Multicast em redes emalhadas : novas métricas de routing e suporte eficiente de mobilidade de terminais

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Multicast em redes emalhadas 802.11:

novas métricas de routing e suporte eficiente de

mobilidade de terminais

Luís Miguel Pinto Martins

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Dissertação/Relatório de Projecto realizada(o) no âmbito do

Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Major Telecomunicações

Orientador: Prof. Dr. José Ruela

Co-orientador: Eng. Rui Campos

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Resumo

O acesso ubíquo e sem fios à Internet é actualmente um requisito fundamental para os utilizadores finais. Neste contexto, a tecnologia 802.11 tem-se assumido como uma das principais tecnologias de acesso sem fios. As redes emalhadas 802.11 são encaradas como solução para aumentar a cobertura 802.11 de forma flexível e eficiente economicamente, de forma a responder à crescente procura de acessos 802.11. Recentemente têm sido propostas soluções para a criação automática de redes emalhadas 802.11, com especial destaque para a tecnologia IEEE 802.11s, ainda em fase de pré-ratificação. No entanto, as soluções até agora propostas têm endereçado fundamentalmente o tráfego unicast, sendo o tratamento do tráfego multicast feito de forma ineficiente. A solução WiFIX+ foi proposta recentemente no sentido de ultrapassar algumas destas limitações. No entanto, apesar de mais eficiente do que as soluções até aí propostas no que diz respeito à difusão de tráfego multicast, o suporte de mobilidade de terminais conduz, em certos casos, a tempos de reaquisição de fluxo multicast elevados e a métrica de routing usada é comum ao tráfego unicast e multicast. No âmbito desta proposta de Dissertação pretende-se implementar uma nova solução para a difusão de tráfego multicast em redes emalhadas 802.11 com suporte eficiente de mobilidade e considerando novas métricas de routing multicast.

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Índice

Resumo ... iii

Índice ... v

Abreviaturas e Símbolos ... vi

Capítulo 1 ... 1

Capítulo 2 ... 2

2.2 - Protocolos de routing multicast ... 3

2.3 - Gestão de Mobilidade ... 3

Capítulo 3 ... 5

Capítulo 4 ... 6

Referências ... 7

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Abreviaturas e Símbolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabética)

AP Access Point

ATCM Active Topology Creation and Maintenance WiFiX+ Wi-Fi Network Infrastructure Extension Plus

MAP Mesh Access Point

Eo11 Ethernet-over-802.11

Capítulo 1

Introdução

Hoje em dia com a proliferação de terminais móveis com acesso à Internet e a diversificação dos elementos multimédia disponíveis ao utilizador (videoconferências, streaming em directo, etc), acentuou a importância do uso de tráfego multicast como método de entrega desses conteúdos. Mas existem problemas inerentes ao uso desse método, tal como a gestão eficiente dos recursos das redes. Isso é evidente em redes emalhadas, pois é necessário ter um mecanismo de gestão da rede que permita a escalabilidade e permita fazer transições rápidas dos fluxos entre os APs da rede, para que o utilizador não se aperceba da transição das áreas de cobertura destes.

Para resolver esse problema foram apresentadas soluções como o WiFiX+, que criam topologias em árvore, sem loops, da rede, mas não resolvem completamente o problema das transições entre APs de uma forma rápida.

A solução proposta terá como objectivo resolver esse problema em particular.

Este documento está dividido em 4 partes. O capitulo 2 apresenta o estado da arte actual, o capitulo 3 apresenta a proposta, e no capitulo 4 é apresentada a conclusão.

Capítulo 2

Estado da Arte

Para esta dissertação foram pesquisadas várias soluções existentes que pretendem resolver problemas relacionados com este trabalho. Estes protocolos descrevem na sua maioria o funcionamento para redes Ah-doc.

2.1 - WiFiX+

A solução que será usada como comparação será o WiFiX+. Esta proposta que é aplicável em redes emalhadas, cria uma topologia em árvore, sem loops, usando um mecanismo próprio (ATCM). Nesta configuração cada MAP cria túneis virtuais, chamados Eo11, com os vizinhos explicitados na árvore, criando assim ligações unicast. Para a gestão de tráfego multicast, é um usado um método chamado “SMob”, ou seja, o tráfego multicast será enviado apenas aos nós que o peçam, e quando o terminal se move para outro MAP, é usada a técnica de DHCP snooping, ou seja, quando o terminal tenta renovar o IP no novo MAP, caso o IP esteja associado a um MAP diferente é feita uma pergunta ao terminal obrigando-o a renovar a inscrição aos grupos multicast que pretende receber. Desta forma não é necessário alterar o terminal de nenhuma forma para ter este método a funcionar, embora apresente atrasos significativos na reaquisição do fluxo na mobilidade entre terminais.

2.2 - Protocolos de routing multicast

Os protocolos de routing multicast supoêm dois tipos de topologias diferentes: tree-based ou mesh-based. Além disso cada protocolo pode ser pró-activo ou reactivo. Em [2] [3] são propostos que criam topologias mesh-based, enquanto em [4] [5] [6] são usadas topologias tree-based.

Em [2] foi introduzido um dos primeiros protocolos mesh-based, que pretende mostrar as vantagens face a protocolos tree-based em cenários onde existe mobilidade frequente dos nós. Como em redes mesh, em princípio, existem vários caminhos para um mesmo nó a topologia não sofre tantas alterações, o que leva a uma diminuição do tráfego de controlo. Já em [3] é descrito o “ODMRP – On-Demand Multicast Routing Protocol”, que pretende diminuir o overhead e melhorar a escalabilidade comparado a redes tree-based, usando o conceito de forwarding group descrito em [7], ou seja, um grupo de nós que está encarregue de encaminhar o tráfego de um grupo multicast em particular, de tal forma que o caminho entre a fonte e o receptor corresponde sempre ao caminho mínimo. Na sua versão original não foi considerada a mobilidade, embora tenham sido propostas melhorias ao protocolo nesse sentido (ver [8]). Para [4], “RTMP – Reliable Multicast Transport Protocol” foi proposto um protocolo de entrega fiável de tráfego multicast, separando a rede em regiões/domínios locais, onde cada tem um responsável pelo processamento das respostas dos receptores dessa região, e retransmissões caso seja necessário. Infelizmente esta solução está pensada para redes quase estáticas.

Em [5] é descrita a solução “ADMR – Adaptive Demand-Driven Multicast Routing in Multi-Hop Wireless Ad Hoc Networks” que contempla a mobilidade frequente dos terminais, embora o principal objectivo seja reduzir ao máximo o tráfego de controlo do protocolo. Como é tree—based caso exista mobilidade excessiva dos terminais, foi implementado um mecanismo de flooding temporário.

Já em [6] é introduzido um protocolo leve, simples e que melhora a escalabilidade do CBT – Core Based Tree (ver [9]). Tal como em [5], é reactivo pois só difunde mensagens de controlo quando existem alterações na rede.

2.3 - Gestão de Mobilidade

Em [10] são discutidas algumas alternativas para a implementação de mobilidade em redes mesh. Dessas, as propostas mais interessantes para este cenário são a [11] [12] [13] e [14]. Em [11] é proposto o mecanismo “Mesh Mobility Management” que identifica três tipos de dispositivos, gateways, routers superiores e access points. A mobilidade é gerida pelos routers superiores, que guardam e gerem a localização dos terminais, além de processarem os pacotes para cada terminal (acrescentando 1 header por cada AP que terão de percorrer até ao AP final).

Em [12] é apresentado o “SMesh”, que apresenta um único IP global como endereço da gateway,e introduz os conceitos de Client Control Group e Data Control Group, que consistem em APs adjacentes e o AP com melhor sinal, respectivamente. Quando

4 Introdução

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um terminal transita entre ARs, apenas o endereço MAC do terminal é mudado, e é uma alteração gerida pelo AP do seu Data Group.

Já em [13] são descritos 2 mecanismos de cache, sendo que um propõe cache nos ARs no caminho entre o gateway e o AP final, enquanto o segundo propõe caching de todos os pacotes que sejam enviados para o AP final em todos os ARs adjacentes, através do modo promíscuo.

Finalmente em [14] são apresentadas melhorias no handoff a nível MAC, através do mecanismo “BASH – backhaul-aided seamless handoff scheme for wireless mesh networks”. É criado um canal directo para os terminais acederem ao núcleo da rede, e portanto quando um terminal quer mudar de AP envia uma mensagem nesse canal. A partir daí o velho AP escolhe o novo AP e envia a resposta ao terminal. Isso torna o handoff a nível MAC bastante mais rápido.

Infelizmente em todas estas alternativas existem desvantagens, pois em [11] existe uma hierarquização que introduz um atraso considerável. Em [12] é introduzida complexidade desnecessária para o caso que se pretende analizar e em [13] os mecanismos de caching não permitem uma boa escalabilidade da solução. Por fim, em [14] existem problemas com a diminuição da largura de banda devido ao canal dedicado, e caso a velocidade do terminal seja bastante elevada, a resposta pode não chegar a tempo e o terminal perde conectividade.

Capítulo 3

Solução Proposta

Embora a solução proposta ainda não esteja definida, já é possível identificar o caminho a seguir: em primeiro lugar como a proposta deve funcionar sobre WiFiX+, a topologia da rede será tree-based. Esta é melhor solução visto que a rede mesh será quase estática se não incluirmos os terminais, ou seja, os nós da periferia da rede. E em segundo lugar, o handoff deve ser implementado em nível 3 para reduzir ao mínimo o impacto da solução WiFiX+.

Capítulo 4

Conclusão

A área de mobilidade em redes mesh ainda não está bem definida, pois nenhuns dos casos apresentados aqui apresentam uma solução simples e escalável. Dessa forma, neste trabalho pretendem-se demonstrar que essa solução existe e é implementável. Isso deverá ser comprovado com o trabalho a ser realizado no próximo semestre.

Referências

[1] R. Campos, C. Oliveira, J. Ruela, WiFIX+: A Multicast Solution for 802.11-based Wireless Mesh Network, 2010

[2] J.J.Garcia-Luna-Aceves and Ewerton L. Madruga, A Multicast Routing Protocol for Ad-Hoc Networks,

[3] Sung-Ju Lee, William Su, Mario Gerla, On-Demand Multicast Routing Protocol in Multihop, Kluwer Academic Publishers, Mobile Networks and Applications (Volume 7 Issue 6), 2002 [4] Sanjoy Paul and Krishan K. Sabnani, Reliable Multicast Transport Protocol

[5] Jorjeta G. Jetcheva and David B. Johnson, Adaptive Demand-Driven Multicast Routing in Multi-Hop Wireless Ad Hoc Networks

[6] Lusheng Ji and M. Scott Corson, A Lightweight Adaptive Multicast Algorithm

[7] C.-C. Chiang, M. Gerla and L. Zhang, “Forwarding Group Multicast Protocol (FGMP) for Multihop, Mobile Networks”, Baltzer Cluster Computing, vol. 1, no. 2, 1998, pp.187-196 [8] E. Baburaj, and V. Vasudevan, An Intelligent On Demand Multicast Routing Protocol for

MANETs,

[9] A. Ballardie, “Core Based Trees (CBT) Multicast Routing Arquitecture”, RFC2201, Setember 1997

[10] Z. Zhang, Richard W. Pazzi and A. Boukerche, Mobility Management Protocols for Wireless Mesh Networks

[11] R. Huang, C. Zhang, and Y. Fang, A mobility management scheme for wireless mesh networks, In IEEE Global Telecommunications Conference, pages 5092-5096, November 2007

[12] Y. Amir, C. Danilov, M. Hilsdale, R. Musaloiu-Elefteri, and N. Rivera, Fast Handoff for seamless wireless mesh networks, In Proceedings of the 4th _{international conference of}

Mobile systems, applications and services, pages 83-95, June 2006

[13] H.-Y. Wei, S. Kim. S. Ganguly, and R. Izmailov, Seamless handoff support in wireless mesh networks, In 1st _{Workshop on Operator-Assisted (Wireless Mesh) Community}

Networks, pages 1-8, September 2006

[14] Y. He and D. Perkins, BASH: A backhaul-aided seamless handoff scheme for wireless mesh networks, In International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks, pages 1-8, June 2008