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RouteSpray: Um algoritmo deroteamento de multiplas copiasbaseado em rotas de transito

Maurıcio Jose da SilvaUniversidade Federal de Ouro Preto

Dissertacao submetida aoInstituto de Ciencias Exatas e Biologicas

Universidade Federal de Ouro Pretopara obtencao do tıtulo de Mestre em Ciencia da Computacao

Catalogação: www.sisbin.ufop.br

S586r Silva, Maurício Jose da. RouteSpray [manuscrito]: um algoritmo de roteamento de multiplas copiasbaseado em rotas de trâ / Maurício Jose da Silva. - 2014. 62f.: il.: color; grafs; tabs.

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Augusto Rabelo Oliveira.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Instituto deCiências Exatas e Biológicas. Departamento de Computação. Programa de PósGraduação em Ciências da Computação. Área de Concentração: Ciências da Computação.

1. Engenharia de trafego. 2. Redes veiculares. 3. TCP/IP (Protocolo de redede computação). 4. . I. Oliveira, Ricardo Augusto Rabelo. II. UniversidadeFederal de Ouro Preto. III. Titulo.

CDU: 004.738.5:625.7

Dedico este trabalho a Deus e aos meus pais Sandra e Vicente, pessoas de suma

importancia em minha vida.

i

RouteSpray: Um algoritmo de roteamento de multiplas

copias baseado em rotas de transito

Resumo

Redes veiculares sao um tipo especial de redes wireless que ganharam a atencao dos

pesquisadores nos ultimos anos. Protocolos de roteamento para esse tipo de rede tem

que lidar com diversos desafios como alta mobilidade, altas velocidades e frequentes des-

conexoes na rede. Neste artigo e proposto o RouteSpray, um algoritmo de roteamento

veicular que, alem de utilizar as rotas dos veıculos para tomar as decisoes de roteamento,

tambem utiliza a pulverizacao controlada para encaminhar multiplas copias de mensa-

gens, garantindo melhores taxas de entrega sem sobrecarregar a rede. Os resultados

dos experimentos mostram que o RouteSpray entregou 13,12% mensagens a mais do que

outras propostas da literatura e manteve a ocupacao do buffer 73,11% menor.

iii

RouteSpray: A Multiple-Copy Routing Algorithm Based

on Transit Routes

Abstract

Vehicular networks represent a special type of wireless network that has gained the

attention of researchers over the past few years. Routing protocols for this type of

network must face several challenges, such as high mobility, high speeds and frequent

network disconnections. This paper proposes a vehicular routing algorithm called Rou-

teSpray that in addition to using vehicular routes to help make routing decisions, uses

controlled spraying to forward multiple copies of messages, thus ensuring better deli-

very rates without overloading the network. The results of experiments performed in

this study indicate that the RouteSpray algorithm delivered 13.12% more messages than

other algorithms reported in the literature. In addition, the RouteSpray algorithm kept

the buffer occupation 73.11% lower.

v

Declaracao

Esta dissertacao e resultado de meu proprio trabalho, exceto onde referencia explıcita e

feita ao trabalho de outros, e nao foi submetida para outra qualificacao nesta nem em

outra universidade.

Maurıcio Jose da Silva

vii

Agradecimentos

A Deus, por me acompanhar em mais esta caminhada.

A meus pais e a minha namorada, pela paciencia e pelo apoio incondicional.

Aos meus irmaos e amigos, pelos conselhos e por ouvir minhas reclamacoes.

Aos professores, pelos ensinamentos transmitidos.

Ao Ricardo Rabelo, meu orientador.

A UFOP e ao IMobilis, pela infraestrutura.

A Seva e Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientıfico e Tecnologico (CNPq).

A todos que contribuıram direta ou indiretamente para a realizacao deste trabalho.

Muito Obrigado.

ix

Sumario

Lista de Figuras xv

Lista de Tabelas xvii

Nomenclatura 1

1 Introducao 3

1.0.1 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.0.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.0.3 Contribuicoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Referencial Teorico 9

2.1 Redes DTN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.2 Roteamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Redes Veiculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.2 Caracterısticas das redes VANETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.3 Pilha de protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.4 Aplicacoes para VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

xi

2.3 Consideracoes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3 Trabalhos Relacionados 23

3.1 Trabalhos Relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23


4 Protocolo de Roteamento Route Spray 31

4.1 Algoritmo RouteSpray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.1.1 Utilizacao de Rotas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1.2 Binary Spray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35


5 VeNeM - Gerador De Mobilidade Veicular Real 37

5.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.2 Simulacoes em Redes Veiculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.2.1 Modelos de mobilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.2.2 Evolucao dos simuladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.2.3 Discussao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.3 Simuladores existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.3.1 BonnMotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.3.2 VanetMobiSim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.3.3 Veins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.3.4 Framework de Mobilidade veicular . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.3.5 VeNeM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45


6 Resultados e Discussoes 49

xii

6.1 Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.2.1 Taxa de entrega de mensagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.2.2 Ocupacao dos buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2.3 Quantidade de mensagens enviadas na rede . . . . . . . . . . . . . 53

6.2.4 Atraso medio de entrega das mensagens . . . . . . . . . . . . . . . 54

7 Conclusoes 57

7.1 Conclusoes e Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Referencias Bibliograficas 59

xiii

Lista de Figuras

2.1 A camada de agregacao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Contato previsıvel em uma rede rural. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.1 Exemplo do calculo do NP do destino do pacote. . . . . . . . . . . . . . . 29

4.1 Rotas pre-estabelecidas para tres veıculos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.1 Modelo de um grafo de Voronoi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.2 Framework de Gerenciamento de rede movel. . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.3 Rota entre a Estacao central de metro – Belo Horizonte e Paroquia de

Nossa Senhora de Fatima – Belo Horizonte (Retirada do Google Maps

em 02/09/2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.1 Mensagens entregues na rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2 Ocupacao do buffer : comparacao entre os tres algoritmos . . . . . . . . . 53

6.3 Ocupacao do buffer entre os algoritmos que utilizam a tecnica de “spray”. 54

6.4 Mensagens enviadas na rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.5 Tempo medio de entrega de mensagens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

xv

Lista de Tabelas

3.1 Valores estimados de L para uma rede de 100 nos. . . . . . . . . . . . . . 27

5.1 Visao geral das classes de modelos de mobilidade . . . . . . . . . . . . . 41

6.1 Parametros utilizados na simulacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

xvii

Lista de Algoritmos

4.1 Pseudo-codigo RouteSpray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

xix

“”O proximo grande salto evolutivo da humanidade sera a descoberta de que cooperar e

melhor que competir””

— Prof. Pietro Ubaldi

xxi

Nomenclatura

DTN Delay Tolerant Network

IPN Interplanetary Networking

DTNRG Delay Tolerant Network Research Group

STI Sistemas de Transporte Inteligentes

VANET Vehicular Ad Hoc Network

V2V Veıculo para veıculo

V2I Veıculo para infra estrutura

MANET Mobile ad hoc Network

NS Navigation System

DSRC Dedicated Short-Range Communication

BCH Basic Chanell

VTP Veicular Transport Protocol

MCTP Mobile Control Transport Protocol

QoS Qualidade de servico

VITP Veicular Information Transfer Protocol

EI Estacoes de Informacao

ETA Estimated Time to Arrive

METD Minimum Estimated Time to Delivery

NP Nearest Point

1

Capıtulo 1

Introducao

Em 1923 foi desenvolvida por um policial australiano uma forma de comunicacao bidi-

recional entre carros (?). Essa tecnica foi aprimorada com a segunda guerra mundial,

facilitando a comunicacao entre as tropas. Com o avanco da tecnologia, os equipamen-

tos de radio se tornaram mais comuns em carros, atualmente os veıculos sao sistemas

interligados possibilitando o seu monitoramento, controle e gerenciamento.

Com o grande aumento da frota de veıculos presentes nas rodovias, surgiu a necessi-

dade de comunicacao entre eles, com isto, primeiramente surgiram os semaforos, depois

dispositivos que indicavam direcao nos veıculos. Grande parte dessa comunicacao ge-

ralmente esta presente nas rodovias, e e compartilhado entre todos os veıculos. Com

a constante evolucao das redes moveis, e com a possibilidade de trocar informacoes a

qualquer momento e a qualquer hora possibilitando uma grande variedade de aplicacoes

em redes veiculares, este cenario mudou. Atualmente redes veiculares constituem objeto

de pesquisa em ascendencia, o que fez com que esse tipo de rede ganhasse a atencao dos

pesquisadores nos ultimos anos.

Redes veiculares possuem diversas aplicacao, e podem oferecer, a partir dos Sistemas

de Transporte Inteligentes (ITS), servicos como: (i) assistencia ao motorista, auxiliando-

o durante seu trajeto informando-o sobre condicoes do transito, pontos de interesse

(abastecimento, alimentacao, etc); (ii) disseminacao de informacoes, propagando para

regioes geograficas especificas informacoes sobre acidentes e propagandas, por exem-

plo; e (iii) entretenimento, permitindo aos passageiros de um veıculo uma viagem mais

agradavel (Taysi & Yavuz 2012).

3

4 Introducao

1.0.1 Justificativa

Redes wireless sao redes cujo meio fısico de comunicacao e o ar, ou seja, nao ha a

necessidade de fios para conectar dois ou mais nos permitindo que se comuniquem. Redes

veiculares constituem um tipo especial de redes wireless, com alguns desafios a serem

enfrentados. Em redes wireless, geralmente os nos sao conectados a partir de um Ponto

de Acesso, e esse ponto de acesso e responsavel por rotear e entregar a mensagem para

o nos de destino. Implantar uma infra estrutura as margens da rodovia para permitir

tal topologia teria um alto custo, o que faz com que surja a necessidade de formacao de

uma rede completamente ad hoc (rede entre os nos).

Apesar de redes VANETs serem um subtipo de redes wireless, elas possuem suas

proprias caracterısticas, como exemplo podemos citar a alta mobilidade dos veıculos, que

provoca frequentes desconexoes entre os nos da rede. Como impacto, tal caracterıstica

particiona a rede e impossibilita a utilizacao dos protocolos de roteamento feitos para

redes ad hoc. Isso, porque os algoritmo projetados para serem aplicados a redes ad

hoc assumem a existencia de um caminho fim a fim antes de iniciar a transmissao de

dados, o que pode nunca acontecer em uma rede veicular. Para resolver tal problema, os

algoritmos de roteamento para VANETs utilizam a tecnica de store-carry-and-foward,

que faz com que mensagem seja armazenada em cada no ate que ela atinja o destino.

Porem, algumas caracterısticas das redes VANETs podem ser utilizadas para au-

xiliar no roteamento, como por exemplo, padroes de mobilidade limitados pelas rodo-

vias, tendencia dos veıculos se locomoverem em grupos e a integracao de sensores aos

veıculos (Toor, Muhlethaler & Laouiti 2008) (Li & Wang 2007). Os padroes de mo-

bilidade limitados pelas rodovias permitem que os algoritmos de roteamento consigam

prever, mesmo que com uma margem de erro, as possıvel direcoes que os veıculos irao

seguir, e tal caracterıstica pode ser utilizada para aprimorar o processo de roteamento.

Ja a tendencia dos veıculos se locomoverem em grupos auxilia por aumentar a area

de alcance de uma mensagem. Mesmo que por um tempo imprevisto e possivelmente

pequeno, o fato dos veıculos se moverem em uma mesma direcao e com velocidades

constantes faz com que sejam formados pequenos clusters em que todos os nos estejam

conectados entre si. Essa caracterıstica abre um campo de pesquisa relacionado com

roteamento baseados em clusters (Luo, Zhang & Hu 2010), que nao constituem objetos

de estudo dessa dissertacao. Por fim, outra caracterıstica que beneficia o roteamento e

a integracao de sensores aos veıculos. A cada dia se torna mais comum veıculos serem

fabricados com sensores que aprimoram a experiencia com o usuarios, os dados destes

Introducao 5

sensores podem ser utilizados para aferir informacoes que podem auxiliar na tomada de

decisoes a ate mesmo no roteamento. Como exemplo, os sensores de temperatura dos

veıculos podem ser utilizados para aferir com alta precisao a temperatura media de uma

determinada regiao. Ou utilizando o sensor de combustıvel o algoritmo pode calcular

uma rota de forma que o veıculo passe proximo a um posto antes que o combustıvel

termine. Enfim, uma grande variedade de aplicacoes surgirao nos proximos anos.

Existem varios algoritmos de roteamento propostos para VANETs, mas os recentes

avancos tecnologicos e sua popularizacao como aconteceu com o GPS, por exemplo,

abriram a possibilidade de propor protocolos ainda mais eficientes. Isso, porque um dos

maiores desafio em rotear uma mensagem por uma rede dinamica, e prever a mobilidade

do no de forma que a mensagem seja propagada em direcao ao destino, ou ela podera se

perder e nunca sera entregue. Se veıculos possuem informacoes de localizacao, explora-las

para aprimorar o processo de roteamento tem se tornado uma das principais premissas

entre as novas propostas de roteamento. Por esse motivo tornou-se objeto principal de

pesquisa desse estudo.

1.0.2 Objetivos

Varios protocolos que objetivam realizar o roteamento em redes VANETs tem sido apre-

sentados. A principal diferenca entre esses protocolos sao as informacoes que eles con-

sideram para realizar o roteamento (historico de contato entre os nos, informacoes de

localizacao, etc) e a estrategia que utilizam para encaminhar a mensagem (numero de

replicas geradas por mensagem). Contudo, existe um consenso entre a comunidade ci-

entıfica de que nao existe um protocolo de roteamento ideal para todos os cenarios. O

protocolo RouteSpray tem o objetivo de ser aplicado em cenarios onde tem-se conhe-

cimento previo das rotas dos veıculos, caracterıstica que tornou-se comum nos dias de

hoje devido a popularizacao dos dispositivos de navegacao, principalmente se considerar-

mos frotas com mobilidade controlada, como onibus, caminhoes e taxis. Tal protocolo

foi projetado para utilizar as rotas dos veıculos para tomar as decisoes de roteamento,

sendo essa a unica premissa exigida.

1.0.3 Contribuicoes

Neste estudo e proposto o algoritmo RouteSpray. Tal algoritmo combina quatro concei-

tos importantes para tomar as decisoes de roteamento, sendo: (i) utilizacao da tecnica de

6 Introducao

store-carry-and-forward (Zhao & Cao 2008) para rotear as mensagens; (ii) transmissao

das mensagens baseando-se em contato direto (Spyropoulos, Psounis & Raghavendra

2008a); (iii) utilizacao das rotas dos veıculos para auxiliar no roteamento (Leontiadis

& Mascolo 2007), considerando-se que os veıculos sao esquipados com GPS e (iv) uti-

lizacao da tecnica de pulverizacao controlada de mensagens (Spyropoulos, Psounis &

Raghavendra 2008b). Tendo em mente que todas as tecnicas citadas acima sao estu-

dada pela literatura com o objetivo de melhorar o processo de roteamento, as principais

contribuicoes do RouteSpray sao:

• Combinar a tecnica de pulverizacao controlada com a utilizacao de rotas para

melhorar o processo de roteamento, campo de estudo em aberto e pouco explorado

pela comunidade cientıfica;

• Explorar o roteamento geografico para destinos moveis.

• Oferecer um estudo comparativo e uma analise de desempenho entre as tecnicas de

pulverizacao controlada, roteamento de uma unica copia, e inundacao de mensa-

gens. Utilizadas juntamente com informacoes das rotas doa veıculos para melhorar

o processo de roteamento.

Os resultados e contribuicoes deste estudo resultaram em uma publicacao em Periodico:

• DA SILVA, MAURICIO JOSE ; TEIXEIRA, FERNANDO ; OLIVEIRA, RI-

CARDO AUGUSTO RABELO . RouteSpray: A multiple-copy routing algorithm

based on transit routes. Journal of Applied Computing Research, v. 3, p. 11-18,

2013. (Qualis B5)

e duas publicacoes em Anais de Congresso:

• SILVA, M. J. ; SILVA, S. E. D. ; TEIXEIRA, F. A. ; OLIVEIRA, R. A. R. .

Combining the Spray Technique with Routes to Improve the Routing Process in

VANETS. In: 16th International Conference on Enterprise Information Systems,

2014, Lisbon. Proceedings of the 16th International Conference on Enterprise

Information Systems. p. 583-590. (Qualis B1)

• SILVA, M. J. ; TEIXEIRA, F. A. ; OLIVEIRA, R. A. R. . RouteSpray: Um

algoritmo de roteamento de multiplas copias baseado em rotas de transito.. In:

Introducao 7

SBCUP - V Simposio Brasileiro de Computacao Ubıqua e Pervasiva, 2013, Maceio.

SBCUP - V Simposio Brasileiro de Computacao Ubıqua e Pervasiva, 2013. (Qualis

B5)

Capıtulo 2

Referencial Teorico

Redes veiculares constituem o principal foco de estudo desta dissertacao. Porem, para

que seja possıvel a compreensao de nossa proposta, antes precisamos revisar alguns con-

ceitos. Este capıtulo esta dividido em duas Secoes: na primeira e apresentado os prin-

cipais desafios encontrados em redes DTN, abordando sua arquitetura e as limitacoes

enfrentadas por algoritmos de roteamento desenvolvidos para esse tipo de rede. Adici-

onalmente entenderemos como esse tipo de rede esta relacionado com redes veiculares.

Por fim, na segunda Secao sao apresentados os conceitos relacionados as redes veiculares.

2.1 Redes DTN

Desde seu surgimento, a arquitetura TCP/IP se tornou um modelo de comunicacao de

sucesso na internet. A arquitetura foi construıda utilizando um modelo em camadas,

onde, em cada camada, e definido um conjunto de tarefas que fornecem servicos bem

definidos para a camada de nıvel superior. Tal caracterıstica garante a interoperabili-

dade, que e a capacidade de dois sistemas conversarem de forma transparente, sejam

eles semelhantes ou nao. Talvez este seja o grande motivo de sucesso da arquitetura

TCP/IP.

Porem, para que seja possıvel a transmissao de dados em redes TCP/IP, e necessario

que as duas pontas estejam conectadas. Somente depois de estabelecida a conexao entre

os dois nos o protocolo TCP inicia a transmissao de dados. Isso acontece porque o TCP e

um protocolo confiavel, ou seja, ele exige que haja confirmacao de entrega de cada pacote

enviado. Caracterıstica inclusive que impacta em dois outros fatores, a exigencia de

9

10 Referencial Teorico

baixas taxas de erro e de pequenos atrasos na entrega da mensagem (Tanenbaum 2003).

Porem as caracterısticas exigidas para que haja comunicacao em redes de protocolos

TCP/IP nao sao atendidas em todos os tipos redes (Fall 2003), como por exemplo: (i)

redes militares, onde a concentracao dos pontos de comunicacao facilita acao inimiga, o

que exige que os nos dessa rede sejam moveis, alem da necessidade de prever que podem

ser destruıdos a qualquer momento; ou (ii) redes interplanetarias, onde o contato entre

os nos da rede (planetas e satelites) podem ser programados, uma vez que temos conhe-

cimento previo das orbitas de seus elementos e do tempo de propagacao da mensagem

no espaco; ou ainda, (iii) redes de sensores, onde os elementos da rede possuem grandes

restricoes de recursos, e geralmente permanecem desligados grande parte do tempo com

o objetivo de poupar energia. Alem destes, existem diversos outros tipos de rede onde

grandes atrasos de propagacao de mensagem e falta da existencia de um caminho fim

a fim tornam-se problemas a serem enfrentados. Essas caracterısticas deram origem a

um novo tipo de rede, que ficou conhecido como redes DTN (Delay Tolerant Network)

() (Cerf, Burleigh, Hooke, Torgerson, Durst, Scott, Fall, Travis & Weiss 2002) (Cerf,

Burleigh, Hooke, Torgerson, Durst, Scott, Fall & Weiss 2007) .

2.1.1 Arquitetura

A arquitetura DTN surgiu durante o desenvolvimento do projeto de Internet Interpla-

netaria (IPN) 1, e tinha como objetivo criar uma rede capaz de integrar a rede TCP/IP

com uma rede interplanetaria. Rede interplanetaria e caracterizada por nao existir um

caminho fim a fim durante todo o tempo. Para que isso aconteca e necessario que os as-

tros esteja alinhados, o que pode provocar um grande atraso na entrega das mensagens.

Com isso, surge a necessidade de criacao de uma tecnica para armazenar a mensagem a

cada salto, e aguardar a oportunidade de contato para transmiti-la para o proximo no,

esse processo e repetido ate que a mensagem alcance o destino. Observou-se que essas

caracterısticas estao presentes em diversos tipos de redes terrestres, e os esforcos foram

estendidos com a criacao de um grupo de pesquisa chamado DTNRG (Delay Tolerant

Network Research Group) 2. O grupo DTNRG surge com o como objetivo estudar e criar

padroes de protocolos que permitam a comunicacao nesse tipo de rede (Oliveira 2007).

A arquitetura DTN preve a utilizacao de uma camada de persistencia de dados.

A essa camada deu-se o nome de Camada de Agregacao (Scott & Burleigh 2007) e

1Disponıvel em: http://ipnpr.jpl.nasa.gov/index.cfm2Disponıvel em: http://www.dtnrg.org/wiki/Home

Referencial Teorico 11

ela fica situada acima da Camada de Transporte e abaixo da Camada de Aplicacao,

como podemos ver na Figura 2.1. Dessa forma, e possıvel manter a interoperabilidade

com qualquer tipo de rede, permitindo a integracao de uma rede DTN com as redes ja

existentes, sejam redes TCP/IP ou nao. Cada no da rede e conhecido como no DTN, e

ele pode ser um host, um roteador ou um gateway (ou uma combinacao), e agir como a

origem, o destino ou um encaminhador do agregado.

Figura 2.1: A camada de agregacao.

Em redes DTN os nos sao alcancaveis durante todo o tempo, por esse motivo, o

contato e a transferencia de dados acontecem em situacoes favoraveis (Voyiatzis 2012).

Dependendo das caracterısticas da rede DTN, algumas possibilidades de contato po-

dem ser exploradas, sendo elas: contatos persistentes, contatos sob demanda, contatos

programados, contatos previsıveis e contatos oportunistas. Contatos persistentes sao

contatos que sempre estao ativos, ou seja, nunca ficam indisponıveis. Ja os contatos

sob demanda, sao contatos que, em um primeiro momento, nao existem, mas que uma

vez estabelecidos permanecem ativos ate o final da sessao. Contatos programados sao

contatos em que o horario e a duracao do contato e conhecida, muito comum em redes de

sensores por exemplo, onde os nos da rede permanecem desligados para poupar energia,

e em determinado momento ficam ativos para coletar e trocar informacoes com os demais

nos da rede. Muito parecido com os contatos programados, mas com um certo grau de

imprecisao, sao os contatos previsıveis. Neste tipo de contato os nos conseguem prever o

momento do proximo contato. Para isso, eles utilizam informacoes sobre as ocorrencias

de contatos anteriores, porem, essa premissa pode provocar grandes taxas de erro. Po-

demos ter como exemplo as redes rurais Figura 2.2, onde os onibus trafegam entre um


centro urbano, potencialmente conectado a internet, e uma area rural. O onibus tem o

papel do agente que transporta dados entre as duas regioes, permitindo que informacoes

cheguem ate a area rural. Obviamente, todo onibus tem horarios pre-definidos, o que

permite com que seja estabelecido um contato programado com algum outro no DTN.

Por outro lado, pode acontecer algum imprevisto que faca com o que o onibus chegue ao

seu destino atrasado, e com isso a oportunidade de contato sera perdida comprometendo

a comunicacao entre as duas regioes.

Figura 2.2: Contato previsıvel em uma rede rural.

Por fim, temos o contato oportunista. O contato oportunista acontece quando o nos

nao tem nenhuma informacao sobre os demais nos da rede, caracterıstica comum em

redes moveis, pois cada no tem sua mobilidade de forma independente. Nessa forma

de contato um no DTN aproveita que o outro entrou em sua area de transmissao e o

entrega a mensagem, encarregando-o de encaminhar a mensagem ate o destino. Essa e a

forma de contato mais utilizada pelos algoritmos de roteamento para redes moveis, que

combinada com alguma polıtica de encaminhamento de mensagem, como por exemplo,

o no que viaja em direcao ao destino, ou o no que tem historico de encontros anteriores

com o destino, tem constituıdo boas tecnicas de roteamento.

2.1.2 Roteamento

Um dos maiores desafios das redes DTN e realizar o roteamento das mensagens. Isso

porque nesse tipo de rede os contatos sao imprevisıveis, ou pior ainda, pode ser que

nunca seja estabelecido um caminho entre a origem e o destino. Para contornar esses

problemas, algoritmos de roteamento para redes DTN confiam na mobilidade dos nos

para entregar a mensagem para o destino, e adotam alguma polıtica de encaminhamento


de mensagem para aumentar as chances da mensagem ser entregue. Alguns algoritmos

de roteamento geram replicas da mensagem durante o processo de roteamento, fazendo

com que em um determinado instante existam varias copias da mensagem em pontos

distintos da rede. Apesar de tal tecnica aumentar a probabilidade da mensagem ser

entregue, ela tem suas limitacoes. Uma boa polıtica de roteamento pode diminuir o

numero de mensagens na rede ou ate mesmo o tempo que as mensagens gastam para

atingir seus destinos. Algumas das principais tecnicas de roteamento sao:

• Contato Direto: Nessa tecnica o no de origem A entrega a mensagem para um

outro no DTN B, que passara a ser o novo custodio da mensagem, se B for um

contato direto do no de destino C. Ou seja, B nao entregara a mensagem para

nenhum outro no na rede, senao C, que e o destino da mensagem. Essa tecnica

de roteamento geralmente e utilizada em algoritmos de uma unica copia, o que

significa que em qualquer instante existe somente uma copia da mensagem na

rede. Geralmente a mobilidade dos nos da rede e a principal responsavel pelo

sucesso na entrega.

• Primeiro Contato: O No de origem A envia a mensagem para o primeiro no DTN

B que vier a estabelecer contato. O no B por sua vez encaminha a mensagem

para o primeiro no C que vier estabelecer contato, esse processo se repete ate que

a mensagem alcance o destino.

• Epidemico: Essa tecnica nao exige nenhum conhecimento previo sobre a rede, o que

a torna uma das principais tecnicas de roteamento. Consistem em gerar replicas

da mensagem a cada contato e espalhar a mensagem para todos os nos da rede.

Apesar dessa tecnica ter os melhores resultados quanto ao numero de mensagens

entregues e ao tempo que a mensagem demora para chegar ao destino, ela provoca

grandes degradacoes da rede. Como as mensagens sao pulverizadas para todos os

nos, e preciso adotar alguma polıtica de descarte de mensagens, permitindo que

mensagens que ja foram entregues seja descartadas. Essa tecnica de roteamento

consiste objeto de estudo dessa dissertacao, e sera explorado de forma detalhada

a frente.

• Probabilıstico: Nos contatos previsıveis, apesar do momento exato do estabeleci-

mento de cada contato entre dois nos da rede ser desconhecido, existe uma previsao

do intervalo dentro do qual cada contato podera acontecer. E estabelecida uma

probabilidade de ocorrencia de cada contato baseada em ocorrencias de contatos


anteriores. A imprecisao dessa tecnica faz com que ela tenha seu desempenho

comprometido, uma vez que o contato pode nao acontecer.

Como vimos, redes DTN foram projetadas para serem aplicadas em ambientes consi-

derados desafiadores. Ou seja, ambientes em que as condicoes ideais de transmissao nao

sao atendidas. Varios tipos de redes sao considerados desafiadores, dentre eles estao as

redes veiculares. Varias caracterısticas tornam este tipo de rede uma rede de desafios a

qual os conceitos de redes DTN podem ser aplicados. Essa caracterısticas sao melhores

explicadas na Secao a seguir.

2.2 Redes Veiculares

2.2.1 Introducao

A crescente evolucao dos dispositivos de comunicacao tem nos permitido conectar carros

entre si ou a uma rede de infraestrutura. Com isso, surgiram os Sistemas de Transporte

Inteligentes (STI), cujo objetivo e tornar a viagem mais eficiente, mais segura e mais

divertida. Por eficiencia, entende-se reducao de congestionamento e poluicao, melhorias

no sistema de transporte publico, rotas menores e mais rapidas, menores custos de via-

gem e manutencao de veıculos e estradas. Mais seguranca significa oferecer informacoes

sobre acidentes, congestionamentos, condicoes da estrada e do clima, pontos de parada e

de interesse (restaurantes, postos de gasolina, etc). Para tornar a viagem mais divertida

os SITs podem, por exemplo, fornecer acesso a internet, download de arquivos, chats e

informacoes sobre pontos turısticos.

Um componente importante dos STIs saos as VANETs. VANETs sao um tipo espe-

cial de MANETS (Mobile Ad Hoc Network) voltado para veıculos. Com a implantacao

de dispositivos de comunicacao sem fio nos veıculos, sera possıvel a comunicacao ate

mesmo onde nao se tem outros tipos de estrutura, como telefonia movel por exem-

plo. Atualmente, muitos veıculos ja sao fabricados com equipamentos de comunicacao,

computadores de bordo, equipamentos de navegacao, e estes equipamentos podem ser

utilizados para auxiliar o motorista na tomada de decisoes. Orgaos interessados neste

cenario estao em busca de normalizacoes para desenvolver padroes.

Alem das classificacoes apresentadas na Secao ??, VANETs tambem podem ser clas-

sificadas quanto a sua extensao geografica, sendo pequenas areas ou grandes areas de


cobertura. Em termos gerais ela se apoia em duas categorias: assistencia ao condutor e

disseminacao de informacao. Outro fator importante e a qualidade de servico exigida,

que vai depender da necessidade das aplicacoes podendo ser onde os dados nao precisam

ser transmitidos em tempo real, onde os dados precisam ser transmitidos em tempo real

e onde uma falha ou atraso na transmissao pode causar serios problemas.

2.2.2 Caracterısticas das redes VANETs

VANETs e MANETs possuem muitas caracterısticas em comum: ambas tem padroes

de mobilidade semelhantes, sao auto gerenciaveis e se auto organizam. Porem, existem

algumas diferencas que faz com que seja inviavel a utilizacao dos conceitos de redes

MANETs em redes VANETs. Como por exemplo, em redes VANETs os dispositivos

nao possuem restricoes de energia, a mobilidade e limitada por rodovias, porem pre-

visıvel, e sofrem grandes variacao de conexoes em pouco intervalo de tempo. Algumas

caracterısticas serao estudadas a seguir:

• Processamento, capacidade de comunicacao, sensoreamento e energia: Em uma

MANET processamento, capacidade de comunicacao, sensoriamento e energia sao

limitados. Em uma VANET e diferente, veıculos podem possuir computadores com

grande capacidade de processamento, varias interface de comunicacao, sensores de

todos os tipos e pode fornecer energia de forma continua. Alem de ainda poder se

comunicar com outros veıculos com a finalidade de distribuir algum processamento.

• Ambiente, modelo de mobilidade e conectividade: Ambientes influenciam direta-

mente no tipo de comunicacao, edifıcios pequenos ou grandes, rodovias, podem

alterar a qualidade da comunicacao. Outro fator importante, e que no caso de

VANET, a mobilidade esta diretamente ligada a forma com que o veıculo e condu-

zido. Ou seja, a velocidade do veıculo altera a topologia da rede de forma rapida,

alem disso, ainda ha a existencia de interferencia de comunicacao provocada por

obstaculos que podem entrar no entre dois dispositivos, como caminhoes e pontes,

por exemplo.

• Padrao de mobilidade: Outro fator importante e que tem que ser levado em conta

sao as restricoes espaco temporal, principalmente em redes V2V. Pois, neste cenario

temos um padrao de mobilidade muito heterogeneo, carros e caminhoes nao tem

uma mobilidade previsıvel, enquanto bondes eletricos tem uma velocidade contro-

lada e um padrao na mobilidade.


• Tipos de comunicacao: Uma das principais aplicacoes de redes VANET e para

prevencao e seguranca nas rodovias, para esse tipo de comunicacao geralmente

utilizam-se mensagens multicast. Ou seja, as mensagens sao destinadas somente

aos veıculos que estiverem perto da rodovia, aos quais a mensagem e interessante.

• Armazenando informacoes: Diversas aplicacoes distribuıdas exigem abordagens

para armazenar e distribuir as informacoes. Porem em VANETs, devido a alta

mobilidade, conexoes intermitentes e heterogeneidade dos dispositivos, distribuir

estas informacoes e uma tarefa complexa. Para isto, a maioria da aplicacoes VA-

NETs utilizam algoritmos epidemicos para produzir e distribuir informacoes entre

os nos vizinhos.

2.2.3 Pilha de protocolos

Pilha de protocolo tem que lidar com diversos desafios, considerando veıculos proximos

e equipamentos fixos na rodovia. Faremos um estudo sobre cada camada da pilha de

protocolo.

Camada Fısica

Os protocolos da camada fısica tem que considerar os efeitos gerados pela movimentacao

dos nos, como o Efeito Doppler e Desvanecimento multiplo.

Redes V2V experimentais tem utilizado ondas de radio com frequencia alta. Isto,

porque ondas de banda VHF permitem conexoes a longa distancia, mas somente a baixas

velocidades. DSRC (Dedicated Short-Range Communication) e uma faixa de frequencia

de medio e curso alcance que tem sido aplicado em redes VANETs. Essa banda opera na

faixa de 5.9GHz, com variacoes em diversos paıses, e permite comunicacao entre veıculos

com velocidade de ate 200 km/h, em uma faixa de distancia de 300m a 1km, chegando

a uma taxa de transferencia de dados que varia de 6Mbps a 27Mbps. A banda DSRC e

divida em 7 canais de comunicacao, onde 1 deles e dedicado a transmissao de informacoes

de seguranca e outros 6 a transmissao de dados. As mensagem transmitidas pela banda

tem diferentes prioridades, onde as mensagem de seguranca tem alta prioridade e as de

dados tem baixa prioridade.


Camada MAC

A camada MAC tem que oferecer acesso ao canal de forma integra, eficiente e confiavel.

Os protocolos da camada MAC tem que levar em consideracao os tipos de aplicacoes

que podem existir. Tem que oferecer uma conexao confiavel e com pouca latencia para

aplicacoes de seguranca por exemplo, e prever grandes taxas de transmissao de dados

mesmo em momentos em que o cenario nao e o ideal, pensando em aplicacoes de mul-

timıdia.

O protocolo IEEE 802.11p WAVE surgiu a partir de alteracoes no conjunto de pro-

tocolos do padrao 802.11. O objetivo do IEEE 802.11p WAVE e atender os requisitos

apresentados em redes V2V e V2I, onde baixa latencia e confiabilidade sao extremamente

importantes. Por exemplo, e desejavel que veıculos sejam fabricados com sensores inte-

grados que sejam capazes de enviar informacoes, em meio segundo, com todos os veıculos

equipados que estejam em um raio de 500m. WAVE utiliza CSMA/CA como tecnica de

acesso ao meio para compartilhamento de link.

Em ADHOC MAC propoe o uso do RR-ALOHA (Reliable Reservation ALOHA) que

cria uma canal de transmissao confiavel BCH (Basic Chanell) onde cada canal transporta

informacoes de sinalizacao para resolver problemas de sombra e garantir uma conexao

confiavel, permitindo a inclusao de novos dispositivos a rede. O principal problema e

que o numero de veıculos que conseguem se conectar esta limitado ao numero de slots

de tempo que se consegue a partir de um espaco de tempo.

Levando em consideracao que carros sao restritos a regras de direcao, surge a pos-

sibilidade de utilizacao de antenas direcionais para aprimorar a transmissao entre os

veıculos. Visto que, quando temos trafego de dados e direcional, a interferencia de da-

dos e o numero de colisoes e reduzido. Com base nesse cenario surgiu a proposta de

um protocolo direcional para a camanda MAC, o D-MAC (Diretional MAC ). D-MAC

propoem dois esquemas semelhantes ao protocolo 802.11 em alguns aspectos. Um pa-

cote ACK e enviado logo depois dos dados, se um terminal identifica uma transmissao

que nao o pertence ele nao participa dela. D-MAC pode utilizar somente frames RTS

direcionais, quanto pode utilizar uma combinacao entre frames RTS direcionais e frames

RTS omnidirecionais. Em resumo, seu princıpio basico e que se a comunicacao estiver

bloqueada para um terminal, ele podera se comunicar com algum outro ao qual nao

esteja bloqueado. Com isto, diminui-se as colisoes a aumenta a reutilizacao de canal.


Camada de Rede

Duas estrategia basicas comumente utilizadas em redes wireless multiponto para rotea-

mento sao protocolos baseados na topologia e protocolos baseados na posicao. Protoco-

los baseados na topologia utilizam informacoes dos caminhos de transmissao, guardando

uma tabela de roteamento em cada no da rede. Esta topologia pode ser divida em duas,

sendo: proativa ou reativa. Protocolos Baseados na posicao assumem que o destino, os

nos vizinhos e a origem sao conhecidos, e podem ser divididos entre: tolerantes a atrasos

(DTN), nao tolerantes a atrasos (Non-DTN) e hıbridos.

Em princıpio, poderia-se aplicar os protocolos de roteamento AODV (Perkins &

Royer 1999) e DSR (Johnson & Maltz 1996) pra VANETs, porem, a alta velocidade

e as rapidas desconexoes fazem com estes protocolos percam muito desempenho. Por

outro lado, os protocolos baseados em posicao tem demonstrado ser boas propostas para

VANETs, pois sao mais robustos e promissores para ambiente altamente dinamicos.

Alem disso, eles nao mantem informacoes de estado, o que os diferencia dos protocolos

baseados na topologia.

GPSR (Karp & Kung 2000) e um conhecido protocolo de roteamento baseado em

posicao para MANETs, porem ele nao tem bom desempenho em redes veiculares. GPCR

(Lochert, Mauve, Fussler & Hartenstein 2005) e GPSRJ+ (Lee, Haerri, Lee & Gerla

2007) sao protocolos baseados em posicao com base no GPSR que foram aprimorados

para resolver o problema de rotas em redes veiculares. D-Greedy/D-MinCost (Skordylis

& Trigoni 2008) e VADD (Zhao & Cao 2008) sao tambem protocolos baseados em posicao

aprimorados sob o GPSR para descoberta de rotas em redes veiculares. Basicamente,

eles decidem se devem transmitir o pacote ou aguardar por ate que um no melhor de en-

caminhamento seja encontrado. No entanto estes protocolos nao consideram informacoes

importantes, como congestionamento de trafego. A-Start (Seet, Liu, Lee, Foh, Wong &

Lee 2004) e CAR (Naumov & Gross 2007) fazem entrega de pacotes de forma efici-

ente considerando congestionamento de trafego, ambos sao otimizados para lidar com

problema de conectividade, porem nao sao projetados para trabalhar com aplicacoes

sensıveis a atraso. PROMPT (Jarupan & Ekici 2010) e um protocolo de comunicacao de

cruzamento de camadas baseado em posicao consistente a atraso que melhora a conexao

fim a fim utilizando mensagens geradas por veıculos enquanto propagam informacoes de

sinal (estado da rede).

O desempenho de protocolos de roteamento depende de diferentes fatores, tais como

modelo de mobilidade veicular, a divulgacao de dados, o trafego de dados e layouts de


estrada. Disseminacao de dados pode melhorar significativamente a taxa de entrega de

dados se, por exemplo, buffers de dados estao localizados nas intersecoes das estradas.

Camada de transporte

Como mencionado, redes veiculares sao caracterizadas por frequentes desconexoes e mu-

dancas rapidas de topologia. Em contraste com outras redes moveis, porem, tambem

tem um padrao de mobilidade. As frequentes desconexoes faz com que os protocolos

TCP e UDP nao seja uma boa opcao. Muitas das aplicacoes unicast requerem servicos

confiaveis para entrega de dados, semelhante ao TCP, para isto o protocolo VTP (Vei-

cular Transport Protocol) (Schmilz, Leiggener, Festag, Eggert & Effelsberg 2006) utiliza

dados estatısticos para melhorar o desempenho quando uma conexao e interrompida,

garantindo certa confiabilidade para aplicacoes unicast. MCTP (Mobile Control Trans-

port Protocol) seus princıpios sao baseados em protocolos TCP para redes ad hoc, mas

e aprimorado para oferecer QoS em comunicacao fim-a-fim entre veıculos e hosts na

internet atraves de uma infraestrutura rodoviaria.

Estes protocolos para VANETs sao baseados em aplicacoes unicast, porem muitas

aplicacoes veiculares sao multicast, e a projecao de um protocolo para este fim e um

desafio.

Camada de aplicacao

Os protocolos na camada de aplicacao devem prever uma pequeno atraso fim a fim,

isto, para garantir que um motorista seja notificado a tempo sobre eventos recentes

na rodovia. Outras aplicacoes tambem podem ser previstas na camada de aplicacao,

como protocolos para aplicacoes de multimıdia, de marketing e de venda de produtos.

VITP (Veicular Information Transfer Protocol) e um protocolo da camada de aplicacao

projetado para suportar o estabelecimento de um infraestrutura de servicos distribuıdos

sobre redes ad hoc, semelhante ao HTTP.

2.2.4 Aplicacoes para VANET

Eficiencia e seguranca sao os dois fatores que movem as redes veiculares, porem, eles

nao sao completamente distintos, muito pelo contrario, estao diretamente ligados. Por


exemplo, quando acontecer um acidente em uma rodovia, mensagens podem ser enviadas

para os veıculos mais proximos, ajudando os motoristas na tomada de decisao, ou ainda,

para aumentar a eficiencia, estas mensagens podem se propagar pela vias alternativas,

informando aos veıculos que pretendem passar pelo local do acidente do ocorrido e

sugerindo caminhos alternativos, para aliviar o transito no local.

Discutiremos a seguir domınios de aplicativos para redes veiculares, que sao divididos

em assistencia ao motorista e disseminacao de informacao.

Requisitos basicos

Redes veiculares vem surgindo para tornar o transporte mais seguro e eficiente, e isto so

e possıvel atraves de dois requisitos, que sao coleta de dados e comunicacao de dados.

Aplicacoes VANETs irao monitorar condicoes dos veıculos, estradas, transito e am-

biente. Estas informacoes serao utilizadas para auxiliar o motorista a trafegar com mais

seguranca. Alem disso, uma rede veicular pode ser uma boa opcao para monitoramento

urbano, o fato do numero de veıculos dentro da cidade ser mais denso, e dos sensores de

bordo estarem cada vez mais presentes, possibilitara a utilizacao desta rede para moni-

torar as condicoes ambientais e atividades sociais, tornando-as assim um grande aliado

para deteccao urbana.

Veıculos podem receber poderosas unidades de processamento, sensores de diversos

tipos, cameras, dispositivos de localizacao. Tornando possıvel sua utilizacao para diver-

sas aplicacoes, desde vigilancia ambiental, controle de trafego a redes sociais moveis.

Veıculos sao conectados por meio de comunicacao sem fio com outros veıculos ou com

infraestrutura rodoviaria. Uma caracterıstica importante de VANET e a possibilidade

de troca de informacoes de forma rapida, principalmente quando se trata de mensagens

de seguranca. Porem, protocolos utilizados nas camadas mais inferiores tem que evitar

colisoes e garantir integridade das mensagens de emergencia, e o problema e que os

protocolos atuais nao garantem QoS para este tipo de aplicacao.

Assistencia ao motorista

O objetivo de redes VANET e evitar e diminuir o numero de acidentes. Alguns dos

cenario que as aplicacoes de seguranca podem ser uteis sao:


Acidentes: Em caso de colisao a aplicacao deve informar aos carros que estao indo em

direcao ao local do acidente sobre o ocorrido, oferecendo rotas alternativas e informacoes

para aumentar a seguranca dos mesmos. Ainda e desejavel que vıdeos sejam enviados a

equipes de paramedicos mostrando o ocorrido e auxiliando na tomada de decisao com a

finalidade de agilizar o socorro as vıtimas. Porem, e desejavel que aplicacoes de seguranca

sejam projetadas para fornecer informacoes previas evitando acidentes.

Intercessoes: Controle e gestao de trafego e uma boa area de pesquisa. Uma vez que

em um cruzamento dois fluxos de carros convergem, os riscos de acidentes sao maiores.

Uma aplicacao poderia auxiliar o motorista nesta situacao com um semaforo virtual, ou

mesmo com informacoes que podem diminuir os riscos de uma colisao. Em ambos os

casos ha requisitos rigorosos para atingir principalmente em tempo real e processamento

distribuıdo.

Aplicacoes de congestionamento podem oferecer melhores rotas para o motorista ou

ate mesmo ajustar o semaforo de forma a otimizar o fluxo, e com isto melhorar o transito

evitando engarrafamentos.

Disseminacao de Informacao

Os pedidos de divulgacao visam uma distribuicao de entrega de informacao para o mo-

torista, passageiro e veıculo, o problema e como manter esta informacao em contexto, ja

que a rede e altamente dinamica. Alguns possıveis tipos de informacao que podem ser

disseminadas em redes VANET sao informacoes sobre mobilidade (transito, acidentes,

informacoes turısticas e de assistencia), comercio eletronico e entretenimento (acesso a

internet, jogos e chats).

2.3 Consideracoes Finais

Rede veicular sem fio e uma tecnologia essencial para os STI. A comunicacao entre

veıculos pode criar uma malha de comunicacao trazendo mais seguranca e mais eficiencia.

E com isso, tornar as viagens mais agradaveis aos usuarios. Redes veiculares futuramente

estarao entre os tipos de redes moveis mais importantes.

As caracterısticas distintas de redes veiculares geram diversos desafios a serem estuda-

dos. A alta mobilidade e a velocidade introduzem um cenario completamente diferente,


onde novos protocolos tem que surgir. Os diversos desafios introduzidos pelas redes

VANETs, principalmente se considerarmos uma implantacao real, fara com que surjam

varios algoritmos que deverao ser projetados especificamente para resolve-los.

Capıtulo 3

Trabalhos Relacionados

Nos ultimos anos, varios trabalhos propuseram resolver o problema de roteamento em

redes ad hoc, como o DSR (Dynamic Source Routing) (Johnson & Maltz 1996) e o AODV

(Ad-hoc On-demand Distance Vector) (Perkins & Royer 1999). Esses protocolos iniciam

a transmissao de dados somente apos estabelecerem um caminho entre a origem e o

destino, caracterıstica que na maior parte do tempo nao e satisfeita em VANETs. Isso,

porque esse tipo de rede sofre frequentes desconexoes provocadas pela alta velocidade e

alta mobilidade dos veıculos. Com a finalidade de evitar perdas de dados, os protocolos

de roteamento para VANETs consideram a utilizacao da tecnica de store-carry-and-

forward (Lee & Gerla 2010).

Outra caracterıstica que pode beneficiar algoritmos de roteamento para VANETs, e

a utilizacao de informacoes de localizacao dos nos da rede, que tornou-se possıvel devido

a integracao de Sistemas de Navegacao (NS) aos veıculos. Protocolos de roteamento

que utilizam essa tecnica sao classificados como protocolos position-based, ou geografic-

based (Allal & Boudjit 2012).

3.1 Trabalhos Relacionados

Uma das principais tecnicas de roteamento utilizadas em redes moveis e a tecnica de

inundacao. Tal tecnica compreende em gerar replicas da mensagem e enviar para todos os

nos da rede, ate que a mensagem alcance o no de destino. Um esquema de roteamento

que utiliza a tecnica de inundacao para rotear as mensagens em uma rede movel, e

conhecido como roteamento Epidemico (Vahdat & Becker 2000). Alem da tecnica de

23

24 Trabalhos Relacionados

inundacao, o algoritmo de roteamento Epidemico utiliza a tecnica de store-carry-and-

forward para evitar que uma mensagem seja perdida durante a transmissao. Isso porque

a alta mobilidade dos nos provoca frequentes desconexoes da rede, fazendo com que o

algoritmo tenha que lidar com situacoes onde nao existe um caminho entre a origem e o

destino.

O funcionamento do algoritmo Epidemico se da da seguinte forma: o no A gera uma

mensagem para um no B e a armazena em seu buffer. Quando outro no C entra na

area de transmissao de A, C envia para A informacoes sobre as mensagens armazenadas

em seu buffer. Ao receber essas informacoes, A seleciona as mensagens que possuı em

seu buffer e que C nao possui, e transmite copias dessas mensagens para C. O mesmo

processo e feito pelo no C, ate que, ao final desse processo, ambos os nos possuam as

mesmas mensagem eu seus buffers. Referencias futuras ao processo citado acima serao

feitas como processo de sincronizacao de mensagens.

Algumas hipoteses podem ser levantadas com relacao ao processo de sincronizacao e

de transmissao de mensagens do algoritmo Epidemico. A primeira delas e com relacao

ao tempo de contato entre os nos.

Considerando que em alguns tipos de redes moveis os nos se movem em alta velo-

cidade, como por exemplo em redes VANETs, e que o tempo de associacao entre os

nos algumas vezes excede o tempo de contato, prejudicando a troca de informacoes en-

tre eles. Temos um cenario no qual o processo de sincronizacao falhara. Porem, essa

caracterıstica nao e determinante para que o algoritmo Epidemico perca desempenho,

uma vez que as mensagens nao transmitidas em um primeiro momento, poderao ser

transmitidas em contatos futuros.

Prova de conceito: Considere um no A com as mensagens de id: 001, 003 e 004 ar-

mazenadas em buffer. O no B, que esta com o buffer vazio, entra na area de transmissao

de A. A descobre que B nao possui nenhuma de suas mensagens, e inicia o processo

de sincronizacao de mensagens. Porem, durante a transmissao da segunda mensagem

o no B saı da area de transmissao de A, fazendo com que as mensagens 003 e 004 nao

sejam entregues. Ao final do processo, B possuı em seu buffer somente a mensagem

de id: 001. Em um segundo momento, o no A, ou qualquer outro no que entrar na

area de transmissao de B, percebera que B nao possui as mensagens de id: 003 e 004 e

transmitira essas mensagens para B.

Outra hipotese que podemos levantar com relacao ao roteamento Epidemico e que ele

atinge o limite superior com relacao ao numero de mensagens entregues. Isso acontece

Trabalhos Relacionados 25

porque o algoritmo Epidemico replica as mensagens para todos os nos da rede, fazendo

com que replicas da mensagem sejam enviadas para todos os caminhos possıveis. Se

replicas da mensagem sao enviadas para todos os caminhos, obviamente, se houver um

caminho ate o destino, uma das replicas sera enviada por esse caminho. Portanto,

considerando que nao havera perdas das mensagens transmitidas na rede, o algoritmo

Epidemico entregara o maior numero de mensagens possıveis.

Prova de conceito: Considere uma rede com N nos, onde o no A deseja entregar uma

mensagem para o no Z. No instante de tempo t0, o no B entra na area de transmissao

de A dando inıcio ao processo de sincronizacao de mensagens, ao final do processo, ele

tambem transportara uma copia da mensagem destinada a Z. No instante de tempo

t1, os nos C e D entram nas areas de transmissoes dos nos A e B respectivamente,

fazendo com que, ao final do processo de sincronizacao, todos os nos possuam copias da

mensagem enderecada a Z. No instante de tempo tx, D entra na area de transmissao de

Z e realiza a entrega da mensagem. O fato da mensagem ter sido replicada para todos

os caminhos possıveis, faz com que no instante de tempo tx+ y outros nos entreguem a

mensagem para Z.

A prova de conceito levantada acima nos oferece suporte para mais uma hipotese.

O algoritmo Epidemico entrega a mensagem no menor tempo possıvel. Se o algoritmo

Epidemico envia a mensagem para todos os caminhos possıveis, obviamente a mensagem

seguira o menor caminho entre a origem e o destino, e com isso, sera entregue no menor

tempo. Utilizando o exemplo acima, a mensagem foi entregue ao no Z no instante de

tempo tx, portanto, x e o menor tempo que a mensagem gastaria para alcancar Z, ou

seja, qualquer outro caminho que a mensagem siga, ela precisara de x + y unidades de

tempo para alcancar Z. Isso faz do algoritmo Epidemico limite inferior com relacao ao

tempo que a mensagem precisa para ser entregue ao destino.

Apesar do algoritmo Epidemico ter o melhor desempenho quanto ao numero de men-

sagens entregues e ao tempo que a mensagem demora para alcancar seu destino, ele

inunda a rede com replicas das mensagens, o que torna proibitivo sua utilizacao em

cenarios em que existem restricoes de recursos. Uma das restricoes encontradas em re-

des moveis e o espaco de armazenamento, como o algoritmo Epidemico replica todas as

mensagens para todos os nos da rede, para enviar N mensagens e necessario que cada

no da rede tenha buffer suficiente para armazenar as N mensagens, caso contrario, as

mensagens serao descartadas prejudicando o desempenho do algoritmo. Outra restricao

encontrada e a largura de banda, que geralmente e limitada devido ao meio de trans-

missao de dados e a necessidade de poupar energia, esta, que tambem esta entre as


limitacoes encontradas em dispositivos de redes moveis. Porem, o algoritmo Epidemico

exerce um importante papel para academia, pois seus resultados oferecem excelentes

referencias para medir o desempenho de novas propostas de algoritmos.

Outra categoria de algoritmos que podem ser aplicados a redes sem fio, sao os al-

goritmo de uma unica copia, como o GeOpps, que sera estudado mais a frente. Nessa

categoria de algoritmo existe somente uma copia da mensagem na rede durante todo

o tempo, e essa mensagem e transportando entre os nos da rede ate atingir o destino.

Para que isso seja possıvel, esses algoritmos introduzem o uso de um agente importante,

que e conhecido como Mula. O no Mula, ou transportador da mensagem, e o no que

tem a custodia da mensagem e e responsavel por carregar a mensagem, e transmiti-la

para o proximo no que passara a ser o novo custodio da mensagem. Esse processo se

repete ate que a mensagem alcance o destino. Para escolher qual sera o proximo salto da

mensagem, o no custodio leva em consideracao algumas informacoes, como por exemplo,

dados de contatos entre os nos, transmissao por contato oportunista, informacoes de

localizacao, etc. Esse processo que diferencia os diversos algoritmos de roteamento para

esse tipo de rede. Porem, algoritmos de uma unica copia de mensagem provocam gran-

des atrasos na entrega da mensagem em redes moveis, o que impossibilita sua aplicacao

em cenarios que exigem comunicacao em tempo real, como por exemplo, aplicacoes de

resgate de acidentes, alertas de perigo, stream de vıdeo, etc.

Com o objetivo de entregar as mensagens com menor atraso do que algoritmos de

uma unica copia, e sem degradar a rede como os algoritmos de inundacao (Spyropoulos,

Psounis & Raghavendra 2008b) propuseram uma nova categoria de algoritmos, a qual

denominaram algoritmos de “spray”. Essa categoria tem como objetivo gerar somente

algumas copias da mensagem, e com isso, explorar caminhos alternativos, conseguindo

tempos de entrega melhores do que os algoritmos de uma unica copia, e sem provocar

degradacao da rede sobrecarregando-a com numero excessivo de replicas de mensagens,

como os algoritmos de inundacao. Apesar dos autores introduzirem sua utilizacao em

redes esparsas, a tecnica de “spray” foi utilizada pela primeira vez em redes de celulares.

Sua utilizacao objetivava pulverizar as mensagens entre os pontos que os usuarios mais

frequentavam (Tchakountio & Ramanathan 2001).

Apesar da tecnica de “spray” ser uma boa alternativa para resolver o problema de

roteamento em redes moveis, ela introduz dois problemas que nao existem em outras

categorias de algoritmos, que sao: (i) como estimar o numero de nos presentes na rede;

(ii) e como estimar o numero de replicas (L) ideal para reduzir o tempo de entrega de

mensagens sem sobrecarregar a rede. Para o primeiro problema os autores sugerem que


pode ser utilizado uma contagem dos identificadores unicos de cada no da rede e com isso

estimar aproximadamente o numero de nos. Porem, tal metodo exigiria uma grande base

de dados para manter as informacoes dos nos da rede e ainda uma operacao de pesquisa

teria que acontecer a cada contato. Os modelos de mobilidade para redes moveis tem

tempos de contato entre os nos representados por uma distribuicao exponencial. Com

isso em mente, os autores sugerem que o numero de nos da rede pode ser estimado

considerando a distribuicao exponencial dos contatos de um no com os dois proximos

nos que ele encontrar. Calcular o numero de replicas necessario para serem pulverizadas

pela rede, e considerado um problema difıcil de forma geral, para facilitar a utilizacao

da tecnica de “spray” pela comunidade academica, os autores sugerem alguns valores

para serem utilizados como numero de replica de mensagens para uma rede de 100 nos.

Esses valores podem ser conferidos na tabela 3.1.

a 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10

recursao 21 13 8 6 5 4 3 3 3 2

limite superior N.A. N.A. 11 7 6 5 4 3 3 2

serie de taylor N.A. N.A. 10 7 5 4 3 3 3 2

Tabela 3.1: Valores estimados de L para uma rede de 100 nos.

Para comprovar a eficiencia da tecnica de “spray”, (Spyropoulos, Psounis & Raghavendra

2008b) propuseram um algoritmo chamado spray and wait. O algoritmo e divido em

duas fases que sao: fase de “spray” e fase de “wait”, que serao explicadas a seguir:

• Na fase “spray”, o no de origem calcula o numero de copias que devem ser pulve-

rizadas. Esse calculo e baseado no numero de nos da rede e no tempo de atraso

desejado para que a mensagem alcance o destino. Essas copias sao pulverizadas

de forma oportunista entre os nos que entram na area de transmissao do no de

origem. Se a mensagem nao for entregue ao destino na fase “spray”, os nos iniciam

a fase “wait”. Existem duas formas de pulverizar as mensagens, que sao o Binary

spray e o Source Spray, ambas serao estudadas mais a frente.

• Quando o no entra na fase de “wait”, ele contem somente uma copia da mensagem,

e sera encarregado de entregar essa mensagem ao destino. Para isso, o algoritmo

“Spray and wait” utiliza a tecnica de contato direto, onde a mensagem transpor-

tada pode ser entregue somente para o no de destino. Dessa forma cada uma das


copias da mensagem e encaminhada de forma independente, seguindo modelos de

roteamento presentes em algoritmos de uma unica copia.

Os algoritmos acima constituem objetos de estudo dessa dissertacao por se tratarem

dos principais algoritmos de roteamento para redes esparsas. Porem, ambos foram de-

senvolvidos para serem aplicados a redes moveis de uma forma geral, nao se beneficiando

de caracterısticas especıficas de um tipo de rede. Por esse motivo, o proximo algoritmo

estudado foi o GeOpps (Leontiadis & Mascolo 2007), que e um dos principais algoritmos

desenvolvidos para ser aplicado em redes VANETs, e utiliza a transmissao de forma

oportunista e informacoes de contexto para melhorar o processo de roteamento.

O algoritmo GeOpps e um algoritmo de uma unica copia, que tem como objetivo

rotear mensagens de dados para uma regiao geografica especıfica. Para que isso seja

possıvel, o algoritmo considera que os veıculos sao equipados com Sistemas de Navegacao

(SN), onde os motoristas informam seus destinos a cada viagem, permitindo que o SN

calcule a rota que o veıculo percorrera para alcancar o destino. Alem disso, o algoritmo

assume que o SN possuı informacoes sobre as localizacoes das Estacoes de Informacao

(EI) que compoem a rede juntamente com os veıculos. Essas EI estao potencialmente

conectadas a internet, e sao utilizadas como uma especie de backbone de rede, para onde

o fluxo de dados deve ser direcionado. Cada veıculo da rede atua como uma especie

de sensor, que e capaz de coletar informacoes sobre o transito (velocidade, aceleracao,

etc.) e sobre as condicoes das estradas (buracos, etc.). Essas informacoes sao enviadas,

atraves das EI, para um Sistema Centralizado que combinara os dados recebidos de varias

origens e produzira estimativas sobre as condicoes de transito atuais. Apos tal processo,

os Sistemas Centralizados produzirao alertas sobre trechos de estrada especıficos, e os

encaminhara para a EI mais proxima de tal trecho, encarregando os veıculos vizinhos

de rotear a mensagem ate a area afetada.

O funcionamento do algoritmo GeOpps consiste em: (i) trocar informacoes das men-

sagens com os nos que estao a um salto de distancia; (ii) Calcular o METD (Tempo

Mınimo Estimado para Entregar a Mensagem ao Destino) e encaminhar o resultado

para o no requisitante; (iii) Manter a custodia da mensagem se tiver o METD menor,

ou encaminha-la para o vizinho encarregando-o de entregar a mensagem.

De forma semelhante aos demais algoritmos de uma unica copia, o algoritmo GeOpps

utiliza contato oportunista e informacoes de contexto para garantir que a mensagem seja

entregue ao destino. O que o torna uma solucao melhor do que os demais algoritmos e

a utilizacao do METD para escolher qual e o melhor transportador para a mensagem.


Para isso, uma funcao de utilidade e aplicada. Tal funcao estima o METD da seguinte

forma: o algoritmo percorre a rota do veıculo procurando o ponto mais proximo do

destino (NP); depois de descoberto NP, o algoritmo solicita do SN o tempo estimado de

viagem (ETA) de sua posicao corrente ate o NP; finalmente, o algoritmo soma o tempo

retornado pelo SN com o tempo estimado para que o veıculo viaje em linha reta do NP

ate o destino. Em linhas gerais, o METD pode ser calculado da seguinte forma:

METD = ETA para o NP + ETA do NP para o D.

Para uma melhor compreensao do processo de roteamento, considere a Figura 3.1.

O veıculo a possui uma mensagem destinada ao ponto D. No ponto P1, o veıculo a

encontra com o veıculo b e o escolhe para ser o transportador da mensagem, pois o

METD de b e menor do que o METD de a. Observe que a mensagem nunca alcancara

o NPb, pois no instante de tempo P2, o veıculo b cruza com outro veıculo c, e o escolhe

como o novo transportado da mensagem, encarregando-o de levar a mensagem para

proximo de D.

Figura 3.1: Exemplo do calculo do NP do destino do pacote.

Porem, nem sempre as condicoes ideais para as quais o algoritmo foi projetado sao


satisfeitas, como por exemplo quando o motorista desvia ou ignora a rota sugerida, ou

quando ele para o veıculo antes de concluir a rota. Para resolver esses problemas, o

algoritmo GeOpps assume que o veıculo corrente nao e capaz de entregar a mensagem,

e a encaminha para o no vizinho.

Apesar de o algoritmo GeOpps ter sido projetado para redes veiculares, e utilizar

as rotas dos veıculos para otimizar o processo de roteamento. O fato dele nao explorar

rotas alternativas utilizando multiplas copias de mensagens faz com que ele tenha seu

desempenho comprometido, e torna inviavel sua utilizacao pratica. Em contrapartida, o

algoritmo Spray and Wait se beneficia de redes densas, porem em redes veiculares essa

caracterıstica se torna uma armadilha e compromete o desempenho do algoritmo. Isso

acontece porque o fluxo de carros se concentra em cruzamentos ou em semaforos, e os

veıculos se dividem entre as opcoes de direcoes que podem seguir. Tal comportamento

faz com que algumas copias das mensagens sejam levadas para longe do destino.


Com o objetivo de eliminar os problemas provocados por algoritmos de inundacao e

de evitar a propagacao de mensagem para regioes distantes da regiao do destino da

mensagem, o algoritmo RouteSpray utiliza as rotas dos veıculos para escolher qual e

a melhor opcao para carregar a mensagem. Ele pulveriza as mensagens somente en-

tre os nos que encontrarao com o destino, e com isso, impede que sejam pulverizadas

desnecessariamente para nos que nunca poderao entrega-las.

Capıtulo 4

Protocolo de Roteamento Route Spray

4.1 Algoritmo RouteSpray

Para realizar o roteamento, o protocolo RouteSpray assume que os veıculos sao equi-

pados com GPS e que alem de conhecer sua propria rota, o veıculo precisa conhecer

a rota do destino da mensagem. Considerando que algoritmos position-based assumem

conhecimento da localizacao do destino da mensagem, esse se torna um requisito basico.

Sendo que o algoritmo RouteSpray se diferencia dos demais por prever a mobilidade do

no de destino. Uma vez que, grande parte desses algoritmos assumem que o destino da

mensagem e um no estacionario, ou ainda, uma regiao geografica. Alem disso, nao e ne-

cessaria a existencia de nenhuma infraestrutura fixa de rede, ou seja, e possıvel realizar

o roteamento entre os veıculos de forma totalmente ad hoc.

O funcionamento do protocolo e baseado no uso de dois tipos de mensagens, sendo

elas as mensagens de controle e as mensagens de dados. As mensagens de controle sao

utilizadas para manter o estado da rede, enviando informacoes de contexto para os nos

vizinhos. Cada mensagem gerada na rede possui um identificar unico, que e composto

pelo endereco do no de origem, o horario de criacao da mensagem e um contador, que

tem como objetivo evitar conflitos de mensagens criadas no mesmo horario.

O processo de troca de informacoes e a tomada de decisao de roteamento pode ser

dividido em tres etapas distintas. Na primeira etapa a comunicacao inicia-se atraves

de um handshake, onde os nos trocam informacoes dos pacotes que ja foram entregues

pela rede, permitindo fazer o controle de mensagens armazenadas em buffer, o que e

conseguido apagando as que ja foram entregues. Ja na segunda e terceira etapas, os nos

31

32 Protocolo de Roteamento Route Spray

trocam informacoes sobre o estado do buffer. O no de origem envia para seus vizinhos

uma lista contendo um identificador e o destino de cada mensagem que possui em seu

buffer. Com essas informacoes o vizinho calcula, utilizando as rotas pre-estabelecidas, o

tempo em segundos que demorara para entregar cada mensagem. Apos a origem receber

a resposta do no vizinho, ela e capaz de decidir qual e o melhor transportador para a

mensagem. Mais detalhes sobre as etapas de roteamento sao apresentadas a seguir.

Considerando que o no X entrou na area de transmissao do no Y . Na primeira

etapa, X envia para Y uma mensagem de handshake que possui como carga de dados

a lista das mensagens que ja foram entregues na rede. Ao receber essas informacoes,

Y e capaz de percorrer seu buffer apagando as mensagens que ja foram entregues aos

seus respectivos destinos. Ao final deste processo, com o buffer consistente, Y realiza a

entrega das mensagens enderecadas a X, e envia para ele a lista de mensagens que Y

possui em seu buffer.

Na segunda etapa, quando X recebe a lista das mensagens presentes no buffer de

Y , X calcula o tempo que ele precisa para entregar cada uma dessas mensagens. Em

seguida envia para Y uma relacao contendo o identificador e o tempo necessario para

entregar cada mensagem. Para calcular o tempo de entrega da mensagem, X percorre

a rota do destino da mensagem a procura de um ponto de intersecao com sua rota. Ao

final desse processo, caso X encontre um ponto de intersecao, ele retorna o tempo em

segundos que demora para ir de sua posicao corrente ate esse ponto. Caso tal ponto nao

exista, o algoritmo retorna um valor negativo, indicando que X nao e capaz de entregar

a mensagem.

Finalmente, na terceira etapa, ao receber as informacoes do tempo que X precisa para

entregar cada mensagem, Y e capaz de decidir quem e o melhor transportador para a

mensagem. Para isso Y precisa calcular quanto tempo ele precisa para realizar a entrega

da mensagem e comparar com o tempo retornado por X. Caso Y possua mais de uma

copia da mensagem, ele ira utilizar a tecnica de binary spray para pulverizar as copias

da mensagem para X. Caso o tempo de entrega retornado por X seja menor do que o

tempo de entrega calculado por Y , Y encaminha a mensagem para X, encarregando-o

de entrega-la ao destino. Todo o processo de roteamento descrito anteriormente pode

Protocolo de Roteamento Route Spray 33

ser visto com mais detalhes no Algoritmo 4.1.

Algoritmo 4.1: Pseudo-codigo RouteSpray

Input: mensagem

if recebeu mensagem de controle then1

if mensagem de handshake then2

LimpaBuffer;3

AtualizaListaDeMensagensEntregues;4

EntregaMensagensEnderecadasOrigem;5

RespondeListaMensagensBuffer();6

else if resposta a mensagem de handshake then7

RecebeRelacaoMensagensVizinho;8

EnviaTempoDeContatoMensagem();9

else10

ProcessaRespostaTempoDeContato;11

DecideQualMelhorTransmissor();12

else if recebeu mensagem de dados then13

if mensagem enderecada a mim then14

ProcessarMensagem();15

else16

ArmazenarNoBuffer();17

A melhoria no desempenho do RouteSpray se da pela combinacao de dois conceitos

importantes: (i) utilizacao de rotas para obter conhecimento previo dos contatos entre

os nos e (ii) utilizacao da tecnica de Binary Spray. Tal combinacao garante melhores

taxas de entrega sem sobrecarregar a rede. Ambos os conceitos sao explicados com mais

detalhes a seguir.

4.1.1 Utilizacao de Rotas

As informacoes de geolocalizacao em uma rede permitem ter conhecimento previo sobre

a posicao de seus nos. Tal caracterıstica possibilita o encaminhamento de pacotes na

direcao do destino e melhora a taxa de entrega de dados. A utilizacao das rotas dos


veıculos garante que o algoritmo consiga prever os contatos entre os nos da rede. Assim,

ele pode tomar a melhor decisao de encaminhamento.

Considerando que tres veıculos seguirao rotas pre-estabelecidas (Figura 4.1), e que o

veıculo B possui um pacote destinado ao veıculo C, apesar das rotas dos veıculos B e C

se cruzarem o veıculo B escolhera o veıculo A como melhor transportador da mensagem

ate o destino. Isso porque o veıculo A se encontrara com o veıculo C antes do veıculo

B. Esse processo garante que a mensagem seja entregue no menor tempo possıvel.

Figura 4.1: Rotas pre-estabelecidas para tres veıculos.

Protocolo de Roteamento Route Spray 35

4.1.2 Binary Spray

Esquemas de encaminhamento baseados em uma unica copia de mensagem provocam

grandes atrasos na entrega. Por outro lado, esquemas de encaminhamento baseados em

inundacao provocam degradacao na rede. Visando obter o menor atraso na entrega sem

degradar a rede, em (Spyropoulos, Psounis & Raghavendra 2008b) os autores propuse-

ram a tecnica de “spray”, que consiste em gerar um numero controlado de copias de

mensagens e pulveriza-las entre os nos da rede. Quando um veıculo deseja transmitir

uma mensagem, ele gera um numero controlado de copias (L). Para calcular o valor de

L, e levado em consideracao o numero de nos presentes na rede e o tempo desejado de

atraso para que a mensagem alcance o destino. A pulverizacao pode acontecer de duas

formas diferentes, as quais os autores deram os nomes de Source Spray e Binary Spray.

Na pulverizacao baseada no Source Spray, o no de origem encaminha as L copias da

mensagem para os primeiros L nos distintos que encontrar. No Binary Spray, o no de

origem inicia com L copias; enquanto o no A possuir n > 1 copias (for a origem ou o

transportador) e encontrar com outro no B (que nao possui nenhuma copia) ele entregara

ao no B b(n/2)c copias e mantera d(n/2)e consigo; quando o no possuir somente uma

copia, ele escolhera o contato direto para realizar a entrega.

Uma caracterıstica do Source Spray e que a mensagem realiza somente dois saltos

ate atingir o destino, ou seja, o origem encaminha a mensagem para o transportador

tornando-o o responsavel por entrega-la ao destino. Essa caracterıstica provoca atrasos

na entrega em redes com mobilidade controlada, o que inviabiliza seu uso em VANETs.

Ja no Binary Spray, o fato do no transportador receber mais de uma copia da mensagem

encaminhando-as em contatos futuros, faz com que esta tecnica realize o encaminha-

mento baseado em multiplos saltos, diminuindo o tempo de entrega da mensagem. Por

este motivo, optou-se por utilizar o Binary Spray como polıtica de encaminhamento de

mensagem no RouteSpray.


Como vimos, o algoritmo RouteSpray combina o melhor dos mundos de duas categorias

de roteamento para redes moveis, que sao o controle de copias pulverizadas e o uso de

informacoes de geoposicionamento. A combinacao de tais caracterısticas faz com que

o RouteSpray consiga, de forma robusta, simples e estavel, rotear a mensagem pelo


caminho otimo, quando o princıpio de otimizacao for aplicado a tempo de entrega e

sobrerga da rede. Para avaliar a nossa proposta, foi desenvolvido um framework de

mobilidade que permite a coleta de dados de mobilidade em tempo real, garantindo

mais realismo nas simulacoes. Mais detalhes sobre tal framework serao vistos a seguir.

Capıtulo 5

VeNeM - Gerador De Mobilidade

Veicular Real

5.1 Introducao

Redes Ad Hoc Veiculares (VANETs) ganharam destaque entre os Sistemas Inteligentes

(SI) nos ultimos anos. Com isto, surgem diversos pesquisadores interessados em resolver

os desafios encontrados nesse tipo de rede. Porem, para que os pesquisadores consigam

validar suas propostas e necessario a experimentacao, que geralmente advem de ambi-

entes simulados [1]. Isso acontece porque conseguir pessoal e equipamentos suficientes

para realizar experimentos em ambientes reais e inviavel, devido as dificuldade de es-

calabilidade e aos altos custos envolvidos. Uma das maiores dificuldades para simular

uma rede veicular esta em garantir que a os padroes de mobilidade de um ambiente real

sejam reproduzidos. Segundo [2] e [3], os simuladores existentes que possibilitam experi-

mentacoes com padroes de mobilidade semelhantes aos reais, geralmente sao complexos

de serem utilizados e estao disponıveis somente em uma determinada regiao. Tal carac-

terıstica faz com que mais de 50% das novas propostas de algoritmos sejam avaliadas em

simuladores customizados, o que dificulta a implementacao desses algoritmos por outros

membros da comunidade cientıfica [4].

37

38 VeNeM - Gerador De Mobilidade Veicular Real

5.2 Simulacoes em Redes Veiculares

Um importante aspecto para avaliacao de novas propostas de algoritmos para redes

veiculares e o padrao de mobilidade dos nos, o qual determina quando ha contato entre

os nos, e qual sua duracao. De acordo com [5-8], os modelos de mobilidade podem ser

influenciados por diversos fatores. Aos quais sao divididos em duas classes, que sao

parametros relacionados com a micro-mobilidade e com a macro-mobilidade.

Micro-mobilidade tem como objetivo descrever o comportamento de cada veıculo in-

dividualmente. Certamente, esses parametros nao sao comuns a todos os nos da rede,

mas desempenham um papel importante durante a simulacao. Isso porque a mobilidade

individual de cada veıculo influencia diretamente na formacao da rede. Parametros

como velocidade, aceleracao, comportamento em intersecoes (com ou sem semaforos)

sao modelados pelo comportamento e pela maturidade do motorista e podem ser influ-

enciados por diversos fatores, como pontos de interesse, humor, sexo, idade. Levar esses

parametro do mundo real para o mundo simulado e um desafio que tem sido atacado

pelos principais simuladores de rede [9].

Alem dos parametro de micro-mobilidade, que estao relacionados com o comporta-

mento individual de cada veıculo, modelos de mobilidade tem que lidar com parametros

de macro-mobilidade. Tais parametros descrevem o comportamento de um grupo de

veıculos, como por exemplo a densidade dos veıculos, a velocidade media de viagem, os

pontos de interesse aos quais o maior fluxo tente a convergir, dentre outros.

5.2.1 Modelos de mobilidade

Cada modelo de mobilidade tem suas caracterısticas especıficas, podendo ser aplicado em

determinado cenario ou nao. Para entendermos melhor como os modelos de mobilidade

se comportam e como esses parametros afetam nos resultados, sera apresentado uma

breve descricao de alguns dos modelos presentes nos simuladores de VANTEs, uma lista

mais exaustiva pode se encontrada em [5-8].

(a) Random-Waypoint: Segundo [10-11], o Random-Waypoing e um simples modelo

estocastico no qual o no viaja entre dois pontos da area de simulacao durante um

tempo gerado aleatoriamente. Primeiramente, os nos sao colocados aleatoriamente

na area de simulacao. Cada no aguarda durante um tempo de espera que e gerado

utilizando distribuicao normal, quando o tempo de espera termina, o no viaja ate

VeNeM - Gerador De Mobilidade Veicular Real 39

um outro ponto escolhido aleatoriamente dentro da area de simulacao. Entao o

no aguarda um novo tempo de espera e viaja ate um novo ponto escolhido alea-

toriamente. Esse processo se repete durante toda a simulacao. Existem algumas

variacoes desse modelo que tentam tornar o ambiente um pouco mais real, como

por exemplo a insercao de velocidade media para os veıculos viajarem entre os

pontos ou ainda a insercao de pontos de interesse, aos quais tendem ter maior

fluxo de veıculos. Porem, o Random-Waypoint nao considera o uso de nenhum

parametro real, e a mobilidade e completamente aleatoria, o que nao corresponde

a realidade, pois veıculos devem respeitar os limites de estradas e rodovias.

(b) Grid de Manhattan: Proposto por [12], no Grid de Manhattan o cenario e dividido

em quadrados, lembrando os quarteiroes de uma cidade planejada. Inicialmente

os nos sao distribuıdos pelo cenario de forma aleatoria, depois cada no escolhe a

direcao em que ele deve viajar, e vai ate o outro ponto a uma velocidade constante.

Ao alcancar um cruzamento, o no escolhe aleatoriamente uma nova direcao pela

qual ele seguira com uma velocidade diferente, (tambem escolhida aleatoriamente).

Essa direcao, geralmente e distribuıda como sendo, 50% de probabilidade do veıculo

seguir em linha reta, e 25% de probabilidade do veıculo virar para qualquer um

dos lados (direita ou esquerda).

(c) Cluster de Voronoi: Segundo [13], varias cidades nao crescem de forma planeja-

das, fazendo com que as ruas formem um grafo complexo que se assemelha ao

Diagrama de Voronoi (Figura 5.1). Por esse motivo, nesse modelo de mobilidade

a disposicao das ruas sao representadas por um Diagrama de Voronoi. Os veıculos

sao distribuıdos uniformemente pela area da simulacao e se move em uma velo-

cidade inicial escolhida entre 0 e a velocidade maxima predefinida. Quando o no

esbarra em uma borda, que representa as construcoes as margens da via, ele con-

tinua o movimento seguindo o angulo de reflexao, quando acontece a refracao o

movimento do no e espelhado. Em algum instante o no interrompe o movimento e

aguarda por um momento de pausa, tambem predefinido, ao decorrer de tal tempo,

o no volta a se movimentar em um novo angulo e uma nova velocidade.

5.2.2 Evolucao dos simuladores

Segundo [14] evolucao historica dos simuladores de redes VANETs pode ser facilmente

percebida. Quando os modelos de mobilidade que utilizam parametros aleatorios para


Figura 5.1: Modelo de um grafo de Voronoi.

representar o movimento dos nos deixaram de atender as expectativas da academia. O

que deixou claro a necessidade do surgimento de propostas que repliquem de forma mais

fiel o comportamento real do no nesse tipo de rede. Com isso surgem simuladores que

modelam a mobilidade dos nos da rede utilizando traces de rotas veiculares coletadas a

partir de sistemas de navegacao. Porem, apesar da mobilidade dos nos da rede estarem

limitadas pelas fronteiras entre as ruas e as construcoes ao seu entorno, a falta de um

modelo para prever o comportamento do motorista provocam resultados indesejados.

Para resolver tal problema, surgem os simuladores de redes com casamento bidire-

cinal [15], ou seja, uma integracao entre dois tipos de simuladores distintos, que sao

os simuladores de redes veiculares e os simuladores de trafego. Ambos os simuladores

trocam informacoes para auxiliar na tomada de decisoes sobre o movimento dos nos na

rede. Com isso conseguem simular de forma dinamica o comportamento do motorista ao

encontrar um cruzamento, um semaforo fechado, ou algum incidente que possa refletir

na simulacao (como uma freada para evitar colisao com o carro da frente, mudancas de

pista, etc). As vantagens e desvantagens de cada classe de modelo de mobilidade pode

ser vista em mais detalhes na Tabela 5.1.


Classe de Modelo de Mobilidade Vantagens Desvantagens

Movimento randomico

Simples,

Imprecisointuitivo,

Sempre disponıvel

Rotas reaisMovimento do no mais reais Caro

Rotas reutilizaveis Consome tempo

Rotas artificiaisMovimento do no realista

Sem feedback do motoristaRotas reutilizaveis

Casamento BidirecionalMovimento do no realista

impossıvel replicarfeedback das acoes do motorista

Tabela 5.1: Visao geral das classes de modelos de mobilidade

Como consequencia, juntamente com a evolucao da riqueza de realismo dos simu-

ladores de redes, os simuladores tambem evoluıram em nıvel de complexidade, onde o

simuladores da classe de Casamento Bidirecional sao consideravelmente mais complexos

e os da classe de Movimento randomico sao menos complexos. Tal complexidade faz com

que a curva de aprendizado para utilizar tais simuladores seja muito grande, comprome-

tendo os testes para pesquisas de curto prazo e incentivando a utilizacao de simuladores

customizados.

5.2.3 Discussao

Percebemos que a maioria das novas propostas de algoritmos de roteamento sao testa-

das em simuladores customizados. Alem dos simuladores customizados prejudicarem a

implementacao das propostas por outros membros da comunidade, geralmente os expe-

rimentos sao reportados com ausencia de alguns parametros. Isso faz com que autores

de novas propostas optem por comparar seus algoritmos com algoritmos basicos.

Com isso, percebemos que apesar das pesquisas que envolvem simulacoes em redes

veiculares estarem em constante evolucao, ainda ha lacunas que tornam este, um campo

de pesquisa ainda em aberto.


5.3 Simuladores existentes

Nesta secao sera apresentado uma sucinta descricao de alguns dos geradores de mobili-

dade veicular mais utilizados pela comunidade cientıfica.

5.3.1 BonnMotion

BonnMotion [12] e uma ferramenta para gerar mobilidade veicular com foco em gerar

modelos de mobilidade para os principais simuladores de redes sem fio (ns-2, glomosim,

qualnet, cooja e mixim). Porem, os modelos de mobilidade sao gerados a partir de

modelos estatısticos, e o simulador permite que dados seja controlados, como velocidade

e aceleracao. Como pontos positivos o autor destaca a facilidade de uso e uma boa

descricao dos modelos de mobilidade suportados.

5.3.2 VanetMobiSim

VanetMobSim [16] e uma extensao do simulador CanuMobiSim [17], e tem como objetivo

gerar modelos de mobilidade mais proximos da realidade. Para isso, entre seus geradores

de topologia de rodovias possuı modelos extraıdos de bases publicas, que compreende

pequenas regioes geograficas.

5.3.3 Veins

O Veins [15] e construıdo a partir da uniao do simulador de redes OMNeT++ [18] com o

microsimulador de trafego SUMO. O Veins e um simulador de casamento bidirecional que

permite que eventos provocados pela mobilidade dos veıculos tenham influencia sobre

a simulacao de rede. Como ponto positivo, o Veins tras consigo a possibilidade de que

sejam feitas simulacoes com alto grau de realismo. Como ponto negativo, o Veins e um

simulador complexo de ser utilizado, e parametros reais de simulacao estao disponıveis

somente para um pequeno trecho da Europa.


5.3.4 Framework de Mobilidade veicular

Propomos um framework que e capaz de coletar dados de veıculos a partir de um web

service e transportar esses dados para um simulador de redes veiculares, Figura 5.2. Com

isso seria possıvel fazer uma simulacao em tempo real, considerando o comportamento do

motorista no momento da simulacao. Esse framework possui tres componentes principais

cujas funcoes sao: coletar dados, gerar a simulacao, e exibir os resultados.

Figura 5.2: Framework de Gerenciamento de rede movel.

A parte de coleta de dados consiste em sensores instalados nos veıculos, que podem

ser integrados com sistemas de navegacao. Esse dados sao enviados para um sistema

centralizado, onde as informacoes de todos os veıculos serao coletadas e tratadas para

serem disponibilizadas para a parte responsavel por gerar as simulacoes. Apos coletados

e tratados, os dados serao organizados e publicados em um web service RESTFULL. A

escolha por um web service RESTFULL e justificada pelo falto dele ser implementado


sob a camada de aplicacao, o que garante a interoperabilidade em qualquer tipo de rede,

seja ela TCP/IP ou nao. O fato dos componentes do framework estarem organizados

em camadas, possibilita alteracoes na camada de coleta de dados sem afetar o restante

do framework, o que deixa cada componente aberto a novas propostas.

O web service deve publicar um conjunto mınimo de informacoes composto por:

id, latitude, longitude, altitude (para simulacoes em 3D, o que permite integracao com

VANTs por exemplo) e timestamp. Porem, o framework nao esta limitado a esse pequeno

conjunto de informacoes, o que permite sua extensao de acordo com a necessidade de

cada aplicacao. Essas informacoes serao coletadas pelo componente responsavel por

gerar a simulacao, que atuara com um middleware entre o web service e um simulador

de rede. O objetivo desse middleware e coletar as informacoes dos nos presentes na rede

e exporta-las em um formato compatıvel com algum dos simuladores de redes existentes,

que pode ser o OMNeT++, NS-2, OPNeT, ou qualquer outro simulador consolidado pela

comunidade.

O framework proposto acima permite que empresas (empresas de logıstica, frotas de

onibus, caminhoes, taxis, etc) gerenciem seus veıculos. A integracao de tal framework

com sistemas de mapas que fornecem informacoes sobre as vias, possibilita prever eventos

futuros, gerar alertas aos administradores da frota permitindo-os notificar o motorista,

dentre varias aplicacoes. Como exemplo de sistemas de mapas que poderiam ser utili-

zados temos o google maps1 e o openStreetMaps2. O google maps tem a API limitada,

o que faz que com que seja necessario a utilizacao de biblioteca de terceiros para co-

letar os dados da via(sentido do transito, velocidade permitida, etc). Por outro lado,

como ponto positivo, o google maps tem um sistema de analise de transito em tempo

real, o que permite coletar o tempo medio de viagem de acordo com as condicoes de

transito em determinados horarios com alto nıvel de precisao. Ja o openStreetMaps e

open source e livre e fornece informacoes considerando inclusive a categoria do veıculo,

ex: caminhoes tem velocidade maxima permitida menor do que carro de passeio, ou

motocicletas, ou veıculo de resgate. Porem, como ponto negativo ele esta disponıvel em

um numero restrito de paıses e regioes.

Restringindo nosso cenario a redes veiculares, considerando a classe de simuladores

que utilizam arquivos de traces reais para gerar a mobilidade dos nos da rede, e utilizando

o simulador de rede OMNeT+++, nos propomos o VeNeM. Um software que tem como

objetivo gerar a mobilidade dos nos da rede respeitando parametros reais, e que valida

1Google Maps, disponıvel em: https://www.google.com.br2OpenStreetMaps, disponıvel em: http://www.openstreetmap.org/


o framework proposto acima abrindo a comunidade diversas frentes de utilizacao.

5.3.5 VeNeM

O VeNeM determina a mobilidade dos veıculos atraves de rotas pre-configuradas. Para

isso ele realiza uma consulta da rota na API de mapas do google. Tal comportamento faz

com que o VeNeM gere a rede respeitando a topologia das estradas. Essa caracterıstica

e conseguida porque o google maps retorna a rota respeitando as direcoes que o veıculo

deve seguir. Porem, a API de mapas do google retorna somente os pontos em que

devem acontecer mudancas de direcao, ignorando os pontos intermediarios. Os efeitos

provocados por tal caracterıstica e percebido em ruas que possuem curvas acentuadas.

Como sao retornadas somente informacoes dos extremos da rua, o veıculo corta a curva

indo ate a outra extremidade em linha reta. Ainda assim, utilizar a API de mapas do

google para obter estas informacoes e uma decisao melhor do que escolher algum modelo

randomico, pois modelos randomicos os veıculos se movem de forma que nao represente

a realidade.

A partir da utilizacao da API de mapas do google, o VeNeM consegue simular o

comportamento de um veıculo respeitando os parametros retornado para cada trecho da

rota, isso acontece porque a velocidade do trecho e calculada a partir da diferenca do

tempo entre o ponto de partida e de chegada dividido pela distancia entre os pontos.

Alem disso, para os grandes centros urbanos o google consegue retornar informacao con-

siderando as condicoes do trafego em tempo real, o que pode ser visto na Figura 5.3.

Isso permite que simulacoes sejam realizadas considerando situacoes de trafego ameno

(durante a noite) e em situacoes de trafego intenso (horario de pico). Com os parametros

retornados pela api, pode-se considerar como sendo uma situacao media de comporta-

mento do motorista, porem, dados como semaforos e comportamento do motorista em

intersecoes sao descartados, pois a API introduz esta limitacao.

Quando os problemas apresentados acima tornam inviavel o uso do VeNeM para

alguma aplicacao, o VeNeM permite ainda a utilizacao de arquivos de traces. Estes

arquivos sao obtidos facilmente utilizando dispositivos de navegacao, como GPS ou ate

mesmo smartphones, que tornaram-se acessorios comuns entre os passageiros de veıculos.

A utilizacao de arquivos de traces permitem que o usuario tenha controle sobre as coor-

denadas coletadas, pegando todos os pontos necessarios para que a mobilidade do veıculo

respeite todos os limites de ruas, isso faz com que nao existam trechos da simulacao que

nao sejam cobertos, gerando a topologia da rede respeitando de forma fiel o layout das


Figura 5.3: Rota entre a Estacao central de metro – Belo Horizonte e Paroquiade Nossa Senhora de Fatima – Belo Horizonte (Retirada do Google Maps em02/09/2014).

ruas. Alem da precisao com relacao a macro mobilidade, os arquivos de traces refletem

as acoes tomadas pelo motorista, como por exemplo as reducoes de velocidade antes

de intersecoes, o tempo esperando o semaforo abrir, e qualquer outro evento que possa

refletir em alteracoes da micro mobilidade. Esse comportamento e desejavel durante as

simulacoes pois podem auxiliar em uma tomada de decisao. Simular uma rede igno-

rando o comportamento individual dos veıculos, ou assumindo que esse comportamento

e baseado em empirismo, pode fazer com que os resultados obtidos nao correspondam a

realidade, isso porque o comportamento do motorista e influenciado por diversos fatores,

como pontos de interesse, humor, sexo, idade e nao pode ser estimado com uma amostra

estatıstica.

As principais caracterısticas do VeNeM sao:

• Software Open Source;

• E simples e facil de ser utilizado;

• Permite que o usuario utilize traces de mobilidade real, coletados a partir de dis-

positivos de GPS;


• Gera padroes de mobilidade respeitando as condicoes de cada trecho da rota (Ex.:

velocidade, reducoes de velocidade);

• Permite que simulacoes sejam reproduzidas em diferentes condicoes de trafego

(Ex.: horario de pico);

• E suportado por um dos mais conceituados simuladores de redes sem fio da atua-

lidade, OMNeT++.


Redes veiculares tem ganhado crescente atencao da comunidade cientıfica nos ultimos

anos. Isso acontece porque ha uma crescente preocupacao em tornar viagens de carro

mais seguras. Porem, as altas velocidades que os veıculos se movem introduzem diversos

desafios nesse tipo de rede, o que tem resultado no surgimento de varias propostas de

novos algoritmos.

Avaliar essas propostas em ambiente real e inviavel, pois, alem do alto custo envol-

vido, seria necessario a mobilizacao de uma grande quantidade de pessoas. Isso faz com

que pesquisadores recorram a simulacoes para avaliarem suas propostas, o que imprime

a necessidade de simuladores que reflitam melhor as condicoes reais. A falta de um

simulador que atenda as necessidades da comunidade cientıfica e o principal motivador

dessa pesquisa.

A constante evolucao tecnologica levou dispositivos de comunicacao sem fio a todos

os lugares. Explorar os recursos oferecidos por esses dispositivos (gps, wi-fi, 3G) para

coletar informacoes de mobilidade tem se tornado cada vez mais facil. Tais caracterısticas

viabilizam a construcao de um framework para interligar o mundo simulado ao mundo

real.

O VeNeM e uma ferramenta que permite gerar a mobilidade veıcular respeitando

parametros reais, onde, as decisoes do motorista durante a viagem refletem na mobili-

dade gerada, conseguindo assim reproduzir efeitos como comportamento em intersecoes,

em semaforos, etc. Com isso, juntamente com o OMNeT++, o VeNeM nos permite

reproduzir simulacoes mais proximas da realidade, o que nos garante melhores resul-

tados ao avaliar o desempenho do protocolo proposto comparando-o com as principais

propostas de protocolos para VANETs presentes na literatura. Tal avaliacao pode ser

vista em detalhes no Capıtulo a seguir.

Capıtulo 6

Resultados e Discussoes

6.1 Experimentos

Apesar de ser desejavel a avaliacao de protocolos de roteamento em ambientes reais, o

alto custo de implementacao e a dificuldade em mobilizar pessoal suficiente para realizar

os experimentos tornam inviavel tal implementacao. Por esse motivo, a comunidade

cientıfica avalia os protocolos de roteamento atraves de simulacoes. Para avaliar o de-

sempenho do RouteSpray, foram realizadas simulacoes comparando-o com os protocolos

Epidemico, Spray and Wait e GeOpps, que sao os principais protocolos de roteamento

existentes para redes esparsas e redes veiculares.

Para o cenario de simulacao foram geradas 16 rotas entre os pontos de interesse da

cidade de Barbacena-MG, no Brasil. Onde, por se tratar de uma cidade que surgiu

e cresceu sem planejamento as ruas e avenidas foram construıdas de forma complexa.

Com isso, o grafo que representa tal cenario nao possui nenhum padrao, diferentemente

do grafo de Manhathan. Para a simulacao a quantidade de veıculos variou entre 5 e 100,

gerando redes com diferentes densidades. Simulacoes cujo numero de veıculos e maior

do que o numero de rotas, mais de um veıculo realiza o mesmo percurso. Nesse caso,

alem dos veıculos serem distribuıdos de forma uniforme entre as rotas, eles partem em

tempos diferentes. Considerou-se ainda que a velocidade de transmissao e maior do que

a velocidade de locomocao.

Para cada cenario, existe somente uma mensagem sendo entregue na rede ao mesmo

tempo. Ou seja, um veıculo aleatorio gera uma mensagem para um destino tambem

aleatorio. Quando a mensagem alcanca o destino, este tem como tarefa gerar uma outra

49

50 Resultados e Discussoes

mensagem para outro desistino aleatorio. Esse processo se repetea ate que o tempo de

simulacao chegue ao final. Cada cenario foi repetido 15 vezes, em cada repeticao variou-

se a aleatoriedade dos veıculos. Os resultados apresentados na proxima Secao 6.2 foram

calculados considerando um Intervalo de Confianca de 95%.

As simulacoes foram realizadas utilizado o framework MiXiM (Kopke, Swigulski,

Wessel, Willkomm, Haneveld, Parker, Visser, Lichte & Valentin 2008), que e uma ex-

tensao ao simulador de redes OMNeT++ (Varga 1999). Simulacoes de mobilidade

veicular baseadas em modelos de mobilidade randomicos, nao correspondem a reali-

dade (Gamess, Acosta & Hernandez 2012). Isso, porque a movimentacao dos veıculos

esta limitada as restricoes das ruas e avenidas. Alem disso, parametros como velocidade

e direcao sofrem variacoes. Por esse motivo, a mobilidade veicular foi gerada utilizando

o software VeNeM (Silva 2012).

Os parametros utilizados na simulacao podem ser conferidos na Tabela 6.1.

Parametros Valores

Tempo de simulacao 2700s

Playground X 2.41km

Playground Y 4.05km

Numero de nos 5, 10, 25, 50, 75, 100

Valores de L 2, 3, 6, 8, 12, 20

Frequencia de banda 2.4GHz

Potencia de transmissao 110.11mW

Atenuacao de sinal -70dBm

Tamanho do pacote 512bits

Tabela 6.1: Parametros utilizados na simulacao

No parametro tempo de simulacao, foi utilizado o valor 2700 segundos por correspon-

der ao tempo necessario para que os veıculos realizem um percurso circular, passando

por alguns pontos de interesse da cidade. Para o tamanho do playground foi utiliza-

dos os valores retornados pelo software VeNeM, e correspondem ao tamanho necessario

para cobrir todas as rotas. O parametro Valores de L varia de acordo com o numero

de nos da rede, e respeita os limites mınimos sugeridos por (Spyropoulos, Psounis &

Raghavendra 2008b). Ja os parametros referentes ao meio fısico, que sao: frequencia de

banda, potencia de transmissao, atenuacao de sinal e Tamanho do pacote, foram confi-

gurados com valores utilizados pelo protocolo 802.11b. O padrao 802.11b foi escolhido

Resultados e Discussoes 51

porque o padrao 802.11p que foi projetado para ser utilizado em redes veiculares foi

descontinuado (IEEE 2010).

6.2 Resultados

O desempenho do protocolo RouteSpray foi avaliado segundo as seguintes metricas: (i)

taxa de entrega de mensagens; (ii) ocupacao dos buffers ; (iii) quantidade de mensagens

enviadas na rede e (iv) atraso medio de entrega das mensagens. A taxa de entrega

de mensagens refere-se ao numero de mensagens entregues ao destino, e e importante

para comprovar a eficacia do protocolo. A ocupacao dos buffers e definida como a

soma de todas as mensagens armazenadas nos nos da rede, e deve ser analisada porque

dispositivos que sao utilizados em redes moveis possuem restricoes de armazenamento.

A quantidade de mensagens enviadas na rede e a soma de todas as mensagens enviadas,

incluindo as de controle, e indica a quantidade de transmissoes necessarias para garantir

a entrega das mensagens. Ja o atraso medio de entrega das mensagens e util para indicar

a eficiencia do algoritmo ao realizar o roteamento.

6.2.1 Taxa de entrega de mensagens

Quando o cenario nao impoe restricoes de armazenamento, o algoritmo Epidemico realiza

a entrega de todas as mensagens enviadas, o que o torna uma importante ferramenta de

comparacao entre os algoritmos de roteamento. Outro algoritmo conhecido pela comuni-

dade cientıfica por garantir boas taxas de entrega e provocar menor degradacao da rede,

e o Spray and Wait. Apesar de ambos os algoritmos se tratarem de boas fontes de re-

ferencias, eles sao projetados para redes esparsas, e nao se beneficiam das caracterısticas

das redes veiculares. Por esse motivo, alem do RouteSpray ser comparado com estes dois

algoritmo, ele tambem e comparado com o algoritmo GeOpss, que e um algoritmo que se

beneficia das rotas dos veıculos para realizar o roteamento de mensagens. Considerando

que o algoritmo Epidemico entrega 100% das mensagens enviadas, os algoritmo RouteS-

pray, Spray and Wait e GeOpps entregaram 87,68%, 62,61% e 12,88%, respectivamente.

Os valores obtidos sao apresentados mais detalhadamente na Figura 6.1.

A melhor taxa de entrega de mensagens e obtida pelo algoritmo RouteSpray, con-

sequencia da utilizacao das rotas dos veıculos combinada com a pulverizacao de multiplas

copias de mensagens. Ja o algoritmo GeOpps teve o menor desempenho com relacao ao


numero de mensagens entregues. Tal resultado mostra que os algoritmos de multiplas

copias de mensagens superam os algoritmos que utilizam as informacoes de rotas. Porem,

a combinacao das duas caracterısticas mostrou-se mais eficiente do que a utilizacao de

ambas de forma individual.

Figura 6.1: Mensagens entregues na rede.

6.2.2 Ocupacao dos buffers

Como mostrado na Figura 6.2, o algoritmo Epidemico exige que os nos possuam gran-

des capacidades de armazenamento, porque cada no da rede armazena uma copia de

cada mensagem transmitida. Essa caracterıstica pode ser percebida mais claramente

observando-se as transmissoes necessarias para a rede com 100 nos onde, para entregar

15 mensagens, o algoritmo Epidemico armazenou 1493 copias destas. Ja os algoritmos

Spray and Wait e o RouteSpray, provocaram pouca ocupacao dos buffers, o que prova

a eficiencia da tecnica de spray, como podemos ver na Figura 6.3. O algoritmo RouteS-

pray obteve uma ocupacao em buffer 87,35% menor do que o Spray and Wait, pois faz

controle das mensagens armazenadas em buffer, apagando as que ja foram entregues. A


presenca de mensagens nos buffers dos nos do algoritmo RouteSpray e um indicativo de

que a informacao de que a mensagem foi entregue ainda nao propagou o suficiente para

atingir todos os nos. O fato do algoritmo GeOpps nao provocar replicas da mensagem,

faz com que seu uso nao tenha impacto sob os buffers dos nos. Tal caracterıstica pode

ser comprovada observando a Figura 6.3.

Figura 6.2: Ocupacao do buffer : comparacao entre os tres algoritmos

6.2.3 Quantidade de mensagens enviadas na rede

Conforme apresentado, a utilizacao de mensagens de controle pelo algoritmo RouteS-

pray permite melhorar as taxas de entrega de dados e controlar a ocupacao do buffer.

Porem, elas introduzem um custo adicional a rede, provocando um numero maior de

transmissoes de mensagens. Tal caracterıstica pode ser vista na Figura 6.4. Porem, as

mensagens de controle possuem uma pequena carga de dados, pois transportam somente

informacoes das mensagens que ja foram entregues na rede, o que faz com que o numero

de bytes transmitidos na rede provoque menos impacto do que algoritmos epidemicos,

cujos todas as mensagens possuem carga de dados. Entretanto, varios recursos (buffers


Figura 6.3: Ocupacao do buffer entre os algoritmos que utilizam a tecnica de“spray”.

de enfileiramento de pacotes, canal de transmissao, processamento para calcular rotas

e gerar cabecalhos, etc) sao afetados pelo excesso de transmissoes, pois transmissoes de

mensagens disputam esses recursos em todos os nos aos quais estao envolvidos.

6.2.4 Atraso medio de entrega das mensagens

O tempo que a mensagem precisa para alcancar o destino e outras caracterıstica impor-

tante de ser analisada. Com essa informacao e possıvel avaliar a eficiencia dos algoritmos

ao rotear as mensagens ate seus destinos. Se observarmos a Figura 6.5, veremos que o

algoritmo GeOpps demora mais tempo para entregar a mensagem ao destino, carac-

terıstica provocada por se tratar de um algoritmo de uma unica copia, o que e esperado,

pois o algoritmo nao explora caminhos alternativos aumentando as chances de entre-

gar a mensagem. Ja, o fato do algoritmo Epidemico enviar a mensagem para todos

os caminhos possıveis faz com que a mensagem siga o menor caminho ate o destino

garantindo-lhe o menor tempo de entrega. Ao analisarmos os casos em que a rede tem 5


Figura 6.4: Mensagens enviadas na rede.

e 10 veıculos, perceberemos que o algoritmo RouteSpray possui tempo medio de entrega

de mensagens maior do que o Algoritmo Spray and Wait, porem, tais valores acontecem

porque o algoritmo RouteSpray entrega mais mensagens. Ja nesses casos, o algoritmo

GeOpps nao realiza a entrega de nenhuma mensagem, o que justifica a ausencia dos

valores no grafico.


Figura 6.5: Tempo medio de entrega de mensagens.

Capıtulo 7

Conclusoes

7.1 Conclusoes e Trabalhos Futuros

Roteamento em redes veiculares ainda e um problema em aberto. Diversos algoritmos

surgem para cenarios e condicoes especıficas. Considerando que em redes VANETs temos

recursos que nao sao presentes em outros tipos de redes, e que com isso conseguimos

informacoes que podem ser utilizadas no roteamento sem custo adicional a rede, foi

apresentado neste estudo, o algoritmo RouteSpray. Este se mostrou mais eficiente do

que os algoritmos ate entao apresentados pela comunidade cientıfica para roteamento

veicular, utilizando como base a rota dos veıculos.

Apesar do desafio de rotear pacotes por redes altamente dispersas, o que e comum

em redes VANETs, o algoritmo RouteSpray garantiu uma boa taxa de entrega de mensa-

gens, superando algoritmos cuja eficiencia ja foi comprovada pela comunidade cientıfica.

Alem da boa taxa de entrega de mensagens, o algoritmo RouteSpray demandou pouca

utilizacao de espaco de armazenamento, podendo ser utilizado em dispositivos com re-

cursos restritos.

O algoritmo RouteSpray tem um boa aplicacao em redes onde se conhece a rota dos

veıculos. Um exemplo pratico de uma boa utilizacao seria em empresas de transporte,

como empresas de onibus, de taxis ou transportadoras. O algoritmo RouteSpray oferece

a possibilidade de comunicacao dinamica mesmo em situacoes nao rotineiras onde o

roteamento programado falharia, como quando ocorrem atrasos por razao de mudancas

no transito, pneu do veıculo furado, etc.

57

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