Anlise do Escalonamento de Redes Ad Hoc IEEE 802.11...

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  • Anlise do Escalonamento de Redes Ad Hoc IEEE 802.11 atravs de

    medidas de Vazo e Atraso usando o NS-2

    Trabalho de Concluso de Curso

    Engenharia da Computao

    Ricardo Jos Ulisses de Miranda Soares Filho Orientador: Renato Mariz de Moraes

    Recife, junho de 2008

    ESCOLA POLITCNICA

    DE PERNAMBUCO

  • Este Projeto apresentado como requisito parcial para obteno do diploma de Bacharel em Engenharia da Computao pela Escola Politcnica de Pernambuco Universidade de Pernambuco.

    Anlise do Escalonamento de Redes Ad Hoc IEEE 802.11 atravs de

    medidas de Vazo e Atraso usando o NS-2

    Trabalho de Concluso de Curso

    Engenharia da Computao

    Ricardo Jos Ulisses de Miranda Soares Filho Orientador: Renato Mariz de Moraes

    Recife, junho de 2008

    ESCOLA POLITCNICA

    DE PERNAMBUCO

  • Ricardo Jos Ulisses de Miranda Soares Filho

    Anlise do Escalonamento de Redes Ad Hoc IEEE 802.11 atravs de

    medidas de Vazo e Atraso usando o NS-2

  • i

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    Resumo

    O estudo do escalonamento de redes ad hoc IEEE 802.11 de fundamental importncia para

    aplicaes em larga escala dessas redes. Realizar o escalonamento dessas redes tem o objetivo de

    aumentar o nmero de ns que as compem visando alcanar uma tendncia em seu

    comportamento, possibilitando anlises posteriores para uma determinada configurao de

    trfego. As simulaes realizadas neste trabalho utilizaram o programa de simulao NS-2,

    desenvolvido especialmente para a pesquisa de redes, o qual prov suporte nativo a simulao de

    redes ad hoc. A anlise do escalonamento de redes aqui realizada se baseia em duas mtricas

    comumente usadas para medir o desempenho de redes: vazo e atraso. Com os resultados obtidos

    a partir de programas desenvolvidos para extrao dessas mtricas, foi possvel verificar que

    medida que as redes escalonam, os valores mdios das mtricas demonstram uma degradao do

    desempenho dessas redes, apesar de ainda no indicar uma tendncia a estabilizao desses

    valores. Neste trabalho tambm so mostrados os problemas encontrados durante as simulaes e

    o que foi feito para contorn-los.

  • ii

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    Abstract

    Studying ad hoc IEEE 802.11 network scaling has major importance for large scale use of these

    networks. The scaling of these networks intends to increase the number of nodes which

    constitutes them aiming to achieve a tendency in its behavior, making it possible to do further

    analysis or a certain traffic configuration. In this work we have employed the NS-2 simulation

    program, which is specially targetted at network research, and provides native support to

    simulating ad hoc networks. The network scaling analysis presented here is based on two metrics

    commonly used to measure network performance: throughput and delay. Using the results

    obtained from programs developed to extract these metrics, it was possible to check that as long

    as the network scales, the mean values of those metrics show a performance loss of the networks,

    although they do not seem to indicate a tendency to the stabilization of these values. This work

    also shows the problems found throughout the simulations and what was done to circumvent

    them.

  • iii

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    Sumrio

    ndice de Figuras v

    ndice de Listagens vi

    Tabela de Smbolos e Siglas viii

    1 Introduo 10

    1.1 Mtricas Utilizadas 12 1.2 Estudo de Capacidade das MANETs 12

    2 Simulao de Redes com o NS-2 15

    2.1 Software de Simulao NS-2 15 2.1.1 Estrutura Geral 15 2.1.2 Arquitetura 18 2.1.3 Instalao e Configurao 19 2.1.4 Exemplo de Simulao de Rede Cabeada Simples 21 2.1.5 Arquivos de Trace Gerados pelo NS-2 28

    3 Simulao de Redes Sem Fio Ad Hoc IEEE 802.11 31

    3.1 Princpios do Padro IEEE 802.11 31 3.2 Simulao de Redes Ad Hoc IEEE 802.11 no NS-2 32

    3.2.1 Configurao e Criao de Ns MobileNode 34 3.2.2 Configurao da Posio e Movimento dos Ns MobileNode 36 3.2.3 Configurao do General Operations Director (GOD) 36

    3.3 Gerao Automtica de Cenrios e Padres de Trfego 37 3.3.1 Gerao de Cenrios com setdest 38 3.3.2 Gerao de Padres de Trfego com cbrgen.tcl 38

    3.4 Anlise do Arquivo de Trace 39 3.4.1 Exemplo da Sada Produzida pelo Novo Formato de Trace 40 3.4.2 Anlise da Sada Produzida pelo Novo Formato de Trace 40

    4 Anlise da Vazo e Atraso com o Escalonamento das Redes Testadas 42

    4.1 Estudo Inicial de Simulaes de Redes Ad Hoc com Grande Quantidade de Ns 42 4.1.1 Extenses para Simulaes Ad Hoc em Larga Escala 43 4.1.2 Configurao das Simulaes para Aproximao com Equipamentos Atualmente em Uso 44 4.1.3 Linguagem de Programao Utilizada pelos Scripts de Anlise das Mtricas de Interesse ao Trabalho 45 4.1.4 Configurao de Hardware da Mquina Utilizada para Realizar as Simulaes 45

    4.2 Simulaes Iniciais 45 4.2.1 Configurao dos Padres de Trfego 45 4.2.2 Configurao dos Cenrios 46 4.2.3 Resultados da Anlise de Vazo 47 4.2.4 Resultados da Anlise de Atraso 48

    4.3 Script de Anlise de Vazo 48 4.3.1 Validao do Script de Anlise de Vazo 49

  • iv

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    4.4 Script de Anlise de Atraso 50

    4.4.1 Validao do Script de Anlise de Atraso 51 4.5 Simulaes com Grande Nmero de Ns 51

    4.5.1 Configurao do Modelo de Rede 51 4.5.2 Alterao no Script de Gerao de Padres de Trfego cbrgen.tcl 53

    4.6 Resultados Obtidos 53 4.6.1 Simulao de 10 ns, 3 ns fonte, 300s, 500 x 100m 53 4.6.2 Simulao de 100 ns, 30 ns fonte, 300s, 1000 x 500m 54 4.6.3 Simulao de 1000 ns, 300 ns fonte, 300s, 5000 x 1000m 55 4.6.4 Simulao de 10000 ns, 3000 ns fonte, 300s, 10000 x 5000m 56

    4.7 Anlise dos Resultados Obtidos 57 4.7.1 Vazo Mdia 58 4.7.2 Atraso Mdio 58

    4.8 Medio de Tempo e Memria para Execuo das Simulaes 59 4.8.1 Simulao de 10 ns, 3 ns fonte, 300s, 500 x 100m 60 4.8.2 Simulao de 100 ns, 30 ns fonte, 300s, 1000 x 500m 60 4.8.3 Simulao de 1000 ns, 300 ns fonte, 300s, 5000 x 1000m 61 4.8.4 Simulao de 10000 ns, 3000 ns fonte, 300s, 10000 x 5000m 61

    5 Problemas Encontrados 63

    5.1 Protocolo de Roteamento 63 5.2 Gerao de Traces Desnecessrios 64 5.3 Gerao de Padres de Trfego com Fontes Duplicadas 65 5.4 Incapacidade de Carregar Arquivos de Cenrio Muito Grandes 65 5.5 Consumo Excessivo de Memria 66

    6 Concluses e Trabalhos Futuros 68

    6.1 Contribuies e Concluses 68 6.2 Trabalhos Futuros 69

    Apndice A Script para o clculo da vazo de mltiplos ns sem fio Apndice B Script para o clculo da vazo mdia de mltiplos ns sem fio Apndice C Script para o clculo do atraso mdio de mltiplos ns sem fio Apndice D Sada de erro gerada pelo S.O. por sobrecarga de uso de memria pela simulao de 10.000 ns Apndice E Script de configurao das redes de interesse do trabalho Apndice F Verso modificada do script de gerao de padres de trfego cbrgen.tcl

    74 76 79 82 83 86

  • v

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    ndice de Figuras

    Figura 1. Tendncia a um limitante inferior na capacidade (eficincia espectral) de uma MANET pelo modelo analtico e um modelo simulado [4].................................................. 13

    Figura 2. Correspondncia entre objetos C++ e Otcl [15]....................................................... 16 Figura 3. Viso simplificada da execuo de uma simulao sob a perspectiva do usurio no

    NS-2 [15]............................................................................................................................ 17 Figura 4. Esquema da arquitetura dos componentes do NS-2 [15].......................................... 19 Figura 5. Viso geral da topologia fsica da rede cabeada de exemplo. .................................. 22 Figura 6. Viso detalhada da rede de exemplo de acordo com os componentes do NS-2 [15]. 22 Figura 7. Screenshot da execuo do NAM para a simulao simple.tcl................................. 29 Figura 8. Exemplo de topologia infra-estruturada (BSS) esquerda e ad hoc (IBSS) direita.

    32 Figura 9. Comparao entre a vazo mdia de 30 fontes de trfego com pause times de 0 (a) e

    900 s (b).............................................................................................................................. 47 Figura 10. Comparao entre a vazo mdia de 30 fontes de trfego com pause times de 30 (a)

    e 600 s (b)........................................................................................................................... 47 Figura 11. Comparao entre o atraso mdio de 30 fontes de trfego com pause times de 0 (a) e

    900s (b). 48 Figura 12. Comparao entre o atraso mdio de 30 fontes de trfego com pause times de 30 (a)

    e 600 s (b)........................................................................................................................... 48 Figura 13. Grfico de vazo gerado pelo script de validao da anlise de vazo [22]. .......... 50 Figura 14. Grfico gerado pelo script tp_calc.pl em conjunto com o gnuplot. ........................ 50 Figura 15. Grfico da vazo mdia da rede com 3 ns fonte. ................................................. 54 Figura 16. Grfico do atraso mdio da rede com 3 ns fonte.................................................. 54 Figura 17. Grfico da vazo mdia da rede com 30 ns fonte...................................