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Modelo de arquitetura para simulação de redes móveis sem fio ad hoc no Simmcast

PIPCA-Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas Unisinos -Universidade do Vale do Rio dos Sinos Av. Unisinos
ABSTRACT
Research in ad hoc mobile wireless networking presents a series of challenges, caused by factors such as mobility, restrictions imposed by portabi-lity, vulnerability and wireless instability and security. Simulation is an impor-tant tool in this area. This paper describes the main mobile wireless network simulators and their uses, and based on them, proposes an architectural model for simulation of ad hoc networks for the Simmcast simulation framework. Resumo. A pesquisa na área de redes móveis ad hoc sem fio apresenta uma série de desafios, causada por fatores como mobilidade, restrições impostas pela portabilidade, a vulnerabilidade e instabilidade do meio e segurança. Si-mulação é uma importante ferramenta nesta área. O presente artigo traça um panorama dos principais simuladores de redes móveis sem fio e seus usos, e a partir destes, propõe um modelo de arquitetura de simulação de redes ad hoc para o framework de simulação Simmcast.

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Modelo de arquitetura para simulação de redes móveis sem fio
ad hoc no Simmcast
Daniela Saccol Peranconi, Hisham H. Muhammad, Marinho P. Barcellos
1
PIPCA- Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas
Unisinos - Universidade do Vale do Rio dos Sinos
Av. Unisinos, 950 - São Leopoldo, RS - CEP93022-000
{danielap,hisham,marinho}@exatas.unisinos.br
Abstract. Research in ad hoc mobile wireless networking presents a series of
challenges, caused by factors such as mobility, restrictions imposed by portabi-
lity, vulnerability and wireless instability and security. Simulation is an impor-
tant tool in this area. This paper describes the main mobile wireless network
simulators and their uses, and based on them, proposes an architectural model
for simulation of ad hoc networks for the Simmcast simulation framework.
Resumo. A pesquisa na área de redes móveis ad hoc sem fio apresenta uma
série de desafios, causada por fatores como mobilidade, restrições impostas
pela portabilidade, a vulnerabilidade e instabilidade do meio e segurança. Si-
mulação é uma importante ferramenta nesta área. O presente artigo traça um
panorama dos principais simuladores de redes móveis sem fio e seus usos, e a
partir destes, propõe um modelo de arquitetura de simulação de redes ad hoc
para o framework de simulação Simmcast.
1 Introdução
A popularização de dispositivos portáteis, tais como telefones celulares e palmtops, e
a ascensão das telecomunicações, principalmente de redes celulares, foram alguns dos
motivos que alavancaram o crescimento da utilização de redes sem fio. Neste tipo de
rede não há ligação física entre os dispositivos envolvidos na comunicação, a qual é feita
através de ondas eletromagnéticas que trafegam pelo espaço [16].
As redes sem fio podem ser classificadas em redes com ou sem infra-estrutura. Em
redes infra-estruturadas a comunicação dos dispositivos móveis é realizada com um ou
mais equipamentos centralizadores (pontos de acesso), não havendo comunicação direta
entre dois dispositivos, sempre usando-se um ponto de acesso como intermediário [1]. Por
outro lado, as redes sem infra-estrutura, também denominadas redes ad hoc, são formadas
por dispositivos que formam uma rede de forma cooperativa, sendo capazes de estabelecer
uma comunicação direta com os dispositivos que estiverem ao seu alcance [1]. Neste tipo
de rede não uma administração centralizada e cada dispositivo pode tanto funcionar
como estação ou roteador [6].
Apesar das vantagens de se utilizar comunicação sem fio, existem desafios intrín-
secos a este tipo de ambiente que propiciam um vasto campo para pesquisa. Diferente-
mente do que ocorre em redes fixas, fatores como mobilidade, portabilidade e comunica-
ção sem fio [7] influenciam no projeto de redes móveis sem fio ad hoc.
A habilidade dos dispositivos trocarem sua localização enquanto estão conectados
à rede aumenta a volatilidade de algumas informações. Uma rede ad hoc é dinâmica, uma
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vez que tanto sua topologia quanto os membros que a compõem mudam com freqüência
[19]. Quando dispositivos deixam a rede ou passam a fazer parte dela, novas rotas devem
ser encontradas para que a comunicação entre os dispositivos seja mantida [20]. Além
disso, com a mobilidade dos dispositivos, a disponibilidade de serviços não pode ser
garantida [7].
A portabilidade traz consigo limitações quanto à capacidade de armazenamento
dos dispositivos e, principalmente, quanto ao consumo de energia. O consumo de ener-
gia em um ambiente de computação sem fio ocorre não somente enquanto o dispositivo
está enviando ou recendo dados, mas também enquanto este encontra-se inativo, havendo
necessidade de boas políticas de gerenciamento do consumo de energia por parte destes
dispositivos [7].
Em relação às características dos meios de comunicação sem fio, os maiores de-
safios encontram-se no gerenciamento de banda. Além da disponibilidade de largura
de banda ser baixa, ainda necessidade de compartilhamento entre os dispositivos
móveis, os quais podem entrar ou sair de uma rede a qualquer momento, fazendo com
que ocorra alta variação na largura de banda disponível [7]. As desconexões ocorrem
mais freqüentemente do que em redes fixas, pois barreiras naturais, como construções ou
acidentes geográficos, podem interferir na transmissão do sinal. Isso faz com que dispo-
sitivos deixem a rede a qualquer instante, sendo necessária uma reparação de rotas para
manutenção da comunicação [20].
Talvez a questão mais problemática em redes móveis sem fio ad hoc seja a de
segurança. A ausência de entidades centralizadoras, as características dos enlaces sem
fio, a natureza volátil de tais redes que podem se dividir em um instante e se agrupar
novamente de modo imprevisível e o fato de não se ter como prever o tamanho de uma
rede ad hoc são algumas considerações a serem destacadas no que se refere a segurança
em redes ad hoc [8].
Devido a este panorama, a área de redes móveis sem fio ad hoc apresenta-se como
um desafiador campo de pesquisa, e o uso de simulação mostra-se como uma ferramenta
especialmente eficaz, pois apresenta vantagens como facilidade no controle de detalhes e
fornece a possibilidade de realização de experimentos com hardware e/ou software que
ainda não estão disponíveis [20], além do desenvolvimento de cenários que seriam exces-
sivamente complexos para avaliações experimentais.
Este artigo discute as características mais relevantes no desenvolvimento de simu-
ladores de redes móveis sem fio ad hoc, a partir de um estudo sobre alguns simuladores
de redes móveis sem fio (Seção 2), destacadando as métricas e premissas assumidas (Se-
ção 3). A partir destas características, um modelo de arquitetura para simulação de redes
móveis sem fio ad hoc é proposto, utilizando o framework de simulação Simmcast (Seção
4).
2 Principais simuladores de redes móveis sem fio
Apesar dos avanços atingidos na área de redes móveis sem fio ad hoc nos últimos anos,
a maior parte das pesquisas em simulações de rede ainda concentra-se em redes fixas.
Alguns dos simuladores de ambientes de computação móvel mais utilizados são ns, Glo-
MoSim e MobiCS. Além destes simuladores, existem alguns ambientes de testes, tais
como WiPPET [10] e SWiMNet [3], que podem ser citados.
Ns [4] é um simulador de protocolos de rede que suporta simulações de protocolos
organizados em camadas, que tem por objetivo o estudo de escala e interação de protoco-
los. O simulador ns foi usado originalmente para o estudo do desempenho do protocolo
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TCP, e desde então tem sido estendido de modo a suportar trabalhos em várias áreas. Em
[5] são descritas as extensões adicionadas ao ns para comunicação sem fio.
GloMoSim [17] (Global Mobile System Simulator) é um simulador paralelo para
redes móveis baseado em uma biblioteca modular, implementada usando a linguagem de
simulação PARSEC. GloMoSim é um simulador específico para a simulação de redes de
computação móvel de larga escala.
MobiCS [14, 13] (Mobile Computing Simulator) é um simulador distribuído de
eventos discretos para computação móvel. Dois modos de simulação são disponibilizados
ao usuário: modo determinístico e modo estocástico. No modo determinístico o MobiCS
atua como uma ferramenta para teste e avaliação da correteza de protocolos distribuídos.
no modo estocástico, um protocolo distribuído é submetido a contínuas simulações,
objetivando avaliar o desempenho do protocolo em um cenário mais realístico. Neste
modo, o comportamento dos elementos da rede é randômico ou baseado em parâmetros
probabilísticos que definem o cenário de simulação.
3 Exemplos de uso de simuladores – métricas e premissas
Extensiva pesquisa tem sido realizada acerca de protocolos na área de redes móveis sem
fio ad hoc, abordando questões relacionadas à segurança, ao consumo de energia, ao rote-
amento de mensagens entre os dispositivos formadores da rede, entre outras. Nesta seção,
alguns destes estudos serão apresentados, de modo a analisar as métricas e premissas
empregadas.
Em [15], é proposto um protocolo de roteamento seguro para redes ad hoc
(ARAN, Authenticated Routing for Ad hoc Networks). Para comparar o desempenho
de ARAN com o protocolo de roteamento AODV [11] e validar o protocolo proposto,
os autores realizaram avaliações de ambos protocolos utilizando GloMoSim. O seguinte
modelo de mobilidade foi aplicado: as posições iniciais dos dispositivos eram aleatórias,
e periodicamente, os dispositivos moviam-se para locais selecionados randomicamente
com velocidades e tempos de paradas configurados. As métricas de desempenho avali-
adas foram (a) fração de pacotes de dados gerados pelos transmissores e entregues aos
devidos destinos, (b) tamanho médio do caminho entre um transmissor e um receptor, (c)
atraso médio entre o envio de um pacote de dados e o recebimento do mesmo, (d) atraso
médio entre o envio de um pacote de descoberta de rota e o recebimento da primeira res-
posta correspondente a rota e (e) carga de roteamento, tanto em bytes quanto em número
de pacotes.
Outro desafio na área de redes móveis sem fio é o desenvolvimento de políticas de
gerenciamento de consumo de energia, uma vez que esta deve ser realizada de forma dis-
tribuída e cooperativa. Um framework para gerenciamento de energia sob demanda para
redes ad hoc é proposto em [18]. Para avaliar a eficiência do framework, um protótipo do
mesmo foi implementado no simulador ns e diversas simulações foram conduzidas. A efi-
ciência pode ser avaliada levando-se em conta o tempo durante o qual a rede permaneceu
operacional e as transmissões de dados, que deveriam ter poucas perdas e baixa latência.
As premissas assumidas foram: os dispositivos estavam randomicamente distribuídos no
plano de análise, a rede nunca era particionada, não existiam perdas induzidas por erros,
a energia consumida para trocar entre os estados de conservação de energia e ativo não
era considerada e todos os pacotes de dados eram do mesmo tamanho.
Outro caso que ilustra a utilização de simuladores pode ser encontrado em [12].
Este artigo propõe um protocolo para multicast atômico entre dispositivos móveis como
suporte para comunicação em grupo denominado AM
2
C (Atomic Multicast Protocol for
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Mobile Computing). Para prototipar e simular o AM
2
C foi utilizado o ambiente MobiCS
e algumas premissas foram definidas, sendo elas: a comunicação entre quaisquer duas
estações de serviços móveis (MSS) é confiável; as mensagens são entregues na ordem
em que são enviadas; as MSSs não falham; a qualquer momento, cada dispositivo móvel
no sistema está associado com exatamente uma MSS; se um dispositivo móvel está ativo,
ele deve enviar uma confirmação para todas as mensagens recebidas da MSS e enquanto
estiver inativo, ele não deve responder qualquer mensagem e um dispositivo móvel so-
mente pode deixar o sistema após enviar todas as confirmações de mensagens que estão
pendentes. Foram medidas a percentagem de multicasts cancelados, a duração média de
um multicast, o número médio de mensagens por multicast e por dispositivo móvel e o
número de mensagens de confirmação adicionais geradas na fase em que todos os dispo-
sitivos móveis são informados sobre o estado final do multicast.
4 Simulação de redes ad hoc no Simmcast
Simmcast [2] é um framework orientado a objetos de simulação discreta baseado na lin-
guagem de programação Java, construído sobre uma engine de simulação de eventos dis-
cretos baseada em processos. A interface do framework é definida como uma API que
oferece ao usuário tanto operações típicas de comunicação e controle de tempo, quanto
um modelo de threads cooperativo [9].
Simulações com o Simmcast são desenvolvidas através da extensão das classes
do framework por herança, adicionando-se a lógica de protocolo desejada. A configu-
ração de rede a ser avaliada é descrita por um arquivo processado em tempo de execu-
ção, sem recompilação. A arquitetura do Simmcast constitui-se de uma série de blo-
cos básicos que descrevem as entidades da simulação: subclasses de Node representam
os diversos tipos de nodos: estações, roteadores (HostNode, RouterNode...); obje-
tos da classe Path representam fluxos de pacotes entre nodos, tipicamente links de rede.
Simmcast oferece ainda primitivas de multicast (classe Group) e pacotes de geração de
topologias (TopologyGenerator), de tráfego (TrafficGenerator) e de traços
(TraceGenerator).
A estrutura modular do Simmcast torna-o propício para uma extensão para pes-
quisa em redes móveis sem fio ad hoc. Para tal, três aspectos devem ser abordados:
modelagem da mobilidade, da transmissão sem fio, e de gerenciamento de roteamento
descentralizado.
Um framework extensível como o Simmcast deve suportar os diferentes mode-
los de mobilidade empregados em pesquisa de redes móveis. Entre estes modelos estão
o baseado em funções randômicas de localização e mobilidade, e a partir de um mo-
delo geográfico bi- ou tri-dimensional. Isto envolve criar uma nova classe de nodos,
MobileNodes, que sejam capazes de registrar sua localização no simulador (a fim de
cômputo de latências a partir de distâncias) e a variação desta em função do tempo, isto
é, sua movimentação.
O modelo abstrato de representação de fluxos de dados (onde links são um caso
específico de Path) e o suporte nativo de comunicação 1-para-n (através de classes
Group), permitem a modelagem da transmissão sem fio como uma forma de broadcast,
onde um grupo corresponde a uma faixa de freqüência. Caminhos no Simmcast têm, por
definição, latência dinâmica, definida através de uma classe de geração de números. Esta
classe, embora normalmente utilizada para definição de distribuições estatísticas, pode
ser utilizada para estimação da latência da transmissão de rádio em função da localização
dos nodos.
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O gerenciamento de roteamento descentralizado pode ser representado no Simm-
cast de uma forma bastante realística, através da separação dos protocolos de rotea-
mento e aplicação em diferentes threads conectadas aos nodos em tempo de execução,
permitindo execuções de um experimento com diferentes protocolos de roteamento ad
hoc, definindo em MobileNode a mesma flexibilidade que hoje ocorre com proto-
colos de roteamento convencionais em RouterNode, onde diferentes subclasses de
RoutingAlgorithmStrategy podem ser conectadas.
5 Considerações finais
Este artigo apresentou um modelo de arquitetura de suporte a simulações de redes mó-
veis sem fio ad hoc para o Simmcast, a partir da análise de requisitos dos trabalhos de
verificação e validação de resultados de protocolos em redes móveis sem fio ad hoc e dos
principais simuladores usados nesta área.
A área de redes móveis sem fio ad hoc, apesar dos avanços atingidos nos últimos
anos, ainda requer muita pesquisa. Questões como o desenvolvimento de protocolos de
roteamento seguros, políticas de gerenciamento eficientes para o controle do consumo de
energia dos dispositivos móveis, mecanismos eficientes para descoberta de rotas, dentre
outras, ainda representam desafios aos pesquisadores em redes móveis sem fio ad hoc.
A partir do momento que uma nova proposta para resolução ou minimização de
tais desafios é apresentada, a simulação surge como técnica auxiliar para comprovar a
eficiência e desempenho destas propostas. No entanto, nem todos os detalhes relaciona-
dos ao contexto real que se deseja simular podem ser assumidos. Se isso ocorresse, os
modelos se tornariam tão complexos quanto os sistemas reais. É preciso, ao projetar uma
ferramenta para estudo de redes móveis sem fio ad hoc, conhecer as premissas utilizadas
com o intuito de simplificar a simulação, mas sempre buscando manter o modelo o mais
próximo possível da realidade. Este trabalho, assim, combinou um estudo dos trabalhos
da área, onde exemplos significativos foram apresentados com maior detalhe, com uma
contextualização destas premissas e métricas ao simulador Simmcast, apontando clara-
mente como trabalho futuro a implementação desta arquitetura proposta.
Referências
[1] Anton, E. R. and Duarte, O. C. M. B. (2002) "Segurança em Redes Sem Fio Ad Hoc: Gerencia-
mento de Chave de Grupo", XIV Congresso Brasileiro de Automática, Natal, RN, Setembro.
[2] Barcellos, M., Muhammad, H. and Detsch, A. (2001) "Simmcast: a Simulation Tool for Multicast
Protocol Evaluation", XIX Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC 2001),
Maio.
[3] Boukerche, A., Das, S. K. and Fabbri, A. (2001) "SwiMNet: A Scalable Parallel Simulation
Testbed for Wireless and Mobile Networks", Wireless Networks, v. 7, pp. 467-486.
[4] Breslau, L., Estrin, D., Fall, K., Floyd, S., Heidemann, J., Helmy, A., Huang, P., McCanne, S.,
Varadhan, K., Xu, Y. and Yu, H. (2000) "Advances in Network Simulation", IEEE Computer,
vol. 33, p. 59-67, Maio.
[5] The CMU Monarch Project. (1998) "The CMU Monarch Project’s Wireless and Mobility Exten-
sions to NS," Agosto. Disponível em http://www.monarch.cs.cmu.edu/.
[6] Cunha, D. de O., Costa, L. H. M. K. and Duarte, O. C. M. B. (2003) "Um Mecanismo de Rotea-
mento para o Consumo Balanceado de Energia em Redes Móveis Ad Hoc", XXI Simpósio
Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC 2003), Natal, RN, Maio.
Page 5
[7] Forman, G. H. and Zahorjan, J. (1994) "The Challenges of Mobile Computing", IEEE Computer,
vol. 27, No. 4, p. 38-47, April.
[8] Martucci, L. A., Carvalho, T. C. M. B. and Ruggiero, W. V. (2003) "Domínios Virtuais para Redes
Móveis Ad Hoc", XXI Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC 2003), Natal,
RN, p. 599-614, Maio.
[9] Muhammad, H. H. and Barcellos, M. P. (2002) "Simulation Group Communication Protocols Th-
rough an Object-Oriented Framework", in Proceedings 35th SCS Annual Simulation Sym-
posium, San Diego, April.
[10] Panchal, J., Kelly, O., Lai, J., Mandayam, N., Ogielski, A. T. and Yates, R. (1998) "WiPPET, A
Virtual Testebed for Parallel Simulations of Wireless Networks", 12th Workshop on Parallel
and Distributed Simulation (PADS’98), Canadá, p. 162-169, May.
[11] Perkins, C. E. and Royer, E. M. (1999) "Ad hoc on-demand distance vector routing", 2th IEEE
Workshop on Mobile Computer Systems and Applications, New Orleans, February.
[12] Ribeiro, M. de F., Endler. M. (2002) “Design and Evaluation af a Protocol for Atomic Multi-
cast Wireless Mobile Hosts”, IV Workshop de Comunicação sem Fio e Computação Móvel
(WCSF2002), São Paulo, p.3-14, Outubro.
[13] Rocha, R. C. A. da and Endler, M. (2001) "MobiCS: An Environment for Prototyping and Simu-
lating Distributed Protocols for Mobile Networks", 3rd. IEEE International Conference in
Mobile and Wireless Communications Networks (MWCN’2001), Recife, Brasil, p. 44-51,
August.
[14] Rocha, R. C. A. da and Endler, M. (2000) "Flexible Simulation of Distributed Protocols for Móbile
Computing", 3rd. Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile
Systems (MSWIM), Boston, p. 123-126, August.
[15] Sansgiri, K., Dahill, B., Lavine, B. N., Shields, C. and Royer, E. M. B. (2002) "A Secure Routing
Protocol for Ad Hoc Networks", 10th IEEE International Conference on Network Protocols
(ICNP’02), Paris, November.
[16] Santos, A. S. (2003) "Estratégias de Hand-off com Balanceamento de Carga para Computação
Móvel", Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, Instituto de Matemática e
Estatística, Março.
[17] Zeng, X., Bagrodia, R. and Gerla, M. (1998) "GloMoSim: A Library for parallel simulation of
large-scale wireless networks", In Proceedings of the 12th Workshop on Parallel and Distri-
buted Simulation (PADS - 98), p. 154-161, May.
[18] Zheng, R. and Kravets, R. (2003) "On-demand Power Management for Ad Hoc Networks", In
Proceedings IEEE INFOCOM 2003, June.
[19] Zhou, L. and Haas, Z. J. (1999) "Securing Ad Hoc Networks", IEEE Networks Special Issue on
Network Security, November/December.
[20] Westin, O. (2003) "Performance issues in ad hoc networks",
http://www.nada.kth.se/~owe/exjobb/littstudy.pdf, Agosto.
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    [Show abstract] [Hide abstract] ABSTRACT: Resumo. Este trabalho descreve a importância que os dispositivos móveis ganharam na atualidade no campo da Tecnologia da Informação. Com isso, surgiram novos tipos de tecnologia sem fio, para romper a necessidade de conexão por meio de cabos, permitindo que o usuário ganhe mais flexibilidade, entre outras vantagens. Utilizando o conceito de simulação para reproduzir um ambiente de redes Ad hoc e avaliar o desempenho de diferentes tipos de ambiente. Permitindo, assim, um melhor planejamento do ambiente de rede ad hoc. Abstract. This paper describes the importance that mobile devices have gained today in the field of Information Technology. With this came new types of wireless technology, the need to break the connection through cables, allowing the user to gain more flexibility, among other benefits. Using the concept of simulation to reproduce an environment of Ad hoc networks and evaluate the performance of different types of environment. Thus allowing better planning of the ad hoc network environment.
    Full-text · Conference Paper · Jan 2013