Estudio de modelos de movilidad realistas usando métricas de teoría de grafos y su impacto en redes inalámbricas de malla
Las redes inalámbricas de malla, Wireless Mesh Networks (WMNs), son redes con la capacidad de autoformarse, auto-configurarse y auto-repararse. Estas características fueron heredadas de las redes móviles ad-hoc, Mobile Ad-Hoc Networkss (MANETs). Sin embargo, las WMNs surgen como alternativa al uso...
| Main Authors: | , |
|---|---|
| Other Authors: | |
| Format: | bachelorThesis |
| Language: | spa |
| Published: |
Universidad de Cuenca
2021
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/35994 |
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| author | Avilés Parra, Pablo Felipe Pinto Nieto, Josue David |
| author2 | Vázquez Rodas, Andrés Marcelo |
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| author_sort | Avilés Parra, Pablo Felipe |
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| description | Las redes inalámbricas de malla, Wireless Mesh Networks (WMNs), son redes con la capacidad de autoformarse, auto-configurarse y auto-repararse. Estas características fueron heredadas de las redes móviles ad-hoc,
Mobile Ad-Hoc Networkss (MANETs). Sin embargo, las WMNs surgen como alternativa al uso de las MANETs
debido a sus diferencias en arquitectura y tecnologías de radio utilizadas. Dentro de las WMNs destacan tres
paradigmas de arquitectura: WMNs con infraestructura, WMNs clientes y WMNs híbridas (como la combinación
de las dos arquitecturas anteriores). Además, las WMNs, al poseer tecnologías de radio basadas en el estándar
802.11, resultan más convenientes que las MANETs para el enrutamiento de información hacia Internet. Tanto
las MANETs como las WMNs hacen uso de enrutadores de malla, Mesh Routers (MRs), para el enrutamiento
de la información.
El gran número de dispositivos móviles introducidos en los últimos años ha obligado a crear nuevas
arquitecturas topológicas sobre la base de las WMNs. Un claro ejemplo de arquitecturas modernas es la
denominada WMN espontánea. Este tipo de arquitectura se caracteriza por estar conformada únicamente por
dispositivos móviles o nodos finales de usuario. Dentro de este tipo de arquitectura, la característica principal es
que todos los nodos actúan simultáneamente tanto como dispositivos de interfaz de usuario así como enrutadores
de tráfico de sus pares. Sin embargo, con el fin de optimizar y hacer más eficiente la operación de la red, a
través de técnicas de control de topologías, se puede seleccionar solo cierta cantidad de dispositivos para que
actúen como los enrutadores de la red. Este proceso de selección clasifica a los nodos en dos grupos: los MRs y
los nodos clientes de la red en malla, Mesh Clients (MCs). Así, el enrutamiento del tráfico estará controlado
únicamente por los MRs, mientras que los MCs actuarán únicamente como dispositivos de usuario final.
Estudios como [1, 2] han demostrado mejoras en el desempeño de redes WMNs espontáneas, por medio del
uso de control de topologías. Esta técnica se llevó a cabo mediante la combinación de dos métricas de teoría de
grafos, la centralidad de intermediación (betweenness centrality) y la modularidad. Estas dos métricas fueron
utilizadas para abstraer la información de la topología de las redes de malla cliente, con el fin de seleccionar
como enrutadores solamente a los nodos más importantes de la red. Mediante este control de topología, se
alcanzan mejoras significativas en la eficiencia general de la red con respecto a una red en la que todos los
dispositivos actúan como enrutadores.
Por otra parte, es importante recalcar que al estar conformada por dispositivos finales de usuario, las WMNs
espontáneas generan escenarios dinámicos dentro de su topología. Esta topología cambia constantemente
conforme los usuarios se mueven de un lugar a otro. Por tal motivo, se han establecido en la literatura modelos
matemáticos que intentan emular, de la manera más realista posible, el comportamiento dinámico de los nodos
sobre la red. A estos modelos se los ha denominado modelos de movilidad. En un estudio previo [2], estos
modelos de movilidad realistas han sido objeto de evaluación desde la perspectiva de un control de topología
eficiente.
Bajo estas premisas, el objetivo principal de este trabajo es el de encontrar y caracterizar las diferencias
topológicas dentro de seis modelos de movilidad realistas disponibles en la literatura y aplicados a la evaluación
de redes inalámbricas de malla. Estas diferencias se establecieron mediante el uso de seis métricas distintas de
teoría de grafos. Haciendo uso del concepto de WMNs espontáneas, se simularon y evaluaron redes en las que
las topologías cambiaban de acuerdo al modelo de movilidad escogido. Al final, se establecieron conclusiones
que indicaban cuáles modelos de movilidad presentaban resultados más relevantes dentro de cada métrica.
Adicionalmente, para ilustrar un ejemplo de aplicación de los análisis realizados a los modelos de movilidad,
se utilizaron los conceptos de integridad y robustez de red. Para esto, se analizaron dos modelos de movilidad
sobre cada métrica. En cada modelo se eliminaron nodos simulando un ataque de red, con el objetivo de evaluar
el impacto sobre la tasa de entrega de paquetes, Packet Delivery Ratio (PDR), resultante cada vez que un nodo
fuera eliminado. Se pudo observar que no todas las métricas entregaron resultados satisfactorios, por lo que
se descartó la aplicación de robustez de red basada en estas métricas específicamente. Complementariamente,
para estas métricas se hizo un análisis de PDR y retardo simulando redes con una estructura topológica basada
en comunidades. Finalmente, se establecieron conclusiones sobre cada modelo de movilidad y cada métrica,
indicando los resultados más relevantes obtenidos sobre cada uno.
Este trabajo ha sido realizado mediante distintas herramientas de software de libre acceso muy difundidas en
la comunidad científica. Para las trazas de movilidad se ha ocupado BonnMotion (BM) y Simulation Of Urban
Mobility (SUMO). Para la simulación de las WMNs con tráfico de información se ha utilizado el simulador
de red de eventos discretos Network Simulator 3 (NS-3). Las métricas de teoría de grafos han sido obtenidas
mediante el software Gephi. Finalmente, las comparativas entre los modelos de movilidad y métricas utilizadas,
se han obtenido mediante la plataforma Python |
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| institution | Universidad de Cuenca |
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| publishDate | 2021 |
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Además, las WMNs, al poseer tecnologías de radio basadas en el estándar 802.11, resultan más convenientes que las MANETs para el enrutamiento de información hacia Internet. Tanto las MANETs como las WMNs hacen uso de enrutadores de malla, Mesh Routers (MRs), para el enrutamiento de la información. El gran número de dispositivos móviles introducidos en los últimos años ha obligado a crear nuevas arquitecturas topológicas sobre la base de las WMNs. Un claro ejemplo de arquitecturas modernas es la denominada WMN espontánea. Este tipo de arquitectura se caracteriza por estar conformada únicamente por dispositivos móviles o nodos finales de usuario. Dentro de este tipo de arquitectura, la característica principal es que todos los nodos actúan simultáneamente tanto como dispositivos de interfaz de usuario así como enrutadores de tráfico de sus pares. Sin embargo, con el fin de optimizar y hacer más eficiente la operación de la red, a través de técnicas de control de topologías, se puede seleccionar solo cierta cantidad de dispositivos para que actúen como los enrutadores de la red. Este proceso de selección clasifica a los nodos en dos grupos: los MRs y los nodos clientes de la red en malla, Mesh Clients (MCs). Así, el enrutamiento del tráfico estará controlado únicamente por los MRs, mientras que los MCs actuarán únicamente como dispositivos de usuario final. Estudios como [1, 2] han demostrado mejoras en el desempeño de redes WMNs espontáneas, por medio del uso de control de topologías. Esta técnica se llevó a cabo mediante la combinación de dos métricas de teoría de grafos, la centralidad de intermediación (betweenness centrality) y la modularidad. Estas dos métricas fueron utilizadas para abstraer la información de la topología de las redes de malla cliente, con el fin de seleccionar como enrutadores solamente a los nodos más importantes de la red. Mediante este control de topología, se alcanzan mejoras significativas en la eficiencia general de la red con respecto a una red en la que todos los dispositivos actúan como enrutadores. Por otra parte, es importante recalcar que al estar conformada por dispositivos finales de usuario, las WMNs espontáneas generan escenarios dinámicos dentro de su topología. Esta topología cambia constantemente conforme los usuarios se mueven de un lugar a otro. Por tal motivo, se han establecido en la literatura modelos matemáticos que intentan emular, de la manera más realista posible, el comportamiento dinámico de los nodos sobre la red. A estos modelos se los ha denominado modelos de movilidad. En un estudio previo [2], estos modelos de movilidad realistas han sido objeto de evaluación desde la perspectiva de un control de topología eficiente. Bajo estas premisas, el objetivo principal de este trabajo es el de encontrar y caracterizar las diferencias topológicas dentro de seis modelos de movilidad realistas disponibles en la literatura y aplicados a la evaluación de redes inalámbricas de malla. Estas diferencias se establecieron mediante el uso de seis métricas distintas de teoría de grafos. Haciendo uso del concepto de WMNs espontáneas, se simularon y evaluaron redes en las que las topologías cambiaban de acuerdo al modelo de movilidad escogido. Al final, se establecieron conclusiones que indicaban cuáles modelos de movilidad presentaban resultados más relevantes dentro de cada métrica. Adicionalmente, para ilustrar un ejemplo de aplicación de los análisis realizados a los modelos de movilidad, se utilizaron los conceptos de integridad y robustez de red. Para esto, se analizaron dos modelos de movilidad sobre cada métrica. En cada modelo se eliminaron nodos simulando un ataque de red, con el objetivo de evaluar el impacto sobre la tasa de entrega de paquetes, Packet Delivery Ratio (PDR), resultante cada vez que un nodo fuera eliminado. Se pudo observar que no todas las métricas entregaron resultados satisfactorios, por lo que se descartó la aplicación de robustez de red basada en estas métricas específicamente. Complementariamente, para estas métricas se hizo un análisis de PDR y retardo simulando redes con una estructura topológica basada en comunidades. Finalmente, se establecieron conclusiones sobre cada modelo de movilidad y cada métrica, indicando los resultados más relevantes obtenidos sobre cada uno. Este trabajo ha sido realizado mediante distintas herramientas de software de libre acceso muy difundidas en la comunidad científica. Para las trazas de movilidad se ha ocupado BonnMotion (BM) y Simulation Of Urban Mobility (SUMO). Para la simulación de las WMNs con tráfico de información se ha utilizado el simulador de red de eventos discretos Network Simulator 3 (NS-3). Las métricas de teoría de grafos han sido obtenidas mediante el software Gephi. Finalmente, las comparativas entre los modelos de movilidad y métricas utilizadas, se han obtenido mediante la plataforma Python Wireless mesh networks, WMNs, are networks with the ability to self-form, self-configure, and self-repair. These features were inherited from the ad-hoc mobile networks, MANETs. However, WMNs appear as an alternative to the use of MANETs due to their differences in architecture and radio technologies used. Within WMNs, three paradigms of architecture stand out: WMNs with infrastructure, WMNs clients and WMNs hybrid (as the combination of the two previous architectures). Furthermore, WMNs, having radio technologies based on the 802.11 standard, are more convenient than the MANETs for routing information to the Internet. Both MANETs and WMNs make use of mesh routers, MRs, for routing information. The large number of mobile devices introduced in recent years has forced the creation of new topological architectures based on WMNs. A clear example of modern architectures is the so-called WMN spontaneous. This type of architecture is characterized by being made up only of mobile devices or end user nodes. Within this type of architecture. The main characteristic is that all nodes act simultaneously both as user interface devices as well as traffic routers for their peers. However, in order to optimize and make more efficient the operation of the network. through topology control techniques, only a certain number of devices can be selected to act as the network routers. This selection process classifies the nodes into two groups: the MRs and the client nodes of the mesh network MCs. Thus, the routing of the traffic will be controlled only by the MRs. While the MCs will only act as end-user devices Studies such as [1, 2] have shown improvements in the performance of spontaneous WMNs networks, through the use of topology control. This technique was carried out by combining two graph theory metrics, betweenness centrality, and modularity. These two metrics were used to abstract the information from the topology of the client mesh networks. In order to select only the most important nodes in the network as routers. Through this topology control significant improvements in overall network efficiency are achieved over a network in which all devices act as routers. On the other hand, it is important to emphasize that being made up of end user devices, spontaneous WMNs generate dynamic scenarios within their topology. This topology is constantly changing as users move from one location to another. For this reason, mathematical models have been established in the literature that attempt to emulate, in the most realistic way possible, the dynamic behavior of nodes on the network. These models have been called mobility models. In a previous study [2], these realistic mobility models have been evaluated from the perspective of efficient topology control. Under these premises, the main objective of this work is to find and characterize the topological differences within six realistic mobility models available in the literature and applied to the evaluation of wireless mesh networks. These differences were established using six different graph theory metrics. Using the concept of spontaneous WMNs, networks were simulated and evaluated in which the topologies changed according to the chosen mobility model. In the end, conclusions were established that indicated which mobility models presented the most relevant results within each metric. Additionally, to illustrate an example of application of the analyzes carried out to mobility models. The concepts of network integrity and robustness were used. For this, two mobility models were analyzed on each metric. In each model, nodes were eliminated simulating a network attack. In order to evaluate the impact on the packet delivery rate, PDR, resulting each time a node was eliminated. It could be observed that not all the metrics delivered satisfactory results, so the application of network robustness based on these metrics specifically was discarded. Complementarily, for these metrics an analysis of PDR and delay was made simulating networks with a topological structure based on communities. Finally, conclusions were established on each mobility model and each metric. Also, it was indicated the most relevant results obtained on each one. This work has been carried out using different open access software tools widely used in the scientific community. For the mobility traces, BM and SUMO have been used. For the simulation of the WMNs with information traffic, the discrete event network simulator NS-3 has been used. The graph theory metrics have been obtained using Gephi software. Lastly, the comparisons between the mobility models and the metrics have been obtained using the Python platform Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones Cuenca 2021-04-07T15:40:28Z 2021-04-07T15:40:28Z 2021-04-07 bachelorThesis http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/35994 spa TET;101 Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ openAccess application/pdf 130 páginas application/pdf Universidad de Cuenca |
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