Comparación del desempeño de protocolos de ruteo en redes MANET

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Comparación del desempeño de protocolos de ruteo en redes MANET” Autor: Alejandro Nuñez Cuellar Tutor: Dr. C. Erik Ortiz Guerra Co-Tutor: Ing. Julio César Pérez García Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(2) Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Comparación del desempeño de protocolos de ruteo en redes MANET” Autor: Alejandro Nuñez Cuellar E-mail: [email protected]. Tutor: Dr. C. Erik Ortiz Guerra E-mail: [email protected]. Co-Tutor: Ing. Julio César Pérez García E-mail: [email protected] Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(3) Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Lo que sabemos es una gota de agua, lo que ignoramos es el océano”. Isaac Newton.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi abuela por su dedicación y por el apoyo brindado en todo momento….

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi madre, mis abuelos, a m i t í o R o d o l f o , a N a n c y y M a r i o , a toda mi familia. A l o s q u e e n mi confiaron e incitaron a seguir siempre. A todos los que han cooperado en mi formación profesional, especialmente a mis tutores Erik y Julio Cesar por su paciencia y dedicación en esta última etapa. A mis compañeros amigos: Liena, Yerson, José E Vargas, Yaimet, Frank Placensia, Pablo, Y a s m a n y y todos los que me ayudaron en u estuvieron presentes durante mi carrera. A todos Gracias.. muchas.

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Con el propósito de cumplir los objetivos trazados para la realización de esta tesis, se tomaron en cuenta para la confección del informe final las siguientes tareas técnicas: . El estudio de las características de los protocolos de ruteo que se utilizarán.. . La descripción de los protocolos de ruteo seleccionados para la simulación.. . La determinación de los parámetros fundamentales que deben ser evaluados para comparar el desempeño de los protocolos de ruteo simulados en una red MANET.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Con la presente investigación se pretende proporcionar un estudio del desempeño de varios protocolos de enrutamiento ante varios amientes de redes móviles adhoc propuestos, en cuanto a parámetros deseados para este tipo de redes. Se pretende realizar la comparación de algunos de estos protocolos en cuanto a la mejora, ventajas y desventajas que podrían significar su aplicación en este tipo de redes, especificando sus potencialidades y limitaciones lo cual permitirá tomar este trabajo como punto de partida para nuevas investigaciones sobre el tema. Los resultados y conclusiones derivados de esta investigación tendrán gran valor teórico para futuros proyectos relacionados con el uso de múltiples radios. Para realización de esta investigación no requerirá recursos adicionales a los ya existentes y para la ejecución de las pruebas necesarias se empleará la simulación con el objetivo de viabilizar la obtención de resultados..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO........................................................................................................i DEDICATORIA.........................................................................................................ii AGRADECIMIENTOS..............................................................................................iii TAREA TÉCNICA...….............................................................................................iv RESUMEN….............................................................................................................v INTRODUCCIÓN......................................................................................................1 Capítulo 1. Generalidades de los Protocolos de Encaminamiento empleados en Redes Inalámbricas y en Redes Radio Cognitivas..………………….……...............3 1.1 Utilización del espectro….……………………………………………....….…….....3 1.2 Redes de Radio Cognitiva. Generalidades… ..………………………………..….5 1.3 Retos de los protocolos de encaminamiento en Redes Radio Cognitivas……..7 1.4 Protocolos de encaminamiento en redes inalámbricas………...………….……..8 1.5 Protocolos de encaminamiento en MANET… …………………………………...14 1.6 Consideraciones finales……………… ...………….………………….…..….…...15 Capítulo 2. Descripción de Protocolos de Encaminamiento empleados en MANET……………………………………………………….……………………….…..17 2.1 Selección de los protocolos de ruteo………………………..…...…………….....17 2.2 Descripción del protocolo OLSR…………………………………...………….…..18 2.3 Descripción del protocolo DSDV………………………………………...….……..20 2.4 Descripción del protocolo DSR……………………………………………....…….22 2.5 Descripción del protocolo AODV……………………………………………….….25 2.6 Consideraciones finales…………………………………………...…………….....28 Capítulo 3. Evaluación y comparación de los resultados……………………….…..29.

(10) vii 3.1 Entornos de simulación de los protocolos (NS3)…………………..…………….29 3.2 Resultados del modelo Ideal……………………………………………………….30 3.2.1 Posicionamiento de los nodos…………………………………………………30 3.2.2 Modelo de movilidad……………………………………………………………31 3.2.3 Modelo de pérdidas de propagación y retardo………………………………33 3.2.4 Montaje de la red MANET.………………………………………………..…...34 3.3 Parámetros seleccionados para evaluar los protocolos………………………...37 3.4 Resultados del escenario estático………………………………………………...38 3.5 Resultados de los escenarios con movilidad en los nodos……………..……...40 3.6 Consideraciones finales…………..………………………………………………..43 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................45 Conclusiones..........................................................................................................45 Recomendaciones.................................................................................................46 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................47.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Dado el desarrollo de las tecnologías inalámbricas el espectro radioeléctrico ha tomado un alto valor, pues el mismo se encuentra regulado y distribuido por normas internacionales que son aplicadas y adaptadas a las características de cada país. La Unión Internacional de Telecomunicaciones es el Organismo que rige y regula las normas y políticas para el uso del Espectro a nivel mundial [1]. El espectro radioeléctrico se encuentra dividido por bandas. Hoy en día se evidencia el agotamiento de este recurso pues la demanda por parte de los usuarios ha aumentado. Ello ha traído consigo el surgimiento nuevas formas de utilización del medio, las redes radio cognitivas, redes en las que los usuarios sin licencias para la operación un determinado segmento (usuarios secundarios), se les permite utilizar los espacios destinados a los usuarios licenciados (usuarios primarios), hasta tanto estos tengan necesidad de utilizar estos espacios. Con el objetivo de que no se pierda la conexión lograda por parte de los usuarios secundarios, antes las condiciones descritas han sido desarrolladas una gran diversidad de protocolos de enrutamiento los cuales tienen como función principal la búsqueda de nuevos caminos o rutas que garanticen la llegada de los paquetes de datos a su destino final [1]. En la presente investigación se pretende comparar el desempeño de cuatro protocolos de enrutamiento, de ellos dos del tipo proactivo y dos de del tipo reactivo, antes varios ambientes de redes de redes inalámbricas; uno en el que los nodos son estáticos estático y otro en el cual los nodos presentan movilidad. Para la realización del estudio lo hacemos apoyándonos en la simulación de los protocolos mencionados para varios entornos escogidos en una MANET. El objetivo general del presente trabajo es Comparar el desempeño de distintos protocolos de ruteo mediante la simulación de eventos discretos en el software Simulador de Redes Versión 3 (NS3, por sus siglas en ingles). Para dar.

(12) INTRODUCCIÓN. 2. cumplimiento al objetivo general fueron trazados los siguientes objetivos específicos:    . Describir los protocolos de ruteo escogidos para las simulaciones. Establecer los parámetros que deben ser evaluados para comparar el desempeño de los protocolos simulados en una red inalámbrica. Simular varios protocolos de enrutamiento ante varios ambientes de redes inalámbricas. Evaluar el desempeño de los protocolos de ruteo MANET en cuanto a los parámetros deseados para este tipo de redes.. Con la culminación de la presente investigación, se ofrecerán datos que fueron tributados de la realización de comparación de los protocolos seleccionados en cuanto a la mejora, ventajas y desventajas que podrían significar su aplicación en este tipo de redes, especificando sus potencialidades y limitaciones lo cual permitirá tomar este trabajo como punto de partida para nuevas investigaciones sobre el tema.. Al finalizar se contará con un material que evalúe el posible. comportamiento de los protocolos seleccionados ante diferentes escenarios, pudiendo ser utilizados por investigadores con el objetivo de elegir en su momento cuál de ellos es el más adecuado ante determinado escenario..

(13) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 3. CAPÍTULO 1. Generalidades de los Protocolos de Encaminamiento empleados en Redes Inalámbricas.. En este capítulo se abordan las generalidades del espectro radioeléctrico, se tocan temas relacionados con las Redes Radio cognitivas y los protocolos de enrutamientos. En el primer epígrafe se abordan las políticas de distribución del espectro radioeléctrico, los inconvenientes asociados a su utilización y como contribuyen al surgimiento de las Redes Cognitivas. Luego en los epígrafes siguientes se exponen las principales características de las Redes Radio Cognitivas y los retos impuestos por estas al desarrollo de protocolos de enrutamientos diseñados principalmente para su implementación en las mismas. Por último, se caracterizan los protocolos de enrutamiento para redes inalámbricas. Finalmente se bordan las generalidades de los protocolos de enrutamiento que son aplicables específicamente a las redes móviles ad-hoc (MANET, por sus siglas en inglés) 1.1 Utilización del espectro El espectro radioeléctrico se encuentra dividido por bandas o segmentos en las distintas frecuencias. En todos los países el espectro radioeléctrico es gestionado a través de un sistema de asignación, distribuciones y autorizaciones de frecuencias. Las distribuciones constituyen la subdivisión final del espectro, donde a cada cliente en particular se le otorga una autorización para transmitir en un canal o grupo de canales, en determinada ubicación, bajo condiciones específicas y por un tiempo relativamente largo [2]. En los últimos años varias instituciones han realizado esfuerzos significativos por acelerar los procesos de normalización y establecimiento de regulaciones para el.

(14) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 4. uso oportunista del espectro. Dentro de las instituciones involucradas en los procesos de estandarización de los sistemas radio se encuentran la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, por sus siglas en inglés), el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) [3], la Asociación Europea para la Estandarización de los Sistemas de la Información y las Comunicaciones (ECMA) y el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) [2]. En todos los países existe un organismo facultado para la gestión y administración del espectro radioeléctrico, en el cual están establecidas un cuadro de atribución de frecuencias que debe estar conforme a lo acordado en las Conferencias Mundiales de Radiocomunicaciones de la UIT [4]. Este documento permite que los diferentes servicios de radiocomunicación del país, operen en bandas de frecuencias que son previamente definidas para cada uno de ellos, con el fin de asegurar su funcionamiento, minimizar la probabilidad de interferencias objetables y permitir que coexistan servicios de telecomunicaciones dentro de una misma banda de frecuencias, si se necesita. Aun cuando el proceso de planificación del espectro radioeléctrico es bastante minucioso, existe una porción del mismo que se encuentra infrautilizada por sus propietarios, lo cual conlleva un desperdicio de recursos espectrales. Esto ocurre debido a que muchas bandas de frecuencia no se utilizan eficientemente, o incluso no se utilizan en absoluto, el ejemplo más fehaciente es el caso de las bandas que son explotadas por operadores de radioaficionados o de televisión, en las que se producen variaciones en la utilización del espectro asignado, de entre un 15 y un 85 por ciento, ya sean temporales o geográficas [4, 5]. Existe una gran concentración en las bandas de libre acceso que sí son utilizan la mayor parte del tiempo, incluso en bandas que se encuentran por debajo de los 3GHz, las cuales son particularmente valiosas para los sistemas inalámbricos debido a sus favorables características de propagación, de ellas podemos mencionar la banda GSM (Global System for Mobile Communications) para sistemas celulares y la ISM (Industrial, Scientific and Medical) para Wifi, Bluetooth y microondas, están fuertemente utilizadas [4]..

(15) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 5. El espectro radioeléctrico presenta como característica de que es un medio heterogéneo, pues sus usuarios son capaces de acceder, tanto a las partes del espectro regulada por licencia, al igual que a las partes que no necesitan de licencia del para ser operadas. Por esta razón las operaciones de las redes radiales pueden ser clasificadas como, operación de frecuencia con licencia y sin licencia [6] . En las operaciones de la frecuencia con licencia las bandas son utiliza principalmente por la red primaria. En las operaciones de la frecuencia sin licencia los usuarios no licenciados tienen el mismo derecho de acceder al espectro licenciado ante la ausencia de los usuarios principales, para ello se necesita la utilización de métodos de compartición del espectro que sean sofisticados [6]. 1.2 Redes Radio Cognitiva. Generalidades Los componentes de la arquitectura de red de la Radio Cognitiva, se pueden clasificar en dos grupos: la red primaria y la red de CR (Radio Cognitiva). La red primaria (red con licencia), se conoce como una red existente donde los principales usuarios tienen una licencia para operar en una determinada banda del espectro. Si las redes primarias tienen una infraestructura, las actividades de los usuarios principales son controladas a través de las estaciones base primaria. Debido a su prioridad de acceso al espectro, las operaciones de los usuarios primarios no deben verse afectadas por los usuarios sin licencia. La red de CR, también llamada, red secundaria, o red sin licencia, como su nombre lo dice, no cuenta con una licencia para operar en una banda deseada. Por lo tanto, se requiere de una funcionalidad adicional de los usuarios CR para compartir la banda del espectro con licencia. Las redes de CR también pueden ser equipadas con estaciones base de Radios Cognitivas, las cuales proporcionan conexión a los usuarios de CR. Por último, las redes de CR pueden incluir agentes del espectro, los cuales desempeñan un papel en la distribución de los recursos del espectro entre las diferentes redes de CR [7, 8]..

(16) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 6. Para una mejor comprensión del funcionamiento de una Red Radio Cognitiva es necesario conocer cuáles son los elementos o etapas que conforman el ciclo cognitivo, el análisis del espectro, la decisión del espectro, la comparación del espectro y la movilidad del espectro. En la primera etapa del proceso cognitivo, los dispositivos cognitivos como una función básica elemental, tienen que monitorear las bandas que se encuentran disponibles con el objetivo de encontrar espacios abiertos y recuperar información de acerca del espectro que lo rodea, la cual va ser utilizada por las demás funciones del ciclo cognitivo[4, 9]. En la segunda etapa del proceso, se selecciona por parte del dispositivo cognitivo la banda más apropiada para los requerimientos de calidad de servicio. Se caracteriza la banda en cuanto al ambiente radial y al comportamiento de los usuarios. principales,. pues. para. implementar. protocolos. que. incorporen. características del espectro su dinámica, se debe contar con informes de la actividad de los usuarios primarios para no interferir sus comunicaciones [4, 9]. En la tercera etapa del proceso cognitivo, el dispositivo radio cognitivo debe coordinar sus transmisiones para evitar colisiones de sus señales con las de otros usuarios. Esto posibilita compartir los recursos espectrales por parte de múltiples usuarios y evita la interferencia a usuarios con licencia. Compartir el espectro implica el uso de protocolo de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control), que coordine las tareas de análisis del espectro y establezca los tiempos de transmisión aparte de otras acciones [4, 9]. En la cuarta etapa de este proceso, al detectarse mediante el análisis del espectro la actividad de un usuario licenciado, los dispositivos radio cognitivos deben inmediatamente cambiarse a otra porción vacante del espectro y continuar la comunicación en dicha banda. La movilidad del espectro necesita un plan de handoff o sea (un plan de frecuencias disponible) para detectar el fracaso del enlace e intercambiar la transmisión actual para una nueva ruta o una nueva banda del espectro con degradación mínima de calidad. Además, esta funcionalidad necesita un plan administrativo de conexión para sostener las.

(17) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 7. funciones de los protocolos de las capas superiores, mitigando la influencia de la alternación del espectro [4, 9]. 1.3 Retos de los protocolos de encaminamiento en Redes Radio Cognitivas CRNs Para el diseño de protocolos de enrutamiento para este tipo de redes se impone una tarea compleja, porque estos deben poder garantizar un buen funcionamiento para todos los escenarios posibles de la red, además deben soportar el servicio IP tradicional (trabajan a nivel de red). Deben ser capaces también de reaccionar eficientemente a cambios en la topología de la red y a variaciones de la demanda de tráfico, de manteniendo o de encaminamiento efectivo. Actualmente los protocolos de encaminamientos en las CRNs se enfrentan diversos retos, el primero de ellos, es las diversas formas de acceso a la red de los usuarios de las CRNs. Los mimos pueden acceder a su propia estación base en todas las bandas del espectro, ya sean en las que son licenciadas o en las no licenciadas [6]. El sincronismo entre los usuarios secundarios constituye otro de los retos importantes a los cuales se enfrentan los protocolos de encaminamientos en las CRNs, este es difícil de mantener para estos entornos de red. Existen propuestas costosas como es la utilización de un medio que ubique a los usuarios como puede ser el GPS para poder garantizar el sincronismo, sucede que esta alternativa además de costosa, no es aplicable en todos los escenarios [6]. Para el acceso a las bandas primarias y con el objetivo de identificar y hacer un uso “oportunista” de aquellas bandas de frecuencia no utilizadas, los usuarios secundarios necesitan explorar canales de la red con el objetivo de identificar las bandas de frecuencia no utilizadas. A pesar de que han sido desarrolladas algunas técnicas eficientes de censado, este proceso no está libre de errores y algunos de los canales de la red pueden ser erróneamente identificados como disponibles u ocupados. Las imperfecciones de la exploración, unido a las diferencias en la posición geográfica de cada usuario secundario con respecto a.

(18) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 8. los usuarios primarios, hacen que los canales identificados como disponibles por los usuarios secundarios puedan o no coincidir [6].. 1.4 Protocolos de encaminamiento en redes inalámbrica Actualmente existen un gran número de propuestas diferentes de procedimientos para el enrutamiento en redes inalámbricas. La principal función de los protocolos de encaminamiento es seleccionar el camino de los paquetes de datos entre el nodo fuente y destino de una manera rápida y fiable [10]. En las redes inalámbricas se pueden utilizar los protocolos de encaminamiento diseñados para otros tipos de redes ya existentes, pero para poder implementarlos es necesario modificarlos para que funcionen correctamente con ellas. Si se elige esta opción, el protocolo de encaminamiento modificado debe asegurar las principales características que son el número de saltos, el rendimiento, la tolerancia a fallos, el equilibrado de carga, la escalabilidad y el soporte adaptativo [10]. Existen diversas clasificaciones para los protocolos de encaminamiento, estos se pueden calificar en base al alcance de las transmisiones que realiza, en cuanto al modo en que descubren las rutas y en base al algoritmo que implementan. En base al alcance de las transmisiones, se clasifican en unicast y multicast. Los protocolos unicast transmiten los paquetes de datos uno a uno. El envío de datos se realiza desde un único emisor a un único receptor, mientras que en los multicast el método de transmisión es de uno-a-muchos, es decir, se envían los paquetes de datos a múltiples destinos simultáneamente. En cuanto al modo que descubren las rutas, hay dos grandes grupos, los que se basan en la topología de la red o los que se basan en la posición de los nodos. A su vez, los protocolos que se basan en la topología de la red se subdividen en reactivos y proactivos. De los basados en la topología de la red se encuentran, el LQSR y el AODV [10]..

(19) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 9. El protocolo LQSR (Link Quality Source Routing) es un protocolo reactivo para redes inalámbricas desarrollado por el Microsoft Investigación Grupo. LQSR se derivó del protocolo DSR, pues en este se mejora la métrica de calidad de eslabón. La métrica es la cantidad de brincos, la latencia del viaje retardo (RTT), latencia de par de paquete y Cuenta de la Transmisión Esperada (ETX) [4, 10]. Para mejorar la calidad del eslabón, LQSR usa el escondite del eslabón, en lugar del escondite de la ruta. Cuando un nodo quiere enviar un dato entonces es que ese nodo mira el escondite del eslabón para la ruta del destino. Si la ruta existe entonces envía los datos. Por otra parte transmite el Paquete de Demanda de Ruta a sus vecinos hasta que alcance el destino. Cuando un nodo recibe una demanda de la ruta (RREQ) el paquete, agregará la calidad del eslabón métrico por encima el paquete que había llegado por ese eslabón. Cuando un nodo de la Fuente recibe la contestación de la ruta (RREP) el paquete, incluye información de calidad de eslabón e información del nodo. LQSR envía el mensaje (Hola) a sus vecinos por todo el eslabón, información que se usa para medir en el eslabón la calidad a cada nodo del eslabón en que este mensaje fue recibido [4, 10]. El protocolo AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector) fue creado por Charles E. Perkins [AODV] como evolución de su anterior protocolo (DSDV). En el diseño de este protocolo se mantiene la idea de mantener números de secuencia y tablas de encaminamiento, pero se agrega el concepto de encaminamiento bajo demanda, pues sólo se guarda información de los nodos que intervengan en la transmisión de datos. La optimización primordial que se consiguió en relación a su anterior diseño fue el decremento del tiempo de proceso, de la memoria y del tráfico de control por la red. Además, AODV es “muy cuidadoso” con las rutas, manteniéndolas en caché mientras son necesarias e inhabilitándolas cuando su información no es útil [11]. Los protocolos se pueden clasificar en base al algoritmo que implementan, que puede ser estado del enlace o vector de distancias. En los protocolos de estado de enlace todos los nodos tienen una tabla con el mapa de red completo. En este caso se encuentra el protocolo WRP.

(20) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 10. El protocolo WRP (Wireless Routing Protocol), fue creado por S. Murthy y J.J. García- Luna-Aceves. Está basado en tablas, cuyo objetivo principal es mantener información actualizada de todos los nodos de la red. Cada nodo es responsable de mantener cuatro tablas, una de distancia, una de encaminamiento, una de costo de ruta y una tabla de lista de mensajes retransmitidos (MRL). Esta última es utilizada para gestionar el envío de los paquetes de actualización de rutas. Cada entrada de la MRL contiene el número de secuencia que identifica el paquete de actualización. de. rutas,. un. contador. de. retransmisiones,. un. vector. de. acertamientos con una entrada por vecino y una lista de las unidades enviadas en el paquete de actualización (en ocasiones, el paquete se divide en unidades más pequeñas). Esta MRL, almacena qué unidades deben ser retransmitidas y qué vecinos deben admitir todavía los envíos [12]. Los nodos se informan entre ellos de los cambios en las rutas a través de los paquetes de actualización que son enviados sólo entre vecinos y contienen los elementos a actualizar en las rutas. Los nodos envían estos paquetes cuando procesan las actualizaciones recibidas de otros vecinos o cuando ellos mismos detectan un cambio en el enlace con algún vecino. Los nodos mantienen activo el enlace con los vecinos, siempre y cuando reciban de ellos mensajes de consentimientos u otros tipos de mensajes. Si un nodo no está enviando mensajes, deberá enviar un paquete HELLO cada cierto tiempo a sus vecinos, para que éstos no crean que el nodo se ha vuelto inalcanzable. La omisión de mensajes por parte de un nodo ocasionará la ruptura de ese enlace. Cuando un nodo recibe un mensaje HELLO de un nuevo nodo, este nodo será añadido a la tabla de encaminamiento y una copia de esta tabla será enviada al nuevo nodo [12]. El protocolo ZRP (Zone Routing Protocol): Creado Nicklas Beijar [ZRP]. Es un protocolo híbrido a medio camino entre los protocolos basados en tablas y los basados en encaminamiento bajo demanda. Es utilizado en una clase particular de redes ad-hoc llamadas RWNs (Reconfigurable Wireless Networks). Estas redes se caracterizan por tener gran cantidad de nodos, mucha movilidad y alto tráfico. Los.

(21) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 11. protocolos anteriores no satisfacían las necesidades específicas de estas redes y los autores se decidieron a crear un nuevo protocolo. ZRP usa zonas similares a clusters, en las que los nodos que actúan de bordes se van seleccionando dinámicamente. Además, el radio de estas zonas se reajusta sobre la marcha según las condiciones de la red. Se pueden usar protocolos distintos para comunicarse dentro de las zonas y entre zonas distintas [12, 13]. La Figura 1.1 muestra la interacción de los nodos en una Zona ZRP.. Figura 1.1. Nodos en una Zona ZRP. Elaboración propia. El protocol de Asignación de Rutas TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm), fue creado por M. Scott Corson y Vincent Park. Se basa en mantener un grafo dirigido y sin ciclos para llegar al destino. El protocolo pertenece a la familia de algoritmos conocidos como “link reversal” [14]. Está diseñado para reaccionar de manera efectiva antes cambios en la red y particiones de la misma. El nombre de este protocolo proviene de la asunción de tener relojes sincronizados en los nodos, esto se puede obtener vía GPS. El principal objetivo de TORA es obtener rutas estables, las cuales pueden ser rápidamente y localmente reparadas, en caso de ruptura de enlaces el protocolo construye un grafo a cíclico directo de rutas hacia el nodo destino, denominado “Direct acyclic graph” (DAG). El DAG se obtiene asignando una dirección a cada enlace entre nodos, y un peso, o nivel de referencia a cada nodo. El grafo DAG.

(22) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 12. tiene la siguiente propiedad, sólo existe un nodo destino, mientras que los restantes nodos tienen al menos un enlace de salida. El funcionamiento del protocolo TORA se divide en tres etapas, descubrimiento de ruta, mantenimiento de ruta y cancelación de ruta [12].. Figura 1.2. Nodos formando un grafo dirigido. Elaboración propia. El nivel de clasificación más habitual, se basa en la estructura de los protocolos en cuanto a la homogeneidad o heterogeneidad de los roles de los nodos en el encaminamiento. Estos se distingue entre uniformes o no uniformes [10]. En los Protocolos Uniforme o de estructura plana, todos los nodos de la red desempeñan iguales funciones y poseen las mismas características. En este caso, no se incurre en ningún coste de mantenimiento de la estructura de la red; sin embargo, se adaptan en muy poca medida a ampliaciones conservando sus mismas prestaciones. En los No Uniforme se encuentra los que desarrollan a una estructura jerárquica en las que algunos nodos juegan papeles especiales e incluso pueden dotarse de capacidades particulares en términos de cómputo, energía o almacenamiento, entre otros. Esto les permite soportar algoritmos más complejos, reducir la sobrecarga debida a la comunicación y ofrecer la posibilidad de balanceo de carga.

(23) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 13. mientras mantiene sus características, incluso ante incrementos del número de nodos en la red. Por el contrario, generan cierto coste de mantenimiento de la estructura y necesitan, en muchos casos, la disponibilidad de nodos heterogéneos [15]. De estos Algoritmos tenemos el ejemplo del algoritmo CGSR. Es un algoritmo de la asignación de ruta jerárquico. En CGSR, el número de nodos se forma en racimos y cada racimo usa una cabeza (CH) para el racimo qué manda a un grupo de nodos inalámbricos y que logra un armazón jerárquico para la separación del código entre los racimos, acceso del cauce, asignación de ruta y asignación del bandwidth. Una vez el racimo se forma, entonces el algoritmo distribuidor se invoca para elegir una cabeza del racimo. Como se muestra en la figura 1.3 en cada racimo, la cabeza del Racimo frecuentemente puede reemplazarse, pero afecta la actuación del algoritmo, pues los nodos gastan más tiempo en selecciona un CH. Para superar esta limitación, se usan racimos con el menor cambio posible. En el algoritmo CGSR, los CHs cambian sólo cuando remolca CHs nuevo, entran en contacto unos con otros o uno de los movimientos del nodo se encuentra fuera de rango de los otro CHs. En CGSR, cada nodo mantiene la tabla de Miembro de Racimo (CMT) y va recorriendo la tabla para determinar el CH más cercano a lo largo de la ruta asea el destino y el próximo nodo de la ruta requerida CH destino [15].

(24) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 14. Figura 1.3. Nodos formando racimos en el CGSR. Elaboración propia. 1.5 Protocolos de encaminamiento en MANET Una red MANET (Mobile Ad-hoc Networks) es una red inalámbrica de múltiples saltos, autónoma en cuanto a organización, en cuanto a la configuración y en la cual su estructura cambia dinámicamente. Estas redes cuentan con las siguientes características[16]. Son redes descentralizadas pues los propios nodos los que se encargan de ejecutar todas las tareas de red, desde el descubrimiento de nuevas rutas al reenvío de paquetes hasta el destino, actuando como routers. Presentan una topología dinámica ya que, pueden existir cambios en sus parámetros de transmisión, la topología de la red puede cambiar rápidamente y de manera impredecible en cualquier momento. Además éstas pueden estar compuestas tanto por enlaces bidireccionales como unidireccionales [17]. En ellas la energía es limitada ya que algunos o todos los nodos de la red hacen utilizan baterías u otros medios agotables para su alimentación. La conservación de la energía es uno de los principales criterios de diseño a tener en cuenta para los nodos [17]. Existen diversos protocolos para el enrutamiento que son aplicables a este tipo redes, todos con el principal objetivo de garantizar la transferencia de mensajes de un nodo a otro. Se pueden clasificar en cuanto en la forma en que se descubren y seleccionan las rutas como proactivos, reactivos e híbridos. En los protocolos del tipo Proactivos se emiten paquetes con determinada secuencialidad los que se utilizan para descubrir nuevos nodos en la red y la ruta que permita llegar a ello. Esta información se almacena en una tabla que se mantiene actualizada. Es de ámbito global pues todos los nodos conservan los posibles caminos hacia el resto de los nodos. Los nodos intercambian dato de manera periódica o ante la aparición de un cambio en esta información [17]..

(25) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 15. La ventaja ofrecida por estos protocolos es el poco tiempo a la hora de transmitir los paquetes de información, pues como los caminos ya se encuentran creados este proceso es mucho más sencillo. La desventaja principal de este tipo de protocolo es que con la existencia de tantas informaciones almacenadas en las tablas de rutas, se hace lento el proceso de actualización y se genera mucho tráfico cuando falla el enlace [17]. Por otra parte estos protocolos consumen recursos de la red energía, cómputo, almacenamiento, etc, independientemente del grado de utilización de la ruta, por lo que no resulta viable para entornos móviles [12]. Los Protocolos Reactivos buscan las rutas solamente cuando se necesita transmitir los datos, para ello se emiten de paquetes con solicitudes de rutas. Este proceso se realiza cada vez que un nodo desea encontrar un trayecto hacia otro nodo destino. La ruta hallada se mantiene mientras que el destino esta accesible. En consecuencia, se reduce el número de los destinos y el de las tablas de enrutamiento que almacenan esta información. La ventaja de la utilización de Protocolos Reactivos es que existe un mayor aprovechamiento del ancho de banda de parte del sistema. La parte desventajosa de estos mecanismos es que la latencia en el proceso de descubrimiento puede saturar la red y en ocasiones la ruta ofrecida no es de óptima calidad y el tiempo en establecer la comunicación aumenta [17]. Los protocolos híbridos se obtiene de la combinación de elementos de protocolos proactivo y reactivos. Aquí se lleva de forma simultánea el enrutamiento dentro y entre dominios, para la operación dentro del dominio se utiliza el enrutamiento proactivo, para las operaciones entre dominios se utiliza el enrutamiento reactivo. El enrutamiento reactivo también se implementa en caminos que son utilizados en pocas ocasiones [17]. 1.6 Consideraciones finales . EL estudio de la radio cognitiva es muy importante, pues en la actualidad el desarrollo en lo que a dispositivos electrónicos corresponde, apuntan a.

(26) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN REDES INALÁMBRICAS.. 16. el uso de las comunicaciones inalámbricas como uno de los requisitos más importante en cuanto a diseño y calidad de prestación de servicios principalmente en el área de las comunicaciones, por lo que ello trae consigo el aumento de la demanda actual de los segmento del espectro radioeléctrico y por consiguiente el agotamiento total de la poca disponibilidad de este recurso. . Los protocolos de enrutamiento constituyen un eslabón clave en el desarrollo de la radio cognitiva, estos agilizan el proceso cognitivo pues les ahorran a los usuarios secundarios el engorroso trabajo de encontrar una ruta disponible para lograr la transmisión de los datos desde un emisor hasta su destino final sin la necesidad de interrumpir el enlace creado..

(27) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. CAPÍTULO 2.. 17. Descripción de Protocolos de Encaminamiento. empleados en MANET. En este capítulo se describen los protocolos de enrutamiento seleccionados para el estudio de su comportamiento en ambientes de redes inalámbricas, mediante la simulación. En el epígrafe 2.1 se realiza la selección de estos algoritmos. En los epígrafes siguientes se realiza la descripción de a cada uno de estos Protocolos de Enrutamiento para Redes MANET, el OLSR (On-demand Link State Routing, Protocolo de enrutamiento de estado de enlace optimizado), el (DSDV) (Destino Secuencia del Vector de Distancia), el AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector, Protocolo de enrutamiento a demanda ad-hoc del vector distancia) y el Protocolos Unicast DSR (Dynamic Source Routing, Fuente de enrutamiento dinámico). 2.1 Selección de los protocolos de ruteo Para la realización de este proyecto hemos seleccionado cuatro protocolos de enrutamiento, dos de la familia de los proactivos el OLSR y el DSDV y dos protocolos de asignación de ruta de la familia de los reactivos el AODV y el DSR. Se utilizaron estos protocolos debido a las siguientes razones. Para su implementación no se necesitan infraestructura fija ni de una administración que sea centralizada. De todos los protocolos, existentes en la actualidad estos han alcanzado un nivel de RFC. De todos los protocolos aplicables a las redes MANET, estos cuatro son más estudiados. El costo energético de su utilización es muy bajo con respecto a otros protocolos antes mencionados..

(28) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 18. 2.2 Descripción del protocolo OLSR El Protocolo de Enrutamiento de Estado de Enlace Optimizado (OLSR). Es un protocolo proactivo, protocolo dónde las rutas siempre están inmediatamente disponibles cuando se necesitan. OLSR es una versión optimizada de un protocolo puro eslabón (LSR), protocolo estatal en que la topología cambia a causa del inundando de la información topológica a todo los organizadores disponibles en la red [18]. El protocolo OLSR puede perfeccionar la reactividad topológica de la red, al reducir el intervalo de tiempo máximo para la transmisión periódica de mensaje de mando. Además, como OLSR continuamente mantiene las rutas a todos los destinos en la red, el protocolo es beneficioso para modelos de tráfico dónde un subconjunto grande de nodos está comunicando con otro subconjunto grande de nodos, y donde los pares [la fuente, destino] están cambiando con el tiempo [19]. Su funcionalidad principal es construir una tabla de asignación de ruta para cada nodo en redes MANETs y se diseña específicamente para este tipo redes. El protocolo de OLSR está bien preparado para aplicaciones que no permite los retrasos largos en la transmisión de los paquetes de los datos. El ambiente activo mejor recomendado para la utilización de este protocolo es una red densa dónde la mayoría de la comunicación se concentra entre un número grande de nodos, pues la idea básica es logra la transmisión de paquetes de forma efectiva y evitando la duplicidad de paquetes en una misma zona. Es decir, con este protocolo se intenta evitar que un grupo de nodos que están en el mismo rango de cobertura tengan que enviar los mismos paquetes a los mimos nodos, reduciendo así el flujo de información en la red [19, 20]. El proceso de designación de los nodos MPR se realiza cuando cada nodo i elige uno conjunto de nodos denominados MPR (i), los cuales se encuentra a un salto del nodo i. Cada nodo MPR (i), en la vecindad próxima de dos saltos de i, debe tener un enlace simétrico. Cuando un nodo quiere enviar un mensaje, éste envía el mensaje a todos los nodos que componen su MPR (i) [19]..

(29) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 19. En la Figura 2.1 se puede observar la representación de varios nodos MPR designados por el nodo I. Cada nodo I periódicamente inunda sus nodos MPR con mensajes de control denominados “Toplogy Control” (TC), estos mensajes son utilizados para mantener actualizada la topología del conjunto MPR (i). Cada TC contiene un número de secuencia, el cual se incrementa cada vez que un cambio se produce en el MPR (i) [21].. Figura 2.1. Designación de nodos MPR (I). Elaboración propia. En el proceso de intercambio de información entre nodos se usa el concepto multi parada del punto (MPR) para reducir el mando que trafica sobre la cabeza de los mensajes a los nodos MPR elegidos entre ellos. Los nodos MPR transmiten el control de los mensajes con el nombre de otros nodos en la red [21]. El menaje MPR ayuda proporcionando el camino más corto al destino. En el protocolo OLSR se usan diversos tipos de mensajes de mando, el mensaje Hola se usa para encontrar la información de estado del eslabón y el nodo vecino organizador [22]. La desventaja de este protocolo es que debe mantener la tabla de la asignación de ruta para todas las posibles rutas por lo que no se nota ninguna diferencia en las redes pequeñas, pero cuando el número de los organizadores móvil aumenta, entonces el arribo de los mensajes del mando también es creciente. Esto reprime el scalability del protocolo OLSR [22]..

(30) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 20. 2.3 Descripción del protocolo DSDV Es un esquema de la asignación de ruta tabla-manejada para redes móviles adhoc basadas en el algoritmo de Bellman-Ford [23], algoritmo que presenta un estructura básica, en la que en vez de seleccionar vorazmente el nodo de peso mínimo aun sin procesar para relajarlo, simplemente relaja todas las aristas, y lo hace |V|-1 veces, siendo |V| el número de vértices en el grafo. Las repeticiones permiten a las distancias mínimas recorrer el árbol, ya que en la ausencia de ciclos negativos, el camino más corto solo visita cada vértice una vez. A diferencia de la solución voraz, la cual depende de la suposición de que los pesos sean positivos, esta solución se aproxima más al caso general [24]. El protocolo DSDV posee mejoras respecto al algoritmo antes mencionado, en las que se incluye la libertad de las vueltas para el recorriendo de las tablas usando los números de la sucesión. Se desarrolló por C. Perkins y P. Bhagwat en 1994. El protocolo de DSDV puede usarse en los ambientes de la gestión de redes ad-hoc móviles asumiendo los actos de cada nodo que participa como una fresadora [22]. El este protocolo cada nodo mantiene en una tabla una lista con todos los destinos posibles, el número de saltos hasta alcanzar el destino y un número de secuencia asignado por el nodo destino. El número de secuencia se utiliza para diferenciar rutas antiguas, de rutas nuevas [25]. Los nodos envían periódicamente sus tablas de enrutamiento a sus nodos vecinos. De igual forma ésta es enviada si la tabla ha sufrido algún cambio significativo. La actualización de las tablas está basada en dos sucesos, uno temporal, esto quiere decir que periódicamente se actualiza la misma, el otro evento eta basado en la ocurrencia de un cambio importante, por ejemplo la entrada de un nuevo nodo en la red [25]. El envío de la tabla se puede realizar de dos formas, la primera es el envío completo de la tabla, o un envío incremental. Cuando la red se encuentra relativamente estable, los envíos totales son evitados para no saturar con extra tráfico la red. Por el contrario en redes que están constantemente cambiando, envíos completos son preferidos antes que envíos parciales [26]..

(31) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 21. La información sobre las rutas de comunicaciones es actualizada periódicamente como ya se ha comentado. Cuando no se recibe información de actualización sobre una de las rutas en varios periodos de actualización consecutivos, ésta es eliminada de la tabla de enrutamiento. DSDV fue uno de los primeros protocolos de enrutamiento disponibles. Éste es adecuado para la creación de redes ad-hoc con un número pequeño de nodos [26]. Cada tabla de la asignación de ruta a cada una de las estaciones contiene, una lista destinos todos disponibles y el número de los brincos a cada uno de sus nodos vecinos, Como se muestra en la figura 2.2 en este caso el nodo 2 enviara a cada uno de sus vecinos, 1,2,3,4 y 8 esta tabla.. Figura 2.2. Tabla de asignación de rutas enviada por el nodo 2. Elaboración propia Una limitación de DSDV es que mantiene sólo una ruta un par source/destination. La estructura de la tabla de la asignación de ruta para este protocolo es simple. Cada entrada de la tabla tiene que un número de la sucesión que se incrementa cada vez un nodo envía un mensaje actualizado [27]..

(32) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 22. Cada nodo de DSDV mantiene dos tablas de asignación de ruta: una para remitir los paquetes y una para anunciar los paquetes de asignación de ruta incrementales. La información de asignación de ruta enviada periódicamente por un nodo contiene un nuevo número de la sucesión, la dirección del destino, el número de brincos al nodo del destino, y la sucesión numérica del el destino [27]. Cuando la topología de una red cambia y un nodo lo detector envía un paquete a sus nodos vecinos. En el recibo de un paquete de actualización de un el nodo vecino, un nodo extrae la información del paquete y las actualizaciones de su tabla de asignación de ruta de la sigue forma. Si la nueva dirección tiene un número de la sucesión más alto, el nodo escoge la ruta con el número de la sucesión más alto y desecha el número de la sucesión viejo. Si el número de la sucesión entrante es idéntico a una pertenencia existente, una ruta con el menor costo es escogida. Toda la métrica escogida de la nueva información de la asignación de ruta se incrementa. Este proceso continúa hasta que todos los nodos se pongan al día. Si hay paquetes doble de los paquetes puestos al día, el nodo considera y guarda uno con el menor-costo métrico [27]. En caso de un eslabón roto, un costo métrico con un nuevo número de sucesión (incremento) se asigna a él para asegurar que el número de la sucesión de esa métrica siempre sea mayor, o que iguala al número de la sucesión de ese nodo. [27] 2.4 Descripción del protocolo DSR Enrutamiento Dinámico por Origen (DSR), es un protocolo de asignación de ruta para las redes inalámbricas y es basado en un método conocido como la asignación de ruta de la fuente. Esto significa que el nodo emisor conoce la ruta completa de saltos hasta llegar al receptor. La información de las rutas es almacenada en la memoria cache de los nodos. Los paquetes enviados por los nodos contienen la ruta hacía la fuente en su cabecera. Si un nodo desea enviar un paquete a otro nodo y no conoce la ruta para llegar a este, entonces inicia un proceso de descubrimiento de ruta. Para ello se realiza el envío de paquetes RREQ [28, 29]..

(33) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 23. Los nodos al reciben los paquetes RREQ lo reenviar a sus vecinos, en el caso de no ser ellos el nodo destino, o tengan una ruta hacia el destino solicitado por la fuente. La respuesta a esta solicitud un paquete RREP. La información referente a la nueva ruta creada es almacenada en memoria cache, tanto para los nodos de ida, como para los nodos de la vuelta. Si un enlace se rompe se informa a los nodos mediante mensajes de error RERR y automáticamente el nodo origen eliminará dicha ruta de su memoria cache. A diferencia del protocolo AODV en el DSR se pueden almacenar varias rutas en la memoria cache de los nodos que se encuentran entre el origen y el destino. Mientras que el AODV sólo puede almacenar en su tabla de enrutamiento una entrada entre origen y destino [19, 30]. El protocolo DSR presenta como principales características que los paquetes de enrutamiento que envían los nodos contienen toda la información de la ruta que éstos deben seguir. Los nodos intermedios pueden adquirir esta información para un. posterior. uso.. Este. protocolo. no. requiere. paquetes. periódicos. de. mantenimiento de rutas, pues funciona totalmente bajo demanda “On Demand”. Cuando todos los nodos no se encuentran activos, no existen mensajes de red entre ellos, por lo cual se evita los embotellamientos. Solamente cuando se producen cambios, debidos a movimientos en la red, se producen mensajes de la capa de red [31]. Un nodo puede almacenar diferentes rutas para un mismo destino. Esto representa una ventaja en el caso que se rompa el enlace de comunicación en uso ya que no se tiene que iniciar inmediatamente un nuevo proceso de descubrimiento de rutas. También puede ser un inconveniente en algunos casos, porque pueden ser utilizadas rutas no actualizadas [19]. En la Figura 2.3, se ilustra el proceso de descubrimiento cuando un nodo A intenta descubrir una ruta hacia el nodo E. El primer paso es la transmisión del mensaje ROUTE REQUEST a todos sus nodos vecinos. Cada mensaje ROUTE REQUEST, contiene información sobre el nodo fuente, y un identificador único request id. Los mensajes ROUTE REQUEST, contienen también una lista de.

(34) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 24. nodos por los que han sido retransmitidos. Esta lista es comenzada por el nodo fuente [31].. Figura 2.3. Proceso de descubrimiento de ruta en DSR. Elaboración propia. El nodo destino al recibir en mensaje ROUTE REQUEST, éste transmite al nodo fuente un mensaje ROUTE REPLY, el cual contiene toda la información de los nodos por los que pasó el mensaje ROUTE REQUEST. Cuando el nodo origen recibe el ROUTE REPLY lo almacena en su memoria cache. El nodo E busca en su memoria cache una ruta de regreso al nodo A y en el caso de que no exista en ese momento entonces utiliza la información que viaja en el ROUTE REQUEST[32]. Los nodos origen almacenan una copia del mensaje ROUTE REQUEST en un buffer denominado Send Buffer, al igual que el tiempo en el que dicho mensaje se introdujo en el buffer. Cuando se recibe un mensaje de respuesta del nodo destino, esta copia es borrada del buffer en el cual se ha almacenado. Mientras el mensaje se mantiene en el buffer, otros procesos de descubrimiento hacia el nodo destino pueden ser inicializados. Esto debe evitarse pues produce problemas de acumulación de tráfico. Por esa razón existe un tiempo de “back-off”, que limita la inicialización continuada de procesos de descubrimiento [19]. En la siguiente Figura 2.4 se ilustra cómo se realiza el proceso de mantenimiento de la ruta. El nodo A ha originado un paquete para el nodo E. El paquete deberá transmitirse a través de los nodos B, C y D. aquí se evidencia el proceso antes descrito..

(35) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 25. Figura 2.4. Proceso de mantenimiento de rutas en DSR. Elaboración propia. Cuando un mensaje no puede ser retransmitido al nodo siguiente en la ruta como sucede del nodo C al Nodo D, se genera un mensaje de error ROUTE ERROR por parte del nodo C el cual será retransmitido hacia el nodo origen, para identificar en qué punto de la ruta se ha roto el enlace. Cuando el nodo A recibe este mensaje, elimina dicha ruta de su memoria cache [31]. 2.5 Descripción del protocolo AODV El Protocolo de Enrutamiento Bajo Demanda ad-hoc del Vector Distancia (AODV), fue desarrollado por el centro de investigación de Nokia en la Universidad de California (Nokia Research Center of University of California), Santa Barbara y la Universidad de Cincinati. Los investigadores que desarrollaron el protocolo fueron C. Perkins y S. Das [28]. Se trata de uno de los protocolos de enrutamiento más utilizado para aplicaciones móviles. En concreto, para MANETs y otros tipos de redes ad-hoc inalámbricas, donde el número de nodos es elevado. Es un protocolo del tipo Reactivo ya que crea una ruta entre dos nodos, sólo cuando ésta es demandada por el nodo fuente. Las rutas permanecerán activas sólo cuando existan paquetes transmitiéndose desde el nodo fuente al nodo destino. Cuando el nodo fuente termine de enviar paquetes y un cierto (time out expire), la ruta entre los nodos se cancelará [19]..

(36) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 26. AODV es un protocolo creado sobre la base del protocolo DSDV, y utiliza un algoritmo de adquisición de rutas puramente bajo demanda. Una característica fundamental del protocolo AODV es que los nodos destino de un trayecto, antes de proporcionar información de enrutamiento, crean un número de secuencia de destino (destination sequence number), que constituye un instrumento para evaluar cuánto se ha actualizado determinada ruta evitando la formación de lazos [33]. En el momento de elegir entre varios caminos hacia un cierto destino un nodo, elegirá el camino que se caracterice por un número de mayor de secuencias que corresponda a la información de enrutamiento más reciente. El protocolo AODV soporta el enrutamiento (unicast y multicast), utiliza tablas de enrutamiento para almacenar la información de red. Una tabla para rutas multicast y otra para rutas unicast. En dichas tablas se almacena la dirección de destino, la dirección del siguiente nodo en caso de multi-hop (Hop Address), el número de nodos en caso de multi-hop (Count Hop), el número de secuencia de destino y el tiempo de vida. Si un nodo un nodo desea enviar un dato, primeramente lo que hace es busca la ruta destino almacenada en su memoria caché de rutas. Si esta ruta existe los datos son enviados, en el caso contrario el nodo comienza un proceso de descubrimiento de ruta con la emisión de un Route Request Packet (RREQ) a sus vecinos hasta llegar al nodo destino [19]. Este proceso se ilustra mejor en la Figura 2.5..

(37) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 27. Figura 2.5. Rutina realizado por AODV para el envío de datos. Elaboración propia. El mensaje RREQ contiene la dirección del nodo origen, la dirección del nodo destino, el número de secuencia de origen, el identificador de difusión, y el número más reciente de secuencia de los nodos fuente y destino. Cuando la solicitud llega al nodo destino, este emite una respuesta (RREP Route Reply) de vuelta al nodo de origen a través de la ruta por la cual el destino recibió primero el paquete RREQ [19], como se muestra en la Figura 2.5.1. Figura 2.6. Proceso de descubrimiento de rutas en AODV. Elaboración propia.. Con esta técnica el protocolo de enrutamiento encuentra la ruta más rápida y más corta. Los nodos de la red que forman parte de rutas activas, para mantener estas rutas transmiten periódicamente mensajes especiales de RREP, llamados mensajes “HELLO”, a sus nodos vecinos. Si no se reciben mensajes de tipo “HELLO” provenientes de un determinado nodo vecino se interpretará esto como la pérdida de la conexión con este. En ese caso el resto de los nodos de la red procederán a corregir su tabla de enrutamiento eliminando aquel trayecto. Si el enlace se rompiera por cualquier motivo mientras la ruta se encuentra activa, se generará un mensaje de error RERR hacia el nodo origen. El nodo fuente.

(38) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EMPLEADOS EN MANET. 28. puede volver a reiniciar el descubrimiento de la ruta en caso de considerarlo necesario [12]. Las principales ventajas de AODV son que no crea tráfico adicional para la comunicación y que no necesita de mucho espacio para el almacenamiento de los datos. También tiene algunas limitaciones, ya que necesita más tiempo para establecer una conexión y la comunicación inicial para establecer una ruta es más complicada que en otros protocolos. Además consume una inusual cantidad de ancho de banda debido al envío periódico de tramas de tipo HELLO [22]. 2.6 Consideraciones finales . Se escogieron los cuatro protocolos de enrutamiento antes descrito el OLSR, DSDV, DSR y el AODV, pues cada uno, aunque presentan características diferentes son los más utilizados en las redes inalámbricas. Su utilización en este tipo de redes presenta una marcada relevancia, en nuestros días por lo que un sinnúmero de investigadores trabajan con la finalidad de lograr el mejoramiento de las características de estos protocolo, tratando de adaptar estas mejoras a las condiciones reales vigentes en las redes MANET.. . Los protocolos de enrutamiento OLSR y DSDV, utilizan para su funcionamiento algoritmos basados en tablas de ruta, son algoritmos de tipo proactivos pues en ellos las rutas se mantienen siempre disponibles incluso cuando no se transmite información entre los nodos de la red. A diferencia de los protocolos antes mencionados, el DSR y el AODV, son protocolos de enrutamiento del tipo reactivo, utilizan algoritmos bajo demanda para la obtención y el mantenimiento de las rutas entre la fuente y el destino, en el momento del envío de la información a través de los nodos de la red..

(39) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN Y COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS. CAPÍTULO 3.. 29. Evaluación y comparación de los resultados. En el presente capítulo se implementan los simuladores necesarios para evaluar el desempeño de los protocolos de ruteo AODV, DSR, OLSR y DSDV en una red MANET, con ayuda del software NS3. En los primeros epígrafes se caracteriza el software NS3 y se describen los scripts de simulación empleados. En los capítulos siguientes. se. discuten. los. resultados. de. los. escenarios. simulados. y. posteriormente se realizan las conclusiones finales del capítulo. 3.1. Entornos de simulación de los protocolos (NS3) Para evaluar el desempeño de los protocolos de ruteo se crearon deferentes scripts con ayuda del software Code: Blocks el cual es un entorno de desarrollo integrado libre sigla en inglés IDE (Integrated Development Environment) el cual permite el desarrollo de aplicaciones en lenguajes C y C++. Luego los scripts se corrían en el software Network Simulator 3, por sus siglas en inglés NS3, es un simulador de red de eventos discretos que pretende convertirse en el sucesor de NS2. El proyecto está financiado por la NSF-CISE (National Science Foundation, Computer & Information Science & Engineering). NS3 tiene su punto de partida en el trabajo de Mathieu Lacage y Thomas Henderson en el simulador Yet Another Network Simulator (YANS). En dicho trabajo identificaron en NS2 un conjunto de fallos de diseño que juzgaron lo suficientemente importantes como para iniciar un nuevo simulador desde cero; entre estos fallos destacaban la falta de versatilidad, debido básicamente a la dependencia entre los modelos, el deficiente uso de las técnicas de programación orientada a objetos, y el rígido acoplamiento entre C++ y OTcl. A diferencia de su predecesor, NS3 está desarrollado exclusivamente en C++, aunque permite el interfaz con lenguajes de alto nivel como Python. Los antiguos scripts para NS2 (desarrollados en OTcl) no funcionan en NS3. El simulador NS3 tiene modelos para todos los elementos que conforman una red de computadoras, por ejemplo, dispositivos de red que representan los dispositivos físicos que conectan un nodo con el canal de comunicación. Cada simulador de.

(40) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN Y COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS. 30. red tiene sus propias fortalezas y debilidades, por lo que cada uno es más adecuado para un propósito específico. El criterio para la elección del simulador se basa en el propósito de encontrar un simulador de red equilibrado apto para la investigación de las redes inalámbricas ad hoc y que tenga implementado los protocolos de ruteo que se necesitan simular además que sea software libre de licencia. Por todas estas razones, se concluye que NS3 es la opción más viable con la que trabajar en el proyecto y sin duda la más adecuada pensando en su desarrollo a mediano y largo plazos. Luego de obtener los resultados de las simulaciones arrojadas por el software NS3, se utilizó el software MATLAB 15.0 para el trabajo estadístico y la obtención de las gráficas para una mejor comprensión y presentación de los resultados. 3.2. Resultados del modelo Ideal En todos los casos los escenarios simulados conformaban una red MANET en la cual los usuarios están dentro de un área geográfica determinada por un cuadrado de área 1 u2 (1000u x1000u), todos los nodos están equipados con un dispositivo de radio con un alcance dado por la potencia de transmisión y el modelo de pérdidas por propagación, la cual se estableció de 16 dbm. Dado que el principal reto que tiene que enfrentar un protocolo de ruteo en una red radio cognitiva es la pérdida repentina de enlaces, en los escenarios simulados se varió la velocidad a la que se movían los nodos ya que el aumento en la velocidad y la propia movilidad provocan de forma impredecible la ruptura de los enlaces, debido a que los nodos pueden salir del área de cobertura de otros nodos con los cuales mantenía un enlace. 3.2.1 Posicionamiento de los nodos Para el posicionamiento de los nodos se utiliza la clase Positionallocator embebidas en NS3 y de ésta los métodos RandomRectanglePositionAllocator y GridPositionAllocator. El método GridPositionAllocator permite posicionar los nodos a lo largo de una fila o una columna; según se elija, se le añade un atributo denominado GridWidth que permite especificar qué cantidad de nodos se ponen.

(41) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN Y COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS. 31. en cada fila o columna, al llegar al número especificado continúa distribuyendo nodos arriba o al lado en dependencia de si es fila o columna. Además se especifica también el espaciamiento entre nodos por las ordenadas y las abscisas, y la posición del primer nodo. Por otra parte el método RandomRectanglePositionAllocator crea un rectángulo de dimensiones dadas y los nodos se posicionan dentro de éste aleatoriamente, en el rango igualmente definido, debido a que la aleatoriedad es lo un pilar fundamental para la simulación se escogió este método para ubicar inicialmente los nodos. La figura 3.1 muestra una porción del script de simulación donde se define la posición inicial de cada nodo. Nótese que se ubican los nodos siguiendo una distribución uniforme entre 0 y 1000 unidades.. Figura 3.1. Posicionamiento inicial de cada nodo. Elaboración propia. 3.2.2 Modelos de movilidad Una vez definida la posición inicial de cada nodo es necesario un modelo que determine su posición en cada instante de tiempo durante la simulación. El modelo de movilidad es el conjunto de características del movimiento descrito por cada nodo móvil dentro del área simulada. Cada modelo de movilidad intenta representar y ajustarse a alguna situación real que pueda darse en alguna aplicación o entorno de estudio concreto. Cada uno de los terminales móviles se moverá dentro del área simulada siguiendo el modelo de movilidad seleccionado. El. NS3. posee. varios. métodos. dentro. del. módulo. mobility. que. son. implementaciones de diferentes modelos de movilidad, para la simulación se empleó el modelo RandomWaypoint (RWP), el cual esta implementado en NS3. RWP es un modelo de destino aleatorio donde los nodos se desplazan en línea.

(42) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN Y COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS. 32. recta y con velocidad constante entre dos puntos elegidos al azar dentro del espacio limitado para los movimientos, como se observa en la figura 3.2.. Figura 3.2. Patrón de viaje utilizando modelo RWP. Elaboración propia. En el caso de un espacio bidimensional, para cada nuevo movimiento, el nodo determina las coordenadas (x e y) del siguiente destino mediante una variable aleatoria uniformemente distribuida entre 0 (origen de coordenadas) y el límite máximo permitido para los desplazamientos en cada dirección (1000 u en este caso). Una vez que se alcanza un destino y previamente a elegir el siguiente, el modelo RWP permite pausas, normalmente caracterizadas con un valor constante. Igualmente, en la mayor parte de las implementaciones, la velocidad constante de cada trayecto se suele decidir también a través de una distribución uniforme en el intervalo (0, Vmáx], siendo Vmáx (expresada en m/s) la velocidad máxima permitida para los nodos. Realmente son escasos los escenarios reales en los que los nodos de comunicación se mueven de la manera aleatoria que define RWP, además el modelo no contempla la presencia de obstáculos en el área de desplazamiento, pero si garantiza la aleatoriedad en la perdida de los enlaces que es motivo fundamental por el que se selecciona dicho modelo..

(43) CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN Y COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS. 33. La figura 3.3 muestra la porción del script de simulación donde se configura el modelo de movilidad de los nodos. La variable nodespeed contiene la velocidad máxima de los nodos y ssPause el tiempo de parada luego de alcanzar el objetivo hacia donde se movía el nodo, para luego continuar hasta el siguiente objetivo aleatorio. Para la simulación se tomó cero milisegundos para el tiempo de parada, con el objetivo de hacer más impredecible el comportamiento de los nodos.. Figura 3.3. Configuración del modelo de movilidad. Elaboración propia. 3.2.3 Modelos de pérdidas de propagación y retardo El módulo propagation, del NS3 posee varias clases referidas a modelos de pérdidas de propagación y retardo. Los modelos empleados en la simulación fueron el Modelo de Demora de Propagación constante por velocidad contenido en el método ConstantSpeedPropagationDelayModel y el modelo de pérdidas de Friis contenido en FriisPropagationLossModel. La clase ConstantSpeedPropagationDelayModel implica que exista un retardo de propagación constante en el canal. Por otra parte el modelo de Friis se deduce de las ecuaciones de Maxwell y permite calcular la potencia recibida a cierta distancia en condiciones ideales, es decir, sin obstáculos de ninguna naturaleza. En este modelo la potencia recibida en función de la distancia está dada por la ecuación 3.1. 𝑃𝑟 (𝑑) =. 𝑃𝑇 𝐺𝑇 𝐺𝑅 𝜆2 (4𝜋)2 𝑑 2 𝐿. Ecuación 3.1. Potencia recibida en función de la distancia..