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Aplicando Gestão de Energia ao Protocolo de Roteamento para Redes Ad Hoc Móveis VRP
Orientando: Angelo Bannack
Orientador: Prof. Dr. Luiz Carlos Pessoa Albini
25 de Agosto de 2008
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Roteiro
Introdução;
Técnicas de Gestão de Energia;
Objetivos;
Protocolos de Roteamento (DSR, AODV, VRP);
VRP/EM;
Simulações e Resultados;
Conclusão.
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Introdução
Redes ad hoc móveis (MANETs):
Sem infra-estrutura fixa;
Unidades portáteis e alimentadas por bateria;
Multi-Salto;
Unidades móveis, alteração na topologia.
Roteamento precisa ser:
Distribuído;
Sem laços;
Baixa sobrecarga de comunicação.
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Introdução
Desafios para projetistas:
Construção de protocolos de roteamento que atentam tais necessidades;
Consumo de energia.
Grandes consumidores:
CPUs;
Displays;
Memórias;
Interfaces de rede.
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Introdução
Estratégias para reduzir consumo de energia:
Hardware de menor consumo;
Algoritmos de software;
Protocolos de roteamento energeticamente eficientes.
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Técnicas de Gestão de Energia
Técnicas de roteamento energeticamente eficientes:
Controle de potência de transmissão;
Transição para modo de operação dormindo (sleep);
Balanceamento de fluxos.
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Balanceamento de Fluxos
Balanceamento através de múltiplas rotas;
Evita utilização constante de única rota;
Não reduz o consumo total de energia;
Maximiza a vida útil da rede;
Duas derivações:
Caminho único;
Múltiplos caminhos.
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Balanceamento de FluxosCaminho Único
Uma rota com bom potencial energético é utilizada até que uma nova rota, com mais energia seja localizada pelo protocolo de roteamento;
Evitar o uso da mesma rota, evitando seu esgotamento;
Grande desafio é decidir quando a rota deixou de ser favorável.
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Balanceamento de FluxosMúltiplos Caminhos
Também conhecida como Multi-Path Routing;
Conjunto de rotas distintas são utilizadas simultaneamente (ou não) para enviar mensagens de dados de uma unidade à outra.
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Objetivos
Continuação do trabalho inicial de Albini na especificação do Virtual Routing Protocol (VRP);
O VRP possui alta taxa de entrega porém alto consumo de energia;
Aplicação da técnica de balanceamento de fluxos ao VRP como forma de minimizar o problema de energia;
Protocolo derivado: Virtual Routing Protocol with Energy Management (VRP/EM);
Possui três derivações:
VRP/EM1 e VRP/EM2: exploram balanceamento de fluxos de caminho único;
VRP/EM3: múltiplos caminhos.
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Protocolos de Roteamento
AODV e DSR são os protocolos MANET mais estudados e avaliados;
São utilizados para a comparação com o VRP no trabalho original de Albini;
Desta forma possuem grande relevância para este trabalho;
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Protocolos de Roteamento
Dynamic Source Routing - DSR:
Utiliza roteamento pela origem;
As informações de roteamento são enviadas juntamente com as mensagens de dados.
Ad-Hoc On-demand Distance Vector - AODV:
As unidades somente conhecem a próxima unidade da rota;
Não há informações de roteamento nas mensagens de dados.
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Protocolos de Roteamento
Virtual Routing Protocol - VRP:
Utiliza estruturas virtuais mapeadas para a rede real;
Todas as unidades da rede compartilham a mesma estrutura virtual;
Unidades possuem um conjunto de unidades espionadas (peered) e conjunto de unidades espiãs (scout).
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VRP - Exemplo de Estrutura Virtual
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Virtual Routing Protocol with Energy Management – VRP/EM
Aplica a técnica de balanceamento de fluxos ao VRP;
O VRP/EM1 e VRP/EM2 utilizam rotas com maior quantidade de energia restante:
VERij={ei=e0, e1, ..., en=ej};
Energia restante da rota VERij é o menor valor entre [e1, en];
VERij={10,25,30,12,20};
Energia da rota, VERij = 12.
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VRP/EM1 – Flooding de Energia Restante
As unidades espiãs enviam periodicamente o valor da energia da rota até suas unidades espionadas;
As unidades recebem estes valores e guardam em uma tabela de energias;
A tabela de energias é utilizada para montar caminhos virtuais de maior energia restante;
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VRP/EM1 – Flooding de Energia Restante
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VRP/EM1 – Flooding de Energia Restante
Uma variação do algoritmo de Dijkstra é utilizado para escolher o caminho virtual com maior quantidade de energia antes da tradução;
Tabela de roteamento é limpa periodicamente de forma a forçar o cálculo de novas rotas, e evitar o esgotamento de rotas em uso.
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VRP/EM2 – Construção do Caminho Virtual Passo-a-Passo
As unidades somente conhecem a energia restante das rotas até suas unidades espionadas;
A tradução de caminhos virtuais é realizada de forma gradativa, enviando-se a mensagem de tradução até a unidade espionada com maior energia da rota;
A rota virtual não pode conter laços;
Tabela de roteamento é limpa periodicamente de forma a forçar o cálculo de novas rotas, e evitar o esgotamento de rotas em uso;
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VRP/EM2 – Construção do Caminho Virtual Passo-a-Passo
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VRP/EM3 – Múltiplos Caminhos
O VRP/EM3 não possui preocupação direta com o consumo de energia;
O protocolo simplesmente busca um conjunto diferente de rotas para um mesmo destino;
Cada nova mensagem de dados segue uma diferente rota do conjunto;
Cada conjunto é formado pelo mesmo número de unidades espionadas;
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VRP/EM3 – Múltiplos Caminhos
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Trabalho RealizadoSimulações e Resultados
GloMoSim foi adaptado de forma a considerar o consumo de energia das unidades;
Uma avaliação da quantidade de energia que poderia ser economizada pelo AODV e DSR utilizando balanceamento de fluxos foi realizada – publicada no ICCSC;
VRP e VRP/EM foram implementados no GloMoSim;
Valores reais de energia utilizados para as simulações: derivados de uma interface de rede sem fio conectada a um computador de mão;
Todas as simulações realizadas até o esgotamento da bateria;
AODV, DSR e VRP utilizados para comparar com VRP/EM;
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Simulações e Resultados
Parâmetros utilizados para avaliação/comparação:
Velocidade das unidades;
Densidade da rede;
Taxa de transmissão (velocidade alta/baixa);
Número de unidades da rede.
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Simulações e Resultados
Métricas avaliadas:
Tempo de vida da rede;
Taxa de entrega;
Energia média gasta por mensagem de dados;
Energia média gasta com mensagens de roteamento;
Tempo médio de execução;
Seqüência de expiração.
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Simulações e Resultados
Dentre as três variantes do VRP/EM, a versão VRP/EM2 se mostrou mais eficiente, melhorando além do consumo de energia, a taxa de entrega do VRP;
VRP/EM3 a menos eficiente;
VRP/EM1 obteve resultados muito semelhantes ao VRP original;
Comparando-se com AODV e DSR, o VRP/EM2 conseguiu resultados equivalentes na variação de densidade e na taxa de transmissão.
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Conclusão
O VRP/EM2 levou vantagem em relação ao VRP e as demais variações do VRP/EM devido principalmente ao uso racional de recursos;
Apesar de mensagens de roteamento não significarem muito no consumo total da interface de rede, o uso abusivo destas mensagens pode evitar ganhos no consumo - VRP/EM1;
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Conclusão
A técnica de múltiplos caminhos – aplicada ao VRP/EM3 –não surtiu os efeitos desejados:
Não houve preocupação direta com o consumo de energia, somente com a distribuição das mensagens ;
A sobrecarga de algumas unidades torna-se inevitável e um maior consumo de energia também.
Na maioria das simulações não foi possível melhorar o desempenho do AODV e DSR, porém melhorou-se o VRP e em alguns casos tornou-o equivalente.
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Conclusão
Contribuições:
Adaptação do GloMoSim para simular consumo de energia;
Avaliação da técnica de balanceamento de fluxos;
Implementação do VRP;
Definição, implementação e testes com o VRP/EM;
Demonstração de que o balanceamento de fluxos é uma técnica simples e eficiente para ser explorada para reduzir consumo energético em protocolos MANET.
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Obrigado!!!Dúvidas???
Angelo Bannack
www.inf.ufpr.br/bannack
Orientador:
Prof. Dr. Luiz Carlos Pessoa Albini
www.inf.ufpr.br/albini