INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica

T E S I S

“ESTUDIO DEL DESEMPEÑO DEL PROTOCOLO DSDV EN UNA

RED AD-HOC MEDIANTE UN SIMULADOR DE EVENTOS

DISCRETOS”

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

LIC. EN INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTA:

ROBERTO ESPARZA DELGADILLO

ASESOR:

M. EN C. ERIC GÓMEZ GÓMEZ

JUNIO 2015

Agradecimientos a mi Familia

A mi familia fuente de apoyo constante incondicional en toda mi vida y más aún en mis

duros años de carrera profesional y en especial quiero expresar mi más grande

agradecimiento a mi abuelita Manuela y a mi abuelito Vicente que fueron los precursores

de este proyecto de vida, junto con mi mama, sin la ayuda de ellos nada de esto hubiese

sido posible…

Agradecimientos a mis Amigos

Cuando pienso en mis amigos quisiera nombrar a tantas personas que de alguna u otra

forma aportaron un granito de arena para lograr este objetivo. Sergio Gómez, Arq.

Gonzalo, Jaime Delgado, Rubén Abasolo, el profesor Rubén Cabrera, Familia García, Alex,

Roció y compañía.

ESIME: Víctor, Jorge y Damián.

Héctor, Alonzo, Yaz, Ponchito, Chester, José Luis, Fredy y mi primo Luis que siempre está

para aportar motivación para mi vida y carrera profesional un abrazo.

Interexport: Miguel Mendoza por el apoyo y la confianza, Manuel Téllez gracias por el

empujón que necesitaba, Israel Hernandez un enorme agradecimiento por la ultima

revisión y por las conversaciones tan amenas.

Ya en la recta final y no menos importantes Familia Coronel un gran abrazo para todos

especialmente para Aline Coronel por su apoyo compresión y compañía.

Agradecimientos a mi Asesor

Mi más sincero agradecimiento a mi asesor Profeso Eric Gómez Gómez por su esfuerzo y

dedicación, sus conocimientos, su manera de trabajar y su paciencia han sido

fundamentales para mi formación de Ingeniero desde que lo conocí me ha inculcado a su

manera, sentido de seriedad, responsabilidad y rigor académico sin los cuales no podría

tener una formación completa.

Roberto Esparza Delgadillo

Objetivo

EVALUAR EL DESEMPEÑO DEL PROTOCOLO DSDV EN UN ENTORNO

INALÁMBRICO AD-HOC UTILIZANDO TÉCNICAS DE SIMULACIÓN

ASISTIDA POR COMPUTADORA

Índice de Contenido

Abstract .................................................................................................................................................... 1

Resumen ................................................................................................................................................... 2

Introducción General. ............................................................................................................................. 3

Objetivo del Trabajo. .............................................................................................................................. 4

Método de Investigación. ........................................................................................................................ 5

Contribución del Trabajo. ...................................................................................................................... 6

Capítulo 1 Estudio de los protocolos de enrutamiento en redes inalámbricas. ................................. 7

1.1 Introducción. .................................................................................................................................................7

1.1. Protocolos de enrutamiento proactivos, reactivos e híbridos. .................................................................9

1.3. Algoritmo Vector-Distancia (Bellman - Ford). .......................................................................................10

1.4. Enrutamiento en redes ad hoc. .................................................................................................................12

1.5. Enrutamiento ideal en una red Ad-hoc. ...................................................................................................13

1.6. Protocolo Destination - Sequenced Distance Vector (DSDV). ...............................................................14

Capítulo 2. Características de otros protocolos de enrutamiento .................................................... 21

2.1. Introducción. ..............................................................................................................................................21

2.2. Comparación de los protocolos de enrutamiento. ..................................................................................21

2.3 Estadísticas y Comparación de protocolos de enrutamiento. .................................................................26

Capítulo 3. Metodología de análisis. .................................................................................................... 30

3.1. Generalidades. ...........................................................................................................................................30

3.2. Elección del método de análisis. ...............................................................................................................34

3.3. Linux Ubuntu 14.04. ..................................................................................................................................35

3.4. Simulador de Redes Network Simulator (NS-2). ....................................................................................36

3.5. Instalación de NS-2. ...................................................................................................................................38

3.6. Instalación de NS-2 en Linux distribución Ubuntu. ...............................................................................38

3.7. Funcionamiento del NS-2. .........................................................................................................................41

3.8. Tool Command Lenguage (Tcl)................................................................................................................43

3.9. Script OTcl. ................................................................................................................................................44

3.10. The Network Animation (NAM) ............................................................................................................44

3.11. Archivos de Traza de NS-2. ....................................................................................................................47

3.12.- Modelo de propagación utilizado para la simulación. ........................................................................49

3.13. TraceGraph. .............................................................................................................................................50

3.14. Características de TraceGraph. .............................................................................................................51

Capítulo 4. Evaluación del desempeño DSDV. ................................................................................... 52

4.1. Medidas de desempeño. .............................................................................................................................53

4.1. Escenario 1 simulación del protocolo DSDV con 5 nodos. .....................................................................55

4.2. Escenario 2 simulación DSDV con 10 nodos. ..........................................................................................60

4.3 Escenario 3 simulación DSDV con 20 nodos. ...........................................................................................64

4.4. Escenario 4.- simulación DSDV con 40 nodos. .......................................................................................68

Capítulo 5. Resultados y Conclusiones. ............................................................................................... 72

5.1 Conclusiones. ...............................................................................................................................................76

Índice de Términos................................................................................................................................ 78

Acrónimos. ............................................................................................................................................. 82

Bibliografía ............................................................................................................................................ 84

Referencias. ............................................................................................................................................ 85

Índice de Figuras y Tablas

Capítulo 1 Estudio de los protocolos de enrutamiento en redes inalámbricas. ................................. 7

Figura 1.1.-Clasificación básica de los protocolos de enrutamiento de las redes inalámbricas [2]. 9

Figura 1.2.- Identificadores para el algoritmo Bellman-Ford [3]. 11

Figura 1.3.- Señalización del protocolo DSDV [4]. 17

Figura 1.4.- Envío de paquetes de señalización DSDV del Nodo B al nodo A. 18

Figura 1.5.- Estado de las tablas de enrutamiento durante el proceso de actualización. 19

Figura 1.6.- Estado de las tablas de enrutamiento durante la integración de un nuevo nodo. 19

Figura 1.7.- Estado de las tablas de enrutamiento durante la pérdida de un nodo. 20

Capítulo 2. Características de otros protocolos de enrutamiento .................................................... 21

Figura 2.1.- Numero de paquetes recibidos escenario 1. 26

Figura 2.2.- Throughput del escenario 1 27

Figura 2.2.- Visualización del escenario 2 27

Figura 2.3.- Visualización del escenario 2 28

Figura 2.4.- Visualización del escenario 2 29

Figura 2.5.- Visualización del escenario 2: DSR 29

Capítulo 3. Metodología de análisis. .................................................................................................... 30

Tabla 3.1. Comparación de los simuladores (Características generales) 32

Tabla 3.2. Ventajas y Desventajas de los simuladores 33

Figura 3.1.- Funcionamiento interno de Network Simulator 2[14]. 41

Figura 3.2.- Jerarquía general de clases de Network Simulator 2[14] 42

Figura 3.3.- Interface de Network Simulator (NAM) [14] 45

Figura 3.4.- Ejemplo de Network Simulator de una Red Cableada 46

Figura 3.5.- Ejemplo de Network Simulator de una Red inalámbrica 47

Figura 3.6.- Estructura General de un archivo de traza 47

Figura 3.7.- Muestra de datos de un archivo de Traza 47

Capítulo 4. Evaluación del desempeño DSDV. ................................................................................... 52

Tabla 4.1.- Características de los escenarios a simular. 52

Figura 4.1.- Simulación en la NAM de 5 nodos, enviando y recibiendo paquetes. 56

Figura 4.2.- Detalles de la simulación, instantánea tomada del archivo de Tracertgraph. 57

Figura 4.3.- Grafica del Throughput de los paquetes recibidos contra el tiempo de simulación. 57

Figura 4.4.- Grafica del Throughput de los paquetes enviados contra el tiempo de simulación. 58

Figura 4.5.- Grafica de los DroppedPackets (paquetes caídos). 58

Figura 4.6.- Grafica que muestra la Frecuencia de Distribución. 59

Figura 4.7.- Grafica que muestra da Distribución acumulativa 59

Figura 4.8.- Simulación en la NAM de 10 nodos, enviando y recibiendo paquetes y mostrando paquetes perdidos

durante la simulación. 60

Figura 4.9.- Detalles de la simulación con 10 nodos, instantánea tomada del archivo de Tracertgraph. 61

Figura 4.10.- Grafica del Throughput de los paquetes recibidos contra el tiempo de simulación. 61

Figura 4.11.- Grafica del Throughput de los paquetes enviados contra el tiempo de simulación. 62

Figura 4.12.- Grafica de los DroppedPackets (paquetes caídos). 62

Figura 4.13.- Grafica que muestra la Frecuencia de Distribución. 63

Figura 4.14.- Grafica que muestra da Distribución acumulativa. 63

Figura 4.15.- Simulación en la NAM de 20 nodos, enviando y recibiendo paquetes 65

Figura 4.16.- Detalles de la simulación con 20 nodos, instantánea tomada del archivo de Tracertgraph. 65

Figura 4.17.- Gráfica del Throughput de los paquetes enviados contra el tiempo de simulación. 66

Figura 4.18.- Grafica del Throughput de los paquetes recibidos contra el tiempo de simulación. 66

Figura 4.19.- Grafica que muestra los Paquetes Caídos (Dropped Packets). 67

Figura 4.20.- Grafica que muestra la Frecuencia de Distribución. 67

Figura 4.21.- Grafica que muestra la Distribución Acumulativa. 68

Figura 4.22.- Simulación en la NAM de 40 nodos, enviando y recibiendo paquetes 69

Figura 4.23.- Detalles de la simulación con 40 nodos, instantánea tomada del archivo de Tracegraph. 69

Figura 4.24.- Grafica del Throughput de los paquetes enviados contra el tiempo de simulación. 70

Figura 4.25.- Grafica del Throughput de los paquetes recibidos contra el tiempo de simulación. 70

Figura 4.26.- Grafica que muestra los Paquetes Caídos (Dropped Packets). 71

Figura 4.27.- Grafica que muestra la Frecuencia de Distribución. 71

Figura 4.28.- Grafica que muestra la Distribución Acumulativa. 72

Capítulo 5. Resultados y Conclusiones. ............................................................................................... 72

Tabla 5.1.- Comparación de los diferentes parámetros contra el número de nodos en cada una de las

simulaciones. 73

Figura 5.1.- Paquetes Enviados contra el número de nodos. 74

Figura 5.2.- Paquetes Recibidos contra el número de nodos. 74

Figura 5.3.- Paquetes Perdidos contra el número de nodos. 74

1

Abstract

The purpose of this Thesis is to analyze a routing protocol in a wireless network by using a

computer simulation program, in order to evaluate its advantages and disadvantages, specifically in

Ad-Hoc wireless technologies in their different environments and working conditions. Due to the need

users have with their terminals and equipment, which are required to maintain in communication while

providing mobility as well (such as Notebooks, Smartphones, etc.). For this analysis I have defined

different types of scenarios with fixed dimensions on the three Cartesian axes to simulate an operational

network, where parameters are constantly changing, such as the mobility of those nodes in a real time

basis, changes on nodes positions considered in this scenario and quantity of nodes working

simultaneously. My goal for this computer simulation is to obtain accurate results that could help to

demonstrate service quality and speed operation of DSDV protocol. It means, my main goal is to meet

its performance by measuring parameters such as packets sent, packets received, packets lost, and

throughput, as well as other parameters.

Although historically applications tools such as this computer simulation Network Simultor-2

(NS-2) hasn’t been used as it was meant to, I think that this kind of applications can be useful for

specialized users as researchers, academics, network administrators, etc. This Thesis is intendment to

serve as a reference to revisit and explore new ways of research in wireless networks, wired networks,

hybrid networks, satellite networks, etc, since the power of this software simulation used in this projects

is so extended. Therefore in Chapter 3 entitled “Analysis Methodologies”, we offer all computerized

databases to implement this simulator in personal computers with basic features or in lab computers for

networking practices

2

Resumen

El objetivo de esta Tesis es realizar un análisis acerca de un protocolo de enrutamiento para redes

inalámbricas usando técnicas de simulación por computadora, con el propósito de evaluar las ventajas y

desventajas de este protocolo en redes de datos Ad-Hoc, específicamente en tecnologías inalámbricas de

tipo Ad-hoc para diversos ambientes y condiciones de trabajo. Esto debido a que los usuarios requieren

que sus equipos personales tengan movilidad y comunicación al mismo tiempo (Notebooks, Smartphones,

etc.). Dentro de este análisis he planteado diferentes escenarios de simulación para una red virtual con

dimensiones definidas en los tres ejes cartesianos y sobre los cuales se variaron algunos parámetros de

operación como son la movilidad de los nodos en tiempo real, cambio en las posiciones de los nodos que

se integran en el escenario y hasta la cantidad de nodos trabajando al mismo tiempo. El objetivo del

análisis es que la simulación por computadora obtenga datos precisos de la prueba, lo que servirá para

evaluar la calidad del servicio y la velocidad de la operación del protocolo DSDV. Es decir, el objetivo

primario es conocer su desempeño general, midiendo algunos parámetros como son los paquetes

enviados, paquetes recibidos, paquetes perdidos, y rendimiento.

Si bien históricamente las aplicaciones de simulación por computadora como el Network

Simulator NS-2 han sido poco aprovechadas, considero que este tipo de aplicaciones pueden ser útiles

para los usuarios especialistas como son investigadores, personal académico, administradores de red, etc.

Esta Tesis servirá también como una plataforma de referencia para retomar y explorar nuevas

investigaciones en redes inalámbricas, redes cableadas, redes híbridas, redes satelitales, etc, dado que el

potencial del software de simulación y los criterios de análisis utilizados son muy amplios. Por tal motivo

en el capítulo 3, titulado Metodologías de Análisis, ofrecemos las bases informáticas que pueden ser

implementadas junto con el simulador desde una computadora personal de características básicas o hasta

en un laboratorio de cómputo para prácticas de redes de computadoras.

3

Introducción General.

El presente trabajo muestra tópicos relacionados con las telecomunicaciones y más

específicamente con las redes de computadoras. También establece la importancia del estudio en los

protocolos de enrutamiento de las redes de datos ya que estos son de suma importancia para que una red

sea cada vez más eficiente y cumpla su objetivo primordial, que es transmitir la información completa,

sin errores.

En este trabajo se ofrece información sobre varias herramientas informáticas montadas sobre una

plataforma Linux, mismas que también son compatibles con sistemas operativos Windows. En este

trabajo se usan técnicas de simulación por computadora debido a que realizar este análisis con otras

técnicas como la analítica o la práctica que implican mayor complejidad, alto costo y requiere demasiado

tiempo. La simulación nos facilita también evaluar diferentes escenarios en donde el modificar

parámetros y datos como el número de nodos, dimensiones de los escenarios, tamaño de paquetes es

relativamente fácil.

Se evaluará el protocolo de enrutamiento DSDV (Destination - Sequenced Distance Vector) utilizando

un Simulador de eventos Discretos llamado Network Simulator 2 (NS-2), el cual se ha instalado sobre

una plataforma Linux distribución Ubuntu. La finalidad es evaluar el comportamiento de una red Ad-hoc

en diferentes escenarios, modificando el número de nodos y transmitiendo datos en todos ellos de forma

simultánea con el objetivo de recabar datos estadísticos, como son el número de paquetes enviados,

paquetes recibidos, paquetes caídos, fluctuaciones (jitter), y rendimiento (throghput), comparando todos

estos conjuntos de datos obtenidos en cada uno de los diferentes escenarios propuestos, con objeto de

verificar la calidad de este protocolo.

4

Objetivo del Trabajo.

El objetivo principal de este trabajo es evaluar el desempeño de un protocolo de enrutamiento del

tipo proactivo o también llamado “basado en tablas” para redes inalámbricas. Dicho protocolo consiste

en el descubrimiento de rutas a partir del algoritmo matemático llamado Bellman-Ford, denominado

específicamente como DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), generado a partir de un análisis

basado en una simulación por computadora.

Se presentan a la comunidad docente y académica herramientas para el análisis de redes de datos,

proponiendo el uso de un software libre (freeware), es decir software que es de fácil acceso y que

mantiene la flexibilidad de un código fuente abierto, para que en algún determinado momento los

usuarios de estas herramientas de computadora puedan implementar y modificar nuevos protocolos y

redes de datos, cableadas e inalámbricas para su posterior evaluación.

Se muestra a la comunidad que la simulación de redes de datos es una forma muy segura, económica

y rápida de evaluar ciertas tecnologías antes de su implementación.

Los resultados de las evaluaciones realizadas en esta Tesis nos brindaran la facultad de apreciar las

ventajas y desventajas que se presentan al utilizar cierto tipo de protocolos en determinados tipos de

redes de datos, así como orientarnos en la validación de utilizar cierta tecnología de enrutamiento en

determinadas redes de datos o bien, determinar el protocolo más factible de acuerdo a las necesidades de

la red.

5

Método de Investigación.

Para realizar esta Tesis de investigación se tomaron en cuenta las siguientes bases.

Estudio sobre los antecedentes de las redes inalámbricas.

Técnicas de comunicación de las redes inalámbricas Ad-hoc.

Documentación sobre los tipos y formas de trabajo de los protocolos de enrutamiento

enfocados a las redes inalámbricas y específicamente los basados en algoritmo matemático

Bellman-Ford.

Propuesta de escenarios de simulación, así como la determinación de los parámetros a medir

necesarios para evaluar la eficiencia de un protocolo de enrutamiento.

Implementación de los escenarios a simular en código de línea basados en Tcl para su

posterior evaluación en el simulador. Creación de los scripts para NS-2.

Análisis y evaluación de los protocolos de enrutamiento a través de simulador de eventos y

discretos Network Simulator 2.

Evaluación visual en tiempo real de los eventos ocurridos durante la presentación del

simulador gráfico “The Network Animation”.

Interpretación de los resultados obtenidos por el simulador con la herramienta TraceGraph.

Conclusiones e interpretación de los resultados obtenidos.

6

Contribución del Trabajo.

Con esta investigación pretendo dar a conocer a la comunidad académica, docente y de

investigación, un software simulador de eventos discretos que puede facilitar el análisis y estudio de las

características de la redes de datos inalámbricas, cableadas, satelitales e hibridas.

Para logarlo satisfactoriamente documente los antecedentes críticos de la evolución de las redes

inalámbricas y el comportamiento de las redes Ad-hoc, así como la viabilidad de los protocolos

empleados en estas. Posteriormente, genere una metodología tendiente a construir una simulación por

computadora tras analizar varios métodos alternativos; con el conjunto de herramientas utilizadas en el

desarrollo de este trabajo, es posible evaluar el rendimiento del protocolo de enrutamiento dejando

propuesta una plataforma paralela de despegue útil para futuras investigaciones que retomen esta

propuesta.

Una ventaja adicional es que las herramientas empleadas para el análisis de este protocolo no solo pueden

aplicarse para este tipo de proyectos, sino que son susceptibles de aplicarse en otros estudios que integren

análisis de protocolos reactivos o híbridos y aplicados en redes cableadas o satelitales, así como ir

adaptando el contexto a las necesidades del análisis.

Esta investigación no debe considerarse como un tema cerrado sino que dada su configuración, es

aplicable como punto de partida para otros estudios cuyo interés final sea perfeccionar el software en pro

de nuevas aplicaciones técnicas y tecnológicas.

7

Capítulo 1 Estudio de los protocolos de enrutamiento en redes inalámbricas.

1.1 Introducción.

El enrutamiento (encaminamiento o ruteo) es la función de dirigir los paquetes destinados a redes

locales y remotas mediante la determinación del mejor camino para enviar y reenviar paquetes de datos,

apoyado muchas veces en una “tabla de enrutamientos”. Cuando se requiere la transmisión de un

paquete, se examina la dirección destino y selecciona la mejor coincidencia con una dirección de la red

en la tabla de enrutamiento [1].

El diseño de protocolos de enrutamiento para redes inalámbricas se ha convertido en un aspecto

muy importante debido a la escasez de recursos y a la topología dinámica que caracteriza a este tipo de

redes de datos.

Los algoritmos usados regularmente en las redes fijas no pueden ser implementados en las redes

inalámbricas debido al frecuente envío de mensajes y el cambio constante de la posición de emisor y

receptor. Debido a esto, los recursos necesarios para recopilar información que contenga la topología de

red y realizar la definición que ayude a para optimizar el intercambio de datos son muy grandes, lo que

ocasiona la necesidad de implementar y optimizar protocolos diseñados específicamente para redes

inalámbricas.

En ocasiones, los estudios e investigaciones de los protocolos de enrutamiento comúnmente

encontrados en la web se centran en redes homogéneas, donde todos los dispositivos (nodos) tienen los

mismos recursos y capacidades, olvidándose que las redes inalámbricas son muy diversas en cuanto a las

características de los nodos y topologías de red.

8

La mayoría de los protocolos de enrutamiento han sido diseñados con base a dos

importantes algoritmos:

- Algoritmo de estado de enlace, basado en el modelo matemático de Dijkstra

- Algoritmos vector-distancia, basados en el modelo matemático de Bellman-Ford.

Cuando se diseña un protocolo de enrutamiento para redes inalámbricas se deben considerar los

siguientes puntos:

El intercambio de información sea mínimo.

La complejidad del algoritmo de cálculo de rutas debe ser baja.

Fácil adaptación a una topología dinámica.

Los protocolos de enrutamiento para redes inalámbricas se pueden clasificar mediante distintos

criterios. La primera clasificación está relacionada con la construcción de rutas bajo demanda o no, la

segunda clasificación está vinculada al soporte de calidad de servicio. Estas dos clasificaciones no son

las únicas existentes; también es posible considerar otras clasificaciones pensando si el protocolo de

enrutamiento es unicast (camino único) o multicast (camino múltiple).

9

1.1. Protocolos de enrutamiento proactivos, reactivos e híbridos.

En general podemos clasificar los protocolos de enrutamiento en tres categorías diferentes:

Protocolos proactivos o basados en tablas (también denominados como globales).

Protocolos reactivos o de baja demanda.

Protocolos híbridos.

En la Figura 1.1 se pueden observar esta clasificación de los protocolos de enrutamiento,

mencionando los protocolos más importantes.

Figura 1.1.- Clasificación básica de los protocolos de enrutamiento de las redes inalámbricas [2].

Los protocolos de enrutamiento proactivos o basados en tablas son aquellos algoritmos que

intentan capturar el estado global de la red de cada instante. Dicha información se halla almacenada en

las denominadas tablas de enrutamiento. Este tipo de aproximación presenta un problema básico: deriva

recursos a una captura de información en muchos casos inútil. Debido a que se trata de una topología

dinámica la información de estas tablas se invalida cada cierto tiempo, por lo tanto para realizar un buen

cálculo de rutas solo es relevante el estado de la red en el instante de realizar la transmisión. Toda la

información previamente recogida solo supone un gasto de recursos.

10

Este protocolo opera en redes en las cuales se hace necesario que el procedimiento de

descubrimiento de ruta no sea excesivamente lento en referencia al tiempo de convergencia y que la red

pueda asumir el gasto derivado de mantener una estructura global.

A continuación se presentan una descripción y funcionamiento del protocolo de enrutamiento DSDV

proactivo, del mismo tipo sobre el que realizare la implementación en el simulador. Empezare por

describir el funcionamiento del algoritmo vector-distancia basado en Bellman-Ford y después se realizará

un análisis de cómo funcionan estos, es decir cuál es el proceso de descubrimiento de rutas.

1.3. Algoritmo Vector-Distancia (Bellman - Ford).

Dadas las necesidades de este trabajo de investigación, el enfoque se centra en los algoritmos

basados en el Vector-Distancia, que a su vez está desarrollado a partir del modelo matemático de

Bellman-Ford.

El algoritmo Vector-Distancia a través de un procedimiento simple es capaz de determinar las

rutas para enrutamiento identificando las rutas de menor costo con respecto a su medida de desempeño

específico. Con este algoritmo cada nodo de la red estima el costo de las posibles rutas para comunicarse

con el nodo receptor, basado en los costos proporcionados por sus nodos aledaños. Periódicamente cada

nodo intercambia con los nodos más cercanos su tabla de ruteo. De este modo, cada nodo es capaz de

calcular cuál de los nodos vecinos es el mejor candidato para comunicarse con el nodo receptor. En este

algoritmo, cada nodo i administra una tabla de enrutamiento en la cual almacena el nodo inmediato, el

cual permite alcanzar al nodo receptor j de manera óptima. El mecanismo que permite determinar el

nodo inmediato para crear la ruta de comunicaciones es el siguiente:

11

Considere Dj,i como el costo de la ruta óptima para comunicar a nodo i con el nodo j y km se define como

di,km. Asumiendo que los costos de los enlaces son aditivos, la ruta con el menor costo para comunicar

los nodos i y j pueden ser obtenidas tras resolver las ecuaciones del Bellman-Ford [3]:

𝐷𝑖,𝑖 = 0, ∀ 𝑖 Ec. 1.1

𝐷𝑖,𝑗 = min(𝑑𝑖,𝑘𝑚+ 𝐷𝑘𝑚,𝑗)𝑝𝑎𝑟𝑎𝑖 ≠ 𝑗 Ec. 1.2

Con la condición inicial.

𝐷𝑖,𝑗 = ∞ + 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑖 ≠ 𝑗 Ec. 1.3

Para resolver la ecuación 1.1, cada nodo i de la red utiliza la información proveniente de sus m nodos

vecinos, recabando información acerca de las distancias optimas Dkm,j, como se observar en la figura 1.2.

El nodo i añade los costos del enlace di,km a la distancia recolectada Dkm,j y estima el conjunto de m costos

para comunicarse con el nodo j. El nodo vecino que proporcione el menor costo total para la trayectoria,

será seleccionado como el salto inmediato para comunicarse con el nodo j. Este procedimiento es

realizado periódicamente y de manera distribuida en la red; la sucesión de nodos elegidos de este modo

selecciona la trayectoria que minimiza el costo de la ruta. La complejidad computacional de este

algoritmo para hallar las rutas de menor costo desde un nodo fuente hacia todos los posibles destinos de

la red, es N3 donde N es el número de nodos que componen la red.

Figura 1.2.- Identificadores para el algoritmo Bellman-Ford [3].

12

1.4. Enrutamiento en redes ad hoc.

El enrutamiento de una red inalámbrica Ad-hoc tiene como objetivo principal el establecimiento

de trayectorias de comunicación entre los dispositivos inalámbricos que conforman la red. Sin embargo

se deben tomar en cuenta las características de las redes Ad-hoc como son el movimiento constante de

los nodos, la constante adición y separación de los nodos, el enrutamiento enfrenta retos complejos entre

los que se destacan:

-Topología dinámica: Este es uno de los aspectos más problemáticos para un protocolo de

enrutamiento en redes Ad-hoc. El movimiento aleatorio de los nodos que componen la red origina

cambios constantes en la red, demandando la existencia creciente de paquetes de señalización que

permiten detectar y responder oportunamente a dichos cambios.

-Enlaces asimétricos: El medio inalámbrico de las redes Ad-hoc tiende a sufrir un comportamiento

asimétrico y a presentar variables de las propiedades en lo que son los enlaces. Este comportamiento

surge de las diferencias cualitativas del medio, es decir la calidad del enlace entre dos nodos. Por

ejemplo, la calidad entre los nodos 1 y 2 puede arrojar valores diferentes si evaluamos la calidad de la

comunicación en el sentido del nodo 1 al nodo 2 en comparación a valorar la calidad de la comunicación

en el sentido del nodo 2 al nodo 1.

-Interferencia: La interferencia entre las transmisiones de los nodos que componen la red es otra

de las dificultades a las que se enfrenta un protocolo de enrutamiento para las redes Ad-hoc. Dado que

los enlaces inalámbricos son inestables y la topología de la red cambia constantemente, la interferencia

entre transmisiones se vuelve común bajo estos efectos de las redes de datos.

13

-Escalabilidad: Las redes Ad-hoc pueden ser conformadas por una gran cantidad de nodos. Esta

propiedad demanda que la convergencia de un protocolo de enrutamiento no sea significativamente

afectada por el número de nodos o elementos existentes o bien, de los que se van anexando a la red.

1.5. Enrutamiento ideal en una red Ad-hoc.

Idealmente un protocolo de enrutamiento debe poseer diferentes propiedades que le permitan

adaptarse a las necesidades presentes en una red inalámbrica, tales como adaptarse al movimiento

constante de los nodos en la red, o bien que la eficiencia de la red no se vea significativamente afectada

por el incremento de elementos en la red [4]. Algunas de las propiedades más representativas para

mencionar son las siguientes:

-Funcionamiento distribuido: Debido a que en las redes ad hoc se carece de un dispositivo

centralizado similar a un Access point, el enrutamiento debe ser ejecutado de manera distribuida entre

las computadoras de la red.

-Libre de bucles: Un protocolo de enrutamiento debe optimizar los recursos de la red, de tal forma

que las rutas de comunicación deben evitar la presencia de bucles, debido a que tener este tipo de

afectación representa una pérdida considerable en el ancho de banda y obviamente en la eficiencia de

esta.

-Adaptabilidad al medio: El medio inalámbrico induce efectos negativos en los enlaces (es

unidireccional, tiene asimetrías, presenta pérdidas de conectividad, padece reducción en el ancho de

banda, etc.), motivos por los que un protocolo de enrutamiento debe ser capaz de utilizar de manera

inteligente estos efectos, o bien minimizar su efecto negativo sobre las comunicaciones.

14

-Mínimo consumo de energía: Una de las características limitantes de los nodos que componen

una red Ad-hoc es la limitante energética. La movilidad de los nodos requiere que la energía individual

de estos dispositivos provenga de contenedores propios. El protocolo de enrutamiento debe tomar en

cuenta esta limitante y reducir al mínimo el consumo de energía.

-Sencillez: La capacidad de procesamiento de los dispositivos móviles que conforman la red es

limitada. A consecuencia de esto, un protocolo de enrutamiento debe contar con una baja demanda de

procesamiento, la cual debe ser fácil de implementar y tener una baja latencia

-Escalabilidad: El aumento considerable en la cantidad de nodos que interactúan en una red no

debe afectar la calidad de las prestaciones de una red. El protocolo de enrutamiento debe ser capaz de

ser funcional aún con la tendencia a crecer de la red.

1.6. Protocolo Destination - Sequenced Distance Vector (DSDV).

El protocolo DSDV ha sido uno de los protocolos proactivos más populares para redes ad hoc

que se han utilizado en los últimos tiempos. Esta propuesta de enrutamiento fue presentada por Perkinsy

Bhagwat en 1994. Independientemente de la eficiencia de este protocolo, se conoce que presenta varios

problemas, uno de los más conocidos es el hecho de que puede ocasionar la creación de bucles. Una de

las principales causas que propician este problema es que los nodos seleccionan basados en la

información que obtienen de manera distribuida al nodo inmediato, el cual permite enviar un paquete de

datos hasta un nodo destino. Esta decisión puede estar basada en información antigua y muy

seguramente, incorrecta. Cuando esto sucede, un paquete puede ser enviado por un bucle y continuar

transitando en el mismo aun cuando el nodo destino a donde va dirigido es inalcanzable en la red y su

ausencia no fue detectada a tiempo.

15

Regularmente, la movilidad y los cambios constantes de la topología de las redes ad hoc requieren que

cada nodo sea capaz de detectar oportunamente la ausencia de un nodo, con el fin de evitar el envío de

información a través de bucles en las trayectorias.

Es por eso que en este trabajo he agregado a algunos de los nodos la propiedad de desplazamiento en el

área de trabajo durante la simulación. De esta manera será posible observar la eficiencia del protocolo

en condiciones más reales.

Para darle una posible solución al problema de los bucles, el protocolo DSDV utiliza números de

secuencia y al mismo tiempo mantiene la simplicidad del algoritmo de Bellman-Ford. Como este

protocolo es de carácter proactivo, tanto el intercambio de información de enrutamiento como el cálculo

de rutas de comunicación se realizan de manera periódica, de este modo cada nodo obtiene y procesa la

información actualizada y confiable de la organización de la red. De esta manera, el funcionamiento

distribuido del protocolo demanda que todos los nodos que componen la red compartan su tabla de

enrutamiento con los nodos más cercanos o dentro de su alcance. De este modo cada nodo puede calcular

una ruta para cada destino dentro de la red, seleccionando así al nodo más cercano que proporcione la

mejor ruta de comunicaciones.

Cuando un nodo desea transmitir información, es necesario que conozca un camino óptimo para

hacerla llegar al nodo receptor. El procedimiento para definir una ruta óptima utiliza información acerca

de la forma en que está organizada la red de datos y así determinar el camino óptimo, pudiendo enviar la

información desde el nodo destino hasta el nodo origen. El protocolo DSDV utiliza tablas de

enrutamiento para almacenar y compartir las rutas óptimas de comunicación. Cada uno de los nodos que

componen una red de datos administra su propia tabla de enrutamiento y en esta se almacenan todos los

posibles destinos de la red, el costo del camino para llegar a cada uno de estos nodos así como al nodo

inmediato, lo que permite comunicarse con cada nodo destino de manera inmediata.

16

Para poder construir esta tabla de enrutamiento tan detallada es necesario conocer la topología de red.

Una forma de hacerlo es a través de la cooperación de los elementos que la componen. El protocolo

DSDV exige que cada uno comparta su visión de la red con sus nodos vecinos y al mismo tiempo la

reciba de estos. Cuando este procedimiento se realiza en repetidas ocasiones, cada nodo puede tener una

visión global. Con esta información, cada nodo puede determinar cuál es el nodo vecino que ofrece el

mejor camino de comunicación hacia el nodo destino; este resultado es almacenado en tablas de

enrutamiento y compartido de nueva cuenta con los nodos vecinos. Cada una de las rutas que se almacena

en esta tabla de enrutamiento es etiquetada con un número de secuencia. Este número de secuencia es

un contador, administrado por cada nodo receptor, el cual es adjuntado e incrementado por cada paquete

de señalización enviado por este nodo. Este identificador permite discernir la información actualizada

de aquella que no lo está.

Para mantener actualizada la información sobre la topología de red en cada nodo, el protocolo

DSDV requiere que estos nodos compartan periódicamente los datos que residen en su tabla de

enrutamiento. Para que este procedimiento sea relevante, la frecuencia con la que comparten información

debe ser suficiente como para detectar los cambios que suceden en la red, cambios como la nueva

posición de un nodo en determinado momento o como el agregar/eliminar nodos en la red. En la Figura

1.3 se ejemplifica de forma gráfica la señalización necesaria para la utilización del protocolo DSDV en

una red compuesta por 9 nodos. Cada mensaje de señalización en su forma básica está compuesto por

los siguientes puntos:

- Su número de secuencia actualizado, correspondiente al nodo que envía el paquete de

señalización.

- El identificador del nodo destino.

- El número de saltos necesarios para llegar al nodo destino.

- El número de secuencia actualizado y correspondiente al nodo destino.

17

Cada que un nodo recibe la tabla de enrutamiento de sus nodos vecinos, almacena o actualiza la ruta de

comunicaciones tomando como base las siguientes condiciones:

- Cualquier ruta con un número de secuencia más reciente, comparada con la misma ruta

almacenada, será seleccionada.

- Si una ruta tiene el mismo número de secuencia pero menor costo de almacenamiento, entonces

dicha ruta será seleccionada.

Figura 1.3.- Señalización del protocolo DSDV [4].

Haciendo referencia a la Figura 1.4, cuando el nodo A recibe información proveniente de B sobre la ruta

de comunicación con C, y asumiendo que el último número de secuencia de C visto por A es Ac y el

último visto por B es Bc, el proceso de actualización de la ruta deberá satisfacer las siguientes condiciones:

- Si Ac>Bc, la información de enrutamiento se ignora recibida por B.

- Si Ac = Bc, se toma en consideración el costo de la ruta. Aquella cuyo costo sea el menor será

almacenada en la tabla de enrutamiento.

- Si Ac<Bc, selecciona a B como el salto para alcanzar a C y se asigna a Ac, el valor de Bc.

18

Figura 1.4.- Envío de paquetes de señalización DSDV del Nodo B al nodo A.

Cuando un enlace de comunicación se pierde, ocasionado principalmente por movilidad de los

nodos, la distancia hacia este nodo se define como infinita. Si este nodo es un nodo vecino que sirve de

salto inmediato para llegar a otros nodos, la distancia hacia estos nodos también se considera infinita. La

información de este nodo se envía inmediatamente para que se propague en la red y altere a los otros

nodos. La movilidad, es un evento que puede provocar la pérdida de enlaces de comunicación, en un

entorno altamente dinámico sus efectos serían desastrosos debido a que la cantidad de mensajes de

señalización para dar aviso de estos eventos se incrementa al grado de consumir una gran porcentaje del

ancho de banda disponible en la red. Una posible solución para este tipo de eventos resulta de utilizar

dos tipos de mensajes de control: el primero (full duplex) contiene toda la información de la tabla de

enrutamiento y el segundo (Incremental Dump) solo los cambios menores que han sufrido la tabla de

enrutamiento desde el ultimo full dump enviado.

Para clasificar el proceso de actualización de las tablas de enrutamiento, se muestra en la figura

1.5 un ejemplo básico de este proceso. En la Figura 1.5a podemos observar el estado de la tabla de

enrutamiento de los nodos A, B y C, antes de la actualización. En este ejemplo podemos ver al nodo B

incrementar su número de secuencia y enviar su tabla de enrutamiento hacia sus nodos vecinos dado que

ha detectado un cambio en el costo de un enlace.

En el momento en que los nodos A y B reciben este paquete, se verifica que el número de secuencia del

mensaje recibido es más reciente que el número de secuencia respectivo en su tabla de enrutamiento.

19

En este momento los nodos A y C actualizan su tabla de enrutamiento y almacenan el nuevo número de

secuencia correspondiente al nodo que envío el paquete, tal como se muestra en la Figura 1.5b.

(a) Estado previo de la actualización (b) Estado después de recibir la actualización

Figura 1.5.- Estado de las tablas de enrutamiento durante el proceso de actualización.

Cuando un nuevo nodo se integra a la red difunde su tabla de enrutamiento a sus nodos vecinos,

como se muestra en la figura 1.6a. En este ejemplo, el nodo D ingresa a la red y difunde su tabla de

enrutamiento al nodo C. El nodo C al momento de recibir esta información, incluye al nodo D en su

tabla de enrutamiento y difunde a su nodo vecino B esta nueva información, no sin antes incrementar su

número de secuencia, tal y como se muestra en la Figura 1.6b. El mismo proceso lo realiza el nodo B y

envía la información al nodo A, de modo que todos los nodos en la red detectan la presencia del nodo D.

a) Estado previo de la actualización (b) Estado después de recibir la actualización

Figura 1.6.- Estado de las tablas de enrutamiento durante la integración de un nuevo nodo.

En la Figura 1.6 se muestra el procedimiento que hace el algoritmo DSDV al momento de atender

la pérdida de conectividad en la red con algún nodo.

20

En la figura 1.7a se muestra como el nodo D pierde conectividad con su nodo vecino C. Al momento en

que el nodo C detecta que no existe el enlace de comunicación con el nodo D, en su tabla de enrutamiento

se asigna el costo ∞ a esta trayectoria y de inmediato se envía la notificación a sus nodos vecinos, como

se muestra en la Figura 1.7b. Aun cuando el nodo C reciba notificación de la ruta hacia D, éste las ignora

debido a que cuenta con un número de secuencia actualizado para la secuencia de esta trayectoria. Los

nodos A y B, al momento de recibir la notificación de la ausencia del nodo D inmediatamente le asignan

el costo ∞ a la ruta, lo cual indica que dicho nodo es inalcanzable en la red.

(a) Estado a la notificación (b) Estado después de recibir la notificación

Figura 1.7.- Estado de las tablas de enrutamiento durante la pérdida de un nodo.

21

Capítulo 2. Características de otros protocolos de enrutamiento

2.1. Introducción.

Las principales características de las redes Móviles Ad-hoc (MANET), es que todos los

dispositivos que forman parte de la red, además de funcionar como terminales finales, realizan también

funciones de retransmisión de paquetes típicamente asociados a routers.

Esta cualidad nos permite encaminar paquetes a destinos sin cobertura directa a través de otros

nodos intermedios que se encuentren en la red. De este modo se nos ofrece la posibilidad de incrementar

de una manera descomunal la movilidad y el tamaño de una red de datos inalámbrica. Las características

principales de estas redes es crear de una manera eficaz y eficiente una red temporal en lugares carentes

de infraestructura de red. Las principales aplicaciones para las que estas redes fueron desarrolladas son

la operación de búsqueda y rescate de emergencia (bomberos), entornos militares (campos de batalla),

redes de sensores, creación de vehículos y carreteras inteligentes.

Para que lo descrito en el párrafo anterior sea una opción para implementarse en la vida real, se hace

completamente necesaria la inclusión en la red de protocolos de enrutamiento que nos permitan crear

rutas hacia los destinos deseados. Los protocolos de redes fijas mencionados en el capítulo anterior no

se adaptan bien a este tipo de entornos tan dinámicos, por lo tanto es necesario el diseño específico de

protocolos, mismos que proporcionaran un comportamiento eficiente a la red.

2.2. Comparación de los protocolos de enrutamiento.

Dependiendo de sus características, se pueden tener las siguientes comparaciones entre los protocolos:

• Proactivos vs. Reactivos (o bajo demanda) como ya se había mencionado en el capítulo anterior: Esta

es la clasificación más importante. Por una parte, en los protocolos proactivos, periódicamente se envía

22

información de enrutamiento para que en cualquier momento cualquier nodo pueda comunicarse con otro

de los nodos de la red. Esta característica proporciona una rápida respuesta ante solicitudes de ruta y

ofrece un buen comportamiento en situaciones donde la tasa de movilidad es alta. Sin embargo la

sobrecarga que se introduce en la red con información de control también es alta. Entre estos protocolos

podemos destacar el protocolo DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector) [5]. Por otra parte, los

protocolos reactivos sólo crean rutas cuando es necesario. Son protocolos que operan en una modalidad

que podemos considerar bajo demanda, donde la sobrecarga es mucho menor aunque los retrasos de

establecimiento de rutas son mayores. Podemos nombrar AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector)

[6] como un ejemplo de protocolo reactivo. Existen algunos protocolos híbridos en los que se mantiene

una filosofía proactiva en un ámbito local y reactiva a nivel más global, como el protocolo ZRP (Zone

Routing Protocol) [7].

• Jerárquico vs. Plano: En los protocolos jerárquicos, los nodos pertenecen a diferentes niveles y su

función en la retransmisión depende del nivel en el que operen. En este caso, normalmente las redes se

dividen en grupos de nodos llamados clusters. En los protocolos planos, todos los nodos se considera

están al mismo nivel, tienen las mismas funciones y responsabilidades. Uno de los protocolos jerárquicos

más destacables es CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing) [8].

• Geográficos vs. No Geográficos: En los protocolos geográficos, se tiene en cuenta la posición

geográfica exacta de cada nodo para realizar los enrutamientos. Su gran inconveniente es la necesidad

de dispositivos de posicionamiento global (GPS), ya que estos todavía no lo suficientemente comunes en

todos los sitios. Entre estos protocolos podemos encontrar DREAM (Distance Routing Effect Algorithm

for Mobility) [9].

• Enrutamiento en el origen vs. Enrutamiento salto a salto: En los protocolos con enrutamiento en el

origen, cada paquete de datos lleva incorporado el camino que debe seguir en la red hasta el destino.

23

Por esta característica, la necesidad de proceso en los nodos intermedios es prácticamente nula, en cambio

se incrementa el volumen de los paquetes. Por el contrario, en el enrutamiento salto a salto, en cada nodo

únicamente se decide cuál será el nodo siguiente. El protocolo más conocido y extendido que utiliza

enrutamiento en el origen es DSR (Dynamic Source Routing) [10].

• Multipath vs. Singlepath: Los protocolos singlepath sólo mantienen una ruta única hacia cada destino,

en cambio los multipath mantienen varias. El protocolo TORA (Temporally-Ordered Routing

Algorithm) [11] es un ejemplo de protocolo multipath.

Con el fin de ofrecer una base teórica al estudio práctico realizado, presentamos aquí brevemente las

características más relevantes de los protocolos analizados en las simulaciones:

A. Destination - Sequenced Distance Vector (DSDV)

El protocolo DSDV [6] es esencialmente una modificación del algoritmo de enrutamiento Vector

Distancia Bellman-Ford, bien conocido por su utilidad en redes fijas, como por ejemplo en el protocolo

RIP [8]. En este algoritmo proactivo, los nodos vecinos intercambian periódicamente sus tablas de

enrutamiento enteras para estimar la distancia a la que se encuentran los demás nodos no vecinos. Las

modificaciones introducidas por DSDV proporcionan básicamente la obtención de rutas sin bucles

mediante la introducción de números de secuencia para determinar cuáles son las rutas más nuevas.

Aunque DSDV sólo proporciona un camino para cada destino, siempre elige el camino más corto

basándose en el número de saltos hacia este. DSDV utiliza dos tipos de mensajes de actualización, uno

más grande (full-dump) y otro mucho más pequeño (incremental).

24

Los mensajes incrementales pueden utilizarse para actualizaciones intermedias entre envíos periódicos

(fulldump) de la tabla entera de enrutamiento. Además se realizan estimaciones de los tiempos de

establecimientos de ruta que retrasarán el envío de mensajes incrementales para evitar envíos en cadena

de estos mensajes.

B. Optimized Link-State Routing Algorithm (OLSR)

El protocolo OLSR incorpora la filosofía utilizada en protocolos tradicionales como OSPF de ‘Estado de

los Enlaces’. En este algoritmo todos los nodos se intercambian mensajes para formarse una visión

consistente de toda la red y así poder decidir el enrutamiento de paquetes. El protocolo OLSR adolece

del mismo problema que el protocolo DSDV debido a la necesidad de intercambio de un gran número de

mensajes periódicos. Aquí, el problema podría llegar a ser mayor, ya que además de mensajes HELLO

a los vecinos envía mensajes de control TC (Topology Control), los que se retransmiten a todos los nodos

de la red. Sin embargo se ha conseguido una gran optimización en la retransmisión de estos mensaje con

la incorporación de la Técnica de Retransmisión Multipunto, a través de la cual, los mensajes sólo son

retransmitidos por el mínimo número de nodos necesarios para alcanzar a todos los demás. Estos nodos

son conocidos como Grupo de Retransmisores Multipunto (MPR's).

C. Dynamic Source Routing (DSR)

El protocolo DSR [10] se fundamenta en el enrutamiento desde el origen, es decir, los paquetes de datos

incluyen una cabecera de información acerca de los nodos exactos que deben atravesar. No requiere

ningún tipo de mensajes periódicos (reactivo), disminuyendo así la sobrecarga con mensajes de control.

Además ofrece la posibilidad de obtener, con la solicitud de una ruta, múltiples caminos posibles hacia

25

el destino. Tampoco son un problema, a diferencia de la mayoría de protocolos de enrutamiento en este

tipo de redes, los enlaces unidireccionales. Para poder realizar el enrutamiento en el origen, a cada

paquete de datos se le inserta una cabecera DSR de opciones que se colocará entre la cabecera de

transporte y la IP. Entre dichas opciones se incluirá la ruta que debe seguir el paquete nodo a nodo. Cada

nodo mantiene una memoria caché de rutas en la que se van almacenando las rutas obtenidas a través de

procesos de descubrimiento de rutas ya sean propios u obtenidos a través de escuchas en la red. En los

procesos de descubrimiento de rutas se generan mensajes de solicitud, respuesta y error siendo estos

mensajes ROUTE REQUEST, REPLY y ERROR respectivamente.

D. Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV)

En el protocolo AODV [6] los nodos mantienen una tabla de enrutamiento para los destinos conocidos

(empleando el algoritmo vector distancia). Inicialmente esta tabla estará formada por sus vecinos.

Solamente se le añadirán destinos nuevos cuando sea necesario, es decir, cuando un nodo necesita

comunicarse con otro que no está en su tabla, iniciando un proceso de descubrimiento de ruta (reactivo)

hacia el destino concreto. Para ello se emiten mensajes de descubrimiento de ruta RREQ que se van

propagando entre todos los nodos de modo similar al DSR. En respuesta, aquí los nodos generan una

tabla de enrutamiento inversa para que puedan regresar las contestaciones RREP a las solicitudes de ruta

al nodo que la originó. Se recomienda el uso de mensajes HELLO entre vecinos para determinar la

conectividad, aunque para reducir el volumen de estos mensajes, sólo debe permitirse su envío a los

nodos que estén transmitiendo datos. Debemos destacar además la utilización de las técnicas de

"búsqueda secuencial por anillos" y "reparación local del enlace", ya que así es como es capaz de

proporcionar soporte multicast.

26

2.3 Estadísticas y Comparación de protocolos de enrutamiento.

En otros estudios realizados con la misma herramienta de simulación de redes NS-2 realizado por

Roberto Subiela Durá y el Dr. Antonio León Fernández de la Universidad Politécnica de Valencia, se

encontraron los datos que se observan en la figura 2.1, haciendo un primer escenario de simulación en

donde someten una red de datos a diferentes cambios durante 100 segundos. La red está compuesta por

tres dispositivos, dos de los cuales se comunican utilizando protocolo de transporte TCP. En unos

instantes se comunica de forma directa, en otros a través de un nodo intermedio mientras que en otros

momentos es imposible la comunicación. La figura 2.1 muestra los paquetes recibidos. Los mejores

resultados los ofrece el protocolo AODVUU debido a su apoyo en el servicio de mensajes HELLO, el

cual le proporciona una rápida detección de vecinos. Sin embargo, el protocolo DSDV para este caso

ofrece los peores resultados debido a que utiliza un periodo de actualización muy alto.

Figura 2.1.- Numero de paquetes recibidos escenario 1.

Otro análisis destacable es el del rendimiento o Througput. En la figura 2.2 podemos ver los resultados

obtenidos donde se observa como éstos oscilan en torno a dos valores que se corresponden con los casos

en que los protocolos logran establecer comunicación directa o indirecta.

27

Figura 2.2.- Throughput del escenario 1

En un segundo escenario, más simple, dos nodos sin cobertura directa intentan sin éxito comunicarse

utilizando el protocolo de transporte UDP (Ver Figura 2.3a), para posteriormente comunicarse vía un

dispositivo intermedio (Ver Figura 2.3b).

Figura 2.2.- Visualización del escenario 2

28

La figura 2.3 muestra el tiempo trascurrido desde que se establece la comunicación hasta el momento en

que cada protocolo logra establecer la comunicación. El estudio se ha realizado para todos los protocolos,

aquí se presenta los correspondientes al protocolo OLSR. La línea vertical negra muestra el instante

desde que existe conectividad y las azules corresponden a los intercambios de dos mensajes periódicos

para establecer la comunicación. Este hecho es debido a que en un primer intercambio cada nodo da a

conocer a sus vecinos y así todos los nodos eligen sus MPR’s, mientras que en el segundo estos se

comunican con los demás y así pueden crearse todas las tablas.

Figura 2.3.- Visualización del escenario 2

En un tercer escenario, se estudió una situación contraria al caso anterior que también utilizo una

transmisión UDP. En primer instancia, los nodos tienen conectividad directa (Ver Figura 2.4a). En un

movimiento pierden la conectividad directa y deben restablecer la conectividad a través de un nodo

intermedio, este movimiento se puede observar en la Figura 2.4b.

En el estudio del comportamiento de todos los protocolos mostrado en la figura 2.5, se puede observar

que solicita la nueva ruta hacia el destino sólo cuando intenta establecer la comunicación. Podemos ver

la representación de los mensajes de solicitud y respuesta de la ruta.

29

En el momento de perdida de conectividad, observamos como la reacción del protocolo es instantánea.

El motivo principal es que el DRR detecta instantáneamente la perdida de la conectividad a través de la

capa de enlace y solicita un nuevo descubrimiento de ruta de inmediato.

Figura 2.4.- Visualización del escenario 2

Figura 2.5.- Visualización del escenario 2: DSR

Debido a los pobres resultados ofrecidos por el protocolo DSDV, procederé en este trabajo de Tesis a

una revisión más concreta utilizando otras herramientas de simulación.

30

Capítulo 3. Metodología de análisis.

3.1. Generalidades.

Para el estudio de los métodos y parámetros planteados en el desarrollo de esta investigación fue

necesaria la utilización de una herramienta de medición que se acople a las necesidades que se requerían

para el análisis del protocolo. Seguido de esto, tuve la necesidad de buscar opciones y elegir la más

viable. A continuación se plantean mis opciones, eligiendo la más adecuada para lograr el objetivo

planteado.

La evaluación del desempeño es muy importante a la hora de analizar un protocolo, este me

permitirá elegir uno sobre otro en determinados tipos de redes o dependiendo de las necesidades de los

usuarios. Esto con el fin de optimizar el funcionamiento de los sistemas y proveer un servicio más

eficiente de la red a los usuarios terminales.

Para este propósito existen tres técnicas para la evaluación:

- Medición Física (Práctico).

- Modelos Analíticos (Matemático).

- Simulación (por Computadora).

Las medición práctica es la forma más recomendada para el estudio pero solo si se cuenta con la

infraestructura, software y equipos de medición especializados. Este método de evaluación es más

preciso, menos flexible y más costoso con respecto a los métodos por simulación y al modelo analítico.

El modelado analítico resulta conveniente cuando se pretende hacer abstracciones de fenómenos físicos,

construyendo, inicialmente un modelo matemático que se aproxime al fenómeno de estudio en cuestión.

31

Por último, la simulación incorpora más detalles que permiten obtener una mejor descripción del objeto

en estudio con relación al modelo analítico o matemático y es muy funcional aun cuando no se cuenta

con la infraestructura o se disponga del tiempo, el cual es considerable para el estudio.

Con respecto a la simulación, existen varios tipos: Emulación, Simulación Monte Carlo,

Simulación trace-driven y Simulación de eventos discretos.

Una simulación estática o sin variable en el tiempo es llamada simulación Monte Carlo. Este tipo

de simulación se utiliza para fenómenos de modelo probabilístico 1 , mismo que no cambia sus

características con el tiempo a diferencia de las simulaciones dinámicas que requieren la generación de

números pseudo-aleatorios. Las simulaciones Monte Carlo también son usadas para evaluar expresiones

no - probabilísticas usando métodos probabilísticos.

Una simulación trace-driven se maneja generalmente por un archivo de traza. Este tipo de

simulación se utiliza usualmente en el análisis o valoración de los algoritmos de administración de

recursos, análisis de cache, algoritmos de planificación y algoritmos para dinámicas de asignación de

recursos de la red. Estos son algunos ejemplos de casos donde simulaciones trace-driven han sido usadas

satisfactoriamente.

Una simulación utilizando un modelo de estado discreto del sistema es llamada simulación de

eventos discretos contrariamente a la simulación de eventos continuos. Los modelos de estado continuo

son usados en simulaciones químicas, donde el estado del sistema es descrito por la concentración de una

substancia química. En sistemas computacionales, se utilizan modelos de eventos discretos cuando el

estado de sistema es descrito por el número de tareas en varios dispositivos.

1 Son aquellos fenómenos en los que se desconocen algunas variables, pero si se reúnen las conocidas, tendrán la posibilidad de presentarse o no manifestarse.

32

La siguiente tabla muestra una breve descripción de algunos de los simuladores existentes.

Tabla 3.1.- Comparación de los simuladores (Características generales)

SIMULADOR TIPO DE

LICENCIA

REQUERIMIENTOS

S.O.

PROTOCOLOS Y

TECNOLOGÍAS

CARACTERÍSTICAS

GENERALES

NS-2 Software

libre

-Plataforma Unix (Free

BSD, Linux, SunOS,

Solaris) y plataformas

Windows.

-Procesador Pentium II

de 200 Mhz, 32 MB

-Espacio H.D. 20MB

HTTP, FTP, CBR,

TCP, UDP, RTP,

SRM, entre otros.

Es una herramienta con un amplio

rango de uso, soporta una gran

cantidad de protocolos de las capas de

aplicación y transporte, además de

otros utilizados para el enrutamiento

de los datos. Permite simular redes

cableadas, inalámbricas, satelitales: y

aplicaciones a grandes redes con

topologías complejas y generadores

de tráfico.

Opnet Licencia

(OPNET)

- Plataforma Windows

NT, 2000, XP y tipo

UNIX

- Procesador Pentium II

de 250 MHz o

equivalente

- RAM 32 MB

- Espacio H.D. 20 MB

HTTP, TCP, IP

OSPF, BGP, RIP,

RSVP,

FrameRelay, FDDI,

Ethernet, ATM,

LAN 802.11,

PNNI, DOCSIS,

UMTS, IP,

Multicast,

CircuitSwitch,

MANET, IP Móvil,

entre otras

Permite diseñar y estudiar redes

dispositivos, protocolos y

aplicaciones brindando escalabilidad

y flexibilidad, cualidades que les

permiten ofrecer a sus usuarios

trabajar en procesos de investigación

y desarrollo.

Está basado en la teoría de redes de

colas e incorpora librerías para

facilitar el modelado de las topologías

de red

Packet Tracer Licencia

(CISCO)

- Plataforma Windows

98, ME, XP y

Macintosh

- Procesador Pentium II

de 250 MHz o

equivalente

- RAM 64 MB

- Espacio H.D. 30 MB

Tecnologías

Ethernet, Fast

Ethernet, Gigabit

Ethernet,

inalámbricas,

VLAN, NAT, PAT,

Protocolos DHCP,

RIP

PacketTracert es un simulador de

entorno de redes de comunicaciones

de fidelidad media, que permite crear

y configurar redes incluyendo los

dispositivos como computadoras,

router y swicht.

Detecta los errores en las topologías

de redes de comunicación

NCTUns Software

Libre

- Plataforma Red hat,

Fedoracore 3.0

- Procesador Pentium II

de 250 MHz o

equivalente

- RAM 256 MB

- Espacio H.D. 200 MB

Protocolos creados

por el usuario

Es un simulador y emulador de redes

y sistemas de telecomunicaciones

avanzado, permite desarrollar,

evaluar y diagnosticar el desempeño

de protocolos y aplicaciones en

diferentes redes (LAN, WAN)

familiarizando al usuario con

interfaces similares a las de los

sistemas reales. Genera resultados de

simulación de alta fidelidad

SSFNet Software

Libre

- Plataforma UNIX

- Procesador Pentium II

de 450 MHz o

equivalente

-RAM 64MB

- Espacio H.D. 20 MB

TCP, UDP,

Sockets, OSPFv2,

OSPF, BGP4,

HTTP, NetFlow;

IP, NIC

Es una colección Java SSF basadas en

componentes para el modelo y

simulación de protocolos de internet y

de redes por encima del nivel de

paquetes IP

J-Sim 1.3 Software

Libre

- Plataforma Windows

NT, 2000, XP y tipo

UNIX

Proporciona soporte

a la gran mayoría

de protocolos

Multicast y QoS

Simulador desarrollado con apoyo de

NSF, DARPA, CISCO. J-Sim provee

un ambiente de simulación compuesto

basado en componentes. La entidad

básica en este simulador son los

33

- Procesador Pentium II

de 400 MHz o

equivalente

- RAM 128 MB

- Espacio H.D. 250 MB

componentes y su comportamiento

está definid en términos de contratos.

Tabla 3.2.- Ventajas y Desventajas de los simuladores

SIMULADOR VENTAJAS DESVENTAJAS

NS-2

Este programa contiene módulos que cubren un

extenso grupo de aplicaciones, protocolos de

ruteo, transporte, diferentes tipos de enlaces,

estrategias y mecanismos de ruteo; entre otros.

Algunos de estos son: http, TcpApp, telnet,

CBR (Constat Bit Rate), TCP, RTP, algoritmos

de ruteo, enrutamiento jerárquico y

enrutamiento manual.

Por ser uno de las más antiguas herramientas

de simulación, el NS se ha convertido en un

estándar de su área, esto ha llevado a que sea

ampliamente utilizado y a que se encuentre en

internet un gran número de ayudas y proyectos

realizados sobre NS.

La configuración de las simulaciones es a través de

código, esto hace que sea mayor el tiempo de

desarrollo. Además también se incrementa el tiempo

necesario para el aprendizaje del software.

NS requiere varios componentes adicionales

instalados para su correcto funcionamiento.

OPNet

El programa incluye las librerías para acceder

a un extenso grupo de aplicaciones y

protocolos como HTTP, TCP, IP, OSFD, BGP,

EIGRP, RIP, RSVP, FrameRelay, FDDI,

Ethernet, ATM, LNAs 802.11, aplicaciones de

voz, MPLS, PNNI, OCSIS, UMTS, IP,

Multicast, CircuitSwitch, MANET, IP móvil;

entre otras.

Tiene interfaces para visualización del modelo

en 3D. Los APIs de simulación permiten

acceder libremente al código fuente, lo cual

facilita la programación de nuevos protocolos

de red. Maneja topologías de red complejas

con subredes anidadas ilimitadas. Permite

mostrar el tráfico por la red a través de una

animación durante y después de la simulación.

Los resultados se exhiben mediante gráficos

estadísticos.

Es un software propietario, lo cual lo hace costoso

para ambientes universitarios. Es necesario obtener

la licencia para poder utilizar el software ya que no

existen versiones académicas o de prueba.

La determinación de los intervalos de confianza es

complicada

El tiempo de aprendizaje es elevado.

Packet

Tracert

El enfoque pedagógico de este simulador hace

que sea una herramienta muy útil como

complemento de los fundamentos teóricos

sobre redes de comunicaciones.

El programa posee una interfaz de usuario muy

fácil de manejar, e incluye documentación y

tutoriales sobre el manejo del mismo. Permite

ver el desarrollo por capas del proceso de

trasmisión y recepción de paquetes de datos de

acuerdo con el modelo de referencia OSI.

Permite la simulación del protocolo de

enrutamiento RIP V2 y la ejecución del

protocolo STP y el protocolo SNMP para

realizar diagnostico básicos a las conexiones

entre dispositivos del modelo de la red.

Es un software propietario, y por ende se debe pagar

una licencia para instalarlo.

Solo permite modelar redes en termino de filtrado y

retransmisión de paquetes. No permite crear

topologías de red que involucren la implementación

de tecnologías diferentes a Ethernet, es decir que con

este programa no se pueden implementar

simulaciones con tecnologías de red como

FremeRelay, ATM XDSL, Satelitales, telefonía

celular entre otras.

Ya que su enfoque es pedagógico, el programa se

considera de fidelidad media para implementarse con

fines comerciales.

NCTUns Es un software libre, con distribución de

código abierto. Utiliza directamente el

Solamente funciona en sistemas Fedora Core, para

otras distribuciones Linux es necesario hacer pruebas

34

conjunto de protocolos TCP/IP de Linux, por

consiguiente se generan resultados de

simulación de alta fidelidad y permite que la

configuración y el uso de una red simulada, sea

exactamente igual a los usados en redes IP del

mundo real.

Pueden ser utilizados como emulador. Esto

permite un host externo conectado a una red del

mundo real, puedan intercambiar paquetes con

nodos (por ejemplo: hosts, enrutadores o

estaciones móviles celulares) en una red

simulada en NCTUns. Puede utilizar cualquier

aplicación de UNIX existe en la vida real,

como un generador de tráfico, además puede

utilizar las herramientas de configuración y

monitoreo de UNIX. Puede simular redes fijas,

inalámbricas, redes celulares, redes GPRS,

redes ópticas.

y configuraciones adicionales. Existe muy poca

información sobre el funcionamiento y

configuraciones de software. El anterior punto lleva

a que sea mayor el tiempo de aprendizaje del

simulador. El servicio de soporte proporcionado por

los autores del proyecto NCTUns es deficiente y en

algunas ocasiones no funciona.

SSFNet

Es un software libre hasta cierto punto, esta

codificado en C++ y Java. Proporciona dos

interfaces.

Es altamente escalable y permite el uso de

prácticamente todos los protocolos en internet.

Existen varios errores en la implementación y a

última instancia los usuarios son responsables de

verificar la validez de los resultados.

Presenta una falta de rendimiento considerable en las

versiones gratuitas, ya que la versión optimizada es

comercial.

J-Sim 1.3

J-Simesta implementado completamente en

Java, pero también provee una interfaz de

script para la integración con diferentes

lenguajes de script como Perl, Tcl o Python.

La extensión para usar J-Sim con Tcl se llama

Jacl.

A diferencia de NS-2, en J-Sim las clases,

métodos y ”fields” no necesitan ser exportados

explícitamente para ser accesibles en el

ambiente Tcl.+

Simulador en tiempo real y discreto, permite el

uso de casi todos los protocolos, tiene la

capacidad de simular mediante scripts.

No ha recibido una actualización importante por los

desarrolladores desde el 2005, a pesar de contar con

patrocinadores importantes.

Cuenta con muy poca información como tutoriales

guía lo que sigue haciendo al NS-2 más viable.

3.2. Elección del método de análisis.

Después de analizar las características de cada uno de los métodos descritos, se concluyó que el

uso de un simulador sería la herramienta más útil ya que nos permite asemejarnos a la realidad, sin tener

que contar necesariamente con la infraestructura, lo que lo hace económico y al alcance de todos.

Gracias a las Tablas 3.1 y 3.2 podemos observar una comparación y un resumen de los simuladores, así

como las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. Una vez estudiados estos simuladores, analizando

que cumplieran con mis requerimientos y presupuestos, se eligió el simulador NS-2. Resumiendo el

porqué de su elección, podemos asegurar que NS-2, es un simulador de eventos discretos, de libre acceso,

35

alta flexibilidad, y aunque no es muy amigable o fácil de utilizar en internet existe bastante información

sobre este simulador. Esto nos permite realizar una gran variedad de aplicaciones, además de estar

avalado por comunidades de investigación de Internet quienes utilizan estas herramientas desde hace

varios años y que también se ha llegado a usar para probar el funcionamiento de nuevos sistemas de

gestión de buffers. Este software simulador será montado sobre una plataforma Linux, específicamente

la distribución UBUNTU ya que los desarrolladores recomiendan sea usado preferentemente sobre

LINUX.

3.3. Linux Ubuntu 14.04.

Ubuntu es una distribución GNU/Linux basada en Debian GNU/Linux, que proporciona un

sistema operativo actualizado y estable para el usuario medio, con un fuerte enfoque en la facilidad de

uso e instalación del sistema. Al igual que otras distribuciones como Redhat, Mandrake, SuSE etc., se

compone de múltiples paquetes de software normalmente distribuidos bajo una licencia libre o de código

abierto.

Está patrocinado por Canonical Ltd., una compañía británica propiedad del empresario

sudafricano Mark Shuttleworth que en vez de vender la distribución con fines lucrativos, se financia por

medio de servicios vinculados al sistema operativo y la venta de soporte técnico. Además al mantenerlo

libre y gratuito, la empresa es capaz de aprovechar los desarrolladores de la comunidad en mejorar los

componentes de su sistema operativo. Canonical también apoya y proporciona soporte para cuatro

derivados de Ubuntu: Kubuntu, Xubuntu, Edubuntu y la versión Ubuntu orientada a servidores.

Cada seis meses se publica una nueva versión de Ubuntu la cual recibe soporte por parte de

Canonical, durante dieciocho meses, por medio de las actualizaciones de seguridad, parches para bugs

críticos y actualizaciones menores de los programas. Las Versiones LTS (Long Term Support), que se

36

liberan cada dos años reciben soporte durante tres años en los sistemas de Escritorio y cinco para versión

orientada a servidores.En el desarrollo de este trabajo elegí una versión LTS, para ser más preciso la

Ubuntu 10.04. Cabe mencionar que se realizó un pedido a la empresa directamente en su página de

internet y lo enviaron a la dirección proporcionada sin ningún costo.

3.4. Simulador de Redes Network Simulator (NS-2).

Network Simulador 2 o mejor conocido como NS-2 es un simulador de eventos discretos pensado

para el desarrollo de redes con un gran nivel de detalle [14], y es utilizado principalmente en ambientes

académicos debido a que está escrito en código abierto. Es capaz de simular tanto protocolos unicast

como multicast y regularmente es utilizado para la investigación de redes Ad-hoc. Puede simular una

amplia gama de protocolos tanto para redes cableadas o redes inalámbricas, así como redes mixtas, redes

vía satélite con una gran cantidad de protocolos a distintos niveles, la capa de trasporte (tcp, udp, etc...),

la capa de aplicación (ftp, cbr, http, etc.) o la capa de enlace de datos (como el CSMA/CA). Además de

que utiliza diversos algoritmos para la planificación de colas (como el DDR (Deficit Round Robin), FIFO

(First In First Out), FQ (encolamiento justo), o SFQ (encolamiento estocástico justo) en caso de que se

produzca un cuello de botella en algún nodo.

Este proyecto, surgió a finales de los 80's, a partir de REAL network simulator. A mediados de

los 90's, recibió el apoyo de DARPA, a través del proyecto VINT (Virtual Inter Net Testbed), lo cual le

proporciono un empuje definitivo. Actualmente ha quedado en manos de un grupo de investigadores y

desarrolladores de la universidad de Berkeley, LBL (Lawrence Laboratory), USC/ISI (University of

Souther California/Information Sciences Institute) y Xerox PARC (Palo Alto Research Center). La

versión actualmente en desarrollo es la 2 (de la cual existen múltiples subversiones) y la 3. NS-2 es un

simulador gratuito que se suministra con el código fuente completo. El principal cambio desde la versión

1 ha sido una mejor subdivisión de las clases de los objetos que componen un núcleo del simulador, lo

cual permite un mejor desarrollo del mismo.

37

Aunque la herramienta se encuentra implementada en C++, se usa un segundo lenguaje llamado Tcl que

se implementa mediante una modificación de este denominada Otcl, que en realidad es la versión

orientada a objetos de Tcl. Esto hace que deba de existir una interacción entre ambos lenguajes dentro

de la propia herramienta. Sin embargo, se puede optar por usar únicamente Tcl cuando se tenga que

implementar mediante scripts la configuración de las topologías y usar C++ cuando queramos modificar

directamente la herramienta. Consideramos un script como un conjunto de líneas de comandos o

programa, que simula el funcionamiento de la topología de una red.

La distribución del NS-2 para Linux se acompaña de varias herramientas para complementar el análisis,

dentro de ellos un visualizador de las diferentes topologías que se crean en NS-2, así como la simulación

de los flujos que recorren dichas topologías. Esta utilidad se conoce como Network Animator (NAM),

y está diseñada con Tcl/Tk. El funcionamiento de esta utilidad resulta muy simple de usar, ya que

únicamente es necesario pasarle como parámetro en la llamada del programa de la vía de acceso del

fichero que contiene la traza que queremos visualizar.

Los usos más habituales que se le dan a este simulador son los siguientes:

Simulación de estructuras y protocolos de redes.

Desarrollo de nuevos protocolos y comprobar su funcionamiento utilizando las herramientas que

lo acompañan (NAM Xgraph).

Comparar distintos protocolos en cuanto a prestaciones.

Comparación de resultados a través de herramientas externas utilizando las trazas generadas por

NS-2 como lo es TraceGraph

38

3.5. Instalación de NS-2.

El simulador está pensado para ejecutarse en cualquier distribución de Linux, pero también existe

una versión diseñada para ejecutarse sobre Microsoft Windows 9x/ME/2000/XP/Vista/Seven. Sin

embargo esta última versión no está probada tanto como la original, por lo cual puede contener errores

de funcionamiento. Sabiendo esto trabajare sobre una distribución Linux, para ser específico una versión

Ubuntu.

3.6. Instalación de NS-2 en Linux distribución Ubuntu.

Esta versión de NS-2 está basada en la distribución del simulador “ns-allinone-2.34” este

paquete es un compendio de las herramientas que trabajan en conjunto con NS como el NAM, Xgraph y

se trata de una versión todo en uno.

Paso a seguir:

1.- Descargar el archivo ns-allinone-2.34.tar.gz de la siguiente dirección de internet.

http://sourceforge.net/projects/nsnam/files/allinone/ns-allinone-2.34/

2.- Una vez descargado se necesita tener instalado en Ubuntu los compiladores gcc, g++ y cpp. Para esto

iniciamos la consola de comandos de Ubuntu y ejecutamos las siguientes líneas de comandos.

$ sudo apt-get update

$ sudo apt-get install build-essential

Con estos comandos actualizan los repositorios de Ubuntu y se instalan los compiladores necesarios para

ejecutar el NS.2.

39

3.- Crear una carpeta llamada “simulador” en la siguiente dirección: /home/Nombre_Usuario/

4.- Dentro de la carpeta “simulador”, pegamos el archivo descargado en el paso 1.

5.- Abrimos la Terminal de Ubuntu y ejecutamos las siguientes líneas de comandos para entrar a la

carpeta “simulado”, de esta forma se accede a los archivos necesarios para la instalación de NS-2.

$ cd /home/Nombre_Usuario/simulador

$ tar -xvf ns-allinone-2.34.tar

6.- Descargamos e instalamos los paquetes de los repositorios

$ sudo apt-get install build-essential autoconf automake libxmu-dev

7.- Entramos a la carpeta que descomprimimos con el paso 5 e instalamos el NS-2 con las siguientes

líneas de comandos.

$ cd ns-allinone-2.34

$ ./install

8.-Abrimos y editamos el archivo Makefile.in que está en la dirección:

/home/Nombre_Usuario/simulador/ns-allinone-2.34/ns-2.34

En este archivo, hay que sustituir las siguientes líneas:

De: CC=@CC@ a CC=gcc-4.3

9.- Modificar los Paths del archivo bashrc con la siguiente líneas de comando, las que son ejecutadas en

la terminal de Ubuntu cuando se abre el archivo:

$ gedit ~/.bashrc

40

Los Paths deben quedar como se muestra:

# LD_LIBRARY_PATH

OTCL_LIB=/home/Nombre_Usuario/simulador/ns-allinone-2.34/otcl-1.13

NS2_LIB=/home/Nombre_Usuario/simulador/ns-allinone-2.34/lib

X11_LIB=/usr/X11R6/lib

USR_LOCAL_LIB=/usr/local/lib

export

LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$OTCL_LIB:$NS2_LIB:$X11_LIB:$USR_LOCAL_LIB

export

LD_LIBRARY_PATH=/home/Nombre_Usuario/Escritorio/Tracegraph205UNIX/bin/glnx86/:$LD_LIB

RARY_PATH

# TCL_LIBRARY

TCL_LIB=/home/Nombre_Usuario/simulador/ns-allinone-2.34/tcl8.4.18/library

USR_LIB=/usr/lib

export TCL_LIBRARY=$TCL_LIB:$USR_LIB

# PATH

XGRAPH=/home/Nombre_Usuario/simulador/ns-allinone-2.34/bin:/home/roberto/simulador/ns-

allinone-2.34/tcl8.4.18/unix:/home/Nombre_Usuario/simulador/ns-allinone-2.34/tk8.4.18/unix

NS=/home/roberto/simulador/ns-allinone-2.34/ns-2.34/

41

NAM=/home/Nombre_Usuario/simulador/ns-allinone-2.34/nam-1.13/

export PATH=$PATH:$XGRAPH:$NS:$NA

10.- Una vez editado este archivo lo actualizados los Path con las siguientes líneas de comandos en la

Terminal de Ubuntu.

$ source ~/.bashrc

11.- Entramos a la carpeta ns-2.34 y validamos con las siguientes líneas de comando.

$ cd ns-2.34

$ ./validate

3.7. Funcionamiento del NS-2.

El simulador consta de un núcleo principal escrito en C++ que se puede ejecutar simplemente

tecleando ns en las líneas de comandos. Para actuar sobre el simulador se utiliza un interfaz específico.

Este interfaz es Otcl que deriva del Tcl pero orientado a objetos. En la figura siguiente se muestra de

manera gráfica el funcionamiento a grandes rasgos del simulador.

Figura 3.1.- Funcionamiento interno de Network Simulator 2[14].

42

Los objetivos de NS-2 son por una parte manejar todos los protocolos de simulación, manejando

bytes y grandes volúmenes de datos en un tiempo de ejecución corto. El lenguaje C++ se encarga de

manejar este volumen de datos de forma rápida a la hora de realizar simulaciones de protocolos de

comunicación. Por otro lado, es necesario realizar los scripts de los escenarios, estos se plantearan en

Capitulo 4. Los scripts se realizan en el lenguaje OTcl que es de ejecución más lenta pero permite realizar

cambios de forma más rápida e interactiva, lo que facilita hacer cambios como numero de nodos,

topologías, protocolos de enrutamiento, tipo de paquetes que se enviaran, tamaño de paquetes etc.

Para poder separar la parte de datos de la parte de la configuración, el NS-2 utiliza un mecanismo

que concede en control de los objetos escritos en C++ a Otcl. Esto quiere decir que se pueden escribir

scripts de simulación de una red sin tener que escribir nada en C++. Véase la figura 3.1 Funcionamiento

interno del simulador.

Esto cambia cuando se quiere implementar cualquier clase o protocolo que estuviera previamente

introducido en NS-2, de tal manera que se deberá escribir en C++ y posteriormente compilar el programa

para que la modificación quede establecida. Véase la figura 3.2 Jerarquía parcial de clases del NS-2.

Figura 3.2.- Jerarquía general de clases de Network Simulator 2[14]

43

El simulador NS-2 interpreta los scripts escritos en Otcl, el cual tiene un planificador de eventos

de simulación, librerías, objetos de componentes de red y librerías de módulos de instalación de red,

como se muestra en la siguiente figura 3.2.

3.8. Tool Command Lenguage (Tcl).

El Tcl o Lenguaje de herramientas de comando, es un lenguaje de scripts que ha sido concebido

con una sintaxis sencilla para facilitar su aprendizaje sin deteriorar la funcionalidad y la expresividad.

Se utiliza principalmente para el desarrollo rápido de prototipos, aplicaciones “script”, interfaces gráficas

y pruebas.

El Tcl es un lenguaje interpretativo y su código puede ser creado y modificado dinámicamente.

Sus reglas sintácticas son extremadamente simples y posee reglas de alcance dinámico. Los “script” son

a menudo más compactos y legibles que los programas funcionales equivalentes que existen entre otros

lenguajes de programación. Es un lenguaje de programación multiplataforma, con intérpretes que se

ejecutan sobre Linux, Unix, MacOS, Windows y OSX e incluso en microprocesadores PIC.

Una de las características más usadas de Tcl es su extensibilidad. Por ejemplo, si una aplicación

requiere algo de funcionalidad no ofrecida por Tcl pueden ser implementados utilizando lenguaje C, un

integrado sumamente fácil. El Tcl es extensible a través de C, C++ y java. Mediante una extensión,

permite la programación orientada a objetos.

Con leguaje C, C++ es posible crear nuevos comandos o dispositivos o incluso protocolos de

enrutamiento para Network Simulator 2, una vez creado tan solo hay que invocarlo en el script que se

esté desarrollando.

44

3.9. Script OTcl.

Contiene toda la información necesaria para desarrollar la simulación en NS-2, ya que permite

especificar todos los elementos que participan en el escenario de simulación como son los nodos, el tipo

de enlace que se utilizara, el tipo de tráfico que fluirá en la red, topología de red, que en este caso para

una red inalámbrica regularmente es de malla, además que aquí es donde se agregan los agentes que son

los encargados de generar y recibir los paquetes.

Es importante mencionar que dentro de este script se encuentra especificada la creación de los

archivos de traza o de los archivos que permiten correr la simulación gráfica. También es posible

mediante líneas de comandos establecer el inicio y fin que se considere debe durar un evento en segundos

dentro de un tiempo determinado en la simulación. Por ejemplo es posible indicar en que momento de

la simulación un nodo transmite a otro, o también es posible especificar el momento exacto en donde un

nodo se desplaza a otro sitio dentro o fuera del área de trabajo, dando las coordenadas X, Y y Z.

El script está escrito utilizando lenguaje OTcl como ya antes lo habíamos mencionado, por lo que

la extensión de este archivo es *.tcl, Para abrir un script se puede utilizar la línea de comandos en la

Terminal de Ubuntu.

Ejm.

“nsnombre_del_script.tcl”

3.10. The Network Animation (NAM)

Es un software que viene incluido en el paquete del NS-2, aunque es externo al desarrollo del

simulador. Esta herramienta está basada en lenguaje Tcl y nos permite ver de una manera gráfica en la

computadora como se va desarrollando la simulación.

45

En esta dicha grafica se pueden observar los nodos, los paquetes enviados y los paquetes caídos, todo

esto gracias al archivo que genera el NS-2. En la figura 3.3 Se puede observar la interfaz de la NAM; en

esta podemos ver claramente como cuenta con botones muy intuitivos para la simulación grafica de algún

escenario. También es posible simular adelantos y atrasos en el tiempo de simulación para poder

observar a detalle que es lo que ocurre en cada uno de los eventos que se programaron, gracias a que la

visualización no está ocurriendo en tiempo real nosotros podemos seleccionar y observar un momento

exacto de la simulación las veces que sea necesario, ya que fueron procesados y almacenados en un

archivo con extensión *.nam. Para poder ejecutar el archivo que se genera al finalizar la simulación en

el NS-2 se ejecuta un comando “nam” desde la Terminal de Ubuntu.

Figura 3.3.- Interface de Network Simulator (NAM) [14]

Con la NAM es posible simular los siguientes elementos que intervienen en una simulación:

46

a) Los nodos con su respectiva numeración.

b) Los rangos de cobertura para redes inalámbricas

c) Los enlaces entre los nodos para las redes cableadas.

d) Flujo de información que cruza entre cada nodo de la red.

e) Colas de paquetes que se forman en cada nodo.

f) Envío y caída de paquetes.

g) Caídas y levantamientos de enlaces para redes cableadas.

En la figura 3.4 Podemos observar un ejemplo de una simulación en la NAM, consistente de 5 nodos

conectados a través de una red cableada en donde podemos ver claramente cómo se simboliza la cola de

un paquete en el nodo 2 y como se envían paquetes UDP en azul y TCP en rojo. En la Figura 3.5 Se

aprecia una red inalámbrica de cuatro nodos en la que cada círculo alrededor del nodo representa el rango

de cobertura del mismo.

Figura 3.4.- Ejemplo de Network Simulator de una Red Cableada

47

Figura 3.5.- Ejemplo de Network Simulator de una Red inalámbrica

3.11. Archivos de Traza de NS-2.

Uno de los archivos más importantes de salida que se generan al finalizar la simulación es el

llamado archivo de traza con extensión *.tr, el cual registra los eventos que se desarrollan en la red. Este

tipo de archivo es una especie de tabla de datos con varias columnas que principalmente indican cada

evento de recepción y envío de paquetes, incluyendo la información, desde que nodo se envía y en cual

nodo se recibió. La estructura general de un archivo de traza tiene la siguiente configuración.

Evento Tiempo Nodo

Origen

Nodo

Destino

Tipo de

Paquete

Tamaño de

paquete

Flags ID de

Flujo

Dirección

de origen

Dirección de

destino

Numero de

secuencia

ID del

paquete

Figura 3.6. Estructura General de un archivo de traza

Figura 3.7.- Muestra de datos de un archivo de Traza

48

1.- El evento puede ser clasificado para dos tipos de redes cableadas o inalámbricas:

r = recibido en el extremo del link

+ = enqueued o puesto en cola

- = dequeued o sacado de cola

d = dropped o caído

s = enviado

f = trasmitido

2.- Representa el tiempo en que ocurre el evento.

3.- Es el nodo inicial del enlace en el cual ocurre el evento.

4.- Es el nodo al otro extremo del enlace en el cual ocurre el evento.

5.- Corresponde al tipo de paquete que puede ser, un ejemplo de TCP, CBR, UDP, ACK, entre otros

que se pueden seleccionar en el script de entrada.

6.- El tamaño de paquetes en bytes.

7.- Algunas banderas, que no son muy usadas y pueden no constar en el registro.

8.- El identificador de flujo es definido para ipv6, por lo que se usara en el futuro para análisis.

9.- Es la dirección origen que maneja internamente el simulador.

10.- Es la dirección destino manejada de igual manera que el anterior campo.

49

11.- Corresponde al identificador de secuencia de paquetes de la capa de red. Aun cuando UDP no

utiliza número de secuencia, este campo siempre tiene un valor para fines de análisis por parte del

simulador.

12.- Inicia el identificador único de paquete.

3.12.- Modelo de propagación utilizado para la simulación.

El simulador NS-2 tiene la opción de manejar diferentes modelos de propagación, lo que permite

determinar el nivel de energía o potencia con la que es recibida la señal de un paquete en la capa física

del receptor inalámbrico.

Dentro del simulador, cada capa física de los diferentes nodos inalámbricos tiene una variable que

corresponde al umbral de energía con la que debe ser recibida una señal. Se considera que la transmisión

no fue exitosa cuando la señal posee potencia por debajo del valor de dicho umbral, entonces la capa

física envía esta información a la capa MAC y esta se encarga de reportar un error y descargar el paquete.

Existen tres modelos de propagación que pueden ser implementados en el simulador NS.2.32 y

son los siguientes:

- Free Space

- Two-Ray Ground Reflection

- Shadowing

Para este trabajo elegí el segundo modelo denominado Two-Ray Ground Reflection, dado que es un

modelo mucho más realista que Free Space debido a que en la práctica muchas veces existen más de dos

caminos entre el receptor y el emisor, parámetro que no considera el modelo Free Space.

50

3.13. TraceGraph. Hoy en día la simulación de redes es una increíble utilidad para saber con exactitud el desempeño

y el comportamiento de casi todos los tipos de redes (LAN, Wireless, Satelitales, Sensoriales, etc.).

Ahora bien los simuladores existen en el mercado pueden llegar a ser muy complejos y costosos como

es el caso de OPNET ya sea por sus capacidades de uso, su sintaxis para crear simulaciones y su

interpretación de resultados. Es por esto que se hace necesario el uso de una herramienta que nos facilite

la interpretación y el entendimiento de los resultados generados por las simulaciones; TraceGraph se

encarga de esto. TraceGraph es una herramienta libre, para traficar y especialmente analizar las trazas

generadas (*.tr) por el simulador de redes NS-2.

Para el funcionamiento de TraceGraph es necesario tener instalado en nuestro sistema ciertas

librerías de Matlab y un convertidor de archivos tr (generados por el simulador), para manejar archivos

TraceGraph. Esta librería es llamada TraceConvert. La gran problemática que ha existido en el ámbito

de analizar los resultados generados por las simulaciones es que los graficadores utilizados como el

Xgraph, no soportan en su estado normal los distintos tipos de trazas existentes, sin existir tampoco

ningún tipo de convertidor de formato de archivos que sea automático.

Los tipos de traza que TraceGraph soporta, gráfica y analiza son los siguientes:

- Wired.

- Satellite.

- Wireless (old and new trace).

- New trace.

- Wired-wireless.

51

Actualmente TraceGraph existe en su versión 2.05, pero en su página oficial es posible descargar la

versión compilada 2.02. La versión con la cual se realizó este trabajo fue la 2.05.

3.14. Características de TraceGraph. Las características más importantes de TraceGraph 2.05 son las siguientes:

Posibilidad de exportar la información a cientos de tipos de gráficos 2D.

Posibilidad de exportar la información a 12 tipos de gráficos 3D.

Algunos de los gráficos y análisis que se pueden realizar son los siguientes:

Delays (retrasos).

Jitters (variaciones).

Tiempos de procesamiento.

Round Trip Times (RTT).

Throughput.

Estadísticas.

Es posible obtener información y estadísticas de la red entera y relaciones entre los nodos (links)

con una aplicación del TraceGraph llamada “Network Information”.

Información en los ejes X, Y y Z como mínimos, máximos y desviaciones.

Todo script al ser procesado es analizado automáticamente.

52

Capítulo 4. Evaluación del desempeño DSDV.

Se analiza el comportamiento de varios nodos móviles y estáticos con una red inalámbrica

utilizando un protocolo de enrutamiento vector distancia, para ser más específicos el protocolo DSDV

(Destination-Sequenced Distance-Vector), en un área 600 por 600 metros trabajando sobre una red Ad-

hoc. La siguiente tabla muestra el resumen de los parámetros utilizados para el análisis, mostrando las

variantes en los escenarios las cuales serán el número de nodos, la posición de los nodos y los

movimientos que estos realicen durante el tiempo de la emulación.

Tabla 4.1.- Características de los escenarios a simular.

Nombre del

Parámetro Valor Descripción

ChannelType Channel/WirelessChannel Tipo de Canal Inalámbrico

Netif Phy/wirelessPhy Modelo de Radio-Propagación

MAC Protocol Mac/802_11 Tipo de Interfaz de Red

Number of Nodes 5/10/20/40 Numero de Nodos a analizar

RoutingProtocol DSDV Protocolo de enrutamiento

GridSize 600x600 Tamaño del área de trabajo

PacketSize 512 Tamaño de Paquetes

Simulation Time 150 Tiempo de Simulación

Topology Random Topología Dinámica

Es importante mencionar que la característica de los enlaces en todos los nodos es la siguiente; una

conexión TCP con un flujo de datos FTP y un tamaño de paquete máximo de 512Mb y este modelo se

repite en cada uno de los nodos.

53

4.1. Medidas de desempeño.

He realizado un extracto de las medidas de desempeño de una red inalámbrica obtenidas de una

gran cantidad de trabajos libros, tesis y artículos, obteniendo las ecuaciones necesarias para calcular las

medidas de desempeño más representativas dentro de las redes inalámbricas.

En este capítulo agrego las ecuaciones necesarias para calcular las medidas más representativas, aunque

no haremos estos cálculos de forma analítica dada la complejidad de estos. Los mostramos para una

mejor compresión de lo que se está calculando en el simulador junto con su complemento Tracergraph y

agregamos un análisis de la distribución del tráfico y pérdidas dentro de una red Ad-hoc. Para evaluar el

desempeño de los protocolos de enrutamiento propuestos utilizamos las siguientes medidas de

desempeño.

Throughput

El rendimiento o Throughput se define como la máxima taza de transferencia que se puede

alcanzar en una transmisión entre elementos terminales (end-to-end) [10]. En otros palabras, es la

cantidad total de información que es recibida en los nodos receptores por unidad de tiempo y se mide en

bits por segundos (bps).

𝑇ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ𝑝𝑢𝑡 =𝐼𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝑅𝑇𝑇[𝑘𝑏𝑝𝑠]

RTT = Round Trip Time (Tiempo que tarda un paquete en ir y volver del cliente servidor)

Tasa promedio de entrega

La tasa promedio de entrega es la fracción de paquetes que llegan a su destino por el número total

de paquetes enviados en la red, regularmente medida en porcentaje.

𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎 = 𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠

𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒𝑠 𝑒𝑛𝑣𝑖𝑎𝑑𝑜𝑠𝑥 100

54

Retardo promedio de extremo a extremo

El retardo promedio de extremo a extremo se expresa como el tiempo promedio que requieren

todos los paquetes de datos que han sido entregados en su destino. Donde el retardo del paquete i-ésimo

se expresa como Tri – Tsi. Asumiendo que j paquetes son entregados en destino.

𝑅𝑒𝑡𝑎𝑟𝑑𝑜 = ∑ 𝑗𝑇𝑟𝑗 − 𝑇𝑠𝑗

𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒𝑠 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠[𝑠]

Latencia

La latencia representa el tiempo promedio que le toma a los protocolos de enrutamiento reactivos

para realizar el descubrimiento de una trayectoria de comunicaciones.

En este capítulo se presentan los resultados entregados después de evaluar el protocolo de

enrutamiento DSDV en el simulador y a través del uso de la herramienta TraceGraph. Analizando los

archivos de traza de extensión *.tr con TraceGraph y visualizando de una forma gráfica los escenarios

con la herramienta NAM, esto es ingresando los archivos con exención *.nam. También evaluaremos el

desempeño del DSDV tomando en cuenta el número de nodos como parámetro. La herramienta NAM

(Network Animador Simulation) es un software incorporado en el paquete NS- 2 Allinone. Con esta

evaluación también sabremos si todos los paquetes han llegado a su destino correctamente o se han caído

en el medio. De forma gráfica se puede observar en la simulación como los paquetes van llegando uno

a uno a su destino y como algunos paquetes terminan perdidos. La NAM puede ser directamente

invocada desde el archivo script o desde la terminal del Sistema Operativo, teniendo previamente el

archivo con extensión *.nam. Con estas herramientas es posible analizar la simulación DSDV con

diferente número de nodos en el mismo escenario, apoyándose de gráficos realizados en dos o tres

dimensiones. Estos gráficos se generan con un programa llamado TraceGraph ya antes mencionado.

55

La secuencia de comandos de la NAM se almacenan en un archivo con exención *.nam y los archivos

de traza para TraceGraph se almacenan en un archivo con exención *.tr. Es importante mencionar que

el simulador “Network Simulator 2” genera los archivos de traza para las demás herramientas. La

Simulación se divide en cuatro partes sobre la base del número de nodos, este es el parámetro que varía

con cada uno de los escenarios como se muestra en la tabla 5.1, donde indica que se evaluaran 5, 10, 20,

40 nodos.

La comparación del rendimiento de este protocolo, se hará basado en el número de nodos y en

los siguientes parámetros: Paquetes enviados, paquetes recibidos, paquetes perdidos, paquetes

entregados, productividad y promedio de retraso.

4.1. Escenario 1 simulación del protocolo DSDV con 5 nodos.

Como primera instancia se realiza la simulación con tan solo cinco nodos, los cuales tiene una

posición inicial que va variando conforme avanza la simulación. Esto permite probar dicho protocolo en

calidad a diferentes distancias del emisor o receptor según sea el caso. Los nodos transmiten su

información siempre y cuando estén bajo la cobertura del rango de comunicación. Cuando un nodo en

particular esta fuera del rango, sus paquetes pueden ser recibidos por otro nodo que este en el área de

cobertura y reenviarlos al nodo destino. En la figura 4.1 se puede ver claramente que el ruteo entre varios

nodos en un particular instante puede retrasmitir los datos entre ellos. Por ejemplo el nodo 0 envía un

paquete al nodo 1, por lo que utiliza el nodo 4 para retransmitir esos datos, como se muestra en la Figura

4.1.

Algunos de los nodos cambian de posición aleatoriamente. Esta propiedad fue asignada en el script del

simulador para dar un mayor realismo a la hora de simular el escenario, lo que propicia que algunos

56

nodos quedaran fuera del rango de cobertura2. A su vez, esto provoca que los paquetes enviados por los

nodos que están fuera del área de cobertura no sean enviados completamente, creando un efecto llamado

“PacketsDropped” (paquetes caídos). Durante la simulación dichos paquetes se mostraran de forma

gráfica sobre la NAM, pudiendo observarse en tiempo real como los paquetes caídos salían del nodo

representado por cuadrados negros, de forma que el simulador indica que dicho nodo tiene paquetes

caídos. Es importante mencionar que el problema de los paquetes caídos no solo se presentó en los nodos

que estaban fuera del área de cobertura sino también en los nodos que se encontraban dentro del rango

de cobertura, aunque en mucho menor porcentaje.

En la figura 4.2 muestra una imagen tomada con la herramienta TracertGraph de la simulación hecha de

150 segundos donde podemos observar varios parámetros captados durante dicha simulación, parámetros

como el total de paquetes generados, paquetes enviados, paquetes recibidos, paquetes perdidos y

promedio de retraso entre otros. En la Figura 4.3 podemos ver una gráfica que muestra la evolución del

Throughput (rendimiento) de los paquetes recibidos durante el tiempo de la simulación.

Figura 4.1.- Simulación en la NAM de 5 nodos, enviando y recibiendo paquetes.

2 El estándar 802.11 b tiene un alcance máximo de transmisión de datos de 100 metros en espacios libres.

57

Figura 4.2.- Detalles de la simulación, instantánea tomada del archivo de Tracertgraph.

Figura 4.3.- Grafica del Throughput de los paquetes recibidos contra el tiempo de simulación.

58

Figura 4.4.- Grafica del Throughput de los paquetes enviados contra el tiempo de simulación.

La Figura 4.4 muestra de extremo a extremo el retraso de la Frecuencia de Distribución. La frecuencia de

distribución es el pico en el arranque, conforme va transcurriendo el tiempo en la simulación, esta se va reduciendo

de extremo a extremo aumentando el tiempo de demora.

Figura 4.5.- Grafica de los Dropped Packets (paquetes caídos).

59

En la Figura 4.5, nos muestra la distribución acumulada. Cuando el tiempo de retraso es cada vez mayor,

el retraso acumulado aumenta invariablemente hasta los 15 segundos, y luego se hace constante.

Figura 4.6.- Grafica que muestra la Frecuencia de Distribución.

Figura 4.7.- Grafica que muestra da Distribución acumulativa

60

4.2. Escenario 2 simulación DSDV con 10 nodos.

Para este caso, se realizó una simulación con 10 nodos. Aquí también se analizaron los archivos

de la NAM y el archivo dsdv10-simple.tr, que fueron generados cuando se ejecutó el archivo dsdv10-

wrls.tcl, el cual es un script es que contiene todos los parámetros en forma de línea de comandos,

necesarios para poder generar la evaluación dentro del NS-2 y poder generar los archivos de traza.

La figura 4.6 muestra el flujo de los paquetes entre distintos nodos, se puede ver en esta figura los

paquetes perdidos, como es el caso del nodo 5. También se puede ver como los nodos cambiaron de

posición respecto a la simulación anterior, además de ir modificando está según va avanzando la

simulación para dar a esta simulación un ejerció cercano a la realidad. La Figura 4.7 muestra los detalles

de la simulación con diez nodos. Las Figuras 4.8 y 4.9 Muestran la productividad de los paquetes

recibidos y de los paquetes enviados, los cuales están graficados contra en tiempo que duro la simulación

respectivamente. La Figura 4.12, muestra los paquetes perdidos en varios nodos.

Figura 4.8.- Simulación en la NAM de 10 nodos, enviando y recibiendo paquetes y mostrando paquetes

perdidos durante la simulación.

61

Figura 4.9.- Detalles de la simulación con 10 nodos, instantánea tomada del archivo de Tracertgraph.

Figura 4.10.- Grafica del Throughput de los paquetes recibidos contra el tiempo de simulación.

62

Figura 4.11.- Grafica del Throughput de los paquetes enviados contra el tiempo de simulación.

Figura 4.12.- Grafica de los Dropped Packets (paquetes caídos).

63

Figura 4.13.- Grafica que muestra la Frecuencia de Distribución.

Figura 4.14.- Grafica que muestra da Distribución acumulativa.

En la figura 4.13, podemos observar la frecuencia de distribución; la figura 4.14 muestra la

distribución acumulativa a lo largo de la simulación de inicio a fin en donde se puede observar como el

retraso se hace constante cerca del segundo 5.

64

4.3 Escenario 3 simulación DSDV con 20 nodos.

Una vez realizadas las evaluaciones del en los scripts del protocolo DSDV con 5 y 10 nodos, se

aumentará considerablemente el número de nodos al doble. Al tratarse de 20 nodos, se incrementa

considerablemente el tráfico con el objetivo de poder observar la afectación en la calidad del servicio.

Considerando parámetros como el Througput, el retraso de extremo a extremo y los paquetes caídos para

20 nodos.

En la Figura 4.15 podemos observar el área de cobertura de cada uno de los nodos, el flujo de

paquetes entre los diferentes nodos y el descubrimiento de las rutas; en la simulación de la NAM también

pudimos observar cómo se transmitían y retransmitían los paquetes a través de los nodos, mientras que

varios de los nodos cambiaban de posición en el área de trabajo dentro de los ejes X, Y y Z. En la Figura

4.16 podemos observar en detalle cada uno de los parámetros obtenidos por el analizador de trazas

TraceGraph. Los datos más representativos son la longitud del tiempo de simulación, el número de nodos

analizados, la cantidad de paquetes generados y los paquetes enviados, entre otros. En las Figuras 4.17

y 4.18 podemos observar dos gráficos en 2D, en los que nos es posible analizar el Througput

(Productividad) de los paquetes enviados y los paquetes recibidos.

La Figura 4.19 nos muestra un gráfico en 3D en donde podemos observar entre que nodo y que

nodo hubo perdida de paquetes o paquetes caídos. Las figuras 4.20 y 4.21 muestran la Frecuencia de

distribución y la Distribución Acumulativa respectivamente, en donde podemos observar que

aproximadamente al minuto 8 alcanza un máximo y se mantiene constante para el resto del tiempo de la

simulación.

65

Figura 4.15.- Simulación en la NAM de 20 nodos, enviando y recibiendo paquetes

Figura 4.16.- Detalles de la simulación con 20 nodos, instantánea tomada del archivo de Tracertgraph.

66

Figura 4.17.- Gráfica del Throughput de los paquetes enviados contra el tiempo de simulación.

Figura 4.18.- Grafica del Throughput de los paquetes recibidos contra el tiempo de simulación.

67

Figura 4.19.- Grafica que muestra los Paquetes Caídos (Dropped Packets).

Figura 4.20.- Grafica que muestra la Frecuencia de Distribución.

68

Figura 4.21.- Grafica que muestra la Distribución Acumulativa.

4.4. Escenario 4.- simulación DSDV con 40 nodos.

Por último, se ha incrementado el número de nodos a 40. Para esta simulación del protocolo

DSDV en Network Simulator, se midieron los mismos parámetros como lo hicimos en las tres

simulaciones anteriores, el Througput y el retraso que se presentan en cada uno de los escenarios. Ahora

se muestra en la Figura 4.22 una instantánea tomada a la simulación grafica de la NAM, esta vez con los

40 nodos. La Figura 4.23 muestra el resumen de todos los parámetros obtenidos gracias a TraceGraph.

En las figuras 4.24 y 4.25 podemos observar dos graficas en 2d que muestran el Througput de los

paquetes enviados y los paquetes recibidos durante el transcurso de la simulación. Las Figuras 4.24 y

4.25 muestran la Frecuencia de Distribución y la Distribución acumulativa respectivamente.

69

Figura 4.22.- Simulación en la NAM de 40 nodos, enviando y recibiendo paquetes

Figura 4.23.- Detalles de la simulación con 40 nodos, instantánea tomada del archivo de Tracegraph.

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Figura 4.24.- Grafica del Throughput de los paquetes enviados contra el tiempo de simulación.

Figura 4.25.- Grafica del Throughput de los paquetes recibidos contra el tiempo de simulación.

71

Figura 4.26.- Grafica que muestra los Paquetes Caídos (Dropped Packets).

Figura 4.27.- Grafica que muestra la Frecuencia de Distribución.

72

Figura 4.28.- Grafica que muestra la Distribución Acumulativa.

Capítulo 5. Resultados y Conclusiones.

A medida que fuimos aumentando el número de nodos para llevar a cabo la simulación del

protocolo de enrutamiento DSDV, el número de paquetes enviados y recibidos fue cambiando y a su vez

este fue modificando el rendimiento del protocolo en cada una de los escenarios simulados. El Througput

se define como la relación de paquetes entregados al destino, entre los paquetes enviados por cada uno

de los nodos fuente. El promedio de retraso de extremo a extremo de la simulación es el tiempo promedio

que tarda un paquete el llegar a su destino. La tabla 5.1 muestra la diferencia entre los parámetros que

consideramos más importantes para evaluar la eficiencia del modelo DSDV, los parámetros estudiados

son los paquetes generados, paquetes enviados paquetes perdidos paquetes caídos y Througput, en los

cuales se puede observar cómo cambian conforme se aumenta el número de nodos en cada uno de los

diferentes escenarios.

73

Comparación de Nodos VS Parámetros 5n 10n 20n 40n

Paquetes Generados 32163 27581 27855 28529

Paquetes Enviados 32055 27339 27472 27948

Paquetes Perdidos 38 62 123 170

Paquetes Caídos 145 305 501 750

Paquetes Entregados 31980 27214 27231 27609

Productividad 0.994 0.987 0.978 0.968

Promedio de Inicio a Fin de Retraso 0.19 0.67 0.93 1.33

Tabla 5.1.- Comparación de los diferentes parámetros contra el número de nodos en cada una de las

simulaciones.

En la figura 5.1 podemos observar el número total de paquetes enviados. Estos van disminuyendo

conforme aumenta el número de nodos, mientras que el número de paquetes 100% entregados es mucho

mayor a menor cantidad de nodos. Aunque es posible observar que la medida se mantuvo constante en

los escenarios de 10 y 20 nodos, también se hizo evidente la reducción en la eficiencia del protocolo

DSDV a mayor cantidad de dispositivos.

Un aspecto similar se presenta en la cantidad de paquetes recibidos, ya que se confirma que hay

un mayor porcentaje de paquetes recibidos a menor cantidad de nodos. Este caso se puede ver reflejado

en la figura 5.2.

La grafica de la figura 5.3 muestra los paquetes perdidos a lo largo de la simulación y su comparación

contra el número de nodos en cada una de las simulaciones. En este podemos ver a simple vista como

hay una mayor cantidad de paquetes perdidos a medida que se incrementa la cantidad de nodos.

Con respecto al promedio de retraso en la entrega de paquetes entre nodos, podemos ver en la

figura 5.4 como el promedio de retraso en la simulación de cinco nodos fue de 0.19 segundos y el la

simulación de 40 nodos fue de 1.33 segundos, habiendo un incremento de 1.14 segundos, los que nos

permite asegurar que este protocolo es mucho más eficiente a menor cantidad de nodos.

74

Figura 5.1.- Paquetes Enviados contra el número de nodos.

Figura 5.2.- Paquetes Recibidos contra el número de nodos.

Figura 5.3.- Paquetes Perdidos contra el número de nodos.

75

Figura 5.4.- Promedio de retraso contra el número de nodos.

Figura 5.5.-Througput contra el número de nodos.

El resultado en la figura 5.5 resulta ser el más conciso debido a que muestra una gráfica del

Througput evaluando el número de nodos en aumento con respecto a cada escenario de simulación. En

esta grafica se ve claramente como la efectividad del protocolo de enrutamiento inicia en un valor de

99.4% en la simulación de 5 nodos, mientras que en la de 10 y 20 nodos va disminuyendo paulatinamente

hasta llegar a 96 %.

76

5.1 Conclusiones.

Es claro que los protocolos de enrutamiento en las redes móviles inalámbricas son un aspecto

muy importante para ayudarnos a evaluar el desempeño de una red, los puntos que planteamos en el

Capítulo 1 y 2 de este trabajo nos permitieron tener una visión más amplia del funcionamiento de las

redes inalámbricas en modo de trabajo Ad-hoc. Además de presentar un estudio de protocolos y una

herramienta para el análisis de eventos discretos en las redes de datos, logré comparar el desempeño del

protocolo de enrutamiento DSDV en varios escenarios, midiendo parámetros como paquetes enviados,

paquetes recibidos, Througput y promedio de retraso de los paquetes de inicio a fin en la simulación.

Corroboré el comportamiento de las redes y los resultados de operación, mientras se incrementaba el

número de nodos en cada uno de los escenarios de simulación planteados, además, de recrear un escenario

más apegado a un entorno real que permitiera simular el movimiento de algunos nodos aleatoriamente

para hacer de los resultados más confiables.

Los resultados obtenidos gracias a las herramientas utilizadas y descritas aquí, me permiten

concluir lo siguiente:

- El número de paquetes generados va disminuyendo conforme va aumentado el número de nodos

involucrados en la red, con 5 nodos se generaron 32163 paquetes y disminuyo hasta 28528.

- A medida que fueron incrementando la cantidad de nodos en los diferentes escenarios, el

porcentaje de paquetes que se enviaron en relación a los paquetes que se generaron fue de 99.66%

en una red con 5 nodos hasta llegar a 97.96 en la red de 40 nodos. Con estos valores se puede

comprobar que el protocolo DSDV tiene porcentajes eficientes en lo que se refiere a la cantidad

de tráfico con la que puede trabajar en diferentes dimensiones de red. Por lo cual es recomendable

este protocolo cuando se trabaja con redes de hasta 40 nodos.

- El número de paquetes perdidos y paquetes caídos va en incremento conforme se incrementa el

77

número de nodos.

- La eficiencia del protocolo DSDV disminuye con el aumento del número de nodos. La tasa de

paquetes entregados en relación al número paquetes enviados es baja cuando el número de nodos

es grande.

- El retraso promedio que tarda un paquete de datos en llegar a su destino es menor para un gran

número de nodos.

- El protocolo de enrutamiento DSDV se comporta de forma efectiva en términos de promedio de

retraso en la entrega de paquetes entre nodos, resultando muy eficiente independientemente del

incremento en el número de nodos.

- Otro punto, no menos importante, fue la elección del sistema operativo para instalar el simulador.

La Tesis “Propuesta de implantación de un laboratorio de simulación para redes de

telecomunicaciones”, propone una distribución de Linux llamada Red Hat Enterprise 5, que

resulta ser una distribución muy robusta y compleja para instalar y manipular por los usuarios.

Dicho trabajo dedica cuarenta hojas solo para explicar cómo instalarlo, nosotros proponemos usar

Linux Ubuntu debido a que es un sistema operativo mucho más intuitivo, con soporte constante,

que permite a los usuarios adaptarse rápidamente si cuando cuentan con experiencia en utilizar

plataformas Microsoft.

- Considero que este trabajo puede fungir como plataforma de despegue para futuros trabajos

relacionados con el análisis y evaluación de todo tipo de redes de datos, como parte fundamental

en el análisis, implementación y creación de nuevos protocolos de enrutamiento.

78

Índice de Términos.

Access Point: También llamado punto de acceso inalámbrico (WAP o AP por sus siglas en inglés:

Wireless Access Point), es un dispositivo que interconecta dispositivos de comunicación alámbrica para

formar una red inalámbrica. Normalmente un WAP también puede conectarse a una red cableada y

puede transmitir datos entre los dispositivos conectados a la red vía cable y dispositivos inalámbricos.

Ad-hoc: En redes de comunicación, una red ad hoc es aquella (especialmente inalámbrica) en la que no

hay un nodo central, sino que todos los dispositivos están en igualdad de condiciones. Ad hoc es el modo

más sencillo para el armado de una red. Sólo se necesita contar con 2 placas o tarjetas de red inalámbricas

de la misma tecnología. Una vez instaladas en los PC se utiliza el software de configuración del

fabricante para establecer el modo Ad-hoc, definiendo el identificador común que utilizarán (SSID).

Backbone: Es la infraestructura de la transmisión de datos en una red o un conjunto de ella. Es el nivel

más alto en una red jerárquica.

Bluetooth: Bluetooth es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal

(WPAN) que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace

por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2.4 GHz.

End-to-End: Punto a punto, se refiere a un tipo de conexión existente entre los extremos de una red, es

decir, entre dos dispositivos. También es utilizado en la simulación para describir que se analiza este de

inicio a fin y no un determinado momento en toda la escena.

Enrutamiento: Enrutamiento o ruteo es la función de buscar un camino entre todos los posibles en una

red de paquetes cuyas topologías poseen una gran conectividad. Dado que se trata de encontrar la mejor

ruta posible, lo primero será definir qué se entiende por mejor ruta y en consecuencia cuál es la métrica

que se debe utilizar para medirla.

79

Gateway: Puerta de enlace, acceso, pasarela. Nodo de una red que sirve de punto de acceso a otra red.

Jitter: Variación en cuanto a la cantidad de latencia entre paquetes de datos que se reciben en un nodo.

Latencia: En redes informáticas de datos se denomina latencia a la suma de retardos temporales dentro

de una red. Un retardo es producido por la demora en la propagación y transmisión de paquetes dentro

de la red.

Matlab: Es un software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje

de programación propio (lenguaje M). Está disponible para las plataformas Unix, Windows y Apple

(Mac OS X).

Entre sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la representación de datos y

funciones, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario (GUI), la comunicación

con programas en otros lenguajes y con otros dispositivos hardware.

Multicast: Es la comunicación de un solo emisor y varios receptores dentro de una red.

Peer-to-peer: Red de pares, red entre iguales, red entre pares o red punto a punto (P2P, por sus siglas en

inglés) es una red de computadoras en la que todos o algunos aspectos funcionan sin clientes ni servidores

fijos, sino una serie de nodos que se comportan como iguales entre sí. Es decir, actúan simultáneamente

como clientes y servidores respecto a los demás nodos de la red.

Router (Enrutador): Dispositivo hardware para interconexiones de redes de computadoras que opera

en la capa 3 del modelo OSI. El router interconecta segmentos de red o redes enteras. Hace pasar

paquetes de datos entre redes tomando como base la información de la capa de red.

80

Simulación por eventos discretos: Es una técnica informática de modelado dinámico de sistemas, esta

se caracteriza por un control en la variable del tiempo que permite avanzar a éste a intervalos variables,

en función de la planificación de ocurrencia de tales eventos a un tiempo futuro.

Script: Se refiere en informática a un guion, archivo de órdenes o archivo de procesamiento por lotes,

vulgarmente referidos con el barbarismo script. Es un programa usualmente simple, que por lo regular

se almacena en un archivo de texto plano. Los guiones son casi siempre interpretados, pero no todo

programa interpretado es considerado un guion. El propósito habitual de los guiones es realizar diversas

tareas como combinar componentes, interactuar con el sistema operativo o con el usuario. Por este uso

es frecuente que los shells sean a la vez intérpretes de este tipo de programas.

Switch (conmutador): Dispositivo que permite la interconexión de redes, pertenece a la capa 2 del

modelo OSI.

Telnet: Sistema que permite conectarse a un host o servidor donde la computadora cliente hace de

terminal virtual de la computadora del servidor. Entre otras palabras, Telnet es un protocolo que permite

acceder mediante una red a otra máquina y manejarla siempre en modo terminal, no contiene interfaz

gráfica.

Throughput: Volumen de información que fluye en un red de datos, volumen de información por unidad

de tiempo que se entrega, mediante un medio físico o lógico.

Tiempo de simulación: Es el valor del tiempo que el simulador puede avanzar a una velocidad superior

a la habitual de un reloj común, evolucionando así el estado de un sistema de forma acelerada.

Unicast: Protocolos o dispositivos que pueden transmitir paquetes de datos de una dirección IP a otra

directamente.

81

Wireless: Termino usado para describir las telecomunicaciones en las cuales las ondas electromagnéticas

(en vez de cables) llevan la señal sobre parte o toda la trayectoria de la comunicación.

82

Acrónimos.

ADSL: (Asymmetric Digital Subscriber Line), Línea de Suscriptor Digital Asimétrica.

ATM: (Asynchronous Transfer Mode), Modo de Transferencia Asíncrono.

ARPANET: (Advanced Research Projects Agency Network), Agencia de Proyectos de Investigación

para la Defensa.

CBR: (Constant Bit Rate), Tasa de Transferencia Constante.

DSDV:(Destination-Sequenced Distance Vector), Destino-Secuencia Vector Distancia.

FDDI: (Fiber Distributed Data Interface), Interfaz de Datos Distribuida por Fibra.

FIFO: (First In, First Out), Primero en entrada, Primero en salir.

FTP: (File Transfer Protocol), Protocolo de transferencia de Archivos.

HTTP: (Hyper Text Transfer Protocol), Protocolo de Transferencia de Archivos.

IEEE: (Institute of Electrical and Electronics Engineers), Instituto de Ingenieros Eléctricos y

Electrónicos.

IP: (Internet Protocol), Protocolo de Internet.

ISO: (International Standard Organization), Organización Internacional para la Estandarización.

ITU: (International Telecommunication Union), Unión Internacional de Telecomunicaciones.

LAN: (Local Area Network), Red de Área Local.

MANET: (Mobile Ad-hoc Network), Redes Móviles Ad-hoc.

NAM: (The Network Animation), Simulador de Redes.

NS: (Network Simulator), Simulador de Redes.

OSI: (Open System Interconnection), Modelo de Interconexión de Modelos Abiertos.

PAN: (Personal Area Network), Redes de Área Personal.

PDA: (Personal Digital Assistant), Asistente Digital Personal.

SFQ: (Stochastic Fairness Queuing), Encolamiento Justo Estocástico.

TCL: (Tool Command Language), Lenguaje de Herramientas de Comando.

TCP: (Transmission Control Protocol), Protocolo de Control de Transmisión.

83

RTT: (Round Trip Time) Tiempo que tarda un paquete en ir y volver del cliente al servidor.

UBR: (Unspecified Bit Rate), Tasa de Transferencia no especifica.

UDP: (User Datagram Protocol), Protocolo de nivel de transporte basado en el intercambio de

datagramas.

WAN: (Wide Area Network), Red de Área Amplia.

84

Bibliografía

2003

ANDREW S. TANENBAUM,

Redes de computadoras, Editorial Prentice Hall, Cuarta Edición, págs. 21-26,350-360

2004

WILLIAM STALLINGS, Comunicaciones y Redes de Computadoras, Editorial Prentice Hall, Séptima

Edición, págs. 109-126, 398-401, 642-675, año.

2004

MARTINEZ BONASTRE Y CARLOS PALAV SALVADOR, Introducción a la Programación de

Protocolos de Comunicaciones con Network Simulator 2, Oscar, “Editorial Club Universitario”.

2007

FABIÁN CAMACHO LOYOLA, TraceGraph y sus Numerosas Utilidades, Universidad Tecnológica

Metropolitana, Ingeniería Civil en Computación.

1991

RAJ JAIN, The Art of Computer Systems Performance analysis, Editorial Wiley & Sons, Inc.

2005

ROBERTO SUBIELA RULA, Simulación de protocolos de enrutamiento en redes móviles Ad Hoc

con NS-2, Universidad Politécnica de Valencia.

2004

STEFANO BASAGNI, MARCO CONTI, SILVIA GIORDANO, IVAM STOJMENOVIC, Mobile

Ad Hoc Networking, Editorial Wiley Interscience, págs. 275-296

2009

BRISEÑO ALBARES EDWIN, MARIEL LOPEZ OMAR, SANCHEZ GOMEZ FIDEL, Tesis:

Propuesta de implementación de un laboratorio de simulación para redes de telecomunicaciones, Instituto

Politécnico Nacional, 2009.págs. 13-52

RAMIRO PERALTA Y FELIX MASAO, Interferencia y control de potencia de redes ad hoc.

Datos y descarga del Sistema operativo Ubuntu

http://doc.ubuntu-es.org/Sobre_Ubuntu

Tutorial de NS-2

http://www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial/index.html

85

Referencias.

[1] Cisco Networking Academy, CCNA Exploration, Conceptos y Protocolos de enrutamiento, Versión 4,

Pag. 6 y 7.

[2] Anuj K. Gupta, harsh Sadawarti, Anil K. Verma, Review of Various Routing Protocols for

MANET’s, International Journal of Information and Electronics Engineering, Vol. 1, Pag. 251-258,

2011.

[3] Martha Steenstrup. Routing in Comunications Networks, Prentice Hall, Pag. 84-87 y 135-138,

1995.

[4] G. Jayakumar and G. Ganapathy, Performance Comparison of Mobile Ad hoc Network Routing Protocol,

International Journal of Computer Science and Network Security, Vol 7, No. 11 pag. 77-74, Noviembre 2007.

[5] C. E. Perkins, P. Bhagwat. "Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing

(DSDV) for Mobile Computers". Proceedings of ACM SIGCOMM'94. Londres, Oct. 1994, pp. 234-244.

[6] C. Perkins, E. Belding-Royer, S. Das. RFC 3561 "Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV)

Routing", Jul. 2003.

[7] Z. J. Haas, R. Pearlman. "Zone Routing Protocol for Ad-Hoc Networks". IETF Internet Draft,

draftietf-manet-zrp-02.txt, 1999.

[8] C.-C. Chiang. "Routing in Clustered Multihop Mobile Wireless Networks with Fading Channel".

Proceedings of IEEE SICON '97, Abr. 1997, pp. 197-211.

[9] S. Basagni, I. Chlamtac, V. R. Syrotivk, B. A. Woodward. "A Distance Effect Algorithm for

Mobility (DREAM)", Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile

Computing and Networking (Mobicom '98), Dallas, Texas, 1998.

[10] D. B. Johnson, D. A. Maltz. "DSR: The Dynamic Source Routing Protocol for Multihop Wireless

Ad Hoc Networks".

[11] V. D. Park, M. S. Corson. "A Highly Adaptive Distributed Routing Algorithm for Mobile Wireless

Networks". Proceedings INFOCOM '97, Abr. 1997.

[12] Eduardo Magaña, Edurne Izkue, Manuel Prieto, Jesús Villangos, Comunicaciones y redes de

Computadoras, Problemas y ejercicios resueltos, Editorial Prentice Hall, Año 2003, Pag. 88-91.

[13] Ramiro Peralta Y Felix Masao, Interferencia y control de potencia de redes ad hoc, Universidad

Nacional de Asunción, Paraguay.

[14] Martínez Bonastre y Carlos Palav Salvador, Introducción a la Programación de Protocolos de

Comunicaciones con Network Simulator 2, Oscar, Editorial “Editorial Club Universitario”.