Contribution a los modelos de gestión de las redes móviles Ad hoc

Doctorado ConjuntoUniversidad Politécnica de Madrid, Universidad Técnica Particular de Loja

España-Ecuador

Contribución a los modelos de gestiónde las redes móviles Ad Hoc

Rommel [email protected]

Julio 2012

Director: Dr. Luis Mengual Galán

Agenda

• Introducción • Gestión de redes móviles Ad Hoc• Modelo de gestión para redes móviles Ad Hoc• Validación• Conclusiones

Estado de la cuestión

Contribución

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Antecedentes Nodos móviles sin estación fija.

Protocolos normales debe ser mejorados

Las redes móviles son producto de dispositivos cada vez más potentes y con mayores prestaciones, más procesamiento y autonomía

Tendencias 2011 ( 31% de móviles vendidos son smartphones que representa 7.8 % población mundial)* Ubicuidad

Capacidad de crear redes temporales, con capacidad de movimiento - MANET

Introducción

MANET: Mobile Ad Hoc Networks* Gartner consulting

Antecedentes

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Importancia de la gestión

Escenarios en los cuales son necesarios y útiles.

Ayuda en toma de decisiones

En dichos escenarios es importante una gestión adecuada por lo que involucra

Gestión flexible, que no cause sobre carga en los nodos y en la red

Introducción Importancia de la gestión

4

Agenda


5

Enrutamiento en redes moviles Ad Hoc

Existe un solo dominio de difusión

Debido al rango de cobertura (100 m estándar wifi) se debe crear las estrategias para enrutar los paquetes dentro de la red Ad Hoc

Se puede decir que es una subcapa del nivel IP de la arquitectura TCP/IP

Gestión de redes móviles Redes Ad Hoc

6

Enrutamiento en redes moviles Ad Hoc Proactivo. DSDV Reactivo. AODV Enrutamiento jerárquico

Creación del cluster: elección del jefe de cluster, creación del backbone. CBRP

Mantenimiento de rutas: del cluster y del backbone

Enrutamiento. Manejo de errores

Gestión de redes móviles Redes Ad Hoc

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DSDV: Destination-Sequenced Distance VectorAODV: Ad hoc On-Demand Vector protocolCBRP: Cluster based routing protocol

Gestión de red

Gestión de Red (maximizar disponibilidad y eficiencia)

Colección, procesamiento, análisis, corrección de errores

Áreas ISO - FACPS (Fault, accounting, configuration, performance, security)

Gestión de redes estándar (SNMP), no apta por la movilidad de los nodos

Gestión de redes móviles Gestión de red

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ISO: International Organization for StandardizationSNMP: Simple Network Management Protocol

Gestión para redes móviles Ad Hoc

• Movilidad y temporalidad de la red y de los nodos.• Nodos heterogéneos• Por los cambios constantes de los nodos (en estado y

ubicación) la gestión puede generar más tráfico y por lo tanto consumir más energía (Baterías)

• Particiones y fusiones en la red• Inestabilidad del enlace puede confundirse con movilidad• Tolerancia a fallos (mejorar la disponibilidad)

9

Gestión de redes móviles Gestión para redes Ad Hoc

Enfoques para la gestión de redes móviles Ad Hoc

Adhoc Network Management Protocol (ANMP) propuesto por Nitin

Sistema de gestión basado en políticas que toma el nombre del programa DRAMA(Dynamic Re-Addressing and Management for the Army) propuesto por Chadha

Guerrilla propuesta por Shen

Hywinmarc (HYbrid WIreless Network Management ARChitecture) propuesta por Chaudry

Gestión de redes móviles Enfoques para la gestión

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Planteamiento del problema y objetivos de la tesisPara mejorar la disponibilidad y eficiencia de la red

¿Cuál es la estrategia de encaminamiento adecuada ? Optimización transversal

¿Cuál es el flujo de información de gestión que se ajuste a las redes móviles Ad Hoc?

Autoregulación (no administrador) Los sistemas de gestión propuestos al momento ven la gestión en forma

aislada ¿Qué nodo(s) debe(n) encargarse de la gestión ?

Objetivo Mejorar disponibilidad y eficiencia de la red Ad Hoc a través la gestión de

redes mediante el diseño de un modelo de gestión. Redundancia de los dispositivos más importantes Selección de nodos con mejores carácterísticas para la responsabilidad

de gestión Se propone HAMAN y BCHP

Gestión de redes móviles Planteamiento del problema

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HAMAN: High Availability Management Ad Hoc NetworksBCHP: Backup Cluster Head Protocol

Agenda


12

Componentes para HAMANHAMAN Modelo de gestión propuesto Componentes

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Haman: High Availability Management Ad Hoc Networks

Definición de NodoHAMAN Modelo de gestión propuesto Definición del nodo

14

JC: Jefe de clusterJCR: JC de respaldoSA: Servidor de AdministraciónSAR: SA de respaldo

NM: Nodo manejadoNP: Nodo puenteBCHP: Backup cluster Head ProtocolMIB: Management information base

Niveles e interfacesHAMAN Modelo de gestión propuesto Niveles e interfaces

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JC: Jefe de clusterJCR: JC de respaldoSA: Servidor de Administración

SAR: SA de respaldoNM: Nodo manejado

Máquina de estados HAMAN Modelo de gestión propuesto Máquina de estados del nodo

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NM: Nodo manejadoUN: Sin estado definido

Pérdida del JC y JCRHAMAN Modelo de gestión propuesto Mantenimiento de la topología

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Perdida del JC (SA)

Perdida del JCR (SAR)


ContenciónHAMAN Modelo de gestión propuesto Mantenimiento de la topología

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Contención

JC: Jefe de clusterJCR: JC de respaldoNM: Nodo manejado

BCHP especificación

• Backup Cluster Head Protocol (BCHP) es el protocolo de enrutamiento jerárquico parte del modelo de gestión HAMAN que se ha desarrollado y se ha implementado

• BCHP apoya en la distribución de la información de gestión y del enrutamiento

• Implementa las funciones de creación del cluster, elección del Jefe de Cluster y del Jefe de cluster de Respaldo

• Implementado en la herramienta de simulación Network Simulator en la versión 2.34

• Es una solución adecuada para la gestión de redes MANET por usar una estrategia cross-layer (Transversal)

19

HAMAN Modelo de gestión propuesto BCHP especificación

Agenda


20

Validación del modelo• Desarrollo en C++ el protocolo

BCHP en Network Simulator 2 (NS2)

• Validación a través de simulación– Enfocarse en las características

del objeto de simulación.• Comparación con CBRP y

AODV

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Validación Validación del modelo

BCHP: Backup Cluster Head ProtocolAODV: Ad hoc On-Demand Vector protocolCBRP: Cluster based routing protocol

Parámetros de las simulaciones en NS2

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Validación Parámetros de las simulaciones en NS2

Parámetros Valores

Área de simulación 600m x 500m

Modelo de movilidad Random way point

Cantidad de nodos 25, 40, 60, 90

Cantidad de conexiones 20

Tiempo de simulación 100 segundos

Protocolos de enrutamientio Ad Hoc BCHP, CBRP, AODV

Protocolos de la capa de transporte Orientado y no orientado a la conexión

Tipo de antena Omnidireccional


Indicadores

• Mejorar la disponibilidad y eficiencia de una red

• Eficiencia

– Paquetes perdidos: Cantidad de paquetes perdidos– Variación de retardo (jitter)– Retardo promedio: Latencia extremo a extremo

• Disponibilidad– Tasa de envío de paquetes: Promedio de datos

transmitidos/Promedio de datos entregados

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Validación Indicadores

Pérdida de paquetes

24

Validación Pérdida de paquetes

BCHP: Backup Cluster Head ProtocolAODV: Ad hoc On-Demand Vector protocolCBRP: Cluster based routing protocolAODV (25 nodos)

CBRP (25 nodos)

BCHP (25 nodos)

AODV (40 nodos)

CBRP (40 nodos)

BCHP (40 nodos)

AODV (60 nodos)

CBRP (60 nodos)

BCHP (60 nodos)

AODV (90 nodos)

CBRP (90 nodos)

BCHP (90 nodos)

0 10 20 30 40 50 60 70

Tráfico no orientado a la conexión

Borrado por ARPFalla a nivel capa enlaceTiempo de vida expiradoNo hay ruta

Pérdida de paquetes tanto de enrutamiento como de aplicación

Paquetes

Pérdida de paquetes

25

Validación Pérdida de paquetes


AODV (25 nodos)

CBRP (25 nodos)

BCHP (25 nodos)

AODV (40 nodos)

CBRP (40 nodos)

BCHP (40 nodos)

AODV (60 nodos)

CBRP (60 nodos)

BCHP (60 nodos)

AODV (90 nodos)

CBRP (90 nodos)

BCHP (90 nodos)

0 50 100 150 200 250 300 350

Tráfico orientado a la conexión

Borrado por ARPFalla a nivel capa enlaceTiempo de vida expiradoNo hay ruta

Pérdida de paquetes tanto de enrutamiento como de aplicación

Paquetes

Variación del retardo (jitter)

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Validación Variacion del retardo promedio


La variación en el tiempo en la llegada de los paquetes, causada por las diferentes rutas seguidas por los paquetes para llegar al destino

AODV (25 nodos)

CBRP (25 nodos)

BCHP (25 nodos)

AODV (40 nodos)

CBRP (40 nodos)

BCHP (40 nodos)

AODV (60 nodos)

CBRP (60 nodos)

BCHP (60 nodos)

AODV (90 nodos)

CBRP (90 nodos)

BCHP (90 nodos)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Promedio de variación de retardo del paqueteTráfico no orientado a la conexión

tiempo

Variación del retardo (jitter) cont…

27

Validación Variacion del retardo promedio


AODV (25 nodos)

CBRP (25 nodos)

BCHP (25 nodos)

AODV (40 nodos)

CBRP (40 nodos)

BCHP (40 nodos)

AODV (60 nodos)

CBRP (60 nodos)

BCHP (60 nodos)

AODV (90 nodos)

CBRP (90 nodos)

BCHP (90 nodos)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

Promedio de variación de retardo del paqueteTráfico orientado a la conexión

tiempo

Tasa de envío de paquetes

28

Validación Tasa de envío de paquetes


AODV (25 nodos)

CBRP (25 nodos)

BCHP (25 nodos)

AODV (40 nodos)

CBRP (40 nodos)

BCHP (40 nodos)

AODV (60 nodos)

CBRP (60 nodos)

BCHP (60 nodos)

AODV (90 nodos)

CBRP (90 nodos)

BCHP (90 nodos)

0 5 10 15 20 25 30

Tasa promedio de paquetes enviadosTráfico no orientado a la conexión Env/Rec

Mas bajo mejorMás información de enrutamiento en protocolos jerárquicos que se concentra en el cluster

Paquetes

Tasa de envío de paquetes, cont …

29

Validación Tasa de envío de paquetes


AODV (25 nodos)

CBRP (25 nodos)

BCHP (25 nodos)

AODV (40 nodos)

CBRP (40 nodos)

BCHP (40 nodos)

AODV (60 nodos)

CBRP (60 nodos)

BCHP (60 nodos)

AODV (90 nodos)

CBRP (90 nodos)

BCHP (90 nodos)

0 1 2 3 4 5 6 7

Tasa promedio de paquetes enviadosTráfico orientado a la conexión Env/Rec

Paquetes

Retardo promedio

30

Validación Retardo promedio


AODV (25 nodos)

CBRP (25 nodos)

BCHP (25 nodos)

AODV (40 nodos)

CBRP (40 nodos)

BCHP (40 nodos)

AODV (60 nodos)

CBRP (60 nodos)

BCHP (60 nodos)

AODV (90 nodos)

CBRP (90 nodos)

BCHP (90 nodos)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

Retardo promedio extremo a extremo Tráfico no orientado a la conexión

tiempo

Agenda


31

Conclusiones

1. HAMAN el modelo de gestión que hemos propuesto mejora la disponibilidad y convergencia de la red comparado con los protocolos AODV y CBRP

2. El protocolo propuesto como parte de HAMAN, Backup Cluster Head Protocol (BCHP) funciona mejor que AODV y CBRP para el enrutamiento y consecuentemente para la distribución de la información de gestión

3. La inclusión de un Jefe de Cluster de Respaldo (JCR) en BCHP, permite que la información de la red este disponible la mayor parte del tiempo debido a que no hay pérdida de paquetes

4. BCHP es más estable que AODV y CBRP

Conclusiones

32

Conclusiones

Líneas futurasConclusiones

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Líneas futuras

La implementación de políticas y la inteligencia a la administración de la red

Se puede mejorar el protocolo de enrutamiento BCHP con la

incorporación de un comportamiento proactivo del Jefe de Cluster de Respaldo respetando límites de uso de los recursos del Jefe de Cluster

La implementación del protocolo en dispositivos reales para contrastar con los resultado obtenidos

Esta investigación puede servir para generar aplicaciones aplicables a problemas reales (Aplicabilidad)

Aportaciones de la tesis doctoral• La propuesta de un modelo de gestión de cuatro niveles para

redes móviles Ad Hoc denominado High Availability Management Ad hoc Networks (HAMAN)

• La mejora de la gestión de redes MANET a través de la inclusión de un Servidor de Administración de Respaldo.

• La mejora del enrutamiento jerárquico mediante la inclusión de un nodo Jefe de Cluster de Respaldo

• La implementación de un nuevo protocolo en el simulador NS2

• Se determinó que para que los esfuerzos mas significativos deben enfocarse en la subcapa de red Ad Hoc. En una estrategia transversal entre capas. Ejemplo

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Conclusiones Aportaciones de la tesis doctoral

Preguntas ?

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Publicaciones derivadasJournals (JCR)

• Torres Rommel et al. A management Ad Hoc networks model for rescue and emergency scenarios. ESWA. Impact Factor 2.20 (Q1).

• Torres Rommel et al. Unmarked Point and Adjacency Vertex, mobility models for the generation of emergency and rescue scenarios in urban areas. AHSN. Impact Factor 0.3. (In review since jan 2012)

Congresos Internacionales• Quiñonez Manuel, Torres Rommel. Energy Efficiency Comparison of Routing Protocols for

MANETs in Emergency Scenaries. HPCS. Madrid. CORE B• Enciso Liliana, Torres Rommel, Mengual Luis. Analysis of Ad Hoc Routing Protocols for

emergency and rescue scenarios.WEBIST. Portugal. CORE C• Torres Rommel et al. Improving availability of mobile networks using a cluster routing protocol

with redundant cluster head. TACS 2012. EEUU.• Torres Rommel, García Jesús. Evaluating TCP in Ad Hod mobile Networks. IEEE Latincom

2009. Colombia.• Torres Rommel. Contribución a la Gestión de Redes Móviles AdHoc. CISTI 2010. España• Torres Rommel et al. Evaluación efectiva de TCP en Redes Inalámbricas Ad Hoc. CISTI’2009.

Portugal

Conclusiones

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Publicaciones derivadas

Doctorado ConjuntoUniversidad Politécnica de Madrid, Universidad Técnica Particular de Loja

España-Ecuador

Contribución a los modelos de gestiónde las redes móviles Ad Hoc

Rommel [email protected]

Julio 2012

Director: Dr. Luis Mengual Galan

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