REPOSITORIO INSTITUCIONAL DA UFOP: RouteSpray : um algoritmo de roteamento de múltiplas cópias baseado em rotas de trânsito.

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RouteSpray: Um algoritmo de

roteamento de m´

ultiplas c´

opias

baseado em rotas de trˆ

ansito

Maur´ıcio Jos´

e da Silva

Universidade Federal de Ouro Preto

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Catalogação: www.sisbin.ufop.br

S586r Silva, Maurício Jose da.

RouteSpray [manuscrito]: um algoritmo de roteamento de multiplas copias baseado em rotas de trâ / Maurício Jose da Silva. - 2014.

62f.: il.: color; grafs; tabs.

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Augusto Rabelo Oliveira.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Instituto de Ciências Exatas e Biológicas. Departamento de Computação. Programa de Pós Graduação em Ciências da Computação.

Área de Concentração: Ciências da Computação.

1. Engenharia de trafego. 2. Redes veiculares. 3. TCP/IP (Protocolo de rede de computação). 4. . I. Oliveira, Ricardo Augusto Rabelo. II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Titulo.

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Dedico este trabalho a Deus e aos meus pais Sandra e Vicente, pessoas de suma importˆancia em minha vida.

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RouteSpray: Um algoritmo de roteamento de m´

ultiplas

c´

opias baseado em rotas de trˆ

ansito

Resumo

Redes veiculares são um tipo especial de redes wireless que ganharam a aten¸cão dos pesquisadores nos últimos anos. Protocolos de roteamento para esse tipo de rede têm que lidar com diversos desafios como alta mobilidade, altas velocidades e frequentes des-conexões na rede. Neste artigo é proposto o RouteSpray, um algoritmo de roteamento veicular que, além de utilizar as rotas dos ve´ıculos para tomar as decisões de roteamento, também utiliza a pulveriza¸cão controlada para encaminhar múltiplas cópias de mensa-gens, garantindo melhores taxas de entrega sem sobrecarregar a rede. Os resultados dos experimentos mostram que oRouteSpray entregou 13,12% mensagens a mais do que outras propostas da literatura e manteve a ocupa¸cão do buffer 73,11% menor.

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RouteSpray: A Multiple-Copy Routing Algorithm Based

on Transit Routes

Abstract

Vehicular networks represent a special type of wireless network that has gained the attention of researchers over the past few years. Routing protocols for this type of network must face several challenges, such as high mobility, high speeds and frequent network disconnections. This paper proposes a vehicular routing algorithm called Rou-teSpray that in addition to using vehicular routes to help make routing decisions, uses controlled spraying to forward multiple copies of messages, thus ensuring better deli-very rates without overloading the network. The results of experiments performed in this study indicate that the RouteSpray algorithm delivered 13.12% more messages than other algorithms reported in the literature. In addition, the RouteSpray algorithm kept the buffer occupation 73.11% lower.

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Declara¸

c˜

ao

Esta disserta¸cão é resultado de meu próprio trabalho, exceto onde referência expl´ıcita é feita ao trabalho de outros, e não foi submetida para outra qualifica¸cão nesta nem em outra universidade.

Maur´ıcio Jos´e da Silva

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Agradecimentos

A Deus, por me acompanhar em mais esta caminhada.

A meus pais e a minha namorada, pela paciência e pelo apoio incondicional. Aosmeus irmãos e amigos, pelos conselhos e por ouvir minhas reclama¸cões. Aosprofessores, pelos ensinamentos transmitidos.

AoRicardo Rabelo, meu orientador.

A UFOP e ao IMobilis, pela infraestrutura.

A Seva eConselho Nacional de Desenvolvimento Cient´ıfico e Tecnol´ogico (CNPq). A todos que contribu´ıram direta ou indiretamente para a realiza¸c˜ao deste trabalho.

Muito Obrigado.

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Sum´

ario

Lista de Figuras xv

Lista de Tabelas xvii

Nomenclatura 1

1 Introdu¸c˜ao 3

1.0.1 Justificativa . . . 4

1.0.2 Objetivos . . . 5

1.0.3 Contribui¸c˜oes . . . 5

2 Referencial Te´orico 9 2.1 Redes DTN . . . 9

2.1.1 Arquitetura . . . 10

2.1.2 Roteamento . . . 12

2.2 Redes Veiculares . . . 14

2.2.1 Introdu¸c˜ao . . . 14

2.2.2 Caracter´ısticas das redes VANETs . . . 15

2.2.3 Pilha de protocolos . . . 16

2.2.4 Aplica¸c˜oes para VANET . . . 19

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2.3 Considera¸c˜oes Finais . . . 21

3 Trabalhos Relacionados 23 3.1 Trabalhos Relacionados . . . 23

4 Protocolo de Roteamento Route Spray 31 4.1 AlgoritmoRouteSpray . . . 31

4.1.1 Utiliza¸c˜ao de Rotas . . . 33

4.1.2 Binary Spray . . . 35

5 VeNeM - Gerador De Mobilidade Veicular Real 37 5.1 Introdu¸c˜ao . . . 37

5.2 Simula¸c˜oes em Redes Veiculares . . . 38

5.2.1 Modelos de mobilidade . . . 38

5.2.2 Evolu¸c˜ao dos simuladores . . . 39

5.2.3 Discuss˜ao . . . 41

5.3 Simuladores existentes . . . 42

5.3.1 BonnMotion . . . 42

5.3.2 VanetMobiSim . . . 42

5.3.3 Veins . . . 42

5.3.4 Framework de Mobilidade veicular . . . 43

5.3.5 VeNeM . . . 45

6 Resultados e Discuss˜oes 49

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6.1 Experimentos . . . 49

6.2 Resultados . . . 51

6.2.1 Taxa de entrega de mensagens . . . 51

6.2.2 Ocupa¸c˜ao dos buffers . . . 52

6.2.3 Quantidade de mensagens enviadas na rede . . . 53

6.2.4 Atraso m´edio de entrega das mensagens . . . 54

7 Conclus˜oes 57 7.1 Conclus˜oes e Trabalhos Futuros . . . 57

Referˆencias Bibliogr´aficas 59

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Lista de Figuras

2.1 A camada de agrega¸c˜ao. . . 11

2.2 Contato previs´ıvel em uma rede rural. . . 12

3.1 Exemplo do c´alculo do NP do destino do pacote. . . 29

4.1 Rotas pr´e-estabelecidas para trˆes ve´ıculos. . . 34

5.1 Modelo de um grafo de Voronoi. . . 40

5.2 Framework de Gerenciamento de rede m´ovel. . . 43

5.3 Rota entre a Esta¸cão central de metrô – Belo Horizonte e Paróquia de Nossa Senhora de Fátima – Belo Horizonte (Retirada do Google Maps em 02/09/2014). . . 46

6.1 Mensagens entregues na rede. . . 52

6.2 Ocupa¸cão do buffer: compara¸cão entre os três algoritmos . . . 53

6.3 Ocupa¸c˜ao do buffer entre os algoritmos que utilizam a t´ecnica de “spray”. 54 6.4 Mensagens enviadas na rede. . . 55

6.5 Tempo m´edio de entrega de mensagens. . . 56

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Lista de Tabelas

3.1 Valores estimados de L para uma rede de 100 n´os. . . 27

5.1 Vis˜ao geral das classes de modelos de mobilidade . . . 41

6.1 Parˆametros utilizados na simula¸c˜ao . . . 50

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Lista de Algoritmos

4.1 Pseudo-c´odigoRouteSpray . . . 33

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“”O próximo grande salto evolutivo da humanidade será a descoberta de que cooperar é melhor que competir””

— Prof. Pietro Ubaldi

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Nomenclatura

DTN Delay Tolerant Network

IPN Interplanetary Networking

DTNRG Delay Tolerant Network Research Group

STI Sistemas de Transporte Inteligentes

VANET Vehicular Ad Hoc Network

V2V Ve´ıculo para ve´ıculo

V2I Ve´ıculo para infra estrutura

MANET Mobile ad hoc Network

NS Navigation System

DSRC Dedicated Short-Range Communication

BCH Basic Chanell

VTP Veicular Transport Protocol

MCTP Mobile Control Transport Protocol

QoS Qualidade de servi¸co

VITP Veicular Information Transfer Protocol

EI Esta¸c˜oes de Informa¸c˜ao

ETA Estimated Time to Arrive

METD Minimum Estimated Time to Delivery

NP Nearest Point

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Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

Em 1923 foi desenvolvida por um policial australiano uma forma de comunica¸cão bidi-recional entre carros (?). Essa técnica foi aprimorada com a segunda guerra mundial, facilitando a comunica¸cão entre as tropas. Com o avan¸co da tecnologia, os equipamen-tos de rádio se tornaram mais comuns em carros, atualmente os ve´ıculos são sistemas interligados possibilitando o seu monitoramento, controle e gerenciamento.

Com o grande aumento da frota de ve´ıculos presentes nas rodovias, surgiu a necessi-dade de comunica¸cão entre eles, com isto, primeiramente surgiram os semáforos, depois dispositivos que indicavam dire¸cão nos ve´ıculos. Grande parte dessa comunica¸cão ge-ralmente está presente nas rodovias, e é compartilhado entre todos os ve´ıculos. Com a constante evolu¸cão das redes móveis, e com a possibilidade de trocar informa¸cões a qualquer momento e a qualquer hora possibilitando uma grande variedade de aplica¸cões em redes veiculares, este cenário mudou. Atualmente redes veiculares constituem objeto de pesquisa em ascendência, o que fez com que esse tipo de rede ganhasse a aten¸cão dos pesquisadores nos últimos anos.

Redes veiculares possuem diversas aplica¸cão, e podem oferecer, a partir dos Sistemas de Transporte Inteligentes (ITS), servi¸cos como: (i) assistência ao motorista, auxiliando-o durante seu trajetauxiliando-o infauxiliando-ormandauxiliando-o-auxiliando-o sauxiliando-obre cauxiliando-ondi¸cãuxiliando-oes dauxiliando-o trânsitauxiliando-o, pauxiliando-ontauxiliando-os de interesse (abastecimento, alimenta¸cão, etc); (ii) dissemina¸cão de informa¸cões, propagando para regiões geográficas especificas informa¸cões sobre acidentes e propagandas, por exem-plo; e (iii) entretenimento, permitindo aos passageiros de um ve´ıculo uma viagem mais agradável (Taysi & Yavuz 2012).

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4 Introdu¸c˜ao

1.0.1 Justificativa

Redes wireless são redes cujo meio f´ısico de comunica¸cão é o ar, ou seja, não há a necessidade de fios para conectar dois ou mais nós permitindo que se comuniquem. Redes veiculares constituem um tipo especial de redes wireless, com alguns desafios a serem enfrentados. Em redes wireless, geralmente os nós são conectados a partir de um Ponto de Acesso, e esse ponto de acesso é responsável por rotear e entregar a mensagem para o nós de destino. Implantar uma infra estrutura as margens da rodovia para permitir tal topologia teria um alto custo, o que faz com que surja a necessidade de forma¸cão de uma rede completamente ad hoc (rede entre os nós).

Apesar de redes VANETs serem um subtipo de redes wireless, elas possuem suas próprias caracter´ısticas, como exemplo podemos citar a alta mobilidade dos ve´ıculos, que provoca frequentes desconexões entre os nós da rede. Como impacto, tal caracter´ıstica particiona a rede e impossibilita a utiliza¸cão dos protocolos de roteamento feitos para redes ad hoc. Isso, porque os algoritmo projetados para serem aplicados a redes ad hoc assumem a existência de um caminho fim a fim antes de iniciar a transmissão de dados, o que pode nunca acontecer em uma rede veicular. Para resolver tal problema, os algoritmos de roteamento para VANETs utilizam a técnica de store-carry-and-foward, que faz com que mensagem seja armazenada em cada nó até que ela atinja o destino.

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Introdu¸c˜ao 5

sensores podem ser utilizados para aferir informa¸cões que podem auxiliar na tomada de decisões a até mesmo no roteamento. Como exemplo, os sensores de temperatura dos ve´ıculos podem ser utilizados para aferir com alta precisão a temperatura média de uma determinada região. Ou utilizando o sensor de combust´ıvel o algoritmo pode calcular uma rota de forma que o ve´ıculo passe próximo a um posto antes que o combust´ıvel termine. Enfim, uma grande variedade de aplica¸cões surgirão nos próximos anos.

Existem vários algoritmos de roteamento propostos para VANETs, mas os recentes avan¸cos tecnológicos e sua populariza¸cão como aconteceu com o GPS, por exemplo, abriram a possibilidade de propor protocolos ainda mais eficientes. Isso, porque um dos maiores desafio em rotear uma mensagem por uma rede dinâmica, e prever a mobilidade do nó de forma que a mensagem seja propagada em dire¸cão ao destino, ou ela poderá se perder e nunca será entregue. Se ve´ıculos possuem informa¸cões de localiza¸cão, explorá-las para aprimorar o processo de roteamento tem se tornado uma das principais premissas entre as novas propostas de roteamento. Por esse motivo tornou-se objeto principal de pesquisa desse estudo.

1.0.2 Objetivos

Vários protocolos que objetivam realizar o roteamento em redes VANETs têm sido apre-sentados. A principal diferen¸ca entre esses protocolos são as informa¸cões que eles con-sideram para realizar o roteamento (histórico de contato entre os nós, informa¸cões de localiza¸cão, etc) e a estratégia que utilizam para encaminhar a mensagem (número de réplicas geradas por mensagem). Contudo, existe um consenso entre a comunidade ci-ent´ıfica de que não existe um protocolo de roteamento ideal para todos os cenários. O protocolo RouteSpray tem o objetivo de ser aplicado em cenários onde tem-se conhe-cimento prévio das rotas dos ve´ıculos, caracter´ıstica que tornou-se comum nos dias de hoje devido à populariza¸cão dos dispositivos de navega¸cão, principalmente se considerar-mos frotas com mobilidade controlada, como ônibus, caminhões e táxis. Tal protocolo foi projetado para utilizar as rotas dos ve´ıculos para tomar as decisões de roteamento, sendo essa a única premissa exigida.

1.0.3 Contribui¸

c˜

oes

(32)

6 Introdu¸c˜ao

store-carry-and-forward (Zhao & Cao 2008) para rotear as mensagens; (ii) transmissão das mensagens baseando-se em contato direto (Spyropoulos, Psounis & Raghavendra 2008a); (iii) utiliza¸cão das rotas dos ve´ıculos para auxiliar no roteamento (Leontiadis & Mascolo 2007), considerando-se que os ve´ıculos são esquipados com GPS e (iv) uti-liza¸cão da técnica de pulveriza¸cão controlada de mensagens (Spyropoulos, Psounis & Raghavendra 2008b). Tendo em mente que todas as técnicas citadas acima são estu-dada pela literatura com o objetivo de melhorar o processo de roteamento, as principais contribui¸cões do RouteSpray são:

• Combinar a técnica de pulveriza¸cão controlada com a utiliza¸cão de rotas para melhorar o processo de roteamento, campo de estudo em aberto e pouco explorado pela comunidade cient´ıfica;

• Explorar o roteamento geogr´afico para destinos m´oveis.

• Oferecer um estudo comparativo e uma análise de desempenho entre as técnicas de pulveriza¸cão controlada, roteamento de uma única cópia, e inunda¸cão de mensa-gens. Utilizadas juntamente com informa¸cões das rotas doa ve´ıculos para melhorar o processo de roteamento.

Os resultados e contribui¸cões deste estudo resultaram em uma publica¸cão em Periódico:

• DA SILVA, MAUR´ICIO JOS´E ; TEIXEIRA, FERNANDO ; OLIVEIRA, RI-CARDO AUGUSTO RABELO . RouteSpray: A multiple-copy routing algorithm based on transit routes. Journal of Applied Computing Research, v. 3, p. 11-18, 2013. (Qualis B5)

e duas publica¸c˜oes em Anais de Congresso:

• SILVA, M. J. ; SILVA, S. E. D. ; TEIXEIRA, F. A. ; OLIVEIRA, R. A. R. . Combining the Spray Technique with Routes to Improve the Routing Process in VANETS. In: 16th International Conference on Enterprise Information Systems, 2014, Lisbon. Proceedings of the 16th International Conference on Enterprise Information Systems. p. 583-590. (Qualis B1)

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Introdu¸c˜ao 7

(34)

(35)

Cap´ıtulo 2

Referencial Te´

orico

Redes veiculares constituem o principal foco de estudo desta disserta¸cão. Porém, para que seja poss´ıvel a compreensão de nossa proposta, antes precisamos revisar alguns con-ceitos. Este cap´ıtulo está dividido em duas Se¸cões: na primeira é apresentado os prin-cipais desafios encontrados em redes DTN, abordando sua arquitetura e as limita¸cões enfrentadas por algoritmos de roteamento desenvolvidos para esse tipo de rede. Adici-onalmente entenderemos como esse tipo de rede está relacionado com redes veiculares. Por fim, na segunda Se¸cão são apresentados os conceitos relacionados às redes veiculares.

2.1 Redes DTN

Desde seu surgimento, a arquitetura TCP/IP se tornou um modelo de comunica¸cão de sucesso na internet. A arquitetura foi constru´ıda utilizando um modelo em camadas, onde, em cada camada, é definido um conjunto de tarefas que fornecem servi¸cos bem definidos para a camada de n´ıvel superior. Tal caracter´ıstica garante a interoperabili-dade, que é a capacidade de dois sistemas conversarem de forma transparente, sejam eles semelhantes ou não. Talvez este seja o grande motivo de sucesso da arquitetura TCP/IP.

Porém, para que seja poss´ıvel a transmissão de dados em redes TCP/IP, é necessário que as duas pontas estejam conectadas. Somente depois de estabelecida a conexão entre os dóis nós o protocolo TCP inicia a transmissão de dados. Isso acontece porque o TCP é um protocolo confiável, ou seja, ele exige que haja confirma¸cão de entrega de cada pacote enviado. Caracter´ıstica inclusive que impacta em dois outros fatores, a exigência de

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10 Referencial Te´orico

baixas taxas de erro e de pequenos atrasos na entrega da mensagem (Tanenbaum 2003).

Porém as caracter´ısticas exigidas para que haja comunica¸cão em redes de protocolos TCP/IP não são atendidas em todos os tipos redes (Fall 2003), como por exemplo: (i) redes militares, onde a concentra¸cão dos pontos de comunica¸cão facilita a¸cão inimiga, o que exige que os nós dessa rede sejam móveis, além da necessidade de prever que podem ser destru´ıdos a qualquer momento; ou (ii) redes interplanetárias, onde o contato entre os nós da rede (planetas e satélites) podem ser programados, uma vez que temos conhe-cimento prévio das órbitas de seus elementos e do tempo de propaga¸cão da mensagem no espa¸co; ou ainda, (iii) redes de sensores, onde os elementos da rede possuem grandes restri¸cões de recursos, e geralmente permanecem desligados grande parte do tempo com o objetivo de poupar energia. Além destes, existem diversos outros tipos de rede onde grandes atrasos de propaga¸cão de mensagem e falta da existência de um caminho fim a fim tornam-se problemas a serem enfrentados. Essas caracter´ısticas deram origem a um novo tipo de rede, que ficou conhecido como redes DTN (Delay Tolerant Network) () (Cerf, Burleigh, Hooke, Torgerson, Durst, Scott, Fall, Travis & Weiss 2002) (Cerf, Burleigh, Hooke, Torgerson, Durst, Scott, Fall & Weiss 2007) .

2.1.1 Arquitetura

A arquitetura DTN surgiu durante o desenvolvimento do projeto de Internet Interpla-netária (IPN) 1, e tinha como objetivo criar uma rede capaz de integrar a rede TCP/IP com uma rede interplanetária. Rede interplanetária é caracterizada por não existir um caminho fim a fim durante todo o tempo. Para que isso aconte¸ca é necessário que os as-tros esteja alinhados, o que pode provocar um grande atraso na entrega das mensagens. Com isso, surge a necessidade de cria¸cão de uma técnica para armazenar a mensagem a cada salto, e aguardar a oportunidade de contato para transmiti-la para o próximo nó, esse processo é repetido até que a mensagem alcance o destino. Observou-se que essas caracter´ısticas estão presentes em diversos tipos de redes terrestres, e os esfor¸cos foram estendidos com a cria¸cão de um grupo de pesquisa chamado DTNRG (Delay Tolerant Network Research Group)2. O grupo DTNRG surge com o como objetivo estudar e criar padrões de protocolos que permitam a comunica¸cão nesse tipo de rede (Oliveira 2007).

A arquitetura DTN prevê a utiliza¸cão de uma camada de persistência de dados. A essa camada deu-se o nome de Camada de Agrega¸cão (Scott & Burleigh 2007) e

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Referencial Te´orico 11

ela fica situada acima da Camada de Transporte e abaixo da Camada de Aplica¸cão, como podemos ver na Figura 2.1. Dessa forma, é poss´ıvel manter a interoperabilidade com qualquer tipo de rede, permitindo a integra¸cão de uma rede DTN com as redes já existentes, sejam redes TCP/IP ou não. Cada nó da rede é conhecido como nó DTN, e ele pode ser umhost, um roteador ou um gateway (ou uma combina¸cão), e agir como a origem, o destino ou um encaminhador do agregado.

Figura 2.1: A camada de agrega¸c˜ao.

(38)

centro urbano, potencialmente conectado a internet, e uma área rural. O ônibus tem o papel do agente que transporta dados entre as duas regiões, permitindo que informa¸cões cheguem ate a área rural. Obviamente, todo ônibus tem horários pré-definidos, o que permite com que seja estabelecido um contato programado com algum outro nó DTN. Por outro lado, pode acontecer algum imprevisto que fa¸ca com o que o ônibus chegue ao seu destino atrasado, e com isso a oportunidade de contato será perdida comprometendo a comunica¸cão entre as duas regiões.

Figura 2.2: Contato previs´ıvel em uma rede rural.

Por fim, temos o contato oportunista. O contato oportunista acontece quando o nós não têm nenhuma informa¸cão sobre os demais nós da rede, caracter´ıstica comum em redes móveis, pois cada nó tem sua mobilidade de forma independente. Nessa forma de contato um nó DTN aproveita que o outro entrou em sua área de transmissão e o entrega a mensagem, encarregando-o de encaminhar a mensagem até o destino. Essa é a forma de contato mais utilizada pelos algoritmos de roteamento para redes móveis, que combinada com alguma pol´ıtica de encaminhamento de mensagem, como por exemplo, o nó que viaja em dire¸cão ao destino, ou o nó que tem histórico de encontros anteriores com o destino, têm constitu´ıdo boas técnicas de roteamento.

2.1.2 Roteamento

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de mensagem para aumentar as chances da mensagem ser entregue. Alguns algoritmos de roteamento geram réplicas da mensagem durante o processo de roteamento, fazendo com que em um determinado instante existam várias cópias da mensagem em pontos distintos da rede. Apesar de tal técnica aumentar a probabilidade da mensagem ser entregue, ela tem suas limita¸cões. Uma boa pol´ıtica de roteamento pode diminuir o número de mensagens na rede ou até mesmo o tempo que as mensagens gastam para atingir seus destinos. Algumas das principais técnicas de roteamento são:

• Contato Direto: Nessa técnica o nó de origem A entrega a mensagem para um outro nó DTN B, que passará a ser o novo custódio da mensagem, se B for um contato direto do nó de destino C. Ou seja, B não entregará a mensagem para nenhum outro nó na rede, senão C, que é o destino da mensagem. Essa técnica de roteamento geralmente é utilizada em algoritmos de uma única cópia, o que significa que em qualquer instante existe somente uma cópia da mensagem na rede. Geralmente a mobilidade dos nós da rede é a principal responsável pelo sucesso na entrega.

• Primeiro Contato: O N´o de origemA envia a mensagem para o primeiro n´o DTN

B que vier a estabelecer contato. O n´o B por sua vez encaminha a mensagem para o primeiro noC que vier estabelecer contato, esse processo se repete at´e que a mensagem alcance o destino.

• Epidêmico: Essa técnica não exige nenhum conhecimento prévio sobre a rede, o que a torna uma das principais técnicas de roteamento. Consistem em gerar réplicas da mensagem a cada contato e espalhar a mensagem para todos os nós da rede. Apesar dessa técnica ter os melhores resultados quanto ao número de mensagens entregues e ao tempo que a mensagem demora para chegar ao destino, ela provoca grandes degrada¸cões da rede. Como as mensagens são pulverizadas para todos os nós, é preciso adotar alguma pol´ıtica de descarte de mensagens, permitindo que mensagens que já foram entregues seja descartadas. Essa técnica de roteamento consiste objeto de estudo dessa disserta¸cão, e será explorado de forma detalhada a frente.

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anteriores. A imprecisão dessa técnica faz com que ela tenha seu desempenho comprometido, uma vez que o contato pode não acontecer.

Como vimos, redes DTN foram projetadas para serem aplicadas em ambientes consi-derados desafiadores. Ou seja, ambientes em que as condi¸cões ideais de transmissão não são atendidas. Vários tipos de redes são considerados desafiadores, dentre eles estão as redes veiculares. Várias caracter´ısticas tornam este tipo de rede uma rede de desafios à qual os conceitos de redes DTN podem ser aplicados. Essa caracter´ısticas são melhores explicadas na Se¸cão a seguir.

2.2 Redes Veiculares

2.2.1 Introdu¸

c˜

ao

A crescente evolu¸cão dos dispositivos de comunica¸cão têm nos permitido conectar carros entre si ou a uma rede de infraestrutura. Com isso, surgiram os Sistemas de Transporte Inteligentes (STI), cujo objetivo é tornar a viagem mais eficiente, mais segura e mais divertida. Por eficiência, entende-se redu¸cão de congestionamento e polui¸cão, melhorias no sistema de transporte público, rotas menores e mais rápidas, menores custos de via-gem e manuten¸cão de ve´ıculos e estradas. Mais seguran¸ca significa oferecer informa¸cões sobre acidentes, congestionamentos, condi¸cões da estrada e do clima, pontos de parada e de interesse (restaurantes, postos de gasolina, etc). Para tornar a viagem mais divertida os SITs podem, por exemplo, fornecer acesso a internet, download de arquivos, chats e informa¸cões sobre pontos tur´ısticos.

Um componente importante dos STIs sãos as VANETs. VANETs são um tipo espe-cial de MANETS (Mobile Ad Hoc Network) voltado para ve´ıculos. Com a implanta¸cão de dispositivos de comunica¸cão sem fio nos ve´ıculos, será poss´ıvel a comunica¸cão até mesmo onde não se tem outros tipos de estrutura, como telefonia móvel por exem-plo. Atualmente, muitos ve´ıculos já são fabricados com equipamentos de comunica¸cão, computadores de bordo, equipamentos de navega¸cão, e estes equipamentos podem ser utilizados para auxiliar o motorista na tomada de decisões. Órgãos interessados neste cenário estão em busca de normaliza¸cões para desenvolver padrões.

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cobertura. Em termos gerais ela se apoia em duas categorias: assistência ao condutor e dissemina¸cão de informa¸cão. Outro fator importante é a qualidade de servi¸co exigida, que vai depender da necessidade das aplica¸cões podendo ser onde os dados não precisam ser transmitidos em tempo real, onde os dados precisam ser transmitidos em tempo real e onde uma falha ou atraso na transmissão pode causar sérios problemas.

2.2.2 Caracter´ısticas das redes VANETs

VANETs e MANETs possuem muitas caracter´ısticas em comum: ambas têm padrões de mobilidade semelhantes, são auto gerenciáveis e se auto organizam. Porém, existem algumas diferen¸cas que faz com que seja inviável a utiliza¸cão dos conceitos de redes MANETs em redes VANETs. Como por exemplo, em redes VANETs os dispositivos não possuem restri¸cões de energia, a mobilidade é limitada por rodovias, porém pre-vis´ıvel, e sofrem grandes varia¸cão de conexões em pouco intervalo de tempo. Algumas caracter´ısticas serão estudadas a seguir:

• Processamento, capacidade de comunica¸cão, sensoreamento e energia: Em uma MANET processamento, capacidade de comunica¸cão, sensoriamento e energia são limitados. Em uma VANET é diferente, ve´ıculos podem possuir computadores com grande capacidade de processamento, várias interface de comunica¸cão, sensores de todos os tipos e pode fornecer energia de forma continua. Além de ainda poder se comunicar com outros ve´ıculos com a finalidade de distribuir algum processamento.

• Ambiente, modelo de mobilidade e conectividade: Ambientes influenciam direta-mente no tipo de comunica¸cão, edif´ıcios pequenos ou grandes, rodovias, podem alterar a qualidade da comunica¸cão. Outro fator importante, é que no caso de VANET, a mobilidade está diretamente ligada a forma com que o ve´ıculo é condu-zido. Ou seja, a velocidade do ve´ıculo altera a topologia da rede de forma rápida, além disso, ainda há a existência de interferência de comunica¸cão provocada por obstáculos que podem entrar no entre dois dispositivos, como caminhões e pontes, por exemplo.

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• Tipos de comunica¸cão: Uma das principais aplica¸cões de redes VANET é para preven¸cão e seguran¸ca nas rodovias, para esse tipo de comunica¸cão geralmente utilizam-se mensagens multicast. Ou seja, as mensagens são destinadas somente aos ve´ıculos que estiverem perto da rodovia, aos quais a mensagem é interessante.

• Armazenando informa¸cões: Diversas aplica¸cões distribu´ıdas exigem abordagens para armazenar e distribuir as informa¸cões. Porém em VANETs, devido a alta mobilidade, conexões intermitentes e heterogeneidade dos dispositivos, distribuir estas informa¸cões é uma tarefa complexa. Para isto, a maioria da aplica¸cões VA-NETs utilizam algoritmos epidêmicos para produzir e distribuir informa¸cões entre os nós vizinhos.

2.2.3 Pilha de protocolos

Pilha de protocolo tˆem que lidar com diversos desafios, considerando ve´ıculos pr´oximos e equipamentos fixos na rodovia. Faremos um estudo sobre cada camada da pilha de protocolo.

Camada F´ısica

Os protocolos da camada f´ısica tem que considerar os efeitos gerados pela movimenta¸cão dos nós, como o Efeito Doppler e Desvanecimento múltiplo.

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Camada MAC

A camada MAC tem que oferecer acesso ao canal de forma integra, eficiente e confiável. Os protocolos da camada MAC tem que levar em considera¸cão os tipos de aplica¸cões que podem existir. Tem que oferecer uma conexão confiável e com pouca latência para aplica¸cões de seguran¸ca por exemplo, e prever grandes taxas de transmissão de dados mesmo em momentos em que o cenário não é o ideal, pensando em aplica¸cões de mul-tim´ıdia.

O protocolo IEEE 802.11p WAVE surgiu a partir de altera¸cões no conjunto de pro-tocolos do padrão 802.11. O objetivo do IEEE 802.11p WAVE é atender os requisitos apresentados em redes V2V e V2I, onde baixa latência e confiabilidade são extremamente importantes. Por exemplo, é desejável que ve´ıculos sejam fabricados com sensores inte-grados que sejam capazes de enviar informa¸cões, em meio segundo, com todos os ve´ıculos equipados que estejam em um raio de 500m. WAVE utiliza CSMA/CA como técnica de acesso ao meio para compartilhamento de link.

Em ADHOC MAC propõe o uso do RR-ALOHA (Reliable Reservation ALOHA) que cria uma canal de transmissão confiável BCH (Basic Chanell) onde cada canal transporta informa¸cões de sinaliza¸cão para resolver problemas de sombra e garantir uma conexão confiável, permitindo a inclusão de novos dispositivos a rede. O principal problema é que o número de ve´ıculos que conseguem se conectar está limitado ao número de slots de tempo que se consegue a partir de um espa¸co de tempo.

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Camada de Rede

Duas estratégia básicas comumente utilizadas em redes wireless multiponto para rotea-mento são protocolos baseados na topologia e protocolos baseados na posi¸cão. Protoco-los baseados na topologia utilizam informa¸cões dos caminhos de transmissão, guardando uma tabela de roteamento em cada nó da rede. Esta topologia pode ser divida em duas, sendo: proativa ou reativa. Protocolos Baseados na posi¸cão assumem que o destino, os nós vizinhos e a origem são conhecidos, e podem ser divididos entre: tolerantes a atrasos (DTN), não tolerantes a atrasos (Non-DTN) e h´ıbridos.

Em princ´ıpio, poderia-se aplicar os protocolos de roteamento AODV (Perkins & Royer 1999) e DSR (Johnson & Maltz 1996) pra VANETs, porém, a alta velocidade e as rápidas desconexões fazem com estes protocolos percam muito desempenho. Por outro lado, os protocolos baseados em posi¸cão têm demonstrado ser boas propostas para VANETs, pois são mais robustos e promissores para ambiente altamente dinâmicos. Além disso, eles não mantêm informa¸cões de estado, o que os diferencia dos protocolos baseados na topologia.

GPSR (Karp & Kung 2000) é um conhecido protocolo de roteamento baseado em posi¸cão para MANETs, porém ele não tem bom desempenho em redes veiculares. GPCR (Lochert, Mauve, Fussler & Hartenstein 2005) e GPSRJ+ (Lee, Haerri, Lee & Gerla 2007) são protocolos baseados em posi¸cão com base no GPSR que foram aprimorados para resolver o problema de rotas em redes veiculares. D-Greedy/D-MinCost (Skordylis & Trigoni 2008) e VADD (Zhao & Cao 2008) são também protocolos baseados em posi¸cão aprimorados sob o GPSR para descoberta de rotas em redes veiculares. Basicamente, eles decidem se devem transmitir o pacote ou aguardar por até que um nó melhor de en-caminhamento seja encontrado. No entanto estes protocolos não consideram informa¸cões importantes, como congestionamento de tráfego. A-Start (Seet, Liu, Lee, Foh, Wong & Lee 2004) e CAR (Naumov & Gross 2007) fazem entrega de pacotes de forma efici-ente considerando congestionamento de tráfego, ambos são otimizados para lidar com problema de conectividade, porém não são projetados para trabalhar com aplica¸cões sens´ıveis a atraso. PROMPT (Jarupan & Ekici 2010) é um protocolo de comunica¸cão de cruzamento de camadas baseado em posi¸cão consistente a atraso que melhora a conexão fim a fim utilizando mensagens geradas por ve´ıculos enquanto propagam informa¸cões de sinal (estado da rede).

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estrada. Dissemina¸cão de dados pode melhorar significativamente a taxa de entrega de dados se, por exemplo, buffers de dados estão localizados nas interse¸cões das estradas.

Camada de transporte

Como mencionado, redes veiculares são caracterizadas por frequentes desconexões e mu-dan¸cas rápidas de topologia. Em contraste com outras redes móveis, porém, também tem um padrão de mobilidade. As frequentes desconexões faz com que os protocolos TCP e UDP não seja uma boa op¸cão. Muitas das aplica¸cões unicast requerem servi¸cos confiáveis para entrega de dados, semelhante ao TCP, para isto o protocolo VTP ( Vei-cular Transport Protocol) (Schmilz, Leiggener, Festag, Eggert & Effelsberg 2006) utiliza dados estat´ısticos para melhorar o desempenho quando uma conexão é interrompida, garantindo certa confiabilidade para aplica¸cões unicast. MCTP (Mobile Control Trans-port Protocol) seus princ´ıpios são baseados em protocolos TCP para redes ad hoc, mas é aprimorado para oferecer QoS em comunica¸cão fim-a-fim entre ve´ıculos e hosts na internet através de uma infraestrutura rodoviária.

Estes protocolos para VANETs são baseados em aplica¸cões unicast, porém muitas aplica¸cões veiculares são multicast, e a proje¸cão de um protocolo para este fim é um desafio.

Camada de aplica¸c˜ao

Os protocolos na camada de aplica¸cão devem prever uma pequeno atraso fim a fim, isto, para garantir que um motorista seja notificado a tempo sobre eventos recentes na rodovia. Outras aplica¸cões também podem ser previstas na camada de aplica¸cão, como protocolos para aplica¸cões de multim´ıdia, de marketing e de venda de produtos. VITP (Veicular Information Transfer Protocol) é um protocolo da camada de aplica¸cão projetado para suportar o estabelecimento de um infraestrutura de servi¸cos distribu´ıdos sobre redes ad hoc, semelhante ao HTTP.

2.2.4 Aplica¸

c˜

oes para VANET

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exemplo, quando acontecer um acidente em uma rodovia, mensagens podem ser enviadas para os ve´ıculos mais próximos, ajudando os motoristas na tomada de decisão, ou ainda, para aumentar a eficiência, estas mensagens podem se propagar pela vias alternativas, informando aos ve´ıculos que pretendem passar pelo local do acidente do ocorrido e sugerindo caminhos alternativos, para aliviar o trânsito no local.

Discutiremos a seguir dom´ınios de aplicativos para redes veiculares, que são divididos em assistência ao motorista e dissemina¸cão de informa¸cão.

Requisitos b´asicos

Redes veiculares vem surgindo para tornar o transporte mais seguro e eficiente, e isto só é poss´ıvel através de dois requisitos, que são coleta de dados e comunica¸cão de dados.

Aplica¸cões VANETs irão monitorar condi¸cões dos ve´ıculos, estradas, trânsito e am-biente. Estas informa¸cões serão utilizadas para auxiliar o motorista a trafegar com mais seguran¸ca. Além disso, uma rede veicular pode ser uma boa op¸cão para monitoramento urbano, o fato do número de ve´ıculos dentro da cidade ser mais denso, e dos sensores de bordo estarem cada vez mais presentes, possibilitará a utiliza¸cão desta rede para moni-torar as condi¸cões ambientais e atividades sociais, tornando-as assim um grande aliado para deteçcão urbana.

Ve´ıculos podem receber poderosas unidades de processamento, sensores de diversos tipos, câmeras, dispositivos de localiza¸cão. Tornando poss´ıvel sua utiliza¸cão para diver-sas aplica¸cões, desde vigilância ambiental, controle de tráfego a redes sociais móveis.

Ve´ıculos são conectados por meio de comunica¸cão sem fio com outros ve´ıculos ou com infraestrutura rodoviária. Uma caracter´ıstica importante de VANET é a possibilidade de troca de informa¸cões de forma rápida, principalmente quando se trata de mensagens de seguran¸ca. Porém, protocolos utilizados nas camadas mais inferiores têm que evitar colisões e garantir integridade das mensagens de emergência, e o problema é que os protocolos atuais não garantem QoS para este tipo de aplica¸cão.

Assistˆencia ao motorista

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Acidentes: Em caso de colisão a aplica¸cão deve informar aos carros que estão indo em dire¸cão ao local do acidente sobre o ocorrido, oferecendo rotas alternativas e informa¸cões para aumentar a seguran¸ca dos mesmos. Ainda é desejável que v´ıdeos sejam enviados à equipes de paramédicos mostrando o ocorrido e auxiliando na tomada de decisão com a finalidade de agilizar o socorro às v´ıtimas. Porém, é desejável que aplica¸cões de seguran¸ca sejam projetadas para fornecer informa¸cões prévias evitando acidentes.

Intercessões: Controle e gestão de tráfego é uma boa área de pesquisa. Uma vez que em um cruzamento dois fluxos de carros convergem, os riscos de acidentes são maiores. Uma aplica¸cão poderia auxiliar o motorista nesta situa¸cão com um semáforo virtual, ou mesmo com informa¸cões que podem diminuir os riscos de uma colisão. Em ambos os casos há requisitos rigorosos para atingir principalmente em tempo real e processamento distribu´ıdo.

Aplica¸cões de congestionamento podem oferecer melhores rotas para o motorista ou até mesmo ajustar o semáforo de forma a otimizar o fluxo, e com isto melhorar o trânsito evitando engarrafamentos.

Dissemina¸c˜ao de Informa¸c˜ao

Os pedidos de divulga¸cão visam uma distribui¸cão de entrega de informa¸cão para o mo-torista, passageiro e ve´ıculo, o problema é como manter esta informa¸cão em contexto, já que a rede é altamente dinâmica. Alguns poss´ıveis tipos de informa¸cão que podem ser disseminadas em redes VANET são informa¸cões sobre mobilidade (trânsito, acidentes, informa¸cões tur´ısticas e de assistência), comércio eletrônico e entretenimento (acesso a internet, jogos e chats).

2.3 Considera¸

c˜

oes Finais

Rede veicular sem fio é uma tecnologia essencial para os STI. A comunica¸cão entre ve´ıculos pode criar uma malha de comunica¸cão trazendo mais seguran¸ca e mais eficiência. E com isso, tornar as viagens mais agradáveis aos usuários. Redes veiculares futuramente estarão entre os tipos de redes móveis mais importantes.

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(49)

Cap´ıtulo 3

Trabalhos Relacionados

Nos ´ultimos anos, v´arios trabalhos propuseram resolver o problema de roteamento em redesad hoc, como o DSR(Dynamic Source Routing)(Johnson & Maltz 1996) e o AODV

(Ad-hoc On-demand Distance Vector) (Perkins & Royer 1999). Esses protocolos iniciam a transmissão de dados somente após estabelecerem um caminho entre a origem e o destino, caracter´ıstica que na maior parte do tempo não é satisfeita em VANETs. Isso, porque esse tipo de rede sofre frequentes desconexões provocadas pela alta velocidade e alta mobilidade dos ve´ıculos. Com a finalidade de evitar perdas de dados, os protocolos de roteamento para VANETs consideram a utiliza¸cão da técnica de store-carry-and-forward (Lee & Gerla 2010).

Outra caracter´ıstica que pode beneficiar algoritmos de roteamento para VANETs, é a utiliza¸cão de informa¸cões de localiza¸cão dos nós da rede, que tornou-se poss´ıvel devido à integra¸cão de Sistemas de Navega¸cão (NS) aos ve´ıculos. Protocolos de roteamento que utilizam essa técnica são classificados como protocolos position-based, ou geografic-based (Allal & Boudjit 2012).

3.1 Trabalhos Relacionados

Uma das principais técnicas de roteamento utilizadas em redes móveis é a técnica de inunda¸cão. Tal técnica compreende em gerar réplicas da mensagem e enviar para todos os nós da rede, até que a mensagem alcance o nó de destino. Um esquema de roteamento que utiliza a técnica de inunda¸cão para rotear as mensagens em uma rede móvel, é conhecido como roteamento Epidêmico (Vahdat & Becker 2000). Além da técnica de

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24 Trabalhos Relacionados

inunda¸cão, o algoritmo de roteamento Epidêmico utiliza a técnica de store-carry-and-forward para evitar que uma mensagem seja perdida durante a transmissão. Isso porque a alta mobilidade dos nós provoca frequentes desconexões da rede, fazendo com que o algoritmo tenha que lidar com situa¸cões onde não existe um caminho entre a origem e o destino.

O funcionamento do algoritmo Epidêmico se dá da seguinte forma: o nóA gera uma mensagem para um nó B e a armazena em seu buffer. Quando outro nó C entra na área de transmissão deA,C envia para Ainforma¸cões sobre as mensagens armazenadas em seu buffer. Ao receber essas informa¸cões, A seleciona as mensagens que possu´ı em seu buffer e que C não possui, e transmite cópias dessas mensagens paraC. O mesmo processo é feito pelo nó C, até que, ao final desse processo, ambos os nós possuam as mesmas mensagem eu seus buffers. Referências futuras ao processo citado acima serão feitas como processo de sincroniza¸cão de mensagens.

Algumas hipóteses podem ser levantadas com rela¸cão ao processo de sincroniza¸cão e de transmissão de mensagens do algoritmo Epidêmico. A primeira delas é com rela¸cão ao tempo de contato entre os nós.

Considerando que em alguns tipos de redes móveis os nós se movem em alta velo-cidade, como por exemplo em redes VANETs, e que o tempo de associa¸cão entre os nós algumas vezes excede o tempo de contato, prejudicando a troca de informa¸cões en-tre eles. Temos um cenário no qual o processo de sincroniza¸cão falhará. Porém, essa caracter´ıstica não é determinante para que o algoritmo Epidêmico perca desempenho, uma vez que as mensagens não transmitidas em um primeiro momento, poderão ser transmitidas em contatos futuros.

Prova de conceito: Considere um nó A com as mensagens de id: 001, 003 e 004 ar-mazenadas embuffer. O nóB, que está com obuffer vazio, entra na área de transmissão de A. A descobre que B não possui nenhuma de suas mensagens, e inicia o processo de sincroniza¸cão de mensagens. Porém, durante a transmissão da segunda mensagem o nó B sa´ı da área de transmissão de A, fazendo com que as mensagens 003 e 004 não sejam entregues. Ao final do processo, B possu´ı em seu buffer somente a mensagem de id: 001. Em um segundo momento, o nó A, ou qualquer outro nó que entrar na área de transmissão de B, perceberá que B não possui as mensagens de id: 003 e 004 e transmitirá essas mensagens para B.

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Trabalhos Relacionados 25

porque o algoritmo Epidêmico replica as mensagens para todos os nós da rede, fazendo com que réplicas da mensagem sejam enviadas para todos os caminhos poss´ıveis. Se réplicas da mensagem são enviadas para todos os caminhos, obviamente, se houver um caminho até o destino, uma das réplicas será enviada por esse caminho. Portanto, considerando que não haverá perdas das mensagens transmitidas na rede, o algoritmo Epidêmico entregará o maior número de mensagens poss´ıveis.

Prova de conceito: Considere uma rede comN nós, onde o nóAdeseja entregar uma mensagem para o nó Z. No instante de tempo t0, o nó B entra na área de transmissão de A dando in´ıcio ao processo de sincroniza¸cão de mensagens, ao final do processo, ele também transportará uma cópia da mensagem destinada à Z. No instante de tempo

t1, os nós C e D entram nas áreas de transmissões dos nós A e B respectivamente, fazendo com que, ao final do processo de sincroniza¸cão, todos os nós possuam cópias da mensagem endere¸cada aZ. No instante de tempo tx,Dentra na área de transmissão de

Z e realiza a entrega da mensagem. O fato da mensagem ter sido replicada para todos os caminhos poss´ıveis, faz com que no instante de tempotx+y outros n´os entreguem a mensagem para Z.

A prova de conceito levantada acima nos oferece suporte para mais uma hipótese. O algoritmo Epidêmico entrega a mensagem no menor tempo poss´ıvel. Se o algoritmo Epidêmico envia a mensagem para todos os caminhos poss´ıveis, obviamente a mensagem seguirá o menor caminho entre a origem e o destino, e com isso, será entregue no menor tempo. Utilizando o exemplo acima, a mensagem foi entregue ao nó Z no instante de tempo tx, portanto, x é o menor tempo que a mensagem gastaria para alcan¸car Z, ou seja, qualquer outro caminho que a mensagem siga, ela precisará de x+y unidades de tempo para alcan¸car Z. Isso faz do algoritmo Epidêmico limite inferior com rela¸cão ao tempo que a mensagem precisa para ser entregue ao destino.

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limita¸cões encontradas em dispositivos de redes móveis. Porém, o algoritmo Epidêmico exerce um importante papel para academia, pois seus resultados oferecem excelentes referências para medir o desempenho de novas propostas de algoritmos.

Outra categoria de algoritmos que podem ser aplicados a redes sem fio, são os al-goritmo de uma única cópia, como o GeOpps, que será estudado mais a frente. Nessa categoria de algoritmo existe somente uma cópia da mensagem na rede durante todo o tempo, e essa mensagem é transportando entre os nós da rede até atingir o destino. Para que isso seja poss´ıvel, esses algoritmos introduzem o uso de um agente importante, que é conhecido como Mula. O nó Mula, ou transportador da mensagem, é o nó que tem a custódia da mensagem e é responsável por carregar a mensagem, e transmiti-la para o próximo nó que passará a ser o novo custódio da mensagem. Esse processo se repete até que a mensagem alcance o destino. Para escolher qual será o próximo salto da mensagem, o nó custódio leva em considera¸cão algumas informa¸cões, como por exemplo, dados de contatos entre os nós, transmissão por contato oportunista, informa¸cões de localiza¸cão, etc. Esse processo que diferencia os diversos algoritmos de roteamento para esse tipo de rede. Porém, algoritmos de uma única cópia de mensagem provocam gran-des atrasos na entrega da mensagem em regran-des móveis, o que impossibilita sua aplica¸cão em cenários que exigem comunica¸cão em tempo real, como por exemplo, aplica¸cões de resgate de acidentes, alertas de perigo, stream de v´ıdeo, etc.

Com o objetivo de entregar as mensagens com menor atraso do que algoritmos de uma única cópia, e sem degradar a rede como os algoritmos de inunda¸cão (Spyropoulos, Psounis & Raghavendra 2008b) propuseram uma nova categoria de algoritmos, a qual denominaram algoritmos de “spray”. Essa categoria tem como objetivo gerar somente algumas cópias da mensagem, e com isso, explorar caminhos alternativos, conseguindo tempos de entrega melhores do que os algoritmos de uma única cópia, e sem provocar degrada¸cão da rede sobrecarregando-a com número excessivo de réplicas de mensagens, como os algoritmos de inunda¸cão. Apesar dos autores introduzirem sua utiliza¸cão em redes esparsas, a técnica de“spray” foi utilizada pela primeira vez em redes de celulares. Sua utiliza¸cão objetivava pulverizar as mensagens entre os pontos que os usuários mais frequentavam (Tchakountio & Ramanathan 2001).

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pode ser utilizado uma contagem dos identificadores únicos de cada nó da rede e com isso estimar aproximadamente o número de nós. Porém, tal método exigiria uma grande base de dados para manter as informa¸cões dos nós da rede e ainda uma opera¸cão de pesquisa teria que acontecer a cada contato. Os modelos de mobilidade para redes móveis tem tempos de contato entre os nós representados por uma distribui¸cão exponencial. Com isso em mente, os autores sugerem que o número de nós da rede pode ser estimado considerando a distribui¸cão exponencial dos contatos de um nó com os dois próximos nós que ele encontrar. Calcular o número de réplicas necessário para serem pulverizadas pela rede, é considerado um problema dif´ıcil de forma geral, para facilitar a utiliza¸cão da técnica de “spray” pela comunidade acadêmica, os autores sugerem alguns valores para serem utilizados como número de réplica de mensagens para uma rede de 100 nós. Esses valores podem ser conferidos na tabela 3.1.

a 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10

recurs˜ao 21 13 8 6 5 4 3 3 3 2 limite superior N.A. N.A. 11 7 6 5 4 3 3 2 s´erie de taylor N.A. N.A. 10 7 5 4 3 3 3 2

Tabela 3.1: Valores estimados de L para uma rede de 100 n´os.

Para comprovar a eficiência da técnica de“spray”, (Spyropoulos, Psounis & Raghavendra 2008b) propuseram um algoritmo chamado spray and wait. O algoritmo é divido em duas fases que são: fase de “spray” e fase de “wait”, que serão explicadas a seguir:

• Na fase“spray”, o nó de origem calcula o número de cópias que devem ser pulve-rizadas. Esse cálculo é baseado no número de nós da rede e no tempo de atraso desejado para que a mensagem alcance o destino. Essas cópias são pulverizadas de forma oportunista entre os nós que entram na área de transmissão do nó de origem. Se a mensagem não for entregue ao destino na fase“spray”, os nós iniciam a fase “wait”. Existem duas formas de pulverizar as mensagens, que são oBinary spray e o Source Spray, ambas serão estudadas mais a frente.

• Quando o nó entra na fase de“wait”, ele contém somente uma cópia da mensagem, e será encarregado de entregar essa mensagem ao destino. Para isso, o algoritmo

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cópias da mensagem é encaminhada de forma independente, seguindo modelos de roteamento presentes em algoritmos de uma única cópia.

Os algoritmos acima constituem objetos de estudo dessa disserta¸cão por se tratarem dos principais algoritmos de roteamento para redes esparsas. Porém, ambos foram de-senvolvidos para serem aplicados à redes móveis de uma forma geral, não se beneficiando de caracter´ısticas espec´ıficas de um tipo de rede. Por esse motivo, o próximo algoritmo estudado foi o GeOpps (Leontiadis & Mascolo 2007), que é um dos principais algoritmos desenvolvidos para ser aplicado em redes VANETs, e utiliza a transmissão de forma oportunista e informa¸cões de contexto para melhorar o processo de roteamento.

O algoritmo GeOpps é um algoritmo de uma única cópia, que tem como objetivo rotear mensagens de dados para uma região geográfica espec´ıfica. Para que isso seja poss´ıvel, o algoritmo considera que os ve´ıculos são equipados com Sistemas de Navega¸cão (SN), onde os motoristas informam seus destinos a cada viagem, permitindo que o SN calcule a rota que o ve´ıculo percorrerá para alcan¸car o destino. Além disso, o algoritmo assume que o SN possu´ı informa¸cões sobre as localiza¸cões das Esta¸cões de Informa¸cão (EI) que compõem à rede juntamente com os ve´ıculos. Essas EI estão potencialmente conectadas à internet, e são utilizadas como uma espécie debackbone de rede, para onde o fluxo de dados deve ser direcionado. Cada ve´ıculo da rede atua como uma espécie de sensor, que é capaz de coletar informa¸cões sobre o trânsito (velocidade, acelera¸cão, etc.) e sobre as condi¸cões das estradas (buracos, etc.). Essas informa¸cões são enviadas, através das EI, para um Sistema Centralizado que combinará os dados recebidos de várias origens e produzirá estimativas sobre as condi¸cões de trânsito atuais. Após tal processo, os Sistemas Centralizados produzirão alertas sobre trechos de estrada espec´ıficos, e os encaminhará para a EI mais próxima de tal trecho, encarregando os ve´ıculos vizinhos de rotear a mensagem até a área afetada.

O funcionamento do algoritmo GeOpps consiste em: (i) trocar informa¸cões das men-sagens com os nós que estão a um salto de distância; (ii) Calcular o METD (Tempo M´ınimo Estimado para Entregar a Mensagem ao Destino) e encaminhar o resultado para o nó requisitante; (iii) Manter a custódia da mensagem se tiver o METD menor, ou encaminhá-la para o vizinho encarregando-o de entregar a mensagem.

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Para isso, uma fun¸cão de utilidade é aplicada. Tal fun¸cão estima o METD da seguinte forma: o algoritmo percorre a rota do ve´ıculo procurando o ponto mais próximo do destino (NP); depois de descoberto NP, o algoritmo solicita do SN o tempo estimado de viagem (ETA) de sua posi¸cão corrente até o NP; finalmente, o algoritmo soma o tempo retornado pelo SN com o tempo estimado para que o ve´ıculo viaje em linha reta do NP até o destino. Em linhas gerais, o METD pode ser calculado da seguinte forma:

M ET D =ET A para o N P + ET A do N P para o D.

Para uma melhor compreens˜ao do processo de roteamento, considere a Figura 3.1. O ve´ıculo a possui uma mensagem destinada ao ponto D. No ponto P1, o ve´ıculo a

encontra com o ve´ıculo b e o escolhe para ser o transportador da mensagem, pois o METD de b é menor do que o METD de a. Observe que a mensagem nunca alcan¸cará oN P b, pois no instante de tempo P2, o ve´ıculob cruza com outro ve´ıculo c, e o escolhe como o novo transportado da mensagem, encarregando-o de levar a mensagem para próximo de D.

Figura 3.1: Exemplo do c´alculo do NP do destino do pacote.

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satisfeitas, como por exemplo quando o motorista desvia ou ignora a rota sugerida, ou quando ele para o ve´ıculo antes de concluir a rota. Para resolver esses problemas, o algoritmo GeOpps assume que o ve´ıculo corrente não é capaz de entregar a mensagem, e a encaminha para o nó vizinho.

Apesar de o algoritmo GeOpps ter sido projetado para redes veiculares, e utilizar as rotas dos ve´ıculos para otimizar o processo de roteamento. O fato dele não explorar rotas alternativas utilizando múltiplas cópias de mensagens faz com que ele tenha seu desempenho comprometido, e torna inviável sua utiliza¸cão prática. Em contrapartida, o algoritmo Spray and Wait se beneficia de redes densas, porém em redes veiculares essa caracter´ıstica se torna uma armadilha e compromete o desempenho do algoritmo. Isso acontece porque o fluxo de carros se concentra em cruzamentos ou em semáforos, e os ve´ıculos se dividem entre as op¸cões de dire¸cões que podem seguir. Tal comportamento faz com que algumas cópias das mensagens sejam levadas para longe do destino.

3.2 Considera¸

c˜

oes Finais

(57)

Cap´ıtulo 4

Protocolo de Roteamento Route Spray

4.1 Algoritmo RouteSpray

Para realizar o roteamento, o protocolo RouteSpray assume que os ve´ıculos são equi-pados com GPS e que além de conhecer sua própria rota, o ve´ıculo precisa conhecer a rota do destino da mensagem. Considerando que algoritmos position-based assumem conhecimento da localiza¸cão do destino da mensagem, esse se torna um requisito básico. Sendo que o algoritmo RouteSpray se diferencia dos demais por prever a mobilidade do nó de destino. Uma vez que, grande parte desses algoritmos assumem que o destino da mensagem é um nó estacionário, ou ainda, uma região geográfica. Além disso, não é ne-cessária a existência de nenhuma infraestrutura fixa de rede, ou seja, é poss´ıvel realizar o roteamento entre os ve´ıculos de forma totalmente ad hoc.

O funcionamento do protocolo é baseado no uso de dois tipos de mensagens, sendo elas as mensagens de controle e as mensagens de dados. As mensagens de controle são utilizadas para manter o estado da rede, enviando informa¸cões de contexto para os nós vizinhos. Cada mensagem gerada na rede possui um identificar único, que é composto pelo endere¸co do nó de origem, o horário de cria¸cão da mensagem e um contador, que tem como objetivo evitar conflitos de mensagens criadas no mesmo horário.

O processo de troca de informa¸cões e a tomada de decisão de roteamento pode ser dividido em três etapas distintas. Na primeira etapa a comunica¸cão inicia-se através de um handshake, onde os nós trocam informa¸cões dos pacotes que já foram entregues pela rede, permitindo fazer o controle de mensagens armazenadas em buffer, o que é conseguido apagando as que já foram entregues. Já na segunda e terceira etapas, os nós

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32 Protocolo de Roteamento Route Spray

trocam informa¸c˜oes sobre o estado do buffer. O n´o de origem envia para seus vizinhos uma lista contendo um identificador e o destino de cada mensagem que possui em seu

buffer. Com essas informa¸cões o vizinho calcula, utilizando as rotas pré-estabelecidas, o tempo em segundos que demorará para entregar cada mensagem. Após a origem receber a resposta do nó vizinho, ela é capaz de decidir qual é o melhor transportador para a mensagem. Mais detalhes sobre as etapas de roteamento são apresentadas a seguir.

Considerando que o nó X entrou na área de transmissão do nó Y. Na primeira etapa, X envia para Y uma mensagem de handshake que possui como carga de dados a lista das mensagens que já foram entregues na rede. Ao receber essas informa¸cões,

Y ´e capaz de percorrer seu buffer apagando as mensagens que j´a foram entregues aos seus respectivos destinos. Ao final deste processo, com obuffer consistente, Y realiza a entrega das mensagens endere¸cadas a X, e envia para ele a lista de mensagens que Y

possui em seu buffer.

Na segunda etapa, quando X recebe a lista das mensagens presentes no buffer de

Y, X calcula o tempo que ele precisa para entregar cada uma dessas mensagens. Em seguida envia para Y uma rela¸cão contendo o identificador e o tempo necessário para entregar cada mensagem. Para calcular o tempo de entrega da mensagem, X percorre a rota do destino da mensagem a procura de um ponto de interse¸cão com sua rota. Ao final desse processo, caso X encontre um ponto de interse¸cão, ele retorna o tempo em segundos que demora para ir de sua posi¸cão corrente até esse ponto. Caso tal ponto não exista, o algoritmo retorna um valor negativo, indicando queX não é capaz de entregar a mensagem.

(59)

Protocolo de Roteamento Route Spray 33

ser visto com mais detalhes no Algoritmo 4.1.

Algoritmo 4.1: Pseudo-c´odigo RouteSpray

Input: mensagem

if recebeu mensagem de controle then

1

if mensagem de handshake then

2 LimpaBuffer; 3 AtualizaListaDeMensagensEntregues; 4 EntregaMensagensEndere¸cadasOrigem; 5 RespondeListaMensagensBuffer(); 6

else if resposta a mensagem de handshake then

7 RecebeRela¸c˜aoMensagensVizinho; 8 EnviaTempoDeContatoMensagem(); 9 else 10 ProcessaRespostaTempoDeContato; 11 DecideQualMelhorTransmissor(); 12

else if recebeu mensagem de dados then

13

if mensagem endere¸cada a mim then

14 ProcessarMensagem(); 15 else 16 ArmazenarNoBuffer(); 17

A melhoria no desempenho doRouteSpray se dá pela combina¸cão de dois conceitos importantes: (i) utiliza¸cão de rotas para obter conhecimento prévio dos contatos entre os nós e (ii) utiliza¸cão da técnica de Binary Spray. Tal combina¸cão garante melhores taxas de entrega sem sobrecarregar a rede. Ambos os conceitos são explicados com mais detalhes a seguir.

4.1.1 Utiliza¸

c˜

ao de Rotas

(60)

ve´ıculos garante que o algoritmo consiga prever os contatos entre os n´os da rede. Assim, ele pode tomar a melhor decis˜ao de encaminhamento.

Considerando que três ve´ıculos seguirão rotas pré-estabelecidas (Figura 4.1), e que o ve´ıculoB possui um pacote destinado ao ve´ıculoC, apesar das rotas dos ve´ıculosB eC

se cruzarem o ve´ıculo B escolherá o ve´ıculo Acomo melhor transportador da mensagem até o destino. Isso porque o ve´ıculo A se encontrará com o ve´ıculo C antes do ve´ıculo

B. Esse processo garante que a mensagem seja entregue no menor tempo poss´ıvel.

(61)

Protocolo de Roteamento Route Spray 35

4.1.2 Binary Spray

Esquemas de encaminhamento baseados em uma única cópia de mensagem provocam grandes atrasos na entrega. Por outro lado, esquemas de encaminhamento baseados em inunda¸cão provocam degrada¸cão na rede. Visando obter o menor atraso na entrega sem degradar a rede, em (Spyropoulos, Psounis & Raghavendra 2008b) os autores propuse-ram a técnica de “spray”, que consiste em gerar um número controlado de cópias de mensagens e pulverizá-las entre os nós da rede. Quando um ve´ıculo deseja transmitir uma mensagem, ele gera um número controlado de cópias (L). Para calcular o valor de

L, é levado em considera¸cão o número de nós presentes na rede e o tempo desejado de atraso para que a mensagem alcance o destino. A pulveriza¸cão pode acontecer de duas formas diferentes, as quais os autores deram os nomes de Source Spray eBinary Spray. Na pulveriza¸cão baseada noSource Spray, o nó de origem encaminha asL cópias da mensagem para os primeiros L nós distintos que encontrar. No Binary Spray, o nó de origem inicia com L cópias; enquanto o nó A possuir n > 1 cópias (for a origem ou o transportador) e encontrar com outro nóB(que não possui nenhuma cópia) ele entregará ao nó B ⌊(n/2)⌋ cópias e manterá ⌈(n/2)⌉ consigo; quando o nó possuir somente uma cópia, ele escolherá o contato direto para realizar a entrega.

Uma caracter´ıstica do Source Spray é que a mensagem realiza somente dois saltos até atingir o destino, ou seja, o origem encaminha a mensagem para o transportador tornando-o o responsável por entregá-la ao destino. Essa caracter´ıstica provoca atrasos na entrega em redes com mobilidade controlada, o que inviabiliza seu uso em VANETs. Já noBinary Spray, o fato do nó transportador receber mais de uma cópia da mensagem encaminhando-as em contatos futuros, faz com que esta técnica realize o encaminha-mento baseado em múltiplos saltos, diminuindo o tempo de entrega da mensagem. Por este motivo, optou-se por utilizar o Binary Spray como pol´ıtica de encaminhamento de mensagem no RouteSpray.

4.2 Considera¸

c˜

oes Finais

(62)

(63)

Cap´ıtulo 5

VeNeM - Gerador De Mobilidade

Veicular Real

5.1 Introdu¸

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ao

Redes Ad Hoc Veiculares (VANETs) ganharam destaque entre os Sistemas Inteligentes (SI) nos últimos anos. Com isto, surgem diversos pesquisadores interessados em resolver os desafios encontrados nesse tipo de rede. Porém, para que os pesquisadores consigam validar suas propostas é necessário à experimenta¸cão, que geralmente advém de ambi-entes simulados [1]. Isso acontece porque conseguir pessoal e equipamentos suficiambi-entes para realizar experimentos em ambientes reais é inviável, devido as dificuldade de es-calabilidade e aos altos custos envolvidos. Uma das maiores dificuldades para simular uma rede veicular está em garantir que a os padrões de mobilidade de um ambiente real sejam reproduzidos. Segundo [2] e [3], os simuladores existentes que possibilitam experi-menta¸cões com padrões de mobilidade semelhantes aos reais, geralmente são complexos de serem utilizados e estão dispon´ıveis somente em uma determinada região. Tal carac-ter´ıstica faz com que mais de 50% das novas propostas de algoritmos sejam avaliadas em simuladores customizados, o que dificulta a implementa¸cão desses algoritmos por outros membros da comunidade cient´ıfica [4].

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5.2 Simula¸

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oes em Redes Veiculares

Um importante aspecto para avalia¸cão de novas propostas de algoritmos para redes veiculares é o padrão de mobilidade dos nós, o qual determina quando há contato entre os nós, e qual sua dura¸cão. De acordo com [5-8], os modelos de mobilidade podem ser influenciados por diversos fatores. Aos quais são divididos em duas classes, que são parâmetros relacionados com a micro-mobilidade e com a macro-mobilidade.

Micro-mobilidade tem como objetivo descrever o comportamento de cada ve´ıculo in-dividualmente. Certamente, esses parâmetros não são comuns a todos os nós da rede, mas desempenham um papel importante durante a simula¸cão. Isso porque a mobilidade individual de cada ve´ıculo influencia diretamente na forma¸cão da rede. Parâmetros como velocidade, acelera¸cão, comportamento em interse¸cões (com ou sem semáforos) são modelados pelo comportamento e pela maturidade do motorista e podem ser influ-enciados por diversos fatores, como pontos de interesse, humor, sexo, idade. Levar esses parâmetro do mundo real para o mundo simulado é um desafio que tem sido atacado pelos principais simuladores de rede [9].

Além dos parâmetro de micro-mobilidade, que estão relacionados com o comporta-mento individual de cada ve´ıculo, modelos de mobilidade têm que lidar com parâmetros de macro-mobilidade. Tais parâmetros descrevem o comportamento de um grupo de ve´ıculos, como por exemplo a densidade dos ve´ıculos, a velocidade média de viagem, os pontos de interesse aos quais o maior fluxo tente a convergir, dentre outros.

5.2.1 Modelos de mobilidade

Cada modelo de mobilidade tem suas caracter´ısticas espec´ıficas, podendo ser aplicado em determinado cenário ou não. Para entendermos melhor como os modelos de mobilidade se comportam e como esses parâmetros afetam nos resultados, será apresentado uma breve descri¸cão de alguns dos modelos presentes nos simuladores de VANTEs, uma lista mais exaustiva pode se encontrada em [5-8].

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um outro ponto escolhido aleatoriamente dentro da área de simula¸cão. Então o nó aguarda um novo tempo de espera e viaja até um novo ponto escolhido alea-toriamente. Esse processo se repete durante toda a simula¸cão. Existem algumas varia¸cões desse modelo que tentam tornar o ambiente um pouco mais real, como por exemplo a inser¸cão de velocidade média para os ve´ıculos viajarem entre os pontos ou ainda a inser¸cão de pontos de interesse, aos quais tendem ter maior fluxo de ve´ıculos. Porém, o Random-Waypoint não considera o uso de nenhum parâmetro real, e a mobilidade é completamente aleatória, o que não corresponde a realidade, pois ve´ıculos devem respeitar os limites de estradas e rodovias.

(b) Grid de Manhattan: Proposto por [12], no Grid de Manhattan o cenário é dividido em quadrados, lembrando os quarteirões de uma cidade planejada. Inicialmente os nós são distribu´ıdos pelo cenário de forma aleatória, depois cada nó escolhe a dire¸cão em que ele deve viajar, e vai até o outro ponto a uma velocidade constante. Ao alcan¸car um cruzamento, o nó escolhe aleatoriamente uma nova dire¸cão pela qual ele seguirá com uma velocidade diferente, (também escolhida aleatoriamente). Essa dire¸cão, geralmente é distribu´ıda como sendo, 50% de probabilidade do ve´ıculo seguir em linha reta, e 25% de probabilidade do ve´ıculo virar para qualquer um dos lados (direita ou esquerda).

(c) Cluster de Voronoi: Segundo [13], várias cidades não crescem de forma planeja-das, fazendo com que as ruas formem um grafo complexo que se assemelha ao Diagrama de Voronoi (Figura 5.1). Por esse motivo, nesse modelo de mobilidade a disposi¸cão das ruas são representadas por um Diagrama de Voronoi. Os ve´ıculos são distribu´ıdos uniformemente pela área da simula¸cão e se move em uma velo-cidade inicial escolhida entre 0 e a velovelo-cidade máxima predefinida. Quando o nó esbarra em uma borda, que representa as constru¸cões às margens da via, ele con-tinua o movimento seguindo o ângulo de reflexão, quando acontece a refra¸cão o movimento do nó é espelhado. Em algum instante o nó interrompe o movimento e aguarda por um momento de pausa, também predefinido, ao decorrer de tal tempo, o nó volta a se movimentar em um novo ângulo e uma nova velocidade.