DXFP Routing Protocol Presentation

1. Ingegneria delle Telecomunicazioni – Tesi di Laurea Specialistica
Relatori: Candidati:
Ing. Lorenzo Mucchi Luca Fabbrini
Prof. Luigi Chisci Giulio Giovannetti
1

2. Sommario
Reti ad-hoc
Problema dell’instradamento
Protocollo proposto (DXFP)
Dimostrazione analitica di ottimalità del protocollo
Valutazione delle prestazioni
Conclusioni
2

3. 3

4. Reti ad-hoc
Collegamenti wireless
Nessuna infrastruttura
Comunicazioni dirette
Terminali mobili
Cooperazione
4

5. Differenze rispetto a Reti
Infrastrutturate
Rete cellulare Rete ad-hoc
5

6. Differenze rispetto a Reti
Infrastrutturate
Rete ad-hoc
Tempo di messa in opera
nulllo
Nessuna pianificazione
preventiva
La rete esiste con la sola
presenza dei terminali
6

7. 7

8. Contesto Applicativo
Ufficio
8

9. Contesto Applicativo
Emergenza
9

10. Contesto Applicativo
Estensione Rete Cellulare
10

11. Contesto Applicativo
Estensione Rete WLAN
11

12. Contesto Applicativo
Backup di una Rete Strategica
Rete Strategica Backup su Rete Ad-Hoc
12

13. Problemi delle Reti Ad-Hoc:
Accesso al Canale
Impossibilità di un accesso ordinato dovuto alla
mancanza di un centro di coordinamento
Canale condiviso: Accesso di tipo casuale (a contesa)
Standard IEEE 802.11 DCF:
Principale protocollo di accesso al canale per reti ad-
hoc
CSMA/CA
Problema del nodo nascosto
Problema del nodo esposto
13

14. IEEE 802.11 DCF
Nodo nascosto Nodo esposto
Collisione
14

15. Problema della scalabilità
Trasmissioni simultanee con successo limitate
Scalabilità: Andamento della capacità di trasporto
all’aumentare del numero di terminali
Per una Rete con:
 Disposizione ottima
 Potenza ottima
 Terminali fissi
Per una Rete con:
 Disposizione casuale
 Potenza fissa
 Terminali fissi
15

16. Scalabilità di IEEE 802.11 DCF
Rete ottima
Rete casuale
Rete con 802.11
16

17. Problemi delle Reti Ad-Hoc:
Topologia ?
Topologia casuale
Sorgente
Topologia fortemente
variabile con il tempo:
Mobilità
Selezione dei terminali
di inoltro:
Protocollo di
instradamento
Destinazione
17

18. Modello della Topologia
G = (N,L) A
3
2
F
B
1,5 2
1
E
C G
0,7
1,2 1
D
1,5 H
18

19. Modello Esteso della Topologia
1,5
Il pacchetto transita su
A
link e terminali 3
La metrica deve tenere 2
2
F
conto anche di un costo 2 B
di attraversamento del 1,5 2
1
terminale 3
E
La topologia dipende 1 C G 1,5
0,7
fortemente dal tempo 1,2 1
D
1,5 H
1,3
3
19

20. Problema dell’instradamento
Determinare, fra tutti i possibili percorsi tra due
terminali, detti sorgente e destinazione, quello a costo
minimo (shortest path)
20

21. Principali Soluzioni al Problema
dell’Instradamento
DSR (RFC 4728) AODV (RFC 3561)
Dynamic Source Routing Ad-hoc On-demand Distance
Seleziona il percorso con il Vector
minor numero di hop Seleziona il percorso con il
Non valuta tutti i possibili minor numero di hop
percorsi Non valuta tutti i possibili
I pacchetti contengono gli percorsi
indirizzi dei terminali da I terminali memorizzano una
attraversare tabella di instradamento
Semplice da implementare Complesso da implementare
(evoluzione proposta DYMO)
21

22. Considerazioni su DSR e AODV
DSR e AODV selezionano il percorso verso
destinazione con il minor numero di hop (link)
Non valutano tutti i possibili percorsi
Il numero di hop è una metrica inadeguata per
rappresentare il reale stato della rete
Basata sullo stato istantaneo
Non riflette la qualità dei link
Non considera lo stato dei terminali
Soluzioni parziali al problema dell’instradamento
Non sono robusti alle variazioni della topologia
22

23. Robustezza
Capacità di un sistema di mantenere continuità di
servizio a fronte di variazioni dei parametri
ambientali
Parametri ambientali per l’instradamento:
Mobilità
Qualità del canale (metrica del link)
Congestione (metrica del terminale)
Si riflettono sulla topologia
Robustezza valutata rispetto a variazioni della
topologia
23

24. 24

25. Chiarimento Architettura
Architettura stratificata Architettura cross-layer
25

26. Architettura ibrida
Vantaggi:
Struttura stratificata
Information sharing
Svantaggi:
Poca flessibilità
Definizione delle
interfacce di scambio
delle informazioni
26

27. DXFP – connettività locale
DXFP prevede una segnalazione periodica (HELLO)
che consente di:
Segnalare la propria presenza
Mantenere aggiornata una lista dei vicini
Ricavare il valore di Packet Error Rate (PER) dei link
Calcolare il costo dei link
I valori di PER sono mediati in modo da mantenere
una “storia” della rete
Qualora non si ricevano i pacchetti di segnalazione, si
penalizza il terminale con un alto valore di PER
27

28. DXFP – Path Maintenance
Rottura di un link Percorso di riserva
A A
F F
B B
E E
C G C G
D D
H H
28

29. DXFP – Path Maintenance
Invio di un errore Percorso di riserva
A A
F F
B B
E E
C G C G
D D
H H
29

30. DXFP – Path Discovery
Inoltro della richiesta Inoltro della risposta
Sorgente A Sorgente A
F F
B B
E E
C G C G
D D
H H
Destinazione Destinazione
30

31. Algoritmo DXFP
I messaggi di risposta contengono il sottopercorso
attraversato e la relativa metrica
Ogni terminale usa le risposte ricevute per
aggiornare la propria tabella di instradamento
I terminali inviano a ritroso le risposte con metrica
migliore
Il percorso ottimo è costruito scegliendo all’indietro
il sottopercorso ottimo verso destinazione
(Programmazione Dinamica)
31

32. Programmazione Dinamica
Strumento matematico per il controllo ottimo di
sistemi dinamici
Si applica in tutti i contesti in cui si prendono
decisioni per passi successivi
Ad ogni decisione è associato un costo e determina
un risultato
L’obbiettivo è prendere le decisioni in modo da
minimizzare la somma dei costi di ogni passo
Principio di ottimalità di Bellman
32

33. Problema del cammino minimo
Può essere formulato come un problema di
programmazione dinamica
33

34. Dimostrazione Analitica di
Ottimalità
DXFP risolve il problema dell’instradamento
applicando in maniera distribuita l’algoritmo di
programmazione dinamica
Ricavato dalla segnalazione periodica
Comunicato attraverso il messaggio di risposta
34

35. Metrica Cross-Layer
DXFP è in generale indipendente dalla metrica,
purché additiva
Tempo di attraversamento medio del link (i,j)
Tempo medio di attesa in coda al nodo i
Tempo medio di trasmissione sul link (i,j)
35

36. Tempo medio di attesa in coda
α (t )
∑Wi t t
∫ Q(τ )dτ = ∫ [α (τ ) − δ (τ )]dτ
W (t ) = i =1
= 0 0
α (t ) α (t ) α (t )
Wi Tempo di attesa in coda per il pacchetto i-esimo
Q(t ) Numero di pacchetti in coda al tempo t
α (t ) Numero di pacchetti arrivati al tempo t
δ (t ) Numero di pacchetti inviati al tempo t
37

37. Tempo medio di trasmissione
 L L 1 L
R = E  X  = E[ X ] =
 B B 1 − PER B
X Numero di ritrasmissioni di un pacchetto
L Lunghezza del pacchetto (bit)
B Rate nominale di trasmissione (bit/s)
∞
1
E [ X ] = ∑ x ⋅ PER x −1
(1 − PER) =
x =1 1 − PER
38

38. DXFP Peculiarità
Metrica Cross-Layer (Architettura ibrida)
Path Discovery robusta
Percorso scelto con il minor tempo di attraversamento
medio
Il percorso è ottimo (costo minimo)
Prevede rotte di riserva (multipath)
Flow-Oriented
39

39. 40

40. OMNeT++/INETMANET
Simulatore ad eventi
discreti
Architettura modulare
Scritto in C++
Moduli comunicano
attraverso uno scambio di
messaggi
Interfaccia grafica
esplorabile
Mette a disposizione i
protocolli di rete più
diffusi (IEEE 802.11 DCF)
41

41. Implementazione di DXFP
Creazione del modulo di
instradamento DXFP
Definizione del formato
dei pacchetti
Estensione della tabella di
instradamento per
percorsi multipli
Realizzazione di un
modello per l’information
sharing (architettura
ibrida)
Piena compatibilità con
INETMANET
42

42. 43

43. Modello di Rete
44

44. Qualità del canale
23 terminali fissi
Potenze in
trasmissione:
 Rosso: 1,6 mW
 Verde : 0,85 mW
 : Blu 0,4 mW
900 x 1800 m2
Rate : 64 Kb/s
Start: 5 s
Stop: 240 s
45

45. Qualità del canale
DSR
46

46. Qualità del canale
AODV
47

47. Qualità del canale
DXFP
48

48. Qualità del Canale
Risultati Comparati
Statistiche di ritardo dei pacchetti ricevuti dalla destinazione
DSR AODV DXFP
Medio 2,61838 ms 3,83403 ms 2,12759 ms
Deviazione Standard 1,11725 ms 53,34017 ms 0,55467 ms
Parametri medi di livello MAC per i terminale del percorso
DSR AODV DXFP
MAC Loss Rate medio 7,36 % 6,03 % 1,32 %
Ritrasmissioni medie 610,38 277,00 76,87
Pacchetti di segnalazione medi inviati da un terminale
DSR AODV DXFP
Pacchetti di Segnalazione 3,66 3,00 3,30 + 50,99
49

49. Mobilità
24 terminali:
 2 fissi
 22 mobili (Blu)
Velocità:
1 m/s
2,5 m/s
5 m/s
1100 x 1800 m2
Rate : 8 Kb/s
Start: 10 s
Stop: 300 s
50

50. Mobilità
Risultati Comparati
51

51. Mobilità
Risultati Comparati
Ritardo medio dei pacchetti ricevuti dal terminale destinazione
1 m/s 2,5 m/s 5 m/s
AODV 5,44979 ms 3,02085 ms 58,75218 ms
DXFP 1,66318 ms 2,84354 ms 4,53934 ms
Numero di pacchetti di segnalazione medi inviati da un terminale
1 m/s 2,5 m/s 5 m/s
AODV 8,58 11,21 44,50
DXFP 6,71 + 63 26,62 + 63 156 + 63
Numero di Path Discovery effettuate dal terminale sorgente
1 m/s 2,5 m/s 5 m/s
AODV 8 10 242
DXFP 1 3 100
52

52. Mobilità con Segmento Fisso
38 terminali:
16 fissi (Rosso)
 22 mobili (Blu)
Velocità: 5 m/s
1100 x 1800 m2
Rate : 8 Kb/s
Start: 100 s
Stop: 1000 s
53

53. Mobilità con Segmento Fisso
Risultati Comparati
54

54. Mobilità con Segmento fisso
Risultati Comparati
55

55. Mobilità con Segmento fisso
Risultati Comparati
Statistiche di ritardo dei pacchetti ricevuti dal terminale
destinazione
AODV DXFP
Medio 5,21332 ms 2,83958 ms
Deviazione Standard 43,44552 ms 19,37528 ms
Pacchetti di segnalazione medi inviati da un terminale e numero di
PD
AODV DXFP
Pacchetti di segnalazione 54,84 5,37 + 203
Path Discovery 52 1
56

56. Congestione
25 terminali:
 10 congestionati
(Rosso)
 15 scarichi (Blu)
750x 1550 m2
Rate : 16 Kb/s
Start: 10 s
Stop: 180 s
57

57. Congestione
Risultati Comparati
Statistiche di ritardo dei pacchetti
ricevuti
DSR AODV DXFP
Medio 12,91654 s 1,18450 s 0,06568 s
Dev. 7,09032 s 0,21656 s 0,59378 s
Std.
Pacchetti di segnalazione medi trasmessi
DSR AODV DXFP
Pacchetti di 104,40 6,04 128,24 +
segnalazione 38,96
58

58. Congestione
Risultati Comparati
59

59. 60

60. Sviluppi Futuri
Ridurre la segnalazione
Trasmettere in broadcast le risposte riscontrandole al
livello rete
Definire un nuovo sistema di gestione della mobilità
Deviazione standard delle PER acquisite
Definire un concetto di “affidabilità” dei terminali per
pesare le PER acquisite
Aumentare la reattività
Definire un numero massimo di rotte di riserva
Valutare il comportamento di DXFP con altri protocolli di
accesso
62

61. Conclusioni
DXFP risolve in maniera completa il problema
dell’instradamento
DXFP garantisce l’ottimalità (costo minimo) del
percorso scelto
DXFP è robusto rispetto alle variazioni della
topologia
La metrica adottata (tempo medio di attraversamento
della rete) garantisce la longevità e affidabilità dei
percorsi
Prestazioni di DXFP superiori a DSR e ADOV in
contesti di mobilità, congestione e variabilità dei
canali 63

62. 64