Multicast em redes Ad-Hoc

Multicast em redes Ad-Hoc
Universidade do Vale do Rio dos Sinos Redes Avançadas Multicast em redes Ad-Hoc Mateus Raeder

Sumário Tipos de Comunicação Multicast Multicast Ad Hoc
Classificação de Protocolos Árvores Protocolos Árvores Vantagens e Desvantagens Malhas Protocolos Malhas Outros Protocolos Conclusões

Tipos de Comunicação Em redes de computadores, é comum a troca de mensagens entre os participantes

Tipos de Comunicação Unicast
Grande parte do tráfego na Internet era realizado através de Unicast Um transmissor envia uma mensagem apenas para um receptor, se quer enviar para X receptores, deve enviar X mensagens Aumento do tráfego

Tipos de Comunicação Broadcast
Envia apenas uma mensagem que é recebida por todos os participantes Este envio pode ser inconveniente Analogia do aeroporto: Chamada para embarque é ouvida por todos. Porém, uma pessoa sem interesse no voo não precisaria ouvir esta mensagem

Tipos de Comunicação Anycast A mensagem é enviada
A mensagem vai ser recebida pelo participante mais próximo (ou com mais chances)

Multicast Transmissão de uma mensagem para um grupo específico ao mesmo tempo Somente uma mensagem para todos Diminuição do tráfego desnecessário Por exemplo, clientes assistindo uma determinada transmissão

Multicast Pode-se “realizar” um Multicast através de Unicast e Broadcast Unicast: com múltiplas cópias enviadas para os destinatários Largura de banda desperdiçada (duplicações) Broadcast: enviado para todos mas só os interessados irão aceitar Sobrecarga na rede Multicast é importante pois envia apenas para os que realmente têm interesse

Multicast Ad Hoc Redes Ad Hoc sem fio apresentam um grande grau de mobilidade dos seus componentes O caminho entre dois participantes da rede pode ser alterado Assim, os protocolos de roteamento Multicast de redes fixas não podem ser usados em redes Ad Hoc Nestas redes, todos os nodos têm a capacidade de computar, manter e guardar informações de roteamento

Multicast Ad Hoc Protocolos Ad Hoc x Protocolos Redes Fixas
Para habilitar a comunicação em grupo nas redes Ad Hoc protocolos de roteamento foram propostos O objetivo da maioria dos protocolos multicast Ad Hoc é construir e manter uma topologia de comunicação Levando em conta mobilidade dos nós Reações rápidas a mudanças na rede Minimizar perdas de pacotes Protocolos Ad Hoc x Protocolos Redes Fixas Redes fixas: protocolos pró-ativos Redes Ad Hoc: protocolos sob-demanda

Classificação de Protocolos
Protocolos de roteamento Multicast podem ser classificados em dois tipos: Dependentes de Aplicação Somente para aplicações especificas para as quais foram desenvolvidos Independentes de Aplicação Baseado em Topologia Baseado em Zonas de Roteamento

Classificação de Protocolos
Independentes de Aplicação Baseado em Topologia Árvores Malhas

Árvores Cria uma topologia estruturada como uma Árvore
Estabelece uma rota única entre quaisquer dois nós O meio de transmissão é compartilhado por somente dois nós, ou seja, só existe uma ligação entre eles Os arquivos e mensagens são armazenados em um nó intermediário na rota antes de seguir para o próximo nó Não existem rotas alternativas

Protocolo Árvores MAODV (Multicast Ad Hoc On Demand Distance Vector)
Um nó origina uma mensagem RREQ quando quer entrar ou mandar uma mensagem para um grupo multicast

O nó manda uma mensagem RREQ para seus vizinhos por broadcast Se os nós vizinhos (nós intermediários) não fazem parte do grupo Somente atualiza a sua tabela de roteamento com o número de sequência e o caminho para chegar até o nó que originou o RREQ E manda a mensagem RREQ por broadcast até chegar nos membro do grupo multicast

Protocolo Árvores MAODV (Multicast Ad Hoc On Demand Distance Vector)

Quando os nó membros do grupo multicast recebem o RREQ Atualiza sua tabela de roteamento Manda de volta um RREP unicast de volta para o nó que originou a mensagem RREQ Nós intermediários recebem um RREP, atualizam a tabela de roteamento

Mandam a mensagem RREP até chegar ao nó que originou a mensagem RREQ O nó Source fica esperando por um período de tempo as mensagens RREP chegarem

O nó Source escolhe o menor caminho até chegar nos membros do grupo multicast descartando as outras rotas.

Após o período de tempo acabar O nó Source manda uma mensagem de ativação (MACT) para a rota escolhida Se o nó que receber é parte da árvore multicast ele não propaga o MACT Senão ele propaga o MACT até chegar no nó que originou o RREP

Como o nó não faz parte do grupo multicast Ele ativa o nó como sendo parte da árvore e propaga o MACT até atingir o nó que originou a mensagem RREP

B C D O MACT garante que a árvore não tenha vários caminhos para qualquer nó da árvore. Os integrantes do grupo irão transmitir apenas pelo caminho da rota ativada

Um nó quer entrar para o grupo multicast

o nó Source manda um RREQ por broadcast para o nós vizinhos

Se os nós vizinhos não são membros do grupo multicast Eles atualizam sua tabela de roteamento e mandam a mensagem RREQ para seus vizinhos até que um membro do grupo receba o RREQ

Após os nós membros do grupo receberem o RREQ Eles mandam um RREP unicast até o nó Source

O nó Source fica esperando por um período de tempo as mensagens RREP chegarem

Após esperar por um período de tempo o nó Source escolhe a menor rota e manda uma mensagem de ativação (MACT)

Se o nó não faz parte da árvore, ele ativa o nó como sendo parte da árvore e propaga o MACT até atingir os membros da árvore

Protocolo Árvores MAODV (Multicast Ad Hoc On Demand Distance Vector) C
B A D E F

O nó source quer fazer parte do grupo multicast Então manda um RREQ para seus vizinhos por broadcast

Como seus vizinhos já fazem parte do grupo multicast Eles mandam um RREP

Após passar um período de tempo O nó Source escolhe a menor rota e manda uma mensagem de ativação (MACT)

Protocolo Árvores MAODV (Multicast Ad Hoc On Demand Distance Vector) C
B A D G E F

Líder Grupo Hello: Primeiro membro do grupo se torna o líder Ele mantém o número de sequência do grupo, repassando-os aos demais nós Periodicamente envia mensagens (broadcast) do tipo Grupo Hello Os nodos membros da árvore atualizam sua distância em relação ao líder Não há RREP para este tipo de mensagem

Eventualmente, nodos que são membros de um grupo multicast desejam sair do grupo Árvore precisa ser atualizada Dois casos podem acontecer Quando o membro que pretende sair não é folha Quando o membro que pretende sair é uma folha

Se não for uma folha Muda seu status (não é mais membro) Porém, continua como roteador na árvore

Se for uma folha Ele deve podar a si mesmo

Se for uma folha MACT Utiliza uma mensagem MACT com a flag P_flag (prune) setada

Se for uma folha Após enviar o MACT, o ex-membro retira todas as informações do grupo de suas tabelas

Se for uma folha PODA Quando o pai recebe um MACT com P_flag setada, remove a entrada do nodo da tabela do grupo

Se for uma folha O nodo que efetuou a poda pode não ser membro do grupo Neste caso, ele vai realizar a poda da mesma maneira

Se for uma folha MACT

Se for uma folha PODA

Se for uma folha O processo de poda continua até que um membro seja atingido

Podem ocorrer quebra de links entre os nodos da árvore Os nós detectam links quebrados quando não recebem mensagem do seu vizinho em um determinado tempo Pacotes ou mensagens Group Hello (vindas do líder) Detectada a quebra, alguém deve tentar reparar a árvore O nó envolvido na quebra que estiver mais afastado do líder é o responsável pelo reparo Apenas um dos dois é escolhido para evitar rotas diferentes e loops A escolha pelo nodo abaixo da quebra controla a queda do líder, pois não há ninguém acima dele

B C D E F G = link quebrado = responsável pelo reparo

B C D E F G Envia um RREQ com a flag Join setada, e informando a distância dele para o líder Somente nós com distância no mínimo menor que a informada respondem Isto evita loops e assegura que uma rota até o líder será encontrada

B C D E F G RREQ em broadcast

B C D E F G Encontrou algum nó que está na árvore, responde com RREP em unicast

B C D E F G Se recebe resposta, pode enviar MACT para criar um novo ramo

B C D E F G H H E a árvore é reparada

B C D E F G Porém, o nodo que está tentando reparar pode não receber nenhuma resposta Após algumas tentativas sem sucesso, o nodo assume que a árvore foi particionada

Duas árvores para o mesmo grupo multicast A primeira tem um líder (A), a segunda não Um novo líder para esta árvore deve ser escolhido

Líder Se o nó que tentou reconstruir a rota for membro do grupo, ele é o novo líder

PODA Se o nó que tentou reconstruir a rota não for membro do grupo e possuir apenas um filho (um hop até o grupo), ele se poda através do envio da mensagem MACT O processo de poda continua até que seja encontrado um membro Este membro é o novo líder

PODA PODA Se não for um membro e possuir mais de um filho, não pode se podar, pois partionaria a árvore

MACT Seleciona o primeiro filho e manda um MACT unicast com GF_flag (Group Leader) setada Se for membro, é o novo líder Se não for membro, continua processo de seleção e envio de MACTs

Porém, a árvore que já possuía líder pode ter ficado com um nó que não é membro Se for folha, ele começa o processo de poda

Os links da árvore podem voltar a qualquer momento Nós vão começar a receber mensagens Group Hello de líderes diferentes A árvore, então, deve ser unida novamente A B C D E F G Group Leader ’ Group Leader

Existem agora 2 líderes Quando um nodo membro do grupo recebe um Group Hello com informações de liderança diferente das que possui, começa a reconstrução da árvore

B C D E F G O nodo envia um RREQ (em unicast) para seu líder com a flag R_flag (repair) setada É um pedido para começar a reconstrução

B C D E F G O líder responde com um RREP em unicast, dando-o permissão para começar a reconstrução da árvore Isto evita que mais de um nó tente reparar a árvore

B C D E F G Nodo recebe o RREP do seu líder e envia um RREQ para o outro líder (informação do outro líder que veio no Group Hello) Este RREQ contém o número de sequência da sua árvore particionada

B C D E F G Quando recebe o RREQ e vê a flag R_flag setada, pega os dois números de sequência: o seu e o que veio na mensagem Escolhe o maior e incrementa este valor em um Ele, agora, é o novo líder Envia um RREP em unicast para o nodo que começou a reparação

B C D E F G Líder envia o Group Hello com a flag U_flag (update) setada Nós recebem o Group Hello e atualizam suas informações nas suas tabelas A árvore é reconstruída

Vantagens Número mínimo de cópias são usados para disseminar pacotes para um grupo multicast acarretando uma maior eficiência na banda Estrutura de fácil roteamento A mensagem é enviada somente para os nós ligados Estes nós se encarregam de enviar a mensagem até os destinatários, enviando apenas para os ligados a ele

Desvantagens Falhas de links podem ocasionar uma reconfiguração de toda árvore Monitoramento dos estados de todos os links (galhos) é necessário Existe apenas um caminho entre quaisquer dois nós Não existe caminho alternativo

Malhas Cria uma topologia estruturada como uma Malha
Múltiplas rotas entre os nós Utiliza o conceito de grupos Somente um sub-conjunto dos nós realizam encaminhamentos Cada computador pode ser ligado a uma, ou várias estações O protocolo opera com uma fase de Request e outra de Reply

Protocolo Malhas ODMRP(On-Demand Multicast Routing Protocol)
Um nó quer enviar uma mensagem, mas não está no grupo ou não conhece uma rota

Envia em broadcast uma mensagem do tipo Join Query Somente nós membros do grupo respodem esta mensagem

A cada mensagem recebida, os nós armazenam as informações do source (originador) e do next hop (nó do qual veio a mensagem)

Protocolo Malhas ODMRP(On-Demand Multicast Routing Protocol)

Quando um membro recebe um Join Query, ele responde em broadcast com um Join Reply, enviando as informações de sua tabela (informando o originador e o next hop, que é por onde recebeu a mensagem)

Quando um nó recebe um Join Reply, ele verifica se ele encontra-se no caminho entre o nó que mandou o Join Reply e o originador do Join Query Se ele está no caminho, ele sabe que ele faz parte do Grupo de Encaminhamento (ou FG – Fowarding Group). Seta, então, uma flag chamada FG_FLAG

Os nós, então, após receberem um Join Reply, enviam em broadcast um Join Reply com as informações da sua tabela

As mensagens de Join Reply continuam pela rede, criando FGs por todo o caminho entre a origem e os membros do grupo

Protocolo Malhas ODMRP(On-Demand Multicast Routing Protocol)

Ao chegar ao originador, a malha está pronta Cada FG (baseado nas diversas informações que recebeu nos Join Reply) sabe o menor caminho entre todos pares de nodo da topologia

Enquanto um membro do grupo ainda quer enviar pacotes para o grupo, ele envia periodicamente pacotes do tipo Join Request, que é uma espécie de “alive”

Quando um novo membro deseja enviar mensagens no grupo, o processo é exatamente o mesmo Um Join Query em broadcast é enviado, os membros respondem com Join Reply, que populam a rede com informações sobre as menores rotas

Membro do grupo e FG Um membro do grupo também pode ser um FG Quando um membro deseja deixar o grupo, basta ele não enviar os Join Reply para aquele grupo

Vantagens Disponibiliza várias rotas
com isso se torna mais resistente a falhas de conexão e consequentemente à mobilidade maior confiabilidade Rotas são otimizadas, percorrendo o menor caminho entre os nodos Facilidade de entrada e saída do grupo multicast Cria redundâncias para superar a dinamicidade da rede

Desvantagens Usa mais cópias para disseminar os pacotes
Não escalável para redes muito grandes Intervalo de inundação de mensagens de controle (Join Query) é crítico Intervalo muito pequeno: muitas mensagens na rede (talvez desnecessárias) Intervalo muito grande: aumenta a probabilidade de achar que membros deixaram o grupo Predição de mobilidade pode ajudar a estipular a frequência das mudanças de rotas

Outros Protocolos Árvore Malha
AMRoute (Ad Hoc Multicast Routing Protocol) AMIRS (Ad Hoc Multicast Routing Protocol Utilizing Increasing ID-Numbers) Malha NSMP (Neighboar Supporting Ad Hoc Multicast Routing Protocol) CAMP (Core-Assisted Mesh Protocol)

Conclusões Árvores x Malhas
As árvores são compartilhadas entre todos os nós do grupo Multicast Ocasionando congestionamentos na rede

Conclusões Árvores x Malhas
Na Malha, os diferentes nós não compartilham o mesmo caminho Os FGs sabem o menor caminho entre dois nós

Caminhos alternativos
Conclusões Árvores x Malhas Características Árvores Malhas Organização da rede Árvore Malha Definição de rotas Somente um caminho Vários caminhos Uso dos recursos da rede Eficiente Desperdício Como lida com mobilidade Caminho único Caminhos alternativos Overhead Baixo Alto

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