Ligia Rodrigues Prete1, Ailton Akira Shinoda 2
1 Faculdade de Tecnologia de Jales, Centro Paula Souza, Jales, Brasil, ligiaprete@gmail.com
2 Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista – UNESP, Ilha Solteira, Brasil, shinoda@dee.feis.unesp.br
Resumo: Este trabalho aborda o estudo de um cenário proposto para análise do comportamento de redes mistas, fazendo uso de métodos computacionais. As métricas de modelagem consideradas no trabalho foram à movimentação dos nós sem fio e à comparação média de vazão quando ocorre o aumento de nós móveis na rede.
Palavras-chave: Redes, simulador, vazão. 1. INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, tem-se observado um interesse crescente nas tecnologias relacionadas à ambientes de comunicação móvel sem fio. Em grande parte, esse interesse vem acompanhando o crescimento do mercado de telecomunicações, mais especificamente dos sistemas de telefonia móvel celular.
Ao mesmo tempo em que a mobilidade é apresentada como uma característica desejável e, em alguns casos, necessária, ela traz consigo uma série de dificuldades não enfrentadas em ambientes fixos. Dentre esses novos desafios, podem-se mencionar [1]: a qualidade da transmissão do meio sem fio; os recursos escassos de largura de banda; a grande variabilidade da qualidade do enlace, o que provoca desconexões frequentes; restrições no consumo de energia; o custo da conexão; questões relativas à segurança; e o gerenciamento de localização, ou seja, a própria mobilidade [2].
O suporte à mobilidade em estações e roteadores há algum tempo vem ganhando a atenção de diversos grupos de pesquisa. Em especial, podem-se destacar os trabalhos do IETF (Internet Engineer Task Force) na especificação do protocolo IP (Internet Protocol) Móvel [3-4]. A proposta desse protocolo, no entanto, concentra-se na determinação da alcançabilidade de nós móveis e na entrega de datagramas IP endereçados a esses nós no modo de melhor esforço, da mesma forma como é feito com os nós fixos.
Segundo o grupo de estudo 802.11 do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), as redes móveis podem ser classificadas como independente caso das redes ad hoc (chamadas pelo IETF de MANET - Mobile Ad hoc NETwork) ou infraestruturadas [5].
Uma rede é dita infraestruturada quando a comunicação da estação móvel se dá sempre com uma estação base, que fornece suporte à mobilidade.
Mesmo a comunicação entre duas estações móveis que estejam a uma distância que permita uma eventual
comunicação direta deve ser efetuada através da estação base. Já em redes ad hoc, a comunicação é feita diretamente entre as estações móveis, requisitando-se o serviço de outras estações móveis vizinhas quando o destino não estiver diretamente alcançável. Normalmente, nesse tipo de rede, a estação base não é considerada, ou então é tratada como sendo mais uma estação móvel.
Uma rede ad hoc é um sistema autônomo constituído por nós móveis conectados através de enlaces sem fio. Os nós se movem de forma aleatória, organizando-se arbitrariamente; portanto, a topologia da rede pode mudar de forma rápida e imprevisível. Por serem descentralizadas, as redes ad hoc exigem uma maior complexidade em cada nó para que funções relacionadas à descoberta da topologia e ao encaminhamento de mensagens, entre outras, possam ser executadas [5].
Diante da carência de recursos para se criar laboratórios de redes de computadores bem estruturados, diversos segmentos acadêmicos têm optado por testes e validação de propostas através de técnicas alternativas de avaliação de desempenho a custos reduzidos empregando simulações [6]. O Network Simulator tem sido uma opção para pesquisadores de protocolos de redes, por ser amplamente utilizado em testes e estudos, sendo considerado um simulador confiável, possuindo ferramentas de análises, animações e ser gratuito.
Este artigo está dividido da seguinte forma: na seção 2 é apresentado o objetivo deste trabalho. A seção 3 mostra o método da modelagem de rede e as condições de contorno empregadas nas simulações. Na seção 4 são apresentados os resultados obtidos em função do cenário proposto. A seção 5 analisa os resultados obtidos comparados com outros autores, discutindo as vantagens e limitações da solução proposta. Por fim, a seção 6 apresenta a conclusão.
2. OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é realizar uma análise do desempenho de uma rede mista (com e sem fio) em uma avenida com uma distância de 2000 metros. Contudo, para que uma avaliação seja realizada, é importante considerar a movimentação dos nós durante a análise. Em virtude disso, foi feito um estudo sobre a mobilidade dos nós sem fio em um cenário proposto.
Comportamento do Escalonamento de Redes Infraestruturada Através de Métodos Computacionais Ligia Rodrigues Prete, Ailton Akira Shinoda. 3. MÉTODO
Nesta seção será apresentado um cenário proposto de rede mista (com e sem fio) empregando o Network Simulator para simulação, a linguagem procedural interpretada AWK utilizada em scripts para extração das informações nos arquivos de saída e o Gnuplot para plotagem dos gráficos.
Com o intuito de auxiliar a realização de simulações com várias configurações de posição e movimento entre nós em uma rede sem fio, a equipe do Projeto Monarch desenvolveu o programa denominado setdest que está disponível juntamente com o Network Simulator [7]. A geração da posição e movimentação dos nós sem fio com este programa é bastante direta. Basta ter uma idéia de como se deseja modelar a rede a ser simulada e especificar as flags disponibilizadas pelo programa.
A Figura 1 mostra o cenário implementado para avaliar o comportamento da rede em função da mobilidade e vazão média na transmissão de dados em um ambiente externo. A topologia mista é composta por um nó cabeado W(0) conectado a seis estações base (BS1, BS2, BS3, BS4, BS5 e BS6) com uma distância de aproximadamente 2000 m. As estações bases são responsáveis pelo roteamento dos pacotes para os nós sem fio que pertencem à área de alcance de cada BS. A distância entre os nós sem fio na área de contorno da BS é de 200 m.
Em modelos de redes mistas é usado o endereçamento hierárquico a fim de rotear pacotes entre domínios com e sem fio. Na Figura 1 são criados 7 domínios, 1 domínio para rede cabeada (W0: 0.0.0) e 6 domínios para rede sem fio (BS1: 1.0.0, BS2: 2.0.0, BS3: 3.0.0, BS4: 4.0.0, BS5: 5.0.0 e BS6: 6.0.0). Assim como o domínio são definidos os endereçamentos para os clusters e nós de cada domínio. Por exemplo, o endereçamento hierárquico (domínio.cluster.nó) do nó n7 seria representado por 1.0.2, onde 1 é o domínio da rede sem fio, 0 é o cluster e 2 é o nó sem fio da rede.
A Tabela 1 apresenta os principais parâmetros do modelo de rede considerada na simulação de transmissão de dados em um ambiente externo.
Tabela 1. Parâmetros da rede modelada.
Parâmetro Valor
Canal WirelessChannel
Propagação TwoRayGround
Interface de rede Wireless Phy
Camada MAC 802_11
Tipo de fila DropTail
Camada de enlace LL
Modelo da antenna OmniAntenna
Número máximo de pacotes na fila 50 Número de nós sem fio 60 Protocolo de roteamento DSDV Área de cobertura (XxY) 2000 m x 200 m
Número de nós cabeado 1
Número de estações base 6
Taxa de transmissão 11 Mb
Tamanho dos pacotes 1023
Tipo de aplicação FTP
No Network Simulator, todo e qualquer protocolo de transporte é definido através de um agente. No esquema mostrado na Figura 1, temos dois agentes definidos. Um agente TCP (Transmission Control Protocol) anexado ao nó W(0) e outro agente de recepção (Sink) vinculado aos nós sem fio que empregam também o protocolo de roteamento sem fio DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), além disso, a aplicação associada entre o nó W(0) e os nós sem fio é o FTP (File Transfer Protocol). Os agentes de recepção servem para receber os pacotes enviados pelos protocolos de transporte. O agente Sink recebe os pacotes do protocolo TCP e gera os pacotes de reconhecimento ACKs (Acknowledgements). O protocolo pró-ativo DSDV mantém Figura 1. Topologia da rede
adequado a redes globais, já que este verifica se os dados são enviados de forma correta, na sequência apropriada e sem erros pela rede, garantindo a transmissão de pacotes. Um dos usos mais conhecidos do protocolo TCP é nas aplicações cibernéticas, como o SSH (Secure Shell -protocolo que permite a conexão com outro computador da rede), FTP (File Transfer Protocol - protocolo de transferência de arquivos), HTTP (Hypertext Transfer Protocol - Protocolo de Transferência de Hipertexto), entre outros. Por este motivo optou-se na utilização desse agente para a aplicação FTP na transmissão de dados em um ambiente externo nas simulações deste trabalho.
4. RESULTADOS
Os resultados apresentados a seguir correspondem a dois cenários analisados em decorrência do desempenho no tráfego de pacotes em uma rede mista.
A amostragem das informações contidas nos gráficos foram extraídas do arquivo de saída gerado pelo Network Simulator que simula o desempenho de uma rede virtual a partir dos parâmetros de configuração de uma rede real.
O termo vazão apresentando nesta seção é definido como a razão (requisições por unidade de tempo) em que as
também ser medida em bytes por segundo (bps).
O estudo da vazão utilizado como métrica no modelo de rede da seção 3 compreende uma análise da razão entre a quantidade de dados que é transferida pela rede entre um nó de origem e um nó de destino e o tempo decorrido até que essa quantidade de dados seja totalmente transferida.
4.1 Primeiro cenário
No primeiro cenário é analisado o comportamento do nó sem fio N1 em função do tempo quando este se movimenta por uma avenida em um ambiente externo. Nota-se na Figura 2 o tempo em que N1 é roteado por cada estação base conforme a topologia da Figura 1. O nó N1 passa a se comunicar com a estação base na seguinte escala de tempo: de 0 a 67s (BS1), de 67 a 96s (BS2), de 96 a 127s (BS3), de 127 a 153s (BS4), de 153 a 192s (BS5) e de 192 a 250s (BS6). Nas BS1 e BS6 o tempo de comunicação é maior devido às estações bases se localizarem nas extremidades da avenida, onde o nó N1 possui uma área maior de comunicação, já que antes da BS1 e depois da BS6 não há outras estações bases para comunicação. Nas demais estações bases o tempo de comunicação se torna menor devido a curta distância entre elas, cerca de 150 metros para troca de roteamento.
Comportamento do Escalonamento de Redes Infraestruturada Através de Métodos Computacionais Ligia Rodrigues Prete, Ailton Akira Shinoda.
4.2 Segundo cenário
No segundo cenário foram analisados dois aspectos da simulação, no primeiro é avaliada a quantidade de nós sem fio conectados as estações bases em função do tempo quando estes se movimentam por uma avenida em um ambiente externo, conforme mostrado na Figura 3. No final da simulação observou-se o posicionamento dos nós sem fio com acúmulo gradativo de roteamento pela BS2, BS3 e principalmente BS4.
A movimentação dos nós sem fio gerado pelo programa setdest usa o algoritmo Random Waypoint (Ponto de Mudança de Rota) onde o nó fica parado em um local por um determinado tempo e logo se desloca para um novo local selecionado aleatoriamente com uma velocidade uniformemente distribuída. Quando o destino é alcançado, o nó pára novamente por um tempo determinado, e repete o processo selecionando um novo destino e velocidade, quando chega ao término da simulação é registrado no arquivo de saída a última posição do nó nas coordenadas x e y do terreno percorrido, onde é verificada qual estação base é responsável pela área em seu torno de roteamento.
Com essa característica de funcionamento do programa setdest os nós que estavam na BS1 se movimentaram todos para a BS2, não ficando nenhum nó sem fio se comunicando com a BS1, uma boa parte dos nós que estavam na BS2 se movimentaram para a BS3, vários nós da BS3 se movimentaram para a BS4 e poucos nós da BS4 se
deslocaram para a BS5 onde se registrou na BS4 o maior número de nós conectados no final da simulação. Vários nós que estavam na BS5 se deslocaram para a BS6 e poucos nós que estavam em torno da BS6 se deslocaram para outras BS, registrando um alto número de nós no seu alcance.
No segundo aspecto da simulação é analisado o comportamento da rede à medida que as mesmas escalonam, ou seja, quando se aumenta a quantidade de nós sem fio presentes e, proporcionalmente, a quantidade de nós comunicantes, conforme mostrado na Figura 4. A comparação apresentada é em virtude do aumento normalizado de nós sem fio a cada simulação.
Como todas as mensagens dos nós sem fio são destinadas para W(0) (gateway) há uma degradação no desempenho do sistema quando se aumenta o número de nós sem fio na rede, ocasionando perda de vazão e em alguns momentos descarte de pacotes.
5. DISCUSSÃO
De acordo com o projeto VINT (Virtual InterNetwork Testbed) citado por Satish Kumar [10], que estuda simulações de topologias com múltiplas redes com e sem fio, um nó móvel consegue se movimentar fora do seu domínio sem fio (estação base) e se comunicar com outro domínio da rede para troca de mensagens. Mark Greis [11] ilustra uma simulação de rede com dois domínios cabeados e dois domínios sem fio (estações base) onde um nó se movimenta entre os domínios. Este autor explica que quando há troca de mensagens os pacotes são encapsulados e encaminhados pela estação base inicial até a próxima estação base que desencapsula os pacotes e entrega ao nó móvel. Baseado no conceito do projeto VINT e na simulação simples estudada por Mark Greis o cenário proposto neste trabalho se torna mais complexo, pois simula uma rede em um ambiente externo com sessenta nós móveis sendo roteados por seis estações bases. A vantagem desta simulação é apresentar uma maior mobilidade dos nós sem fio em função do tempo e da distância, as limitações mostram que quando há um escalonamento na rede com vários nós se movimentando pode haver degradação na
vazão dos pacotes e, ainda, em períodos intercalares pode ocorrer o descarte de pacotes por não chegarem ao destino devido os nós não estarem registrados em uma estação base, ou seja, fora de um domínio.
6. CONCLUSÃO
Quando há necessidade de enviar dados para ambientes à longa distância onde à comunicação é inviável por meio de rede cabeada, uma alternativa é utilizar ambientes de redes mistas com e sem fio, como proposto na topologia deste trabalho.
O estudo do escalonamento de redes infraestruturadas é de fundamental importância para o futuro da aplicação dessas redes em ambientes diversos, quanto à necessidade crescente de comunicação que temos com a evolução natural da tecnologia, onde equipamentos antes destinados a uma única finalidade, como aparelhos celulares para telecomunicação, serem atualmente usados para os mais diversos fins, como acesso à Internet. Para que haja uma comunicação eficiente sem a necessidade de uma infraestrutura física, é importante que sejam feitos testes, inicialmente por meio de simulações, como os que foram realizados neste trabalho, principalmente pelo fator custo e
Comportamento do Escalonamento de Redes Infraestruturada Através de Métodos Computacionais Ligia Rodrigues Prete, Ailton Akira Shinoda. complexidade de gerenciamento ser bem menor que a
realização de testes com equipamentos reais.
Este trabalho apresentou um estudo de dois cenários de mobilidade, ambos desenvolvidos para redes infraestruturada. Fundamentado neste estudo pôde-se realizar uma avaliação de desempenho de vazão e perceber que há variação significativa de acordo com cada simulação de mobilidade usada.
Certamente uma das contribuições relevantes foi à medição do tempo de execução e consumo de recursos da máquina da simulação para as diferentes quantidades de nós nas redes simuladas.
O resultado das análises feitas em relação às métricas estudadas mostram claramente uma degradação da eficiência da rede com o escalonamento do número de nós, o que era esperado devido à necessidade de roteamento e aumento da interferência com o crescimento do número de transmissores.
REFERÊNCIAS
[1] D. A. T. Cavalcanti, K. L. Dias, D. Sadok, “Estudo dos Aspectos de QoS e Mobilidade no Planejamento de uma Rede Móvel Celular”, In: Workshop sobre Métodos e Serviços para Computação Móvel, São Paulo, Outubro de 2000.
[2] V. L. Santos, A. A. F. Loureiro, “Qualidade de Serviço em Computação Móvel”, In: 1º Workshop de Comunicação sem Fio (WCSF), Minas Gerais, Julho de 1999.
[3] C. E. Perkins, “Protocol Overview”, IP Mobility Support, RFC 2002, pp. 8-9, Outubro de 1996.
[4] J. Solomon, “Mobile IP Overview”, Mobile IP: The Internet Unplugged, pp. 48-57, Setembro 1997.
[5] IEEE, “Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. ANSI/IEEE Std 802.11”, Agosto de 1999.
[6] T. Vasques, “Simulação de Redes de Computadores Utilizando o Network Simulator”, In: XI Semana de Informática da Universidade Federal do Paraná, Paraná, Agosto de 2004.
[7] K. Fall, K. Varadhan, “Mobile Networking is NS”, The Network Simulator NS-2, pp. 144-170, Janeiro de 2009. [8] E. Altman, T. Jimenez, “Mobile Networks”, NS simulator for
beginners, pp. 111-130, Dezembro de 2003.
[9] R. Jain, “Introduction to Simulation”, The Art of Computer Systems Performance Analysis: Techniques for Experimental Design, Measurement, Simulation and Modeling, pp. 394-408, Abril de 1991.
[10] S. Kumar, “VINT Project Overview”, Virtual InterNetwork Testbed, pp. 2-3 Outubro de 1997.
[11] M. Greis, “Creating Wired-cum-Wireless and MobileIP Simulations in NS”, Network Simulator NS, pp.34-36, Abril de 1996.
