Applied Electronics Lab MANETs : Mobile Ad Hoc Networks Self – Organizing Techniques Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών Σταύρος Κουμπιάς Σπήλιος Γιαννούλης. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών

Δομή παρουσίασης 1. Εισαγωγή στα ΜΑΝΕΤ. 2. Χαρακτηριστικά και πεδία εφαρμογών. 3. MAC πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται σε MANET. 4. Routing πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται σε MANET. 5. Εργαλεία προσομοίωσης

Mobile Ad hoc Networks (MANETs)  Δίκτυο από κινητούς ασύρματους κόμβους  Δεν απαιτείται σταθερή υποδομή για επικοινωνία  Σχηματίζουν δική τους μεταβαλλόμενη δομή routing  Χαρακτηριστικά  Δυναμική τοπολογία  Μικρό bandwidth ανά link  Περιορισμένη ενέργεια λειτουργίας  Περιορισμένη ασφάλεια φυσικού μέσου  Εφαρμογές  Personal area networking  Wireless home networking  Αποστολές Εύρεσης και Διάσωσης  Διάφορες εφαρμογές σε στρατιωτικές επιχειρήσεις

Χαρακτηριστικά αξιολόγησης MANET δικτύων (1) Ποιοτικά χαρακτηριστικά Κατανεμημένη λειτουργία Loop-freedom Λειτουργία βασισμένη στην κίνηση (on- demand) Proactive λειτουργία Ασφάλεια (Link – Network level) Περιοδική “sleep” λειτουργία συσκευών Υποστήριξη unidirectional links

Χαρακτηριστικά αξιολόγησης MANET δικτύων (2) Ποσοτικά χαρακτηριστικά αξιολόγησης End-to-End Throughput,Delay. Χρόνος ανακάλυψης διαδρομής (on-demand πρωτόκολλα) Ποσοστό πακέτων out-of-order Αποδοτικότητα, overhead routing πακέτων. Διάφορες αναλογίες (π.χ. Μέσος αριθμός bits δεδομένων που μεταδόθηκαν / αριθμός bits που παραδόθηκαν)

Χαρακτηριστικά MANET δικτύων Μέγεθος δικτύου, αριθμός κόμβων Συνδεσιμότητα δικτύου, μέσος όρος “γειτόνων” ενός κόμβου. Ρυθμός αλλαγής τοπολογίας Link capacity Μορφές κίνησης δεδομένων Μορφή κίνησης κόμβων Ποσοστό και συχνότητα “sleeping” κόμβων

Πρωτόκολλα MAC επιπέδου για Ad-Hoc δίκτυα (1) CSMA - Προτείνονται παραλλαγές για παραμέτρους όπως delay period μεταξύ επαναμετάδοσης, περιόδου παρακολούθησης του καναλιού και υλοποίησης του backoff αλγορίθμου ( CSMA/CA –DCF, CTS-RTS, PCF) - Προσφέρει μηχανισμό εντοπισμού συγκρούσεων (Collision Detect). -RTS(request to send)-CTS(clear to send): προσφέρει ένα εναλλακτικό τρόπο πρόσβασης στο φυσικό μέσο που ξεπερνά σε μεγάλο βαθμό το πρόβλημα του κρυμμένου κόμβου. -PCF : απαιτεί κεντρικοποιημένη δομή του δικτύου, δεν προτείνεται για ad-hok δίκτυα με δυνατότητα κίνησης των σταθμών. BLUETOOTH - Φιλοδοξεί να αναπληρώσει τις ενσύρματές συνδέσεις μεταξύ συσκευών σε αποστάσεις μερικών μέτρων. - Μπορεί με αύξηση ισχύος του σταθμού εκπομπής να φτάσει 100 μέτρα εμβέλεια. -Time-slotted Mac επίπεδο όπου οι συσκευές οργανώνονται σε ομάδες. -Master-Slave δομή. Στις ζυγές slots μπορεί να μεταδίδει μόνο ο master, στις μονές οι slave.

Πρωτόκολλα MAC επιπέδου για Ad-Hoc δίκτυα (2) MACA-MACAW-FAMA-MACA/PR - Αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν από το UCLA για Multi-hop δίκτυα που να μπορούν να εξυπηρετήσουν Multimedia κίνηση. - Το MACA στηρίζεται σε RTS-CTS πακέτα που λύνουν σε μεγάλο βαθμό το πρόβλημα του κρυμμένου κόμβου. - Το MACAW παρουσιάζει έναν τρόπο πιο γρήγορης ‘ ανάρρωσης΄ του σταθμού από σύγκρουση. - Το FAMA προτείνει μια βελτίωση σε σχέση με το MACAW, την χρήση ενός non-persistent CSMA πρωτόκολλο στην αρχή κάθε ελεύθερου slot για την αποφυγή επαναλαμβανόμενων συγκρούσεων. - Το MACA/PR είναι μια επέκταση του και του FAMA και προσφέρει real time υπηρεσίες μέσω ενός μηχανισμού κράτησης bandwidth. Black Burst Contention - Μοιάζει με το με δυνατότητα πολλών διαφορετικού μήκους χρόνων αναμονής πριν την μετάδοση. - Προσφέρει QoS και απαιτήσεις real time επικοινωνιών αλλά πάσχει από το πρόβλημα των hidden terminals όπως όλα τα CSMA. Αν υπάρξει hidden terminal δεν υπάρχει καμία εγγύηση περιθωρίων χρόνου.

Applied Electronics Lab Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα Κατηγορίες και Κύρια Πρωτόκολλα

Κατηγορίες με βάση την συμπεριφορά του δικτύου Proactive protocols Ως proactive πρωτόκολλα χαρακτηρίζονται αυτά που ανακαλύπτουν την πλήρη τοπολογία του δικτύου και διαδρομές προς όλους τους σταθμούς ανεξαρτήτως της κίνησης του δικτύου. Reactive protocols Πρωτόκολλα που ανακαλύπτουν διαδρομές προς άλλους σταθμούς μόνο όταν υπάρχει κάποιο πακέτο προς μετάδοση προς τον σταθμό αυτόν. (on demand) Hybrid protocols Ιεραρχικά πρωτόκολλα τα οποία συνδυάζουν τις ιδιότητες και τις λειτουργίες των δύο παραπάνω κατηγοριών. Συνήθως επιλέγεται proactive πρωτόκολλο για το εσωτερικό των δικτύων και reactive για το routing μεταξύ δικτύων.

Reactive Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα (1) TORA - Temporary Ordered Routing Algorithm - On demand πρωτόκολλο. - Ανακαλύπτει και διατηρεί πολλαπλές διαδρομές με την χρήση πακέτων ανακάλυψης. - Ηop by hop routing. DSR – Dynamic Source Routing - Source on demand routing. - Κάθε σταθμός κρατάει cache διαδρομών που έχει ανακαλύψει στο παρελθόν. Οι διαδρομές αυτές ανακαλύπτονται με την χρήση πακέτων Route-Request και Route-Reply. AODV – Ad Hoc On Demand Distance Vector - On-demand υβρίδιο των DSVD, DSR. - Εισάγει την έννοια του DSN (destination sequence number). Δίνει αύξοντα αριθμό στις διαδρομές που ανακαλύπτονται ώστε να μπορεί να αποφασίζει ποια είναι πιο νέα διαδρομή

Reactive Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα ( 2 ) ABR - Associativity Based Routing - Στηρίζεται σε περιοδικές μεταδόσεις beacons. - Κάθε φορά που ένας σταθμός λαμβάνει το beacon ενός άλλου αυξάνει έναν μετρητή σχετικό με τον σταθμό αυτό.Οι τιμές αυτές ονομάζονται Associative τicks. - Η επιλογή route γίνεται με βάση το άθροισμα των associative ticks κατά μήκος της διαδρομής. SSR - Signal Stability-Based Routing - Διαλέγει διαδρομή βασιζόμενο στην ισχύ λήψης περιοδικών beacons άλλων σταθμών. - Οι διαδρομές που επιλέγονται τείνουν να είναι σταθερές και μακροβιότερες. - Μειονεκτεί στο γεγονός πως δεν επιτρέπει σε ενδιάμεσους κόμβους να απαντήσουν σε πακέτα route requests.

Proactive Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα (1) DSDV – Destination Sequence Distance Vector - Hop by hop routing.Διατηρεί πίνακες ανά σταθμό που περιέχουν το επόμενο hop δρομολόγησης πακέτου από τον σταθμό αυτό προς οποιοδήποτε άλλο. - Προσφέρει απαλλαγή από το πρόβλημα κυκλικών προωθήσεων πακέτων. - Αναγκαία η περιοδική μετάδοση routing πληροφοριών από κάθε σταθμό, μεγάλο overhead. LSR,HSR - LSR (link state routing) : routers κρατούν όλες τις απαραίτητες routing πληροφορίες προς κάθε σταθμό. - Απαιτεί περιοδικό flooding πακέτων που περιέχουν link-state δεδομένα και συλλέγονται από τους routers. - Προσφέρει ολική γνώση της τοπολογίας του δικτύου και έτσι αποκλείεται η κυκλική προώθηση πακέτων. - HSR (hierarchical state routing): Βελτίωση του LSR με την προσθήκη ιεραρχικού routing. Χωρίζει τους σταθμούς σε δύο επίπεδα, κρατώντας πληροφορίες ανά επίπεδο.

Proactive Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα (2) OLSR - Optimized Link State Routing - Στηρίζεται σε πίνακες φύλαξης routing πληροφοριών. - Εισάγει την έννοια των MPR σταθμών, που περιοδικά διαλέγει και ανακηρύσσει κάθε κόμβος στο δίκτυο. Οι σταθμοί αυτοί είναι που από εκείνη την στιγμή και μετά παίζουν τον ρόλο των routers. - Κατατάσσετε στα ιεραρχικά πρωτόκολλα routing. FSR - FishEye State Routing - Multi-level scope routing με χρήση πινάκων. - Κάθε σταθμός μεταδίδει περιοδικά πακέτα ανακάλυψης διαδρομών που έχουν κάποιο συγκεκριμένο όριο hops. - Όσο μεγαλύτερο το όριο τον hops τόσο μικρότερη και η συχνότητα μετάδοσης τέτοιων πακέτων. Με τον τρόπο αυτό μειώνεται το overhead που εισάγει κάθε τυπικός μηχανισμός routing.

Proactive Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα ( 3 ) WRP - Wireless Routing Protocol  Table-based, χρειάζεται να διατηρεί κάθε σταθμός 4 πίνακες.  Στηρίζεται σε περιοδικές μεταδόσεις πακέτων ελέγχου routing (Ack & Hello).  Υψηλή επιβάρυνση από τα πακέτα ελέγχου.  Επιτυγχάνει να προσφέρει γρήγορη σύγκλιση σε αλλαγές τοπολογίας και loop-free διαδρομές.

Hybrid Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα (1) ZRP - Zone Routing Protocol - Εισάγει την έννοια της ζώνης ( μία ζώνη θα μπορούσε να παρομοιαστεί με τοπικό δίκτυο ). - Εντός μίας ζώνης χρησιμοποιείται κάποιο proactive πρωτόκολλο όπως π.χ. το DSVD. Για δρομολόγηση μεταξύ ζωνών χρησιμοποιείται κάποιο on demand πρωτόκολλο. Landmark - Υποτίθεται πως υπάρχουν ομάδες κόμβων που έχουν παρόμοια συμπεριφορά κυρίως όσον αφορά στην κίνηση τους. - Κάθε ομάδα κόμβων που έχει παρόμοια συμπεριφορά κίνησης ανακηρύσσει ένα σταθμό σαν LANDMARK και μέσω αυτού γίνεται κάθε δρομολόγηση προς και από την ομάδα. - Κάθε σταθμός πρέπει να αποκτά routing πληροφορίες μόνο για τον LANDMARK σταθμό που έχει ανακηρύξει η ομάδα που ανήκει, μέσω κάποιου distance vector πρωτοκόλλου. Μεταξύ των LANDMARK σταθμών χρησιμοποιείται οποιοδήποτε πρωτόκολλο όπως AODV, DSR, DSVD, FRS.

Hybrid Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα (2) TRR,TLR – Terminodes Remote-Local Routing - Ιεραρχικό πρωτόκολλο που χρησιμοποιεί το TLR για τοπικές μεταδόσεις πακέτων και το TRR για γεωγραφικά απομακρυσμένες. - Απαιτεί την ύπαρξη συστήματος παροχής πληροφοριών γεωγραφικής θέσης ( GPS π.χ.) για την λειτουργία του TRR. - To TRR είναι reactive πρωτόκολλο ενώ το TLR proactive. - Στο μέλλον θα υποστηρίζει κατανομή πόρων με QoS περιορισμούς και σταθερές υπηρεσίες πραγματικού χρόνου. CGSR – Clusterhead Gateway Switching Routing - Χρησιμοποιεί σαν βάση τον DSVD αλγόριθμο. - Ομάδες σταθμών σχηματίζουν clusters και επιλέγουν έναν για clusterhead. Χρειάζεται η διατήρηση 2 πινάκων σε κάθε κόμβο. - Η δρομολόγηση πακέτων γίνεται ιεραρχικά : node – Clusterhead node – Dest Clusterhead node – dest node. - Πολύ καλό για μεγάλα δίκτυα. Ευαίσθητο σε point failures. Σημαντικό το πόσο συχνά κάνει επιλογή clusterheads.

Ad-Hoc Routing Πρωτόκολλα Πιθανοί υποψήφιοι για wireless multi-hop δίκτυα DSDV Το πιο απλό, απαιτεί περιοδικές ενημερώσεις routing πληροφοριών,μεγάλο overhead. DSR Πολύ σύνθετο, οι ενδιάμεσοι κόμβοι δεν απαιτούν up-to-date πληροφορίες. AODV Υβρίδιο των DSDV και DSR, παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον.

Εργαλεία ανάπτυξης Κύρια εργαλεία VINT NS2 Πλούσια βιβλιοθήκη για TCP και δίκτυα, αλλά πολλές τεχνολογίες ασύρματων δικτύων δεν έχουν ακόμα ενσωματωθεί Πολύ ευέλικτο περιβάλλον για ανάπτυξη και προσομοίωση Δυστυχώς απαιτεί σημαντικό χρόνο για self-maintenance. Parsec/GloMoSim Προσανατολίζεται προς προσομοιώσεις ad-hoc δικτύων. Παράλληλα συνεχώς εμπλουτίζεται με νέες τεχνολογίες. Προορίζεται να χρησιμοποιηθεί για ανάπτυξη και έλεγχο τεχνολογιών OpNet Πλούσια και λεπτομερή μοντέλα υπαρχόντων πρωτοκόλλων και υλικού Η χρήση C και FSMs το κάνει εύχρηστο και φιλικό προς τον χρήστη. Δεν είναι δημοφιλές στην ερευνητική δικτυακή κοινωνία κυρίως λόγω του κόστους αγοράς και συντήρησης του.