Mobile Ad hoc Networking - Institut für Betriebssysteme und

Technische Universität
Carolo-Wilhelmina Braunschweig
Institut für Betriebssysteme
und Rechnerverbund,
Prof. Dr. Stefan Fischer
Seminar Verteilte Systeme und
Netzwerkmanagement
Thema:
Mobile Ad hoc Networking
bearbeitet von Florian Bahr
Seminar Verteilte Systeme und Netzwerkmanagement: Mobile Ad hoc Networking
Gliederung
1 Einleitung
2 Charakteristika von Mobile Ad hoc Networks
3 Routing in Mobile Ad hoc Networks
4 Abschließende Bemerkungen
Seminar Verteilte Systeme und Netzwerkmanagement: Mobile Ad hoc Networking
1 Einleitung
• die Vernetzung mobiler Informationstechnologien auf der Grundlage von Wireless LAN,
BlueTooth oder IrDA bildet die Grundlage für eine „neue Qualität“ spontaner Vernetzung
heterogener, mobiler Systeme
• Charakteristika:
Mobility, Self-Configuration, Peer-to-Peer-Communication und Cooperative Forwarding
 Rahmenbedingungen
 mobile Netzknoten
 Abwesenheit stationärer Kommunikationsinfrastruktur
 Unterstützung heterogener Kommunikationsszenarien
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 Mobile Ad hoc Networks
 RFC 2501 „Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and
Evaluation Considerations“ [Network Working Group, Corson/Macker, 1999]
• autonomes System mobiler Plattformen, die isoliert in kooperativen Ad-hoc-Gruppen oder über
entsprechende Schnittstellen bzw. Gateways an eine stationäre Kommunikationsinfrastruktur
gekoppelt operieren
• gekennzeichnet durch dynamische, spontan mutierende „Multihop“-Topologien, die mobile
Endgeräte über i.d.R. bandbreitenrestringierte, „wireless“ Links zu einem lose gekoppelten
Netzwerk zusammenfassen
Einleitung - 2
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2 Charakteristika von Mobile Ad hoc Networks
 Eigenschaften stationärer Kommunikationsinfrastrukturen
 Endgeräte sind über Vermittlungsstellen, sogenannte Router, an eine stationäre Netzinfrastruktur gekoppelt
 Verkehrsleitungsmechanismen basieren auf proaktiven Konzepten, d.h. die möglichen Wege
durch das Netz werden vorgeplant und in Vermittlungsstellen i.d.R. in Form von Routing-
Tabellen hinterlegt
 Eigenschaften (klassischer) mobiler Kommunikationsinfrastrukturen
 zellular strukturiert
 Kommunikationsteilnehmer befinden sich im Versorgungsbereich ortsfester Basisstationen,
die die Verwaltung des Aufenthaltsortes der Teilnehmer durchführen und ggf. die Kopplung
von mobilem Endgerät und Festnetz realisieren
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 Eigenschaften von Ad-hoc-Netzen
 charakteristisch ist die Abwesenheit stationärer Infrastruktur zur dedizierten Unterstützung
der Kommunikation mobiler Endgeräte, die Aufgabe der Nachrichtenvermittlung wird in den
Funktionsbereich der Endgeräte delegiert
 d.h., Endgeräte müssen nicht nur eigenen Nachrichtenverkehr empfangen und senden,
sondern in einer Tandemfunktion auch den Verkehr anderer Stationen vermitteln können
 infrastrukturlose, mobile Ad-hoc-Netze werden nicht fest konfiguriert, sondern bilden sich
selbständig, wenn Endgeräte in Kommunikationsreichweite gelangen
 Prinzip der drahtlosen Peer-Kommunikation („back-to-back radio“)
Charakteristika von Mobile Ad hoc Networks - 4
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 Zentrale Charakteristika (nach RFC 2501):
 Dynamische Topologie
 Bandbreitenbeschränkungen und variable Verbindungskapazitäten
 Energiebeschränkungen
 Begrenzte physikalische Sicherheit
Charakteristika von Mobile Ad hoc Networks - 5
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Abbildung: Auswirkungen von Mobilitätsszenarien von Netzknoten auf die Verkehrsleitung in
Ad-hoc-Netzen (Kommunikation zwischen Netzknoten 1 und 5 bei Mobilität von Knoten 2, 3, 4
und 6)
a)
b)
Senke
Senke
5
5
4
4
6
6
3
2
Quelle
1
Quelle
3
1
2
Mobiles Endgerät mit zugeordneter Kommunikationsreichweite
Drahtlose Verbindung
Charakteristika von Mobile Ad hoc Networks - 6
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• zentrale Herausforderung im Kontext des Designs von Ad-hoc-Netzen:
- Entwicklung dynamischer Routing-Protokolle, die effizient Vermittlungspfade zwischen zwei
Kommunikationspartnern identifizieren (bei enger Kopplung der Kooperationsmodelle für Adhoc-Netze an das IP-Layer)
• zwei Kernanforderungen:
- Unterstützung von Mobilität der Netzknoten und
- effiziente Reaktion auf spontane Veränderungen der Netztopologie
• beide Eigenschaften verbieten den Einsatz statischer (proaktiver) Routing-Verfahren und legen
die Verbindung von Wegewahl und Verkehrsvermittlung nahe
Charakteristika von Mobile Ad hoc Networks - 7
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3 Routing in Mobile Ad hoc Networks
 The Dynamic Source Routing Protocol (DSR)
 INTERNET-DRAFT „The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks“
<draft-ietf-manet-dsr-05.txt> [IETF MANET Working Group, Johnson/Maltz/Hu/Jetcheva,
2001]
• reaktives Routing-Protokoll, das auf eine effektive Unterstützung von Aktivitäten der
Verkehrsleitung in MANETs abstellt
• Ziel: Gewährleistung autonomer Verkehrsleitung unter den Nebenbedingungen von Mobilität der
Netzknoten, spontaner Netzfusion bzw. -partitionierung und interferierendem Input sich
überlagernder Transmissionen
• DSR ist ein reaktives Protokoll i.d.S., dass Routing-Aktivitäten on demand, d.h. in Abhängigkeit
eines konkreten Kommunikationsbedarfs zwischen zwei Netzknoten, initiiert werden
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• DSR arbeitet nach dem Konzept des sogenannten source routing
• d.h., jedes von einer Nachrichtenquelle zu propagierendes Datenpaket wird in seinem IP-Header
mit einer vollständigen Wegeinformation (hop-by-hop route) bzgl. des Pfades von einer
Nachrichtenquelle zur spezifizierten Nachrichtensenke ausgezeichnet
• diese als source routes bezeichneten Sprungfolgen von einer Nachrichtenquelle zu einer
Nachrichtensenke im Ad-hoc-Netz über intermittierende Netzknoten werden dabei in lokalen
route chaches gespeichert
• zentrale Mechanismen:
- Wegewahl (route discovery) und
- Wegevalidation zum Kommunikationszeitpunkt (route maintenance)
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 9
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 Der Route-Discovery-Prozess
 zum Kommunikationszeitpunkt: sofern im route cache der Nachrichtenquelle keine source
route bzgl. der Nachrichtensenke vorliegt, Fluten des Netzes ausgehend von der Quelle mit
sogenannten route requests (RREQ-Paketen)
 jeder Knoten, der ein route request empfängt, propagiert das RREQ-Paket an alle
benachbarten Knoten (d.h., an alle Netzknoten in unmittelbarer Kommunikationsreichweite)
 Knoten, die ein an sie adressiertes route request empfangen bzw. eine source route zur
Nachrichtensenke im route cache verwalten, antworten mit einem route reply (RREP-Paket),
das entlang des Route-Discovery-Pfades zurück zur Nachrichtenquelle propagiert wird
• Ergebnis: der Route-Discovery-Prozess konstruiert einem Quelle/Senke-Paar zugeordnete
Routen entsprechend des Weges, entlang dessen RREQ-Pakete durch das Netz zur Senke
propagiert wurden
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 10
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Abbildung: Darstellung des Route-Discovery-Prozesses (Wegewahl zwischen zwei kommunizierenden Knoten 1 und 5) [Propagierung von route requests]
Route request (source, destination, hops)
Route cache
...
Senke
5
RREQ(1,5,{1,2,4})
Route cache
...
4
6
RREQ(1,5,{1,2})
RREQ(1,5,{1})
Quelle
1
Route cache
...
2
Route cache
...
RREQ(1,5,{1,2})
3
Route cache
(3,5) > {3,6,5}
...
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 11
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Abbildung: Darstellung des Route-Discovery-Prozesses (Wegewahl zwischen zwei kommunizierenden Knoten 1 und 5) [Propagierung von route replies]
Route cache
Route reply (source, destination, source route)
(5,1) > {5,4,2,1}
(5,2) > {5,4,2}
(5,4) > {5,4}
...
Senke
5
RREP(5,1,{1,2,4,5})
Route cache
...
4
6
RREP(5,1,{1,2,4,5})
RREP(5,1,{1,2,4,5})
Quelle
1
Route cache
(1,5) > {1,2,4,5},
{1,2,3,6,5}
...
2
Route cache
(2,1) > {2,1}
(2,4) > {2,4}
...
RREP(3,1,{1,2,3,6,5})
3
Route cache
(3,1) > {3,2,1}
(3,2) > {3,2}
(3,5) > {3,6,5}
...
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 12
Seminar Verteilte Systeme und Netzwerkmanagement: Mobile Ad hoc Networking
 Route-Maintenance
 Mechanismus zur Ermittlung des Gültigkeitsstatus einer source route zum Kommunikationszeitpunkt
 sollte ein Link entlang des auf dem Wege des Route-Discovery-Prozesses ermittelten Pfades
unterbrochen sein, wird entlang der source route, ausgehend vom letzten erreichbaren
Knoten, in Richtung der Nachrichtenquelle ein route error (RERR-Paket) propagiert
 die Nachrichtenquelle reagiert auf den Verbindungsausfall mit Entfernen aller source routes,
die über den ausgefallenen Link laufen, aus dem lokalen Route Cache, und initiiert ggf.
einen erneuten Route-Discovery-Prozess
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 13
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 Optimierungsansätze
 im Hinblick auf eine mögliche Minimierung von caching und routing load :
- Salvaging
- Gratuitous route repair
- Promiscous listening
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 14
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 Zusammenfassende Bewertung
 route discovery und promiscous listenening ermöglichen die Identifikation mehrerer
alternativer source routes zwischen möglichen Nachrichtenquellen und -senken
 die Verfügbarkeit alternativer Routingpfade reduziert dabei die Notwendigkeit des
extensiven Rückgriffs auf Route-Discovery-Mechanismen und entspricht damit den
besonderen Erfordernissen hochgradig dynamischer MANETs
 der Einsatz von DSR führt hin zu selbst-organisierenden und -konfigurierenden Netzen, die
fernab von vorgegebener Netzinfrastruktur und Netzadministration operieren
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 15
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 Geographisches Routing
 „Geographical Routing using partial information for Wireless Ad Hoc Networks“ [Jain/Puri/
Sengupta]
• alternativer Ansatz der Verkehrsleitung in MANETs unter Einbezug von Informationen über die
geographische Position von Netzknoten
• geographisches Routing basiert auf modifizierten (verteilten) Routing-Tabellen, die Netzknoten
approximativ eine geographische Position zuweisen (d.h., eine Routing-Tabelle ist eine Liste von
Tupeln der Form (N, posn) für Netzknoten N und ihre Position posn)
• die Nachrichtenvermittlung an eine Nachrichtensenke über intermittierende Knoten orientiert
sich dabei an minimalen Distanzvektoren bzgl. der erreichbaren Nachbarknoten und der
Nachrichtensenke
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 16
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Abbildung: Darstellung eines Wegewahl-Prozesses auf Grundlage geographischer Informationen
(Wegewahl zwischen kommunizierenden Knoten 1 und 3)
dist(4,3) = 2,8284...
4
Senke
3
Quelle
2
Route table
1
(2,<2,1>)
(4,<1,4>)
(3,<3,2>)
dist(2,3) = 1,4142...
Routing in Mobile Ad hoc Networks - 17
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4 Abschließende Bemerkungen
• Ziel der diskutierten Kooperationsmodelle ist insbesondere die integrierte und effiziente
Unterstützung heterogener Kooperationsszenarien – von autonomer, kollaborativer Gruppenkommunikation bis zu weitspannenden, gekoppelten „Multihop“-Netzen
 Was noch?
- Sicherheit und
- Energieverbrauch in MANETs
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