Δρομολόγηση πακέτων σε ασύρματα δίκτυα ad hoc με κριτήρια εξασφάλισης ποιότητας επικοινωνίας και ελέγχου ενεργειακής κατανάλωσης.

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών Δρομολόγηση πακέτων σε ασύρματα δίκτυα ad hoc με κριτήρια εξασφάλισης ποιότητας επικοινωνίας και ελέγχου ενεργειακής κατανάλωσης. Επιβλέπων καθηγητής : Μητράκος Δημήτριος Φοιτητής : Κηπουρίδης Ορθόδοξος, ΑΕΜ : 5544 Σεπτέμβριος

2 Περιεχόμενα Πρόλογος... 4 Κεφάλαιο Ιστορική Εξέλιξη Ασύρματων Δικτύων Δυνατότητες και αρχιτεκτονική 4G ασύρματων δικτύων Mobile Ad Hoc Networks (MANET) Χαρακτηριστικά Πλεονεκτήματα Εφαρμογές Σημερινές Εφαρμογές Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Προκλήσεις Ερευνητικά Θέματα Έλεγχος πρόσβασης στο φυσικό μέσο(media Access Control) Εξοικονόμηση ενέργειας Ποιότητα Υπηρεσιών Quality of Service Δρομολόγηση (Routing) σε Ad Hoc Δίκτυα Proactive αλγόριθμοι Reactive Αλγόριθμοι Κεφάλαιο Το πρότυπο σε Ad Hoc Δίκτυα Αρχιτεκτονική Αλγόριθμος DCF Μηχανισμός Βασικής Πρόσβασης (Basic Access mechanism) Μηχανισμός Εικονικής Ανίχνευσης Φέροντος (RTS / CTS) Κεφάλαιο Παρουσίαση Εφαρμογής ΠροσομοίωσηςMANETsim Εισαγωγή

3 3.1.2 Εγκατάσταση Εκτέλεση Εφαρμογής Προσομοιωτής Διακριτών Γεγονότων Χρήση της εφαρμογής MANETsim στο πρότυπο b Μετρήσεις Ρυθμαποδοσης Μετρήσεις για τη ποιότητα υπηρεσιών (QoS) Προσομοίωση κρυμμένου τερματικού Κεφάλαιο Δρομολόγιση πακέτων (Routing) Μοντέλο Δικτύου Προσαρμογή ισχύος εκπομπής Λειτουργία Δικτύου Μετρήσεις στην απόδοση του πρωτόκολλου Συμπεράσματα Appendix Αρχές Προσομοίωσης Διακριτών Γεγονότων Ο αλγόριθμος του Dijkstra Μοντέλο ασύρματου φυσικού μέσου Log distance Path model Βιβλιογραφία

4 Πρόλογος Η σύγχρονη τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης βασίζεται κατά κύριο λόγο σε κεντρικά ανεπτυγμένες υποδομές δικτύου, όπου προϋπάρχει εγκατεστημένος ένας κορμός (backbone) κεραιών συνδεμένων μεταξύ τους με γρήγορες συνδέσεις. Οι κεραίες αυτές χρησιμεύουν ως βάσεις (access points) που παρέχουν ασύρματη σύνδεση στα κινούμενα ή μη τερματικά. Η ανάγκη όμως για απρόσκοπτη, γρήγορη και χαμηλού κόστους παροχή δικτυακών υπηρεσιών, οδηγεί σε αναζήτηση νέων προσεγγίσεων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματευόμαστε την τεχνολογία των κινούμενων ad hoc δικτύων (mobile Ad hoc Networks MANETs). Σε ένα ad hoc δίκτυο δεν γίνεται χρήση κάποιας υπάρχουσας υποδομής. Οι ίδιες οι ασύρματες συσκευές (κόμβοι nodes) αποτελούν το δίκτυο και επικοινωνούν σχηματίζοντας απευθείας ζεύξεις (links) μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ασύρματους πομποδέκτες. Αυτό είναι ένα το κύριο χαρακτηριστικό που ξεχωρίζει τα ad hoc δίκτυα από τα κυψελωτά δίκτυα τηλεφωνίας και τα wireless LAN, στα οποία οι κόμβοι επικοινωνούν μέσω σταθερών σταθμών βάσης. Στόχος αυτής της εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και ανάπτυξη μιας πλατφόρμας προσομοίωσης της λειτουργίας ενός MANET, με σκοπό την εφαρμογή ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης πακέτων μεταξύ των κινούμενων κόμβων. Το πρωτόκολλο που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε, ονομαζεται MinPowRoute και στοχεύει στην ελαχιστοποίηση της καταναλισκομένης ισχύος (power aware) καθώς και την βελτιστοποίηση της παρεχομένης ποιότητας υπηρεσιών (QoS). Η εφαρμογή προσομοίωσης ονομάζεται ΜΑΝΕΤSim, υλοποιήθηκε στην JAVA και JAVA 3D, βασίζεται στο πρότυπο για την πρόσβαση στο φυσικό επίπεδο (MAC layer) και στηρίζεται στην τεχνική προσομοίωσης διακριτών γεγονότων. 4

5 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί μια εκθετική αύξηση στη χρήση ασύρματης τεχνολογίας. Συσκευές με δυνατότητα ασύρματης δικτύωσης όπως laptops, palmtops, PDAs και κινητά τηλέφωνα γίνονται όλο και ισχυρότερα όσον αφορά τις δυνατότητες τους και κατέχουν όλο και σημαντικότερο ρόλο στη καθημερινή ζωή των ανθρώπων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η ανάγνωση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου από την οθόνη κινητού τηλέφωνου ενώ βρισκόμαστε σε κίνηση, η περιήγηση στο διαδίκτυο μέσω laptop σε ένα αεροδρόμιο, η ανταλλαγή αρχείων μεταξύ σύνεδρων σε ένα συνεδριακό κέντρο, και η εύρεση συντομότερης διαδρομής από PDA με δέκτη GPS σε ένα κινούμενο αμάξι. Οι ασύρματες συσκευές με την πάροδο του χρόνου γίνονται μικρότερες σε μέγεθος, πιο εύχρηστες,πιο ισχυρές, αλλά και πιο οικονομικές. Αυτό σημαίνει ότι όλο και μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού μπορεί να έχει πρόσβαση στην αγορά μιας τέτοιας συσκευής και ακολούθως στις υπηρεσίες τις οποίες προσφέρει. Οι κινητές συσκευές πλέον μπορούν και εκτελούν αναρίθμητους τύπους εφαρμογών και υπηρεσιών. Χωρίς καμία αμφιβολία όμως αυτές με τη μεγαλύτερη ζήτηση είναι οι συνδέσεις δικτύου και οι επακόλουθες υπηρεσίες δεδομένων (data services). Σύμφωνα με στατιστικές μελέτες, σήμερα υπάρχουν πάνω από τέσσερα δισεκατομμύρια συνδρομητές σε ασύρματες υπηρεσίες δικτύωσης, κατά κύριο λόγο συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας. Η μεγάλη πλειοψηφία των ασύρματων συνδέσεων, όπως αναφέρθηκε και στην πρόλογο, στηρίζεται σε παρόχους που χρησιμοποιούν μια σταθερή υποδομή για να προσφέρουν τις υπηρεσίες τους. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις είναι αυτές της σύνδεσης ενός κινητού τηλέφωνου σε ένα κυψελωτό δίκτυο τηλεφωνίας, και η ασύρματη σύνδεση στο διαδίκτυο ενός laptop μέσω κάποιου access point σε ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο (Wireless LAN WLAN). Παρόλο που τέτοια δίκτυα σταθερής υποδομής αποδίδουν πολύ καλά, υπάρχουν κάποια μειονεκτήματα στη χρήση της. Καταρχήν, απαιτήται αρκετός χρόνος για την εγκατάσταση και ρύθμιση μιας τέτοιας υποδομής, επίσης το κόστος για την αγορά και συντήρηση του εξοπλισμού είναι αρκετά υψηλό. Ακόμη, όπου απαιτούνται υψηλές ισχύς εκπομπής από της κεντρικά τοποθετημένες κεραίες για την κάλυψη μεγάλης επιφάνειας, τίθονται θέματα ασφάλειας της υγείας των ανθρώπων. Τέλος σε κάποιες καταστάσεις, λόγω 5

6 μορφολογίας του εδάφους, προβλημάτων προσβασιμότητας, ρευματοδότησης είτε και έλλειψη χρόνου, δεν είναι δυνατή η εγκατάσταση σταθερής υποδομής για την παροχή ασύρματης σύνδεσης στις κινητές συσκευές. Ας υποθέσουμε ένα σενάριο στο όποιο μετά από κάποιο σεισμό ή φωτιά έχει καταστραφεί το σταθερό δίκτυο κεραιών που θα παρείχε ασύρματη επικοινωνία για τον συντονισμό των ομάδων σωστικών συνεργείων. Σήμερα, η προτεραιότητα για την αποκατάσταση της επικοινωνίας είναι η επιδιόρθωση των σταθμών βάσης, είτε η τοποθέτηση προσωρινών σταθμών (πχ Βανς), διαδικασίες χρονοβόρες και όχι πάντοτε επιτυχημένες. Για αυτές τις περιπτώσεις η εξέλιξη της τεχνολογίας σε συνδυασμό με προσπάθειες προτυποποίησης, οδηγεί την ερευνητική κοινότητα στην αναζήτηση νέων λύσεων για την παροχή ασύρματων συνδέσεων μεταξύ κινούμενων συσκευών. Μια από αυτές είναι τα δίκτυα MANET. Για να δώσουμε μια καλύτερη εικόνα των λόγων για τους οποίους θεωρούνται ότι τα δίκτυα ad hoc θα διαδραματίσουν σπουδαίο ρόλο στα μελλοντικά ασύρματα δίκτυα, αρκεί να εξετάσουμε την εξέλιξη των διαφόρων τεχνολογιών που εμφανίστηκαν τα τελευταία χρόνια. 1.1 Ιστορική Εξέλιξη Ασύρματων Δικτύων. Η εμπορική ιστορία των ασύρματων δικτύων ξεκίνησε την δεκαετία του 1980 με τη πρώτη γενιά κινητών τηλεφώνων (1G) στα οποία γινόταν χρήση πολυπλεξίας στο πεδίο της συχνότητας FDMA (Frequency Domain Multiple Access). Στα 1990 εμφανίστηκε η δεύτερη γενιά δικτύων κινητής τηλεφωνίας 2G, η οποία πάνω στις υπηρεσίες φωνής, πρόσθεσε ψηφιακές υπηρεσίες δεδομένων, fax και των πολύ δημοφιλών γραπτών μηνυμάτων (SMS). H 2G τεχνολογία επεκτάθηκε στη 2.5G ώστε να παρέχει υποστήριξη μετάδοσης χαμηλής ταχύτητας δεδομένων μέχρι 384Kbps. Σήμερα έχει ολοκληρωθεί η μετάβαση στην τρίτη γενιά δικτύων (3G) τα οποία βασίζονται στο πρότυπο CDMA και δίνουν την δυνατότητα διεθνούς περιαγωγής στους συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας. Τα δίκτυα τρίτης γενιάς προσφέρουν εύρος ζώνης που ξεκινά από 128Kbps για γρήγορα κινούμενες συσκευές (αυτοκίνητο), 384 kbps για κινούμενους πεζούς, και φτάνει τα 2Mbps για ακίνητες χρήσεις. Παρόλα αυτά, λόγω περιορισμών στην αρχιτεκτονική και στις δυνατότητες τους, τα 3G δίκτυα δεν μπόρεσαν να ανταπεξέλθουν στις προσδοκίες των σχεδιαστών και των πελατών τους. Από την άλλη όμως, οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία κινητών συσκευών ενεργοποιούν νέες υπηρεσίες και θέτουν νέες 6

7 απαιτήσεις από τα ασύρματα δίκτυα οι οποίες δεν είχαν ληφθή υπόψη κατά το σχεδιασμό του 3G. Αναφέρουμε κάποιες παρακάτω 1. Η ανάγκη ενσωμάτωσης ασύρματων πλατφορμών με την υπάρχουσα σταθερή δικτυακή υποδομή. Οι πελάτες τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών αναμένουν να έχουν τις ίδιες υπηρεσίες που τους παρέχει το σταθερό δίκτυο (πχ ADSL) στις ασύρματες συσκευές τους, και μάλιστα με την ίδια ποιότητα (QoS). 2. Η ανάγκη σύγκλησης στην δικτυακή υποδομή. Οι σημερινός επικοινωνιακός φόρτος στηρίζεται στην μετάδοση φωνής. Όμως με την ζήτηση για γρήγορη μετάδοση δεδομένων να αυξάνεται θα πρέπει να μεταβούμε σε IPβασιζόμενα δίκτυα μεταγωγής πακέτων τα οποία θα υποστηρίζουν μετάδοση φωνής, δεδομένων και πολυμεσιακων εφαρμογών ταυτόχρονα. 3. Η ανάγκη ενσωμάτωσης των διαφόρων τύπων ασύρματων δικτύων. Τα σημερινά δίκτυα 3G είναι βασισμένα σε μια λογική δικτύου ευρείας περιοχής (wide area networks WANs), ενώ την ίδια στιγμή άλλοι τύποι ασύρματων δικτύων όπως WLANs και PANs αυξάνουν σε δημοτικότητα, λειτουργούν όμως ως λογικώς ξεχωριστά δίκτυα. Στο μέλλον θα πρέπει να υπάρξει μια ενοποιημένη πολιτική χρήσης των ασύρματων δικτύων. 4. Η ανάγκη υποστήριξης δικτύων χωρίς προϋπάρχουσα σταθερή υποδομή, που όπως αναφέρθηκε παραπάνω σε περιπτώσεις εκτάκτου ανάγκης μπορεί να αποδεδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμη. 5. Τέλος η ανάγκη για μείωση των τιμών στην παροχή ασύρματων υπηρεσιών δικτύωσης. Το κόστος στα 3G δίκτυα είναι πολύ υψηλό για την αγορά και τοποθέτηση εξοπλισμού. Ακόμη η αγορά αδειοδότητης για χρήση του φάσματος συχνοτήτων από τους παρόχους είναι εξαιρετικά δαπανηρή, με αποτέλεσμα το κόστος να μεταβαίνει στον τελικό χρήστη. Η μείωση των τιμών για τις υπηρεσίες θα παίξει σημαντικό ρολό στην επιτυχία ενός δικτύου. Για όλους τους παραπάνω λόγους και για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί των 3G δικτύων, η επόμενη γενιά ασύρματων δικτύων θα πρέπει να ενσωματώσει νέες δυνατότητες και αρχιτεκτονικές. Με αυτό το σκεπτικό σχεδιάζεται η τέταρτη γενιά 4G. 1.2 Δυνατότητες και αρχιτεκτονική 4G ασύρματων δικτύων. Ο κύριος στόχος του 4G είναι ο συγκερασμός διαφόρων τύπων ασύρματων δικτύων (κινητής τηλεφωνίας, WLANs, PANs), με τα ενσύρματα δίκτυα κορμού και την 7

8 ενσωμάτωση μετάδοσης φωνής, δεδομένων και εφαρμογών πολυμέσων, όλα πάνω από ένα βασισμένο σε IP δίκτυο. Με την χρήση εύρους ζώνης πάνω από 100Mbps, οι πολυμεσιακες εφαρμογές μπορούν να υποστηριχτούν επαρκώς καθώς και η απροσκώλητη χρήση υπηρεσιών από τους χρήστες εν κίνηση. Η εικόνα 1.1 παρουσιάζει τα δίκτυα και τα επιμέρους τμήματα τους σε μια αρχιτεκτονική 4G. Εικόνα 1.1 Τα κύρια χαρακτηριστικά και δυνατότητες της αρχιτεκτονικής των 4G δικτύων μπορούν να συνοψιστούν στα παρακάτω 1. IP βασιζόμενα δίκτυα. Το 4G στηρίζεται στην θεωρία ότι τα μελλοντικά δίκτυα θα βασίζονται στη μεταγωγή πακέτων, χρησιμοποιώντας πρωτόκολλα τα οποία θα είναι αποτέλεσμα εξέλιξης αυτών που βρίσκονται σε χρήση για τη δρομολόγηση πακέτων στο διαδίκτυο. Το βασικό πλεονέκτημα χρήσης IP είναι ότι ανεξαρτητοποιεί την κλιμάκωση (scalable) 8

9 του δικτύου από την τεχνολογία για την πρόσβαση των ασύρματων συσκευών στο φυσικό μέσο (physical access medium). 2. Ενσωμάτωση διαφορετικών δικτυακών τεχνολογιών. Η αρχιτεκτονική δικτύων τέταρτης γενιάς περιλαμβάνει την συνεργασία και συμβατότητα διαφορετικών τοπολογιών και πλατφορμών που βρίσκονται σήμερα σε χρήση. Όπως φαίνεται και από την παραπάνω εικόνα υπάρχουν δυο επίπεδα ενσωμάτωσης. Πρώτα τα ετερογενή ασύρματα δίκτυα με διάφορα χαρακτηριστικά μετάδοσης όπως τα WLAN,WAN, PAN και τα ad hoc δίκτυα, και το δεύτερο επίπεδο αυτό της ενσωμάτωσης ασύρματης δικτύωσης με την σταθερή υποδομή κορμού. 3. Χαμηλότερο κόστος και αυξημένη απόδοση. Τα δίκτυα τέταρτης γενιάς αναμένεται να είναι φθηνότερα και πιο αποδοτικά καθώς το κόστος για την αγορά εξοπλισμού υποδομής είναι τέσσερις με δέκα φορές μικρότερο από τα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος της δεύτερης και τρίτης γενιάς. Ακόμη μειώνεται το κόστος συντήρησης και δεν απαιτούνται επιπλέων άδειες για τη χρήση του φάσματος μιας και το ήδη υπάρχον εύρος συχνοτήτων μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί. 4. Υποστήριξη Ad Hoc δικτύωσης. Τα κινητά ad hoc δίκτυα (MANET) αναμένεται να αποτελέσουν σημαντικό μέρος της αρχιτεκτονικής δικτύων τέταρτης γενιάς. Τα MANET κερδίζουν έδαφος καθώς επιτρέπουν την παροχή υπηρεσιών στους χρηστές δίχως προϋπάρχουσα δικτυακή υποδομή είτε κεντρικής διαχείρισης. Παράλληλα οι ασύρματες συσκευές κόμβοι σχηματίζοντας συνδέσεις μεταξύ τους αυξάνουν την περιοχή κάλυψης του δικτύου και συνδεόμενες σε προεπιλεγμένες πύλες (gateways) μπορούν να παρέχουν IP υπηρεσίες όπως internet σε περιοχές που μέχρι πρότεινες δεν ήταν εφικτό. 5. Τοπολογική Ευφυΐα. Τα τερματικά των δικτύων 4G θα πρέπει να είναι ενήμερα για την θέση των χρηστών και των αναγκών των υπηρεσιών που αυτοί απαιτούν, ώστε να παρέχουν πλέον νέες υπηρεσίες με βάση τη γεωγραφική θέση. Για παράδειγμα με χρήση δεκτών GPS οι όποιοι ήδη είναι ενσωματωμένοι σε αρκετές ασύρματες φορητές συσκευές, οι χρήστες θα μπορούν να ενημερώνονται για κοντινά σημεία του ενδιαφέροντος τους, όπως τράπεζες και εστιατόρια, ενώ παράλληλα θα μπορούν να ειδοποιούνται για την κατάσταση της κυκλοφοριακής κίνησης στον δρόμο που κινούνται. 9

10 1.3 Mobile Ad Hoc Networks (MANET) Χαρακτηριστικά Όπως τονίστηκε παραπάνω οι σχεδιαστές της αρχιτεκτονικής των δικτύων τέταρτης γενιάς (4G) οραματίζονται ότι στα δίκτυα αυτά, τα ΜΑΝΕΤ θα παίξουν χαρακτηριστικό ρολό στην δομή και λειτουργία τους. Σε γενικές γραμμές τα MANET σχηματίζονται δυναμικά από ένα αυτόνομο σύστημα κόμβων τερματικών τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με ασύρματες ζεύξεις δίχως τη μεσολάβηση σταθερής υποδομής. Λόγω του γεγονότος ότι οι κόμβοι είναι ελεύθεροι να κινηθούν οπουδήποτε στο χώρο με τυχαίο τρόπο, η τοπολογία του δικτύου είναι δυνατόν να μεταβληθεί ραγδαία και μη προβλέψιμα. Ένα τέτοιο δίκτυο μπορεί να λειτουργήσει αυτόνομα, είτε και να είναι μέρος ενός μεγαλύτερου δικτύου, όντας για παράδειγμα συνδεμένο στο διαδίκτυο. Όπως φαίνεται και στην εικόνα παρακάτω, η δομή ενός ad hoc δικτύου θα μπορούσε να περιλαμβάνει laptops, PDAs κινητά τηλέφωνα κ.τ.λ. Ο κάθε κόμβος μπορεί να επικοινωνήσει απευθείας με άλλους κόμβους οι όποιοι βρίσκονται μέσα στην ακτίνα εκπομπής του. Για την επικοινωνία με κόμβους πέραν της ακτίνας αυτής, απαιτείται η χρήση ενδιάμεσων κόμβων για την μεταβίβαση των μηνυμάτων από κόμβο σε κόμβο. Έτσι οι διαδρομές μεταξύ των κόμβων μπορούν να περιλαμβάνουν πολλαπλά άλματα (hops) και άρα θα ήταν ορθότερο να αναφερόμαστε στα δίκτυα αυτά ως multihop wireless ad hoc networks Πλεονεκτήματα. Τα MANET κληρονομούν τα κοινά χαρακτηριστικά που βρίσκονται σε όλα τα ασύρματα δίκτυα, ενώ παράλληλα προσθέτουν κάποια τα οποία συναντούνται μόνο στην ad hoc δικτύωση. Ασύρματη δικτύωση. Οι κόμβοι επικοινωνούν ασύρματα και μοιράζονται το ίδιο φυσικό μέσο. 10

11 Βασίζονται σε απευθείας συνδέσεις (ad hoc based). Ένα MANET είναι ένα προσωρινό δίκτυο το όποιο σχηματίζεται δυναμικά από ένα σύνολο κόμβων ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες συνδεσιμότητας. Αυτόνομα και χωρίς σταθερή υποδομή (Infrastructureless). Τα ΜΑΝΕΤ δεν εξαρτώνται από προϋπάρχουσα υποδομή ή κεντρική διαχείριση. Ο κάθε κόμβος του δικτύου λειτουργεί με έναν διανεμημένο τρόπο, δρα ως ξεχωριστός δρομολογητής (router) και παράγει ανεξάρτητα δεδομένα. Multihop routing. Δεν είναι απαραίτητη η χρήση ειδικών δρομολογητών. Κάθε κόμβος δρομολογεί αυτόνομα τα πακέτα στους γειτονικούς του κόμβους ώστε να επιτρέπει την μετάδοση δεδομένων μεταξύ τους. Κινητικότητα. Οι συμμετέχοντες σε ένα ΜΑΝΕΤ κόμβοι κινούνται με τυχαίο τρόπο αλλάζοντας διαρκώς την τοπολογία του δικτύου και την μεταξύ τους συνδεσιμότητα. Τα δίκτυα ΜΑΝΕΤ εξαλείφουν τους περιορισμούς των δικτύων σταθερής υποδομής, και επιτρέπουν τις συσκευές να δημιουργούν και να συμμετέχουν σε ένα δίκτυο χωρίς εξωτερική παρέμβαση, οποιαδήποτε στιγμή, σε οποιοδήποτε περιβάλλον, παρέχοντας σχεδόν οποιαδήποτε διαθέσιμη υπηρεσία Εφαρμογές. Λόγω κάποιων μοναδικών χαρακτηριστικών των δικτύων ΜΑΝΕΤ, όπως η ευελιξία τους, η οποία δίνει την δυνατότητα εγκατάστασης ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου σε ελάχιστο χρόνο, χωρίς προϋπάρχουσα υποδομή και χωρίς ρύθμιση, έγινε αντιληπτή η εμπορική δυναμική τους και τις εξελίξεις που τα δίκτυα αυτού του τύπου μπορούν να φέρουν. Στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε το εύρος των εφαρμογών των ΜΑΝΕΤ, πως εξελίχθηκαν ιστορικά, καθώς και κάποιες πιθανές μελλοντικές εφαρμογές τους. Ιστορικά, τα ασύρματα ad hoc δίκτυα χρησιμοποιήθηκαν κατά βάση για στρατιωτικούς σκοπούς, με στόχο την βελτίωση των επικοινωνιών στο πεδίο της μάχης και την επιβιωσιμότητα τους. Ο γρήγορος ρυθμός μεταβολής των συνθηκών σε μια στρατιωτική επιχείρηση σημαίνει ότι δεν είναι εφικτό για το στρατό να βασιστεί σε μια προεγκατεστημενη τηλεπικοινωνιακή υποδομή. Οι καθαρά ασύρματες τεχνολογίες σε αυτές τις περιπτώσεις έχουν τον περιορισμό ότι τα ραδιοκύματα υπόκεινται σε παρεμβολές, με αποτέλεσμα κύματα με συχνότητες υψηλότερες των 100 MHz, σπάνια να διαδίδονται επιτυχώς περά από την περιοχή οπτικής επαφής (LoS) [3]. Τα δίκτυα ΜΑΝΕΤ μπορούν να αντιμετωπίσουν τέτοια 11

12 προβλήματα παρέχοντας διανεμημένες ασύρματες ζεύξεις και συνδεσιμότητα πέραν του ορίου της οπτικής επαφής. Οι πρώτες εφαρμογές ad hoc δικτύων μπορούν να εντοπιστούν από το 1972 στο πρόγραμμα Packet Radio Network (PRNet) της αμερικανικής DARPA [3]. Την υλοποίηση τους ώθησε η εξέλιξη της τεχνολογίας μεταγωγής πακέτων, όπως η διαμοίραση του εύρους ζώνης ενός φυσικού καναλιού σε πολλούς χρήστες και η τεχνική store and forward. To PRNet υλοποιούσε μια αρχιτεκτονική αποτελούμενη από δίκτυα ευρείας εκπομπής (broadcast networks), με ελάχιστη κεντρική διαχείριση, και με χρήση ενός συνδυασμού ALOHA και πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος CSMA (Carrier Sense Multiple Access), ως πρωτοκόλλα για την πρόσβαση των κόμβων στο κοινό ασύρματο κανάλι. Οι τεχνικές δρομολόγησης, αποθήκευσης και προώθησης πολλαπλών ενδιάμεσων κόμβων, εξαλείφουν τον περιορισμό της περιοχής ραδιοκάλυψης της κάθε συσκευής κάτι που επιτρέπει την επικοινωνία χρηστών σε μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή. Στις αρχές του 1980 η DARPA ανέπτυξε τα επιβιωσιμα ασύρματα δίκτυα (Survivable Radio Networks SURANs), τα οποία έλυναν κάποια από τα προβλήματα της προηγούμενης γενιάς των PRNet δικτύων. Στόχος αυτής της προσπάθειας ήταν η ανάπτυξη δικτυακών αλγορίθμων για την υποστήριξη δικτύων τα οποία μπορούν να κλιμακωθούν σε δεκάδες χιλιάδες κόμβους, να αντιμετωπίσουν επιθέσεις στην ασφάλεια τους και με χρήση μικρού κόστους και χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης πομποδεκτών, να μπορούν να υποστηρίζουν πολύπλοκα πρωτοκόλλα δρομολόγησης πακέτων. Αποτέλεσμα όλων αυτών ήταν ο σχεδιασμός της τεχνολογίας ασύρματης μετάδοσης πακέτων χαμηλού κόστους (Low Cost Packet Radio LPR) [4], που υλοποιούσε έναν Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) πομποδέκτη με έναν ενσωματωμένο μεταγωγεα πακέτων (packet switch) βασιζόμενο στον μικροεπεξεργαστή 8086 της Intel. Κάποιες βελτιστοποιήσεις στην προσαρμογή, χωρητικότητα και παροχή αυξημένης ασφάλειας επιτεύχθηκαν μέσω τεχνικών διαμοιρασμού κλειδιών [5]. Στις αρχές του 1990 η ραγδαία ανάπτυξη της χρήσης Internet σε συνδυασμό με την επανάσταση των μικροϋπολογιστών δημιούργησαν ένα εύφορο έδαφος για την υλοποίηση των ιδεών της ασύρματης μετάδοσης πακέτων. Το υπουργείο άμυνας των Ηνωμένων Πολιτειών ξεκίνησε το 1994 το πρόγραμμα Παγκοσμίου Συστήματος Κινητών Επικοινωνιών (GloMo) [6], όποιο στόχευε στην παροχή συνδεσιμότητας τύπου Ethernet για χρήση πολυμεσιακων εφαρμογών μεταξύ κινούμενων ασύρματων συσκευών. Ο στρατός των Ηνωμένων Πολιτειών το 1997 ανέπτυξε το Tactical Internet (ΤΙ), που είναι επί μακράν η μεγαλύτερης κλίμακας υλοποίηση ασύρματων δικτύων μεταγωγής πακέτων [3]. Το Tactical Internet χρησιμοποιεί την τεχνική της διασποράς φάσματος χωρίς αναπηδήσεις στη συχνότητα (Direct Sequence Spread Spectrum) σε συνδυασμό με πολλαπλή πρόσβαση σε διαίρεση του 12

13 χρόνου (Time Division Multiple Access), και επιτύγχανε ρυθμούς εκπομπής δεκάδων Kbits/s, ενώ τροποποιημένα εμπορικά πρωτόκολλα χρησιμοποιούνταν για τη δρομολόγηση των πακέτων Σημερινές Εφαρμογές. Παρόλο που οι αρχικές χρήσεις των δικτύων MANET ήταν προσανατολισμένες σε στρατιωτικές εφαρμογές, σήμερα πολιτικές εφαρμογές έχουν εμφανιστεί και είναι ο κύριος στόχος της έρευνας στα δίκτυα αυτά. Ειδικά τα τελευταία χρόνια, λόγω της εξέλιξης των τεχνολογιών ασύρματης μετάδοσης, τα ad hoc δίκτυα έχουν τραβήξει την προσοχή της ερευνητικής και εμπορικής κοινότητας, καθώς και των οργανισμών προτυποποίησης. Η εμφάνιση τεχνολογιών όπως το ΙΕΕΕ , Bluetooth και Hyperlan, καθώς και η ευρεία υιοθέτηση τους από το κοινό, ωθούν την ανάπτυξη της τεχνολογίας των ΜΑΝΕΤ πέραν του στρατιωτικού τομέα. Ως αποτέλεσμα έχουν σχεδιαστεί διάφορες εφαρμογές των δικτύων ΜΑΝΕΤ που περιλαμβάνουν προσωπική και οικιακή δικτύωση (personal and home networking), επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης, εμπορικές και εκπαιδευτικές εφαρμογές και δίκτυα αισθητήρων. Παρακάτω παραθέτουμε μια κατηγοριοποίηση των παρόντων και ενδεχομένων μελλοντικών εφαρμογών, καθώς και κάποια παραδείγματα υπηρεσιών που μπορούν να προσφέρουν. Εφαρμογες Εμπορικες Οικιακη και εταιρικη δικτυωση Τακτικά Δικτυα (Tactical Networks) Υπηρεσίες Εκτακτου Αναγκης Δίκτυα Αισθητηρων Περιγραφή / Υπηρεσίες Ηλεκτρονικό Εμπόριο Π.χ. Ηλεκτρονικές συναλλαγές και πληρωμές εν κίνηση WLANs, κοινόχρηστες εφαρμογές γραφείου, χρήση PDA για εκτυπώσεις παντού Στρατιωτικές επικοινωνίες Επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης, καταστάσεις καταστροφών, Πχ έγκαιρη μετάδοση δεδομένων τραυματιών στα νοσοκομεία Ενσωματωμενες αισθητήριες συσκευές που χρησιμοποιούνται για την συλλογή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, με 13

14 σκοπό την αυτοματοποίηση διεργασιών. Διασκεδαση Τοπολογικού περιεχομένου υπηρεσίες Εκπαιδευτικές Εφαρμογες Μετάδοση βίντεο και ήχου Παιχνίδια Πολλαπλών Παιχτών Πρόσβαση στο διαδίκτυο σε εξωτερικούς χώρους. Παροχή Πληροφοριών για κοντινά σημεία ενδιαφέροντος (Τράπεζες, πρατήρια καύσιμων, Νοσοκομεία) Εγκατάσταση εικονικων αμφιθεάτρων και αιθουσών συνεδριάσεων Εξαιτίας του μεγάλου εύρους εφαρμογών, της σπουδαιότητας, αλλά και των ιδιαιτεροτήτων τους, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούν ένα μεγάλο πεδίο εφαρμογής της τεχνολογίας δικτύων ad hoc και περιγράφονται πιο αναλυτικά παρακάτω. 1.4 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks WSN) είναι ένας ειδικός τύπος ad hoc δικτύων στα οποία τα τερματικά κόμβοι είναι μικρές συσκευές, (το μέγεθος των οποίων προσεγγίζει αυτό ενός νομίσματος) και οι οποίες είναι εξοπλισμένες με αισθητήριες διατάξεις (για παράδειγμα θερμοκρασίας, πίεσης, θέσης κ.τ.λ.), ένα μικρό επεξεργαστή, και ένα πομποδέκτη μικρής σχετικά εμβέλειας. Σε ένα τέτοιου τύπου δίκτυο, οι αισθητήρες ανταλλάσουν μεταξύ τους πληροφορίες για το περιβάλλον, με σκοπό να αποκτήσουν μια εποπτεία του περιβάλλοντος χώρου, συναρτήσει των μετρουμένων από τα αισθητήρια μεταβλητών. Οι πληροφορίες αυτές μπορούν να γίνουν προσβασιμες από εξωτερικούς χρηστές μέσω κόμβων οι όποιοι είναι συνδεμένοι σε κάποιο μεγαλύτερο δίκτυο, και οι όποιοι χρησιμοποιούνται ως πύλες επικοινωνίας. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αναμένεται να αποτελέσουν ορόσημο στον τρόπο με της παρατήρησης των φυσικών φαινομένων. Η ακρίβεια και η εγκυρότητα των μετρήσεων θα βελτιωθεί σημαντικά, οδηγώντας σε καλύτερη κατανόηση και πρόβλεψη των φαινομένων. 14

15 Τα WSN έχουν κινήσει το ενδιαφέρον της ακαδημαϊκής και βιομηχανικής κοινότητας τα τελευταία χρόνια. Καταρχήν, ένας αριθμός έξυπνων αισθητήρων έχουν σχεδιαστεί και υλοποιηθεί σε ακαδημαϊκό περιβάλλον. Ίσως τα πιο γνωστά από αυτά είναι το Berkeley Motes και το Smart Dust. Από τότε διάφορα προγράμματα έχουν χρηματοδοτηθεί για να αξιοποιήσουν αυτό το είδος δικτύων. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το πρόγραμμα Great Duck Island, στο όποιο ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων αναπτύχτηκε για να παρακολουθεί το φυσικό περιβάλλον διαβίωσης και τις περιοχές αποδήμησης κάποιων ειδών πάπιας. Ανάμεσα στις πολλές εφαρμογές των δικτύων αισθητήρων παραθέτουμε τις επόμενες Εφαρμογή Περιγραφή Ανίχνευση Εισβολέων Καταγραφή θερμοκρασίας ωκεανών για βελτιστοποίηση των μετεραιολογικων προβλεψεων Προβλεψη χιονοστιβαδων Ασύρματοι αισθητήρες εφοδιασμένοι με κάμερες που σχηματίζουν ένα δίκτυο για την παρακολούθηση μια προστατευόμενης περιοχής ελεγχόμενης πρόσβασης. Είναι γνωστό ότι η εξέλιξη των καιρικών φαινομένων εξαρτάται από την θερμοκρασία μεγάλων μαζών νερών στους ωκεανούς. Σήμερα όμως τέτοιες μετρήσεις θερμοκρασίας είναι δύσκολες. Με τοποθέτηση ασύρματων αισθητήρων στο νερό, θα μπορούσαμε να λάβουμε ακριβείς μετρήσεις για τα ωκεάνια ρεύματα και τη θερμοκρασία τους. Αισθητήρες εξοπλισμένοι με δέκτες GPS θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την καταγραφή μεγάλων όγκων χιονιού, προειδοποιώντας εγκαίρως για επερχόμενες χιονοστιβάδες. Χρηση αισθητήρων για πυρανίχνευση Ανίχνευση πυρκαγιών σε δασικές περιοχές Για να δώσουμε στον αναγνώστη μια καλύτερη ιδέα για τον τρόπο λειτουργίας ενός δικτύου ασύρματων αισθητήρων περιγράφουμε παρακάτω ένα ενδεικτικό σενάριο χρήσης τους. 15

16 Θεωρούμε την περίπτωση κατά την οποία ένα WSN χρησιμοποιείται για την εποπτεία μιας μεγάλης σε έκταση και απομακρυσμένης γεωγραφικής περιοχής, έτσι ώστε περιπτώσεις έκτακτων γεγονότων (όπως για παράδειγμα εμφάνισης πυρκαγιάς), να γίνουν γρήγορα αντιληπτές. Σε αυτό το σενάριο, έξυπνες αισθητήριες συσκευές, κάθε μια εξοπλισμένη με μπαταριες, αρκετή υπολογιστική ισχύ και δυνατότητα ασύρματης επικοινωνίας, τοποθετούνται σε στρατηγικά σημεία (όπως κορυφές λόφων). Κάθε αισθητήρας καλύπτει μια έκταση και μπορεί να επικοινωνεί με τους γειτονικούς του αισθητήρες. Οι αισθητήρες κόμβοι αυτού του δικτύου συλλέγουν δεδομένα ατμοσφαιρικών μετρήσεων (θερμοκρασία, ατμοσφαιρική πίεση, ταχύτητα άνεμου, υγρασία), καθώς και αναλύσεις σύστασης αέρα (πχ ανίχνευση στάχτης). Επιπλέων κάθε κόμβος θα μπορούσε να είναι εξοπλισμένος με μια κάμερα υπέρυθρων για την ανίχνευση θερμικών μεταβολών. Κάθε αισθητήρας γνωρίζει την θέση του εκφρασμένη σε γεωγραφικές συντεταγμένες, κάτι τέτοιο μπορεί να επιτευχτεί είτε με χρήση δέκτη GPS, είτε με εκ των προτέρων αποθήκευση τους κατά την στιγμή της εγκατάστασης του κόμβου. Σε τακτά χρονικά διαστήματα οι κόμβοι ανταλλάσουν τις μετρήσεις τους με αυτές γειτονικών κόμβων για την ανίχνευση εμφάνισης έκτακτων γεγονότων (πυρκαγιά). Αυτές οι ανταλλαγές ρουτίνας διαδίδονται μέσω του δικτύου αισθητήρων και μπορούν να συλλεχτούν από κάποιον εξωτερικό διαχειριστή, είτε να ενεργοποιήσουν μια διαδικασία εκτάκτου ανάγκης, για παράδειγμα στην περίπτωση που οι υπέρυθρες κάμερες εντοπίσουν μια απότομη αύξηση θερμικής εκπομπής σε κάποια γεωγραφική ζώνη. Εν συνέχεια ο αισθητήρας που έκανε λήψη αυτών των ασυνήθιστων μετρήσεων επικοινωνεί με τους γειτονικούς του ώστε να επιβεβαιώσει την ανίχνευση της ανωμαλίας και από άλλους αισθητήρες. Τέλος, αν η μέτρηση έγινε αντιληπτή και από άλλους αισθητήρες, η ακριβής τοποθεσία μιας ενδεχόμενης πυρκαγιάς θα μπορούσε να γίνει γνωστή με χρήση τεχνικής τριγωνοποίησης. Επιπλέων, μετρήσεις της κατεύθυνσης και της ταχύτητας του άνεμου θα μπορούσαν να δώσουν μια πολύ χρήσιμη πρόβλεψη για την εξέλιξη της πυρκαγιάς, και όλες αυτές οι πληροφορίες να μεταδοθούν από κόμβο σε κόμβο με μεγίστη προτεραιότητα μηνύματος, μέχρι να γίνουν δέκτες από τις φορητές ασύρματες συσκευές των δασοφυλάκων ή και των πυροσβεστών, παρέχοντας τους την δυνατότητα έγκαιρης και ακριβής αντίδρασης κατάσβεσης. Το παραπάνω σενάριο πυρανίχνευσης με χρήση ενός ασύρματου δικτύου ad hoc αισθητήρων περιγράφεται στη παρακάτω εικόνα

17 Εικόνα 1.2 Βλέπουμε την ανίχνευση μιας πυρκαγιάς από κάποιον αισθητήρα του δικτύου, και με τα βέλη η διάδοση του μηνύματος με τις πληροφορίας διαμέσου του δικτύου, έως ότου γίνει δεκτό από τη συσκευή κάποιου δασοφύλακα. 1.5 Προκλήσεις Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία δικτύωσης ad hoc υπάρχει, οι εφαρμογές τους δεν έχουν υιοθετηθεί σε μεγάλη κλίμακα εξαιτίας κάποιων προβλημάτων των δικτύων αυτών που χρήζουν επίλυση. Τέτοιες προκλήσεις αναφέρουμε παρακάτω, και κάποιες από αυτές θα αναλυθούν ξεχωριστά στην συνέχεια της εργασίας. Κατανάλωση ενέργειας. Καθώς οι συσκευές σε ένα κινούμενο δίκτυο ad hoc στηρίζονται για τη λειτουργία τους κατά βάση σε μπαταριές ξηρών στοιχείων, στόχος κάθε υλοποίησης είναι η όσον το δυνατό αποδοτικότερη χρήση της περιορισμένης διαθέσιμης ενέργειας. Περιορισμένο Εύρος Ζώνης και ποιότητα των ασύρματων ζεύξεων. Οι ασύρματες συσκευές κόμβοι ενός ad hoc δικτύου επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω περιορισμένου εύρους ζώνης, μη ασφαλή και επιδεκτικά σε σφάλματα, ασύρματα κανάλια, έτσι οι ασύρματες ζεύξεις συνεχίζουν να έχουν χαμηλότερη χωρητικότητα από τα ενσύρματα και λόγω αυτού η συμφόρηση πακέτων οδηγεί σε προβλήματα. Έλλειψη σταθερής δικτυακής υποδομής. Η έλλειψη σταθερής υποδομής στα ad hoc δίκτυα σε συνδυασμό με την ασύρματη λειτουργία τους δημιουργεί πολλές προκλήσεις όσον αναφορά τον σχεδιασμό τους σε σχέση με τα ενσύρματα δίκτυα. Επίσης, η απουσία κεντρικής διαχείρισης σημαίνει ότι η διαχείριση του δικτύου θα πρέπει να γίνει διανεμημένα στους κόμβους, κάτι που δυσκολεύεται την ανίχνευση και αντιμετώπιση σφαλμάτων. 17

18 Δυναμικά μεταβαλλόμενη τοπολογία δικτύου. Στα ΜΑΝΕΤ, οι κόμβοι είναι ελεύθεροι να κινούνται αυτόνομα, κάτι που οδηγεί σε συχνές μεταβολές της διαδρομής δρομολόγησης πακέτων και ενδεχόμενη απώλεια τους [7]. Περιορισμοί σε επίπεδο φυσικού μέσου. Ο ασύρματος πομποδέκτης κάθε κόμβου κάνει χρήση εκπομπής ευρείας ζώνης (broadcasting) για την μετάδοση πακέτων, και ακόμη έχει περιορισμένη ακτίνα εκπομπής. Τα παραπάνω οδηγούν σε προβλήματα δικτύωσης όπως αυτό του «κρυμμένου και του εκτιθεμένου τερματικού» που παρουσιάζονται στη συνέχεια. Διαφοροποιήσεις στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της κάθε συσκευής κόμβου. Για παράδειγμα διαφορετικής ισχύς πομποδέκτες οδηγούν σε ασύμμετρες ζεύξεις, ενώ το εύρος ζώνης συχνοτήτων εκπομπής ενδέχεται να διαφέρει. Ο σχεδιασμός και υλοποίηση δικτυακών πρωτοκόλλων και αλγορίθμων για τέτοια ετερογενή δίκτυα είναι εξαιρετικά πολύπλοκος. Ποιότητα Υπηρεσιών. Η εξασφάλιση ποιότητας υπηρεσιών (Quality of Service QoS) είναι απαραίτητη για την επιτυχημένη αποστολή δικτυακής κίνησης πολυμεσιακων εφαρμογών. Οι απαιτήσεις του QoS τυπικά αναφέρονται σε ένα ευρύ φάσμα προδιαγραφών, όπως ρυθμαποδοση (throughput), καθυστέρηση (latency) και συχνότητα σφάλματος (error rate). Τα χαρακτηριστικά των ΜΑΝΕΤ που αναφέρθηκαν και παραπάνω, θέτουν επιπλέoν δυσκολία στην επίτευξη του επιθυμητού QoS. 1.6 Ερευνητικά Θέματα Έλεγχος πρόσβασης στο φυσικό μέσο (Media Access Control) Στα ασύρματα κινούμενα ad hoc δίκτυα, η χρησιμοποίηση εκπομπής ευρείας ζώνης (broadcast) και το κοινό μέσο εκπομπής (αέρας), εισάγουν μια υπολογίσιμη πιθανότητα συγκρούσεων πακέτων και συμφόρησης του μέσου. Επιπλέων, σε μετάδοση μόνης κατεύθυνσης (half duplex), δεν είναι δυνατή η ανίχνευση συγκρούσεων (collision detection), γεγονός που μειώνει σημαντικά το ποσοστό χρησιμοποίησης του καναλιού, ελαττώνει τη ρυθμαποδοση και παρουσιάζει νέες προκλήσεις στα συμβατικά πρωτοκόλλα πολλαπλής πρόσβασης CSMA/CD. Στα κύρια προβλήματα που παρουσιάζονται όσον αναφορά την πρόσβαση στο φυσικό μέσο, είναι το πρόβλημα του κρυμμένου και το πρόβλημα του εκτιθεμένου τερματικού. Το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού (hidden terminal problem), λαμβάνει χώρα στην περίπτωση που δυο ή περισσότερα τερματικά, τα οποία δεν μπορούν να ανιχνεύσουν το ένα την εκπομπή του άλλου καθώς δεν έχουν φυσική σύνδεση μεταξύ τους, αλλά οι περιοχές ραδιοκαλυψης τους είναι μερικώς αλληλοκαλυπτομενες. Το κρυμμένο τερματικό σε αυτή τη περίπτωση θα ήταν ένα 18

19 τερματικό κόμβος το όποιο θα μπορούσε να επικοινωνήσει και με τους δυο κόμβους, όπως φαίνεται στην εικόνα 1.3. Εικόνα 1.3 Εδώ οι κόμβοι Α,Β μπορούν να επικοινωνήσουν με το Hub, αλλά όχι απευθείας μεταξύ τους. Εντούτοις οι ακτίνες εκπομπής τους αλληλοκαλυπτονται, κάτι που σημαίνει ότι πακέτα που εκπέμπονται ταυτόχρονα από τους Α,Β θα υφίστανται συγκρούσεις και θα χάνονται. Η τεχνική της ανίχνευσης φέροντος που χρησιμοποιείται στο CSMA/CD στην περίπτωση που και οι δυο κόμβοι θελήσουν να επικοινωνήσουν ταυτόχρονα με το Hub αποτυγχάνει, καθώς και οι δυο βρίσκουν το κανάλι ελεύθερο. Το πρόβλημα του εκτιθεμένου τερματικού (exposed terminal problem), προκύπτει στις περιπτώσεις κατά τις οποίες μια διαδικασία εκπομπής από ένα κόμβο σε κάποιον άλλο, οδηγείται σε καθυστέρηση μιας ταυτόχρονης όμως μη σχετιζόμενης εκπομπής,μεταξύ δυο άλλων κόμβων στην περιοχή εκπομπής του κόμβου που αποστέλλει τα πακέτα. Στην παρακάτω εικόνα 1.4 φαίνεται ένα τυπικό σενάριο κατά το όποιο το πρόβλημα μπορεί να εμφανιστεί. 19

20 Εικόνα 4 Έστω τέσσερις κόμβοι οι R1,S1,R2,S2, οι δυο δέκτες (R1,R2) βρίσκονται εκτός ακτίνας εκπομπής, ενώ οι πομποί αποστολείς (S1,S2) στη μέση του σχήματος είναι εντος ακτίνας. Έτσι, εάν λαμβάνει χώρα μια εκπομπή μεταξύ S1 R1, ο κόμβος S2 εμποδίζεται από την εκπομπή στον κόμβο R2, όπως υποδεικνύεται από την ανίχνευση φέροντος το όποιο δείχνει το κανάλι κατειλημμένο από τον S1. Ωστόσο, ο κόμβος R2 θα μπορούσε να λάβει πακέτα από τον κόμβο S2 χωρίς παρεμβολές. Tο φαινόμενο αυτό οδηγεί σε σημαντική μείωση της ρυθμαποδοσης (throughput). Για την αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων, έχουν προταθεί κατά καιρούς διάφορα πρωτοκόλλα έλεγχου πρόσβασης στο φυσικό μέσο όπως τα CSMA, Aloha και TDMA [8], τα οποία απευθυνόταν για σε κανάλια πολλαπλής πρόσβασης, παρόμοιες με τις πρώτες υλοποίησης των LAN, και τα οποία αποδείχτηκαν ανεπαρκή για τις ανάγκες των ad hoc δικτύων. Με την τεχνολογία των ad hoc δικτύων να εξελίσσεται, παρουσιάστηκε ένας μεγάλος αριθμός νέων πρωτοκόλλων όπως το MACA (multiple access with collision avoidance) και το FAMA (floor acquisition multiple access). Η βασική ιδέα πίσω από αυτά, ήταν η αποστολή RTS (request to send) και CTS (clear to send) πακέτων πριν λάβει χώρα η μετάδοση πληροφορίας[9]. Όταν ένας κόμβος επιθυμεί την μετάδοση την μετάδοση ενός πακέτου σε έναν γειτονικό κόμβο, αρχικά αποστέλλει ένα RTS πακέτο, ο κόμβος αποδέκτης επιβεβαιώνει το αίτημα με ένα CTS πακέτο, μόλις το CTS ληφθέν από τον κόμβο, ξεκινά την διαδικασία μετάδοσης της πληροφορίας. Ένας μηχανισμός εικονικής ανίχνευσης φέροντος βασιζόμενος στα RTS/CTS,έχει ενσωματωθεί στο πρωτόκολλο Στην πλατφόρμα προσομοίωσης που αναπτύχτηκε στο πλαίσιο της εργασίας, υλοποιήθηκε ο CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) για το επίπεδο φυσικού μέσου, και ο αλγόριθμος DCF (διανεμημένη λειτουργία συντονισμού Distributed Coordination Function), για παροχή αποφυγής συγκρούσεων και έλεγχο της συμφόρησης δικτυακής κίνησης. Παρακάτω, κατά την παρουσίαση της εφαρμογής, θα γίνει ανάλυση αυτής της λειτουργίας. 20

21 1.6.2 Εξοικονόμηση ενέργειας. Όπως είναι γνωστό, οι φορητές συσκευές βασίζονται στις μπαταρίες για τις ενεργειακές τους ανάγκες, η ενέργεια που αποθηκεύουν όμως τα ξηρά στοιχεία είναι πεπερασμένη, γεγονός που θέτει σοβαρούς περιορισμούς στον σχεδιασμό αλγορίθμων για φορητές συσκευές. Καθίσταται λοιπόν επιτακτική η ανάγκη για όσον το δυνατό πιο αποδοτική χρήση της διαθέσιμης ενέργειας, χωρίς αυτό να ρίχνει τις επιδόσεις των εκτελούμενων από τις συσκευές εφαρμογών. Τα μέτρα για την εξοικονόμηση ενεργείας δεν περιορίζονται σε ένα επίπεδο του OSI μοντέλου, αλλά απαιτείται συντονισμένη μεθοδολογία από όλα τα σχετιζόμενα επίπεδα, συμπεριλαμβανόμενων του επίπεδου φυσικού μέσου (physical layer), του λειτουργικού συστήματος και του επίπεδου εφαρμογών (application layer). Οι ερευνητικές προσπάθειες σε αυτή τη περιοχή, επικεντρωθήκαν σε διάφορες πτυχές, όπως η χρήση διαφόρων πρωτοκόλλων για πρόσβαση στο φυσικό μέσο και δρομολόγησης [10], καθώς και μετρήσεις στην κατανάλωση ισχύος στον πομποδέκτη των κόμβων. Σε μελέτες όπου διερευνώνται οι επιδράσεις της τεχνολογίας που χρησιμοποιείται για τη δικτύωση [11], έδειξαν ότι η ασύρματη διάταξη της συσκευής (wireless interface), καταναλώνει σχεδόν την ίδια ισχύ στις καταστάσεις εκπομπής (transmit state), λήψης (receive state), είτε αδρανείας (idle state). Ενώ όταν βρίσκεται σε κατάσταση ύπνου (sleep state), στην οποία δεν μπορεί να γίνει λήψη ή εκπομπή πακέτων, η κατανάλωση ισχύος είναι μειωμένη δραματικά. Δυστυχώς η προσέγγιση της μεγιστοποίησης του χρόνου που ένα τερματικό είναι σε sleep mode, δεν είναι επιθυμητή λύση στα ad hoc δίκτυα, καθώς ένας κόμβος που είναι σε αυτή τη λειτουργία μη συμμετέχοντας στην δρομολόγηση πακέτων του δικτύου, μπορεί να αυξήσει την διάρκεια της μπαταρίας του, αλλά θα μειώσει αισθητά την λειτουργικότητα του συνολικού δικτύου. Κάποιες άλλες στρατηγικές για την εξοικονόμηση ενεργείας που έχουν προταθεί, περιλαμβάνουν την επιλεκτική απενεργοποίηση κάποιων κόμβων σε ένα πυκνό δίκτυο (dense network), με ενεργοποιημένους μόνο όσους κόμβους απαιτούνται για την δρομολόγηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, ώστε να βελτιστοποιηθεί η κατανάλωση ισχύος του συνολικού δικτύου. Μια άλλη μέθοδος, που εφαρμόσαμε και στο πρωτόκολλο δρομολόγησης σε αυτήν την εργασία όπως θα αναλυθεί παρακάτω, είναι η ο έλεγχος της ισχύος εκπομπής των κόμβων. Μειωμένη ακτίνα εκπομπής οδηγεί και στην χωρική επαναχρησιμοποίηση του φάσματος συχνοτήτων, κάτι που συμβάλει στην βελτίωση της ρυθμαποδοσης του δικτύου και να ελαχιστοποιήσει τον θόρυβο από παρεμβολές μεταξύ γειτονικών κόμβων. 21

22 1.6.3 Ποιότητα Υπηρεσιών Quality of Service Εξετάζοντας τα ΜΑΝΕΤ από την πλευρά της ποιότητας υπηρεσιών (QoS) που μπορούν να επιτύχουν, μπορουμε να παρατηρήσουμε ότι η διατήρηση ενός ικανοποιητικού επίπεδου QoS συναντά εμπόδια, εξαιτίας των περιορισμών που τίθενται στο διαθέσιμο εύρος ζώνης συχνοτήτων, στις ζεύξεις μεταξύ κόμβων, αλλά και από το ίδιο το φυσικό κανάλι εκπομπής. Ακόμη, η συνεχής αλλαγή της τοπολογίας του δικτύου σημαίνει πως η παροχή QoS είναι αρκετά δυσκολότερη παρότι σε ενσύρματα δίκτυα στα οποία τίθενται στατικοί περιορισμοί όπως μνήμης και υπολογιστικής ισχύος. Σε γενικές γραμμές και η παροχή ποιότητας υπηρεσιών δεν αναφέρεται σε συγκεκριμένο επίπεδο της δικτυακής οργάνωσης, αλλά για να γίνει εφικτή απαιτείται η συνεργασία των λειτουργιών όλων των επιπέδων. Στην εργασία αυτή επικεντρώνουμε την προσοχή μας στην δρομολόγηση με κριτήριο το QoS, το όποιο στοχεύει στην εύρεση μιας βέλτιστης διαδρομής προώθησης των πακέτων από κόμβο σε κόμβο[147], εξοικονομώντας πόρους. Εν γένει αυτό είναι ένα δύσκολο εγχείρημα καθώς απαιτούνται συνεχείς ενημερώσεις για στατιστικά στοιχεία όπως καθυστέρηση (delay), κόστος, bandwidth και ρυθμό εμφάνισης σφαλμάτων. Στην συνέχεια της εργασίας όταν θα περιγράφει το πρωτόκολλο δρομολόγησης, αναφερόμαστε αναλυτικότερα στην βελτιστοποίηση κάποιων από αυτές τις παραμέτρους, κυρίως στην ελάττωση της καταναλισκομένης από τους κόμβους ισχύος, η οποία λαμβάνεται ως κόστος της κάθε ζεύξης Δρομολόγηση (Routing) σε Ad Hoc Δίκτυα Τα τελευταία χρόνια μεγάλη προσοχή έχει δοθεί από την ερευνητική κοινότητα στην περιοχή της δρομολόγησης πακέτων σε ασύρματα ad hoc δίκτυα. Κατά καιρούς έχουν προταθεί διάφορα πρωτόκολλα δρομολόγησης, τα οποία εκτίνονται σε ένα ευρύ φάσμα υλοποιήσεων, από παραλλαγές διαδικτυακών πρωτόκολλων, μέχρι περίπλοκες πολυιεραρχικές υλοποιήσεις. Η μεγάλη πλειοψηφία αυτών των πρωτόκολλων βασίζεται σε κάποιες κοινές παραδοχές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η παραδοχή ότι όλοι οι κόμβοι του δικτύου έχουν τα ίδια κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και ίδιους ενεργειακούς πόρους. Μια άλλη, εξίσου σημαντική είναι η υπόθεση από αρκετά πρωτόκολλα ότι η ακτίνα εκπομπής των κόμβων είναι η ίδια και επομένως όλες οι μεταξύ τους ζεύξεις είναι αμφίδρομες. Τέλος, παρόλη τη φιλοδοξία των περισσότερων 22

23 υλοποιήσεων για εφαρμογή τους σε μεγάλα δίκτυα, η πλειοψηφία τους έχει σχεδιαστεί για μετρίων μεγεθών δίκτυα. Πριν παρουσιάσουμε τις διάφορες προσεγγίσεις για την δρομολόγηση σε δίκτυα ΜΑΝΕΤ, αναφέρουμε τις κύριες προϋποθέσεις που θα πρέπει να ικανοποιεί ένα τέτοιο πρωτόκολλο, ώστε να γίνουν καλυτέρα αντιληπτές οι σχεδιαστικές επιλογές της κάθε υλοποίησης. Όπως αναφέραμε και παραπάνω, χαρακτηριστικό των ΜΑΝΕΤ, είναι οι περιορισμοί στο εύρος ζώνης και στη διαθέσιμη ενέργεια, υψηλό ποσοστό ρυθμού σφάλματος και διαρκώς μεταβαλλόμενη τοπολογία. Κατά κοινή παραδοχή ο πιο περιοριστικός από αυτούς τους παράγοντες είναι η διαθέσιμη ενεργεία. Παρακάτω παραθέτουμε τους πιο τυπικούς στόχους ενός πρωτόκολλου δρομολόγησης. Όσον το δυνατόν μικρότερο μέγεθος προθέματος έλεγχου (control overhead). Τα μηνύματα έλεγχου καταναλώνουν bandwidth, υπολογιστική ισχύ και ενέργεια, τόσο για την εκπομπή, όσο και για τη λήψη τους. Καθώς αυτοί οι πόροι είναι περιορισμένοι σε ένα ad hoc δίκτυο, προσπάθειες γίνονται κατά τη σχεδίαση ενός πρωτόκολλου δρομολόγησης για την ελαχιστοποίηση του αριθμού και του μεγέθους των μηνυμάτων έλεγχου. Δρομολόγηση μέσω πολλαπλών αλμάτων (multihop routing). Λόγω της περιορισμένης εμβελείας εκπομπής των κόμβων, ο προορισμός της μετάδοσης συνήθως δεν είναι στην άμεση εμβέλεια της πηγής. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν ενδιάμεσοι κόμβοι από το πρωτόκολλο για την δρομολόγηση των πακέτων. Δυναμική διατήρηση των διαδρομών δρομολόγησης. Εξαιτίας της κίνησης των κόμβων, μια διαδρομή που έχει εδραιωθεί μεταξύ δυο κόμβων, μπορεί να διακοπεί. Για να μπορέσει ένας κόμβος να επικοινωνήσει με έναν κόμβο προορισμό, θα πρέπει να διατηρείται μια διαδρομή μέσω ενδιάμεσων κινούμενων κόμβων. Αποφυγή βρόχων. Βρόχοι δρομολόγησης δημιουργούνται όταν ένας κόμβος κατά την διαδρομή, επιλέγει ως επόμενο άλμα για τον προορισμό κάποιον κόμβο οποίος έχει χρησιμοποιηθεί νωρίτερα στην ίδια διαδρομή. Στην περίπτωση που αυτό συμβεί, πακέτα δεδομένων και έλεγχου μεταδίδονται κατά στην διαδρομή πολλές φορές σπαταλώντας πολύτιμους πόρους, ενώ ο κόμβος προορισμός δεν παραλαμβάνει τα πακέτα. Για τέτοια φαινόμενα, πρέπει να ληφθεί πρόνοια από το πρωτόκολλο για την αποφυγή τους. Αυτόματη εφαρμογή και εκκίνηση στο δίκτυο. Η χρήση των πρωτόκολλων από τους κόμβους θα πρέπει να γίνεται με όσον το δυνατόν λιγότερη εξωτερική παρέμβαση. 23

24 Με βάση αυτούς τις επιθυμητές λειτουργίες, έχει προταθεί ένα πλήθος από αλγορίθμους δρομολόγησης οι όποιοι μπορούν να καταταχτούν στις παρακάτω κατηγορίες. 1. Στατικά και δυναμικά. Η κατηγοριοποίηση αυτή αναφέρεται στο αν λαμβάνεται υπόψη στην εύρεση διαδρομής δρομολόγησης, η πυκνότητα της δικτυακής κίνησης. Στους στατικούς αλγορίθμους δρομολόγησης μια διαδρομή δεν μεταβάλλεται μετά την εγκατάσταση της εκτός αν διακοπεί κάποια ζεύξη κατά μήκος της. Στους δυναμικούς αλγορίθμους, είναι δυνατή η επιλογή κάποιας άλλης διαδρομής αν αυτή βοηθά στην αποσυμφόρηση του δικτύου από την σωρευμένη δικτυακή κίνηση. Οι δυναμική αλγόριθμοι πετυχαίνουν καλύτερες επιδόσεις στην ρυθμαποδοση του δικτύου, αλλά αυξάνουν την πολυπλοκότητα υλοποίησης και έλεγχου τους. 2. Διανεμημένα (static) και συγκεντρωμένα (centralized). Σε έναν διανεμημένο αλγόριθμο εύρεση της βέλτιστης διαδρομής γίνεται ανεξάρτητα σε κάθε κόμβο, ενώ στους συγκεντρωμένους, η λειτουργία αυτή ανατίθεται σε έναν κεντρικό κόμβο, κατά κανόνα με μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ. 3. Proactive και reactive. Οι δυο αυτές κατηγορίες που αναλύονται παρακάτω αναφέρονται στο τρόπο δρομολόγησης πακέτων Proactive αλγόριθμοι. Το βασικό χαρακτηριστικό αυτών των αλγορίθμων δρομολόγησης είναι ότι σε κάθε δεδομένη χρονική στιγμή, ο κάθε κόμβος του δικτύου διατηρεί μια διαδρομή προς κάθε άλλον κόμβο. Η εύρεση και επιλογή κάθε τέτοιας διαδρομής, πραγματοποιείται μέσω περιοδικών και πυροδοτουμένων (event triggered), ενημερώσεων μέσω πακέτων (update packets). Οι περιοδικές ενημερώσεις είναι ανταλλαγές πληροφοριών δρομολόγησης (routing information) μεταξύ των κόμβων, οι οποίες στέλνονται ανά προκαθορισμένα και τακτά χρονικά διαστήματα. Οι event triggered ενημερώσεις, αποστέλλονται στην περίπτωση που έχει γίνει κάποια αλλαγή στην τοπολογία του δικτύου, όπως για παράδειγμα η διακοπή ή προσθήκη μιας ζεύξης η συχνότητα αποστολής τέτοιων πακέτων είναι ανάλογη της κινητικότητας των κόμβων. Το μεγάλο πλεονέκτημα των proactive προσεγγίσεων είναι ότι οι διαδρομές είναι διαθέσιμες την ώρα που αυτές απαιτούνται. Όταν κάποιος κόμβος αποφασίσει την μετάδοση πληροφορίας σε κάποιον προορισμό, ελέγχει τον πίνακα δρομολόγησης που διατηρεί αποθηκευμένο στη μνήμη του, και επιλέγει την βέλτιστη διαδρομή. Στον αντίποδα η αποστολή πληροφοριών δρομολόγησης που απαιτείται για την ορθή ενημέρωση των κόμβων για την τοπολογία του δικτύου, οδηγεί σε αύξηση του 24

25 όγκου προθέματος έλεγχου (control overhead). Ακόμη, ο αριθμός των διαδρομών που διατηρούνται σε κάθε κόμβο, κλιμακώνεται μέχρι O(n), όπου n ο αριθμός των κόμβων του δικτύου, επιβαρύνοντας υπολογιστικά την διαδικασία επιλογής. Η χρήση proactive αλγορίθμων, συνίσταται κυρίως σε περιπτώσεις δικτύων στις οποίες ενυπάρχει ένας μεγάλος αριθμός συνεδριών μετάδοσης πληροφορίας, γεγονός που θα δικαιολογούσε τον φόρτο δικτυακής κίνησης έλεγχου από το πρωτόκολλο δρομολόγησης, καθώς ένας μεγάλος αριθμός διαδρομών θα ήταν σε χρήση την κάθε χρονική στιγμή. Χαρακτηριστικότερο παράδειγμα ενός proactive πρωτόκολλου δρομολόγησης είναι το Destination Sequenced Distance Vector Routing protocol (DSDV), το όποιο κάνει χρήση σειριακών αριθμών ανά κόμβο, για την αποφυγή βρόχων δρομολόγησης. Ο κάθε κόμβος αυξάνει κατά μια μονάδα τον σειριακό αριθμό του σε περίπτωση μεταβολής των ζεύξεων του. Έτσι δεδομένων δυο διαδρομών δρομολόγησης προς ένα προορισμό, οι κόμβοι επιλέγουν την διαδρομή με τον μεγαλύτερο σειριακό αριθμό Reactive Αλγόριθμοι. Οι αλγόριθμοι που ανήκουν στην reactive κατηγορία, ακολουθούν μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση στην δρομολόγηση. Το είδος των αλγορίθμων αυτών καλείται επίσης και κατά απαίτηση δρομολόγηση λόγο του τρόπου λειτουργίας του. Όπως αναφέραμε στην προηγούμενη παράγραφο, στους proactive αλγορίθμους ένας κόμβος διατηρεί σε κάθε χρονική στιγμή μια λίστα από όλες τις διαθέσιμες διαδρομές, καθώς όμως στα ΜΑΝΕΤ δίκτυα υπάρχει συχνή μεταβολή στην τοπολογία των δικτύων, τα μηνύματα ανταλλαγής πληροφοριών δρομολόγησης μπορούν να αυξηθούν σημαντικά, επιβαρύνοντας την δικτυακή κίνηση. Υιοθετώντας μια εντελώς διαφορετική φιλοσοφία, οι reactive αλγόριθμοι κάνουν προσπάθεια εύρεσης μιας διαδρομής δρομολόγησης πακέτων μόλις αυτή απαιτηθεί. Όταν κάποιος κόμβος του δικτύου αποφασίσει να στείλει πακέτα σε έναν κόμβο προορισμό, αρχικά αναζητά μια διαδρομή στον πίνακα δρομολόγησης του (routing table), αν μια τέτοια διαδρομή δεν βρεθεί, εκκινεί μια διαδικασία εύρεσης τέτοιας διαδρομής στο δίκτυο. Η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει καλύτερα κατανοητή με περιγραφή του βασικότερου εκπροσώπου των reactive πρωτόκολλων, το Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV) Στο AODV όταν ένας κόμβος δεν έχει στην μνήμη του κάποια διαδρομή για τον ζητούμενο προορισμό, εκκινεί την διαδικασία εύρεσης διαδρομής. Αρχικά, ο κόμβος πηγή δημιουργεί ένα πακέτο αναζήτησης διαδρομής (Route Request Packet, RREQ). Το RREQ πακέτο έχει τα παρακάτω πεδία : διεύθυνση πηγής, διεύθυνση προορισμού, σειριακός αριθμός πηγής και προορισμού και χρόνος ζωής (TTL). Στη 25

26 συνέχεια το RREQ πακέτο εκπέμπεται στους γειτονικούς κόμβους. Όταν ένας κόμβος λάβει ένα τέτοιο πακέτο, αρχικά δημιουργεί μια ανάστροφη διαδρομή προς τον κόμβο πηγή. Tα πεδία του πακέτου τροποποιούνται κατάλληλα ώστε να δείχνουν στον προηγούμενο κόμβο, και ελέγχει αν διαθέτει στη μνήμη του μια διαδρομή προς τον κόμβο προορισμό. Αν μια τέτοια διαδρομή δεν υπάρχει, επανεκπέμπεται το τροποποιημένο RREQ πακέτο στους γειτονικούς κόμβους. Όποιος κόμβος βρει μια διαδρομή προς τον προορισμό και ο σειριακός της αριθμός είναι μεγαλύτερος από αυτόν που περιέχεται στο RREQ πακέτο, κάτι που σημαίνει ότι είναι πιο πρόσφατη, τότε δημιουργείται ένα πακέτο απόκρισης (Route Reply packet RREP), το όποιο αποστέλλεται στον κόμβο πηγή, ακλουθώντας την αντίστροφη διαδρομή. Έτσι, ο κόμβος πηγή αποκτά την πληροφορία για το που θα πρέπει να αποσταλούν τα πακέτα ώστε να φτάσουν στον επιθυμητό προορισμό. Μετά την εδραίωση μια διαδρομής δρομολόγησης, αυτή θα πρέπει να διατηρηθεί, για όσο χρονικό διάστημα η διαδρομή αυτή βρίσκεται σε χρήση για την δρομολόγηση πακέτων μέσω αυτής, ονομάζεται ενεργή. Λόγο όμως της κινητικότητας των κόμβων μια τέτοια διαδρομή ενδέχεται να διακοπεί όταν σταματήσει να υφίσταται κάποια ζεύξη μεταξύ κάποιων κόμβων. Όταν κάτι τέτοιο συμβεί σε μια ενεργή διαδρομή, για να αποφευκτεί η απώλεια πακέτων, ο κόμβος της προαναφερόμενης διαδρομής στον όποιο υπήρξε η διακοπή της ζεύξης, κάνει μια επανεκτίμηση των εναλλακτικών δρόμων προς τον προορισμό. Εν συνεχεία, δημιουργεί ένα πακέτο αναφοράς σφάλματος διαδρομής (Route Error RERR), στο όποιο αναφέρονται όλοι οι προορισμοί που πλέον δεν είναι προσβάσιμοι, και προωθεί το πακέτο στους κόμβους που αποτελούσαν την διαδρομή προς τον προορισμό. Το πακέτο αυτό φτάνει και στον κόμβο πηγή, ο όποιος αναζητά νέα διαδρομή στον προορισμό. Η παραπάνω διαδικασία μπορεί να παρασταθεί με το επόμενο σχήμα 1.5. Εικόνα

27 Κεφάλαιο Το πρότυπο σε Ad Hoc Δίκτυα. Η τεχνολογία του ευρέως πλέον διαδεδομένου πρότυπου ΙΕΕΕ , είναι μια πολύ καλή πλατφόρμα για την υλοποίηση single hop ad hoc δικτύων, λόγο της απλότητας της. Με τον ορό single hop δίκτυα αναφερόμαστε σε αυτά στα όποια οι κόμβοι πρέπει να είναι στην ιδία ακτίνα εκπομπής ( μέτρα), ώστε να επικοινωνήσουν. Ο περιορισμός αυτός μπορεί να αρθεί με multihop δικτύωση, κάνοντας χρήση αλγορίθμων δρομολόγησης, οι οποία όπως αναφέραμε στην αντίστοιχη ενότητα, επιτρέπει σε κάθε κόμβο να προωθεί κατά περίπτωση τα πακέτα σε γειτονικούς κόμβους μέχρι να φτάσουν στον προορισμό τους. Σε ένα καθαρά ad hoc δίκτυο, οι ίδιες οι συσκευές κόμβοι αποτελούν το δίκτυο και επομένως απαιτείται να εκτελούν και τις λειτουργίες που κατά κανόνα ανατίθενται στις συσκευές της υποδομής (switches, routers, servers) σε ένα ενσύρματο δίκτυο. Αυτή η προσέγγιση οδηγεί στην προυπόθεση, της ύπαρξης μιας αρκούσας μεγάλης χωρικής πυκνότητας κόμβων στο δίκτυο, ώστε να εξασφαλίσει την επιτυχή δρομολόγηση των πακέτων από την πηγή στον προορισμό. Παρόλο που η ανάπτυξη τέτοιων πυκνών multihop δικτύων δεν έχει εξαπλωθεί σε μεγάλο επίπεδο, η ενσωμάτωση ασύρματης τεχνολογίας σε φορητές συσκευές, σημαίνει την δυνατότητα ανάπτυξης multihop ad hoc δικτύων σε μικρή και μεσαία κλίμακα. 2.1 Αρχιτεκτονική Το πρότυπο καθορίζει τόσο το επίπεδο MAC όσο και αυτό του φυσικού μέσου. Στο MAC επίπεδο παρέχονται δυο ειδών λειτουργίες. Μια λειτουργία διαχείρισης των διενέξεων μεταξύ πακέτων (contention free service), που παρέχεται από τον διανεμημένο αλγόριθμο συντονισμού (Distributed Coordination Function DCF), και μια που υλοποιείται με τον σημειακό αλγόριθμο συντονισμού( Point Coordination Function PCF). Αυτές οι λειτουργίες γίνονται διαθέσιμες πάνω από μια πλειάδα τεχνολογιών πρόσβασης στο φυσικό μέσο. Πιο συγκεκριμένα, στο πρότυπο περιλαμβάνονται οι υπέρυθρες (Infrared IF), η διασπορά φάσματος με άλματα συχνοτήτων (Frequency Hopping Spread Spectrum FHSS), και η διασπορά φάσματος χωρίς άλματα συχνοτήτων (Direct Sequence Spread Spectrum DSSS). 27