© 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären,...

© 2004 Christian Herter,Daniel Zuberbühler,Roger Grütter

Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen KleingerätenAd Hoc Networking und Routing

Wireless ad hoc networking and routing



Teil 1

Grundlagen und Nutzen von Ad Hoc Netzwerken

Christian Herter



Ad Hoc Netzwerke - Übersicht

Einführung und Eigenschaften

Anwendungsgebiete von Ad Hoc Netzwerken

Technologische Herausforderungen

Gesellschaftliche Chancen und Risiken

Kommerzialisierung: Voraussetzungen und Hindernisse



Einführung (1)

Was sind Ad Hoc Netzwerke?Sammlung von autonomen Knoten oder Terminals, die

miteinander kommunizieren ohne auf eine zentrale Verwaltungseinheit zurückgreifen zu müssen.



Einführung (2)

EigenschaftenNetzwerk Topologie ist dynamischFähigkeit zur AutokonfigurationKnoten sind gleichzeitig Host und RouterVerbindungen zwischen Knoten (meist) wireless



Einführung (3)

UnterteilungMobile Ad Hoc Networks (MANETs)

Unabhängige User formen miteinander ein temporäres Netzwerk, jeder User übernimmt auch Routingfunktionen (Dezentralisierung)

– User/Knoten ist selbstständig, „intelligent“

Smart Sensor NetworksMenge von Sensoren verteilt über ein bestimmtes Gebietjeder Sensor hat die Fähigkeit zur kabellosen Kommunikation und

genügend Intelligenz zur Signalverarbeitung und zum Versand der Daten

Sensoren einzeln adressierbar oder nicht– Sensoren unterstützen ein gemeinsames übergeordnetes Ziel,

Sensoren sind „dumm“



Anwendungsgebiete von Ad Hoc Netzwerken

Beispiele für MANETsConferencingHome NetworkingPersonal Area NetworksEmergency/DisasterVerkehr: zwischen Fahrzeugen

Beispiele für Smart Sensor NetworksMilitärische Nutzung: Überwachung von feindlichen

Bewegungen, Erkennung von gefährlichem Material (Gas, Strahlung etc.)

Electronic Dust (Skalierbarkeit!)Verkehr: Überwachung, Zählung, Parkplatzinformationen



Technologische Herausforderungen

Grundsätzliche technische HerausforderungenForwarding, RoutingLimitierte Ressourcen

– Energieverbrauch/-versorgung– Wireless -> Bandbreite, Störanfälligkeit, Asymmetrie– Speicher, CPU etc.

Abdeckung, Ausfall von KnotenSicherheit (Daten-, Teilnehmer-, Infrastruktur-)

weitere Herausforderungen für SSNsSkalierbarkeitAutokonfigurationFiltern sinnvoller Information



Gesellschaftliche Chancen und Risiken

Chancenbreitere Abdeckung bei geringen Infrastrukturkosten möglichweniger Mobilfunkantennenhohe Ausfallsicherheit

RisikenQualität/Angebotsmenge abhängig von Teilnehmermengemangelnder SchutzEgoismus

Keine Killerapplikation vorhanden!



Kommerzialisierung

Beispiele, IdeenConferencingMilitärMobilfunk

Voraussetzungbreite Unterstützung/AbdeckungBedürfnis von Nutzerntechnische Fortschritteeinfache Konfiguration für BenutzerVerrechnung



Konventionelle Routingverfahren

Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren

Teil 2




Wieso werden für Ad Hoc Netzwerke nicht herkömmliche Routingprotokolle verwendet?

+ werden schon lange in der Netzwerktechnik eingesetzt und sind gut erprobt





- Konventionelle Protokolle wurden für mehr oder weniger statische Netzwerktopologien entwickelt

- K.P. führen eine Liste mit den Routen zu allen erreichbaren Zielen.Um die Listen aktuell zu halten, müssen regelmässig Kontrollnachrichten verschickt werden

- K.P. gehen meist von bidirektionalen Verbindungen aus, das heisst eine Übertragung zwischen 2 Punkten funktioniert in beiden Richtungen gleich gut.





Sofern sich das Ad Hoc Netzwerk nicht zu rasch verändert, wäre es theoretisch möglich, konventionelle Protokolle einzusetzen.

Allerdings würden sie sehr ineffizient arbeiten, da sie für ein Einsatzgebiet mit sehr unterschiedlichen Bedingungen (verdrahtete, statische Netzwerke) entwickelt wurden




● Routingprotokolle müssen an die Eigenheiten von drahtlosen Netzwerken angepasst werden

● Viele Ad Hoc Routingprotokolle basieren auf konventionellen Protokollen.Es ist daher von Vorteil, die Funktionsprinzipien der konventionellen Protokolle zu verstehen




}Distance Vector

Link State

Flooding

Routenfindung fürPunkt-zu-Punkt Übermittlungen

Verbreiten von Informationenim gesamten Netz



Distance Vector

auch Bellman-Ford Verfahren genannt

●jeder Knoten verwaltet eine Routingtabelle, die Vektoren zu allen erreichbaren Zielen enthält.

●In einem Vektor ist zu jedem Ziel die Länge des kürzesten Pfades enthalten. Zusätzlich wird der nächste Zwischenschritt auf dem weg zum Ziel festgehalten.

●Regelmässig verschicken die Knoten ihre Vektoren an ihre Nachbarn. Anhand dieser Vektoren können die anderen Knoten ihre Routingtabelle aktualisieren.



Distance Vector

Aufbauen der Routingtabelle:

●Wenn ein Knoten neu in das Netz eingefügt wird, besitzt er eine leere Routingtabelle●Er stellt sich seinen direkten Nachbarn vor, und erhält von ihnen ihre Vectoren zugeschickt. Diese trägt er in seine Routingtabelle ein●Wenn er einen Vektor erhält zu einem Ziel, das er schon eingetragen hat und dessen Verbindungskosten kleiner sind als die eingetragenen, wird der alte Vektor mit dem neuen ersetzt●In einem regelmässigen Rhythmus oder nach einer Änderung im Netz verschickt er seine Vektoren



Distance Vector



Link State

Linkzustand- oder Shortest-Path-First-Algorithmen

●Jeder Knoten verwaltet eine Routingtabelle, die alle Knoten und die Kosten der Verbindungen zwischen den Knoten enthält.

●Jeder Knoten ist in der Lage, die optimale Route für ein Datenpaket zu berechnen



Link State

Aufbauen der Routingtabelle:

●Ermitteln der direkten Nachbarn

●Messen der Verbindungskosten zu den Nachbarn

●Erstellen eines Link State Packetes und versenden an alle Netzteilnehmer mittels Flooding

●Sammeln der Link State Packeten der anderen Teilnehmer, eintragen in die Routingtabelle

●Bei Veränderungen des Netzes oder nach gewisser Zeit Auffrischen der Routingtabelle



Link State



Flooding

Flooding ist eine Methode, zum Verbreiten einer Information im gesamten Netzwerk

●Ein Knoten schickt das Flooting-Packet an alle seine Nachbarn

●Die Empfänger eines Flooting-Paketes ihrerseits senden das Packet an alle ihre Nachbarn ausser an denjenigen, von dem sie es erhalten haben



Flooding

Problem: bei einer Schleife im Netz würde das Paket ewig im Kreis herumgesandt werden

Mögliche Lösungsansätze:

●Einführen einer „Hop-Beschränkung“

●Anhängen einer Zeitinformation

●Anhängen einer Laufnummer




● Dynamische Topologie, Mobilität der Teilnehmer:das Netzwerk muss sich schnell an Änderungen anpassen können

● Bandbreitenbeschränkung:Es sollte möglichst wenig Bandbreite für das Routing benötigt werden, da sie schon für Nutzdaten knapp ist

● Energieknappheitmobile Geräte benutzen meist Batterien. Jeder Funkverkehr verbraucht Energie. Es soll mit möglichst wenig Funkaktivität möglichst viele Daten übertragen werden




● Unidirektionale Verbindungendurch das Einbeziehen von unidirektionalen Verbindungen kann die Effizienz gesteigert werden

● Mehrere Routen zum gleichen Zielmeist sind mehrere Wege vorhanden, um ans Ziel zu gelangen. Wenn das Protokoll mehrere Routen speichert, kann beim Ausfall einer Route auf eine andere ausgewichen werden

● Sicherheit (Security/Privacy)drahtlose Netzwerke sind viel anfälliger als drahtbasierte Netze




● Quality of Service (QoS)bspw. für Echtzeit-Unterstützungnötig wegen Bandbreitenbeschränkungen, starken Schwankungen der Verbindungsqualität



Teil 3

Roger Grütter

Ad Hoc Routing Verfahren



Klassifikation

Adaptive Verfahren:– Stellen sich automatisch auf eine veränderte Netzwerktopologie ein.

Nicht-adaptive Verfahren: – Routen anhand fester Tabellen, daher für Ad Hoc Netzwerke nicht

geeignet

Proaktiv (engl.: table-driven): – Unterhalten Routing- Tabellen zu allen Knoten im Netzwerk

Reaktiv (engl.: on-demand):– Berechnen Route erst, wenn diese gebraucht wird



Distance Vector Routing

Vertreter:– Destination Sequenced Distance Vector (DSDV)

– Ad Hoc On Demand Distance Vector (AODV) Klasse:

– DSDV: proaktiv

– AODV: reaktiv Probleme in Ad Hoc Netzwerken:

– Loops

– Count to infinity Modifikation:

– Sequenznummern



N3, -, ∞, 73

N3 N3 2 74

N3 - ∞ 73

N3 N2 2 72

Distance Vector Routing II

Sequenznummer:

N1 N3N2

Routing Tabelle von N1

Ziel Hop Metrik SeqNr

Nachteil: ständiger Versand von Netzwerkpaketen zur Aktualisierung der Tabellen

N3 N3 1 74

N3 N3 1 72

Routing Tabelle von N3

Ziel Hop Metrik SeqNr

N3, N2, 2, 74 N3, N2, 1, 74



Link State Routing

Vertreter:– Optimized Link State Routing

Klasse:– proaktiv

Probleme im Ad Hoc Netzwerk:– Grosse Kontrollpakete

– Fluten verursacht hohe Netzlast Modifikationen:

– Verkleinern der Kontrollpakete

– Optimieren des Flutens



Optimized Link State Routing

Basiert auf Multipoint Relays (MPR), übernehmen besondere Aufgaben bei der Weiterleitung von Kontrollpaketen

Zusätzlich Grundgerüst für Wegauswahl

Kontrollpakete:– Kleiner

– Nur Menge von Nachbarknoten, die Knoten als MPR ausgewählt haben

Fluten:– Weniger Belastung des Netzwerks

– Nicht mehr jede Kontrollnachricht wird weitergeleitet



Source Routing

Vertreter:– Dynamic Source Routing (DSR)– Cluster Based Routing Protocol (CBRP)

Klasse:– Reaktiv

Weg wird dem Paket mitgegeben Neuer Weg muss zuerst gesucht werden Hauptfunktionen von DSR:

– Route- Discovery: findet neuen Weg– Route- Maintenance: pflege eines bestehenden Weg

Beide Funktionen nur nach Bedarf, kein periodischer Austausch von Routing- Informationen



Source Routing

Route- Discovery:– Request:

– Respond:

Route- Maintenance:

[A] [A, B] [A, B, C] [A, B, C, D]

A B C D E

[A, B, C, D, E]

P

P

E

E

3. 4. 3. 4.

1. 2. 1. 2.



Zone Routing

Zone Routing Protokoll (ZRP) besteht aus dem Intra- Zone Routing Protokoll und dem Inter- Zone Routing Protokoll

Klasse: – hybrid (reaktiv und proatkiv)

Jede Zone bildet eine Routing- Zone um sich herum Zu einer Zone gehören alle Knoten, die mit einer festgelegten Anzahl

von Hops zu erreichen ist Der Radius ist je nach Bedarf anpassbar



Zone Routing II

Routing- Zone mit Radius 2 Zonenintern: proaktiv Zonenextern: reaktiv

Bordernodes zur Weiterleitung Zonenexterner Anfragen

Verbindungsunterbruch ist ein lokales Problem



Vor- und Nachteile

Quality of Service, Sicherheit und mehrere Wege werden von keinem Protokoll unterstützt

Destination Sequenced Distance Vector

+ schnelle Wege

- Netzlast, Tabellen, Aktualisierung Optimized Link State Routing

+ kleinere Kontrollpakete, Optimierung des Flutens

- Tabellen, Berechnung des kürzesten Weges Dynamic Source Routing

+ Netzlast, Energie, unidirektionale Links

- viele Route- Replys, Kontrollpakete gross Zone Routing Protocol:

+ Vorteile von reaktiven und proaktiven Verfahren

- Intrazone- Routing- Protokoll nicht spezifiziert



Fragen

?



Diskussion – Nachteile der Verfahren

Destination Sequenced Distance Vector (proaktiv)– periodische Updates

– grosse Tabellen

– langsame Aktualisierung

– keine unidirektionalen Verbindungen

– Sparmodus ?

Dynamic Source Routing (reaktiv)– Grosse Paketköpfe

– Viele Route- Reply- Pakete

– „nur“ Zurücksendung der Errorpakete

– Erkennung kürzester Wege?



Diskussionsfragen

Wie lassen sich User animieren, ihre Geräte freiwillig (trotz erhöhtem Energieverbrauch, geringerer Bandbreite) als Router zur Verfügung zu stellen?

Mobilfunkmarkt Schweiz: Wird ad hoc networking das bisherige System mit fixen Antennenmasten ersetzen können?

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