DXFP Routing Protocol

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

64