Δρομολόγηση Πολυεκπομπής

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Δρομολόγηση Πολυεκπομπής ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Νικολαΐδης Στυλιανός (ΑΜ: 1610) Επιβλέπων: <Κόκκινος Κων/νος, τίτλος, βαθμίδα> ΛΑΡΙΣΑ 2014

2

3 «Εγώ ο/η <Νικολαΐδης Στυλιανός>, δηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα Πτυχιακή Εργασία με τίτλο <Δρομολόγηση Πολυεκπομπής> είναι δική μου και βεβαιώνω ότι: Σε όσες περιπτώσεις έχω συμβουλευτεί δημοσιευμένη εργασία τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Σε όσες περιπτώσεις μεταφέρω λόγια τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Με εξαίρεση τέτοιες περιπτώσεις, το υπόλοιπο κείμενο της πτυχιακής αποτελεί δική μου δουλειά. Αναφέρω ρητά όλες τις πηγές βοήθειας που χρησιμοποίησα. Σε περιπτώσεις που τμήματα της παρούσας πτυχιακής έγιναν από κοινού με τρίτους, α- ναφέρω ρητά ποια είναι η δική μου συνεισφορά και ποια των τρίτων. Γνωρίζω πως η λογοκλοπή αποτελεί σοβαρότατο παράπτωμα και είμαι ενήμερος(-η) για την επέλευση των νομίμων συνεπειών» < υπογραφή > < ονοματεπώνυμο >

4 Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή Τόπος: Ημερομηνία: ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

5 Περίληψη Σε αυτήν την διπλωματική εργασία θα προσπαθήσουμε να αναδείξουμε το μοντέλο δικτύωσης πολυεκπομπής (multicast) και θα αναλύσουμε αλγόριθμους, πρωτόκολλα και μηχανισμούς που υλοποιεί. Ιδιαίτερη αναφορά θα γίνει και στην τεχνολογία ασύρματων δικτύων αισθητήρων (Wireless Sensor Networks) όπου το μοντέλο πολυεκπομπής παίζει σημαντικό ρόλο στη δικτύωση των αισθητήρων και στην δημιουργία εφαρμογών. Τέλος, με τη βοήθεια του εργαλείου ανοιχτού κώδικα OMNeT++ το οποίο έχει σαν βάση την γλώσσα προγραμματισμού C/C++ θα υλοποιήσουμε μια προσομοίωση δικτύου πολυεκπομπής και μονοεκπομπής αντίστοιχα ώστε να συγκρίνουμε στην πράξη τη διαφορετικότητα και αποδοτικότητα των μοντέλων. -i-

6

7 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους φίλους μου για τη συμβολή τους σε αυτό το έργο, καθώς ήταν αυτοί οι οποίοι κατά καιρούς με μια απλή τους φράση με προέτρεπαν προς την ολοκλήρωση αυτής της εργασίας, πράγμα που με βοήθησε σημαντικά στο να συνεχίσω να προχωρώ και να τα καταφέρω εν τέλη. Νικολαΐδης Στυλιανός ημερομηνία -iii-

8

9 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... I ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... III ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... V 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΙΕΥΘΥΝΣΙΟΔΟΤΗΣΗ ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗΣ ΔΙΕΥΘΥΝΣΙΟΔΟΤΗΣΗ IPV ΔΙΕΥΘΥΝΣΙΟΔΟΤΗΣΗ IPV ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IGMP IGMPV IGMPV IGMPV ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗΣ FLOODING SPANNING TREES REVERSE PATH BROADCASTING (RPB) TRUNCATED REVERSE PATH BROADCAST (TRPB) REVERSE PATH MULTICASTING (RPM) STEINER TREES CORE-BASED TREES (CBT) ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗΣ DISTANCE VECTOR MULTICAST ROUTING PROTOCOL (DVMRP) v-

10 5.5 MULTICAST OPEN SHORTEST PATH FIRST (MOSPF) PROTOCOL INDEPENDENT MULTICAST (PIM) MBONE WIRELESS SENSOR NETWORKS (WSN) ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ WSN ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ WSN ΙΔΙΑΙΤΕΡΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ WSN ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΕΠΙΔΟΣΗΣ ΤΩΝ WSN ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗ ΣΤΑ WSN ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΠΡΟΤΥΠΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗΣ ΣΤΑ WSN Overlay Multicast Reliable IP-based Multicast ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΟ OMNET ΔΙΚΤΥΟ ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗΣ ΔΙΚΤΥΟ ΜΟΝΟΕΚΠΟΜΠΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ vi-

11 1 Εισαγωγή Πολυεκπομπή (multicast) δηλαδή εκπομπή ένα προς πολλά ονομάζεται το μοντέλο δικτύωσης στο οποίο η πηγή στέλνει ένα και μοναδικό πακέτο κάθε φορά για το σύνολο μιας ομάδας παραληπτών. Η αποστολή του πακέτου θα μπορούσε να γίνει και με μονοεκπομπή ένα προς ένα (unicast), αλλά κάτι τέτοιο θα ανάγκαζε την πηγή να εκπέμψει το ίδιο πακέτο τόσες φορές όσος είναι και ο αριθμός των χρηστών. Επομένως δύο βασικοί λόγοι ανάγκης υιοθέτησης του μοντέλου πολυεκπομπής είναι η εξοικονόμηση πόρων και η μείωση του φόρτου στο δίκτυο. Στο σύγχρονο διαδίκτυο υπάρχουν πολλές εφαρμογές που απαιτούν την αποστολή του ίδιου πακέτου σε πολλαπλούς χρήστες ταυτόχρονα, οι οποίοι μπορεί να είναι δεκάδες, μερικές εκατοντάδες ή και χιλιάδες. Εφαρμογές όπως IPTV, streaming media, peerto-peer διαμοιρασμού δεδομένων κ.α. είναι ευρέως διαδεδομένες. Επίσης, ο διαμοιρασμός μαζικών ενημερώσεων εφαρμογών προς τους χρήστες, είτε σε τοπικό δίκτυο είτε παγκόσμιο είναι κάτι στο οποίο το μοντέλο πολυεκπομπής δίνει την ιδανική λύση. Στο μοντέλο πολυεκπομπής η πηγή εκπέμπει μόνο μια φόρα το κάθε πακέτο, το οποίο αναπαράγεται από τους δρομολογητές πολυεκπομπής σύμφωνα με το δένδρο παράδοσης. Πως όμως οι χρήστες μπορούν να λάβουν μέρος σε μια ομάδα πολυεκπομπής ώστε να λαμβάνουν τα μηνύματα της; Σε κάθε πακέτο που στέλνει η πηγή αναγράφεται το ID της ομάδας στο οποίο απευθύνεται. Τα ID των ομάδων είναι πεπερασμένα, πρόκειται για το σύνολο των IP διευθύνσεων κλάσης D. Κάθε IP κλάσης D αντιπροσωπεύει και ένα multicast group (ομάδα πολυεκπομπής). Όπως και στην πραγματικότητα, ο χρήστης θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να πάρει μέρος σε μια ομάδα ή να την αφήσει ανά πάσα στιγμή, όπως για παράδειγμα όταν αποφασίζει να παρακολουθήσει τηλεόραση ή να κλείσει το ραδιόφωνο. Η διαδικασία ένταξης και αποχώρησης απ την ομάδα επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του πρωτοκόλλου IGMP (Internet Group Management Protocol). Όταν κάποιος χρήστης (μια διεργασία του χρήστη) αποφασίσει να πάρει μέρος σε κάποια ομάδα πολυεκπομπής, τότε στέλνεται IGMP μήνυμα στον δρομολογητή που είναι υπεύθυνος για τον διαμοιρασμό των πακέτων στο συγκεκριμένο υποδίκτυο. Προσοχή, δεν είναι όλοι οι δρομολογητές ικανοί -1-

12 να χειριστούν πακέτα πολυεκπομπής, οι περισσότεροι τα προωθούν ως κανονικά πακέτα δεδομένων στον προορισμό τους. Εφόσον οι δρομολογητές πολυεκπομπής έχουν ενημερωθεί για τα μέλη που ανήκουν σε διάφορες ομάδες στα υποδίκτυά τους για κάποια χρονική στιγμή, πρέπει να συνεννοηθούν μεταξύ τους για την δημιουργία του δένδρου παράδοσης των πακέτων απ την πηγή προς όλα τα μέλη. Γι αυτήν την διαδικασία υπάρχουν διάφοροι αλγόριθμοι και πρωτόκολλα που έχουν αναπτυχθεί, καθένα με τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα του και χρησιμοποιούνται κατά περίπτωση. Από δω και στο εξής με τον όρο δρομολογητές θα αναφερόμαστε στους δρομολογητές πολυεκπομπής, ειδάλλως θα υ- πάρχει ανάλογη επισήμανση. -2-

13 2 Διευθυνσιοδότηση Πολυεκπομπής Σε αυτήν την ενότητα θα αναλυθεί η διευθυνσιοδότηση πολυεκπομπής για τα μοντέλα IPv4 και IPv Διευθυνσιοδότηση IPv4 Στη διευθυνσιοδότηση πολυεκπομπής (multicast IP addressing) χρησιμοποιούνται IP κλάσεις D ( ). Από αυτό το κομμάτι των διευθύνσεων κάποιες είναι κατοχυρωμένες για ειδικούς σκοπούς από την IANA (Internet Assigned Numbers Authority), δεν μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν ως διευθύνσεις ομάδων. Πρόκειται για το κομμάτι διευθύνσεων το οποίο είναι δεσμευμένο για τη λειτουργία των πρωτοκόλλων δρομολόγησης καθώς και κάποιων πρωτοκόλλων ανακάλυψης τοπολογίας δικτύου στα χαμηλότερα επίπεδα και πρωτοκόλλων συντήρησης. Επίσης οι διευθύνσεις είναι δεσμευμένες για εφαρμογές διαχείρισης σε τοπικό επίπεδο δικτύου. Όπως και στο μοντέλο unicast τα πρωτόκολλα δρομολόγησης του multicast χρειάζονται ένα τρόπο να ενσωματώσουν την IP διεύθυνση του παραλήπτη στην διεύθυνση MAC του στρώματος ζεύξης δεδομένων. Γι αυτό το σκοπό η ΙΑΝΑ έχει δεσμεύσει ένα κομμάτι διευθύνσεων IEEE-802 MAC-layer αποκλειστικά για τα πακέτα multicast. Το κομμάτι διευθύνσεων είναι το 01:00:5E:00:00:00 01:00:5E:7F:FF:FF. Η ενσωμάτωση της multicast IP στην διεύθυνση MAC επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας τα 23 χαμηλότερα bits της IP όπως φαίνεται στην εικόνα

14 Εικόνα 1: Ενσωμάτωση Multicast IP στην MAC Address Σύμφωνα με την παραπάνω διαδικασία πρέπει να σημειωθεί ότι αντιστοιχούν 32 multicast IP για κάθε MAC διεύθυνση IEEE Διευθυνσιοδότηση IPv6 Μία multicast διεύθυνση IPv6 μπορεί είτε να αποδοθεί σε ένα μοναδικό σύστημα, είτε σε μια περιορισμένη τοποθεσία, να σχετίζεται με ένα συγκεκριμένο δεσμό δικτύου, ή να διανέμεται παγκόσμια. Μια τέτοια διεύθυνση έχει την ακόλουθη μορφή στην εικόνα 2. Εικόνα 2: IPv6 Multicast Address Τα πρώτα 8 bits είναι (FF) και είναι το αναγνωριστικό μιας multicast διεύθυνσης. Τα επόμενα 4 bits είναι το πεδίο των flags. Τα ανώτερα bits των flags αρχικοποιούνται πάντα με 0 και είναι δεσμευμένα. Το 4ο και κατώτερο bit των flags συμβολίζεται με Τ και αντιπροσωπεύει τη διάρκεια ζωής της διεύθυνσης. Όταν το Τ είναι 0 υποδεικνύει ότι πρόκειται για μόνιμα αποδομένη διεύθυνση από τον οργανισμό IANA και ανήκει στην κατηγορία των well-known multicast addresses. Όταν το Τ είναι -4-

15 1 πρόκειται για μία παροδική διεύθυνση. Τα επόμενα 4 κατώτερα bits δηλώνουν την έκταση (scope) της διεύθυνσης. Μπορεί η έκταση της για παράδειγμα να την περιορίζει σε ένα κόμβο (node) σε μια τοποθεσία (site) ή να είναι παγκόσμια. Οι τιμές 0 και F για το scope είναι δεσμευμένες, οι υπόλοιπες που δεν αναφέρονται δεν έχουν αποδοθεί α- κόμη. Τέλος τα τελευταία 112 bits αντιπροσωπεύουν το ID της ομάδας πολυεκπομπής (multicast group ID). Οι παροδικές διευθύνσεις έχουν νόημα μόνο μέσα σε μια συγκεκριμένη έκταση (scope). Για παράδειγμα, μια ομάδα που χρησιμοποιεί σε κάποια τοποθεσία μια διεύθυνση με τοπική έκταση (scope=5) δεν έχει καμία σχέση με Κάποια ομάδα κάποιας άλλης τοποθεσίας που χρησιμοποιεί την ίδια διεύθυνση Κάποια άλλη παροδική ομάδα που έχει το ίδιο ID αλλά διαφορετικό scope Κάποια μόνιμη ομάδα πού χρησιμοποιεί το ίδιο ID Τέλος, μια μόνιμα αποδομένη διεύθυνση είναι εντελώς ανεξάρτητη από την τιμή του scope και η ισχύ της είναι παγκόσμια. -5-

16

17 3 Πρωτόκολλο IGMP Σε αυτήν την ενότητα θα αναλύσουμε το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται στην πολυεκπομπή για την εγγραφή μελών στις ομάδες. Το αρχικό πρωτόκολλο καθορίστηκε το 1989 και υπάρχουν τρεις εκδόσεις. 3.1 IGMPv1 Το IGMP (Internet Group Management Protocol) είναι το πρωτόκολλο που είναι υπεύθυνο για την εγγραφή μελών σε κάποια ομάδα πολυεκπομπής αλλά και για την αποχώρηση τους. Είναι ο τρόπος επικοινωνίας των τελικών συσκευών με τον αρμόδιο δρομογητή πολυεκπομπής. Τελικές συσκευές που επιθυμούν να λάβουν δεδομένα μιας ή περισσό-τερων ομάδων πολυεκπομπής ενημερώνουν τον γειτονικό τους δρομολογητή με μηνύ-ματα IGMP. Ο δρομολογητής στέλνει περιοδικά μηνύματα στα μέλη των ομάδων για να διαπιστώσει εάν όντως είναι ακόμη ενεργά και συνεχίζουν να επιθυμούν την λήψη των δεδομένων. Σε περίπτωση που υπάρχουν περισσότεροι απο έναν δρομολογητές πολυ-εκπομπής σ ένα υποδίκτυο, ένας απ αυτούς εκλέγεται εξυπηρετητής (Querier) και είναι υπεύθυνος να παρακολουθεί τα μέλη των ομάδων. Όταν κάποιος δρομολογητής λαμβά-νει πακέτα για ομάδες των οποίων δεν υπάρχουν μέλη πια στο υποδίκτυο του, τα απορ-ρίπτει. Το IGMPv1 καθορίστηκε στο RFC 1112 (Request For Comments) το Σκοπός του πρωτοκόλλου είναι να προσφέρει ένα απλό μοντέλο εγγραφής και αποχώρησης μέλους από μια ομάδα. Ένα μήνυμα IGMP έχει τη μορφή της εικόνας 3. Εικόνα 3: Μήνυμα IGMPv1-7-

18 Τα πρώτα 4 bits (version) υποδηλώνουν την εκδοχή του πρωτοκόλλου, οπού εδώ πρόκειται για το IGMPv1. Τα επόμενα 4 bits (type) είναι ο τύπος του μηνύματος. Υπάρχουν δυο τύποι μηνυμάτων: 1 = Host Membership Query. 2 = Host Membership Report. Unused: Αυτό το πεδίο δε χρησιμοποιείται, μηδενίζεται πριν την αποστολή και αγνοείται κατά την παραλαβή. Checksum: Αυτά τα 16 bits χρησιμεύουν για να επαληθευτεί στον προορισμό αν το μήνυμα έφτασε χωρίς σφάλματα. Το πεδίο μηδενίζεται πριν την αποστολή του μηνύματος. Τέλος υπάρχει το πεδίο της IP διεύθυνσης της ομάδας. Αυτό το πεδίο είναι μηδενικό όταν ο τύπος του μηνύματος είναι Query. Ο πρώτος τύπος μηνύματος (Host Membership Query) αποστέλλεται περιοδικά απ τους δρομολογητές για να ελέγξουν την ύπαρξη μελών ομάδων στο υποδίκτυο τους. Ο δεύτερος τύπος (Host Membership Report) αποστέλλεται απ τις τελικές συσκευές του δικτύου για να δηλώσουν την επιθυμία ένταξης τους σε κάποια ομάδα. Το μήνυμα αποστέλλεται είτε σε απάντηση κάποιου Query του δρομολογητή, είτε σε περίπτωση που κάποια συσκευή αποφασίσει να γίνει μέλος μιας ομάδας. Μια συσκευή που αποφασίζει να αφήσει κάποια ομάδα δεν ενημερώνει το δρομολογητή. Γι αυτό το λόγο ο δρομολογητής είναι υποχρεωμένος να παρακολουθεί εάν υπάρχουν μέλη στο υποδίκτυο του, στέλνοντας περιοδικά Queries στην wellknown-multicast-address που αντιπροσωπεύει όλες τις συσκευές. Έαν δεν υπάρξει απάντηση, ο δρομολογητής αντιλαμβάνεται ότι δεν υπάρχουν πια μέλη και σταματάει να προωθεί δεδομένα ομάδων στο υποδίκτυο. Πρέπει να σημειωθεί ότι τα Queries που αποστέλλονται απ τον δρομολογητή έχουν διάρκεια ζωής TTL=1 (Time To Live) ώστε τα μηνύματα να μην προωθούνται σε γειτονικά υποδίκτυα. 3.2 IGMPv2 Το IGMPv2 καθορίστηκε στο RFC 2236 το Σκοπός της αναβάθμισης του πρωτοκόλλου ήταν να προσθεθεί μια διαδικασία εκλογής δρομολογητή εξυπηρέτησης (Querier) στις περιπτώσεις που περισσότεροι απο έναν δρομολογητές πολυεκπομπής βρίσκονται στο ίδιο υποδίκτυο. Ο δρομολογητής με την κατώτερη IP στο υποδίκτυο -8-

19 εκλέγεται εξυπηρετητής. Η διαδικασία είναι απλή, όταν κάποιος δρομολογητής λαμβάνει μήνυμα membership query από κάποιον άλλο δρομολογητή, συγκρίνει τις IP. Εάν η δικιά του είναι κατώτερη, αυτομάτως αναλαμβάνει χρέη εξυπηρετητή, παρακαλουθεί δηλαδή το υποδίκτυο και προωθεί τα δεδομένα στα μέλη των ομάδων. Αν η IP του είναι ανώτερη δεν αναλαμβάνει κάποιο καθήκον (Non-Querier). Επίσης στο νέο πρωτόκολλο προστίθενται μηνύματα αποχώρησης από ομάδες καθώς και μηνύματα membership queries που στοχεύουν σε συγκεκριμένη ομάδα. Τα μηνύματα αποχώρησης επιτρέπουν το γρηγορότερο κλάδεμα (pruning) του δένδρου παράδοσης των ομάδων. Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης ενημερώνονται πιο γρήγορα για τις αλλαγές στο δένδρο παράδοσης, κάτι που είναι πολύ σημαντικό ειδικά για ομάδες που χρησιμοποιούν πολύ μεγάλο bandwidth. Στην εικόνα 4 περιγράφεται το μοντέλο μηνύματος για το IGMPv2. Εικόνα 4: Μήνυμα IGMPv2 Υπάρχουν 4 τύποι μηνυμάτων: 0x11 = Membership Query, υπάρχουν δύο τύποι Membership Query μηνυμάτων: General Query, χρησιμοποιείται για να μάθουμε ποιες ομάδες έχουν μέλη στο υποδίκτυο. Group-Specific Query, χρησιμοποιείται για να μάθουμε αν κάποια συγκεκριμένη ομάδα έχει μέλη στο υποδίκτυο. Αυτοί οι δύο τύποι μηνυμάτων διαχωρίζονται απλά με το αν υπάρχει διεύθυνση ομάδας στο μήνυμα ή όχι. 0x16 = Version 2 Membership Report 0x17 = Leave Group 0x12 = Version 1 Membership Report, αυτός ο τύπος μηνύματος υπάρχει για οπισθοδρομική συμβατότητα με το IGMPv1 Max Response Time: Αυτό το νέο πεδίο στο μήνυμα παίρνει τιμή μόνο στα μηνύματα τύπου Query και αντιπροσωπεύει το μέγιστο χρόνο που έχει στη διάθεση της μια συσκευή να απαντήσει στο δρομολογητή. -9-

20 3.3 IGMPv3 To IGMPv3 καθορίστηκε στο RFC 3376 το Σε αυτήν την έκδοση το IGMP επιτρέπει στους δρομολογητές να δημιουργήσουν μια λίστα με τις πηγές απ τις οποίες επιθυμούν να λαμβάνουν δεδομένα. Δεδομένα από οποιαδήποτε άλλη πηγή εκτός λίστας μπλοκάρονται και δεν διακινούνται στο υποδίκτυο. Επίσης δίνει τη δυνατότητα στις συσκευές μέσα στο υποδίκτυο να μπλοκάρουν πακέτα που ελήφθησαν από πηγές που προωθούν μη επιθυμητές πληροφορίες. Το μοντέλο μηνύματος για το IGMPv3 περιγράφεται στην εικόνα 5. Εικόνα 5: Μήνυμα IGMPv3 Τύποι μηνυμάτων: 0x11 = Membership Query 0x22 = Version 3 Membership Report Μια ενσωμάτωση πρωτοκόλλου IGMPv3 θα πρέπει να υποστηρίζει και τους ακόλουθους τύπους για οπισθοδρομική συμβατότητα με τις προηγούμενες εκδόσεις: 0x12 = Version 1 Membership Report [RFC-1112] 0x16 = Version 2 Membership Report [RFC-2236] 0x17 = Version 2 Leave Group [RFC-2236] RSV (Reserved): Αυτό το πεδίο μηδενίζεται πριν την εκπομπή και αγνοείται κατά την παραλαβή. S Flag (Suppress Router-Side Processing):Αυτό το λογικό πεδίο χρησιμοποιείται για την καταστολή των χρονομετρητών (timers) των δρομολογητών, οι οποίοι μηδενίζονται -10-

21 κάθε φορά που λαμβάνουν ένα Query από άλλο δρομολογητή. Η λειτουργία του timer η οποία υιοθετήθηκε ήδη απ το IGMPv2 είναι να ελέγχεται ανά τακτά χρονικά διαστήματα η λειτουργικότητα του δρομολογητή Querier. Εάν για οποιοδήποτε λόγο είναι μη λειτουργικός πρέπει κάποιος άλλος δρομολογητής να αναλάβει καθήκοντα. Επομένως το timer επιτρέπει την αυτόματη ανάδειξη νέου Querier όταν φτάσει σε μια συγκεκριμένη τιμή. Όταν το Flag είναι ένα, τα timers καταστέλλονται. QRV (Querier's Robustness Variable): Εάν δεν είναι μηδέν, αυτό το πεδίο περιέχει την τιμή της μεταβλητής Robustness Variable του δρομολογητή Querier. Αυτή η μεταβλητή χρησιμοποιείται για να ρυθμίζετε η επικοινωνία ανάλογα με την αναμενόμενη απώλεια πακέτων στο δίκτυο. Μεγαλύτερη αναμενόμενη απώλεια πακέτων σ ένα δίκτυο σημαίνει και μεγαλύτερη τιμή της μεταβλητής αυτής. Αν η τιμή της Robustness Variable του Querier ξεπερνάει το 7, που είναι η μέγιστη τιμή που μπορεί να πάρει το QRV τότε το πεδίο μηδενίζεται. Οι δρομολογητές που λαμβάνουν Query απ τον Querier ρυθμίζουν την δικιά τους Robustness Variable σύμφωνα με την τιμή του QRV. Αν το τελευταίο Query που έχει λάβει κάποιος δρομολογητής έχει QRV=0 ρυθμίζει την Robustness Variable σύμφωνα με την προεπιλογή η οποία είναι 2. QQIC (Querier's Query Interval Code): Αυτό το πεδίο καθορίζει το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ο Querier στέλνει νέο Query. Η τιμή αυτού του πεδίου υιοθετείται απ τους Non-Queriers που λαμβάνουν τα Queries και αντικαθιστά τη τιμή της δικιάς τους μεταβλητής Query Interval. Αν το QQIC είναι 0, τότε οι δρομολογητές αλλάζουν την Query Interval σύμφωνα με την τιμή προεπιλογής που είναι 125 seconds. Number of Sources (N): Αυτό το πεδίο προσδιορίζει τον αριθμό των πηγών που περιλαμβάνει το Query. Η τιμή του είναι 0 σε περίπτωση general Query ή Group-Specific Query και μη μηδενική σε περίπτωση Group-and-Source-Specific Query. Το μέγεθος της τιμής είναι περιορισμένο και εξαρτάται απ το MTU (Maximum Transmission Unit) του δικτύου στο οποίο εκπέμπεται το Query. Source Address [i]: Κάθε γραμμή του πεδίου περιέχει το διάνυσμα της IP unicast διεύθυνσης της κάθε πηγής, σύμφωνα με το πεδίο Number of Sources. -11-

22

23 4 Αλγόριθμοι Πολυεκπομπής Σε αυτήν την ενότητα θα αναλύσουμε τους αλγορίθμους που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο πολυεκπομπής για τη δημιουργία του δένδρου παράδοσης των μηνυμάτων στις αντίστοιχες ομάδες. Έχουν αναπτυχθεί αρκετοί αλγόριθμοι για διαφορετικές περιπτώσεις. Διαφορετικά πρωτόκολλα δρομολόγησης ενεργούν με διαφορετικούς αλγορίθμους. Τα πρωτόκολλα και οι αλγόριθμοι δρομολόγησης εξελίσσονται με πολύ μεγάλο ρυθμό. Παρακάτω θα εξετάσουμε κάποιους απο τους πιο γνωστούς. 4.1 Flooding Πρόκειται για τον πιο απλό αλγόριθμο δρομολόγησης. Είναι η πιο εύκολη τεχνική για τη διάδοση των πακέτων πολυεκπομπής σε όλους τους δρομολογητές του δικτύου. Όταν ένας δρομολογητής λαμβάνει ένα πακέτο για κάποια ομάδα, το εξετάζει με τη βοήθεια του πρωτοκόλλου δρομολόγησης για να διαπιστώσει αν το έχει ξαναδεί. Εάν είναι η πρώτη φορά που το βλέπει, το προωθεί σε όλες τις διασυνδέσεις (interfaces) του εκτός από αυτήν που το παρέλαβε. Ειδάλλως το πακέτο απορρίπτεται. Κατά τη χρήση αυτού του αλγορίθμου, οι δρομολογητές συγκρατούν την ταυτότητα των πιο πρόσφατων πακέτων που έχουν παραλάβει. Δεν είναι αναγκασμένοι να διατηρούν πίνακα δρομολόγησης. Ωστόσο, αυτός ο αλγόριθμος έχει κάποια μεγάλα μειονεκτήματα. Δημιουργεί μεγάλο αριθμό διπλότυπων πακέτων στο δίκτυο με αποτέλεσμα να δεσμεύεται άσκοπα το bandwidth. Λόγω αυτού του μειονεκτήματος είναι ακατάλληλος για δίκτυα τοπολογίας WAN όπου το bandwidth είναι αρκετά περιορισμένο. Η διάδοση των πακέτων γίνεται προς όλες τις διαδρομές του δικτύου χωρίς περιορισμό, κάτι που πολύ εύκολα μπορεί να προκαλέσει συμφόρηση (congestion). Τέλος, ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί τη μνήμη των δρομολογητών αναποτελεσματικά καθώς αναγκάζονται να διατηρούν μια εγγραφή στον πίνακα για το κάθε πακέτο που έλαβαν πρόσφατα. -13-

24 4.2 Spanning Trees Η δημιουργία δένδρου παράδοσης είναι η πιο δημοφιλής και αποτελεσματική τεχνική για την δρομολόγηση πακέτων πολυεκπομπής. Ο αλγόριθμος spanning trees έχει χρησιμοποιηθεί αρκετά στο πρότυπο IEEE-802 του επιπέδου ζεύξης δεδομένων. Είναι ισχυρός και εφαρμόζεται εύκολα. Ο αλγόριθμος αυτός κατασκευάζει ένα δένδρο παράδοσης σύμφωνα με το οποίο δύο δρομολογητές συνδέονται με μία και μόνο μία διαδρομή. Όταν ο δρομολογητής παραλαμβάνει ένα πακέτο το προωθεί μόνο στις διασυνδέσεις (interfaces) οι οποίες ανήκουν στο δένδρο παράδοσης. Η μόνη πληροφορία που χρειάζεται να διατηρεί είναι μια λογική μεταβλητή για κάθε διασύνδεση του, η οποία θα υποδεικνύει αν αυτή ανήκει στο δένδρο ή όχι. Η εφαρμογή του spanning trees εξαλείφει τους βρόχους επανάληψης (loops) στην τοπολογία του δικτύου. Οι βρόχοι επανάληψης προκύπτουν όταν ένα πακέτο μπορεί να ακολουθήσει περισσότερες από μία διαδρομές για να βρεθεί από ένα σημείο σε ένα άλλο του ίδιου δικτύου. Εάν υπάρχει κάποιο loop σε ένα εκτενές δίκτυο είναι πολύ πιθανό κάποια δεδομένα να προωθούνται κυκλικά για πάντα, κάτι που οδηγεί σε αυξημένη κυκλοφορία στο δίκτυο και μείωση της απόδοσης του. Κατά την υλοποίηση ο κάθε δρομολογητής αρχικά ορίζει τον εαυτό του ως root και το αναφέρει σε κάθε δρομολογητή που είναι συνδεδεμένος. Γενικά, ο δρομολογητής με την χαμηλότερη τιμή προτεραιότητας αναλαμβάνει ως root. Αν οι προτεραιότητες είναι ίσες τότε root ορίζεται ο δρομολογητής με την χαμηλότερη MAC διεύθυνση. Ο root δρομολογητής είναι αυτός που βρίσκεται στην κορυφή του δένδρου παράδοσης και λαμβάνει τα δεδομένα απ ευθείας από την πηγή. Ο root επιλέγεται σύμφωνα με το χαμηλότερο κόστος διαδρομής root-πηγής. Όταν κάποιος δρομολογητής που έχει οριστεί ως root ανακαλύψει κάποιον άλλον δρομολογητή με χαμηλότερο κόστος διαδρομής προς την πηγή, σταματά να διαδίδει πως είναι ο root και υποδεικνύει τον νέο δρομολογητή ως root. Τα μειονεκτήματα του αλγορίθμου spanning trees είναι ότι συγκεντρώνει τη ροή των δεδομένων σ ένα μικρό αριθμό διασυνδέσεων, και δεν συνυπολογίζει τα μέλη των ομάδων. Η διαδρομή που παρέχει μεταξύ υποδικτύου πηγής και μελών, δεν είναι πάντα η πιο αποτελεσματική. Στην εικόνα 6 ακολουθεί ένα παράδειγμα δημιουργίας δένδρου σ ένα δίκτυο όπου η πηγή είναι ο κόμβος C. -14-

25 Εικόνα 6: Δένδρο παράδοσης αλγορίθμου Spanning Trees 4.3 Reverse Path Broadcasting (RPB) Στον αλγόριθμο RPB αντί να δημιουργείται ένα κοινό δένδρο παράδοσης για όλο το δίκτυο, κατασκευάζεται ξεχωριστό δένδρο παράδοσης για κάθε ζευγάρι πηγής-ομάδας. Σε αυτό το μοντέλο κάθε φορά που κάποιος δρομολογητής λαμβάνει ένα πακέτο σε μια διασύνδεση του από την πηγή, ελέγχει αν η διασύνδεση αυτή ανήκει στην συντομότερη διαδρομή (shortest path) προς την πηγή. Εάν ανήκει στην shortest path τότε προωθεί το πακέτο σε όλες τις διασυνδέσεις του εκτός από αυτήν που το παρέλαβε, ειδάλλως το πακέτο απορρίπτεται. Ο αλγόριθμος αυτός μπορεί να βελτιωθεί για να μειώσει την αναπαραγωγή διπλότυπων πακέτων με τη βοήθεια κάποιου πρωτοκόλλου ζεύξης δεδομένων ή δρομολόγησης τύπου διανύσματος απόστασης (distance-vector). Αν ο δρομολογητής δεν βρίσκεται στο shortest path μεταξύ του γείτονα του και της πηγής δε χρειάζεται να προωθήσει το πακέτο στο συγκεκριμένο γείτονα γιατί αυτός θα το απορρίψει. Την πληροφορία για το αν βρίσκεται στο shortest path μπορεί να την αποκτήσει απ το πρωτόκολλο ζεύξης δεδομένων. Κατά την εφαρμογή κάποιου πρωτοκόλλου δρομολόγησης τύπου distance-vector, ο γειτονικός δρομολογητής μπορεί να διαφημίσει -15-

26 το προηγούμενο άλμα του (hop) προς την πηγή μέσω των ενημερωτικών μηνυμάτων δρομολόγησης που στέλνει περιστασιακά ή να χρησιμοποιήσει την τεχνική poison reverse. Στην εικόνα 7 έχουμε ένα παράδειγμα δικτύου στο οποίο κατασκευάζονται δύο διαφορετικά δένδρα, για τις πηγές A και C αντίστοιχα. Εικόνα 7: Δένδρο παράδοσης αλγορίθμου RPB Ο αλγόριθμος RPB είναι αποτελεσματικός και εύκολα εφαρμόσιμος. Εφόσον τα δεδομένα προωθούνται απ την συντομότερη διαδρομή είναι και πολύ γρήγορος. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί πολλαπλά δένδρα παράδοσης διαμοιράζοντας την κυκλοφορία στις διάφορες διασυνδέσεις χρησιμοποιώντας πιο αποτελεσματικά το δίκτυο. Το μεγάλο μειονέκτημα του RPB είναι ότι δεν συνυπολογίζει τις πληροφορίες για τα μέλη των ομάδων όταν κατασκευάζει τα δένδρα παράδοσης. 4.4 Truncated Reverse Path Broadcast (TRPB) Αυτός ο αλγόριθμος δημιουργήθηκε για να ξεπεραστούν κάποιοι περιορισμοί του RPB. Ο RPB δεν συνυπολογίζει τις εγγραφές μελών του IGMP προωθώντας τα δεδομένα ακόμα και σε υποδίκτυα που δεν έχουν κάποιο μέλος. O TRPB χρησιμοποιεί τις πληροφορίες του IGMP για να αποφύγει την αποστολή δεδομένων σε τερματικά υποδίκτυα (leaf subnetworks) όπου δεν υπάρχουν πια μέλη. Όταν κάποιο τερματικό -16-

27 υποδίκτυο δεν έχει πια μέλη, ο δρομολογητής του διακόπτει τη ροή των πακέτων πολυεκπομπής προς το υποδίκτυο. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται κλάδεμα (pruning) καθώς μικραίνει το δένδρο παράδοσης. Παρόλο που ο αλγόριθμος αυτός καταφέρνει να εξαλείφει την μη επιθυμητή κυκλοφορία προς τα τερματικά υποδίκτυα, δεν τα καταφέρνει με τα μη τερματικά δίκτυα τα οποία δεν έχουν μέλη. 4.5 Reverse Path Multicasting (RPM) Ο RPM είναι η βελτίωση των αλγορίθμων RPB και TRPB. Αυτός ο αλγόριθμος κατασκευάζει ένα δένδρο παράδοσης που εξαπλώνεται μονάχα σε: α) υποδίκτυα που έχουν μέλη β) δρομολογητές και υποδίκτυα που βρίσκονται πάνω στη συντομότερη διαδρομή προς τα υποδίκτυα των μελών. Το δένδρο παράδοσης RPM μπορεί να κλαδευτεί έτσι ώστε τα πακέτα πολυεκπομπής να προωθούνται μόνο μέσω των διασυνδέσεων που οδηγούν στα μέλη της ομάδας προορισμού. Για ένα δεδομένο ζευγάρι πηγής-ομάδας το πρώτο πακέτο προωθείται σύμφωνα με τον αλγόριθμο TRPB. Ο τελευταίος δρομολογητής σε μια διαδρομή πηγής-μελών ομάδας, που δεν έχει δηλαδή άλλον downstream δρομολογητή πολυεκπομπής, ονομάζεται leaf router. Αν ένας leaf router λάβει κάποιο πακέτο για το οποίο δεν έχει μέλη στο υ- ποδίκτυό του, στέλνει στο δρομολογητή απ όπου το παρέλαβε (upstream router) ένα μήνυμα κλαδέματος (prune message). Ένα prune message υποδεικνύει ότι τα πακέτα της συγκεκριμένη πηγής-ομάδας δεν πρέπει να προωθούνται πια σε αυτήν τη διασύνδεση. Τα μηνύματα κλαδέματος αποστέλλονται μονάχα ένα άλμα (hop) πίσω προς την πηγή. Ο upstream router καταγράφει τις πληροφορίες κλαδέματος στην μνήμη του. Εάν τώρα και ο upstream router δεν έχει κανένα μέλος στο δίκτυο του και έχει λάβει prune messages απ όλες τις διασυνδέσεις του, με τη σειρά του στέλνει prune message στον δικό του upstream router. Στην εικόνα 8 ακολουθεί ένα παράδειγμα δικτύου όπου εκτελείται ο αλγόριθμος RPM. -17-

28 Εικόνα 8: Δένδρο παράδοσης αλγορίθμου RPM Τα μέλη των ομάδων και η τοπολογία του δικτύου μπορεί να αλλάζουν δυναμικά γι αυτό και η κατάσταση των κλαδεμένων κομματιών του δένδρου παράδοσης πρέπει να ελέγχεται περιοδικά. Επομένως οι πληροφορίες κλαδέματος που είναι αποθηκευμένες στους δρομολογητές περιοδικά διαγράφονται και προωθείται νέο μήνυμα προς τους leaf routers. Ένα άλλο μειονέκτημα του αλγορίθμου είναι ότι χρησιμοποιεί μεγάλο μέρος της μνήμης των δρομολογητών για να αποθηκεύσει τις πληροφορίες για όλα τα ζευγάρια πηγής-ομάδας, κάτι που τον κάνει ακατάλληλο για μεγάλα υπερδίκτυα. 4.6 Steiner Trees Πρόκειται για έναν αλγόριθμο της οικογένειας RPB. Σε αυτήν την οικογένεια αλγορίθμων δημιουργούνται δένδρα παράδοσης μεταξύ πηγής-παραλήπτη χρησιμοποιώντας την συντομότερη διαδρομή (shortest path) στο δίκτυο, μέθοδος που εγγυάται την γρηγορότερη παράδοση των πακέτων. Ωστόσο κανείς απ τους προαναφερθείς αλγορίθμους δεν προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει τη χρήση των πόρων του δικτύου. Αντίθετα, σκοπός του Steiner Trees είναι να ελαχιστοποιήσει τη χρήση των πόρων του δικτύου θυσιάζοντας λίγο απ την ταχύτητα παράδοσης. Στην εικόνα 9 έχουμε ένα παράδειγμα δικτύου για τη σύγκριση του RPB με τον ST, πηγή είναι ο κόμβος C και παραλήπτες οι κόμβοι A και D -18-

29 Εικόνα 9: Σύγκριση δένδρου παράδοσης αλγορίθμου RPB και ST Είναι εμφανές στο παραπάνω παράδειγμα ότι ο αλγόριθμος ST χρησιμοποιεί λιγότερους δεσμούς. Παρόλο που ο αλγόριθμος ST ελαχιστοποιεί τη χρήση των πόρων του δικτύου στην κατασκευή του δένδρου παράδοσης, η δυσκολία στον υπολογισμό των δένδρων τον κατέστησαν μικρής πρακτικής σημασίας. Επιπλέον, με κάθε νέα είσοδο ή έξοδο κόμβου από κάποια ομάδα πολυεκπομπής αλλάζει και το δένδρο παράδοσης του ST. Κάτι τέτοιο καθιστά τον αλγόριθμο αρκετά ασταθή. 4.7 Core-Based Trees (CBT) Κατά τον αλγόριθμο Core-Based Trees κατασκευάζεται ένα κοινό δένδρο παράδοσης για κάθε ομάδα πολυεκπομπής, αντί ενός δένδρου για κάθε ζευγάρι πηγής-μελών ομάδας. Με την υλοποίηση του αλγορίθμου CBT όλοι οι δρομολογητές προωθούν τα δεδομένα πολυεκπομπής μέσω του ίδιου δένδρου παράδοσης ασχέτως της πηγής που προέρχονται. Ένας μοναδικός δρομολογητής ή μια ομάδα δρομολογητών (ανάλογα με το μέγεθος της ομάδας πολυεκπομπής) επιλέγονται να δρουν ως πυρήνας (core) του δένδρου. Το πακέτο προωθείται σε όλες τις διασυνδέσεις του πυρήνα που ανήκουν στο δένδρο παράδοσης, πλην της διασύνδεσης απ την οποία εισήλθε. Στην εικόνα 10 αναπαρίσταται ο πυρήνας ενώς τυχαίου δένδρου παράδοσης. -19-

30 Εικόνα 10: Πυρήνας δένδρου παράδοσης αλγορίθμου CBT Όταν κάποιος χρήστης θελήσει να γίνει μέλος μιας ομάδας ακολουθείται η εξής διαδικασία. Αρχικά στέλνει IGMP membership report στο δίκτυο. Ο CBT-aware δρομολογητής που θα λάβει το report επικαλείται την διαδικασία προσθήκης μέλους στην ο- μάδα. Δημιουργεί ένα JOIN_REQUEST message και το προωθεί στο επόμενο hop με κατεύθυνση προς τον πυρήνα. Οι ενδιάμεσοι δρομολογητές αναγνωρίζουν και προωθούν το πακέτο προς τον πυρήνα και θέτονται αυτόματα σε μια παροδική κατάσταση εγγραφής μέλους (join state) αναγνωρίζοντας την εισερχόμενη και την εξερχόμενη διασύνδεση του πακέτου. Ταυτόχρονα υπολογίζουν το Core Based δένδρο παράδοσης για τον χρήστη που έστειλε το αίτημα εγγραφής. Το join state τελικά λήγει μετά από κάποιο χρονικό διάστημα αν δε ληφθεί acknowledgement από upstream. Μόλις το acknowledgement του πυρήνα φτάσει στο δρομολογητή που δημιούργησε το JOIN_REQUEST, ο χρήστης είναι έτοιμος να λάβει τις πληροφορίες που στέλνονται στην ομάδα. Βασικό πλεονέκτημα του αλγορίθμου CBT είναι ότι απαιτείται απ τους δρομολογητές να αποθηκεύουν λιγότερα δεδομένα συγκριτικά με άλλους αλγορίθμους, λόγω της ύπαρξης ενός μοναδικού δένδρου σε κάθε ομάδα. Επίσης, υπάρχει εξοικονόμηση bandwidth επειδή δεν απαιτείται flooding πακέτων πολυεκπομπής στο δίκτυο. Ένα αρνητικό του αλγορίθμου είναι ότι η μεγάλη συγκέντρωση κίνησης γύρω απ τον πυρήνα μπορεί να προκαλέσει bottlenecks. Αυτό προκύπτει λόγω του ότι οι πηγές χρησιμοποιούν όλο και περισσότερο κοινές διασυνδέσεις όσο πλησιάζουν στον πυρήνα. Επίσης, το να υπάρχει μόνο ένα δένδρο δεν εξασφαλίζει τον πιο άμεσο τρόπο παράδοσης των πακέτων δημιουργώντας έτσι καθυστέρηση. Δε συστήνεται για εφαρμογές real-time κα- -20-

31 θώς αν αυξηθεί αρκετά ο αριθμός τον μελών της ομάδας, το κοινό δένδρο παράδοσης μπορεί να προκαλέσει αυξημένη καθυστέρηση των πακέτων από άκρο σε άκρο. Οι αλγόριθμοι που αναφέρονται σε αυτήν την ενότητα χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη πρωτοκόλλων δρομολόγησης πολυεκπομπής. Κάθε αλγόριθμος έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του έναντι κάποιου άλλου, κάτι που τον καθιστά περισσότερο αποδοτικό σε κάποιες περιπτώσεις και λιγότερο κάποιες σε άλλες. -21-

32

33 5 Πρωτόκολλα Πολυεκπομπής Σε αυτήν την ενότητα θα αναλύσουμε τα πρωτόκολλα δικτύου που χρησιμοποιούνται για τη διάδοση των πακέτων πολυεκπομπής. Σκοπός των πρωτοκόλλων είναι να καθορίσουν με ποιον τρόπο οι δρομολογητές θα προωθούν τα πακέτα στον προορισμό τους. Αρχικά θα εξηγήσουμε τι είναι αυτόνομο σύστημα και θα μελετήσουμε τις κατηγορίες των πρωτοκόλλων δρομολόγησης καθώς και τις τεχνικές των πρωτοκόλλων πολυεκπομπής. 5.1 Αυτόνομο Σύστημα Αυτόνομο σύστημα (Autonomous System) ονομάζεται μια συλλογή από υποδίκτυα με κόμβους, διασυνδεδεμένους από μια ομάδα διαδρομών στα όρια ενός domain τα οποία βρίσκονται κάτω από την ίδια τεχνική διαχείριση. Ουσιαστικά πρόκειται για μια συλλογή από προθέματα Classless Inter-Domain Routing Protocol (CIDR) IP διευθύνσεων, υπό την ίδια τεχνική διαχείριση. Το κάθε AS αναμένεται να παρουσιάζει μια διαρκή εικόνα στα υπόλοιπα AS για το ποια δίκτυα είναι προσβάσιμα μέσω αυτού. Ένα AS χρησιμοποιεί εσωτερικά πρωτόκολλα δρομολόγησης όπως τα Routing Information Protocol (RIP), Open Shortest Path First (OSPF) and Multicast Open Shortest Path First (MOSPF) για την δρομολόγηση μέσα στα όρια του. Για την επικοινωνία μεταξύ AS χρησιμοποιούνται εξωτερικά πρωτόκολλα δρομολόγησης όπως το Border Gateway Protocol (BGP). Κάθε αυτόνομο σύστημα αναγνωρίζεται από ένα μοναδικό αριθμό ο οποίος ορίζεται από την Internet Assigned Numbers Authority (IANA) και είναι μεταξύ του 1 και του Το BGP χρησιμοποιεί το αριθμό αυτό για να εισάγει πολιτική δρομολόγησης αποφεύγοντας τη δημιουργία top-level routing loops. Υπάρχουν 3 είδη αυτόνομων συστημάτων: Stub AS: Συνδέεται μονάχα με άλλο ένα AS για σκοπούς δρομολόγησης, είναι μια απλή επέκταση του άλλου AS. Συνήθως χρησιμοποιείται μια προεπιλεγμένη διαδρομή για την διασύνδεση με το parent AS. -23-

34 Transit AS: Συνδέεται με περισσότερα από ένα AS και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν αγωγός μεταφοράς δεδομένων μεταξύ AS. Ένα τέτοιο AS επιβάλλεται να χρησιμοποιήσει δρομολογητές μη προεπιλεγμένων ρυθμίσεων. Multihomed AS: Συνδέεται με περισσότερα από ένα AS αλλά δεν επιτρέπει ε- ξωτερικά δεδομένα να το διαπεράσουν. Αντίθετα, οι εσωτερικοί κόμβοι μπορούν να αποστείλουν δεδομένα διαμέσου πολλαπλών AS. Ένα τέτοιο AS μπορεί να χρησιμοποιήσει προεπιλεγμένη διαδρομή για ένα από τα γειτονικά του AS. Στην εικόνα 11 μπορούμε να παρατηρήσουμε τους διαφορετικούς τύπους των AS. Εικόνα 11: Τύποι αυτόνομων συστημάτων 5.2 Κατηγορίες Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης συνθέτουν την καρδιά του διαδικτύου. Προσδιορίζουν τους μηχανισμούς για την κατασκευή των πινάκων δρομολόγησης, την κατασκευή μοναδικά αναγνωρίσιμων πακέτων δρομολόγησης και τους κανόνες για την ανταλλαγή των δεδομένων από ένα σημείο του δικτύου σε ένα άλλο. Οι μηχανικοί δικτύων θέτουν ένα κόστος σε κάθε διαδρομή δικτύου. Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης διαλέγουν την διαδρομή με το μικρότερο κόστος προς τον προορισμό. Τα πρωτόκολλα διαχωρίζονται σε 4 βασικές κατηγορίες: Απόστασης-διανύσματος (Distance-Vector) Κατάστασης σύνδεσης (Link State) -24-

35 Εσωτερικά πρωτόκολλα δρομολόγησης (γνωστά και ως Interior Gateway Protocols, IGPs) Εξωτερικά πρωτόκολλα δρομολόγησης Distance-Vector: Σε αυτό το πρότυπο κάθε δρομολογητής ενημερώνει τον γείτονα του για τον πίνακα δρομολόγησης του. Για να ιδρυθεί μια διαδρομή δικτύου, ο λαμβάνων δρομολογητής επιλέγει τον γείτονα που διαφημίζει το μικρότερο κόστος διαδρομής. Ο λαμβάνων δρομολογητής τότε προσθέτει τη διαδρομή του γείτονα του στον πίνακα δρομολόγησης του για επαναδιαφήμιση. Τα HELLO και RIP είναι παραδείγματα πρωτοκόλλων απόστασης-διανύσματος. Link State: Στα πρωτόκολλα κατάστασης σύνδεσης κάθε δρομολογητής διατηρεί ένα μερικό χάρτη του δικτύου. Όταν κάποια διασύνδεση του δικτύου αποσυνδεθεί ή επανασυνδεθεί τα πρωτόκολλα κατάστασης σύνδεσης πλημμυρίζουν το δίκτυο με ειδοποιήσεις για την αλλαγή. Όλοι οι δρομολογητές ενημερώνονται για την αλλαγή και επανυπολογίζουν τις διαδρομές δικτύου και ενημερώνουν τον πίνακα δρομολόγησης τους. Το πρότυπο link state είναι πιο αξιόπιστο και πιο εύκολα επιδιορθώσιμο απ ότι το distance-vector. Παρά ταύτα είναι πιο σύνθετο και απαιτεί μεγαλύτερη χρήση μνήμης. Το OSPF είναι ένα παράδειγμα πρωτοκόλλου κατάστασης σύνδεσης. Interior Routing Protocols: Τα IGPs προσφέρουν ανταλλαγή πληροφοριών πρόσβασης στα όρια ενός AS. Τα πιο κοινά πρωτόκολλα δρομολόγησης όπως HELLO RIP και OSFP είναι εσωτερικού τύπου. Το βασικό στοιχείο δρομολόγησης είναι η IP του δικτύου ή υποδικτύου ή το πρόθεμα CIDR για νεότερα πρωτόκολλα. Exterior Routing Protocols: Η εξωτερική δρομολόγηση συμβαίνει μεταξύ αυτόνομων συστημάτων. Εξωτερική δρομολόγηση χρησιμοποιούν κυρίως οι πάροχοι υπηρεσιών και τα μεγάλα ή σύνθετα δίκτυα. Το βασικό στοιχείο της δρομολόγησης είναι το AS και μια συλλογή από προθέματα CIDR αναγνωρίσιμα από έναν αριθμό AS. Μπορούν να υπάρξουν πολλά διαφορετικά εσωτερικά πρωτόκολλα δρομολόγησης, αλλά εξωτερικά μόνο ένα είναι αυτό που διαχειρίζεται το διαδίκτυο παγκόσμια. Τα εξωτερικά πρωτόκολλα δρομολόγησης συχνά αναφέρονται ως exterior gateway protocols. To Border Gateway Protocol (BGP) είναι ένα από αυτά. Το Interdomain Routing Protocol (IDRP) έχει υιοθετηθεί για την υποστήριξη ανταλλαγής interdomain πληροφοριών δρομολόγησης μεταξύ των δρομολογητών που υποστηρίζουν την προώθηση πακέτων IPv

36 5.3 Τεχνικές Πρωτοκόλλων Πολυεκπομπής Τα κυριότερα πρωτόκολλα πολυεκπομπής χρησιμοποιούν μια απ τις δύο εξής τεχνικές: Source-Rooted Trees Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται σε πρωτόκολλα που κατασκευάζουν τα δένδρα παράδοσης με αρχικό κόμβο την πηγή. Κατ αυτό το μοντέλο, για κάθε πηγή μιας ομάδας δημιουργείται ένα δένδρο παράδοσης που συνδέεται με όλα τα μέλη της. Shared-Trees Η τεχνική του κοινού δένδρου χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου τα μέλη των ομάδων είναι αραιά κατανεμημένα και υπάρχει χαμηλότερης ποιότητας διασύνδεση. Το μοντέλο του κοινού δένδρου βασίζεται σε έναν πυρήνα δρομολογητών ο οποίος αποτελεί σημείο συνάντησης (rendezvous point) μεταξύ των πηγών των ομάδων και των παραληπτών. Ο πυρήνας προωθεί τα πακέτα στο κοινό δένδρο που χρησιμοποιείται απ όλες τις πηγές και τα μέλη μιας συγκεκριμένης ομάδας. Dense Mode Multicasting Routing: Ένα πρωτόκολλο πολυεκπομπής πυκνού τύπου προϋποθέτει ότι τα μέλη των ομάδων είναι πυκνά κατανεμημένα μέσα στο δίκτυο. Πολλά υποδίκτυα περιέχουν τουλάχιστον ένα μέλος και το bandwidth είναι άφθονο. Τα περισσότερα πρωτόκολλα πολυεκπομπής πυκνού τύπου υλοποιούν Source-Rooted Trees αλγόριθμους δρομολόγησης. Sparse Mode Multicasting Routing: Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης αραιού τύπου βασίζονται σε επιλεκτικές τεχνικές εγκατάστασης και διατήρησης δένδρων πολυεκπομπής. Τα πρωτόκολλα αυτά χρησιμοποιούν διαδικασίες κατασκευής δένδρου οι οποίες εκκινούνται απ τα υποψήφια μέλη. Αυτό σημαίνει ότι κατασκευάζεται κάποιο δένδρο παράδοσης μόνο όταν κάποιος κόμβος στείλει αίτημα συμμετοχής για κάποια ομάδα. Αρχικά θα ασχοληθούμε με πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται στην περίπτωση όπου οι χρήστες μια ομάδας πολυεκπομπής είναι πυκνά κατανεμημένοι μέσα στο δίκτυο. Σε αυτήν την περίπτωση γίνεται χρήση των πρωτοκόλλων Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP), Multicast Open Shortest Path First (MOSPF) και Protocol Independent Multicast - Dense Mode (PIM-DM). Τέλος για περιπτώσεις όπου οι χρήστες είναι αραιά κατανεμημένοι στο δίκτυο χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο Protocol Independent Multicast - Sparse Mode (PIM-SM). -26-

37 5.4 Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP) Το DVMRP είναι ένα πρωτόκολλο κατάλληλο για εσωτερική χρήση στα πλαίσια ενός αυτόνομου συστήματος και όχι για χρήση διασύνδεσης μεταξύ διαφορετικών αυτόνομων συστημάτων. Πρόκειται για το παλαιότερο πρωτόκολλο πολυεκπομπής και το πιο ευρέως εφαρμοσμένο. Καθορίστηκε στο RFC 1075 καθοδηγούμενο απ το πρωτόκολλο RIP με τη διαφορά ότι το RIP προωθεί τα unicast πακέτα βασιζόμενο στις πληροφορίες σχετικά με το επόμενο hop προς τον προορισμό, ενώ το DVMRP κατασκευάζει δένδρα παράδοσης βασιζόμενο στις πληροφορίες του προηγούμενου hop προς την πηγή. Οι πρώτες εκδόσεις του πρωτοκόλλου υλοποιούσαν τα δένδρα παράδοσης με βάση τον αλγόριθμο TRPB. Αργότερα το DVMRP ενισχύθηκε για να χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο RPM. Η τυποποίηση της τελικής έκδοσης του πρωτοκόλλου έγινε από την Internet Engineering Task Force (IETF) και συγκεκριμένα απ το Inter-Domain Multicast Routing (IDMR) working group. Όπως προαναφέρθηκε το πρωτόκολλο υλοποιεί τον αλγόριθμο RPB. Το πρώτο πακέτο που στέλνεται από μια συγκεκριμένη πηγή προς μια συγκεκριμένη ομάδα πλημμυρίζει το δίκτυο. (flooding) Στο επόμενο βήμα μηνύματα κλαδέματος (prune messages) αποστέλλονται upstream για να αποκοπούν κλαδιά του δένδρου (branches) που δεν έχουνε μέλη. Επιπλέον ένα νέο είδος μηνυμάτων (graft) χρησιμοποιείται για να επαναφέρονται άμεσα κλαδιά που έχουν αποκοπεί, σε περίπτωση που κάποιος νέος χρήστης θέλει να λάβει μέρος σε μια ομάδα. Παρόμοια με τα prune messages τα οποία αποστέλλονται hop to hop upstream τα graft στέλνονται downstream ένα hop τη φορά μέχρι να φτάσουν σε κάποιο κόμβο που ανήκει στο δένδρο παράδοσης. Όπως και στον αλγόριθμο RPM έτσι και το DVMRP χρησιμοποιεί περιοδικό flooding πακέτων. Σε περιπτώσεις όπου περισσότεροι από έναν δρομολογητές βρίσκονται στο ίδιο υποδίκτυο, αυτός που βρίσκεται πιο κοντά στην πηγή απ την οποία εισήλθε κάποιο πακέτο, εκλέγεται αρμόδιος για την προώθηση των πακέτων. Όλοι οι υπόλοιποι δρομολογητές πολυεκπομπής απλά απορρίπτουν τα πακέτα απ τη συγκεκριμένη πηγή. Αν υπάρχουν περισσότεροι από έναν δρομολογητές με ίση απόσταση προς την πηγή, τότε εκλέγεται ο δρομολογητής με τη χαμηλότερη IP. Το DVMRP υποστηρίζει το tunneling. Υπάρχει δηλαδή η δυνατότητα της σύνδεσης δύο δρομολογητών πολυεκπομπής διαμέσου ενός ή περισσοτέρων multicast-unaware δρομολογητών. Για να επιτευχθεί αυτό οι δρομολογητές πολυεκπομπής ενσωματώνουν -27-

38 τα πακέτα multicast ως δεδομένα σε πακέτα unicast. Η κάθε διασύνδεση των δρομολογητών πολυεκπομπής ρυθμίζεται με την IP του τοπικού multicast-unaware δρομολογητή στην είσοδο και στην έξοδο του tunnel. To scope των πακέτων πολυεκπομπής μπορεί να ρυθμιστεί από το πεδίο TTL στο IP header. Στην εικόνα 12 βλέπουμε τις συμβατικές τιμές που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό του scope των πακέτων πολυεκπομπής. Εικόνα 12: Συμβατικές τιμές TTL στο IP header 5.5 Multicast Open Shortest Path First (MOSPF) Το MOSPF το οποίο είναι η επέκταση του OSPF καθορίστηκε στο RFC Βασιζόμενο στις πληροφορίες για τις εγγραφές των μελών απ το πρωτόκολλο IGMP και με την βοήθεια της βάσης του OSPF κατασκευάζει τα δένδρα παράδοσης. Πρόκειται για δένδρα της μικρότερης διαδρομής (shortest path) τα οποία κατασκευάζονται κατά απαίτηση για κάθε ζευγάρι πηγής-ομάδας. Παρότι δεν υποστηρίζει το tunneling, μπορεί να συνυπάρξει και να αλληλοεπιδράσει με non- MOSPF δρομολογητές. Το MOSPF υποστηρίζει ιεραρχική δρομολόγηση. Κάθε κόμβος στο διαδίκτυο συμμετέχει σε κάποιο αυτόνομο σύστημα (Autonomous System). Κάθε αυτόνομο σύστημα χωρίζεται σε μικρότερες ομάδες, τους τομείς (areas). Στις επόμενες παραγράφους θα αναλύσουμε πως το MOSPF πραγματοποιεί δρομολόγηση πολυεκπομπής σε διαφορετικά επίπεδα Δρομολόγηση εντός τομέα (Intra-Area Routing) Το OSPF είναι ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης κατάστασης σύνδεσης το οποίο επιτρέπει σε ένα αυτόνομο σύστημα (AS) να χωριστεί σε τομείς. Η βάση δεδομένων με τις -28-

39 καταστάσεις των συνδέσεων του OSPF παρέχει την πλήρη χαρτογράφηση του τομέα σε κάθε δρομολογητή. Προσθέτοντας ένα νέο τύπο διαφήμισης κατάστασης σύνδεσης, τον Group-Membership-LSA (Link State Advertisement) εξασφαλίζεται η πληροφορία για την τοποθεσία των μελών τον ομάδων και αποθηκεύεται στη βάση. Με τις πληροφορίες της βάσης κατασκευάζονται δένδρα παράδοσης source-rooted και shortest-path χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Dijkstra. Στο επόμενο βήμα χρησιμοποιούνται οι πληροφορίες για τις εγγραφές των μελών για να κλαδευτούν οι διασυνδέσεις που δεν οδηγούν σε μέλη. Δεδομένου του ότι όλοι οι δρομολογητές έχουν πλήρη πληροφόρηση για την τοπολογία του τομέα (ιδιότητα του πρωτοκόλλου κατάστασης σύνδεσης) και των μελών, θα καταλήξουν όλοι στο ίδιο δένδρο παράδοσης για ένα δεδομένο ζευγάρι πηγήςομάδας, εφόσον η πηγή και τα μέλη ανήκουν στον ίδιο τομέα. Τα δένδρα παράδοσης κατασκευάζονται κατά απαίτηση. Όταν κάποιος δρομολογητής λάβει κάποιο πακέτο πολυεκπομπής για κάποιο ζευγάρι πηγής-ομάδας, θα κατασκευάσει και το αντίστοιχο δένδρο παράδοσης. Βασιζόμενος στο δένδρο παράδοσης ο κάθε δρομολογητής γνωρίζει από ποια διασύνδεση θα πρέπει να περιμένει δεδομένα πολυεκπομπής για συγκεκριμένο ζευγάρι πηγής-ομάδας και σε ποια διασύνδεση του να τα προωθήσει. Σε κάθε δρομολογητή δημιουργείται μνήμη προώθησης (forwarding cache). Υπάρχει διαφορετική εγγραφή στη μνήμη για κάθε ζευγάρι πηγής-ομάδας και περιέχει α) σε ποια διασύνδεση αναμένονται τα δεδομένα β) σε ποια διασύνδεση θα προωθηθούν. Αντίθετα με το DVMRP, το πρώτο πακέτο δεν χρειάζεται να πλημμυρίσει το δίκτυο. Δρομολόγηση μεταξύ τομέων (Inter-Area Routing) Εάν η πηγή ή και κάποιο μέλος βρίσκονται σε διαφορετικούς τομείς του AS, ο προηγούμενος μηχανισμός δεν είναι αρκετός για την προώθηση των πακέτων. Για να λυθεί το πρόβλημα, συνοριακοί δρομολογητές μεταξύ των τομέων (area border routers) εκλέγονται για να προωθήσουν τα δεδομένα μεταξύ των τομέων. Οι border routers προωθούν μια σύνοψη με τις εγγραφές των μελών του τομέα τους στο backbone network χρησιμοποιώντας έναν νέο τύπο group membership LSAs. Εδώ εισάγεται για πρώτη φορά η έννοια του wild-card multicast receiver. Οι wild-card multicast receivers λαμβάνουν όλα τα μηνύματα πολυεκπομπής του τομέα τους. Όλοι οι συνοριακοί δρομολογητές που δεν ανήκουν στο backbone network λειτουργούν ως wild-card multicast receivers προσφέροντας την εγγύηση ότι, όλα τα μηνύματα πολυεκπομπής που δεν α- νήκουν στο κεντρικό δίκτυο θα φτάσουν σε κάποιον διασυνοριακό προωθητή και θα -29-

40 προωθηθούν στο backbone εάν αυτό χρειαστεί. Έχοντας στο backbone πλήρη πληροφόρηση για τα μέλη των ομάδων στους διάφορους τομείς, τα πακέτα πολυεκπομπής μπορούν εύκολα να προωθηθούν στον κατάλληλο τομέα. Δρομολόγηση μεταξύ αυτόνομων συστημάτων (Inter-AS Routing) Η προσέγγιση κατά τη δρομολόγηση μεταξύ AS είναι παρόμοια με τη δρομολόγηση μεταξύ τομέων. Κάποιοι από τους συνοριακούς δρομολογητές των AS ρυθμίζονται σαν "inter-as multicast forwarders". Το MOSPF θεωρεί ότι οι inter-as multicast forwarders κατασκευάζουν RPB δένδρα για την προώθηση των μηνυμάτων πολυεκπομπής. Οι συνοριακοί δρομολογητές έχουν την ιδιότητα του wildcard multicast receiver παραμένοντας σε όλα τα δένδρα παράδοσης και λαμβάνοντας όλα τα μηνύματα πολυεκπομπής. Οι διαδρομές προς εξωτερικές πηγές του AS βρίσκονται χρησιμοποιώντας reverse path τεχνικές και source-rooted δένδρα. 5.6 Protocol Independent Multicast (PIM) Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης PIM αναπτύχθηκαν απ το Inter-Domain Multicast Routing (IDMR) working group του οργανισμού IETF. Ο στόχος του IDMR ήταν να αναπτύξει μια σειρά πρωτοκόλλων πολυεκπομπής, όπου ασχέτως απ το ποιο πρωτόκολλο μονοεκπομπής υλοποιείται να παρέχουν επεκτάσιμη δρομολόγηση πολυεκπομπής σε όλο το διαδίκτυο. Ασφαλώς τα πρωτόκολλα PIM απαιτούν την ύπαρξη κάποιου πρωτοκόλλου μονοεκπομπής. Τα κυριότερα πρωτόκολλα πολυεκπομπής που χρησιμοποιούνται αποδίδουν καλά όταν τα μέλη των ομάδων είναι πυκνά κατανεμημένα και υπάρχει άφθονο bandwidth. Ωστόσο, το γεγονός ότι το DVMRP πλημμυρίζει περιοδικά το δίκτυο και το γεγονός ότι το MOSPF στέλνει πληροφορίες για τις εγγραφές των μελών, καθιστά αυτά τα δύο πρωτόκολλα ανεπαρκή για περιπτώσεις όπου τα μέλη είναι αραιά κατανεμημένα και το bandwidth είναι μικρό. Για να αντιμετωπιστούν αυτά τα θέματα, το πρωτόκολλο PIM αναπτύχθηκε σε δύο εκδόσεις. PIM - Dense Mode (PIM-DM) για την περίπτωση των πυκνά κατανεμημένων μελών και PIM - Sparse Mode (PIM-SM) για την περίπτωση των αραιά κατανεμημένων. Παρά το γεγονός ότι αυτοί οι δύο αλγόριθμοι ανήκουν στο PIM και μοιράζονται παρόμοια μηνύματα ελέγχου, είναι ουσιαστικά δύο διαφορετικά πρωτόκολλα. -30-

41 Protocol-Independent Multicast - Dense Mode (PIM-DM) Το PIM-DM είναι αρκετά παρόμοιο με το DVMRP και χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο RPM για τον σχηματισμό δένδρων παράδοσης. Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ αυτών των δύο αλγορίθμων. Παρόλο που το PIM-DM απαιτεί την παρουσία ενός unicast πρωτοκόλλου δρομολόγησης για την εύρεση των διαδρομών προς τα πίσω στην πηγή, είναι ανεξάρτητο από τους μηχανισμούς που υλοποιούνται σε οποιοδήποτε πρωτόκολλο unicast. Αυτό είναι διαφορετικό από τα πρωτόκολλα DVMRP και MOSPF. Το DVMRP χρησιμοποιεί RIP-like ανταλλαγή μηνυμάτων για την κατασκευή του unicast πίνακα δρομολόγησης και το MOSPF στηρίζεται στην βάση δεδομένων του OSPF με τις καταστάσεις των συνδέσεων. Η άλλη διαφορά μεταξύ PIM-DM και DVMRP είναι ότι PIM-DM προωθεί multicast μηνύματα σε όλες τις downstream διασυνδέσεις μέχρι να λάβει prune messages, ενώ το DVMRP προωθεί τα πακέτα μόνο στους κόμβους που ανήκουν στο δένδρο παράδοσης. Ως εκ τούτου, είναι προφανές ότι το PIM-DM έχει να αντιμετωπίσει διπλότυπα μηνύματα. Ωστόσο, η μέθοδος αυτή επιλέγεται για την εξάλειψη των εξαρτήσεων των πρωτοκόλλων δρομολόγησης και την αποφυγή του υπολογισμού του δένδρου παράδοσης σε κάθε δρομολογητή. Παρόμοια με το DVMRP, graft messages προωθούνται για να επαναφέρουν προηγουμένως pruned branches στο δένδρο παράδοσης. Protocol-Independent Multicast - Sparse Mode (PIM-SM) Το PIM-SM που καθορίστηκε στο RFC 2117, έχει δύο βασικές διαφορές με τα υπάρχοντα πρωτόκολλα πυκνού τύπου (DVMRP, MOSPF και PIM-DM). Στο PIM-SM οι δρομολογητές χρειάζεται να ανακοινώσουν ρητά την επιθυμία τους για λήψη μηνυμάτων πολυεκπομπής των ομάδων, ενώ στα υπόλοιπα πρωτόκολλα πυκνού τύπου θεωρείται ότι όλοι οι δρομολογητές χρειάζεται να λάβουν μηνύματα εκτός και αν έχουν στείλει prune message. Η άλλη βασική διαφορά είναι η έννοια του πυρήνα (core) ή σημείου συνάντησης (Rendezvous Point), τα οποία έχουν εφαρμοστεί στο πρωτόκολλο PIM- SM. Κάθε τομέας αραιού τύπου έχει μια σειρά από δρομολογητές οι οποίοι λειτουργούν σαν σημείο συνάντησης (Rendevouz Point). Κάθε ομάδα έχει ένα και μοναδικό RP σε οποιαδήποτε στιγμή. Κάθε δρομολογητής που επιθυμεί να λάβει δεδομένα κάποιας ο- μάδας χρειάζεται να στείλει μήνυμα εγγραφής στο RP της ομάδας. Κάθε κόμβος έχει έναν αρμόδιο δρομολογητή (Designated Router) ο οποίος είναι συνδεδεμένος στο ίδιο υποδίκτυο και έχει την υψηλότερη IP. Όταν ο DR λάβει μήνυμα IGMP από κάποιον -31-

42 κόμβο για την εγγραφή σε κάποια ομάδα, βρίσκει το RP της ομάδας και προωθεί ένα unicast PIM-Join message. Ο DR και οι ενδιάμεσοι δρομολογητές δημιουργούν μια εγγραφή στον πίνακα προώθησης πολυεκπομπής για το ζευγάρι πηγής-ομάδας, ώστε να γνωρίζουν πώς να προωθήσουν τα πακέτα που λαμβάνουν από το RP προς τον DR και τα μέλη των ομάδων. Στην εικόνα 13 βλέπουμε πως κάποιος χρήστης εγγράφεται σε μια ομάδα. Εικόνα 13: Εγγραφή χρήστη σε ομάδα μέσω PIM-SM Όταν μια πηγή στέλνει ένα μήνυμα σε μια συγκεκριμένη ομάδα, ο DR αυτής της πηγής ενσωματώνει το πρώτο μήνυμα μέσα σε ένα PIM-SM-Register packet και το στέλνει στο RP αυτής της ομάδας σαν unicast message. Αφού λάβει αυτό το μήνυμα το RP στέλνει πίσω στον DR της πηγής ένα PIM-Join message. Καθώς αυτό το μήνυμα προωθείται στον DR της πηγής, όλοι οι ενδιάμεσοι δρομολογητές προσθέτουν μια νέα εγγραφή στον πίνακα προώθησης πολυεκπομπής τους για το νέο ζευγάρι πηγής-ομάδας. Κατ αυτό τον τρόπο τα επόμενα μηνύματα της πηγής μπορούν να προωθηθούν στον RP ευκολότερα. Είναι εμφανές ότι το RP είναι υπεύθυνο για την προώθηση των πακέτων στα μέλη της ομάδας. Πρέπει να σημειωθεί ότι, μέχρι να προσθεθούν αυτές οι εγγραφές στους πίνακες των ενδιάμεσων δρομολογητών, όλα τα μηνύματα πολυεκπομπής θα προωθούνται ενσωματωμένα σε μηνύματα unicast. Στην εικόνα 14 βλέπουμε πως η πηγή στέλνει δεδομένα στα μέλη της ομάδας. -32-

43 Εικόνα 14: Προώθηση δεδομένων από την πηγή προς τα μέλη Παρότι η προώθηση των πακέτων πολυεκπομπής μέσω ενός κοινού RP δένδρου είναι επαρκής, εάν ο αριθμός των μηνυμάτων αυξηθεί αρκετά ένα κοινό δένδρο παράδοσης ίσως να μην είναι επιθυμητό. Το PIM-SM παρέχει μια μέθοδο δένδρου μικρότερης διαδρομής για μερικούς ή και όλους τους παραλήπτες. Οι δρομολογητές του PIM- SM χρησιμοποιούν το δένδρο του RP αλλά ταυτόχρονα έχουν και την επιλογή να χρησιμοποιήσουν source-rooted shortest-path trees για τους μισούς απ τους συνδεδεμένους παραλήπτες. Σε αυτήν την περίπτωση ο PIM-SM δρομολογητής στέλνει Join message στην πηγή. Αμέσως μετά την κατασκευή του source-based shortest-path δένδρου παράδοσης, ο δρομολογητής στέλνει prune message στο RP, αφαιρώντας τον έτσι απ το δένδρο του RP. Στην εικόνα 15 απεικονίζονται τα δύο δένδρα παράδοσης, μικρότερης διαδρομής με βάση την πηγή και κοινό δένδρο RP αντίστοιχα. Εικόνα 15: Κοινό δένδρο παράδοσης RP και δένδρο μικρότερης διαδρομής πηγής αντίστοιχα -33-

44 5.7 MBone Το 1992 επιλέχθηκε μια διασυνδεδεμένη ομάδα υποδικτύων με δρομολογητές ικάνους για δρομολόγηση πολυεκπομπής για πειραματισμό πάνω στην πολυεκπομπή. Αυτό το πειραματικό δίκτυο ονομάστηκε Multicast Backbone και χρησιμοποιήθηκε ως μέσο ανάπτυξης εφαρμογών πολυεκπομπής. Το MBone ξεκίνησε με 40 υποδίκτυα σε 4 διαφορετικές χώρες και τώρα περιλαμβάνει περισσότερα από 3400 υποδίκτυα σε περισσότερες από 25 χώρες και αναμένεται να επεκταθεί με ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς. Το MBone είναι ένα εικονικό δίκτυο ανεπτυγμένο πάνω σε κάποια κομμάτια του διαδικτύου. Στο MBone, νησιά από δίκτυα πολυεκπομπής συνδέονται μεταξύ τους με εικονικούς συνδέσμους ονόματι tunnels. Μέσω αυτών των tunnels προωθούνται τα μηνύματα ανάμεσα από μη ικανά κομμάτια πολυεκπομπής του διαδικτύου. Για την προώθηση μέσω των tunnels, τα μηνύματα ενσωματώνονται σε πακέτα IP σαν να πρόκειται για απλή εκπομπή unicast διαπερνώντας έτσι τους ενδιάμεσους non-multicast δρομολογητές. Οι δρομολογητές πολυεκπομπής, τα αμέσως συνδεδεμένα υποδίκτυα τους και τα tunnels που τα διασυνδέουν, απαρτίζουν το MBone. Σε αρχικό στάδιο το μοναδικό πρωτόκολλο που εφαρμόστηκε ήταν το DVMRP. Παρόλο που σήμερα και άλλα πρωτόκολλα όπως τα MOSPF και PIM εφαρμόζονται στο MBone, το μεγαλύτερο μέρος των δρομολογητών υλοποιεί το DVMRP. Λόγω της αύξησης της διαθεσιμότητας των χαρακτηριστικών πολυεκπομπής στους νέους δρομολογητές, σταδιακά τα tunnels θα αντικατασταθούν από το μοντέλο πολυεκπομπής. -34-

45 6 Wireless Sensor Networks (WSN) Σε αυτήν την ενότητα θα ορίσουμε τι είναι ένα WSN. Θα τα ταξινομήσουμε σύμφωνα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους και θα προτείνουμε μονάδες μέτρησης της επίδοσης τους. 6.1 Εισαγωγή στα WSN Ο αποδοτικός σχεδιασμός και η εφαρμογή ασύρματων δικτύων αισθητήρων (WSN) έχει γίνει ένα καυτό θέμα έρευνας τα τελευταία χρόνια λόγω της ειδικής ικανότητας των δικτύων αισθητήρων να εκτελέσουν χαοτική ποικιλία εφαρμογών που ενώνουν το φυσικό κόσμο με τον εικονικό. Με τη δικτύωση μεγάλου αριθμού μικροσκοπικών αισθητήρων είναι δυνατό να αποκομίσουμε πληροφορίες για φυσικά φαινόμενα κάτι το οποίο ήταν πολύ δύσκολο εώς αδύνατο με πιο παραδοσιακούς τρόπους. Στα επόμενα χρόνια όσο εξελίσσεται η τεχνολογία μικροκατασκευής και επιτρέπει το κόστος των παραγόμενων αισθητήρων να φθίνει όλο και περισσότερο, αναμένεται αύξηση της ανάπτυξης δικτύων αισθητήρων, με τον αριθμό των κόμβων τους τα αυξάνεται σημαντικά, ως και χιλιάδες. Πιθανές εφαρμογές γι αυτά τα τεράστια δίκτυα αισθητήρων μπορούν να υπάρξουν σε μια πληθώρα τομέων όπως, ιατρική παρακολούθηση, περιβαλλοντική παρακολούθηση, επιτήρηση, συστήματα ασφαλείας, στρατιωτικές επιχειρήσεις, παρακολούθηση μηχανών παραγωγής κ.α. Για την κατανόηση της ποικιλίας των εφαρμογών που μπορούν να υποστηριχτούν από τα WSN λάβετε υπόψιν τα ακόλουθα δύο παραδείγματα. Επιτήρηση: Ας υποθέσουμε ότι πολλαπλοί δικτυωμένοι αισθητήρες (ακουστικοί, σεισμικοί, βίντεο κ.α) είναι κατανεμημένοι καθ όλη την έκταση ενός πεδίου μάχης. Μια εφαρμογή επιτήρησης θα μπορούσε να σχεδιαστεί πάνω σε αυτό το WSN η οποία να παρέχει πληροφορίες για το περιβάλλον σε έναν τελικό χρήστη. Σε ένα τέτοιο δίκτυο τα πρότυπα κυκλοφορίας των πληροφοριών είναι τύπου «πολλά προς ένα» και τα οποία μπορούν να ποικίλουν από ακατέργαστα δεδομένα αισθητήρων, εώς υψηλού επιπέδου περιγραφών για το τι συμβαίνει στο περιβάλλον, εφόσον τα δεδομένα κατεργαστούν τοπικά. Η εφαρμογή θα έχει κάποιες απαιτήσεις Quality of Service απ το δίκτυο αισθητήρων όπως για παράδειγμα την απαίτηση κάποιου ελάχιστου ποσοστού κάλυψης -35-

46 των αισθητήρων σε μια περιοχή που αναμένεται κάποιο φαινόμενο ή την απαίτηση μιας μέγιστης πιθανότητας μη αναγνώρισης κάποιου γεγονότος. Ταυτόχρονα, αυτό το QoS αναμένεται να παρέχεται από το δίκτυο για μεγάλο χρονικό διάστημα (μηνών ή και χρόνων) χρησιμοποιώντας τους περιορισμένους πόρους του δικτύου (ενέργεια αισθητήρων, εύρος καναλιού κ.α) απαιτώντας λίγη εώς καθόλου εξωτερική παρέμβαση. Για την επίτευξη αυτών των στόχων απαιτείται προσεκτικός σχεδιασμός του hardware και των πρωτοκόλλων του δικτύου. Ιατρική παρακολούθηση: Ένας διαφορετικός τομέας εφαρμογής που μπορεί να κάνει χρήση των WSN είναι ο τομέας ιατρικής παρακολούθησης. Αυτό το πεδίο εκτείνεται από την παρακολούθηση ασθενών σε νοσοκομεία χρησιμοποιώντας αισθητήρες για την αποφυγή των περιορισμών δέσμευσης των ασθενών σε μεγάλες, ογκώδεις και καλωδιωμένες συσκευές παρακολούθησης, για παρακολούθηση ασθενών σε πιο μαζικές περιπτώσεις, εώς και την παρακολούθηση των ανθρώπων στην καθημερινή ζωή τους για να παρέχεται μια γρήγορη αναγνώριση και παρέμβαση για διαφόρους τύπους ασθενειών. Σε αυτά τα σενάρια οι τύποι των αισθητήρων μπορούν να ποικίλουν από μινιατούρες, αισθητήρες που φοριούνται στο σώμα ή και εξωτερικοί όπως κάμερες ή συσκευές αναγνώρισης θέσης. Πρόκειται για ένα απαιτητικό περιβάλλον στο οποίο πρέπει να σχεδιαστούν αξιόπιστες και ευέλικτες εφαρμογές που θα χρησιμοποιούν τα δεδομένα των αισθητήρων ως εισαγωγή. Σκεφτείτε μια εφαρμογή παρακολούθησης προσωπικής υγείας που θα λειτουργεί σε κάποιο PDA το οποίο λαμβάνει και αναλύει δεδομένα από μια πληθώρα αισθητήρων (ηλεκτροκαρδιογραφήματος, πίεσης του αίματος, ροής του αίματος, μέτρησης σφυγμών κ.α). Η παρακολούθηση θα αντιδρά σε πιθανούς κινδύνους υγείας και θα καταγράφει τις πληροφορίες για την κατάσταση της σε μια τοπική βάση δεδομένων. Θεωρώντας ότι οι περισσότεροι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται στην παρακολούθηση της προσωπικής υγείας λειτουργούν με μπαταρία και χρησιμοποιούν ασύρματη επικοινωνία, είναι ξεκάθαρο πως αυτή η εφαρμογή χρειάζεται πρωτόκολλα δικτύου αποδοτικά, αξιόπιστα, επεκτάσιμα και ασφαλή. Για την καλύτερη κατανόηση του γιατί τα παραδοσιακά δίκτυα δεν είναι κατάλληλα γι αυτούς τους τύπους εφαρμογών, θα κατηγοριοποιήσουμε τα μοναδικά χαρακτηριστικά των WSN καθώς και τις μονάδες μέτρησης επίδοσης με βάση τις οποίες τα WSN θα πρέπει να αξιολογηθούν. -36-

47 6.2 Ταξινόμηση των WSN Κατά τη σχεδίαση των πρωτοκόλλων δρομολόγησης για τα WSN θα πρέπει να λάβουμε υπόψιν κάποια ιδιαίτερα σημεία που χαρακτηρίζουν τη φύση των WSN. Data Sink(s): Ένα απ τα πιο σημαντικά κομμάτια των WSN είναι η φύση των συλλεκτών δεδομένων. Σε κάποιες περιπτώσεις ο τελικός χρήστης μπορεί να είναι ενσωματωμένος μέσα στο WSN (π.χ. ενεργοποιητές που διορθώνουν ανωμαλίες στις περιβαλλοντικές συνθήκες, σημεία πρόσβασης που δικτυώνουν το WSN με τον έξω κόσμο) ή μπορεί να είναι κάποιο λιγότερο προσβάσιμο κινητό σημείο πρόσβασης το οποίο συλλέγει δεδομένα ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Αυτός ο διαχωρισμός ίσως είναι σημαντικός καθώς, επαρκή τεχνικές αποθήκευσης των διακινούμενων δεδομένων μπορεί να είναι αποτελεσματικές σε κάποιο μελλοντικό σενάριο. Sensor Mobility: Μια διαφορετική ταξινόμηση των WSN μπορεί να προκύψει βάση της φύσης των αισθητήρων που χρησιμοποιούνται. Τυπικά μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται θα είναι ακίνητοι. Παρά ταύτα κάποια νεότερα σχέδια WSN όπως το ZebraNet project που στόχο έχει την ανίχνευση την άγριων ζώων για μεγάλα χρονικά διαστήματα και αποστάσεις, χρησιμοποιούν κινητούς αισθητήρες. Επίσης, σε στρατιωτικές επιχειρήσεις επιπλέον αισθητήρες μπορούν να ενσωματωθούν σε στρατιώτες ή σε UAVs (αεροσκάφη χωρίς ανθρώπινο προσωπικό, γνωστά ως drone) και να αλληλεπιδρούν με κάποιο εφαρμοσμένο WSN. Η κινητικότητα των αισθητήρων μπορεί να επηρεάσει τα πρωτόκολλα επιπέδου δικτύου καθώς και εκείνα που χρησιμοποιούνται για υπηρεσίες εντοπισμού. Sensor Resources: Οι αισθητήρες μπορούν να ποικίλουν σημαντικά στις υπολογιστικές τους δυνατότητες. Είναι προφανές ότι οι περιορισμοί που μπορεί να υπάρξουν σε μνήμη και υπολογιστική ισχύ μπορεί να επηρεάσει το σχεδιασμό κάποιου πρωτοκόλλου σε όλα τα επίπεδα. Traffic Patterns: Ακόμη ένα σημαντικό κομμάτι που πρέπει να ληφθεί υπόψιν είναι το traffic που δημιουργείται στο δίκτυο. Σε πολλές εφαρμογές που λειτουργούν καθοδηγούμενες από γεγονός, οι αισθητήρες μπορούν να λειτουργούν σε μια κατάσταση φρούρησης για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, δημιουργώντας δεδομένα μόνο όταν ανιχνευθεί κάποιο ενδιαφέρον γεγονός. Σε άλλες εφαρμογές όπως η παρακολούθηση του περιβάλλοντος, τα δεδομένα πρέπει να δημιουργούνται συνεχόμενα. -37-

48 Όπως μπορούμε να διακρίνουμε από τα παραπάνω υπάρχουν αρκετά χαρακτηριστικά των αισθητήρων, των δικτύων και των εφαρμογών που πρέπει να επηρεάσουν το σχεδιασμό πρωτοκόλλου. Αναλόγως αρκετή έρευνα υφίσταται για τον σχεδιασμό πρωτοκόλλων γι αυτά τα διάφορα σενάρια. 6.3 Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των WSN Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα WSN μοιράζονται κάποια κοινά χαρακτηριστικά με τα γενικότερα ad hoc networks (αυτοοργανωμένο δίκτυο ή δίκτυο κατ' απαίτηση). Επομένως, η σχεδίαση πρωτοκόλλων για τα WSN πρέπει να συμπεριλάβει τις ιδιότητες των ad hoc networks καθώς και τα ακόλουθα χαρακτηριστικά των αισθητήρων: Περιορισμοί διάρκειας ζωής οι οποίοι επιβάλλονται από την περιορισμένη παροχή ενέργειας των κόμβων του δικτύου. Μη αξιόπιστη επικοινωνία λόγω του ασύρματου μέσου. Ανάγκη για αυτοδιαμόρφωση, απαιτώντας λίγη ή και καθόλου ανθρώπινη παρέμβαση. Επιπροσθέτως υπάρχουν διάφορα μοναδικά χαρακτηριστικά στα WSN που δε συναντώνται στα ad hoc networks. Αυτά τα χαρακτηριστικά παρουσιάζουν μια νέα πρόκληση και απαιτείται η τροποποίηση των σχεδίων των παραδοσιακών ad hoc networks. Τη στιγμή που τα ad hoc δίκτυα αποτελούνται από δεκάδες κόμβους, το μέγεθος στα WSN αναμένεται να είναι της κλίμακας των χιλιάδων. Οι αισθητήρες είναι τυπικά ακίνητοι, κάτι που σημαίνει ότι οι μηχανισμοί που υπάρχουν στα ad hoc για την κινητικότητα είναι αχρείαστοι και επιβαρύνουν. Λόγω του ότι οι αισθητήρες μπορεί να εφαρμοστούν σε αρκετά σκληρά περιβάλλοντα, η μη αναμενόμενη βλάβη μπορεί να είναι σύνηθες φαινόμενο. Οι αισθητήρες μπορεί να είναι αρκετά μικρότεροι απ τους κόμβους των παραδοσιακών ad hoc (όπως PDA και φορητοί Η/Υ) με μικρότερη μπαταρία, επομένως και μικρότερη διάρκεια ζωής, μικρότερη υπολογιστική ισχύ και μνήμη. -38-

49 Επιπρόσθετες υπηρεσίες όπως πληροφορίες τοποθεσίας θα ήταν επιθυμητές στα WSN. Ενώ στα παραδοσιακά ad hoc οι κόμβοι ανταγωνίζονται για τους πόρους όπως το bandwidth, αντίθετα ένα WSN αναμένεται να συμπεριφέρεται συνεργατικά, καθώς καταβάλλεται προσπάθεια για έναν κοινό γενικό στόχο, όπως διατήρηση κάποιου επιπέδου QoS ή πιστότητας. Η επικοινωνία είναι συνήθως δεδομενο-κεντρική παρά διευθυνσιο-κεντρική, που σημαίνει ότι τα δεδομένα που μπορεί να προωθηθούν, συμπιεστούν, προηγηθούν, απορριφθούν εξαρτώνται από την περιγραφή τους. Η επικοινωνία στα WSN έχει την μορφή των πολύ μικρών πακέτων που σημαίνει ότι αντίστοιχα επηρεάζει σημαντικά και τα υπόλοιπα επίπεδα του μοντέλου επικοινωνίας. Τα WSN συχνά υλοποιούν σχέδιο κυκλοφορίας τύπου πολλά-προς-ένα, κάτι που οδηγεί σε προβλήματα κάποιου καυτού σημείου (hot spot problem). Η ενσωμάτωση αυτών των μοναδικών χαρακτηριστικών των WSN στη σχεδίαση πρωτοκόλλων, είναι σημαντική για την αποτελεσματικότερη χρήση των περιορισμένων πόρων του δικτύου. Ταυτόχρονα για να παραμείνουν τα πρωτόκολλα όσο πιο ελαφριά είναι δυνατόν, πολλά σχέδια επικεντρώνονται σε συγκεκριμένα υποσύνολα αυτών τον κριτηρίων για διάφορους τύπους εφαρμογών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία αρκετών πρωτοκόλλων από το επίπεδο ζεύξης δεδομένων ως και το επίπεδο μεταφοράς, το καθένα με στόχο να επιτρέπει στο δίκτυο να λειτουργεί αυτόνομα για όσο το δυνατόν περισσότερο ενώ ταυτόχρονα να διατηρεί το απαιτούμενο QoS της εκάστοτε εφαρμογής. 6.4 Μονάδες μέτρησης επίδοσης των WSN Λόγω του ότι τα WSN χαρακτηρίζονται από αυτές τις μοναδικές ιδιότητες, κάποιες από τις υπάρχων μονάδες μέτρησης επίδοσης για τα ασύρματα δίκτυα δεν είναι κατάλληλες για την αξιολόγηση των WSN. Για παράδειγμα, εφόσον τα WSN είναι από τη φύση τους πιο συνεργάσιμα από τα παραδοσιακά ad hoc δίκτυα, η δικαιοσύνη παίζει λιγότερο σημαντικό ρόλο. Επίσης, εφόσον οι συλλέκτες δεδομένων των WSN ενδιαφέρονται για μια γενική περιγραφή του περιβάλλοντος παρά την λήψη όλων των ακατέργαστων δεδομένων από κάθε κόμβο ξεχωριστά, το throughput του δικτύου είναι μικρότερης -39-

50 σημασίας. Ανάλογα με την εφαρμογή η καθυστέρηση μπορεί να είναι πολύ υψηλότερης ή πολύ χαμηλότερης σημασίας. Αυτό που έχει πολύ μεγαλύτερη σημασία σε ένα WSN είναι η αποδοτικότητα της ενέργειας, μιας και είναι αυτήν που υποδεικνύει τη διάρκεια ζωής του δικτύου, το επίπεδο του QoS και την πιστότητα που επιτυγχάνονται κατά τη διάρκεια ζωής του. Το QoS είναι κατευθυνόμενο απ την εκάστοτε εφαρμογή και μπορεί να μετρηθεί με διάφορους τρόπους. Για παράδειγμα, σε μια εφαρμογή παρακολούθησης ίσως να είναι απαραίτητο, κάποιος αισθητήρας ενός τομέα του δικτύου να παραμένει συνεχώς ενεργός, ώστε να παρέχεται υψηλότερη πιθανότητα ανίχνευσης κάποιου εισβολέα. Σε αυτήν την περίπτωση, το QoS μπορεί να καθοριστεί ως το ποσοστό του περιβάλλοντος που καλύπτεται από ενεργούς αισθητήρες. Σε μια κλασική εφαρμογή ανίχνευσης, το QoS μπορεί να είναι η αναμενόμενη ακρίβεια της εκτίμησης τοποθεσίας του στόχου που παρέχεται από το δίκτυο. -40-

51 7 Πολυεκπομπή στα WSN Στην ενότητα που ακολουθεί θα αναγνωρίσουμε τις προκλήσεις και θα αναλύσουμε τα πρότυπα σχεδίασης ενός δικτύου πολυεκπομπής στα WSN. 7.1 Προκλήσεις Ένα WSN αποτελείται από έναν αριθμό αισθητήρων οι οποίοι είναι περιορισμένοι σε ενέργεια, CPU και μνήμη. Οι αισθητήρες μπορεί να εκτελούν διαφορετικές εφαρμογές για διαφορετικά καθήκοντα όπως, αναγνώριση γεγονότος, αναγνώριση τοποθεσίας, ε- ντοπισμός και παρακολούθηση. Τέτοιου τύπου εφαρμογές θα πρέπει να ρυθμίζονται και να ενημερώνονται καθ όλη τη διάρκεια ζωής των αισθητήρων και για όλο το δίκτυο. Κάποια ενημέρωση με πολλαπλές συνδέσεις μονοεκπομπής (unicast) θα ήταν κάτι ιδιαίτερα ανεπαρκής καθώς θα υπερκατανάλωνε πόρους του δικτύου όπως bandwidth και ενέργειας. Επομένως είναι προφανές ότι χρησιμοποιώντας επικοινωνία πολυεκπομπής στα WSN, μειώνεται ο αριθμός τον απεσταλμένων πακέτων και εξοικονομείται ενέργεια. Για την πρόσβαση σε κάποιο WSN μέσω διαδικτύου, απαιτείται επικοινωνία τύπου IP. Άρα η επικοινωνία μέσω πολυεκπομπής στα όρια του WSN θα πρέπει να είναι και αυτή IP-based. Λόγω της φύσης των WSN, η εκτέλεση πολυεκπομπής IP δεν μπορεί απλά να μεταφερθεί από τις υπάρχων λύσεις για ενσύρματων δικτύων. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει η ενέργεια, η υπολογιστική ισχύ και η μνήμη των WSN είναι περιορισμένη. Αυτά τα χαρακτηριστικά επιφέρουν τις ακόλουθες προκλήσεις για την υλοποίηση της πολυεκπομπής στα WSN. Στα ενσύρματα δίκτυα, οι δρομολογητές διαχειρίζονται την αντιγραφή και προώθηση των πακέτων πολυεκπομπής, ενώ οι χρήστες αποστέλλουν και λαμβάνουν απλά IP και UDP πακέτα. Αντιθέτως, τα WSN θα πρέπει να εισάγουν αυτήν την λειτουργία των δρομολογητών σε κάθε αισθητήρα ξεχωριστά. Η διαχείριση των ομάδων πολυεκπομπής συνήθως επικεντρώνεται στους δρομολογητές που επικοινωνούν μεταξύ τους για τον καθορισμό των δένδρων παράδοσης. Η διαχείριση πολλαπλών ομάδων και δένδρων πολυεκπομπής απαιτεί μνήμη και υπολογιστική ισχύ τα οποία είναι περιορισμένα στους αισθητήρες. Επίσης, οι προεπιλεγμένες εφαρμογές του IP Multicast είναι σχεδιασμένες για μεγάλες ομάδες με πολλαπλούς παραλήπτες και -41-

52 αποστολείς. Πρακτικά στα τυπικά WSN το πλήθος των κόμβων είναι αρκετά χαμηλότερο από αυτά των ενσύρματων δικτύων. Περαιτέρω, το πλήθος των ενεργών δένδρων παράδοσης και της γενικής διαχείρισης της επικοινωνίας πρέπει να κρατηθούν στο ελάχιστο. Οι υπάρχουσες λύσεις Overlay Multicast (όπως Scribe/Pastry, CHORD, Bayeux) δε λαμβάνουν υπόψιν την ασύρματη φύση και τις περιορισμένες ικανότητες των WSN. Γενικότερα είναι κακή ιδέα να παραμένουν ενεργές συνεχώς οι διασυνδέσεις λόγω υψηλότερης κατανάλωσης ενέργειας και συρρίκνωσης της διάρκειας ζωής του WSN. Υπάρχουν αρκετά άλλα θέματα που αφορούν τη διάρκεια ζωής, την ασύρματη επικοινωνία και τις συγκρούσεις. Επιπροσθέτως, η αξιοπιστία σε λύσεις πολυεκπομπής στα WSN θα ήταν επιθυμητή, καθώς ενημερώσεις κώδικα και άλλες σημαντικές διεργασίες θα εκτελούνταν πιο αποδοτικά. 7.2 Πρότυπα σχεδίασης πολυεκπομπής στα WSN Η πολυεκπομπή στα WSNs μπορεί να σχεδιαστεί με διάφορους τρόπους. Θα αναφερθούμε σε δύο προσεγγίσεις, Reliable IP Multicast και Overlay Multicast. Θα μελετήσουμε και τις δύο προσεγγίσεις για σενάρια σχεδίασης source-driven και receiver-driven, καθώς και centrally-managed και decentrally-organized. Γενικότερα θα διαχωρίσουμε τους ακόλουθους δύο τύπους κόμβων. Οι κόμβοι διακλάδωσης (branching nodes) πρέπει να αντιγράψουν τα πακέτα και να αποθηκεύσουν τις πληροφορίες κατάστασης για τους αποδέκτες και τους υπόλοιπους κόμβους διακλάδωσης. Οι κόμβοι προώθησης (forwarding nodes) έχουν λίγες ή καθόλου πληροφορίες για την κατάσταση πολυεκπομπής και απλά προωθούν τα δεδομένα πολυεκπομπής σε έναν γείτονα τους. Η μελέτη μας θα περιοριστεί στο πρότυπο core-based trees, όπου μόνο η επιλεγμένη πηγή θα διαδίδει τα δεδομένα, ενώ οι υπόλοιποι αποστολείς θα πρέπει να μεταδώσουν τα δεδομένα τους πρώτα στην πηγή για να διαδοθούν. Ακολουθεί ένα παράδειγμα στην εικόνα 16 με κάποιους κόμβους διακλάδωσης, κόμβους προώθησης και τρία μέλη ομάδας. -42-

53 Εικόνα 16: Δένδρο παράδοσης με πηγή, μέλη, κόμβους διακλάδωσης και προώθησης Overlay Multicast Για το source-driven σενάριο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε είτε centralized ή decentralized προσέγγιση. Γενικότερα θα διαχωρίσουμε μεταξύ ενεργών και μη ενεργών multicast trees. Κατά τη διάρκεια της μεταφοράς των δεδομένων προς μια ομάδα πολυεκπομπής, το δένδρο παράδοσης είναι ενεργό με όλες τις απαιτούμενες TCP συνδέσεις για την ίδρυση των επικαλυπτόμενων διασυνδέσεων. Νέοι κόμβοι δεν επιτρέπεται να προστεθούν στην ομάδα όσο το δένδρο είναι ενεργό, αποθηκεύονται στην μνήμη και επεξεργάζονται αργότερα. Όταν δε χρειάζεται να μεταδοθούν δεδομένα, το δένδρο είναι ανενεργό και όλες οι απαιτούμενες TCP συνδέσεις για την κατασκευή της επικαλυπτόμενης διανομής είναι κλειστές. Κόμβοι μπορούν να ενσωματωθούν σε μια ομάδα πολυεκπομπής μόνο όταν το δένδρο παράδοσης είναι ανενεργό. Αυτός ο περιορισμός εξασφαλίζει πως όλα τα εγγεγραμμένα μέλη λαμβάνουν όλα τα δεδομένα μιας συνόδου διάδοσης, καθώς καθυστερημένες εγγραφές αποφεύγονται. Decentralized και source-driven προσέγγιση Κατά την decentralized και source-driven προσέγγιση, η πηγή στέλνει τη λίστα με ό- λους τους αποδέκτες των δεδομένων πολυεκπομπής στου γειτονικούς κόμβους ενός άλματος. Οι γειτονικοί κόμβοι με τη σειρά τους εξετάζουν αν όλοι οι αποδέκτες της λί- -43-

54 στας μπορούν να προσεγγιστούν μέσω ενός απ τους γείτονες του επόμενου άλματος. Σε αυτήν την περίπτωση, ένας τέτοιος βρόγχος προωθεί τη λίστα στον επόμενο και θυμάται ότι λειτουργεί ως προωθητής για την ομάδα πολυεκπομπής. Εάν οι αποδέκτες της λίστας προσεγγίζονται μέσω διαφορετικών γειτονικών βρόγχων, η λίστα χωρίζεται α- ντίστοιχα και οι επιμέρους λίστες προωθούνται στους αντίστοιχους γείτονες χρησιμοποιώντας τη διεύθυνση του τρέχων βρόγχου ως πηγή του μηνύματος. Ο βρόγχος που διαχώρισε την λίστα γίνεται κόμβος διακλάδωσης και ανοίγει TCP σύνδεση για επικαλυπτόμενη διασύνδεση προς τον αποστολέα της αυθεντικής λίστας όταν το αντίστοιχο δένδρο ενεργοποιηθεί. Τελικά, αν ένα τέτοιο μήνυμα λίστας αφιχθεί στον παραλήπτη, ο τελικός βρόγχος διακλάδωσης προς την πηγή ετοιμάζει την επικαλυπτόμενη διασύνδεση. Ως εκ τούτου, συνδέσεις TCP για τις διασυνδέσεις δικτύου επικάλυψης εγκαθίστανται μεταξύ πηγής, κόμβων διακλάδωσης και παραληπτών μόνο όταν το αντίστοιχο δένδρο παράδοσης ε- νεργοποιείται. Νέοι κόμβοι προστίθενται στο δένδρο παράδοσης στέλνοντας ένα μήνυμα λίστας που περιλαμβάνει τους νέους κόμβους όπως αναφέρθηκε νωρίτερα. Μόνο όταν ένα δέντρο είναι ανενεργό μπορούν να προστεθούν νέοι κόμβοι, ως εκ τούτου καμία σύνδεση δεν εγκαθίστανται άμεσα, αλλά πιθανές επικαλυπτόμενες συνδέσεις ετοιμάζονται και εγκαθίστανται μόλις το δένδρο ενεργοποιηθεί. Εάν κάποιος κόμβος διακλάδωσης λάβει ένα μήνυμα λίστας με νέους κόμβους, αλλάζει τη διεύθυνση της πηγής του μηνύματος, χωρίζει την λίστα αν είναι απαραίτητο και την προωθεί περαιτέρω. Αν κάποιος κόμβος προώθησης πρέπει να γίνει κόμβος διακλάδωσης, ετοιμάζει την επικαλυπτόμενη σύνδεση προς την πηγή του μηνύματος λίστας, χωρίζει το μήνυμα και προωθεί τα νέα μηνύματα λίστας περαιτέρω. Αυτός ο κόμβος διακλάδωσης ενημερώνει την πηγή για το αυθεντικό μήνυμα λίστας και ποιους παραλήπτες θα διαχειρίζεται στο μέλλον. Έπειτα, ο προηγούμενος κόμβος διακλάδωσης τερματίζει την επικαλυπτόμενη σύνδεση που χρησιμοποιούσε για τον νέο κόμβο διακλάδωσης ως κόμβο προώθησης. Κατά την ενεργοποίηση του τροποποιημένου δένδρου, οι επικαλυπτόμενες συνδέσεις ανοίγουν από την πηγή μέσω των κόμβων διακλάδωσης προς τους παραλήπτες. Νέοι και παλιοί παραλήπτες γίνονται ενήμεροι για τα νέα μέλη της ομάδας ή τις αλλαγές των κόμβων διακλάδωσης για τα υπάρχοντα μέλη. Οι κόμβοι μπορούν επίσης να αποχωρήσουν με μηνύματα λίστας αποχώρησης αντίστοιχα. Οι κόμβοι διακλάδωσης και προώθησης έχουν αρκετές πληροφορίες για να τροποποιήσουν το νέο δένδρο. -44-

55 Centralized και source-driven προσέγγιση Κατά την centralized και source-driven προσέγγιση, η πηγή καθορίζει όλους τους απαραίτητους κόμβους διακλάδωσης. Επομένως, η πηγή είναι αυτή που δημιουργεί το πλήρες δένδρο παράδοσης που απαιτείται για μια ομάδα πολυεκπομπής. Αφού ειδοποιηθούν οι κόμβοι διακλάδωσης, επεξεργάζονται τις πληροφορίες και τις προωθούν περαιτέρω. Αν χρειαστεί να προστεθούν νέοι παραλήπτες ενώ το δένδρο είναι ανενεργό, η πηγή υπολογίζει το νέο δένδρο και τους τροποποιημένους κόμβους διακλάδωσης εάν υπάρχουν. Μόνοι αυτοί οι κόμβοι ειδοποιούνται για τις αλλαγές στο δένδρο, κόμβοι διακλάδωσης που δεν έχουν αλλάξει δε χρειάζεται να ενημερωθούν. Η απομάκρυνση παραληπτών απ το δένδρο εκτελείται αντίστοιχα, κόμβοι διακλάδωσης που χρειάζεται να τροποποιηθούν ή να διαγραφούν ειδοποιούνται αντίστοιχα. Centralized και receiver-driven προσέγγιση Για την centralized receiver-driven προσέγγιση, τα μηνύματα εγγραφής των παραληπτών προωθούνται στην πηγή η οποία διαχειρίζεται το δένδρο παράδοσης όπως και στην centralized source-driven προσέγγιση. Decentralized και receiver-driven προσέγγιση Κατά την decentralized receiver-driven προσέγγιση, παραλήπτες στέλνουν το μήνυμα εγγραφής στον γείτονα τους που είναι υπεύθυνος για την προκαθορισμένη διαδρομή. Αν αυτός ο κόμβος δεν είναι κόμβος προώθησης ή διακλάδωσης αυτής της ομάδας, γίνεται αυτόματα κόμβος προώθησης (γνωρίζοντας απλά ότι βρίσκεται πάνω στην διαδρομή της επικαλυπτόμενης σύνδεσης όταν το δένδρο ενεργοποιηθεί) και προωθεί το μήνυμα περαιτέρω. Ενδιάμεσοι κόμβοι οι οποίοι είναι ήδη κόμβοι διακλάδωσης της ζητούμενης ομάδας, απορρίπτουν το μήνυμα εγγραφής και ετοιμάζουν την επικαλυπτόμενη σύνδεση για τον νέο παραλήπτη. Οι κόμβοι προώθησης που έχουν λάβει μηνύματα εγγραφής γίνονται κόμβοι διακλάδωσης, προετοιμάζουν τη νέα επικαλυπτόμενη σύνδεση και στέλνουν την πληροφορία (ότι έγιναν κόμβοι διακλάδωσης) προς την πηγή, α- πορρίπτοντας το αρχικό μήνυμα εγγραφής. Ένας κόμβος διακλάδωσης που λαμβάνει ένα τέτοιο μήνυμα τροποποιεί την επικαλυπτόμενη σύνδεση προς αυτήν την κατεύθυνση. Η επικαλυπτόμενη σύνδεση κατά την οποία ο νέος κόμβος διακλάδωσης λειτουργούσε προηγουμένως ως κόμβος προώθησης αφαιρείται και αντικαθίσταται με τη νέα επικαλυπτόμενη σύνδεση προς αυτόν τον νέο κόμβο διακλάδωσης. Οι παραλήπτες που θέλουν να αποχωρήσουν απ την ομάδα, στέλνουν ένα μήνυμα αποχώρησης προς την πηγή. Οι προωθητές κατά την διαδρομή ενημερώνουν την κατά- -45-

56 σταση τους για την ομάδα και προωθούν το μήνυμα αποχώρησης περαιτέρω. Οι κόμβοι διακλάδωσης που λαμβάνουν ένα μήνυμα αποχώρησης ενημερώνουν την κατάσταση τους, αφαιρούν την επικαλυπτόμενη σύνδεση προς τον κόμβο αποχώρησης και απορρίπτουν το μήνυμα αποχώρησης. Αν ο κόμβος διακλάδωσης έχει απομείνει με μόνο μία επικαλυπτόμενη σύνδεση, αλλάζει την κατάσταση του σε απλό κόμβο προώθησης για τον εναπομείναντα παραλήπτη και αφαιρεί την επικαλυπτόμενη σύνδεση. Έπειτα, στέλνει μια ειδοποίηση προς την πηγή και όλοι οι ενδιάμεσοι κόμβοι ενημερώνουν την κατάσταση τους αντίστοιχα. Το μήνυμα προωθείται εώς ότου φτάσει στον επόμενο κόμβο διακλάδωσης ο οποίος εγκαθιστά την επικαλυπτόμενη σύνδεση στον εναπομείναντα παραλήπτη. Για την υποστήριξη της απ άκρη σε άκρη αξιοπιστίας στο overlay multicast, οι παραλήπτες πρέπει να αποστείλουν επιβεβαίωση για την παραλαβή κάθε μηνύματος πολυεκπομπής ή να αποστείλουν μία επιβεβαίωση για την συγκεντρωτική παραλαβή μετά από μια σειρά μηνυμάτων. Οι κόμβοι διακλάδωσης συναθροίζουν και προωθούν τις ε- πιβεβαιώσεις. Σε περίπτωση που λείπουν κάποιες επιβεβαιώσεις, αποστέλλουν αρνητικές επιβεβαιώσεις περαιτέρω προς την πηγή. Οι κόμβοι διακλάδωσης είναι υπεύθυνοι για την επαναμεταφορά των χαμένων πακέτων οπότε χρειάζεται να κρατάνε στη μνήμη δεδομένα πολυεκπομπής εώς κάποιο συγκεκριμένο βαθμό Reliable IP-based Multicast Αντίθετα με το overlay multicast (το οποίο χρησιμοποιεί TCP) δεν έχουμε κάποιο αξιόπιστο απ άκρη σε άκρη πρωτόκολλο μεταφοράς. Αντί αυτού χρησιμοποιούμε UDP. Η απ άκρη σε άκρη αξιοπιστία πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μηνύματα επιβεβαίωσης όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Οι κόμβοι διακλάδωσης ξέρουν μόνο ότι οι γείτονες ενός άλματος προωθούν τα πακέτα για λογαριασμό τους. Οι επιβεβαιώσεις διαχειρίζονται σε επίπεδο γείτονα ενός άλματος και όχι μεταξύ κόμβων διακλάδωσης όπως στο overlay multicast. Για την decentralized source-driven προσέγγιση η πηγή στέλνει τη λίστα εγγραφής στους άμεσους γείτονες, οι οποίοι λειτουργούν σαν προωθητές. Ο επόμενος προωθητής καθορίζεται σε επίπεδο ενός άλματος. Αν κάποιος κόμβος πρέπει να γίνει κόμβος διακλάδωσης, θυμάται από ποιους γείτονες περιμένει επιβεβαιώσεις. Οι εγγραφές και οι αποχωρήσεις διαχειρίζονται με τα κατάλληλα μηνύματα και μπορεί να προκαλέσουν -46-

57 κόμβους προώθησης να γίνουν κόμβοι διακλάδωσης (και το ανάποδο) προκαλώντας μια τροποποίηση από τις αναμενόμενες επιβεβαιώσεις κατάστασης για κάποιον κόμβο. Για την centralized source-driven προσέγγιση η πηγή στέλνει τη λίστα όλων των κόμβων διακλάδωσης στον κοντινότερο κόμβο διακλάδωσης ο οποίος την επεξεργάζεται και την προωθεί περαιτέρω στους κοντινότερους κόμβους διακλάδωσης. Οι ενδιάμεσοι κόμβοι γίνονται προωθητές και αποθηκεύουν την κατάσταση για την εμπλεκόμενη ομάδα πολυεκπομπής. Οι επιβεβαιώσεις διαχειρίζονται απευθείας μεταξύ των κόμβων διακλάδωσης. Επιπρόσθετες συμμετοχές κόμβων προκαλούν μια ενημέρωση των επηρεαζόμενων κόμβων διακλάδωσης που ξεκινά απευθείας απ την πηγή. Οι αποχωρήσεις διαχειρίζονται αντίστοιχα προκαλώντας την ενημέρωση των κόμβων προώθησης και διακλάδωσης που εμπλέκονται. Κατά την centralized receiver-driven προσέγγιση τα μηνύματα εγγραφής στέλνονται στην πηγή η οποία λειτουργεί όπως και στην centralized source-driven προσέγγιση. Κατά την decentralized receiver-driven προσέγγιση τα μηνύματα εγγραφής κάνουν τους ενδιάμεσους κόμβους να αντιδράσουν όπως και στην περίπτωση του overlay multicast. Είτε γίνονται κόμβοι προώθησης γι αυτήν την ομάδα, (εάν δεν είναι ήδη) είτε γίνονται κόμβοι διακλάδωσης αν αυτό είναι εφικτό. Οι επιβεβαιώσεις διαχειρίζονται με τον ίδιο τρόπο όπως αναφέρθηκε παραπάνω στην decentralized source-driven προσέγγιση. 8 Προσομοίωση στο OMNeT++ Σε αυτήν την ενότητα με τη βοήθεια του εργαλείου ανοιχτού κώδικα OMNeT το οποίο βασίζεται στη γλώσσα C/C++ θα αναδείξουμε τη δομή και ένα κομμάτι του κώ- -47-

58 δικα που υλοποιείται για τις συσκευές δικτύωσης και θα προσομοιώσουμε ένα δίκτυο με πολυεκπομπή και μονοεκπομπή αντίστοιχα. 8.1 Δίκτυο πολυεκπομπής Πρόκειται για ένα τροποποιημένο δίκτυο πολυεκπομπής που έχει ως βάση το Package: inet.examples.inet.multicast του OMNeT++. Σε αυτήν την υλοποίηση του απλού δικτύου πολυεκπομπής όπως φαίνεται και στην εικόνα 17 περιλαμβάνεται μια πηγή, τέσσερις δρομολογητές και τρία μέλη της ίδιας ομάδας πολυεκπομπής. Εικόνα 17: Δίκτυο πολυεκπομπής Στο δίκτυο υπάρχουν τρία είδη καναλιών επικοινωνίας, οπτικής ίνας, ethernet και dial up. Το κανάλι επικοινωνίας μεταξύ των δρομολογητών 2 και 4 είναι μικρού εύρους για να μπορέσουμε να παρατηρήσουμε το fragmentation των πακέτων. -48-

59 Ο κώδικας των συσκευών δικτύωσης υλοποιείται στη γλώσσα C/C++ και η εσωτερική δομή των συσκευών Router και StandardHost καθώς επίσης και ένα μικρό κομμάτι του κώδικα που αφορά τις βασικές παραμέτρους τους και την αρχικοποίηση αυτών υ- ποδεικνύονται στις εικόνες Εικόνα 18: Εσωτερική δομή Router module Router @display("i=abstract/router"); string routingfile = default(""); gates: inout inout Εικόνα 19: Κώδικας παραμέτρων Router # filename: mcrouter1.mrt # routing table for router 1 of multicast network # connected to source and router 2 ifconfig: -49-

60 # interface 0 to source name: ppp0 inet_addr: MTU: 1500 # PPP link to router 2 name: ppp1 inet_addr: MTU: ifconfigend. route: * H 0 ppp0 default: G 0 ppp1 #multicast G 0 ppp1 routeend. Εικόνα 20: Παραμετροποίηση router1 μέσω αρχείου Εικόνα 21: Εσωτερική δομή StandardHost module StandardHost { -50-

61 int numtcpapps = default(0); int numudpapps = default(0); int numsctpapps = default(0); string tcpapptype = default("n/a"); string udpapptype = default("n/a"); string sctpapptype = default("n/a"); string tcptype = default("tcp"); // tcp implementation (e.g. TCP, TCP_old, TCP_NSC) bool IPForward = default(false); int namid = default(-1); string routingfile = default(""); int numextinterfaces = default(0); gates: inout inout Εικόνα 22: Κώδικας παραμέτρων StandardHost # filename: member1.mrt # routing table for member1 of multicast network ifconfig: # interface 0 to router name: ppp0 inet_addr: MTU: 1500 Groups: ifconfigend. route: default: G 0 ppp G 0 ppp0 routeend. Εικόνα 23: Παραμετροποίηση Member1 μέσω αρχείου Το πρωτόκολλο IGMP που είναι υπεύθυνο για τις εγγραφές των μελών στις ομάδες πολυεκπομπής βρίσκεται στο εσωτερικό του Network Layer των Router και StandardHost όπως και τα ICMP, ARP και errorhandling όπως φαίνεται στην εικόνα

62 Εικόνα 24: Στρώμα δικτύου Για την προσομοίωση της πολυεκπομπής στο δίκτυο χρησιμοποιείται μια απλή εφαρμογή αποστολής UDP πακέτων. Η πηγή του δικτύου είναι ουσιαστικά ένας StandardHost παραμετροποιημένος έτσι ώστε να αποστέλλει πακέτα UDP στην ομάδα πολυεκπομπής. Για το εν λόγω δίκτυο η πηγή (Source) έχει διεύθυνση IP και τα μέλη Member1, Member2 και Member3, και αντίστοιχα και ανήκουν όλα στην ίδια ομάδα πολυεκπομπής, την Κατά την προσομοίωση του σεναρίου πολύεκπομπής ακολουθούνται τα εξής βήματα: 1. Αρχικά οι δρομολογητές αποστέλλουν μηνύματα Membership Query αμέσως μετά την αρχικοποίηση. 2. Αμέσως μετά εκλέγονται IGMP Queriers. 3. Στο επόμενο βήμα οι χρήστες αποστέλλουν Membership Report στη διεύθυνση πολυεκπομπής Οι δρομολογητές επεξεργάζονται αυτά τα μηνύματα και προσθέτουν εγγραφές στους πίνακες IGMPGroupMembership και IGMPInterface. 5. Τα μέλη ανανεώνουν την εγγραφή τους με μηνύματα Membership Query σε τακτά χρονικά διαστήμα που ορίζονται από timers. Η πηγή αποστέλλει πακέτα UDP στα μέλη μεγέθους 1024 bytes. Τα κανάλια επικοινωνίας μεταξύ των συσκευών περιγράφονται με τον κώδικα της εικόνας 25. Το MTU -52-

63 (Μέγιστη Μονάδα Μεταφοράς) μεταξύ router2 και router4 είναι 800 bytes για να μπορέσουμε να παρατηρήσουμε το fragmentation των πακέτων. connections: // * Domain 1 * ( x) Source.pppg[0] <--> ethernet <--> router1.pppg[0]; //MTU 1500 // * Domain 2 * ( x) Member1.pppg[0] <--> ethernet <--> router3.pppg[0]; //MTU 1500 // * Domain 3 * ( x) Member2.pppg[0] <--> dialup <--> router4.pppg[0]; //MTU 1500 Member3.pppg[0] <--> dialup <--> router4.pppg[1]; //MTU 1500 // * Router Connections * ( x) router2.pppg[0] <--> fiberrouter <--> router1.pppg[1]; //MTU router2.pppg[1] <--> fiberrouter <--> router3.pppg[1]; //MTU router2.pppg[2] <--> fiberrouter <--> router4.pppg[2]; //MTU 800 Εικόνα 25: Κώδικας παραμετροποίησης διασυνδέσεων Κατά την προσομοίωση θα παρατηρήσουμε την εξής διαδρομή των πακέτων. Τα πακέτα UDP ξεκινούν απ την πηγή με παραλήπτη την ομάδα στην οποία ανήκουν και τα τρία μέλη του δικτύου μας. Αρχικά και διαμέσου καλωδίου ethernet φτάνουν στον router1 του δικτύου της πηγής. Ο router1 προωθεί τα πακέτα μέσω οπτικής ίνας στον ενδιάμεσο router2 (εικόνα 26) που έχει πρόσβαση στα δίκτυα των μελών. Με τη λήψη του κάθε πακέτου ο router2 το αντιγράφει για να το προωθήσει και στις δύο διασυνδέσεις του προς τα δίκτυα των μελών. Απ τον router2 προς τον router3 (εικόνα 27) και από κει στον Member1 το πακέτο ταξιδεύει ολόκληρο ως έχει, μέσω οπτικής ίνας και καλωδίου ethernet αντίστοιχα, εφόσον το MTU των συνδέσεων αυτών είναι μεγαλύτερο απ το μέγεθος του πακέτου. Για την διασύνδεση προς τον router4, ο router2 α- ναγκάζεται να χωρίσει το πακέτο σε 2 κομμάτια (fragmentation) καθώς το MTU του καναλιού επικοινωνίας είναι μικρότερο του μεγέθους του πακέτου (εικόνα 28). Λαμβάνοντας τα fragments του πακέτου ο router4 τα αντιγράφει και τα προωθεί και στις δύο διασυνδέσεις του δικτύου του μέσω dialup σύνδεσης. -53-

64 Εικόνα 26: Μετάφορα πακέτου στον ενδιάμεσο δρομολογητή router2 Εικόνα 27: Προώθηση διπλότυπου πακέτου προς τον router3-54-

65 Εικόνα 28: Προώθηση fragment διπλότυπου πακέτου προς τον router4 Για το παραπάνω δίκτυο προσομοίωσης χρησιμοποιείται μια απλή εφαρμογή τύπου UDP, όπου το μέγεθος μηνύματος είναι 1024 bytes, η τοπική θύρα και η θύρα προορισμού είναι η 100 και η συχνότητα αποστολής των πακέτων από την πηγή είναι το 1s. Για μια υποδειγματική ουρά δεδομένων 5 ΜΒ (5 μηνυμάτων ουσιαστικά), η ολοκλήρωση της αποστολής των δεδομένων προς όλους τους χρήστες θα ολοκληρωθεί τη χρονική στιγμή T=5.14 όπως φαίνεται και στην εικόνα 29. Η πηγή θα έχει αποστείλει συνολικά μόλις 5 μηνύματα για το σύνολο το μελών αυτής της ομάδας πολυεκπομής, τα οποία θα χρησιμοποιήσουν το δίκτυο στο ελάχιστο για να παραδωθούν στους παραλήπτες. Εικόνα 29: Παραλαβή πέμπτου πακέτου απ το τελευταίο μέλος της ομάδας Member3-55-

66 8.2 Δίκτυο μονοεκπομπής Πρόκειται για το ίδιο ακριβώς δίκτυο με το δίκτυο πολυεκπομπής παραπάνω. Η διαφορά είναι ότι έχουν απομακρυνθεί οι μηχανισμοί πολυεκπομπής, που σημαίνει ότι σε αυτό το παράδειγμα οι χρήστες δεν ανήκουν σε καμία ομάδα πλέον και η πηγή αποστέλλει απλά μηνύματα μονοεκπομπής της ίδιας εφαρμογής προς όλους τους χρήστες. Για το ίδιο παράδειγμα που περιγράψαμε παραπάνω όπου η πηγή αποστέλλει στα μέλη μια ουρά δεδομένων 5 ΜΒ, στο μοντέλο πολυεκπομπής τα πακέτα δεν αντιγράφονται από τους δρομολογητές, οπότε η πηγή θα αποστείλει συνολικά 15 πακέτα για το σύνολο των χρηστών. Στην εικόνα 30 παρατηρούμε τη λήψη του τελικού πακέτου. Συνολικά η πηγή εξέπεμψε 15 ΜΒ, δηλαδή το τριπλάσιο απ το παράδειγμα πολυεκπομπής, τριπλασιάζοντας τον φόρτο του δικτύου και την καθυστέρηση αντίστοιχα όπως φαίνεται στην εικόνα 31. Εικόνα 30: Δίκτυο μονοεκπομπής, λήψη τελικού πακέτου -56-