dxfp routing protocol
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Relatori:Ing. Lorenzo MucchiProf. Luigi Chisci
1
Candidati:Luca Fabbrini Giulio Giovannetti
Ingegneria delle Telecomunicazioni – Tesi di Laurea Specialistica
SommarioReti ad-hocProblema dell’instradamentoProtocollo proposto (DXFP)Dimostrazione analitica di ottimalità del
protocolloValutazione delle prestazioniConclusioni
2
3
Reti ad-hocCollegamenti
wirelessNessuna
infrastrutturaComunicazioni
diretteTerminali mobiliCooperazione
4
Differenze rispetto a Reti InfrastrutturateRete cellulare Rete ad-hoc
5
Tempo di messa in opera nulllo
Nessuna pianificazione preventiva
La rete esiste con la sola presenza dei terminali
Differenze rispetto a Reti Infrastrutturate
Rete ad-hoc
6
7
Contesto ApplicativoUfficio
8
Contesto ApplicativoEmergenza
9
Contesto ApplicativoEstensione Rete Cellulare
10
Contesto ApplicativoEstensione Rete WLAN
11
Contesto ApplicativoBackup di una Rete StrategicaRete Strategica Backup su Rete Ad-Hoc
12
Problemi delle Reti Ad-Hoc:Accesso al CanaleImpossibilità di un accesso ordinato dovuto
alla mancanza di un centro di coordinamentoCanale condiviso: Accesso di tipo casuale (a
contesa)Standard IEEE 802.11 DCF:
Principale protocollo di accesso al canale per reti ad-hoc
CSMA/CAProblema del nodo nascostoProblema del nodo esposto
13
IEEE 802.11 DCF Nodo nascosto Nodo esposto
14
Collisione
Problema della scalabilitàTrasmissioni simultanee con successo limitateScalabilità: Andamento della capacità di
trasporto all’aumentare del numero di terminaliPer una Rete con:
Disposizione ottimaPotenza ottimaTerminali fissi
Per una Rete con:Disposizione casualePotenza fissaTerminali fissi
15
Scalabilità di IEEE 802.11 DCF
16
Rete ottima
Rete casuale
Rete con 802.11
Problemi delle Reti Ad-Hoc:TopologiaTopologia casualeTopologia
fortemente variabile con il tempo:Mobilità
Selezione dei terminali di inoltro:Protocollo di
instradamento
17
?Sorgente
Destinazione
Modello della Topologia
18
G = (N,L)
C
H
A
B
E
D
F
G
23
2
1
1,5
1,2
0,7
1,51
Modello Esteso della TopologiaIl pacchetto transita
su link e terminaliLa metrica deve
tenere conto anche di un costo di attraversamento del terminale
La topologia dipende fortemente dal tempo
19
C
H
A
B
E
D
F
G
23
2
1
1,5
1,2
0,7
1,51
1,5
2
1
1,3
3
3
1,5
2
Problema dell’instradamentoDeterminare, fra tutti i possibili percorsi tra
due terminali, detti sorgente e destinazione, quello a costo minimo (shortest path)
20
Principali Soluzioni al Problema dell’InstradamentoDSR (RFC 4728) AODV (RFC 3561)Dynamic Source RoutingSeleziona il percorso con
il minor numero di hop Non valuta tutti i
possibili percorsiI pacchetti contengono
gli indirizzi dei terminali da attraversare
Semplice da implementare
Ad-hoc On-demand Distance Vector
Seleziona il percorso con il minor numero di hop
Non valuta tutti i possibili percorsi
I terminali memorizzano una tabella di instradamento
Complesso da implementare (evoluzione proposta DYMO)
21
Considerazioni su DSR e AODVDSR e AODV selezionano il percorso verso
destinazione con il minor numero di hop (link)Non valutano tutti i possibili percorsiIl numero di hop è una metrica inadeguata per
rappresentare il reale stato della reteBasata sullo stato istantaneoNon riflette la qualità dei linkNon considera lo stato dei terminali
Soluzioni parziali al problema dell’instradamento
Non sono robusti alle variazioni della topologia
22
RobustezzaCapacità di un sistema di mantenere
continuità di servizio a fronte di variazioni dei parametri ambientali
Parametri ambientali per l’instradamento:MobilitàQualità del canale (metrica del link)Congestione (metrica del terminale)
Si riflettono sulla topologiaRobustezza valutata rispetto a variazioni
della topologia23
24
Chiarimento ArchitetturaArchitettura stratificata Architettura cross-layer
25
Architettura ibridaVantaggi:Struttura stratificataInformation sharingSvantaggi:Poca flessibilitàDefinizione delle
interfacce di scambio delle informazioni
26
DXFP – connettività localeDXFP prevede una segnalazione periodica (HELLO)
che consente di:Segnalare la propria presenzaMantenere aggiornata una lista dei viciniRicavare il valore di Packet Error Rate (PER) dei linkCalcolare 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
DXFP – Path MaintenanceRottura di un link Percorso di riserva
28
C
H
A
B
E
D
F
G C
H
A
B
E
D
F
G
DXFP – Path MaintenanceInvio di un errore Percorso di riserva
29
C
H
A
B
E
D
F
G C
H
A
B
E
D
F
G
DXFP – Path DiscoveryInoltro della richiesta Inoltro della risposta
30
C
H
A
B
E
D
F
G C
H
A
B
E
D
F
G
Sorgente
Destinazione
Sorgente
Destinazione
Algoritmo DXFP I messaggi di risposta contengono il
sottopercorso attraversato e la relativa metricaOgni terminale usa le risposte ricevute per
aggiornare la propria tabella di instradamentoI 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
Programmazione DinamicaStrumento matematico per il controllo ottimo
di sistemi dinamiciSi applica in tutti i contesti in cui si prendono
decisioni per passi successiviAd ogni decisione è associato un costo e
determina un risultatoL’obbiettivo è prendere le decisioni in modo
da minimizzare la somma dei costi di ogni passo
Principio di ottimalità di Bellman32
Problema del cammino minimoPuò essere formulato come un problema di
programmazione dinamica
33
Dimostrazione Analitica di OttimalitàDXFP risolve il problema dell’instradamento
applicando in maniera distribuita l’algoritmo di programmazione dinamica
34
Ricavato dalla segnalazione periodica
Comunicato attraverso il messaggio di risposta
Metrica Cross-LayerDXFP è in generale indipendente dalla
metrica, purché additiva
35
Tempo di attraversamento medio del link (i,j)Tempo medio di attesa in coda al nodo iTempo medio di trasmissione sul link (i,j)
Tempo medio di attesa in coda
)(
)]()([
)(
)(
)()( 00
)(
1
t
d
t
dQ
t
WtW
ttt
ii
37
)(tQ Numero di pacchetti in coda al tempo t
)(t Numero di pacchetti arrivati al tempo t
)(t Numero di pacchetti inviati al tempo t
iW Tempo di attesa in coda per il pacchetto i-esimo
Tempo medio di trasmissione
38
B
L
PERB
LXE
B
LXER
1
1
X Numero di ritrasmissioni di un pacchettoL Lunghezza del pacchetto (bit)
B Rate nominale di trasmissione (bit/s)
PER
PERPERxXEx
x
1
1)1(
1
1
Metrica Cross-Layer (Architettura ibrida)Path Discovery robustaPercorso scelto con il minor tempo di
attraversamento medio
Il percorso è ottimo (costo minimo) Prevede rotte di riserva (multipath)Flow-Oriented
DXFP Peculiarità
39
40
OMNeT++/INETMANETSimulatore ad eventi
discretiArchitettura modulareScritto 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
Implementazione di DXFPCreazione del modulo
di instradamento DXFPDefinizione del formato
dei pacchettiEstensione della tabella
di instradamento per percorsi multipli
Realizzazione di un modello per l’information sharing (architettura ibrida)
Piena compatibilità con INETMANET
42
43
Modello di Rete
44
Qualità del canale
45
23 terminali fissiPotenze in
trasmissione:Rosso: 1,6 mWVerde : 0,85 mW: Blu 0,4 mW
900 x 1800 m2
Rate : 64 Kb/sStart: 5 sStop: 240 s
Qualità del canaleDSR
46
Qualità del canaleAODV
47
Qualità del canaleDXFP
48
Qualità del CanaleRisultati 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
49
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 76,87Pacchetti di segnalazione medi inviati da un terminale
DSR AODV DXFP
Pacchetti di Segnalazione
3,66 3,00 3,30 + 50,99
Mobilità
50
24 terminali:2 fissi22 mobili (Blu)
Velocità:1 m/s2,5 m/s5 m/s
1100 x 1800 m2
Rate : 8 Kb/sStart: 10 sStop: 300 s
MobilitàRisultati Comparati
51
MobilitàRisultati 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
52
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 + 63Numero 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
Mobilità con Segmento Fisso
53
38 terminali:16 fissi (Rosso)22 mobili (Blu)
Velocità: 5 m/s1100 x 1800 m2
Rate : 8 Kb/sStart: 100 sStop: 1000 s
Mobilità con Segmento FissoRisultati Comparati
54
Mobilità con Segmento fissoRisultati Comparati
55
Mobilità con Segmento fissoRisultati Comparati
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
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
Congestione
57
25 terminali:10 congestionati
(Rosso)15 scarichi (Blu)
750x 1550 m2
Rate : 16 Kb/sStart: 10 sStop: 180 s
CongestioneRisultati Comparati
Statistiche di ritardo dei pacchetti ricevuti
DSR AODV DXFP
Medio 12,91654 s
1,18450 s
0,06568 s
Dev. Std.
7,09032 s
0,21656 s
0,59378 s
58
Pacchetti di segnalazione medi trasmessi
DSR AODV DXFP
Pacchetti disegnalazione
104,40 6,04 128,24 +
38,96
CongestioneRisultati Comparati
59
60
Sviluppi FuturiRidurre la segnalazione
Trasmettere in broadcast le risposte riscontrandole al livello rete
Definire un nuovo sistema di gestione della mobilitàDeviazione standard delle PER acquisiteDefinire un concetto di “affidabilità” dei terminali
per pesare le PER acquisiteAumentare la reattività
Definire un numero massimo di rotte di riservaValutare il comportamento di DXFP con altri
protocolli di accesso62
ConclusioniDXFP risolve in maniera completa il problema
dell’instradamentoDXFP garantisce l’ottimalità (costo minimo)
del percorso sceltoDXFP è robusto rispetto alle variazioni della
topologiaLa 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
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