Descubrimiento de servicios cross-layer basado en OLSR para redes Manet

Resumen

El auge que en los últimos años ha tenido el uso de dispositivos móviles, su integración plena en la vida de las personas, así como el desarrollo expansivo de las redes inalámbricas, y en especial de las redes MANET (Mobile Ad hoc Network), hace que actualmente sea difícil imaginar un mundo sin dispositivos inteligentes personales que nos acompañen a todas partes como, por ejemplo, los smartphones y wearables. Las redes MANET [Ahvar et al, 2007], [Tyagi et al, 2010] están compuestas por nodos móviles autónomos que se unen voluntariamente formando una red entre ellos. Son redes en las que no existe una infraestructura de red fija y la administración se realiza de forma descentralizada. Esto permite que se cree una red prácticamente de la nada, sin necesidad de intervención humana ni configuraciones previas. Los nodos que integran la red participan en la toma de decisiones, tienen su propio conjunto de protocolos de encaminamiento, en el que toman parte de forma activa y tienen mecanismos de gestión de red y procesos de intercambio de información propios. La disponibilidad de estos nodos es generalmente corta. Son nodos que entran y salen de la red sin previo aviso, con lo que la topología de la red está continuamente cambiando de forma dinámica y aleatoria. La mayoría de estos nodos son dispositivos con limitado poder de procesamiento, limitada capacidad de memoria y baja capacidad de almacenamiento de energía. Que las redes MANET sean capaces de soportar descubrimiento de servicios se antoja indispensable. Debido a la movilidad de estas redes, en cualquier momento puede cambiar la topología y los servicios y recursos que se ofrecen en la red. Los dispositivos deben poder descubrir de forma automática los servicios que están disponibles en la red, así como los nodos que proporcionan estos servicios. En esta tesis doctoral proponemos un nuevo mecanismo de descubrimiento de servicios basado en OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) [Clausen et al, 2003] para redes MANET, que permite que de forma automática un dispositivo o nodo descubra los servicios ofrecidos por otros nodos que lo rodean. SD-OLSR (Service Discovery over OLSR) es un mecanismo que permite anunciar servicios con una sobrecarga introducida en la red pequeña, una tasa de descubrimiento de servicios alta, una tasa baja de falsos descubrimientos y un tiempo en descubrir servicios mínimo. Inicialmente definimos el mecanismo de descubrimiento de servicios sobre la primera versión del protocolo OLSR (OLSRv1). Este mecanismo ofrecía la posibilidad de que un nodo anunciara y preguntara por servicios disponibles en la red. Dadas las características proactivas del protocolo de encaminamiento OLSR vimos que no era necesario inundar la red con mensajes preguntando por servicios que los nodos ya anunciaban periódicamente. Limitar los mensajes sólo al anuncio de servicios hizo que las prestaciones del protocolo mejoraran. En abril de 2014 se estandariza la segunda versión de OLSR, OLSRv2 [Clausen et al, 2014]. Una de las líneas que manteníamos abierta era integrar y optimizar el mecanismo propuesto para OLSRv1, sobre OLSRv2, aprovechando la versatilidad y mejoras realizadas en la segunda versión del protocolo de encaminamiento. Los resultados que hemos obtenido, nos hacen pensar que SD-OLSRv2 puede ser un serio candidato para descubrir servicios en redes MANET con un número de nodos grande. Cuanto más grande es la red, más posibilidades existen de que se pierdan paquetes y en consecuencia de que los mensajes de petición de servicio que envíen los nodos, no obtengan la respuesta con el servicio solicitado. Sin embargo, los nodos en SD-OLSRv2 están continuamente anunciando servicios, con lo que las consecuencias de las posibles pérdidas de paquetes son menores. De hecho, SD-OLSRv2 ofrece una alta tasa de descubrimiento de servicios, superior al 90 %, incluso cuando los nodos se mueven a velocidades altas. La tasa de falsos descubrimientos también es pequeña, menor del 0.5 %. Además, el tiempo que tarda un nodo en descubrir un servicio es casi instantáneo, del orden de decenas de milisegundos. Y todos los nodos tienen un conocimiento global de los servicios que se ofrecen en la red al mismo tiempo. The growth that the use of mobile devices has experienced, its full integration in people's lives, as well as the expansive development of wireless networks, and especially MANET (Mobile Ad Hoc Network) networks, makes it difficult to think of a world without intelligent personal devices coming with us everywhere, as for example smartphones and wearables. MANET networks [Ahvar et al, 2007], [Tyagi et al, 2010] consist of a collection of wireless autonomous mobile nodes that join voluntarily creating a network between them. They are networks with neither fixed infrastructure requirements nor centralized management for their operation. The network nodes work together with minimal central control and human intervention. All of the nodes of these networks behave as routers and take part in discovery and maintenance of routes to other nodes in the network. They also have their own network management mechanisms and information exchanging processes. The availability of these nodes is generally short. These nodes are free to move, to join or to leave the network at any time. They move randomly and organize themselves on a random basis. This high mobility of nodes causes the network topology to change in a random and dynamic way. Most of these nodes are devices with a limited processing power, a limited memory capacity and a low capacity of energy storage. MANET networks ability to support service discovery is completely indispensable. Due to the high mobility of nodes, the topology and the services and resources offered in the network may vary. Devices must be able to discover automatically the services that are available on the network as well as the nodes that provide these services. In this doctoral thesis we propose a new service discovery mechanism based on OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) [Clausen et al, 2003] for MANET networks which allows any device or node to automatically discover the services offered by other nodes surrounding it. SD-OLSR (Service Discovery over OLSR) is a mechanism that allows to announce services with a small network overhead, a high rate of services discovery, a low rate of false discoveries and a minimum time lapse to discover services. We first define the service discovery mechanism integrated into the first version of the OLSR (OLSRv1) protocol. This mechanism provided the possibility that a node could announce and ask for available services on the network. Given the proactive features of the OLSR proactive protocol, we saw that it was not necessary to flood up the network with messages asking for services the nodes already announced periodically. Limiting these messages only to the announcement of services made the protocol's performance improve. In April 2014 the second version of OLSR is standardized, OLSRv2 [Clausen et al, 2014]. One of the lines we kept open was integrating and optimizing the mechanism integrated into OLSRv1 on OLSRv2, taking advantage of the versatility and improvements achieved in second version of OLSR routing protocol. The results we have achieved make us believe that SD-OLSRv2 may be a serious candidate to discover services in MANET networks with big amount of nodes. The bigger the network, the bigger the chances of losing packages and, consequently, of failing to obtain the service response to the service requested by the nodes. However, the nodes in SD-OLSRv2 are continuously announcing services, therefore the consequences of the possible losses of packages are small. As a matter of fact, SD-OLSRv2 offers a high rate of service discovery, over 90%, even when the nodes are moving at a high speed. The rate of false discoveries is also small, under 0,5%. Besides, a node discovers a given service almost instantaneously, it takes it some tens of milliseconds. And every node has the global knowledge of the services being offered on the network at the same time.