Einführung in Ad Hoc und Sensor

Einführung in Ad Hoc und Sensor-Netzwerke
Seminar über Algorithmen
Ivo Köhler
SS2006
Abstract
Die Technologien der Sensornetzwerke haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt.
Aus dem militärischen Bereich, für den sie ursprünglich entwickelt wurden, werden sie
zunehmend
in
den
verschiedensten
zivilen
Anwendungsszenarien
wie:
Umweltbeobachtungen, im medizinischen Umfeld oder in der Robotik eingesetzt. Welche
verschiedenen Anforderungen an solche Netze gestellt werden, und welche Probleme daraus
resultieren soll diese Beschreibung zum Vortrag kurz schildern.
1.1 Was sind Ad Hoc und Sensor-Netzwerke
Als Ad Hoc Netz bezeichnet man spontan entstehende drahtlose Netzwerke zwischen zwei
oder mehreren Endgeräten. Die Kommunikation zwischen diesen kommt dabei völlig ohne
feste Infrastruktur aus. Das bedeutet dass es keiner festen Routing-Knoten bedarf, wie es in
herkömmlichen drahtlos Netzwerken erforderlich ist. Die ersten Ad Hoc Netzwerke wurden
durch das amerikanische Militär Anfang der 70iger entwickelt und sind bis heute auch in den
zivilen Teil vorgedrungen . Durch die immer kleiner werden Endgeräte und preiswerte
Verfahren sie herzustellen entwickeln sich immer mehr Anwendungen von denen wir
heutzutage profitieren.
Sensor-Netzwerke sind eine spezielle Form von Ad Hoc Netzen. Die verbundenen Endgeräte
sind kleinste Recheneinheiten die der Überwachung spezieller Faktoren dienen. Dazu haben
sie je nach Anwendungsgebiet ein oder mehrere Sensoren. Mit denen sie äußere Einflüsse
wie: Temperatur, Lichteinfall oder Strahlung messen können. Mithilfe dieses Netzwerkes aus
kleinen Sensoren können große Gebiete überwacht werden in denen es unmöglich wäre
herkömmliche Netzwerke zu installieren. Denkbare Szenarien wären die Überwachung von
Flüssen oder Meeresbuchten in Bezug auf Ihre Temperatur oder ihren Verschmutzungsgrad,
um mögliche Katastrophen oder andere Ereignisse frühzeitig erkennen zu können.
1.2 Anforderungen an Sensornetzwerke
Die Anforderungen an Sensornetzwerke unterscheiden sich meist stark zu denen von
herkömmlichen
Netzwerken.
Diese
Anforderungen
müssen
durch
spezielle
Kommunikationsprotokolle und Algorithmen behandelt werden und können nicht einfach
übernommen werden. So müssen alle Knoten ein hohes Maß an Selbstorganisation
aufbringen, um eine funktionierende Netzwerkstruktur aufzubauen. Dabei können Knoten des
Netzwerkes ausfallen und andere hinzukommen, ohne das die gesamte Kommunikation des
Netzwerkes zusammenbrechen darf. Herkömmliche Kommunikationsprinzipien wie ein
Client-Server Modell sind hierfür ungeeignet. Um die Überwachung durch solche Sensoren zu
gewährleisten sind Ereignisbasierte Lösungen besser geeignet. Hierbei wird eine Nachricht
durch einen Sensor verschickt, sobald ein bestimmter Grenzwert eines Sensors überschritten
ist. Um die Informationen über diese Ereignisse durch das Netz an selbst organisierenden
Knoten zu leiten sind spezielle kooperative Algorithmen erforderlich. Teilweise werden die
gesammelten Informationen in den Knoten schon vorverarbeitet um so mit einem Minimum
an Informationen über die gesamt Topologie des Netzes bekannt geben zu müssen.
Den neben diesen dynamischen Anforderungen unterliegen Sensornetzwerke der Restriktion
das die einzelnen Sensoren nur begrenzte Energieressourcen haben, und diese möglichst
sparsam zu verwenden ist. So sollten die Knoten effektiv Arbeiten und mit einem Minimum
an Kontrollpaketen auskommen. So könnten z.B. Teile des Knotens oder der Knoten selbst in
einen Ruhemodus versetzt werden wenn es keine Aktivitäten in der überwachten Umgebung
zu verzeichnen sind und nur dann aufwachen wenn eine Kommunikation nötig wird.
1.3 Anwendungsgebiete für Sensornetzwerke
Aufgrund ihrer Charakteristik gibt es viele militärische Anwendungsgebiete, die hier aber
nicht weiter berücksichtigt werden sollen. In den letzen Jahren sind auch eine Vielzahl von
zivil genutzten Anwendungen entstanden. So werden mittels Sensoren wie eingangs schon
erwähnt gewisse Bereiche der Umwelt überwacht um auf mögliche Veränderungen in
geologischen Systemen angemessen reagieren zu können. Durch die immer kleineren
Sensoren ist es der Medizin nun auch möglich den menschlichen Körper und dessen vitale
Parameter zu überwachen. Zukünftige Sensoren könnten hierbei auch in den menschlichen
Körper aufgenommen werden, um so Praktiken der minimal-invasiven
Chirurgie
unterstützen. Ein weiterer Bereich in den Sensornetzwerke Einzug halten ist die Maschinenund Geräteüberwachung. So könnten Sensoren an komplexen Gebäuden installiert werden,
die sonst nur schwer zugänglich wären. Diese Sensoren könnten jederzeit Auskunft über den
Zustand oder mögliche Ermüdungserscheinungen geben, um so Unglücke in Folge von Stressoder Materialermüdung vorzubeugen.
1.4 Medienzugriffsschicht
Besondere Herausforderungen im Umfeld von spontan entstehenden Sensornetzwerken
werden an die Medienzugriffsschicht gestellt. Genau wie in anderen drahtlosen Netzwerken
greifen alle Knoten auf die gemeinsam genutzte Luftschnittstelle zu. Deshalb kommt es
natürlich immer wieder zu Kollisionen und der Notwendigkeit zerstörte Pakete erneut zu
senden. In Sensornetzwerken kommt erschwerend hinzu, das feste Routing Knoten wie
Access Points oder Gateways nicht exisiteren und das Netz nur aus gleichberechtigten Knoten
besteht. Weitere Merkmale die Sensornetzwerke von herkömmlichen drahtlos Netzwerken
unterscheiden sind die typische Verkehrscharakteristik. Der Datenverkehr korreliert oft sehr
stark und ist äußerst variabel. Es treten weniger gleichmäßige Phasen auf als in normalen
Netzwerken. In Sensornetzwerken schlagen bei einem beobachtetet Ereignis oft sehr viele
Sensoren gleichzeitig aus und es kommt so zu sehr intensiven und kurzen Phasen in denen
sehr viel Traffic durch das Netz fließt. Die verwendeten MAC-Protokolle haben sich für diese
Anforderungen oft als sehr ungeeignet erwiesen. So müssen alle Knoten die über den 802.11
Standart kommunizieren das Medium Luft ständig abhören um zu wissen ob ein anderer
Knoten gerade Daten überträgt. Dieses Problem wird als Idle Listening bezeichnet. Hierbei
hören alle Knoten ständig das Medium ab, auch wenn eigentlich keine Ereignisse geschehen
und auch keine Übertragungen nötig wären. Aus den sehr knappen Energiereserven wird
schnell klar dass dieses Protokoll für Sensornetzwerke nur bedingt geeignet ist. TDMA
basierte Ansätze lassen sich auch nur schwer in die Welt der Sensoren integrieren. Der Grund
dafür liegt in der festaufgeteilten Slot-Belegung. Diese teilt jedem Knoten einen festen
Zeitschlitz zu in dem er seinen Daten Senden kann. Die Einteilung bedarf aber einer höher
geordneten Administrationsschicht und jeder Knoten muss mittels eines komplexen
Synchronisationsprozesses seine Daten in dem ihm zugeteilten Zeitschlitz verschicken. Neben
diesen komplexen Verfahren ist ein TDMA basierter Ansatz auch nur bedingt geeignet sehr
große Netze mit sehr vielen Sensoren zu verwalten. Durch die fest eingeteilten Zeitschlitze
kann dieses Protokoll nicht beliebig skalieren für große Knotenmengen.
Neben diesen nur sehr eingeschränkt erfüllten Anforderungen an Sensornetzwerke durch
herkömmliche Protokolle sind auch oft die falschen Aspekte optimiert. So sind in normalen
Netzwerken Quality-of-Service Kenngrößen wie Latenz, Durchsatz oder die Fairness im
Mittelpunkt der Optimierungsversuche. Diese sind aber in Bezug auf Sensoranwendungen
eher sekundär.
Aus diesen Gründen heraus gibt es verschiedene Ansätze MAC-Protokolle speziell für
Sensornetzwerke und dessen Applikationen zu implementieren. Die meisten dieser Projekte
werden durch das Militär gestützt und gefördert, da immer noch ein Großteil der
Anwendungen aus diesem Bereich kommt. Mit S-Mac und Berkley-Mac werden gleich zwei
Protokolle in Zusammenarbeit mit dem Militär und der University of California entwickelt,
die beide speziell auf bestimmte Anforderungen zugeschnitten sind. Alle MAC-Protokolle für
Sensornetzwerke haben dies gemein, sie gehen von speziellen Voraussetzungen über das Netz
und den zu erwartenden Netzwerkverkehr aus. Darauf aufbauend wird ein Protokoll
entwickelt welches dem Szenario am ehesten gerecht wird. Es existieren mit CSMA-PS
(Carrier Sense Medium Access – Preamble Sampling) auch Ansätze die einem
herkömmlichen Protokoll für Drahtlosnetzwerke ähnlich sind, allerdings steht hier der
limitierende Faktor Energie im Vordergrund. Knoten sind nicht die ganze Zeit Sende und
Empfangsbereit sondern unterliegen einem periodischen Wach-Schlaf-Zyklus, um so ein
möglichst lange Lebenszeit zu gewährleisten. Und auch Lösungen die aus der
Mobilkommunikation kommen werden für bestimmte Anwendungen adaptiert. So wird der
aus der GSM-Welt bekannte TDMA Ansatz (Time division multiple access) in abgewandelter
Form unter dem Namen DE-Mac entwickelt. Hierbei wird der bekannte Mechanismus zur
Verwendung fester Zeitschlitze implementiert um so die Kollisionen und die damit
verbundene Neusendung von Paketen auf ein Minimum reduziert. Der große Nachteil dieser
Technik liegt in der schleckten Skalierbarkeit für große Knotenmengen. Da die Anzahl der
fest zugeteilten Zeitschlitze nicht künstlich erhöht werden kann und auch genügend
Sicherheitsabstand zwischen den einzelnen Übertragungen gewährleistet werden muss,
können die Sensornetze nicht beliebig groß werden. Viele der Protokolle sind noch nicht reif
für wirkliche industrielle Anwendungen, allerdings wird mit Hochdruck an neuen
Mechanismen gearbeitet um den besonderen Anforderungen von Sensornetzwerken gerecht
zu werden.
1.5 Routing
Neben den Problemen die auf bei der Entwicklung von MAC-Protokollen zu beachten sind,
sind auch Fragen des Routings von großer Bedeutung. Auch hier können herkömmliche
Technologien und Algorithmen nicht ohne weiteres übernommen werden. Das Hauptproblem
mit denen die Forscher kämpfen ist die starke Dynamik die typischerweise in
Sensornetzwerken vorzufinden ist. Konten können permanent ihre Position ändern und ein
Entstehen stabiler Routing-Pfade so unmöglich machen. Alle Knoten haben nur begrenzte
Engergieressourcen und können plötzlich ausfallen. Und trotzdem darf der Datenverkehr der
von Konten zu Knoten geroutet wird nicht zum erliegen kommen. Obwohl die RoutingProtokolle eine Reihe von schwierigen Problemen zu lösen haben, müssen sie dennoch relativ
einfach und leicht implementierbar sein, damit keiner der Knoten viel Energie für die
Wegewahl aufbringen muss. Trotz all der veränderten Bedingungen zu herkömmlichen
Netzen wurden auch bewährte Mechanismen übernommen. So kann jeder Knoten im
Fehlerfall auf ein Fluten seiner Daten zurückgreifen. Hierbei wird das betreffende Paket
einfach an alle in Reichweite befindlichen Knoten geschickt mit der Hoffnung so das Ziel zu
erreichen. Natürlich ist das keineswegs eine optimale Lösung, da zu viel Netzwerkverkehr
erzeugt wird und damit auch enorm viel Energie verschwendet wird. Neben sehr einfach
Verfahren wie Shortest-Hop-First, bei dem das Paket an denjenigen Knoten geschickt wird
das einem in Richtung Ziel am nächsten liegt, oder hierarchischen Verfahren, bei denen
baumartige Strukturen aufgebaut werden, versucht man auch völlig neue Wege zu gehen. So
werden oft probalistische Verfahren eingesetzt, um den Routing-Aufwand in jedem einzelnen
Knoten gering zu halten.
Ähnlich wie bei den MAC Protokollen bleibt festzustellen, das sich kein Routing Protokoll
komplett durchsetzen wird, weil der Kontext der Anwendung das am besten geeignete
Protokoll bestimmt. Neben der Eigentlichen Applikation wird oft die Charakteristik des
Netzwerkverkehrs analysiert und auf dessen Grundlage Designentscheidungen für das
Routing Protokoll getroffen.
1.6 Ausblick
Wie in dem Paper erwähnt ist die Entwicklung der Sensornetzwerke in großer Bewegung und
es wird sich noch einiges verändern, bis kleine Sensoren unser Leben vereinfachen indem sie
überwachend und steuernd in die verschiedensten Prozesse eingreifen. In Zukunft werden
Sensoren viel kleiner und effizienter, werden ihre Energie aus Temperaturschwankungen oder
kinetischen Bewegung beziehen, um so völlig neue ungeahnte Anwendungen möglich
machen. Keinem Gebiet der Informationselektronik werden in den nächsten Jahren
vergleichbare Fortschritte vorhergesagt, und so bleibt es abzuwarten welche neuen wichtigen
Entwicklungen dieser Bewegung entspringen. Obwohl Sensornetzwerke militärische Wurzeln
haben und heutzutage immer noch stark durch militärische Anwendungen vorangetrieben
werden, hat die Technik längst Einzug in das zivile Leben gehalten aus dem sie in einigen
Jahren nicht mehr wegzudenken sein werden.