Design and implementation of a software simulator for MANET networks analysis

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Project based on Python language; in this work I developed a MANET distributed system of mobile nodes implementing from scratch the AODV routing algorithm.

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  • 1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA INFORMATICA GIANCARLO ROMEO Progetto e implementazione di un simulatore per l’analisi di algoritmi per reti MANET RELATORE: 21 luglio 2010 Dott. Ing. C. Santoro
  • 2. SOMMARIO MANET - Mobile Ad hoc NETwork ‣ Caratteristiche di una rete MANET AODV - Ad hoc On-demand Distance Vector AODVSim Simulazione e analisi Conclusioni
  • 3. MANET - MOBILE AD HOC NETWORK “Un sistema autonomo di router mobili (e host associati) interconnessi mediante collegamenti wireless. I router sono liberi di muoversi e configurarsi automaticamente; in questo modo la topologia della rete wireless può cambiare in modo rapido ed improvviso. [...]” fonte: IETF Range di comunicazione Esempio di rete MANET Mobile Host (MH) Collegamento wireless
  • 4. CARATTERISTICHE DI UNA RETE MANET Topologia dinamica L’architettura di rete può essere configurata rapidamente utilizzando sofisticati algoritmi distribuiti. Collegamenti asimmetrici In un ambiente wireless la comunicazione tra due nodi potrebbe non avvenire equamente in entrambe le direzioni. Collegamenti multi-hop In un ambiente wireless la comunicazione tra due nodi potrebbe non avvenire equamente in entrambe le direzioni.
  • 5. CARATTERISTICHE DI UNA RETE MANET Operazioni decentralizzate L’architettura di rete può essere configurata rapidamente e non necessita di controllori centralizzati. Banda limitata Il throughput delle comunicazioni wireless è molto inferiore al massimo teorico permesso dal mezzo radio a causa dell’effetto degli accessi multipli, del rumore e delle condizioni di interferenza. Energia limitata I nodi di una rete ad hoc dipendono dalla capacità delle loro batterie e pertanto la linea di progetto più importante è senza dubbio il basso consumo di energia, ottenuta ottimizzando la potenza di trasmissione e limitando il numero di trasmissioni di ogni nodo.
  • 6. AODV - AD HOC ON-DEMAND DISTANCE VECTOR Algoritmo di routing per reti ad hoc mobili, basato su un protocollo di tipo REACTIVE e derivato dal DISTANCE VECTOR. Reactive Ogni nodo ignora la posizione del destinatario fino all’istante in cui, dovendo trasmettere un pacchetto, effettua una richiesta al servizio di routing. Si garantisce che il traffico di controllo sia assente se non vi sono delle sessioni dati in corso, ma nel momento in cui una sessione inizia si deve considerare una latenza iniziale per la fase di route discovery. Distance Vector Ogni nodo mantiene e scambia periodicamente coi vicini un vettore delle distanze formato dalla tripla (d, n, m), dove d è l’indirizzo del nodo destinazione, n è l’indirizzo del nodo vicino che sarà utilizzato per raggiungere d ed m è la distanza di d attraverso n. (d, n, m)
  • 7. AODV - AD HOC ON-DEMAND DISTANCE VECTOR Sequence Numbers ‣ Assicurano l’assenza di cicli ‣ Consentono di distinguere facilmente i nuovi percorsi da quelli vecchi AODV Packets RREQ RREP RERR HELLO MESSAGE ‣ Nessun overhead in caso di assenza di trasmissioni (REACTIVE) PRO ‣ Minimo consumo di memoria e basso carico computazionale (DISTANCE VECTOR) ‣ Latenza iniziale dovuta alla scoperta dei nuovi percorsi CONTRO ‣ Elevato overhead in caso di reti di medie e grandi dimensioni
  • 8. AODVSim Simulatore software, scritto in linguaggio Python / Tk, per la modellazione, lo studio e l’analisi di reti MANET, basato sull’algoritmo di routing AODV. AODVSim GUI 1-shot Simulation MANET Info AODV Messages Statistics AODV Protocol Statistics MANET Simulation MANET Statistics Simulator Parameters Log AODV Parameters
  • 9. AODVSim Thread AODVSim Design MANET * Node La rete MANET è costituita da un insieme di nodi (Node), implementati come Thread, la cui attività principale consiste nel gestire eventi (Event). Event Gli eventi possono essere di tipo temporale (TimerEvent) o legati al funzionamento della rete (NetworkEvent). TimerEvent NetworkEvent Node Motion dy Ogni nodo, individuato da una coppia di coordinate (x, y), è in grado di cambiare, in modo casuale, posizione e velocità. dx Transmission Errors NodeOutRange Come nelle reti reali, è stato inserito un sistema di simulazione di errori di trasmissione. S D
  • 10. AODVSim Simulation 1-shot Simulation ‣ Una interazione tra due nodi della rete MANET. Simulation ‣ Possibilità di impostare il numero e la frequenza delle interazioni. AODV Parameters ‣ Possibilità di abilitare/disabilitare l’invio degli Hello Message. ‣ Destination Only (D) e Gratuitous RREP (G) flags. ‣ Expanding Ring Search: TTL_START, TTL_INCREMENT, TTL_THRESHOLD. Statistics ‣ Statistiche dettagliate e aggiornate in tempo reale.
  • 11. SIMULAZIONE E ANALISI Scalabilità Capacità di un sistema di crescere o decrescere in funzione delle necessità e delle disponibilità. 155K 160K 30K Pacchetti AODV ricevuti Pacchetti AODV inviati 26K 127K 22K 95K 120K 23K 16K 13K 49K 69K 80K 9K 15K 6K 22K 7K 40K 2K 8K 20 60 0K 20 60 0K 100 140 100 140 Numero di nodi Numero di nodi Architettura flat ‣ Comunicazione diretta tra i nodi peer vicini. ‣ Per reti di medie e grandi dimensioni l’overhead può diventare eccessivo. Esempio di architettura flat
  • 12. SIMULAZIONE E ANALISI Expanding Ring Search Sono state effettuate diverse simulazioni al variare del campo Time To Live (TTL) dei pacchetti. 3 Average Data Delivery 2,6 2,5 2,3 1,9 2 1,7 1,6 1,5 1,3 1,3 1,5 0,9 1,1 0,9 1,0 0,7 0,5 1 0,5 20 0 40 60 80 100 120 140 TTL_START = 1 TTL_START ~ Average Path Length Numero di nodi DYNAMIC TTL ‣ Uso di un TTL dinamico che segua l’andamento dell’Average Path Length. ‣ Riduzione del ritardo medio di consegna dei pacchetti dati (DATA).
  • 13. CONCLUSIONI Le reti MANET rappresentano il futuro della comunicazione in rete soprattutto grazie alla crescente diffusione di dispositivi mobili dotati di connettività wireless. Sviluppi futuri ‣ Possibilità di connettere i nodi “virtuali” con dispositivi reali / simulatori. TCP / IP ‣ Supporto per altri algoritmi di routing. DSR OLSR ZRP
  • 14. Grazie