Mejora de los servicios de comunicaciones sobre redes móviles ad hoc en escenarios pedestres y vehiculares mediante virtualización

Resumo

La idea de las redes ad-hoc (MANET) nace con el fin de proporcionar servicios de comunicaciones sin el soporte de infraestructura alguna. Típicamente, el estudio de este tipo de redes ha sido orientado a aplicaciones militares o a escenarios de desastres naturales donde la infraestructura es escasa, inexistente o no funcional. Sin embargo, en los últimos años, con el desarrollo de la tecnología inalámbrica, los investigadores han vislumbrado la oportunidad de prestar nuevos servicios de comunicación entre usuarios de electrónica de consumo. Así, los esfuerzos de la comunidad investigadora en este campo se han centrado en el diseño y evaluación de algoritmos y protocolos para implementar comunicaciones eficientes en escenarios donde los nodos móviles colaboran y comparten recursos para proveer funcionalidades usuales en las redes con infraestructura. En ese contexto, las redes móviles ad-hoc (MANETs) y las redes vehiculares adhoc (VANETs) han sido un tópico de extensa investigación por muchos años, con un sinnúmero de propuestas en la literatura para hacer frente a los desafíos planteados principalmente por la movilidad de los dispositivos. Muchos autores han defendido las MANETs como un elemento crucial para el futuro de los servicios de comunicación ubicuos. De igual forma, el desarrollo de las tecnologías de comunicaciones inalámbricas nos permite vislumbrar que en un futuro cercano las VANETs se convertirán en una extensión del Internet cableado, allanando el camino a un conjunto de nuevos servicios de comunicaciones. Esas visiones requieren medios para tornar este tipo de redes en ambientes de comunicación más robustos, capaces de soportar la operación de sistemas distribuidos que cursen grandes cantidades de información multimedia. Desde esta perspectiva, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) propusieron una capa de virtualización, denominada Virtual Node Layer (VNLayer), con procedimientos para que nodos móviles físicos emulasen colaborativamente nodos virtuales que podrían ser direccionados como servidores en localizaciones conocidas. Esta aproximación se demostró conveniente para facilitar el desarrollo de software de aplicación en entornos tradicionales de MANETs. Esta tesis analiza las potencialidades de la virtualización para brindar nuevos servicios de comunicación en ambientes MANETs y VANETs, diseñando, desarrollando y evaluando nuevos mecanismos en la capa de virtualización para alcanzar este objetivo. Así, en primera instancia, presentamos un grupo de mejoras y nuevos mecanismos orientados a incrementar el rendimiento de la capa de virtualización en entornos MANETs de mayor movilidad y con aplicaciones más demandantes, otorgándole flexibilidad para ajustarse a las necesidades de los usuarios, y una mayor robustez y rapidez para reaccionar ante los fallos provocados por la movilidad de los nodos o las condiciones adversas del medio inalámbrico (pérdida de paquetes de control debido a colisiones, ruido, etc.). De igual forma, proponemos una serie de mejoras a la versión virtualizada del protocolo de encaminamiento AODV para aprovechar las nuevas características de la capa de virtualización, así como nuevos procedimientos para evitar la pérdida de paquetes debido a la movilidad de los nodos físicos que le dan soporte. Ya en el campo de las VANETs, este trabajo introduce por primera vez el concepto de la capa de virtualización en estos ambientes. Para ello, hemos diseñado varios procesos que permiten (i) adaptar la forma y ubicación de las regiones cubiertas por los nodos virtuales a las condiciones de los planos de las calles y vías, propias del entorno urbano, y (ii) ofrecer una reacción más rápida y robusta de los nodos virtuales frente la alta variabilidad y movilidad de los vehículos y las condiciones de mayor pérdida de paquetes de las redes vehiculares. Adicionalmente, diseñamos un nuevo protocolo de encaminamiento que aprovecha las ventajas ofrecidas por la capa de virtualización en los entornos vehiculares para obtener un mejor rendimiento que algunos protocolos presentes en la literatura. Nuestras contribuciones a la capa de virtualización, tanto en el campo de las MANETs como en el de las VANETs, son validadas a través de una serie de experimentos de simulación, desarrollados en diferentes escenarios y aplicaciones, y contrastadas con varios protocolos relevantes en la literatura. Los resultados muestran que los nuevos mecanismos que hemos implementado superan notablemente el rendimiento de la VNLayer original, al tiempo que aseguran mejores prestaciones en las comunicaciones que varios algoritmos relevantes en el campo de los escenarios propuestos, asegurando una buena tasa de entrega de paquetes gracias a la efectiva explotación de las comunicaciones multisalto.Ad-hoc networks arose with the aim of providing communication services without the support of any fixed infrastructure. Typically, the study of these kind of networks has been focused on military applications or natural disaster scenarios where infrastructure is scarce, nonexistent or nonfunctional. However, in recent years, with the development of wireless technology, researchers have envisioned the opportunity to provide new communication services among users of consumer electronics. Thus, the efforts of the research community in this field have focused on the design and evaluation of algorithms and protocols to implement efficient communications in scenarios where mobile nodes collaborate and share resources to provide functionalities which are common in networks with infrastructure. In this context, mobile ad-hoc networks (MANETs) and vehicular ad-hoc networks (VANETs) have been a topic of extensive research for many years, with countless proposals in the literature dealing with the challenges raised mainly by the mobility of devices. Many authors have defended MANETs as a crucial element for the future of pervasive communication services. Similarly, the development of wireless communication technologies allows us to foresee that VANETs will become an extension of the wired Internet in the near future, paving the way to a set of new communication services. These visions require means to turn this kind of networks into more robust communication environments, capable of supporting the operation of distributed systems carrying large amounts of multimedia information. From this perspective, researchers from the Massachusetts Institute Technology (MIT) presented a layer of virtualization, called the Virtual Node Layer (VNLayer), with procedures for physical mobile nodes to collaboratively emulate virtual nodes that could be addressed as server devices in known locations. This approach has proven suitable for easy development of application software in traditional MANET environments. In this thesis we are interested in analyzing the potential of the virtualization to provide new communication services in MANET and VANET environments, designing, developing and testing new mechanisms within the virtualization layer to achieve this goal. So, firstly, we present a set of improvements and new mechanisms aimed at increasing the performance of the virtualization layer in MANET environments with higher mobility and more demanding applications, giving it flexibility to adapt to the needs of users, and greater robustness and speed to react to failures caused by the mobility of nodes or adverse conditions of the wireless medium (control packet loss due to collisions, noise, etc.). Likewise, we propose a set of enhancements to the virtualized version of the routing protocol AODV to exploit new features of the virtualization layer, as well as new procedures to avoid packet losses due to the mobility of physical nodes that support it. To the best of our knowledge, this thesis is the first study to introduce the concept of virtualization layer in VANET environments. To do this, we designed several processes that allow (i) adapt the shape and location of the regions covered by the virtual nodes to the conditions of the layouts of the streets and roads, typical of urban environment, and (ii) provide a faster and more robust response of the virtual nodes to deal to high variability and mobility of vehicles, and the major conditions for packet loss in vehicular networks. Additionally, we design a new routing protocol that takes advantage of the virtualization layer to deliver better performance than recent protocols in the literature. Our contributions to the virtualization layer, both in the field of MANETs as in VANETs, are validated through a set of simulation experiments, developed in different scenarios and applications, and compared with several relevant protocols representative of the current state-of-the-art. The results of simulation experiments conducted in MANET and VANET environments show that the new mechanisms we have implemented significantly outperformthe original VNLayer, while ensuring best performance in communications that the most relevant algorithms in the field of the proposed scenarios. A good packet delivery rate is assured thanks to the effective operation of multi-hop communications.