Evaluaci�n de p�rdida de paquetes en redes Manet utilizando protocolos AODV y DSDV

Evaluation of packet loss in Manet networks using AODV and DSDV protocols

Avalia��o da perda de pacotes em redes Manet usando os protocolos AODV e DSDV

Correspondencia: yohanna_daza@hotmail.com Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de investigaci�n

*Recibido: 20 de mayo de 2020 *Aceptado: 27 de junio de 2020 * Publicado: 22 de julio de 2020

I.            Estudiante de la Maestr�a de Investigaci�n en Tecnolog�as de la Informaci�n Menci�n Seguridad en Redes y Comunicaciones, Instituto de Posgrado, Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

II.            Mag�ster en Redes de Comunicaciones, Profesor de la Facultad de Ciencias Inform�ticas de la Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

III.       PhD en Ciencias de la Educaci�n, Mag�ster en Investigaci�n y Gesti�n de Proyectos, Profesor Investigador del Instituto de Postgrado de la Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

IV.       I.��������� Doctora (Programa de la Calidad de la Educaci�n en la Sociedad Actual), Licenciada en Ciencias de la Educaci�n en la Especialidad de Educaci�n B�sica, Profesora de Segunda Ense�anza Especialidad Educaci�n B�sica, Profesor de Educaci�n Primaria-Nivel Tecnol�gico, Consejera del Consejo de Aseguramiento de la Calidad� de la Educaci�n Superior, Ecuador

http://polodelconocimiento.com/ojs/index.php/es

Resumen

Las redes Manet debido a su autonom�a y flexibilidad presentan soluciones a las conexiones inal�mbricas sin la necesidad de emplear una infraestructura de red para su implementaci�n. El objetivo de este trabajo fue implementar una red Manet en un ambiente de zonas de desastres y analizar los protocolos de enrutamiento, en este estudio se compar� un protocolo pro-activo versus un protocolo reactivo. La metodolog�a se bas� en un an�lisis descriptivo de los protocolos AODV y DSDV, donde se evalu� un streaming de paquetes UDP en tiempo real utilizando la m�trica �Perdida de paquetes� referida a Calidad de Servicios (QoS) en un ambiente de simulaci�n implementado en Omnet++, se ejecutaron simulaciones con 30, 40 y 50 nodos (cambio de densidad de nodos en la red). Estas simulaciones se ejecutan sobre un patr�n de tr�fico generado aleatoriamente y un patr�n de movilidad de nodos con velocidades de transmisi�n de 12, 24 y 36Mbps. Como resultado se determin� que el Protocolo Reactivo presenta menor porcentaje de p�rdida de paquetes durante la transmisi�n del streaming en tiempo real, por lo cual bajo las condiciones del escenario planteado es m�s efectivo utilizar el protocolo de enrutamiento AODV.

Palabras claves: Manet; AODV; DSDV; p�rdida de paquetes; zonas de desastres.

Abstract

Manet networks, due to their autonomy and flexibility, present solutions to wireless connections without the need to use a network infrastructure for their implementation. The objective of this work was to implement a Manet network in a disaster area environment and analyze routing protocols. In this study, a pro-active protocol was compared to a reactive protocol. The methodology was based on a descriptive analysis of the AODV and DSDV protocols, where streaming of UDP packets in real time was evaluated using the "Packet Loss" metric referring to Quality of Services (QoS) in a simulation environment implemented in Omnet ++ , simulations were run with 30, 40 and 50 nodes (change of density of nodes in the network). These simulations run on a randomly generated traffic pattern and a node mobility pattern with transmission rates of 12, 24, and 36Mbps. As a result, it was determined that the Reactive Protocol presents a lower percentage of packet loss during the transmission of streaming in real time, therefore, under the conditions of the proposed scenario, it is more effective to use the AODV routing protocol.

Keywords: Manet; AODV; DSDV; packet loss; disaster areas.

Resumo

As redes Manet, devido � sua autonomia e flexibilidade, apresentam solu��es para conex�es sem fio, sem a necessidade de usar uma infraestrutura de rede para sua implementa��o. O objetivo deste trabalho foi implementar uma rede Manet em um� ambiente de �rea de desastre e analisar protocolos de roteamento.Neste estudo, um protocolo pr�-ativo foi comparado a um protocolo reativo. A metodologia foi baseada em uma an�lise descritiva dos protocolos AODV e DSDV, na qual o fluxo de pacotes UDP em tempo real foi avaliado usando a m�trica "Perda de pacotes" referente � qualidade de servi�os (QoS) em um ambiente de simula��o implementado no Omnet ++ , simula��es foram executadas com 30, 40 e 50 n�s (altera��o da densidade dos n�s na rede). Essas simula��es s�o executadas em um padr�o de tr�fego gerado aleatoriamente e em um padr�o de mobilidade de n�s com taxas de transmiss�o de 12, 24 e 36Mbps. Como resultado, foi determinado que o Protocolo Reativo apresenta uma porcentagem menor de perda de pacotes durante a transmiss�o do streaming em tempo real; portanto, nas condi��es do cen�rio proposto, � mais eficaz usar o protocolo de roteamento AODV.

Palavras-chave: Manet; AODV; DSDV; perda de pacotes; �reas de desastre.

Introducci�n

Hoy en d�a con los nuevos avances en el desempe�o de las tecnolog�as de comunicaci�n, se espera que la tecnolog�a inal�mbrica m�vil avanzada tenga una aplicaci�n y un uso cada vez generalizado.

Las redes m�viles MANET son redes que presentan soluciones a las conexiones inal�mbricas sin la necesidad de emplear una infraestructura de red para su implementaci�n; ellas crean din�micamente una red en cualquier momento y lugar, es as� que proveen de movilidad a los nodos para que los paquetes lleguen a su destino, por lo que es necesario que todos los nodos puedan cumplir la funci�n de emisor, receptor o routers; adem�s permite agregar y quitar f�cilmente dispositivos a la red. (Goyal et al., 2011)

Tomando en cuenta que el ancho de banda es limitado en un canal inal�mbrico, los nodos buscan la asistencia de nodos vecinos para el reenv�o de paquetes y por lo tanto se puede afirmar que, en este tipo de redes, los nodos pueden actuar como enrutadores y hosts a la vez. (Saudi et al., 2019).

Estas redes son muy prometedoras y populares en telecomunicaciones especialmente son muy utilizadas en aplicaciones militares, zonas de desastres y operaciones de emergencia como la b�squeda y el rescate. (Raffelsberger & Hellwagner, 2012)

Los protocolos de enrutamiento (Priya Sethuraman & Kannan, 2017) que ofrece este tipo de� redes se clasifican en Pro-activos (DSDV, CGSR, OLSR, BATMAN, etc.), Reactivos (AODV, DSR, TORA, etc.) y los H�bridos (ZRP, SHARP, ZHLS, etc.), para este estudio se utilizar�n los Protocolos AODV y DSDV.

El protocolo Ad hoc On Demand Distance Vector (AODV) es un protocolo reactivo que busca una ruta solo cuando un nodo de la red la requiere, es un protocolo que necesita poco ancho de banda porque env�a paquetes solo cuando es necesario, aunque provoca una gran latencia al conectarse a la red. Este protocolo de encaminamiento IP permite a los nodos emisores encontrar y mantener rutas hacia los nodos receptores; aqu� el protocolo busca las posibles rutas solo cuando existe una solicitud y escoge la ruta m�s corta es decir la que responda primero manteniendo las rutas activas hasta que no se necesiten.(Sarmiento et al., 2014; Sing-Borrajo, 2014)

El protocolo Destination Sequence Distance Vector (DSDV), est� basado en el algoritmo de distribuci�n de Bellman-Ford (BDF), que comparado con el m�todo de actualizaci�n del estado de enlace es computacionalmente m�s eficiente y requiere mucho menos espacio de almacenamiento. En este algoritmo, los nodos vecinos intercambian peri�dicamente (protocolo pro-activo) sus tablas de enrutamiento completas con los vecinos para estimar la distancia a la que se encuentran los dem�s nodos no vecinos. Aunque DSDV s�lo proporciona un camino para cada destino (no permite almacenar rutas secundarias o de soporte), siempre elige el camino m�s corto bas�ndose en el n�mero de saltos hacia este destino. (Chaw & Gisella, 2019; Roshan et al., 2019; Sarmiento et al., 2014)

La ubicaci�n del Ecuador en el Cintur�n De Fuego Del Pacifico lo vuelve muy propenso a la ocurrencia de desastres naturales relacionado con el movimiento de las placas tect�nicas, cat�strofes como terremotos muestran alta probabilidad de ocurrencia, adem�s de ser muy susceptible a la presencia de fuerte inviernos, causando grandes emergencias por inundaciones especialmente en las provincias de la costa.

Uno de los �ltimos desastres naturales, que m�s da�os y p�rdidas ha causado en el Ecuador es el terremoto del 16 de abril de 2016, este terremoto con una duraci�n de 75 segundos y una

magnitud de 7,8 en la escala de Richter fue una de las tragedias m�s grandes que ha sufrido el pa�s.

En este suceso las comunicaciones fallaron dejando a gran parte de los ciudadanos sin comunicaci�n, e imposibilitando la llegada de ayuda de rescate y socorro. En las provincias afectadas por la cat�strofe, el acceso a la telefon�a m�vil e internet tardaron d�as en restablecerse, ya que restaurar una infraestructura f�sica es costoso y lleva mucho tiempo, en estos casos de desastres una red Manet es una opci�n eficiente, ya que al no requerir una infraestructura fija es de r�pida implementaci�n y muy �til para restablecer las comunicaciones y realizar labores de evacuaci�n y rescate en las zonas afectadas.

Al ser las redes Manet un tipo de red inal�mbrica multisalto constituida por un grupo de dispositivos denominados nodos m�viles que se encuentran inter-conectados de forma din�mica� y relacionada entre s� para mantener la conectividad de la red. Se las puede implementar r�pidamente en condiciones inesperadas como respuesta a recuperaci�n de desastres, cuando es dif�cil o imposible construir inmediatamente una nueva infraestructura fija, de ah� que se adaptan bien a las operaciones de b�squeda, permitiendo a los equipos de rescate tomar medidas r�pidas como respuesta a llamadas de ayuda de v�ctimas.

En acontecimientos como el terremoto ocurrido en la Provincia de Manab� miles de personas sufrieron debido a la falta de coordinaci�n entre las organizaciones de socorro y una de las principales razones de ello sigue siendo la destrucci�n de los canales de comunicaci�n en esa zona. En cuanto a la seguridad de la zona afectada por el desastre, es muy importante procesar las consultas de personas externas para dar una imagen general del proceso de evacuaci�n, lesiones, necesidades de emergencia, etc.(Miranda et al., 2016, p.; Uddin et al., 2009). Adem�s, para gestionar y distribuir r�pidamente los alimentos y los suministros vitales a los residentes evacuados, as� como para registrar y asignar voluntarios, la necesidad de un sistema de informaci�n y comunicaci�n fiable y de gran ancho de banda es muy importante durante este estado de emergencia. Las propiedades de la red inal�mbrica, como la facilidad de despliegue, la libertad de conexi�n y la comunicaci�n a trav�s de ondas de radio en lugar de cables de datos, garantizan que la tecnolog�a de redes inal�mbricas sea un candidato perfecto para la comunicaci�n en zonas de desastre. (Guo & Huang, 2008)

Este tipo de arquitectura de red se llama Disaster Area Wireless Network (DAWN). Una red m�vil ad hoc (MANET) es una red temporal formada por un conjunto de nodos m�viles sin

soporte de infraestructura. Este tipo de red es auto-configurable, auto-organizada y auto- mantenida con una topolog�a din�mica. Las MANETS pueden permitir la comunicaci�n entre terminales de usuario ensamblados temporalmente sin depender de la infraestructura de comunicaci�n convencional y, por lo tanto, puede utilizarse como una soluci�n pr�ctica para un escenario de zona de desastre. La mayor�a de los protocolos de enrutamiento para DANs en la literatura utilizan MANET o una combinaci�n de MANET y otras redes para establecer comunicaci�n entre los usuarios finales.� (Guo & Huang, 2008; Mukherjee et al., 2009; Uddin��� et al., 2009)

En este trabajo se examina una de las variables de la calidad de servicio como es la p�rdida de paquetes en las redes Manet que utilizan los protocolos de enrutamiento AODV y DSDV, analizando las ventajas y desventajas de la utilizaci�n de estos protocolos en escenarios de desastres mediante un ambiente simulado, para determinar cu�l es el m�s apropiados y que permita tener una comunicaci�n estable y r�pida.

Metodolog�a

El presente estudio emplea streaming de paquetes UDP para la transmisi�n en tiempo real en redes MANET mediante los protocolos AODV y DSDV en ambientes simulados en el software Omnet++.

Se ha propuesto diferentes ambientes de simulaci�n en un �rea de 160000m2, a sabiendas que en una zona de desastre se tiene un aumento del n�mero de nodos en la red por lo cual se ejecutan simulaciones con 30, 40 y 50 nodos (cambio de densidad de nodos en la red). Estas simulaciones se ejecutan sobre un patr�n de tr�fico generado aleatoriamente y un patr�n de movilidad de nodos con velocidades de transmisi�n de 12, 24 y 36Mbps, el valor de cada resultado es el valor medio de estas simulaciones ejecutadas 10 veces.

En la Tabla 1 se muestran los par�metros para los ambientes simulados:

El escoger un protocolo de enrutamiento en MANET se decide en funci�n de los par�metros de rendimiento que definir�n la Calidad de Servicio - QoS (Cruz Felipe Marely et al., 2020). En este trabajo, se eval�a el rendimiento del protocolo de enrutamiento MANET, espec�ficamente en la variable de la p�rdida de paquetes.

La p�rdida de paquetes representa la relaci�n entre el total de paquetes recibidos en el destino y el total de paquetes enviados desde el nodo de origen, esto representa tanto la integridad como la correcci�n del protocolo de enrutamiento.

Resultados y Discusi�n

Realizando la Simulaci�n en el OMNET++ se observa en la Figura 1 el porcentaje de la p�rdida de paquetes que se da en los Protocolos AODV y DSDV con tres diferentes n�meros de Nodos (30,40 y 50) y con una Velocidad de Transmisi�n de 12Mbps:

⚫Al emplear 30 nodos en el protocolo AODV se pierde el 0,2% de los paquetes� que se transmiten y el 9,8% en el protocolo DSDV.

⚫Si se aumenta la cantidad de nodos a 40 se obtiene el 0,7% de p�rdida en AODV y el 3,8% en DSDV.

⚫Y al utilizar 50 nodos se pierde el 0,3% en AODV y el 14,7% e DSDV.

En la Figura 2 se muestra el porcentaje de la p�rdida de paquetes que se da en los Protocolos AODV y DSDV con tres diferentes n�meros de Nodos (30,40 y 50) y con una Velocidad de Transmisi�n de 24Mbps:

⚫Usando 30 nodos en el protocolo AODV no hay p�rdida de paquetes y en DSDV hay un 4,9%.

⚫Con 40 nodos tampoco hay p�rdida de paquetes y en el protocolo DSDV hay una p�rdida del 4,9%.

⚫Y al utilizar 50 nodos no se pierde nada en AODV y en DSDV se pierde el 7,4%.

Ahora en la Figura 3 se realiza el an�lisis de p�rdida de paquetes usando una Velocidad de Transmisi�n de 36Mbps:

⚫Empleando 30 nodos en el protocolo AODV la p�rdida de paquetes es del 0,2% y en DSDV hay un 2,1% de p�rdida.

⚫Con 40 nodos no hay p�rdida de paquetes y en el protocolo DSDV hay una p�rdida del 0,5%.

⚫Al usar 50 la p�rdida en AODV es del 0,8% y en DSDV se pierde el mismo porcentaje.

Conclusiones

Tomando como referencia tres diferentes valores de velocidad de Transmisi�n 12, 24 y 36Mbps, y evaluando los protocolos AODV y DSDV se analiza con claridad los ambientes que se han simulado en el OMNET++ con los tres entornos en funci�n a lo n�meros de nodos, dando como resultado que el Protocolo AODV presenta menor porcentaje de p�rdida de paquetes durante la transmisi�n de paquetes, debido a que este protocolo no mantiene las rutas para cada nodo sino que a la medida que se transmiten dichos datos este va descubriendo la ruta que debe seguir asegurando la comunicaci�n; mientras que el Protocolo DSDV tiene mayor porcentaje en la p�rdida de paquetes, debido a que este protocolo mantiene Tablas de Enrutamiento por cada nodo de la Red y al estar en movimiento estos nodos se generan muchos cambios en las rutas lo que genera mucha p�rdida de datos.

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�2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).