ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΥΤΟΟΡΓΑΝΟΥΜΕΝΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΑΙΣΘΗΤΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΥΤΟΟΡΓΑΝΟΥΜΕΝΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΑΙΣΘΗΤΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΤΣΑΝΟΥ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ ΦΟΙΤΗΤΗ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΣΤΑΥΡΟΣ ΚΟΥΜΠΙΑΣ ΣΥΝΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΚΑΛΥΒΑΣ ΓΡΗΓΟΡΙΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: /2004 ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2004

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωµατική εργασία µε θέµα: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΥΤΟΟΡΓΑΝΟΥΜΕΝΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΑΙΣΘΗΤΩΝ του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κατσάνου Χρήστου του Εµµανουήλ (Α.Μ. 4548) παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάσθηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις Ο Επιβλέπων Ο Συνεπιβλέπων Ο ιευθυντής του Τοµέα Καθηγητής Σταύρος Κουµπιάς Επίκουρος Καθηγητής Γρηγόριος Καλύβας Καθηγητής Σταύρος Κουµπιάς - 2 -

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ...7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ...8 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ...8 ΟΜΗ ΤΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ...10 ΚΕΦ 1. ΘΕΩΡΙΑ ΙΚΤΥΩΝ, AD HOC ΙΚΤΥΑ, MAC LAYER ΚΑΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΓΙΑ AD HOC ΙΚΤΥΑ ΘΕΩΡΙΑ ΙΚΤΥΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΙΚΤΥΑ ΤΟ ΙΚΤΥΑΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΟSI-RM Παρουσίαση των επιπέδων του OSI-RM Φυσικό Επίπεδο (1ο) Επίπεδο Σύνδεσης εδοµένων (2ο) Επίπεδο δικτύου (3ο) Επίπεδο Μεταφοράς (4ο) Επίπεδο Συνόδου (5ο) Επίπεδο Παρουσίασης (6ο) Επίπεδο Εφαρµογής (7ο) ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ AD HOC ΙΚΤΥΑ Ορισµός και χαρακτηριστικά ενός ad hoc δικτύου Εφαρµογές των ad hoc δικτύων TO MAC ΥΠΟΕΠΙ Ε Ο ΣΕ AD HOC ΙΚΤΥΑ Κριτήρια για τον σχεδιασµό πρωτοκόλλων MAC Επιπέδου Η Αρχιτεκτονική του MAC σύµφωνα µε το πρότυπο ΙΕΕΕ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΓΙΑ AD HOC ΙΚΤΥΑ Ιδιαιτερότητες των ασύρµατων δικτύων Κριτήρια αξιολόγησης αλγορίθµων δροµολόγησης για ασύρµατα δίκτυα Ποιοτικά κριτήρια αξιολόγησης Ποσοτικά κριτήρια αξιολόγησης Κατηγορίες αλγορίθµων δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα

4 Proactive αλγόριθµοι δροµολόγησης Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) [9] Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) [10] Wireless routing protocol (WRP) [11] Fisheye State Routing Protocol (FSR) [12] Reactive αλγόριθµοι δροµολόγησης Temporally-Ordered Routing Algorithm (TORA) [14] Associativity-Based Routing (ABR) [15] Dynamic Source Routing (DSR) [17] Ad-hoc On demand Distance Vector Routing (AODV) [16] Hybrid αλγόριθµοι δροµολόγησης Landmark Routing Protocol (LANDMAR) [19] Zone Routing Protocol (ZRP) [20],[21] Συγκριτική ανάλυση των βασικών αλγορίθµων δροµολόγησης...48 ΚΕΦ 2. ΤΟ OPNET ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΓΙΑ AD-HOC ΙΚΤΥΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΙΑΘΕΣΙΜΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ NS GLOMOSIM OPNET Εισαγωγή - Πλεονεκτήµατα Project Editor Network Editor Node Editor Process Editor Packet Editor ICI Editor Probe Editor Simulation Tool Analysis Tool Οι βιβλιοθήκες του OPNET

5 2.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΤΟΥ OPNET ΓΙΑ AD-HOC ΙΚΤΥΑ Η αρχιτεκτονική των Ad-hoc πρωτοκόλλων στο OPNET Η αρχιτεκτονική του DSR στο OPNET...60 ΚΕΦ 3. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ZRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΣΤΟ OPNET ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΗΝ ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ZRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ DSR ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ BRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ Αλλαγές που αφορούν την διαδικασία αποστολής Route Request Αλλαγές που αφορούν την διαδικασία λήψης Route Request ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ZRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΣΤΟ OPNET INIT STATE WAIT STATE IARP_CREATE_LINK_STATUS_PACKET STATE PROCESS_PACKET STATE IARP_APPLICATION_PACKET STATE IARP_PROTOCOL_PACKET STATE ΚΕΦ 4. ΣΕΙΡΕΣ ΕΞΟΜΟΙΩΣΕΩΝ - ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΩΝ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 1 ΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΕΞΟΜΟΙΩΣΕΩΝ Επίδραση των παραµέτρων Update_Interval και Broadcast_Jitter Επίδραση της παραµέτρου Link_TTL ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 2 ΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΕΞΟΜΟΙΩΣΕΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3 ΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΕΞΟΜΟΙΩΣΕΩΝ ΚΕΦ 5. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ AZRP (ADAPTIVE ZONE ROUTING PROTOCOL) [2] ΚΕΦ 6. ΠΑΡΑΘΕΣΗ ΣΗΜΑΝΤΙΚΩΝ ΚΟΜΜΑΤΙΩΝ ΚΩ ΙΚΑ HEADER FILES dijkstra.h iarp.h

6 zrp.h HEADER BLOCK STATES VARIABLE BLOCK TEMPORARY VARIABLES BLOCK INIT STATE Enter Execs Exit Execs WAIT STATE Enter Execs Exit Execs IARP_CREATE_LINK_STATUS_PACKET STATE Enter Execs Exit Execs PROCESS_PACKET STATE Enter Execs Exit Execs IARP_APPLICATION_PACKET STATE Enter Execs Exit Execs IARP_PROTOCOL_PACKET STATE Enter Execs Exit Execs EXTERNAL FILES dijkstra.ex.cpp ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

7 Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωµατική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρµογών του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών από τον φοιτητή Κατσάνο Χρήστο, υπό την επίβλεψη του καθηγητή κ. Σταύρου Κουµπιά. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή µου κ. Σταύρο Κουµπιά για την συµπαράστασή του και την πολύτιµη βοήθεια του σε όλες τις φάσεις της εργασίας µου. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον συνεπιβλέποντα καθηγητή κ. Γρηγόριο Καλύβα για την συνεισφορά του στη διάρκεια αυτής της εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω το µεταπτυχιακό φοιτητή Σπήλιο Γιαννούλη για την συµβολή του σε αυτήν την διπλωµατική και τους µεταπτυχιακούς φοιτήτες Στράτο Νικολούτσο, Αγγελική Πραγιάτη και ιονύση Πουλόπουλο που µε δέχτηκαν άνετα στην συντροφιά τους

8 Πρόλογος Αντικείµενο της ιπλωµατικής Εργασίας Αντικείµενο αυτής της διπλωµατικής εργασίας είναι η µελέτη και η ποιοτική αξιολόγηση ενός συνόλου από γνωστούς και διαδεδοµένους αλγορίθµους δροµολόγησης για ασύρµατα αυτοοργανούµενα δίκτυα (Mobile Ad hoc NETworks - MANET), η υλοποίηση και η ποσοτική αξιολόγηση του πρωτοκόλλου ZRP (Zone Routing Protocol) ο οποίος αποτελεί µια πολλά υποσχόµενα λύση για αυτή την κατηγορία των δικτύων, και τέλος η αναζήτηση ενός νέου βελτιωµένου αλγορίθµου δροµολόγησης που ικανοποιεί τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά αυτών των δικτύων και λαµβάνει υπόψη την κατάσταση του δικτύου κάθε χρονική στιγµή. Ως εκ τούτοις αξιολογείται ποιοτικά ένα νέο πρωτόκολλο δροµολόγησης για MANET, το AZRP (Adaptive Zone Routing Protocol)[2] το οποίο συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα ήδη υπαρκτών αλγορίθµων και προσπαθεί να εκµεταλλευτεί µε τον καλύτερο δυνατό τρόπο τους λιγοστούς διαθέσιµους πόρους που υπάρχουν σε αυτού του είδους τα δίκτυα. Αναµφισβήτητα, η επιλογή του εργαλείου υλοποίησης και εξοµοίωσης ενός πρωτοκόλλου είναι απαραίτητο να γίνει µε πολύ προσοχή. Χρειάζεται να σταθµιστούν τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα που προσφέρουν τα πιο διαδεδοµένα εργαλεία εξοµοίωσης ώστε να γίνει η κατάλληλη επιλογή. Μετά από µία διεξοδική µελέτη (βλ. ενότητα 2.1) επιλέχθηκε το εργαλείο εξοµοίωσης OPNET v10 για την υλοποίηση και εξοµοίωση του ZRP πρωτοκόλλου. Παρόλα τα πλεονεκτήµατα που έχει αυτό το εργαλείο εξοµοίωσης παρουσιάζει µία έλλειψη σε υλοποιηµένα µοντέλα για MANET δίκτυα. Έτσι δεν υπάρχει υλοποιηµένος κάποιος proactive αλγόριθµος τον οποίο απαιτεί ο ZRP για την λειτουργία του (περισσότερα για την λειτουργία του ZRP υπάρχουν στην ενότητα ). Στα πλαίσια αυτής της διπλωµατικής εργασίας, λοιπόν, υλοποιείται αρχικά ένας proactive link-state αλγόριθµος και στην συνέχεια υλοποιείται και αξιολογείται µε την βοήθεια του εργαλείου εξοµοίωσης OPNET v10, το ZRP πρωτόκολλο. Μέσα από αυτήν την αξιολόγηση προκύπτει το νέο προτεινόµενο πρωτόκολλο AZRP, το οποίο επεκτείνει τους µηχανισµούς του ZRP ώστε να είναι εφικτή καλύτερη από-άκρο-σε-άκρο καθυστέρηση, καλύτερη απόδοση και καλύτερη διαχείριση των περιορισµένων ενεργειακών πόρων των κόµβων αυτών των δικτύων. Η υλοποίηση των µηχανισµών του νέου προτεινόµενου πρωτοκόλλου µπορεί να αποτελέσει αντικείµενο κάποιας µελλοντικής διπλωµατικής εργασίας

9 Στα πρώτα στάδια της διπλωµατικής εργασίας, µελετήθηκε σε βάθος βιβλιογραφία που αφορά ενσύρµατα και ασύρµατα δίκτυα ώστε να αποκτηθεί ένα επίπεδο εξοικείωσης µε βασικές έννοιες και αρχές που αφορούν τα δίκτυα γενικότερα. Στα πλαίσια αυτής της µελέτης δόθηκε έµφαση στην κατανόηση του µοντέλου αναφοράς OSI-RM του διεθνούς οργανισµού ISO (International Standard Organization). Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο MAC (Medium Access Control) υποεπίπεδο του δευτέρου επιπέδου του µοντέλου αναφοράς OSI και στο τρίτο επίπεδο που αφορά την δροµολόγηση των πακέτων. Στην συνέχεια έγινε σε βάθος µελέτη ενός συνόλου από γνωστούς και διαδεδοµένους αλγορίθµους δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα µε την χρήση δηµοσιεύσεων και αναφορών που βρέθηκαν µέσω του διαδικτύου, καθώς δεν υπάρχει ανεπτυγµένη σχετική βιβλιογραφία αφού πρόκειται για έναν ερευνητικό τοµέα που πρόσφατα έχει αρχίσει η έντονη δραστηριοποίησή του. Η µελέτη αυτή αποσκοπούσε στην κατανόηση και συγκριτική αξιολόγηση των βασικών χαρακτηριστικών των ad hoc δικτύων αλλά και των µηχανισµών δροµολόγησης που έχουν προταθεί µέχρι σήµερα. Ακολούθησε µια διαδικασία αναζήτησης και επιλογής του κατάλληλου εργαλείου που θα επέτρεπε την υλοποίηση και εξοµοίωση του ZRP πρωτοκόλλου. Μετά από διεξοδική µελέτη επιλέχθηκε το εργαλείο εξοµοίωσης OPNET v10. Στην συνέχεια υπήρξε ένα στάδιο εισαγωγής και εκµάθησης των βασικών λειτουργιών και δυνατοτήτων του εργαλείου αυτού. Έτσι έγινε εφικτή η υλοποίηση του µοντέλου του ZRP πρωτοκόλλου και η διερεύνηση της συµπεριφοράς του. Στα πλαίσια αυτής της διερεύνησης, πραγµατοποιήθηκαν τρεις σειρές εξοµοιώσεων. Η πρώτη σειρά περιλαµβάνει ένα σύνολο από σενάρια που αποσκοπούν στην ρύθµιση και την µελέτη της επίδρασης ορισµένων σηµαντικών παραµέτρων του ZRP πρωτοκόλλου. Η δεύτερη σειρά περιλαµβάνει εξοµοιώσεις που αποσκοπούν στην διερεύνηση της συµπεριφοράς του ZRP πρωτοκόλλου για ένα σύνολο από σενάρια φορτίου και κινητικότητας των κόµβων για διαφορετικές ζώνες δροµολόγησης. Η τρίτη σειρά εξοµοιώσεων πραγµατοποιεί µία σύγκριση του DSR (Dynamic Source Routing) και του ZRP πρωτοκόλλου. Tο DSR αποτελεί ένα από τα πιο δηµοφιλή πρωτοκόλλα για τα ad hoc δίκτυα και για αυτό επιλέχθηκε να γίνει µία σύγκριση του µε το ZRP πρωτόκολλο. Με την εµπειρία που αποκτήθηκε σταδιακά από το θεωρητικό υπόβαθρο αλλά και από την υλοποίηση και διερεύνηση της συµπεριφοράς του ZRP, έγινε εφικτή η σχεδίαση ενός νέου αλγορίθµου δροµολόγησης (AZRP) που ικανοποιεί τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά αυτών των δικτύων και λαµβάνει υπόψη την κατάσταση του δικτύου κάθε χρονική στιγµή

10 οµή της ιπλωµατικής Στις επόµενες παραγράφους θα περιγραφεί αναλυτικά η πορεία που ακολουθήθηκε για την διεκπεραίωση αυτής της διπλωµατικής εργασίας καθώς και το θεωρητικό υπόβαθρο στο οποίο βασίστηκε η σχεδίαση του νέου πρωτοκόλλου δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται µια θεωρητική προσέγγιση στα δίκτυα γενικώς, παραθέτοντας τις κατηγορίες δικτύων που υπάρχουν και τους λόγους για τους οποίους χρησιµοποιούνται τα δίκτυα. Στην συνέχεια γίνεται µια αναφορά στις διαφορές ενσύρµατων και ασύρµατων δικτύων καθώς και στα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα που παρουσιάζουν τα τελευταία. Παρουσιάζεται το µοντέλο αναφοράς OSI του ISO και το περιορισµένο OSI-RM της ΙΕΕΕ. Εξηγείται γιατί δηµιουργήθηκε το µοντέλο αυτό και τι µας παρέχει. Στην συνέχεια επικεντρώνουµε το ενδιαφέρον µας στην κατηγορία δικτύων που µας ενδιαφέρει κυρίως, δηλαδή στα ad hoc δίκτυα. Γίνεται µια εισαγωγή στα ad hoc δίκτυα, παρατίθενται τα χαρακτηριστικά τους και αναφέρονται ενδεικτικά ορισµένες περιπτώσεις στις οποίες τα δίκτυα αυτά βρίσκουν εφαρµογή. Προχωρώντας δίνεται έµφαση στο επίπεδο Σύνδεσης εδοµένων (Data Link Layer DDL) και στο επίπεδο ικτύου (Network Layer NL) των δικτύων αυτής της κατηγορίας. Στα πλαίσια αυτής της ανάλυσης µελετάται η δοµή του επιπέδου Σύνδεσης εδοµένων (DLL layer) και ειδικότερα το MAC υποεπίπεδο και η λειτουργικότητα του. Ακολουθεί µια σύντοµη περιγραφή των βασικών εννοιών και αρχών του MAC πρωτοκόλλου όπως αυτό προτείνεται από το ΙΕΕΕ , για να γίνουν κατανοητοί οι µηχανισµοί που χρησιµοποιεί και οι λειτουργίες που επιτελεί, καθώς το OPNET χρησιµοποιεί αυτό το πρωτόκολλο στο MAC υποεπίπεδο. Τέλος γίνεται µια λεπτοµερής ανάλυση και συγκριτική παρουσίαση των πιο γνωστών αλγορίθµων δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται αρχικά µια παρουσίαση των εργαλείων εξοµοίωσης δικτύων που είναι διαθέσιµα στο εµπόριο και δίνεται ιδιαίτερη έµφαση στα πλεονεκτήµατα του εργαλείου εξοµοίωσης OPNET το οποίο χρησιµοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωµατικής προκειµένου να υλοποιηθεί και να αξιολογηθεί το ZRP πρωτόκολλο. Αναλύεται ο τρόπος υλοποίησης ενός µοντέλου στο OPNET καθώς και οι περιορισµοί που επιβάλλονται από το ίδιο το πρόγραµµα. Στην συνέχεια γίνεται µία ανάλυση της αρχιτεκτονικής που χρησιµοποιείται στο OPNET για την υλοποίηση των πρωτοκόλλων για ad-hoc δίκτυα. Επιπρόσθετα περιγράφονται οι βασικές λειτουργίες και η δοµή της

11 υλοποίησης του DSR πρωτοκόλλου που περιλαµβάνεται στα υλοποιηµένα µοντέλα του OPNET v10, καθώς το πρωτόκολλο αυτό χρησιµοποιείται κατάλληλα τροποποιηµένο για την λειτουργία του ZRP πρωτοκόλλου. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται αναλυτικά η υλοποίηση του ZRP πρωτοκόλλου. Χρειάζεται σε αυτό το σηµείο να τονιστεί ότι δεν υφίσταται µέχρι σήµερα µία υλοποίηση αυτού του πρωτοκόλλου στο περιβάλλον εξοµοίωσης OPNET v10. Γίνεται µια διεξοδική περιγραφή του πρωτοκόλλου που υλοποιήθηκε και παρουσιάζονται οι βασικότερες δοµές που αποτελούν τον κορµό της υλοποίησης. Λόγω του όγκου του συνολικού κώδικα παρουσιάζεται µόνο ένα τµήµα του, ο υπόλοιπος µπορεί να βρεθεί σε ηλεκτρονική µορφή, στο µέσο αποθήκευσης που συνοδεύει την διπλωµατική εργασία. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι τρεις σειρές εξοµοιώσεων που πραγµατοποιήθηκαν στα πλαίσια της διερεύνησης της συµπεριφοράς του ZRP πρωτοκόλλου και τα αποτελέσµατα που προέκυψαν από αυτές. Η πρώτη σειρά εξοµοιώσεων περιλαµβάνει ένα σύνολο από σενάρια που αποσκοπούν στην ρύθµιση και την µελέτη της επίδρασης ορισµένων σηµαντικών παραµέτρων του ZRP πρωτοκόλλου. Η δεύτερη σειρά περιλαµβάνει εξοµοιώσεις που αποσκοπούν στην διερεύνηση της συµπεριφοράς του ZRP πρωτοκόλλου για ένα σύνολο από σενάρια φορτίου και κινητικότητας των κόµβων για διαφορετικές ζώνες δροµολόγησης. Η τρίτη σειρά εξοµοιώσεων πραγµατοποιεί µία σύγκριση του DSR και του ZRP πρωτοκόλλου. Όπως προαναφέρθηκε το DSR αποτελεί ένα από τα πιο δηµοφιλή πρωτοκόλλα για τα MANET δίκτυα και για αυτό επιλέχθηκε να γίνει µία σύγκριση του µε το ZRP πρωτόκολλο. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται ο νέος προτεινόµενος αλγόριθµος δροµολόγησης και οι µηχανισµοί που χρησιµοποιεί. Κατά την σχεδίαση αυτού του αλγορίθµου χρησιµοποιήθηκε η πείρα που αποκτήθηκε από την µελέτη των ήδη υπαρχόντων αλγορίθµων (κεφάλαιο 1) αλλά και από την υλοποίηση και την διερεύνηση της συµπεριφοράς του ZRP πρωτοκόλλου (κεφάλαια 3 και 4). Ο προτεινόµενος αλγόριθµος βασίζεται στο υπάρχον πρωτόκολλο ZRP το οποίο εµπλουτίζεται µε νέες ιδέες και µηχανισµούς για να λαµβάνει υπόψη την κατάσταση του δικτύου κάθε χρονική στιγµή και να προσαρµόζεται µε τον καλύτερο δυνατό τρόπο στις εκάστοτε συνθήκες

12 ΚΕΦ 1. Θεωρία ικτύων, Ad hoc ίκτυα, MAC Layer και Αλγόριθµοι ροµολόγησης για Ad hoc ίκτυα 1.1. Θεωρία ικτύων. Ένα τοπικό δίκτυο υπολογιστών (Local Area Network, LAN) είναι ένα κατανεµηµένο επικοινωνιακό σύστηµα σε µία περιορισµένη γεωγραφική περιοχή, που διασυνδέει υπολογιστικά συστήµατα γενικού ή ειδικού σκοπού, τα οποία ανταλλάσσουν πληροφορίες µέσω ενός κοινού µέσου µετάδοσης (κανάλι επικοινωνίας). Το κάθε διασυνδεδεµένο σύστηµα ονοµάζεται σταθµός (χρήστης) του δικτύου ο οποίος συνδέεται στο δίκτυο µέσω ενός ειδικού υλικού και λογισµικού που αναφέρεται ως κόµβος. Γενικά η κλίµακα των αποστάσεων µεταξύ διασυνδεδεµένων υπολογιστικών συστηµάτων φαίνεται στον Πιν.1.1. Τάξη απόστασης µεταξύ υπολογιστών Υπολογιστές βρίσκονται στο(ην) ίδιο(α) Παράδειγµα 0.1 m Κάρτα Μηχανή Ροής εδοµένων 1 m Σύστηµα Πολυ-επεξεργαστής 10 m ωµάτιο Τοπικό ίκτυο 100 m Κτίριο Τοπικό ίκτυο 1 km Περιοχή Τοπικό ίκτυο 10 km Πόλη ίκτυο Ευρείας Περιοχής 100 km Χώρα ίκτυο Ευρείας Περιοχής 1000 km Ήπειρος ιασύνδεση ικτύων Ε.Π km Πλανήτης ιασύνδεση ικτύων Ε.Π. Πιν.1.1. Ταξινόµηση ιασυνδεδεµένων Υπολογιστικών Συστηµάτων ανά Κλίµακα

13 Τα πλεονεκτήµατα που έχουµε από την υλοποίηση και χρήση δικτύων είναι : Καταµερισµός των διαθεσίµων πόρων (resource sharing): Η δυνατότητα πρόσβασης και χρήσης όλων των µονάδων υλικού και λογισµικού, δεδοµένων και γενικά του εξοπλισµού από όλους τους χρήστες του δικτύου. Υψηλή αξιοπιστία (high reliability): Η ύπαρξη αντιγράφων των προγραµµάτων και αρχείων σε περισσότερους από ένα σταθµούς, επιτρέπει τη συνέχιση της λειτουργίας ακόµα και σε περίπτωση βλάβης ενός απ' αυτούς. Εξοικονόµηση χρηµάτων (money saving): Ο λόγος κόστους προς απόδοση είναι καλύτερος στους µικρότερους υπολογιστές, γεγονός που οδηγεί σε ανάπτυξη συστηµάτων αποτελουµένων από πολλούς ισχυρούς προσωπικούς υπολογιστές (για ειδικές χρήσεις) όπου τα δεδοµένα βρίσκονται σε έναν ή περισσότερους file servers. Επικοινωνίες πολλαπλών µέσων (multimedia communications): Μία από τις πρόσφατες κατευθύνσεις στη ανάπτυξη των τοπικών δικτύων είναι η δυνατότητα ολοκλήρωσης και νέων υπηρεσιών (πέραν της µετάδοσης απλών δεδοµένων), όπως φωνής και video. Μία τέτοια ολοκλήρωση θα οδηγήσει σε απλοποίηση της διαδικασίας διακίνησης των πληροφοριών και θα αυξήσει το εύρος των εφαρµογών που σχετίζονται µε την παρουσίαση δεδοµένων (κείµενο, σταθερή και κινούµενη εικόνα, ήχος, κ.λ.π.). Εργοστασιακές / βιοµηχανικές επικοινωνίες (factory / industrial communications): Είναι µια σχετικά πρόσφατη εφαρµογή των τοπικών δικτύων σε εργοστασιακό περιβάλλον, µε σκοπό την ολοκλήρωση όλων των διαδικασιών ελέγχου και επεξεργασίας (Computer Integrated Manufacturing, CIM) µέσω της διασύνδεσης διαφορετικών υπολογιστικών συστηµάτων ειδικού και γενικού σκοπού. Η εισαγωγή των τοπικών δικτύων γίνεται σε όλα τα επίπεδα της ιεραρχίας του εργοστασιακού περιβάλλοντος, από το επίπεδο παρακολούθησης και ελέγχου των αισθητών (sensors) και ενεργοποιητών (actuators) µέσω των προγραµµατιζόµενων λογικών ελεγκτών (PLCs), ως το επίπεδο διαχείρισης των υλικών, παραγγελιών, κ.λ.π Βιοµηχανικά ίκτυα. Τα Βιοµηχανικά ίκτυα Υπολογιστών αποτελούν µία υπο-κατηγορία των Τοπικών ικτύων Υπολογιστών µε συγκεκριµένες απαιτήσεις και προδιαγραφές. Ο σκοπός των

14 δικτύων αυτών είναι να αποτελέσουν την βάση για σύγχρονα, ευέλικτα και αποδοτικά συστήµατα αυτοµατοποίησης. Στα συστήµατα αυτά απαιτείται η αξιόπιστη διασύνδεση ετερογενών µονάδων, όπως υπολογιστικά συστήµατα γενικού ή / και ειδικού σκοπού, προγραµµατιζόµενοι λογικοί ελεγκτές, αισθητές, ενεργοποιητές κλπ. Οι κύριες λειτουργικές απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούν τα προηγµένα συστήµατα αυτοµατοποίησης είναι η εξασφάλιση της δυνατότητας απόκρισης τους σε πραγµατικό χρόνο και η υψηλή αξιοπιστία. Ως εκ τούτου, τα βιοµηχανικά δίκτυα υπολογιστών, που παρέχουν την υποδοµή για ανάπτυξη κατανεµηµένων συστηµάτων αυτοµατοποίησης, θα πρέπει να εξασφαλίζουν δικτυακή απόκριση σε πραγµατικό χρόνο και υψηλή αξιοπιστία παρόλο που σε πολλές περιπτώσεις αυτές οι δύο παράµετροι είναι ασυµβίβαστες Το δικτυακό µοντέλο αναφοράς ΟSI-RM Ένας από τους λόγους θέσπισης διεθνών προδιαγραφών για τη διασύνδεση επικοινωνιακών συστηµάτων είναι η δηµιουργία κανόνων συµβατότητας µεταξύ των προϊόντων διάφορων κατασκευαστών, έτσι ώστε να είναι δυνατή η µεταξύ τους επικοινωνία. Ο International Standards Organization (ISO), ο οποίος είναι ένας από τους οργανισµούς που ασχολείται µε την τυποποίηση στην περιοχή των δικτύων, δηµοσίευσε το 1983 ένα σχεδόν καθολικά αποδεκτό µοντέλο επτά επιπέδων, το OSI-RM (Open Systems Interconnection- Reference Model), που καθορίζει τα γενικά επίπεδα από τα οποία αποτελείται ένα δίκτυο. Ο όρος ανοιχτό εισάγει την έννοια της ανοιχτής επικοινωνίας µεταξύ οποιονδήποτε συστηµάτων που πληρούν τα πρότυπα τα οποία ορίστηκαν από τον ISO. Το µοντέλο OSI-RM, η δοµή του οποίου φαίνεται στο Σχ 1, αποτελείται από επτά επίπεδα (layers) και µπορεί να εφαρµοστεί τόσο στα τοπικά δίκτυα, όσο και στα δίκτυα µεγαλυτέρων αποστάσεων. Το σύνολο των λειτουργιών που είναι απαραίτητες για την επίτευξη της επικοινωνίας, χωρίζεται σε επίπεδα, καθένα από τα οποία είναι υπεύθυνο για ένα συγκεκριµένο υποσύνολο των λειτουργιών αυτών. Το κάθε επίπεδο παρέχει υπηρεσίες (services) στο αµέσως παραπάνω και χρησιµοποιεί τις υπηρεσίες του αµέσως κατώτερου επιπέδου. Έτσι δεν είναι απαραίτητο για τα υψηλότερα επίπεδα να έχουν λεπτοµερή γνώση της λειτουργίας των παρακάτω επιπέδων

15 Επικοινωνιακές peer-to-peer Εφαρµογές ΤΕΛΙΚΟΣ ΧΡΗΣΤΗΣ ΤΕΛΙΚΟΣ ΧΡΗΣΤΗΣ Εφαρµογής Παρουσίασης Συνόδου Μεταφοράς ικτύου Σύνδεσης εδ. Φυσικό ιαχείριση ικτύου επικοινωνία µεταξύ οµότιµων επιπέδων Εφαρµογής Παρουσίασης Συνόδου Μεταφοράς ικτύου Σύνδεσης εδ. Φυσικό ιαχείριση ικτύου Επικοινωνιακό Κανάλι Σχ 1. Το OSI Μοντέλο Αναφοράς των επτά επιπέδων Το ΟSI-RM παρέχει τη δυνατότητα ανταλλαγής πληροφορίας µεταξύ οµότιµων (peer) επιπέδων σε αποµακρυσµένους µεταξύ τους σταθµούς. Η πληροφορία που ένα επίπεδο επιθυµεί να στείλει σε κάποιο οµότιµο επίπεδο, δίνεται σαν πακέτο στο αµέσως παρακάτω επίπεδο του OSI-RM, µε την γενική ορολογία που φαίνεται στο επόµενο σχήµα. service REQUEST service INDICATION service REQUEST service INDICATION Layer N Protocol Entity PDU Protocol Data Unit Layer N Protocol Entity Σχ 2. Ορολογία πρωτοκόλλου κατά OSI-RM

16 Το πρωτόκολλο κάθε επιπέδου χειρίζεται το πακέτο που λαµβάνει από το παραπάνω επίπεδο σαν ένα συρµό δεδοµένων, για τη δοµή του οποίου δεν ενδιαφέρεται. Έτσι, προσθέτει απλώς µία επικεφαλίδα (header) η οποία αφορά µόνο το οµότιµο επίπεδο στον αποµακρυσµένο σταθµό και στο οποίο θα αφαιρεθεί πριν το πακέτο περάσει στο παραπάνω επίπεδο. Ως εκ τούτου, υπάρχει µια νοητή οριζόντια επικοινωνία µεταξύ οµότιµων επιπέδων, ενώ στην ουσία τα πακέτα ακολουθούν κάθετη διαδροµή, από τα υψηλότερα επίπεδα προς τα χαµηλότερα στον αποστολέα και αντίστροφα στον παραλήπτη. Μόνο στο χαµηλότερο φυσικό επίπεδο υπάρχει φυσική σύνδεση µεταξύ των σταθµών που επικοινωνούν Παρουσίαση των επιπέδων του OSI-RM Φυσικό Επίπεδο (1ο) Το φυσικό επίπεδο (physical layer) ορίζει την κωδικοποίηση των bits που µεταδίδονται στο κανάλι, το είδος του καναλιού (π.χ. συνεστραµµένο ζεύγος καλωδίων, οπτικές ίνες, κ.λ.π.), τα επίπεδα τάσης που απαιτούνται για την παράσταση ενός λογικού "0" ή "1", την ανοχή σε θόρυβο, το είδος του συνδετήρα µε τον οποίο συνδέεται το φυσικό κανάλι επικοινωνίας του δικτύου, κ.λ.π Επίπεδο Σύνδεσης εδοµένων (2ο) Το επίπεδο διασύνδεσης δεδοµένων (data link layer) είναι υπεύθυνο για την εκτέλεση ενός πλήθους συγκεκριµένων λειτουργιών που περιλαµβάνουν την πλαισίωση των δεδοµένων, την αναγνώριση της διεύθυνσης παραλήπτη και αποστολέα, την ανίχνευση και τη διαχείριση των σφαλµάτων µετάδοσης και τη ρύθµιση της ροής των πλαισίων (πακέτων) δεδοµένων. Πιο συγκεκριµένα, το επίπεδο αυτό χωρίζεται σε δύο υπο-επίπεδα, το υποεπίπεδο ελέγχου λογικής διασύνδεσης (Logical Link Control, LLC) που είναι υπεύθυνο για όλες τις υπηρεσίες προς το επόµενο επίπεδο δικτύου και το υπο-επίπεδο ελέγχου προσπέλασης µέσου (Medium Access Control, MAC). Το MΑC υποεπίπεδο είναι εξαιρετικά σηµαντικό, δεδοµένου ότι υλοποιεί το πρωτόκολλο προσπέλασης των σταθµών (κόµβων) στο δίκτυο, εξασφαλίζοντας σηµαντικά λειτουργικά χαρακτηριστικά, όπως π.χ. απόκριση σε πραγµατικό χρόνο, αξιοπιστία κλπ. Ιδιαίτερα για τα βιοµηχανικά δίκτυα, όπου χρησιµοποιείται συνήθως µια περιορισµένη

17 δικτυακή αρχιτεκτονική τριών επιπέδων (φυσικό, σύνδεσης δεδοµένων και εφαρµογής), όπως αναφέρεται στην ενότητα 1.3, το MAC υπο-επίπεδο είναι κρίσιµης σηµασίας για την εξασφάλιση τέτοιων επιθυµητών λειτουργικών χαρακτηριστικών. Γι αυτό το λόγο θα δοθεί µεγάλη βαρύτητα στην παρουσίαση και ανάλυση πρωτοκόλλων ΜΑC υπο-επιπέδου στην συνέχεια αυτού του κεφαλαίου Επίπεδο δικτύου (3ο) Το επίπεδο αυτό (network layer) είναι υπεύθυνο για την δροµολόγηση των πακέτων σε ένα σύνθετο δίκτυο, που αποτελείται από διασυνδεδεµένα υποδίκτυα. Επιτρέπει σε δύο συστήµατα να συνδεθούν µέσω ενός ή περισσοτέρων υποδικτύων, παρέχοντας έτσι µία οµοιόµορφη από-άκρο-σε-άκρο (end-to-end) υπηρεσία στο παραπάνω επίπεδο µεταφοράς. Η ύπαρξη του επιπέδου αυτού δεν είναι απαραίτητη όταν το δίκτυο αποτελείται µόνο από ένα υποδίκτυο Επίπεδο Μεταφοράς (4ο) Το επίπεδο µεταφοράς (transport layer) παρέχει στο παραπάνω επίπεδο µία αξιόπιστη µεταφορά µηνυµάτων. Συγκεκριµένα, οι λειτουργίες του περιλαµβάνουν έλεγχο λαθών, έλεγχο ροής και σωστή ταξινόµηση των πακέτων δεδοµένων, καθώς επίσης και τη δυνατότητα ελέγχου της ταχύτητας ανταλλαγής των δεδοµένων µεταξύ δυο οµότιµων διαδικασιών µεταφοράς. Το επίπεδο µεταφοράς αποτελεί το υψηλότερο από τα επίπεδα που οριοθετούν τις κύριες δικτυακές διαδικασίες (τα τέσσερα χαµηλότερα επίπεδα) και ουσιαστικά αποµονώνει όλες τις λειτουργίες του δικτύου επικοινωνίας από τα επίπεδα που οριοθετούν τις διαδικασίες εφαρµογής, δηλαδή τα τρία υψηλότερα επίπεδα. Η ποικιλία των απαιτήσεων, όσον αφορά στην παρεχοµένη από το δίκτυο ποιότητα υπηρεσίας (QoS), έχει οδηγήσει στην καθιέρωση πέντε διαφορετικών κατηγοριών (classes) πρωτοκόλλων µεταφοράς (0, 1,2,3 και 4): Class0: δεν παρέχει διαδικασίες διόρθωσης λαθών. Class1: παρέχει τη δυνατότητα διόρθωσης λαθών που οφείλονται σε αποσύνδεση ή βλάβη του δικτύου. Class2: συνδυάζει τα χαρακτηριστικά της class0 και επιπλέον παρέχει τη δυνατότητα πολύπλεξης

18 Class3: συνδυάζει τα χαρακτηριστικά της class1 και την πολύπλεξη της class2. Class4: παρέχει τις διαδικασίες της class3 και έχει τη δυνατότητα ανίχνευσης λαθών από πακέτα που χάθηκαν ή έχουν διαταχθεί µε λάθος τρόπο Επίπεδο Συνόδου (5ο) Το επίπεδο συνόδου (session layer) ασχολείται µε τη διαχείριση του "διαλόγου" µεταξύ δύο διαδικασιών του έκτου επιπέδου. Συγκεκριµένα, πριν την έναρξη κάποιου διαλόγου, τα οµότιµα επίπεδα συνόδου ανταλλάσσουν πληροφορίες σχετικές µε την κωδικοποίηση και την κρυπτογράφηση των δεδοµένων, καθώς επίσης και το είδος της σύνδεσης (half-, full-duplex). Ένα από τα σηµαντικά χαρακτηριστικά του επιπέδου αυτού, για την εξασφάλιση της σωστής µετάδοσης µεγάλου όγκου πληροφορίας, είναι η εισαγωγή σηµείων ελέγχου (check-points). Τα σηµεία αυτά εισάγονται περιοδικά µεταξύ των προς µετάδοση δεδοµένων, έτσι ώστε να χρησιµοποιούνται ως σηµείο αφετηρίας για την αναµετάδοση λανθασµένων µηνυµάτων και να αποφεύγονται µε αυτόν τον τρόπο οι άσκοπες µεταδόσεις Επίπεδο Παρουσίασης (6ο) Σκοπός του επιπέδου παρουσίασης (presentation layer) είναι η εκτέλεση µιας σειράς µετασχηµατισµών στα δεδοµένα πριν αυτά περάσουν στο επίπεδο συνόδου και αντίστροφα. Τέτοιου είδους µετασχηµατισµοί είναι η συµπίεση των δεδοµένων, η κρυπτογράφηση και αποκρυπτογράφηση, και ορισµένοι για την ερµηνεία των πληροφοριών που µεταδίδονται. Αυτό είναι απαραίτητο, ώστε να µπορεί να υπάρξει επικοινωνία µεταξύ συσκευών που χρησιµοποιούν διαφορετικούς κώδικες για την αναπαράσταση των χαρακτήρων που µεταδίδονται. Oυσιαστικά, το επίπεδο αυτό αποµονώνει το επόµενο επίπεδο εφαρµογής από τον τρόπο αναπαράστασης των δεδοµένων που µεταδίδονται στο δίκτυο Επίπεδο Εφαρµογής (7ο) Το τελευταίο επίπεδο (application layer) στην ιεραρχία του OSI-RM είναι αρκετά πολύπλοκο, λόγω της µεγάλης πληθώρας δικτυακών εφαρµογών που πρέπει να υλοποιηθούν. Για να αποδεσµευτούν οι πραγµατικές εφαρµογές από τη διαχείριση κοινών λειτουργιών

19 (π.χ. εγκατάσταση και διακοπή σύνδεσης) έχει οριστεί µία ειδική διεπαφή (interface), το Common Application Service Element (CASE), που αναλαµβάνει τέτοιου είδους λειτουργίες. Οι βασικές λειτουργίες που έχουν προδιαγραφεί για το επίπεδο εφαρµογής είναι οι εξής: FTAM (File Transfer, Access, and Management). Επιτρέπει σε διαδικασίες που τρέχουν σε αποµακρυσµένα µεταξύ τους συστήµατα να µεταφέρουν και να διαχειρίζονται αρχεία. VT (Virtual Terminal). Οι υπηρεσίες που σχετίζονται µε το VT πρωτόκολλο, επιτρέπουν την προσπέλαση σε τερµατικά ανεξάρτητα από τον συγκεκριµένο τύπο του τερµατικού. JTM (Job Transfer and Manipulation). ίνει τη δυνατότητα της εκτέλεσης και του ελέγχου ενός προγράµµατος από αποµακρυσµένα σηµεία. ΕM (Electronic Mail) ή MHS (Message Handling Services). Είναι µια οµάδα πρωτοκόλλων για τη διαχείριση του ηλεκτρονικού ταχυδροµείου. MMS (Manufacturing Message Service). Παρέχει τη δυνατότητα σε ένα υπολογιστή ενός αυτοµατοποιηµένου εργοστασίου να ελέγχει τις λειτουργίες των διασυνδεδεµένων προγραµµατιζόµενων εργοστασιακών µηχανών, µέσω ενός αριθµού υπηρεσιών, όπως για παράδειγµα φόρτωµα προγραµµάτων στους κόµβους-µηχανές, επίβλεψη γεγονότων και έλεγχος διαδικασιών κ.λ.π Εισαγωγή στα ad hoc δίκτυα Ορισµός και χαρακτηριστικά ενός ad hoc δικτύου Στις ηµέρες µας, όλο και σε περισσότερα περιβάλλοντα εµφανίζεται η ανάγκη για την ανάπτυξη ασύρµατων τρόπων επικοινωνίας που επιτρέπουν δυναµικές και συχνά µεταβαλλόµενες τοπολογίες. Αυτό συµβαίνει διότι σε πολλές περιπτώσεις είναι επιθυµητή η δηµιουργία ενός αξιόπιστου και αποτελεσµατικού δικτύου ενώ ταυτόχρονα η κινητικότητα των κόµβων µπορεί να είναι πολύ υψηλή. Τα ad hoc δίκτυα είναι αυτοοργανούµενα, ασύρµατα δίκτυα τα οποία αποτελούνται από κόµβους που κινούνται µε τυχαίο τρόπο. Η δηµιουργία και ανάπτυξη δικτύων αυτής της κατηγορίας δεν προϋποθέτει την ύπαρξη µιας σταθερής και προϋπάρχουσας υποδοµής και δεν απαιτεί καµία διαδικασία προετοιµασίας ή εγκατάστασης. Τέτοια δίκτυα µπορούν να αντεπεξέλθουν σε δυναµικές, τυχαίες και µερικές φορές πολύ γρήγορα µεταβαλλόµενες τοπολογίες οι οποίες συνήθως αποτελούνται από

20 µικρού εύρους ασύρµατες συνδέσεις και από κόµβους των οποίων η λειτουργία χαρακτηρίζεται από αυστηρούς ενεργειακούς περιορισµούς. Εύκολα γίνεται αντιληπτό ότι σε αυτά τα δίκτυα λόγω της δυναµικής τους τοπολογίας και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους οι κόµβοι αποτελούν ταυτόχρονα και δροµολογητές (routers) και τερµατικές διατάξεις (hosts) Κατά την µελέτη και σχεδίαση αλγορίθµων δροµολόγησης για τα ad hoc δίκτυα αυτό που πρέπει να λάβει κανείς σοβαρά υπόψη του είναι τα χαρακτηριστικά αυτών των δικτύων, δηλαδή : Το µέγεθος του δικτύου (ο αριθµός των κόµβων του δικτύου) Η συνδεσιµότητα του δικτύου (ο µέσος όρος του αριθµού των γειτονικών κόµβων ενός κόµβου) και ο ρυθµός εµφάνισης αποκοµµένων υποδικτύων Η κινητικότητα των κόµβων και η µορφή κίνησης τους. Χρειάζεται να καθορίζεται η εξάρτηση του πρωτοκόλλου από την κινητικότητα των κόµβων και σε ποιες περιπτώσεις επηρεάζεται η απόδοση του πρωτοκόλλου. Ο ρυθµός µεταβολής της τοπολογίας (η ταχύτητα µε την οποία η τοπολογία ενός δικτύου µεταβάλλεται) Το εύρος ζώνης των συνδέσεων το οποίο συνήθως σε ασύρµατα δίκτυα είναι αρκετά περιορισµένο. Η µορφή κίνησης των δεδοµένων (το ποσοστό των µονοκατευθυντήριων συνδέσεων που υπάρχουν στην τοπολογία του δικτύου) Το ποσοστό και η συχνότητα εµφάνισης power-save κόµβων (κόµβοι οι οποίοι καταναλώνουν την ελάχιστη δυνατή ενέργεια για την λειτουργία τους όταν δεν έχουν δεδοµένα να αποστείλουν) Εφαρµογές των ad hoc δικτύων Μερικές περιπτώσεις χρήσης των τεχνολογιών των ad hoc δικτύων περιλαµβάνουν βιοµηχανικές και εµπορικές εφαρµογές που απαιτούν ασύρµατη ανταλλαγή πληροφοριών και δεδοµένων. Επιπλέον οι τεχνολογίες των ad hoc δικτύων µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την ανάπτυξη αξιόπιστης ασύρµατης επικοινωνίας σε στρατιωτικές εφαρµογές. Όταν αυτές οι τεχνολογίες συνδυαστούν κατάλληλα µε την παροχή πληροφοριών από δορυφόρους, µπορούν να αποτελέσουν έναν ελπιδοφόρο και ευέλικτο τρόπο για την δηµιουργία

21 ασύρµατων επικοινωνιακών δικτύων, τα οποία θα βρίσκονται στην διάθεση των συνεργείων διάσωσης κατά την διάρκεια καταστροφικών φαινοµένων (πυρκαγιές, σεισµοί, πληµµύρες). Τα ad hoc δίκτυα µπορούν να διαδραµατίσουν σηµαντικό ρόλο και σε αεροδρόµια, σταθµούς τρένων, εµπορικά κέντρα, βιοµηχανικά περιβάλλοντα, δηµόσια ασύρµατα δίκτυα για επικοινωνία, κινητή τηλεφωνία, τηλεµατικές υπηρεσίες κλπ. Είναι προφανές ότι όσο θα βελτιώνεται η αξιοπιστία και η απόδοση αυτών των δικτύων θα αποκτούν ολοένα και µεγαλύτερη αξία To MAC υποεπίδεδο σε ad hoc δίκτυα Κριτήρια για τον σχεδιασµό πρωτοκόλλων MAC Επιπέδου. Τα βασικά κριτήρια που πρέπει να ληφθούν υπόψη στη σχεδίαση ενός MAC πρωτοκόλλου είναι συνοπτικά τα εξής: 1) Το είδος των εφαρµογών που θα υποστηριχθούν: Αρχικά, πρέπει να προσδιοριστούν όλες οι πιθανές εφαρµογές που θα τρέχουν στο δίκτυο, ώστε να γίνει µία εκτίµηση των απαιτήσεων ως προς το εύρος ζώνης καναλιού, το µέγιστο µήκος δικτύου, τον µέγιστο αριθµό σταθµών, το είδος και το µέγεθος των µεταδιδόµενων πακέτων, τον µέγιστο επιτρεπτό χρόνο καθυστέρησης πακέτου, κ.λ.π. Επίσης, οι πιθανές εφαρµογές χαρακτηρίζουν την µορφή της κίνησης, δηλ. σταθερό ή καταιγιστικό φορτίο, φορτίο πραγµατικού ή µη χρόνου κλπ. 2) Αξιολόγηση της συµπεριφοράς του πρωτοκόλλου για όλο το εύρος των εφαρµογών: Η απόδοση ενός πρωτοκόλλου για συµβατικές δικτυακές εφαρµογές δεδοµένων, εκτιµάται συνήθως ως προς τη χωρητικότητα και τη σχέση του φορτίου ως προς τη µέση καθυστέρηση πακέτου. Αντίθετα, ένα πρωτόκολλο για εφαρµογές πραγµατικού χρόνου υπόκειται σε αυστηρότερους περιορισµούς, που εντοπίζονται κυρίως στο µέγιστο χρόνο απόκρισης και στην ύπαρξη δικτυακής κίνησης µε διαφορετικές προτεραιότητες. 3) Η απαίτηση για ύπαρξη κεντρικοποιηµένου ή κατανεµηµένου ελέγχου: Οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόφαση για ύπαρξη κεντρικοποιηµένου ή κατανεµηµένου ελέγχου είναι κυρίως η αξιοπιστία λειτουργίας, η εξασφάλιση ντετερµινιστικής απόκρισης και η απλότητα υλοποίησης

22 4) Παράγοντες σχετικοί µε την ευκολία υλοποίησης, τον τρόπο διαχείρισης της εισόδου / εξόδου σταθµών στο δίκτυο, τους αλγορίθµους χειρισµού των λαθών, κ.λ.π.: Όλοι αυτοί οι παράγοντες δεν έχουν εµφανή επίδραση στην απόδοση του πρωτοκόλλου καθώς η εκτίµηση της απόδοσης, µε αναλυτικές µεθόδους ή µε εξοµοίωση, στηρίζεται στην υπόθεση της σταθερής κατάστασης (steady-state). Είναι όµως σηµαντικοί, όταν υπάρχει η απαίτηση της συνολικά υψηλής απόδοσης κάτω από όλες τις συνθήκες λειτουργίας του δικτύου Η Αρχιτεκτονική του MAC σύµφωνα µε το πρότυπο ΙΕΕΕ Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία του MAC σύµφωνα µε το πρότυπο IEEE Η αρχιτεκτονική του MAC υπο-επιπέδου περιλαµβάνει τις εξής λειτουργίες : Distributed Coordination Function (DCF), Point Coordination Function (PCF ). Αυτές οι δύο λειτουργίες συνυπάρχουν στο ΙΕΕΕ και µπορούν να εναλλάσσονται περιοδικά στον έλεγχο του φυσικού µέσου. Οι πλήρεις περιγραφές τους περιλαµβάνονται στο ΙΕΕΕ πρότυπο [6]. Η αρχιτεκτονική του MAC επιπέδου φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Παρατηρούµε πως η DCF λειτουργία λειτουργεί σαν βάση για την PCF, επιτρέποντας στον PCF αλγόριθµο να παρέχει τις υπηρεσίες του. Ο PCF ουσιαστικά υλοποιεί έναν polling αλγόριθµο προσπαθώντας να εξασφαλίσει καλύτερο QoS. Ωστόσο η χρήση ενός τέτοιου αλγορίθµου δεν έχει νόηµα λόγω της δυναµικότητας που παρουσιάζουν τα ad-hoc δίκτυα και για αυτό δεν θα επεκταθούµε περισσότερο. Σχ 3. οµή του MAC επιπέδου

23 Ο βασικός τρόπος πρόσβασης στο φυσικό µέσο του ΙΕΕΕ MAC που χρησιµοποιείται και από το µοντέλο ενός κόµβου στο OPNET είναι η DCF λειτουργία, γνωστή και σαν Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Ουσιαστικά πρόκειται για µία παραλλαγή του γνωστού πρωτοκόλλου CSMA/CD που χρησιµοποιείται ευρέως σε ενσύρµατα δίκτυα (π.χ. Ethernet). Για να µπορέσει να µεταδώσει ένας σταθµός χρειάζεται να παρακολουθήσει το φυσικό µέσο ώστε να εξακριβώσει αν κάποιος άλλος σταθµός εκπέµπει. Στα ενσύρµατα δίκτυα σε δοµή διαύλου µία τέτοια παρακολούθηση του καναλιού είναι πολύ εύκολο να γίνει καθώς όλοι οι κόµβοι είναι συνδεδεµένοι µε ένα κοινό καλώδιο και µπορούν να επικοινωνήσουν µεταξύ τους. Αντίθετα στα ασύρµατα δίκτυα ο ποµποδέκτης κάθε σταθµού έχει περιορισµένη εµβέλεια (περίπου 300 µέτρα) και µπορεί να επικοινωνήσει άµεσα µόνο µε τους σταθµούς της γειτονιάς του. Για να επικοινωνήσει µε πιο αποµακρυσµένους σταθµούς είναι αναγκασµένος να χρησιµοποιήσει άλλους ενδιάµεσους σταθµούς που είναι σε θέση να προωθήσουν το πακέτο του στον τελικό προορισµό (multihop διαδικασία). Αυτή η διαδικασία δηµιουργεί ορισµένα προβλήµατα (hidden node, exposed node) τα οποία κάνουν πιο πολύπλοκη την ανίχνευση φορέα στα ασύρµατα δίκτυα. Για να γίνει εφικτή η παρακολούθηση του καναλιού ανταλλάσσονται ειδικά πλαίσια ελέγχου (request to send (RTS) και clear to send (CTS)) του MAC πρωτοκόλλου. Αν το φυσικό µέσο δεν χρησιµοποιείται, ο σταθµός προχωρά σε µετάδοση του πλαισίου του. Ο CSMA/CA αλγόριθµος απαιτεί ένα κενό συγκεκριµένης χρονικής διάρκειας µεταξύ διαδοχικών πακέτων. Κάθε σταθµός που θέλει να µεταδώσει ένα πλαίσιο πρέπει να σιγουρευτεί πως το φυσικό µέσο είναι ανενεργό για τουλάχιστον αυτό το χρονικό διάστηµα προτού προχωρήσει στην εκποµπή του. Αν το µέσο είναι κατειληµµένο τότε χρειάζεται να περιµένει µέχρι το τέλος της παρούσας µετάδοσης. Μετά την λήξη της µετάδοσης επιλέγεται ένα τυχαίο διάστηµα και επαναλαµβάνεται η µετάδοση. Ένας µετρητής αποθηκεύει την διάρκεια του διαστήµατος αυτού και µειώνεται όταν το µέσο παραµένει ανενεργό. Όταν µηδενιστεί αυτός ο µετρητής τότε ο σταθµός επιχειρεί να µεταδώσει ξανά το πλαίσιο του. Η διαδικασία επαναλαµβάνεται όσες φορές χρειαστεί µέχρι να µεταδοθεί το πλαίσιο ή να απορριφθεί λόγω πολλών συγκρούσεων στο ίδιο πλαίσιο. Για περισσότερες λεπτοµέρειες ο αναγνώστης παραπέµπεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ [6]

24 1.6. Αλγόριθµοι δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα Ιδιαιτερότητες των ασύρµατων δικτύων Τα ασύρµατα δίκτυα έχουν πολλά χαρακτηριστικά που τα διαφοροποιούν σηµαντικά από τα ήδη ευρέως ανεπτυγµένα ενσύρµατα δίκτυα. Σε αυτό το σηµείο είναι αναγκαίο να τονιστεί ότι πολλά από αυτά τα χαρακτηριστικά επιβάλλονται από τον ασύρµατο τρόπο επικοινωνίας που χρησιµοποιείται στο φυσικό µέσο ενώ άλλα χαρακτηριστικά είναι απαραίτητα ώστε να είναι εφικτή η παροχή συγκεκριµένων υπηρεσιών. Ακολουθεί µία σύντοµη παρουσίαση των βασικών χαρακτηριστικών των ασύρµατων δικτύων : i. υναµικές Τοπολογίες: Οι κόµβοι είναι σε θέση να κινούνται µε τυχαίο και ακανόνιστο τρόπο. Είναι φανερό λοιπόν, ότι η τοπολογία του δικτύου µπορεί να µεταβάλλεται πολύ γρήγορα και µε ακανόνιστο τρόπο οποιαδήποτε χρονική στιγµή. Αξιοσηµείωτο είναι επίσης και το γεγονός ότι είναι δυνατή τόσο η ύπαρξη µονοκατευθυντήριων όσο και δικατευθυντήριων συνδέσεων. ii. Περιορισµένο Εύρος Ζώνης: Συγκριτικά µε τις ενσύρµατες συνδέσεις, οι ασύρµατες έχουν σαφώς πιο περιορισµένο εύρος ζώνης. Την κατάσταση επιβαρύνουν διάφορα φαινόµενα που είναι αναπόφευκτα κατά την ασύρµατη επικοινωνία όπως για παράδειγµα η πολλαπλή πρόσβαση στο µέσο, ο αυξηµένος θόρυβος, φαινόµενα εξασθένησης κλπ. Συνεπώς ο αριθµός των πακέτων που διακινούνται σε µία ασύρµατη σύνδεση είναι σαφώς µικρότερος από τον µέγιστο ρυθµό µετάδοσης ενός εκποµπού. iii. Περιορισµένη Ενέργεια Λειτουργίας: Σε ένα ασύρµατο δίκτυο µερικοί ή όλοι οι κόµβοι του µπορεί να τροφοδοτούνται µε την βοήθεια µπαταριών ή άλλων εξαντλήσιµων πηγών ενέργειας. Για αυτούς τους κόµβους είναι πολύ πιθανό το κριτήριο βελτιστοποίησης για τον σχεδιασµό του συστήµατος να είναι η εξοικονόµηση και η βέλτιστη διαχείριση των διαθέσιµων ενεργειακών πόρων. iv. Αυξηµένα Προβλήµατα Ασφαλείας: Είναι αδιαµφισβήτητο γεγονός ότι τα ασύρµατα δίκτυα έχουν µειωµένη ασφάλεια σε σχέση µε τα ενσύρµατα δίκτυα. Υπάρχει αυξηµένη πιθανότητα παραβίασης της ασφάλειας που οφείλεται κατά κύριο λόγο στον ασύρµατο τρόπο επικοινωνίας. Τέτοια ζητήµατα πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη και να εφαρµοστούν οι κατάλληλες πολιτικές ασφαλείας ώστε το ασύρµατο δίκτυο να είναι φορέας αξιοπιστίας

25 Κριτήρια αξιολόγησης αλγορίθµων δροµολόγησης για ασύρµατα δίκτυα Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες κριτηρίων στις οποίες στηρίζεται η αξιολόγηση των αλγορίθµων δροµολόγησης που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε ασύρµατα δίκτυα. Η πρώτη κατηγορία επιτρέπει µία ποιοτική ανάλυση και αξιολόγηση των ιδιοτήτων ενός πρωτοκόλλου, ενώ η δεύτερη καθιστά δυνατή την ποσοτική ανάλυση του πρωτοκόλλου µε την βοήθεια µαθηµατικοποιηµένων µεγεθών Ποιοτικά κριτήρια αξιολόγησης Στην συνέχεια παρατίθεται µία λίστα µε τις επιθυµητές ιδιότητες που είναι απαραίτητο να χαρακτηρίζουν έναν αλγόριθµο δροµολόγησης: i) Κατανεµηµένη Λειτουργία: Παρόλο που αυτή η ιδιότητα θεωρείται συχνά αυτονόητη για αυτή την κατηγορία δικτύων που µελετάµε καλό είναι να επισηµαίνεται. ii) Απαλλαγή από βρόγχους (Loop-freedom): Γενικά είναι επιθυµητό να αποφεύγονται φαινόµενα που επιδρούν µε ακανόνιστο τρόπο στην οµαλή λειτουργία του δικτύου όπως για παράδειγµα η περίπτωση ενός αριθµού πακέτων που διακινούνται στο δίκτυο για µεγάλα χρονικά διαστήµατα (worst-case phenomena). Ορισµένες λύσεις περιορίζουν το πρόβληµα (π.χ. TTL: Time to Live) αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις αυτό δεν είναι αρκετό. Συνήθως απαιτείται µία κατάλληλα οργανωµένη και δοµηµένη προσέγγιση που αποσκοπεί στην επίλυση τέτοιων προβληµάτων, καθώς η κατάργηση τους οδηγεί σε καλύτερη συνολική απόδοση. iii) Reactive Λειτουργία: Αντί να γίνεται η αυθαίρετη υπόθεση ότι η κίνηση µέσα σε ένα δίκτυο είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένη στον χρόνο, δίνουµε τη δυνατότητα και την ευθύνη στον αλγόριθµο δροµολόγησης να προσαρµόζει την λειτουργία του βασιζόµενος στην κίνηση και τις τρέχουσες ανάγκες. Εάν αυτό υλοποιηθεί µε έξυπνο τρόπο µπορεί να γίνει εφικτή µία καλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης και των διαθέσιµων ενεργειακών πόρων του δικτύου. Το τίµηµα που πληρώνουµε σε αυτήν την περίπτωση είναι µία αύξηση στην συνολική καθυστέρηση των πακέτων καθώς η διαδροµή (route) που θα ακολουθηθεί κατά την δροµολόγηση των πακέτων δεν είναι γνωστή εκ των προτέρων και πρέπει να βρεθεί εκείνη τη χρονική στιγµή. iv) Proactive Λειτουργία: Σε ορισµένες εφαρµογές η επιβάρυνση στην καθυστέρηση που προκαλεί η λειτουργία του αλγορίθµου δροµολόγησης δεν είναι αποδεκτή. Η proactive

26 λειτουργία αποτελεί µία προσέγγιση που βρίσκεται στον αντίποδα της reactive λογικής. Πιο συγκεκριµένα οι σταθµοί διατηρούν διαδροµές για όλους τους πιθανούς σταθµούς-προορισµούς χωρίς να υπάρχει αναγκαστικά κάποιο πακέτο δεδοµένων που πρέπει να αποσταλεί σε αυτούς τους προορισµούς. Για να το πετύχουν αυτό ανταλλάσσουν περιοδικά πληροφορίες ελέγχου οι οποίες καταναλώνουν ένα µέρος του διαθέσιµου εύρους ζώνης. Εάν το διαθέσιµο εύρος ζώνης και η ενέργεια λειτουργίας δεν αποτελούν ανασταλτικό παράγοντα, η proactive προσέγγιση είναι η ζητούµενη λύση. v) Προσαρµοστικότητα στην κατάσταση του δικτύου: Τα περισσότερα πρωτόκολλα που έχουν σχεδιαστεί µέχρι σήµερα δεν λαµβάνουν καθόλου υπόψη τους τον δυναµικό και ακανόνιστο τρόπο µε τον οποίο αλλάζει η κατάσταση οποιουδήποτε ad hoc δικτύου, εξαιτίας της κίνησης των κόµβων (mobility scenarios) ή του ρυθµού και τρόπου γέννησης των πακέτων (traffic patterns). Αναπόφευκτα λοιπόν, εµφανίζονται χρονικά διαστήµατα χαµηλής απόδοσης κάθε πρωτοκόλλου που δεν χαρακτηρίζεται από προσαρµοστικότητα στην λειτουργία του (non-adaptive protocols). Αντίθετα, εάν το πρωτόκολλο έχει προσαρµοστικό χαρακτήρα είναι σε θέση να τροποποιήσει την συµπεριφορά του σύµφωνα µε την κατάσταση του δικτύου ανά πάσα χρονική στιγµή. Ωστόσο, ο τρόπος µε τον οποίο ένα πρωτόκολλο µπορεί να ανιχνεύσει την κατάσταση του δικτύου και να τροποποιήσει κατάλληλα τις παραµέτρους του µε δυναµικό τρόπο αποτελεί ένα σοβαρό πρόβληµα και µία δύσκολη πρόκληση για κάθε σχεδιαστή. vi) Αποθηκευµένες πληροφορίες: Όλα τα πρωτόκολλα, ακόµη και τα reactive, χρειάζεται να διατηρούν ορισµένους πίνακες µε τις απαιτούµενες πληροφορίες ώστε να εξασφαλίζεται η οµαλή και αποδοτική λειτουργία του πρωτοκόλλου. Οι πίνακες αυτοί αποθηκεύονται στις µνήµες των κόµβων που συνιστούν το δίκτυο. Είναι προφανές ότι όσο µεγαλύτερος είναι ο όγκος αυτών των πληροφοριών που αποθηκεύονται τόσο µεγαλύτερη είναι και η οικονοµική επιβάρυνση για την απόκτηση επιπρόσθετης µνήµης για κάθε κόµβο. Κατά την σχεδίαση ενός νέου πρωτοκόλλου χρειάζεται να ληφθεί και αυτός ο παράγοντας υπόψη vii) Περίοδος ενηµέρωσης των πληροφοριών (Update Period): Το χρονικό διάστηµα που µεσολαβεί µεταξύ των προγραµµατισµένων ενηµερώσεων των πληροφοριών που χρειάζεται ο αλγόριθµος δροµολόγησης για την οµαλή λειτουργία του είναι ιδιαίτερα σηµαντικό σε proactive πρωτόκολλα. Στην ουσία αυτή είναι και η πιο σηµαντική

27 viii) παράµετρος που πρέπει να ρυθµιστεί µε βέλτιστο τρόπο έτσι ώστε να µην προκαλείται υπερβολική επιβάρυνση του δικτύου λόγω πληροφοριών ελέγχου (τα πακέτα που χρησιµοποιεί ο αλγόριθµος για να εξασφαλίσει την σωστή λειτουργία του) και ταυτόχρονα να διατηρείται ένα σύνολο από έγκυρες και έγκαιρες πληροφορίες που εξασφαλίζει την άρτια λειτουργία του πρωτοκόλλου. ιάφορες επιπλέον ιδιότητες: Μερικές ενδιαφέρουσες ιδιότητες που πολύ συχνά απαιτούνται σε αλγορίθµους δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα είναι : η περιοδική sleep λειτουργία, η υποστήριξη µονοκατευθυντήριων συνδέσεων και η ύπαρξη κάποιας µορφής ασφάλειας στην ανταλλαγή πληροφοριών Ποσοτικά κριτήρια αξιολόγησης Στην συνέχεια παρατίθεται µία λίστα από ποσοτικά µεγέθη τα οποία χρησιµοποιούνται για να εκτιµηθεί η απόδοση ενός αλγορίθµου δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα: i) Από-άκρο-σε-άκρο απόδοση και καθυστέρηση (end-to-end throughput and delay): Με την βοήθεια στατιστικών προσεγγίσεων και µεγεθών (µέσες τιµές, κατανοµές, διακυµάνσεις, αποκλίσεις κλπ) είναι εφικτό να ποσοτικοποιηθούν παράµετροι όπως η καθυστέρηση και η από-άκρο-σε-άκρο απόδοση, οι οποίες είναι εξαιρετικά σηµαντικές για την συνολική εκτίµηση της λειτουργίας ενός πρωτοκόλλου. Αυτά τα µεγέθη αποτελούν έναν εξωτερικό τρόπο εκτίµησης της λειτουργίας ενός αλγορίθµου δροµολόγησης. ii) Χρόνος εύρεσης της ιαδροµής (Route Acquisition Time): Μια παράµετρος εκτίµησης της καθυστέρησης από-άκρο-σε-άκρο (µε αυξηµένο ενδιαφέρον σε reactive αλγορίθµους δροµολόγησης) αποτελεί το χρονικό διάστηµα που απαιτείται για την δηµιουργία µιας διαδροµής όταν αυτή απαιτείται. iii) Ποσοστό πακέτων που δεν παραδόθηκαν µε την σωστή σειρά (Percentage Out-of-Order Delivery): Συνιστά έναν εξωτερικό τρόπο εκτίµησης της λειτουργίας ενός αλγορίθµου δροµολόγησης που λειτουργεί χωρίς σύνδεση (µε ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε πρωτόκολλα του επιπέδου µεταφοράς π.χ. TCP που απαιτούν παράδοση των πακέτων µε την σωστή σειρά ακόµη και αν το δίκτυο που υφίσταται είναι αναξιόπιστο) iv) Αποδοτικότητα (Efficiency): Συνιστά εσωτερικό τρόπο εκτίµησης της λειτουργίας ενός αλγορίθµου δροµολόγησης. Η αποδοτικότητα ενός πρωτοκόλλου είναι πιθανό να

28 επιδρά ή να µην επιδρά άµεσα στην δροµολόγηση των δεδοµένων (ωφέλιµες πληροφορίες) µέσα στο δίκτυο. Στην περίπτωση που οι πληροφορίες ελέγχου και τα δεδοµένα µοιράζονται το ίδιο κανάλι και το εύρος ζώνης του καναλιού είναι περιορισµένο (όπως συµβαίνει στην περίπτωση των MANET δικτύων), υπερβολική διακίνηση µηνυµάτων ελέγχου οδηγεί σε µεγάλη επιβάρυνση και µείωση της απόδοσης του δικτύου Κατηγορίες αλγορίθµων δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα Η πρόκληση που προκύπτει από την προηγούµενη ανάλυση είναι η εύρεση ενός αλγορίθµου δροµολόγησης που να καλύπτει κατά το βέλτιστο τρόπο ένα σύνολο από τα προαναφερθέντα κριτήρια. Υπάρχει µια πληθώρα από χαρακτηριστικά (ενότητα 1.6.1) και κριτήρια που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τον σχεδιασµό ενός αλγορίθµου δροµολόγησης (ενότητα 1.6.2).Η εύρεση ενός τέτοιου αλγορίθµου, λοιπόν, αποτελεί ένα πολύπλοκο και σύνθετο πρόβληµα το οποίο δεν µπορεί να επιλυθεί µε µοναδικό τρόπο. Έχουν αναπτυχθεί δύο βασικοί τρόποι προσέγγισης για την σχεδίαση ενός αλγορίθµου δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα, ο reactive και ο proactive. Τα proactive πρωτόκολλα ακολουθούν µια παρόµοια λογική µε αυτήν που χρησιµοποιείται στα πρωτόκολλα δροµολόγησης για ενσύρµατα δίκτυα. Αξιολογούν συνεχώς τις γνωστές διαδροµές και αναζητούν νέες, σε µία προσπάθεια να δηµιουργήσουν και να διατηρήσουν έναν όσο το δυνατό καλύτερα ενηµερωµένο χάρτη της τοπολογίας του δικτύου (λέγεται και γράφος του δικτύου network graph). Με γνωστές τις διαδροµές εκ των προτέρων, τα proactive πρωτόκολλα (λέγονται και πρωτόκολλα οδηγούµενα από πίνακες table driven protocols) είναι σε θέση να προωθήσουν τα πακέτα αποτελεσµατικά την στιγµή που φτάνουν στον κόµβο χωρίς καµία πρόσθετη καθυστέρηση. Ωστόσο απαιτείται µία συνεχής ανταλλαγή πακέτων ενηµέρωσης (update packets) για να είναι σε θέση τα πρωτόκολλα αυτά να δηµιουργήσουν και να διατηρήσουν τον συνεχώς µεταβαλλόµενο γράφο του δικτύου (λόγω της κίνησης των κόµβων ή κόµβων που αντιµετωπίζουν προβλήµατα στην λειτουργία τους και δεν µπορούν να προωθήσουν πακέτα). Είναι προφανές ότι αυτή η περιοδική ανταλλαγή πακέτων ενηµέρωσης είναι πιθανό να καταναλώνει ένα µεγάλο µέρος του διαθέσιµου εύρους ζώνης, που ειδικά στα δίκτυα που εξετάζουµε είναι πολύ περιορισµένο. Το χειρότερο είναι ότι µεγάλο µέρος των πληροφοριών που διακινούνται περιοδικά µέσω των πακέτων ενηµέρωσης συχνά παραµένει ανεκµετάλλευτο

29 καθώς πολλές διαδροµές υφίστανται για πολύ µικρά χρονικά διαστήµατα. Συνεπώς τα proactive πρωτόκολλα επιτρέπουν την χωρίς καθυστέρηση προώθηση πακέτων, αφού οι διαδροµές είναι γνωστές εκ των προτέρων, µε τίµηµα την κατανάλωση ενός µέρους του διαθέσιµου εύρους ζώνης για την δηµιουργία και συνεχή ενηµέρωση του γράφου του δικτύου. Μερικά πρωτόκολλα που ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία είναι : η οικογένεια των Distance-Vector πρωτοκόλλων ( ), η οικογένεια των Link-State πρωτοκόλλων ( ), το Wireless Routing Protocol (WRP) ( ) και το Fisheye State Routing Protocol (FSR) ( ). Σε αντίθεση µε τα proactive πρωτόκολλα, τα reactive πρωτόκολλα προσδιορίζουν την κατάλληλη διαδροµή µόνο όταν κρίνεται αναγκαίο, δηλαδή την χρονική στιγµή που χρειάζεται να προωθηθεί ένα πακέτο σε κάποιο σταθµό-προορισµό. Σε αυτήν την περίπτωση και εφόσον δεν έχει βρεθεί κάποια διαδροµή προς τον προορισµό του πακέτου, ο κόµβος πληµµυρίζει (flooding) το δίκτυο µε ένα πακέτο αναζήτησης διαδροµής (Route Request Packet RR packet) και δηµιουργεί την διαδροµή µε βάση την απόκριση που δέχεται από τους υπόλοιπους κόµβους. Το πλεονέκτηµα αυτής της τεχνικής είναι ότι δεν χρειάζεται συνεχής µετάδοση πακέτων ενηµέρωσης µε αποτέλεσµα να γίνεται βέλτιστη χρήση του διαθέσιµου εύρους ζώνης. Ωστόσο τα reactive πρωτόκολλα εισάγουν µία καθυστέρηση στην προώθηση των πακέτων καθώς η διαδροµή που θα ακολουθηθεί δεν είναι γνωστή εκ των προτέρων. Επιπρόσθετα η τεχνική πληµµυρίσµατος του δικτύου µε τα RR πακέτα µπορεί να δηµιουργήσει µεγάλη επιβάρυνση στο διαθέσιµο εύρος ζώνης. Στην κατηγορία των reactive πρωτοκόλλων περιλαµβάνονται τα : Temporally-Ordered Routing Algorithm (TORA) ( ), Associativity-Based Routing (ABR) ( ), Ad hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV) ( ) και Dynamic Source Routing (DSR) ( ). Η σύγκλιση των δύο παραπάνω ακραίων τρόπων επίλυσης του προβλήµατος οδήγησε στα υβριδικά (hybrid) πρωτόκολλα. Πρόκειται για µία ειδική κατηγορία πρωτοκόλλων που προσπαθούν να εκµεταλλευτούν τα πλεονεκτήµατα και των proactive και των reactive αλγορίθµων χρησιµοποιώντας κατάλληλες υποθέσεις και τεχνικές. Όπως ήταν αναµενόµενο, η κατηγορία αυτή παρουσιάζει αυξηµένο ενδιαφέρον, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια. Από την κατηγορία των υβριδικών πρωτοκόλλων θα εξεταστούν στην συνέχεια δύο από τα πλέον γνωστά πρωτόκολλα, δηλαδή τα : Landmark Routing Protocol (LANDMAR) ( ) και Zone Routing Protocol (ZRP) ( )