Contribución a los modelos de gestión de las redes móviles ad hoc

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(1)Universidad Politécnica de Madrid Facultad de Informática. CONTRIBUCIÓN A LOS MODELOS DE GESTIÓN DE LAS REDES MÓVILES AD HOC. Tesis Doctoral. Rommel Torres Tandazo Ingeniero en Informática. 2011.

(2) ii.

(3) UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID FACULTAD DE INFORMÁTICA. CONTRIBUCIÓN A LOS MODELOS DE GESTIÓN DE LAS REDES MÓVILES AD HOC. Autor: Rommel Vicente Torres Ingeniero en Informática Universidad Técnica Particular de Loja. Director: Luis Mengual Galan Profesor Titular de la Universidad. 2011.

(4) Con mucho amor a Patricia, Romina, Angie, Rommel G., Glorita y a mi madre Carmen.

(5) Agradecimientos. Quiero agradecer a todos los profesores de la Universidad Politécnica de Madrid de los cuales he aprendido muchı́simo. En las personas de Luis Mengual, Óscar Marbán, Javier Soriano, Jesús Garcı́a y Edmundo Tovar. Un agradecimiento muy especial a Luis Mengual Galán, por la haber aceptado la dirección de esta Tesis Doctoral. Por la sabia y correcta tutela la cual tuve el honor de recibir. A Oscar por los consejos recibidos en la edición de la memoria final y el acompañamiento en la publicación de los resultados de la investigación. A la Universidad Técnica Particular de Loja personificada por mis compañeros del Instituto de Investigación de Ciencias de la Computación en especial a mis amigos del Laboratorio de Redes y Telecomunicaciones, por soportar, apoyarme y darme las facilidades en la consecución de este logro. A mi núcleo familiar, por tomar toda la responsabilidad asumida durante este tiempo. A Hugo, Anibal, Lolita y sus familias. A mi padre, mis 10 hermanos y sus familias por ser siempre una apoyo fundamental. A mi familia en España, Guido Alcides, Vanessa, Jean Pierre, Guido, Victor y Jonathan por alojarme en su hogar. Quiero agradecer en forma muy especial a mi esposa Samanta por su apoyo, por todas las horas que paso en la función de editora. Por el riesgo de omitir algunos nombres quiero agradecer en general a todas esas personas que de alguna u otra forma se han visto involucradas en el desarrollo de esta Tesis. Finalmente, pero en primer lugar a través de la memoria de mi madre a Dios..

(6) Resumen. La capacidad de comunicación de los seres humanos ha crecido gracias a la evolución de dispositivos móviles cada vez más pequeños, manejables, potentes, de mayor autonomı́a y más asequibles. Esta tendencia muestra que en un futuro próximo cercano cada persona llevará consigo por lo menos un dispositivo de altas prestaciones. Estos dispositivos tienen incorporados algunas formas de comunicación: red de telefonı́a, redes inalámbricas, bluetooth, entre otras. Lo que les permite también ser empleados para la configuración de redes móviles Ad Hoc. Las redes móviles Ad Hoc, son redes temporales y autoconfigurables, no necesitan un punto de acceso para que los nodos intercambien información entre sı́. Cada nodo realiza las tareas de encaminador cuando sea requerido. Los nodos se pueden mover, cambiando de ubicación a discreción. La autonomı́a de estos dispositivos depende de las estrategias de como sus recursos son utilizados. De tal forma que los protocolos, algoritmos o modelos deben ser diseñados de forma eficiente para no impactar el rendimiento del dispositivo, siempre buscando un equilibrio entre sobrecarga y usabilidad. Es importante definir una gestión adecuada de estas redes especialmente cuando estén siendo utilizados en escenarios crı́ticos como los de emergencias, desastres naturales, conflictos bélicos. La presente tesis doctoral muestra una solución eficiente para la gestión de redes móviles Ad Hoc. La solución contempla dos componentes principales: la definición de un modelo de gestión para redes móviles de alta disponibilidad y la creación de un protocolo de enrutamiento jerárquico asociado al modelo. El modelo de gestión propuesto, denominado High Availability Management Ad Hoc Network (HAMAN), es definido en una estructura de cuatro niveles,.

(7) acceso, distribución, inteligencia e infraestructura. Además se describen los componentes de cada nivel: tipos de nodos, protocolos y funcionamiento. Se estudian también las interfaces de comunicación entre cada componente y la relación de estas con los niveles definidos. Como parte del modelo se diseña el protocolo de enrutamiento Ad Hoc, denominado Backup Cluster Head Protocol (BCHP), que utiliza como estrategia de encaminamiento el empleo de cluster y jerarquı́as. Cada cluster tiene un Jefe de Cluster que concentra la información de enrutamiento y de gestión y la envı́a al destino cuando esta fuera de su área de cobertura. Para mejorar la disponibilidad de la red el protocolo utiliza un Jefe de Cluster de Respaldo el que asume las funciones del nodo principal del cluster cuando este tiene un problema. El modelo HAMAN es validado a través de un proceso la simulación del protocolo BCHP. El protocolo BCHP se implementa en la herramienta Network Simulator 2 (NS2) para ser simulado, comparado y contrastado con el protocolo de enrutamiento jerárquico Cluster Based Routing Protocol (CBRP) y con el protocolo de enrutamiento Ad Hoc reactivo denominado Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV)..

(8) Abstract. The communication skills of humans has grown thanks to the evolution of mobile devices become smaller, manageable, powerful, more autonomy and more affordable. This trend shows that in the near future each person will carry at least one high-performance device. These high-performance devices have some forms of communication incorporated: telephony network, wireless networks, bluetooth, among others. What can also be used for configuring mobile Ad Hoc networks. Ad Hoc mobile networks, are temporary and self-configuring networks, do not need an access point for exchange information between their nodes. Each node performs the router tasks as required. The nodes can move, change location at will. The autonomy of these devices depends on the strategies of how its resources are used. So that the protocols, algorithms or models should be designed to efficiently without impacting device performance seeking a balance between overhead and usability. It is important to define appropriate management of these networks, especially when being used in critical scenarios such as emergencies, natural disasters, wars. The present research shows an efficient solution for managing mobile ad hoc networks. The solution comprises two main components: the definition of a management model for highly available mobile networks and the creation of a hierarchical routing protocol associated with the model. The proposed management model, called High Availability Management Ad Hoc Network (HAMAN) is defined in a four-level structure: access, distribution, intelligence and infrastructure. The components of each level: types of nodes, protocols, structure of a node are shown and detailed. It.

(9) also explores the communication interfaces between each component and the relationship of these with the levels defined. The Ad Hoc routing protocol proposed, called Backup Cluster Head Protocol(BCHP), use of cluster and hierarchies like strategies. Each cluster has a cluster head which concentrates the routing information and management and sent to the destination when out of cluster coverage area. To improve the availability of the network protocol uses a Backup Cluster Head who assumes the functions of the node of the cluster when it has a problem. The HAMAN model is validated accross the simulation of their BCHP routing protocol. BCHP protocol has been implemented in the simulation tool Network Simulator 2 (NS2) to be simulated, compared and contrasted with a hierarchical routing protocol Cluster Based Routing Protocol (CBRP) and a routing protocol called Reactive Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV)..

(10) viii.

(11) Índice general Índice de Figuras. XV. Índice de Tablas. XVII. 1. Introducción. I. 1. 1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.2. Objetivos de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.2.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.2.2. Objetivos especı́ficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.2.3. Aportaciones originales de la Tesis Doctoral . . . . . . . . . . . .. 5. 1.3. Estructura de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. Estado de la Cuestión. 9. 2. Redes Móviles Ad Hoc. 11. 2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 2.2. Encaminamiento en una red móvil Ad Hoc. . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 2.2.1. Encaminamiento proactivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 2.2.2. Encaminamiento reactivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 2.2.3. Encaminamiento jerárquico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.3. Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc . .. 18. 2.3.1. Lowest-ID [Gerla and chieh Tsai, 1995]. . . . . . . . . . . . . . .. 20. 2.3.2. Max-Min [Amis et al., 2000] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 2.3.3. Highest Degree [Gerla and chieh Tsai, 1995] . . . . . . . . . . . .. 21. 2.3.4. KCONID[Chen et al., 2002] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. ix.

(12) ÍNDICE GENERAL. 2.3.5. MobDHop[Er and Seah, 2004][Er and Seah, 2005] . . . . . . . . .. 23. 2.3.6. Cluster Framework[McDonald and Znati, 1999] . . . . . . . . . .. 25. 2.3.7. Least cluster change algorithm (LCC) [Liu et al., 1997] . . . . .. 26. 2.3.8. Clustering for energy conservation [hee Ryu et al., 2002] . . . . .. 27. 2.3.9. DCA [Basagni, 1999] y DMAC [Basagni et al., 2001] . . . . . . .. 28. 2.3.10. Weighted Clustering Algorithm (WCA)[Chatterjee et al., 2001] .. 31. 2.3.11. Cluster Based Routing Protocol (CBRP)[Jiang et al., 1999] . . .. 34. 2.3.11.1. Caracterı́sticas de CBRP . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 2.3.11.2. Operación de CBRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 2.3.11.3. Formación del cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 2.3.11.4. Descubrimiento de clusters adyacentes . . . . . . . . . .. 37. 2.3.11.5. Consideraciones de encaminamiento . . . . . . . . . . .. 37. 2.4. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 3. Gestión de Redes móviles Ad Hoc. 41. 3.1. Gestión de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.1.1. Áreas para la gestión de red definida por la ISO . . . . . . . . .. 42. 3.1.2. Estándares y protocolos para la gestión de red . . . . . . . . . .. 44. 3.1.3. Simple Network Management Protocol, SNMP . . . . . . . . . .. 44. 3.1.4. Common Management Interface Protocol, CMIP . . . . . . . . .. 47. 3.1.5. Web Based Enterprise Management, WBEM . . . . . . . . . . .. 47. 3.1.6. Comparación de los modelos de gestión tradicionales . . . . . . .. 48. 3.2. Gestión en redes móviles Ad Hoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 3.3. Retos en la gestión de redes móviles Ad Hoc . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 3.4. Ad Hoc Network Management Protocol, ANMP . . . . . . . . . . . . . .. 50. 3.5. Gestión basada en polı́ticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.6. Arquitectura de gestión Guerrilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. 3.6.1. Hybrid Wireless Network Management Architecture . . . . . . .. 58. 3.7. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59. 4. Planteamiento del Problema 4.1. Hipótesis. 61. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 4.2.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. x.

(13) ÍNDICE GENERAL. 4.2.2. Objetivos especı́ficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. II. Modelo de gestión propuesto para redes móviles Ad Hoc. 5. HAMAN-High Availability Management Ad Hoc Networks. 65. 67 69. 5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 5.2. Descripción del Modelo - HAMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. 5.3. Capas o niveles del modelo de gestión HAMAN . . . . . . . . . . . . . .. 75. 5.3.1. Nivel de Acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 5.3.2. Nivel de Distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 5.3.3. Nivel de Inteligencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 5.3.4. Nivel de Enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 5.4. Componentes del modelo de Gestión HAMAN . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 5.4.1. Nodo Manejado (NM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79. 5.4.1.1. Nodo Manejado, NM . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79. 5.4.1.2. Jefe de Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 5.4.1.3. Jefe de Cluster de Respaldo . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 5.4.1.4. Servidor de Administración . . . . . . . . . . . . . . . .. 82. 5.4.1.5. Servidor de Administración de Respaldo . . . . . . . . .. 82. 5.5. Interfaces de comunicación del modelo HAMAN . . . . . . . . . . . . . .. 82. 5.5.1. Interfaz 1. Comunicación NM y NM . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. 5.5.2. Interfaz 2. Comunicación entre NM y JC. . . . . . . . . . . . . .. 83. 5.5.3. Interfaz 3 y 5. Comunicación entre JC/JC y JC/SA . . . . . . .. 85. 5.5.4. Interfaz 4 y 6. Comunicación entre JC/JCR y SA/SAR . . . . .. 85. 5.6. Alcance del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86. 5.7. Aproximación del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 5.8. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90. 6. Protocolo de enrutamiento jerárquico y de gestión propuesto. 93. 6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 6.2. Visión general de BCHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94. 6.3. Interacción del nodo con BCHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95. 6.3.1. Creación del cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96. xi.

(14) ÍNDICE GENERAL. 6.3.2. Mantenimiento del cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 6.3.3. Encaminamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 6.4. Componentes BCHP a nivel del nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98. 6.4.1. Agente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98. 6.4.2. Tabla de enrutamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.5. Paquetes utilizados por el protocolo BCHP . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.5.1. Mensaje HELLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.5.1.1. HELLO Vecino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.5.1.2. HELLO Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.5.2. Solicitud de Ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.5.3. Respuesta de solicitud de ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.5.4. Enrutamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.5.5. Error. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109. 6.6. Algoritmos propuestos para el modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.6.1. Inicialización del nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.6.2. Formación de cluster y elección del JC y JCR . . . . . . . . . . . 111 6.6.3. Inclusión de un nodo en el cluster. . . . . . . . . . . . . . . . . . 111. 6.6.4. Pérdida del Jefe de cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.6.5. Pérdida del Jefe de cluster de respaldo . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.6.6. Mantenimiento de las tablas de enrutamiento . . . . . . . . . . . 114 6.6.7. Contención del cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115. III. Análisis y discusión de resultados. 7. Validación de la propuesta. 117 119. 7.1. Inclusión del protocolo BCHP en la herramienta de simulación . . . . . 121 7.2. Proceso de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.3. Definición de escenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8. Resultados 8.1. Rendimiento. 127 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128. 8.2. Tasa de envı́o de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8.3. Sobrecarga del protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132. xii.

(15) ÍNDICE GENERAL. 8.4. Pérdida de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 8.5. Retardo Promedio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 8.6. Variación del retardo de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 9. Conclusiones y lı́neas futuras. 137. 9.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 9.2. Lı́neas futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 10.Anexos. 141. 10.1. Caso práctico para la formación del cluster en el modelo . . . . . . . . . 141 10.1.1. Grado del nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 10.1.2. Diferencia de grado entre nodos vecinos . . . . . . . . . . . . . . 143 10.1.3. Suma de distancias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 10.1.4. Movilidad del nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 10.1.5. Estado Baterı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 10.1.6. Cálculo de la métrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145. 10.1.7. Determinación del JC, JCR, SA y SAR . . . . . . . . . . . . . . 145 10.2. Código de C++ para la implementación del protocolo BCHP . . . . . . 146 10.2.1. Definición del agente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 10.2.2. Tablas de enrutamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Bibliografı́a. 157. xiii.

(16) ÍNDICE GENERAL. xiv.

(17) Índice de Figuras 1.1. Red Ad Hoc [Covili et al., 2012]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.2. Modelo de referencia TCP/IP y redes Ad Hoc. 2. . . . . . . . . . . . . . .. 3. 2.1. Escenario de uso de una red MANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 2.2. Modelo TCP/IP y encaminamiento Ad Hoc . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 2.3. Mensajes de AODV. 17. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.4. Red Ad Hoc basada en cluster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 2.5. Cluster con Lowest-ID [Gerla and chieh Tsai, 1995] . . . . . . . . . . . .. 20. 2.6. Cluster con Highest Degree [Gerla and chieh Tsai, 1995] . . . . . . . . .. 22. 2.7. Cluster con KCONID [Chen et al., 2002] . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 3.1. Visión general del modelo de gestión del OSI. basado en [Raman, 1998]. 43. 3.2. Arquitectura de ANMP [Nitin et al., 1999] . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 3.3. Arquitectura de gestión según [Chadha et al., 2004] . . . . . . . . . . . .. 53. 3.4. Técnica de auto-recuperación propuesta por [Kant and Chadha, 2008] .. 54. 3.5. Arquitectura de gestión propuesta por [Kulkarni et al., 2006] . . . . . .. 55. 3.6. Modelo de gestión Guerrilla [Shen et al., 2002] . . . . . . . . . . . . . .. 56. 3.7. Arquitectura de gestión Guerrilla [Shen et al., 2002] . . . . . . . . . . .. 57. 3.8. Relación redes malla y redes Ad Hoc [Chaudhry et al., 2006]. . . . . . .. 58. 3.9. Arquitectura de gestión HYWINMARC [Chaudhry et al., 2006] . . . . .. 59. 5.1. Modelo propuesto para la gestión de redes MANET - HAMAN . . . . .. 71. 5.2. Distribución de polı́ticas para la gestión en HAMAN . . . . . . . . . . .. 73. 5.3. Arquitectura de gestión HAMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 5.4. Arquitectura del nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80. 5.5. Interfaces de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. xv.

(18) ÍNDICE DE FIGURAS. 6.1. Estados de los nodos en el modelo HAMAN . . . . . . . . . . . . . . . .. 96. 6.2. Tipos de nodos en HAMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99. 6.3. Entradas para la tabla de rutas de vecinos . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.4. Entradas para la tabla de rutas de adyacencias . . . . . . . . . . . . . . 101 6.5. Estructura del mensaje HELLO para nodos vecinos . . . . . . . . . . . . 103 6.6. Mensaje HELLO para cluster adyacentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.7. Estructura del mensaje RREQ[Jiang et al., 1999] . . . . . . . . . . . . . 106 6.8. Estructura del mensaje RREP[Jiang et al., 1999] . . . . . . . . . . . . . 107 6.9. Estructura del mensaje de enrutamiento[Jiang et al., 1999] . . . . . . . . 108 6.10. Estructura del paquete de Error[Jiang et al., 1999] . . . . . . . . . . . . 109 6.11. Inicio del nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.12. Formación de cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 6.13. Inclusión de un nuevo nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.14. Pérdida del JC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.15. Pérdida del JCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.16. Contención en el cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 7.1. Proceso de simulación en NS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.1. Rendimiento con 25 nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.2. Rendimiento con 40 nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 8.3. Rendimiento con 60 nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 8.4. Rendimiento con 90 nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 8.5. Tasa de envı́o de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 8.6. Tasa de envı́o de paquetes de Aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 8.7. Sobrecarga del protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 8.8. Pérdida de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.9. Retardo extremo a extremo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.10. Variación de retardo del paquete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 10.1. Red Ad Hoc ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 10.2. Ubicación de los nodos y distancias de los nodos vj con respecto al nodo vi 142 10.3. Distancia de los nodos vj con respecto al nodo vi . . . . . . . . . . . . . 144. xvi.

(19) Índice de Tablas 3.1. Componentes básicos de SNMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 5.1. Áreas Funcionales de Gestión de Red en la presente Tesis. . . . . . . . .. 75. 5.2. Alcance del modelo gestión HAMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91. 6.1. BCHP: Paquetes y mensajes utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.1. Inclusión de BCHP en NS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.2. Parámetros generales para la simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126. xvii.

(20) ÍNDICE DE TABLAS. xviii.

(21) Capı́tulo 1. Introducción ”Se está desarrollando un mundo de poder ı́ntimo y personal, el poder del individuo para llevar a cabo su propia educación, para encontrar su propia inspiración, para forjar su propio entorno y para compartir su aventura con todo aquel que esté interesado.” [Brand, 1968]. 1.1.. Antecedentes. El avance de la tecnologı́a ha permitido que los dispositivos electrónicos disminuyan su tamaño, sean más autónomos, potentes en procesamiento, eficientes en el uso de los recursos y ha permitido a los desarrolladores de software crear aplicaciones que antes no se hubieran podido lograr.. Este avance junto con el acceso generalizado a las redes de computadores e Internet ha permitido pasar desde la era de la computación personal por la era de la computación ubicua[Chlamtac et al., 2003], para finalmente llegar a la era del intercambio en lı́nea de la información.. Tal es ası́, que la empresa Gartner[Gartner, 2012] informa que a nivel mundial en el año 2011 se vendieron cerca de 400 millones de teléfonos inteligentes que es aproximadamente el 8 % de la población mundial, con un porcentaje de crecimiento del 47 % comparando los últimos tres meses de los años 2010 y 2011. Si ésta tendencia se mantiene, es probable que en un futuro próximo cercano existirá un dispositivo inteligente. 1.

(22) 1. INTRODUCCIÓN. por persona. Por lo que es importante adelantarse y crear o mejorar los formas de comunicación, algoritmos, protocolos y aplicaciones que serán necesarios para este futuro. Estos dispositivos inteligentes (pdas, smartphones, netbooks) utilizan tecnologı́a inalámbrica (bluetooth, wi-fi, redes de telefonı́a celular) para comunicarse. En esta investigación se aborda la capacidad de estos dispositivos de formar una red móvil Ad Hoc que no utiliza una estación fija o un punto de acceso para el intercambio de información (ver figura 1.1).. Figura 1.1: Red Ad Hoc [Covili et al., 2012]. Las redes móviles Ad Hoc (MANET) [IETF, 2011], son redes temporales y autoconfigurables. Sus nodos móviles cumplen con la función de ser origen, destino y puente para la información cuando sea requerida. Tienen recursos finitos (ancho de banda, baterı́a, capacidad de procesamiento) que deben ser utilizados eficientemente con el objetivo de mantener un desempeño aceptable de la red. Con respecto al modelo de referencia TCP/IP, las redes móviles Ad Hoc definen una capa adicional (ver figura 2.2) entre la capa de red y las tecnologı́as inalámbricas subyacentes. Esta capa es necesaria debido a que las redes móviles Ad Hoc deben mantener un solo dominio de difusión en entornos donde la visibilidad del nodo está limitada por el rango de transmisión de su interfaz de red inalámbrica.. Las MANETs son apropiadas en escenarios en donde la infraestructura de comunicación normal no está disponible, como por ejemplo actividades militares y operaciones. 2.

(23) 1.1 Antecedentes. Nivel de Aplicación. FTP, HTTP, etc. Nivel de Transporte. TCP, UDP. Nivel de Internet. IP. Nivel Ad Hoc. Protocolos encaminamiento Ad Hoc. Host a red. Host a red. Figura 1.2: Modelo de referencia TCP/IP y redes Ad Hoc. de rescate[Rubinstein et al., 2006]. En las cuales es importante la evacuación/rescate de vı́ctimas. La interacción de los nodos en una red MANET puede ser utilizada para generar una ruta de escape que podrı́a ayudar a las vı́ctimas a un punto de evacuación y/o a los equipos de rescate determinar las caracterı́sticas del desastre, la ubicación y posterior rescate de las vı́ctimas. En estos escenarios la gestión de red es obligatoria[Dengiz et al., 2011].. La gestión de red busca mejorar la disponibilidad y eficiencia de la red. Lo hace a través de la recolección, procesamiento, análisis y recuperación de fallos [Zimmermann, 1980]. Las estrategias para gestión de red normales tales como Simple Network Management Protocol (SNMP) [Case et al., 2002], son adecuadas para entornos estáticos, pero no para redes móviles Ad Hoc [Nitin et al., 1999].. Por ejemplo los eventos propios o caracterı́sticos de una red móvil Ad Hoc, provocados por el movimiento de los nodos, como la entrada y salida de los nodos de la red, son tratados como fallos en una gestión de red normal mientras que para una red móvil Ad Hoc deben ser tratados como eventos normales de la red.. Por lo tanto, la gestión de una red Ad Hoc, debe cumplir además con caracterı́sticas de no sobrecarga, adaptabilidad, flexibilidad, redundancia y seguridad [Yu et al., 2006] [Kant and Chadha, 2008]. La caracterı́stica de no sobrecarga involucra que se debe minimizar la cantidad de información requerida para la gestión de red. La redundancia tiene relación con la tolerancia a fallos que se logra colocando nodos adicionales para las. 3.

(24) 1. INTRODUCCIÓN. funciones y dispositivos principales de la red. La seguridad involucra que la información de gestión se debe intercambiar en forma efectiva desde los nodos al sistema de gestión [Zhang and Li, 2009].. Para la gestión de una red móvil Ad Hoc, la mayor parte de autores [Shen et al., 2002] [Chadha et al., 2004] [Yong-xin et al., 2001] [Kulkarni et al., 2006] [Nitin et al., 1999] [Phanse et al., 2005] utilizan la agrupación de nodos para formar clusters. Cada cluster cuentan con un jefe de cluster que concentra la información y la reenvı́a a los servidores de gestión. Utilizan también una gestión basada en polı́ticas. Las polı́ticas definidas compuestas por condiciones y acciones. Las polı́ticas son definidas por el Administrador o generadas a través de agentes inteligentes. Estas polı́ticas son enviadas desde el servidor de administración hasta los nodos administrados.. — Existen dos enfoques para generar cluster en redes móviles Ad Hoc. A nivel de la capa de aplicación, dejando libertad para que la red utilice cualquier protocolo de enrutamiento Ad Hoc disponible. Conocido también como clustering virtual. A nivel de la capa de red Ad Hoc, refleja de mejor forma de trabajo de la red móvil Ad Hoc es el más recomendable y el que se usa en la presente investigación. En el presente trabajo de investigación se propone un modelo de gestión de red adecuado para redes móviles Ad Hoc. El cual utiliza la estrategia generación de cluster en la capa de red con la inserción de dispositivos de respaldo para los equipos principales tanto para el cluster como para la gestión de red.. 1.2. 1.2.1.. Objetivos de la Tesis Objetivo general. Mejorar la gestión de redes móviles Ad Hoc a través de la propuesta de un modelo de gestión de red.. 4.

(25) 1.2 Objetivos de la Tesis. 1.2.2.. Objetivos especı́ficos. Estudiar los modelos de gestión de red existentes para incorporar caracterı́sticas adaptables a la administración de redes móviles. Proponer un modelo de gestión por capas que permita mejorar la disponibilidad para el intercambio de la información de gestión. Mejorar la disponibilidad de las estrategias de enrutamiento jerárquico mediante la inclusión de un nodo de respaldo del Jefe de Cluster.. 1.2.3.. Aportaciones originales de la Tesis Doctoral. Los aportes del presente trabajo de investigación son listados a continuación: La generación de un modelo de gestión de cuatro niveles para redes móviles Ad Hoc: el modelo de gestión incluye la conceptualización de componentes, definición de lı́mites entre niveles, las interfaces de comunicación. Los niveles definidos son: enlace, inteligencia, distribución y acceso. La mejora de la gestión de redes MANET a través de la inclusión de un Servidor de Administración de Respaldo: siguiendo el concepto de redundancia el modelo de gestión incluye por lo menos un servidor de Administración de respaldo. Estos deberı́an, de acuerdo al modelo, estar ubicados en el nivel de inteligencia y/o en el nivel de enlace. La mejora del enrutamiento jerárquico mediante la inclusión de un nodo Jefe de Cluster de Respaldo: mediante esta estrategia se ha logrado mejorar la disponibilidad y eficiencia de los cluster y de la gestión de red. Un protocolo de enrutamiento y de gestión para redes móviles Ad Hoc se propone el protocolo Backup Cluster Head Protocol (BCHP) que sirve para cumplir con los objetivos de la gestión de redes Ad Hoc. El protocolo es parte del modelo y es utilizado para para la validación del mismo. La utilización de la estrategia de cluster a nivel de la capa de enrutamiento Ad Hoc para la gestión de la red: Para mejorar la gestión de las redes MANET, esta investigación determinó que para que el aporte sea significativo el diseño del. 5.

(26) 1. INTRODUCCIÓN. modelo y los procesos relacionados deben tomar en cuenta los aspectos de la capa de red Ad Hoc.. 1.3.. Estructura de la Tesis. Con el objetivo de hacer que esta Tesis sea auto-contenida, en la primera parte se da un resumen del estado de la cuestión. De tal forma que en el Capı́tulo 2, se analizan los conceptos y retos de las redes móviles, sus procesos de enrutamiento, siendo más especı́fico en el análisis de los protocolos de enrutamiento jerárquico para finalmente pormenorizar el protocolo Cluster Based Routing Protocol (CBRP) [Jiang et al., 1999]. CBRP sirvió de base para el diseño del protocolo Backup Cluster Head Protocol (BCHP) que es un componente de la propuesta de investigación de la presente Tesis. El Capı́tulo 3, presenta las estrategias y protocolos utilizados para la gestión de redes normales y de redes Ad Hoc. El Capı́tulo 4, con el estado de la cuestión definido, se realiza el planteamiento del problema.. La segunda parte trata sobre la propuesta de mejora para la gestión.. En el Capı́tulo 5, se propone el modelo de gestión de 4 capas denominado High Availability Management Ad Hoc Networks (HAMAN), se analiza sus componentes, interfaces de comunicación y formas de trabajo. En el Capı́tulo 6, se muestra la conformación de un nodo de tipo BCHP, los paquetes y mensajes desarrollados para la comunicación entre nodos y los procesos del protocolo. BCHP es parte del modelo de gestión propuesto.. En la última parte se valida el modelo a través de la simulación, se utiliza NS2 como herramienta, se muestra y analiza los escenarios que se utilizaron, cuales fueron los resultados de la simulación, se realiza la discusión de los resultados obtenidos, para finalizar con las conclusiones y el trabajo futuro.. En este sentido el Capı́tulo 7, muestra los componentes, caracterı́sticas, estructura y la estrategia empleada por el software de simulación. También se analizan y validan los. 6.

(27) 1.3 Estructura de la Tesis. parámetros necesarios para la generación de los escenarios utilizados en la simulación. En el Capı́tulo 8, se realiza el análisis y la discusión de los resultados obtenidos. Debido a que el protocolo propuesto BCHP es una variante del protocolo Cluster Based Routing Protocol (CBRP) [Jiang et al., 1999], se realiza la comparación entre estos dos protocolos. En la validación se ha utilizado también el protocolo Ad Hoc On Demand Vector Routing (AODV) para determinar las mejoras de BCHP con respecto a un protocolo de enrutamiento proactivo para redes Ad Hoc. El Capı́tulo 9, está destinado a las conclusiones generales y las lı́neas futuras de la investigación. Por último, en los anexos se encuentra el detalle del código utilizado para la implementación del protocolo BCHP. Y un ejemplo del proceso de elección de conformación de cluster en el modelo.. 7.

(28) 1. INTRODUCCIÓN. 8.

(29) Parte I. Estado de la Cuestión. 9.

(30)

(31) Capı́tulo 2. Redes Móviles Ad Hoc En este capı́tulo se revisan los conceptos e investigaciones que sirven como marco de referencia al trabajo desarrollado en la presente Tesis. Se analizan las caracterı́sticas de las redes móviles Ad Hoc, los problemas asociados, el por qué los protocolos para redes normales no se adaptan a las caracterı́sticas de las redes móviles Ad Hoc. Se ve también las estrategias de encaminamiento utilizadas. Se ha dado un especial énfasis a la estrategia de encaminamiento jerárquica debido a que es la base para la solución propuesta en la presente investigación y es utilizada por la mayor parte de autores para abordar la gestión en este tipo de redes. De tal forma que en detalle se ve la forma de trabajo de la mayor parte de algoritmos de encaminamiento Ad Hoc que utilizan estrategias de agrupamiento para el intercambio de información.. 2.1.. Introducción. Las redes móviles Ad Hoc, MANET (Mobile Ad Hoc Networks)[IETF, 2011], son redes temporales y auto-configurables. Sus nodos pueden ser origen, destino y puente para la información. Tienen recursos finitos (ancho de banda, baterı́a, procesamiento) que deben ser utilizados eficientemente con el objetivo de mejorar el desempeño de la red [C. Perkins, 1998].. Según [Rubinstein et al., 2006] las principales ventajas que tiene una red móvil Ad Hoc son la flexibilidad, el bajo costo de implementación y la robustez. Estas ca-. 11.

(32) 2. REDES MÓVILES AD HOC. racterı́sticas las hacen ideales para aplicaciones militares, escenarios de emergencia y rescate[Marwaha et al., 2009].. Un ejemplo de escenario es el propuesto en la figura 2.1 donde se ve una topografı́a simulada basada en el mapa de una ciudad real. En este escenario, luego de un desastre o evento no deseado, las vı́as de comunicación normales han sido obstaculizadas (los obstáculos están resaltados a través de los cı́rculos) o no se encuentran disponibles por los escombros existentes. En estas condiciones el acceso para vehı́culos y personas es restringido. En este caso la configuración de una red Ad Hoc, puede ser la única opción para el intercambio de información.. Figura 2.1: Escenario de uso de una red MANET. En estos casos mediante la configuración de la red Ad Hoc, y el uso de las ca-. 12.

(33) 2.1 Introducción. racterı́sticas dispositivos inteligentes, cámara, acelerómetro, altı́metro, GPS, pantalla táctil, interfaz gráfica, interfaz inalámbrica se puede generar mediante un intercambio colectivo de información, una topologı́a completa y detallada del desastre, que incluirı́a entre otras, ubicación de vı́ctimas, escombros, y puntos de evacuación. Además esta topologı́a se mantendrı́a constantemente actualizada.. La red Ad Hoc podrı́a ayudar a las vı́ctimas a encontrar una ruta hacia un punto de evacuación y les permitirá ser parte activa en los procesos de salvamento. Mientras que a los equipos de rescate les ayudará determinar los sectores de mayor riesgo y priorizar las tareas de evacuación.. Sin embargo para lograr que la interacción de los nodos pertenecientes a una red Ad Hoc sea efectiva se debe considerar[Zhang and Li, 2009] :. Energı́a limitada: los nodos utilizan una baterı́a recargable que tiene un tiempo finito de duración. Un nodo puede estar con una cantidad insuficiente de energı́a lo que lo obligará a limitar sus funciones de puente, provocando la disminución del rendimiento de toda la red debido a que se debe recrear los caminos de encaminamiento en los cuales deja de participar el nodo. Autoconfiguración: no es necesaria la presencia de una estación base para el intercambio de información. Ancho de banda compartido: el espectro inalámbrico es compartido por todos los nodos en el área de cobertura. Además los nodos pueden salir o entrar en una red móvil Ad Hoc. Velocidad asociada: la velocidad de movimiento involucra cambios en el diseño de los protocolos. Este factor influye en el tiempo de recolección o envı́o de información de gestión de la red. Procesamiento: además de procesar las tareas propias del nodo, deben procesar la información de encaminamiento cuando trabajan como puente.. 13.

(34) 2. REDES MÓVILES AD HOC. Distancia entre nodos: mientras mayor es la distancia entre los nodos la probabilidad de errores se incrementa, mientras que la capacidad de ancho de banda disminuye. encaminamiento multisalto: no existe un encaminador por defecto definido, cada nodo actúa como encaminador y envı́a los paquetes de los otros nodos. Incremento/decremento en el camino de encaminamiento: el tamaño en el camino de encaminamiento, definido como el número de nodos por los cuales debe pasar la información desde un origen a un destino, este valor cambia debido a la movilidad de los nodos. Variación en el camino de encaminamiento: un nodo en movimiento puede dejar de ser parte de un camino de encaminamiento en particular, su función de puente debe ser reemplazada por otro nodo, lo que involucra que el tamaño en el camino de encaminamiento no cambia, sin embargo existe un tiempo de convergencia de red asociado a este cambio. Particiones: debido a la movilidad, una red Ad Hoc puede ser dividida en dos redes diferentes o a su vez dos redes Ad Hoc pueden unirse en un sola red. Al utilizar los nodos de una red móvil Ad Hoc interfaces inalámbricas tienen que trabajar en medios inalámbricos que tienen las siguientes caracterı́sticas [IEEE, 2007]: La interfaz inalámbrica tiene un rango de transmisión propio. El medio inalámbrico es compartido y no está protegido de otras señales externas por lo que es menos confiable que un medio guiado. Los nodos son propensos a los problemas propios de los comunicación inalámbrica por ejemplo los problemas de terminal escondido y terminal expuesto. La propagación de la señal es asimétrica y variable en el tiempo. Las caracterı́sticas del medio inalámbrico y la movilidad de los nodos en una red móvil Ad Hoc, hace que los protocolos creados para redes normales no sean los más adecuados por lo que existe una gran cantidad de esfuerzos en investigación en mejorar los algoritmos existentes o crear nuevas estrategias de interacción y comunicación que soporten de mejor manera estos requisitos.. 14.

(35) 2.2 Encaminamiento en una red móvil Ad Hoc. 2.2.. Encaminamiento en una red móvil Ad Hoc. Debido a que naturaleza dinámica de las redes móviles Ad Hoc hace que la topologı́a de la red cambie constantemente [Chlamtac et al., 2003], uno de los factores más importantes a considerar en una red móvil Ad Hoc es el encaminamiento o encaminamiento [Biradar and Patil, 2006]. El encaminamiento Ad Hoc [Ali et al., 2008][Im et al., 2011], (ver figura 2.2) con respecto al modelo de referencia TCP/IP, es en donde se realizan e identifican los procesos más importantes para las redes MANETs. De tal forma que los esfuerzos de mejora que se den en esta capa son directamente visibles en las capas superiores[Conti et al., 2004].. Nivel de Aplicación. FTP, HTTP, etc. Nivel de Transporte. TCP, UDP. Nivel de Internet. IP. Nivel Ad Hoc. Protocolos encaminamiento Ad Hoc. Host a red. Host a red. Figura 2.2: Modelo TCP/IP y encaminamiento Ad Hoc. Una de las funciones de los protocolos de encaminamiento es la de determinar la mejor ruta de un origen a un destino. Para lograr la comunicación estos protocolos por lo general realizan actividades de descubrimiento de ruta, mantenimiento de la tabla de rutas y el envı́o de paquetes. Por lo general la mayor parte de los protocolos de encaminamiento Ad Hoc se encargan de todas las funciones excepto de la función de envı́o de información. En otras palabras los protocolos de encaminamiento Ad Hoc no agregan información de control a los paquetes. Se encargan de descubrir rutas y mantener actualizada la tabla de encaminamiento.. Los protocolos de encaminamiento de redes Ad Hoc generalmente se pueden agrupar en proactivos, reactivos y de encaminamiento jerárquico [Biradar and Patil, 2006] [Royer and Toh, 1999].. 15.

(36) 2. REDES MÓVILES AD HOC. 2.2.1.. Encaminamiento proactivo. Los protocolos de encaminamiento proactivo mantienen información de las rutas de todos los nodos de la red ası́ ésta no se utilice en el intercambio de información. Cada nodo mantiene rutas a todos los nodos de la red. Las tareas principales de creación y mantenimiento de rutas son realizados de forma periódica o por eventos. El protocolo Destination-Sequence Distance-Vector routing DSDV propuesto en [Perkins and Bhagwat, 1994] es un ejemplo de este tipo de protocolos. En DSDV cada nodo mantiene una ruta para cada nodo en la red ası́ esta ruta no se requiera en el futuro. DSDV resuelve el problema de conteo al infinito de los protocolos de encaminamiento de vector distancia, utilizando el número de secuencia mayor para cada ruta. El número de secuencia es generado por el destino de la información lo que garantiza que la ruta sea la más actual. DSDV utiliza más de una tabla de encaminamiento para almacenar la información lo que puede provocar mayor trabajo para el nodo cuando la cantidad de nodos en la red aumente[Mohseni et al., 2010].. 2.2.2.. Encaminamiento reactivo. Los protocolos de encaminamiento reactivos generan rutas en demanda cuando un nodo desea comunicarse con otro. Por lo general tienen dos componentes: descubrimiento de ruta utilizado cuando un origen no conoce como llegar al destino y mantenimiento de ruta para manejar los fallos en las rutas provocadas por la movilidad y cambios de estado de los nodos. El protocolo Ad Hoc on Demand Distance Vector (AODV) [Perkins et al., 2003] es un ejemplo de un protocolo reactivo. AODV utiliza un número de secuencia para cada ruta para evitar el problema de conteo al infinito. Cada nodo en una red Ad Hoc con AODV genera tres tipos de mensajes para generar y mantener las rutas, solicitud de ruta(RREQ), respuesta de ruta(RREP) y errores de ruta (RERR). Cuando un nodo necesita una ruta a un destino, envı́a por difusión un mensaje de solicitud de ruta (RREQ). La ruta puede ser informada por cualquiera el nodo de. 16.

(37) 2.2 Encaminamiento en una red móvil Ad Hoc. destino o un nodo intermedio que posea una ruta lo suficientemente actual. Un ruta se considera lo suficientemente actual si tiene un número de secuencia mayor que el contenido en la solicitud de ruta. La ruta es informada al origen a través de un mensaje de respuesta de ruta (RREP) enviado en forma de unicast (ver figura 2.3). El nodo de destino selecciona la ruta con menos saltos para enviar el mensaje de respuesta de ruta (RREP).. Figura 2.3: Mensajes de AODV. Los nodos monitorean el estado del enlace del próximo salto presente en las rutas activas. Cuando un enlace se rompe el nodo utiliza un mensaje de error de ruta (RERR) para notificar a los otros nodos del evento. Cada ruta en el nodo mantiene una lista de precursores que contiene la dirección de todos los nodos presentes en dicha ruta. La lista de precursores es generada cuando el proceso de respuesta de ruta (RREP) se lleva en la red.. 2.2.3.. Encaminamiento jerárquico. Los protocolos de encaminamiento jerárquico dividen la red en subconjuntos de nodos llamados cluster[Ramrekha et al., 2012], donde un nodo jefe de cluster (JC) es utilizado para concentrar y distribuir la información generada dentro del cluster. Un ejemplo de este tipo de protocolo es el Cluster Based Routing Protocol (CBRP)[Jiang et al., 1999]. La figura 2.4 muestra los componentes básicos de un protocolo de encaminamiento jerárquico o cluster. El argumento principal del encaminamiento jerárquico es disminuir la propagación del tráfico de encaminamiento concentrándolo en una agrupación de nodos [Wu et al., 2011].. 17.

(38) 2. REDES MÓVILES AD HOC. NM NM NM. JC. NM. NM NP. Nodo Puente Nodo Origen. NM. NM. NM JC NM NM. NM NP. NP. Jefe de Cluster Nodo Manejado. JC. NM. NP. NM. NP. JC. NM NM. Nodo Destino. NM. NM. Figura 2.4: Red Ad Hoc basada en cluster. Limitando la propagación del tráfico de encaminamiento se logra bajar la sobrecarga de la red y las rutas tienen un mayor tiempo de vida. En un cluster existen tres tipos de nodos, el jefe de cluster (JC) que concentra la encaminamiento, los nodos gateway o nodos puente que pueden pertenecer a más de un cluster y finalmente los nodos normales que necesitan la intervención del jefe de cluster para enviar información a un nodo ubicado en otro cluster [Agarwal and Motwani, 2009].. En un cluster un nodo normal envı́a su información a través de los nodos Jefes de Cluster. A su vez los JC envı́an la información a través de los nodos gateway. De tal forma que solo los JC y los nodos puente participan en los procesos de encaminamiento en una red Ad Hoc que utiliza encaminamiento jerárquico.. 2.3.. Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. En [Agarwal and Motwani, 2009] se identifica y agrupa a los algoritmos de encaminamiento jerárquico o clustering de acuerdo a las siguientes caracterı́sticas:. 18.

(39) 2.3 Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. Basado en el identificador del nodo: el nodo JC es elegido de acuerdo a su identificación. En este esquema todos los nodos intercambian su identificador para posteriormente realizar la elección del JC. Entre los algoritmos que utilizan esta estrategia están: Lowest-ID [Gerla and chieh Tsai, 1995], Max-Min [Amis et al., 2000] y el Cluster Based Routing Protocol (CBRP) [Jiang et al., 1999]. Basado en la conectividad: en el cual se elige el JC de cluster basado en la cantidad de vecinos del nodo. Entre los algoritmos más importantes se puede nombrar a: Highest-Degree [Gerla and chieh Tsai, 1995], KCONID [Chen et al., 2002] y el algoritmo Vote-based clustering [Li et al., 2004]. Basado en la movilidad de los nodos: en la cual la formación y mantenimiento de los clusters se basa en la movilidad de los nodos pertenecientes a la red. Los algoritmos propuestos por [Er and Seah, 2004][Er and Seah, 2005], el algoritmo Cluster framework [McDonald and Znati, 1999] y el algoritmo Mobility Based Metric [Basu et al., 2001]pueden ser clasificados en este grupo. Basado en el mantenimiento de menor costo del cluster: en la cual el mantenimiento del cluster es retrasado el mayor tiempo posible. Entre otros, el algoritmo Least cluster change algorithm (LCC) propuesto por [Liu et al., 1997] es un ejemplo de esta estrategia. Basado en el consumo de energı́a: utiliza como métrica el nivel de energı́a de los nodos del cluster para la elección del JC. De tal forma que asegura que el JC tenga el mayor tiempo posible de funcionamiento. Según se puede determinar con esta estrategia el mantenimiento del cluster sera retrasado y por lo tanto el cluster será más estable. Basado en la combinación de pesos: En donde se asigna pesos a las caracterı́sticas de los nodos. Caracterı́sticas como conectividad, cantidad de vecinos, movilidad del nodo son utilizados para calcular un valor caracterı́stico de cada nodo que es enviado a todos los nodos del cluster para los procesos de formación y mantenimiento del cluster. Entre los algoritmos propuestos en esta categorı́a se tiene el Distributed Clustering Algorithm DCA [Basagni, 1999], Distributed Mobility-Adaptative Clustering (DMAC) [Basagni et al., 2001] y WCA [Chatterjee et al., 2001].. 19.

(40) 2. REDES MÓVILES AD HOC. A continuación, se discuten las caracterı́sticas más de los protocolos más relevantes relacionados con los objetivos de la presente investigación.. 2.3.1.. Lowest-ID [Gerla and chieh Tsai, 1995]. En este algoritmo a cada nodo de la red se le asigna un ID (identificador), los nodos efectúan un broadcast de su ID a sus vecinos directos y eligen el Jefe de Cluster comparando su ID con el de sus vecinos.. Un nodo que escucha solamente ID mayores que el suyo es un nodo Jefe de Cluster.. El nodo tiene como su Jefe de Cluster aquel nodo que tiene el identificador más bajo.. Este algoritmo considera nodo puente, a aquel que tiene la capacidad de comunicarse con dos o más nodos Jefes de Cluster. El resto de nodos que no son ni jefes de cluster ni nodos puente son nodos normales.. La figura 2.5 muestra una red Ad Hoc con 10 nodos, en la cual los nodos 1, 2 y 4 son jefes de cluster; los nodos 8 y 9 son nodos puente.. Figura 2.5: Cluster con Lowest-ID [Gerla and chieh Tsai, 1995]. 20.

(41) 2.3 Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. 2.3.2.. Max-Min [Amis et al., 2000]. Otra estrategia de encaminamiento jerárquico es la planteada por [Amis et al., 2000] y denominada como Max-Min, que propone ampliar la cobertura del cluster más allá del rango de transmisión de los nodos para reducir el número de jefes de cluster en la red y por lo tanto minimizar el problema de congestión en la red. En esta estrategia los cluster se construyen de forma que los nodos se puedan encontrar a d saltos de su propio Jefe de Cluster. El objetivo principal de Max-Min es que se seleccionen múltiples lı́deres en una red Ad Hoc que contenga cientos de nodos y que con los Jefe de Cluster seleccionados se forme un conjunto dominante mı́nimo de d saltos.. En esta heurı́stica, d se define como el máximo número de saltos al cual se puede encontrar un nodo lejos del Jefe de Cluster más cercano (d ≥ 1). El valor d se le asigna a la heurı́stica permitiendo de esta forma el control sobre el número de Jefes de Cluster a ser elegidos. Los nodos participan en el algoritmo de selección del Jefe de Cluster en base a su ID.. El algoritmo funciona a través de 2d rondas de intercambio de información. En donde cada nodo almacena la información de identificación de los nodos y quien envı́o dicha información. Al inicio los nodos envı́an su identificador y se proclaman ganadores de la elección a través de mensajes de inundación.. El algoritmo se da en etapas: primero la propagación de los identificadores de nodo. Luego de finalizado la propagación se elige los jefes de cluster de la red y finalmente se definen los enlaces entre clusters a través de la definición de los nodos puente.. 2.3.3.. Highest Degree [Gerla and chieh Tsai, 1995]. Conocido también como Highest-connectivity. Por basarse en la conectividad que tiene un nodo con sus vecinos directos. Cada nodo hace un broadcast periódico del estado de su conectividad a todos sus vecinos. Un nodo decide convertirse en Jefe de Cluster o en nodo ordinario, comparando el grado de conectividad de sus vecinos con el suyo. Define dos estados para los nodos cubierto y no cubierto. Los estados reflejan. 21.

(42) 2. REDES MÓVILES AD HOC. la pertenencia a un cluster.. En este algoritmo un nodo envı́a la lista de todos sus nodos vecinos.. La figura 2.6 muestra un ejemplo de una red Ad Hoc con 10 nodos, en el cual los nodos 5, 7 y 8 son Jefes de cluster; los nodos 2,3,9 10 son nodos puente.. Figura 2.6: Cluster con Highest Degree [Gerla and chieh Tsai, 1995]. 2.3.4.. KCONID[Chen et al., 2002]. Este algoritmo combina dos algoritmos de clustering, Lowest-ID y Highest-degree, en uno solo. Para realizar la selección de los Jefes de Cluster se considera como primer criterio la conectividad y como segundo criterio el ID de valor más bajo.. Cuando se utiliza solamente la conectividad de los nodos como criterio de selección de Jefes de Cluster, se originan muchos empates entre los nodos. Por otro lado usar solamente el criterio del ID de valor más pequeño genera más clusters de los requeridos.. El propósito de KCONID es el de minimizar el número de cluster formados en la red y de esta manera obtener conjuntos dominantes de menor tamaño.. 22.

(43) 2.3 Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. A cada nodo en la red se le asigna un par conocido como prioridad del Jefe de Cluster y denotado como: did = (d, ID) El valor de d equivale a la conectividad d de un nodo y el valor ID es el identificador del nodo. Un nodo es elegido como Jefe de Cluster si posee el valor más grande de conectividad. En caso de igual conectividad, la prioridad que tiene un nodo para convertirse en Jefe de Cluster depende de si tiene el ID más pequeño. Un nodo realiza un broadcast de su decisión tomada respecto a su estado cuando todos sus vecinos de k-saltos que tengan prioridades de Jefe de Cluster de valor más grande lo hayan hecho.. Figura 2.7: Cluster con KCONID [Chen et al., 2002]. 2.3.5.. MobDHop[Er and Seah, 2004][Er and Seah, 2005]. Es un algoritmo de clustering que divide la red Ad Hoc en cluster de d saltos en base a una métrica de movilidad. El propósito de este esquema es formar cluster estables con el fin de establecer en la red una arquitectura para el encaminamiento. El objetivo de formar cluster es hacer más flexible el diámetro del cluster. El diámetro del cluster se adapta de acuerdo a la movilidad del nodo. Mob-Dhop asume que cada nodo puede medir la potencia de señal que recibe. MobDHop busca que el intercambio de información sea mı́nimo durante la formación de cluster y durante los cambios de Jefes de Cluster. Este algoritmo de clustering asume que cada nodo puede medir la potencia de las señales que recibe. De esta forma, un. 23.

(44) 2. REDES MÓVILES AD HOC. nodo puede determinar la cercanı́a con sus nodos vecinos. En el algoritmo, dos nodos se consideran cercanos, si las señales recibidas por ellos tienen un valor idóneo de potencia. Este algoritmo utiliza mensaje de HELLO periódicos para formar el cluster, agregar nuevos nodos y mantener el cluster. El algoritmo de MobDHop requiere del cálculo de cinco términos: La distancia estimada entre nodos La movilidad relativa entre nodos La variación de la distancia estimada a través del tiempo La estabilidad local La distancia media estimada MobDHop se ejecuta en tres etapas:. Etapa de descubrimiento: Inicialmente MobDHop forma clusters de dos saltos que no se sobreponen entre sı́. Al comienzo cada nodo realiza un broadcast de mensajes de HELLO en el que incluye el valor de su estabilidad local, el cual es inicializado como infinito al principio del proceso. Cada nodo calcula la distancia estimada a sus vecinos midiendo la potencia de la señal de los mensajes de HELLO recibidos. Después de recibir por lo menos dos mensajes de HELLO, un nodo calcula su movilidad relativa respecto a sus vecinos. Tras un periodo de descubrimiento en el cual los nodos adquieren un conocimiento completo de sus vecindario, cada nodo calcula el valor de su estabilidad local y lo transmite mediante un broadcast. Esto se realiza con el fin de que cada nodo compare su valor de estabilidad local con la de sus vecinos. El nodo que tenga el menor valor de estabilidad local entre sus vecinos es elegido como Jefe de Cluster. Etapa de fusión: Los clusters de dos saltos establecidos en la etapa de descubrimiento son expandidos mediante un proceso de fusión. El proceso de fusión puede ser iniciado por un nodo que aún no es miembro de algún cluster, el cual. 24.

(45) 2.3 Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. hace una petición para poder unirse a sus cluster vecinos. Este proceso también se puede llevar a cabo cuando dos nodos puente que son vecinos hacen la petición de fusionar sus cluster respectivos. Etapa de mantenimiento: Esta etapa en los clusters se lleva a cabo cuando ocurre un cambio topológico en la red. Un cambio topológico puede ocurrir cuando un nodo ingresa en la red. Este nodo comienza un proceso de fusión calculando la movilidad relativa estimada y la variación de la distancia a través del tiempo con cada vecino. El nodo selecciona el vecino con el menor valor de variación de distancia a través del tiempo, para unirse a su cluster.. 2.3.6.. Cluster Framework[McDonald and Znati, 1999]. El algoritmo de clustering (α, t) utiliza un modelo de probabilidad para determinar la disponibilidad de los caminos entre los nodos de una red Ad Hoc.(α, t) es un algoritmo distribuido asincrónico en el cual los nodos se organizan en cluster de una forma dinámica. Los autores de (α, t) pretenden dar con esta técnica de clustering, soporte a un esquema de encaminamiento hı́brido y adaptativo el cual pueda desempeñarse de una manera más óptima cuando las rutas de movilidad sean bajas y de una manera más eficiente cuando las rutas de movilidad sean altas. El propósito de formar cluster de acuerdo a la movilidad de los nodos, es el de balancear de manera adaptativa el encaminamiento proactivo y reactivo.. Esta técnica de clustering establece un criterio denominado criterio (α, t), para formar cluster de nodos en un red Ad Hoc. El criterio (α, t) se satisface si existe por lo menos una probabilidad α durante un periodo de tiempo t de que los caminos internos de un cluster se encuentren disponibles para que los nodos de un mismo cluster sean mutuamente alcanzables.. Debido a que la disponibilidad de los caminos es un proceso aleatorio, la movilidad de los nodos que se encuentren en un cierto camino determina el grado de disponibilidad que este camino pueda presentar. Por lo tanto el algoritmo de clustering (α, t) predice la movilidad de un nodo con el fin de organizar la red en cluster. El algoritmo está diseñado. 25.

(46) 2. REDES MÓVILES AD HOC. para tomar acciones apropiadas ante cambios topológicos ya que un cambio topológico requiere que los nodos reevalúen el criterio (α, t). Los eventos que pueden producir cambios topológicos en las MANET organizados mediante cluster son[Sivavakeesar and Pavlou, 2005]: Activación de un nodo: un nodo de la red se activa, inicializa o calcula su identificación o estado de cluster a un valor predefinido para indicar que no se encuentra unido a un cluster, esto con el propósito de descubrir nodos adyacentes y unirse a algún cluster. Activación de un enlace: cuando un nodo dentro de un cluster detecta la activación de un enlace, la topologı́a del cluster se actualiza. Falla un enlace: si hay la falla de un enlace el nodo debe determinar si ha perdido caminos con respecto a los destinos en el cluster. Si un destino es inaccesible el nodo lo elimina de su tabla de encaminamiento y no toma en cuenta para el cálculo de los caminos. Expiración del Temporizador α : cuando se expira el temporizador α las acciones que toma un nodo son las mismas que cuando detecta la falla de un enlace o la desactivación de un nodo. Desactivación de un nodo: puede ser por la desactivación voluntaria de un nodo, una falla imprevista, la desconexión de un cluster o el abandono voluntario de un nodo de su cluster.. 2.3.7.. Least cluster change algorithm (LCC) [Liu et al., 1997]. Muchos de los protocolos de clustering ejecutan el procedimiento de formación y mantenimiento de cluster en forma periódica. En ese algoritmo el mantenimiento del cluster solo es invocado en dos casos: Cuando dos jefes de cluster están en el mismo rango del cluster. En este caso uno de ellos deja de ser jefe de cluster. Cuando un nodo no puede acceder a ningún jefe de cluster. Este recrea la estructura del cluster de acuerdo a la formación del algoritmo Lowest-ID.. 26.

(47) 2.3 Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. El algoritmo utiliza la siguiente especificación: 1. Al inicio utiliza o el algoritmo Lowest-ID o el algoritmo Highest-connectivity para la formación de los clusters. 2. Cuando un nodo normal se mueve desde un cluster i a un cluster j, los jefes de cluster en i y en j no son cambiados. (Solo los miembros del cluster cambian) 3. Cuando un nodo normal sale de su cluster y no ingresa a ningún otro cluster existente. Este nodo forma un nuevo cluster del cual es el jefe de cluster. 4. Cuando un jefe de cluster JC(i) se mueve del cluster i al cluster j. Cualquiera de los dos deja de ser jefe de cluster de acuerdo al algoritmo utilizado Lowest-id o Highest-connectivity. 5. Los nodos que se separan de un cluster entrarán nuevamente en un proceso de formación de cluster de acuerdo a los algoritmos Lowest-id o Highest-connectivity.. 2.3.8.. Clustering for energy conservation [hee Ryu et al., 2002]. Este algoritmo trabaja con nodos maestros y nodos esclavos. Un nodo esclavo debe conectarse solo a un nodo maestro. La conexión entre nodos esclavos no es permitida. El área de cobertura del cluster está definido por la distancia entre el nodo maestro y el nodo esclavo más lejano. Además limita el número de esclavos que un nodo maestro puede servir. Lo que intenta es minimizar el consumo de energı́a de transmisión de todas las parejas maestro-esclavo para lograr que la red opere con el máximo rendimiento el mayor tiempo posible. Para el mantenimiento del cluster propone dos fases de trabajo. En la primera fase todos los nodos maestros envı́an mensajes de atención a los nodos esclavos con la máxima energı́a. Cada esclavo que recibe uno o más mensajes de atención envı́a un mensaje de acuse de recibo de vuelta al nodo maestro del que recibieron mensajes de atención con la potencia de señal más fuerte. El nodo maestro está limitado a servir a cierta cantidad de nodos esclavos, por lo que primero atiende a nodos esclavos a los cuales envı́o mensajes de atención. Si el nodo maestro aún no sobrepasa su capacidad puede atender a otros nodos esclavos. Aquellos nodos esclavos que no son atendidos por un. 27.

(48) 2. REDES MÓVILES AD HOC. nodo maestro, son excluidos de la comunicación.. Los nodos esclavos que tengan múltiples mensajes de atención seleccionarán el nodo maestro más cercano. Cada pareja maestro-esclavo se comunican entre sı́ con el mı́nimo poder de transmisión de tal forma que puedan ahorrar energı́a.. Para aquellos nodos que no fueron atendidos en la primera fase, se ejecuta una segunda fase del algoritmo. Siempre tratando de incluir los nodos esclavos basados en la potencia de la señal.. Según [Agarwal and Motwani, 2009] el inconveniente de este esquema es que cada fase de clustering consume una gran cantidad de energı́a y además en este algoritmo el proceso de elección del nodo maestro no está especificado.. 2.3.9.. DCA [Basagni, 1999] y DMAC [Basagni et al., 2001]. En el algoritmo DMAC (Distributed Mobility-Adaptative Clustering), los nodos cluster cabeza se seleccionan mediante el criterio basado en peso, permite escoger los nodos en función de los parámetros de movilidad relativa de los nodos. Provee solución a algunos problemas como: minimizar el monto de almacenamiento de información de comunicación, optimizar el uso de ancho de banda de red y distribuir recursos a través de la red.. Utilizan dos tipos de mensajes CH y JOIN . CH es utilizado por un nodo para avisar a los nodos que el pretende ser el jefe de cluster. JOIN a su vez sirve para que el nodo informe a sus vecinos que él es parte de un cluster, se incluye también en los mensajes la identificación del Jefe de cluster respectivo.. El algoritmo necesita conocer la topologı́a local de cada nodo (vecinos de un salto) y permitir a cada nodo ordinario tener acceso directo al menos a un jefe de cluster garantizando la comunicación inter e intra cluster entre dos nodos.. 28.

(49) 2.3 Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. Una caracterı́stica importante de DMAC es que los nodos pueden moverse, incluso durante la formación del clustering. Durante la ejecución del algoritmo DMAC se asume que cada nodo tiene un peso (un número real ≥ 0) y un ID asociado a él. El peso de un nodo representa los parámetros de movilidad. Un nodo elige su propio rol (clúster cabeza u ordinario) basándose en el conocimiento de sus actuales vecinos localizados a 1 salto de distancia.. Un nodo llega a ser cluster cabeza, si tiene el valor más alto entre sus vecinos a 1 salto de distancia, de lo contrario, se une a un cluster cabeza vecino.. Estos algoritmos se diferencian, en la forma en la cual tratan la movilidad de los nodos para el proceso formación de cluster: el primero consiste en un algoritmo de clustering distribuido DCA (distributed clustering algorithm) y el segundo se trata de un algoritmo de clustering distribuido que se adapta a la movilidad DMAC (distributed mobility-adaptive clustering). El algoritmo DCA es más apropiado para redes Ad Hoc que presentan baja movilidad, es decir redes que son casi-estáticas. DMAC en cambio, es un algoritmo más conveniente para trabajar con redes que presentan un alto grado de movilidad. DMAC es un algoritmo distribuido que agrupa a los nodos de una red móvil Ad Hoc en cluster conformados por un Jefe de Cluster y unos nodos ordinarios. Los Jefe de Cluster se seleccionan de acuerdo a un criterio basado en pesos que depende de parámetros de movilidad relacionados con cada nodo. DMAC busca contrarrestar una desventaja que presentan muchos algoritmos de clustering. Muchas técnicas de clustering asumen comúnmente que durante el tiempo de inicio del algoritmo los nodos no se mueven mientras se lleva a cabo el proceso de formación de cluster.. Dentro del algoritmo de DMAC se definen tres propiedades importantes que debe cumplir un algoritmo de clustering:. Cada uno de los nodos ordinarios debe tener por lo menos un Jefe de Cluster como vecino.. 29.

(50) 2. REDES MÓVILES AD HOC. Cada nodo ordinario debe afiliarse con el Jefe de Cluster vecino de mayor peso. Dos Jefes de cluster no pueden ser vecinos. Durante la ejecución de DMAC se llevan a cabo cinco procedimientos en cada nodo, los cuales son:. Rutina de inicialización para el proceso de formación de cluster. Procedimiento por falla de un enlace. Procedimiento para el establecimiento de un nuevo enlace. Procedimiento tras la recepción de un mensaje de un nodo JC. Procedimiento tras la recepción de un mensaje de tipo JOIN. De acuerdo a Bettstetter [Bettstetter, 2004] en comparación con otros algoritmos de clustering, DMAC presenta menor complejidad. Los nodos empiezan la ejecución del algoritmo mediante la rutina de inicio. Los nodos con el mayor peso entre vecinos envı́an un mensaje informando que es el Jefe de Cluster. Los nodos restantes simplemente esperan a recibir un mensaje. Al recibir un mensaje de un Jefe de Cluster un nodo chequea si se afilia o no al Jefe de Cluster que le envió este mensaje. Cuando un Jefe de Cluster recibe un mensaje JOIN verifica si el nodo que le manda este mensaje se va a unir a su cluster o a otro. Si un nodo ordinario recibe un mensaje JOIN de su propio Jefe de Cluster, significa que ese Jefe de Cluster ha renunciado a su papel. Este algoritmo permite que cada nodo reaccione ante la falla de un enlace o ante la presencia de un nuevo enlace con otro nodo.. 30.

(51) 2.3 Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. Si falla un enlace entre un Jefe de Cluster y uno de sus miembros del cluster, la membresı́a del nodo en el cluster se elimina y este nodo debe determinar su nuevo papel.. Cuando un nodo detecta la presencia de un nuevo vecino, se realiza el procedimiento para establecer un nuevo enlace entre estos dos nodos. En este caso, el nodo que detecta el nuevo enlace determina si el nuevo vecino es Jefe de Cluster y si tiene un peso mayor al de su propio Jefe de Cluster. Si esto sucede, el nodo se une al nuevo vecino. Si el nodo que detecta el nuevo enlace es un Jefe de Cluster, este deberá renunciar a su papel si el nuevo Jefe de Cluster tiene un peso mayor al suyo.. 2.3.10.. Weighted Clustering Algorithm (WCA)[Chatterjee et al., 2001]. WCA (Weighted Clustering Algorithm) es un algoritmo de encaminamiento jerárquico en el cual se elige el Jefe de cluster basado en una métrica combinada de pesos. Para elegir un nodo como Jefe de Cluster, WCA utiliza los siguientes parámetros relacionados con el nodo: El número de nodos que un solo Jefe de Cluster puede manejar (grado del nodo). La movilidad. La potencia de la transmisión. El consumo de la baterı́a. WCA asigna un peso a cada una de las caracterı́sticas mencionadas y las combina para obtener una métrica. Esta métrica es enviada a todos los vecinos para la posterior elección del Jefe de cluster.. WCA es un algoritmo no periódico y se ejecuta el menor número de veces posibles con el fin de evitar congestión en la comunicación y la sobrecarga de la red. Por esta razón, el proceso de selección de los Jefes de Cluster sólo es invocado cuando ocurre un cambio topológico provocado por la movilidad de los nodos. Para asegurar que los Jefes de Cluster no se sobrecarguen, se establece un lı́mite predefinido el cual especifica el número de nodos que cada Jefe de Cluster puede idealmente manejar. Este parámetro. 31.

(52) 2. REDES MÓVILES AD HOC. corresponde a δ. El algoritmo considera los siguientes aspectos: El proceso de elección del jefe de cluster (JC) no es periódico y es invocada el menor número de veces posible. Lo que reduce la actualización del cluster y los costos de computación y comunicación. Si la distancia relativa entre los nodos y sus jefes de cluster no cambia entonces el algoritmo no es invocado. Cada jefe de cluster soporta idealmente solo δ nodos para asegurar un manejo eficiente de acceso al medio. Un rendimiento alto puede ser logrado limitando u optimizando el grado de cada jefe de cluster. El poder de la baterı́a puede ser usado eficientemente usado dentro de un rango de transmisión, mientras más cerca estén los pares en la comunicación el desgaste de energı́a será menor. Un jefe de cluster consume más energı́a que un nodo normal, debido a las responsabilidad que debe mantener con todos sus miembros. La movilidad es un factor importante para la elección de los jefes de cluster. Para evitar que los JC cambien frecuentemente, selecciona un jefe de cluster que no se mueva demasiado. Cuando un jefe de cluster se mueve constantemente, los nodos pueden ser desconectados del jefe de cluster y como resultado provocar un proceso de re-afiliación. Un jefe de cluster se comunica mejor con sus vecinos más cercanos dentro de su rango de transmisión. En el algoritmo se definen los siguientes pasos para la elección del jefe de cluster: 1. Encontrar los vecinos de cada nodo v, para encontrar el grado del nodo dv. Encontrar los nodos vecinos de cada nodo v que estén dentro del rango transmisión del nodo v ( T xv ).. dv =| N (v) |=. X v i ∈V v i 6=v. 32. {dist(v, v i ) < T xv }. (2.1).

(53) 2.3 Estrategias de encaminamiento jerárquico para redes móviles Ad Hoc. donde N (v) es el vecindario del nodo v. 2. Obtener la diferencia de grado entre vecinos Cada nodo calcula su diferencia de grado. Con este valor se define el número máximo de nodos que puede administrar el Jefe de Cluster(JC) dentro de su vecindario N (v). Está dado por. ∆v =| dv − δ |. (2.2). donde δ es el número máximo de nodos que el nodo v puede administrar. Mientras mas alto sea el valor obtenido el nodo tendrá mayor posibilidad de ser el Jefe de Cluster. 3. Calcular la suma de distancias para cada nodo Dv. Dv =. X. {dist(v, v i )}. (2.3). v i ∈N (v). 4. A continuación se calcula el promedio de la velocidad de cada nodo al tiempo T. Este cálculo da una medida de movilidad Mv de tal forma que:. Mv =. T q 1X (Xt − Xt1 )2 + (Yt − Yt1 )2 T. (2.4). t=1. Donde (Xt , Yt ) es la coordenada del nodo v en el tiempo t y. (Xt1 , Yt1 ) es la coordenada del nodo v en el tiempo t1 y. T es el tiempo T = t1 − t 5. Calcular el tiempo acumulado Pv durante el cual un nodo v actúa como jefe de cluster. Pv está relacionado con el desgaste de baterı́a.. 33.