Introdução ao Protocolo de Roteamento para Redes Veiculares

O que são veiculos de rede Ad-Hoc (VANETs)?

As redes veiculares, também conhecidas como VANETs (Vehicular Ad Hoc Networks), são um tipo de rede ad hoc móvel que permite a comunicação entre veículos e entre veículos e a infraestrutura de rede. Essas redes são essenciais para melhorar a segurança, eficiência e conforto no trânsito, possibilitando a troca de informações em tempo real sobre condições de tráfego, acidentes, e outros eventos relevantes.

O roteamento em redes veiculares apresenta desafios únicos devido à alta mobilidade dos nós (veículos), mudanças frequentes na topologia da rede, e a necessidade de baixa latência na comunicação. Diferentes protocolos de roteamento foram desenvolvidos para atender às necessidades específicas das VANETs, cada um com suas vantagens e desvantagens.

Este trabalho tem como objetivo explorar os principais protocolos de roteamento utilizados em redes veiculares, analisando suas características, funcionamento, e aplicabilidade em diferentes cenários. Serão discutidos protocolos baseados em tabela, protocolos baseados em demanda, e protocolos híbridos, além de uma comparação entre eles para identificar qual é o mais adequado para diferentes situações.

Componentes principais das VANETs

As redes veiculares (VANETs) são compostas por vários componentes principais que trabalham juntos para garantir a comunicação eficiente entre veículos e a infraestrutura de rede. Os principais componentes das VANETs incluem:

• OBUs (On-Board Units): São dispositivos instalados nos veículos que permitem a comunicação com outros veículos e com a infraestrutura de rede. As OBUs são responsáveis por enviar e receber mensagens, processar informações, e executar protocolos de roteamento.
• RSUs (Roadside Units): São dispositivos fixos instalados ao longo das estradas que facilitam a comunicação entre veículos e a infraestrutura de rede. As RSUs podem atuar como pontos de acesso à internet, fornecer informações sobre condições de tráfego, e ajudar na coordenação entre veículos.
• Veículos: Os veículos são os nós móveis da rede, equipados com OBUs que permitem a comunicação entre si e com as RSUs. A alta mobilidade dos veículos é um dos principais desafios das VANETs, exigindo protocolos de roteamento adaptáveis e eficientes.
• Mecanismos de Comunicação: Incluem tanto a comunicação Vehicle-to-Vehicle (V2V), que é a troca direta de dados entre veículos, quanto a comunicação Vehicle-to-Infrastructure (V2I), que envolve a interação entre veículos e RSUs. Existem diferentes tecnologias de comunicação para esse intuito, como Wi-Fi (IEEE 802.11p), LTE, e 5G, para garantir a troca de informações entre veículos e a infraestrutura de rede. A escolha da tecnologia de comunicação pode afetar a latência, largura de banda, e alcance da rede.
• Protocolos de Roteamento: Os protocolos de roteamento são responsáveis por determinar o caminho que as mensagens devem seguir para alcançar seu destino. Diferentes protocolos foram desenvolvidos para atender às necessidades específicas das VANETs, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens.

Fundamento de Roteamento

O que é roteamento?

Roteamento é o processo de selecionar caminhos em uma rede para enviar pacotes de dados de um nó de origem para um nó de destino. Em redes veiculares (VANETs), o roteamento é especialmente desafiador devido à alta mobilidade dos veículos, mudanças frequentes na topologia da rede e a necessidade de comunicação em tempo real.

O objetivo do roteamento em VANETs é garantir que os dados sejam entregues de forma eficiente, confiável e com baixa latência, mesmo em condições dinâmicas e imprevisíveis. Para alcançar esse objetivo, diversos protocolos de roteamento foram desenvolvidos, cada um com suas próprias estratégias e mecanismos para lidar com os desafios específicos das redes veiculares.

Diferença em relação a Redes Móveis Ad-Hoc(MANETs)

Redes Móveis Ad-hoc (MANETs) são uma coleção de nós que são móveis e não usam infraestruturas fixas. Os nós em MANETs devem se conectar entre si de uma forma descentralizada e organizada. Quando os nós móveis são substituídos por veículos, então a MANET torna-se uma VANET. Outra diferença fundamental é a velocidade de movimentação dos nós nas VANETs, isso causa uma rápida e frequente mudança na topologia da rede, algo incomum em MANETs.

Classificação dos Protocolos de Roteamento

Protocolos Baseados em Topologia

Os protocolos baseados em topologia tomam decisões de roteamento com base na conectividade entre os nós da rede, eles usam mensagens de controle para descoberta e manutenção das rotas. Esse tipo de protocolo enfrenta diversos desafios nas VANETs por conta do seu alto overhead para manter uma visão precisa da topologia que muda constantemente e rapidamente.

Protocolos proativos (table-driven)

Os protocolos proativos (table-driven) tentam manter rotas atualizadas para todos os destinos a todo momento. Assim, cada nó da rede tem uma ou mais tabelas de roteamento e as propaga periodicamente para atualizações ou quando ocorre mudanças na topologia. Os Table-Driven tem como sua principal vantagem a latência mínima no envio de dados já que a rota para qualquer destino é imediatamente disponível. No entanto, há consequências que acabam limitando o uso desse protocolo para qualquer cenário, como o alto overhead, em redes muito grandes e dinâmicas, criado por conta desse “conhecimento global”.

DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector)

O DSDV é uma adaptação do algoritmo de vetor de distância Bellman-ford. A sua diferença é a introdução dos números de sequência gerados pelo destino para cada entrada de tabela de roteamento, essa estratégia permite que os relays possam diferenciar rotas mais “novas” das mais “antigas”, de modo que possam evitar os loops de roteamento.

OLSR (Optimized Link State Routing Protocol)

O OLSR é um protocolo otimizado dos estados de enlace (Link State) com o uso dos MPRs (Multi-Points Relays) para reduzir os overheads. Nessa técnica, cada nó vai escolher um conjunto de vizinhos para serem MPRs e a função dos MPRs é reencaminhar as mensagens de controle, reduzindo o número de retransmissões redundantes no flooding. Esse tipo de protocolo é mais eficiente para redes mais densas, mas ainda há o empecilho do alto overhead por conta da topologia.

Protocolos Reativos

Visando a redução do overhead de controle em redes, opta-se pela abordagem reativa em que esse protocolo cria rotas apenas quando são necessários. Quando um nó fonte precisa de rota para um destino, o qual não existe rota ainda, inicia-se um processo de “descoberta” da rota através da inundação de mensagens de requisição. Em contrapartida, há o aumento da latência por conta do processo de descoberta da rota.

AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector)

O AODV é um protocolo de abordagem reativa que utiliza uma técnica de requisição/resposta para a descoberta dos caminhos. O nó fonte envia/transmite um pacote RREQ (Requisição de Rota) e os nós que serão intermediários da rota recebem-o estabelecendo um caminho para a fonte e retransmitindo o RREQ até que chegue ao relay de destino. Assim que o relay de destino recebe esse pacote ele envia um RREP (Resposta de Rota) pelo caminho reverso que foi sendo estabelecido. Esse processo de inundação para a determinação da rota pode levar ao “Broadcast storm problem” e causar problemas de congestionamento na rede, apesar de ser melhor no quesito overhead. O AODV, também, usa o mecanismo de número de sequência do DSDV para mitigar os loops de roteamento.

DSR (Dynamic Source Routing)

O DSR elimina a necessidade de nós intermediários manterem tabelas de roteamento atualizadas para o envio dos pacotes, uma vez que o DSR usa o mecanismo de Source Routing, em que na descoberta da rota acumula-se no cabeço do RREQ a sequência dos relays passados. O RREP, por sua vez, retorna a rota completa para a fonte, o qual vai colocar no cabeçalho de cada pacote de dados. Por outro lado, há um limite para a eficiência deste protocolo, uma vez que à medida que aumenta o comprimento do caminho, aumenta-se diretamente o tamanho do cabeçalho.

Protocolos Baseados na posição Geográfica

Os protocolos baseados na posição geográfica são mais adequados para ambientes dinâmicos da ad hoc veiculares, eles usam a posição física (GPS) dos relays para tomar as decisões de encaminhamento dos pacotes. Esses tipos de protocolos têm a sua principal vantagem na escalabilidade, uma vez que os relays precisam conhecer apenas os seus vizinhos (Stateless) tornando eles mais robustos a mudanças topológicas rápidas.

Alguns conceitos centrais por trás desses protocolos são o Greedy Forwarding (Encaminhamento Guloso) e Problema de máximo local:

O encaminhamento guloso é a estratégia, onde o nó que está com o pacote e deve encaminhá-lo para o próximo relay de sua escolha, essa escolha é determinada através da menor distância geográfica para o destino final. Isso é repetido a cada salto feito.

O problema de máximo local ou vazio de comunicação é uma das situações em que é necessária uma estratégia de recuperação, mas como eles ocorrem? Essa situação acontece quando o encaminhamento guloso falha, ou seja, quando ele não encontra um nó vizinho que o aproxima do destino, na verdade todos os seus vizinhos o afastam do destino sendo ele o nó, o qual tem a menor distância para o destino. Nesse sentido, foi implementada estratégias de recuperação para essas situações sendo o encaminhamento de perímetro o mais conhecido. Esse método irá contornar essa borda do vazio de comunicação até que consiga encontrar um nó que seja mais próximo do destino do que o ponto em o problema do máximo local se iniciou.

GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)

O GPSR é um protocolo que formaliza a combinação dos conceitos de encaminhamento guloso e encaminhamento de perímetro. Cada nó neste protocolo tem uma tabela de vizinhos com as suas informações de distância/posição que é atualizada periódicamente por mensagens de beacons. O melhor ambiente para o funcionamento do protocolo é em terrenos abertos, como autoestradas/rodovias.

GSR (Geographic Source Routing)

O GSR foi desenvolvido justamente para melhorar as partes em que o GPSR era limitado (cenários urbanos/densidade alta). A diferença entre os dois protocolos é que o GSR utiliza de conhecimentos da topologia do ambiente (mapas digitais) para calcular a sequência de junções que formam o caminho mais curto até o destino, sequência essa que é inserida no cabeçalho do pacote, o pacote, então, é encaminhado de junção em junção usa o encaminhamento guloso para atravessar os segmento de ruas entre eles. Apesar dessa abordagem depender de mapas digitais, ela evita o problema de máximo local que ocorre no GPSR.

A-STAR (Anchor-based Street and Traffic Aware Routing)

O protocolo A-STAR adota uma abordagem de roteamento baseada em âncoras, utilizando especificamente informações das rotas de ônibus urbanos. Ele associa uma pontuação a cada rua com base em sua capacidade, que é definida pelo número de linhas de ônibus passam por ela. Ruas com alto fluxo de ônibus são utilizadas como "âncoras" para o roteamento de pacotes. Além disso, os dados coletados pelos ônibus fornecem uma imagem da carga da rede veicular em diferentes ruas ao longo do tempo.

Aplicações

Gestão de Frotas e Logística

Os protocolos de roteamento em redes veiculares (VANETs) desempenham um papel crucial na gestão de frotas e logística, proporcionando comunicação eficiente entre veículos e centros de controle. Esses protocolos permitem o monitoramento em tempo real da localização dos veículos, otimização das rotas de entrega, e coordenação entre diferentes veículos para melhorar a eficiência operacional.

Além disso, os protocolos de roteamento ajudam a reduzir o tempo de resposta

Segurança e Prevenção

Os protocolos de roteamento em redes veiculares (VANETs) são essenciais para melhorar a segurança e prevenção de acidentes no trânsito. Eles permitem a comunicação rápida e eficiente entre veículos, possibilitando a troca de informações sobre condições de tráfego, acidentes, e outros eventos relevantes.

Por exemplo, em caso de um acidente, os veículos próximos podem ser alertados imediatamente, permitindo que os motoristas tomem medidas preventivas para evitar colisões. Além disso, os protocolos de roteamento podem facilitar a comunicação entre veículos e a infraestrutura de rede, como semáforos e câmeras de vigilância, para melhorar a gestão do tráfego e reduzir o risco de acidentes.

Além disso, os protocolos de roteamento podem ser utilizados para implementar sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS), que fornecem alertas e recomendações em tempo real para melhorar a segurança no trânsito. Esses sistemas podem incluir funcionalidades como aviso de saída de faixa, controle adaptativo de cruzeiro, e frenagem automática de emergência.

Desafios e Tendências

Segurança e Privacidade

A segurança e a privacidade são desafios críticos em redes veiculares (VANETs) devido à natureza dinâmica e aberta dessas redes. A comunicação entre veículos e a infraestrutura de rede pode ser vulnerável a ataques, como interceptação de dados, falsificação de mensagens, e negação de serviço (DoS).

Para mitigar esses riscos, diversos protocolos de segurança foram desenvolvidos para proteger

Integração com novas tecnologias

A integração de redes veiculares (VANETs) com novas tecnologias, como 5G, Internet das Coisas (IoT) e veículos autônomos, apresenta tanto oportunidades quanto desafios. Essas tecnologias podem melhorar significativamente a comunicação e a eficiência das VANETs, mas também introduzem complexidades adicionais que precisam ser gerenciadas.

Por exemplo, a tecnologia 5G oferece alta velocidade de transmissão de dados e baixa latência, o que é crucial para aplicações em tempo real em VANETs. A IoT permite a conexão de uma ampla gama de dispositivos, incluindo sensores em veículos e infraestrutura urbana, facilitando a coleta e o compartilhamento de informações. Veículos autônomos dependem fortemente de comunicação confiável para operar com segurança e eficiência.

No entanto, a integração dessas tecnologias também traz desafios, como a necessidade de novos protocolos de roteamento que possam lidar com a alta mobilidade dos veículos e a heterogeneidade dos dispositivos conectados. Além disso, questões de segurança e privacidade se tornam ainda mais complexas à medida que mais dispositivos se conectam à rede.

Conclusão

Em resumo, os protocolos de roteamento em redes veiculares (VANETs) são essenciais para garantir a comunicação eficiente, segura e confiável entre veículos e a infraestrutura de rede. Cada protocolo possui suas próprias características, vantagens e desvantagens, tornando-os mais ou menos adequados para diferentes cenários e aplicações.

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