1 DESCUBRIMIENTO ADAPTATIVO DE PASARELAS EN REDES MANET CONECTADAS A INTERNET Antonio Jesús Yuste Delgado Directores: Alicia Triviño Cabrera Eduardo Casilari Pérez TESIS DOCTORAL UNIVERSIDAD DE MÁLAGA Málaga, 10 de abril de 2012 Índice 1. Introducción a las redes ad hoc 2. Integración de redes MANET en Internet 3. Caracterización del enlace hacia Internet 4. Aplicando la lógica difusa tipo II 5. Conclusiones y Líneas Futuras 2 de 46
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DESCUBRIMIENTO ADAPTATIVO DE
PASARELAS EN REDES MANET CONECTADAS A
INTERNET Antonio Jesús Yuste Delgado
Directores: Alicia Triviño Cabrera
Eduardo Casilari Pérez
TESIS DOCTORAL UNIVERSIDAD DE MÁLAGA
Málaga, 10 de abril de 2012
Índice
1. Introducción a las redes ad hoc
2. Integración de redes MANET en Internet
3. Caracterización del enlace hacia Internet
4. Aplicando la lógica difusa tipo II
5. Conclusiones y Líneas Futuras
2 de 46
2
1. Definición red ad hoc (1)
MANET: Mobile Ad hoc NETwork
1. Introducción a las redes ad hoc
Interconexión de equipos móviles que se han unido sólo y exclusivamente para este fin.
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de 46 4
Ejemplos de redes MANET
Redes personales (Wireless Personal Area Network, WPAN) Redes de vehículos (Vehicular Ad hoc Network, VANET) Redes de sensores inalámbricos móviles (Mobile Wireless
Falta de infraestructura central Topología dinámica Reparación automática de los enlaces Cooperación entre los nodos
Características generales
Alcance de transmisión limitado Dispositivos heterogéneos Recursos energéticos finitos Potencia de cálculo modesta Movilidad
Características de los nodos
Necesidad de protocolos específicos
5 de 46
1. Clasificación de protocolos MANET
Establecimiento de las rutas
Bajo demanda o reactivas (AODV, DSR) Los nodos empiezan los descubrimientos de rutas sólo cuando son necesarios. Preventivas o proactivas (OLSR ,TBRPF) Los nodos intercambian información con sus vecinos.
1. Introducción a las redes ad hoc 6 de 46
4
1. Introducción a las redes ad hoc
2. Integración de redes MANET en Internet
3. Caracterización del enlace hacia Internet
4. Aplicando la lógica difusa tipo II
5. Conclusiones y Líneas Futuras
7 de 46
2. Ejemplo de aplicación
2. Integración de redes MANET en Internet 8 de 46
5
2. Internet y MANET
Aplicaciones comerciales Extender redes inalámbricas Paradigma de la conectividad total
Necesidad de la integración
Movilidad de los nodos No aplicación de principios de la red fija Direcciones IP cambiantes Descubrimiento de pasarelas
3. Caracterización del enlace hacia Internet 19 de 46
1
3
3. Propuesta de reenvío MRA
Sólo reenvían los nodos con enlaces estables a Internet La estabilidad se basa en los tiempos de conectividad Es necesario definir las propiedades estadísticas de estos
tiempos Se compara con modelos estadísticos muy conocidos Se determina el tiempo de vida residual
te
3. Caracterización del enlace hacia Internet 20 de 46
tf 𝑡 = 𝑡𝑓 − 𝑡𝑒
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3. Características del escenario
3. Caracterización del enlace hacia Internet 21 de 46
Área de simulación 1500 x 300 m2
Tiempo de simulación 1000 s (100 s transitorio)
Protocolo ad hoc AODV
Patrón de movilidad Máxima velocidad: 2-10 m/s Tiempo de pausa:10 s Velocidad mínima:1 m/s
Tráfico de datos 5 fuentes VBR 50% actividad 38’4 kbps 320 bytes
Coordenadas pasarelas (0,150) m (1500,150) m
Modelos de Movilidad Random Waypoint Model Time-Variant Community Mobility
3. Comparativa RWP
Lognormal
Normal
Gamma
Weibull
Exponencial
Rayleigh
Binomial negativa
Geométrica
Pareto
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Test de Kolmogorov-Smirnov
3. Caracterización del enlace hacia Internet 22 de 46
Random WayPoint (RWP)
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3. Comparativa TVCM
Ajuste visual
3. Caracterización del enlace hacia Internet 23 de 46
Time-Variant Community Mobility (TVCM)
3. Cálculo MRL
Tiempo de vida residual o MRL (Mean Residual Lifetime)
𝑀𝑅𝐿 𝑎𝑔𝑒 = 𝐸 (𝐷𝐸 − 𝑎𝑔𝑒) 𝐷𝐸 > 𝑎𝑔𝑒
Como DE sigue una distribución logaritmo normal
𝑀𝑅𝐿 𝑎𝑔𝑒 = 𝜇 ∙ 𝑒𝜎2
2
1 + 𝑒𝑟𝑓𝜎2 − 𝑙𝑜𝑔
𝑎𝑔𝑒𝜇
𝜎 2
𝑒𝑟𝑓𝑐𝑙𝑜𝑔
𝑎𝑔𝑒𝜇
𝜎 2
3. Caracterización del enlace hacia Internet 24 de 46
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3. Aplicación en MANET híbridas
Restricción del reenvío de los paquetes
𝑀𝑅𝐿 𝑎𝑔𝑒 ≥ 𝑇
Sólo se anuncian los enlaces más estables Disminuye el número de mensajes de control totales Disminuye el número de cambios de rutas
Consecuencias
Mejora de las prestaciones Más estabilidad del sistema
3. Caracterización del enlace hacia Internet 25 de 46
3. Resultados RWP (1)
3. Caracterización del enlace hacia Internet
Retardo
26 de 46
REA (Reactivo) ADD (Adaptive Distributed gateway Discovery) RMD (Regulated Mobility Degree) DPEE (Descubrimiento de pasarelas basado en Enlaces Estables)
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Pérdidas
3. Resultados RWP (2)
3. Caracterización del enlace hacia Internet 27 de 46
REA (Reactivo) ADD (Adaptive Distributed gateway Discovery) RMD (Regulated Mobility Degree) DPEE (Descubrimiento de pasarelas basado en Enlaces Estables)
Sobrecarga normalizada
3. Resultados RWP (3)
3. Caracterización del enlace hacia Internet 28 de 46
REA (Reactivo) ADD (Adaptive Distributed gateway Discovery) RMD (Regulated Mobility Degree) DPEE (Descubrimiento de pasarelas basado en Enlaces Estables)
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1. Introducción a las redes ad hoc
2. Integración de redes MANET en Internet
3. Caracterización del enlace hacia Internet
4. Aplicando la lógica difusa tipo II
5. Conclusiones y Líneas Futuras
29 de 46
Existen más parámetros para definir la estabilidad EL problema es reunirlas en una única métrica
Aleatoriedad de los nodos Sistemas no lineales Rango de alcance, potencia, etc. heterogéneos Cuellos de botella en función de localización pasarelas Pocos eventos para tomar decisiones Topologías muy cambiantes Otras interferencias Medidas de parámetros inciertos
Incertidumbre
4. Estabilidad
Lógica difusa Tipo II
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II 30 de 46
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4. Lógica difusa (I)
Lógica difusa Tipo I
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II 31 de 46
Razonamiento humano es impreciso Si la Temperatura es baja entonces subir calefacción Modela matemáticamente parámetros de entrada/salida Conjuntos difusos Tipo I: una salida
de 46 32
Lógica difusa Tipo II
Maneja más incertidumbre Los parámetros tienen un intervalo de pertenencia Salida: un intervalo [Zmin,Zmax]
4. Lógica difusa (II)
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II
FOU (Footprint Of Uncertainty)
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4. Entradas (1)
Probabilidad asociada al tiempo de vida del enlace hacia la pasarela
Longitud de las rutas
𝑝 =
1 + 𝑒𝑟𝑓𝜇
2𝜎−
1
2𝜎𝑙𝑛 𝑎𝑔𝑒 + 𝑇
1 + 𝑒𝑟𝑓𝜇
2𝜎−
1
2𝜎𝑙𝑛 𝑎𝑔𝑒
𝐿 =𝑑
𝑑 + ℎ
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II 33 de 46
4. Entradas (2)
Número de enlaces activos respecto del total de las fuentes
Cociente entre las ruta erróneos y las rutas solicitadas
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II 34 de 46
𝑈𝐸𝐸𝐷 = 𝑁𝐹
𝑁𝐹 + 𝑁𝐸
𝑅𝑃𝐶 = 1 − 𝑃𝐸
𝑃𝐸 + 𝑃𝑆
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4. Diagrama flujo
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II 35 de 46
Sistema de Decisión Difuso
p L UEDD RPC
Zmin Zmax
Zmin >Udatos Zmax >Ulibre
DATOS NO DATOS
CONFIGURAR
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4. Características escenario
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II de 46
Área de simulación 1200 x 1200 m2
Tiempo de simulación 1000 s (100 s transitorio)
Protocolo ad hoc AODV
Patrón de movilidad Máxima velocidad: 2-10 m/s Tiempo de pausa:10 s Velocidad mínima:1 m/s
Tráfico de datos 10 fuentes VBR 50 % actividad 9’6 kbps 120 bytes
Coordenadas pasarelas (300,300) m (900,900) m
Modelo de movimiento Random Trip
19
de 46 37
Udatos como 0.3 Ulibre como 0.8
4. Configuración umbrales (6)
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II
00.2
0.40.6
0.81
0
0.5
10.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Udatos
Ulibre
Reta
rdo (
s)
00.2
0.40.6
0.81
0
0.5
10.01
0.011
0.012
0.013
0.014
0.015
0.016
Udatos
Ulibre
Pérd
idas
00.2
0.40.6
0.81
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1
1.5
2
2.5
3
Udatos
Ulibre
Sobre
carg
a N
orm
aliz
ada
4. Resultados
Cambios en la velocidad máxima de los nodos
4. Aplicación de la lógica difusa tipo II 38 de 46
Cambios en la tasa de paquetes • Diferentes tasas a una velocidad fija (5 m/s)
Cambios en la posición y número de las pasarelas • Se incrementa el número de pasarelas de 2 hasta 6
Tres pruebas distintas
20
de 46 39
REA (Reactivo) ADD (Adaptive Distributed gateway
Discovery) RMD (Regulated Mobility Degree) DPEE (Descubrimiento de pasarelas
basado en Enlaces Estables) SDD (Sistema de Decisión Difuso)
4. Resultados: cambios velocidad (1)
2 4 6 8 100.5
1
1.5
Velocidad máxima del nodo (m/s)
Sob
reca
rga
Nor
mal
izad
a
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
2 4 6 8 10
5
6
7
8
9
10
11
x 10-3
Velocidad máxima del nodo (m/s)
Tasa
de
Pér
dida
s
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
2 4 6 8 10
0.05
0.1
0.15
0.2
Velocidad máxima del nodo (m/s)
Ret
ardo
(s)
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
de 46 40
4. Resultados: cambios tasa de paquetes (2)
REA (Reactivo) ADD (Adaptive Distributed gateway
Discovery) RMD (Regulated Mobility Degree) DPEE (Descubrimiento de pasarelas
basado en Enlaces Estables) SDD (Sistema de Decisión Difuso) 10 20 30 40
1
2
3
4
5
Tasa de tráfico (kbps)
Sob
reca
rga
Nor
mal
izad
a
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
10 20 30 400.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
Tasa de tráfico (kbps)
Tasa
de P
érd
idas
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
10 20 30 400.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Tasa de tráfico (kbps)
Ret
ardo
(s)
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
21
de 46 41 4. Aplicación de la lógica difusa tipo II
REA (Reactivo) ADD (Adaptive Distributed gateway
Discovery) RMD (Regulated Mobility Degree) DPEE (Descubrimiento de pasarelas basado
en Enlaces Estables) SDD (Sistema de Decisión Difuso)
4. Resultados: cambios número pasarelas (3)
2 3 4 5 62
3
4
5
6
7
8
Número de pasarelas
Sobr
ecar
ga N
orm
aliz
ada
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
2 3 4 5 60.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
Número de pasarelas
Tasa
de P
érd
idas
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
2 3 4 5 60.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Número de pasarelas
Reta
rdo (
s)
REA
ADD
RMD
DPEE
SDD
1. Introducción a las redes ad hoc
2. Integración de redes MANET en Internet
3. Caracterización del enlace hacia Internet
4. Aplicando la lógica difusa tipo II
5. Conclusiones y Líneas Futuras
42 de 46
22
5. Conclusiones
La difusión de los mensajes MRA afecta a las prestaciones de la red
La difusión simple de estos mensajes no es adecuada Hay que buscar mecanismos adaptables a los cambios en la red La duración efectiva de los enlaces sigue una distribución
lognormal La lógica difusa tipo II es muy aplicable a estos casos por su
adaptación a situaciones de gran incertidumbre
5. Conclusiones y líneas futuras 43 de 46
5. Líneas futuras
Enlaces estables Selección de muestras Análisis de variables Aplicación a otras redes
Lógica difusa Más variables Proceso de aprendizaje automático de reglas Umbrales dinámicos Reducir la complejidad del sistema difuso
Otras posibilidades Selección de pasarelas Adaptación simultánea de T y TTL Más métricas de prestaciones