por um lado já existem várias evidências de que estes algoritmos mostram desempenho superior aos convencionais e podem ser ajustados para responder adequadamente aos desafios colocados pela evolução das redes de computadores, por outro, ainda é necessário avançar bastante no aprimora- mento destes algoritmos até que se estabeleçam padrões que permitam a implementação de ANTRALs em redes reais e a disseminação de seu uso.
MARS - Sistema de
Roteamento Baseado em
Formigas Sem Memória
It is possible to make things of great complexity out of things that are very simple. There is no conservation of simplicity.
— Stephen Wolfram
P
ara a solução do problema de roteamento em redes de comunicação por pacotes, con- forme apresentado no Capítulo 5, um dos maiores problemas é a busca por equilíbrio entre objetivos muitas vezes conflitantes, tais como:• Baixa ocupação dos canais de comunicação (overhead) – Com a redução do consumo dos re- cursos da rede, o algoritmo libera espaço para o tráfego das informações úteis aos usuários e reduz a latência (retardo) média da rede para suas aplicações;
• Adaptabilidade – No caso de mudanças na topologia da rede, e.g. falhas nos canais de comunicação, o Sistema de Roteamento deve minimizar o tempo de adaptação à nova situ- ação, e rapidamente encontrar as melhores soluções de roteamento para a nova topologia; • Alta Disponibilidade – Possuir robustez e alta confiabilidade para permanecer o maior
tempo possível em perfeito estado operacional;
• Resiliência – Manter sua funcionalidade, mesmo quando alguns componentes do sistema
de roteamento falhar, por exemplo quando algum roteador estiver fora de operação; • Provisão de QoS – Levar em consideração as restrições de Qualidade de Serviço (QoS), tais
• Eficiência – Permitir que a rede, a partir de uma quantidade limitada de recursos, maximize
a quantidade seus serviços prestados aos usuários;
• Flexibilidade – Moldar-se a qualquer arquitetura de rede, e quaisquer tipos de serviços
presentes nas camadas superiores e inferiores do Modelo OSI;
• Segurança – O Sistema de Roteamento deve prever o uso de criptografia e outras proteções
contra ataques maliciosos;
• Simplicidade – Possuir poucos parâmetros de ajuste e permitir configuração inicial e ma-
nutenção amigáveis;
Este capítulo aborda a concepção de um sistema baseado no FFAC-D, abordado no Ca- pítulo 4, para a solução do problema de roteamento em redes de pacotes e que leva em consideração os objetivos mencionados acima, embora em sua primeira implementação, al- gumas preocupações, como por exemplo a provisão de QoS, não estejam explícitas. A base para a analogia entre o modelo FFAC-D, apresentado no Capítulo 4, e o novo algoritmo, denominado MARS (do inglês Memoryless Ants Routing System) é semelhante àquela utilizada na maioria dos ANTRALs: as formigas são pacotes de controle que trafegam pela rede, con- comitantemente com os pacotes de dados, e se comunicam estigmergicamente. Elas se auto- organizam e finalmente estabelecem trilhas de feromônio, cujas intensidades influenciam as probabilidades de escolhas dos caminhos usados para o roteamento do tráfego de dados e das próprias formigas. É esperado que o efeito diferencial do comprimento conduza as tabelas de feromônios para a escolha dos melhores caminhos.
Devido à notoriedade do AntNet dentre os ANTRALs para redes de pacotes cabeadas e unicast, freqüentemente este algoritmo é tomado como benchmark e como base para o de- senvolvimento de outros ANTRALs, conforme discutido no Capítulo 5. No caso do MARS, pode-se afirmar que há tanto similaridades com o AntNet quanto com o ABC, embora ele não seja uma versão modificada nem de um nem de outro, pois há diferenças substanciais para com ambos. Para simplificar a descrição do MARS, no entanto, serão destacadas no decorrer deste capítulo as similaridades e diferenças seja com o AntNet, seja com o ABC. Além disso, conforme será abordado na Seção 6.4, a primeira implementação do MARS foi feita no simu- lador de redes NS-2 (Network Simulator 2), onde também há uma implementação do AntNet disponível [103] e que pode ser tomada como referência.
Com a exceção dos algoritmos ABC [76] e CAF [104], que foram aplicados a redes orien- tadas à conexão, todos os ANTRALs verificados no levantamento da literatura, do Capítulo
5, fazem uso de agentes com memória. Ademais, a maioria destes algoritmos, incluindo o AntNet [17], dependem de algum tipo de informação global. O MARS foi concebido como um sistema baseado em agentes sem memória e que dependem exclusivamente de informações locais para sua tomada de decisão. O MARS foi projetado de forma a independer de ações daemon ou informações globais. Espera-se que, desta forma, seja possível alcançar maior eficiência, segurança, cofiabilidade, resiliência e flexibilidade que os ANTRALs existentes.
Similarmente ao AntNet, o MARS foi projetado inicialmente para redes de comutação de pacotes ponto-a-ponto não orientadas à conexão, com tráfego simétrico e enlaces bidirecio- nais, conforme descrito a seguir.
6.1 Modelo da Rede
A rede utilizada no desenvolvimento do MARS pode ser representada por um grafo G(N, L) com, N nós e L enlaces bidirecionais-direcionais que conectam os nós a seus vizinhos. É si- milar ao modelo usado em Dhilon e Mieghen [20] e em Dorigo e Di Caro [75]. A seguir são descritas as principais estruturas da rede consideradas na concepção do MARS.
• Pacotes de dados – Contém as informações trocadas entre os usuários finais da rede.
Figura 6.1: Representação de uma formiga no MARS.
• Formiga– Consiste em um seqüência de bits (pacote) contendo informações dos endereços
de origem e destino, além de um número de identificação da formiga (ID. #) e um rótulo de direção que indica se a formiga está indo de seu nó de origem até o destino (forward) ou de volta do destino à origem (backward). Estas formigas são os pacotes de controle responsáveis pelo funcionamento do MARS, e é com base no tráfego destas formigas que as tabelas de feromônio, e conseqüentemente de roteamento, são atualizadas. No MARS, diferentemente do AntNet, a única diferença entre uma formiga forward e um backward está em seu rótulo de direção, que é alterado quando uma formiga forward chega a seu destino. No MARS, as
formigas são muito menores que em ANTRALs tradicionais, donde já se pode esperar uma redução do uso dos canais de comunicação.
• Nó MARS – Um nó pode ser visto como um host se atua como origem ou destino de
pacotes, ou como um roteador, se estiver reencaminhando os pacotes destinados a outros nós. Cada nó pode possuir várias portas, e cada porta pode sustentar um enlace com um nó vizinho. Conforme ilustrado na Fig. 6.2, cada nó da rede mantém uma memória (buffer) de entrada composta por uma fila orientada ao melhor esforço (best-effort) e uma memória de saída, composta de duas filas para cada porta, uma fila de alta prioridade e outra de baixa prioridade.
Figura 6.2: Estrutura de nó considerada no MARS, neste caso com três portas.
Na saída dos nós MARS, as formigas ocupam as filas de alta prioridade, enquanto os pacotes de dados ocupam filas de menor prioridade. Dentro de cada fila, assume-se que os pacotes são encaminhados de acordo com o esquema PEPS (Primeiro que Entra é o Primeiro que Sai).
especificado por sua capacidade (em bits por segundo) e tempo de retardo (em segundos). No MARS, os enlaces possuem características idênticas em ambos os sentidos, ou seja, são simétricos.