© 2004 Christian Herter,Daniel Zuberbühler,Roger Grütter
Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen KleingerätenAd Hoc Networking und Routing
Wireless ad hoc networking and routing
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Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen KleingerätenAd Hoc Networking und Routing
Teil 1
Grundlagen und Nutzen von Ad Hoc Netzwerken
Christian Herter
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Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen KleingerätenAd Hoc Networking und Routing
Ad Hoc Netzwerke - Übersicht
Einführung und Eigenschaften
Anwendungsgebiete von Ad Hoc Netzwerken
Technologische Herausforderungen
Gesellschaftliche Chancen und Risiken
Kommerzialisierung: Voraussetzungen und Hindernisse
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Einführung (1)
Was sind Ad Hoc Netzwerke?Sammlung von autonomen Knoten oder Terminals, die
miteinander kommunizieren ohne auf eine zentrale Verwaltungseinheit zurückgreifen zu müssen.
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Einführung (2)
EigenschaftenNetzwerk Topologie ist dynamischFähigkeit zur AutokonfigurationKnoten sind gleichzeitig Host und RouterVerbindungen zwischen Knoten (meist) wireless
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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“
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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
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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
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Gesellschaftliche Chancen und Risiken
Chancenbreitere Abdeckung bei geringen Infrastrukturkosten möglichweniger Mobilfunkantennenhohe Ausfallsicherheit
RisikenQualität/Angebotsmenge abhängig von Teilnehmermengemangelnder SchutzEgoismus
Keine Killerapplikation vorhanden!
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Kommerzialisierung
Beispiele, IdeenConferencingMilitärMobilfunk
Voraussetzungbreite Unterstützung/AbdeckungBedürfnis von Nutzerntechnische Fortschritteeinfache Konfiguration für BenutzerVerrechnung
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Konventionelle Routingverfahren
Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren
Teil 2
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Konventionelle Routingverfahren
Wieso werden für Ad Hoc Netzwerke nicht herkömmliche Routingprotokolle verwendet?
+ werden schon lange in der Netzwerktechnik eingesetzt und sind gut erprobt
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Konventionelle Routingverfahren
Wieso werden für Ad Hoc Netzwerke nicht herkömmliche Routingprotokolle verwendet?
- 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.
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Konventionelle Routingverfahren
Wieso werden für Ad Hoc Netzwerke nicht herkömmliche Routingprotokolle verwendet?
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
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Konventionelle Routingverfahren
● 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
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Konventionelle Routingverfahren
}Distance Vector
Link State
Flooding
Routenfindung fürPunkt-zu-Punkt Übermittlungen
Verbreiten von Informationenim gesamten Netz
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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.
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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
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Distance Vector
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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
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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
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Link State
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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
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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
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Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren
● 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
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Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren
● 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
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Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen KleingerätenAd Hoc Networking und Routing
Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren
● Quality of Service (QoS)bspw. für Echtzeit-Unterstützungnötig wegen Bandbreitenbeschränkungen, starken Schwankungen der Verbindungsqualität
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Teil 3
Roger Grütter
Ad Hoc Routing Verfahren
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Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen KleingerätenAd Hoc Networking und Routing
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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Zone Routing II
Routing- Zone mit Radius 2 Zonenintern: proaktiv Zonenextern: reaktiv
Bordernodes zur Weiterleitung Zonenexterner Anfragen
Verbindungsunterbruch ist ein lokales Problem
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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
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Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen KleingerätenAd Hoc Networking und Routing
Fragen
?
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Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen KleingerätenAd Hoc Networking und Routing
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?
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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?