PMIPFlow: Uma Proposta para Gerenciamento deMobilidade em Redes Definidas por Software

Edson Adriano Maravalho Avelar, Lorena Marques Avelar, Kelvin Lopes Dias

Centro de Informtica Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)Caixa Postal 7851 Cep 50740-540 Recife PE Brasil

{eama,llm,kld}@cin.ufpe.br

Abstract. With the growth of open source initiatives and software-definednetworks, the computer networks are leaving from a scenario where the servicesand infrastructure ecosystem was closed and proprietary and now is open andfree. However, this advance seems not to be true for wireless networks, whichremain closed and proprietary. In this context, this paper proposes a mobilitymanagement in software-defined network. The proposal is implemented on atestbed OpenFlow / IEEE 802.11 and the evaluation is done using metrics QoE(Quality of Experience).

Resumo. Com o crescimento de iniciativas open source e redes definidaspor software, as redes de computadores esto saindo de um cenrio onde oecossistema de servios e infraestrutura era fechado e proprietrio e passaa ser aberto e livre. No entanto, esse avano parece no ser realidadepara redes sem fio, as quais ainda permanecem fechadas e proprietrias.Nesse contexto, este trabalho apresenta uma proposta de gerenciamento demobilidade em redes definidas por software. A proposta implementada emum testbed Openflow/IEEE 802.11(Wi-Fi) e a avaliao conduzida utilizandotanto mtricas de QoS(Qualidade de servio) quanto de QoE(Qualidade deExperincia).

1. Introduo

Com o crescimento de iniciativas open source, estamos saindo de um cenrio onde oecossistema de servios e infraestrutura era fechado e proprietrio e passa a ser aberto elivre [Yap et al. 2010b]. Entretanto, no contexto de infraestrutura e equipamentos de redessem fio, as solues, em geral, permanecem fechadas e proprietrias, tanto em funo dasestratgias de mercado dos principais fabricantes, quanto pela manuteno da operaoininterrupta das redes de produo e ISPs (Internet Service Providers) que so relutantesa modificaes.

Dessa forma, novos requisitos so incorporados pilha TCP/IP (TransmissionControl Protocol/Internet Protocol) por meio de remendos. Isto cria um impasse,comumente chamado de engessamento da Internet e torna as redes complexas, de difcilgerenciamento, no extensveis e fechada para inovao [Chowdhury and Boutaba 2009].Neste contexto, as redes definidas por software, SDN (Software-Defined Networks)[McKeown et al. 2008], surgem como a tecnologia chave para promover a inovao nasredes tradicionais.

A ideia do conceito SDN separar claramente o plano de dados do planode controle. Desta forma, possvel usufruir de vrias vantagens, como dispor deum controle maior da rede, de monitoramento eficiente e de um controlador comgerenciamento local ou remoto de todos os elementos da rede. Esse controle realizadoatravs de aplicaes, da mesma forma como feito com softwares para desktop, da adenominao conferida a este novo conceito. Outra tecnologia importante neste processo a virtualizao.

A virtualizao uma estratgia para resolver muitos problemas e criar novosservios. Em hosts individuais, a virtualizao permite que um nico computador realizeo trabalho de muitos outros atravs do compartilhamento de seus recursos. No casoda virtualizao de redes, recursos podem ser divididos em fatias, considerando cadaroteador como um elemento que pode ser virtualizado. Um roteador pode executarmltiplas instncias e, desse modo, o substrato fsico pode executar mltiplas topologiasvirtuais [Sherwood et al. 2009].

A virtualizao de redes pode ser alcanada atravs de vrias formas, utilizandomquinas virtuais como roteadores ou por meio de redes programveis, como feito como OpenFlow, que um padro aberto que permite a criao de redes virtuais utilizandosomente recursos de camada 2 (Camada de Enlace). Neste caso, as redes virtuaisso normalmente implementadas por comutadores (switches) Ethernet, com tabelas deencaminhamento internas e uma interface padro para adicionar e remover entradas defluxos. Assim, torna-se vivel testes de novos protocolos em larga escala, usando osrecursos das prprias redes de produo [McKeown et al. 2008].

Com a proliferao de smartphones, tablets e uma infinidade dedispositivos/sensores conectados Internet, h necessidade de um gerenciamentode mobilidade eficiente e escalvel, a fim de garantir tanto a obteno das informaescoletadas por objetos/sensores mveis conectados s redes sem fio, quanto para garantira continuidade do servio aos usurios mveis. Neste contexto, a filosofia SDN ofereceuma soluo ideal, no entanto, a maioria das proposta em inovao usando SDN foca emredes cabeadas.

Este trabalho prope a arquitetura PMIPFlow, que oferece uma soluo para ogerenciamento de mobilidade em redes definidas por software. A proposta foi inspiradanos protocolos NetLMM (Network-Based Localized Mobility Management) e PMIPv6(Proxy Mobile IPv6) [Gundavelli et al. 2008a], que liberam o dispositivo mvel dasfunes ligadas mobilidade e delegam rede a tarefa de mudar o ponto de acesso(handover) do dispositivo decorrente de sua movimentao e/ou devido busca pormelhores canais.

A proposta implementada em um testbed OpenFlow/802.11(Wi-Fi). Almdisso, a fim de proporcionar mobilidade transparente (seamless), foi desenvolvido ummecanismo de deciso de handover baseado na Lgica Fuzzy [Klir and Yuan 1995].Os resultados de desempenho demonstram a eficcia da proposta no fornecimentode mobilidade transparente/continuidade de servio ao usurio, bem como osuporte adequado para os requisitos de trfego de vdeo em termos de mtricasde QoS (Quality of Service) [Firoiu et al. 2002] e QoE (Quality of Experience)[Winkler and Mohandas 2008].

Este artigo est organizado da seguinte forma. Na Seo 2, a arquitetura daproposta PMIPFlow ser detalhada. Em seguida, na Seo 3, ser apresentada a avaliaoda proposta. Na Seo 4, os trabalhos relacionados sero discutidos e a Seo 5 mostraas consideraes finais deste trabalho.

2. Arquitetura PMIPFlow

O PMIPFlow est dividido em duas partes principais: O OMAG (OpenFlow MobilityAccess Gateway) e o componente PMIPFLow-LMA (PMIPFlow - Localized MobilityAnchor). Este ltimo uma aplicao executada no controlador OpenFlow (LMA-NOX).Nesta arquitetura, cada clula, servida por um OMAG, forma o chamado domnioPMIPFlow. A Figura 1 mostra o cenrio, destacando as entidades da arquiteturaPMIPFlow.

Comutador OpenFlow

(OMAG2) OpenFlow

Mobility Access Gateway

(PMIPFlow Gateway)

(OMAG1) OpenFlow

Mobility Access Gateway

Usurio Mvel

Usurio Mvel

Handover

CN

(N Correspondente)Outros Controladores

Slices/Fatias

Domnio

PMIPFlow

Domnio

PMIPFlow

(PMIPFlow Gateway)

LMA-NOX

(PMIPFlow-LMA em execuo)

Figura 1. Arquitetura PMIPFlow

O OMAG um agente de mobilidade, que reside na borda da rede OpenFlowmonitorando os movimentos dos usurio sob o seu controle. Se algum usurio sair de suacobertura, ele deve acionar o PMIPFlow-LMA informando o acontecimento deste evento.O OMAG tambm pode iniciar o procedimento de handover para um usurio que estejana iminncia de sair da rea de cobertura da rede.

O LMA-NOX um controlador especial no qual a aplicao PMIPFlow-LMA executada. O PMIPFLow-LMA possui funes como: criar regras nos switchesOpenFlow para atender s necessidades de mobilidade dos clientes do OMAG, recebere tratar mensagens PBU (Proxy Binding Update), enviar mensagens PBA (Proxy BindingAck) ao n mvel e servir como servidor de acesso barrando usurios no autorizados.

O PMIPFlow-LMA foi desenvolvido a partir do conceito de LMA no PMIPv6,porm com modificaes para transform-lo em um componente de controlador. Aoinvs de criar tneis IP, como o LMA no PMIP, o PMIPFLow-LMA recebe o PBU, criaregras na tabela de encaminhamento do switch OpenFlow e envia o PBA de volta para osOMAGs.

Alm do OMAG e do PMIPFlow-LMA, possvel verificar que existem gatewaysPMIPFlow na arquitetura representada na Figura 1. Estes gateways servem como ponto de

sada OpenFlow do domnio PMIPFlow. A proposta pode ser estendida tanto em termosde adio de novos usurio como em termos de expanso do ncleo da rede, pois se oncleo da rede crescer, com a incluso de elementos OpenFlow, a operao dos OMAGse do PMIPFlow-LMA no sero afetadas por estarem na borda da rede.

O PMIPFlow pode ser executado concorrentemente com outras aplicaes docontrolador sem interferir na operao da rede. Pois, possvel criar fatias (slices)especializadas para clientes mveis e separar as fatias de clientes mveis das fatias declientes fixos.

O comutador (switch) OpenFlow, mostrado na Figura 1, forma o ncleo da redeSDN do PMIPFlow. Nele so instaladas regras de encaminhamento, criadas fatias deredes, priorizao de trfego, enfim, todas as operaes SDN. Ele o elemento que oPMIPFlow-LMA ir controlar durante as operaes do PMIPFlow.

2.1. Sinalizao de HandoverO PMIPFlow possui algumas sinalizaes necessrias para tratar o handover do usurio emanter ativa sua conexo com a rede. A Figura 2 detalha as trocas de mensagens duranteesse processo.

NOX

HANDOVER

[1] Pacotes de dados MN/CN passando por OMAG1

[2] Deteco de Conexo

[3] PBU

[5.2] PBA

MN OMAG1 OMAG2 PMIPFlow-LMA Switch OpenFlow

{Conexo MN/MAG1}

[6] RA

{Conexo MN/OMAG2 Estabelecida}

A

(Opes: MN-Id, ATT, HI, LLID, HNP)

(Opes: MN-Id, ATT, HI, LLID, HNP)

- Deteco de HANDOVER

- Atualizao do BCE

(MN HNP)

[5.1] PBA (Tempo de Vida Expirado)

CN

[4] Modifica regras existentes

[7] Pacotes de dados MN/CN

Figura 2. Sinalizao de Handover dentro do Domnio PMIPFlow

A seguir a explicao de cada mensagem e evento mostrando na Figura 2.

[1]: No cenrio de handover, inicialmente o usurio est se comunicando com oCN conectado a um OMAG.

[2]: Ao entrar em uma nova rede, o OMAG2 detectar a presena do MN atravsde mensagens da camada 2 (L2). Esta deteco transparente ao usurio e nonecessita de nenhuma interveno do mesmo.

[3]: Aps detectar o novo usurio na rede, o OMAG2 envia um PBU para oPMIPFlow-LMA.

[Evento A]: Ao receber um PBU, o PMIPFlow-LMA identificar que se tratade um handover, pois o endereo de origem deste PBU diferente do endereode origem do antigo, porm o MNid o mesmo. O handover desencadeia duas

atualizaes importantes: a primeira a atualizao do BC (Binding Cache) dentrodo PMIPFlow-LMA e a segunda na tabela de encaminhamento do switch.

[4]: Aps verificar a ocorrncia do handover, alm de atualizar o BC, oPMIPFlow-LMA tambm faz uma modificao nas regras existentes para aqueleMNid dentro do switch OpenFlow.

[5.1]: O PMIPFlow-LMA envia uma mensagem PBA com tempo de vidaexpirado para o OMAG1, este por sua vez, inicia o processo de remoo dasinformaes do MN, para liberao de recursos.

[5.2]: Aps as atualizaes necessrias, o PMIPFlow-LMA envia um PBAao novo OMAG, com as informaes necessrias para a configurao de tneisinternos e endereos.

[6]: Para completar a operao, o OMAG2 envia um RA (Router Advertisement)ao MN, para que este configure o endereo IPv6 utilizando o HNP (Home NetworkPrefix) contido no RA.

[7]: Neste momento, tudo est configurado e o usurio poder continuar suacomunicao com o CN. Vale lembrar que para maior satisfao do usurio, ouseja, para manter a qualidade de servio em um nvel alto, todo esse processode handover descrito precisa ser executado o mais rpido possvel, objetivando amnima ou ausncia de percepo do usurio sobre o processo.

2.2. Proposta de Antecipao de Handover

As RFCs de protocolos de gerenciamento de mobilidade no padronizam o gatilho deincio de handover. A inteligncia por trs do disparo desse gatilho fica por conta dosservios de rede do sistema operacional ou de alguma proposta a ser implementada juntocom a arquitetura. Reduzir o tempo do handover crucial em servios multimdia detempo real, pois quebras de conexo e perdas de pacotes podem gerar degradaes naqualidade do servio.

Dessa forma, alm da contribuio da arquitetura PMIPFlow, este trabalho propeuma soluo baseada em lgica fuzzy para antecipar o mecanismo de handover daarquitetura PMIPFlow. A proposta reduz de forma proativa o atraso desse processo,fazendo com que ele seja realizado de forma transparente ao usurio e ao serviocorrente, minimizando as perdas de pacotes devido possveis quebras de conexo. Nessae nas demais sees, PMIPFlow(Fuzzy) far referncia arquitetura PMIPFlow com aproposta de antecipao Fuzzy.

Diferentemente da lgica tradicional, que utiliza valores exatos, a lgica fuzzy um sistema capaz de trabalhar com informaes imprecisas e transform-las em umalinguagem matemtica de fcil implementao computacional.

A Figura 3 apresenta o esquema da proposta PMIPFlow(Fuzzy). Nesta Figura,o Sistema de Monitoramento o mdulo de software responsvel por executar omonitoramento das variveis utilizadas como entrada para o sistema fuzzy. Essas variveisfornecem dados numricos que iro alimentar o sistema. Atravs desses valores, osistema ir se basear para tomar as decises. As entradas utilizadas para a propostaPMIPFlow(Fuzzy) so: Vazo, RTT (Round Trip Time) e RSS (Received Signal Strengthou Intensidade do Sinal Recebido).

O Fuzzificador responsvel por mapear os dados de entrada para o conjunto fuzzy

FuzificadorMotor de Inferncia

Defuzzificador

Base de Connhecimento

Base de Regras

Funes de Pertinncia

Vazo

RTT

Intensidade do Sinal

Sada

Sistema de Monitoramento

Sistema de Tomada de

Deciso

Entradas

Sistema Fuzzy

Figura 3. Representao do Sistema PMIPFlow(Fuzzy)

e Defuzzificador recebe as variveis processadas pelo motor de inferncia e as convertemem nmeros para sada do sistema.

A Base de conhecimento formada por uma Base de Regras e de Dados (Funesde Pertinncia). Ambas so usadas pelo Motor de Inferncia para computar uma sada.A sada do sistema fuzzy usada como entrada para o Sistema de Deciso, esse sistemarecebe os valores de sada para decidir se o usurio deve fazer handover ou no. Se osistema decidir pelo handover, o processo de handover imediatamente iniciado.

empregado nesta proposta um sistema fuzzy do tipo Mamdani cuja intensidadede disparo de uma regra de inferncia uma mdia aritmtica dos graus de pertinnciaobtidos. Cada varivel de entrada possui trs conjuntos fuzzy trapezoidal definidos sobreela. A Figura 4(a) mostra o grau de pertinncia para a varivel RTT, todos os valoresmnimos e mximos do conjunto foram definidos por meio de mtodos empricos.

RTT (Round Trip Time)

Gra

u d

e P

ert

in

ncia

1

0

0.5

2 ms 4 ms 6 ms

AltaMdiaBaixa

(a) Grau de pertinncia para a entrada RTT

Vazo

Gra

u d

e P

ert

in

ncia 1

0

0.5

25% 50% 75%

AltaMdiaBaixa

(b) Grau de pertinncia para a entrada Vazo

Intensidade do Sinal

Gra

u d

e P

ert

in

ncia 1

0

0.5

-65dBm -75 dBm-70dBm -80 dBm -85 dBm

BaixaMdiaAlta

(c) Grau de pertinncia para a entrada RSS

Sada

Gra

u d

e P

ert

in

ncia

1

0

0.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

SIMNO ALERTA

(d) Sada do Sistema Fuzzy

Figura 4. Conjuntos e sada do sistema fuzzy

A Figura 4(b) mostra o grau de pertinncia para a Vazo, os conjuntos estodefinidos por meio de porcentagem em relao largura de banda da interface de rede.Definiu-se que a partir de aproximadamente 60% da capacidade total da interface considerada uma vazo alta, em 50% uma vazo mdia e abaixo de 40% uma vazo baixa.

O RSS indica que o terminal pode estar perto ou longe do ponto de acesso e,

quanto mais perto, teoricamente, melhor a conexo. Porm, quando se trata de serviosmultimdia, o RSS no o suficiente para determinar a qualidade da aplicao. Poreste motivo, foram realizados experimentos com o objetivo de determinar os valorescorrespondentes de PSNR, de acordo com o RSS. Assim, considerando um ambienteespecfico, construiu-se a tabela que avalia o PSNR em relao distncia, mapeandonveis de sinais em valores de PSNR para dar suporte tomada de deciso de handover.Esse mapeamento posteriormente utilizado para construo do grau de pertinncia parao RSS.

Para criar o mapeamento Nvel de Sinal versus PSNR realizou-se o seguinteexperimento. Enviou-se o arquivo de vdeo, no sentido downlink, do PMIPFlow-LMApara o MN. Essa transmisso foi realizada variando-se a distncia do MN em relao aoOMAG. Cada variao na transmisso foi executada 20 vezes. Ao final das transmisses,o arquivo de vdeo foi avaliado em termos de PSNR para a montagem da tabelaPSNR/Distncia. Em paralelo, o nvel de sinal foi capturado durante toda a transmisso.

A Tabela 1 mostra a mdia dos valores coletados, considerando um intervalode confiana de 95%. Vale ressaltar que os resultados destes experimentos refletem oambiente e a configurao dos dispositivos utilizados, outros equipamentos ou outrosambientes podem fornecer resultados distintos dos apresentados na Tabela 1.

Tabela 1. Resultados do Experimento PSNR/DistnciaDistncia OMAG/MN (m) < 1 5 10 15 20Mdia do Nvel do Sinal (dbm) -66.76 -73.76 -78.61 -79.98 -88.20PSNR(dB) 32.77 32.77 31.60 31.27 27.22Perda (%) 0 0 0.05 2.45 8.35

A partir dos resultados obtidos e da anlise dos vdeos no receptor, percebe-se,segundo as Tabelas 1 e 2, que, para um nvel de sinal de -79,98 dbm (15 Metros), o vdeo avaliado como BOM (31.27 dB), porm com um nvel de sinal em -88,20 dbm (20metros) o vdeo recebido torna-se ACEITVEL.

Tabela 2. Valores de Classificao do PSNRPSNR (dB) > 37 31 37 25 30 20 25 < 20Qualidade Excelente Bom Aceitvel Pobre Pssimo

A partir das informaes obtidas no mapeamento PSNR/Distncia construiu-se oconjunto fuzzy para a varivel de entrada RSS, a Figura 4(c) mostra o grau de pertinnciapara este conjunto. Para manter a qualidade do vdeo em um nvel "BOM", segundoa Tabela 2, necessario que o PSNR esteja em torno de 31dB e portanto, segundo omapeamento, o RSS do dispositivo mvel precisa estar abaixo de "-80dBm".

A Figura 4(d) mostra o grau de pertinncia para a sada, o qual varia entre 0 e 1.A partir desse resultado, o sistema de deciso da arquitetura PMIPFlow (Fuzzy) no farnada, se a sada for menor que 0.3. Entrar em estado de alerta se a sada for entre 0.3 e0.6. Ou realizar o handover de forma antecipado se a sada for acima de 0.6.

O tempo de monitoramento foi definido para cada 10 segundos de execuo eno modo ALERTA esse tempo cai para 1 segundo. O usurio pode modificar alguns

parmetros. Entretanto, os valores escolhidos como padro (10s e 1s, monitoramento ealerta, respectivamente) se mostraram bastante adequados nos testes empricos. Na Seo3, a proposta PMIPFlow(Fuzzy) foi avaliada e os resultados mostraram sua eficcia.

3. AvaliaoNo do conhecimento dos autores deste trabalho a existncia, na literatura, dearquitetura similar proposta e que possua cdigo fonte aberto. Com isso, o PMIPFlow(Fuzzy) foi comparado com o PMIPFlow sem a proposta de antecipao.

A proposta foi avaliada em um testbed OpenFlow/IEEE 802.11(Wi-Fi), utilizandouma infraestrutura com equipamentos fsicos e sistemas virtualizados. O OMAGs foraminstalados em PCs com linux, portando placa de rede sem fio com chipset Atheros, quepermite sua modificao para o modo Master. Isto possibilita que elas operem comoum ponto de acesso. Os gateways PMIPFlow, o servidor de vdeo, o FlowVisor e oLMA-NOX foram implementados atravs de mquinas virtuais.

Os testes foram conduzidos em um laboratrio no Centro de Informticada Universidade Federal de Pernambuco. Para avaliarmos desconexes de rededentro do cenrio sem fio, foi necessrio mover-se pelo ambiente com velocidade deaproximadamente um metro por segundo (equivalente uma pessoa caminhando) paraforar a desconexo de uma rede e reconexo em outra.

A avaliao de desempenho de um sistema de rede realizada de duas formas:atravs de anlise de mtricas de QoS retiradas da rede (perdas de pacotes, vazo e jitter)e atravs de mtricas de QoE (PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) e SSIM (StructuralSimilarity Index)), que refletem a percepo do usurio sobre o servio oferecido.

3.1. Avaliao de QoS

A mtrica jitter bastante sensvel s perdas de pacotes e, portanto, bastante utilizadapara avaliao de handovers. Para computar o jitter, foi enviado um fluxo de 20 Mbpspela rede, no sentido downlink (Servidor para Cliente), durante 60 segundos. Este testefoi repetido 10 vezes para dar mais credibilidade aos resultados.

60544842363024181261

20

15

10

5

0

Tempo (s)

Atr

aso

(m

s)

PMIPFlow/Fuzzy

PMIPFlow

Atraso dos Pacotes

Figura 5. Grfico de atraso dos pacotes

A Figura 5 mostra o grfico de uma das coletas comparando-se o PMIPFlow coma proposta de antecipao usando Fuzzy. Ela mostra alguns picos de variao de atraso depacotes quando no se usa a proposta fuzzy. Cada pico acontece no momento do handover.

Como alguns pacotes so perdidos, os mesmos precisam ser reenviados de modo que oatraso para entrega desse pacote aumenta de forma acentuada.

A Tabela 3 mostra as estatsticas descritivas para os dados de atraso de pacotesdurante todos os testes. A mdia com a proposta fuzzy possui um atraso mdio de 43.59%menor que os testes sem a proposta. Em relao ao desvio padro, o PMIPFlow (Fuzzy) mais vantajoso, em mdia 0.48 ms contra 3.76 ms, com e sem a proposta, respectivamente.

Tabela 3. Estatstica descritiva para o atraso dos pacotesProposta Mdia Desvio Mnimo Q1 Mediana Q3 MximoPMIPFlow 1,489 3,764 0,092 0,444 0,523 0,634 18,639PMIPFlow (Fuzzy) 0,6506 0,4869 0,1900 0,4183 0,5510 0,7062 3,7100

A Figura 6 mostra a vazo obtida em um dos testes. Nessa Figura, percebe-se queas perdas de handover que ocorrem influenciam diretamente na vazo.

60544842363024181261

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

Tempo (s)

Vaz

o (

Mbps)

PMIPFlow

PMIPFlow/Fuzzy

Vazo (Trfego UDP de 20Mbps)

Figura 6. Vazo do trfego UDP limitado 20Mbps

A Tabela 4 mostra o resumo estatstico dos testes. Observando-se a Tabela, namdia da vazo, a proposta 3,93% maior que sem a proposta, sendo que os valorespodem ser maiores se o trfego perdurar por mais tempo. Uma mtrica importante nessecaso o valor mnimo atingido pela vazo, de 10 Mbps com PMIPFlow e de 15,8 Mbpscom a proposta PMIPFlow (Fuzzy), mostrando que sem a proposta de antecipao a vazodegrada bastante devido s perdas.

Tabela 4. Estatstica descritiva para vazo de 20MbpsProposta Mdia Desvio Mnimo Q1 Mediana Q3 MximoPMIPFlow 16,51 1,81 10,00 16,55 17,00 17,35 19,30PMIPFlow (Fuzzy) 17,16 0,66 15,80 16,65 17,20 17,60 19,10

Na avaliao de handovers uma mtrica importante a perda de pacotes. A Figura7 mostra a porcentagem de perda de pacotes durantes dez testes. A Figura mostra que sema proposta o nmero de perdas de pacotes consideravelmente maior, chegando at 6,2% de perda.

2,52

3,19

0,92

2,76

4,79

3,703,16

1,15

4,50

6,20

0,98 1,10 0,82 0,761,10

0,70

1,30

0,16

1,320,96

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Perd

as d

e P

acote

(%

)

Instncia de Teste

PMIPFLow

PMIPFlow (Fuzzy)

Figura 7. Grfico em barra da porcentagem de Perdas de Pacotes

3.2. Avaliao de QoEOs novos estudos de desempenho em sistemas multimdia tm como base as mtricas deQoE. Dentre estas, o PSNR uma mtrica tradicional de QoE que estima a qualidade dovdeo em decibis, comparando o vdeo original com o vdeo recebido pelo usurio. Paracada faixa de valores de PSNR, h uma qualificao para o vdeo que foi recebido pelousurio.

A mtrica SSIM tambm bastante utilizada para avaliao de QoE. Ela baseadana medio quadro a quadro do vdeo original com o vdeo recebido pelo usurio. O SSIMcompara a similaridade entre os vdeos nos seguintes aspectos: contraste, luminosidade eestrutura. O SSIM expresso como um valor decimal entre 0 e 1. Quanto mais prximode 1, melhor a qualidade do vdeo.

Para avaliao do vdeo no cenrio foram utilizados trailers do filme "OsVingadores"com trs resolues diferentes: 160x90, 320x180 e 640x360.

Os vdeos foram enviados um de cada vez. Durante a transmisso, ousurio permanecia em constante movimento de um ponto de acesso para outro.Aps o recebimento do vdeo foi utilizado a verso gratuita da ferramenta MSU[MSU Video Group 2013] para analisar e extrair as informaes necessrias paraavaliao do vdeo recebido.

A Figura 8 resume os resultados obtidos. A mdia do PSNR exibida na Figura8(a). Nela possvel observar que a diferena entre as duas abordagens maior comresolues mais altas. Isso ocorre porque quanto maior a resoluo, maior ser o nmerode pacotes necessrios para formar um quadro. Sendo assim, quanto maior o nmerode pacotes, maior sero as perdas no caso de desconexo no transparente. A Figura 8(b)mostra o desvio padro, quanto menor o espalhamento dos dados mais estvel o sistema.

A Figura 8(c) mostra a mdia para a mtrica SSIM. Neste caso, o PMIPFlow coma proposta de antecipao se mostrou mais eficaz. O desvio padro, mostrado na Figura8(d), menor com a proposta.

Em termos quantitativos, no teste de atraso de pacotes a proposta fuzzy foi128,88% melhor que sem a proposta. Em relao vazo, para o teste de 20Mbps, aproposta foi cerca de 4% melhor. Em relao porcentagem de perda de pacotes, oPMIPFlow (Fuzzy) superior em 260%.

640x360320x180160x90

32

30

28

26

24

22

20

18

Resolues

PSN

R (

dB)

PMIPFlow

PMIPFlow (Fuzzy)29,70

24,51

18,09

31,44

25,58

18,57

Mdia - PSNR

(a) Mdia PSNR

640x360320x180160x90

17

16

15

14

13

12

11

10

Resoluo

PSN

R (

dB)

PMIPFlow

PMIPFlow (Fuzzy)

16,68

13,14

10,14

12,68

10,35

9,92

Desvio Padro - PSNR

(b) Desvio padro PSNR

640x360320x180160x90

0,70

0,65

0,60

0,55

0,50

Resoluo

SSIM

PMIPFlow

PMIPFlow (Fuzzy)0,653

0,574

0,493

0,704

0,605

0,501

Mdia - SSIM

(c) Mdia SSIM

640x360320x180160x90

0,30

0,28

0,26

0,24

0,22

0,20

0,18

0,16

Resoluo

SSIM

PMIPFlow

PMIPFlow (Fuzzy)

0,2960,283

0,271

0,247

0,210

0,170

Desvio Padro - SSIM

(d) Desvio padro SSIM

Figura 8. Mdia e desvio padro das mtricas PSNR e SSIM para cada resoluo

Levando-se em conta a avaliao das mtricas de QoE, na anlise de vdeo, foramutilizados trs resolues diferentes: 160x90, 320x180 e 640x360. No teste da mtricaPSNR, a proposta foi superior em 2,65%, 4,36% e 5,85%, respectivamente. No caso damtrica SSIM, a superioridade foi de 1,6%, 5,40% e 7,8%, respectivamente.

Para visualizar de forma prtica os benefcios da proposta, a Figura 9 mostra oframe 598 retirado do vdeo recebido durante o processo de handover. possvel perceberque as perdas de frames, durante o processo de handover, prejudicam a reconstruo edegradam a qualidade do vdeo. Quando o PMIPFlow (Fuzzy) utilizado as perdas sominimizadas e a reconstruo do vdeo realizada de forma completa, com isso, o usuriorecebe um vdeo com qualidade e no toma conhecimento da ocorrncia do handover.

PMIPFlow PMIPFlow (Fuzzy)

Figura 9. Frame 598 no instante do handover com o PMIPFlow e com o PMIPFlow(Fuzzy)

4. Trabalhos Relacionados

Alguns trabalhos abordam mobilidade em redes definidas por software. O trabalho[Yap et al. 2010a] discute como as redes sem fio ainda esto paradas no tempo, fechadase sem inovao. No entanto, os autores no fornecem uma proposta para melhorar oprocesso de handover do usurio e admitem a existncia de desconexo no handover.Sendo assim, fica a critrio do projetista de redes implementar aplicaes no controladorpara o gerenciamento de mobilidade.

Os autores em [Nakauchi et al. 2011] propem uma plataforma de virtualizaochamada AMPHIBIA. Ela possibilita a criao de fatias fim-a-fim sobre redes virtuaiscabeadas e sem fio. Contudo, os autores afirmam que o foco da virtualizao estno ambiente cabeado. O trabalho cita projetos como GENI [Turner 2006], ORBIT[Orbit-Lab 2005] e 4WARD [Niebert et al. 2008] que tratam de redes virtuais sem fio,mas com foco apenas no isolamento dos recursos das redes sem fio.

Os autores em [Li et al. 2012] abordam SDN em redes LTE (Long TermEvolution). O trabalho inicialmente discute que as redes celulares sofrem com ainflexibilidade, equipamentos caros e protocolos complexos no plano de controle. Nosentanto, para que esta nova arquitetura SDN seja utilizada alguns problemas precisam serresolvidos como: suporte a vrios assinantes, mobilidades frequentes, controle e mediesmais apuradas da rede e adaptaes em tempo real. O sistema LTE bastante semelhante arquitetura PMIP, de modo que, o PMIPFlow poderia ser implementado tambm nestaarquitetura de rede celular.

A aplicao de lgica fuzzy para deciso de handover em redes heterogneas foiapresentada em [Wu 2011]. Foram utilizados o RSS, velocidade e carga do sistema comoentradas do sistema fuzzy. Na avaliao, o sistema, nomeado de FUN-HODs (FuzzyNormalization for Handover Decision Strategy), se mostrou vantajoso, no entanto, oclculo de velocidade se torna invivel em dispositivos com restries de energia.

O trabalho em [Mun-Yee Lim and Chow 2012] tambm implementa um sistemade deciso de handover baseado em lgica fuzzy. So utilizadas como entrada as mtricas:RSS, velocidade e distncia. A avaliao da proposta foi realizada usando a tecnologia802.11 com o protocolo de mobilidade MIPv6. As simulaes foram conduzidas noframework OMNET++/xMIPv6 [Yousaf et al. 2008]. A proposta foi comparada comoutras trs. Nas simulaes, a soluo obteve um bom desempenho, porm, toda aproposta baseada em velocidade precisa de coletas com alto grau de consumo de energia,como por exemplo usando GPS, o que dificulta a utilizao em dispositivos com restriode energia.

Outro trabalho que se baseia em lgica fuzzy para o mecanismo de handover apresentado em [Sharma and Khola 2012]. Este trabalho usa como entrada as mtricas:largura de banda, predio do RSS e preferncias do usurio. Ao contrrio dos outros,esse artigo usa uma predio de RSS e no o prprio valor. Nessa proposta, uma dasentradas do sistema fuzzy a preferncia do usurio. Nela o usurio deixa as tomadas dedeciso do handover predeterminadas.

Diferente dos artigos citados, este trabalho prope uma nova arquitetura paragerenciamento de mobilidade em redes definidas por software. Foi proposto um esquemabaseado em lgica fuzzy para reduzir a durao do processo de handover. Alm disso, a

arquitetura foi implementada em um testbed sem fio OpenFlow.

5. Concluso

Este trabalho apresentou a avaliao da proposta de antecipao de handover para oPMIPFlow. Os resultados dos testes mostraram que a proposta eficiente e evita a perdaexcessiva de pacotes que normalmente ocorre durante o processo de handover.

Em todos os testes, a utilizao da proposta se mostrou vantajosa. Quanto maiora resoluo dos vdeos, maior sua vantagem. Um vdeo com uma resoluo maior requermais pacotes para enviar um frame, o que significa um maior trfego pela rede. Se maispacotes trafegam, maiores sero as perdas devido s possveis desconexes.

No futuro, os dispositivos sero mais sofisticados, com mais memria, maiorpoder de processamento, de modo, que a resoluo das aplicaes de vdeo tendema aumentar. O que antes eram apenas voz e texto, no futuro, sero vdeos de altasresolues. Por isso, garantir a continuidade de servio algo de extrema importnciapara as redes mveis do futuro.

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