Enrutamiento para proporcionar Calidad de Servicio

Motivación

A pesar de que las MANETs son muy versátiles y apropiadas para ser utilizadas en muchos escenarios debido a la no existencia de infraestructura y a la auto-organización, esta clase de redes tiene limitaciones importantes, como limitación de ancho de banda y de energía, así como enlaces de capacidad variable. Estas limitaciones están impuestas por la naturaleza compartida del canal inalámbrico, la interferencia mutua entre los nodos cercanos y las limitaciones de los dispositivos. Además, la topología dinámica en esta clase de redes provoca frecuentes caídas de los enlaces y altas tasas de error, lo que hace incluso más difícil proporcionar un cierto grado deseado de Calidad de Servicio (QoS). Con la demanda masiva de contenido de vídeo desde los dispositivos móviles, las MANETs necesitan un enrutamiento eficiente y mecanismos QoS para soportar la transmisión de contenido multimedia. Una estrategia óptima para soportar aplicaciones con requerimientos de tiempo real podría ser el uso de mecanismos de control adicionales para adaptar los procesos de codificación, transmisión o decodificación, dependiendo del estado de la red. Sin embargo, los protocolos convencionales de transporte y enrutamiento en redes móviles ad hoc no proporcionan un servicio con conectividad adecuada para soportar un ancho de banda mayor y requerimientos de calidad. La mayoría de protocolos de enrutamiento estandarizados para MANETs han sido diseñados para encontrar una ruta factible desde una fuente a un destino sin tener en cuenta los recursos disponibles en la red ni requerimientos específicos de una aplicación.

Por tanto, las rutas establecidas utilizando estos protocolos de enrutamiento no pueden interactuar con el nodo fuente para ajustar la tasa de transmisión. De esta forma, la aplicación tiene que enviar sus datos utilizando una tasa de envío fija y no puede aprovecharse de la característica de adaptación inherente en algunas técnicas como codificación de vídeo escalable (H.264/SVC) y codificación por multidescripción. Adicionalmente, la fuente podría enviar muchos más datos que un nodo cuello de botella pudiera transmitir. El nodo sobrecargado tendría que eliminar datos, lo que hace perder una cantidad considerable de energía y un consumo innecesario de ancho de banda.

Así, la transmisión de vídeo se puede mejorar a través de mecanismos adicionales y técnicas cross-layer en los protocolos de enrutamiento para resolver o mitigar las limitaciones de las MANETs.

Resumen

Uno de los mayores desafíos para la transmisión de datos sensibles al tiempo sobre MANETs es el desarollo de un mecanismo de soporte de QoS extremo a extremo. Una solución realista para la provisión de QoS no debería separar el enrutamiento de la gestión de QoS ya que puede implicar la selección de rutas ineficientes y, así, reducir la probabilidad de cumplir los requerimientos de QoS de las comunicaciones establecidas en la red ad hoc.

Los protocolos de enrutamiento para redes ad hoc móviles se pueden clasificar según diferentes criterios. La clasificación más común se basa en el mecanismo de adaptación de la información de enrutamiento. De esta forma, los protocolos de enrutamiento se gestionan a través de una tabla de enrutamiento (proactivos) o bajo demanda (reactivos). Los protocolos proactivos siempre mantienen información actualizada de las rutas de cada nodo a cada uno de los nodos de la red. La información de enrutamiento se almacena en la tabla de enrutamiento de cada nodo y las actualizaciones de rutas se propagan a través de la red para mantener la información de enrutamiento lo más actualizada posible. Como consecuencia, existe una carga (overhead) constante debido al tráfico de enrutamiento pero no existe un retraso inicial en las comunicaciones de datos. Algunos ejemplos de protocolos de enrutamiento proactivos son Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV) [1] y Optimized Link State Routing (OLSR) [2]. Por otro lado, en los protocolos reactivos la ruta se crea sólo cuando la fuente solicita una ruta al destino o cuando se detecta un enlace roto. Este clase de protocolo de enrutamiento no necesita paquetes de control extra para mantenimiento, aunque el alto tiempo de latencia se puede generar cuando se establece la nueva ruta. Los protocolos reactivos más importantes son Ad hoc On-demand Distance Vector (AODV) [3], Dynamic Source Routing (DSR) [4], Dynamic MANET On-demand (DYMO), también conocido como AODVv2, que todavía está en proceso de estandarización [5]. Además, existen propuestas híbridas que combinan elementos de los protocolos proactivos y reactivos, como Zone Routing Protocol (ZRP) [6],  y Hybrid Ant Colony Optimization (HOPNET) [7].

Una línea de investigación importante de nuestro grupo es la propuesta de un protocolo de enrutamiento llamado AQA-AODV (Adaptive QoS-Aware Ad-hoc On-demand Distance Vector). Este protocolo está basado en AODV, incorporando tres nuevos elementos:

  1.  Un algoritmo utilizado para la estimación del ancho de banda disponible que permite a los nodos del enlace conocer los recursos disponibles (en términos de ancho de banda).
  2.  Un mecanismo cross-layer para informar a la capa de aplicación del ancho de banda disponible, lo que permite al nodo fuente ajustar fácilmente su tasa de transmisión.
  3.  Un nuevo mecanismo de reconstrucción de rutas que implica la modificación de la solicitud de rutas y la implementación de una tabla caché de sesiones para almacenar información sobre las sesiones establecidas y sus condiciones de QoS.

Una diferencia importante entre el protocolo propuesta y otras soluciones basadas en AODV es el esquema de realimentación adaptativo, integrado en el protocolo de enrutamiento, a través del cual el nodo fuente puede conocer y adaptar la tasa de transmisión al estado de la ruta. Por esta razón, los nodos a lo largo de la ruta tienen que conocer sus recursos disponibles utilizando para ellos diversos algoritmos.

La Figura 1 muestra el diagrama de bloques funcionales de AQA-AODV. Los tres elementos principales de AQA-AODV son el módulo de estimación de ancho de banda, un módulo de enrutamiento y un módulo de reconstrucción de rutas. El primer módulo realiza la estimación del ancho de banda disponible y proporciona realimentación a la aplicación de vídeo. Los paquetes HELLO se utilizan para la estimación del ancho de banda, la cual se ejecuta periódicamente según el disparador del módulo temporizador (Timer). La información sobre el ancho de banda disponible se utiliza por la aplicación de vídeo para ajustar un parámetro de codificación para componer un flujo de vídeo que pueda ser soportado por la red. Por otro lado, el módulo de enrutamiento recibe las peticiones de la aplicación y ejecuta la rutina de descubrimiento de las rutas. Cuando se establece una ruta entre la fuente y el destino, se asigna un identificador único de sesión (SID) en el mapeador Sesión/SID. Los datos de identificación de las sesiones (SID, dirección origen y destion, requerimientos de QoS y tiempo de expiración) se almacenan internamente en una base de datos, llamada Lista de Caché de Sessiones (Session Cache List). El tercer módulo principal es el módulo de reconstrucción de rutas, el cual se encarga de reestablecer las conexiones tras un fallo en un enlace, considerando las condiciones de QoS de cada una de las sesiones.

Figura 1. Diagrama de bloques funcionales de AQA-AODV

Un listado de publicaciones del grupo de investigación en este campo se puede encontrar en [8]-[14]. Además, es posible obtener más información sobre AQA-AODV en este enlace.

Referencias

[1] C. Perkins and P. Bhagwat, “Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers,” in Proceedings of the Conference on Communications Architectures, Protocols and Applications, New York, NY, USA, 1994, pp. 234–244.
[2] T. Clausen and P. Jacquet, “Optimized Link State Routing Protocol (OLSR),” Network Working Group, Internet Engineering Task Force (IETF), vol. 3626, 2003.
[3] C. Perkins, E. Belding-Royer, and S. Das, “Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing,” Network Working Group, Internet Engineering Task Force (IETF), vol. 3561, 2003.
[4] D. Johnson, Y. Hu, and D. Maltz, “The Dynamic Source Routing Protocol (DSR) for Mobile Ad Hoc Networks for IPv4”, Network Working Group. Internet Engineering Task Force (IETF), 2007.
[5] C. Perkins, S. Ratliff, and J. Dowdell, “Dynamic MANET On-demand (AODVv2) Routing (IETF Internet Draft – 05),” Internet Engineering Task Force, 2014.
[6] P. Samar, M. R. Pearlman, and Z. J. Haas, “Independent Zone Routing: An Adaptive Hybrid Routing Framework for Ad Hoc Wireless Networks,” IEEE ACM Trans Netw, vol. 12, no. 4, pp. 595–608, Aug. 2004.
[7] J. Wang, E. Osagie, P. Thulasiraman, and R. K. Thulasiram, “HOPNET: A hybrid ant colony optimization routing algorithm for mobile ad hoc network,” Ad Hoc Netw., vol. 7, no. 4, pp. 690–705, Jun. 2009.

Publicaciones

[8] W. Castellanos, P. Acelas, P. Arce, and J. C. Guerri, “Evaluation of a QoS-Aware Protocol with Adaptive Feedback Scheme for Mobile Ad Hoc Networks,” in Proc. of the Int. ICST Conference on Heterogeneous Networking for Quality, Reliability, Security and Robustness (QSHINE), Las Palmas (Spain), Nov. 2009, pp. 120-127.
[9] W. Castellanos, P. Arce, P. Acelas, and J. C. Guerri, “Route recovery algorithm for QoS-aware routing in MANETs,” in Lectures notes of the ICST Conference on Mobile Lightweight Wireless Systems (MOBILIGHT), Bilbao (Spain), May. 2011, vol. 8, pp. 81-93.
[10] J. C. Guerri, P. Arce, P. Acelas, W. Castellanos, and F. Fraile, “Routing and Coding Enhancements to Improve QoS of Video Transmissions in Future Ad Hoc Networks,” Multimedia Services and Streaming for Mobile Devices: Challenges and Innovations, Ed. IGI Global, pp. 244-261, 2011.
[11] W. Castellanos, J. C. Guerri, and P. Arce, “SVCEval-RA: an evaluation framework for adaptive scalable video streaming,” Multimedia Tools and Applications, doi:10.1007/s11042-015-3046-y, 2015.
[12] W. Castellanos, P. Guzmán, P. Arce, and J. C. Guerri, “Mechanisms for improving the scalable video streaming in mobile ad hoc networks,” in Proc. of ACM Int. Symposium on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc, Sensor, and Ubiquitous Networks (PE-WASUN), Cancun (Mexico), Nov. 2015, pp. 33-40.
[13] W. Castellanos, J. C. Guerri, and P. Arce, “Performance evaluation of scalable video streaming in mobile ad hoc networks,” IEEE Latin American Transactions, vol. 14, no. 1, pp. 122-129, 2016.
[14] W. Castellanos, J. C. Guerri, and P. Arce, “A QoS-aware routing protocol with adaptive feedback scheme for video streaming for mobile networks,” Computer Communications, vol. 77, pp. 10-25, 2016.