mobics: um simulador de protocolos para computação móvel ricardo couto antunes da rocha...

MobiCS: Um Simulador de MobiCS: Um Simulador de Protocolos para Computação Protocolos para Computação MóvelMóvel

Ricardo Couto Antunes da RochaRicardo Couto Antunes da [email protected]@ime.usp.br

DCC-IME-USPDCC-IME-USP22 de setembro de 200022 de setembro de 2000

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RoteiroRoteiro 1ª Aula - 22/09

MotivaçõesModelo de SistemaArquitetura de MobiCSModos de SimulaçãoProgramação de

protocolos Objetivo: apresentar

motivações e principais conceitos relacionados

2ª Aula - 29/09Exemplo de ProtocoloImplementação do

ProtocoloSimulação

DeterminísticaSimulação Estocástica

Objetivo: tutorial do simulador, com exemplos práticos e interfaces

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MotivaçãoMotivaçãoCaracterísticas de ambientes de

Computação Móvel (CM)Localização das estações móveis pode

variar com o tempo Topologia dinâmicaConsumo de potência é crítico

Desconexões voluntáriasMobilidade Variação na qualidade da

comunicação (sem fio)Baixa taxa de transmissão do meio sem fio

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Motivação Motivação (cont)(cont)

Implementação de algoritmos distribuídos em CMDeve ser capaz de trabalhar com um

número variável de participantes na interação

Otimizar o uso do meio sem fioDesconexões voluntárias não devem

possuir semântica de falha

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Projeto SIDAMImplementação de sistemas de informação

distribuídos para clientes móveis e fixos.Desenvolvimento de protocolos para CM

broadcast atômico, entrega confiável de respostas.

Validação e análise dos protocolos por simulação

Simulador será um elemento central do protótipo do SIDAM emulador de amb. CM

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Diferentes abordagens para simulaçãoSimuladores de rede[MobSim, SWiMNet, WiPPET]

focalizado nas características de redebem definido conjunto de protocolos a simularprojetado para simular redes e/ou ambientes

específicos.Simuladores de Protocolos [GloMoSim, ns]

focalizado no desenvolvimento de protocolosdefine uma interface de program. de protocoloscaracterísticas de rede podem ser adaptadas

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Simuladores de rede não possib. prototipagem Simuladores de protocolos devem possibilitar

adaptação para simular diferentes amb. de CM.

Prototipagem abstrações de programação e transparência de simulação

Validação de protocolos distribuídos é difícil Teste de diferentes modelos de mobilidade

abstrações de mobilidade de alto nível

Limitações comuns para prototipagem e Limitações comuns para prototipagem e simulação de protocolos distribuídossimulação de protocolos distribuídos

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Modelo de Sistema para CMModelo de Sistema para CMTermos

Máquina Fixa Rede FixaEstação móvel - Mh Estação base - MssCélulaCanal sem fioHandoff

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Modelo de Sistema para CMModelo de Sistema para CM

handoffhandoff

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Modelo de Sistema para CMModelo de Sistema para CMQuando um Mh detecta que enoutr

em outra célula, ele envia para o Mss responsavél um Greet(mh,oldMss)

Cada Mh por ter, no máximo, um Mss responsável.

Não é possível interseção de áreas de células.

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Protocolos DistribuídosProtocolos DistribuídosSão algoritmos distribuídos que

implementam comunicação e/ou coordenação entre vários hosts em CM

Elementos: estado, algoritmo, instânciaExemplos:

Comunicação multi-pontoExclusão mútuaCheckpointingEntrega ordenada de mensagens

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Protocolos Distribuídos Protocolos Distribuídos (cont)(cont)

Protocolos distribuídos vs. Ponto-a-pontoAlgoritmos distribuídos possuem estado

distribuído a desconexão pode causar perda parcial do estado mas o algoritmo deve conseguir manter a interação

Alta dependência da mobilidade tanto no funcionamento como no desempenho

Conclusão: a avaliação da corretude do protocolo é mais complexa

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Duas abordagens para implementação de algoritmos distribuídos em CMMobilidade e desconexões transparentes

encaminhamento de mensagens é feito por protocolo no nível de rede (IP Móvel)

gerência de QoS só é possível em camadas inferiores

não é possível adaptação de alto nível (aplicações)

Modelo Indireto (mobility-aware)

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Enlace de Dados e FísicoEnlace de Dados e Físico

Transporte e RedeTransporte e Rede

ProtocolosProtocolosDistribuídosDistribuídos

AplicaçõesAplicações

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Problemas resolvidos pelas camadas inferioresMecanismo de gerência de fluxo de

pacotesCorreção de erros do canal sem fioMecanismo de escolha de MSS mais aprop.Gerência do canal sem fio (multiplexação,

alocação de frequência)

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Abstração básica de interação entre protocolos/máquinas mensagem

Problemas como taxa de erros no canal e retransmissões são transparentes.

Taxa efetiva de envio de dados incorpora todas as características físicas do canal.

O envio de mensagens é confiável, embora os MHs nem sempre sejam acessíveis confirmações devem ser feitas pelos próprios protocolos

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MobiCSMobiCSMobiMobile CComputing SSimulator Rápida prototipagem de protocolos distribuídos

Modelo de programação de protocolos simples e flexível

Abstrações de programação de alto nívelTransparência total de simulação

Possibilita abstrações de mobilidade usuário pode criar seu próprio modelo de mobilidade

Abordagem para teste de corretude simulações determinísticas

Permite também simulação estocástica (paralel.)

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MobiCSMobiCSMobiMobile CComputing SSimulator (cont)

Totalmente desenvolvido em Javauso das abstrações e bibliotecas de Java pelo

programador de protocolosfacilita a distribuição do simuladoruso de reflexão computacional permite a

criação de um modelo de programação mais elegante

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Arquitetura de SoftwareArquitetura de Software Camada de Aplicação

Implementa aplicações que usam os protocolos

Pode ser um usuário do simulador ou um protótipo de aplicação

Captura eventos que permitem adaptação: MESSAGE, NEWCELL, QOS_CHANGE, CONNECT, DISCONNECT

Máquina de Simulação

Elementos de Rede

Aplicação

ProtocolosDistribuídos

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Arquitetura de Software Arquitetura de Software (cont)(cont)

Protocolos DistribuídosComposta pelos

protocolos distribuídos sendo simulados

Programador define tratadores de eventos recebidos de outras camadas


Elementos de Rede


Aplicação

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Elementos de RedeImplementa a

funcionalidade dos elementos de rede de ambiente de CM: MSSs, MHs, canais, etc.

Cada elemento é implementado em um processo concorrente


Elementos de Rede


Aplicação

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Máquina de SimulaçãoImplementa os

modos de simulação determinístico e estocástico

Garante o processamento causal dos eventos


Elementos de Rede


Aplicação

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Interface de eventos bem definida entre camadas de simulação e de elementos transparência de simulação

Elementos de Rede


MsgSendSetTimer

TimerMsgArrivedMoveToConnectivity

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Modelo de ProgramaçãoModelo de Programação Modelo de programação OO e modular Protocolos são compostos de micro-protocolos

módulos com funcionalidade bem definida Arranjo típico

A vantagem é a separação de comportamentosComunicação por canais sem fio / “com fio” Componentes dinâmicas e estáticas

ProtocoloWired Wireless Handoff

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Modelo de Programação Modelo de Programação (cont)(cont)

Protocolo 1µProt11 µProt12 µProt13

Protocolo 2µProt21 µProt22 µProt23

e1 e3 e5e2 e4

Estado compartilhadoEstado compartilhadoMicro-protocolosMicro-protocolos

MensagemMensagem

InterfaceInterface

EncapsulamentoEncapsulamento

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Componentes de um protocoloEstadoMicro-protocolosMensagemInterfaces de µProtAlgoritmosEncapsulamento

Modelo de programação JavaAtributosConjunto de

métodosObjeto MessageInterfacesCorpo de métodosObjeto

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Etapas de implementação de um protocoloDefinir todas as mensagens trocadas entre

elementos e seus respectivos micro-protocolosDeclarar cada uma das mensagens na forma de

um sub-classe de Message.Declarar as interfaces dos micro-protocolosDeclarar uma sub-classe de Protocol que

implementa todas as interfaces dos micro-protocolos

Implementar os métodos

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Modelo de ProgramaçãoModelo de ProgramaçãoEx: Declaração de MensagemEx: Declaração de Mensagem

Mensagem UpdateLoc

Implementa a interf. HandoffMessage

Atributos: mh e newMss

Construtor informa o protocolo da mensag.

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Modelo de ProgramaçãoModelo de ProgramaçãoEx: Declaração de ProtocoloEx: Declaração de Protocolo

Todo protocolo estende de Protocol

mIP_HA é o módulo de handoff do protocolo

Método UpdateLoc é um handler para a mensagem UpdateLoc

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Simulação DeterminísticaSimulação Determinística ObjetivoObjetivo:

fornecer um mecanismo para depuração e avaliação da corretude de protocolos.

O simulador reproduz os cenários específicos (e determinísticos) descritos em um script.

É parecida com uma simulação trace-driven, só que é o próprio usuário quem cria os traços de simulação.

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Simulação Determinística Simulação Determinística (cont)(cont)

Um cenário pode conter comandos que definem: envio de requisições, movimentações, alterações na disponibilidade de um Mh, etc.

Exemplo:

Apenas o comportamento dos protocolos não pode ser descrito no script definido pela implementação do protocolo

Mh1.moveTo(cell1);Mh1.send(Req);Mss3.send(server, Ack);Mh2.unavailable();

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O script deve descrever situações críticas nas quais o protocolo precisa ser testado.

Em cenários de CM, tipicamente essas situações ocorrem durante o handoff.

Questão: Como definir a ordenação entre eventos de diferentes elementos simulados?

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server

Home agent

MSSo

MSSn

mh

req

req

res

res

res

trocas de mensagens do IP Móvel

eventosindependentes

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Não há noção de tempo desempenho dos elementos de rede é infinito. Justificativa:Tempo de execução dos protocolos é

indeterminadoFacilidade na programação dos scripts

Para definir ordenação entre os eventos, utiliza-se pontos de sincronização no script.Globais eventos de diferentes elementosLocais eventos de um mesmo elemento

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Dois comandos de sincronizaçãonext() - sincronização global

Determina o início de um novo passo de simulação, que só é iniciado quando todos os elementos terminarem a execução dos comandos do passo anterior.

Accept(m) - sincronização localBloqueia o elemento até o recebimento e

processamento da mensagem m indicada. Necessário porque não há controle sobre o envio de mensagens pelo protocolos.

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server

Home agent

MSSo

MSSn

mh

req

req

res

res

res

C

Script{ha,MSSo,MSSn}.acceptOn

()mh.send(new Req());mh.moveTo(MSSn);next(); // corte Cserver.accept(Req);mh.accept(Res);

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server

Home agent

MSSo

MSSn

mh

Script{ha,MSSo,MSSn}.acceptOn

()mh.send(new Req());mh.moveTo(MSSn);next(); // corte Cserver.accept(Req);mh.accept(Res);req

req

res

res

res

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Simulação EstocásticaSimulação EstocásticaPermite a avaliação do desempenho de

protocolos pela realização de testes exaustivos

Usuário defineModelo de mobilidadePadrão de comportamento dos elementos

Utiliza algoritmo conservador de simulação paralela baseado em janela de tempo.

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Simulação Estocástica Simulação Estocástica (cont)(cont)

Modelo de MobilidadeModelo de Mobilidade

Modelo de SimulaçãoAtividade e Atração

Atividade: prob. de Mh estar conectado à redeAtração: prob. de Mhs estarem na região de uma

célulaMobilidade

Probabilidade do Mh migrar para outra célulaVizinhança entre célulasQualidade da comunicação sem fioPadrão de requisições

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Simulação Estocástica Simulação Estocástica (cont)(cont)

Modelo de Mobilidade: padrão abstrato no qual um elemento se move.Granularidade de movimentações: célula,

posição (2D ou 3D), velocidade/direção, sentido e direção de vias.

Restrições às movimentaçõesPadrões de comportamento

No MobiCS, o modelo de mobilidade poderá ser programável.

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Uso do SimuladorUso do SimuladorImplementação do protocolo estender

classes básicas Protocol e MessageCriação do ambiente de CM simulado

estender classes básicas Mss, Mh, ...Criação do(s) cenário(s) de simulação

Escolhas dos cenários determinísticos de teste descrever script determinístico avaliar funcionamento do protocolo

Escolha dos cenário aleatório simulação estocástica avaliação do desempenho

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Outros modos de simulaçãoOutros modos de simulaçãoEmulação de ambiente de computação

móveluso no protótipo SIDAMinterface de emulaçãoescalonador de tempo-real, dependendo da

utilizaçãoSimulador de “comportamento” útil

para visualizações; não há tempo simulado.

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ConclusõesConclusõesMobiCS ambiente integrado para

desenvolvimento, teste e avaliação de desempenho

Contribuiçõesarquitetura de software flexível e com

transparência de simulação para protocolosmodelo de programação de protocolos

simples e flexível prototipagemmodo de simulação determinístico

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Conclusões Conclusões (cont)(cont)

Uso do modo de simulação determinístico no teste de corretude de protocolosflexível aplicável a qualquer classe de

protocolonão exige a especificação formal do protocoloútil na depuração de protocolostestes exaustivos exigem o uso de

ferramentas de geração de casos de teste

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Estágio atualMáquina determinística implementadaUm protocolo SIDAM prototipado e

testadoMáquina estocástica em implementação

(previsão da 1a versão: 5/out).1a. Versão da documentação moldes

de tutorial

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Interação durante a disciplina MAC 5743Home page do MobiCS:

http://www.ime.usp.br/~rcarocha/mobicsartigos, documentação, fontes, links

relacionados, apresentações (incluindo esta),...Lista de discussão: inscrição por e-mail

para [email protected]ção

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ReferênciasReferências“Um Simulador de Protocolos para

Computação Móvel”. 2o. Workshop de Comunicação sem Fio. BH, maio/2000.

“Flexible Simulation of Distributed Protocol for Mobile Computing”. DT-SIDAM-2-00.1

“MobiCS: Documentação [Draft]”

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