Cooperative routing management in wireless mesh networks

Tese de doutoramento em Redes Telemáticas e Comunicações apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraRedes em malha sem- o (WMN) fornecem um backbone sem os ex vel para acesso ub quo a Internet, e estão sendo desa adas a melhorar a sua gestão para suportar vários tipos de requisitos, tais como escalabilidade de aplica c~oes multim edia e integraçcão com diferentes tecnologias sem os. A estrutura multi-hop e soluções de baixo custo utilizadas nas WMN facilitam a estens~ao dos seus servi cos para a cobertura de grandes areas. Por esta razão, a escalabilidade e uma quest~ao de gest~ao fundamental para WMN, sendo necess ario que as WMN consigam lidar com quantidades crescentes de tr afego e de n os de uma forma e ciente. Neste cen ario, o processo de encaminhamento pode servir como um mecanismo util para a gest~ao deste tipo de rede e atender as exig^encias de aplica c~oes multim edia de uma forma mais escal avel. Este processo emprega m etodos com solu c~oes distribu das, tais como algoritmos, protocolos de encaminhamento e m etricas que em conjunto permitem a sele c~ao das melhores rotas permitindo uma otimiza c~ao de desempenho. No entanto, v arios fatores devem ser levados em considera c~ao pelas abordagens de encaminhamento para melhorar a escalabilidade nas WMN, tais como informa c~oes imprecisas de encaminhamento, altos n veis de overhead dos protocolos de encaminhamento em redes de larga escala e as areas de congestionamento pr oximo aos gateways. O argumento central desta tese e que embora tenha havido v arias propostas de encaminhamento para melhorar o desempenho das WMN, as solu c~oes atuais n~ao conseguiram adotar uma abordagem que seja capaz de lidar com os tr^es principais aspectos do processo de encaminhamento numa mesma abordagem, nomeadamente a imprecis~ao das m etricas para medir a qualidade do enlace sem o, o overhead dos protocolos de encaminhamento e a ocorr^encia de gateways sobrecarregados. Na verdade, todo o esfor co de investiga c~ao anterior foi centrado num unico aspecto. O objectivo do trabalho de investiga c~ao apresentado nesta tese foi demonstrar que e poss vel criar uma abordagem de encaminhamento que permite a melhorar a escalabilidade das WMN de uma forma e caz. Para atingir este objetivo, este trabalho empregou uma arquitetura, chamada Architecture of Routing Management (ACRoMa), que e apresentada atrav es de uma abordagem top-down em que os principais componentes e sinergias s~ao descritos de uma forma detalhada. ACRoMa foi projetada para fornecer um algoritmo de encaminhamento para balanceamento de carga inter-cluster, chamado Routing Algorithm for Inter-cluster Load Balancing (RAILoB), que reduz o overhead de encaminhamento e evita as situa c~oes de sobrecarga nos gateways e uma m etrica cross-layer de encaminhamento, chamada Metric for Interference and channel Diversity (MIND), para melhorar a precis~ao da decis~ao de encaminhamento atrav es do uso de medidas mais exatas para descrever interfer^ encia e carga de tr afego. RAILoB acelera o processo de balanceamento de carga entre gateways (inter-cluster ). Al em disso, existe uma intera c~ao entre RAILoB e a m etrica MIND que permite realizar uma decis~ao de encaminhamento intra-cluster. Portanto, RAILoB representa a arquitetura ACRoMa conceptualmente atrav es da combina c~ao de todos os componentes em uma forma incremental. Modelos de simula c~ao foram desenvolvidos para validar ACRoMa atrav es de uma avalia c~ao extensa, e estes levam em conta os principais fatores que in uenciam o desempenho do tr afego (por exemplo, topologia, aplica c~oes e tamanho da rede). Em primeiro lugar, a avalia c~ao de MIND mostra que ela supera v arias m etricas de encaminhamento cross-layer em con gura c~oes diferentes, o que e uma evid^encia de que os mecanismos mais precisos empregados em MIND t^em impacto sobre a decis~ao de encaminhamento. Na sequ^encia, houve uma avalia c~ao em diferentes cen arios e aplica c~oes da abordagem RAILoB. Os resultados mostraram que RAILoB consegue um desempenho de tr afego melhor do que as abordagens mais relevantes de balanceamento de carga usando tamb em clustering, uma vez que fornece uma solu c~ao mais agil para a balanceamento de carga inter-cluster. Assim, a arquitetura ACRoMa alcan cou seus objetivos iniciais, mostrando que e poss vel melhorar a escalabilidade das WMN sem a necessidade de acrescentar novos equipamentos ou tecnologias de redes sem o, combinando solu c~oes que cooperam entre si na mesma abordagem.Wireless Mesh Networks (WMN) provide a exible wireless backbone for ubiquitous Internet access, and are being challenged to improve their management to support various kinds of requirements, such as scalable multimedia applications and integration with di erent wireless technologies. The multi-hop structure and lowcost solutions used by WMN make it easier to extend their services to cover larger areas. For this reason, scalability is a critical management issue for WMN and therefore, it is required that WMN are enabled to handle growing amounts of tra c load and nodes in a skilful manner. In this scenario, the routing process can serve as one of the most useful mechanisms for managing this kind of network and meeting the requirements of multimedia applications in a more scalable way. This process employs methods for distributed solutions, such as routing algorithms, protocols and metrics that work together to select the best routes to enable a performance optimization. However, several factors should be taken into consideration by the routing approaches adopted to improve the WMN scalability, such as inaccurate routing information, high routing overhead in large networks and the congestion areas around the gateways. The central argument of this thesis is that although there have been several routing proposals to improve the WMN performance, the current solutions have failed to adopt an approach that is able to handle the three main aspects of the routing process, i.e. inaccuracy in routing information, overloaded gateways and high overhead. In fact, all the development has been centered on a single aspect that does not combine di erent solutions that tackle each aspect of the routing process. The aim of this study was to demonstrate that it is possible to create a routing approach that allows the WMN scalability to be leveraged in an e ective way. In order to achieve this goal, this work employed an architecture, called Architecture of Routing Management (ACRoMa), that is presented using a top-down approach in which the main components and synergies are outlined through a detailed description. ACRoMa has been designed to provide a routing algorithm for inter-cluster load balancing, called Routing Algorithm for Inter-cluster Load Balancing (RAILoB), which reduces the routing overhead and avoids overload situations in gateways and a cross-layer routing metric, called Metric for INterference and channel Diversity (MIND), to improve the accuracy of the routing decision through the use of precise measures to depict interference and tra c load. RAILoB speeds up the process of load balancing between gateways (inter-cluster). Moreover, there is an interaction between MIND and RAILoB that enables to perform intra-cluster routing decisions. Hence, RAILoB represents the ACRoMa architecture conceptually by combining all the components in an incremental way. Simulation models have been carried out to validate the soundness of ACRoMa through an in-depth evaluation, and these take into account the main factors that in uence the tra c performance (e.g. topology, applications and network size). First of all, the evaluation of MIND shows that it outperforms several cross-layer routing metrics in di erent con guration matrices, which is evidence that the most accurate mechanisms employed in MIND have a bene cial in uence on the routing decision. Following this, there was an assessment of RAILoB in di erent scenarios and applications. The results showed that RAILoB achieves higher tra c performance than the most relevant clustering load balancing routing approach in WMN, since it provides a more exible and agile solution for inter-cluster routing load balancing. Thus, the ACRoMa architecture ful lled its original goals, by showing that it is possible to enhance the WMN scalability by combining solutions in the same approach which cooperate each other