ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΙ ΙΚΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΒΑΣΙΣΜΕΝΩΝ ΣΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Β. ΠΟΓΚΑΣ

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΙ ΙΚΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΒΑΣΙΣΜΕΝΩΝ ΣΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Β. ΠΟΓΚΑΣ"

Transcript

1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΙ ΙΚΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΒΑΣΙΣΜΕΝΩΝ ΣΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Β. ΠΟΓΚΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ 167 ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2005

2

3

4

5 Αφιερώνεται στους Γονείς µου Βασίλη και Σοφία καθώς και στις Αδερφές µου Μαρία και Κατερίνα

6

7 ιδακτορική ιατριβή Περίληψη Ανάλυση Σχεδίαση και Ανάπτυξη Ειδικών Ασύρµατων ικτύων Βασισµένων σε Ενσωµατωµένα Συστήµατα Το αντικείµενο αυτής της διατριβής είναι µια ολοκληρωµένη λύση για την υποστήριξη τηλεπικοινωνιακών εφαρµογών σε ασύρµατα δίκτυα τα οποία δεν στηρίζονται σε σταθερές δικτυακές υποδοµές. Ένα τέτοιο δίκτυο, το οποίο αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία ως Mobile Ad-hoc Network (MANET), είναι ένα αυτο-οργανώσιµο αυτο-σχηµατιζόµενο ασύρµατο δίκτυο µε διαδροµές πολλαπλών τµηµάτων (multi-hop), όπου η δοµή του δικτύου αλλάζει δυναµικά λόγω της κινητικότητας των κόµβων ή αλλαγές στην τοπολογία. Η ανάγκη σύγχρονων εξειδικευµένων επικοινωνιακών εφαρµογών απαιτεί ένα ολοκληρωµένο επικοινωνιακό σύστηµα, το οποίο θα αντιµετωπίζει συνολικά και σφαιρικά τα προβλήµατα και τις ιδιαιτερότητες που παρουσιάζουν αυτά τα δίκτυα. Η δροµολόγηση, η διαχείριση και άλλες επικοινωνιακές λειτουργίες ενός τέτοιου δικτύου αντιµετωπίζουν σηµαντικές προκλήσεις λόγω της κινητικότητας και της δυναµικής συµπεριφοράς των κόµβων, ενδεχοµένως του µεγάλου τους αριθµού στο δίκτυο, και των περιορισµένων πόρων του δικτύου όπως το εύρος ζώνης και η κατανάλωση ενέργειας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται και παρουσιάζεται ένα ολοκληρωµένο επικοινωνιακό αρχιτεκτονικό πλαίσιο για MANET δίκτυα, το οποίο αποτελείται από νέα πρωτόκολλα και αλγόριθµους στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων, στο επίπεδο δικτύου, τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου TCP στο επίπεδο µεταφοράς και ένα νέο πρωτόκολλο Ν-επιπέδων διαχείρισης δικτύου. Σκοπός της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής είναι η ανάπτυξη και λειτουργία ΜΑΝΕΤ δικτύων και δικτύων αισθητήρων σε πλήρως συµµετρικό περιβάλλον (όλοι οι κόµβοι έχουν τις ίδιες δυνατότητες και τις ίδιες αρµοδιότητες ως προς την λειτουργία του δικτύου), όπου η πληροφοριακή κίνηση στο δίκτυο έχει απαιτήσεις για υψηλή διεκπεραιωτική ικανότητα. Η διασύνδεση µε σταθερές υποδοµές δεν κρίνεται απαραίτητη, ωστόσο είναι δυνατή. Η απόδοση του δικτύου θα πρέπει να είναι υψηλή σε περιβάλλον µε µεγάλη κινητικότητα των κόµβων και δυναµική αλλαγή της τοπολογίας, ενώ παράλληλα η κατανάλωση ενέργειας θα πρέπει να παραµένει σχετικά χαµηλή. Για την υποστήριξη των επιµέρους σχεδιαστικών αποφάσεων κατά την ανάπτυξη του προτεινόµενου συστήµατος, η διατριβή εστιάζει και συνεισφέρει στα ακόλουθα ερευνητικά θέµατα: ιερεύνηση, µελέτη και ανάλυση τεχνικών και πρωτοκόλλων ασύρµατης µετάδοσης στο φυσικό µέσο, εφαρµογή τεχνικών µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας που οφείλεται σε επικοινωνιακές λειτουργίες, την ανάπτυξη ενός εξειδικευµένου πρωτοκόλλου δροµολόγησης, την ανάλυση χαρακτηριστικών που αφορούν την απόδοση πρωτοκόλλων µεταφοράς δεδοµένων και την ανάπτυξη ενός νέου πρωτοκόλλου διαχείρισης σε δυναµικές ασύρµατες δικτυακές τοπολογίες οι οποίες δεν στηρίζουν τη λειτουργία τους σε σταθερές δικτυακές υποδοµές. Ανάπτυξη µίας ολοκληρωµένης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης για την υποστήριξη εφαρµογών σε ΜΑΝΕΤ δίκτυα. Παρουσίαση µίας µεθοδολογίας για την υλοποίηση και τον έλεγχο καλής λειτουργίας της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης σε ενσωµατωµένα συστήµατα που παρουσιάζουν περιορισµένους πόρους ως προς την επεξεργαστική ισχύ, τη χωρητικότητα µνήµης και την κατανάλωση ενέργειας. Η υλοποίηση είναι ένας άλλος σηµαντικός στόχος αυτής της διατριβής. Οι αλγόριθµοι και τα πρωτόκολλα που παρουσιάζονται δεν είναι απλώς έγκυρα από θεωρητική άποψη αλλά είναι αρκετά σταθερά και αξιόπιστα, ως προς τη λειτουργία, καθώς υλοποιήθηκαν και εφαρµόστηκαν σε πραγµατικό δικτυακό περιβάλλον, ώστε να ελεγχθεί και να επιβεβαιωθεί η αξιοπιστία του συστήµατος. Η επικοινωνιακή διαστρωµάτωση, η οποία περιλαµβάνει τα πρωτόκολλα και τους αλγόριθµους που παρουσιάζονται, έγινε µε σκοπό την ανάπτυξη ενός SoC (System on Chip) ολοκληρωµένου κυκλώµατος το οποίο περιλαµβάνει το απαραίτητο λογισµικό και περιφερειακά ώστε να αποτελεί έναν αυτόνοµο κόµβο, µε προηγµένες επικοινωνιακές δυνατότητες, ο οποίος χαρακτηρίζεται από µικρό µέγεθος, χαµηλό κόστος και µειωµένη κατανάλωση ενέργειας. i

8 Νικόλαος Β. Πόγκας Abstract Analysis Design and Development of Self-Organized Wireless Networks Based on Embedded System The research objective of this thesis is a complete solution so as to support the implementation of telecommunication applications in wireless networks that operate without the presence of fixed infrastructure. Such a network, cited as Mobile Ad-hoc Network (MANET) in international literature, is a self-organized, auto-configured wireless network with multi-hop routing paths where its structure is modified dynamically due to node mobility and topological changes. Current specialized applications require a complete system which addresses the overall problems and peculiarities found in such networks. Routing, management and other network operations face extreme challenges due to node mobility, the dynamic nature of network topology, potentially the large number of nodes, and the limited resources of the network, such as channel bandwidth, network capacity and energy consumption. In this thesis we propose a communication framework for MANET networks, which consists of novel protocols and algorithms at the logical link layer, network layer, modifications of the TCP protocol at the transport layer and a novel network management protocol. The purpose of the proposed framework is the development and robust operation of MANET and sensor-networks in a symmetric environment (where all the nodes have the same abilities and responsibilities in network operations) with communication requirements of high rate connection oriented traffic. The establishment of communication flows between the wireless nodes and fixed network infrastructure is not mandatory, although is possible. Network performance must be satisfactory in dynamic network topologies, whereas node energy consumption must be minimized. In order to support the specific design choices made towards the accomplishment of such an objective, the work presented in this thesis focuses on the following research topics: Research and analysis of wireless transmission techniques at the physical layer, adaptation of communication-related energy reduction techniques, development of a specialized routing protocol at the network layer, analysis of performance issues for data transport protocols and the implementation of a novel network management protocol in dynamic wireless network topologies that operate without the presence of fixed communication infrastructure. Development of a complete protocol stack so as to support applications aimed for MANET networks. Presentation of a methodology for the implementation and testability of the proposed network protocol stack for embedded systems with limited resources of processing power, memory capacity and energy consumption. Implementation issues are another objective of this thesis. The presented algorithms and protocols have robust and reliable operation since they are finally proved by a reference implementation of the proposed system in a real wireless network. The protocol stack, which consists of the proposed algorithms and protocols, has been implemented in a system on chip design (SoC) that consists of the necessary software modules and hardware peripherals and operates as an autonomous node with advanced communication capabilities, has small size, low implementation cost and low power consumption. ii

9 ιδακτορική ιατριβή ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1 Εισαγωγή Ορισµός και ιδιότητες των ad hoc δικτύων Παραλλαγές ad hoc δικτύων Προκλήσεις - προβλήµατα Παρόν και µέλλον των ad hoc δικτύων Αντικείµενο της διατριβής Περιγραφή και σηµαντικότητα του προβλήµατος Οργάνωση της διατριβής Ad-Hoc ίκτυα, Ιδιότητες Απαιτήσεις και Σχεδιαστικές Επιλογές Ιδιαιτερότητες των ad hoc δικτύων Εφαρµογές ad hoc δικτύων Τα δίκτυα αισθητήρων (sensor-networks) Χαρακτηριστικά των δικτύων MANET Αξιολόγηση της απόδοσης των δικτύων MANET Παράµεροι µέτρησης της απόδοσης πρωτοκόλλων σε ένα δίκτυο MANET ικτυακό περιβάλλον αξιολόγησης Αξιολόγηση και σχεδιασµός της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης Η επίδραση της καθυστέρησης και του εύρους ζώνης στην αρχιτεκτονική του δικτύου Η επιλογή του πρωτοκόλλου IP στο επίπεδο δικτύου ροµολόγηση IP πακέτων στο επίπεδο δικτύου Σκοπός του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου µεταφοράς TCP Ο µηχανισµός Slow-Start και αποφυγής συµφόρησης Οι µηχανισµοί Fast-Retransmit και Fast-Recovery Παραλλαγές του πρωτοκόλλου TCP Εγκατάσταση σύνδεσης στο πρωτόκολλο TCP iii

10 Νικόλαος Β. Πόγκας Παραλλαγές του µηχανισµού Slow-Start Η απόδοση του TCP σε MANET δίκτυα Μηχανισµοί βελτίωσης της απόδοσης του TCP σε Ad hoc δίκτυα Περίπτωση χωρίς µηχανισµούς γνωστοποίησης (Explicit Notification) Περίπτωση µε µηχανισµούς γνωστοποίησης (Explicit Notification) Βελτίωση της απόδοσης του TCP στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική Συµπεράσµατα ροµολόγηση σε Ad Hoc ίκτυα Τα χαρακτηριστικά των πρωτοκόλλων δροµολόγησης Θέση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης στο µοντέλο αναφοράς OSI Ταξινόµηση πρωτοκόλλων δροµολόγησης για MANET δίκτυα Επιλογή του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Σύγκριση πρωτοκόλλων δροµολόγησης Περιγραφή του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Προϋποθέσεις του δικτύου Ο µηχανισµός εύρεσης διαδροµής Ο µηχανισµός συντήρησης διαδροµής Επιπρόσθετες λειτουργίες του πρωτοκόλλου ροµολόγηση µεταξύ ενσύρµατων και ασύρµατων δικτύων ροµολόγηση σε εξωτερικά δίκτυα ιασύνδεση µε το διαδίκτυο Χρήση της τεχνολογίας Mobile IP σε ad hoc δίκτυα Συµπεράσµατα Λανθάνουσα µνήµη δροµολόγησης και σύνθετα κριτήρια επιλογής διαδροµών Η λανθάνουσα µνήµη δροµολόγησης (Route Cache) Ανάλυση σχεδιαστικών παραµέτρων οµή της Route Cache iv

11 ιδακτορική ιατριβή Χωρητικότητα Cache Timeout Προτεινόµενη αρχιτεκτονική για την Route Cache Προτεινόµενη δοµή για την Route Cache Προτεινόµενη χωρητικότητα Προτεινόµενο cache-timeout Η έννοια της ευστάθειας των κόµβων του δικτύου Σύνθετα κριτήρια επιλογής διαδροµών Τοποθέτηση του προβλήµατος Προτεινόµενη PAR στρατηγική δροµολόγησης Αλγόριθµος εύρεσης του ελάχιστου µονοπατιού Βασικές έννοιες Η εφαρµογή του αλγόριθµου Dijkstra στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική Τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου DSR µε σκοπό τη χρήση σύνθετων στρατηγικών δροµολόγησης Τροποποίηση του µηχανισµού εύρεσης διαδροµών Τροποποίηση του µηχανισµού συντήρησης διαδροµών Απόδοση της Route Cache Συµπεράσµατα Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του δικτύου ιαθέσιµες τεχνολογίες Ο αλγόριθµος χαµηλής κατανάλωσης Λειτουργικές καταστάσεις του αλγορίθµου LPM Ο µηχανισµός επαναµεταδόσεων Ο µηχανισµός επιτήρησης της κατάστασης γειτονικών κόµβων Θεωρητική ανάλυση του αλγορίθµου LPM Μελέτη εφαρµογής του αλγορίθµου LPM σε ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου IEEE Τρόποι λειτουργίας ασύρµατης κάρτας δικτύου IEEE v

12 Νικόλαος Β. Πόγκας Κατανάλωση ενέργειας ασύρµατων καρτών δικτύου Μεθοδολογία επιλογής παραµέτρων για τον αλγόριθµο LPM Θέση του αλγόριθµου LPM στην επικοινωνιακή διαστρωµάτωση Έλεγχος της ισχύος µετάδοσης Κατανάλωση ενέργειας σε διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα Παράγοντες απόδοσης του αλγόριθµου LPM Μελέτη της απόδοσης του αλγόριθµου LPM Κατανάλωση ενέργειας µε self-similar µοντέλο επικοινωνιακής κίνησης Η επίδραση του αριθµού επικοινωνιακών πηγών Η επίδραση του συντελεστή επαναµεταδόσεων R Επίδραση της εφαρµογής του αλγόριθµου LPM στην απόδοση του δικτύου Εφαρµογή της PAR στρατηγικής δροµολόγησης σε συνδυασµό µε τον αλγόριθµο LPM Συµπεράσµατα Πρωτόκολλο διαχείρισης Ad-Hoc δικτύων Αρχιτεκτονικές διαχείρισης ad hoc δικτύων Λειτουργίες διαχείρισης σε Ad hoc δίκτυα Προτεινόµενη αρχιτεκτονική Εργασίες διαχείρισης Πληροφορίες διαχείρισης Η υπηρεσία διαχείρισης ANMS Τα στοιχεία της υπηρεσίας διαχείρισης ANMS Μεταφορά δεδοµένων της υπηρεσίας ANMS Εύρεση της τοπολογίας σε ad hoc δίκτυο Άµεση απάντηση Συγκεντρωµένη απάντηση Οµαδική (clustered) απάντηση Παρατηρήσεις Τρόποι επικοινωνίας µεταξύ οντοτήτων διαχείρισης vi

13 ιδακτορική ιατριβή 6.9 Εσωτερική δοµή του πρωτοκόλλου διαχείρισης ANMP Οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου ANMP Αποστολή µηνύµατος Manager-Request Λήψη µηνύµατος Manager Request Αποστολή µηνύµατος Agent-Response Λήψη µηνύµατος Agent-Response Εφαρµογές της αρχιτεκτονικής διαχείρισης Εφαρµογή στην εύρεση του ενεργειακού χάρτη Εφαρµογή σε σύνθετες στρατηγικές δροµολόγησης Εφαρµογή στην υλοποίηση υβριδικών πρωτοκόλλων δροµολόγησης Ασφάλεια στη διαχείριση και τις επικοινωνίες του δικτύου Συµπεράσµατα Υλοποίηση και εφαρµογή της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης Μεθοδολογία ανάπτυξης Χρήση της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης σε πιλοτική εφαρµογή Προδιαγραφές υλικού του ενσωµατωµένου συστήµατος Οι οντότητες της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης Περιγραφή των διαδικασιών αποστολής και λήψης Μεθοδολογία ανάπτυξης της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης µε σκοπό τον έλεγχο των επικοινωνιακών πρωτοκόλλων Συµπεράσµατα Συµπεράσµατα - Προτάσεις Επιστηµονικά αποτελέσµατα της διατριβής Μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΜΗΣΕΩΝ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ vii

14 viii Νικόλαος Β. Πόγκας

15 ιδακτορική ιατριβή 1 Εισαγωγή Η πρόσφατη ανάπτυξη των τεχνολογιών ασύρµατων και κινητών επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσµα συσκευές µικρού µεγέθους, υψηλής υπολογιστικής ισχύος και αυξηµένων επικοινωνιακών δυνατοτήτων να χρησιµοποιούνται σε όλο και περισσότερες επικοινωνιακές εφαρµογές. Ενώ το παραδοσιακό µοντέλο για ασύρµατες κινητές επικοινωνίες βασίζεται σε δικτυακές υποδοµές κυψελιδικών συστηµάτων Σχ 1.1, πρόσφατες ερευνητικές δραστηριότητες έχουν εστιάσει την προσοχή τους στην ανάπτυξη ασύρµατων δικτύων τα οποία δεν στηρίζονται σε σταθερές δικτυακές υποδοµές. Ένα τέτοιο δίκτυο, το οποίο αναφέρεται στην βιβλιογραφία ως κινητό ad hoc δίκτυο (Mobile Ad-hoc Network)- MANET [1] (oι όροι MANET δίκτυο και ad hoc δίκτυο χρησιµοποιούνται ως ταυτόσηµοι στη συνέχεια της διατριβής), είναι ένα αυτο-οργανώσιµο, αυτο-σχηµατιζόµενο ασύρµατο δίκτυο µε διαδροµές πολλαπλών τµηµάτων (multi-hop), όπου η δοµή του δικτύου αλλάζει δυναµικά λόγω της κινητικότητας των κόµβων ή αλλαγές στην τοπολογία, Σχ 1.2. Οι ιδιότητες αυτών των δικτύων είναι εξαιρετικά ελκυστικές σε ένα µεγάλο εύρος εφαρµογών όπως: δίκτυα αισθητών (sensor networks) τακτικών επικοινωνιών, εφαρµογές στρατιωτικές-επιβολής νόµου, ανάπτυξη δικτύων σε αφιλόξενο περιβάλλον ή σε περιοχές που έχουν πληγεί από καταστροφές καθώς και σε πολιτικές εφαρµογές όπως συνεδριακά κέντρα, αίθουσες συνδιάσκεψης κλπ. Οι κόµβοι ενός τέτοιου δικτύου µοιράζονται ένα κοινό ασύρµατο µέσο και συνεργάζονται για την δροµολόγηση των πακέτων και τις υπόλοιπες δικτυακές λειτουργίες. Κάθε κόµβος εκτελεί και λειτουργίες δροµολογητή καθώς διατηρεί διαδροµές προς άλλους κόµβους του δικτύου και όταν χρειάζεται προωθεί πακέτα που προορίζονται σε σταθµούς οι οποίοι δεν είναι στην εµβέλεια µετάδοσης του. Η δροµολόγηση, η διαχείριση και άλλες επικοινωνιακές λειτουργίες ενός τέτοιου δικτύου αντιµετωπίζουν ακραίες προκλήσεις λόγω της κινητικότητας και δυναµικής συµπεριφοράς των κόµβων, ενδεχοµένως του µεγάλου αριθµού των κόµβων στο δίκτυο, και των περιορισµένων πόρων του δικτύου όπως το εύρος ζώνης και η κατανάλωση ενέργειας. Τα πρωτόκολλα δροµολόγησης, διαχείρισης δικτύου και µεταφοράς δεδοµένων θα πρέπει να ανταποκρίνονται γρήγορα σε συχνές και απρόβλεπτες αλλαγές της τοπολογίας και η λειτουργία τους δεν θα πρέπει να επιβαρύνει τους περιορισµένους πόρους του δικτύου. Σχήµα 1.1 Κυψελιδικό ασύρµατο δίκτυο 1

16 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχήµα 1.2 MANET (Mobile Ad hoc Network) δίκτυο 1.1 Ορισµός και ιδιότητες των ad hoc δικτύων Τα ad hoc δίκτυα είναι πολύ σηµαντικά στην εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών καθώς κληρονοµούν τα παραδοσιακά προβλήµατα των ασύρµατων και κινητών επικοινωνιών, όπως η βελτιστοποίηση του εύρους ζώνης, µείωση της κατανάλωσης ενέργειας, και αύξηση της αποδοτικότητας των επικοινωνιών. Επίσης, επειδή οι διαδροµές δροµολόγησης των πακέτων αποτελούνται από πολλαπλά τµήµατα (multi-hop) και δεν υπάρχουν σταθερές δικτυακές υποδοµές (γέφυρες, δροµολογητές, πύλες κλπ) δηµιουργούνται νέα ερευνητικά προβλήµατα όπως ο σχηµατισµός και η διαχείριση του δικτύου, η εύρεση συσκευών, η διατήρηση της τοπολογίας, η διευθυνσιοδότηση των σταθµών και η δροµολόγηση των πακέτων. ιάφορες µέθοδοι και πρωτόκολλα έχουν προταθεί για τα παραπάνω προβλήµατα και προσπάθειες έχουν γίνει για να δηµιουργηθούν κάποια στάνταρντ διαµέσου του οργανισµού Internet Engineering Task Force IETF καθώς και από ακαδηµαϊκές και βιοµηχανικές ερευνητικές δραστηριότητες. Αυτά τα δίκτυα συνήθως αποτελούνται από όµοιους σταθµούς (ως προς τις δυνατότητες, αρµοδιότητες και λειτουργίες τους) οι οποίοι επικοινωνούν διαµέσου ασύρµατων διασυνδέσεων χωρίς κεντρικό έλεγχο. Ωστόσο, στην περίπτωση των δικτύων αισθητήρων (sensor networks), τα οποία ονοµάζονται και υβριδικά ad hoc δίκτυα, υπάρχει συνήθως κάποια διασύνδεση µε κέντρα επίβλεψης (monitoring centers) τα οποία συγκεντρώνουν πληροφορίες όπως, θερµοκρασίες, ανίχνευση χηµικών ουσιών ή κίνησης, από του σταθµούς του δικτύου [4] [11]. Πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί κυψελιδικά δίκτυα πολλαπλών τµηµάτων (multihop cellular networks) [5] ως εναλλακτικές δικτυακές αρχιτεκτονικές σε περιβάλλοντα όπου πολλοί σταθµοί είναι συγκεντρωµένοι σε σχετικά µικρούς χώρους. Επίσης, η πρόσφατη ανάπτυξη Peer-to-Peer (P2P) δικτύων για την ανταλλαγή δεδοµένων µεταξύ χρηστών του διαδικτύου στηρίζεται σε λειτουργίες και πρωτόκολλα που προέρχονται από το πεδίο των ad hoc δικτύων. Τα P2P δίκτυα ουσιαστικά είναι εικονικά ad hoc δίκτυα τα οποία αναπτύσσονται στο διαδίκτυο όπου δύο ή περισσότερες οµότιµες οντότητες (peer entities) χρησιµοποιούν αναγκαίες πληροφορίες και επικοινωνιακά συστήµατα ώστε να συνεργαστούν αυτόνοµα χωρίς να απαιτείται κεντρικός συντονισµός. Ένα είδος εξειδικευµένου ad hoc δικτύου αποτελούν και τα δίκτυα αισθητήρων (senornetworks), τα οποία χαρακτηρίζονται από σχετικά χαµηλή έως στατική κίνηση των κόµβων, µικρή διεκπεραιωτική ικανότητα (<10kbps), µεγάλο πλήθος κόµβων ( ) και 2

17 ιδακτορική ιατριβή πληροφοριακή κίνηση µεταξύ των κόµβων η οποία είναι περιοδική µε πολύ µικρό µέγεθος δεδοµένων (µερικές µεταβλητές). Ενώ συνήθως η διευθυνσιοδότηση γίνεται µε βάση το περιεχόµενο της πληροφορίας και όχι την ταυτότητα των εκάστοτε κόµβων. Τα δίκτυα αισθητήρων αποτελούν ένα σχετικά νέο ερευνητικό πεδίο µε σηµαντική δραστηριότητα. Τα ad hoc δίκτυα επιτρέπουν την εύκολη ανάπτυξη και λειτουργία τους σε πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα χωρίς να είναι απαραίτητη η χρήση εξειδικευµένων εφαρµογών και η εκτέλεση διαχειριστικών λειτουργιών ή άλλων ενεργειών από τους χρήστες. Ένα άλλο πλεονέκτηµα είναι το γεγονός ότι δεν απαιτείται η χρήση σταθερών δικτυακών υποδοµών για τη λειτουργία του δικτύου ενώ η τοπολογία του δικτύου µπορεί να είναι δυναµική. 1.2 Παραλλαγές ad hoc δικτύων Τα ad hoc δίκτυα καλύπτουν ένα ευρύ φάσµα δικτύων τα οποία µπορεί να διαφέρουν σηµαντικά ως προς τις απαιτήσεις, τις δυνατότητες και τα χαρακτηριστικά τους. Σε αυτό το τµήµα παραθέτουµε κάποιες από τις διαφοροποιήσεις που παρουσιάζουν αυτά τα δίκτυα και προτείνουµε κάποιους ορισµούς για την οµαδοποίηση τους µε σκοπό να γίνει σαφής η µελέτη τους. Με βάση τις δυνατότητες και τις αρµοδιότητες των κόµβων, τα ad hoc δίκτυα µπορούν να χωριστούν στις παρακάτω οµάδες: Πλήρως συµµετρικό περιβάλλον: σε τέτοιου τύπου δίκτυα όλοι οι κόµβοι έχουν τις ίδιες δυνατότητες και τις ίδιες αρµοδιότητες ως προς τη λειτουργία του δικτύου. Ασύµµετρες δυνατότητες: σε τέτοιου τύπου δίκτυα οι κόµβοι µπορεί να παρουσιάζουν διαφοροποιήσεις όσων αφορά τη λειτουργία και της δυνατότητες του υλικού (hardware) µε αποτέλεσµα να έχουν µεγαλύτερη ακτίνα µετάδοσης, διάρκεια µπαταρίας, επεξεργαστική ισχύ ή ταχύτητα κίνησης. Ασύµµετρες αρµοδιότητες: ένα υποσύνολο των κόµβων του δικτύου είναι υπεύθυνο για τη δροµολόγηση των πακέτων, επίσης, κάποιοι κόµβοι (cluster-heads) µπορεί να είναι υπεύθυνοι για έναν υποτοµέα του δικτύου (cluster) µε αποτέλεσµα να εκτελούν συγκεκριµένες δικτυακές λειτουργίες. Επίσης τα δίκτυα αυτά µπορεί να διαφέρουν ως προς τις παρακάτω απαιτήσεις και χαρακτηριστικά: 1) Πληροφοριακή κίνηση: Τα χαρακτηριστικά της πληροφοριακής κίνησης συνήθως διαφέρουν σε κάθε ad hoc δίκτυο. Ένα σηµαντικό χαρακτηριστικό είναι το bit-rate της πληροφοριακής κίνησης που µεταδίδεται στο δίκτυο καθώς το εύρος ζώνης είναι συνήθως περιορισµένο. Άλλα χαρακτηριστικά µπορεί να είναι τυχόν απαιτήσεις για κίνηση πραγµατικού χρόνου, χαµηλής καθυστέρησης (latency), αξιοπιστίας µετάδοσης ή ασφάλειας στις επικοινωνίες. 2) Τύπος διευθυνσιοδότησης: Η διευθυνσιοδότηση των κόµβων µπορεί να γίνεται µε βάση τις διευθύνσεις των σταθµών (host-based addressing) ή το περιεχόµενο τις πληροφορίας που περιέχεται σε κάποιο πακέτο (content base addressing). Επίσης η ανάθεση των διευθύνσεων στους σταθµούς µπορεί να γίνεται µε στατικό ή δυναµικό τρόπο. 3) ιασύνδεση µε σταθερές δικτυακές δοµές: Σε αυτή την περίπτωση προκύπτουν απαιτήσεις για δυνατότητες επικοινωνίας µεταξύ διαφορετικών δικτύων ή/και τεχνολογιών µετάδοσης. 4) Μοντέλο κίνησης δυναµικότητα της τοπολογίας: Τα χαρακτηριστικά κίνησης των κόµβων µπορεί να διαφέρουν ως προς την ταχύτητα, ικανότητα πρόβλεψης της κίνησης (σε κυψελιδικού τύπου δίκτυα κινητής τηλεφωνίας έχουν αναπτυχθεί και εφαρµόζονται 3

18 Νικόλαος Β. Πόγκας αλγόριθµοι πρόβλεψης), οµοιογένεια της κίνησης µεταξύ των κόµβων, κλπ. Τα χαρακτηριστικά κίνησης επηρεάζουν σηµαντικά τις απαιτήσεις του πρωτοκόλλου δροµολόγησης καθώς απαιτούνται αλγόριθµοι δροµολόγησης που συγκλίνουν γρήγορα (δηλαδή βρίσκουν την διαδροµή για την δροµολόγηση του πακέτου) και προκαλούν περιορισµένη επιβάρυνση στο δίκτυο. Επίσης η τοπολογία του δικτύου µπορεί να αλλάζει δυναµικά από εξωγενείς παράγοντες όπως πηγές παρεµβολής, αλλαγές της δικτυακής υποδοµής, εξωτερικές παρεµβάσεις ή δυσλειτουργίες των κόµβων, κλπ. 5) Κατανάλωση ενέργειας: Καθώς οι κόµβοι του δικτύου είναι συνήθως κινητοί και τροφοδοτούνται από ηλεκτρικούς συσσωρευτές, η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας αποτελεί σηµαντική προϋπόθεση για τη λειτουργία του δικτύου. Συχνά η κατανάλωση ενέργειας που οφείλεται στη λειτουργία της ασύρµατης κάρτας δικτύου είναι µεγαλύτερη από καταναλώσεις που οφείλονται στον επεξεργαστή, στη µνήµη ή άλλα περιφερειακά του κόµβου. Οι απαιτήσεις για µειωµένη κατανάλωση ενέργειας προϋποθέτουν έναν προσεκτικό σχεδιασµό των πρωτοκόλλων επικοινωνίας καθώς εισάγουν περιορισµούς στις λειτουργικές δυνατότητες των κόµβων. 1.3 Προκλήσεις - προβλήµατα Ο σχεδιασµός και η λειτουργία ενός ad hoc δικτύου εµπεριέχει τις παρακάτω προκλήσεις και προβλήµατα, ένα µέρος των οποίων είναι τα παραδοσιακά προβλήµατα των ασύρµατων και κινητών επικοινωνιών ενώ τα υπόλοιπα προκύπτουν από τα δυναµικά χαρακτηριστικά του δικτύου και την απουσία σταθερών δικτυακών υποδοµών. Περιορισµένη εµβέλεια µετάδοσης (transmission range). Περιορισµένη διεκπεραιωτική ικανότητα. Broadcast φύση του ασύρµατου µέσου. Απώλειες πακέτων λόγω σφαλµάτων µετάδοσης. Απώλειες πακέτων που οφείλονται στην κίνηση των κόµβων. Αλλαγές στην τοπολογία, και ως αποτέλεσµα την δροµολόγηση του δικτύου. Ενδεχόµενες συχνές κατατµήσεις του δικτύου. Επεκτασιµότητα του δικτύου. Περιορισµοί στην διάρκεια των ηλεκτρικών συσσωρευτών. Ευκολία λήψης ασύρµατης µετάδοσης και κίνδυνοι ως προς την ασφάλεια του δικτύου και του απόρρητου των πληροφοριών που αυτό συνεπάγεται. υναµική διευθυνσιοδότηση Απαιτήσεις QoS. Απαιτήσεις διαχείρισης του δικτύου Λόγω της περιορισµένης εµβέλειας µετάδοσης η ανάπτυξη του δικτύου σε µία µεγάλη γεωγραφική περιοχή απαιτεί τη δροµολόγηση των πακέτων σε διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα. Ενώ οι ασύρµατες επικοινωνίες εξελίσσονται µε γρήγορο ρυθµό, η διεκπεραιωτική 4

19 ιδακτορική ιατριβή τους ικανότητα είναι µία τάξη µεγέθους µικρότερη σε σχέση µε αυτή των ενσύρµατων επικοινωνιών. Το γεγονός ότι όλοι οι κόµβοι µοιράζονται το ίδιο φυσικό µέσο προκαλεί προβλήµατα όπως συγκρούσεις πακέτων, το πρόβληµα του κρυµµένου κόµβου (hidden node problem) και το πρόβληµα του εκτεθειµένου κόµβου (exposed node problem) [2]. Οι αυξηµένες απώλειες πακέτων απαιτούν τον προσεκτικό σχεδιασµό των επιπέδων φυσικού µέσου, του υποεπιπέδου προσπέλασης µέσου καθώς και των πρωτοκόλλων µεταφοράς ώστε να µην δηµιουργηθούν δυσλειτουργίες κατά την επικοινωνία. Η κινητικότητα των κόµβων οι αλλαγές στην τοπολογία και η πιθανή κατάτµηση του δικτύου αφορούν κυρίως το πρωτοκόλλου δροµολόγησης και αποτελούν τα κύρια προβλήµατα που θα πρέπει να αντιµετωπίσει. Οι απαιτήσεις που προκύπτουν για το πρωτόκολλο δροµολόγησης συναντώνται µόνο σε ad hoc δίκτυα. Αυτό είχε ως αποτέλεσµα την αυξηµένη ερευνητική δραστηριότητα και την ανάπτυξη νέων αλγορίθµων και πρωτοκόλλων για την αντιµετώπιση τους. Η επεκτασιµότητα σε ένα ad hoc δίκτυο µπορεί γενικώς να οριστεί ως η ικανότητα του δικτύου να παρέχει ένα ικανοποιητικό επίπεδο εξυπηρέτησης πακέτων όταν αυξάνεται ο αριθµός των κόµβων σε αυτό [9]. Όπως και στα ενσύρµατα δίκτυα αυτή η ικανότητα εξαρτάται από τη σχέση της αύξησης του αριθµού των πακέτων ελέγχου ως συνάρτηση της αύξησης του αριθµού των κόµβων και των αλλαγών στην τοπολογία του δικτύου. Σε ad hoc δίκτυα η επεκτασιµότητα συνήθως εξασφαλίζεται µε την εισαγωγή ιεραρχικών δοµών στην τοπολογία του δικτύου και τη δροµολόγηση των πακέτων [7], τον περιορισµό του εύρος των πακέτων ανανέωσης πινάκων δροµολόγησης σε περιοχές που συµβαίνουν αλλαγές στην τοπολογία [6] [8] ή χρησιµοποιώντας τεχνικές που µειώνουν την ζώνη στην οποία γίνεται η διαδικασία αναζήτησης διαδροµής. Οι απαιτήσεις για µείωση της κατανάλωσης ενέργειας σε ένα ad hoc δίκτυο είναι ένα πολυσύνθετο πρόβληµα, πολύ δυσκολότερο σε σχέση µε αυτό των παραδοσιακών ασύρµατων και κινητών επικοινωνιών. Η αποτελεσµατική του λύση δηµιουργεί απαιτήσεις στον επανασχεδιασµό όλων των πρωτοκόλλων της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης από το φυσικό επίπεδο ως το επίπεδο µεταφοράς. Η ασφάλεια των επικοινωνιών σε αυτά τα δίκτυα παρουσιάζει αρκετές ιδιαιτερότητες οι οποίες προέρχονται κυρίως από την κατανεµηµένη δοµή του δικτύου και την απαίτηση για συνεργασία όλων των κόµβων ώστε να διεκπεραιωθούν λειτουργίες όπως η δροµολόγηση και η διαχείριση του δικτύου [10]. Εκτός από τα προβλήµατα ασφαλείας που έχει το ασύρµατο φυσικό µέσο, αλγόριθµοι κρυπτογραφίας (cryptography) και απόδειξης αυθεντικότητας (authentication) (πχ ΜD5, EPAP) είναι δύσκολο να εφαρµοστούν λόγω της κατανεµηµένης φύσης του δικτύου. Ένα άλλο πρόβληµα αποτελεί η δυναµική διευθυνσιοδότηση των σταθµών ενός ad hoc δικτύου. Πρωτόκολλα δυναµικής ανάθεσης IP διευθύνσεων, όπως το DHCP [15], είναι δύσκολο να εφαρµοστούν σε ad hoc δίκτυα γιατί απαιτούν την δροµολόγηση των πακέτων ελέγχου του πρωτοκόλλου ανάθεσης στο δίκτυο. Προτάσεις της διεθνούς βιβλιογραφίας για τη λύση του προβλήµατος δεν κρίνονται επαρκής καθώς πολλές από αυτές στηρίζονται στην τυχαία ανάθεση αρχικών διευθύνσεων από τους σταθµούς για την επικοινωνία τους µε τον DHCP server. Τα ad hoc δίκτυα περιπλέκουν ακόµα περισσότερο τις προκλήσεις του QoS λόγω των χαρακτηριστικών του ασύρµατου φυσικού µέσου, της δυναµικής τοπολογίας και τον ανταγωνισµό των κόµβων για την πρόσβαση στο ίδιο κανάλι επικοινωνίας ενώ ο καθένας πιθανώς έχει διαφορετικές απαιτήσεις για QoS [9]. Σχετικά µε τη διαχείριση του δικτύου, οι απαιτήσεις προκύπτουν συνήθως από την εφαρµογή του ad hoc δικτύου αλλά και τους χρήστες ή τις διεργασίες των σταθµών που αποτελούν το δίκτυο. ιαχειριστικές λειτουργίες µπορεί να αφορούν, χωρίς να περιορίζονται, την ανεύρεση 5

20 Νικόλαος Β. Πόγκας κόµβων, της τοπολογίας του δικτύου ή υπηρεσιών που παρέχονται από κάποιους κόµβους. Λόγω της κατανεµηµένης φύσης των ad hoc δικτύων, πρωτόκολλα διαχείρισης ενσύρµατων δικτύων δεν µπορούν να εφαρµοστούν σε αυτά. Ωστόσο το πιο βασικό πρόβληµα είναι η έλλειψη καλώς ορισµένων και γενικώς αποδεκτών µοντέλων RF εξασθένησης, επικοινωνιακής κίνησης και κινητικότητας των κόµβων. Αυτά τα στενά αλληλοσχετιζόµενα µοντέλα είναι απαραίτητα για την ποιοτική και ποσοτική σύγκριση της απόδοσης διαφορετικών πρωτοκόλλων. Γενικώς, τα ad hoc δίκτυα αποτελούν ένα πολύ πολύπλοκο σύστηµα το οποίο είναι δύσκολο να µοντελοποιηθεί και δεν υπάρχουν αρκετές υλοποιήσεις τέτοιων δικτύων ώστε να αξιολογηθούν τα µοντέλα περιγραφής. Για τα παραπάνω προβλήµατα δεν υπάρχουν γενερικές λύσεις, δηλαδή δεν είναι δυνατόν ένας αλγόριθµος να έχει βέλτιστη συµπεριφορά ως προς κάποια καθορισµένα κριτήρια για διαφορετικές παραλλαγές του δικτύου. Τα προβλήµατα που αναλαµβάνουν να λύσουν οι αλγόριθµοι που αναπτύσσονται στα ad hoc δίκτυα θεωρούνται µαθηµατικώς δύσκολα δεδοµένου ότι: i. εν υπάρχουν µαθηµατικά αναλυτικά µοντέλα. ii. iii. iv. Οι παράµετροι διάρθρωσης (configuration-parameters) του δικτύου είναι συχνά ορθογώνιες µεταξύ τους (πχ µείωση της κατανάλωσης ενέργειας του δικτύου προκαλεί επιβάρυνση στην δροµολόγηση ή την καθυστέρηση). Περιλαµβάνουν ένα σύνολο από καλώς ορισµένα πλήρης µη-πολυωνυµικά (npcomplete) προβλήµατα. Πολλές προτεινόµενες λύσεις απευθύνονται σε ένα υποσύνολο του πεδίου ορισµού του προβλήµατος. 1.4 Παρόν και µέλλον των ad hoc δικτύων Η έρευνα σε ad hoc δίκτυα και συγκεκριµένα σε πρωτόκολλα δροµολόγησης ικανά να αντεπεξέλθουν στις προκλήσεις που παρουσιάζουν αυτά τα δίκτυα, ξεκίνησαν για στρατιωτικές εφαρµογές. Σήµερα όµως, στα συγκεκριµένα δίκτυα υπάρχει σηµαντική ερευνητική δραστηριότητα διεθνώς λόγω των παρακάτω λόγων. Ένα µέρος των προβληµάτων που παρουσιάζονται σε αυτά τα δίκτυα είναι κοινά µε άλλες ερευνητικές περιοχές όπως οι κατανεµηµένοι αλγόριθµοι, µελλοντικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας (4ης γενεάς), grid networks, δίκτυα ανταλλαγής δεδοµένων µεταξύ χρηστών στο διαδίκτυο (p2p networks), προσαρµοστικοί αλγόριθµοι δροµολόγησης σε σταθερά δίκτυα κλπ, µε αποτέλεσµα οι αλγόριθµοι που αναπτύσσονται να έχουν εφαρµογή και σε άλλους επιστηµονικούς τοµείς. εύτερον τα δίκτυα αυτά παρουσιάζουν πολλές παραλλαγές ως προς τις δυνατότητες-λειτουργίες των κόµβων, τα χαρακτηριστικά κίνησης, τα µοντέλα κινητικότητας και τα κριτήρια απόδοσης µε αποτέλεσµα να αποτελούν ένα ευρύ ερευνητικό πεδίο το οποίο παρουσιάζει πολλά και δύσκολα προβλήµατα και αποτελεί πρόκληση για επιστήµονες που ασχολούνται µε δίκτυα υπολογιστών. Τέλος, η ερευνητική χρηµατοδότηση που παρέχεται σε αυτά τα δίκτυα είναι αρκετά υψηλή. 1.5 Αντικείµενο της διατριβής Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται και παρουσιάζεται ένα ολοκληρωµένο επικοινωνιακό αρχιτεκτονικό πλαίσιο για ad hoc δίκτυα, το οποίο αποτελείται από νέα πρωτόκολλα και αλγόριθµους στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων και στο επίπεδο δικτύου, τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου TCP στο επίπεδο µεταφοράς και ένα νέο πρωτόκολλο Ν- επιπέδων διαχείρισης δικτύου. Σκοπός της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής είναι η ανάπτυξη 6

21 ιδακτορική ιατριβή και λειτουργία ad hoc δικτύων και δικτύων αισθητήρων σε πλήρως συµµετρικό περιβάλλον όπου η πληροφοριακή κίνηση στο δίκτυο έχει απαιτήσεις για υψηλή διεκπεραιωτική ικανότητα και ασφάλεια των επικοινωνιών. Η διασύνδεση µε σταθερές υποδοµές δεν κρίνεται απαραίτητη, αν και είναι δυνατή. Η απόδοση του δικτύου θα πρέπει να είναι υψηλή σε περιβάλλον µε µεγάλη κινητικότητα των κόµβων και δυναµική αλλαγή της τοπολογίας, ενώ παράλληλα η κατανάλωση ενέργειας θα πρέπει να παραµένει σχετικά χαµηλή. Η υλοποίηση είναι ένας άλλος σηµαντικός στόχος αυτής της διατριβής. Οι αλγόριθµοι και τα πρωτόκολλα που παρουσιάζονται δεν είναι απλώς έγκυρα από θεωρητική άποψη αλλά είναι αρκετά σταθερά και αξιόπιστα, ως προς την λειτουργία, καθώς υλοποιήθηκαν και εφαρµόστηκαν σε πραγµατικό δικτυακό περιβάλλον, ώστε να ελεγχθεί και να επιβεβαιωθεί η αξιοπιστία του συστήµατος. Η υλοποίηση της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης έγινε µε σκοπό τη χρήση της σε ενσωµατωµένα συστήµατα µε περιορισµένους πόρους, ως προς την επεξεργαστική ισχύ, τη χωρητικότητα µνήµης και περιορισµούς στην κατανάλωση ενέργειας. Στο Σχ. 1.3 παρουσιάζεται η προτεινόµενη επικοινωνιακή διαστρωµάτωση µε τα επικοινωνιακά συστήµατα που την απαρτίζουν. Επίσης, σε αυτό το σχήµα παρουσιάζεται η αντιστοίχηση των συστηµάτων µε τα επίπεδα του ιεραρχικού µοντέλου OSIRM (Open Systems Interconnection Reference Model) στα οποία ανήκουν. Σχήµα. 1.3 Η προτεινόµενη επικοινωνιακή διαστρωµάτωση για Ad hoc δίκτυα. Σκοπός της πιλοτικής εφαρµογής είναι η µετάδοση πληροφοριών Audio Video περιεχοµένου χωρίς χρονικούς περιορισµούς πραγµατικού χρόνου µεταξύ των κόµβων του δικτύου. Το πρωτόκολλο εφαρµογής είναι ένα πρωτόκολλο τύπου client-server το οποίο χρησιµοποιεί ανταλλαγή µηνυµάτων τύπου αίτησης/απάντησης (request/response) και υποστηρίζει ένα αξιόπιστο υποσύστηµα κρυπτογράφησης των δεδοµένων. Για τη σύνδεση µε αποµακρυσµένους σταθµούς και τη µεταφορά των δεδοµένων το πρωτοκόλλου εφαρµογής χρησιµοποιείται το πρωτόκολλο TCP στο επίπεδο µεταφοράς. Το πρωτόκολλο TCP είναι ένα 7

22 Νικόλαος Β. Πόγκας πρωτόκολλο µε σύνδεση κι επιβεβαίωση το οποίο καλύπτει τα επίπεδα συνόδου και µεταφοράς του µοντέλου OSI. Προηγµένες δυνατότητες δροµολόγησης πακέτων στο ad hoc δίκτυο παρέχεται από το αντίστοιχο πρωτόκολλο δροµολόγησης στο επίπεδο δικτύου. Πληροφορίες που αφορούν τους κόµβους του δικτύου και την τοπολογία αποθηκεύονται στη λανθάνουσα µνήµη δροµολόγησης (Route Cache). Το πρωτόκολλο διαχείρισης του δικτύου χρησιµοποιεί το πρωτόκολλο δροµολόγησης και είναι ένα πρωτόκολλο χωρίς σύνδεση και χωρίς επιβεβαίωση. Η οντότητα διαχείρισης του δικτύου µπορεί να εκτελέσει διαχειριστικές λειτουργίες σε όλα τα επίπεδα της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης. Εποµένως, το πρωτόκολλο διαχείρισης µπορεί να θεωρηθεί ως ένα πρωτόκολλο Ν-επιπέδων. Στο επίπεδο δικτύου υλοποιείται το IP πρωτόκολλο το οποίο είναι συµβατό µε το IPv4 [12] και το IPv6 [13] στάνταρντ. Το πρωτόκολλο ARP [14] το οποίο αποτελεί τη διασύνδεση του επιπέδου δικτύου µε το υπο-επίπεδο λογικής σύνδεσης δεδοµένων (LLC) είναι υπεύθυνο για την αντιστοίχηση των διευθύνσεων δικτύου (διευθύνσεις IP) µε τις διευθύνσεις του επιπέδου σύνδεσης δεδοµένων (διευθύνσεις MAC). Στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων το υποσύστηµα διαχείρισης της επικοινωνιακής κίνησης εισάγει προτεραιότητες στην αποστολή των πακέτων µε βάση τον τύπο τους. Τέλος, το πρωτόκολλο LPM υποστηρίζει µηχανισµούς που επιτρέπουν τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας της ασύρµατης κάρτας δικτύου χωρίς να επηρεάζεται η επικοινωνία και η απόδοση του δικτύου. 1.6 Περιγραφή και σηµαντικότητα του προβλήµατος Η παρούσα διδακτορική διατριβή έρχεται να καλύψει την ανάγκη ύπαρξης µιας ολοκληρωµένης αρχιτεκτονικής η οποία αποτελείται από µια σύνθετη επικοινωνιακή διαστρωµάτωση για την ανάπτυξη εξειδικευµένων επικοινωνιακών εφαρµογών σε ΜΑΝΕΤ δίκτυα. Τα κυριότερα επιστηµονικά αποτελέσµατα της παρούσης διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται παρακάτω: i. ιερεύνηση, µελέτη και ανάλυση πρωτοκόλλων και αλγορίθµων ανάπτυξης κατανεµηµένων ασύρµατων δικτύων τύπου ΜΑΝΕΤ. ii. ιερεύνηση, µελέτη και ανάλυση τεχνικών και πρωτοκόλλων ασύρµατης µετάδοσης στο φυσικό µέσο, µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας, δροµολόγησης πακέτων στο δίκτυο, µεταφοράς δεδοµένων και λειτουργιών διαχείρισης δικτύων σε δυναµικές ασύρµατες δικτυακές τοπολογίες οι οποίες δεν στηρίζουν την λειτουργία τους σε σταθερές δικτυακές υποδοµές. iii. Ανάπτυξη ολοκληρωµένης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης, µεθοδολογίας σχεδίασης και ανάπτυξης αρχιτεκτονικών για την υποστήριξη της ανάπτυξης ΜΑΝΕΤ δικτύων και εφαρµογών. iv. Σχεδίαση, ανάπτυξη και υλοποίηση ενός πλήρως κατανεµηµένου αλγόριθµου για τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα µε δυναµική τοπολογία και διαδροµές πολλαπλών τµηµάτων. v. Σχεδίαση, ανάπτυξη και υλοποίηση πρωτοκόλλου δροµολόγησης µε σύνθετα κριτήρια επιλογής διαδροµών µε σκοπό την αύξηση της αποδοτικότητας των επικοινωνιών και του χρόνου λειτουργίας κόµβων οι οποίοι τροφοδοτούνται από ηλεκτρικούς συσσωρευτές. vi. Σχεδίαση, ανάπτυξη και υλοποίηση κατανεµηµένης αρχιτεκτονικής για τη διαχείριση δικτύων τύπου ΜΑΝΕΤ, διερεύνηση και εφαρµογές της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής στην ασφάλεια των επικοινωνιών, την εύρεση της τοπολογίας του δικτύου και την ανάπτυξη υβριδικών πρωτοκόλλων δροµολόγησης µε σύνθετα κριτήρια επιλογής διαδροµών. 8

23 ιδακτορική ιατριβή vii. Μεθοδολογίες ανάπτυξης και υλοποίησης της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης σε ενσωµατωµένα συστήµατα µε περιορισµένους πόρους επεξεργαστικής ισχύος, χωρητικότητας µνήµης και περιορισµούς στην κατανάλωση ενέργειας. ιερεύνηση και χρήση προτύπων ασύρµατων επικοινωνιών για την ανάπτυξη της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής όπως το ΙΕΕΕ Οργάνωση της διατριβής Η οργάνωση της διατριβής βασίζεται κατ' αρχάς στην παρουσίαση της τεχνολογίας και των προβληµάτων που θέσαµε ως στόχο να αντιµετωπίσει. Καθώς η διατριβή στηρίζεται σε ένα µεγάλο αριθµό πρωτοκόλλων και αντιµετωπίζει αρκετά προβλήµατα που αφορούν τα ad hoc δίκτυα σε διαφορετικά επίπεδα της OSI επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης, σε κάθε κεφάλαιο παρουσιάζεται η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τη λύση των συγκεκριµένων προβληµάτων, αναπτύσσονται τα επιµέρους υποσυστήµατα και γίνεται µία αξιολόγηση της προτεινόµενης λύσης. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και πιθανές εφαρµογές των ΜΑΝΕΤ δικτύων ενώ αναφέρονται οι απαιτήσεις που προκύπτουν για τα χαρακτηριστικά των επικοινωνιακών πρωτοκόλλων και κριτήρια αξιολόγησης της απόδοσης του δικτύου. Με βάση τα χαρακτηριστικά των δικτύων αυτών, αναπτύσσονται διάφορες αρχιτεκτονικές επιλογές για το σχεδιασµό της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης και την επιλογή πρωτοκόλλων για το επίπεδο δικτύου και το επίπεδο µεταφοράς δεδοµένων. Μια σηµαντική σχεδιαστική επιλογή αποτελεί η χρήση του IP πρωτοκόλλου στο επίπεδο δικτύου, ενώ στο επίπεδο µεταφοράς δεδοµένων αξιολογείται η χρήση του πρωτοκόλλου TCP και παραλλαγών του, ενώ παράλληλα προτείνονται τροποποιήσεις για τη βελτίωση της απόδοσης του. Στα επόµενα κεφάλαια παρουσιάζονται νέα επικοινωνιακά πρωτόκολλα και σχεδιαστικές επιλογές για τη µεθοδολογία σχεδίασης καθώς και την υλοποίηση της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης των σταθµών του δικτύου. Πιο συγκεκριµένα, στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται θέµατα που αφορούν τη δροµολόγηση πακέτων σε ΜΑΝΕΤ δίκτυα. Το πρωτόκολλο δροµολόγησης αποτελεί τη σηµαντικότερη ίσως σχεδιαστική επιλογή για ένα τέτοιο δίκτυο καθώς καθορίζει σε σηµαντικό βαθµό την απόδοση και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του δικτύου. Επίσης, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά και οι βασικοί µηχανισµοί του πρωτοκόλλου δροµολόγησης το οποίο χρησιµοποιήθηκε στην επικοινωνιακή διαστρωµάτωση, ενώ µε τη χρήση εξοµοιωτή δικτύου συγκρίναµε την απόδοση του σε σχέση µε άλλα πρωτόκολλα δροµολόγησης που παρουσιάζονται στη διεθνή βιβλιογραφία. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται και αναλύονται διαφορετικές σχεδιαστικές επιλογές οι οποίες αφορούν το σχεδιασµό και την υλοποίηση της µνήµης δροµολόγησης (Route Cache) η οποία αποτελεί σηµαντικό υποσύστηµα των πρωτοκόλλων δροµολόγησης. Εκτός από ένα σύστηµα αναπαράστασης της τοπολογίας του δικτύου, η µνήµη δροµολόγησης χρησιµοποιείται για την επιλογή διαδροµών κατά τη δροµολόγηση των πακέτων στο δίκτυο. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η προτεινόµενη αρχιτεκτονική και ένα σύνθετο κριτήριο δροµολόγησης το οποίο αφορά την επιλογή διαδροµών µε βάση την κατανάλωση ενέργειας των κόµβων και την ευστάθεια του δικτύου. H κατανάλωση ενέργειας που οφείλεται σε επικοινωνιακές διαδικασίες κυριαρχεί στην κατανάλωση ενέργειας ενός ενσωµατωµένου συστήµατος και κυρίως σε περιπτώσεις όπου απαιτείται η µετάδοση µεγάλου όγκου πληροφοριών. Με τη χρήση της προτεινόµενης στρατηγικής η λειτουργία της δροµολόγησης πακέτων γίνεται λαµβάνοντας υπόψη την ενέργεια των κόµβων στο δίκτυο ώστε να µην επιβαρύνονται υπερβολικά συγκεκριµένοι κόµβοι µε χαµηλά επίπεδα ενέργειας.. Στο Κεφάλαιο 5 µελετώνται οι παράγοντες που καθορίζουν την κατανάλωση ενέργειας ασύρµατων καρτών δικτύου και παρουσιάζεται ένας µηχανισµός για τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας ο οποίος σχεδιάστηκε µε σκοπό την εφαρµογή του σε ΜΑΝΕΤ 9

24 Νικόλαος Β. Πόγκας δίκτυα. Στη συνέχεια του Κεφαλαίου αξιολογείται η εφαρµογή του αλγορίθµου και παρουσιάζεται µια µελέτη εφαρµογής του σε δίκτυα τα οποία χρησιµοποιούν ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου IEEE Τέλος µε τη χρήση εξοµοιωτή δικτύου µελετάται η επίδραση του αλγόριθµου στην αποδοτικότητα του δικτύου και παρουσιάζεται το ποσοστό µείωσης της κατανάλωσης που µπορεί να επιτευχθεί από την εφαρµογή του σε διάφορα δικτυακά σενάρια. Στο Κεφάλαιο 6, παρουσιάζονται ζητήµατα που αφορούν τη διαχείριση ΜΑΝΕΤ δικτύων και δικτύων αισθητήρων και προτείνεται µία αρχιτεκτονική για τη διαχείριση τέτοιων δικτύων. Η προτεινόµενη κατανεµηµένη αρχιτεκτονική βασίζεται σε υπηρεσίες και πρωτόκολλα που αναπτύχθηκαν µε στόχο να µειωθεί η επιβάρυνση που προκαλούν οι διαχειριστικές λειτουργίες στο δίκτυο. Επίσης, στη συνέχεια του Κεφαλαίου παρουσιάζονται εφαρµογές της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής σε ζητήµατα όπως η ασφάλεια των επικοινωνιών, η εύρεση της τοπολογίας του δικτύου και η ανάπτυξη υβριδικών πρωτοκόλλων δροµολόγησης µε σύνθετα κριτήρια επιλογής διαδροµών. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα βήµατα υλοποίησης της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης µε βάση την πλατφόρµα ALTERA Excalibur. Οι σχεδιαστικές επιλογές έγιναν µε απώτερο στόχο την ανάπτυξη ενός SoC (System on Chip) ολοκληρωµένου κυκλώµατος το οποίο θα περιλαµβάνει το απαραίτητο λογισµικό και περιφερειακά ώστε να αποτελεί έναν αυτόνοµο κόµβο µε προηγµένες επικοινωνιακές δυνατότητες. Επίσης, παρουσιάζεται µία µεθοδολογία ανάπτυξης της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης που αφορά τον έλεγχο καλής λειτουργίας των επικοινωνιακών πρωτοκόλλων και τη γρήγορη ανάπτυξη του τελικού συστήµατος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8, ολοκληρώνεται η διατριβή µε την παράθεση των επιτευγµάτων της διατριβής, γενικών συµπερασµάτων και κατευθύνσεων για µελλοντική έρευνα στο πεδίο της ανάπτυξης προηγµένων αρχιτεκτονικών για ΜΑΝΕΤ δίκτυα. 10

25 ιδακτορική ιατριβή 2 Ad-Hoc ίκτυα, Ιδιότητες Απαιτήσεις και Σχεδιαστικές Επιλογές Στο παρών κεφάλαιο παρουσιάζονται µε αρκετή λεπτοµέρεια τα χαρακτηριστικά και πιθανές εφαρµογές των ad hoc δικτύων. Επίσης, αναφέρονται οι απαιτήσεις που προκύπτουν για τα χαρακτηριστικά των επικοινωνιακών πρωτοκόλλων και παρουσιάζονται κριτήρια αξιολόγησης της απόδοσης του δικτύου. Στην συνέχεια του Κεφαλαίου αναπτύσσονται διάφορες αρχιτεκτονικές επιλογές για το σχεδιασµό της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης και την επιλογή πρωτοκόλλων για το επίπεδο δικτύου και το επίπεδο µεταφοράς δεδοµένων. Μια σηµαντική σχεδιαστική επιλογή αποτελεί η χρήση του IP πρωτοκόλλου στο επίπεδο δικτύου, ενώ στο επίπεδο µεταφοράς δεδοµένων αξιολογείται η χρήση του πρωτοκόλλου TCP και παραλλαγών του. 2.1 Ιδιαιτερότητες των ad hoc δικτύων Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των Mobile Ad hoc Networks (MANETs), και οι ιδιαιτερότητες τους σε σχέση µε τα ενσύρµατα δίκτυα µεταγωγής πακέτων. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η επίδραση των διαφορών αυτών, ως προς τον σχεδιασµό και την αξιολόγηση πρωτοκόλλων ελέγχου του επιπέδου δικτύου µε έµφαση σε παράγοντες αξιολόγησης της απόδοσης πρωτοκόλλων δροµολόγησης. Με βάση τις πρόσφατες προόδους στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών υπολογιστών και των ασύρµατων επικοινωνιών, ασύρµατα δίκτυα κινούµενων κόµβων έχουν αναπτυχθεί και αυξάνεται η χρήση τους σε όλο και περισσότερες εφαρµογές. Αρκετά από αυτά τα δίκτυα βασίζονται στην επικοινωνιακή διαστρωµάτωση του IP πρωτοκόλλου και παρέχουν σταθερή και αποδοτική επικοινωνιακή λειτουργία υποστηρίζοντας λειτουργίες δροµολόγησης από κάθε κινούµενο κόµβο. Τα ΜΑΝΕΤ ή ad hoc δίκτυα έχουν δυναµική, µερικές φορές γρήγορα µεταβαλλόµενη, τυχαία και αποτελούµενη από πολλαπλά τµήµατα τοπολογία η οποία αποτελείται από ασύρµατες διασυνδέσεις µε σχετικά περιορισµένο εύρος ζώνης. Εντός της κοινότητας του διαδικτύου, η δροµολόγηση για κινούµενους σταθµούς διατυπώνεται ως mobile IP τεχνολογία. Αυτή είναι µία τεχνολογία η οποία υποστηρίζει την σποραδική µετακίνηση (roaming) κόµβων οι οποίοι είναι συνδεδεµένοι µε διάφορους τρόπους στο διαδίκτυο. Ο εκάστοτε κόµβος µπορεί να είναι φυσικά συνδεδεµένος σε κάποιο αποµακρυσµένο υπο-δίκτυο (sub-network) ή τοµέα (domain) ενός σταθερού δικτύου µέσω µίας ασύρµατης διασύνδεσης, τηλεφωνικής σύνδεσης, κλπ. και µπορεί να µετακινηθεί µεµονωµένα και να επανασυνδεθεί σε κάποιο άλλο υπο-δίκτυο ή τοµέα. Σε ένα επικοινωνιακό σύστηµα για να υποστηριχτεί αυτή η µορφή κινητικότητας των κόµβων απαιτείται, κατάλληλη διαχείριση διευθύνσεων, διαλειτουργικότητα των πρωτοκόλλων και δυναµική δροµολόγηση των πακέτων του δικτύου. Ωστόσο στην mobile-ip τεχνολογία όλες οι βασικές λειτουργίες του δικτύου όπως η δροµολόγηση από τµήµα σε τµήµα στηρίζονται εξολοκλήρου σε υπάρχοντα πρωτόκολλα δροµολόγησης τα οποία έχουν αναπτυχθεί για ενσύρµατα σταθερά δίκτυα [16] και τα οποία υλοποιούνται από σταθερούς δροµολογητές του δικτύου. Υπό αυτήν την έννοια είναι δυνατή η µετακίνηση κόµβων µεταξύ σταθερών ενσύρµατων ή ασύρµατων υπο-δικτύων ή τοµέων στους οποίους βρίσκονται δροµολογητές. Αντίθετα, ο σκοπός των ad hoc δικτύων είναι να επεκταθεί η έννοια της κινητικότητας επιτρέποντας τη δηµιουργία αυτόνοµων, κινούµενων, ασύρµατων τοµέων (domains) όπου ένα σύνολο από κόµβους, το οποίο µπορεί να περιέχει δροµολογητές και σταθµούς, να δηµιουργεί τη δικτυακή υποδοµή δροµολόγησης µε δυναµικό και αυτο-οργανώσιµο τρόπο. 11

26 Νικόλαος Β. Πόγκας 2.2 Εφαρµογές ad hoc δικτύων Κάποιες από τις εφαρµογές της επικοινωνιακής τεχνολογίας MANET περιλαµβάνουν βιοµηχανικές και εµπορικές εφαρµογές που αφορούν την συνεργασία κινούµενων σταθµών και την ανταλλαγή δεδοµένων µεταξύ τους. Επίσης τέτοια δίκτυα µπορούν να αντικαταστήσουν κυψελιδικές δικτυακές υποδοµές παρέχοντας µεγαλύτερη σταθερότητα και µειωµένο κόστος. Συχνά γίνεται χρήση τέτοιων δικτύων για στρατιωτικές ασύρµατες επικοινωνίες [17], πολλά από αυτά τα δίκτυα έχουν τοπολογίες οι οποίες παρουσιάζουν δυναµική συµπεριφορά λόγω της κίνησης των κόµβων. Μια άλλη εφαρµογή, η οποία αποτελεί και πιλοτική εφαρµογή της παρούσης διδακτορικής διατριβής, είναι τα δίκτυα συλλογής πληροφοριών σε καταστάσεις έκτατης ανάγκης κατά τις οποίες δεν υπάρχει σταθερή δικτυακή υποδοµή ή αν υπάρχει θεωρείται κατεστραµµένη. Η τεχνολογία MANET µπορεί να προσφέρει µία ευέλικτη δικτυακή υποδοµή για την εγκατάσταση επικοινωνιών σε σενάρια που απαιτούν τη γρήγορη ανάπτυξη ενός αποδοτικού δικτύου. Μια εναλλακτική µελλοντική εφαρµογή θα ήταν η αντικατάσταση δικτυακών υποδοµών για σταθερά IP δίκτυα όπως γέφυρες (bridges), δροµολογητές (routers), πύλες (gateways) και των απαραίτητων πρωτοκόλλων όπως: ΙΕΕΕ 802.1D, OSPF [16], Proxy-ARP, κλπ, µε έναν τύπο συσκευής και ένα κοινό πρωτόκολλο δροµολόγησης, δηλαδή συγκεκριµένους σταθµούς µε πολλαπλές κάρτες δικτύου οι οποίοι θα υποστηρίζουν ένα κοινό πρωτόκολλο δροµολόγησης τύπου ΜΑΝΕΤ. Παρόλο που τέτοια πρωτόκολλα είναι σχεδιασµένα για διαφορετικά δίκτυα λειτουργούν εξίσου αποδοτικά και σε σταθερά υπο-δίκτυα που αποτελούνται από αρκετές δεκάδες ή εκατοντάδες σταθµούς. Μια τέτοια εναλλακτική αρχιτεκτονική θα απαιτούσε µηδενική διαχείριση και θα πρόσφερε ταχύτατη ανάπτυξη και λειτουργία της δικτυακής υποδοµής µε πολύ χαµηλό κόστος και υψηλή σταθερότητα. 2.3 Τα δίκτυα αισθητήρων (sensor-networks) Τα δίκτυα αισθητήρων (sensor networks), τα οποία ονοµάζονται και υβριδικά ad hoc δίκτυα, αποτελούν µία υπο-οµάδα των ad hoc δικτύων. Τα δίκτυα αυτά συγκεντρώνουν πληροφορίες όπως, θερµοκρασίες, ανίχνευση χηµικών ουσιών ή κίνησης, από του σταθµούς του δικτύου [18]. Ωστόσο παρουσιάζουν κάποια ιδιαιτερότητες οι οποίες συνήθως τα διαφοροποιούν από τα ad hoc δίκτυα. Στα δίκτυα αισθητήρων ο ρυθµός µεταβίβασης πακέτων (packet delivery rate) είναι σταθερός χωρίς να υπάρχει κίνηση µε καταιγισµούς πληροφορίας (burst traffic). Τα πακέτα στο δίκτυο είναι συνήθως µικρού µεγέθους λόγω της πληροφορίας που ανταλλάσσεται µεταξύ των σταθµών (µερικές µεταβλητές), εποµένως δεν απαιτούνται µηχανισµοί κατάτµησης και συναρµολόγησης (segmentation reassembly) των δεδοµένων για την µετάδοση τους στο δίκτυο. Η επικοινωνία γίνεται µε βάση το περιεχόµενο της πληροφορίας αντίθετα µε την από άκρο σε άκρο επικοινωνία µεταξύ σταθµών των δικτύων δεδοµένων. Το πρωτόκολλο µεταφοράς δεδοµένων είναι χωρίς σύνδεση ενώ η δροµολόγηση είναι τύπου any cast (από έναν αισθητή προς οποιονδήποτε ελεγκτή). Η απώλεια πακέτων στο δίκτυο δεν θεωρείται κρίσιµη καθώς οι τιµές των µεταβλητών που περιέχονται στα πακέτα µεταδίδονται περιοδικά. Σε αρκετές περιπτώσεις δίκτυα αισθητήρων υλοποιούνται µε δροµολόγηση IP πακέτων χρησιµοποιώντας πρωτόκολλα δροµολόγησης ad hoc δικτύων. Η δροµολόγηση IP πακέτων επιτρέπει τη διασύνδεση δικτύων αισθητήρων µε την υπάρχουσα σταθερή δικτυακή υποδοµή και το διαδίκτυο ούτως ώστε οι λειτουργίες επίβλεψης να µπορούν να εκτελεστούν από οπουδήποτε. Στην περίπτωση όπου οι µεταδιδόµενες πληροφορίες έχουν µεγάλο όγκο, απαιτούνται πρωτόκολλα µε σύνδεση τα οποία υποστηρίζουν κατάτµηση και συναρµολόγηση (segmentation και reassembly) των δεδοµένων. Σε αυτή την περίπτωση θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί µία επικοινωνιακή διαστρωµάτωση τύπου TCP/IP ειδικά σχεδιασµένη για ενσωµατωµένα συστήµατα ώστε να µην απαιτούνται σηµαντικοί πόροι ως προς την κατανάλωση µνήµης και την επεξεργαστική ισχύ. 12

27 ιδακτορική ιατριβή 2.4 Χαρακτηριστικά των δικτύων MANET Ένα δίκτυο τύπου MANET είναι ένα αυτόνοµο σύστηµα αποτελούµενο από κινούµενους κόµβους. Το σύστηµα αυτό µπορεί να λειτουργεί αποµονωµένο ή να περιέχει πύλες (gateways) για την διασύνδεση του µε σταθερά δίκτυα. Ωστόσο συνήθως θεωρείται ως ένα stub-network. Τα stub-networks µεταφέρουν πληροφορίες που προορίζονται ή προέρχονται από τους εσωτερικούς τους κόµβους, αλλά δεν επιτρέπουν εξωγενής επικοινωνιακή κίνηση να διασχίσει το δίκτυο. Οι κόµβοι τύπου MANET περιέχουν ασύρµατες συσκευές επικοινωνιών εφοδιασµένες µε κεραίες οι οποίες µπορεί να είναι πολυ-κατευθυντήριες, κατευθυντικές, στρεφόµενες ή συνδυασµός των παραπάνω. Κάθε χρονική στιγµή ανάλογα µε την τοποθεσία των κόµβων, τα µοτίβα κάλυψης των ποµπών και των δεκτών, τα επίπεδα της ισχύος µετάδοσης και τα επίπεδα παρεµβολής υπάρχει µία ασύρµατη συνδετικότητα µε την µορφή ενός τυχαίου γράφου πολλαπλών τµηµάτων ή ενός «ad hoc» δικτύου, µεταξύ των κόµβων. Αυτή η τοπολογία µπορεί να αλλάξει οποιαδήποτε χρονική στιγµή ανάλογα µε την κίνηση των κόµβων ή προερχόµενη από αλλαγές στα χαρακτηριστικά µετάδοσης και λήψης του φυσικού µέσου. Τα MANET δίκτυα έχουν τα εξής βασικά χαρακτηριστικά: 1) υναµικές τοπολογίες: Οι κόµβοι µπορούν να κινούνται αυθαίρετα και οι καταστάσεις διάδοσης (radio propagation) του µέσου µπορούν να αλλάζουν µε γρήγορο ρυθµό. Εποµένως η τοπολογία, η οποία συνήθως περιέχει διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα, µπορεί να αλλάζει τυχαία σε απροσδιόριστα χρονικά διαστήµατα, και µπορεί να αποτελείται από συνδυασµό δυκατευθυντήριων και µονο-κατευθυντήριων διασυνδέσεων. 2) Περιορισµοί στο εύρος ζώνης του ασύρµατου µέσου και στη χωρητικότητα του δικτύου: Οι ασύρµατες διασυνδέσεις έχουν σηµαντικά χαµηλότερη χωρητικότητα σε σύγκριση µε τις αντίστοιχές ενσύρµατες διασυνδέσεις. Επιπρόσθετα η διεκπεραιωτική ικανότητα που µπορεί να επιτευχθεί σε ασύρµατες επικοινωνίες, είναι συνήθως αρκετά µικρότερη από το εύρος ζώνης του ασύρµατου µέσου µετάδοσης λόγω της επίδρασης φαινόµενων όπως η πολλαπλή πρόσβαση στο µέσο, θόρυβος, περιπτώσεις παρεµβολής κλπ. Ως συνέπεια της χαµηλής ως µέτριας χωρητικότητας του µέσου ή συµφόρηση στο δίκτυο θεωρείται ως φυσιολογική κατάσταση αντί για εξαίρεση, π.χ. το άθροισµα των απαιτήσεων των εφαρµογών πιθανότατα θα πλησιάζει ή θα υπερβαίνει τη χωρητικότητα του δικτύου. Καθώς συχνά το ασύρµατο δίκτυο είναι µία επέκταση ενός σταθερού ενσύρµατου δικτύου, οι χρήστες του θα απαιτούν παρόµοιες υπηρεσίες µε αυτές που παρέχονται στο ενσύρµατο δίκτυο. Αυτές οι απαιτήσεις θα συνεχίσουν να αυξάνονται όσο οι επικοινωνίες πολυµέσων βρίσκονται σε άνοδο. 3) Περιορισµοί στην κατανάλωση ενέργειας: Κάποιοι ή όλοι οι κόµβοι του δικτύου MANET µπορεί να στηρίζουν τη λειτουργία τους σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές ή άλλους µη ανεξάντλητους ενεργειακούς πόρους. Σε τέτοιους κόµβους ένα από τα πιο κρίσιµα σχεδιαστικά κριτήρια είναι ο περιορισµός στην κατανάλωση ενέργειας. 4) Ασθενής ασφάλεια στις επικοινωνίες του δικτύου: Τα ασύρµατα δίκτυα είναι γενικώς πιο ευάλωτα σε απειλές που αφορούν την ασφάλεια των επικοινωνιών δικτύου σε σύγκριση µε τα ενσύρµατα δίκτυα. Ωστόσο η κατανεµηµένη λειτουργία του δικτύου προσφέρει επιπρόσθετη σταθερότητα, σε σχέση µε συγκεντρωτικές δικτυακές αρχιτεκτονικές, σε περιπτώσεις όπου εµφανίζονται τοπικές δυσλειτουργίες στην επικοινωνία. Επίσης, κάποια δίκτυα τύπου MANET µπορεί να έχουν σχετικά µεγάλο µέγεθος (πχ δεκάδες ή εκατοντάδες κόµβους ανά τοµέα ή υπο-δίκτυο) και ενδεχοµένως να απαιτηθούν µηχανισµοί που υποστηρίζουν την επεκτασιµότητα (scalability) του δικτύου. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά δηµιουργούν ένα σύνολο από παραδοχές και απαιτήσεις στο σχεδιασµό των επικοινωνιακών πρωτοκόλλων που εκτείνονται πέρα από αυτές που ισχύουν σε στατικά δίκτυα υψηλής ταχύτητας ή σε ασύρµατα κυψελιδικά δίκτυα. 13

28 Νικόλαος Β. Πόγκας 2.5 Αξιολόγηση της απόδοσης των δικτύων MANET Για να κρίνει κανείς την αξία µίας επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης πρέπει να οριστούν µετρήσιµες παράµετροι, ποιοτικές και ποσοτικές, µε τις οποίες θα εκτιµηθεί η καταλληλότητα και η απόδοση των πρωτοκόλλων. Αυτές οι µετρήσιµες παράµετροι θα πρέπει να είναι ανεξάρτητες από τα εκάστοτε πρωτόκολλα. Παρακάτω αναφέρονται κάποιες από της ποιοτικές παραµέτρους απόδοσης ενός δικτύου τύπου MANET. 1) Κατανεµηµένη λειτουργία: Καθώς ένα ασύρµατο ad hoc δίκτυο είναι ένα αυτόνοµο σύστηµα µε αυτό-οργάνωση, οι αλγόριθµοι και τα πρωτόκολλα επικοινωνίας θα πρέπει να έχουν κατανεµηµένη λειτουργία χωρίς να στηρίζονται σε κάποιους κεντρικούς σταθµούς ή υπηρεσίες. 2) Λειτουργία ελεύθερη από βρόχους: Το πρωτόκολλο δροµολόγησης θα πρέπει να εξασφαλίσει την αποφυγή φαινόµενων όπως, η µη αναγκαία και συνεχής κυκλοφορία κάποιων πακέτων γύρω από τις ίδιες διαδροµές για κάποιο χρονικό διάστηµα. Μία λύση που µπορεί να περιορίσει το πρόβληµα είναι η χρήση του πεδίου TTL (Time To Live) στην επικεφαλίδα IP του πακέτου αλλά συνήθως απαιτείται µια δοµηµένη και λειτουργική προσέγγιση ώστε να βελτιωθεί η συνολική απόδοση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. 3) Reactive λειτουργία: Αντί να θεωρηθεί µία οµοιόµορφη χρονική κατανοµή της κίνησης στο δίκτυο (και να διατηρούνται πληροφορίες δροµολόγησης από κάθε κόµβο κάθε χρονική στιγµή) αυτή η reactive λειτουργία (ονοµάζεται και ως «on-demand» στη διεθνή βιβλιογραφία) επιτρέπει στο πρωτόκολλο δροµολόγησης να προσαρµόζεται στο µοτίβο της επικοινωνιακής κίνησης δυναµικά, δηλαδή ανάλογα µε τις ανάγκες που προκύπτουν. Αν αυτή η λειτουργία υλοποιηθεί µε ευφυή τρόπο αξιοποιείται σωστά η ενέργεια και το εύρος ζώνης του δικτύου µε κόστος την αύξηση της καθυστέρησης για την εύρεση διαδροµών κατά τη δροµολόγηση πακέτων. Στο επόµενο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πλεονεκτήµατα αυτής της λειτουργίας στην κατανάλωση ενέργειας και την απόδοση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης, τα οποία αποτελούν βασικά κριτήρια για την επιλογή του πρωτοκόλλου δροµολόγησης στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική. 4) Proactive λειτουργία: Σε διάφορα δικτυακά «περιβάλλοντα» ή πρόσθετη καθυστέρηση για την εύρεση διαδροµής που προκαλείται από την reactive λειτουργία του δικτύου µπορεί να είναι ανεπίτρεπτη. Αν το εύρος ζώνης και η κατανάλωση ενέργειας το επιτρέπουν η proactive λειτουργία είναι επιθυµητή σε τέτοια δίκτυα. Αυτή η λειτουργία ονοµάζεται και ως tabledriven στη διεθνή βιβλιογραφία, καθώς οι κόµβοι του δικτύου ανταλλάσσουν περιοδικά πληροφορίες δροµολόγησης, ανεξάρτητα από την κίνηση του δικτύου, µε σκοπό να τη χρησιµοποιήσουν όταν ζητηθεί η δροµολόγηση κάποιου πακέτου. Αυτή η λειτουργία χαρακτηρίζει και τα πρωτόκολλα δροµολόγησης που χρησιµοποιούνται σε IP ενσύρµατα δίκτυα. 5) Ασφάλεια των επικοινωνιών: Όταν απουσιάζουν µηχανισµοί που εγγυώνται την ασφάλεια των επικοινωνιών στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων ή στο επίπεδο δικτύου, τα πρωτόκολλα δροµολόγησης είναι ευπαθή σε πολλές µορφές επιθέσεων. Γενικά τα ασύρµατα δίκτυα είναι περισσότερο ευάλωτα ως προς υποκλοπές δικτυακών πληροφοριών, επαναλήψεις µεταδόσεων και µεταδόσεις µη έγκυρων µηνυµάτων µε σκοπό τη δυσλειτουργία του δικτύου ή την υποκλοπή πληροφοριών από το δίκτυο. 6) Οµαλή λειτουργία µε µηχανισµούς µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας: Σαν αποτέλεσµα του περιορισµού στην κατανάλωση ενέργειας οι κόµβοι σε ένα MANET δίκτυο ενδέχεται να σταµατούν την µετάδοση ή/και λήψη δεδοµένων για αυθαίρετα χρονικά διαστήµατα, ως αποτέλεσµα της χρήσης στρατηγικών ή της λειτουργίας αλγορίθµων για εξοικονόµηση ενέργειας. Ένα πρωτόκολλο δροµολόγησης θα πρέπει να είναι ικανό να ανταπεξέλθει σε τέτοιες ανενεργές χρονικές περιόδους. Αυτή η ιδιότητα ίσως απαιτεί την αλληλεπίδραση του 14

29 ιδακτορική ιατριβή πρωτοκόλλου δροµολόγησης µε µηχανισµούς του επιπέδου σύνδεσης δεδοµένων µέσω κάποιας διεπαφής. 7) Υποστήριξη µονο-κατευθυντήριων διασυνδέσεων: Συχνά κατά το σχεδιασµό πρωτοκόλλων δροµολόγησης θεωρείται ότι οι διασυνδέσεις µεταξύ των κόµβων είναι δυκατευθυντήριες και κάποιοι αλγόριθµοι δεν µπορούν να λειτουργήσουν σωστά όταν υπάρχουν µονο-κατευθυντήριες διασυνδέσεις στο δίκτυο. Ωστόσο σε ασύρµατα δίκτυα είναι πολύ πιθανό να εµφανιστούν µονο-κατευθυντήριες διασυνδέσεις µεταξύ κάποιων κόµβων (λόγω πχ διαφοράς στην ισχύ µετάδοσης), σε αυτήν την περίπτωση, αν το πρωτόκολλο πρόσβασης στο µέσο απαιτεί δυ-κατευθυντήριες διασυνδέσεις για τη µετάδοση unicast πακέτων, το πρωτόκολλο δροµολόγησης θα πρέπει να αποφύγει τη χρήση αυτών των διασυνδέσεων για τη δροµολόγηση πακέτων. 8) Αποτελεσµατική εκµετάλλευση του εύρους ζώνης: Αν ένα πρωτόκολλο δηµιουργεί υπερβολική κίνηση προερχόµενη από πακέτα ελέγχου, το διαθέσιµο εύρος ζώνης θα καταναλώνεται άσκοπα µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται συµφόρηση στο δίκτυο. Καθώς το εύρος ζώνης στα ασύρµατα δίκτυα θεωρείται περιορισµένο η µείωση της επιβάρυνσης του δικτύου που προέρχεται από πακέτα ελέγχου είναι µία βασική σχεδιαστική παράµετρος. 9) Αποτελεσµατική εκµετάλλευση της ενέργειας των κόµβων: Αυτή αποτελεί µία βασική απαίτηση για δίκτυα στα οποία οι κόµβοι λειτουργούν µε ηλεκτρικούς συσσωρευτές. Αντίθετα µε τα κυψελιδικά δίκτυα στα ad hoc δίκτυα ο µέγιστος χρόνος λειτουργίας των ασύρµατων σταθµών θα επηρεάσει σηµαντικά την απόδοση και λειτουργία του δικτύου. Σε ένα κυψελιδικό δίκτυο µία µείωση του αριθµού των ενεργών ασύρµατων κόµβων (ή χρηστών) µειώνει το µέγεθος παρεµβολής σήµατος (signal interference) και τον ανταγωνισµό πρόσβασης στο κανάλι (channel contention). Ωστόσο, σε ένα ad hoc δίκτυο, οι σταθµοί συνήθως στηρίζονται σε κάποιους ενδιάµεσους σταθµούς για τη µεταφορά και δροµολόγηση των πακέτων. Καθώς µειώνεται ο αριθµός των ενεργών κόµβων, η απόδοση του δικτύου µπορεί να µειωθεί αισθητά λόγω της µείωσης των διαθέσιµων διαδροµών δροµολόγησης στο δίκτυο. Επίσης µπορεί να προκληθεί κατάτµηση του δικτύου µε αποτέλεσµα να χωριστεί το δίκτυο σε δύο ή περισσότερα µικρότερα δίκτυα χωρίς να είναι δυνατή η επικοινωνία µεταξύ τους. Για να παραταθεί η µέγιστη διάρκεια λειτουργίας των κόµβων τα πρωτόκολλα δροµολόγησης θα πρέπει να λάβουν υπόψη τους την κατανάλωση ενέργειας. 10) Γρήγορη σύγκλιση του αλγόριθµου δροµολόγησης: Καθώς η τοπολογία του δικτύου αλλάζει δυναµικά το πρωτόκολλο δροµολόγησης θα πρέπει να παρέχει µία νέα σταθερή διαδροµή όσο το δυνατόν γρηγορότερα µετά την αλλαγή της τοπολογίας. Πρωτόκολλα δροµολόγησης σχεδιασµένα για ενσύρµατα δίκτυα όπως το OSPF [16] δεν µπορούν να συγκλίνουν (δηλαδή δεν είναι ικανά να παρέχουν µία έγκυρη διαδροµή) όταν ο ρυθµός αλλαγής της τοπολογίας ξεπεράσει κάποιο µικρό όριο. Ωστόσο αυτό ισχύει για κάθε πρωτόκολλο δροµολόγησης, δηλαδή αν η µέση ταχύτητα των κόµβων αυξηθεί πολύ κανένα πρωτόκολλο δροµολόγησης δεν θα είναι ικανό να ανταπεξέλθει και να συνεχίσει να δροµολογεί πακέτα στο δίκτυο. Ωστόσο, λόγω του σχεδιασµού τους, τα ad hoc πρωτόκολλα δροµολόγησης συγκλίνουν γρηγορότερα από τα παραδοσιακά πρωτόκολλα που χρησιµοποιούνται στο διαδίκτυο. 2.6 Παράµεροι µέτρησης της απόδοσης πρωτοκόλλων σε ένα δίκτυο MANET Στην συνέχεια παρουσιάζεται ένα σύνολο από ποσοτικές µετρήσιµες παραµέτρους οι οποίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την αξιολόγηση της απόδοσης της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης. 15

30 Νικόλαος Β. Πόγκας 1) Από άκρο σε άκρο διεκπεραιωτική ικανότητα και καθυστέρηση: Στατιστικές µετρήσεις της απόδοσης του πρωτοκόλλου µεταφοράς (πχ µέσες τιµές, διασπορά, κατανοµή) είναι σηµαντικές. Αυτές οι παράµετροι επηρεάζονται από όλα τα πρωτόκολλα της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης. 2) Χρόνος ανάκτησης διαδροµής (Route Acquisition Time): Μια συγκεκριµένη µορφή µέτρησης της καθυστέρησης από άκρο σε άκρο, εξαιρετικά σηµαντική για τους αλγόριθµους δροµολόγησης, είναι ο χρόνος που απαιτείται για την ανεύρεση µίας διαδροµής µετά από αίτηση ενός πρωτοκόλλου ανώτερου επιπέδου το οποίο επιθυµεί να µεταδώσει πακέτα προς κάποιον κόµβο προορισµού. 3) Ποσοστό παράδοσης πακέτων εκτός σειράς: Μια εξωτερική µέτρηση της απόδοσης όταν στο επίπεδο µεταφοράς χρησιµοποιούνται πρωτόκολλα µε σύνδεση (connection-oriented), Αυτή η παράµετρος εκφράζει το ποσοστό των πακέτων που φτάνουν στον κόµβο προορισµού εκτός σειράς (out of order) λόγω καθυστερήσεων σε ενδιάµεσους δροµολογητές. Τα πακέτα εκτός σειράς επηρεάζουν σηµαντικά την απόδοση πρωτοκόλλων µεταφοράς όπως το TCP. 4) Αποδοτικότητα: Αν η αποτελεσµατικότητα (effectiveness) αποτελεί µία εξωτερική µέτρηση της απόδοσης του δικτύου η αποδοτικότητα (efficiency) αποτελεί µία εσωτερική της µέτρηση. ιαφορετικά πρωτόκολλα δροµολόγησης ή µεταφοράς δεδοµένων προκαλούν διαφορετική επιβάρυνση στο δίκτυο, η οποία εξαρτάται από την αποδοτικότητα τους. Η αποδοτικότητα µπορεί να µην επηρεάζει τη λειτουργικότητα ενός πρωτοκόλλου (δηλαδή την ικανότητα του να δροµολογεί ή να µεταφέρει σωστά πακέτα στο δίκτυο) αλλά όταν η κίνηση ελέγχου µε την κίνηση δεδοµένων µοιράζονται το ίδιο κανάλι, το οποίο έχει περιορισµένη χωρητικότητα, υπερβολική κίνηση ελέγχου επηρεάζει την απόδοση του δικτύου. Οι παρακάτω µετρήσιµες παράµετροι εκφράζουν την εσωτερική αποδοτικότητα του δικτύου κατά τη λειτουργία του (φυσικά υπάρχουν και αρκετές άλλες οι οποίες δεν αναφέρονται). a) Μέσος αριθµός (σε bytes) πληροφοριακών δεδοµένων που µεταδόθηκαν προς δεδοµένων (σε bytes) που παραδόθηκαν (δηλαδή έλαβαν οι κόµβοι προορισµού): Μπορεί να θεωρηθεί ως η αποδοτικότητα µεταφοράς δεδοµένων στο δίκτυο. Αυτή η παράµετρος εξαρτάται έµµεσα από τον αριθµό των τµηµάτων που αποτελούνται οι διαδροµές δροµολόγησης του δικτύου. b) Μέσος αριθµός πληροφορίας ελέγχου δεδοµένων (σε bytes) που µεταδόθηκαν προς πληροφοριακών δεδοµένων (σε bytes) που παραδόθηκαν: Εκφράζει την επιπρόσθετη επιβάρυνση που προκύπτει στο δίκτυο λόγω των µηχανισµών δροµολόγησης και των µηχανισµών του πρωτοκόλλου µεταφοράς κατά τη µεταφορά δεδοµένων. Ο αριθµητής του λόγου θα πρέπει εκτός από τα bytes των πακέτων ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης να περιέχει και το µέγεθος (σε bytes) επικεφαλίδων που φέρουν πακέτα δεδοµένων. Με άλλα λόγια, οτιδήποτε δεν είναι πληροφορία του επιπέδου εφαρµογής θεωρείται ως πληροφορία ελέγχου. c) Μέσος αριθµός πακέτων ελέγχου και δεδοµένων που µεταδόθηκαν προς πακέτα πληροφοριών που παραδόθηκαν: Αυτός ο λόγος εκφράζει την αποδοτικότητα του δικτύου σε επίπεδο πρόσβασης στο κανάλι (channel access), καθώς αυτός ο λόγος αυξάνεται σε περιπτώσεις συµφόρησης του δικτύου. 5) Κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο: Η κατανάλωση ενέργειας που οφείλεται στις επικοινωνιακές λειτουργίες των κόµβων του δικτύου, εξαρτάται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου αλλά και από την λειτουργία των πρωτοκόλλων. Σε περιπτώσεις όπου χρησιµοποιούνται αλγόριθµοι για µείωση της κατανάλωσης ενέργειας αυτές οι µετρήσεις είναι απαραίτητες για την αξιολόγηση της απόδοσης τους. Οι παρακάτω µετρήσιµες παράµετροι εκφράζουν την κατανάλωση ενέργειας των κόµβων του δικτύου κατά την λειτουργία του. 16

31 ιδακτορική ιατριβή a) Συνολική κατανάλωση ενέργειας.: Εκφράζει το άθροισµα της κατανάλωσης ενέργειας όλων των κόµβων του δικτύου για κάποιο συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα. b) Χρόνος ζωής των κόµβων του δικτύου: Εκφράζει το χρόνο που θα διαρκέσουν οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές των κόµβων του δικτύου έως ότου εξαντληθούν και πάψουν να λειτουργούν οι κόµβοι. Σε αυτή τη µέτρηση θεωρούµε ότι όλοι οι κόµβοι έχουν ηλεκτρικούς συσσωρευτές ίσης χωρητικότητας. Ο κάθε κόµβος στο δίκτυο παρουσιάζει διαφορετικό χρόνο ζωής ο οποίος εξαρτάται από παράγοντες όπως η τοπολογία, το επικοινωνιακό σενάριο, η δροµολόγηση των πακέτων και η απόδοση αλγόριθµων µείωσης της κατανάλωσης. Ο χρόνος ζωής των κόµβων θεωρείται σηµαντική παράµετρος καθώς όταν ένας αριθµός κόµβων σταµατήσει να λειτουργεί ενδέχεται να δηµιουργηθεί κατάτµηση στο δίκτυο. c) Αριθµός πληροφοριακών δεδοµένων που παραδόθηκαν (σε bytes ή bits) προς την συνολική κατανάλωση ενέργειας του δικτύου: Εκφράζει την αποδοτικότητα των πρωτοκόλλων δροµολόγησης και µεταφοράς δεδοµένων ως προς την κατανάλωση ενέργειας. 2.7 ικτυακό περιβάλλον αξιολόγησης Επίσης θα πρέπει να καθοριστεί το δικτυακό «περιβάλλον» στο οποίο γίνονται µετρήσεις της απόδοσης. Βασικές παράµετροι οι οποίες θα πρέπει να µεταβάλλονται περιλαµβάνουν: 1) Μέγεθος του δικτύου: Εκφράζεται από τον αριθµό των κόµβων που αποτελούν το δίκτυο. 2) Συνδετικότητα του δικτύου: Ο µέσος όρος των διασυνδέσεων κάποιου κόµβου µε γειτονικούς του κόµβους. 3) Ρυθµός αλλαγής της τοπολογίας: Η ταχύτητα µε την οποία αλλάζει η τοπολογία του δικτύου, συνήθως εκφράζεται από ένα µοντέλο κίνησης των κόµβων και τη µέση ταχύτητα που αυτοί έχουν. 4) Χωρητικότητα των διασυνδέσεων: Μέγιστη δυνατή διεκπεραιωτική ικανότητα µετάδοσης δεδοµένων στο φυσικό επίπεδο, εκφράζεται ως bits/sec. 5) Ποσοστό µονο-κατευθυντήριων διασυνδέσεων: Πόσο αποτελεσµατικά λειτουργεί ένα πρωτόκολλο δροµολόγησης σαν συνάρτηση της ύπαρξης µονο-κατευθυντήριων διασυνδέσεων. 6) Μοτίβα επικοινωνιακής κίνησης: Πόσο αποτελεσµατικά προσαρµόζεται ένα πρωτόκολλο σε διαφορετικά µοτίβα πληροφοριακής κίνησης. 7) Κινητικότητα των κόµβων: Πότε και κάτω από ποιες συνθήκες η χωρική και χρονική συσχέτιση της τοπολογίας επηρεάζει την απόδοση του δικτύου. 8) Ποσοστό και συχνότητα ανενεργών κόµβων: Πως επηρεάζεται η απόδοση ενός πρωτοκόλλου από την ύπαρξη κόµβων οι οποίοι µεταβαίνουν σε χρονικές περιόδους ανενεργής λειτουργίας. Η επικοινωνιακή διαστρωµάτωση θα πρέπει να λειτουργεί αποτελεσµατικά σε µία γκάµα από δικτυακά «περιβάλλοντα», όπως µικρές ad hoc οµάδες κόµβων ως µεγάλα ad hoc δίκτυα που περιλαµβάνουν διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα. 17

32 Νικόλαος Β. Πόγκας 2.8 Αξιολόγηση και σχεδιασµός της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης Κατά τον σχεδιασµό της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης για ένα ΜΑΝΕΤ δίκτυο υπάρχουν πολλές και προκλητικές σχεδιαστικές επιλογές οι οποίες εµφανίζουν παραµέτρους απόδοσης οι οποίες είναι ορθογώνιες µεταξύ τους (πχ µείωση της κατανάλωσης ενέργειας του δικτύου προκαλεί επιβάρυνση στην δροµολόγηση ή την καθυστέρηση). Ένα ερώτηµα που ανακύπτει κατά το σχεδιασµό είναι πως θα µετρηθεί η αποτελεσµατικότητα ενός πρωτοκόλλου. Για να απαντηθεί αυτό, παρουσιάσαµε ένα σύνολο από µετρήσιµες παραµέτρους οι οποίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την σύγκριση και αποτίµηση της απόδοσης ενός πρωτοκόλλου. Ένα µέρος αυτών των παραµέτρων χρησιµοποιούνται και για την αξιολόγηση των πρωτοκόλλων που υλοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής και τα οποία παρουσιάζονται στα επόµενα κεφάλαια. Θα πρέπει να επισηµανθεί ότι κάθε επικοινωνιακό πρωτόκολλο είναι περισσότερο αποτελεσµατικό σε κάποιο συγκεκριµένο δικτυακό «περιβάλλον» ενώ σε κάποιο άλλο µπορεί να µην έχει εξίσου καλή απόδοση. Κατά την περιγραφή κάποιου πρωτοκόλλου θα πρέπει να αναφέρονται τα πλεονεκτήµατά του καθώς και οι περιορισµοί του ώστε να µπορούν να αναγνωριστούν κάποια δικτυακά περιβάλλοντα στα οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί αποδοτικά. Αυτές οι ιδιότητες θα πρέπει να εκφραστούν ποιοτικά. Η ποιοτική έκφραση της συµπεριφοράς των πρωτοκόλλων επιτρέπει τη γενική ταξινόµησή τους σε κατηγορίες µε βάση τις οποίες µπορεί να γίνει µία περισσότερο λεπτοµερειακή ποσοτική αποτίµηση της απόδοσης τους (συγκρίνοντας την απόδοση πρωτοκόλλων που ανήκουν στην ίδια κατηγορία). 2.9 Η επίδραση της καθυστέρησης και του εύρους ζώνης στην αρχιτεκτονική του δικτύου Η βελτιστοποίηση ασύρµατων δικτύων είναι ένα από τα δυσκολότερα προβλήµατα των σύγχρονων επικοινωνιών. Γίνεται σηµαντική ερευνητική προσπάθεια για τη βελτιστοποίηση πρωτοκόλλων που σχεδιάστηκαν για ενσύρµατα δίκτυα µε σκοπό την χρήση τους σε ασύρµατα δίκτυα. Το ασύρµατο περιβάλλον µετάδοσης έχει πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά σε όρους καθυστέρησης, jitter, σφαλµάτων µετάδοσης και τα παραδοσιακά πρωτόκολλα πολλές φορές δεν παρουσιάζουν καλή απόδοση σε αυτό το µέσο. Οι µεγάλες καθυστερήσεις (latency) που παρουσιάζουν τα ασύρµατα πρωτόκολλα µετάδοσης πιέζουν τα επιτρεπτά όρια καθυστέρησης για χρήστες αλληλεπιδραστικών εφαρµογών. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν πολλές προτάσεις που προσπαθούν να βελτιώσουν την απόδοση πρωτοκόλλων που σχεδιάστηκαν για ενσύρµατα δίκτυα µε σκοπό την αποδοτική χρήση τους σε ασύρµατα δίκτυα. Σε αυτήν την παράγραφο παρουσιάζουµε ένα σύνολο από αυτές τις προτάσεις που είναι διαθέσιµες ή µελετώνται και αναφέρουµε κάποιες προτάσεις που χρησιµοποιήθηκαν στην υλοποίηση της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής ή θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν στο µέλλον. Υπάρχουν επίσης πολλές προτάσεις που αφορούν τη βελτίωση της απόδοσης πρωτοκόλλων όπως το TCP όταν αυτό χρησιµοποιείται σε ασύρµατα δίκτυα. Στις ασύρµατες συνδέσεις, πολύ σηµαντική είναι η βελτίωση του φυσικού µέσου µε εφαρµογή αλγόριθµων διόρθωσης σφαλµάτων (Forward Error Correction FEC) στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων ώστε να µειωθεί το BER (bit error rate). Επίσης µπορούν να χρησιµοποιηθούν µηχανισµοί επαναµεταδόσεων τύπου ARQ (Automatic Repeat Request) ώστε να µειωθεί η πιθανότητα µετάδοσης εσφαλµένων πακέτων ακόµα περισσότερο. Ωστόσο, σε µερικές περιπτώσεις, µηχανισµοί τύπου ARQ ίσως είναι καλύτερο να αποφεύγονται λόγω της επιπρόσθετης καθυστέρησης που εισάγουν στη µετάδοση πακέτων. Συγκεκριµένα, σε επικοινωνίες µε απαιτήσεις ελαστικού πραγµατικού χρόνου (πχ video, audio) στις οποίες τα πακέτα δεδοµένων θα πρέπει να µεταφερθούν σε προκαθορισµένα χρονικά διαστήµατα πέρα των οποίων δε θεωρούνται έγκυρα, πολλαπλές επαναµεταδόσεις εισάγουν καθυστέρηση στη 18

33 ιδακτορική ιατριβή µεταφορά των δεδοµένων µε αποτέλεσµα όταν αυτά φτάσουν στον τελικό προορισµό τους να µη µπορούν να χρησιµοποιηθούν. Αρχικά τα ασύρµατα δίκτυα ανήκαν στην κατηγορία των «Long Thin Networks» λόγω της µεγάλης καθυστέρησης και του µικρού εύρους ζώνης που παρουσίαζαν. Ωστόσο σύγχρονες τεχνολογίες έχουν αυξήσει το εύρος ζώνης (1-54Mbps για IEEE δίκτυα) µε αποτέλεσµα να θεωρούνται ως LFN (Long Fat Networks) δίκτυα καθώς παρουσιάζουν µεγάλο γινόµενο καθυστέρησης - εύρους ζώνης. Σε περιπτώσεις που οι ασύρµατες συνδέσεις παρουσιάζουν µεγάλο γινόµενο καθυστέρησης - εύρους ζώνης δηµιουργούν επιπρόσθετα προβλήµατα στην απόδοση του TCP [21]. Στην συνέχεια παρουσιάζουµε προτεινόµενες αρχιτεκτονικές και µηχανισµούς για τη βελτίωση της απόδοσης πρωτοκόλλων IP δικτύων όταν αυτά εφαρµόζονται σε ασύρµατα δίκτυα Η επιλογή του πρωτοκόλλου IP στο επίπεδο δικτύου Η πρώτη σχεδιαστική επιλογή για την ανάπτυξη ενός ασύρµατου δικτύου δεδοµένων αφορά τη χρήση του πρωτοκόλλου IP ως το θεµελιώδες πρωτόκολλο δικτύου. Συγκεκριµένα, αρκετά πρωτόκολλα τα οποία έχουν εξελιχθεί από υπηρεσίες ασύρµατης τηλεφωνίας δεν χρησιµοποιούν µία διαστρωµάτωση επιπέδων πάνω από το IP [22] [23]. Τέτοιες προτάσεις στηρίζουν τη λειτουργία τους στην έννοια των διαµεσολαβητών (Proxies) οι οποίοι προσφέρουν υπηρεσίες προσαρµογής δεδοµένων µεταξύ των ασύρµατων και ενσύρµατων τµηµάτων του δικτύου. Αυτό αποτελεί ένα λογικό µοντέλο για κινούµενες συσκευές οι οποίες επικοινωνούν πάντα δια µέσου ενός διαµεσολαβητή (proxy). Ωστόσο σε περιπτώσεις όπου οι κινούµενες συσκευές επικοινωνούν µεταξύ τους δηµιουργώντας ένα αυτόνοµο δίκτυο, όπως στην περίπτωση χρήσης φορητών υπολογιστών, και χρησιµοποιούν συνδέσεις µε ενσύρµατα δίκτυα ή το διαδίκτυο, µία αρχιτεκτονική η οποία στηρίζεται στο πρωτόκολλο IP είναι η καλύτερη λύση. Το ΙP πρωτόκολλο θεωρείται θεµελιώδες στοιχείο του διαδικτύου, µε αποτέλεσµα, εναλλακτικές αρχιτεκτονικές που δεν το χρησιµοποιούν να αντιµετωπίζουν σοβαρά προβλήµατα στην ανάπτυξη τους επειδή δεν εκµεταλλεύονται την IP δικτυακή υποδοµή. Οποιαδήποτε εναλλακτική αρχιτεκτονική η οποία χρησιµοποιείται ως πύλη πρόσβασης στο διαδίκτυο πρέπει να αντιστοιχεί ΙP διευθύνσεις σε µη-ip διευθύνσεις, θα πρέπει να τερµατίζει υπηρεσίες ασφαλείας του IP-επιπέδου στην πύλη, και δεν µπορεί να χρησιµοποιήσει ΙP πρωτόκολλα δροµολόγησης και ελέγχου (DHCP, DNS, LDAP, Service Location Protocol, κλπ) χωρίς αυτά να µεταφράζονται στην πύλη. Μια επιπρόσθετη πολυπλοκότητα προκύπτει όταν µία συσκευή µπορεί να συνδεθεί ταυτόχρονα και σε ασύρµατα και σε ενσύρµατα δίκτυα. Αν χρησιµοποιείται εναλλακτική τεχνολογία στο ασύρµατο µέσο δεν είναι δυνατή η µεταγωγή δεδοµένων από το ένα δίκτυο στο άλλο. Ένα άλλο σηµαντικό πρόβληµα που παρουσιάζουν οι εναλλακτικές αρχιτεκτονικές είναι η διαλειτουργικότητα µε πρωτόκολλα ανώτερων επιπέδων. Όταν χρησιµοποιηθεί στο επίπεδο δικτύου ένα πρωτόκολλο διαφορετικό από το IP θα πρέπει να τροποποιηθούν ή να επανασχεδιαστούν τα πρωτόκολλα στο επίπεδο µεταφοράς δεδοµένων. Επίσης η ανάπτυξη και υλοποίηση ενός δικτύου το οποίο χρησιµοποιεί το πρωτόκολλο IP στο επίπεδο δικτύου είναι ευκολότερη λόγω του µεγάλου αριθµού από πλατφόρµες και εργαλεία ανάλυσης και επεξεργασίας των δεδοµένων του δικτύου. Με βάση τα παραπάνω, και δεδοµένης της παγκόσµιας ανάπτυξης του ΙP πρωτοκόλλου, η επιλογή του αποτελεί την προφανή λύση ως τεχνολογία του επιπέδου δικτύου στην προτεινόµενη επικοινωνιακή διαστρωµάτωση για MANET δίκτυα που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή. 19

34 Νικόλαος Β. Πόγκας 2.11 ροµολόγηση IP πακέτων στο επίπεδο δικτύου Προηγµένες δυνατότητες δροµολόγησης, IP πακέτων, στο επίπεδο δικτύου, µπορούν να παρέχουν ένα όφελος όµοιο µε το σκοπό δηµιουργίας του διαδικτύου, δηλαδή «µία διαλειτουργική διαδικτυακή ικανότητα επικοινωνίας σε ανοµοιογενή δικτυακή υποδοµή». Σε αυτήν την περίπτωση η δικτυακή υποδοµή αφορά ασύρµατες επικοινωνίες και αποτελείται από πολλαπλές ασύρµατες τεχνολογίες µετάδοσης, πρωτοκόλλων πρόσβασης στο κανάλι (channel access), κλπ. Προηγµένες δυνατότητες IP δροµολόγησης και υπηρεσίες που σχετίζονται µε το επίπεδο δικτύου διατηρούν την ακεραιότητα του ασύρµατου διαδικτυακού τµήµατος σε αυτό το δυναµικό περιβάλλον. Με άλλα λόγια, το πλεονέκτηµα της δροµολόγησης σε επίπεδο δικτύου χρησιµοποιώντας IP τεχνολογία είναι η διαλειτουργικότητα κόµβων που χρησιµοποιούν ένα «συνδυασµό» διαφορετικών πρωτοκόλλων ή τεχνολογιών πρόσβασης στο φυσικό µέσο. Ένας MANET κόµβος αποτελείται από ένα δροµολογητή ο οποίος είναι φυσικά συνδεδεµένος µε έναν ή πολλούς ΙP hosts (ως ΙP host θεωρούµε µία επικοινωνιακή οντότητα ή συσκευή η οποία αναγνωρίζεται µονοσήµαντα σε ένα IP δίκτυο ή υπο-δίκτυο µέσω µίας IP διεύθυνσης δικτύου) ο οποίος έχει πιθανώς πολλαπλές επικοινωνιακές διεπαφές, κάθε µία από τις οποίες χρησιµοποιεί διαφορετική τεχνολογία µετάδοσης στο φυσικό µέσο [108]. Στην συνέχεια της διατριβής θεωρούµε ότι κάθε κόµβος MANET περιλαµβάνει έναν και µόνο IP-host, η οποία είναι και η συνήθης περίπτωση για κάθε δίκτυο. Εποµένως ένας MANET κόµβος µε επικοινωνιακές διεπαφές οι οποίες χρησιµοποιούν τις τεχνολογίες Α και Β µπορεί να επικοινωνήσει µε οποιονδήποτε άλλο κόµβο ο οποίος χρησιµοποιεί µία διεπαφή τεχνολογίας Α ή Β. Οι διασυνδέσεις µεταξύ κόµβων µέσω της τεχνολογίας Α δηµιουργούν µία τοπολογία Τ A του φυσικού επιπέδου, οι διασυνδέσεις µεταξύ κόµβων µέσω της τεχνολογίας Β δηµιουργούν µία άλλη τοπολογία T B (ή οποία µπορεί να είναι διαφορετική από την Τ A ) και η ένωση (union) των δύο τοπολογιών δηµιουργεί µία τρίτη τοπολογία (µε βάση την ορολογία της θεωρίας γράφων ένα πολλαπλό-γράφο) η οποία ονοµάζεται «IP routing fabric» [109] του MANET δικτύου, Σχ 2.1. Οι κόµβοι, χρησιµοποιώντας το IP fabric, µπορούν να δροµολογούν πακέτα και να επικοινωνούν χρησιµοποιώντας οποιαδήποτε από τις δύο τοπολογίες, ή και τις δύο τοπολογίες µαζί. Καθώς αναπτύσσονται καινούργιες τεχνολογίες πρόσβασης στο φυσικό µέσο, νέες τοπολογίες µπορούν να προστεθούν στο IP fabric χωρίς να απαιτούνται αλλαγές στο δίκτυο. Εποµένως παλαιότερες τεχνολογίες µπορούν να αντικατασταθούν εύκολα. Αυτή η λειτουργικότητα και η αρχιτεκτονική προσαρµοστικότητα παρέχεται από την δροµολόγηση σε επίπεδο δικτύου ή οποία αυξάνει την επεκτασιµότητα του συστήµατος. Η έννοια του «node identifier» (ή οποία διακρίνεται από την έννοια του «interface identifier») είναι κρίσιµη στην ενοποίηση» την τοπολογίας του δικτύου σε έναν πολλαπλό γράφο. Ουσιαστικά αναγνωρίζει ότι ένα σύνολο από δικτυακές διεπαφές ανήκει στον ίδιο κόµβο. Οι «node identifiers» είναι ουσιαστικά διευθύνσεις του επίπεδο δικτύου που αναγνωρίζουν µονοσήµαντα κάθε host και χρησιµοποιούνται για τη δροµολόγηση πακέτων στο δίκτυο, στην περίπτωση ΙP δικτύων είναι IP διευθύνσεις, οι «interface identifiers» είναι διευθύνσεις του επιπέδου σύνδεσης δεδοµένων οι οποίες αναγνωρίζουν µονοσήµαντα κάθε δικτυακή διεπαφή, δηλαδή πρόκειται για MAC διευθύνσεις. 20

35 ιδακτορική ιατριβή Σχήµα 2.1 Αρχιτεκτονική IP δροµολόγησης 2.12 Σκοπός του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Σκοπός της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής δροµολόγησης, η οποία παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 3, είναι η δηµιουργία δυνατοτήτων δροµολόγησης IP πακέτων µεταξύ οµότιµων οντοτήτων σε ένα ασύρµατο δίκτυο τύπου MANET. Η δυνατότητα δροµολόγησης θα παρέχεται µέσα από µηχανισµούς και πρωτόκολλα του επίπεδο δικτύου µε σκοπό: 1) Να έχει αποδοτική λειτουργία σε ένα ευρύ φάσµα από δικτυακά «περιβάλλοντα» (ως δικτυακό περιβάλλον εννοούµε το σύνολο των χαρακτηριστικών και απαιτήσεων ενός ασύρµατου δικτύου και των σταθµών που το απαρτίζουν). 2) Να αντιδρά αποτελεσµατικά σε αλλαγές της τοπολογίας του δικτύου και των απαιτήσεων επικοινωνιακής κίνησης χωρίς να διακόπτεται η δροµολόγηση πακέτων στο δίκτυο. 3) Η δροµολόγηση θα πρέπει να γίνεται µε έναν ενεργειακά αποτελεσµατικό τρόπο ούτως ώστε να µην επιβαρύνονται συγκεκριµένοι κόµβοι εξαιτίας της δροµολόγησης, µε σκοπό την αύξηση του χρόνου ζωής των κόµβων και κατ επέκταση την αύξηση του χρόνου ζωής του δικτύου. Αρκετές τηλεπικοινωνιακές αρχιτεκτονικές χρησιµοποιούν το πρωτόκολλο IP στο επίπεδο δικτύου και υλοποιούν ένα βελτιστοποιηµένο πρωτόκολλο µεταφοράς δεδοµένων είτε πάνω από το IP [24] ή πάνω από το UDP [25]. H απόρριψη του TCP, ως πρωτοκόλλου µεταφοράς δεδοµένων µε σύνδεση, είναι µία τολµηρή κίνηση δεδοµένης της εµπειρίας και της έρευνας που σχετίζεται µε αυτό. Μπορεί να θεωρηθεί ότι το διαδίκτυο δεν έχει καταρρεύσει λόγω της χρήσης του TCP πρωτοκόλλου ως κύριο πρωτόκολλο µεταφοράς δεδοµένων. Το TCP χρησιµοποιεί τους πόρους του δικτύου µε πολύ αποτελεσµατικό και προσεκτικό τρόπο θεωρώντας ότι οι απώλειες πακέτων οφείλονται σε φαινόµενα συµφόρησης και αποσύρεται από την µετάδοση επιπρόσθετων πακέτων (back off). Αυτό αποφεύγει τη δηµιουργία επιπρόσθετης συµφόρησης στο δίκτυο. Ωστόσο σε ασύρµατα δίκτυα οι απώλειες πακέτων οφείλονται, εκτός από την περίπτωση της συµφόρησης, σε τυχαία σφάλµατα µετάδοσης λόγω του υψηλού BER, σε σφάλµατα λόγω παρεµβολών και λόγω της κίνησης των κόµβων ή αλλαγής της τοπολογίας. Σε αυτή την περίπτωση, το TCP δεν µπορεί να διαχωρίσει την αιτία των σφαλµάτων µε αποτέλεσµα να µειώνει το ρυθµό αποστολής πακέτων µε αποτέλεσµα να µειώνεται η διεκπεραιωτική ικανότητα. Η επιλογή του TCP, ως πρωτοκόλλου µε σύνδεση και 21

36 Νικόλαος Β. Πόγκας επιβεβαίωση, στο επίπεδο µεταφοράς δεδοµένων αποτελεί ένα από τα πιο σηµαντικά ζητήµατα διαµάχης στην περιοχή των ασύρµατων δικτύων. Στην συνέχεια παρουσιάζουµε µερικά επιχειρήµατα εναντίων της χρήσης του. Γενικώς αναγνωρίζεται ότι το TCP δεν έχει µεγάλη απόδοση σε περιπτώσεις όπου εµφανίζεται µεγάλο ποσοστό απώλειας πακέτων (Packet Error Rate PER) η οποία δεν οφείλεται σε φαινόµενα συµφόρησης. Ερευνητές οι οποίοι δεν αποδέχονται τη χρήση του TCP θεωρούν ότι το ασύρµατο φυσικό µέσο έχει αυτήν τη συµπεριφορά και υποστηρίζουν ότι είναι ευκολότερο να υλοποιηθεί ένα νέο πρωτόκολλο από την αρχή παρά να βελτιωθεί το TCP. To TCP παρουσιάζει µεγάλη επιβάρυνση η οποία προέρχεται από τις επικεφαλίδες του πρωτοκόλλου που συνοδεύουν τα µεταδιδόµενα πακέτα δεδοµένων. Αν χρησιµοποιηθούν µηχανισµοί που βελτιώνουν την απόδοση του TCP σε ασύρµατα δίκτυα, το πρωτόκολλο που θα προκύψει θα απαιτεί µεγάλη επεξεργαστική ισχύ και µνήµη και θα είναι δύσκολο στην υλοποίηση του µε αποτέλεσµα να µην είναι κατάλληλο για χρήση από µικρές φορητές συσκευές µε περιορισµένους πόρους. Εδώ παρουσιάζουµε µερικά επιχειρήµατα υπέρ της χρήσης του. Είναι προτιµότερο να χρησιµοποιηθεί το TCP για λόγους συµβατότητας και διαλειτουργικότητας καθώς επιτρέπει τη διασύνδεση µε άλλα δίκτυα δεδοµένων (ασύρµατα ή ενσύρµατα) ή το διαδίκτυο, αλλά και τη χρήση πρωτοκόλλων ανώτερων επιπέδων όπως το FTP, HTTP καθώς και τεχνολογίες όπως Web-Servers κλπ. Μπορούν να χρησιµοποιηθούν συµβατοί µε το TCP µηχανισµοί για τη βελτίωση της απόδοσης του (όπως πχ µηχανισµοί three-way handshake). Αλγόριθµοι FEC και ARQ στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να βελτιωθεί το PER, µε αποτέλεσµα η απώλεια πακέτων που ανιχνεύεται από το TCP να οφείλεται σε συµφόρηση (ή µία συνεχή διακοπή της σύνδεσης). Σύγχρονες W-WAN τεχνολογίες χρησιµοποιούν τέτοιους αλγόριθµους (CPDP, US-TDMA, CDMA, GSM, IEEE ) βελτιώνοντας την απόδοση του TCP. Η λειτουργία Handoff µεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών µε τη χρήση του Mobile IP [32] είναι δυνατή, µόνο όταν χρησιµοποιούνται όµοια πρωτόκολλα, δηλαδή TCP/IP, από άκρο σε άκρο της επικοινωνίας. εδοµένης της µεγάλης ερευνητικής δραστηριότητας και εµπειρίας που σχετίζεται µε το TCP, εναλλακτικά πρωτόκολλα µεταφοράς δεδοµένων θεωρούνται σχετικά ανώριµα και οι επίπτωσης της ευρείας χρηστικής ανάπτυξης τους είναι αβέβαιες. Για τους παραπάνω λόγους έχουµε υιοθετήσει τη χρήση του TCP πρωτοκόλλου, ως κύριο πρωτόκολλο µεταφοράς δεδοµένων, στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική. Στη συνέχεια παρουσιάζουµε µηχανισµούς που αναφέρονται στη βιβλιογραφία οι οποίοι βελτιώνουν τη συνολική απόδοση του TCP σε ασύρµατα δίκτυα Οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου µεταφοράς TCP Ένας TCP αποστολέας προσαρµόζει τη χρήση του εύρους ζώνης στο φυσικό µέσο στηριζόµενος σε ανάδραση από τον παραλήπτη. Η υψηλή καθυστέρηση των ασύρµατων δικτύων έχει ως αποτέλεσµα η προσαρµογή του TCP να είναι πιο αργή σε σύγκριση µε δίκτυα χαµηλής καθυστέρησης (όπως το BaseT Ethernet). Επίσης καθυστερηµένα µηνύµατα επιβεβαίωσης TCP-ACKs αυξάνουν την παρατηρούµενη από το πρωτόκολλο καθυστέρηση της σύνδεσης. εδοµένου ότι το TCP αυξάνει το παράθυρο συµφόρησης (congestion-window) σε µονάδες του µέγιστου πλαισίου µετάδοσης MTU (Maximum Transmit Unit σε bytes), δίκτυα στα οποία τα µέγιστα πλαίσια µετάδοσης έχουν σχετικά χαµηλή τιµή θα καθυστερήσουν την προσαρµογή ακόµα περισσότερο Ο µηχανισµός Slow-Start και αποφυγής συµφόρησης Οι µηχανισµοί Slow Start και αποφυγής συµφόρησης (Congestion Avoidance) [33] του πρωτόκολλου TCP είναι βασικοί για τη σταθερή λειτουργία του διαδικτύου. Η λειτουργία του 22

37 ιδακτορική ιατριβή πρωτόκολλου TCP χρησιµοποιεί µηχανισµούς ελέγχου της ροής δεδοµένων (flow control) οι οποίοι βασίζονται στη χρήση παραθύρων τα οποία αναπαριστούν buffers από τµήµατα (segments) πληροφορίας που πρόκειται να µεταδοθεί µεταξύ οµότιµων οντοτήτων. Ο κόµβος προορισµού ανακοινώνει ένα µέγιστο αποδεκτό µέγεθος παραθύρου (offered window) ίσο µε W στις επιβεβαιώσεις τις οποίες στέλνει προς τον κόµβο πηγής. Ο κόµβος πηγής περιορίζει το µέγεθος του παραθύρου που χρησιµοποιεί προς µετάδοση (usable window) σε W, εάν ο κόµβος προορισµού δεν έχει επαρκές µέγεθος για την αποθήκευση των πακέτων µπορεί να θέσει το µέγεθος του παραθύρου W ίσο µε µηδέν µε αποτέλεσµα ο κόµβος πηγής να αναστείλει τη µετάδοση περαιτέρω πακέτων. Εποµένως, αυτός ο µηχανισµός ελέγχου ροής προσδιορίζεται από τον κόµβο προορισµού. Αντίθετα, το παράθυρο συµφόρησης (congestion window) προσδιορίζεται από τον κόµβο πηγής και υπολογίζεται µε βάση την ανάδραση από το δίκτυο και µηχανισµούς προσδιορισµού της συµφόρησης του δικτύου. Το µέγεθος του παραθύρου προσδιορίζεται δυναµικά µε βάση την καθυστέρηση ή την απώλεια πακέτων επιβεβαίωσης (TCP ACK s) που λαµβάνει ο κόµβος πηγής από τον κόµβο προορισµού. Σκοπός του µηχανισµού αυτού είναι η αποτροπή συµφόρησης στους buffers των ενδιάµεσων δροµολογητών. Όταν η πηγή θεωρήσει ότι η σύνδεση βρίσκεται σε κατάσταση συµφόρησης µειώνει το µέγεθος του παραθύρου, διαφορετικά το παράθυρο συµφόρησης συνεχίζει να αυξάνεται. Ο αλγόριθµος ρύθµισης του παραθύρου συµφόρησης έχει στόχο τη «δίκαιη» κατανοµή της χωρητικότητας του δικτύου µεταξύ των ενεργών συνδέσεων (ο ορισµός του όρου δίκαιη είναι δύσκολος, ένας ορισµός είναι ότι µία δίκαιη κατανοµή µεγιστοποιεί τον ελάχιστο µέσο ρυθµό ανά σύνδεση). Σε κάθε µία από τις παραπάνω περιπτώσεις το παράθυρο πού χρησιµοποιεί ο κόµβος πηγής για τη µετάδοση πακέτων στο δίκτυο (usable window) είναι ίσο µε το ελάχιστο των παραπάνω παραθύρων (usable window = MIN(offered window, congestion window)) Ο µηχανισµός Slow Start έχει ως σκοπό την αρχικοποίηση του ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων σε µία σύνδεση και λειτουργεί µε βάση την αρχή ότι ο ρυθµός µετάδοσης νέων πακέτων στο δίκτυο θα πρέπει να ισούται µε το ρυθµό που λαµβάνονται οι επιβεβαιώσεις από τον κόµβο προορισµού. Σε αυτήν τη φάση το παράθυρο συµφόρησης αυξάνεται εκθετικά µε το χρόνο έως ότου ο ρυθµός µετάδοσης πλησιάσει τη χωρητικότητα της σύνδεσης µε αποτέλεσµα οι ενδιάµεσοι κόµβοι να αρχίσουν να απορρίπτουν πακέτα. της πηγής. Ο µηχανισµός αποφυγής συµφόρησης διαχειρίζεται την απώλεια πακέτων στο δίκτυο, σε αυτήν τη φάση το παράθυρο συµφόρησης αυξάνεται γραµµικά µε το χρόνο. Οι δύο παραπάνω µηχανισµοί αποτελούν ανεξάρτητους αλγόριθµούς οι οποίοι ωστόσο υλοποιούνται µε ενιαίο τρόπο και επηρεάζουν δύο µεταβλητές του πρωτοκόλλου: το µέγεθος του παραθύρου συµφόρησης (cwnd) και το slow start κατώφλι (ssthersh).το οποίο µετράτε σε KB. 23

38 Νικόλαος Β. Πόγκας Initially high ssthresh Congestion Window size (segments) Congestion avoidance cwnd > ssthresh new ssthresh = ½cwnd Time (round trips) Σχήµα 2.2 Το παράθυρο συµφόρησης στη φάση slow start και κατά την αποφυγή συµφόρησης 25 Congestion window (segments) Time (round trips) Σχήµα 2.3 Μεταβολή του παραθύρου συµφόρησης µετά από τη λήξη του χρονοµετρητή επαναµεταδόσεων (RTO) Αρχικά, κατά την εγκατάσταση της σύνδεσης, το παράθυρο συµφόρησης έχει τιµή ίση µε ένα τµήµα και το κατώφλι ssthesh, έχει µεγάλη τιµή (64 KB). Η πηγή διαπιστώνει την απώλεια ενός πακέτου όταν λάβει πολλαπλά αντίγραφα της επιβεβαίωσης ή όταν εκπνεύσει ο χρονοµετρητής επαναµετάδοσης (Retransmission Timeout - RTO). Στην πρώτη περίπτωση, όπως παρουσιάζεται στο Σχ 2.2, το slow start κατώφλι (ssthresh) παίρνει µία τιµή ίση µε το µισό µέγεθος του παραθύρου πριν συµβεί η απώλεια και ενεργοποιείται ο µηχανισµός αποφυγής συµφόρησης κατά τον οποίο το παράθυρο συµφόρησης (cwnd) αυξάνεται γραµµικά. Στη δεύτερη περίπτωση, όπως παρουσιάζεται στο Σχ 2.3, το παράθυρο συµφόρησης γίνεται ίσο µε την αρχική του τιµή και ενεργοποιείται ο µηχανισµός slow start κατά τον οποίο αυξάνεται γραµµικά. Το ασύρµατο φυσικό µέσο επηρεάζει τη λειτουργία των παραπάνω µηχανισµών για τους εξής λόγους: 1) Κάθε φορά που λήγει ο χρονοµετρητής επαναµεταδόσεων (RTO), ο αποστολέας θεωρεί ότι έχει προκληθεί συµφόρηση στο δίκτυο και βάζει σε λειτουργία το µηχανισµό Slow Start, ως εκ τούτου θα πρέπει να µειωθούν οι απώλειες πακέτων που οφείλονται σε αίτια διαφορετικά από αυτό της συµφόρησης (πράγµα που το TCP θεωρεί δεδοµένο). 24

39 ιδακτορική ιατριβή 2) Ο αποστολέας αυξάνει το παράθυρο συµφόρησης µε βάση τον αριθµό των TCP-ACK που έχει λάβει από τον παραλήπτη. Ο ρυθµός άφιξης του εξαρτάται από τον χρόνο πλήρους διαδροµής (Round Trip Time -RTT) µεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη, ο οποίος εκτιµάται από το πρωτόκολλο TCP και αποτελεί βασική παράµετρο για τη λειτουργία του. Εποµένως σε συνδέσεις µε µεγάλη καθυστέρηση όπως τα ασύρµατα δίκτυα ο µηχανισµός αποφυγής συµφόρησης παρουσιάζει µεγάλο χρόνο έναρξης. Αυτό ισχύει έως ότου η επικοινωνιακή κίνηση φτάσει τη χωρητικότητα της σύνδεσης οπότε και, σε φυσιολογικές συνθήκες, θα ενεργοποιηθεί ο µηχανισµός.. 3) Κατά τη διάρκεια του µηχανισµού Slow Start ο αποστολέας αυξάνει το παράθυρο σε µονάδες τµηµάτων µετάδοσης. Για αυτόν το λόγο (δηλαδή για να µεγαλώσει γρήγορα το usable window σε αριθµό bytes) θα πρέπει να χρησιµοποιηθεί ένα κατάλληλα µεγάλο µέγεθος τµήµατος MTU (το οποίο καθορίζει το µέγιστο πακέτο σε bytes που µπορεί να µεταδοθεί από το δίκτυο). Αυτό απαιτεί, για τη σωστή λειτουργία του δικτύου, επίπεδα σύνδεσης δεδοµένων µε χαµηλές απώλειες. Με άλλα λόγια ένα µεγάλο MTU σε δίκτυα µε µεγάλο BER προκαλεί µεγάλη αύξηση του PER Οι µηχανισµοί Fast-Retransmit και Fast-Recovery Όπως αναφέραµε στην προηγούµενη ενότητα, όταν ο TCP αποστολέας λάβει αντίγραφα επιβεβαίωσης για το ίδιο TCP πλαίσιο (duplicate TCP ACK), θεωρεί ότι έχει προκληθεί απώλεια του συγκεκριµένου πλαισίου. Συγκεκριµένα όταν ο αποστολέας λάβει τρία αντίγραφα επιβεβαίωσης για το ίδιο πλαίσιο ενεργοποιεί ένα µηχανισµό που αναφέρεται ως fast retransmit σύµφωνα µε τον οποίο ο αποστολέας επαναµεταδίδει άµεσα το πλαίσιο που θεωρεί ως χαµένο, χωρίς να περιµένει µια λήξη του χρόνου επαναµετάδοσης, ούτως ώστε να αυξηθεί η διεκπεραιωτική ικανότητα της σύνδεσης. Μετά την ενεργοποίηση του µηχανισµού fast retransmit, ο αποστολέας βάζει σε λειτουργία το µηχανισµό fast recovery. Ο µηχανισµός αυτός επιτρέπει στον αποστολέα να µεταδίδει πακέτα µε το ήµισυ του ρυθµού που είχε προηγουµένως (ρυθµίζοντας την αύξηση του usable window µε βάση την παρατηρούµενη συµφόρηση στο δίκτυο), αντί την επανεκκίνηση του µηχανισµού slow start o οποίος θα µείωνε τον ρυθµό αποστολής σε µία αρχική τιµή. Όπως παρουσιάζεται στο Σχ 2.4 το παράθυρο συµφόρησης γίνεται ίσο µε το κατώφλι ssthresh αντί να παίρνει µία τιµή ίση µε 1 µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η διεκπεραιωτική ικανότητα της σύνδεσης. 10 sender's usable window (segments) Time (round trips) Σχήµα 2.4 Μεταβολή του παραθύρου συµφόρησης έπειτα από την απώλεια πλαισίου Γενικά το πρωτόκολλο TCP µπορεί να αυξήσει το usable window πέρα του γινοµένου καθυστέρησης-εύρους ζώνης (ο όρος είναι γνωστός ως delay-bandwidth product και εκφράζει τη χωρητικότητα της σύνδεσης). Ωστόσο σε ασύρµατα δίκτυα το παράθυρο συµφόρησης µπορεί να παραµείνει σχετικά µικρό λόγω των παρακάτω αιτίων: 25

40 Νικόλαος Β. Πόγκας 1) Όταν το τυπικό µέγεθος δεδοµένων προς µετάδοση σε µία σύνδεση είναι σχετικά µικρό, έχει ως αποτέλεσµα να τερµατίζεται η σύνδεση πριν το usable window του αποστολέα φτάσει το slow-start threshold. 2) Όταν το φυσικό µέσο παρουσιάζει µεγάλο BER το usable window τείνει να παραµένει µικρό. 3) Όταν κάποιος ασύρµατος η ενσύρµατος ενδιάµεσος σταθµός έχει µικρές ουρές στο υποσύστηµα ελέγχου κίνησης του δικτύου. 4) Όταν εµφανίζονται καθυστερήσεις που προέρχονται από το πρωτόκολλο δροµολόγησης σε ad hoc δίκτυα. Ένα άλλο σηµαντικό στοιχείο, στην απόδοση των µηχανισµών αυτών, είναι η υλοποίηση της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης. Συγκεκριµένα, καθυστερήσεις που προέρχονται από τον οδηγό της κάρτας δικτύου, την υλοποίηση του υποσυστήµατος ελέγχου κίνησης δικτύου, το λειτουργικό σύστηµα, το χρονοπρογραµµατισµό διεργασιών ή τη διαχείριση δυναµικής µνήµης στο σύστηµα, επιδρούν στη λειτουργία του TCP πρωτοκόλλου µε αποτέλεσµα να παραµένει το usable window σχετικά µικρό σε σχέση µε το γινόµενο καθυστέρησης-εύρους ζώνης. Το µικρό usable window µειώνει τη διεκπεραιωτική ικανότητα της σύνδεσης και αποτρέπει τον αποστολέα να κάνει χρήση του µηχανισµού fast retransmit. Η αποτελεσµατική ανάκαµψη από πολλαπλές απώλειες πακέτων απαιτεί την υιοθεσία νέων προτάσεων όπως το πρωτόκολλο TCP-NewReno [34]. Επίσης, σε συνδέσεις µε µικρό εύρος ζώνης στις οποίες δεν είναι δυνατόν να συµβεί αναδιάταξη των πακέτων κατά τη µεταφορά τους, η αναµονή για λήψη τριών αντίγραφων επιβεβαίωσης πριν την εφαρµογή του µηχανισµού Fast Retransmit καθυστερεί τον αποστολέα άσκοπα. Στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική έχουν υλοποιηθεί οι µηχανισµοί fast-retransmit και fastrecovery στο πρωτόκολλο TCP καθώς αποτελούν ευρέως διαδοµένες βελτιστοποιήσεις του πρωτοκόλλου. Οι προτεινόµενοι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου TCP-NewReno [34] φαινοµενικά επιτρέπουν στον αποστολέα να διαχειριστεί καλύτερα την απώλεια αρκετών πλαισίων αλλά δε συνιστάται η χρήση του καθώς βρίσκεται ακόµα σε πειραµατικό επίπεδο. Αντίθετα, οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου TCP-SACK [35] προτιµώνται στα ενσύρµατα δίκτυα, ωστόσο η χρήση του σε ενσωµατωµένα συστήµατα µε περιορισµένους πόρους είναι προβληµατική λόγω της πολυπλοκότητας και των απαιτήσεων, ως προς την µνήµη και την επεξεργαστική ισχύ, που παρουσιάζει το συγκεκριµένο πρωτόκολλο [36]. Επίσης, η αποδοτικότητα των πρωτοκόλλων TCP-NewReno και TCP-SACK δεν παρουσιάζουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα όταν χρησιµοποιούνται σε ad hoc δίκτυα [36] Παραλλαγές του πρωτοκόλλου TCP Το πρωτόκολλο TCP αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό πρωτόκολλο στην επικοινωνιακή διαστρωµάτωση καθώς χρησιµοποιείται από τα περισσότερα πρωτόκολλα ανώτερου επιπέδου (στο επίπεδο εφαρµογής) για την ανταλλαγή δεδοµένων µεταξύ αποµακρυσµένων σταθµών σε ένα δίκτυο. Ως εκ' τούτου παρουσιάζεται µεγάλη ερευνητική δραστηριότητα σχετικά µε τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του σε διαφορετικά δικτυακά περιβάλλοντα όπως δορυφορικά δίκτυα, ασύρµατα τοπικά δίκτυα, δίκτυα τύπου ad hoc κλπ. Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζεται και αξιολογείται ένας αριθµός από τις επικρατέστερες προτάσεις που αφορούν την εφαρµογή του σε ασύρµατα και ad hoc δίκτυα Εγκατάσταση σύνδεσης στο πρωτόκολλο TCP Το TCP αρχίζει µία διαδικασία «three-way handshake» στην αρχή εγκατάστασης κάθε νέας σύνδεσης. Η µεταφορά δεδοµένων αρχίζει µόνο αν ολοκληρωθεί αυτή η φάση επιτυχώς. Το πρωτόκολλο T/TCP [37][38] επιτρέπει την ανταλλαγή δεδοµένων παράλληλα µε την 26

41 ιδακτορική ιατριβή εγκατάσταση της σύνδεσης, µειώνοντας τον χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση σύντοµων ανταλλαγών δεδοµένων (transactions) σε δίκτυα µε υψηλή καθυστέρηση. Ωστόσο η χρήση του T/TCP δεν συνιστάται για τους παρακάτω λόγους: Αποτελεί µία πρόταση σε πειραµατικό επίπεδο. εν έχει αναπτυχθεί ευρέως η χρήση του, ενώ για την οµαλή λειτουργία του θα πρέπει να υποστηρίζεται και από τις δύο οµότιµες οντότητες της σύνδεσης. Τουλάχιστον κάποια από τα πλεονεκτήµατα του T/TCP (πχ η εξάλειψη του three-way handshake σε συνεχόµενες διαδικασίες αίτησης-απάντησης (query-response)) µπορούν να υποστηριχθούν από συνεχείς συνδέσεις TCP χωρίς να απαιτείται νέα εγκατάσταση σύνδεσης για κάθε ανταλλαγή δεδοµένων, αυτή η διαδικασία εφαρµόζεται και στο πρωτοκόλλου HTTP/1.1, το οποίο χρησιµοποιείται ευρύτερα Παραλλαγές του µηχανισµού Slow-Start Επειδή ο µηχανισµός slow start κυριαρχεί στην απόκριση του δικτύου κατά την εκκίνηση µιας TCP σύνδεσης, έχει γίνει ένας αριθµός από προτάσεις ώστε να τροποποιηθεί ή να εξαλειφθεί αυτός ο µηχανισµός σε δίκτυα µε υψηλή καθυστέρηση. Ωστόσο, επειδή η σταθερότητα του δικτύου είναι κυρίαρχη απαίτηση, θα πρέπει να αποδειχτεί ότι αυτές οι προτάσεις δεν επηρεάζουν αρνητικά τα επίπεδα συµφόρησης σε ένα δίκτυο. Ο µηχανισµός slow start θεωρεί µία αρχική τιµή για το usable window ίση µε ένα πλαίσιο, µε αποτέλεσµα να αποτελεί είναι µία χρονοβόρο διαδικασία προσαρµογής για σύρµατα δίκτυα. Μελέτες µε αρχικές τιµές µεγαλύτερες από ένα πλαίσιο [39] [40] είχαν ως αποτέλεσµα την αλλαγή του TCP πρωτοκόλλου ώστε να υποστηρίζει µία µέγιστη αρχική τιµή ίση µε δύο πλαίσια [33]. Χρήση µεγαλύτερων τιµών είναι ακόµα σε πειραµατικό στάδιο. Εξοµοιώσεις µε αυξηµένη αρχική τιµή του usable window έχουν δείξει ότι µία τιµή ίση µε τρία πλαίσια [41] δεν προκαλεί απόρριψη πακέτων στο δίκτυο ενώ αυξάνεται ο αρχικός χρόνος απόκρισης όταν ο κόµβος προορισµού καθυστερεί να αποστείλει TCP-ACKs κατά την διαδικασία slow start. Το πρόσφατο πρότυπο RFC2581 [33] για το πρωτόκολλο TCP, επιτρέπει µία αρχική τιµή του usable window ίση µε δύο πλαίσια. Σύγχρονες έρευνες έχουν δείξει ότι µία αρχική τιµή ίση µε τρία πλαίσια είναι ασφαλής ως προς την λειτουργία του δικτύου. Μία µεγαλύτερη τιµή, ίση µε τέσσερα πλαίσια, ίσως να επιτραπεί στο µέλλον για δίκτυα στα οποία αυτή η προσαρµογή θα βελτίωνε την απόδοση του πρωτοκόλλου. Ωστόσο για λόγους συµβατότητας προτείνεται µία αρχική τιµή ίση µε 2, η οποία επιτρέπει την διαλειτουργικότητα µε σταθµούς οι οποίοι δεν έχουν κάποιο τροποποιηµένο µηχανισµό slow start Η απόδοση του TCP σε MANET δίκτυα Στην περίπτωση των ad hoc δικτύων αρκετοί παράγοντες επιδρούν στην απόδοση του TCP πρωτοκόλλου. Κάποιοι από αυτούς του παράγοντες, όπως η περίπτωση της απώλειας πακέτων λόγω των σφαλµάτων µετάδοσης ή παρεµβολών, συναντώνται και στα παραδοσιακά ασύρµατα δίκτυα (κυψελιδικά ή άλλα). Ωστόσο τα ad hoc δίκτυα έχουν δύο ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τα οποία δεν συναντώνται σε παραδοσιακά δίκτυα. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι τα εξής: A. Η δροµολόγηση των πακέτων γίνεται σε διαδροµές που αποτελούνται από πολλαπλές ασύρµατες διασυνδέσεις. B. Η τοπολογία του δικτύου είναι εξαιρετικά δυναµική λόγω της µεγάλης κινητικότητας των κόµβων. 27

42 Νικόλαος Β. Πόγκας Η δροµολόγηση TCP πακέτων σε διαδροµές που αποτελούνται από πολλαπλά τµήµατα αυξάνει σηµαντικά την καθυστέρηση από άκρο σε άκρο λόγω των καθυστερήσεων που παρουσιάζονται στους ενδιάµεσους κόµβους. Αυτές οι καθυστέρησης µπορεί να οφείλονται σε φαινόµενα συµφόρησης, επεξεργασίας των πακέτων, εισαγωγής τους στις ουρές των ενδιάµεσων δροµολογητών ή από µηχανισµούς του φυσικού µέσου, δεδοµένου ότι όλοι οι κόµβοι µοιράζονται το ίδιο κανάλι. Οι καθυστερήσεις αυτές προκαλούν σηµαντική αύξηση της τιµής RTT η οποία εκτιµάται από το πρωτόκολλο και επιδρά σηµαντικά στη λειτουργία του. Στο Σχ 2.5 παρουσιάζεται η τιµή της µεταβλητής RTT ενώ στο Σχ 2.6α η διεκπεραιωτική ικανότητα (Throughput), ως συνάρτηση του αριθµού των τµηµάτων (Hops) της διαδροµής δροµολόγησης. Οι τιµές αυτές προκύπτουν από εξοµοιώσεις µε τον εξοµοιωτή δικτύων ns-2 [82] για την περίπτωση χρήσης ασύρµατων καρτών δικτύου τύπου IEEE µε ρυθµό µετάδοσης 2Mbps και τη χρήση στο MAC του µηχανισµού RTS/CTS. Οι τιµές του RTT αφορούν την αρχική εκτίµηση κατά την εγκατάσταση της σύνδεσης, όπου, δεν εµφανίζονται φαινόµενα συµφόρησης στο δίκτυο. Στο Σχ 2.6β παρουσιάζονται µετρήσεις της διεκπεραιωτικής ικανότητας του TCP οι οποίες έγιναν στα πλαίσια της διατριβής για διαφορετικούς ρυθµούς µετάδοσης (2Mbps, 5,5Mbps και 11Mbps) της ασύρµατης κάρτας δικτύου IEEE και τη χρήση στο MAC του µηχανισµού RTS/CTS. Παρατηρούµε ότι η δροµολόγηση πακέτων TCP σε διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα αυξάνει γραµµικά την καθυστέρηση από άκρο σε άκρο που εµφανίζεται στο πρωτόκολλο. H διεκπεραιωτική ικανότητα για την περίπτωση όπου ο αριθµός των τµηµάτων είναι ίσος µε 1 υποδιπλασιάζεται καθώς οι γειτονικοί κόµβοι δεν µπορούν να µεταδώσουν ταυτόχρονα πακέτα. Όταν ο αριθµός των τµηµάτων αυξάνεται, οι ενδιάµεσοι κόµβοι οι οποίοι δεν είναι στην εµβέλεια µετάδοσης ο ένας από τον άλλο µεταδίδουν ταυτόχρονα πακέτα και εµφανίζεται ένα φαινόµενο το οποίο στην διεθνή βιβλιογραφία ονοµάζεται ως effective pipelining Round Trip Time RTT (sec) Hops Σχήµα 2.5 Καθυστέρηση από άκρο σε άκρο TCP σύνδεσης σε διαδροµή µε πολλαπλά ασύρµατα τµήµατα. 28

43 ιδακτορική ιατριβή TCP Throughput (kbps) Hops TCP Throughput (Mbps) Hops 11Mbps 5.5Mbps 2Mbps Σχήµα 2.6α ιεκπεραιωτική ικανότητα TCP σύνδεσης σε διαδροµή µε πολλαπλά τµήµατα. Σχήµα 2.6b ιεκπεραιωτική ικανότητα TCP σύνδεσης για διαφορετικούς ρυθµούς µετάδοσης της ασύρµατης κάρτα δικτύου. Επίσης, επειδή οι κόµβοι µοιράζονται το κοινό ασύρµατο µέσο, συχνά προκαλείται συµφόρηση στους ενδιάµεσους κόµβους ενώ µπορούν να προκύψουν και συγκρούσεις των πακέτων καθώς τα πακέτα δεδοµένων TCP µεταδίδονται σε αντίθετη κατεύθυνση σε σχέση µε τα πακέτα επιβεβαίωσης TCP-ACK. Στο Σχ 2.7 παρουσιάζεται ένα επικοινωνιακό σενάριο κατά το οποίο υπάρχουν δύο εγκατεστηµένες συνδέσεις µεταξύ των κόµβων F-G και S-D. Οι κόµβοι Α,F,B,E και G ανταγωνίζονται για την πρόσβαση στο µέσο καθώς βρίσκονται εντός της εµβέλειας µετάδοσης ο ένας από τον άλλο. Επίσης τα TCP πακέτα δεδοµένων µεταδίδονται από τον αποστολέα προς τον παραλήπτη (S-D, F-G) ενώ τα πακέτα επιβεβαίωσης TCP-ACK δροµολογούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση (D-S, G-F). Σε αυτή την περίπτωση είναι αρκετά πιθανό να συµβεί συµφόρηση στον κόµβο Β ή πιθανές συγκρούσεις πακέτων στο φυσικό επίπεδο. Possible congestion at node B F Nodes A,F,B,E,G Contend for wireless access S A B E H D TCP source G TCP destination Σχήµα 2.7 Συµφόρηση σε ενδιάµεσους κόµβους Ένα άλλο πρόβληµα είναι το φαινόµενο του εκτεθειµένου τερµατικού (exposed node problem), το οποίο οφείλεται στο υποεπίπεδο προσπέλασης του µέσου (MAC). Συγκεκριµένα, κάποιοι κόµβοι, οι οποίοι βρίσκονται ανάµεσα σε δύο τµήµατα του δικτύου τα οποία είναι εκτός εµβέλειας το ένα από το άλλο και στα οποία υπάρχει υψηλή επικοινωνιακή κίνηση, αποτυγχάνουν να αποκτήσουν πρόσβαση στο µέσο καθώς θα πρέπει να ανταγωνιστούν ταυτόχρονα δυο ανεξάρτητα τµήµατα του δικτύου. Στην περίπτωση TCP 29

44 Νικόλαος Β. Πόγκας κίνησης στο δίκτυο η τιµή του παραθύρου συµφόρησης φαίνεται πως επηρεάζει σηµαντικά το συγκεκριµένο πρόβληµα. Σύγχρονες ερευνητικές εργασίες έχουν δείξει ότι για την περίπτωση που χρησιµοποιείται το πρωτόκολλο IEEE , µία µέγιστη τιµή για το παράθυρο συµφόρησης του TCP ίση µε τέσσερα πλαίσια, βελτιώνει σηµαντικά το συγκεκριµένο πρόβληµα καθώς µειώνεται ο µέγιστος αριθµός πακέτων TCP που µεταδίδονται χωρίς αναµονή επιβεβαίωσης ενώ η διεκπεραιωτική ικανότητα TCP συνδέσεων που αποτελούνται από πολλαπλά τµήµατα διατηρείται σε ικανοποιητικά επίπεδα [2]. Η κίνηση των κόµβων δηµιουργεί ένα άλλο σηµαντικό πρόβληµα στην απόδοση του TCP. Σε κυψελιδικά ασύρµατα δίκτυα η κίνηση ενός κόµβου µεταξύ δύο διαφορετικών σταθµών βάσης ενεργοποιεί το µηχανισµό handoff, κατά τον οποίο το υποεπίπεδο προσπέλασης στο µέσο (MAC) επιλέγει τον κατάλληλο σταθµό για την αποστολή ή δροµολόγηση των πακέτων. Ωστόσο σε ένα ad hoc δίκτυο η κίνηση των κόµβων προκαλεί διαδικασίες εύρεσης διαδροµής, στο πρωτόκολλο δροµολόγησης, οι οποίες απαιτούν σηµαντικά µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα για τη διεκπεραίωση τους λόγω της τοπολογίας του δικτύου, η οποία συχνά αποτελείται από διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα η κίνηση των κόµβων συχνά να προκαλεί τη λήξη του χρονοµετρητή επαναµεταδόσεων (Retransmission Timeout RTO) του πρωτοκόλλου TCP, µε αποτέλεσµα, για ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα να διακόπτεται η αποστολή πακέτων από το πρωτόκολλο. Αυτή η περίπτωση παρουσιάζεται στο Σχ 2.8, τη χρονική στιγµή Τ1 παύει να ισχύει η διασύνδεση µεταξύ δύο κόµβων λόγω αλλαγής της τοπολογίας, σε αυτήν την περίπτωση ενηµερώνεται το πρωτόκολλο δροµολόγησης (µέσω των µηχανισµών συντήρησης διαδροµών που διαθέτει) και προσπαθεί να βρει µία εναλλακτική διαδροµή προς τον κόµβο προορισµού. Ωστόσο, τη χρονική στιγµή Τ2, µετά από χρόνο RTO1 ο χρονοµετρητής επαναµεταδόσεων του TCP αποστολέα λήγει. Σε αυτήν την περίπτωση ενεργοποιείται ο µηχανισµός slow-start ενώ ο χρόνος του χρονοµετρητή διπλασιάζεται (RTO2 =2*RTO1). Όταν το πρωτόκολλο δροµολόγησης ανακτήσει µία εναλλακτική διαδροµή, στον χρόνο Τ3, το πρωτόκολλο TCP δεν θα µεταδώσει κάποιο πακέτο καθώς θα περιµένει να λήξει εκ νέου ο χρονοµετρητής. Η TCP σύνδεση θα αποκατασταθεί τελικά τη χρονική στιγµή T4, ενώ για ένα χρονικό διάστηµα (Τ4-Τ3) δεν µεταδίδονται TCP πακέτα ενώ υπάρχει διαθέσιµη διαδροµή για τη δροµολόγηση τους. T1 T2 T3 T4 Ασυνέχεια διασύνδεση RTO1 TCP time-out. RTO διπλασιάζεται (exponential backoff) Εκκίνηση slow-start Εύρεση νέας ιαδροµής RTO2 TCP time-out 2 Εκκίνηση Slow-start ACK received No throughput No throughput TCP data και ACKs Απορρίπτονται από Ενδιάµεσους δροµολογητές Απόρριψη πακέτου Μετάδοση πακέτου Σχ 2.8 Επίδραση των αλλαγών της τοπολογίας του δικτύου στους µηχανισµούς του TCP 30

45 ιδακτορική ιατριβή 2.16 Μηχανισµοί βελτίωσης της απόδοσης του TCP σε Ad hoc δίκτυα Στις παραπάνω περιπτώσεις το πρωτόκολλο TCP δεν µπορεί να αναγνωρίσει την αιτία απώλειας πακέτων (οι οποίες µπορεί να οφείλεται σε σφάλµατα µετάδοσης, αλλαγές της τοπολογίας ή συγκρούσεις πακέτων στο φυσικό µέσο) και θεωρεί ότι οφείλονται αποκλειστικά σε συµφόρηση του δικτύου. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την ενεργοποίηση του µηχανισµού fast-retransmit ή της διαδικασίας slow-start (έπειτα από λήξη του χρονοµετρητή RTO). Σε αυτές τις περιπτώσεις η διεκπεραιωτική ικανότητα του πρωτοκόλλου και κατ επέκταση η απόδοση του δικτύου µειώνεται χωρίς ουσιαστικό λόγο. Ερευνητικές εργασίες για την αντιµετώπιση αυτών των προβληµάτων µπορούν να χωριστούν σε δύο οµάδες [42]. Η πρώτη οµάδα προτείνει λύσεις οι οποίες στηρίζονται σε ευρετικές µεθόδους (heuristics) και στατιστικές µετρήσεις από το πρωτόκολλο. Η δεύτερη οµάδα προτείνει τη διασύνδεση του πρωτοκόλλου TCP µε κατώτερα επίπεδα µέσω µίας διεπαφής ώστε να γνωστοποιούνται µε σαφή τρόπο στο TCP πρωτόκολλο τα αίτια απώλειας πακέτων Περίπτωση χωρίς µηχανισµούς γνωστοποίησης (Explicit Notification) Αρκετές ερευνητικές µελέτες έχουν προτείνει στατιστικές µεθόδους για το πρωτόκολλο TCP µε σκοπό την αποφυγή συµφόρησης στο δίκτυο [43], [44], [45]. Μία φυσική επέκταση αυτών των ευριστικών µεθόδων θα επέτρεπαν στο TCP αποστολέα να διακρίνει αν η απώλεια πακέτων οφείλεται σε συµφόρηση ή σε άλλα αίτια. Ωστόσο τα ερευνητικά αποτελέσµατα της εφαρµογής τέτοιων µεθόδων σε ασύρµατα και ad hoc δίκτυα είναι απογοητεύτηκα [46], [47]. Μια άλλη µέθοδος η οποία προτείνει τη µέτρηση χρόνων άφιξης των πακέτων στον κόµβο προορισµού παρουσιάζει καλύτερα αποτελέσµατα για ένα περιορισµένο αριθµό από δικτυακά «περιβάλλοντα» [48]. Ωστόσο η µεγάλη διακύµανση που παρουσιάζει η καθυστέρηση των πακέτων σε ad hoc δίκτυα καταδικάζει την αποτελεσµατικότητα αυτών των µεθόδων Περίπτωση µε µηχανισµούς γνωστοποίησης (Explicit Notification) Με την χρήση µηχανισµών ανάδρασης από πρωτόκολλα χαµηλότερων επιπέδων είναι δυνατό το TCP να διακρίνει αν η απώλεια πακέτων οφείλεται σε συµφόρηση ή άλλα αίτια. Αρκετές ερευνητικές προτάσεις προς αυτήν την κατεύθυνση είναι οι παρακάτω: Γνωστοποίηση απώλειας Explicit Loss Notification (ELN) [49] Γνωστοποίηση δυσµενής κατάστασης Explicit Bad State Notification (EBSN) [50] Γνωστοποίηση απώλειας στον παραλήπτη Explicit Loss Notification to the Receiver (ELNR) [52] Γνωστοποίηση συµφόρησης Explicit Congestion Notification (ECN) [51] Ανάδραση από το πρωτόκολλο δροµολόγησης [53] Σχήµατα όπως το ELNR, έχουν κάποιους περιορισµούς καθώς οι ενδιάµεσοι κόµβοι οι οποίοι δροµολογούν τα πακέτα θα πρέπει να έχουν πρόσβαση και να επεξεργάζονται τις επικεφαλίδες των TCP πακέτων που προωθούν. Αυτό συνεπάγεται ότι όλοι οι κόµβοι του δικτύου θα πρέπει να υποστηρίζουν τη συγκεκριµένη TCP υλοποίηση ενώ δεν θα πρέπει να χρησιµοποιείται κρυπτογραφία στις επικεφαλίδες των πακέτων του TCP πρωτοκόλλου. Στην περίπτωση του ECN χρησιµοποιείται το πεδίο TOS (Type of Service) της επικεφαλίδας του πρωτοκόλλου IP, το οποίο µεταφέρει πληροφορία για πιθανή συµφόρηση στο δίκτυο. Αυτό το πεδίο δεν είναι κρυπτογραφηµένο από πρωτόκολλα ασφάλειας του επιπέδου δικτύου. Ωστόσο προτάσεις γνωστοποίησης της συµφόρησης δεν αποδίδουν σηµαντικά σε περιπτώσεις όπου παρατηρούνται συχνές απώλειες πακέτων λόγω αλλαγής της τοπολογίας. 31

46 Νικόλαος Β. Πόγκας Μηχανισµοί ανάδρασης από το πρωτόκολλο δροµολόγησης συνήθως έχουν πολύ καλύτερη απόδοση [53]. Οι µηχανισµοί αυτοί λειτουργούν ως εξής: Όταν το πρωτόκολλο δροµολόγησης διακρίνει µια αποτυχία δροµολόγησης σε κάποιο TCP πακέτο, θα πρέπει να ενηµερώσει το πρωτόκολλο TCP ώστε να αποφευχθεί η περίπτωση να λήξη το χρονοµετρητής επαναµεταδόσεων (RTO) για την συγκεκριµένη σύνδεση. Αν βρεθεί µία εναλλακτική διαδροµή για τη δροµολόγηση πακέτων της συγκεκριµένης TCP σύνδεσης το πρωτόκολλο δροµολόγησης θα πρέπει να ενηµερώσει εκ νέου το TCP ώστε να ξεκινήσει πάλι τη διαδικασία αποστολής πακέτων. Τέλος όταν το πρωτόκολλο δροµολόγησης αποτύχει να βρει µία νέα διαδροµή θα πρέπει να ενηµερώσει το TCP πρωτόκολλο ώστε αυτό να τερµατίσει την συγκεκριµένη σύνδεση. Το µειονέκτηµα της παραπάνω στρατηγικής είναι ότι απαιτούνται µηχανισµοί για την ανταλλαγή πληροφοριών µεταξύ διαφορετικών πρωτοκόλλων και χρειάζεται να τροποποιηθούν το επίπεδο δικτύου και το επίπεδο µεταφοράς δεδοµένων ώστε να είναι δυνατή η αποστολή και λήψη πληροφοριών µεταξύ τους. Σε αρκετές περιπτώσεις η παραπάνω διαδικασία είναι δύσκολο να υλοποιηθεί, επίσης στη δεύτερη περίπτωση της παραπάνω διαδικασίας θα πρέπει να αναζητηθούν νέες τιµές για το παράθυρο συµφόρησης (congestion window) και τον χρονοµετρητή επαναµεταδόσεων (RTO) καθώς είναι πολύ πιθανόν να έχει αλλάξει η διαδροµή δροµολόγησης των πακέτων και τα χαρακτηριστικά της διασύνδεσης όπως η καθυστέρηση, συµφόρηση κλπ Βελτίωση της απόδοσης του TCP στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική Στην προτεινόµενη επικοινωνιακή διαστρωµάτωση χρησιµοποιήθηκε το πρωτόκολλο TCP µε τους µηχανισµούς fast-retransmit και fast-recovery. Ως αρχική τιµή του usable window χρησιµοποιήθηκε µια τιµή ίση µε δύο πλαίσια. Η µέγιστη τιµή του παράθυρου συµφόρησης τέθηκε στα τέσσερα πλαίσια ώστε να αποφευχθεί το πρόβληµα του εκτεθειµένου τερµατικού (exposed node problem) [2] σε περιπτώσεις TCP συνδέσεων όπου τα πακέτα δροµολογούνται σε διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα. Στα πλαίσια της πιλοτικής εφαρµογής δεν υλοποιήθηκε στο πρωτόκολλο TCP κάποιος µηχανισµός γνωστοποίησης ή ανάδρασης από το επίπεδο του δικτύου. Ωστόσο ακολουθήθηκε µία διαφορετική στρατηγική µε σκοπό να ελαχιστοποιηθούν οι χρόνοι αναµονής που υφίσταται το πρωτόκολλο του επιπέδου εφαρµογής σε δύο περιπτώσεις. Η πρώτη περίπτωση καθυστέρησης συµβαίνει όταν το πρωτόκολλο δροµολόγησης αδυνατεί να βρει µία διαδροµή προς κάποιον κόµβο προορισµού κατά την εγκατάσταση µιας TCP σύνδεσης. Η καθυστέρηση οφείλεται στο πρωτόκολλο TCP το οποίο προσπαθεί να εγκαταστήσει την σύνδεση τέσσερις φορές και ο χρόνος που ενηµερώνει το πρωτόκολλο του ανώτερου επιπέδου για την αποτυχία σύνδεσης είναι µεγαλύτερος από 30 δευτερόλεπτα. Η δεύτερη περίπτωση καθυστέρησης συµβαίνει όταν εµφανίζονται απώλειες πακέτων λόγω αλλαγής της τοπολογίας (Σχ 2.9). Για να µειωθούν αυτοί οι χρόνοι θέσαµε µία µέγιστη τιµή του χρονοµετρητή επαναµεταδόσεων (RTO) ίση µε 5 sec ενώ το TCP πρωτόκολλο [33] αναφέρει ότι θα πρέπει να διπλασιάζεται έπειτά από κάθε συνεχή αποτυχηµένη προσπάθεια επαναµετάδοσης κάποιου πλαισίου. O µηχανισµός αποφυγής συµφόρησης του TCP, διπλασιάζει την τιµή του RTO και επαναµεταδίδει το παλαιότερο πακέτο που έχει επιβεβαιωθεί η λήψη του όταν λήγει ο χρονοµετρητής RTO (Σχ 2.5). Καθώς ο εκθετικός backoff µηχανισµός του RTO µπορεί να χειριστεί τα φαινόµενα συµφόρησης αποδοτικά, δεν είναι επαρκής σε δίκτυα MANET όταν η απώλεια πακέτων δεδοµένων ή επιβεβαιώσεων (TCP-ACK) προκαλείται από προσωρινές ασυνεχής διασυνδέσεις της τοπολογίας ή από την εµφάνιση σφαλµάτων µετάδοσης στο 32

47 ιδακτορική ιατριβή δίκτυο. Σε περιπτώσεις αλλαγής της τοπολογίας, ή νέα τιµή του RTO θα έπρεπε να επαναπροσδιοριστεί αντί να διπλασιαστεί. Επίσης όταν µία νέα διαδροµή είναι διαθέσιµη για τη δροµολόγηση των πακέτων, ο TCP αποστολέας θα πρέπει να αρχίσει να µεταδίδει πακέτα άµεσα αντί να περιµένει να λήξει ο χρονοµετρητής. Με την εφαρµογή της σταθερής τιµής στο χρονοµετρητή RTO δεν απαιτείται ανάδραση από χαµηλότερα επίπεδα. Όταν συµβαίνουν συνεχόµενα timeouts, δηλαδή αν ο αποστολέας δε λάβει ένα TCP-ACK µετά τη δεύτερη λήξη του χρονοµετρητή, o αποστολέας θεωρεί ότι έχει γίνει αποτυχία δροµολόγησης (δεν υπάρχει προς το παρών διαθέσιµη διαδροµή). Εποµένως το πακέτο που δεν έχει επιβεβαιωθεί επαναµεταδίδεται ξανά χωρίς να διπλασιάζεται η τιµή του χροµοµετρητή RTO (εφόσον η µέγιστη τιµή του διατηρείται σταθερή σε χαµηλές τιµές). T1 T2 T3 T4 Ασυνέχεια διασύνδεση RTO1 TCP time-out. RTO σταθερό Εκκίνηση slow-start TCP time-out 2 Εκκίνηση Slow-start Εύρεση νέας ιαδροµής RTO2 ACK received No throughput No throughput TCP data και ACKs Απορρίπτονται από Ενδιάµεσους δροµολογητές Απόρριψη πακέτου Μετάδοση πακέτου Σχήµα 2.9 Επαναµετάδοση πακέτου σε σταθερό χρόνο RTO Η τιµή του RTO παραµένει σταθερή έως ότου βρεθεί νέα διαδροµή και το πακέτο επιβεβαιωθεί. Με αυτήν τη στρατηγική ο TCP αποστολέας δεν περιµένει για µεγάλα χρονικά διαστήµατα πριν προσπαθήσει να επαναµεταδώσει το πακέτο. Όπως παρατηρούµε και στο Σχ 2.9 το χρονικό διάστηµα T3 T4 κατά το οποίο δεν µεταδίδονται πακέτα στο δίκτυο είναι µικρότερο σε σχέση µε την περίπτωση όπου ο χρονοµετρητής RTO διπλασιάζεται (Σχ 2.8). Το πρωτόκολλο δροµολόγησης (το οποίο παρουσιάζεται στη συνέχεια) έχει ένα µέγιστο χρόνο αναζήτησης διαδροµής ο οποίος είναι µικρότερος από το χρόνο αποτυχίας σύνδεσης του TCP. Αυτός ο µηχανισµός περιορίζει τις καθυστερήσεις που εµφανίζονται στο µηχανισµό fast-retransmit µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η διεκπεραιωτική ικανότητα του πρωτοκόλλου. Επίσης, καθώς η τιµή του RTO δεν διπλασιάζεται, σε περιπτώσεις όπου η σύνδεση δεν είναι δυνατή το πρωτόκολλο TCP ενηµερώνει το πρωτόκολλο ανώτερου επιπέδου για την αποτυχία σε συντοµότερο χρονικό διάστηµα. Στα πλαίσια της πιλοτικής εφαρµογής ο όγκος των δεδοµένων που έπρεπε να µεταδοθούν από κάθε κόµβο ήταν σχετικά µεγάλος (2 ως 3 ΜByte). Αν αποτύγχανε µία TCP σύνδεση για κάποιο λόγο (αλλαγή της τοπολογίας, σφάλµατα µετάδοσης κλπ) µια επόµενη προσπάθεια µετάδοσης των δεδοµένων από το πρωτόκολλο του επιπέδου εφαρµογής θα απαιτούσε τη µετάδοση των δεδοµένων από την αρχή. Για να αποφευχθεί αυτή η περίπτωση το πρωτόκολλο του επιπέδου εφαρµογής χωρίζει την πληροφορία σε µικρότερα τµήµατα (20-64 KByte) και τα µεταδίδει µε διαδοχικές TCP συνδέσεις. Σε περίπτωση αποτυχίας κάποιας TCP σύνδεσης, το πρωτόκολλο του επιπέδου εφαρµογής ενηµερώνεται σε σύντοµο χρονικό διάστηµα από το πρωτόκολλο TCP (λόγω της µικρής µέγιστης τιµής που µπορεί να πάρει το RTO) και προσπαθεί µε µία νέα σύνδεση να λάβει τα δεδοµένα της προηγούµενης 33

48 Νικόλαος Β. Πόγκας αποτυχηµένης σύνδεσης. Η παραπάνω στρατηγική βελτιώνει σηµαντικά το χρόνο µεταφοράς δεδοµένων σε περιπτώσεις όπου η µεταδιδόµενη πληροφορία είναι σχετικά µεγάλη και εµφανίζονται συχνές απώλειες πακέτων στο δίκτυο λόγω σφαλµάτων µετάδοσης ή συχνών αλλαγών της τοπολογίας Συµπεράσµατα Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων τύπου MANET τα οποία τα διαχωρίζουν από άλλα ασύρµατα δίκτυα. Στην ενότητα 2.4 παρουσιάστηκαν παράγοντες αξιολόγησης και µετρήσιµες παράµετροι για την απόδοση ενός πρωτοκόλλου το οποίο χρησιµοποιείται σε ένα τέτοιο δίκτυο. Οι συγκεκριµένες παράµετροι µέτρησης της απόδοσης θα χρησιµοποιηθούν για την αξιολόγηση των πρωτοκόλλων που σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσης διατριβής. Η αξιολόγηση των πρωτοκόλλων αυτών γίνεται µε εξοµοιώσεις που παρουσιάζονται στα επόµενα κεφάλαια. Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της χρήσης των πρωτοκόλλων IP και TCP σε ad hoc δίκτυα παρουσιάστηκαν στις ενότητες 2.8 και 2.9. Η επιλογή της αρχιτεκτονικής ΙP στο επίπεδο δικτύου αποτελεί τη σηµαντικότερη επιλογή για το σχεδιασµό ενός δικτύου δεδοµένων. Όταν απαιτείται από τις επικοινωνιακές απαιτήσεις του δικτύου η χρήση ενός πρωτοκόλλου µεταφοράς µε σύνδεση και επιβεβαίωση, η επιλογή του TCP αποτελεί µία εξίσου σηµαντική σχεδιαστική επιλογή. Στην ενότητα 2.10 παρουσιάστηκαν τα προβλήµατα που αντιµετωπίζει το πρωτόκολλο TCP όταν χρησιµοποιείται σε ασύρµατα δίκτυα. Προτάσεις για τη βελτίωση της απόδοσης του πρωτοκόλλου TCP παρουσιάστηκαν στην ενότητα Τέλος, στις ενότητες 2.16 και 2.17 παρουσιάστηκαν προτάσεις για βελτίωση της απόδοσης του πρωτοκόλλου TCP οι οποίες αυξάνουν τη διεκπεραιωτική του ικανότητα και µειώνουν το χρόνο αναµονής έπειτα από την απώλεια πακέτων στο δίκτυο. Οι προτάσεις αυτές αρχικά µελετήθηκαν µε εξοµοιώσεις ενώ στη συνέχεια υλοποιήθηκαν σε ασύρµατο δίκτυο και αξιολογήθηκαν σε εργαστηριακό περιβάλλον. 34

49 ιδακτορική ιατριβή 3 ροµολόγηση σε Ad Hoc ίκτυα Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται θέµατα που αφορούν τη δροµολόγηση πακέτων σε ad hoc δίκτυα. Το πρωτόκολλο δροµολόγησης αποτελεί τη σηµαντικότερη ίσως σχεδιαστική επιλογή για ένα ad hoc δίκτυο καθώς καθορίζει σε σηµαντικό βαθµό την απόδοση και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του δικτύου. Καθώς δεν υπάρχει ένας γενερικός αλγόριθµος δροµολόγησης µε ικανοποιητική απόδοση σε διαφορετικά δικτυακά «περιβάλλοντα», για την επιλογή του πρωτοκόλλου δροµολόγησης θα πρέπει να καθοριστούν τα χαρακτηριστικά και οι απαιτήσεις του ad hoc δικτύου. Η ταξινόµηση διαφορετικών αλγόριθµων δροµολόγησης παρουσιάζεται στη συνέχεια και µε βάση τις απαιτήσεις της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής επιλέγεται ένας αλγόριθµος δροµολόγησης ο οποίος και παρουσιάζεται στη συνέχεια του Κεφαλαίου. 3.1 Τα χαρακτηριστικά των πρωτοκόλλων δροµολόγησης Το βασικό πρόβληµα της δροµολόγησης είναι η εύρεση µίας διατεταγµένης σειράς από κόµβους οι οποίοι µπορούν να µεταφέρουν ένα πακέτο κατά µήκος του δικτύου από το πηγαίο κόµβο στον κόµβο προορισµού. Στα περισσότερα πρωτόκολλα δροµολόγησης για ενσύρµατα δίκτυα κάθε κόµβος διατηρεί έναν πίνακα δροµολόγησης. Ο πίνακας αυτός περιέχει για κάθε κόµβο προορισµού ενός πακέτου τον επόµενο κόµβο στο δίκτυο στον οποίο θα πρέπει να µεταδοθεί το πακέτο ώστε να φτάσει στον τελικό του προορισµό. Ο πίνακας δροµολόγησης µπορεί να θεωρηθεί ως ένα τµήµα µίας κατανεµηµένης δοµής δεδοµένων της οποίας η ένωση περιγράφει την τοπολογία του δικτύου. Σε αυτήν την περίπτωση ο σκοπός του πρωτοκόλλου δροµολόγησης είναι να εξασφαλίσει ότι τα περιεχόµενα αυτής της δοµής είναι συνεπή µε την πραγµατική τοπολογία του δικτύου. Αν ο πίνακας δροµολόγησης σε κάποιους κόµβους περιέχει λανθασµένη πληροφορία, τότε τα πακέτα που δροµολογούνται από αυτούς τους κόµβους µπορεί να απορριφθούν από τους επόµενους δροµολογητές που προωθούν τα πακέτα προς τον προορισµό τους. Το πρόβληµα της διατήρησης της ορθότητας του πίνακα δροµολόγησης γίνεται δυσκολότερο όσο αυξάνεται ο αριθµός των κόµβων στο δίκτυο και ο ρυθµός αλλαγής της τοπολογίας του δικτύου. Η πρόκληση στο σχεδιασµό ενός πρωτοκόλλου δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα είναι η ικανότητα του πρωτοκόλλου αυτού να προσαρµόζεται σε ένα ευρύ φάσµα συνθηκών που παρουσιάζονται στο δίκτυο µε το πέρασµα του χρόνου. Το πρωτόκολλο πρέπει να λειτουργεί εξίσου αποτελεσµατικά σε δίκτυα µε στατικούς κόµβους και µεγάλο εύρος ζώνης και σε δίκτυα µε περιορισµένο εύρος ζώνης και µεγάλη κινητικότητα των κόµβων. Επειδή είναι αδύνατον να είναι γνωστή η κατάσταση του δικτύου εκ των προτέρων και επειδή το δίκτυο αλλάζει δυναµικά, το πρωτόκολλο δροµολόγησης πρέπει να προσαρµόζεται αυτόµατα. Οι περισσότεροι προσαρµοστικοί αλγόριθµοι δροµολόγησης περιέχουν µία περιοδική συµπεριφορά, δηλαδή κάποιες λειτουργίες του πρωτοκόλλου εκτελούνται περιοδικά σε συγκεκριµένα χρονικά διαστήµατα ανεξάρτητα από εξωτερικά γεγονότα. Αυτές οι λειτουργίες σχετίζονται µε τη µετάδοση πακέτων ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης στο δίκτυο τα οποία προκαλούν επιβάρυνση του δικτύου και πιθανώς τοπική συµφόρηση. Αυτή η περιοδική συµπεριφορά περιορίζει και την ικανότητα του πρωτοκόλλου να προσαρµόζεται στις µεταβολές του δικτύου. Αν το περιοδικό χρονικό διάστηµα είναι πολύ µικρό η λειτουργία του πρωτοκόλλου θα είναι µη αποδοτική αφού θα εκτελούνται ενέργειες, δηλαδή θα µεταδίδονται πακέτα ελέγχου, µε µεγαλύτερο ρυθµό από τον απαιτούµενο για την αντίδραση στις αλλαγές τις τοπολογίας του δικτύου. Ενώ αν το περιοδικό χρονικό διάστηµα είναι πολύ µεγάλο, το πρωτόκολλο δεν θα αντιδρά αρκετά γρήγορα στις αλλαγές της τοπολογίας µε αποτέλεσµα να χάνονται πακέτα στο δίκτυο λόγω αποτυχίας του µηχανισµού δροµολόγησης. Αυτοί οι αλγόριθµοι ωστόσο µπορούν να σχεδιαστούν ώστε η περίοδος τους 35

50 Νικόλαος Β. Πόγκας να προσαρµόζεται µε το ρυθµό αλλαγής της τοπολογίας του δικτύου [54]. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση υποφέρει από την επιβάρυνση που προκαλείται από το µηχανισµό συντονισµού (tuning) και την καθυστέρηση µεταξύ της αλλαγής στο δίκτυο και την επιλογή ενός νέου χρονικού διαστήµατος. Στην χειρότερη περίπτωση, κατά την οποία µεγάλες αλλαγές στην τοπολογία ακολουθούνται από περιόδους όπου η τοπολογία δεν αλλάζει, η προσαρµογή της περιόδου θα µπορούσε να έχει ως αποτέλεσµα τη χρήση µεγάλων χρόνων κατά τη διάρκεια γρήγορων αλλαγών στην τοπολογία και τη χρήση µικρών χρόνων σε περιόδους κατά τις οποίες η τοπολογία είναι στατική. Αυτά τα πρωτόκολλα δροµολόγησης ονοµάζονται ως proactive λόγω της περιοδικής συµπεριφοράς τους, ή table-driven, λόγω του πίνακα δροµολόγησης που διατηρούν οι κόµβοι και ο οποίος συνήθως ανταλλάσσεται περιοδικά µεταξύ των κόµβων του δικτύου. Η εναλλακτική προσέγγιση στα proactive πρωτόκολλα είναι αυτά που ονοµάζονται ως reactive ή on-demand. Τα πρωτόκολλα αυτά στηρίζονται στο γεγονός ότι αν µία αλλαγή στην τοπολογία ή την κατάσταση του δικτύου µπορεί να ανιχνευτεί πριν προκαλέσει σοβαρές συνέπειες στη λειτουργία του δικτύου, τότε οι λειτουργίες του πρωτοκόλλου µπορούν να καθυστερήσουν και να εκτελεστούν όταν αυτό πραγµατικά απαιτείται [57], [58]. 3.2 Θέση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης στο µοντέλο αναφοράς OSI Κατά το σχεδιασµό του πρωτοκόλλου δροµολόγησης πρέπει να καθορίσουµε το επικοινωνιακό επίπεδο, µε βάση την ιεραρχική διαστρωµάτωση των πρωτοκόλλων του µοντέλου αναφοράς OSI, στο οποίο θα υλοποιηθεί. Ωστόσο στο προηγούµενο κεφάλαιο έχει ήδη αναφερθεί ότι η δροµολόγηση της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσης διατριβής στηρίζεται στην IP αρχιτεκτονική και υλοποιείται στο επίπεδο δικτύου µε σκοπό τη δροµολόγηση IP πακέτων. Στο Σχ 3.1 παρουσιάζεται το ιεραρχικό µοντέλο OSI, η αντιστοίχησή του µε τα επικοινωνιακά επίπεδα της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής και οι επικεφαλίδες που εισάγονται σε ένα πακέτο δεδοµένων κατά τη µετάδοση του στο δίκτυο. Σχήµα 3.1 Το ιεραρχικό µοντέλο αναφοράς OSI, τα επίπεδα της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής και οι επικεφαλίδες των πακέτων που µεταδίδονται 36

51 ιδακτορική ιατριβή Για τη δροµολόγηση πακέτων στο δίκτυο θεωρήσαµε δύο διαφορετικές εναλλακτικές λύσεις: A. ροµολόγηση στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων (OSI επίπεδο 2) B. ροµολόγηση στο επίπεδο δικτύου (OSI επίπεδο 3) Μία υλοποίηση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων έχει το πλεονέκτηµα ότι η δροµολόγηση γίνεται µε βάση τις διευθύνσεις του επιπέδου σύνδεσης δεδοµένων (διευθύνσεις τύπου MAC) και οι επικεφαλίδες του πρωτοκόλλου δροµολόγησης προηγούνται των επικεφαλίδων του επιπέδου δικτύου στο πακέτο, όπως φαίνεται στο Σχ 3.2. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα το πρωτόκολλο να είναι ανεξάρτητο από τα πρωτόκολλα του επιπέδου δικτύου µε αποτέλεσµα να είναι ικανό να δροµολογήσει πακέτα τύπου IPv4 [12], IPv6 [13], και IPX [59]. Σχήµα 3.2 ροµολόγηση στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων Ιστορικά, τα πρωτόκολλα δροµολόγησης σε ad hoc δίκτυα ξεκίνησαν ως παραλλαγές του πρωτοκόλλου Address Resolution Protocol (ARP) [14] χρησιµοποιώντας µηχανισµούς δροµολόγησης όµοιους µε αυτούς των πρωτοκόλλων IEEE 802.1D και πηγαίας δροµολόγησης σε γέφυρες (source routing bridges) [60], τα οποία και τα δύο είναι πρωτόκολλα του επίπεδου σύνδεσης δεδοµένων. Τεχνικά, ένας τέτοιος σχεδιασµός του πρωτοκόλλου δροµολόγησης στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων θα επέτρεπε την υλοποίησή του στο firmware καρτών δικτύου µε αποτέλεσµα να είναι ανεξάρτητο από την επικοινωνιακή διαστρωµάτωση ή το λειτουργικό σύστηµα του εκάστοτε σταθµού. Ωστόσο η διαλειτουργικότητα του πρωτοκόλλου δροµολόγησης µε διαφορετικές ασύρµατες κάρτες δικτύου είναι ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα καθώς µε την τεχνολογική ανάπτυξη των ασύρµατων επικοινωνιών, νέες τεχνολογίες µετάδοσης µε αυξηµένες επιδόσεις αναπτύσσονται συνεχώς. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος πού αποφασίσαµε να υλοποιήσουµε το πρωτόκολλο δροµολόγησης στο επίπεδο δικτύου (Σχ 3.3) και η δροµολόγηση να υποστηρίζει αποκλειστικά πακέτα τύπου IPv4 [12] και IPv6[13]. Επίσης, το επίπεδο δικτύου είναι το µοναδικό επίπεδο που υποστηρίζει τη δροµολόγηση µεταξύ διαφορετικών δικτυακών διεπαφών, επιτρέποντας τη δροµολόγηση πακέτων µεταξύ ασύρµατων και ενσύρµατων δικτύων ή γενικά µεταξύ δικτύων διαφορετικής τεχνολογίας µετάδοσης. Αυτή η σχεδιαστική επιλογή επιτρέπει στα πακέτα του δικτύου να µπορούν να δροµολογηθούν µε στάνταρντ δικτυακούς εξοπλισµούς όπως access points, γέφυρες (Bridges), δροµολογητές (Routers), πύλες (Gateways) ή να προωθηθούν στο διαδίκτυο, µε αποτέλεσµα να είναι δυνατή η διασύνδεση δύο ή περισσοτέρων ad hoc ασύρµατων υποδικτύων µέσω του διαδικτύου ή 37

52 Νικόλαος Β. Πόγκας ενσύρµατων δικτύων, µε την προϋπόθεση οι πύλες διασύνδεσης του ασύρµατου µε το ενσύρµατο δίκτυο να υποστηρίζουν το συγκεκριµένο πρωτόκολλο δροµολόγησης. PHYSICAL IP ROUTING TCP AH εδοµένα Σχήµα 3.3 ροµολόγηση στο επίπεδο δικτύου 3.3 Ταξινόµηση πρωτοκόλλων δροµολόγησης για MANET δίκτυα Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται τα επικρατέστερα πρωτόκολλα δροµολόγησης για ad hoc δίκτυα και µια συνοπτική περιγραφή των ιδιοτήτων και λειτουργιών τους. Ιστορικά, τα περισσότερα από αυτά τα πρωτόκολλα προέρχονται ή στηρίζουν τη λειτουργία τους σε παραλλαγές δύο αλγορίθµων, του αλγόριθµου distance-vector (DV) και του αλγόριθµου linkstate (LS) [63]. Στον αλγόριθµο DV ένα διάνυσµα (vector) το οποίο περιέχει το κόστος (πχ το µήκος της διαδροµής) και τη διαδροµή δροµολόγησης (ή το επόµενο τµήµα της διαδροµής) προς κάποιους κόµβους προορισµού στο δίκτυο φυλάσσεται και ανταλλάσσεται µεταξύ των δροµολογητών. Οι αλγόριθµοι που στηρίζονται στον DV συνήθως υποφέρουν από καθυστέρηση κατά τη διαδικασία εύρεσης διαδροµών στο δίκτυο. Ο αλγόριθµος linkstate (LS) ξεπερνά αυτό το πρόβληµα διατηρώντας πληροφορία για την τοπολογία του δικτύου σε κάθε δροµολογητή. Η πληροφορία αυτή ανανεώνεται µε τη µετάδοση πληροφοριών για τις διασυνδέσεις του δικτύου µεταξύ γειτονικών δροµολογητών. Ωστόσο, αυτός ο αλγόριθµος προκαλεί επιβάρυνση στο δίκτυο καθώς αυξάνεται η κίνηση πληροφοριών ελέγχου δροµολόγησης. Η επιβάρυνση του δικτύου προκαλεί, επίσης, και αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας των κόµβων καθώς αυξάνεται ο αριθµός των πακέτων που µεταδίδονται στο δίκτυο µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας των ασύρµατων καρτών δικτύου. Καθώς η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας που προέρχεται από επικοινωνιακές λειτουργίες είναι σηµαντική απαίτηση στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική, ο περιορισµός της επιβάρυνσης που προκαλεί το πρωτόκολλο δροµολόγησης είναι σηµαντικό κριτήριο για την επιλογή της στρατηγικής δροµολόγησης. Τα πρωτόκολλα δροµολόγησης µπορούν να χωριστούν σε τρεις γενικές κατηγορίες µε βάση το µοντέλο διευθυνσιοδότησης και τις αρµοδιότητες των κόµβων στο δίκτυο: Σχήµατα επίπεδης δροµολόγησης (Flat routing), τα οποία µε τη σειρά τους χωρίζονται σε δύο οµάδες, proactive και reactive, ανάλογα µε τη στρατηγική δροµολόγησης που ακολουθούν. Σχήµατα ιεραρχικής δροµολόγησης Σχήµατα δροµολόγησης που στηρίζονται σε πληροφορίες γεωγραφικής τοπολογίας. 38

53 ιδακτορική ιατριβή Τα πρωτόκολλα επίπεδης δροµολόγησης (flat routing) ακολουθούν ένα σχήµα επίπεδης διευθυνσιοδότησης (flat addressing), στο οποίο, το δικτυακό περιβάλλον είναι συµµετρικό, δηλαδή κάθε κόµβος έχει τις ίδιες αρµοδιότητες ως προς τη δροµολόγηση των πακέτων στο δίκτυο. Αντίθετα, στο ιεραρχικό µοντέλο κάθε κόµβος στο δίκτυο έχει διαφορετικές αρµοδιότητες και εκτελεί διαφορετικές λειτουργίες δροµολόγησης. Σε αυτά τα σχήµατα δροµολόγησης ακολουθείται συνήθως και µία ιεραρχική διευθυνσιοδότηση του δικτύου. Αυτό το µοντέλο δροµολόγησης, χρησιµοποιείται και στο διαδίκτυο καθώς είναι κατάλληλο για δίκτυα µε µεγάλο αριθµό κόµβων. Το τρίτο µοντέλο χρησιµοποιεί πληροφορίες από συσκευές GPS (Global Positioning System) για τη δροµολόγηση του δικτύου. Αυτό το σενάριο είναι αρκετά ρεαλιστικό τις µέρες µας καθώς το µέγεθος και το κόστος αυτών των συσκευών είναι σχετικά µικρό. Το πρόβληµα µε τις συσκευές GPS είναι ότι δεν λειτουργούν σε κλειστούς χώρους, εποµένως αυτό το σχήµα είναι περισσότερο κατάλληλο για µεγάλα δίκτυα τα οποία αναπτύσσονται σε εξωτερικούς χώρους και καλύπτουν µεγάλες γεωγραφικές περιοχές. Στο Σχ 3.4 παρουσιάζεται η σχηµατική ταξινόµηση των επικρατέστερων πρωτοκόλλων για ad hoc δίκτυα. Ωστόσο, λόγω της σηµαντικής ερευνητικής δραστηριότητας που παρατηρείται διεθνώς σχετικά µε τα ad hoc δίκτυα, και ειδικότερα µε τους αλγόριθµους δροµολόγησης, µία λεπτοµερής ανάλυση αλγόριθµων δροµολόγησης θα ήταν αδύνατη στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής. Ad hoc routing protocols Proactive (table-driven) Flat routing Reactive (on-demand) Hierarchical routing Geographic position assistance routing FSR OLSR TBRPF DSDV TORA DSR AODV HSR ZRP CGSR GEOCAST LAR GPSR Σχήµα 3.4 Ταξινόµηση πρωτοκόλλων δροµολόγησης για Ad hoc δίκτυα 3.4 Επιλογή του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Η επιλογή του πρωτοκόλλου δροµολόγησης στα πλαίσια του σχεδιασµού της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης έγινε µε βάση τα παρακάτω κριτήρια, ένα µέρος των οποίων έχει αναφερθεί και στο Κεφάλαιο 2. Στην περίπτωση των ad hoc δικτύων δεν υπάρχουν γενερικές λύσεις για το πρόβληµα της δροµολόγησης, δηλαδή δεν είναι δυνατόν ένας αλγόριθµος δροµολόγησης να έχει βέλτιστη συµπεριφορά, ως προς κάποια καθορισµένα κριτήρια, για διαφορετικές παραλλαγές του δικτύου. Εποµένως, σε αυτή την ενότητα θα καθορίσουµε το δικτυακό περιβάλλον στο οποίο θα επιλέξουµε έναν αλγόριθµο δροµολόγησης. Τα χαρακτηριστικά που θα καθορίσουν το δικτυακό περιβάλλον στο οποίο στοχεύει η προτεινόµενη αρχιτεκτονική (χωρίς να περιορίζεται µόνο σε αυτά) είναι τα εξής: Μέγεθος του δικτύου. Χαρακτηριστικά της τοπολογίας και της κινητικότητας των κόµβων. Χαρακτηριστικά της πληροφοριακής κίνησης στο δίκτυο. Επιβάρυνση στην κατανάλωση ενέργειας που προέρχεται από λειτουργίες του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. 39

54 Νικόλαος Β. Πόγκας υνατότητες δροµολόγησης µε τη χρήση στρατηγικών µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας. Θεωρούµε ότι το δίκτυο αποτελείται από µικρό ως µέτριο αριθµό κόµβων, ο οποίος δεν ξεπερνά τους 100. Οι κόµβοι αποτελούνται από ενσωµατωµένα συστήµατα (embedded systems) µε περιορισµένη επεξεργαστική ισχύ, µικρή χωρητικότητα µνήµης και τροφοδοτούνται από ηλεκτρικούς συσσωρευτές. Η τοπολογία του δικτύου είναι δυναµική και αποτελείται από διαδροµές µε πολλαπλές ασύρµατες διασυνδέσεις. Θεωρούµε ότι ο µέγιστος αριθµός διασυνδέσεων που µπορεί να έχει µία διαδροµή δροµολόγησης είναι 10 τµήµατα (hops). Η κινητικότητα των κόµβων θεωρούµε ότι είναι σχετικά µικρή. Η κίνηση του δικτύου χαρακτηρίζεται από περιόδους εκρηκτικής κίνησης δεδοµένων (burst traffic) µε απαιτήσεις για υψηλή διεκπεραιωτική ικανότητα, ενώ το πληροφοριακό µέγεθος των δεδοµένων που µπορεί να ανταλλάσσουν δύο κόµβοι του δικτύου είναι σχετικά µεγάλο (2-3 ΜByte). Επίσης, η πληροφοριακή κίνηση µπορεί να έχει µεγάλες αδρανείς περιόδους (οι οποίες µπορεί να έχουν διάρκεια ωρών) κατά τις οποίες δεν µεταδίδονται πληροφοριακά πακέτα στο δίκτυο. Ωστόσο, θεωρούµε ότι οι ταυτόχρονες επικοινωνιακές συνδέσεις στο δίκτυο θα είναι περιορισµένες καθώς διαφορετικά θα προκληθεί συµφόρηση λόγω της µικρής χωρητικότητας του δικτύου. Ένα σηµαντικό κριτήριο επιλογής αποτελούν οι περιορισµένοι πόροι των κόµβων του δικτύου και κυρίως οι απαιτήσεις για µείωση της κατανάλωση ενέργειας που οφείλεται σε επικοινωνιακές λειτουργίες. Το πρωτόκολλο δροµολόγησης δεν θα πρέπει να επιβαρύνει σηµαντικά την κατανάλωση ενέργειας των κόµβων του δικτύου, ενώ κρίνονται απαραίτητες στρατηγικές δροµολόγησης µε βάση κριτήρια που αφορούν την κατανάλωση ενέργειας και το χρόνο ζωής του δικτύου. Αυτές οι στρατηγικές στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται µε τον όρο Power Aware Routing και στη συνέχεια τις διατριβής θα αναφέρονται ως PAR αλγόριθµοι ή στρατηγικές. Οι PAR αλγόριθµοι επιλέγουν διαδροµές δροµολόγησης µε βάση κάποιο ενεργειακά αποδοτικό µέτρο αντί για το παραδοσιακό κριτήριο της συντοµότερης διαδροµής, για να ενσωµατωθούν σε κάποιο πρωτόκολλο δροµολόγησης, θα πρέπει το πρωτόκολλο αυτό να υποστηρίζει την εύρεση πολλαπλών διαδροµών προς κόµβους προορισµού ώστε να επιλέγεται η διαδροµή που έχει το µικρότερο ενεργειακό κόστος. Πρωτόκολλα δροµολόγησης που δεν υποστηρίζουν την εύρεση πολλαπλών διαδροµών προς κάποιον κόµβο προορισµού δεν είναι κατάλληλα για την εφαρµογή τέτοιων αλγορίθµων. Οι αλγόριθµοι αυτοί απαιτούν την ανταλλαγή πληροφοριών σχετικά µε την ενέργεια των ηλεκτρικών συσσωρευτών των κόµβων του δικτύου, εκτός από πληροφορία της τοπολογίας που χρησιµοποιούν τα παραδοσιακά πρωτόκολλα δροµολόγησης. Με βάση τις παραπάνω απαιτήσεις και τα χαρακτηριστικά του δικτυακού περιβάλλοντος τα επικρατέστερα πρωτόκολλα είναι τα reactive της οµάδας επίπεδης δροµολόγησης. Τα reactive πρωτόκολλα έχουν πολύ καλή απόδοση σε δίκτυα µε σχετικά µικρό αριθµό κόµβων (ως 100) και µεγάλη δυναµικότητα της τοπολογίας [64] [65]. Η επιβάρυνση στην κατανάλωση ενέργειας του δικτύου που προέρχεται από λειτουργίες των reactive πρωτοκόλλων είναι µικρότερη σε σχέση µε τα proactive πρωτόκολλα [66]. Η αυξηµένη επιβάρυνση στην κατανάλωση ενέργειας των proactive πρωτοκόλλων οφείλεται στην περιοδική συµπεριφορά τους καθώς µεταδίδουν περιοδικά πληροφορίες δροµολόγησης µεταξύ των κόµβων του δικτύου ανεξάρτητα από την επικοινωνιακή κίνηση στο δικτύου. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα, σε αδρανείς περιόδους του δικτύου (όταν δηλαδή δεν µεταδίδονται πακέτα δεδοµένων µεταξύ των κόµβων) οι κόµβοι να καταναλώνουν άσκοπα ενέργεια καθώς λαµβάνουν και µεταδίδουν πακέτα ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Με βάση τα παραπάνω συµπεράσµατα η επιλογή κρίνεται µεταξύ των πρωτοκόλλων Dynamic Source Routing DSR [61] [62] και Ad-hoc Distance Vector AODV [67]. Ωστόσο το πρωτόκολλο AODV δεν υποστηρίζει την εύρεση πολλαπλών διαδροµών προς κόµβους 40

55 ιδακτορική ιατριβή προορισµού, σε αντίθεση µε το DSR, µε αποτέλεσµα να µην είναι κατάλληλο για την εφαρµογή PAR αλγορίθµων. Επίσης, ενώ το πρωτόκολλο AODV χαρακτηρίζεται ως reactive έχει ένα µηχανισµό ανίχνευσης γειτονικών σταθµών κατά τον οποίο κάθε κόµβος µεταδίδει περιοδικά (µε περίοδο 1sec) broadcast µηνύµατα αναγγελίας προς τους γειτονικούς του κόµβους. Τέλος η απόδοση, ως προς διάφορες παραµέτρους αξιολογήσεις, του πρωτοκόλλου DSR υπερισχύει άλλων πρωτοκόλλων όπως τα OLSR AODV DSDV και TORA [65][66]. Με βάση τα παραπάνω συµπεράσµατα, το πρωτόκολλο δροµολόγησης που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσης διατριβής στηρίζεται στο DSR. Στην συνέχεια του Κεφαλαίου παρουσιάζονται οι βασικοί µηχανισµοί λειτουργίας του πρωτοκόλλου DSR ενώ στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τροποποιήσεις που έγιναν στους µηχανισµούς του πρωτοκόλλου µε σκοπό να υποστηριχθούν αλγόριθµοι και στρατηγικές δροµολόγησης PAR. 3.5 Σύγκριση πρωτοκόλλων δροµολόγησης Για να επιβεβαιώσουµε τα αποτελέσµατα των ερευνητικών εργασιών [65][66] συγκρίναµε την απόδοση των πρωτοκόλλων DSR, AODV, TORA και DSDV µε εξοµοιώσεις χρησιµοποιώντας τον εξοµοιωτή δικτύων ns-2 [82]. Τα πρωτόκολλα DSR και AODV και TORA είναι reactive πρωτόκολλα δροµολόγησης ενώ το DSDV proactive (Σχ 3.4). Οι παράµετροι αξιολόγησης που χρησιµοποιήσαµε βασίζονται στα κριτήρια αξιολόγησης πρωτοκόλλων που παρουσιάστηκαν στο τµήµα 2.5. Το δικτυακό περιβάλλον αφορά µία τοπολογία µεγέθους 1000m x 1000m µε 50 κόµβους οι οποίοι κινούνται µε βάση το µοντέλο κίνηση random-way-point [68] µε µία µέση ταχύτητα 10m/sec ενώ σε τυχαία χρονικά διάστηµα παραµένουν ακίνητοι για µία περίοδο που µεταβάλλεται (pause time). Η επικοινωνιακή κίνηση στο δίκτυο προέρχεται από 10 Constant Bit Rate CBR πηγές οι οποίες δηµιουργούν συνδέσεις µεταξύ διαφορετικών κόµβων πηγής και προορισµού και µεταδίδουν UDP πακέτα µε ρυθµό 80kbps. Στο φυσικό µέσο χρησιµοποιούνται ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου IEEE b µε ρυθµό µετάδοσης τα 2Μbps και εµβέλεια 200m. Στο Σχ. 3.5 παρουσιάζεται ο µέσος αριθµός (σε bytes) πληροφοριακών δεδοµένων που µεταδόθηκαν προς δεδοµένων (σε bytes) που παραδόθηκαν. (Delivery Ratio). Όταν ο χρόνος pause-time πλησιάζει το µηδέν η κινητικότητα των κόµβων είναι υψηλή, ενώ όταν γίνει ίση µε 900sec (όσο διαρκεί και ο χρόνος της εξοµοίωσης) το δίκτυο γίνεται στατικό. Όταν το δίκτυο είναι στατικό δεν χάνονται πληροφοριακά πακέτα. Καθώς όµως αυξάνεται η κινητικότητα των κόµβων τα πρωτόκολλα δροµολόγησης συχνά αποτυγχάνουν να δροµολογήσουν κάποια πακέτα λόγω της δυναµικότητας που παρουσιάζει η τοπολογία του δικτύου. Όπως αναµενόταν, τα reactive πρωτόκολλα DSR και AODV υπερισχύουν σε σύγκριση µε proactive πρωτόκολλα όταν αυξάνεται η κινητικότητα των κόµβων του δικτύου. 41

56 Νικόλαος Β. Πόγκας Delivery Ratio AODV 0.2 DSDV DSR TORA Pause Time (sec) Σχήµα 3.5 Λόγος πληροφοριακών πακέτων που µεταδόθηκαν προς πακέτα που παραλήφθηκαν ως προς την κινητικότητα των κόµβων του δικτύου Στο Σχ. 3.6 παρουσιάζεται η κατανάλωση ενέργειας του δικτύου ως προς τα πληροφοριακά δεδοµένα που µεταδόθηκαν επιτυχώς στους κόµβους προορισµού. Η κατανάλωση ενέργειας οφείλεται στη λειτουργία της ασύρµατης κάρτας δικτύου µε τα παρακάτω τεχνικά χαρακτηριστικά: ισχύς κατανάλωσης P TX = 1408 mw κατά την µετάδοση δεδοµένων, P RX = 914mW όταν λαµβάνει δεδοµένα, P IDLE = 785mW στην αδρανή κατάσταση και P SLEEP = 65mW όταν η κάρτα απενεργοποιείται. Αυτά τα χαρακτηριστικά κατανάλωσης προέρχονται από µετρήσεις που έγιναν χρησιµοποιώντας ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου Agere Orinoco Wireless b. Στο Σχ 3.6 φαίνεται ότι το DSR παρουσιάζει καλύτερη απόδοση ως προς την κατανάλωση ενέργειας σε σχέση µε τα άλλα πρωτόκολλα. Στην περίπτωση του AODV, αυτό παρουσιάζει µεγαλύτερη κατανάλωση καθώς κάθε κόµβος µεταδίδει περιοδικά ανά 1sec πληροφορία ελέγχου. Τέλος το πρωτόκολλο DSDV αποτυγχάνει να συγκλίνει όταν αυξάνεται η κινητικότητα µε αποτέλεσµα να παρουσιάζει εξαιρετικά χαµηλή απόδοση. 42

57 ιδακτορική ιατριβή 4 Energy/Bit (µwh/bit) AODV DSDV DSR TORA Pause Time (sec) Σx 3.6 Λόγος της ενέργειας που καταναλώθηκε στο δίκτυο προς της πληροφορίας που παραδόθηκε (bit) ως προς την κινητικότητα των κόµβων του δικτύου Στο Σχ 3.7 παρουσιάζεται ο συνολικός αριθµός πακέτων που µεταδόθηκαν στο δίκτυο, δηλαδή το άθροισµα των πακέτων δεδοµένων και των πακέτων ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Τα πρωτόκολλα DSR και AODV παρουσιάζουν σχετικά χαµηλή επιβάρυνση του δικτύου. Αντίθετα το πρωτόκολλο TORA παρουσιάζει πολύ µεγάλη επιβάρυνση του δικτύου. Το πρωτόκολλο DSDV µεταδίδει πακέτα ελέγχου µε σταθερό ρυθµό ανεξάρτητα από την κινητικότητα των κόµβων και παρουσιάζει χαµηλή επιβάρυνσή στο δίκτυο, ωστόσο όµως αποτυγχάνει να δροµολογήσει σωστά πακέτα όταν αυξάνεται η κινητικότητα (Σχ 3.5, 3.4) Total Packets Transmited AODV DSDV DSR TORA Pause Time (sec) Σχήµα 3.7 Συνολικός αριθµός των πακέτων που µεταδόθηκαν στο δίκτυο ως προς την κινητικότητα των κόµβων του δικτύου Τα παραπάνω αποτελέσµατα επιβεβαιώνουν την υψηλή απόδοση του πρωτοκόλλου DSR σε δίκτυα µε σχετικά µικρό αριθµό κόµβων (50-100). Η απόδοση του πρωτοκόλλου είναι 43

58 Νικόλαος Β. Πόγκας ικανοποιητική και σε στατικά δίκτυα αλλά και σε τοπολογίες µε µεγάλη κινητικότητα των κόµβων. Τα παραπάνω αποτελέσµατα συµφωνούν µε παρόµοιες ερευνητικές εργασίες και δηµοσιεύσεις [64],[65],[66]. 3.6 Περιγραφή του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Το πρωτόκολλο δροµολόγησης που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής αποφεύγει πλήρως οποιαδήποτε περιοδική συµπεριφορά και χρησιµοποιεί πηγαία δροµολόγηση (source routing) για να λύσει το πρόβληµα της συνέπειας των πληροφοριών δροµολόγησης. Σύµφωνα µε την πηγαία δροµολόγηση οι ενδιάµεσοι σταθµοί, που προωθούν κάποιο πακέτο προς τον τελικό του προορισµό, δεν απαιτείται να διατηρούν ενηµερωµένη και συνεπή πληροφορία δροµολόγησης καθώς αυτή η πληροφορία περιέχεται στα πακέτα, και συγκεκριµένα στο πεδίο πηγαίας διαδροµής της επικεφαλίδας του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Η πληροφορία δροµολόγησης που περιέχουν τα πακέτα ουσιαστικά περιγράφει µία διαδροµή της τοπολογίας του δικτύου, δηλαδή µια σειρά από διευθύνσεις δικτύου οι οποίες ανήκουν στους κόµβους της διαδροµής την οποία θα πρέπει να ακολουθήσουν τα πακέτα για να φτάσουν στον τελικό τους προορισµό. Εποµένως, οποιοσδήποτε κόµβος λάβει ένα τέτοιο πακέτο µπορεί να µάθει ένα σύνολο διαδροµών προς όλους τους κόµβους που αναγράφονται στην πηγαία διαδροµή, χωρίς να απαιτείται η µετάδοση επιπλέον πακέτων ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. O σχεδιασµός και υλοποίηση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης στηρίζεται στις αρχές του πρωτοκόλλου Dynamic Source Routing DSR [61] [62] για τους λόγους που αναφέρθηκαν στην προηγούµενη ενότητα. Ωστόσο αρκετές τροποποιήσεις, οι οποίες αφορούν στρατηγικές δροµολόγησης µε σκοπό τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας και την αύξηση του χρόνου ζωής των κόµβων του δικτύου, το διαφοροποιούν από το πρωτόκολλο DSR. Επίσης, καθώς το πρωτόκολλο DSR βρίσκεται υπό τη διαδικασία να γίνει στάνταρντ από τον οργανισµό Internet Engineering Task Force IETF, MANET Working Group, οι προδιαγραφές του πρωτοκόλλου αλλάζουν συχνά. Για τους παραπάνω λόγους, και καθώς το πρωτόκολλο δροµολόγησης αποτελεί σηµαντικό στοιχείο στην απόδοση και λειτουργία της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης κρίναµε απαραίτητο να αναφερθούν οι βασικοί µηχανισµοί του πρωτοκόλλου DSR στις επόµενες ενότητες του Κεφαλαίου 3, ενώ στα Κεφάλαια 4 και 5 παρουσιάζονται οι προτεινόµενες τροποποιήσεις των µηχανισµών αυτών. Το πρωτόκολλο DSR χρησιµοποιεί την on-demand λειτουργία, µε αποτέλεσµα, η επιβάρυνση που προκαλείται από αυτό στο δίκτυο να προσαρµόζεται άµεσα µε αυτήν που απαιτείται για να αντιδράσει σε αλλαγές της τοπολογίας. Αυτή η προσαρµοστικότητα του πρωτοκόλλου µειώνει σηµαντικά την επιβάρυνση του πρωτοκόλλου και την κατανάλωση ενέργειας των κόµβων, εξαλείφοντας περιοδικές µεταδόσεις πακέτων ελέγχου, όπως πακέτα ανίχνευσης γειτονικών σταθµών ή αναγγελίας πληροφοριών δροµολόγησης που χρησιµοποιούνται σε άλλα πρωτόκολλα. Ενώ οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου έχουν σχεδιαστεί ώστε να αυξάνουν την απόδοση του δικτύου έχουν και κάποια µειονεκτήµατα. Καθώς οι λειτουργίες του πρωτοκόλλου που αφορούν την εύρεση διαδροµών καθυστερούνται έως ότου αυτό γίνει απολύτως απαραίτητο, ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση τους θα αυξηθεί. Αυτό έχει ως συνέπεια την καθυστέρηση αποστολής κάποιων πακέτων, η οποία προκαλείται από τους µηχανισµούς εύρεσης διαδροµής του πρωτοκόλλου. Επίσης καθώς στις επικεφαλίδες δροµολόγησης αναγράφονται οι διευθύνσεις των ενδιάµεσων κόµβων, προκαλείται µια επιβάρυνση στο δίκτυο λόγω του αυξηµένου µεγέθους που παρουσιάζουν οι επικεφαλίδες αυτές. 44

59 ιδακτορική ιατριβή Οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Το πρωτόκολλο αποτελείται από δύο κύριους µηχανισµούς: το µηχανισµό «Εύρεσης ιαδροµής» (Route Discovery) και «Συντήρησης ιαδροµής» (Route Maintenance), οι οποίοι λειτουργούν αλληλεπιδραστικά και επιτρέπουν στους κόµβους να ανακαλύψουν και να διατηρήσουν διαδροµές για τη µετάδοση πακέτων προς τον τελικό τους προορισµό. Η χρήση της πηγαίας δροµολόγησης (source routing) επιτρέπει στη δροµολόγηση πακέτων να είναι ελεύθερη από βρόχους, αποφεύγει την ανάγκη ανταλλαγής ενηµερωµένης πληροφορίας δροµολόγησης στους ενδιάµεσους κόµβους, µέσω των οποίων τα πακέτα διαβιβάζονται, και επιτρέπει στους κόµβους που διαβιβάζουν ή που λαµβάνουν κάποια πακέτα να εναποθηκεύσουν τις πληροφορίες δροµολόγησης που περιέχουν για µελλοντική χρήση από τους ίδιους. Όλοι οι αλγόριθµοι του πρωτοκόλλου λειτουργούν εξ ολοκλήρου µόνον κατόπιν αίτησης (on demand) δροµολόγησης πακέτων από πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου (TCP/UDP), µε αποτέλεσµα ο αριθµός των πακέτων ελέγχου του πρωτοκόλλου να προσαρµόζεται αυτόµατα µε βάση τις ανάγκες πληροφοριακής κίνησης και τις αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου. Η επιβάρυνση του δικτύου εξαιτίας των πακέτων δροµολόγησης προσαρµόζεται µόνο σε αυτή που απαιτείται για να αντιδράσει σε τυχόν αλλαγές των διαδροµών που χρησιµοποιούνται. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την ικανοποιητική λειτουργία του σε κινητά ad hoc δίκτυα µε µέχρι περίπου διακόσιους κόµβους, και σε σχετικά υψηλά ποσοστά κινητικότητας των κόµβων. Ωστόσο η χρήση του σε σταθερά δίκτυα είναι εξίσου αποτελεσµατική. Οι κόµβοι του δικτύου συνεργάζονται για να διαβιβάσουν και να δροµολογήσουν πακέτα ο ένας για τον άλλον ώστε να επιτρέψουν την επικοινωνία σε διαδροµές µε πολλά τµήµατα µεταξύ κόµβων οι οποίοι δεν βρίσκονται εντός της εµβέλειας ασύρµατης µετάδοσης ο ένας από τον άλλο. Καθώς οι κόµβοι στο δίκτυο κινούνται, εισέρχονται ή αφήνουν το δίκτυο, και καθώς οι συνθήκες ασύρµατης µετάδοσης, όπως πηγές παρεµβολής (interference) αλλάζουν, όλη η δροµολόγηση του δικτύου καθορίζεται αυτόµατα και διατηρείται από το πρωτόκολλο δροµολόγησης. εδοµένου ότι ο αριθµός ή η ακολουθία των ενδιάµεσων τµηµάτων (hops) που απαιτείται να περάσει ένα πακέτο για να φτάσει στον προορισµό του µπορεί να αλλάξει οποιαδήποτε στιγµή, η προκύπτουσα τοπολογία του δικτύου µπορεί να είναι αρκετά σύνθετη και γρήγορα µεταβαλλόµενη. Ο µηχανισµός εύρεσης διαδροµής (Route Discovery) επιτρέπει σε ένα κόµβο S ο οποίος επιθυµεί να στείλει ένα (ή περισσότερα) πακέτα µε προορισµό έναν κόµβο D να εξασφαλίσει µια διαδροµή προς τον κόµβο D. Ο µηχανισµός αυτός χρησιµοποιείται µόνο όταν ο S επιχειρήσει να µεταδώσει ένα πακέτο µε προορισµό τον κόµβο D και το πρωτόκολλο δεν έχει είδη αποθηκευµένη κάποια διαδροµή προς τον D. Ο µηχανισµός συντήρησης διαδροµής (Route Maintenance) είναι ο µηχανισµός µέσω του οποίου ένας κόµβος S είναι ικανός να εντοπίσει, κατά το χρονικό διάστηµα που χρησιµοποιεί µια διαδροµή προς τον κόµβο D (δηλαδή µεταδίδει ή διαβιβάζει πακέτα µε τελικό ή ενδιάµεσο προορισµό τον D), εάν η τοπολογία του δικτύου έχει αλλάξει µε τέτοιο τρόπο ώστε να µη µπορεί να χρησιµοποιήσει τη συγκεκριµένη διαδροµή προς τον κόµβο D. Αυτό µπορεί να συµβεί όταν κάποια διασύνδεση (link) κατά µήκος της διαδροµής πάψει να υφίσταται. Όταν ο µηχανισµός υποδείξει ότι µία διαδροµή είναι ασυνεχής, ο κόµβος S µπορεί να επιχειρήσει να χρησιµοποιήσει οποιαδήποτε εναλλακτική διαδροµή προς τον D την οποία γνωρίζει, ή να βρει µία νέα διαδροµή µέσω του µηχανισµού εύρεσης διαδροµής. Καθένας από τους παραπάνω µηχανισµούς λειτουργεί εξολοκλήρου κατόπιν απαίτησης. Συγκεκριµένα, αντίθετα µε άλλα πρωτόκολλα, δεν απαιτείται η περιοδική µετάδοση πακέτων ελέγχου δροµολόγησης όπως: αναγγελίας διαδροµών (routing advertisement), επίβλεψης της κατάστασης διασύνδεσης (link status) ή αναζήτησης γειτονικών κόµβων. Αυτή η έλλειψη περιοδικής δραστηριότητας επιτρέπει στην επιβάρυνση (ως προς το εύρος ζώνης, την 45

60 Νικόλαος Β. Πόγκας κατανάλωση ενέργειας κλπ) που προκαλείται από τα πακέτα δροµολόγησης να κλιµακώνεται ακόµα και να µηδενιστεί, όταν όλοι οι κόµβοι είναι κατά προσέγγιση στάσιµοι σε σχέση ο ένας µε τον άλλο και οι διαδροµές που απαιτούνται για τη διεκπεραίωση της κίνησης είναι ήδη γνωστές. Καθώς η κινητικότητα των κόµβων αυξάνεται ή συµβαίνουν αλλαγές στην επικοινωνιακή κίνηση του δικτύου, η επιβάρυνση λόγω των πακέτων δροµολόγησης αυτόµατα κλιµακώνεται αυξητικά έως του σηµείου που απαιτείται για να ανιχνευθούν οι νέες διαδροµές που απαιτούνται. Αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου που δεν επηρεάζουν διαδροµές που χρησιµοποιούνται (δηλαδή διαδροµές µέσω των οποίων διαβιβάζονται πληροφοριακά πακέτα) αγνοούνται και δεν προκαλούν καµία αντίδραση από πλευράς του πρωτοκόλλου. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εύρεσης µίας διαδροµής από το πρωτόκολλο δροµολόγησης, ένας κόµβος µπορεί να ανακαλύψει και να υποθηκεύσει πολλαπλές διαδροµές προς κάποιον προορισµό. Αυτό επιτρέπει τη γρήγορη αντίδραση σε τυχόν αλλαγές της τοπολογίας, καθώς ένας κόµβος µε πολλαπλές διαδροµές προς κάποιον προορισµό µπορεί να δοκιµάσει µία εναλλακτική διαδροµή που είναι αποθηκευµένη όταν η κύρια διαδροµή που χρησιµοποιούσε αποτύχει. Η αποθήκευση πολλαπλών διαδροµών αποτρέπει την επιβάρυνση που προκύπτει κατά την διεκπεραίωση της εύρεσης µιας νέας διαδροµής κάθε φορά που µια διαδροµή σε χρήση αλλάζει ή γίνεται ασυνεχής. Επίσης αυτή η ιδιότητα είναι βασική για την εφαρµογή PAR αλγορίθµων. Οι αλγόριθµοι αυτοί απαιτούν τη γνώση πολλαπλών διαδροµών προς έναν κόµβο πηγής ή προορισµού καθώς η δροµολόγηση γίνεται µε την σύγκριση εναλλακτικών διαδροµών και την επιλογή της καταλληλότερης µε βάση κάποιο κριτήριο µείωσης της κατανάλωσης. Το πρωτόκολλο δροµολόγησης είναι σχεδιασµένο ώστε να λειτουργεί ικανοποιητικά µε την ύπαρξη µονοκατευθυντήριων διασυνδέσεων (unidirectional links) στο ασύρµατο δίκτυο. Συγκεκριµένα, σε ασύρµατα δίκτυα είναι δυνατόν µία διασύνδεση µεταξύ δύο κόµβων να µη λειτουργεί ικανοποιητικά και προς τις δύο κατευθύνσεις, λόγω διαφορών στην κεραία, την ισχύ µετάδοσης, πηγών παρεµβολής ή µοτίβων διάδοσης (propagation patterns). Όταν όµως το επίπεδο προσπέλασης µέσου απαιτεί δυκατευθυντήριες διασυνδέσεις για τη µετάδοση unicast πακέτων (όπως το IEEE b), το πρωτόκολλο δροµολόγησης µπορεί να ανταπεξέλθει στο πρόβληµα των ασύµµετρων διαδροµών τις οποίες ανιχνεύει και δεν χρησιµοποιεί Προϋποθέσεις του δικτύου ιάµετρος και µέγεθος του δικτύου Ως διάµετρος ενός ad hoc δικτύου θεωρείται ο ελάχιστος αριθµός τµηµάτων (hops) που πρέπει να διασχίσει ένα πακέτο από έναν κόµβο που βρίσκεται στο ένα άκρο του δικτύου για να φτάσει σε κάποιον κόµβο ο οποίος βρίσκεται στο αντίθετο άκρο του δικτύου. Θεωρούµε ότι αυτή η διάµετρος συνήθως θα είναι µικρή (ίσως από 5 ως 10 τµήµατα), άλλα ενδέχεται συχνά να είναι µεγαλύτερη από ένα τµήµα. Επίσης θεωρούµε ότι το µέγεθος του δικτύου, δηλαδή ο αριθµός των κόµβων στο δίκτυο είναι µικρός ως µέτριος (20-100). Κινητικότητα των κόµβων Οι κόµβοι που αποτελούν το ad hoc δίκτυο ενδέχεται να κινούνται οποιοδήποτε χρονικό διάστηµα, επίσης αυτή η κίνηση µπορεί να είναι συνεχής, αλλά θεωρούµε ότι η ταχύτητα των κόµβων είναι «λογική» σε σχέση µε την καθυστέρηση µετάδοσης ενός πακέτου και την εµβέλεια ασύρµατης µετάδοσης του φυσικού µέσου που χρησιµοποιείται. Συγκεκριµένα, το πρωτόκολλο µπορεί να υποστηρίξει πολύ µεγάλους ρυθµούς αυθαίρετης κίνησης κόµβων, αλλά θεωρούµε ότι οι κόµβοι δεν κινούνται συνεχώς µε µεγάλη ταχύτητα γιατί διαφορετικά το πληµµύρισµα (flooding) κάθε µεµονωµένου πακέτου δεδοµένων θα ήταν ο µοναδικός τρόπος δροµολόγησης στο δίκτυο. 46

61 ιδακτορική ιατριβή Λειτουργία της κάρτας δικτύου σε promiscuous mode Ένα κοινό χαρακτηριστικό πολλών δικτυακών διεπαφών είναι η λειτουργία τους σε promiscuous τρόπο λήψης. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας επιτρέπει στην κάρτα δικτύου να λαµβάνει όλα τα πακέτα που µεταδίδονται στο µέσο χωρίς να τα φιλτράρει µε βάση τη διεύθυνση προορισµού του επιπέδου σύνδεσης δεδοµένων (MAC address). Με βάση αυτή την λειτουργία, το πρωτόκολλο δροµολόγησης λαµβάνει και επεξεργάζεται πακέτα που προορίζονται για γειτονικούς σταθµούς και αποκτά επιπρόσθετες πληροφορίες για την τοπολογία του δικτύου µε αποτέλεσµα η λειτουργία του να βελτιστοποιείται. Ύπαρξη µονοκατευθυντήριων διασυνδέσεων Η ασύρµατη µετάδοση µεταξύ ενός ζεύγους κόµβων µπορεί κάποιες χρονικές στιγµές να µην λειτουργεί εξίσου καλά και προς τις δύο κατευθύνσεις λόγω διαφορών ως προς την ισχύ µετάδοσης, τον τύπο των κεραιών, εµφάνιση παρεµβολών σε κάποιον από τους κόµβους ή διαφοράς στην µορφή διάδοσης. Παρόλο που πολλά πρωτόκολλα δροµολόγησης λειτουργούν µόνο σε δυκατευθυντήριες συνδέσεις, το συγκεκριµένο πρωτόκολλο µπορεί να ανακαλύψει και να διαβιβάσει πακέτα µέσω διαδροµών που περιέχουν και µονοκατευθυντήριες συνδέσεις. Ωστόσο, η χρήση του πρωτοκόλλου IEEE στο φυσικό µέσο απαιτεί η µετάδοση unicast πακέτων να γίνεται µόνο µέσω δυκατευθυντήριων συνδέσεων, λόγω της ανταλλαγής πακέτων RTS-CTS µεταξύ των κόµβων που αποτελούν τη σύνδεση καθώς και την αποστολή πακέτου επιβεβαίωσης MAC-ACK από τον παραλήπτη. Εποµένως η χρήση µιας διαδροµής, η οποία µπορεί να περιέχει κάποια µονοκατευθυντήρια σύνδεση, θα δηµιουργούσε πρόβληµα κατά τη µετάδοση πακέτων πληροφορίας µεταξύ δύο κόµβων. Το πρωτόκολλο δροµολόγησης λαµβάνει υπόψη του τέτοια προβλήµατα που µπορεί να υπάρξουν και επιλέγει προσεκτικά τις διαδροµές που αποθηκεύονται ώστε να αποτελούνται από διαδροµές που έχουν δοκιµαστεί επιτυχώς στην µετάδοση unicast πακέτων. Αν κάποια χρονική στιγµή κάποια σύνδεση µεταξύ δύο κόµβων γίνει µονοκατευθυντήρια, για λόγους που αναφέραµε παραπάνω, το πρωτόκολλο µπορεί να επανακάµψει και να χρησιµοποιήσει εναλλακτικές διαδροµές. ιευθυνσιοδότηση Θεωρούµε ότι η ανάθεση των IP διευθύνσεων στους κόµβους που αποτελούν το δίκτυο γίνεται µε στατικό τρόπο καθώς η χρήση πρωτοκόλλων δυναµικής ανάθεσης, όπως το DHCP [15], δεν λειτουργούν σε ad hoc δίκτυα και το θέµα δυναµικής ανάθεσης παραµένει ανοιχτό καθώς δεν έχει γίνει επαρκής έρευνα στο συγκεκριµένο τοµέα. Πηγαία δροµολόγηση Το βασικό πλεονέκτηµα της πηγαίας δροµολόγησης είναι ότι οι ενδιάµεσοι σταθµοί δεν απαιτείται να διατηρούν ενηµερωµένη πληροφορία δροµολόγησης για να δροµολογήσουν τα πακέτα που προωθούν. Ο κόµβος που αποστέλλει το πακέτο είναι υπεύθυνος για τη δροµολόγησή του και είναι αυτός που θα εκτελέσει τις απαραίτητες ενέργειες για να βρει µια διαδροµή προς τον προορισµό του πακέτου. Αυτή η µορφή δροµολόγησης επιτρέπει, επίσης, τη διαχείριση του δικτύου (Κεφάλαιο 5) και των πόρων του [69]. Άλλα πλεονεκτήµατα είναι η αποφυγή βρόχων δροµολόγησης στο δίκτυο, καθώς το πεδίο πηγαίας διαδροµής το οποίο καθορίζει την πορεία του πακέτου στο δίκτυο έχει πεπερασµένο µέγεθος και µπορεί να ελεγχθεί αν περιέχει κάποιο βρόχο. Ένα άλλο πλεονέκτηµα είναι ότι, καθώς πληροφορίες διαδροµών διαχέονται στο δίκτυο, µέσω των πακέτων που τις µεταφέρουν, κάθε κόµβος που τις επεξεργάζεται µπορεί να αποθηκεύσει την πληροφορία δροµολόγησης που περιέχουν. Εποµένως, η πηγαία δροµολόγηση διαχέει πληροφορία σχετικά µε την τοπολογία του δικτύου χωρίς να απαιτείται ανταλλαγή πακέτων ελέγχου µεταξύ των κόµβων. Επίσης οι πηγαίες διαδροµές που χρησιµοποιούνται συχνότερα ή έχουν χρησιµοποιηθεί πρόσφατα είναι πιθανόν να ισχύουν καθώς αυτές ελέγχονται από τα ίδια τα πακέτα που τις µεταφέρουν. 47

62 Νικόλαος Β. Πόγκας Ωστόσο η πηγαία δροµολόγηση έχει και ένα σοβαρό µειονέκτηµα, λόγω των διευθύνσεων που περιέχει η επικεφαλίδα δροµολόγησης έχει µεγάλο µέγεθος, πράγµα που προκαλεί επιβάρυνση στο δίκτυο. Ουσιαστικά µειώνεται η αποδοτικότητα του πρωτοκόλλου δροµολόγησης (ενότητα 2.5). Όµως, ένας πρόσφατος µηχανισµός δροµολόγησης ο οποίος έχει προταθεί στο στάνταρντ [55] ως επέκταση του πρωτοκόλλου επιτρέπει τη δροµολόγηση πακέτων χωρίς αυτά να περιέχουν πηγαίες διαδροµές. Αυτός ο µηχανισµός ονοµάζεται Flow State Routing, και στηρίζεται στους βασικούς µηχανισµούς του πρωτοκόλλου δροµολόγησης αλλά αντί για διαδροµές τα πακέτα περιέχουν κάποιες ετικέτες Flow-IDs οι οποίες καθορίζουν τη διαδροµή που θα πρέπει να ακολουθήσουν. Σε περιπτώσεις όπου ο µέσος αριθµός των τµηµάτων που αποτελούνται οι διαδροµές δροµολόγησης είναι σχετικά µικρός (2-5), η επιβάρυνση που προκύπτει ανά πακέτο είναι σχετικά χαµηλή (8-20 bytes). Για αυτό το λόγο και εξαιτίας της πολυπλοκότητας που προκαλεί στην ανάπτυξη του πρωτοκόλλου, δεν υιοθετήσαµε το συγκεκριµένο αλγόριθµο στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική Ο µηχανισµός εύρεσης διαδροµής Όταν κάποιος κόµβος-πηγή (source-node) δροµολογεί ένα νέο πακέτο δεδοµένων µε διεύθυνση προορισµού κάποιον αποµακρυσµένο κόµβο, εισάγει στην επικεφαλίδα δροµολόγησης µία διαδροµή η οποία περιέχει την ακολουθία των τµηµάτων (κόµβων) που πρέπει να ακολουθήσει το πακέτο για να φτάσει στον προορισµό του. Όλοι οι κόµβοι του δικτύου αποθηκεύουν διαδροµές τις οποίες µαθαίνουν σε µία ειδική δοµή δεδοµένων του πρωτοκόλλου δροµολόγησης η οποία αναφέρεται ως λανθάνουσα µνήµη δροµολόγησης (Route Cache). Αυτή η δοµή εκτός από πληροφορίες της τοπολογίας του δικτύου µπορεί να περιέχει και άλλες πληροφορίες που αφορούν τη δροµολόγηση, όπως την ενέργεια των κόµβων του δικτύου, παραµέτρους QoS, τιµές SNR ασύρµατων διασυνδέσεων κλπ. Επίσης, η επιλογή των διαδροµών δροµολόγησης γίνεται αποκλειστικά από τη Route Cache µε βάση κάποιον συγκεκριµένο αλγόριθµο. Λόγω της σπουδαιότητας της δοµής αυτής στη δροµολόγηση και την απόδοση του δικτύου, η λειτουργία της αναπτύσσεται στο Κεφάλαιο 4. Στο ίδιο κεφάλαιο αναπτύσσονται τρόποι σχεδιασµού και µία µέθοδος βελτιστοποίησης της λειτουργίας της που υλοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσης διατριβής. Κατά τη διαδικασία δροµολόγησης ενός πακέτου δεδοµένων από έναν κόµβο, δηλαδή όταν το πρωτόκολλο δροµολόγησης δεχτεί µία αίτηση από ένα επικοινωνιακό πρωτόκολλο για τη µετάδοση ενός πακέτου προς κάποια διεύθυνση προορισµού, αρχικά χρησιµοποιείται η Route Cache για την ανεύρεση µίας διαδροµής προς τον κόµβο προορισµού. Αν δεν βρεθεί κάποια διαδροµή στην Route Cache το πρωτόκολλο δροµολόγησης ενεργοποιεί τη διαδικασία Εύρεσης ιαδροµής (Ε ) ώστε να ανακαλύψει δυναµικά µια νέα διαδροµή προς τον κόµβο προορισµού. Σε αυτήν την περίπτωση ο κόµβος πηγής αναφέρεται ως «εγκαινιαστής» («initiator») και ο κόµβος προορισµού ως «στόχος» («target») της διαδικασίας ανεύρεσης διαδροµής. Ως παράδειγµα στο Σχ 3.7, ας υποθέσουµε ότι ο κόµβος Α προσπαθεί να ανακαλύψει µία διαδροµή προς τον κόµβο Ε. Η διαδικασία Ε που ξεκινά από τον κόµβο Α θα προχωρήσει ως ακολούθως: Ο κόµβος Α µεταδίδει ένα broadcast πακέτο τύπου Route-Request το οποίο λαµβάνεται από όλους του κόµβους που βρίσκονται στο εύρος µετάδοσης του κόµβου Α, περιλαµβανόµενου και του κόµβου Β στο συγκεκριµένο παράδειγµα. Κάθε πακέτο Route- Request προσδιορίζει τον εγκαινιαστή και τον στόχο της εύρεσης διαδροµής, και ένα µοναδικό αριθµό αναγνώρισης του πακέτου (2, σε αυτό το παράδειγµα) που καθορίζεται από τον κόµβο που ξεκίνησε τη διαδικασία. Κάθε πακέτο τύπου Route-Request έχει ένα πεδίο το οποίο περιέχει µία λίστα µε τις διευθύνσεις των κόµβων µέσω των οποίων έχει προωθηθεί το συγκεκριµένο πακέτο. Στην αρχή, κατά τη µετάδοση του πακέτου από τον κόµβο Α η λίστα είναι κενή γιατί σε αυτή δεν περιλαµβάνονται ποτέ οι διευθύνσεις του εγκαινιαστή και του στόχου, αφού αποτελούν ξεχωριστά πεδία της επικεφαλίδας δροµολόγησης και αν περιλαµβάνονταν θα αυξανόταν άσκοπα το µέγεθος του πακέτου. 48

63 ιδακτορική ιατριβή "" ID=2 "B" ID=2 "B,C" ID=2 "B,C,D" ID=2 A B C D E Σχήµα 3.7 Αποστολή ενός Route Request µηνύµατος Όταν κάποιος κόµβος λάβει το πακέτο (όπως ο κόµβος Β στο παράδειγµα), και είναι ο στόχος της διαδικασίας Ε, µεταδίδει ένα unicast πακέτο τύπου Route Reply στον εγκαινιαστή της διαδικασίας, το οποίο περιέχει ένα αντίγραφο της λίστας του πεδίου διαδροµής. Όταν ο εγκαινιαστής λάβει το Route-Reply, αποθηκεύει το πεδίο διαδροµής στη Route-Cache για να το χρησιµοποιήσει κατά τη δροµολόγηση πακέτων δεδοµένων προς το συγκεκριµένο προορισµό. ιαφορετικά, αν ο συγκεκριµένος κόµβος έχει λάβει σε σύντοµο χρονικό διάστηµα κάποιο Route Request πακέτο από τον ίδιο εγκαινιαστή µε όµοιο αριθµό αναγνώρισης και διεύθυνση στόχου, ή αν η διεύθυνση αυτού του κόµβου περιλαµβάνεται στο πεδίο διαδροµής του πακέτου, ο κόµβος θα πρέπει να απορρίψει το Route Request πακέτο. Αυτή η περίπτωση παρουσιάζεται στο Σχ 3.8 στο οποίο ο κόµβος Α ξεκινάει µία διαδικασία Εύρεσης ιαδροµής. Με βάση τον παραπάνω µηχανισµό κάθε κόµβος προωθεί µόνο µία φορά το Route Request µήνυµα. Σχήµα 3.8 Απόρριψη µηνυµάτων Route Request κατά τη διαδικασία εύρεσης διαδροµής Αν δεν ισχύουν οι παραπάνω συνθήκες, ο κόµβος εισάγει τη διεύθυνσή του στο τέλος της λίστας διευθύνσεων του πεδίου διαδροµής και επαναµεταδίδει το broadcast πακέτο (µε τον ίδιο αριθµό αναγνώρισης). Σε αυτό το παράδειγµα ο κόµβος Β εκπέµπει το Route Request σε όλους τους σταθµούς που βρίσκονται στο εύρος µετάδοσης του, εποµένως θα το λάβουν οι κόµβοι A και C. Ο κόµβος Α το απορρίπτει ενώ ο C το εκπέµπει σύµφωνα µε την παραπάνω διαδικασία. Οµοίως και ο κόµβος D, µε αποτέλεσµα το πακέτο να το λάβει ο κόµβος Ε. Κατά την επιστροφή ενός πακέτου Route Reply στον σταθµό που ξεκίνησε τη διαδικασία Εύρεσης ιαδροµής, στο παράδειγµα κατά την απάντηση του κόµβου Ε στον κόµβο Α, ο κόµβος Ε θα αναζητήσει µία διαδροµή στην Route Cache µε προορισµό τον κόµβο Α, και αν βρεθεί θα τη χρησιµοποιήσει για τη δροµολόγηση του Route Reply µηνύµατος. ιαφορετικά ο κόµβος Ε θα πρέπει να ξεκινήσει µία νέα Εύρεση ιαδροµής µε στόχο τον κόµβο Α, αλλά για να αποφευχθούν τυχόν επαναλήψεις της διαδικασίας θα πρέπει να συµπεριληφθεί το Route Reply µήνυµα εντός του πακέτου Route Request µε στόχο τον κόµβο Α. Επίσης, οι 49

64 Νικόλαος Β. Πόγκας κόµβοι µπορούν να περιλάβουν και µικρά πακέτα ανώτερων επιπέδων όπως πακέτα τύπου TCP SYN σε µηνύµατα Route Request για να επιτευχθεί µια TCP σύνδεση γρηγορότερα. Μια εναλλακτική διαδικασία είναι ο κόµβος Ε απλά να αντιστρέψει τη λίστα διευθύνσεων του πεδίου διαδροµής, που βρίσκεται στο πακέτο τύπου Route Request που έλαβε, για να αποκτήσει µία πηγαία διαδροµή προς τον κόµβο Α για τη δροµολόγηση του πακέτου Route Reply. Για πρωτόκολλα του υποεπιπέδου Προσπέλασης Μέσου (MAC) που απαιτούν τη δυκατευθυντήρια ανταλλαγή µηνυµάτων στη µετάδοση unicast πακέτων, όπως το IEEE , η λίστα διευθύνσεων του πεδίου διαδροµής θα πρέπει να αντιστραφεί και να χρησιµοποιηθεί για τη δροµολόγηση του Route Reply µηνύµατος καθώς µε αυτόν τον τρόπο ελέγχεται η νέα διαδροµή ώστε να επιβεβαιωθεί ότι είναι δυκατευθυντήρια πριν τη χρησιµοποιήσει ο κόµβος που ξεκίνησε τη διαδικασία Ε. Αυτή η αντιστροφή της διαδροµής και η χρήση της από το στόχο της διαδικασίας αποφεύγει την επιβάρυνση του δικτύου από µια πιθανή δεύτερη διαδικασία ανεύρεσης που θα ξεκίναγε ο κόµβος Ε. Η εκκίνηση της διαδικασίας Ε προκαλείται πάντα όταν το πρωτόκολλο δροµολόγησης λάβει κάποιο πακέτο ανώτερου επιπέδου µε προορισµό κάποιον κόµβο του δικτύου για τον οποίο δεν υπάρχει διαθέσιµη διαδροµή, δηλαδή δε µπορεί να βρεθεί µια τέτοια διαδροµή µέσω της Route Cache. Ο κόµβος που ξεκινά τη διαδικασία, αποθηκεύει το πακέτο του ανώτερου επιπέδου που την προκάλεσε σε µια δοµή αποθήκευσης πακέτων που ονοµάζεται «ενδιάµεση µνήµη αποστολής» (Send Buffer). Η ενδιάµεση µνήµη αποστολής περιέχει ένα αντίγραφο κάθε πακέτου που δε µπορεί να µεταδοθεί επειδή ο κόµβος δεν έχει µία πηγαία διαδροµή για τον κόµβο προορισµού του πακέτου. Κάθε πακέτο που βρίσκεται στην ενδιάµεση µνήµη αποστολής είναι λογικά συνδεδεµένο µε το χρόνο εισαγωγής του στη συγκεκριµένη δοµή και απορρίπτεται µετά το πέρας ενός χρονικού διαστήµατος. Η δοµή συνήθως είναι τύπου FIFO περιορισµένου µεγέθους πράγµα που σηµαίνει ότι όταν γεµίσει τα πρώτα πακέτα απορρίπτονται πριν λήξει το παραπάνω χρονικό διάστηµα. Όσο βρίσκεται κάποιο πακέτο στην ενδιάµεση µνήµη αποστολής ο κόµβος θα πρέπει σποραδικά να ξεκινάει µία νέα διαδικασία Εύρεσης ιαδροµής µε στόχο τον κόµβο προορισµού του πακέτου. Ωστόσο ο κόµβος θα πρέπει να περιορίσει τον ρυθµό εκκίνησης νέων διαδικασιών που έχουν στόχο τον ίδιο κόµβο προορισµού, καθώς είναι πιθανό αυτός να είναι απρόσιτος από τον κόµβο προορισµού. Συγκεκριµένα, λόγω του περιορισµένου εύρους µετάδοσης και την κίνηση των κόµβων, το δίκτυο µπορεί να κατατµηθεί σε ένα ή περισσότερα τµήµατα, πράγµα που σηµαίνει ότι δεν υπάρχει κάποια δυνατή ακολουθία κόµβων µέσω των οποίων µπορεί να προωθηθεί το πακέτο για να φτάσει σε κάποιους κόµβους. Ανάλογα µε την κίνηση των κόµβων και την πυκνότητα των κόµβων στο δίκτυο, κατάτµηση του δικτύου µπορεί να συµβαίνει συχνά ή αρκετά σπάνια. Αν συµβεί κατάτµηση του δικτύου οι διαδικασίες Εύρεσης ιαδροµής για απρόσιτους κόµβους δεν µπορούν να ολοκληρωθούν και προκαλούν επιβάρυνση στο τµήµα του δικτύου που βρίσκεται ο κόµβος πηγής. Καθώς ένας κόµβος δεν µπορεί να γνωρίζει αν ο κόµβος προορισµού είναι απρόσιτος, ένας εκθετικός back-off αλγόριθµος χρησιµοποιείται, διπλασιάζοντας το χρόνο καθυστέρησης µετά από την έναρξη κάθε διαδικασίας Ε µε στόχο τον ίδιο κόµβο ώστε να περιοριστεί ο ρυθµός έναρξης αυτών των διαδικασιών. Αν το πρωτόκολλο δροµολόγησης λάβει περαιτέρω πακέτα δεδοµένων από ανώτερα επίπεδα µε προορισµό τον ίδιο κόµβο, θα πρέπει να τα αποθηκεύσει στην ενδιάµεση µνήµη αποστολής έως ότου λάβει ένα πακέτο Route Reply οπότε και δροµολογεί τα αποθηκευµένα πακέτα προς τον προορισµό τους. Αν πάλι περάσει το χρονικό διάστηµα παραµονής στην ενδιάµεση µνήµη, τα πακέτα απορρίπτονται. Σε καµία περίπτωση ο κόµβος δεν θα πρέπει να ξεκινήσει νέα διαδικασία Ε πριν παρέλθει το ελάχιστο επιτρεπτό διάστηµα µεταξύ διαδικασιών Ε µε στόχο τον ίδιο κόµβο. Αυτός ο περιορισµός του µέγιστου ρυθµού έναρξης Ε µε στόχο τον ίδιο κόµβο είναι παρόµοιος µε τον µηχανισµό εύρεσης MAC διευθύνσεων που χρησιµοποιεί το πρωτόκολλο ARP [14]. 50

65 ιδακτορική ιατριβή Ο µηχανισµός συντήρησης διαδροµής Όταν δηµιουργείται ή προωθείται ένα unicast πακέτο χρησιµοποιώντας µία πηγαία διαδροµή, κάθε κόµβος που µεταδίδει το πακέτο είναι υπεύθυνος να επιβεβαιώσει ότι το πακέτο µπορεί να µεταδοθεί διαµέσου της διασύνδεσης µεταξύ αυτού του κόµβου και του επόµενου τµήµατος (next hop). Στο παρακάτω παράδειγµα, ο κόµβος Α έχει δηµιουργήσει ένα unicast πακέτο και το δροµολογεί στον κόµβο Ε χρησιµοποιώντας µία πηγαία διαδροµή διαµέσου των ενδιάµεσων κόµβων Β, C και D. Σε αυτή την περίπτωση, ο κόµβος Α είναι υπεύθυνος για τη διασύνδεση από τον Α στον Β, ο κόµβος C για τη διασύνδεση από τον C στον D και ο κόµβος D για την διασύνδεση από τον D στον E. A B C? D E Σχήµα 3.9 ροµολόγηση πακέτου σε ασυνεχή διαδροµή Μια επιβεβαίωση λήψης (acknowledgment) µπορεί να παρέχει επιβεβαίωση ότι η διασύνδεση µεταξύ δύο κόµβων µπορεί να µεταφέρει δεδοµένα. Συνήθως, σε ασύρµατα δίκτυα η επιβεβαίωση λήψης παρέχεται από το υποεπίπεδο προσπέλασης µέσου (MAC) ως µηχανισµός της λειτουργίας του, όπως στην περίπτωση του πρωτοκόλλου IEEE Αν κάποιος κόµβος µεταδώσει ένα unicast πακέτο για ένα µέγιστο αριθµό R επαναµεταδόσεων, χωρίς να λάβει κάποια επιβεβαίωση λήψης, τότε θεωρεί τη διασύνδεση προς το επόµενο τµήµα ως προσωρινά «ασυνεχή». Σε αυτή την περίπτωση ο συγκεκριµένος κόµβος θα πρέπει να αφαιρέσει τη συγκεκριµένη διασύνδεση από την Route Cache και να επιστρέψει ένα µήνυµα σφάλµατος δροµολόγησης Route Error στον πηγαίο κόµβο ο οποίος δροµολόγησε το πακέτο στη συγκεκριµένη διαδροµή. Στο παραπάνω παράδειγµα, αν ο κόµβος C µεταδώσει κάποιο πακέτο R φορές και δεν λάβει επιβεβαίωση λήψης από τον κόµβο D, θα πρέπει να επιστέψει ένα Route Error στον κόµβο Α. Όταν ο κόµβος Α λάβει το Route Error θα πρέπει να αφαιρέσει την ασυνεχή διασύνδεση από την Route Cache, το πακέτο το οποίο δεν µεταδόθηκε επιτυχώς από τον κόµβο C απορρίπτεται, και τυχόν επαναµεταδόσεις του συγκεκριµένου πακέτου µπορούν να γίνουν από ανώτερα επίπεδα όπως το TCP. Ωστόσο το συγκεκριµένο πακέτο θα µπορούσε να συµπεριληφθεί στο Route Error και να επιστραφεί στον κόµβο Α για να επαναδροµολογηθεί προς τον προορισµό του, ωστόσο σε πρωτόκολλα όπως το TCP λόγω της καθυστέρησης το συγκεκριµένο πακέτο θα έφτανε στον προορισµό του πιθανότατα εκτός σειράς προσθέτοντας επιπλέον επιβάρυνση στο δίκτυο ή τα ανωτέρω επίπεδα. Όσον αφορά τον κόµβο Α, για τη δροµολόγηση άλλων πακέτων µε προορισµό τον κόµβο Ε, θα πρέπει να αναζητήσει µία εναλλακτική διαδροµή προς τον κόµβο Ε, η οποία δεν θα περιλαµβάνει τη διασύνδεση C-D. Εναλλακτικές διαδροµές µπορεί να είναι αποθηκευµένες στην Route Cache είτε από παλαιότερες διαδικασίες Ε είτε από τη µελέτη πηγαίων διαδροµών πακέτων που έχει δροµολογήσει ο συγκεκριµένος κόµβος. Αν υπάρχει εναλλακτική διαδροµή προς τον Ε, o κόµβος A µπορεί να τη χρησιµοποιήσει άµεσα, διαφορετικά θα πρέπει να αρχίσει µια νέα διαδικασία Ε µε στόχο τον Ε Επιπρόσθετες λειτουργίες του πρωτοκόλλου Αποθήκευση πληροφοριών δροµολόγησης Ένας κόµβος ο οποίος προωθεί ή λαµβάνει πακέτα στο δίκτυο, θα πρέπει να προσθέσει οποιαδήποτε χρήσιµη πληροφορία δροµολόγησης των πακέτων στην Route Cache. Εξαίρεση αποτελούν τα πακέτα τύπου Route Request και Route Reply. Τα πακέτα Route Request, επειδή µεταδίδονται ως broadcast, δεν έχει ελεγχθεί αν ή διαδροµή που περιέχουν είναι δυκατευθυντήρια. Επίσης, στα πακέτα τύπου Route Reply µόνο το τµήµα της διαδροµής που έχει διασχίσει το πακέτο περιέχει µε βεβαιότητα δυκατευθυντήριες διασυνδέσεις. Η 51

66 Νικόλαος Β. Πόγκας αποθήκευση και χρήση µιας µη ελεγµένης διαδροµής περιέχει τον κίνδυνο η διαδροµή αυτή να µην είναι δυκατευθυντήρια, πράγµα που θα προκαλέσει σφάλµα δροµολόγησης και µετέπειτα διαδικασία εύρεσης νέας διαδροµής µε αποτέλεσµα αύξηση της καθυστέρησης δροµολόγησης του πακέτου και επιβάρυνση του δικτύου. Η χρήση µη ελεγµένων διαδροµών θα πρέπει να απορρίπτεται σε δίκτυα που περιέχουν κόµβους µε ασύρµατες κάρτες διαφορετικών τεχνικών χαρακτηριστικών, διαφορετικές κεραίες ή κόµβους µε µεγαλύτερη ισχύ µετάδοσης. Απάντηση σε µηνύµατα Route Request µε χρήση αποθηκευµένων διαδροµών Αν ένας κόµβος λάβει ένα µήνυµα τύπου Route Request, στόχος του οποίου είναι ένας διαφορετικός κόµβος, θα πρέπει να αναζητήσει στην Route Cache µία διαδροµή µε στόχο τον συγκεκριµένο κόµβο. Αν βρεθεί µια τέτοια διαδροµή, ο κόµβος θα πρέπει να επιστρέψει ένα Route Reply µήνυµα στον εγκαινιαστή της διαδικασίας αντί να προωθήσει το Route Request µήνυµα. Το πεδίο διαδροµής του Route Reply µηνύµατος θα πρέπει να περιέχει την σειρά των τµηµάτων που διέσχισε το Route Request µήνυµα ως αυτόν τον κόµβο ακολουθούµενο από το τµήµα της διαδροµής που ήταν αποθηκευµένο στην Route Cache, το οποίο περιέχει τη σειρά των τµηµάτων από αυτόν τον κόµβο ως το στόχο της διαδικασίας Ε.. Ωστόσο, πριν µεταδώσει το Route Reply µήνυµα, ο κόµβος πρέπει να ελέγξει το πεδίο διαδροµής του µηνύµατος ώστε να µην περιέχει τον ίδιο κόµβο περισσότερες από µία φορές. Στο παρακάτω παράδειγµα, Σχ 3.10, ο κόµβος F λαµβάνει ένα µήνυµα Route Request µε στόχο τον κόµβο Ε, και η Route Cache περιέχει µία διαδροµή προς αυτόν τον κόµβο. A B D E C Route Request Route: A - B - C - F F Cache: C - D - E Σχήµα 3.10 ηµιουργία Route Reply µηνύµατος µε χρήση της Route Cache Η συµπλήρωση της διαδροµής που περιέχεται στο Route Request µήνυµα µε τη διαδροµή από τον κόµβο F προς τον Ε, που βρέθηκε στην Route Cache, θα δηµιουργήσει µία διαδροµή που περιέχει δύο φορές τον κόµβο C (Α-Β-C και F-C-D-E αντίστοιχα δηµιουργούν τη διαδροµή A-B-C-F-C-D-E). Αν ο κόµβος F σε αυτή την περίπτωση επιχειρήσει να αλλάξει την διαδροµή, ώστε να εξαλείψει την διπλή αναγραφή του κόµβου C, προκύπτει η διαδροµή (A- B-C-D-E) η οποία επιστρέφεται στο Route Reply µήνυµα. Ωστόσο, στην συγκεκριµένη διαδροµή, δεν περιέχεται ο κόµβος F ο οποίος τη δηµιούργησε. Το πρωτόκολλο δροµολόγησης απαγορεύει τη δηµιουργία τέτοιων Route Reply µηνυµάτων µε τη χρήση της Route Cache. Αν ο κόµβος F µπορούσε να επιστρέψει µια διαδροµή που δεν περιλαµβάνει τον ίδιο, και η οποία είναι λανθασµένη, οποιαδήποτε νέα διαδικασία Ε από τον Α θα προκαλούσε ένα Route Reply µήνυµα από τον F το οποίο θα περιείχε την ίδια λανθασµένη διαδροµή και επιπρόσθετα ο F δεν θα µπορούσε να λάβει ένα Route Error µήνυµα για να τη διαγράψει από την Route Cache. Εποµένως, στην προκειµένη περίπτωση ο κόµβος F δεν θα επιστρέψει κανένα Route Reply µήνυµα προς το Α και θα προωθήσει το Route Request µήνυµα κανονικά. Αποφυγή καταιγισµού από Route Reply µηνύµατα Η δυνατότητα απάντησης των κόµβων σε Route Request µηνύµατα µε βάση την πληροφορία που περιέχεται στην Route Cache, όπως περιγράφεται παραπάνω, µπορεί σε µερικές περιπτώσεις να δηµιουργήσει έναν «καταιγισµό» από Route Reply µηνύµατα. Συγκεκριµένα, 52

67 ιδακτορική ιατριβή αν ένας κόµβος προωθήσει ένα Route Request µήνυµα µε στόχο κάποιον κόµβο, για τον οποίο όλοι του οι γειτονικοί κόµβοι περιέχουν µια διαδροµή προς αυτόν, όλοι οι κόµβοι θα απαντούσαν ταυτόχρονα µε ένα Route Reply µήνυµα δηµιουργώντας επιβάρυνση και τυχόν συγκρούσεις πακέτων στο φυσικό µέσο. Σαν παράδειγµα, το Σχ 3.11 παρουσιάζει µία κατάσταση κατά την οποία οι κόµβοι B, C, D, E, και F λαµβάνουν ταυτόχρονα ένα Route Request µήνυµα από τον κόµβο Α µε στόχο τον G, και όλοι οι κόµβοι έχουν αποθηκευµένη µία διαδροµή προς τον κόµβο G. Κανονικά, καθένας από τους παραπάνω κόµβους θα προσπαθούσε να απαντήσει µε χρήση της Route Cache, µε αποτέλεσµα να µεταδοθούν τα Route Reply µηνύµατα σχεδόν ταυτόχρονα. Cache: C - B - G Cache: B - G D C Cache: G A B G E F Cache: F - B - G Cache: B - G Σχήµα 3.11 Αποφυγή καταιγισµού Route Reply µηνυµάτων Αυτή ή ταυτόχρονη απάντηση από τους κόµβους θα προκαλέσει τοπική συµφόρηση στο ασύρµατο δίκτυο και πιθανώς να δηµιουργήσει συγκρούσεις µεταξύ µερικών ή όλων των πακέτων Route Reply αν ο µηχανισµός αποφυγής συγκρούσεων (collision avoidance) στο υποεπίπεδο προσπέλασης µέσου δεν είναι επαρκής. Το πρωτόκολλο IEEE εισάγει µια ψευδο-τυχαία καθυστέρηση σε αυτήν την περίπτωση αλλά λόγω του µεγάλου αριθµού των κόµβων υπάρχει µεγάλη πιθανότητα σύγκρουσης στο φυσικό µέσο. Επίσης, όπως φαίνεται στο παράδειγµα, τα µηνύµατα Route Reply µε τα οποία απαντούν οι κόµβοι θα περιέχουν διαδροµές διαφορετικού µήκους. Για να περιοριστούν αυτά τα φαινόµενα, ο κάθε κόµβος καθυστερεί να στείλει την απάντησή του για ένα µικρό χρονικό διάστηµα. Το χρονικό αυτό διάστηµα είναι τυχαίο και δίνεται από τον τύπο d = H ( h 1+ r), όπου h είναι το µήκος, σε αριθµό τµηµάτων δικτύου, της διαδροµής που επιστέφεται από το Route Reply µήνυµα, r είναι ένας τυχαίος αριθµός κινητής υποδιαστολής µε σταθερή κατανοµή που ανήκει στο διάστηµα 0 ως 1, και H είναι µία µικρή σταθερή καθυστέρηση η οποία είναι ίση µε το διπλάσιο χρόνο µετάδοσης ενός µικρού πακέτου από το φυσικό µέσο. Εύρεση ιαδροµής σε περιορισµένο αριθµό τµηµάτων Κάθε Route Request µήνυµα περιέχει ένα αριθµό, «όριο τµηµάτων» ο οποίος περιορίζει το µέγιστο αριθµό ενδιάµεσων κόµβων οι οποίοι επιτρέπεται να το προωθήσουν. Αυτός ο αριθµός αποθηκεύεται στο πεδίο Time-to-Live (TTL), της επικεφαλίδας του πρωτοκόλλου IP, του πακέτου που περιέχει το µήνυµα δροµολόγησης Route Request. Κάθε φορά που προωθείται το µήνυµα ο αριθµός αυτός µειώνεται και το πακέτο απορρίπτεται όταν ο αριθµός αυτός µηδενιστεί πριν φτάσει στον στόχο του. Αυτός ο µηχανισµός µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την υλοποίηση διαφόρων αλγόριθµων οι οποίοι ελέγχουν τη διασπορά των µηνυµάτων Route Request κατά τη διαδικασία Εύρεσης ιαδροµής. 53

68 Νικόλαος Β. Πόγκας Στο πρωτόκολλο που έχει υλοποιηθεί στα πλαίσια της διατριβής, κατά τη διαδικασία Ε.., το πρώτο µήνυµα Route Request αποστέλλεται µε περιορισµό τµηµάτων ίσο µε το 1, και αν δεν βρεθεί η διαδροµή το επόµενο µήνυµα µε στόχο τον ίδιο κόµβο αποστέλλεται µε περιορισµό τµηµάτων ίσο µε το 10. Ένας κόµβος που χρησιµοποιεί αυτήν την τεχνική εκτελεί την αναζήτηση πρώτα στους γειτονικούς του κόµβους, η οποία αναφέρεται ως αναζήτηση «µηδενικού δακτυλίου», και στη συνέχεια, αν δεν βρεθεί κάποια διαδροµή, σε ολόκληρο το δίκτυο (θεωρούµε ότι ο µέγιστος αριθµός τµηµάτων σε οποιαδήποτε διαδροµή που µπορεί να χρησιµοποιήσει το πρωτόκολλο δροµολόγησης είναι 10). Αυτό µειώνει την επιβάρυνση που προκαλείται στο δίκτυο για δύο λόγους: πρώτον σε πρακτικά IP δίκτυα είναι πολύ πιθανό ο στόχος της αναζήτησης να είναι γειτονικός κόµβος και δεύτερον, µε το πέρας του χρόνου και καθώς οι κόµβοι αποκτούν περισσότερες πληροφορίες για την τοπολογία του δικτύου, αυξάνονται αισθητά οι πιθανότητες κάποιος γειτονικός κόµβος να έχει αποθηκευµένη µια διαδροµή στην Route Cache και να απαντήσει µε ένα Route Reply µήνυµα. Μια άλλη µέθοδος αναζήτησης µε τη χρήση του συγκεκριµένου µηχανισµού είναι η αναζήτηση «επεκτεινόµενου δακτυλίου». Σύµφωνα µε αυτήν την τεχνική, αρχικά ο κόµβος στέλνει ένα Route Request µε αριθµό περιορισµού τµήµατος ίσο µε ένα. Εάν δεν λάβει κάποιο Route Reply µήνυµα ο αριθµός αυτός διπλασιάζεται κάθε φορά και στέλνεται ένα νέο Route Request µήνυµα. Με αυτόν τον τρόπο, ο κόµβος αναζητά προοδευτικά το δίκτυο. Ωστόσο, µε αυτήν τη µέθοδο αυξάνεται η µέση καθυστέρηση της αναζήτησης καθώς µπορεί να χρειαστούν αρκετές προσπάθειες αναζήτησης ώσπου ο κόµβος να αποκτήσει µία διαδροµή προς τον κόµβο προορισµού. Επαναδροµολόγηση πακέτων Αν κατά τη δροµολόγηση ενός πακέτου ένας ενδιάµεσος κόµβος, ο οποίος προωθεί το πακέτο, ανακαλύψει ότι η διασύνδεση µε τον επόµενο κόµβο είναι ασυνεχής τότε θα πρέπει να αναζητήσει µία εναλλακτική διαδροµή για τον προορισµό του πακέτου στην Route Cache. Αν βρεθεί µία τέτοια διαδροµή, θα πρέπει να «επαναδροµολογήσει» το πακέτο, αντί να το απορρίψει. Κατά την επαναδροµολόγηση του πακέτου, ο κόµβος αντικαθιστά τη διαδροµή του πακέτου µε τη νέα εναλλακτική διαδροµή που διαθέτει και επαναπροωθεί το πακέτο στον επόµενο κόµβο προς τον τελικό του προορισµό. Ωστόσο, ο ενδιάµεσος κόµβος πριν δροµολογήσει το πακέτο θα πρέπει να στείλει ένα Route Error µήνυµα προς τον αρχικό αποστολέα του πακέτου ώστε να τον ενηµερώσει για την ασυνέχεια της συγκεκριµένης διασύνδεσης Κάθε φορά που επαναδροµολογείται το ίδιο πακέτο ένας συγκεκριµένος µετρητής στην επικεφαλίδα δροµολόγησης αυξάνεται. Αν ο µετρητής ξεπεράσει µία µικρή τιµή (2 ή 3) το πακέτο απορρίπτεται. Ο µετρητής χρησιµεύει ώστε να εµποδίσει το πακέτο να περιέλθει σε ένα βρόχο δροµολόγησης κατά τον οποίο το πακέτο επαναδροµολογείται συνεχώς από διαφορετικούς κόµβους οι οποίοι αλλάζουν εναλλάξ τη διαδροµή του πακέτου από τον ένα κόµβο στον άλλο. Μεταχείριση πακέτων στην ουρά εξόδου Αν ένας ενδιάµεσος σταθµός ο οποίος προωθεί κάποιο πακέτο ανακαλύψει µέσω του µηχανισµού συντήρησης διαδροµής ότι η διασύνδεση µε τον επόµενο κόµβο είναι ασυνεχής, εκτός από την παραπάνω διαδικασία, θα πρέπει επίσης να αναζητήσει πακέτα που βρίσκονται αποθηκευµένα στην ουρά εξόδου της µονάδας κίνησης δικτύου και τα οποία πρόκειται να µεταδοθούν προς τον επόµενο σταθµό για τον οποίο η διασύνδεση δεν ισχύει πλέον. Για κάθε ένα από αυτά τα πακέτα ο κόµβος θα πρέπει να ενεργήσει ως ακολούθως. Θα αφαιρέσει το πακέτο από την ουρά εξόδου. Θα στείλει ένα Route Error µήνυµα προς τον αρχικό αποστολέα του πακέτου για να τον ενηµερώσει ότι η συγκεκριµένη διασύνδεση µέσω της οποίας 54

69 ιδακτορική ιατριβή προσπάθησε να προωθήσει το πακέτο δεν ισχύει πλέον. Ωστόσο, ο κόµβος δεν θα πρέπει να στείλει περισσότερα από ένα Route Error µηνύµατα προς κάθε αποστολέα των πακέτων. Αν ο κόµβος έχει εναλλακτική διαδροµή προς τον τελικό παραλήπτη του πακέτου στη Route Cache, θα πρέπει να επαναδροµολογήσει το πακέτο. ιαφορετικά, θα πρέπει να το απορρίψει. Ωστόσο στις δοκιµές που έγιναν, µετά την υλοποίηση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης και της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης, παρατηρήθηκαν τα εξής: Στην περίπτωση που χρησιµοποιείται το ασύρµατο πρωτόκολλο µετάδοσης IEEE b µε ρυθµό µετάδοσης τα 2Mbps, για µία TCP σύνδεση ο µέγιστος αριθµός πακέτων στην ουρά ενδιάµεσων κόµβων δεν ξεπερνούσε τα 2 πακέτα. Εποµένως, ή παραπάνω διαδικασία δεν κρίνεται απαραίτητο να χρησιµοποιηθεί, εφόσον, αν απορριφθούν ένα ή δυο πακέτα από τον ενδιάµεσο κόµβο, δεν προκαλείται σηµαντικό πρόβληµα στο δίκτυο. Αντίθετα στην περίπτωση χρήσης του πρωτοκόλλου σε δίκτυα µεγάλης ταχύτητας ( Mbps) ο αριθµός των πακέτων µπορεί να φτάσει τα 50. Αυξηµένη διασπορά Route Error µηνυµάτων Όταν ένας πηγαίος κόµβος λάβει ένα Route Error µήνυµα για κάποιο πακέτο δεδοµένων που έχει δροµολογήσει, τότε ο κόµβος θα πρέπει να συµπεριλάβει αυτό το µήνυµα στο επόµενο Route Request πακέτο δροµολόγησης που θα στείλει. Με αυτόν τον τρόπο οι κόµβοι του δικτύου θα αφαιρέσουν την ασυνεχή διασύνδεση, που περιέχεται στο Route Error µήνυµα, από την Route Cache τους. Επίσης θα εµποδίσει κάποιους κόµβους να απαντήσουν µε Route Reply µηνύµατα τα οποία περιέχουν διαδροµές που συµπεριλαµβάνουν τη συγκεκριµένη ασυνεχή διασύνδεση, λόγω της οποίας ο πηγαίος κόµβος έλαβε το Route Error µήνυµα. Ως παράδειγµα στο Σχ 3.12, ο κόµβος Α ενηµερώνεται από το Route Error µήνυµα που έλαβε από τον κόµβο C, ότι η διασύνδεση µεταξύ των C και D είναι ασυνεχής. Εποµένως αφαιρεί από την Route Cache τη συγκεκριµένη σύνδεση και ξεκινάει µία νέα διαδικασία Εύρεσης ιαδροµής (αν δεν έχει κάποια εναλλακτική διαδροµή). Στο µήνυµα Route Request που µεταδίδεται συµπεριλαµβάνεται και ένα Route Error µήνυµα ώστε να ενηµερωθούν και άλλοι κόµβοι του δικτύου. Αυτό διασφαλίζει ότι µηνύµατα τύπου Route Reply που δηµιουργούνται από την Route Cache ενδιάµεσων κόµβων (κόµβος G) δεν θα περιέχουν τη συγκεκριµένη διασύνδεση. Route Error Route Error Link Breakage A B C D Route-Request + Route-Error G Σχήµα 3.12 Προϋποθέσεις µετάδοσης µηνύµατος Route Error Αυτόµατη συντόµευση διαδροµής Η αυτόµατη συντόµευση διαδροµής εφαρµόζεται όταν ένας ενδιάµεσος κόµβος, ο οποίος προωθεί κάποιο πακέτο, ανακαλύψει, µέσω της Route Cache, ότι υπάρχει µικρότερη διαδροµή προς τον κόµβο προορισµού σε σχέση µε τη διαδροµή που αναγράφεται στην επικεφαλίδα δροµολόγησης και την οποία έχει διασχίσει το πακέτο ως εκείνη τη στιγµή. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ενδιάµεσος κόµβος θα πρέπει να ενηµερώσει τον κόµβο πηγής για την ύπαρξη της συντοµότερης διαδροµής. Αυτό γίνεται µε την αποστολή ενός Route Reply µηνύµατος, από τον ενδιάµεσο κόµβο προς τον αποστολέα του πακέτου, µέσω της συντοµότερης διαδροµής. Με αυτόν τον τρόπο ελέγχεται αν η διαδροµή αυτή ισχύει ακόµα. Όταν ο αποστολέας λάβει το Route Reply µήνυµα θα εισάγει στην Route Cache τη συντοµότερη διαδροµή την οποία µπορεί να χρησιµοποιήσει, αν οι κανόνες δροµολόγησης το 55

70 Νικόλαος Β. Πόγκας επιτρέπουν, για τη δροµολόγηση των επόµενων πακέτων. Ωστόσο, αν η διαδροµή δεν ισχύει, δηλαδή είναι ασυνεχής, θα δηµιουργηθεί κάποιο Route Error µήνυµα το οποίο και θα λάβει ο ενδιάµεσος κόµβος µε αποτέλεσµα να διαγράψει τη διαδροµή αυτή από την Route Cache. Ωστόσο ο αποστολέας του πακέτου στην περίπτωση που η δροµολόγηση δεν γίνεται µε βάση τη συντοµότερη διαδροµή αλλά µε περισσότερο σύνθετους κανόνες µπορεί να απορρίψει τη συντοµότερη διαδροµή και να συνεχίσει να χρησιµοποιεί την αρχική. Σε κάθε περίπτωση ο ενδιάµεσος κόµβος δεν θα πρέπει να εφαρµόσει τη διαδικασία συντόµευσης διαδροµής για την ίδια διαδροµή και τον ίδιο αποστολέα για περισσότερες από µία φορές. 3.7 ροµολόγηση µεταξύ ενσύρµατων και ασύρµατων δικτύων ροµολόγηση σε εξωτερικά δίκτυα Είναι δυνατή η διασύνδεση ενός ad hoc δικτύου µε άλλα δίκτυα, εξωτερικά ως προς αυτό. Τέτοια εξωτερικά δίκτυα µπορεί να είναι τοπικά ενσύρµατα δίκτυα, το διαδίκτυο, ή άλλα ασύρµατα ad hoc δίκτυα τα οποία χρησιµοποιούν διαφορετικό πρωτόκολλο δροµολόγησης. Μια σχηµατική αναπαράσταση τέτοιων δικτυακών τοπολογιών παρουσιάζεται στο Σχ Τέτοια εξωτερικά δίκτυα µπορεί να είναι επίσης ad hoc δίκτυα µε το ίδιο πρωτόκολλο δροµολόγησης αλλά διαφορετική διεύθυνση δικτύου τα οποία θεωρούνται ως εξωτερικά δίκτυα για λόγους βελτίωσης της επεκτασιµότητας. Σε αυτό το τµήµα µελετάται το ελάχιστο σύνολο προϋποθέσεων και λειτουργιών που πρέπει να παρέχονται από το πρωτόκολλο δροµολόγησης ώστε να είναι δυνατή η διαλειτουργικότητα των σταθµών του δικτύου µε σταθµούς οι οποίοι διαθέτουν δικτυακές διεπαφές µε εξωτερικά δίκτυα. Αυτό το σύνολο προϋποθέσεων και λειτουργιών συµπεριλαµβάνει δύο ενδείκτες (flags) τον First Hop External (F) και Last Hop External (L) οι οποίοι βρίσκονται στην επικεφαλίδα του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Επίσης, περιλαµβάνει µια ετικέτα External Tag ή όποια θα πρέπει να συνοδεύει κάθε διασύνδεση που εισάγεται στην Route Cache και η τιµή της οποίας σχετίζεται µε την τιµή των F ή L που βρίσκονταν στην επικεφαλίδα που περιείχε την διαδροµή µέσω της οποία, ο κόµβος ενηµερώθηκε για τη συγκεκριµένη διασύνδεση. Σχήµα 3.13 ιασύνδεση ad hoc δικτύου µε ενσύρµατα δίκτυα ιασύνδεση µε το διαδίκτυο Το πρωτόκολλο δροµολόγησης υποστηρίζει τη σύνδεση του µε εξωτερικά δίκτυα και το διαδίκτυο. Στη βιβλιογραφία αναφέρονται αρκετοί τρόποι ώστε ένα ad hoc δίκτυο να 56

71 ιδακτορική ιατριβή αποτελεί τµήµα ενός µεγαλύτερου δικτύου [56]. Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζουµε τους µηχανισµούς δροµολόγησης και συγκεκριµένα τη χρήση των ενδεικτών (flags) First Hop External (F) και Last Hop External (L) του πρωτοκόλλου για να επιτευχθεί η σύνδεση του µε το διαδίκτυο, δηλαδή η διάφανη επικοινωνία ενός κόµβου του ad hoc δικτύου µε οποιονδήποτε κόµβο στο διαδίκτυο. Για να συνδεθεί το ad hoc δίκτυο αρχικά απαιτείται ότι κάθε κόµβος θα έχει µία σταθερή IP διεύθυνση δικτύου, που ονοµάζεται home address, ή οποία τον προσδιορίζει µονοσήµαντα από όλους τους άλλους κόµβους. Στο σενάριο που ακολουθεί θεωρούµε ότι κάθε τέτοια διεύθυνση είναι µία δεσµευµένη IP διεύθυνση (public non-private) η οποία αποτελεί την ταυτότητα του κόµβου στην επικοινωνία του µε εσωτερικούς ή εξωτερικούς κόµβους του ad hoc δικτύου. Η έννοια της home address είναι παρόµοια µε αυτήν που ορίζεται από το πρωτόκολλο mobile IP [70]. Όπως και στο mobile IP κάθε κόµβος έχει µία µοναδική home address την οποία τοποθετεί στο πεδίο πηγαίας διεύθυνσης της επικεφαλίδας IP για κάθε πακέτο που στέλνει και το οποίο προέρχεται από κάποιο ανώτερο επίπεδο της στοίβας πρωτοκόλλων. Ωστόσο τα πακέτα που µεταδίδει ο κόµβος στα πλαίσια του µηχανισµού δροµολόγησης, δηλαδή πακέτα τα οποία ο κόµβος προωθεί προς τον τελικό τους προορισµό, στο πεδίο πηγαίας διεύθυνσης της επικεφαλίδας ΙP περιέχουν τη διεύθυνση του πηγαίου κόµβου, δηλαδή του κόµβου που δηµιούργησε το πακέτο. Στο Σχ 3.14 παρουσιάζεται η διαδικασία εύρεσης διαδροµής κατά την οποία ο κόµβος T2 που ανήκει στο ad hoc δίκτυο ανακαλύπτει µία διαδροµή προς έναν κόµβο D σε εξωτερικό δίκτυο. Όταν ο κόµβος Τ2 δηµιουργεί ένα πακέτο µε προορισµό τον κόµβο D το πακέτο παραδίδεται στο πρωτόκολλο δροµολόγησης για να µεταδοθεί. Θεωρώντας ότι ο κόµβος Τ2 δεν έχει κάποια αποθηκευµένη διαδροµή προς τον D αρχίζει τη διαδικασία εύρεσης διαδροµής µε στόχο τον κόµβο D. Καθώς το µήνυµα Route Request µε διεύθυνση στόχου τον κόµβο D πληµµυρίζει το ad hoc δίκτυο, θα το λάβει και ο κόµβος πύλης Ε2 ο οποίος θα ελέγξει τον πίνακα δροµολόγησής του. Αν ο κόµβος Ε2 θεωρήσει ότι ο D βρίσκεται εκτός του ad hoc δικτύου, δηλαδή ανήκει σε κάποιο άλλο υπο-δίκτυο, και ότι έχει πρόσβαση σε αυτό, τότε θα στείλει ένα µήνυµα τύπου proxy Route Reply στον Τ2 το οποίο στον ενδείκτη Last Hop External (L) θα έχει την τιµή 1. Ο ενδείκτης Last hop External δηλώνει ότι το τελευταίο τµήµα που επιστρέφεται από το µήνυµα Route Reply (η διασύνδεση από τη διεύθυνση Address[n-1] στην Address[n] της επικεφαλίδας Route Reply) είναι ένα αυθαίρετο µονοπάτι προς ένα δίκτυο εξωτερικό του ad hoc δικτύου. Σε αυτήν την περίπτωση το τµήµα της διαδροµής που είναι εκτός του ad hoc δικτύου δεν περιέχεται στο Route Reply µήνυµα. Όταν ο κόµβος T2 λάβει το Route Reply µήνυµα και αποθηκεύσει τη διαδροµή στην Route Cache θα πρέπει να θέσει στην ετικέτα External Tag της διασύνδεσης E2-D την τιµή 1. Τέτοιες διασυνδέσεις, που έχουν δηλαδή το External Tag ίσο µε 1 στην Route Cache, δεν πρέπει να χρησιµοποιούνται σε µηνύµατα Route Reply που δηµιουργούνται από την Route Cache. 57

72 Νικόλαος Β. Πόγκας T1 T2, T3, T5 E2 Route Request T2, T3 T5 INTERNET T2 T3 Proxy Route Reply T2, T3, T5, E2, D D T2 E1 Σχήµα 3.14 ιαδικασία εύρεσης διαδροµής µε εξωτερικό κόµβο προορισµού Αν ο κόµβος D εισέλθει κάποια χρονική στιγµή εντός του ad hoc δικτύου, τότε ο κόµβος T2 θα λάβει δύο Route Reply µηνύµατα από τους κόµβους E2 και D. Ωστόσο το Route Reply µήνυµα που προέρχεται από τον κόµβο D θα έχει στον ενδείκτη Last Hop External την τιµή 0. Με αυτόν τον τρόπο ο κόµβος T2 µπορεί να αναγνωρίσει ποιο µήνυµα είναι proxy Route Reply. Κατά την επιλογή µίας διαδροµής από την Route Cache οι κόµβοι θα πρέπει να προτιµούν διαδροµές οι οποίες δεν περιέχουν διασυνδέσεις µε External Tag ίσο µε ένα, ανεξάρτητα από τα κριτήρια επιλογής της Route Cache. Σε αυτήν την περίπτωση ο κόµβος T2 θα προτιµήσει την άµεση διαδροµή προς τον κόµβο D και όχι τη διαδροµή µέσω του κόµβου E2. Στην περίπτωση που ο κόµβος T2 χρησιµοποιήσει τη διαδροµή µέσω της πύλης Ε2 για τη δροµολόγηση των πακέτων θα πρέπει να θέτει τον ενδείκτη Last Hop External στο πεδίο διαδροµής των πακέτων. Αν έχει εγκατασταθεί µία σύνδεση µε τον κόµβο D (πχ µία TCP σύνδεση) τα πακέτα που προέρχονται από τον κόµβο D µε προορισµό τον Τ2, τα οποία δροµολογεί η πύλη Ε2, όταν θα µεταδίδονται µέσα στο ad hoc δίκτυο στο πεδίο διαδροµής θα περιέχουν τη διαδροµή D, E2, T5, T3, T2 και ο ενδείκτης First Hop External θα πρέπει να είναι ίσος µε 1. Όπως και στην παραπάνω περίπτωση, οι κόµβοι που λαµβάνουν το πακέτο και αποθηκεύουν την πηγαία διαδροµή στην Route Cache θα πρέπει να θέσουν στην ετικέτα External Tag της πρώτης διασύνδεσης (E2-D) την τιµή 1. Η δροµολόγηση των πακέτων στην πύλη E2 από και προς τον κόµβο D γίνεται µε τους µηχανισµούς IP δροµολόγησης ενσύρµατων δικτύων όπως στατική δροµολόγηση [71], µέσω του πρωτοκόλλου NAT (Network Address Translation) [72], κλπ. Επίσης είναι προφανές ότι η πύλη θα πρέπει να διαθέτει δύο δικτυακές διεπαφές, µία ασύρµατη και µία ενσύρµατη. Στο Σχ παρουσιάζεται η πορεία των πακέτων στα διάφορα επίπεδα της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης όταν αυτά δροµολογούνται από ένα ενσύρµατο (802.3) σε ένα ασύρµατο (802.11) δίκτυο. Στο σχήµα αυτό παρουσιάζονται µόνο οι επικεφαλίδες του επιπέδου σύνδεσης δεδοµένων. Αξίζει να παρατηρηθεί ότι το πρωτόκολλο IEEE µεταφράζει τις επικεφαλίδες στο επίπεδο MAC από επικεφαλίδες τύπου σε και αντίστροφα. 58

73 ιδακτορική ιατριβή Σχήµα 3.15 ροµολόγηση µεταξύ ενσύρµατου και ασύρµατου δικτύου Χρήση της τεχνολογίας Mobile IP σε ad hoc δίκτυα Καθώς ο κόµβος RN στο Σχ 3.16 είναι δυνατόν να συµµετέχει σε διαφορετικά IP υποδίκτυα ανάλογα µε την εκάστοτε τοποθεσία του, χρησιµοποιεί mobile IP τεχνολογία για να συνδεθεί στο διαδίκτυο. Στο Σχ 3.16 ο κόµβος RN ανήκει σε ένα υποδίκτυο εξωτερικό του ad hoc δικτύου, αλλά έχει µετακινηθεί και βρίσκεται στο εύρος µετάδοσης του ad hoc δικτύου. Σε αυτήν την περίπτωση ο κόµβος πύλης Ε2 παρέχει mobile IP υπηρεσίες τύπου foreign agent, ενώ παράλληλα αποτελεί την πύλη µεταξύ του ad hoc δικτύου και του διαδικτύου, σύµφωνα µε την παραπάνω ενότητα. T1 T2, T3, T5 E2 CN Agent Solicitation T2, T3 T5 INTERNET T2 T3 Agent Advertisment HA Home Network RN E1 RN Σχήµα 3.16 ροµολόγηση πακέτων στον κόµβο RN µέσω ad hoc δικτύου και τη χρήση mobile IP τεχνολογίας. Σύµφωνα µε την mobile IP λειτουργία, ο κόµβος RN περιοδικά ελέγχει για να επιβεβαιώσει ότι χρησιµοποιεί το καλύτερο διαθέσιµο µέσο για να διατηρήσει τη σύνδεση του µε το διαδίκτυο. Ο κόµβος RN θα πρέπει να θεωρεί µία ενσύρµατη LAN σύνδεση ως την καλύτερη επιλογή, µία σύνδεση µέσω του ad hoc δικτύου ως τη δεύτερη καλύτερη επιλογή και µία PSTN σύνδεση τηλεφωνίας ως εναλλακτική επιλογή, όταν δεν υπάρχουν άλλα επικοινωνιακά µέσα διαθέσιµα. Όταν ο RN κόµβος λάβει πακέτα του ad hoc πρωτοκόλλου δροµολόγησης 59

74 Νικόλαος Β. Πόγκας όπως Route Request ή Route Reply, θα θεωρήσει ότι βρίσκεται στο εύρος µετάδοσης του ad hoc δικτύου και θα ενεργοποιήσει αυτή την επιλογή σύνδεσης στο mobile IP πρωτόκολλο. Αν o RN αποφασίσει ότι το ad hoc δίκτυο αποτελεί το καλύτερο µέσο σύνδεσης µε το διαδίκτυο, τότε θα µεταδώσει ένα Mobile IP µήνυµα τύπου AGENT SOLICITATION ενσωµατωµένο µέσα σε ένα µήνυµα δροµολόγησης τύπου Route Request µε διεύθυνση στόχου την limited broadcast address ( ). Αυτό επιτρέπει στο µήνυµα AGENT SOLICITATION να διαδοθεί σε όλους τους κόµβους του δικτύου, ωστόσο οι πύλες δεν θα πρέπει να το προωθήσουν σε άλλα IP υποδίκτυα. Όταν ο κόµβος Ε2, ο οποίος υποστηρίζει mobile IP υπηρεσίες τύπου foreign agent, λάβει το AGENT SOLICITATION µήνυµα θα απαντήσει µε ένα µήνυµα τύπου AGENT ADVERTISEMENT, το οποίο επιτρέπει στον κόµβο RN να ξεκινήσει διαδικασίες τύπου agent registration µε τον κόµβο Ε2, ο οποίος θεωρείται ως foreign agent του κόµβου RN, και τον κόµβο HA, ο οποίος θεωρείται ως home agent του κόµβου RN, ως ένας mobile IP κινητός κόµβος ο οποίος βρίσκεται στο ad hoc δίκτυο. Όταν η διαδικασία τύπου agent registration τελειώσει, ο κόµβος HA ο οποίος είναι home agent του κόµβου RN θα χρησιµοποιήσει το πρωτόκολλο mobile IP για να προωθήσει πακέτα µε προορισµό τον RN στον κόµβο E2, ο οποίος είναι foreign agent του RN. Με τη σειρά του, ο κόµβος Ε2 θα δροµολογήσει τα πακέτα αυτά µέσα στο ad hoc δίκτυο µε προορισµό τον κόµβο RN και σύµφωνα µε το µηχανισµό της παραπάνω ενότητας. 3.8 Συµπεράσµατα Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκε µία ταξινόµηση των διαθέσιµων πρωτοκόλλων δροµολόγησης της διεθνούς βιβλιογραφίας που αφορούν τη δροµολόγηση πακέτων σε ad hoc δίκτυα καθώς και τα βασικά προβλήµατα και οι σχεδιαστικές επιλογές που αφορούν την υλοποίηση ενός τέτοιου πρωτοκόλλου σε ad hoc δίκτυα. Επίσης, στην ενότητα 3.5 παρουσιάστηκαν τα αποτελέσµατα εξοµοιώσεων που έγιναν στα πλαίσια της διατριβής για τη σύγκριση κάποιων από τα επικρατέστερα πρωτόκολλα δροµολόγησης. Όπως προκύπτει από τις εξοµοιώσεις, το πρωτόκολλο DSR παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσµατα ως προς τα χαρακτηριστικά που µετρηθήκαν, πράγµα που επιβεβαιώνει εξοµοιώσεις που έχουν παρουσιαστεί και στη διεθνή βιβλιογραφία. Στη συνέχεια του Κεφαλαίου, παρουσιάστηκαν οι βασικοί µηχανισµοί του πρωτοκόλλου αυτού το οποίο υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Στα επόµενα κεφάλαια παρουσιάζονται καινοτόµοι µηχανισµοί βελτίωσης της απόδοσης του πρωτοκόλλου οι οποίοι σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Επίσης, παρουσιάζονται και νέα πρωτόκολλά που αναπτυχθήκαν, τα οποία συνεργάζονται ή εξαρτώνται µε το πρωτόκολλο δροµολόγησης, για τη διεξοδική µελέτη των οποίων απαιτείται η γνώση των µηχανισµών και του τρόπου λειτουργίας του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. 60

75 ιδακτορική ιατριβή 4 Λανθάνουσα µνήµη δροµολόγησης και σύνθετα κριτήρια επιλογής διαδροµών Σε ένα ad hoc δίκτυο όλοι οι κόµβοι συνεργάζονται ώστε να εγκαταστήσουν και να διατηρήσουν διαδροµές δροµολόγησης. Πληροφορίες που αφορούν την τοπολογία του δικτύου, όπως διασυνδέσεις µεταξύ κόµβων, αποθηκεύονται σε µία ειδική δοµή δεδοµένων, η οποία ονοµάζεται λανθάνουσα µνήµη δροµολόγησης (Route Cache). Τα πρωτόκολλα δροµολόγησης χρησιµοποιούν τη Route Cache για να βρουν νέες διαδροµές δροµολόγησης ή για να ανασύρουν διαδροµές οι οποίες είχαν αποθηκευτεί προηγουµένως. Η δοµή αυτή αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό υποσύστηµα για πρωτόκολλα δροµολόγησης ad hoc δικτύων και ιδιαίτερα για αυτά που χρησιµοποιούν reactive µηχανισµούς. Εκτός από ένα σύστηµα αναπαράστασης της τοπολογίας του δικτύου η Route Cache µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την επιλογή διαδροµών, προς κάποιους κόµβους προορισµού, µε σύνθετα κριτήρια αξιολόγησης διαφορετικά από το κριτήριο της συντοµότερης διαδροµής. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται διαφορετικές σχεδιαστικές επιλογές οι οποίες αφορούν το σχεδιασµό και υλοποίηση ενός τέτοιου υποσυστήµατος χωρίζοντας το πρόβληµα σε επιλογές που αφορούν τη δοµή αναπαράστασης των δεδοµένων δροµολόγησης, τη χωρητικότητα της δοµής, τη µέγιστη χρονική διάρκεια αποθήκευσης µίας διασύνδεσης (cache timeout) και το µηχανισµό επιλογής διαδροµών δροµολόγησης. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η προτεινόµενη αρχιτεκτονική και ένα σύνθετο κριτήριο δροµολόγησης το οποίο αφορά την επιλογή διαδροµών µε βάση την κατανάλωση ενέργειας των κόµβων και την ευστάθεια του δικτύου. Τέλος, παρουσιάζονται οι αναγκαίες τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου δροµολόγησης ώστε να ενσωµατωθεί ο νέος µηχανισµός δροµολόγησης ο οποίος στηρίζεται σε ενεργειακά κριτήρια για τη δροµολόγηση των πακέτων. 4.1 Η λανθάνουσα µνήµη δροµολόγησης (Route Cache) Πληροφορίες που αφορούν την τοπολογία του δικτύου και τις οποίες µαθαίνει ένας κόµβος, ο οποίος εκτελεί λειτουργίες δροµολόγησης, αποθηκεύονται στην Route Cache. Κάθε κόµβος στο δίκτυο διατηρεί τη δική του Route Cache, ωστόσο, θεωρούµε ότι τα κριτήρια επιλογής διαδροµών από την Route Cache είναι κοινά για όλους τους κόµβους. Στην απλούστερη µορφή της η Route Cache λειτουργεί ως εξής: 1) Ένας. κόµβος, που εκτελεί λειτουργίες δροµολόγησης, αποθηκεύει πληροφορίες στην Route Cache καθώς ενηµερώνεται από πακέτα ελέγχου δροµολόγησης για την ύπαρξη νέων διασυνδέσεων ή διαδροµών µεταξύ κόµβων του δίκτυο. 2) Πληροφορίες διαγράφονται από την Route Cache καθώς ο κόµβος ενηµερώνεται για ασυνεχείς διασυνδέσεις µεταξύ κόµβων του δικτύου µέσω των µηχανισµών δροµολόγησης ή του µηχανισµού επιβεβαίωσης του υποεπιπέδου προσπέλασης µέσου, ο οποίος τον ενηµερώνει για την αποτυχία µετάδοσης πακέτων προς κάποιον κόµβο προορισµού. 3) Κατά τη δροµολόγηση ενός πακέτου, το πρωτόκολλο δροµολόγησης χρησιµοποιεί την Route Cache για την αναζήτηση και επιλογή της «βέλτιστης» (ως προς κάποια κριτήρια) διαδροµής προς τον κόµβο προορισµού του πακέτου. Συνήθως, το κριτήριο επιλογής για τα περισσότερα πρωτόκολλα δροµολόγησης είναι το κριτήριο της συντοµότερης διαδροµής (shortest path), όπου το µήκος της διαδροµής ορίζεται ως ο αριθµός των τµηµάτων (hops) που την αποτελούν. 61

76 Νικόλαος Β. Πόγκας Η Route Cache είναι εξαιρετικά σηµαντική για την απόδοση πρωτοκόλλων δροµολόγησης τα οποία χρησιµοποιούν reactive µηχανισµούς δροµολόγησης (ενότητα 3.3). Αυτοί είναι µηχανισµοί οι οποίοι ενεργοποιούνται έπειτα από κάποιο σφάλµα δροµολόγησης ή ανικανότητα εύρεσης κάποιας διαδροµής για τη δροµολόγηση πακέτων, και οι οποίοι µεταδίδουν πακέτα ελέγχου δροµολόγησης σε τµήµα ή ολόκληρο το δίκτυο µε σκοπό την εύρεση κάποια διαδροµής. Τέτοιους µηχανισµούς δροµολόγησης χρησιµοποιούν αρκετά πρωτόκολλα τα οποία ανήκουν και στις τρεις οµάδες ταξινόµησης που παρουσιάστηκαν στην ενότητα 3.3. Οι reactive µηχανισµοί δροµολόγησης αναζητούν κάποια αποθηκευµένη διαδροµή στην Route Cache (όπως στην περίπτωση 3 του παραπάνω παραδείγµατος) και αν δε βρεθεί, ενεργοποιούν ένα µηχανισµό αναζήτησης διαδροµής ο οποίος προκαλεί σηµαντική επιβάρυνση στο δίκτυο. Επίσης, στην περίπτωση όπου η αποθηκευµένη διαδροµή είναι λανθασµένη ή δεν ισχύει πλέον δηµιουργείται ένα σφάλµα δροµολόγησης, το οποίο έχει ως αποτέλεσµα: πρώτον την απώλεια του πακέτου (µπορεί να είναι και περισσότερα από ένα), αφού αυτό θα απορριφθεί από κάποιον δροµολογητή, και δεύτερον την καθυστέρηση δροµολόγησης των νέων πακέτων καθώς θα πρέπει να ξεκινήσει µία νέα διαδικασία εύρεσης διαδροµής από τον κόµβο πηγής. Εποµένως, τα περιεχόµενα της Route Cache επηρεάζουν σηµαντικά τη λειτουργία των πρωτοκόλλων δροµολόγησης καθώς µπορεί να προκαλέσουν: σφάλµατα δροµολόγησης απώλειες πακέτων στο δίκτυο καθυστερήσεις στη δροµολόγηση επιβάρυνση του δικτύου από µηχανισµούς του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Στο Σχ 4.1 παρουσιάζεται ένα διάγραµµα χρήσης (use case diagram) για το υποσύστηµα της Route Cache. Καθώς το υποσύστηµα αυτό διαχειρίζεται τις πληροφορίες τοπολογίας του δικτύου και επιλέγει διαδροµές δροµολόγησης, η σπουδαιότητα και ο ρόλος του είναι εξαιρετικά σηµαντικός για την απόδοση ενός δικτύου. Στην περίπτωση των ad hoc δικτύων ο σχεδιασµός της Route Cache είναι µία δύσκολη υπόθεση λόγω της δυναµικότητας που παρουσιάζει η τοπολογία του δικτύου. Ο αντικειµενικοί στόχοι της δροµολόγησης και οι απαιτήσεις του δικτύου (πχ µειωµένη κατανάλωση ενέργειας, αύξηση διεκπεραιωτικής ικανότητας, µείωση καθυστέρησης κλπ) δηµιουργούν κάποιους κανόνες δροµολόγησης (πχ επιλογή συντοµότερης διαδροµής, ενεργειακά βέλτιστης διαδροµής, διαδροµής µε µικρότερη συµφόρηση, παράµετροι QoS, διαδροµή µε καλύτερες τιµές SNR των διασυνδέσεων κλπ). Η Route Cache αποθηκεύει πληροφορίες που αφορούν την τοπολογία του δικτύου (πχ διασυνδέσεις µεταξύ των κόµβων, διαδροµές του δικτύου, επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρικών συσσωρευτών των κόµβων, τιµές SNR διασυνδέσεων του δικτύου, παραµέτρους QoS των δροµολογητών, κλπ). Οι πληροφορίες αυτές µπορεί να προέρχονται από το πρωτόκολλο δροµολόγησης ή άλλα πρωτόκολλα και µηχανισµούς της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται ένα πρωτόκολλο διαχείρισης ad hoc δικτύων το οποίο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και το οποίο αποθηκεύει επίσης πληροφορίες που αφορούν την τοπολογία στην Route Cache. H Route Cache, χρησιµοποιώντας τους κανόνες δροµολόγησης και τις πληροφορίες της τοπολογίας που διαθέτει, επιλέγει διαδροµές δροµολόγησης οι οποίες θα ικανοποιήσουν τους αντικειµενικούς στόχους της δροµολόγησης. 62

77 ιδακτορική ιατριβή Σχήµα 4.1 ιάγραµµα χρήσης της Route Cache. 4.2 Ανάλυση σχεδιαστικών παραµέτρων οµή της Route Cache Κατά την υλοποίηση της στρατηγικής αποθήκευσης των διαδροµών για ένα πρωτόκολλο δροµολόγησης, µία από τις περισσότερο θεµελιώδης επιλογές είναι η δοµή δεδοµένων που θα επιλεγεί για να αναπαραστήσει την Route Cache. Στο πρωτόκολλο δροµολόγησης που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 3, οι διαδροµές που επιστρέφονται µέσω του µηνύµατος Route Reply στον εκκινητή της διαδικασίας εύρεσης διαδροµής αναπαριστούν µια πλήρη διαδροµή (µια ακολουθία διασυνδέσεων) που οδηγούν από αυτόν τον κόµβο στον κόµβο προορισµού. Αποθηκεύοντας ξεχωριστά κάθε µία από αυτές τις διαδροµές, δηµιουργείται µια cacheδιαδροµών (path-cache). Το Σχ 4.2 αναπαριστά ένα παράδειγµα cache-διαδροµών για κάποιον κόµβο S σε ένα ad hoc δίκτυο. Εναλλακτικά µια cache-διασυνδέσεων (link-cache) µπορεί να δηµιουργηθεί όταν κάθε διασύνδεση των διαδροµών που επιστρέφονται µέσω των µηνυµάτων Route Reply αποθηκεύεται ξεχωριστά σε µια δοµή δεδοµένων τύπου ενιαίου γράφου (unified graph). Η δοµή αυτή αναπαριστά την ισχύουσα άποψη του κόµβου για την τοπολογία του δικτύου. Το Σχ 4.3 αναπαριστά ένα παράδειγµα cache-διασυνδέσεων για την περίπτωση του κόµβου S. Σχήµα 4.2 Route cache διαδροµών για τον κόµβο S 63

78 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχήµα 4.3 Route cache διασυνδέσεων για τον κόµβο S Η cache-διαδροµών είναι εξαιρετικά απλή στην υλοποίηση της και εγγυάται ότι όλες οι διαδροµές δεν περιέχουν βρόχους καθώς κάθε διαδροµή που περιέχεται σε µηνύµατα Route Reply είναι ελεύθερη από βρόχους (µια διαδροµή θεωρείται ως «ελεύθερη από βρόχους» όταν δεν περιέχει τη διπλή αναγραφή κάποιου κόµβου). Για την εύρεση µίας διαδροµής σε cache-διαδροµών, ο πηγαίος κόµβος θα πρέπει να αναζητήσει σειριακά τη δοµή για την εύρεση µίας διαδροµής (ή τµήµατος της διαδροµής) που οδηγεί στον κόµβο προορισµού. Αντίθετα η εύρεση µίας διαδροµής σε cache-διασυνδέσεων είναι πιο πολύπλοκη. Ο κόµβος πρέπει να χρησιµοποιήσει αλγόριθµους αναζήτησης γράφων ώστε να βρει τη βέλτιστη διαδροµή (µε βάση κάποιους κανόνες) προς τον κόµβο-στόχο της αναζήτησης. Ένας αλγόριθµος αναζήτησης σε βεβαρηµένο γράφο που χρησιµοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσης διατριβής παρουσιάζεται στο τµήµα 4.5. Αυτοί οι αλγόριθµοί απαιτούν µεγαλύτερους χρόνους εκτέλεσης και, στην περίπτωση τοπολογιών µε πολλούς κόµβους και συστηµάτων µε µικρή επεξεργαστική ισχύ, είναι πιθανό να προκαλέσουν καθυστέρηση στη δροµολόγηση των πακέτων. Αντίθετα η cache-διαδροµών έχει µεγαλύτερες απαιτήσεις σε µνήµη καθώς αποθηκεύονται ολόκληρες διαδροµές οι οποίες συχνά περιέχουν κοινές διασυνδέσεις. Ωστόσο, µία cache-διαδροµών δεν µπορεί να αξιοποιήσει αποτελεσµατικά όλες τις δυνατές πληροφορίες που µπορεί να µάθει ο κόµβος για την τοπολογία του δικτύου. Σε µία cacheδιασυνδέσεων, διασυνδέσεις που µαθαίνει ο κόµβος από διαφορετικούς µηχανισµούς (πχ µηνύµατα Route Reply ή διαδροµές πακέτων που δροµολογούνται) µπορούν να συνενωθούν ώστε να δηµιουργήσουν νέες διαδροµές στο δίκτυο, πράγµα το οποίο δεν είναι δυνατό σε µία cache-διαδροµών. Σαν παράδειγµα, αν ο κόµβος S µε την cache-διασυνδέσεων Σχ 4.3 ενηµερωθεί για την ύπαρξη µίας νέας διασύνδεσης από τον κόµβο Α στον κόµβο G, µπορεί να τη χρησιµοποιήσει για τη δηµιουργία νέων διαδροµών προς τους κόµβους Η και Ι (µέσω των Α και G) τις οποίες µπορεί να χρησιµοποιήσει για δροµολόγηση πακέτων αν η διασύνδεση από τον F προς τον G γίνει ασυνεχής. Όµως αν ένας κόµβος χρησιµοποιεί µία cache-διαδροµών δεν µπορεί να αξιοποιήσει αυτές τις επιπλέον διαδροµές Χωρητικότητα Η χωρητικότητα αποτελεί σηµαντική επιλογή στο σχεδιασµό της Route Cache για on-demand αλγόριθµους δροµολόγησης σε ad hoc δίκτυα. Για µια cache-διασυνδέσεων, η λογική επιλογή θα ήταν η δυνατότητα αποθήκευσης όλων των διασυνδέσεων τις οποίες µαθαίνει ο κόµβος, καθώς για ένα δίκτυο Ν κόµβων ο αριθµός τους περιορίζεται σε ένα µέγιστο Ν 2 διασυνδέσεων. Ωστόσο, σε µία cache-διαδροµών ο χώρος µνήµης που απαιτείται για την αποθήκευση της είναι πολύ µεγαλύτερος. Ο λόγος που ισχύει αυτό είναι ότι κάθε διαδροµή αποθηκεύεται ξεχωριστά και δεν υπάρχει καταµερισµός της πληροφορίας εντός της δοµής ακόµα και στην περίπτωση όπου δύο διαφορετικές διαδροµές περιέχουν κοινές διασυνδέσεις. Εποµένως στην περίπτωση της cache-διαδροµών απαιτείται η χρήση αλγόριθµων διαχείρισης του ελεύθερου χώρου. Θα µπορούσε να θεωρηθεί ότι το πρωτόκολλο δροµολόγησης θα είχε καλύτερη απόδοση µε µια µεγάλη σε µέγεθος cache-διαδροµών σε σχέση µε µία µικρότερη 64

79 ιδακτορική ιατριβή καθώς θα ήταν ικανό να αποθηκεύσει ένα µεγαλύτερο σύνολο διαδροµών. Ωστόσο αυτό δεν ισχύει καθώς µία cache µικρότερου µεγέθους έχει µία έµµεση επίδραση στην απόδοση του πρωτοκόλλου [68]. Η υλοποίηση της Route Cache µπορεί να έχει σταθερή ή µεταβαλλόµενη χωρητικότητα. Οι παρακάτω ιδιότητες περιγράφουν τη διαχείριση του ελεύθερου χώρου για µία cache-διαδροµών. Η εκάστοτε υλοποίηση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης σε κάποιον κόµβο µπορεί να επιλέξει οποιαδήποτε πολιτική για τη διαχείριση των καταχωρήσεων στην cache, όπως την επιλογή των καταχωρήσεων που θα παραµείνουν (Cache retain policy) όταν η χωρητικότητα είναι περιορισµένη. Η πολιτική που χρησιµοποιείται συνήθως είναι η least recently used LRU κατά την οποία οι καταχωρήσεις που δεν έχουν χρησιµοποιηθεί για αρκετά µεγάλο διάστηµα διαγράφονται κατά την εισαγωγή νέων καταχωρήσεων όταν το µέγεθος δεν είναι επαρκές. Μια άλλη πολιτική είναι η διαγραφή διαδροµών από την cache, όταν το µέγεθός της έχει φτάσει σε ένα κρίσιµο επίπεδο, να γίνεται µε βάση την «προτίµηση» των διαδροµών. ιαδροµές που χρησιµοποιήθηκαν για τη δροµολόγηση πακέτων ανώτερων επιπέδων θεωρούνται ως διαδροµές µε υψηλή «προτίµηση» και αποφεύγεται η διαγραφή τους, σε αντίθεση µε άλλες διαδροµές που έχουν βρεθεί µε άλλες διαδικασίες του πρωτοκόλλου, όπως η µελέτη των πεδίων διαδροµής των πακέτων που προωθεί ο κόµβος. Μια εναλλακτική σχεδιαστική επιλογή ως προς το µέγεθος της cache είναι ο διαχωρισµός της σε δύο τµήµατα: το πρωτεύον το οποίο περιέχει διαδροµές τις οποίες χρησιµοποιεί ο κόµβος, και το δευτερεύον το οποίο περιέχει διαδροµές τις οποίες έχει µάθει ο κόµβος από τη µελέτη του πεδίου διευθύνσεων των πακέτων που προωθεί και τις οποίες δεν έχει χρησιµοποιήσει για την αποστολή κάποιου πακέτου ανώτερων επιπέδων. Όταν µία διαδροµή που ανήκει στο δευτερεύον τµήµα της cache χρησιµοποιηθεί από τον κόµβο, τότε προάγεται στο πρωτεύον τµήµα. Όταν το µέγεθος της cache φτάσει κάποιο κρίσιµο ανώτερο σηµείο διαγράφονται µόνο οι «παλιότερες» διαδροµές από το δευτερεύον τµήµα, µε βάση το χρόνο εισαγωγής τους στην cache. Οι διαδροµές από το πρωτεύον τµήµα διαγράφονται µε δυναµικό τρόπο µέσω της διαδικασίας Συντήρησης ιαδροµής (ενότητα 3.6.4). Ένας τέτοιος τύπος cache ονοµάζεται generational cache, διότι λειτουργεί µε παρόµοιο τρόπο που λειτουργεί και ένας generational garbage collector σε συστήµατα διαχείρισης δυναµικής µνήµης Cache Timeout Ο µηχανισµός cache timeout διαγράφει πληροφορίες (διαδροµές ή διασυνδέσεις) που εισάγονται στην Route Cache µετά το πέρας ενός χρονικού διαστήµατος (timeout) από το χρόνο εισαγωγής τους. Αυτό το χρονικό διάστηµα µπορεί να είναι στατικό (σταθερό) ή δυναµικό (µεταβαλλόµενο µε βάση κάποιους κανόνες). Ο µηχανισµός cache timeout εισάγει έναν αριθµό σχεδιαστικών επιλογών, όπως και στην περίπτωση της διαχείρισης της χωρητικότητας, οι οποίες θα πρέπει να µελετηθούν κατά το σχεδιασµό της Route Cache. Στην περίπτωση της cache-διαδροµών υπάρχει ένας µηχανισµός διαγραφής διαδροµών λόγω της περιορισµένης της χωρητικότητας, εποµένως συνηθίζεται να µην υλοποιείται κάποιος µηχανισµός cache timeout. Για την περίπτωση της cache-διασυνδέσεων ένας τέτοιος µηχανισµός κρίνεται απαραίτητος καθώς, λόγω της δυναµικότητας που παρουσιάζει η τοπολογία σε ad hoc δίκτυα, η διατήρηση διαδροµών και διασυνδέσεων για µεγάλα χρονικά διαστήµατα στην Route Cache κρύβει τον κίνδυνο οι διαδροµές αυτές και οι διασυνδέσεις να µην ισχύουν πλέον. Σε αυτήν την περίπτωση η χρήση τους από το πρωτόκολλο δροµολόγησης θα προκαλέσει σφάλµατα δροµολόγησης και απώλεια πακέτων δεδοµένων. Όταν το timeout είναι στατικό, κάθε διασύνδεση ή διαδροµή διαγράφεται από την cache µετά το πέρας ενός χρονικού διαστήµατος από το χρόνο εισαγωγής της. Όταν το timeout είναι 65

80 Νικόλαος Β. Πόγκας δυναµικό, κάθε κόµβος που εισάγει µία διασύνδεση στην cache προσπαθεί να καθορίσει ένα κατάλληλο χρονικό διάστηµα µετά το πέρας του οποίου θα διαγραφεί η διασύνδεση. Αυτό το χρονικό διάστηµα θα πρέπει να βασίζεται σε ιδιότητες της διασύνδεσης ή των κόµβων οι οποίοι αποτελούν τα άκρα της. Επίσης, κατά όµοιο τρόπο µε την περίπτωση της generationalcache, είναι δυνατόν να αποτρέπεται η διαγραφή µίας διασύνδεσης η οποία χρησιµοποιείται από έναν πηγαίο κόµβο για τη δροµολόγηση πακέτων ανώτερων επιπέδων. Στα πλαίσια της διατριβής έχει επιλεγεί ένας προσαρµοστικός µηχανισµός δυναµικού cache-timeout ο οποίος περιγράφεται στην επόµενη παράγραφο. Η τιµή του timeout που χρησιµοποιείται στην Route Cache είναι στενά συνδεδεµένη µε µία σειρά από παράγοντες που σχετίζονται µε την απόδοση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Παράµετροι απόδοσης του πρωτοκόλλου δροµολόγησης όπως ο λόγος µεταβίβασης πακέτων (packet delivery ratio) και η επιβάρυνση δροµολόγησης (routing overhead) µπορεί να επηρεασθούν σε ένα δεδοµένο σενάριο, ανάλογα µε το περιεχόµενο της Route Cache και την αλληλεπίδραση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης µε αυτήν. Ωστόσο η επιβάρυνση δροµολόγησης επηρεάζεται πολύ περισσότερο σε σχέση µε το λόγο µεταβίβασης πακέτων. Η µείωση του timeout κάτω από κάποιο κατώφλι προκαλεί την αύξηση της επιβάρυνσης του δικτύου από το πρωτόκολλο δροµολόγησης, λόγω των συχνών διαδικασιών εύρεσης διαδροµής που εκτελούνται στο δίκτυο, καθώς σε αυτήν την περίπτωση διαγράφονται διασυνδέσεις από την Route Cache οι οποίες είναι έγκυρες και χρειάζονται για τη δροµολόγηση πακέτων Η αύξηση του timeout πάνω από κάποιο κατώφλι, προκαλεί την αύξηση σφαλµάτων δροµολόγησης στο δίκτυο καθώς γίνεται χρήση διασυνδέσεων οι οποίες έχουν γίνει ασυνεχείς µε το πέρασµα του χρόνου και οι οποίες παραµένουν στην Route Cache. 4.3 Προτεινόµενη αρχιτεκτονική για την Route Cache Στο Σχ 4.4 συνοψίζονται οι σχεδιαστικές επιλογές για την Route Cache οι οποίες αναλύθηκαν στην προηγούµενη ενότητα. Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική της Route Cache η οποία σχεδιάσθηκε και υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Σχήµα 4.4 Σχεδιαστικές επιλογές για την Route Cache Προτεινόµενη δοµή για την Route Cache Η επιλογή της δοµής δεδοµένων για την υλοποίηση της Route Cache του πρωτοκόλλου δροµολόγησης επηρεάζει την απόδοση του δικτύου [68] αλλά δεν επηρεάζει την ορθότητα του αλγόριθµου δροµολόγησης ή τη διαλειτουργικότητα των σταθµών. Ένας καινοτόµος σχεδιασµός που χρησιµοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσης διατριβής είναι η χρήση και των δύο δοµών, cache-διαδροµών και cache-διασυνδέσεων, για τη 66

81 ιδακτορική ιατριβή δηµιουργία µιας ενιαίας Route Cache η οποία λειτουργεί διάφανα ως µία οντότητα, Σχ 4.5. Ουσιαστικά η Route Cache χωρίσθηκε σε δύο επίπεδα. Το πρώτο επίπεδο αποτελεί µία cache-διαδροµών περιορισµένης χωρητικότητας και το δεύτερο επίπεδο αποτελεί µία ευέλικτη cache-διασυνδέσεων η οποία αποτελεί την κύρια Route Cache του συστήµατος. Η αναζήτηση διαδροµών εκτελείται ως εξής: αρχικά γίνεται αναζήτηση στο πρώτο επίπεδο (path-cache), αν δεν βρεθεί η διαδροµή γίνεται αναζήτηση στο δεύτερο επίπεδο (link-cache). Αν βρεθεί µία κατάλληλη διαδροµή προάγεται και αποθηκεύεται στο πρώτο επίπεδο της cache. Κάθε φορά που εισάγεται νέα πληροφορία στο δεύτερο επίπεδο της cache (από το πρωτόκολλο δροµολόγησης) τα περιεχόµενα του πρώτου τµήµατος διαγράφονται, καθώς µπορεί να δηµιουργήθηκαν νέες διαδροµές οι οποίες µπορεί να είναι προτιµότερες για τα κριτήρια δροµολόγησης. 4. routing path ROUTING PROTOCOL No link timeout Static size Level 1 PATH-CACHE 1. search 3. store 2. refresh Level 2 LINK-CACHE 2. search 1. update Dynamic link timeout Dynamic size Σχήµα 4.5 οµή της προτεινόµενης Route Cache Το πλεονέκτηµα που παρουσιάζει αυτή η δοµή είναι ο συνδυασµός της ευελιξίας και λειτουργικότητας που παρουσιάζει η cache-διασυνδέσεων µε την ταχύτητα (ως προς το χρόνο αναζήτησης) που παρουσιάζει µια cache-διαδροµών µικρής χωρητικότητας. Επίσης, καθώς η αναζήτηση στην cache-διασυνδέσεων απαιτεί σηµαντικό αριθµό υπολογισµών από τον επεξεργαστή, και αυτή η διαδικασία εκτελείται για κάθε πακέτο που δροµολογεί ο κόµβος, η παραπάνω δοµή µειώνει και την κατανάλωση ενέργειας που οφείλεται στον επεξεργαστή. Στο Σχ. 4.6 παρουσιάζεται ο µέσος αριθµός εκτέλεσης αναζητήσεων από έναν κόµβο πηγής για την προτεινόµενη δοµή δύο επιπέδων και το σενάριο των εξοµοιώσεων που παρουσιάστηκε στην ενότητα 3.5 µε πρωτόκολλο δροµολόγησης το DSR. Ο οριζόντιος άξονας εκφράζει το χρόνο που οι κόµβοι παραµένουν ακίνητοι. Στην περίπτωση των 900sec το δίκτυο είναι στατικό, σε αυτήν την περίπτωση οι επιτυχείς αναζητήσεις στην πρωτεύουσα path-cache (L1 hits) είναι συντριπτικά περισσότερες σε σχέση µε αναζητήσεις που έγιναν στη δευτερεύουσα link-cache (L2 runs), οι οποίες είναι µόνο 16! Καθώς η κινητικότητα των κόµβων αυξάνεται (η παράµετρος pause time πλησιάζει το 0, όπως παρουσιάστηκε στο τµήµα 3.5), αλλάζει η τοπολογία του δικτύου µε µεγάλο ρυθµό µε αποτέλεσµα τα περιεχόµενα της Route Cache να ανανεώνονται µε γρήγορο ρυθµό (αφού δηµιουργούνται νέες διασυνδέσεις ενώ κάποιες άλλες παύουν να ισχύουν). Αποτέλεσµα είναι ότι η cacheδιασυνδέσεων χρησιµοποιείται περισσότερες φορές για να δηµιουργήσει νέες διαδροµές. 67

82 Νικόλαος Β. Πόγκας Route Cache Performance L1 hits L2 runs Pause Time (sec) Σχ 4.6 Αριθµός εκτέλεσης αναζητήσεων στην Route Cache δύο επιπέδων σε σχέση µε την κινητικότητα των κόµβων της τοπολογίας Προτεινόµενη χωρητικότητα Ο σχεδιασµός της generational-cache διαφέρει σε σχέση µε τη δοµή που προτείνεται. Η generational-cache αποτελείται από δύο τµήµατα µνήµης τα οποία έχουν την ίδια δοµή, συνήθως είναι cache-διαδροµών, ενώ στην προτεινόµενη cache αυτά είναι διαφορετικά. Επίσης, οι διαδροµές που αποθηκεύονται χωρίζονται µε βάση το τρόπο που βρέθηκαν, ενώ στην προτεινόµενη cache χωρίζονται µε βάση τη συχνότητα χρήσης τους. Τέλος η generational-cache έχει περιορισµένη χωρητικότητα ενώ στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική περιορισµένη χωρητικότητα έχει µόνο το πρωτεύον τµήµα. Το πρωτεύον τµήµα (cacheδιαδροµών) θεωρούµε ότι είναι αρκετά µεγάλο, ωστόσο, ένα λογικό µέγεθος ισούται µε το µέγιστο αριθµό πακέτων που δροµολογούνται «ταυτόχρονα» από έναν κόµβο πηγής προς διαφορετικούς κόµβους προορισµού (µία τιµή ίση µε 20 καλύπτει τα περισσότερα επικοινωνιακά σενάρια). Το δευτερεύον τµήµα δεν έχει µεγάλες απαιτήσεις σε µνήµη καθώς είναι cache-διασυνδέσεων. Επιπλέον, τα περιεχόµενά του διαγράφονται από ένα µηχανισµό δυναµικού cache timeout (ο οποίος περιγράφεται στην συνέχεια) µε αποτέλεσµα οι απαιτήσεις σε µνήµη να περιορίζονται ακόµα περισσότερο Προτεινόµενο cache-timeout Σε διαφορετικές δικτυακές τοπολογίες, κινητικότητα των κόµβων ή εµβέλεια ασύρµατης µετάδοσης, η βέλτιστη τιµή για ένα στατικό cache-timeout διαφέρει σηµαντικά εξαιτίας των λόγων που αναφέρθηκαν στην παραπάνω ενότητα. Εποµένως, ο προσδιορισµός µίας πολιτικής δυναµικού cache-timeout κρίνεται απαραίτητη για τα περιεχόµενα (διασυνδέσεις µεταξύ κόµβων) της δευτερεύουσας cache-διασυνδέσεων. Το δυναµικό timeout των διασυνδέσεων που είναι αποθηκευµένες στη δευτερεύουσα cache υλοποιείται µε τον εξής τρόπο. Κάθε διασύνδεση έχει είναι συσχετισµένη µε ένα διαφορετικό χρονικό διάστηµα linktimeout το οποίο όταν λήξη η διασύνδεση αυτή διαγράφεται. Αυτός το χρονικό διάστηµα προσδιορίζει το χρόνο ζωής της συγκεκριµένης διασύνδεσης. Αν η διασύνδεση που διαγράφεται περιέχεται και σε διαδροµές που είναι αποθηκευµένες στην πρωτεύον cache, οι διαδροµές αυτές διαγράφονται επίσης. Ο προσδιορισµός του χρόνου ζωής της διασύνδεσης 68

83 ιδακτορική ιατριβή (link-timeout) γίνεται µε βάση την παρατηρούµενη συµπεριφορά των κόµβων στα άκρα της διασύνδεσης. Η Route Cache περιέχει έναν πίνακα µε τους κόµβους του δικτύου, ο πίνακας αυτός περιέχει διάφορες πληροφορίες όπως την IP διεύθυνση, το επίπεδο της ενέργειας του ηλεκτρικού συσσωρευτή και ένα µέτρο το οποίο προσδιορίζει την «ευστάθεια» του κόµβου stability ( n i ). Ο όρος της ευστάθειας αποτελεί ένα υποκειµενικό µέτρο της «σταθερότητας» που παρουσιάζει ένας κόµβος ως προς τη δροµολόγηση πακέτων στο δίκτυο, το οποίο προτάθηκε από τις εργασίες [68],[76]. Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε µία πρωτότυπη µεθοδολογία, η οποία παρουσιάζεται στη συνέχεια, για τον προσδιορισµό του µέτρου αυτού και τη χρήση του στον υπολογισµό του κόστους των διαδροµών δροµολόγησης η οποία βελτιώνει σηµαντικά την απόδοση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Το µέτρο της ευστάθειας εκφράζει έµµεσα την κινητικότητα των κόµβων, πηγές παρεµβολής, φαινόµενα συµφόρησης και γενικώς αίτια τα οποία προκαλούν την απώλεια πακέτων στο δίκτυο. Κόµβοι οι οποίοι παρουσιάζουν χαµηλή ευστάθεια εµφανίζουν µεγαλύτερη πιθανότητα απώλειας πακέτων όταν χρησιµοποιούνται για τη δροµολόγηση τους στο δίκτυο. Το µέτρο της ευστάθειας ενός κόµβου υπολογίζεται ως εξής: Όταν ένας νέος κόµβος n i εισάγεται στην Route Cache η τιµή της ευστάθειας του αρχικοποιείται σε µία τιµή, stability( ni ) = SINITIAL (4.1) Κάθε φορά που µία διασύνδεση n 1 -n 2 χρησιµοποιείται για τη δροµολόγηση ενός πακέτου από έναν πηγαίο κόµβο, η τιµή της ευστάθειας των κόµβων n 1 και n 2 στα άκρα της διασύνδεσης αυξάνεται προσθετικά µε ένα συντελεστή SINCF, stability( n ) = stability( n ) SINCF (4.2) i i + Όταν συµβεί ένα σφάλµα δροµολόγησης (Route Error), το πρωτόκολλο δροµολόγησης ενηµερώνεται για την ασυνεχή διασύνδεση η οποία το δηµιούργησε. Σε αυτήν την περίπτωση η ευστάθεια των κόµβων στα άκρα της συγκεκριµένης διασύνδεσης µειώνεται πολλαπλασιαστικά µε έναν συντελεστή 1 / SDECF, όπου SDECF 2. ηλαδή, stability( ni ) stability( ni ) = (4.3) SDECF Σε κάθε περίπτωση η τιµή της ευστάθειας παραµένει φραγµένη σε ένα σύνολο [2, ΜAX_STAB]. Το µέτρο της ευστάθειας χρησιµοποιείται στην πολιτική δροµολόγησης και στον υπολογισµό του χρόνου ζωής των διασυνδέσεων (link-timeout) ως εξής. Κάθε φορά που εισάγεται στη δευτερεύουσα cache µία νέα διασύνδεση A-B µεταξύ δύο κόµβων (A και Β), η τιµή του χρόνου ζωής της διασύνδεσης προσδιορίζεται από την ελάχιστη ευστάθεια των κόµβων στα άκρα της link-timeout(a-b) = MIN(stability(A), stability(b)). Ωστόσο, σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να είναι µεγαλύτερη από κάποια ελάχιστη τιµή (MIN_LINK_TIMEOUT). Όταν η διασύνδεση χρησιµοποιηθεί από έναν πηγαίο κόµβο για τη δροµολόγηση πακέτων στο δίκτυο, η χρονική τιµή αυτή αυξάνεται τουλάχιστον για ένα διάστηµα USE_EXTEND στο µέλλον. Ένα σύνολο τιµών για τις παραπάνω παραµέτρους το οποίο χρησιµοποιείται σε εξοµοιώσεις που παρουσιάζονται στη συνέχεια της διατριβής είναι το εξής: SINITIAL = 40, SINCF = 4, SDECF = 2, MAX_STAB = 300, MIN_LINK_TIMEOUT = 2 sec και USE_EXTEND = 300 sec. Με βάση τα παραπάνω, διασυνδέσεις που χρησιµοποιούνται συχνά από πηγαίους κόµβους για δροµολόγηση πακέτων δε διαγράφονται, καθώς αυτές οι διασυνδέσεις ελέγχονται για την 69

84 Νικόλαος Β. Πόγκας ορθότητα τους από τους µηχανισµούς του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Αντίθετα για διασυνδέσεις που είναι αποθηκευµένες αλλά δεν χρησιµοποιούνται για τη δροµολόγηση πακέτων ισχύουν τα εξής: διασυνδέσεις µεταξύ κόµβων που παρουσιάζουν µικρές τιµές ευστάθειας έχουν µικρό χρόνο ζωής, ενώ διασυνδέσεις µεταξύ κόµβων µε µεγάλη ευστάθεια παρουσιάζουν µεγάλο χρόνο ζωής, δηλαδή παραµένουν στη δευτερεύουσα cache για µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα χωρίς να διαγραφούν. Επίσης, διασυνδέσεις µεταξύ κόµβων οι οποίοι παρουσιάζουν υψηλή κινητικότητα, εποµένως χαµηλό µέτρο ευστάθειας, έχουν µικρές τιµές timeout. Ενώ, διασυνδέσεις µεταξύ στατικών κόµβων, οι οποίοι παρουσιάζουν υψηλή ευστάθεια, έχουν µεγάλες τιµές timeout. Με αυτόν τον τρόπο διασυνδέσεις µεταξύ κινούµενων κόµβων οι οποίες δεν χρησιµοποιούνται για τη δροµολόγηση πακέτων διαγράφονται γρηγορότερα από την Route Cache. Στις επόµενες ενότητες παρουσιάζεται η έννοια της ευστάθειας και ο τρόπος χρήσης της στην επιλογή των διαδροµών δροµολόγησης από την Route Cache Η έννοια της ευστάθειας των κόµβων του δικτύου Το µέτρο της ευστάθειας ενός κόµβου επηρεάζεται από τη συµπεριφορά των διασυνδέσεων του µε άλλους γειτονικούς κόµβους στο δικτύου, οι οποίες αποθηκεύονται στην link-cache και εκφράζουν την τοπολογία του δικτύου. Αυτή η συµπεριφορά ανιχνεύεται από τα µηνύµατα σφάλµατος δροµολόγησης (Route Error) του πρωτοκόλλου δροµολόγησης τα οποία προκαλούνται από τις ασυνέχειες που τυχόν εµφανίζονται στις διασυνδέσεις της τοπολογίας. Αυτά τα µηνύµατα δηµιουργούνται από κόµβους οι οποίοι αποτυγχάνουν να µεταδώσουν κάποιο πακέτο προς τον επόµενο σταθµό, κατά τη δροµολόγηση του πακέτου προς τον τελικό του προορισµό. Τα µηνύµατα αυτά περιέχουν τους κόµβους στα άκρα της διασύνδεσης στην οποία εµφανίστηκε το σφάλµα µετάδοσης. Καθώς τα µηνύµατα µεταδίδονται προς τον κόµβο πηγής, ο οποίος δροµολόγησε το πακέτο, οι ενδιάµεσοι κόµβοι που το προωθούν ενηµερώνονται για την ασυνεχή διασύνδεση. Το µέτρο της ευστάθειας των κόµβων είναι υποκειµενικό και κάθε κόµβος του δικτύου, ανάλογα µε την τοπολογία, τις επικοινωνιακές του δραστηριότητες την κινητικότητα των κόµβων ή άλλους παράγοντες, διατηρεί δυναµικά µια διαφορετική «εικόνα» για την ευστάθεια των κόµβων του δικτύου. Στο Σχ 4.7 θεωρούµε µία τοπολογία µεταξύ ενός πηγαίου κόµβου (S) και ενός κόµβου προορισµού (D) η οποία αποτελείται από δύο διαδροµές: τη διαδροµή Α (S D) και τη διαδροµή Β (S D), αρχικά όλοι οι κόµβοι που αποθηκεύονται στην Route Cache του πηγαίου κόµβου θα έχουν την αρχική τιµή της ευστάθειας πχ 40. Αν θεωρήσουµε ότι η δροµολόγηση των πακέτων γίνεται µέσω της διαδροµής Α και συµβεί µία ασυνέχεια στη διασύνδεση 2-3, τότε ο κόµβος 2 θα στείλει ένα µήνυµα Route Error στον πηγαίο κόµβο για να τον ενηµερώσει. Ο κόµβος 1 ο οποίος θα προωθήσει το µήνυµα θα ενηµερωθεί επίσης για την ασυνεχή διασύνδεση. 70

85 ιδακτορική ιατριβή Σχ 4.7 Τοπολογία δύο διαδροµών πολλαπλών τµηµάτων σε ad hoc Με βάση την προτεινόµενο µηχανισµό υπολογισµού της ευστάθειας που παρουσιάστηκε στην προηγούµενη ενότητα, θα συµβούν τα ακόλουθα γεγονότα: 1) Οι κόµβοι S, 1 και 2 θα διαγράψουν τη διασύνδεση 2-3 από την Route Cache τους. 2) Ο κόµβος 2 θα µειώσει το µέτρο της ευστάθειας του κόµβου 3, το οποίο θα γίνει 40/2=20 3) Ο κόµβοι S και 1 θα µειώσουν το µέτρο της ευστάθειας των κόµβων 2 και 3, το οποίο θα γίνει επίσης ίσο µε 20. 4) Οι κόµβοι S και 1 θα µειώσουν το χρόνος ζωή της διασύνδεσης (link-timeout) 1-2, καθώς µειώθηκε η ευστάθεια του κόµβου 2. Ο χρόνος αυτός θα γίνει ίσος µε την ελάχιστη ευστάθεια των κόµβων στα άκρα της διασύνδεσης, δηλαδή 20 sec. Στην παραπάνω περίπτωση, ο πηγαίος κόµβος (S) αν έχει αποθηκευµένη στην Route Cache τη διαδροµή Β θα τη χρησιµοποιήσει άµεσα για τη δροµολόγηση επόµενων πακέτων, διαφορετικά θα εκκινήσει µία νέα διαδικασία εύρεσης διαδροµής. Η ασυνέχεια της διασύνδεσης 2-3 µπορεί να οφείλεται σε διάφορους παράγοντες όπως: Κίνηση των κόµβων 2 ή 3 µε αποτέλεσµα να βρεθούν εκτός εµβέλειας µετάδοσης ο ένας από τον άλλο. Χαµηλή τιµή SNR της διασύνδεσης 2-3 µε αποτέλεσµα να προκαλούνται σφάλµατα στη µετάδοση. Πηγές παρεµβολής στον κόµβο 3 Πιθανή συµφόρηση στη διασύνδεση 3-D µε αποτέλεσµα να δηµιουργούνται συγκρούσεις πακέτων στον κόµβο 3. Στην προτεινόµενη στρατηγική δροµολόγησης χρησιµοποιείται το µέτρο της ευστάθειας των κόµβων και στην επιλογή των διαδροµών δροµολόγησης, επιπρόσθετα του δυναµικού υπολογισµού του χρόνου ζωής των διασυνδέσεων (link-timeout). Ο λόγος της επιλογής αυτής βασίζεται σε µετρήσεις που έγιναν στα πλαίσια της παρούσης διατριβής και παρουσιάζονται στην εργασία [91], κατά τις οποίες παρατηρήθηκε ότι σε στατικές τοπολογίες δικτύων και σε περιβάλλον που χαρακτηρίζεται από έντονα φαινόµενα πολυοδικής εξασθένησης (multi-path 71

86 Νικόλαος Β. Πόγκας fading), διασυνδέσεις που είχαν ικανοποιητικές τιµές SNR παρουσίαζαν υψηλούς ρυθµούς απώλειας πακέτων µε αποτέλεσµα να µειώνεται αισθητά η απόδοση του δικτύου. Επίσης, η µέτρηση των τιµών SNR των διασυνδέσεων σε ad hoc δίκτυα είναι δύσκολη διαδικασία καθώς οι τιµές αυτές αλλάζουν γρήγορα σε δυναµικές τοπολογίες και η µέτρηση τους θα προκαλούσε σηµαντική επιβάρυνση στο δίκτυο. Σκοπός της συγκεκριµένης στρατηγικής δροµολόγησης είναι η αποφυγή διαδροµών δροµολόγησης οι οποίες περιέχουν ασταθείς διασυνδέσεις. Στην περίπτωση του Σχ 4.7 ο πηγαίος κόµβος S θα αποφύγει τη διαδροµή Α και θα χρησιµοποιήσει τη διαδροµή Β καθώς η διασύνδεση 2-3 παρουσιάζει χαµηλή ευστάθεια. Στην προκειµένη περίπτωση η ευστάθεια των κόµβων της διαδροµής Α θα είναι (40, 20, 20) ενώ της διαδροµής Β (40, 40, 40) εποµένως ο κόµβος πηγής S θα προτιµήσει τη διαδροµή Β εφόσον παρουσιάζει καλύτερη ευστάθεια και εποµένως µικρότερη πιθανότητα απώλειας πακέτων. 4.4 Σύνθετα κριτήρια επιλογής διαδροµών Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζουµε µια σύνθετη στρατηγική δροµολόγησης µε βάση κριτήρια που αφορούν την κατανάλωση ενέργειας και την ευστάθεια του δικτύου. Οι στρατηγικές δροµολόγησης που χρησιµοποιούν κριτήρια επιλογής διαδροµών µε βάση την κατανάλωση ενέργειας ή το χρόνο ζωής του δικτύου ή των κόµβων στο δίκτυο, αναφέρονται µε τον όρο Power Aware Routing στη διεθνή βιβλιογραφία. Στην συνέχεια τις διατριβής θα αναφέρονται ως PAR αλγόριθµοι ή στρατηγικές. Οι PAR αλγόριθµοι επιλέγουν διαδροµές δροµολόγησης µε βάση κάποιο ενεργειακά αποδοτικό µέτρο αντί για το παραδοσιακό κριτήριο της συντοµότερης διαδροµής. Η ανάγκη αυτή προκύπτει σε δίκτυα µε περιορισµένους ενεργειακούς πόρους και σκοπός τους είναι οι επιλογές των διαδροµών δροµολόγησης να µην επιβαρύνουν σηµαντικά κόµβους οι οποίοι έχουν χαµηλά επίπεδα ενέργειας στους ηλεκτρικούς τους συσσωρευτές Τοποθέτηση του προβλήµατος Αν θεωρήσουµε την τοπολογία του Σχ 4.8 και υποθέσουµε ότι ο πηγαίος κόµβος S επιλεγεί µία διαδροµή για τη δροµολόγηση πακέτων, τότε µε βάση το κριτήριο επιλογής συντοµότερης διαδροµής θα επιλέξει µία εκ των διαδροµών A η B, ουσιαστικά σε αυτήν την περίπτωση επιλέγεται η διαδροµή που το πρωτόκολλο δροµολόγησης βρήκε πρώτη. Αν υποθέσουµε ότι επιλέγεται η διαδροµή Α, η δροµολόγηση θα προκαλέσει µία επιβάρυνση στην κατανάλωση ενέργειας των κόµβων 1 και 2, µε αποτέλεσµα ο κόµβος 2 ο οποίος έχει χαµηλά επίπεδα ενέργειας να σταµατήσει να λειτουργεί µετά από κάποιο χρονικό διάστηµα καθώς ο ηλεκτρικός συσσωρευτής θα έχει εξαντληθεί. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσµα την πιθανή δυσλειτουργία του δικτύου, στην περίπτωση όπου η λειτουργία του κόµβου 2 είναι σηµαντική, ή τη δηµιουργία κατάτµησης στο δίκτυο καθώς δεν θα είναι δυνατή η επικοινωνία µε τον κόµβο 3. Η σωστή επιλογή θα ήταν η διαδροµή Β καθώς οι κόµβοι 4 και 5 έχουν υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. 72

87 ιδακτορική ιατριβή Node 1 En 60Wh Node 2 En 10Wh Node 3 En 60Wh Source Node S Route A Destination Node D En 80Wh Route B En 70Wh Node 4 Node 5 En 80Wh En 80Wh Σχ 4.8 Τοπολογία δύο διαδροµών πολλαπλών τµηµάτων σε ad hoc µε βάση την κατανάλωση ενέργειας Προτεινόµενη PAR στρατηγική δροµολόγησης Η προτεινόµενη στρατηγική δροµολόγησης επιλέγει διαδροµές µε ένα σύνθετο κριτήριο το οποίο στηρίζεται στο µέτρο της ευστάθειας των κόµβων που αποτελούν τη διαδροµή, τα επίπεδα του ηλεκτρικού του συσσωρευτή των κόµβων και το µήκος της διαδροµής. Ο αντικειµενικός σκοπός της προτεινόµενης στρατηγικής είναι ο εξής: Μείωση της επιβάρυνσης των κόµβων µε χαµηλά επίπεδα ενέργειας Επιλογή διαδροµών που παρουσιάζουν υψηλότερη ευστάθεια Επιλογή διαδροµών µε µικρό µήκος Το πρώτο κριτήριο αυξάνει το χρόνο ζωής των κόµβων µε χαµηλά επίπεδα ενέργειας µε αποτέλεσµα να αυξάνεται ο χρόνος πιθανής κατάτµησης του δικτύου. Το δεύτερο κριτήριο αυξάνει την ευστάθεια και την απόδοση του δικτύου, καθώς επιλέγονται διαδροµές µε διασυνδέσεις που παρουσιάζουν µικρότερες πιθανότητες απώλειας πακέτων µε αποτέλεσµα: να µειώνονται τα σφάλµατα δροµολόγησης, η επιβάρυνση του δικτύου από διαδικασίες εύρεσης διαδροµών και να αυξάνεται η αποδοτικότητα των πρωτοκόλλων µεταφοράς δεδοµένων. Το τρίτο κριτήριο αυξάνει τη διεκπεραιωτική ικανότητα πρωτοκόλλων µεταφοράς όπως το TCP και µειώνει την καθυστέρηση, όπως παρουσιάστηκε στην ενότητα Ωστόσο τα παραπάνω κριτήρια συχνά είναι ορθογώνια µεταξύ τους, δηλαδή µία ευσταθής διαδροµή µπορεί να περιέχει κόµβους µε χαµηλά επίπεδα ενέργειας ή µία διαδροµή µε µικρό µήκος µπορεί να παρουσιάζει µεγάλη αστάθεια και συχνά σφάλµατα µετάδοσης λόγω παρεµβολών ή χαµηλών τιµών SNR των διασυνδέσεων. Η προτεινόµενη στρατηγική κάνει κάποιους συµβιβασµούς µεταξύ των παραπάνω κριτηρίων και παρέχει παραµέτρους οι οποίες µπορούν να ρυθµίσουν την προτεραιότητα κάποιων από τα παραπάνω κριτήρια. Ακολουθώντας µεθοδολογία που χρησιµοποιήθηκε στην [18] ορίζουµε ένα κόστος διαδροµής C(n 0, n k ) µεταξύ του πηγαίου κόµβου n 0 και του κόµβου προορισµού n k ως: 73

88 k 0, nk ) = z i 1, i= 1 ( n n ) C( n (4.4) i Νικόλαος Β. Πόγκας Όπου z(n i-1, n i ) είναι το κόστος της διασύνδεσης µεταξύ των κόµβων n i-1 και n i. Εποµένως το κόστος της διαδροµής C εξαρτάται από το µήκος (αριθµό διασυνδέσεων) της διαδροµής και το κόστος των διασυνδέσεων z οι οποίες αποτελούν τη διαδροµή. Το κόστος της διασύνδεσης z µεταξύ των κόµβων n i-1 και n i ορίζεται ως µία συνάρτηση του ενεργειακού κόστους Zen και του κόστους ευστάθειας Zst ως: ( n, n ) f ( Zen( n ) Zst( n )) z, i 1 i = (4.5) i i Ωστόσο θα µπορούσαµε να εισάγουµε και ένα κόστος βάρους Zlink της διασύνδεσης µεταξύ των κόµβων n i-1 και n i και η σχέση 4.5 να ορίζεται ως: z ( n n ) f ( Zen( n ), Zst( n ), Zlink( n, n )) i 1, i i i i 1 i = (4.6) Το κόστος βάρους διασύνδεσης Zlink θα µπορούσε να εκφράσει την απαιτούµενη ισχύ µετάδοσης για την περίπτωση χρήσης αλγορίθµων ελέγχου της ισχύος µετάδοσης (παράγραφος 5.7), µετρήσεις της τιµής SNR, απαιτήσεις για QoS κλπ. Στην περίπτωση ελέγχου της ισχύος µετάδοσης, το βάρος Zlink θα µπορούσε να εκφράσει την ελάχιστη απαιτούµενη ισχύ µετάδοσης για τη µεταβίβαση πακέτων στη συγκεκριµένη διασύνδεση, ούτως ώστε διασυνδέσεις µε µεγαλύτερη απόσταση, οι οποίες απαιτούν και µεγαλύτερη ισχύ µετάδοσης, να έχουν µεγαλύτερες τιµές κόστους Zlink. Επίσης, το βάρος Zlink µπορεί να εκφράσει την τιµή SNR της διασύνδεσης, µε αποτέλεσµα διασυνδέσεις µε µικρές τιµές SNR, και µεγαλύτερη πιθανότητα σφαλµάτων στη µετάδοση πακέτων, να έχουν µεγαλύτερο κόστος. Στην προτεινόµενη στρατηγική δροµολόγησης δεν χρησιµοποιήθηκαν αυτά τα κριτήρια για τους παρακάτω λόγους: Η κατανάλωση ενέργειας δεν επηρεάζεται σηµαντικά από την ισχύ µετάδοσης σε ασύρµατες κάρτες ΙΕΕΕ b, όπως παρουσιάζεται στην ενότητα 5.7. εύτερον, η χρήση τιµών SNR των διασυνδέσεων στην επιλογή διαδροµών σε ad hoc δίκτυα µε διαδροµές πολλαπλών τµηµάτων είναι δύσκολο να υλοποιηθεί καθώς κάθε κόµβος θα έπρεπε να διατηρεί έγκυρες τιµές SNR για όλες τις διασυνδέσεις των διαδροµών που έχει αποθηκευµένες. Σε µία δυναµική τοπολογία αυτή η απαίτηση θα προκαλούσε υψηλή επιβάρυνση στο δίκτυο λόγω των µηνυµάτων ελέγχου που θα έπρεπε να ανταλλάσσουν οι κόµβοι για να µετρούν την τιµή SNR των διασυνδέσεων. Αντίθετα η τιµή της ευστάθειας εκφράζει έµµεσα και χαµηλές τιµές SNR χωρίς να προκαλεί επιβάρυνση του δικτύου. Εποµένως, το κόστος z ορίζεται από τη σχέση (4.6) ως το γινόµενο του ενεργειακού και του κόστους ευστάθειας της διασύνδεσης και παρουσιάζεται στη σχέση (4.7). Η πολλαπλασιαστική σχέση έχει ως αποτέλεσµα τη µεγάλη αύξηση του κόστους µίας διαδροµής η οποία περιλαµβάνει κόµβους οι οποίοι παρουσιάζουν ένα συνδυασµό χαµηλής ενέργειας και χαµηλής ευστάθειας, µε αποτέλεσµα να προτιµώνται εναλλακτικές διαδροµές, οι οποίες πιθανώς έχουν και µεγαλύτερο µήκος, ώστε να αποφευχθεί η δροµολόγηση από τους συγκεκριµένους κόµβους. ( n, n ) = f ( Zen( n ), Zst( n )) Zen( n ) Zst( n ) z * i 1 i i i = (4.7) i i Το ενεργειακό κόστος ενός κόµβου ορίζεται ως: Zen n ) = 1 + EF * g( n ) (4.8) ( i i όπου g(n i ) είναι η κανονικοποιηµένη µορφή της ενέργειας που έχει καταναλώσει ο κόµβος και δίδεται από την παρακάτω σχέση, 74

89 ιδακτορική ιατριβή g E E ( n ) INITIAL i ( ni ) = (4.9) EINITIAL και EF είναι ένας συντελεστής ο οποίος φράσσει τη µέγιστη τιµή του ενεργειακού κόστους E INITIAL είναι η µέγιστη χωρητικότητα του ηλεκτρικού συσσωρευτή και E(n i ) το επίπεδο ενέργειας του κόµβου. Το κόστος ευστάθειας ορίζεται ως: Zst ( n i 1 + SF ) = 1 + (4.10) stability ( n ) i όπου stability(n i ) είναι το µέτρο ευστάθειας του κόµβου (σχέση 4.1) και SF ένας σταθερός συντελεστής ο οποίος φράσσει τη µέγιστη τιµή του κόστους ευστάθειας. Σύµφωνα µε τις σχέσεις (4.7),(4.8) και (4.10) ορίζουµε το κόστος της διαδροµής ως: k 1+ SF C( n = ( + ( )) + = ( ) 0, nk ) 1 EF * g ni * 1 (4.11) i 1 stability ni Θέτοντας κατάλληλες τιµές στους σταθερούς συντελεστές EF και SF µπορεί να δοθεί µία προτεραιότητα ως προς την κατανάλωση ενέργειας ή την επιλογή διαδροµών µε µεγαλύτερη ευστάθεια. Στο Σχ 4.9 παρουσιάζεται η γραφική αναπαράσταση του κόστους διασύνδεσης (σχέση 4.7) ως προς το επίπεδο ενέργειας και το µέτρο της ευστάθειας. Παρόλο που αναγράφονται τιµές ευστάθειας που φτάνουν την τιµή 1024 στην εφαρµογή της προτεινόµενης στρατηγικής το µέγιστο µέτρο της ευστάθειας είναι 300 (ενότητα 4.3.4). Παρατηρούµε ότι το ενεργειακό κόστος αυξάνεται γραµµικά ως προς την κατανάλωση ενέργειας ενώ το κόστος ευστάθειας αυξάνεται µη γραµµικά, µε αποτέλεσµα µεταβολές στην ευστάθεια να προκαλούν απότοµες αλλαγές στο κόστος της διασύνδεσης Cost Energy % stability Σχήµα 4.9 Το κόστος διασύνδεσης (zl x 100) ως συνάρτηση του µέτρου ευστάθειας και της ενέργειας του κόµβου για SF=2 και EF=1. 75

90 Νικόλαος Β. Πόγκας Η πολλαπλασιαστική σχέση που έχουν το ενεργειακό κόστος και το κόστος ευστάθειας έχει τα παρακάτω αποτελέσµατα. Όταν οι κόµβοι έχουν αυξηµένα επίπεδα ενέργειας και οι διασυνδέσεις παρουσιάζουν ευστάθεια, επιλέγονται διαδροµές µε το µικρότερο µήκος. Όταν εµφανίζονται σφάλµατα στη µετάδοση πακέτων σε κάποιες διασυνδέσεις επιλέγονται διαδροµές που παρουσιάζουν καλή ευστάθεια. Τέλος, όταν τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων µειώνονται κάτω από κάποιο επίπεδο οι διαδροµές επιλέγονται µε ένα συνδυασµό των παραπάνω. Ωστόσο, λόγω της µη γραµµικής του αύξησης το κόστος ευστάθειας έχει προτεραιότητα στην επιλογή των διαδροµών. Στη τοπολογία του Σχ 4.8 αν υποθέσουµε ότι οι κόµβοι έχουν ίδια ευστάθεια και εποµένως το ίδιο κόστος Zst η διαδροµή Α θα έχει ένα κόστος CA=Zst*(2+1.3*EF) ενώ η διαδροµή Β ένα κόστος CB=Zst*(2+0.4*EF) εποµένως, σύµφωνα µε την προτεινόµενη στρατηγική, θα επιλεγεί η διαδροµή µε το µικρότερο κόστος, δηλαδή η διαδροµή Β. Ο υπολογισµός των διαδροµών από την cache-διασυνδέσεων γίνεται µε τη χρήση του αλγόριθµου Dijkstra [77] ο οποίος είναι ένας αλγόριθµος αναζήτησης σε βεβαρηµένο γράφο και ο οποίος παρουσιάζεται στην επόµενη ενότητα. 4.5 Αλγόριθµος εύρεσης του ελάχιστου µονοπατιού Σε πρωτόκολλα δροµολόγησης εφαρµόζονται αλγόριθµοι της θεωρίας γράφων καθώς η γραφική αναπαράσταση των κόµβων του δικτύου και των διµελών σχέσεων επί αυτών είναι µια πολύ βολική µορφή αναπαράστασης. Αυτό µας οδηγεί στη µελέτη της θεωρίας γράφων και συγκεκριµένα στο πρόβληµα της εύρεσης ελάχιστου µονοπατιού σε βεβαρηµένο γράφηµα καθώς είναι απαραίτητο για την εύρεση διαδροµών από το δεύτερο επίπεδο της Route Cache, το οποίο όπως αναφέρθηκε στην ενότητα αποτελείται από µία link-cache στην οποία αποθηκεύονται διασυνδέσεις µεταξύ των κόµβων του δικτύου Βασικές έννοιες Ένα κατευθυνόµενο γράφηµα G ορίζεται αφηρηµένα ως ένα διατεταγµένο ζεύγος (V, E), όπου V είναι ένα σύνολο και E µία διµελής σχέση επί του V. Ένα κατευθυνόµενο γράφηµα µπορεί να αναπαρασταθεί γεωµετρικά ως ένα σύνολο V από σηµεία µε ένα σύνολο E από βέλη µεταξύ ζευγών των σηµείων. Τα στοιχεία του συνόλου V ονοµάζονται κορυφές και τα διατεταγµένα ζεύγη του συνόλου Ε ονοµάζονται ακµές του κατευθυνόµενου γραφήµατος. Ένα µη κατευθυνόµενο γράφηµα G ορίζεται αφηρηµένα ως ένα διατεταγµένο ζεύγος (V, E), όπου V είναι ένα σύνολο και το Ε ένα σύνολο από πολυσύνολα δύο στοιχείων του V. Ένα µη κατευθυνόµενο γράφηµα µπορεί να αναπαρασταθεί γεωµετρικά ως ένα σύνολο V από σηµεία µε ένα σύνολο E από γραµµές µεταξύ των σηµείων. Οµοίως η τοπολογία ενός δικτύου µπορεί να αναπαρασταθεί γεωµετρικά από ένα κατευθυνόµενο ή µη κατευθυνόµενο γράφηµα G όπου V είναι το σύνολο των σταθµών του δικτύου και Ε το σύνολό των διασυνδέσεων του φυσικού επιπέδου µεταξύ των σταθµών. Όταν το φυσικό µέσο επιτρέπει την µετάδοση δεδοµένων µέσω µονό-κατευθυντήριων διασυνδέσεων τότε το δίκτυο αναπαρίσταται από ένα κατευθυνόµενο γράφηµα. ιαφορετικά, όταν δηλαδή το φυσικό µέσο επιτρέπει την µετάδοση δεδοµένων µόνο µέσω δυκατευθυντήριων διασυνδέσεων, το δίκτυο αναπαρίσταται από ένα µη κατευθυνόµενο γράφηµα. Με ένα γενικό τρόπο ορίζουµε ένα βεβαρηµένο γράφηµα είτε ως µία διατεταγµένη τετράδα (V, E, w, g) είτε ως µία διατεταγµένη τριάδα (V, E, w) όπου V είναι το σύνολο των κορυφών, Ε το σύνολο των ακµών, η w είναι µία συνάρτηση µε πεδίο ορισµού το V, και η g είναι µία συνάρτηση µε πεδίο ορισµού το Ε. Η συνάρτηση w είναι µία αντιστοίχηση βαρών στις κορυφές, και η συνάρτηση g είναι µία αντιστοίχηση βαρών στις ακµές. 76

91 ιδακτορική ιατριβή Ελάχιστα µονοπάτια σε βεβαρηµένα γραφήµατα [78] Έστω G = (V, E, w) ένα βεβαρηµένο γράφηµα, όπου w είναι µία συνάρτηση µε πεδίο ορισµού το Ε στο σύνολο των θετικών πραγµατικών αριθµών. Θεωρούµε το G ως αναπαράσταση ενός δικτύου (ασύρµατου ή ενσύρµατου) υπολογιστών, V ως ένα σύνολο σταθµών του δικτύου και το Ε ως ένα σύνολο διασυνδέσεων του φυσικού επιπέδου που συνδέουν τους σταθµούς. Το βάρος µίας ακµής {u, v}, w(u, v), ονοµάζεται συνήθως µήκος της ακµής. Το βάρος w(p) ενός µονοπατιού p στο G ορίζεται ως το άθροισµα των βαρών των ακµών που αποτελείται το µονοπάτι και ονοµάζεται συνήθως µήκος του µονοπατιού. ( v v ) p =,...,, µονοπάτι 0, 1 v k ( ) ( p) i i k w( v i v ) w 1 1,, βάρος µονοπατιού = i Ένα πρόβληµα µείζονος ενδιαφέροντος είναι ο προσδιορισµός ενός ελάχιστου µονοπατιού από µία ακµή σε µία άλλη ακµή στο V. Ένα ελάχιστο µονοπάτι από την ακµή u στην v είναι το µονοπάτι w ( p) δ ( u, v) δ ( u,v) είναι το ελάχιστο βάρος µονοπατιού από την ακµή u στην v: δ ( u, v) min = { w( p) }, όταν δεν υπάρχει µονοπάτι το βάρος είναι άπειρο = όπου Υπάρχουν αρκετές διαδεδοµένες διαδικασίες για την επίλυση αυτού του προβλήµατος. Παρουσιάζουµε εδώ µία που προτάθηκε από τον Ε.W. Dijkstra [77] και η οποία χρησιµοποιήθηκε στην προτεινόµενη υλοποίηση της cache-διασυνδέσεων του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Η εφαρµογή του αλγόριθµου Dijkstra στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική Υποθέστε ότι θέλουµε να προσδιορίσουµε το ελάχιστο µονοπάτι από µία κορυφή a σε µία κορυφή z στο G. Στην διαδικασία αυτή προσδιορίζεται ένα ελάχιστο µονοπάτι από την α προς κάποια άλλη κορυφή, µετά προσδιορίζεται ένα ελάχιστο µονοπάτι από την α προς κάποια ακόµη κορυφή, κ.ο.κ. Τελικά, η διαδικασία τερµατίζει όταν έχει προσδιοριστεί ένα ελάχιστο µονοπάτι από την α στη z. Η διαδικασία στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική βασίζεται στις ακόλουθες παρατηρήσεις: Έστω T ένα υποσύνολο ακµών του V µε a T. Έστω P το υποσύνολο των ακµών V-T. Ένα ελάχιστο µονοπάτι από την α σε σε µία από τις ακµές του T µπορεί να οριστεί ως εξής: Για κάθε κορυφή του t στο T έστω l(t) το µήκος του ελάχιστου µονοπατιού ανάµεσα σε όλα τα µονοπάτια από την α στην t τα οποία δεν περιέχουν καµία άλλη κορυφή του T (όταν τέτοιο µονοπάτι δεν υπάρχει θεωρούµε l (t) = ). Θα ονοµάζουµε την l(t) δείκτη της t ως προς P. Ανάµεσα σε όλες τις κορυφές του T, έστω µια ακµή t 1 που έχει τον ελάχιστο δείκτη. Υποστηρίζουµε ότι η ελάχιστη απόσταση µεταξύ της α και της t 1 είναι πράγµατι ίση µε l(t 1 ). Για να υποστηρίξουµε τον ισχυρισµό µας, ας υποθέσουµε από υπάρχει ένα µονοπάτι από την α στην t 1 το µήκος του οποίου είναι µικρότερο από l(t 1 ). Στην περίπτωση αυτή ένα τέτοιο µονοπάτι θα πρέπει µια ή περισσότερες από τις κορυφές του T-{t 1 }. Έστω t 2 η πρώτη ακµή του T-{t 1 } που συναντάµε όταν διασχίζουµε το µονοπάτι αυτό από την α στην t 1. Προκύπτει ότι το l(t 2 ) είναι µικρότερο από το l(t 1 ), το οποίο είναι άτοπο. Συνεπώς, αν όταν υπολογίζουµε το l(t), καταγράφουµε την ακολουθία των κορυφών στο µονοπάτι που δηµιούργησε το l(t) για κάθε t στο T, θα έχουµε επίσης προσδιορίσει ένα ελάχιστο µονοπάτι από την α στην t 1. 77

92 Νικόλαος Β. Πόγκας Πρέπει επίσης να βρούµε ένα αποδοτικό τρόπο για τον υπολογισµό του l(t) για κάθε t στο T. Και πάλι, έστω T ένα υποσύνολο του V και έστω P = V T. Υποθέστε ότι για κάθε ακµή p στο P, υπάρχει ένα ελάχιστο µονοπάτι από την α στην p, το οποίο περιλαµβάνει µόνο ακµές του P. Υποθέστε ότι για κάθε ακµή t στο T έχουµε ήδη υπολογίσει τον δείκτη της l(t) ως προς το P. Έστω x µία ακµή στο T. Έστω P = P U{ x} και T = T { x}. Έστω l () t ο δείκτης µίας ακµής t στο T ως προς P. Υπολογίζουµε ότι () t = min [ l() t, l( x) + w( x t) ] l, (4.12) Στην περίπτωση που στο γράφηµα δεν υπάρχει ακµή που να ενώνει τα x και t, θεωρούµε w ( x, t) =. Για να αποδείξουµε αυτό παρατηρούµε ότι υπάρχουν δύο δυνατοί τρόποι να βρούµε ένα ελάχιστο µονοπάτι από την α στην t το οποίο δεν περιέχει καµία κορυφή του T. Ο πρώτος τρόπος είναι να έχουµε ένα µονοπάτι το οποίο δεν περιλαµβάνει καµία ακµή του T ούτε και την x. Στην περίπτωση αυτή ο δείκτης της t ως προς P είναι l(t). Ο δεύτερος τρόπος είναι να έχουµε ένα µονοπάτι από την α στην x, το οποίο δεν περιλαµβάνει καµία κορυφή του Τ, ακολουθούµενου από την ακµή {x, t}. Στην περίπτωση αυτή ο δείκτης της t ως προς P είναι l ( x) + w( x, t). Θα δείξουµε ότι δεν χρειάζεται να θεωρήσουµε την περίπτωση να έχουµε ένα µονοπάτι που πάει από την α στην x, µετά σε κάποια ακµή p 1 στο P και µετά στην t. Γιατί αν συνέβαινε αυτό, ενώ υπάρχει ένα ελάχιστο µονοπάτι από την α στην p 1, το οποίο περιλαµβάνει την x, θα υπήρχε, επίσης, ένα το οποίο δεν περιλαµβάνει την x και το δεύτερο µπορεί να αντικαταστήσει το πρώτο. Εποµένως, αναγόµαστε στην πρώτη περίπτωση που θεωρήθηκε παραπάνω. Οι παραπάνω παρατηρήσεις οδηγούν στην ακόλουθη διαδικασία για τον υπολογισµό της ελάχιστης απόστασης από το a σε οποιαδήποτε κορυφή του G. Αρχικά έστω P = {} a και T = V a. {} 1) Για κάθε ακµή t στο T, έστω l ( t) = w( a, t) 2) Επιλέγεται η ακµή x του Τ που έχει το µικρότερο δείκτη ως προς P. 3) Αν x είναι η ακµή στην οποία θέλουµε να φτάσουµε από την α, σταµατάει η εκτέλεση του αλγόριθµου. ιαφορετικά, έστω P = P U{ x} και T = T { x}, για κάθε ακµή t του T υπολογίζεται ο δείκτης της ως προς P σύµφωνα µε τη σχέση (4.4). και επαναλαµβάνονται τα βήµατα 2 και 3 χρησιµοποιώντας ως P το P και ως T το T. Ο αλγόριθµος αυτός λύνει το πρόβληµα εύρεσης ελάχιστου µονοπατιού σε βεβαρηµένο γράφο µε το βέλτιστο µαθηµατικό τρόπο ωστόσο απαιτεί µεγάλη επεξεργαστική ισχύ και χρόνο εκτέλεσης όπως παρουσιάζεται παρακάτω. Για το γράφηµα G = (V,E, w) η αρχικοποίηση πριν την εκτέλεση απαιτεί O(V). To βήµα 1 εκτελείται V φορές, o υπολογισµός της ακµής µε τον µικρότερο δείκτη στο βήµα 2 απαιτεί O( log ( V )) σε κάθε κλήση, µε αποτέλεσµα να έχουµε O( V ) O( log( V )) = O( V log( V )) συνολικά για τον υπολογισµό των δεικτών. Το βήµα 3 εκτελείται Ε φορές και η αντικατάσταση του τύπου (4.12) αν υλοποιηθεί µε αύξηση κλειδιού σε δυαδικές στοίβες απαιτεί O( log ( V )), έχοντας ως αποτέλεσµα ο εσωτερικός βρόχος να απαιτεί O( E * log( V )). O V + E * log V (4.13) Εποµένως ο τελικός χρόνος εκτέλεσης είναι (( ) ( )) Για την περίπτωση ενός δικτύου µε V = 100 σταθµούς όπου όλοι οι σταθµοί συνδέονται µεταξύ τους, δηλαδή θα έχουµε τον µέγιστο αριθµό ακµών ο οποίος είναι Ε = V 2 =

93 ιδακτορική ιατριβή Σύµφωνα µε τη σχέση 4.13 ο χρόνος εκτέλεσης του αλγόριθµου θα είναι ανάλογος µε την εκτέλεση Ο(40400) αριθµητικών πράξεων. Ο υπολογισµός αυτός είναι ενδεικτικός και εκφράζει την πολυπλοκότητα του αλγορίθµου, ο οποίος απαιτεί µεγάλους χρόνους εκτέλεσης σε συστήµατα µε περιορισµένη επεξεργαστική ισχύ. Εποµένως η προτεινόµενη αρχιτεκτονική της Route Cache δύο επιπέδων χαλαρώνει αυτές τις απαιτήσεις καθώς ο αλγόριθµος Dijkstra εκτελείται λιγότερες φορές για τη δροµολόγηση των πακέτων στο δίκτυο (όπως παρουσιάζεται στην ενότητα και το Σχ 4.6). 4.6 Τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου DSR µε σκοπό τη χρήση σύνθετων στρατηγικών δροµολόγησης Το πρωτόκολλο δροµολόγησης που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 3 επιλέγει συντοµότερες διαδροµές για τη δροµολόγηση των πακέτων. Ουσιαστικά η επιλογή γίνεται µε το κριτήριο της «γρηγορότερης διαδροµής» η οποία συνήθως είναι και η συντοµότερη αφού διαδροµές µε µεγαλύτερο αριθµό τµηµάτων παρουσιάζουν και µεγαλύτερη καθυστέρηση. Στην ενότητα αυτή παρουσιάζουµε τις αναγκαίες τροποποιήσεις των µηχανισµών του πρωτοκόλλου δροµολόγησης ώστε να εφαρµοστεί η σύνθετη στρατηγική επιλογής διαδροµών που παρουσιάστηκε στην ενότητα 4.5. Οι σύνθετες στρατηγικές δροµολόγησης απαιτούν περισσότερες πληροφορίες για την τοπολογία του δικτύου µε κόστος την αύξηση της επιβάρυνσης του δικτύου από πακέτα του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική ακολουθείτε ένας συµβιβασµός µεταξύ της επιβάρυνσης του δικτύου και της αποδοτικότητας της στρατηγικής δροµολόγησης. Η Route Cache του πρωτοκόλλου δροµολόγησης ακολουθεί την προτεινόµενη αρχιτεκτονική της ενότητας 4.3.1, η οποία αποτελείται από δύο επίπεδα: στο πρώτο επίπεδο υλοποιείται µία path-cache διαδροµών ενώ στο δεύτερο µία link-cache διασυνδέσεων στην οποία αποθηκεύονται πληροφορίες της τοπολογίας του δικτύου και ο υπολογισµός της βέλτιστης διαδροµής γίνεται µε τον αλγόριθµο Dijkstra και την εξίσωση υπολογισµού κόστους (4.11) Τροποποίηση του µηχανισµού εύρεσης διαδροµών Στο Σχ 4.10 παρουσιάζεται µία τοπολογία δικτύου, µεταξύ ενός κόµβου πηγής S και ενός κόµβου προορισµού D, η οποία περιλαµβάνει διαφορετικές διαδροµές. Για να εφαρµοστεί η προτεινόµενη στρατηγική δροµολόγησης θα πρέπει οι κόµβοι του δικτύου να ενηµερώνονται για τα επίπεδα ενέργειας των υπόλοιπων κόµβων στο δίκτυο. Η παραπάνω απαίτηση υλοποιείται µε την εισαγωγή των επιπέδων ενέργειας των κόµβων στις επικεφαλίδες των µηνυµάτων Route Request και Route Reply. Κατά τη διαδικασία εύρεσης διαδροµής, κάθε κόµβος ο οποίος µεταδίδει ή προωθεί ένα µήνυµα Route Request ή Route Reply στο δίκτυο εισάγει σε ένα πεδίο της επικεφαλίδας δροµολόγησης το επίπεδο ενέργειας του ηλεκτρικού του συσσωρευτή. Κάθε κόµβος ο οποίος λαµβάνει ένα Route Request ή Route Reply µήνυµα θα πρέπει να αποθηκεύσει στην Route Cache τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων που περιέχονται στην επικεφαλίδα δροµολόγησης. Η αντιστοιχία των τιµών αυτών µε τις διευθύνσεις των κόµβων γίνεται στην επικεφαλίδα δροµολόγησης η οποίο περιέχει τις διευθύνσεις δικτύου των κόµβων που έχουν προωθήσει το πακέτο. Καθώς τα µηνύµατα Route Request πληµµυρίζουν το δίκτυο, οι σταθµοί ενηµερώνονται για τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων που προώθησαν το πακέτο. Στην τοπολογία του Σχ 4.10 αν υποθέσουµε ότι τα µηνύµατα Route Request ακολουθούν τις διαδροµές S-A-B-D, A-C-E-D και S-F-G-D ο κόµβος D θα ενηµερωθεί για τα επίπεδα ενέργειας όλων των κόµβων του δικτύου, ο κόµβος B για τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων S και Α κοκ. 79

94 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχήµα 4.10 Εύρεση ενεργειακά αποδοτικής διαδροµής Η απόφαση για τη δροµολόγηση του πακέτου λαµβάνεται ουσιαστικά από τον κόµβο προορισµού. Με βάση τη διαδικασία εύρεσης διαδροµής, ο κόµβος προορισµού θα απαντήσει στο πρώτο Route Request µήνυµα που έλαβε µεταδίδοντας ένα µήνυµα τύπου Route Reply προς τον κόµβο πηγής, ενώ θα πρέπει να απορρίψει κάθε άλλο µήνυµα που θα λάβει στη συνέχεια το οποίο έχει ίδιο αριθµό σειράς (sequence number) και προέρχεται από τον ίδιο κόµβο πηγής. Στην προτεινόµενη τροποποίηση, ο κόµβος στόχος της αναζήτησης θα πρέπει να απαντήσει στο πρώτο Route Request µήνυµα, ώστε να µειωθεί η καθυστέρηση εύρεσης διαδροµής, και στη συνέχεια θα απαντήσει σε κάθε άλλο Route Request µήνυµα το οποίο έχει προωθηθεί από µία ενεργειακά αποδοτικότερη διαδροµή. Ουσιαστικά ο κόµβος στόχος της αναζήτησης για κάθε Route Request µήνυµα που λαµβάνει υπολογίζει το κόστος Cen της σχέσης (4.14) χρησιµοποιώντας τη σχέση (4.8). Zen ni ) = 1 + Cen = EF * g( n ) (4.14) ( i Αν το Route Request µήνυµα έχει προωθηθεί από µία διαδροµή µε µικρότερο κόστος Cen απαντάει άµεσα µεταδίδοντας ένα Route Reply µήνυµα προς τον πηγαίο κόµβο. Με βάση τον παραπάνω µηχανισµό ο πηγαίος κόµβος ενηµερώνεται για τη γρηγορότερη διαδροµή και τυχόν άλλες διαδροµές οι οποίες είναι ενεργειακά αποδοτικότερες. Επίσης, οι κόµβοι που προωθούν τα µηνύµατα Route Reply ενηµερώνονται µε τη σειρά τους για τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων που τα προώθησαν. Ωστόσο, αυξάνεται η επιβάρυνση του δικτύου εξαιτίας των επιπρόσθετων µηνυµάτων Route Reply που µεταδίδονται από τον κόµβο προορισµού. Για να µειωθεί η επιβάρυνση αυτή θεωρούµε ότι η σύγκριση των ενεργειακών διαδροµών γίνεται µε βάση κάποιο κατώφλι, δηλαδή ο κόµβος προορισµού απαντάει σε µία νέα διαδροµή X όταν αυτή έχει µικρότερο κόστος κατά CK1, δηλαδή ισχύει Cen(Χ) + CK1 < Cen(Ν), για κάθε προηγούµενη διαδροµή N από την οποία έχει λάβει ένα Route Request µήνυµα µε τον ίδιο αριθµό σειράς και το οποίο προέρχεται από τον ίδιο πηγαίο κόµβο. Τα µηνύµατα Route Request που φτάνουν στον κόµβο D ακολουθούν ασυσχέτιστα µονοπάτια (disjoint paths), δηλαδή µονοπάτια τα οποία περιλαµβάνουν διαφορετικούς κόµβους. Αυτή η ιδιότητα προκύπτει από το γεγονός ότι οι ενδιάµεσοι κόµβοι που προωθούν ένα µήνυµα Route Request, θα απορρίψουν οποιοδήποτε άλλο λάβουν το οποίο προέρχεται από τον ίδιο πηγαίο κόµβο και έχει τον ίδιο αριθµό σειράς. Αυτό το γεγονός δηµιουργεί δύο βασικά προβλήµατα σε µία στρατηγική σύνθετης δροµολόγησης. Πρώτον τα ασυσχέτιστα µονοπάτια συνήθως είναι λίγα σε αραιές δικτυακές τοπολογίες, µε αποτέλεσµα ο κόµβος προορισµού να ενηµερώνεται για την ύπαρξη ενός µικρού αριθµού διαδροµών στο δίκτυο. Το δεύτερο πρόβληµα το οποίο είναι και σηµαντικότερο εµφανίζεται όταν στο δίκτυο υπάρχουν κόµβοι οι οποίοι λειτουργούν σε κατάσταση µειωµένης κατανάλωσης, εξαιτίας της εφαρµογής µηχανισµών που στοχεύουν στη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας της ασύρµατης κάρτας δικτύου. Αλγόριθµοι αυτής της κατηγορίας προτείνονται στο Κεφάλαιο 5, οι οποίοι απενεργοποιούν την ασύρµατη κάρτα δικτύου για συγκεκριµένα χρονικά διαστήµατα, χωρίς ωστόσο να επηρεάζεται η συνδετικότητα του δικτύου. Χαρακτηριστικό 80

95 ιδακτορική ιατριβή αυτών των αλγορίθµων είναι ότι οι κόµβοι που βρίσκονται σε κατάσταση λειτουργίας µειωµένης κατανάλωσης παρουσιάζουν µία καθυστέρηση στην επικοινωνία, δηλαδή στη λήψη ή µετάδοση πακέτων. Λόγω αυτής της καθυστέρησης, µηνύµατα που προωθούνται από κόµβους που χρησιµοποιούν έναν αλγόριθµο µείωσης της κατανάλωσης, και οι οποίοι πιθανότατα θα έχουν και µεγαλύτερα επίπεδα ενέργειας, θα απορρίπτονται από επόµενους κόµβους. Στην τοπολογία του Σχ 4.10 αν υποθέσουµε ότι ο κόµβος F λειτουργεί στην κατάσταση µειωµένης κατανάλωσης, θα αργήσει να προωθήσει το Route Request µήνυµα από τον κόµβο S µε αποτέλεσµα όταν το µεταδώσει στον κόµβο G αυτός θα το έχει ήδη λάβει µέσω της διαδροµής S-C-E. Εποµένως, ο κόµβος D και ο κόµβος S δεν θα ενηµερωθούν ποτέ για την ύπαρξη της διαδροµής S-F-G-D η οποία πιθανώς είναι και η αποδοτικότερη ενεργειακά (καθώς ο κόµβος F έχει µεγαλύτερα επίπεδα ενέργειας). Για να αποφευχθούν τα παραπάνω προβλήµατα προτείνεται ο παρακάτω µηχανισµός. Κάθε κόµβος ο οποίος λαµβάνει ένα µήνυµα τύπου Route Request µέσω µίας διαδροµής Ν, υπολογίζει το κόστος Cen(Ν) (σχέση 4.14) της διαδροµής και αποθηκεύει το κόστος, τη διεύθυνση του κόµβου πηγής που δηµιούργησε το µήνυµα και τον αριθµό σειράς του πακέτου. Ο κόµβος αυτός θα προωθήσει ένα άλλο µήνυµα Route Request µε τον ίδιο αριθµό σειράς και διεύθυνση πηγαίου κόµβου µόνο αν το κόστος της διαδροµής Χ που ακολούθησε το πακέτο είναι µικρότερο από κάθε άλλο που έχε λάβει µε βάση κάποιο κατώφλι CK2, δηλαδή θα πρέπει να ισχύει Cen(X) + CK2 < Cen(Ν) για κάθε αποθηκευµένο κόστος διαδροµής Cen(N). Ρυθµίζοντας τα κατώφλια CK1, CK2 ρυθµίζεται η επιβάρυνση που προκαλείται στο δίκτυο από τον παραπάνω µηχανισµό. Μεγάλες τιµές των CK1, CK2 µειώνουν την επιβάρυνση του δικτύου αλλά µειώνεται και η αποδοτικότητα της PAR στρατηγικής δροµολόγησης Τροποποίηση του µηχανισµού συντήρησης διαδροµών Σε στατικά δίκτυα και γενικώς σε δίκτυα όπου η τοπολογία δεν παρουσιάζει υψηλή δυναµικότητα οι πηγαίοι κόµβοι του δικτύου ενδέχεται να διατηρούν κάποιες διαδροµές αποθηκευµένες στην Route Cache και να τις χρησιµοποιούν για τη δροµολόγηση πακέτων για µεγάλα χρονικά διαστήµατα. Καθώς η ενέργεια των κόµβων µειώνεται και στις διαδροµές αυτές δεν παρουσιάζονται σφάλµατα δροµολόγησης, οι κόµβοι πηγής δεν θα χρησιµοποιούν τη διαδικασία εύρεσης διαδροµής µε αποτέλεσµα να επιβαρύνουν ενεργειακά τους κόµβους που χρησιµοποιούνται για τη δροµολόγηση πακέτων. Εποµένως θα πρέπει να τροποποιηθεί ο µηχανισµός συντήρησης διαδροµών, ώστε οι πηγαίοι κόµβοι να ενηµερώνονται για την ύπαρξη νέων εναλλακτικών και ενεργειακά αποδοτικών διαδροµών στο δίκτυο. Ο προτεινόµενος µηχανισµός που παρουσιάζεται στη συνέχεια ικανοποιεί την παραπάνω απαίτηση. Ο µηχανισµός εφαρµόζεται όταν ένας ενδιάµεσος κόµβος ή ο κόµβος προορισµού, ανακαλύψει, µέσω της Route Cache ή µίας διαδικασίας εύρεσης διαδροµής, ότι υπάρχει µια ενεργειακά αποδοτικότερη διαδροµή µεταξύ του κόµβου πηγής και του κόµβου προορισµού. Σε αυτήν την περίπτωση, ο κόµβος θα πρέπει να ενηµερώσει τον πηγαίο κόµβο για την ύπαρξη της εναλλακτικής διαδροµής. Αυτό γίνεται µε την αποστολή ενός Route Reply µηνύµατος, προς τον πηγαίο κόµβο, µέσω της εναλλακτικής διαδροµής. Με αυτόν τον τρόπο ελέγχεται αν η διαδροµή αυτή ισχύει ακόµα και επίσης ελέγχονται τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων της διαδροµής. Όταν ο κόµβος προορισµού λάβει το Route Reply µήνυµα θα µπορεί να ελέγξει αν η νέα διαδροµή είναι καλύτερη δηλαδή έχει χαµηλότερο κόστος Cen(N). Στην περίπτωση του Σχ 4.11 ο κόµβος D µπορεί να ενηµερώσει τον κόµβο S για την ύπαρξη της διαδροµής S-Α-C-E-D. Ωστόσο ο κόµβος A δεν επιτρέπεται να κάνει κάτι τέτοιο καθώς η διαδροµή θα πρέπει να ελεγχθεί, δηλαδή να βεβαιωθεί ότι περιέχει δυ-κατευθυντήριες διασυνδέσεις, κάτι το οποίο δεν µπορεί να πράξει ο κόµβος Α. 81

96 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχήµα 4.11 Ενηµέρωση για την ύπαρξη ενεργειακά αποδοτικής διαδροµής 4.7 Απόδοση της Route Cache Στην ενότητα αυτή θα συγκρίνουµε την απόδοση της προτεινόµενης Route Cache που βασίζεται στη σύνθετη στρατηγική δροµολόγησης PAR σε σχέση µε µία link-cache η οποία έχει ένα στατικό χρόνο ζωής των διασυνδέσεων (20sec) και επιλέγει διαδροµές µε βάση το µήκος (Shortest Path Routing) SPR. Το δικτυακό περιβάλλον της εξοµοίωσης είναι όµοιο µε αυτό της παραγράφου 3.5. Στο Σχ 4.12 παρατηρούµε ότι, καθώς αυξάνεται η κινητικότητα των κόµβων στο δίκτυο (το pause time πλησιάζει το 0), αυξάνεται η επιβάρυνση του δικτύου µε πακέτα ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Η προτεινόµενη Route Cache (PAR) προκαλεί σηµαντικά χαµηλότερη επιβάρυνση σε σχέση µε την επιλογή µικρότερων διαδροµών (SPR) PAR SPR Routing Control Packets Pause Time (sec) Σχήµα 4.12 Επιβάρυνση του δικτύου µε πακέτα ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης Στο Σχ 4.13 παρουσιάζονται οι διαδικασίες αναζήτησης διαδροµών στο δίκτυο. Ενώ η Route Cache έχει εκτελέσει µεγαλύτερο αριθµό αναζητήσεων, η επιβάρυνση που προκαλεί είναι µικρότερη καθώς η link-cache µε το στατικό timeout έχει δηµιουργήσει περισσότερα σφάλµατα δροµολόγησης όπως παρουσιάζεται στο Σχ Τα σφάλµατα δροµολόγησης προκαλούνται από δύο παράγοντες: την αλλαγή της τοπολογίας και µηνύµατα τύπου Route Reply τα οποία µεταδίδονται από κόµβους του δικτύου σε πηγαίους κόµβους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εύρεσης διαδροµής. Στην περίπτωση αυτή η link-cache µε το στατικό timeout δηµιουργεί περισσότερα τέτοια µηνύµατα, τα οποία ονοµάζονται Cache Relies, όπως παρουσιάζεται στο Σχ Ωστόσο, όταν οι κόµβοι παρουσιάζουν µεγάλη κινητικότητα η τιµή των 20sec είναι µεγάλη µε αποτέλεσµα οι διασυνδέσεις που περιέχονται στην Route Cache των κόµβων να µην ισχύουν πλέον. Εποµένως, ο πηγαίος κόµβος δέχεται µηνύµατα Cache Reply τα οποία περιέχουν ασυνεχές διαδροµές, µε αποτέλεσµα την καθυστέρηση δροµολόγησης των πακέτων και την επιβάρυνση του δικτύου. 82

97 ιδακτορική ιατριβή PAR SPR 100 Route Discovery Pause Time (sec) Σχήµα 4.12 Επιβάρυνση του δικτύου µε πακέτα ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης 2500 PAR SPR 2000 Route Errors Pause Time (sec) Σχήµα 4.13 Μηνύµατα σφάλµατος δροµολόγησης στο δίκτυο PAR SPR Cache Replies Pause Time (sec) Σχήµα 4.14 Μηνύµατα Route Replies τα οποία δηµιουργούνται από την Route Cache 83

98 Νικόλαος Β. Πόγκας 4.8 Συµπεράσµατα Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκαν σχεδιαστικές επιλογές για την υλοποίηση της µνήµης δροµολόγησης (Route Cache), η οποία αποτελεί πολύ σηµαντικό υποσύστηµα του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Με βάση τις επιλογές αυτές αναπτύχθηκε µία Route Cache η οποία παρουσιάζει χαµηλές απαιτήσεις σε επεξεργαστική ισχύ ενώ παράλληλα αυξάνει την αποδοτικότητα του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Η δοµή της αποτελείται από δύο επίπεδα: µία path-cache διαδροµών στο πρώτο επίπεδο και µία link-cache διασυνδέσεων στο δεύτερο. Η αναζήτηση διαδροµών στην link-cache γίνεται µε τη χρήση του αλγόριθµου Dijkstra και µίας σύνθετης συνάρτησης κόστους. ιαδροµές που χρησιµοποιούνται συχνά αποθηκεύονται στο πρώτο επίπεδο χαλαρώνοντας τον αριθµό εκτέλεσης του αλγόριθµου Dijkstra. Στην συνέχεια του Κεφαλαίου αναπτύχθηκε µία στρατηγική δροµολόγησης (PAR) µε σύνθετα κριτήρια επιλογής των διαδροµών η οποία χρησιµοποιεί την Route Cache για την επιλογή των διαδροµών δροµολόγησης στο δίκτυο. Για την υλοποίηση της PAR στρατηγικής προτείνονται τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου δροµολόγησης, που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 3, και µία νέα συνάρτηση κόστους των διαδροµών η οποία χρησιµοποιεί ενεργειακά κριτήρια και το µέτρο της ευστάθειας των κόµβων του δικτύου. Σκοπός της προτεινόµενης στρατηγικής είναι η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας των κόµβων, η οποία οφείλεται σε λειτουργίες δροµολόγησης πακέτων, και η αύξηση της ευστάθειας του δικτύου καθώς επιλέγονται διαδροµές που παρουσιάζουν χαµηλή απώλεια πακέτων. Στο επόµενο κεφάλαιο παρουσιάζεται ένας καινοτόµος αλγόριθµος µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας, η οποία οφείλεται στην λειτουργία της ασύρµατης κάρτας δικτύου των κόµβων. Η εφαρµογή του αλγόριθµου και των µηχανισµών του σε ένα ad hoc δίκτυο κάνει απαραίτητη τη χρήση της PAR στρατηγικής δροµολόγησης, που παρουσιάστηκε σε αυτό το κεφάλαιο, καθώς αυξάνεται σηµαντικά η διασπορά που παρουσιάζεται στα επίπεδα ηλεκτρικής ενέργειας των ηλεκτρικών συσσωρευτών στους κόµβους του δικτύου. Όπως παρουσιάζεται στο επόµενο κεφάλαιο της διατριβής, µε εξοµοιώσεις που έγιναν σε ad hoc δίκτυα, ο συνδυασµός της PAR στρατηγικής µε τον αλγόριθµό χαµηλής κατανάλωσης αυξάνει σηµαντικά το χρόνο λειτουργίας των κόµβων που τροφοδοτούνται από ηλεκτρικούς συσσωρευτές. 84

99 ιδακτορική ιατριβή 5 Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του δικτύου Η σύγχρονή εξέλιξη τεχνολογιών µείωσης της κατανάλωσης σε µικροεπεξεργαστές και ολοκληρωµένα µνήµης είχε ως αποτέλεσµα η κατανάλωση ενέργειας που οφείλεται σε επικοινωνιακές διαδικασίες να κυριαρχεί σε ενσωµατωµένα µικρο-υπολογιστικά συστήµατα, και κυρίως σε περιπτώσεις όπου απαιτείται η µετάδοση µεγάλου όγκου πληροφοριών. Σύγχρονες τεχνολογίες ασύρµατης µετάδοσης υποστηρίζουν λειτουργίες µε σκοπό την εξοικονόµηση ενέργειας, ωστόσο, καθώς οι τεχνολογίες αυτές δεν έχουν σχεδιαστεί µε σκοπό τη χρήση τους σε ad hoc δίκτυα, οι εν λόγω λειτουργίες δεν µπορούν να εφαρµοστούν στις συγκεκριµένες δικτυακές τοπολογίες. Η κατανάλωση ενέργειας είναι σηµαντική σε ad hoc δίκτυα και δίκτυα αισθητήρων για δύο κυρίως λόγους: οι κόµβοι του δικτύου µπορεί να περιέχουν σηµαντικές πληροφορίες ή η λειτουργία τους µπορεί να είναι ζωτικής σηµασίας για το δικτυακό σύστηµα ή για την εφαρµογή. Εποµένως, η αστοχία ενός κόµβου (η οποία προκαλείται από την εξάντληση του ηλεκτρικού συσσωρευτή) είναι κρίσιµη άρα, ο χρόνος λειτουργίας των κόµβων θα πρέπει να αυξηθεί. Η δεύτερη αιτία αφορά το γεγονός ότι οι κόµβοι σε ένα ad hoc δίκτυο συνήθως εκτελούν λειτουργίες δροµολόγησης προωθώντας πακέτα προς τον τελικό τους προορισµό. Εποµένως, η αστοχία ενός κόµβου µπορεί να προκαλέσει κατάτµηση του δικτύου. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζουµε έναν αλγόριθµο για τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας ο οποίος σχεδιάστηκε µε σκοπό την εφαρµογή του σε ad hoc δίκτυα. Η εφαρµογή του αλγορίθµου σε δίκτυα τα οποία χρησιµοποιούν ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου IEEE µπορεί να µειώσει την κατανάλωση των κόµβων ως 70%. 5.1 ιαθέσιµες τεχνολογίες Το IEEE στάνταρντ υποστηρίζει έναν τρόπο λειτουργίας µε σκοπό την εξοικονόµηση ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα χωρίς σταθερή υποδοµή (δηλαδή χωρίς Access Points). Σύµφωνα µε το µηχανισµό αυτό, ο οποίος ονοµάζεται ως Independent Basic Service Set (IBSS), ο πρώτος κόµβος που ενεργοποιείται στο δίκτυο αναλαµβάνει και εκτελεί ιδιαίτερες λειτουργίες (beacon master) οι οποίες αφορούν το συγχρονισµό των υπόλοιπων κόµβων που εισέρχονται στο δίκτυο. Ο χρόνος χωρίζεται σε περιόδους στην αρχή των οποίων µεταδίδονται πλαίσια αναγγελίας µετάδοσης δεδοµένων (Announcement Traffic Indication Message -ATIM) από τον beacon master. Όπως παρουσιάζεται στο Σχ 5.1, όταν ένας σταθµός Α επιθυµεί να µεταδώσει δεδοµένα σε ένα σταθµό Β θα πρέπει να µεταδώσει ένα πλαίσιο αίτησης τύπου ATIM Request στην αρχή της περιόδου. Ο κόµβος Β, αφού λάβει την αίτηση, απαντάει µε ένα άλλο πλαίσιο επιβεβαίωσης τύπου ATIM Reply και παραµένει ενεργός για την υπόλοιπη περίοδο. Κάθε σταθµός ο οποίος δε λάβει ένα πλαίσιο αίτησης τύπου ATIM Request και δεν έχει δεδοµένα προς µετάδοση απενεργοποιεί την ασύρµατη κάρτα δικτύου για την υπόλοιπη περίοδο ώστε να µειωθεί η κατανάλωση. Ωστόσο, αυτός ο µηχανισµός είναι εφαρµόσιµος µόνο σε πλήρως συνδεδεµένα ασύρµατα δίκτυα, δηλαδή σε δίκτυα όπου ο κάθε κόµβος επικοινωνεί µε όλους τους άλλους, καθώς απαιτείται συγχρονισµός µε τον beacon master για να γίνει η ανταλλαγή των ATIM πλαισίων. 85

100 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχήµα 5.1 Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας σε δίκτυα IEEE σύµφωνα µε τη λειτουργία IBSS. 5.2 Ο αλγόριθµος χαµηλής κατανάλωσης Σκοπός του προτεινόµενου αλγόριθµου χαµηλής κατανάλωσης (Low Power Mode LPM) είναι η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας, η οποία οφείλεται στην ασύρµατη κάρτα δικτύου, κατά την αδρανή κατάσταση λειτουργίας της. Ως αδρανή κατάσταση λειτουργίας θεωρούµε τη λειτουργία της ασύρµατης κάρτας τα χρονικά διαστήµατα κατά τα οποία δεν µεταδίδει ή λαµβάνει δεδοµένα από το φυσικό µέσο. Η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας µπορεί να επιτευχθεί απενεργοποιώντας την ασύρµατη κάρτα δικτύου για κάποιο χρονικό διάστηµα, µε τον όρο «απενεργοποίηση» εννοούµε το κλείσιµο υποσυστηµάτων τα οποία είναι υπεύθυνα για µετάδοση και λήψη δεδοµένων και τα οποία αποτελούν τα κύρια τµήµατα του modem. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί µέσω συγκεκριµένων εντολών που παρέχονται από τον MAC ελεγκτή της ασύρµατης κάρτας. Η ασύρµατη κάρτα δικτύου θεωρούµε ότι έχει τις εξής καταστάσεις λειτουργίας: Μετάδοση, κατά την οποία το ασύρµατο modem µεταδίδει δεδοµένα. Λήψη, κατά την οποία το ασύρµατο modem λαµβάνει δεδοµένα. Αδρανής, κατά την οποία το ασύρµατο modem ακούει το µέσο. Ανενεργή, κατά την οποία δεν λειτουργεί το ασύρµατο modem αλλά λειτουργεί ο ελεγκτής του υποεπιπέδου προσπέλασης µέσου περιµένοντας να λάβει εντολές από το σταθµό. Αντικειµενικός στόχος του αλγόριθµου είναι η απενεργοποίηση της ασύρµατης κάρτας δικτύου σε κόµβους οι οποίοι δεν συµµετέχουν σε επικοινωνιακές δραστηριότητες, δηλαδή δεν λαµβάνουν ή µεταδίδουν πακέτα στο δίκτυο. Αντίθετα, κόµβοι οι οποίοι συµµετέχουν σε επικοινωνιακές δραστηριότητες δεν απενεργοποιούν την ασύρµατη κάρτα για να µην επηρεαστεί η αποδοτικότητα του δικτύου. Εποµένως, η λειτουργία του αλγόριθµου καθορίζεται από την επικοινωνιακής δραστηριότητα στο δίκτυο. Η µετάβαση ενός κόµβου από την ενεργή κατάσταση στη λειτουργία µειωµένης κατανάλωσης συµβαίνει όταν αυτός παραµείνει αδρανής επικοινωνιακά για κάποιο χρονικό διάστηµα. Αυτή η γενική ιδέα 86

101 ιδακτορική ιατριβή εξοικονόµησης ενέργειας έχει χρησιµοποιηθεί σε πολλά ηλεκτρονικά συστήµατα καθώς και σε MAC πρωτόκολλα. Οι βασικές απαιτήσεις που οδήγησαν στο σχεδιασµό του αλγορίθµου ήταν η υλοποίηση ενός απλού αλγόριθµου εξοικονόµησης ενέργειας ο οποίος δεν θα απαιτούσε τροποποιήσεις στο υποεπίπεδο προσπέλασης του µέσου (ΜΑC) ώστε να αναπτυχθεί εύκολα σε εµπορικές ασύρµατες κάρτες δικτύου. Παρόλο που τροποποιήσεις του MAC επιπέδου µπορούν να βελτιώσουν σηµαντικά την απόδοση τέτοιων αλγορίθµων, µία υλοποίηση σε ανώτερο επικοινωνιακό επίπεδο (LLC) η οποία είναι συµβατή µε πρόσφατες και µελλοντικές ασύρµατες κάρτες δικτύου είναι πιο ελκυστική. Οι βασικές σχεδιαστικές απαιτήσεις για την υλοποίηση του προτεινόµενου αλγόριθµου είναι οι εξής: Κατανεµηµένη σταθερή λειτουργία σε ad hoc δίκτυα. Η χρήση του αλγόριθµου δεν θα πρέπει να επηρεάζει σηµαντικά την απόδοση του δικτύου. εν απαιτείται ο συγχρονισµός των κόµβων του δικτύου καθώς στην περίπτωση ad hoc δικτύων είναι δύσκολο να υλοποιηθεί και προκαλεί σηµαντική επιβάρυνση στο δίκτυο. εν απαιτείται η περιοδική αποστολή πακέτων ή beacons στο δίκτυο. Η περιοδική αποστολή πακέτων ή beacons στο δίκτυο αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας ασκόπως όταν το δίκτυο είναι αδρανές, επίσης µειώνει το εύρος ζώνης καθώς οι περιοδικές µεταδόσεις πακέτων και beacons ανταγωνίζονται για πρόσβαση στο µέσο µε πακέτα δεδοµένων. Η υλοποίηση του αλγορίθµου δεν θα πρέπει να είναι πολύπλοκη. εν απαιτούνται τροποποιήσεις στο επίπεδο MAC. Η υλοποίηση του αλγόριθµου έγινε στο επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης µε χρήση ασύρµατων καρτών δικτύου τύπου IEEE b Λειτουργικές καταστάσεις του αλγορίθµου LPM Σύµφωνα µε τον αλγόριθµο θεωρούµε ότι κάθε χρονική στιγµή οι κόµβοι βρίσκονται σε µία από τις παρακάτω καταστάσεις: Ενεργή κατάσταση (Active), στην οποία ο κόµβος µεταδίδει ή λαµβάνει δεδοµένα. Αδρανή κατάσταση (Idle), στην οποία ο κόµβος δεν συµµετέχει σε επικοινωνιακές δραστηριότητες και το ασύρµατο modem ακούει το µέσο. Ανενεργή κατάσταση (Sleep), κατά την οποία δεν λειτουργεί το ασύρµατο modem. Η µετάβαση ενός κόµβου από µία κατάσταση σε µία άλλη καθορίζεται µε βάση τον αλγόριθµό LPM και µια ακολουθία ασύγχρονων επικοινωνιακών γεγονότων. Στο Σχ 5.2 παρουσιάζεται το διάγραµµα καταστάσεων του αλγόριθµου. 87

102 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχήµα 5.2 ιάγραµµα καταστάσεων του αλγόριθµου LPM Αρχικά, κατά την εκκίνηση λειτουργίας τους, όλοι οι κόµβοι βρίσκονται στην αδρανή κατάσταση. Μετά το πέρας ενός χρονικού διαστήµατος T L ο κόµβος µεταβαίνει στην ανενεργή κατάσταση κατά την οποία το modem δεν τροφοδοτείται και η κατανάλωση ενέργειας της ασύρµατης κάρτας είναι η ελάχιστη. Όταν κάποιος κόµβος βρίσκεται στην ανενεργή κατάσταση και χρειαστεί να µεταδώσει κάποιο πακέτο, ως αποτέλεσµα διεργασιών κάποιου ανώτερου επιπέδου, τότε µεταβαίνει άµεσα στην ενεργή κατάσταση και µεταδίδει το πακέτο, δηλαδή το µεταβιβάζει στο επίπεδο MAC. ιαφορετικά, ο κόµβος παραµένει στην ανενεργή κατάσταση, για ένα διάστηµα T L, και στην συνέχεια µεταβαίνει στην αδρανή κατάσταση όπου το ασύρµατο modem «ακούει» το φυσικό µέσο. Αν στην αδρανή κατάσταση λάβει κάποιο πακέτο (broadcast ή unicast) το οποίο έχει διεύθυνση προορισµού το συγκεκριµένο κόµβο µεταβαίνει άµεσα στην ενεργή κατάσταση. ιαφορετικά, αν παρέλθει το χρονικό διάστηµα T L χωρίς ο κόµβος να λάβει κάποιο πακέτο, µεταβαίνει πάλι στην ανενεργή κατάσταση όπου πλέον δεν µπορεί να λάβει δεδοµένα από το φυσικό µέσο. Όταν ένας κόµβος βρίσκεται στην ενεργή κατάσταση, συνήθως συµµετέχει σε διαδικασίες δροµολόγησης ή επικοινωνίας µε άλλους κόµβους. Αν ωστόσο δεν µεταδώσει ή λάβει κάποιο πακέτο σε ένα χρονικό διάστηµα T A µεταβαίνει στην ανενεργή κατάσταση. Εκτός από τις παραπάνω λειτουργικές καταστάσεις ο αλγόριθµος περιλαµβάνει και καινοτόµους µηχανισµούς που εξασφαλίζουν την ορθή λειτουργία του δικτύου εµποδίζοντας την απώλεια πακέτων που µεταδίδονται προς κόµβους προορισµού οι οποίοι βρίσκονται στην ανενεργή κατάσταση. Αυτοί οι µηχανισµοί είναι ο µηχανισµός επαναµεταδόσεων και ο µηχανισµός επιτήρησης της κατάστασης γειτονικών κόµβων Ο µηχανισµός επαναµεταδόσεων Εφόσον οι κόµβοι δεν είναι συγχρονισµένοι µεταξύ τους και η έναρξη κάθε επικοινωνίας είναι πλήρως ασύγχρονη, θα πρέπει να υλοποιηθεί ένας µηχανισµός ο οποίος θα εµποδίσει την απώλεια κάποιου πακέτου το οποίο έχει ως πηγή έναν κόµβο που βρίσκεται στην ενεργή κατάσταση και προορισµό κάποιον γειτονικό κόµβο που βρίσκεται στην ανενεργή κατάσταση. Αυτά τα πακέτα στις περισσότερες περιπτώσεις είναι πακέτα δροµολόγησης (Route Request), πακέτα εγκατάστασης σύνδεσης πρωτοκόλλων µεταφοράς (TCP-SYN) ή πακέτα ελέγχου του πρωτοκόλλου ARP (ARP-Request). Ο µηχανισµός επαναµεταδόσεων παρουσιάζεται στο Σχ 5.3. Κάθε κόµβος ο οποίος µεταδίδει κάποιο πακέτο παραµένει στην ενεργή κατάσταση για ένα χρόνο Τ Α, αν ο γειτονικός κόµβος προορισµού του πακέτου (µε βάση τη διεύθυνση του επιπέδου MAC) είναι ένας κόµβος σε κατάσταση λειτουργίας µειωµένης κατανάλωσης, δηλαδή µεταβαίνει περιοδικά από την ανενεργή στην αδρανή κατάσταση, τότε το πακέτο θα πρέπει να µεταδοθεί R φορές µε µία περίοδο T O ώστε να συµπέσει η µετάδοση του πακέτου µε την αδρανή κατάσταση του κόµβου προορισµού. Όταν ο κόµβος προορισµού λάβει το συγκεκριµένο πακέτο θα µεταβεί στην ενεργή κατάσταση και 88

103 ιδακτορική ιατριβή η επικοινωνία µπορεί να συνεχιστεί κανονικά χωρίς τη χρήση του µηχανισµού επαναµεταδόσεων. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι κατά τη µετάβαση από την ανενεργή στην ενεργή κατάσταση, ενεργοποιείται ο µηχανισµός αποφυγής σύγκρουσης (collision avoidance) του MAC πρωτοκόλλου [79]. Ο µηχανισµός αυτός απαιτεί κάποιο χρονικό διάστηµα πριν γίνει δυνατή η µετάδοση ενός πακέτου στο δίκτυο, το χρονικό διάστηµα αυτό ορίζεται ως T SW στην ανάλυση που ακολουθεί στη συνέχεια του Κεφαλαίου. Για να περιοριστεί η επιβάρυνση του δικτύου και πιθανά φαινόµενα συµφόρησης στο δίκτυο, εξαιτίας των επαναµεταδόσεων των πακέτων µεταξύ γειτονικών σταθµών, υλοποιήθηκε ένας µηχανισµός επιτήρησης της κατάστασης των γειτονικών κόµβων του δικτύου ο οποίος παρουσιάζεται στη συνέχεια. Σχήµα 5.3 Ο µηχανισµός επαναµεταδόσεων Ο µηχανισµός επιτήρησης της κατάστασης γειτονικών κόµβων Κάθε κόµβος διατηρεί µία δοµή (NodeStateTable) η οποία περιλαµβάνει την πιθανή κατάσταση λειτουργίας για κάθε γειτονικό του κόµβο τη συγκεκριµένη χρονική στιγµή. Ο όρος «πιθανή κατάσταση» αφορά την εκτίµηση για την ανενεργή και αδρανή κατάσταση, καθότι η εκτίµηση του αλγορίθµου για την ενεργή κατάσταση είναι ντετερµενιστική. Όταν ένας κόµβος µεταδώσει επιτυχώς ή λάβει κάποιο πακέτο προς/από κάποιον κόµβο, εισάγει µία καταχώρηση στη δοµή NodesStateTable και θεωρεί ότι ο κόµβος αυτός θα βρίσκεται στην ενεργή κατάσταση για ένα χρονικό διάστηµα T Α. Μετά το πέρας του διαστήµατος T Α, η κατάσταση του κόµβου θεωρείται ως πιθανώς ανενεργή έως ότου λάβει ή µεταδώσει επιτυχώς ένα νέο πακέτο προς/από τον κόµβο αυτόν. Αν η ασύρµατη κάρτα δικτύου λειτουργεί στη promiscuous κατάσταση λήψης, δηλαδή λαµβάνει όλα τα πακέτα στο δίκτυο ανεξάρτητα από την MAC διεύθυνση προορισµού, οι κόµβοι µπορούν να αναλύσουν τις διευθύνσεις πηγής και προορισµού των πακέτων και να εισάγουν επιπρόσθετες πληροφορίες στη δοµή NodeStateTable µε αποτέλεσµα να βελτιωθεί σηµαντικά η απόδοση του αλγορίθµου. Ο κόµβος που µεταδίδει κάποιο unicast πακέτο εξετάζει τη συγκεκριµένη δοµή για να ενηµερωθεί για την κατάσταση λειτουργίας του επόµενου κόµβου που θα παραλάβει το πακέτο. Αν ο επόµενος κόµβος βρίσκεται στην ενεργή κατάσταση λειτουργίας, τότε µεταδίδει το πακέτο µε βάση τους συνήθεις µηχανισµούς του υποεπιπέδου προσπέλασης µέσου. Όταν ο κόµβος µεταδίδει ένα unicast πακέτο προς έναν κόµβο ο οποίος θεωρείται πιθανώς ανενεργός ή δεν υπάρχει καταχωρηµένη πληροφορία στη δοµή, τότε χρησιµοποιείται ο µηχανισµός επαναµεταδόσεων. Όταν ο κόµβος λάβει ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης λήψης (MAC-ACK) θέτει την κατάσταση του κόµβου στη δοµή ως ενεργή για το επόµενο διάστηµα T A και σταµατά τυχόν επαναµεταδόσεις οι οποίες εκκρεµούν (θεωρούµε ότι ο µέγιστος αριθµός επαναµεταδόσεων είναι R). 89

104 Νικόλαος Β. Πόγκας Ωστόσο στην περίπτωση µετάδοσης broadcast πακέτων, τα οποία στέλνονται από έναν κόµβο προς όλους τους γειτονικούς του κόµβους, δεν παρέχεται επιβεβαίωση λήψης MAC-ACK. Εποµένως, στην περίπτωση χρήσης του LPM αλγόριθµου ο κόµβος θα πρέπει να µεταδώσει το broadcast πακέτο µε περίοδο T O για R φορές. Για να περιοριστεί αυτό το φαινόµενο οι κόµβοι διατηρούν µία µεταβλητή T LBR η οποία περιέχει το χρόνο κατά τον οποίο ο κόµβος µετέδωσε ένα broadcast πακέτο στο δίκτυο. Τα broadcast πακέτα έχουν ως προορισµό όλους τους κόµβους, που βρίσκονται στο εύρος µετάδοσης, και έτσι, µετά τη µετάδοση ενός broadcast πακέτου ο κόµβος θεωρεί ότι όλοι οι γειτονικοί του κόµβοι βρίσκονται στην ενεργή κατάσταση για ένα χρονικό διάστηµα T Α. Σύµφωνα µε την παραπάνω παραδοχή αν ο κόµβος µεταδώσει ένα επόµενο broadcast πακέτο σε χρονικό διάστηµα t < T Α +T LBR δεν χρησιµοποιεί το µηχανισµό επαναµεταδόσεων, καθώς θεωρεί ότι όλοι οι γειτονικοί κόµβοι βρίσκονται στην ενεργή κατάσταση. Αυτός ο µηχανισµός περιορίζει σηµαντικά το αριθµό των πακέτων που µεταδίδονται λόγω της χρήσης του αλγορίθµου. Στην περίπτωση χρήσης ασύρµατων καρτών δικτύου τύπου IEEE , όταν µεταδίδεται ένα unicast πακέτο µε το µηχανισµό επαναµεταδόσεων δεν προκαλείται σηµαντική επιβάρυνση στο δίκτυο ή την κατανάλωση ενέργειας λόγω του µηχανισµού RTS/CTS. Σύµφωνα µε το µηχανισµό RTS/CTS, κατά τη µετάδοση ενός unicast πακέτου ο κόµβος πηγής µεταδίδει ένα πλαίσιο τύπου RTS και περιµένει να λάβει ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης τύπου CTS από τον κόµβο προορισµού. Αν δε λάβει το πλαίσιο CTS σε ένα µικρό χρονικό διάστηµα θεωρεί ότι η µετάδοση απέτυχε. Εποµένως, αν ο κόµβος προορισµού βρίσκεται στην ανενεργή κατάσταση ο κόµβος πηγής δεν θα λάβει το πλαίσιο CTS, µε αποτέλεσµα να ενηµερώσει το επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων για αποτυχία µετάδοσης. Σύµφωνα µε το µηχανισµό επαναµεταδόσεων, ο κόµβος θα συνεχίσει µε µία νέα µετάδοση του πακέτου µετά από χρόνο T O. Το πλαίσιο δεδοµένων θα µεταδοθεί στο µέσο µόνο αν ο MAC ελεγκτής λάβει ένα πλαίσιο τύπου CTS, πράγµα που σηµαίνει ότι ο κόµβος προορισµού βρίσκεται στην ενεργή κατάσταση. Εποµένως σε αυτή την περίπτωση το πλαίσιο δεδοµένων του πακέτου µεταδίδεται µόνο µία φορά, δηλαδή δεν επαναµεταδίδεται το πλαίσιο δεδοµένων αλλά µικρά πλαίσια τύπου RTS τα οποία προκαλούν και µικρή επιβάρυνση στο δίκτυο και την κατανάλωση ενέργειας. Η επιβάρυνση που προκαλεί στο δίκτυο ο συγκεκριµένος αλγόριθµος προέρχεται συνήθως από τη µετάδοση broadcast πακέτων και ειδικότερα από πακέτα τα οποία πληµµυρίζουν το δίκτυο σε σποραδικά χρονικά διαστήµατα, τέτοια πακέτα προέρχονται από το µηχανισµό εύρεσης διαδροµής (ενότητα 3.6.3) και είναι πακέτα δροµολόγησης τύπου Route Request. Παρόλο που τα πακέτα αυτά έχουν σχετικά µικρό µέγεθος (της τάξεως των 64 bytes) προκαλούν σηµαντική επιβάρυνση καθώς επαναµεταδίδονται από όλους τους κόµβους του δικτύου. Μία λύση στο παραπάνω πρόβληµα είναι η αποστολή από το µηχανισµό επαναµεταδόσεων ειδικών πλαισίων του επιπέδου MAC πριν τη µετάδοση ενός broadcast πακέτου. Με αυτόν τον τρόπο επαναµεταδίδονται µικρά broadcast πλαίσια τα οποία θέτουν τους γειτονικούς κόµβους στην ενεργή κατάσταση πριν να µεταδοθεί ένα broadcast πλαίσιο δεδοµένων. Ωστόσο, αυτή η λύση απαιτεί την τροποποίηση του υποεπιπέδου MAC της ασύρµατης κάρτας δικτύου Θεωρητική ανάλυση του αλγορίθµου LPM Σε αυτό το τµήµα παρουσιάζεται µία συστηµατική προσέγγιση στον προσδιορισµό των λειτουργικών παραµέτρων του προτεινόµενου αλγορίθµου και υπολογίζεται η µέγιστη αποδοτικότητα, ως προς τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας, που µπορεί να επιτευχθεί. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάζεται και µία µελέτη εφαρµογής του αλγορίθµου σε ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου IEEE b. Θεωρούµε, ως P L την ισχύ που καταναλώνεται στην αδρανή κατάσταση λειτουργίας της κάρτας δικτύου, P S την ισχύ στην ανενεργή κατάσταση λειτουργίας, T S το χρονικό διάστηµα που η κάρτα δικτύου παραµένει στην ανενεργή κατάσταση σύµφωνα µε τον αλγόριθµο, T L 90

105 ιδακτορική ιατριβή το χρονικό διάστηµα που η κάρτα δικτύου παραµένει στη αδρανή κατάσταση, T SW το χρονικό διάστηµα που απαιτείται από το MAC επίπεδο για τη µετάβαση από την ανενεργή στην αδρανή κατάσταση και P S W την αντίστοιχη ισχύ που καταναλώνεται σε αυτό το διάστηµα. Το χρονικό διάστηµα µετάβασης από την αδρανή στην ανενεργή κατάσταση είναι ο χρόνος ο οποίος απαιτείται για να απενεργοποιηθεί το modem, ο οποίος συνήθως είναι σχετικά µικρός. Ορίζουµε ένα χρονικό διάστηµα T W, το οποίο αποτελεί τη διάρκεια παραµονής ενός κόµβου στην αδρανή και ανενεργή κατάσταση καθώς και το χρόνο µετάβασης T SW. Σύµφωνα µε τα Σχ 5.2 και 5.3 κάθε κόµβος ο οποίος δε συµµετέχει σε επικοινωνιακές διαδικασίες µεταβαίνει µεταξύ της ανενεργούς και αδρανής κατάστασης µε περίοδο T W. T = T + T + T (5.1) W L S SW Η ενέργεια που καταναλώνει ένας κόµβος ο οποίος δεν συµµετέχει σε επικοινωνιακές διαδικασίες και δεν υλοποιεί τον αλγόριθµο, δηλαδή ευρίσκεται συνεχώς στην αδρανή κατάσταση, για το χρονικό διάστηµα T W θα είναι: E = P * T (5.2) 1 PL * TL + PL * TS + L SW Η αντίστοιχη ενέργεια για έναν κόµβο που εφαρµόζει το αλγόριθµο, δηλαδή εναλλάσσεται περιοδικά µεταξύ των καταστάσεων αδρανούς-ανενεργής, θα είναι: E = P * T (5.3) 2 PL * TL + PS * TS + SW SW Ορίζουµε έναν συντελεστή αποδοτικότητας P EFF του αλγόριθµου ο οποίος εκφράζει το ποσοστό µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας λόγω εφαρµογής του αλγόριθµου. P EFF E E E 1 2 = (5.4) 1 Με εφαρµογή των σχέσεων (5.1), (5.2), (5.3) στην (5.4) και θεωρώντας ότι P L P SW, έχουµε: P ( P P ) * T L S S EFF = (5.5) PL * TW Οι τιµές του συντελεστή P EFF ορίζονται στο διάστηµα (0,1). K ( P P ) L S DEV = (5.6) PL Η σταθερά Κ DEV εξαρτάται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ασύρµατης κάρτας δικτύου και φράσσει τη µέγιστη τιµή του συντελεστή αποδοτικότητας. O λόγος T S / TW oονοµάζεται duty-cycle του αλγόριθµου. Όσο αυξάνεται το duty-cycle, δηλαδή το T S πλησιάζει το T W, η απόδοση του αλγόριθµου πλησιάζει τη µέγιστη τιµή της. Ο µέγιστος αριθµός επαναµεταδόσεων R ορίζεται ως: T W R =, όπου θα πρέπει να ισχύει L TO TO T > (5.7) 91

106 Νικόλαος Β. Πόγκας Η παραπάνω συνθήκη θα πρέπει να ισχύει γιατί διαφορετικά ο µηχανισµός επαναµεταδόσεων δεν θα λειτουργεί ορθά µε αποτέλεσµα να χάνονται πακέτα στο δίκτυο. Στη συνέχεια, ορίζουµε το λόγο D ο οποίος είναι αντίστοιχος του duty-cycle του αλγορίθµου ως: T D = T S O, όπου + D N (5.8) Χρησιµοποιώντας τις σχέσεις (5.5), (5.6), (5.7) και (5.8) η αποδοτικότητα ως συνάρτηση των παραµέτρων R και D δίνεται από τον τύπο: P EFF D = K DEV, όπου R N + R > 1 (5.9) R Βασική προϋπόθεση για τη σωστή λειτουργία του αλγορίθµου και κατά συνέπεια όλων των παραπάνω σχέσεων είναι η συνθήκη της σχέσης (5.7), δηλαδή T L > TO. Με αυτά τα δεδοµένα και χρησιµοποιώντας τις σχέσεις (5.1), (5.7) και (5.9) προκύπτουν οι παρακάτω ανισότητες: T W R * T = T O S + T L > D * T + T O SW + T > T O S + T + T SW O + T SW > D * T O + T O R > D +1 όπου R N + R > 1 (5.10) Σκοπός της επιλογής των παραµέτρων είναι: 1) να µεγιστοποιηθεί ο συντελεστής P EFF 2) να ελαχιστοποιηθεί η παράµετρος T S ώστε να µην αυξηθεί η καθυστέρηση επικοινωνίας στο δίκτυο 3) να ελαχιστοποιηθεί η παράµετρος R ώστε να µην προκαλείται πιθανή τοπική συµφόρηση, επιβάρυνση του δικτύου και να µειωθεί ο αριθµός των broadcast πακέτων που µεταδίδονται στο δίκτυο. Παρατηρούµε ότι πρόκειται για ένα min-max πρόβληµα οι συντελεστές του οποίου έχουν άµεση επίδραση σε διάφορες παραµέτρους απόδοσης του δικτύου, οι οποίες είναι πολύ δύσκολο (έως αδύνατον) να µοντελοποιηθούν ώστε να βρεθεί µία κλειστή µαθηµατική σχέση. Για αυτόν το λόγω θα αναπτύξουµε µία ευριστική µεθοδολογία προσδιορισµού των παραµέτρων του αλγορίθµου και θα µελετήσουµε την επίδραση τους στην απόδοση και κατανάλωση του δικτύου µε εξοµοιώσεις. Ένα άλλο χαρακτηριστικό του παραπάνω προβλήµατος είναι ότι παρουσιάζεται µία ορθογωνιότητα ως προς τις απαιτήσεις προσδιορισµού των συντελεστών. Θεωρώντας το T S φραγµένο σε κάποια σχετικά µικρή τιµή, για να αυξηθεί ο συντελεστής P EFF θα πρέπει ο χρόνος Τ S να προσεγγίζει το T W. Αυτό συνεπάγεται τη µείωση του χρόνου T L και κατά συνέπεια και του χρόνου T O, µε αποτέλεσµα να προκληθεί αύξηση του συντελεστή R. Στο Σχ 5.4 παρουσιάζεται ένα διάγραµµα του συντελεστή αποδοτικότητας P EFF ως προς τις παραµέτρους R και D το οποίο προκύπτει από τη σχέση (5.9). Η τιµή του συντελεστή P EFF στο σχήµα είναι ανάλογη της σταθερής K DEV η οποία εξαρτάται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ασύρµατης κάρτας δικτύου. Εξετάζοντας το εν λόγω σχήµα παρατηρούµε τα εξής: Λόγω της συνθήκης (5.10) δεν ορίζονται τιµές για R = 2. Ο συντελεστής P EFF είναι ανάλογος του D, ενώ η µέγιστη τιµή του φράσσεται από το 92

107 ιδακτορική ιατριβή συντελεστή R. Καθώς αυξάνεται ο συντελεστής D, και κατά συνέπεια το duty-cycle του αλγορίθµου, θα πρέπει να αυξηθεί και ο αριθµός των επαναµεταδόσεων R. K DEV R=8 R=9 R=10 R= R=6 0.8 R=5 Peff 0.75 R= R= D Σχήµα 5.4 Πεδίο τιµών του συντελεστή αποδοτικότητας P EFF Με βάση το παραπάνω διάγραµµα, στις επόµενες ενότητες θα επιλέξουµε κάποιες τιµές για τις παραµέτρους του αλγόριθµου και θα µελετήσουµε την επίδρασή τους στην απόδοση του δικτύου µε εξοµοιώσεις. 5.3 Μελέτη εφαρµογής του αλγορίθµου LPM σε ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου IEEE Σε αυτή την ενότητα θα µελετήσουµε την εφαρµογή του προτεινόµενου αλγορίθµου LPM σε ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου IEEE b DCF. O παραπάνω προτεινόµενος αλγόριθµος σχεδιάσθηκε και υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής και αποτελεί σηµαντικό υποσύστηµα της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης για ad hoc δίκτυα. Ενώ η παρακάτω ανάλυση αφορά κάρτες τύπου IEEE b τα συµπεράσµατα και οι σχεδιαστικές επιλογές που προκύπτουν µπορούν να εφαρµοστούν και σε ασύρµατες συσκευές επικοινωνιών µε διαφορετικό ΜΑC και φυσικό επίπεδο Τρόποι λειτουργίας ασύρµατης κάρτας δικτύου IEEE Σε αυτή την παράγραφο µελετώνται οι τρόποι λειτουργίας, και η κατανάλωση ενέργειας µίας ασύρµατης κάρτας δικτύου τύπου IEEE µε βάση πειραµατικά αποτελέσµατα και µετρήσεις που έγιναν στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής και τα οποία συγκρίθηκαν µε αποτελέσµατα από την βιβλιογραφία [79] [80]. Καθώς οι ασύρµατες επικοινωνίες αποτελούν τεχνολογία αιχµής, αναπτύσσονται συνεχώς νέα προϊόντα και ολοκληρωµένα. Η µελέτη που ακολουθεί δεν θα εστιάσει σε λειτουργικές προδιαγραφές ασύρµατων καρτών δικτύου καθώς αυτές αλλάζουν καθηµερινά. Στη συνέχεια της ενότητας θα παρουσιάσουµε µία γενική µελέτη µε βάση τις αρχές λειτουργίας των ασύρµατων καρτών δικτύου, ενώ η ανάλυση της απόδοσης του αλγόριθµου LPM θα βασιστεί περισσότερο σε µετρήσεις µε βάση τον χρόνο, ο οποίος εξαρτάται περισσότερο από την θεωρητική απόδοση του MAC επιπέδου. 93

108 Νικόλαος Β. Πόγκας Η λειτουργία µίας κάρτας δικτύου περιλαµβάνει τις εξής τέσσερις καταστάσεις λειτουργίας: µετάδοσης (Transmit), λήψης (Receive), αδρανή (Idle) και ανενεργή (Sleep). Στην κατάσταση µετάδοσης ή συσκευή µεταδίδει δεδοµένα ενώ στην κατάσταση λήψης λαµβάνει δεδοµένα. Στην αδρανή κατάσταση δεν µεταδίδει ή λαµβάνει δεδοµένα αλλά εξετάζει το φυσικό µέσο για κάποιο διαθέσιµο σήµα το οποίο θα σηµάνει την έναρξη των δεδοµένων, εποµένως αυτή η κατάσταση λειτουργίας είναι ως ένα βαθµό παρόµοια µε την κατάσταση λήψης. Στην αδρανή κατάσταση τα κυκλώµατα του transceiver δεν τροφοδοτούνται πλήρως δηλαδή ένα µέρος των υποσυστηµάτων παραµένει σε λειτουργία ώστε να επιτρέπεται ή γρήγορη επαναφορά του συστήµατος σε κατάσταση πλήρους λειτουργίας. Όταν η κάρτα δικτύου δεν τροφοδοτείται η κατανάλωση ενέργειας είναι µηδενική, όµως η επαναλειτουργία της απαιτεί µεγάλο χρονικό διάστηµα λόγω των λειτουργιών που εκτελούνται στο υποεπίπεδο προσπέλασης µέσου και το φυσικό επίπεδο κατά την αρχική λειτουργία της κάρτας (700 msec έως µερικά sec). Στο Σχ 5.5 παρουσιάζεται το σχηµατικό διάγραµµα µίας ασύρµατης κάρτας τύπου Aironet PC4800B η οποία χρησιµοποιεί το σύνολο ολοκληρωµένων κυκλωµάτων (chipset) Intersil PRISM I [81]. Στο σχήµα διακρίνονται εφτά διαφορετικά ολοκληρωµένα, σε ασύρµατες κάρτες που χρησιµοποιούν πιο σύγχρονα chipset (PRISM II, PRISM 2,5) ο αριθµός αυτός είναι µικρότερος ωστόσο στην ανάλυση που ακολουθεί µας ενδιαφέρει η λειτουργική δοµή των µονάδων και όχι η φυσική διάταξη των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Από δεξιά προς αριστερά διακρίνονται τα εξής υποσυστήµατα: MAC processor, Baseband processor, quadrature IF modem, dual frequency synthesizer, RF/IF converter, Low Noise Amplifier και RF Power Amplifier. Σχήµα 5.5 οµή της ασύρµατης κάρτας δικτύου Aironet PC4800B IEEE b Κάθε ολοκληρωµένο καταναλώνει διαφορετική ενέργεια ανάλογα µε τη λειτουργική κατάσταση της κάρτας. Οι ελεγκτές των υποσυστηµάτων MAC και baseband υποστηρίζουν τρόπους λειτουργίας χαµηλής κατανάλωσης για τις καταστάσεις αποστολής, λήψης, αδρανής και ανενεργή. Τα ολοκληρωµένα quadrature IF modem, dual frequency synthesizer και RF/IF converter έχουν διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας για την περίπτωση των καταστάσεων µετάδοσης και λήψης αλλά υποστηρίζουν µόνο ένα τρόπο λειτουργίας χαµηλής κατανάλωσης ο οποίος είναι κοινός για την περίπτωση των καταστάσεων αδρανούς και ανενεργή. Ο LNA λειτουργεί µόνο στην περίπτωση των καταστάσεων αδρανούς και λήψης ενώ ο RF Power Amplifier λειτουργεί µόνο στην κατάσταση µετάδοσης. Ο πίνακας 5.1 περιγράφει τον τρόπο λειτουργίας κάθε δοµικού στοιχείου της ασύρµατης κάρτας δικτύου ανάλογα µε την κατάσταση λειτουργίας της. Μία ανάλυση της κατανάλωσης µε βάση τις προδιαγραφές των ολοκληρωµένων είναι δύσκολο να γίνει καθώς εξαρτάται από την εκάστοτε υλοποίηση, την κατανάλωση επιπρόσθετων ή βοηθητικών ολοκληρωµένων που χρησιµοποιούνται καθώς και από αλγόριθµους µείωσης της κατανάλωσης που υλοποιούνται στο επίπεδο MAC. Εποµένως, οι καταναλώσεις που αναγράφονται στον πίνακα (5.1) είναι προσεγγιστικές. Όπως παρατηρούµε από τις τιµές του παρακάτω πίνακα, η κατανάλωση 94

109 ιδακτορική ιατριβή ενέργειας κατά την µετάδοση είναι µεγαλύτερη σε σχέση µε τη λήψη, και η κατανάλωση στην αδρανή κατάσταση είναι πολύ µεγαλύτερη σε σχέση µε την ανενεργή, καθώς αυτή πλησιάζει την κατανάλωση στην κατάσταση λήψης. Οι τιµές που χρησιµοποιήθηκαν αναπαριστούν τις µέγιστες καταναλώσεις που αναφέρονται στις προδιαγραφές των ολοκληρωµένων για την εκάστοτε κατάσταση λειτουργίας. Πίνακας 5.1 Ενδεικτικές καταναλώσεις των υποσυστηµάτων µίας ασύρµατης κάρτας δικτύου Aironet PC4800B IEEE b Chip Sleep Idle Transmit Receive MAC Processor Sleep (5mW) Low (40mW) High (125mW) High (125mW) Baseband Processor Sleep (2mW) Low (23mW) Low (33mW) High (100mW) Quadrature IF Modem Sleep (10mW) High (400mW) High (400mW) High (500mW) Dual Frequency Synthesizer Low (0.075mW) High (40mW) High (40mW) High (40mW) RF/IF Converter Sleep (0.05mW) Low (100mW) High (300mW) Low (100mW) Low Noise Amplifier OFF High (35mW) OFF High (35mW) RF Power Amplifier OFF OFF High (800mW) OFF Maximum Total Power ~17 mw ~638 mw ~1698 mw ~900 mw Κατανάλωση ενέργειας ασύρµατων καρτών δικτύου Στο Σχ 5.6 παρουσιάζονται µετρήσεις κατανάλωσης που προέρχονται από πειραµατικές διατάξεις για την ασύρµατη κάρτα δικτύου Aironet PC4800B [79] και µετρήσεις που έγιναν στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής και αφορούν την κάρτα ORINOCO GOLD 11Mbps ή οποία χρησιµοποιήθηκε για την πιλοτική εφαρµογή της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής. Η κάρτα αυτή κατασκευάστηκε το 2004 και χρησιµοποιεί περισσότερο σύγχρονα ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Επίσης θα πρέπει να αναφερθεί ότι η κάρτα Aironet έχει µέγιστη ισχύ µετάδοσης 50 mw ενώ η ORINOCO 30 mw. Στον πίνακα 5.2 παρουσιάζονται οι τιµές της ισχύος κατανάλωσης για τις δύο κάρτες στις διάφορες καταστάσεις λειτουργίας τους. Επίσης παρουσιάζεται η σταθερά K DEV (σχέση 5.6), η οποία περιορίζει την αποδοτικότητα του αλγόριθµου LPM. Για την περίπτωση της Orinoco η τιµή αυτή είναι 0.91 εποµένως η χρήση του αλγόριθµου µε αυτήν την κάρτα θα παρουσιάσει υψηλή αποδοτικότητα. Οι τιµές για την κατανάλωση ισχύος της κάρτας Orinoco έχουν χρησιµοποιηθεί και στο µοντέλο κατανάλωσης ενέργειας του εξοµοιωτή ns-2 [82] για τις εξοµοιώσεις που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια της διατριβής. 95

110 Νικόλαος Β. Πόγκας AIRONET ORINOCO 1400 Power (mw) Transmit Receive Idle Sleep Σχήµα 5.6 Σύγκριση της ισχύος κατανάλωσης, δύο ασύρµατων καρτών δικτύου IEEE b, για διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας. Πίνακας 5.2 Τιµές της ισχύος κατανάλωσης και της σταθεράς K DEV Το χαρακτηριστικό που ισχύει µε τις περισσότερες σύγχρονες ασύρµατες κάρτες δικτύου υψηλού ρυθµού µετάδοσης είναι ότι η κατανάλωση στην αδρανή (Idle) κατάσταση προσεγγίζει την κατανάλωση της κατάστασης λήψης (Receive) [83]. Αν θεωρήσουµε ότι οι κόµβοι του δικτύου χρησιµοποιούν ηλεκτρικούς συσσωρευτές τύπου NiMh (Nickel Metal Hybrid) µεγέθους 100cm 3, οι οποίοι έχουν χωρητικότητα ενέργειας 25Wh και οι κόµβοι δεν συµµετέχουν σε επικοινωνιακές διαδικασίες, ενώ χρησιµοποιούν ασύρµατες κάρτες µε τα χαρακτηριστικά της περίπτωσης 2 του Πίνακα 5.2, ο χρόνος ζωής των κόµβων θα είναι 25Wh/0.785W= 31h. Για την περίπτωση 1 του Πίνακα 5.2, ο χρόνος ζωής των κόµβων θα είναι 25Wh/1.3W= 19h. ηλαδή, χωρίς να λάβουµε υπόψη µας τις λοιπές καταναλώσεις του συστήµατος, όπως επεξεργαστής, µνήµη κλπ, µέσα σε ένα σχετικά µικρό χρονικό διάστηµα (19-31h) οι κόµβοι θα πάψουν να λειτουργούν, καθώς ο ηλεκτρικός συσσωρευτής θα έχει εξαντληθεί, λόγω των στατικών καταναλώσεων των ασύρµατων καρτών δικτύου. Εποµένως, η χρήση του αλγόριθµου LPM κρίνεται απαραίτητη ώστε να µειωθεί η κατανάλωση ενέργειας και να αυξηθεί ο χρόνος ζωής των κόµβων στο δίκτυο. Σκοπός του αλγόριθµου LPM που παρουσιάσαµε είναι να µειωθεί ο συνολικός χρόνος που βρίσκεται η συσκευή στην αδρανή κατάσταση και να αυξηθεί ο συνολικός χρόνος στην ανενεργή κατάσταση. Εξαιτίας της µεγάλης διαφοράς κατανάλωσης που παρουσιάζουν οι δύο καταστάσεις, θα µειωθεί η συνολική κατανάλωση ενέργειας της ασύρµατης κάρτας δικτύου. Αυτό το χαρακτηριστικό εκφράζει και η σταθερά K DEV, η εφαρµογή του αλγορίθµου σε κάρτες που έχουν µικρή τιµή της σταθεράς δεν θα προκαλέσει σηµαντική µείωση στην κατανάλωση ενέργειας καθώς η αποδοτικότητα P EFF του αλγόριθµου θα είναι επίσης µικρή. Στο Σχ 5.7 παρουσιάζεται η κατανάλωση ισχύος κατά τη µετάδοση ενός unicast πακέτου από µία ασύρµατη κάρτα δικτύου τύπου Orinoco IEEE b. Αρχικά η κάρτα βρίσκεται στην αδρανή κατάσταση, έπειτα µεταδίδει ένα πλαίσιο τύπου RTS και ο σταθµός προορισµού απαντάει µε ένα πλαίσιο CTS, έπειτα ακολουθεί η µετάδοση ενός µικρού πλαισίου δεδοµένων και τέλος ο σταθµός προορισµού µεταδίδει µία επιβεβαίωση λήψης MAC-ACK. 96

111 ιδακτορική ιατριβή Παρατηρούµε ότι η ισχύς κατανάλωσης κατά τη µετάδοση και λήψη παρουσιάζει κάποιες διακυµάνσεις. Ωστόσο, προσεγγιστικά στις εξοµοιώσεις που ακολουθούν, θεωρούµε ότι είναι σταθερές σύµφωνα µε τιµές του Πίνακα 5.2. Σχήµα 5.7 Ισχύς κατανάλωσης κατά τη µετάδοση ενός πακέτου δεδοµένων Μεθοδολογία επιλογής παραµέτρων για τον αλγόριθµο LPM Σε αυτό το τµήµα παρουσιάζεται µία µέθοδος επιλογής των παραµέτρων του αλγόριθµου LPM ( T A, T L, T S, T O, R ). Η παράµετρος T S επηρεάζει την καθυστέρηση στο δίκτυο καθώς αν θεωρήσουµε µία διαδροµή h τµηµάτων στην οποία όλοι οι κόµβοι βρίσκονται σε κατάσταση λειτουργίας µειωµένης κατανάλωσης, δηλαδή µεταβαίνουν περιοδικά από την ανενεργή στην αδρανή κατάσταση, η δροµολόγηση ενός πακέτου στη διαδροµή αυτή είναι ανάλογη µε το µέσο χρόνο h* T S /2. Ωστόσο αυτή η καθυστέρηση αφορά κυρίως τον χρόνο εύρεσης διαδροµής του πρωτοκόλλου δροµολόγησης σε δίκτυα όπου όλοι οι κόµβοι βρίσκονται σε κατάσταση λειτουργίας µειωµένης κατανάλωσης και δεν αφορά τη µετάδοση πακέτων δεδοµένων. Εποµένως αρχικά επιλέγεται ένας µικρός σχετικά χρόνος για την παράµετρο T S. Με βάση το Σχ 5.4 και τη σταθερά Κ DEV της ασύρµατης κάρτας δικτύου που πρόκειται να χρησιµοποιηθεί, επιλέγεται ένας θετικός ακέραιος για την παράµετρο R ώστε να επιτευχθεί η επιθυµητή αποδοτικότητα στην κατανάλωση ενέργειας P EFF. Ωστόσο ο χρόνος T L δεν θα πρέπει να είναι πολύ µικρός καθώς θα επηρεάσει το χρόνο T O, ο οποίος πρέπει να είναι µικρότερος από τον T L και δεν θα πρέπει να προκαλέσει προβλήµατα στη λειτουργία του µηχανισµού επαναµεταδόσεων. Ο µηχανισµός επαναµεταδόσεων έχει απαιτήσεις ελαστικού πραγµατικού χρόνου καθώς µεταδίδει πακέτα σε προκαθορισµένες χρονικές περιόδους. Καθυστερήσεις οι οποίες οφείλονται στη µετάδοση πακέτων από το φυσικό µέσο, το λειτουργικό σύστηµα, ή το µηχανισµό αποφυγής σύγκρουσης του MAC επιπέδου προκαλούν jitter στη µετάδοση των πακέτων από τον ίδιο το µηχανισµό. Έπειτα από µετρήσεις της καθυστέρησης πακέτων χρησιµοποιώντας την προτεινόµενη επικοινωνιακή διαστρωµάτωση και ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου Orinoco ΙΕΕΕ b, προκύπτουν τα παρακάτω συµπεράσµατα. Όταν δεν υπάρχει σηµαντική συµφόρηση στο δίκτυο η καθυστέρηση µετάδοσης ενός πακέτου κυµαίνεται από 3 ως 4 msec. Σε περιπτώσεις σηµαντικής συµφόρησης του δικτύου η καθυστέρηση αυξάνεται σηµαντικά. Στο Σχ 5.8 παρουσιάζεται η κατανοµή της καθυστέρησης για τη δεύτερη περίπτωση. Ο χρόνος καθυστέρησης µετάδοσης ενός πακέτου µετριέται από τη στιγµή που θα αρχίσει η διαδικασία µετάδοσης από το επίπεδο σύνδεσης δεδοµένων έως ότου ο οδηγός της κάρτας δικτύου λάβει µία επιβεβαίωση επιτυχούς 97

112 Νικόλαος Β. Πόγκας αποστολής από το MAC. Στο χρόνο αυτό συµπεριλαµβάνεται και ο χρόνος µετάδοσης από το φυσικό µέσο Distribution of Packets % Latency (msec) Σχήµα 5.8 Κατανοµή της καθυστέρησης µετάδοσης πακέτων σε δίκτυο µε υψηλή συµφόρηση. Με βάση τα παραπάνω, ένα σύνολο τιµών για τις παραµέτρους του αλγόριθµου LPM το οποίο έχει χρησιµοποιηθεί σε πολλές εξοµοιώσεις και σε πραγµατικές συνθήκες είναι το εξής: T L =69ms, T SW =1ms, T S =290ms, T O =60ms και R=6. Αυτό το σύνολο τιµών για την περίπτωση των καρτών Orinoco έχει ένα συντελεστή αποδοτικότητας PEFF=0.73 δηλαδή µπορεί να προκαλέσει µία µείωση στην κατανάλωση ενέργειας αδρανών κόµβων της τάξης του 73%. Ο χρόνος T SW θεωρείται ο χρόνος µετάβασης της ασύρµατης κάρτας δικτύου από την ανενεργή στην αδρανή κατάσταση, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για να ενεργοποιηθεί η κάρτα σε κανονική κατάσταση λειτουργίας. Η τιµή αυτή επηρεάζει την απόδοση του αλγόριθµου. Στην περίπτωση καρτών IEEE b οι οποίες λειτουργούν στον τρόπο IBSS ο χρόνος αυτός µπορεί να φτάσει τα 150msec. Αυτή η σηµαντική καθυστέρηση οφείλεται σε λειτουργίες υπηρεσιών τύπου MAC-association και MAC-authentication του επιπέδου MAC καθώς και στο µηχανισµό αποφυγής συµφόρησης (collision avoidance) κατά επαναλειτουργία της κάρτας. Ωστόσο, οι κάρτες αυτές υποστηρίζουν έναν διαφορετικό τρόπο λειτουργίας ο οποίος απενεργοποιεί τις υπηρεσίες MAC-association και MAC-authentication µε αποτέλεσµα ο χρόνος T SW να µειώνεται στο 1msec. Όταν οι τιµές των παραµέτρων του αλγορίθµου είναι στατικές, δηλαδή προκαθορισµένες κατά τον σχεδιασµό του δικτύου, δεν αλλάζουν κατά την λειτουργία του. Στην περίπτωση της δυναµικής ανάθεσης, αρχικά κατά την εκκίνηση του δικτύου οι τιµές αυτές είναι προκαθορισµένες µε βάση κάποιες αρχικές τιµές και στην συνέχεια µπορούν να αλλάξουν µε χρήση του µηχανισµού διαχείρισης δικτύου (Κεφάλαιο 7) ώστε να αυξηθεί το duty-cycle σε περιόδους που δεν υπάρχει κίνηση στο δίκτυο. Η απόφαση αλλαγής των παραµέτρων µπορεί να προέλθει από κάποιον κόµβο που αναλαµβάνει λειτουργίες διαχείρισης έπειτα από εντολή του διαχειριστή-δικτύου (Network-Administrator) ή σαν αποτέλεσµα ενός αλγόριθµου πρόβλεψης της επικοινωνιακής κίνησης στο δίκτυο. Ωστόσο θα πρέπει να τονιστεί ότι η επικοινωνία µεταξύ κόµβων οι οποίοι έχουν διαφορετικές τιµές στις παραµέτρους του αλγόριθµου είναι γενικώς προβληµατική καθώς είναι πιθανό να µην ισχύουν οι αναγκαίες συνθήκες µε αποτέλεσµα να αποτύχει ο µηχανισµός επναµεταδόσεων. 98

113 ιδακτορική ιατριβή Ένα εναλλακτικό σενάριο χρήσης της συγκεκριµένης αρχιτεκτονικής είναι να τεθεί ο χρόνος T Α άπειρος ή πολύ µεγάλος (π.χ µεγαλύτερος από 1 ώρα). Σε αυτήν την περίπτωση, αρχικά όλοι οι κόµβοι θα λειτουργούν περιοδικά στην ανενεργή κατάσταση περιορίζοντας την κατανάλωση ενέργειας και όταν εµφανιστεί επικοινωνιακή κίνηση στο δίκτυο όλοι οι κόµβοι θα εισέλθουν στην ενεργή κατάσταση και θα παραµείνουν σε αυτή συνέχεια ή για µεγάλο χρονικό διάστηµα. 5.4 Θέση του αλγόριθµου LPM στην επικοινωνιακή διαστρωµάτωση Η υλοποίηση του αλγόριθµου LPM έγινε στο υποεπίπεδο Λογικής Σύνδεσης εδοµένων (LLC). Στο Σχ 5.9 παρουσιάζεται η εσωτερική δοµή του µηχανισµού που υλοποιεί τον αλγόριθµο και οι διεπαφές του µε άλλα υποσυστήµατα της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης. Τα πακέτα του επιπέδου LLC που πρόκειται να µεταδοθούν στο δίκτυο εισέρχονται σε µία ουρά εξόδου µε προτεραιότητες (η οποία παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 7) Ο µηχανισµός επιτήρησης γειτονικών κόµβων αποφασίζει αν θα πρέπει να γίνουν επαναµεταδόσεις του πακέτου ή όχι. Στην περίπτωση όπου ο σταθµός προορισµού είναι πιθανώς στην ανενεργή κατάσταση λειτουργίας το πακέτο αποθηκεύεται σε µία ουρά πακέτων την οποία ελέγχει ο χρονο-δροµολογητής πακέτων (packet scheduler) του µηχανισµού επαναµεταδόσεων. Η συγκεκριµένη αρχιτεκτονική περιλαµβάνει µια δοµή αποθήκευσης πακέτων, που πρόκειται να µεταδοθούν από το µηχανισµό επαναµεταδόσεων, η οποία ονοµάζεται Maintenance Buffer. Κάθε πακέτο αποθηκευµένο στη δοµή αυτή διατηρεί ένα µετρητή των επαναµεταδόσεων που έχουν γίνει και ένα χρονοµετρητή της τελευταίας επαναµετάδοσης. Κάθε επαναµετάδοση ενός πακέτου γίνεται περιοδικά µε περίοδο To. Αν µετά από R επαναµεταδόσεις ενός unicast πακέτου ο σταθµός αποστολής δεν λάβει επιβεβαίωση λήψης (MAC-ACK), θεωρεί ότι η διασύνδεση µε τον επόµενο κόµβο είναι ασυνεχής. Σε αυτήν την περίπτωση όλα τα πακέτα µε MAC διεύθυνση προορισµού το συγκεκριµένο σταθµό, που περιέχονται στον Maintenance Buffer, µεταφέρονται σε έναν ενδιάµεσο buffer (Tx Failure Queue) και δηµιουργείται µία αναφορά αποτυχίας µετάδοσης στο πρωτόκολλο δροµολόγησης (η διαδικασία αυτή περιγράφεται στο Κεφάλαιο 7), στη συνέχεια το πρωτόκολλο δροµολόγησης αναλαµβάνει να επαναδροµολογήσει τα πακέτα αυτά χρησιµοποιώντας εναλλακτικές διαδροµές όπως περιγράφεται στην ενότητα

114 Νικόλαος Β. Πόγκας TCP Application(s) Sockets Routing Protocol UDP Output traffic Input traffic Inner traffic Route Cache Level 1 Cache Level 2 Cache IP ARP Tx Failure Queue High Priority Normal Priority Low Priority Traffic Control Ingress Queue LPM Module Next-hop Nodes Table Packets Filter Module Maintenance Buffer Packets Scheduler Wireless Driver Σχήµα 5.9 Εσωτερική δοµή της υλοποίησης του υποσυστήµατος LPM και η διασύνδεση του µε την επικοινωνιακή διαστρωµάτωση 5.5 Έλεγχος της ισχύος µετάδοσης Πολλοί αλγόριθµοι και πρωτόκολλα στη διεθνή βιβλιογραφία ασχολούνται µε το θέµα του υπολογισµού της ελάχιστης απαιτούµενης ισχύος µετάδοσης ώστε να παραµείνει το δίκτυο συνδεδεµένο. Σκοπός αυτών των αλγορίθµων, οι οποίοι αναφέρονται µε τον όρο «έλεγχος της ισχύος µετάδοσης» (Transmit Power Control), είναι: η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας, η µείωση των παρεµβολών και η αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου [88]. Αλγόριθµοι και πρωτόκολλα ελέγχου της ισχύος µετάδοσης, οι οποίοι έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία, χρησιµοποιούν στρατηγικές δροµολόγησης µε σκοπό τη χρήση διαδροµών οι οποίες αποτελούνται από πολλά τµήµατα µικρής απόστασης αντί για εναλλακτικές διαδροµές οι οποίες έχουν µικρό αριθµό τµηµάτων µεγαλύτερου µήκους [88], [89]. Σε αυτήν την ενότητα θα διερευνήσουµε την αποτελεσµατικότητα της εφαρµογής τέτοιων αλγορίθµων σε ένα ad hoc δίκτυο. Πολλές ερευνητικές µελέτες χρησιµοποιούν ένα µοντέλο κατανάλωσης της ασύρµατης κάρτας δικτύου σύµφωνα µε τον παρακάτω τύπο: E * n cons = a + b d (Joules/bit) (5.11) όπου a είναι ένας όρος ανεξάρτητος από την απόσταση και αφορά την κατανάλωση που προέρχεται από τα ηλεκτρονικά εξαρτήµατα και την ψηφιακή επεξεργασία του σήµατος, ενώ ο b εκφράζει τις γραµµικές απώλειες του ενισχυτή ισχύος και της κεραίας, ο εκθετικός όρος n d εκφράζει τη σχέση µεταξύ της ισχύος µετάδοσης και της απόσταση µεταξύ των δύο σταθµών (µε τον εκθέτη απώλειας διάδοσης n να κυµαίνεται µεταξύ 2 και 4). Αν δεν ληφθούν υπ' όψη τα συγκεκριµένα µεγέθη των παραµέτρων, µπορεί να οδηγηθεί κανείς στο 100

115 ιδακτορική ιατριβή εσφαλµένο συµπέρασµα ότι η χρήση διαδροµών αποτελούµενων από πολλά τµήµατα µικρής απόστασης, αντί για διαδροµές µε λίγα τµήµατα τα οποία έχουν µεγάλη απόσταση µεταξύ τους, µειώνουν την κατανάλωση ενέργειας. Σχήµα 5.10 ιαδροµή µε πολλαπλά τµήµατα Η επικοινωνία µεταξύ των κόµβων A και D που παρουσιάζεται στο Σχ 5.10 γίνεται µέσω µίας διαδροµής αποτελούµενης από h τµήµατα αντί να γίνει απευθείας, µε αποτέλεσµα η n n κατανάλωση µε βάση τη σχέση (5.11) να είναι h [ a + b ( d / h) ] αντί για a + b d. Αν η σχέση 5.12 ήταν αληθής, τότε η επικοινωνία µε πολλαπλά τµήµατα θα ήταν προτιµότερη από µία απευθείας επικοινωνία µε µεγάλη απόσταση. Ωστόσο µία πρόχειρη θεώρηση θα µπορούσε να µας οδηγήσει ότι ισχύει η παρακάτω συσχέτιση: n n [ a + b ( d / h) < a + b d (5.12) h ] από τη σχέση (5.12) προκύπτει: < n 1 h 1) a b d 1 1 (5.13) h ( n Επειδή b d 1 h n n 1 < b d n 1 η ανισότητα (5.13) γίνεται: n ( h 1) a < b d (5.14) Ωστόσο η σχέση (5.14) για τις περισσότερες ασύρµατες κάρτες δικτύου δεν ισχύει αφού η κατανάλωση των ηλεκτρονικών υποσυστηµάτων είναι µεγαλύτερη από τις γραµµικές n απώλειες του ενισχυτή ισχύος και της κεραίας ( a > b d ). Ως παράδειγµα παραθέτουµε τον Πίνακα 5.3. Ωστόσο θα πρέπει να αναφερθεί ότι τα παραπάνω συµπεράσµατα και οι τιµές του Πίνακα 5.3 αφορούν modem υψηλού ρυθµού µετάδοσης που λειτουργούν στις µπάντες 0, GHz, σε ASIC υλοποιήσεις radio modem επόµενης γενιάς πιθανών να µην ισχύει η n σχέση a > b d. 101

116 Νικόλαος Β. Πόγκας Πίνακας 5.3 Προσεγγιστικές τιµές για την κατανάλωση ενέργειας σε ασύρµατες κάρτες δικτύου [90]. Radio Type 2.4 KHz OOK (RFM 916 MHz) KHz ASK (RFM 916 MHz) 11 Mbps b (Cisco Aironet 2.4 GHz) 54 Mbps a (Atheros ISSCC2002 chip) Energy per bit Maximum α value of bd n 14 µj 3.1 µj 372 µj 65 µj 236 µj 91 µj 14.8 µj 11 µj Φυσικά στην παραπάνω ανάλυση δεν έχει υπολογιστεί η επιβάρυνση που προκαλείται από τα επικοινωνιακά πρωτόκολλα και διαδικασίες του MAC πρωτοκόλλου και του φυσικού επιπέδου. Οι διαδικασίες αυτές δυσχεραίνουν ακόµα περισσότερο την κατανάλωση ενέργειας σε διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα σε σχέση µε διαδροµές µικρότερου αριθµού τµηµάτων καθώς τα πακέτα ελέγχου και δεδοµένων επαναµεταδίδονται σε κάθε τµήµα αυξάνοντας τη συνολική κατανάλωση. Στην επόµενη ενότητα θα προσδιορίσουµε την επίδραση της χρήσης διαδροµών µε πολλαπλά τµήµατα στην κατανάλωση ενέργειας µε εξοµοιώσεις. 5.6 Κατανάλωση ενέργειας σε διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα Σε αυτήν την ενότητα µελετάται η κατανάλωση ενέργειας όταν τα πακέτα δεδοµένων δροµολογούνται σε διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα. Η µελέτη της κατανάλωσης γίνεται µε εξοµοιώσεις για διαφορετικά πρωτόκολλα µεταφοράς δεδοµένων (TCP και UDP) και διαφορετικό τύπο πληροφοριακής κίνησης (FTP και CBR). Θεωρούµε µία γραµµική τοπολογία από ασύρµατους κόµβους παρόµοια µε αυτή του Σχ 5.10 και τη χρήση ασύρµατων καρτών δικτύου τύπου IEEE b µε ρυθµό µετάδοσης 2Μbps. Στο πρώτο σενάριο θεωρούµε ότι ένας κόµβος πηγής µεταδίδει UDP πακέτα προς κάποιον κόµβο προορισµού. Τα πακέτα δεδοµένων δηµιουργούνται από µία πηγή πληροφοριακής κίνησης CBR (Constant Bit Rate) µε ρυθµό 40Κbps. Για να γενικεύσουµε τα αποτελέσµατα, αρχικά µετρούµε τους συνολικούς χρόνους λειτουργίας των ασύρµατων καρτών δικτύου (των κόµβων που συµµετέχουν στην δροµολόγηση). Οι χρόνοι αυτοί είναι ανεξάρτητοι από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ασύρµατης κάρτας δικτύου που χρησιµοποιείται και εξαρτώνται αποκλειστικά από το πρωτόκολλο του υποεπιπέδου προσπέλασης µέσου (MAC). Στο Σχ 5.11 παρουσιάζεται ο συνολικός χρόνος κατά τον οποίο οι ασύρµατες κάρτες δικτύου των κόµβων που συµµετέχουν στη δροµολόγηση µεταδίδουν δεδοµένα (Total TX) λαµβάνουν δεδοµένα (Total RX) ή βρίσκονται στην αδρανή κατάσταση (Total IDLE) σε συνάρτηση µε το µήκος της διαδροµής (Hops). Συγκρίνοντας τις γραφικές παραστάσεις, παρατηρούµε ότι οι χρόνοι αυξάνονται γραµµικά µε τον αριθµό των τµηµάτων που αποτελείται η διαδροµή ενώ ο χρόνος κατά τον οποίο οι κάρτες βρίσκονται στην αδρανή κατάσταση είναι πολύ µεγαλύτερος σε σχέση µε τους υπόλοιπους. 102

117 ιδακτορική ιατριβή Total TX Total RX Total IDLE 800 Time (sec) Hops Σχήµα 5.11 Συνολικοί χρόνοι λειτουργίας ασύρµατης κάρτας δικτύου για CBR κίνηση σε διαδροµή µε πολλαπλά τµήµατα. Χρησιµοποιώντας την ίδια τοπολογία και χρόνο εξοµοίωσης (122 sec) θα µελετήσουµε την επίδραση µίας FTP συνεχούς κίνησης η οποία χρησιµοποιεί το πρωτόκολλο µεταφοράς TCP. Το TCP αξιοποιεί όλο το διαθέσιµο εύρος του καναλιού επικοινωνίας σε αντίθεση µε την CBR πηγή επικοινωνιακής κίνησης. Στο Σχ 5.12 παρουσιάζονται οι αντίστοιχοι χρόνοι για την περίπτωση του TCP, ενώ στο Σχ 5.13 η κατανάλωση ενέργειας για κάρτες τύπου Orinoco. Παρατηρούµε ότι στην περίπτωση µίας σύνδεσης από σηµείο σε σηµείο (0 Hops) ο συνολικός χρόνος µετάδοσης ισούται µε το συνολικό χρόνο λήψης και είναι πολύ µεγαλύτεροι από το συνολικό αδρανή χρόνο. Καθώς όµως ο αριθµός των τµηµάτων αυξάνεται και γίνεται µεγαλύτερος από 1 υπερισχύει ο αδρανής χρόνος (Total IDLE). Ωστόσο ο χρόνος αυτός είναι πολύ µικρότερος για την περίπτωση του TCP σε σχέση µε τoν αντίστοιχο χρόνο για την περίπτωση CBR επικοινωνιακής πηγής. Οι λόγοι που διαφοροποιούν τα αποτελέσµατα στα δύο επικοινωνιακά σενάριά είναι οι εξής: Το TCP πρωτόκολλο µεταφοράς χρησιµοποιεί µε βέλτιστο τρόπο το εύρος ζώνης του καναλιού µε αποτέλεσµα ο ρυθµός αποστολής πακέτων να προσαρµόζεται στο διαθέσιµο εύρος του καναλιού και στο µήκος της διαδροµής. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα στη µείωση των χρονικών διαστηµάτων κατά τα οποία οι κάρτες λειτουργούν στην αδρανή κατάσταση. Επίσης ο κόµβος προορισµού µεταδίδει µηνύµατα τύπου TCP-ACK προς τον πηγαίο κόµβο τα οποία συνεισφέρουν στην αύξηση των συνολικών χρόνων µετάδοσης και λήψης Total TX Total RX Total IDLE 600 Time (sec) Hops Σχήµα 5.12 Συνολικοί χρόνοι λειτουργίας ασύρµατης κάρτας δικτύου για TCP κίνηση σε διαδροµή µε πολλαπλά τµήµατα. 103

118 Νικόλαος Β. Πόγκας Consumed Energy (Wh) Etransmit Ereceive Eidle Hops Σχήµα 5.13 Κατανάλωση ενέργειας για TCP κίνηση σε διαδροµή µε πολλαπλά τµήµατα. Η συνολική κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια της επικοινωνιακής κίνησης των κόµβων που συµµετέχουν στην δροµολόγηση των πακέτων είναι ανάλογη µε τους χρόνους των γραφικών παραστάσεων στο Σχ 5.12 και Σχ 5.13 και προκύπτει από την παρακάτω σχέση: E TOTAL = P T + P T + P T (5.15) TX TX RX RX IDLE IDLE Όπου P ΤΧ είναι η ισχύς που καταναλώνεται κατά τη µετάδοση πακέτων, P RX η ισχύς που καταναλώνεται κατά την λήψη και P IDLE η ισχύς που καταναλώνεται στην αδρανή κατάσταση λειτουργίας. Με βάση τη σχέση (5.15) και το µοντέλο κατανάλωσης του Πίνακα 5.2, θεωρώντας τη χρήση ασύρµατων καρτών δικτύου τύπου Orinoco, υπολογίζεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας των κόµβων του δικτύου. Σύµφωνα µε τα παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει το συµπέρασµα ότι ενώ οι αλγόριθµοι ελέγχου της ισχύος µετάδοσης αυξάνουν τη χωρητικότητα του δικτύου και µειώνουν τις παρεµβολές (interference), η χρήση τους στη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τις προδιαγραφές της ασύρµατης κάρτας που χρησιµοποιείται. Η χρήση αυτών των αλγορίθµων σε διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα µειώνει την κατανάλωση ενέργειας µόνο όταν το ποσοστό κατανάλωσης που οφείλεται στην ισχύ µετάδοσης υπερισχύει των υπόλοιπων στατικών καταναλώσεων που οφείλονται στο υλικό του ασύρµατου µέσου, το οποίο δεν συµβαίνει στις περισσότερες περιπτώσεις (όπως παρουσιάζεται στις αναφορές [80],[83] και στον Πίνακα 5.3). Επίσης η χρήση διαδροµών µε µεγαλύτερο αριθµό τµηµάτων µειώνει τη διεκπεραιωτική ικανότητα (Σχ 2.3), και αυξάνει την καθυστέρηση (Σχ 2.2), ενώ στην περίπτωση ad hoc δικτύων διαδροµές µε µεγάλο αριθµό τµηµάτων είναι περισσότερο «ασταθείς» λόγω της κίνησης των κόµβων, δηλαδή αυξάνεται η πιθανότητα κάποιο τµήµα της διαδροµής να γίνει ασυνεχές µε αποτέλεσµα την προσωρινή διακοπή της επικοινωνίας ή την απώλεια πακέτων στο δίκτυο. 5.7 Παράγοντες απόδοσης του αλγόριθµου LPM Ο αλγόριθµος LPM, που παρουσιάστηκε στις προηγούµενες ενότητες, επιτυγχάνει µείωση στην κατανάλωση ενέργειας µόνο σε διαστήµατα κατά τα οποία οι κόµβοι δεν συµµετέχουν στην επικοινωνιακή κίνηση του δικτύου, δηλαδή δεν µεταδίδουν, λαµβάνουν ή δροµολογούν πακέτα δεδοµένων στο δίκτυο. Αυτοί οι κόµβοι ονοµάζονται αδρανείς (Idle) ως προς την επικοινωνιακή κίνηση του δικτύου. Σε ένα πλήρως συνδεδεµένο δίκτυο η κατανάλωση 104

119 ιδακτορική ιατριβή ενέργειας εξαρτάται άµεσα από την επικοινωνιακή κίνηση. Σε πολύπλοκες δικτυακές τοπολογίες, όπως ένα ad hoc πολλαπλών τµηµάτων (multi-hop), εκτός από την επικοινωνιακή κίνηση σηµαντικό ρόλο παίζουν η τοπολογία του δικτύου και η κινητικότητα των κόµβων. Σύγχρονες µελέτες έχουν δείξει ότι το µοντέλο της επικοινωνιακής κίνησης, σε IP δίκτυα δεδοµένων, µοντελοποιείται από διαδικασίες τύπου self-similar [84]. Ένα µοντέλο θεωρείται ως self-similar όταν µπορεί να αναπαρασταθεί ή εµφανίζεται ακριβώς όµοιο σε διαφορετικές κλίµακες µίας διάστασης. Η επικοινωνιακή κίνηση µπορεί να θεωρηθεί ως στοχαστική διαδικασία της οποίας τα στατιστικά χαρακτηριστικά είναι self-similar. Ένα χαρακτηριστικό της κίνησης σε Ethernet δίκτυα δεδοµένων είναι ότι αυτή εµφανίζεται όµοια σε µεγάλες κλίµακες χρόνου (λεπτά, ώρες) αλλά και σε µικρές κλίµακες (δευτερόλεπτα, χιλιοστά δευτερολέπτου). Η κίνηση αυτή µπορεί να µοντελοποιηθεί από την υπέρθεση πολλών πηγών κίνησης τύπου Pareto ON/OFF. Κάθε µία τέτοια πηγή µεταβαίνει µεταξύ των καταστάσεων ON και OFF δηλαδή µεταξύ ενεργών και ανενεργών περιόδων. Αυτές οι περίοδοι µοντελοποιούνται µε κατανοµές άπειρης διασποράς χρησιµοποιώντας την κατανοµή Pareto [85]. Σε τέτοια µοντέλα κίνησης τα οποία αναπαριστούν πραγµατικά δίκτυα τύπου Ethernet, καθώς και γενικά σε περιπτώσεις όπου η επικοινωνιακή κίνηση κάποιων πηγών µεταβαίνει µεταξύ ενεργών και ανενεργών περιόδων, η εφαρµογή του αλγόριθµου LPM παρουσιάζει µεγάλη απόδοση όταν ο µέσος χρόνος του διαστήµατος OFF της πηγής επικοινωνιακής κίνησης να είναι αρκετά µεγαλύτερος από το χρόνο T A του αλγόριθµου LPM. Σε δίκτυα ad hoc η απόδοση του αλγόριθµου εξαρτάται επίσης από την τοπολογία του δικτύου και την κινητικότητα των κόµβων. Σε αραιά δίκτυα µπορεί να ισχύει η παραπάνω συνθήκη για τις πηγές κίνησης αλλά εξαιτίας της τοπολογίας και της υπέρθεσης ενός αριθµού πηγών όλοι, ή αρκετοί, κόµβοι µπορεί να συµµετέχουν στη δροµολόγηση πακέτων µε αποτέλεσµα να µην είναι δυνατή η µετάβαση τους από την ενεργή στην ανενεργή κατάσταση, σύµφωνα µε το διάγραµµα καταστάσεων του αλγόριθµου (Σχ 5.2). Επίσης, σε δίκτυα µε µεγάλη κινητικότητα των κόµβων προκαλούνται συχνά διαδικασίες εύρεσης διαδροµής από το πρωτόκολλο δροµολόγησης µε αποτέλεσµα να πληµµυρίζει το δίκτυο µε µηνύµατα τύπου Route Request. Αυτές οι διαδικασίες έχουν ως αποτέλεσµα να µεταβαίνουν όλοι οι κόµβοι του δικτύου από την αδρανή στην ενεργή κατάσταση όπου παραµένουν για τουλάχιστον T A. Καθώς η απόδοση του αλγόριθµου σε πραγµατικά επικοινωνιακά σενάρια είναι δύσκολο να υπολογιστεί από ένα κλειστό µαθηµατικό τύπο στην επόµενη ενότητα παρουσιάζεται µία σειρά από εξοµοιώσεις, για διάφορα επικοινωνιακά σενάρια και τοπολογίες, µε σκοπό την αξιολόγηση της απόδοσης του αλγόριθµου. 5.8 Μελέτη της απόδοσης του αλγόριθµου LPM Σε αυτήν την ενότητα θα µελετήσουµε την απόδοση του προτεινόµενου αλγόριθµου µείωσης της κατανάλωσης (LPM) και την επίδραση του στην αποδοτικότητα του δικτύου µε εξοµοιώσεις. Οι εξοµοιώσεις γίνονται σε δίκτυα που αποτελούνται από 50 τυχαία κατανεµηµένους κόµβους σε µία τετραγωνική επιφάνεια 1000x1000 µέτρων. Οι κόµβοι του δικτύου κινούνται µε βάση το µοντέλο κίνησης random-way-point [68] µε µία µέση ταχύτητα η οποία µεταβάλλεται τυχαία από 0-10m/sec ενώ σε τυχαία χρονικά διάστηµα παραµένουν ακίνητοι για περιόδους που µεταβάλλονται από 0 ως 500sec. Στο φυσικό επίπεδο θεωρούµε τη χρήση ασύρµατων καρτών δικτύου τύπου IEEE b µε ρυθµό µετάδοσης 2Mbps και ισχύ µετάδοσης 100mW ενώ το µοντέλο διάδοσης στο φυσικό µέσο είναι το two-ray-ground. Για τη δροµολόγηση των πακέτων χρησιµοποιείται το πρωτόκολλο δροµολόγησης DSR, που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4, ενώ η στρατηγική δροµολόγησης είναι η επιλογή της συντοµότερης διαδροµής. Για την κατανάλωση ενέργειας χρησιµοποιήθηκαν οι τιµές της κάρτας δικτύου Orinoco του Πίνακα 5.2. Στην περίπτωση χρήσης του αλγορίθµου LPM θεωρούµε τις τιµές των παραµέτρων που παρουσιάστηκαν στο τµήµα 5.4. Τα αποτελέσµατα 105

120 Νικόλαος Β. Πόγκας που παρουσιάζονται είναι µέσες τιµές ενός µεγάλου αριθµού εξοµοιώσεων ώστε να επιβεβαιωθεί η εγκυρότητα των αποτελεσµάτων Κατανάλωση ενέργειας µε self-similar µοντέλο επικοινωνιακής κίνησης Θεωρούµε µία επικοινωνία µεταξύ 10 κόµβων πηγής και 10 διαφορετικών κόµβων προορισµού οι οποίοι είναι τυχαία κατανεµηµένοι στο δίκτυο. Οι επικοινωνιακές πηγές ακολουθούν το self-similar µοντέλο δηλαδή µεταβαίνουν µεταξύ ON και ΟFF διαστηµάτων µε µία κατανοµή Poison για µεταβαλλόµενες µέσες τιµές των OFF διαστηµάτων. Στο Σχ 5.14 παρατηρούµε ότι η χρήση του αλγόριθµου µειώνει σηµαντικά την κατανάλωση ενέργειας, ενώ η απόδοσή του αυξάνεται καθώς η επικοινωνιακή κίνηση γίνεται περισσότερο σποραδική, καθώς αυξάνεται ο αριθµός των κόµβων στο δίκτυο που εισέρχονται στην κατάσταση µειωµένης κατανάλωσης. Όταν δε χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος LPM, η κατανάλωση παραµένει σε σχετικά σταθερά επίπεδα καθώς αυτή προέρχεται κυρίως από τις αδρανείς καταναλώσεις P IDLE των ασύρµατων καρτών δικτύου. 12 Network Energy Consumption (Wh) no LPM LPM OFF Time (sec) Σχήµα 5.14 Συνολική κατανάλωση ενέργειας µε self-similar πηγές επικοινωνιακής κίνησης Η επίδραση του αριθµού επικοινωνιακών πηγών Όπως θα δούµε σε αυτή την ενότητα, ο αριθµός των επικοινωνιακών πηγών προκαλεί µεγαλύτερη επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας. Στο Σχ 5.15 παρουσιάζεται η κατανάλωση ενέργειας σε σχέση µε το ποσοστό των κόµβων του δικτύου που συµµετέχουν στην αποστολή ή λήψη πακέτων δεδοµένων. Η τοπολογία του δικτύου είναι όµοια µε τις παραπάνω εξοµοιώσεις ενώ η επικοινωνιακή κίνηση είναι τύπου συνεχής CBR µε ρυθµό 80Kbps. Στο Σχ 5.15 παρατηρούµε ότι στην περίπτωση που δε χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος LPM η κατανάλωση ενέργειας αυξάνεται µε ένα ποσοστό µικρότερο του 10%. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η κατανάλωση ενέργειας που οφείλεται στην αδρανή κατάσταση λειτουργίας των ασύρµατων καρτών δικτύου είναι συγκρίσιµη µε τις καταναλώσεις κατά τη µετάδοση και λήψη δεδοµένων. Εποµένως, η αύξηση της επικοινωνιακής κίνησης στο δίκτυο δεν προκαλεί σηµαντική αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, στην περίπτωση όπου χρησιµοποιείται ο LPM αλγόριθµος, η κατανάλωση αυξάνεται γραµµικά και συγκλίνει µε την κατανάλωση της περίπτωσης που δεν εφαρµόζεται ο αλγόριθµος. Αυτό οφείλεται στη µείωση του αριθµού των κόµβων που εισέρχονται στην ανενεργή κατάσταση λειτουργίας. Στην περίπτωση όπου όλοι οι κόµβοι συµµετέχουν στην επικοινωνία, ως κόµβοι πηγής ή κόµβοι προορισµού, παρατηρείται µία µείωση στην κατανάλωση ενέργειας του δικτύου της τάξεως 106

121 ιδακτορική ιατριβή του 15%, όπως φαίνεται από την διαφορά µεταξύ των καµπυλών. Αυτό οφείλεται σε φαινόµενα συµφόρησης στο δίκτυο. Λόγω της συµφόρησης γίνονται πολλές συγκρούσεις µε αποτέλεσµα να διακόπτεται η επικοινωνία για κάποια χρονικά διαστήµατα κατά τα οποία ένας αριθµός κόµβων εισέρχεται στην ανενεργή κατάσταση λειτουργίας µειώνοντας την συνολική κατανάλωση του δικτύου. 12 Network Energy Consumption (Wh) no LPM LPM Percent of Communicating Nodes (%) Σχήµα 5.15 Επίδραση του αριθµού επικοινωνιακών πηγών στην κατανάλωση Η επίδραση του συντελεστή επαναµεταδόσεων R Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζεται η επίδραση του συντελεστή επαναµεταδόσεων R στο συντελεστή αποδοτικότητας του αλγορίθµου P EFF. Σύµφωνα µε τη θεωρητική ανάλυση του αλγόριθµου, µε βάση το συντελεστή R µπορούν να επιλεγούν διαφορετικές παράµετροι για την υλοποίηση του αλγόριθµου. Στο Σχ 5.4 παρουσιάστηκε η µέγιστη τιµή της αποδοτικότητας για διαφορετικές τιµές του συντελεστή R. Σε αυτήν τη µελέτη έχει επιλεγεί ένα σύνολο από διαφορετικές παραµέτρους του αλγορίθµου για τιµές του συντελεστή R από 3 ως 9 και µετρούµε την αποδοτικότητα του αλγόριθµου για διαφορετικό αριθµό πηγών επικοινωνιακής κίνησης. Οι πηγές επικοινωνιακής κίνησης είναι τύπου CBR µε ρυθµό 80Kbps. Παρατηρούµε στο Σχ 5.16 ότι καθώς ο αριθµός επικοινωνιακών πηγών µειώνεται, η αποδοτικότητα P EFF πλησιάζει τη θεωρητική µέγιστη τιµή της, σύµφωνα µε το Σχ 5.4 αφού ο συντελεστής K DEV ισούται µε 0,91 (Πίνακας 5.2). Η αύξηση της αποδοτικότητας οφείλεται στην αύξηση του αριθµού των κόµβων στο δίκτυο οι οποίοι λειτουργούν στην κατάσταση µειωµένης κατανάλωσης. Όταν ο αριθµός των CBR πηγών γίνεται ίσος µε 20, ο αριθµός των αδρανών επικοινωνιακά κόµβων µειώνεται σηµαντικά και εµφανίζονται φαινόµενα συµφόρησης στο δίκτυο ενώ η κατανάλωση ενέργειας παρουσιάζει µία µείωση που κυµαίνεται από 10% ως 15%. Στην περίπτωση όπου η επικοινωνιακή κίνηση στο δίκτυο είναι χαµηλή (3 CBR πηγές) η κατανάλωση παρουσιάζει µία µείωση της τάξεως του 70%. Η µέγιστη θεωρητική τιµή που παρουσιάζεται στο Σχ 5.4 για R ίσο µε 7 είναι 0,85*0,91 = 0,77 η οποία πλησιάζει την τιµή που προκύπτει από τις εξοµοιώσεις. 107

122 Νικόλαος Β. Πόγκας CBR flows 5 CBR flows 10 CBR flows 20 CBR flows 0.5 Peff R Σχήµα 5.16 Ο συντελεστής αποδοτικότητας σε συνάρτηση του αριθµού επαναµεταδόσεων R και του αριθµού επικοινωνιακών πηγών στο δίκτυο Επίδραση της εφαρµογής του αλγόριθµου LPM στην απόδοση του δικτύου Στην ενότητα αυτή θα µελετήσουµε την επίδραση της εφαρµογής του αλγόριθµου LPM στην απόδοση ενός ad hoc δικτύου και συγκεκριµένα στο λόγο µεταβίβασης πακέτων και στο λόγο επιβάρυνσης του δικτύου. Μελετώντας τις τιµές του λόγου µεταβίβασης πακέτων θα εξακριβώσουµε αν ο αλγόριθµος προκαλεί απώλειες πακέτων ή δυσλειτουργίες στη δροµολόγηση πακέτων. Μελετώντας το λόγο επιβάρυνσης του δικτύου θα διαπιστώσουµε την επιπρόσθετη επιβάρυνση που προκύπτει στο δίκτυο εξαιτίας του µηχανισµού επαναµεταδόσεων. Ο λόγος µεταβίβασης πακέτων (delivery ratio) ορίζεται ως ο µέσος αριθµός (σε bytes) πληροφοριακών δεδοµένων που µεταδόθηκαν προς τον αριθµό δεδοµένων (σε bytes) που παραδόθηκαν (ενότητα 2.5). Στο Σχ 5.17 παρουσιάζεται ο συντελεστής µεταβίβασης πακέτων για ένα σύνολο από διαφορετικές παραµέτρους του αλγορίθµου µε τιµές του συντελεστή R από 3 ως 9. Στην εξοµοίωση έχουν χρησιµοποιηθεί 20 πηγές πληροφοριακής κίνησης τύπου CBR µε µεταβαλλόµενο ρυθµό από 40kbps ως 160kbps, ενώ η τοπολογία του δικτύου είναι στατική. Σκοπός της συγκεκριµένης εξοµοίωσης είναι να προσδιορίσουµε την επίδραση του αλγόριθµου LPM στη δροµολόγηση πακέτων, αυξάνοντας το ρυθµό της πληροφοριακής κίνησης προκαλούµε συµφόρηση στο δίκτυο µε αποτέλεσµα να χάνονται περισσότερα πακέτα και να µειώνεται ο λόγος µεταβίβασης ο οποίος εκφράζει την αποδοτικότητα του πρωτοκόλλου δροµολόγησης (ενότητα 2.6) καθώς επηρεάζεται από την ορθότητα και το χρόνο εύρεσης διαδροµών έπειτα από την εµφάνιση σφαλµάτων δροµολόγησης στο δίκτυο. Στην περίπτωση όπου ο συντελεστής R ισούται µε 0 δεν χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος LPM. Όταν ο ρυθµός µετάδοσης πληροφοριακών πακέτων στο δίκτυο είναι µικρότερος από 120kbps και στην περίπτωση όπου δεν χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος LPM (R=0) ο λόγος ισούται µε 1, εποµένως δεν χάνονται πακέτα δεδοµένων στο δίκτυο. Για τους ίδιους ρυθµούς µετάδοσης πληροφοριακών πακέτων και τιµές του συντελεστή R µεγαλύτερες από 5 παρατηρείται µία µικρή πτώση του λόγου µεταβίβασης η οποία οφείλεται κυρίως σε καθυστερήσεις εύρεσης διαδροµής λόγω των µεγαλύτερων τιµών της παραµέτρου T S. Ωστόσο, στην περίπτωση όπου ο ρυθµός µετάδοσης πληροφοριακών πακέτων γίνει 160kbps και αυξηθεί σηµαντικά η συµφόρηση στο δίκτυο, η χρήση του αλγόριθµου LPM φαίνεται να βελτιώνει το λόγο µεταβίβασης και ως εκ τούτου την απόδοση του δικτύου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο µηχανισµός εύρεσης διαδροµών λειτουργεί καλύτερα λόγω των επαναµεταδόσεων broadcast πακέτων τύπου Route Request. Στην περίπτωση όπου δεν χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος, η απώλεια Route Request µηνυµάτων είναι περισσότερο 108

123 ιδακτορική ιατριβή πιθανή σε ένα δίκτυο µε υψηλά επίπεδα συµφόρησης. Η απώλεια αυτών των πακέτων προκαλεί αποτυχία εύρεσης διαδροµής και το πρωτόκολλο δροµολόγησης απορρίπτει τα πληροφοριακά πακέτα που επρόκειτο να δροµολογήσει Delivery Ratio kbps 80kbps 120kbps kbps R Σχήµα 5.17 Ο λόγος µεταβίβασης πακέτων σε συνάρτηση του αριθµού επαναµεταδόσεων R και του ρυθµού µετάδοσης πληροφοριακών πακέτων στο δίκτυο Στο Σχ 5.18 παρουσιάζεται το ποσοστό αύξησης του λόγου επιβάρυνσης του δικτύου από τη χρήση του αλγόριθµου LPM. Ορίζουµε ως λόγο επιβάρυνσης (routing overhead) το συνολικό αριθµό πακέτων ελέγχου που µεταδόθηκαν (συγκεκριµένα, πακέτων ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης) προς το συνολικό αριθµό πακέτων ελέγχου και δεδοµένων που µεταδόθηκαν στο δίκτυο. Στο Σχ 5.18 συγκρίνουµε το λόγο αυτό στην περίπτωση χρήσης του αλγόριθµου µε την περίπτωση όπου δεν χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος LPM στο δίκτυο και παρουσιάζουµε το ποσοστό αύξησης (%) που προκαλείται από τη χρήση του αλγόριθµου LPM. Η χρήση του αλγόριθµου, και συγκεκριµένα του µηχανισµού επαναµεταδόσεων, προκαλεί µία επιβάρυνση στο δίκτυο η οποία οφείλεται στην επαναµετάδοση των Route Request µηνυµάτων του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Η µελέτη έγινε για ένα σύνολο από διαφορετικές παραµέτρους του αλγορίθµου, για τιµές του συντελεστή R από 3 ως 9, και µε µεταβαλλόµενο αριθµό από πηγές πληροφοριακής κίνησης τύπου CBR. Στην εξοµοίωση παρουσιάζονται µέσες τιµές για τρεις διαφορετικούς ρυθµούς µετάδοσης των πηγών CBR: 40kbps, 80kbps και 160kbps. Η αύξηση του αριθµού των πληροφοριακών πηγών αυξάνει τον αριθµό των διαδικασιών εύρεσης διαδροµής στο δίκτυο µε αποτέλεσµα να αυξάνεται και η επιβάρυνση λόγω των πακέτων ελέγχου του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. 109

124 Νικόλαος Β. Πόγκας Increased Routing Overhead (%) CBR flows 5 CBR flows 10 CBR flows 20 CBR flows R Σχήµα 5.18 Αύξηση της επιβάρυνσης από τη χρήση του αλγόριθµου LPM Στην περίπτωση όπου ο αριθµός των επικοινωνιακών πηγών είναι σχετικά µικρός στο δίκτυο, η χρήση του αλγόριθµου αυξάνει την επιβάρυνση µε ένα ποσοστό 1% ως 3%. Όταν ο αριθµός των επικοινωνιακών πηγών αυξάνεται και εµφανίζονται φαινόµενα συµφόρησης στο δίκτυο, η επιβάρυνση φτάνει σε ένα ποσοστό της τάξεως του 5%. Όπως αναµενόταν η επιβάρυνση του δικτύου αυξάνεται σε συνάρτηση της τιµής του συντελεστή R. 5.9 Εφαρµογή της PAR στρατηγικής δροµολόγησης σε συνδυασµό µε τον αλγόριθµο LPM Παρόλο που η χρήση του αλγόριθµου LPM µπορεί µειώσει την κατανάλωση ενέργειας των κόµβων σε ποσοστό ως 70% ο χρόνος ζωής του δικτύου µπορεί να µην αυξηθεί, δηλαδή ο χρόνος που µπορεί να εµφανιστεί κατάτµηση στο δίκτυο. Στο Σχ 5.19 παρουσιάζεται η κατανοµή της κατανάλωσης ενέργειας των κόµβων στο τέλος της εξοµοίωσης για ένα δίκτυο 50 κόµβων σε µία περιοχή 1000m x 1000m όπου η πληροφοριακή κίνηση αποτελείται από 5 TCP συνδέσεις χωρίς τη χρήση του αλγόριθµου LPM, ενώ στο Σχ 5.20 όταν χρησιµοποιείται Energy (Wh) Node ID Σχ 5.19 Κατανοµή κατανάλωσης ενέργειας των κόµβων χωρίς τη χρήση του LPM 110

125 ιδακτορική ιατριβή Energy (Wh) Node ID Σχ 5.20 Κατανοµή κατανάλωσης ενέργειας των κόµβων µε τη χρήση του LPM Παρατηρούµε ότι στην περίπτωση του Σχ 5.19 η κατανοµή της κατανάλωσης ενέργειας των κόµβων, σύµφωνα και µε τη στατιστική ανάλυση των δεδοµένων που παρουσιάζεται στον Πίνακα 5.4, εµφανίζει µικρή απόκλιση και διασπορά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κυριαρχεί η αδρανής κατάσταση λειτουργίας ως προς την κατανάλωση ενέργειας. Σε αυτήν την περίπτωση δεν απαιτείται η χρήση PAR στρατηγικών δροµολόγησης καθώς όλοι οι κόµβοι του δικτύου θα σταµατήσουν να λειτουργούν (λόγω εξάντλησης του ηλεκτρικού τους συσσωρευτή) µέσα σε ένα µικρό χρονικό διάστηµα. Ωστόσο, στην περίπτωση όπου χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος LPM η απόκλιση στην κατανάλωση των κόµβων παρουσιάζει µεγάλες τιµές. Οι κόµβοι οι οποίοι χρησιµοποιούνται για τη δροµολόγηση των πακέτων δεν µπορούν να λειτουργήσουν στην κατάσταση µειωµένης κατανάλωσης µε αποτέλεσµα να παρουσιάζουν µεγάλες καταναλώσεις σε σχέση µε τους υπόλοιπους κόµβους του δικτύου. Αντικειµενικός σκοπός της προτεινόµενης στρατηγικής PAR που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4 είναι η οµοιόµορφή κατανοµή της κατανάλωσης ενέργειας σε όλους τους κόµβους του δικτύου ώστε να µεγαλώσει ο χρόνος που µπορεί να εµφανιστεί κατάτµηση του δικτύου. Πίνακας 5.4 Στατιστικά στοιχεία της κατανάλωσης των Σχ 5.19 και Σχ 5.20 with LPM without LPM Mean Value Minimum Value Maximum Value Standard Deviation Variance E-06 Στο Σχ 5.21 παρουσιάζεται ο χρόνος λειτουργίας των κόµβων του δικτύου για το παραπάνω σενάριο. Ο κάθετος άξονας είναι ο χρόνος όπου οι κόµβοι θα σταµατήσουν τη λειτουργία τους και ο οριζόντιος η σειρά µε την οποία οι κόµβοι σταµατούν να λειτουργούν. Οι τιµές αυτές είναι ενδεικτικές καθώς θεωρούµε ότι οι κόµβοι έχουν πολύ µικρή χωρητικότητα ενέργειας στους ηλεκτρικούς τους συσσωρευτές. Στη γραφική παράσταση γίνεται σύγκριση τριών διαφορετικών περιπτώσεων: α) όταν χρησιµοποιείται το πρωτόκολλο του Κεφαλαίου 3 (τµήµα 3.6) χωρίς την στρατηγική PAR (τµήµα 4.5) και χωρίς τη χρήση του αλγόριθµού LPM ενώ η δροµολόγηση γίνεται µε βάση τη συντοµότερη διαδροµή (SPR). β) όταν στην παραπάνω περίπτωση χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος LPM (LPM & SPR) και γ) όταν χρησιµοποιείται ο αλγόριθµος LPM σε συνδυασµό µε τη στρατηγική PAR που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4 (LPM & PAR). Παρατηρούµε ότι στην πρώτη περίπτωση, όπως αναµενόταν, όλοι οι κόµβοι του δικτύου σταµατούν τη λειτουργία τους µέσα σε ένα 111

126 Νικόλαος Β. Πόγκας πολύ µικρό χρονικό διάστηµα. Η χρήση του αλγορίθµου LPM αυξάνει σηµαντικά το χρόνο ζωής των κόµβων στο δίκτυο. Ενώ, η χρήση του συνδυασµού των αλγορίθµων LPM και της στρατηγικής PAR παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσµατα, καθώς ο χρόνος λειτουργίας των κόµβων του δικτύου αυξάνεται σηµαντικά. Αυτό αποτελεί ένδειξη ότι ο χρόνος προτού επέλθει κατάτµηση του δικτύου θα αυξηθεί [107] SPR LPM & SPR LPM & PAR Expiration Time (s) Expiration Sequence Σχήµα 5.21 Χρόνος λειτουργίας των κόµβων του δικτύου Ωστόσο, η χρήση της PAR στρατηγικής αυξάνει, σε ένα µικρό ποσοστό, τη συνολική κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο καθώς επιλέγονται διαδροµές µε περισσότερα τµήµατα, οι οποίες ωστόσο περιλαµβάνουν κόµβους µε µεγαλύτερα επίπεδα ενέργειας. Στο Σχ 5.22 παρουσιάζεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας του δικτύου για τις τρεις παραπάνω περιπτώσεις ενώ χρησιµοποιείται το επικοινωνιακό σενάριο της ενότητας Στη γραφική παράσταση παρουσιάζεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο ως προς τον αριθµό των επικοινωνιακών συνδέσεων τύπου CBR µεταξύ κόµβων πηγής και κόµβων προορισµού.. Παρατηρούµε ότι η χρήση της στρατηγικής PAR αυξάνει για ένα µικρό ποσοστό την κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο σε σχέση µε τη στρατηγική δροµολόγησης µικρότερης διαδροµής SPR. Network Energy Consumption (Wh) Σχήµα 5.22 Συνολική κατανάλωση ενέργειας SPR LPM & SPR LPM & PAR Number of Flows 112

127 ιδακτορική ιατριβή 5.10 Συµπεράσµατα Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκε ένας αλγόριθµος για τη µείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Σκοπός του αλγόριθµου είναι η µείωση της κατανάλωσης η οποία οφείλεται στην αδρανή κατάσταση λειτουργίας της ασύρµατης κάρτας δικτύου, αυτό επιτυγχάνεται απενεργοποιώντας την κάρτα σε περιοδικά διαστήµατα όταν δεν λαµβάνει ή µεταδίδει πακέτα στο δίκτυο. Ο αλγόριθµος αυτός όταν χρησιµοποιείται σε ασύρµατες κάρτες δικτύου τύπου IEEE µπορεί να µειώσει την κατανάλωση τους ως 70%, ενώ παράλληλα, δεν επηρεάζεται σηµαντικά η αποδοτικότητα του δικτύου. Παρόλο που στη µελέτη εφαρµογής του εστιάσαµε στο πρότυπο IEEE , ο αλγόριθµος µπορεί να χρησιµοποιηθεί και σε άλλες ασύρµατες τεχνολογίες µετάδοσης. Ο προτεινόµενος αλγόριθµος χαµηλής κατανάλωσης µπορεί να υλοποιηθεί εύκολα και δεν απαιτεί τροποποιήσεις στο επίπεδο MAC, µε αποτέλεσµα να είναι δυνατή η χρήση του σε παρούσες και µελλοντικές υλοποιήσεις ασύρµατων καρτών δικτύου. Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα του αλγόριθµου είναι ότι δεν µεταδίδονται πακέτα ελέγχου σε αδρανείς επικοινωνιακά περιόδους µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η χωρητικότητα του δικτύου και να µειώνεται η κατανάλωση. Το βασικό µειονέκτηµα του αλγόριθµού είναι η αύξηση των πακέτων ελέγχου στο δίκτυο (1% ως 5%) εξαιτίας του µηχανισµού επαναµεταδόσεων. Η επιβάρυνση προκαλείται αποκλειστικά από broadcast πακέτα εύρεσης διαδροµής του πρωτοκόλλου δροµολόγησης τα οποία πληµµυρίζουν το δίκτυο. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα να αυξάνεται η επιβάρυνση του δικτύου και πιθανώς να εµφανιστούν φαινόµενα τοπικής συµφόρησης σε δυναµικές τοπολογίες. Καθώς η κατανάλωση ενέργειας µειώνεται σηµαντικά ο χρόνος ζωής του δικτύου, όταν χρησιµοποιείται το κριτήριο της συντοµότερης διαδροµής στη δροµολόγηση πακέτων, δεν αυξάνεται ανάλογα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι ίδιοι κόµβοι χρησιµοποιούνται για τη δροµολόγηση των πακέτων µε αποτέλεσµα να µειώνεται η ενέργεια τους και τελικά να σταµατούν τη λειτουργία του και να εµφανίζεται κατάτµηση του δικτύου. Εποµένως, η χρήση στρατηγικών δροµολόγησης µε ενεργειακά κριτήρια κρίνεται απαραίτητη στην περίπτωση εφαρµογής ενός αλγόριθµου χαµηλής κατανάλωσης. Ο συνδυασµός του αλγορίθµου µείωσης της κατανάλωσης µε τη στρατηγική επιλογής διαδροµών µε βάση σύνθετα κριτήρια, η οποία παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4, οδηγεί σε µία εξαιρετικά αποτελεσµατική και ενεργειακά αποδοτική λύση για την αύξηση του «χρόνου ζωής» ενός ad hoc δικτύου. 113

128 114 Νικόλαος Β. Πόγκας

129 ιδακτορική ιατριβή 6 Πρωτόκολλο διαχείρισης Ad-Hoc δικτύων Ανερχόµενες αρχιτεκτονικές ad hoc δικτύων καθώς και δικτύων αισθητήρων αποτελούν µαζικά κατανεµηµένα και εξαιρετικά πολύπλοκα δικτυακά συστήµατα αποτελούµενα από δεκάδες ή εκατοντάδες κόµβους, οι οποίοι πιθανώς έχουν διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας, απαιτήσεις ή παρέχουν διαφορετικές υπηρεσίες ή πληροφορίες. Σε ένα τέτοιο δυναµικό και περιορισµένων πόρων δικτυακό περιβάλλον το παραδοσιακό σχήµα manager/agent [95] δεν είναι ικανό να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις διαχείρισης δικτύου. Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναφέρουµε µια αρχιτεκτονική διαχείρισης η οποία αναπτύχθηκε ώστε να παρέχει προσαρµοστικότητα, αυτονοµία, επεκτασιµότητα, οικονοµία στους πόρους του δικτύου και υπηρεσίες επίβλεψης ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις διαχείρισης του δικτύου. Πρωτόκολλα διαχείρισης για ενσύρµατα ή στατικά δίκτυα λειτουργούν ικανοποιητικά µε συγκεκριµένα µοντέλα δικτύων και παρέχουν στο διαχειριστή (άτοµο, οντότητα ή υπηρεσία) πληροφορίες για την κατάσταση του δικτύου. Η διαχείριση ενός ad hoc δικτύου περιλαµβάνει διάφορες διαχειριστικές ενέργειες ώστε να αναπαρασταθεί ή να ελεγχθεί η κατάσταση του. Ωστόσο, σε αυτήν την περίπτωση το υποκείµενο δικτυακό µοντέλο και οι διαχειριστικές λειτουργίες διαφοροποιούνται καθώς ένα ad hoc δίκτυο έχει θεµελιακά διαφορετική αρχιτεκτονική και απαιτήσεις διαχείρισης από ένα συνηθισµένο ενσύρµατο δίκτυο. Συνεπώς, οι λειτουργίες που παρέχονται από πρωτόκολλα διαχείρισης ενσύρµατων δικτύων, όπως το SNMP (Simple Network Management Protocol) [107], πιθανώς δεν επαρκούν για τέτοιες αρχιτεκτονικές. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζουµε µερικά ζητήµατα που σχετίζονται µε την διαχείριση ad hoc δικτύων ή δικτύων αισθητήρων και προτείνουµε µία αρχιτεκτονική για τη διαχείριση τέτοιων δικτύων. Στην συνέχεια του κεφαλαίου ορίζεται η αρχιτεκτονική διαχείρισης, οι υπηρεσίες και τα στοιχεία που την αποτελούν και µηχανισµοί για την αποµακρυσµένη διαχείριση σταθµών σε ένα ad hoc δίκτυο. Το πρωτόκολλο διαχείρισης το οποίο αναπτύχθηκε, είναι ένα πρωτόκολλο χωρίς σύνδεση το οποίο χρησιµοποιεί διεργασίες του πρωτοκόλλου δροµολόγησης, στο επίπεδο δικτύου, για τη µεταβίβαση πληροφοριών διαχείρισης µεταξύ σταθµών σε ένα ad hoc περιβάλλον. Επίσης, περιγράφονται οι διαφορετικές διαχειριστικές λειτουργίες που παρέχει η συγκεκριµένη αρχιτεκτονική και ένας αποδοτικός αλγόριθµος εύρεσης της τοπολογίας ad hoc δικτύων και των εφαρµογών του για τη διασπορά και συσσώρευση πληροφορίας, την αρχικοποίηση ή σκανδαλισµό κόµβων και την ανάκτηση της κατάστασης του δικτύου. 6.1 Αρχιτεκτονικές διαχείρισης ad hoc δικτύων Η έρευνα σχετικά µε ad hoc δίκτυα έχει εστιάσει κυρίως σε προβλήµατα που αφορούν τη δροµολόγηση και το υποεπίπεδο προσπέλασης µέσου µε αποτέλεσµα άλλοι τοµείς όπως η διαχείριση δικτύων να µην έχουν δεχτεί την απαιτούµενη προσοχή. Τα λιγοστά πρωτόκολλα διαχείρισης που παρουσιάζονται στη διεθνή βιβλιογραφία αφορούν συγκεκριµένες δικτυακές αρχιτεκτονικές και είναι στενά συνδεδεµένα µε τα πρωτόκολλα δροµολόγησης τα όποια συνήθως είναι proactive ή ιεραρχικά µε αποτέλεσµα να µην έχουν µία γενερική και ανοιχτή αρχιτεκτονική. Στο Σχ 6.1 παρουσιάζονται διαφορετικές αρχιτεκτονικές διαχείρισης. Στο Σχ 6.1.α παρουσιάζεται η κλασική αρχιτεκτονική διαχείρισης ενσύρµατων δικτύων, όπου ο manager επικοινωνεί απευθείας µε τους agents του δικτύου. Στο Σχ 6.1.β η τοπολογία του δικτύου χωρίζεται ιεραρχικά σε clusters όπου ο κάθε cluster-head αποτελεί έναν manager. Οι managers επικοινωνούν µεταξύ τους για να διαχειριστούν ολόκληρο το δίκτυο. Στην 115

130 Νικόλαος Β. Πόγκας αρχιτεκτονική αυτή [97] υλοποιείται ένα πρωτόκολλο διαχείρισης ad hoc δικτύων το οποίο εισάγει την έννοια της cluster-based διαχείρισης κατά την οποία οι κόµβοι του δικτύου συµµετέχουν στην ανάπτυξη οµάδων (cluster) στο δίκτυο και στη διαδικασία εκλογής clusterheads. Η διαχείριση στηρίζεται σε µία ιεραρχική προσέγγιση όπου οι cluster-heads συλλέγουν πληροφορίες διαχείρισης από τα µέλη της οµάδας µε ένα συγκεντρωτικό τρόπο. Στο Σχ 6.1.γ το δίκτυο χωρίζεται αυτόνοµα σε οµάδες όπου κάθε οµάδα περιέχει τουλάχιστον έναν manager ο οποίος διαχειρίζεται την οµάδα. Ο supervisor του δικτύου επικοινωνεί µε τους managers για να διαχειριστεί ολόκληρο το δίκτυο. Στην αρχιτεκτονική αυτή [96] υπάρχει ένας κεντρικός σταθµός (supervisor), ο οποίος έχει αρµοδιότητες διαχείρισης υψηλότερου επιπέδου, ο supervisor ρυθµίζει και κατανέµει πολιτικές διαχείρισης (management policies) σε µια οµάδα αυτόνοµων managers οι οποίοι δηµιουργούν µια υποδοµή στην οποία συνεργάζονται µεταξύ τους για να παρέχουν και να εκτελούν διαχειριστικές λειτουργίες. Οι κόµβοι χωρίζονται σε οµάδες µε τουλάχιστον έναν manager σε κάθε οµάδα. Οι managers συνεργάζονται αυτόνοµα για να διαχειριστούν ολόκληρο το δίκτυο χωρίς καµία βοήθεια από εξωτερικές οντότητες όπως ο supervisor. Οι κόµβοι µεταδίνουν περιοδικά broadcast µηνύµατα ώστε να αναπτυχθεί η τοπολογία διαχείρισης και να επιλεγούν οι managers της κάθε οµάδας. Ωστόσο καµία από τις παραπάνω αρχιτεκτονικές δεν θεωρείται ικανοποιητική για τους παρακάτω λόγους: Η απευθείας επικοινωνία (Σχ 6.1.α), µε χρήση της υποδοµής δροµολόγησης, ενός manager µε κάθε κόµβο του δικτύου θα προκαλούσε υπερβολική επιβάρυνση (overhead) στο δίκτυο. Αντίθετα, σε πρωτόκολλα διαχείρισης ad hoc δικτύων, η πληροφορία συγκεντρώνεται σε ενδιάµεσους κόµβους και προωθείται συνολικά προς τον εκάστοτε manager Η δηµιουργία και διατήρηση µίας ιεραρχικής δοµής (Σχ 6.1.β) σε ένα ad hoc δίκτυο απαιτεί ιεραρχικά πρωτόκολλα δροµολόγησης και είναι δύσκολο να διατηρηθεί σε δυναµικά δικτυακά περιβάλλοντα, δηλαδή σε δίκτυα στα οποία παρατηρείται υψηλή κινητικότητα των κόµβων. Ο χωρισµός του δικτύου σε αυτόνοµες οµάδες διαχείρισης (Σχ 6.1.γ) απαιτεί την περιοδική µετάδοση µηνυµάτων µεταξύ των κόµβων της κάθε οµάδας ώστε να διατηρηθεί η συνοχή και η δοµή της οµάδας µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η επιβάρυνση και η κατανάλωση ενέργειας άσκοπα. Στην αρχιτεκτονική διαχείρισης η οποία αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής εφαρµόζεται µία περισσότερο κατανεµηµένη προσέγγιση κατά την οποία κάθε κόµβος του δικτύου έχει δυνατότητες διαχείρισης δηλαδή είναι και manager και agent. Οι λειτουργίες διαχείρισης ακολουθούν το σχήµα ενός on-demand reactive πρωτοκόλλου δροµολόγησης µε αποτέλεσµα όλοι οι κόµβοι να συνεργάζονται για τη συλλογή πληροφοριών διαχείρισης στο δίκτυο µε ένα δυναµικό τρόπο ο οποίος προσαρµόζεται στις αιτήσεις διαχείρισης χωρίς να απαιτούνται περιοδικές µεταδόσεις πακέτων (οι οποίες αυξάνουν την επιβάρυνση του δικτύου) ή πρωτόκολλα ιεραρχικής δοµής για το διαχωρισµό του δικτύου σε οµάδες και την εκλογή manager σε κάθε οµάδα, καθώς τα πρωτόκολλα αυτά παρουσιάζουν αστάθεια και επιβάρυνση του δικτύου σε δυναµικές τοπολογίες. Στο Σχ 6.1.δ παρουσιάζεται η προτεινόµενη αρχιτεκτονική στην οποία ο κάθε κόµβος υποστηρίζει λειτουργίες διαχείρισης µε αποτέλεσµα να συνεργάζονται όλοι οι κόµβοι για τη διαχείριση του δικτύου. Αυτή η αρχιτεκτονική, όπως παρουσιάζεται στη συνέχεια, περιορίζει την επιβάρυνση του δικτύου και έχει µία καθαρά reactive συµπεριφορά, δηλαδή δεν µεταδίδονται περιοδικά πακέτα διαχείρισης και η κίνηση πακέτων διαχείρισης στο δίκτυο εµφανίζεται µονάχα όταν απαιτούνται λειτουργίες διαχείρισης από κάποιον manager. 116

131 ιδακτορική ιατριβή Manager Agent α) β) Supervisor Manager + Agent Management Operations Communication link γ) δ) Σχήµα 6.1 ιαφορετικές αρχιτεκτονικές διαχείρισης ad hoc δικτύων. 6.2 Λειτουργίες διαχείρισης σε Ad hoc δίκτυα Ως λειτουργίες διαχείρισης δικτύου ορίζονται οι λειτουργίες που υποστηρίζουν εφαρµογές διαχείρισης και επιτρέπουν σε τέτοιες εφαρµογές να χειρίζονται πόρους του ad hoc δικτύου. Το OSI Management Framework [101] θεωρεί τις λειτουργίες διαχείρισης ως δραστηριότητες του επιπέδου εφαρµογής, που σχετίζονται µε τη διαχείριση, τη χρήση πόρων και την επίβλεψη της κατάστασης και στα εφτά επίπεδα της ιεραρχίας πρωτοκόλλων. Σαν αποτέλεσµα η διαχείριση του δικτύου απαιτεί πρωτόκολλα του επιπέδου εφαρµογής που µε τη σειρά του συνεπάγεται τη χρήση υπηρεσιών µε σύνδεση στη στοίβα επικοινωνιακών πρωτοκόλλων OSI. Ωστόσο, όπως παρουσιάζεται στη συνέχεια της ενότητας, αυτή η αρχιτεκτονική σε ad hoc δίκτυα δεν είναι αποδοτική. Οι τυπικές ενέργειες διαχείρισης σε ένα ad hoc δίκτυο περιλαµβάνουν: 1) ιαχείριση, ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση πόρων των σταθµών του δικτύου. 2) Αναφορά της κατάστασης, αλλαγών κατάστασης, και στατιστικών στοιχείων σταθµών του δικτύου. 3) Ανίχνευση σφαλµάτων ή δυσλειτουργιών, διάγνωση και επανάκτηση (recovery) του δικτύου. 4) Εύρεση της τοπολογίας του δικτύου. 117

132 Νικόλαος Β. Πόγκας Στις παραπάνω περιπτώσεις δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί κάποιο πρωτόκολλο του επιπέδου µεταφοράς καθώς ο σταθµός προορισµού δεν είναι προκαθορισµένος. Εποµένως, τέτοιες λειτουργίες διαχείρισης απαιτούν το πρωτόκολλο διαχείρισης να χρησιµοποιεί υπηρεσίες χωρίς σύνδεση χαµηλότερων επιπέδων όπως του επιπέδου δικτύου και σύνδεσης δεδοµένων. Ένας άλλος λόγος είναι ότι οι κόµβοι του δικτύου µπορεί να αποτελούνται από σταθµούς µε περιορισµένες δυνατότητες (µνήµη, επεξεργαστική ισχύς) οι οποίοι δεν υλοποιούν κάποιο πρωτόκολλο στο επίπεδο µεταφοράς. Το OSI Management Framework [101] παρέχει λειτουργίες διαχείρισης µέσω πρωτοκόλλων διαχείρισης (Ν)-επιπέδων, τα οποία καλύπτουν την περίπτωση κάποια επίπεδα της ιεραρχίας πρωτοκόλλων να µην διαθέτουν υπηρεσίες διαχείρισης ή οι υπηρεσίες αυτές να υλοποιούνται εξολοκλήρου εσωτερικά σε κάποιο επίπεδο. Το πρωτόκολλο διαχείρισης IEEE 802.1B [102] ορίζεται επίσης ως ένα πρωτόκολλο (N)-επιπέδων το οποίο όµως σχετίζεται αποκλειστικά µε τη διαχείριση των επιπέδων 1 και 2 σε περιβάλλοντα LAN/MAN. Το πρωτόκολλο αυτό απαιτεί µόνο τις υπηρεσίες των δύο χαµηλότερων επιπέδων (Φυσικό και Σύνδεσης- εδοµένων) για την ανταλλαγή πληροφοριών διαχείρισης µεταξύ των σταθµών. Η προτεινόµενη αρχιτεκτονική για την διαχείριση ad hoc δικτύων και δικτύων αισθητήρων ορίζεται επίσης ως ένα πρωτόκολλο (Ν)-επιπέδων το οποίο όµως χρησιµοποιεί υπηρεσίες του πρωτοκόλλου δροµολόγησης (επίπεδο δικτύου), το οποίο περιγράφεται στα Κεφάλαια 3 και 4, για την ανταλλαγή πληροφοριών διαχείρισης µεταξύ των σταθµών. Στο Σχ 6.2 παρουσιάζεται η επικοινωνιακή διαστρωµάτωση της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής διαχείρισης η οποία αποτελείται από ένα πρωτόκολλο διαχείρισης Ν-επιπέδων και ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας που ονοµάζεται ως Ad hoc Network Management Protocol (ANMP) το οποίο έχει υλοποιηθεί στο επίπεδο δικτύου και χρησιµοποιεί υπηρεσίες χωρίς σύνδεση και µηχανισµούς του πρωτοκόλλου δροµολόγησης για την ανταλλαγή πληροφοριών. Στο σχήµα αυτό η αρχιτεκτονική διαχείρισης χρησιµοποιήθηκε για τη διαχείριση των επιπέδων εφαρµογής, δικτύου και σύνδεσης δεδοµένων. APPLICATION PRESENTATION SESSION TRANSPORT NETWORK DATA LINK APPLICATION TCP ANMP ROUTING IP LLC / MAC NETWORK MANAGEMENT PHYSICAL PHYSICAL Σχήµα 6.2 Το πρωτόκολλο διαχείρισης ANMP και η επικοινωνιακή διαστρωµάτωση 6.3 Προτεινόµενη αρχιτεκτονική Σε κάθε σταθµό του δικτύου υπάρχουν στοιχεία που σχετίζονται µε λειτουργίες επικοινωνίας και στοιχεία που σχετίζονται µε λειτουργίες διαχείρισης. Σε αυτήν την ενότητα περιγράφονται οι απαιτήσεις διαχείρισης ενός σταθµού και οι επικοινωνιακές υπηρεσίες και τα πρωτόκολλα που απαιτούνται για το σκοπό της διαχείρισης του δικτύου. Στο Σχ 6.3 παρουσιάζονται οι λειτουργικές οντότητες της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής. Η υπηρεσία ANMS (Ad-hoc Network Management Service), ορίζει την υπηρεσία που είναι διαθέσιµη στο χρήστη της αρχιτεκτονικής διαχείρισης ενός σταθµού ANMU (Ad-hoc Network Management User) και εξυπηρετεί τη διάφανη επικοινωνία του µε κάποια άλλη οντότητα ANMU στο 118

133 ιδακτορική ιατριβή δίκτυο. Η υπηρεσία ANMS χρησιµοποιεί ένα απλό σύνολο συµβόλων και κανόνων µε σκοπό την αναπαράσταση και ανταλλαγή δεδοµένων µεταξύ διαφορετικών οντοτήτων ANMU. Τα σύµβολα αυτά και οι κανόνες αποτελούν ένα υποσύνολο των στοιχειωδών υπηρεσιών που ορίζονται από το Common Management Information Service (CMIS) (ISO/IEC 9595 : 1991). Η οντότητα ANMP (Ad hoc Network Management Protocol) αποτελεί ένα πρωτόκολλο το οποίο έχει υλοποιηθεί ως προέκταση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης που περιγράφεται στα Κεφάλαια 3 και 4. Η υπηρεσία ANMS χρησιµοποιεί διεργασίες και πλαίσια δεδοµένων (PDU s) του πρωτοκόλλου ANMP µε ένα διάφανο τρόπο για την επικοινωνία µε άλλες υπηρεσίες ANMS. Η οντότητα ANMP ουσιαστικά αποτελεί ένα πρωτόκολλο του επιπέδου δικτύου το οποίο χρησιµοποιείται για την ανταλλαγή πληροφοριών µεταξύ των υπηρεσιών ANMS και χρησιµοποιεί το πρωτόκολλο δροµολόγησης. Σε ενσύρµατα δίκτυα δεδοµένων (IEEE 802 LAN/MAN) τέτοιες οντότητες πρωτοκόλλου διαχείρισης χρησιµοποιούν υπηρεσίες χωρίς-επιβεβαίωση χωρίς-σύνδεση του επιπέδου λογικής σύνδεσης δεδοµένων (LLC). ANMU User ANMU User ANMS Service MANAGEMENT OPERATIONS ANMS Service ANMP Protocol MANAGEMENT PROTOCOL ANMP Protocol Routing Protocol ROUTING PROTOCOL Routing Protocol Σχήµα 6.3 Οι λειτουργικές οντότητες της αρχιτεκτονικής διαχείρισης 6.4 Εργασίες διαχείρισης Ένα στοιχείο το οποίο βρίσκεται εντός ενός επιπέδου OSI ονοµάζεται υποσύστηµα του επιπέδου (layer subsystem). Εντός ενός τέτοιου υποσυστήµατος υπάρχουν πόροι, όπως µηχανές πεπερασµένων καταστάσεων που υλοποιούν κάποιο πρωτόκολλο, οι οποίες παρέχουν τις επικοινωνιακές λειτουργίες του επιπέδου. Για λόγους διαχείρισης, ίσως είναι απαραίτητο να παρέχονται µέσα διαχείρισης και επίβλεψης της λειτουργίας υποσυστηµάτων ενός επιπέδου και των στοιχείων τους. Αυτό επιτυγχάνεται από την διαχειριστική λειτουργικότητα η οποία παρέχει µία διαχειριστική εικόνα ενός υποσυστήµατος του επιπέδου. Αυτή η λειτουργικότητα παρέχει πληροφορίες διαχείρισης σχετικά µε το υποσύστηµα, επιδρά σε αυτό µε προκαθορισµένο τρόπο και υποδεικνύει την εµφάνιση συγκεκριµένων γεγονότων εντός αυτού. Αυτή η λειτουργικότητα ορίζεται και υλοποιείται µέσω ενός ή περισσοτέρων διαχειριζόµενων αντικειµένων (managed objects) τα οποία παρέχουν τη διαχειριστική εικόνα των πόρων του υποσυστήµατος. Το OSI Management Framework (ISO 7498 : 1984) περιγράφει την έννοια της Βάσης Πληροφοριών ιαχείρισης - Management Information Base (MIB), που αντιστοιχεί στο σύνολο των διαχειριζοµένων αντικειµένων του συστήµατος και των πληροφοριών που σχετίζονται µε αυτά. Στην συνέχεια 119

134 Νικόλαος Β. Πόγκας περιγράφουµε τη δηµιουργία µίας τέτοιας βάσης µε τη χρήση της αρχιτεκτονικής διαχείρισης που περιγράφει τον ενεργειακό χάρτη του δικτύου. Όταν η µονάδα ANMU είναι σε κάποιον αποµακρυσµένο σταθµό σε σχέση µε τα διαχειριζόµενα αντικείµενα η αλληλεπίδραση αυτή γίνεται µέσω της υπηρεσίας ANMS ώστε να επιτευχθεί η επικοινωνία µε την οµότιµη οντότητα ANMU στον αποµακρυσµένο σταθµό. Αυτή η επικοινωνία περιγράφεται ανάλογα µε το ρόλο που παίζει κάθε οντότητα ANMU στην ανταλλαγή της πληροφορίας διαχείρισης µε τους όρους Manager ή Agent. Οι διεργασίες διαχείρισης Manager και Agent είναι χρήστες της υπηρεσίας ANMS και για αυτόν το λόγο ονοµάζονται ως Ad-hoc Network Management Users ANMU. Οι όροι Manager και Agent χρησιµοποιούνται για να περιγράψουν το ρόλο που παίζει κάθε διεργασία στην ανταλλαγή πληροφοριών διαχείρισης δικτύου. Ο Manager αιτεί (requests) την εκτέλεση διαχειριστικών εργασιών από ένα αποµακρυσµένο ANMU, τον Agent. Ο Agent διεκπεραιώνει τις αιτούµενες εργασίες που αφορούν διαχειριζόµενα αντικείµενα (managed objects) τοπικά σε αυτόν και απαντά επιστρέφοντας τυχόν αποτελέσµατα στον Manager. Ωστόσο, ο Agent µε βάση πληροφορίες ελέγχου πρόσβασης που διαθέτει εσωτερικά µπορεί να απορρίψει την εκτέλεση αιτούµενων εργασιών από κάποιον Manager. Ένα διαχειριζόµενο αντικείµενο µπορεί ανά τακτά χρονικά διαστήµατα να αποστέλλει γνωστοποίηση (notification) η οποία περιέχει πληροφορίες που σχετίζονται µε κάποια γεγονότα που συνέβησαν εντός του διαχειριζόµενου αντικειµένου. Ο Agent µε βάση πληροφορίες που διαθέτει µπορεί να αποφασίσει αν θα πρέπει να προωθήσει κάποια µορφή αναφοράς συµβάντων (event report) προς κάποιον Manager. Στο Σχ 6.5 παρουσιάζεται η εκκίνηση της επικοινωνιακής δραστηριότητας από κάποιο γεγονός στον agent και όχι έπειτα από αίτηση του manager. Ωστόσο στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική δεν υποστηρίζεται αυτή η µορφή επικοινωνίας µεταξύ ενός agent και ενός manager για τους παρακάτω λόγους: Ο αριθµός των agents µπορεί να είναι µεγάλος µε αποτέλεσµα, αν ο ρυθµός των notifications είναι υψηλός, θα αυξηθεί η επιβάρυνση του δικτύου. Επίσης, συνήθως σε ad hoc δίκτυα υπάρχει ένας manager και πολλοί αυτόνοµοι agents µε αποτέλεσµα η διαχειριστική επικοινωνία που προκαλείται από τους agents (λόγω κάποιων γεγονότων σε διαχειριζόµενα αντικείµενα του δικτύου) είναι δύσκολο να προβλεφθεί. Κάτι τέτοιο στη χειρότερη περίπτωση θα µπορούσε να προκαλέσει τη συµφόρηση ή δυσλειτουργία των επικοινωνιών στο δίκτυο. Επίσης καθώς η τοπολογία του δικτύου είναι δυναµική, µια περιοδική αποστολή αναφοράς συχνά θα έχει ως παραλήπτη έναν manager για τον οποίο η διαδροµή δροµολόγησης δεν είναι γνωστή ή δεν ισχύει πλέον, µε αποτέλεσµα να προκαλείται επιβάρυνση στο πρωτόκολλο δροµολόγησης το οποίο θα πρέπει να βρει µία νέα διαδροµή προς το συγκεκριµένο manager. Εποµένως στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική υποστηρίζεται µόνο η µορφή επικοινωνίας που παρουσιάζεται στο Σχ 6.4, δηλαδή κατόπιν αίτησης του manager προς τον agent. Σε ένα περιβάλλον που συνυπάρχουν περισσότεροι του ενός manager, οι managers και οι agents µπορούν να οµαδοποιηθούν λογικά σε διαχειριζόµενους τοµείς (management domains) ώστε να καθοριστεί ποιοι manager(s) µπορούν να αιτούν εργασίες σε συγκεκριµένους agent(s). Ωστόσο στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική θεωρούµε ότι όλοι οι σταθµοί ενός ad hoc δικτύου είναι Agents και επίσης όλοι οι σταθµοί µπορούν να έχουν ταυτόχρονα και το ρόλο του Manager, αν αυτό απαιτείται από το σενάριο διαχείρισης του δικτύου. 120

135 ιδακτορική ιατριβή ANMU ANMS ANMPE ANMS ANMU MANAGED OBJECTS BUNDARY MANAGER REQ CONF ANMP IND RSP AGENT OPERATIONS RESULTS MANAGED OBJECT Σχήµα 6.4 Επικοινωνία έπειτα από αίτηση ενός manager ANMU ANMS ANMPE ANMS ANMU MANAGED OBJECTS BUNDARY MANAGER IND RESP ANMP REQ CONF AGENT NOTIFICATIONS MANAGED OBJECT Σχήµα 6.5 Αποστολή notification από τον agent προς στον manager 6.5 Πληροφορίες διαχείρισης Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται κάποια µοντέλα περιγραφής ενός ad hoc δικτύου τα οποία µπορούν να αναπαρασταθούν από πληροφορίες διαχείρισης που αποθηκεύονται στη βάση MIB (Management Information Base) ενός manager στο δίκτυο. Για την ενηµέρωση της MIB µε την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου, ο manager θα πρέπει να συγκεντρώσει πληροφορίες που τον ενδιαφέρουν. Κάθε τέτοια µέτρηση ή συγκέντρωση πληροφοριών εµπεριέχει και ένα χωρικό και χρονικό σφάλµα. Για να αποκτήσει µία πιο έγκυρη κατάσταση του δικτύου, θα πρέπει να «βολιδοσκοπεί» το δίκτυο σε µικρότερα διαστήµατα. Καθώς κάθε βολιδοσκόπηση προκαλεί επιβάρυνση στο δίκτυο και απαιτεί κάποιο ποσό ενέργειας το οποίο καταναλώνεται συνολικά στο δίκτυο, έχει ως αποτέλεσµα και την µερική αλλαγή της κατάστασης του δικτύου. Εποµένως όσο αυξάνεται η ακρίβεια αναπαράστασης της κατάστασης του δικτύου από την MIB τόσο αυτή η διαδικασία προκαλεί την αλλαγή αυτής της κατάστασης. Αυτό το ονοµάζουµε ως «αρχή αβεβαιότητας» του ad hoc δικτύου και ισχύει γενικώς για όλα τα φυσικά συστήµατα, ωστόσο, στην περίπτωση των ad hoc δικτύων, η επίδραση του είναι αρκετά σηµαντική λόγω των περιορισµένων πόρων που διαθέτουν (ενέργεια, διεκπεραιωτική ικανότητα, κλπ ). Στη συνέχεια παρουσιάζονται κάποια από τα µοντέλα περιγραφής της κατάστασης του δικτύου τα οποία µπορούν να αναπαρασταθούν από τη βάση MIB της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής διαχείρισης. ικτυακή Τοπολογία: Περιγράφει ένα χάρτη µε τις τρέχουσες διασυνδέσεις του δικτύου και θα µπορούσε να χρησιµεύσει στη δροµολόγηση πακέτων ή την τοποθέτηση νέων κόµβων στο δίκτυο. Επίσης παρέχει τον αριθµό των ενεργών κόµβων, δηλαδή κόµβων που είναι δυνατή η επικοινωνία µαζί τους, και τη διεύθυνση δικτύου που αυτοί έχουν. Μία τέτοια πληροφορία είναι ζωτικής σηµασίας όταν ο διαχειριστής ή κάποια οντότητα επιθυµεί την επικοινωνία µε κόµβους του δικτύου αλλά δεν γνωρίζει τις διευθύνσεις ή την ύπαρξη τους στο δίκτυο. Αυτός είναι άλλωστε και ο βασικός λόγος που οδήγησε στην υλοποίηση της συγκεκριµένης αρχιτεκτονικής διαχείρισης. Ενεργειακός Χάρτης: Παρέχει τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρικών συσσωρευτών των κόµβων του δικτύου. Σε συνδυασµό µε τη δικτυακή τοπολογία µπορεί να προσδιορίσει περιοχές του δικτύου οι οποίες είναι «ευάλωτες» ενεργειακά και να προβλέψει µία 121

136 Νικόλαος Β. Πόγκας µελλοντική κατάτµηση του δικτύου η οποία θα προκληθεί από κόµβους οι οποίοι θα σταµατήσουν να λειτουργούν λόγω εξάντλησης των συσσωρευτών τους. Μοτίβο Χρήσης: Περιγράφει την επικοινωνιακή δραστηριότητα στο δίκτυο και βασίζεται σε στατιστικά στοιχεία των κόµβων σχετικά µε τη µετάδοση ή προώθηση πακέτων δεδοµένων. Αυτό το µοντέλο µπορεί να βοηθήσει στην ανακάλυψη κάποιων σηµείων στα οποία παρατηρείται τοπική συµφόρηση στο δίκτυο («hot spots»). Χάρτης πόρων του δικτύου: Περιγράφει τις υπηρεσίες, τις λειτουργίες ή τους πόρους των κόµβων του δικτύου. Αυτή η πληροφορία αφορά αποκλειστικά το επίπεδο εφαρµογής και δίνει τη δυνατότητα ανάπτυξης κατανεµηµένων εφαρµογών µε τη χρήση του πρωτοκόλλου διαχείρισης σε περιβάλλοντα ad hoc δικτύων ή δικτύων αισθητήρων. Ουσιαστικά οι πόροι του δικτύου µπορούν να βρεθούν από λειτουργίες resource-discovery στο δίκτυο, οι οποίες παρέχονται από το πρωτόκολλο διαχείρισης όπως θα δούµε στην συνέχεια. 6.6 Η υπηρεσία διαχείρισης ANMS Η υπηρεσία ANMS (Ad hoc Network Management Service) αποτελεί τη διεπαφή των οντοτήτων ANMU δηλαδή των Managers και Agents µε το πρωτόκολλο διαχείρισης. Επίσης, η υπηρεσία αυτή προσφέρει ένα σύνολο τύπων, µία σύνταξη παρουσίασης δεδοµένων και αιτήσεις διεκπεραίωσης εντολών για τη διάφανη επικοινωνία µεταξύ των Managers και των Agents. εδοµένου ότι η υπηρεσία ANMS στηρίζεται στο πρωτόκολλο επικοινωνίας χωρίς σύνδεση ANMP, παρέχει στις οντότητες ANMU ένα µηχανισµό αναφοράς σφαλµάτων ώστε να υποδεικνύει αποτυχίες επικοινωνίας και λειτουργίες που δεν υποστηρίζονται. Η υπηρεσία αυτή παρέχει τις παρακάτω λειτουργίες: 1) Εύρεση διαχειριζόµενων αντικειµένων στο δίκτυο 2) Αναφορά σφαλµάτων σχετικά µε επανάληψη πληροφοριών 3) Αναφορά σφαλµάτων σχετικά µε ανίχνευση πληροφοριών εκτός χρονικής σειράς 4) Αναφορά σφαλµάτων σχετικά µε απώλεια πληροφορίας ή αδυναµία επικοινωνίας 5) Μηχανισµούς που βελτιώνουν την αξιοπιστία και αποδοτικότητα της διαχειριστικής επικοινωνίας για ανταλλαγή πληροφοριών µε επιβεβαίωση 6) Μηχανισµούς για την διασπορά αιτήσεων προς πολλαπλά διαχειριζόµενα αντικείµενα. 7) Μηχανισµούς για την συσσώρευση αναφορών από πολλαπλά διαχειριζόµενα αντικείµενα. Η λειτουργία 1 παρέχεται µέσω του συνδυασµού των λειτουργιών 5 και 6. Οι λειτουργίες 2 και 3 παρέχονται από πληροφορίες που µεταφέρονται σε πεδία των πακέτων του πρωτοκόλλου ANMP των οντοτήτων διαχείρισης. Συγκεκριµένα οι αιτήσεις και οι αναφορές που ανταλλάσσονται µεταξύ ενός manager και ενός agent είναι συσχετισµένες µε ένα µοναδικό αριθµό σειράς ο οποίος µεταφέρεται σε συγκεκριµένο πεδίο της επικεφαλίδας των πακέτων του πρωτοκόλλου ΑNMP. Η λειτουργία 4 παρέχεται µέσω του µηχανισµού σφάλµατος δροµολόγησης του πρωτοκόλλου δροµολόγησης το οποίο δηµιουργείται έπειτα από αποτυχηµένη δροµολόγηση ενός πακέτου ΑNMP προς τον τελικό του προορισµό. H λειτουργία 5 παρέχεται από µηχανές πεπερασµένων καταστάσεων, χρονο-µετρητές και µηχανισµούς µετάδοσης του πρωτοκόλλου διαχείρισης ANMP και του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. 122

137 ιδακτορική ιατριβή Τα στοιχεία της υπηρεσίας διαχείρισης ANMS Η οντότητα υπηρεσίας διαχείρισης ANMS παρέχει τα παρακάτω στοιχεία υπηρεσίας για τη διάφανη επικοινωνία των οντοτήτων διαχείρισης. Τα στοιχεία υπηρεσίας είναι κοινά και τυποποιηµένα σε όλες τις οντότητες και είναι ανεξάρτητα των διαχειριστικών λειτουργιών ή των πληροφοριών διαχείρισης που ανταλλάσσονται. Η οντότητα ANMS ορίζει τα παρακάτω στοιχεία υπηρεσίας για την εκτελέσει διαχειριστικών λειτουργιών: Αίτηση για εκτέλεση διαχειριστικής ενέργειας σε διαχειριζόµενο αντικείµενο (management action). ηµιουργία (ενεργοποίηση) διαχειριστικού αντικειµένου (management create). ιαγραφή (απενεργοποίηση) διαχειριστικού αντικειµένου (management delete). Αναφορά σφάλµατος σχετικό µε την αιτούµενη εκτέλεση διαχειριστικής λειτουργίας (management error report). Αίτηση ανάκτησης τιµής διαχειριζόµενης µεταβλητής (management get). Αίτηση ανάθεσης τιµής σε διαχειριζόµενη µεταβλητή (management set). Οι υπηρεσίες αυτές µπορεί να είναι µε επιβεβαίωση η χωρίς επιβεβαίωση ανάλογα µε τον τύπο της υπηρεσίας και τη διαχειριζόµενη µεταβλητή ή αντικείµενο που αφορούν, όπως παρουσιάζεται στον Πίνακα 6.1 Πίνακας 6.1 Στοιχεία υπηρεσίας ANMS Επίσης κάποιες από τις υπηρεσίες αυτές αφορούν αποκλειστικά διαχειριζόµενα αντικείµενα ή διαχειριζόµενες µεταβλητές ή και τα δύο (Πίνακας 6.2) 123

138 Νικόλαος Β. Πόγκας Πίνακας 6.2 Λειτουργίες διαχείρισης και υπηρεσίες Operation / Notification Service Type Get Attribute Value M-GET Attribute Related Replace Attribute Value M-SET Attribute Related Set-to-Default Value M-SET Attribute Related Create M-CREATE Object Related Delete M-DELETE Object Related Action M-ACTION Object Related Notification M-ERROR-REPORT Attribute Object Related Η υπηρεσία M-ACTION χρησιµοποιείται για την εκτέλεση µίας συγκεκριµένης λειτουργίας διαχείρισης από ένα αντικείµενο διαχείρισης σε µία αποµακρυσµένη οντότητα ANMU. Το αντικείµενο αυτό µπορεί να είναι κάποιο αντικείµενο του επιπέδου εφαρµογής ή ένας µηχανισµός ή διεργασία χαµηλότερων επιπέδων το οποίο θα πρέπει να εκτελέσει κάποια λειτουργία. Ο χρήστης της υπηρεσίας ANMS ο οποίος έχει το ρόλο του manager εκδίδει ένα στοιχείο υπηρεσίας M-ACTION request, το οποίο συνοδεύεται από την παράµετρο QueryID που προσδιορίζει µονοσήµαντα το συγκεκριµένο αντικείµενο σε µία αποµακρυσµένη οντότητα, η οποία έχει το ρόλο του agent. Αν το αντικείµενο υποστηρίζει πολλές διαχειριστικές λειτουργίες αυτή που θα εκτελεστεί µπορεί να προσδιοριστεί µέσω της παραµέτρου QueryData της υπηρεσίας M-ACTION request, διαφορετικά, η παράµετρος QueryData παραλείπεται. Η υπηρεσία M-ACTION µπορεί να είναι υπηρεσία µε επιβεβαίωση (confirmed) ή χωρίς επιβεβαίωση (non-confirmed), το διάγραµµα επικοινωνίας φαίνεται στο Σχ 6.5. Στην περίπτωση σφάλµατος θα πρέπει να εκδοθεί ένα στοιχείο της υπηρεσίας M- ERROR-REPORT προς τον manager. Σχήµα 6.5 Η υπηρεσία M-ACTION Η υπηρεσία M-CREATE χρησιµοποιείται για να δηµιουργήσει ένα αντικείµενο διαχείρισης σε µία αποµακρυσµένη οντότητα ANMPU. Η υπηρεσία αυτή ουσιαστικά ενεργοποιεί κάποιο αντικείµενο του επιπέδου εφαρµογής ή ένα µηχανισµό ή διεργασία χαµηλότερων επιπέδων ώστε να εκτελέσει λειτουργίες διαχείρισης στον αποµακρυσµένο σταθµό. Ο χρήστης της υπηρεσίας ANMS ο οποίος έχει το ρόλο του manager που επιθυµεί να δηµιουργήσει ένα αντικείµενο διαχείρισης σε µία αποµακρυσµένη οντότητα, η οποία έχει το ρόλο του agent, εκδίδει ένα στοιχείο υπηρεσίας M-CREATE request, το οποίο συνοδεύεται από την παράµετρο QueryID που προσδιορίζει µονοσήµαντα τo συγκεκριµένο αντικείµενο στην 124

139 ιδακτορική ιατριβή αποµακρυσµένη οντότητα. Η υπηρεσία M-CREATE είναι υπηρεσία µε επιβεβαίωση (confirmed) και το επικοινωνιακό της διάγραµµα φαίνεται στο Σχ 6.6. Αν η δηµιουργία του αντικειµένου αποτύχει για οποιονδήποτε λόγο ο agent εκδίδει ένα στοιχείο της υπηρεσίας M- ERROR-REPORT προς τον manager, διαφορετικά, εκδίδει ένα στοιχείο της υπηρεσίας M- CREATE confirm. Σχήµα 6.6 Η υπηρεσία M-CREATE Η υπηρεσία M-DELETE χρησιµοποιείται για να διαγράψει ένα αντικείµενο διαχείρισης σε µία αποµακρυσµένη οντότητα ANMPU. Το αντικείµενο αυτό µπορεί να είναι κάποιο αντικείµενο του επιπέδου εφαρµογής ή ένας µηχανισµός ή διεργασία χαµηλότερων επιπέδων της οποίας θα πρέπει να τερµατιστεί η λειτουργία. Η υπηρεσία M-DELETE είναι υπηρεσία µε επιβεβαίωση (confirmed), το επικοινωνιακό της διάγραµµα φαίνεται στο Σχ 6.7, στην περίπτωση σφάλµατος θα πρέπει να εκδοθεί ένα στοιχείο της υπηρεσίας M-ERROR- REPORT προς τον manager. Σχήµα 6.7 Η υπηρεσία M-DELETE Η υπηρεσία M-GET χρησιµοποιείται για την ανάγνωση της τιµής µίας µεταβλητής διαχείρισης από µία αποµακρυσµένη οντότητα ANMU. Ο χρήστης της υπηρεσίας ANMS, ο οποίος έχει το ρόλο του manager, που επιθυµεί να ενηµερωθεί για την τιµή µίας µεταβλητής σε µία αποµακρυσµένη οντότητα, που έχει το ρόλο του agent, εκδίδει ένα στοιχείο υπηρεσίας M-GET request. Tο στοιχείο της υπηρεσίας συνοδεύεται από την παράµετρο QueryID, η οποία προσδιορίζει µονοσήµαντα τη συγκεκριµένη µεταβλητή στην αποµακρυσµένη οντότητα. Η υπηρεσία M-GET είναι υπηρεσία µε επιβεβαίωση (confirmed) και το επικοινωνιακό της διάγραµµα παρουσιάζεται στο Σχ 6.8. Από τις παραµέτρους της υπηρεσίας M-GET request (συγκεκριµένα από τις παραµέτρους τύπου υπηρεσίας και QueryID) 125

140 Νικόλαος Β. Πόγκας σχηµατίζεται η µονάδα δεδοµένων της υπηρεσίας ANMS τύπου αίτησης η οποία τοποθετείται στο πεδίο δεδοµένων χρήστη του πλαισίου του πρωτοκόλλου ANMP. Η διεύθυνση προορισµού της υπηρεσίας προσδιορίζει την αποµακρυσµένη οντότητα και τοποθετείται στο πεδίο διεύθυνσης προορισµού της επικεφαλίδας IP. Η αποµακρυσµένη οντότητα agent προσδιορίζει, µε βάση την παράµετρο QueryID, τη µεταβλητή που αφορά η αίτηση και εκδίδει ένα στοιχείο της υπηρεσίας M-GET confirmation µε παραλήπτη την οντότητα του manager. Στη µονάδα δεδοµένων της υπηρεσίας ANMS τύπου απάντησης που σχηµατίζει ο agent περιλαµβάνεται η µεταβλητή QueryData η οποία περιέχει την τιµή της µεταβλητής. Στην περίπτωση που ο agent δεν µπορεί να προσδιορίσει τη µεταβλητή που αφορά την αίτηση ή δεν επιτρέπεται η πρόσβαση σε αυτή, µέσω του µηχανισµού ελέγχου πρόσβασης, θα πρέπει να ελέγξει την διεύθυνση προορισµού της αίτησης. Αν η διεύθυνση προορισµού είναι τύπου unicast θα πρέπει να εκδώσει ένα στοιχείο υπηρεσίες M-EVENT- REPORT µε παραλήπτη τον manager Σχήµα 6.8 Η υπηρεσία M-GET Η υπηρεσία M-SET χρησιµοποιείται για να αναθέσει σε µία µεταβλητή διαχείρισης, σε µία αποµακρυσµένη οντότητα ANMU, µία συγκεκριµένη τιµή. Ο χρήστης της υπηρεσίας ANMS που επιθυµεί να αναθέσει την τιµή µίας µεταβλητής στην αποµακρυσµένη οντότητα εκδίδει ένα στοιχείο υπηρεσίας M-SET request το οποίο συνοδεύεται από την παράµετρο QueryID που προσδιορίζει µονοσήµαντα τη συγκεκριµένη µεταβλητή στην αποµακρυσµένη οντότητα και την παράµετρο QueryData η οποία περιέχει τη νέα τιµή της µεταβλητής. Η υπηρεσία M- SET µπορεί να είναι µε ή χωρίς επιβεβαίωση. Στην περίπτωση όπου απαιτείται επιβεβαίωση αποστέλλεται ένα στοιχείο υπηρεσίας M-SET response ώστε να επιβεβαιωθεί η επιτυχείς ανάθεση της µεταβλητής όπως φαίνεται στο Σχ 6.9 Σχήµα 6.9 Η υπηρεσία M-SET 126

141 ιδακτορική ιατριβή Η υπηρεσία M-ERROR-REPORT δηµιουργείται έπειτα από αποτυχία εκτέλεσης ή αποστολής κάποιας αίτησης διαχείρισης. Όταν µία αποµακρυσµένη οντότητα δεχτεί µία αίτηση µε επιβεβαίωση, από κάποιον manager, την οποία για οποιοδήποτε λόγο δεν µπορεί να εκτελέσει, εκδίδει ένα στοιχείο υπηρεσίας M-ERROR-REPORT response µε παραλήπτη τον manager, Σχ Στην παράµετρο QueryData µπορεί να περιέχεται η αιτία του σφάλµατος. Σχήµα 6.10 Η χρήση της υπηρεσίας M-ERROR-REPORT, έπειτα από αποτυχία κατά την ανάθεση τιµής σε παράµετρο διαχείρισης Μεταφορά δεδοµένων της υπηρεσίας ANMS Η λειτουργία του πρωτοκόλλου ANMP µπορεί να θεωρηθεί ως µία υπηρεσία µεταβίβασης πλαισίων δεδοµένων (PDUs) για το χρήστη της υπηρεσίας ANMS. Το πρωτόκολλο ANMP δέχεται πλαίσια δεδοµένων από την υπηρεσία ANMS µε προορισµό κάποιον αποµακρυσµένο σταθµό και τα µεταδίδει µε τη χρήση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης προς τον σταθµό. Στη συνέχεια το πρωτόκολλο ANMP, στο σταθµό προορισµού, λαµβάνει το πλαίσιο δεδοµένων και το µεταβιβάζει στο χρήστη της υπηρεσίας ANMS, δηλαδή στην µονάδα ANMU. Επιπλέον το πρωτόκολλο ANMP διαθέτει µηχανισµούς που ενηµερώνουν τη µονάδα ANMU για την αποτυχία µεταβίβασης κάποιου πλαισίου προς τον τελικό του προορισµό µέσω της υπηρεσίας ANMS και µηχανισµών του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Στο πεδίο δεδοµένων χρήστη (user data) των πλαισίων, του πρωτοκόλλου ANMP, µεταφέρονται δεδοµένα της υπηρεσίας ANMS. Στον Πίνακα 6.3 παρουσιάζεται ή δοµή του πεδίου χρήστη ενός πλαισίου ANMP για µία απλή µεταφορά διαχειριστικής πληροφορίας µεταξύ δύο οντοτήτων. Πίνακας 6.3 Πεδίο δεδοµένων ενός πλαισίου του πρωτοκόλλου ANMP 127

142 Νικόλαος Β. Πόγκας Ωστόσο ένα πλαίσιο του πρωτοκόλλου ANMP µπορεί να περιέχει αναφορές από πολλούς agents (συγκεντρωµένη απάντηση, η οποία περιγράφεται στην ενότητα 6.7.2). Σε αυτήν την περίπτωση στο πεδίο δεδοµένων χρήστη του πλαισίου περιέχονται πληροφορίες της υπηρεσίας ANMS από πολλές οντότητες. Για να περιοριστεί το µέγεθος του πλαισίου δεν χρησιµοποιείται η δοµή του Πίνακα 6.3 αλλά αυτή του Πίνακα 6.4, ενώ προωθούνται προς τον manager ένα ή περισσότερα πλαίσια τα οποία περιέχουν δεδοµένα της υπηρεσίας ANMS από Ν διαφορετικούς agents. Πίνακας 6.4 Πεδίο δεδοµένων ενός πλαισίου του πρωτοκόλλου ANMP για την περίπτωση συγκεντρωµένης απάντησης. Παρατηρούµε ότι στη δοµή του Πίνακα 6.4 περιέχονται µόνο µία φορά τα πεδία QueryID και Service, αφού είναι κοινά για όλες τις αναφορές, και ακολουθείται µία σειρά από N ζεύγη πηγαίας διεύθυνσης (source address) - δεδοµένων αναφοράς διαχείρισης (QueryData). Οι λειτουργίες του πρωτοκόλλου διαχείρισης ANMP δεν παρέχουν τη δυνατότητα για κατακερµατισµό (segmentation) και συναρµολόγησης (reassembly) µεγάλων πλαισίων µε δεδοµένα διαχείρισης, εποµένως, το µέγιστο µέγεθος των δεδοµένων που µπορούν να µεταδοθούν από κάποια µονάδα ANMU περιορίζεται από το µέγιστο µέγεθος πλαισίου που µπορεί να µεταδοθεί στο δίκτυο (Maximum Transmission Unit - MTU) το οποίο συνήθως είναι 1500 bytes για ενσύρµατα δίκτυα συµβατά µε το ΙΕΕΕ και ασύρµατα δίκτυα τύπου [104]. 6.7 Εύρεση της τοπολογίας σε ad hoc δίκτυο Η τοπολογία του δικτύου αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό µοντέλο για την κατάσταση του δικτύου καθώς παρέχει άµεσα πληροφορίες για τους ενεργούς κόµβους που συµµετέχουν στο δίκτυο καθώς και ένα χάρτη µε την τοπολογία του συστήµατος. Υπάρχουν αρκετοί αλγόριθµοι εύρεσης τοπολογίας για ενσύρµατα δίκτυα αλλά οι περισσότεροι από αυτούς προκαλούν µεγάλη αύξηση της κίνησης στο δίκτυο [92]. Κάποιοι άλλοι χρησιµοποιούν δικτυακά µοντέλα κατάλληλα µόνο για το διαδίκτυο βασισµένοι σε θεωρίες που εφαρµόζονται στην τοπολογία του διαδικτύου [93], τέτοιοι αλγόριθµοι δεν είναι κατάλληλοι για ad hoc δίκτυα λόγω της επιβάρυνσης που προκαλούν στο δίκτυο και της δυναµικότητας που παρουσιάζει η τοπολογία του δικτύου. Τα ad hoc δίκτυα έχουν µια θεµελιώδης διαφορετική αρχιτεκτονική σε σχέση µε τα συνηθισµένα ενσύρµατα δίκτυα δεδοµένων. Οι κόµβοι του δικτύου συνήθως έχουν 128

143 ιδακτορική ιατριβή σχεδιαστεί µε σκοπό το χαµηλό κόστος, το µικρό µέγεθος και έχουν περιορισµένη µνήµη, επεξεργαστική ισχύ και ενέργεια στον ηλεκτρικό συσσωρευτή. Λόγω της κίνησης των κόµβων και της δυναµικής τοπολογίας του δικτύου οι αλγόριθµοι εύρεσης τοπολογίας θα πρέπει να θεωρούν τις τυχόν αποτυχίες στην επικοινωνία ως κανόνες και όχι ως εξαιρέσεις και θα πρέπει να τις χειριστούν πιο αποτελεσµατικά. Θεωρούµε τρεις γενικές µεθόδους οι οποίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την εύρεση της τοπολογίας ενός δικτύου και οι οποίες έχουν προταθεί από διάφορα πρωτόκολλα διαχείρισης, για να τις παρουσιάσουµε θεωρούµε την τοπολογία δίκτυο στο Σχ Ένα πακέτο που περιέχει µια αίτηση για εύρεση της τοπολογίας µεταδίδεται από τον κόµβο a ο οποίος στην προκειµένη περίπτωση είναι ο manager της συγκεκριµένης εργασίας διαχείρισης. Το πακέτο αυτό φτάνει σε κάθε κόµβο του δικτύου µε µία διαδικασία επαναµετάδοσης στην οποία χρησιµοποιείται ένας αριθµός σειράς (sequence number) ο οποίος προσδιορίζει µοναδικά το κάθε πακέτο αίτησης που δηµιουργεί ο manager, όπως και στην διαδικασία εύρεσης διαδροµής του πρωτοκόλλου δροµολόγησης (ενότητα 3.6.6). Εποµένως, µόνο ένα αντίγραφο του πακέτου αίτησης µεταδίδεται από κάθε κόµβο. Σχήµα 6.10 Ad hoc δίκτυο που παρουσιάζει τις διαφορετικές µεθόδους εύρεσης της τοπολογίας Άµεση απάντηση Σύµφωνα µε αυτήν τη µέθοδο η αίτηση πληµµυρίζει το δίκτυο. Ο κάθε κόµβος που θα λάβει το πρώτο αντίγραφο (µε βάση τον αριθµό σειράς) κάποιας αίτησης την επαναµεταδίδει και στέλνει πίσω µία απάντηση προς τον κόµβο που δηµιούργησε την αίτηση, δηλαδή τον manager. Με βάση τη µέθοδο αυτή στην τοπολογία του σχήµατος 6.10 θα συµβούν τα ακόλουθα γεγονότα κατά την διαδικασία απάντησης των κόµβων: a) Ο κόµβος b απαντάει στο κόµβο a. b) Ο κόµβος c απαντάει στο κόµβο b. Ο κόµβος b προωθεί την απάντηση στον κόµβο a. c) Ο κόµβος d απαντάει στο κόµβο b. Ο κόµβος b προωθεί την απάντηση στον κόµβο a. d) Ο κόµβος a αφού λάβει όλες τις απαντήσεις γνωρίζει την τοπολογία του δικτύου Συγκεντρωµένη απάντηση Σε αυτήν τη µέθοδο κάθε κόµβος επαναµεταδίδει την αίτηση αλλά οι ενδιάµεσοι κόµβοι περιµένουν για κάποιο χρονικό διάστηµα ώστε να λάβουν απαντήσεις από γειτονικούς τους κόµβους πριν προωθήσουν το δικό τους πακέτο απάντησης. Όταν λάβουν κάποιες απαντήσεις από τους γειτονικούς τους κόµβους συγκεντρώνουν την πληροφορία, δηλαδή τα µηνύµατα agent response, σε ένα πακέτο του πρωτοκόλλου ANMP και τo προωθούν προς τον κόµβο που αρχικά έλαβαν την αίτηση. Στην τοπολογία του σχήµατος 6.10 θα συµβούν τα ακόλουθα γεγονότα κατά την διαδικασία απάντησης των κόµβων: 129

144 Νικόλαος Β. Πόγκας a) Οι κόµβοι b, c και d επαναµεταδίδουν το µήνυµα αίτησης, ο κόµβος b περιµένει για ένα χρονικό διάστηµα. b) Ο κόµβος c στέλνει ένα πακέτο απάντησης στον κόµβο b. Ο κόµβος d στέλνει ένα πακέτο απάντησης προς τον κόµβο b. c) Ο κόµβος b συγκεντρώνει τα πακέτα απάντησης από τους κόµβους c, d και τον εαυτό του, σε ένα νέο πλαίσιο απάντησης το οποίο προωθεί στον κόµβο a. d) Ο κόµβος a αφού λάβει όλες τις απαντήσεις γνωρίζει την τοπολογία του δικτύου Οµαδική (clustered) απάντηση Σε αυτήν τη µέθοδο το δίκτυο χωρίζεται σε ένα σύνολο από οµάδες (clusters). Κάθε οµάδα αντιπροσωπεύεται από έναν κόµβο (ο οποίος ονοµάζεται cluster head) ενώ κάθε κόµβος του δικτύου είναι µέλος τουλάχιστον µίας οµάδας, δηλαδή ανήκει στην εµβέλεια µετάδοσης τουλάχιστον ενός cluster head. Τα πακέτα απάντησης µεταδίδονται µόνο από τους cluster heads οι οποίοι στέλνουν πληροφορίες σχετικά µε τους κόµβους που ανήκουν στην οµάδα τους. Όµοια µε τη διαδικασία συγκεντρωµένης απάντησης, οι cluster heads µπορούν να συγκεντρώνουν τις απαντήσεις από άλλους cluster heads πριν στείλουν το πακέτο απάντησης. Στην τοπολογία του σχήµατος 6.10 θα συµβούν τα ακόλουθα γεγονότα κατά την διαδικασία απάντησης των κόµβων: a) Θεωρούµε ότι ο κόµβος b είναι ένας cluster head και οι κόµβοι c και d είναι µέλη του cluster. b) Οι κόµβοι c και d δεν µεταδίδουν πακέτα απάντησης. c) Ο κόµβος b, εφόσον γνωρίζει τα µέλη της οµάδας του, στέλνει ένα πακέτο απάντησης στον κόµβο a. d) Ο κόµβος a λαµβάνει απαντήσεις που περιέχουν τα µέλη κάθε οµάδας του δικτύου, δηλαδή την πλήρη τοπολογία του δικτύου Παρατηρήσεις Παρατηρούµε ότι η τοπολογία του δικτύου πού δηµιουργείται από τα πλαίσια απάντησης θα αποτελείται από διασυνδέσεις οι οποίες εκτείνονται σε δέντρο (spanning tree) από τον κόµβοmanager προς κάθε άλλο κόµβο του δικτύου, δηλαδή δεν θα περιέχει όλες τις διασυνδέσεις της τοπολογίας του δικτύου (για το παράδειγµα στο Σχ 6.10 ο κόµβος a δεν θα γνωρίζει την ύπαρξη της διασύνδεσης c-d). Οι ενδιάµεσοι κόµβοι εξετάζοντας τα πακέτα αίτησης και απάντησης θα πληροφορούνται για γειτονικούς τους κόµβους και µία µερική τοπολογία του δικτύου. Αυτό µπορεί να ανανεώσει την Route Cache του πρωτοκόλλου δροµολόγησης µε αποτέλεσµα η δροµολόγηση πακέτων να είναι αποτελεσµατικότερη. Στη συνέχεια θα υπολογίσουµε το συνολικό αριθµό πακέτων που µεταδίδονται στο δίκτυο για κάθε µία από τις παραπάνω µεθόδους θεωρώντας ένα δίκτυο µε Ν κόµβους στο οποίο ο κόµβος 1 ξεκινάει την διαδικασία εύρεσης τοπολογίας. Ο συνολικός αριθµός πακέτων P για την εύρεση της τοπολογίας δίνει την επιβάρυνση που προκαλεί η διαδικασία στο δίκτυο. Αρχικά θεωρούµε ότι η αίτηση µεταδίδεται µε πληµµύρισµα στο δίκτυο (network flooding) όπου ο κάθε κόµβος επαναµεταδίδει την αίτηση δηµιουργώντας µία επιβάρυνση Ν πακέτων στο δίκτυο. Για την περίπτωση της µεθόδου άµεσης απάντησης, αν θεωρήσουµε ως h(i) τον αριθµό των τµηµάτων που αποτελούν τη διαδροµή από τον κόµβο i στον κόµβο 1, για κάθε απάντηση θα µεταδίδονται h(i) πακέτα, εποµένως η συνολική επιβάρυνση θα είναι ίση µε : 130

145 ιδακτορική ιατριβή P = N + N i= 2 h( i) (6.1) Για την περίπτωση της συγκεντρωµένης απάντησης, κατά την οποία κάθε κόµβος (στην καλύτερη περίπτωση) µεταδίδει δύο πακέτα, ένα πακέτο αίτησης και ένα πακέτο απάντησης που περιέχει συγκεντρωµένη πληροφορία από γειτονικούς του κόµβους, θα είναι: P = N + N (6.2) Για την περίπτωση οµαδικής απάντησης θα είναι: P = N + C j= 1 h( j) (6.3) Όπου C είναι ο αριθµός των οµάδων στο δίκτυο και h(j) ο αριθµός των τµηµάτων της διαδροµής από τον cluster-head j προς γειτονικό του cluster head από τον οποίο έλαβε το πακέτο αίτησης. Αυτό ισχύει για την περίπτωση που οι cluster heads απαντούν µε βάση τη µέθοδο συγκεντρωµένης απάντησης, δηλαδή µηνύµατα από γειτονικούς cluster heads συγκεντρώνονται σε ένα πακέτο το οποίο µεταδίδεται. Στις σχέσεις (6.1),(6.2) και (6.3) γενικώς ισχύει: C < N C j= 1 h( j) N N i= 2 h( i) (6.4) Με βάση τα παραπάνω η µέθοδος οµαδικής απάντησης προκαλεί τη µικρότερη επιβάρυνση στο δίκτυο. Όµως για να υλοποιηθεί απαιτεί το διαχωρισµό του δικτύου σε οµάδες και την εκλογή cluster heads µεταξύ των κόµβων του δικτύου. Αρκετά πρωτόκολλά δροµολόγησης στηρίζονται σε αυτήν τη µεθοδολογία, ώστε να δηµιουργηθεί ένα κυρίαρχο σύνολο (dominating set) από κόµβους του δικτύου µέσω του οποίου είναι δυνατή η επικοινωνία µε κάθε άλλο κόµβο [95], [98]. Αυτά όµως τα πρωτόκολλα προκαλούν αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας του δικτύου γιατί για να διατηρηθεί η τοπολογία θα πρέπει να µεταδίδονται περιοδικά πακέτα ελέγχου και δεν ανταποκρίνονται γρήγορά σε αλλαγές της τοπολογίας [99],[100]. Επίσης, η µέθοδος οµαδικής απάντησης προϋποθέτει αρχιτεκτονικές διαχείρισης όµοιες µε αυτές των σχηµάτων 6.1.β και 6.1.γ. Η µέθοδος άµεσης απάντησης είναι η απλούστερη ως προς την υλοποίηση της. Το µειονέκτηµα όµως αυτής της µεθόδου είναι ότι προκαλεί τη µεγαλύτερη επιβάρυνση στο δίκτυο όπως προκύπτει από τις σχέσεις (6.1) και (6.4). Τέλος, η µέθοδος συγκεντρωµένης απάντησης, η οποία και εφαρµόζεται στην προτεινόµενη αρχιτεκτονική διαχείρισης ad hoc δικτύων, προκαλεί µία µέτρια επιβάρυνση ενώ για την υλοποίηση της απαιτείται ένας αλγόριθµος αναµονής για τη συγκέντρωση των απαντήσεων. Ένας ευρετικός (heuristic) αλγόριθµος αναµονής που αναπτύχθηκε παρουσιάζεται στη συνέχεια του Κεφαλαίου. Επίσης, αυτή η µέθοδος παρουσιάζει ικανοποιητική σταθερότητα σε περιπτώσεις όπου η τοπολογία του δικτύου αλλάζει µε δυναµικό τρόπο (πράγµα που δεν συµβαίνει µε την µέθοδο οµαδικής απάντησης). 131

146 Νικόλαος Β. Πόγκας 6.8 Τρόποι επικοινωνίας µεταξύ οντοτήτων διαχείρισης Εκτός από τη διαδικασία εύρεσης διαδροµής το πρωτόκολλο ANMP και η µέθοδος συγκεντρωµένης απάντησης υποστηρίζει τους παρακάτω τρόπους λογικής επικοινωνίας µεταξύ manager και agent, χρησιµοποιώντας µηχανισµούς του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Unicast επικοινωνία: Επικοινωνία µεταξύ ενός manager και ενός agent κατά την οποία το πρωτόκολλο διαχείρισης ANMP µεταδίδει unicast πακέτα. Σχήµα 6.11 Unicast επικοινωνία µεταξύ manager-agent Στο Σχ 6.11 παρουσιάζεται µια unicast επικοινωνία διαχείρισης µεταξύ του κόµβου a ο οποίος είναι manager και εκτελεί διαχειριστικές λειτουργίες στον κόµβο c ο οποίος είναι agent. Ο κόµβος b απλώς συµµετέχει στην δροµολόγηση πακέτων µε τη βοήθεια των πρωτοκόλλων δροµολόγησης και ANMP. Broadcast επικοινωνία: Ένας manager µεταδίδει πακέτα αίτησης, τα οποία έχουν broadcast IP διεύθυνση προορισµού, προς όλους τους κόµβους (agents) του δικτύου. Όλοι οι agents του δικτύου, οι οποίοι υποστηρίζουν τη διαχειριστική λειτουργία της αίτησης, απαντούν στην αίτηση διαχείρισης χρησιµοποιώντας τη µέθοδο συγκεντρωµένης απάντησης. Αυτός ο τύπος επικοινωνίας χρησιµοποιείται στη διαδικασία εύρεσης του χάρτη τοπολογίας και του ενεργειακού χάρτη του δικτύου. Σχήµα 6.12 Broadcast επικοινωνία µεταξύ manager-agents Στο Σχ 6.12 παρουσιάζεται µια broadcast επικοινωνία διαχείρισης µεταξύ του κόµβου a ο οποίος είναι manager και πληµµυρίζει το δίκτυο (ή έναν δακτύλιο του δικτύου) µε ένα µήνυµα αίτησης. Όλοι οι agents του δικτύου (b, c και d) λαµβάνουν την αίτηση και ενεργοποιούν τη διαδικασία απάντησης στην αίτηση. Ο κόµβος b (µε βάση τη µέθοδο συγκεντρωµένης απάντησης) συλλέγει τα πακέτα απάντησης από τους κόµβους c και d και προωθεί ένα πακέτο συγκεντρωµένης απάντησης προς τον κόµβο a. Anycast επικοινωνία: Ένας manager µεταδίδει πακέτα αίτησης µε multicast ή broadcast IP διεύθυνση προορισµού προς όλους ή µια οµάδα κόµβων (οι οποίοι είναι agents). Μόνο συγκεκριµένοι agents, µε βάση τον τύπο της αίτησης (QueryID) και την υπηρεσία διαχείρισης (Service), απαντούν στην αίτηση διαχείρισης. Ωστόσο, όλοι οι κόµβοι συµµετέχουν στη 132

147 ιδακτορική ιατριβή δροµολόγηση των πακέτων διαχείρισης (αίτησης ή απάντησης) και στο µηχανισµό συγκεντρωµένης απάντησης. Αυτός ο τύπος επικοινωνίας χρησιµοποιείται στη διαδικασία εύρεσης πόρων στο δίκτυο. Σχήµα 6.13 Anycast επικοινωνία µεταξύ manager-agents Στο Σχ 6.13 παρουσιάζεται µια anycast επικοινωνία διαχείρισης µεταξύ του κόµβου a ο οποίος είναι manager ενός συνόλου κόµβων (c και d) οι οποίοι είναι agents. Ο κόµβος b δεν συµµετέχει στις λειτουργίες διαχείρισης αλλά µόνο στη διαδικασία επικοινωνίας. Ουσιαστικά όπως και στην παραπάνω περίπτωση συλλέγει τα πακέτα απάντησης από τους κόµβους c και d και προωθεί ένα πακέτο συγκεντρωµένης απάντησης προς το κόµβο a, χωρίς ωστόσο να περιέχεται στο πακέτο αυτό κάποια διαχειριστική πληροφορία ή απάντηση στην αίτηση από τον κόµβο b. Με βάση τα παραπάνω σε κάθε φάση επικοινωνίας της αρχιτεκτονικής διαχείρισης, ο κάθε κόµβος είτε συµµετέχει ενεργά στις διαχειριστικές λειτουργίες µε το ρόλο του manager ή του agent, είτε συµµετέχει µόνο στην επικοινωνία, δροµολογώντας πακέτα του πρωτοκόλλου διαχείρισης, συγκεντρώνοντας πακέτα απαντήσεων και προωθώντας πακέτα συγκεντρωµένων απαντήσεων προς τον εκάστοτε manager. 6.9 Εσωτερική δοµή του πρωτοκόλλου διαχείρισης ANMP Το πρωτόκολλο διαχείρισης ANMP είναι στενά συνδεδεµένο µε τους µηχανισµούς του πρωτοκόλλου δροµολόγησης, η υλοποίηση του έγινε στο επίπεδο δικτύου και χρησιµοποιεί επικοινωνίες χωρίς σύνδεση (connectionless). Σε αυτήν την ενότητα περιγράφονται οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου ANMP ενώ στο Σχ 6.14 παρουσιάζεται ένα UML Class διάγραµµα που παρουσιάζει την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής διαχείρισης. 133

148 Νικόλαος Β. Πόγκας Network Administrator «uses» Agent +Indication() +Responce() 1 1 Manager +Request() +Confirmation() 1 -MOAB MIB ManagingObjectsAttributesBase ANMService * +Get() +Set() +Create() +Delete() +Action() +Notify() 1 ManagementInformationBase +ANMP 1 1 ANMProtocol +SendPacket() +ReceivePacket() +ANMS 1 1 RoutingProtocol 1 * -ART1 -MRT AgentReplyTable -ManagerAddress -SequenceNumber -SourceRoute -StartTime -Timeout * ManagerRequestTable -AgentAddress -SequenceNumber -StartTime -Timeout -MaxiHops -Operation -Object Σχ 6.14 Εσωτερική δοµή της αρχιτεκτονικής διαχείρισης δικτύου Οι µηχανισµοί του πρωτοκόλλου ANMP Το πρωτόκολλο ANMP είναι ένα πρωτόκολλο του επιπέδου δικτύου και παρέχει την διάφανη επικοινωνία µεταξύ υπηρεσιών διαχείρισης ANMS των οντοτήτων manager και agent. Η υλοποίηση του έχει γίνει ως επέκταση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης και παρέχει επικοινωνίες χωρίς σύνδεση στο επίπεδο δικτύου. Το πρωτόκολλο διαχείρισης υποστηρίζει τους παρακάτω µηχανισµούς: Αποστολή µηνύµατος manager-request. ηµιουργείται από τη διαχειριστική οντότητα του manager, µε τη χρήση της υπηρεσίας ANMS, και έχει ως παραλήπτη µία ή πολλές οντότητες τύπου agent. Λήψη µηνύµατος manager-request. Αυτό το µήνυµα αφορά αποκλειστικά οντότητες τύπου agent, ουσιαστικά πρόκειται για ένα µήνυµα agent-indication. Το πρωτόκολλο µεταβιβάζει το µήνυµα στην υπηρεσία ANMS η οποία το διαβιβάζει στη διαχειριστική οντότητα του agent η οποία θα αποφασίσει αν θα συµµετάσχει ενεργά στη διαχειριστική λειτουργία. Αποστολή µηνύµατος agent-response. ηµιουργείται από τη διαχειριστική οντότητα του agent, ως αποτέλεσµα µίας διαχειριστικής λειτουργίας µε επιβεβαίωση, µε τη χρήση της υπηρεσίας ANMS και έχει ως παραλήπτη µία συγκεκριµένη οντότητα τύπου manager. Λήψη µηνύµατος agent-response. Όταν το λάβει µια οντότητα τύπου manager, ουσιαστικά πρόκειται για ένα µήνυµα τύπου manager-confirmation. Το πρωτόκολλο µεταβιβάζει το µήνυµα στην υπηρεσία ANMS η οποία το διαβιβάζει στη διαχειριστική οντότητα manager η οποία θα εισάγει τη σχετική πληροφορία που περιέχει το µήνυµα στη βάση πληροφοριών MIB. 134

149 ιδακτορική ιατριβή Όταν µια οντότητα τύπου agent λάβει ένα πακέτο αίτησης manager-request o µηχανισµός του πρωτοκόλλου ANMP θα πρέπει να αποφασίσει αν πρόκειται για ένα µήνυµα διαχείρισης προς κάποιον αποµακρυσµένο κόµβο, οπότε και θα πρέπει να το δροµολογήσει προς αυτόν, ή αν το µήνυµα προέρχεται από µία broadcast ή anycast διαχειριστική επικοινωνία. Στη δεύτερη περίπτωση θα πρέπει να το αποθηκεύσει προσωρινά και µετά από ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα, αφού λάβει και άλλα τέτοια µηνύµατα, θα δηµιουργήσει ένα πακέτο συγκεντρωµένης απάντησης (δηλαδή ένα πακέτο το οποίο περιέχει πολλά µηνύµατα της υπηρεσίας ANMS) το οποίο θα µεταδώσει προς τον επόµενο κόµβο. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι παραπάνω λειτουργίες του πρωτοκόλλου ANMP και ο αλγόριθµος που υλοποιεί τη µέθοδο συγκεντρωµένης απάντησης Αποστολή µηνύµατος Manager-Request Ένας κόµβος ο οποίος έχει το ρόλο του manager και επιθυµεί να εκτελέσει διαχειριστικές λειτουργίες σε κάποιον ή κάποιους αποµακρυσµένους κόµβους, οι οποίοι έχουν το ρόλο του agent, δηµιουργεί ένα πακέτο αίτησης το οποίο περιέχει τη διεύθυνση προορισµού του agent, την υπηρεσία (Service) και τη µεταβλητή (QueryID) διαχείρισης (Πίνακας 6.3). Ουσιαστικά αυτό το πακέτο αποτελεί ένα µήνυµα τύπου request από τον manager προς τον agent το οποίο περιέχει µία εντολή διαχείρισης η οποία καθορίζεται από την υπηρεσία (Service) (Πίνακας 6.2) και την µεταβλητή ή αντικείµενο (QueryID) το οποίο αφορά η διαχειριστική λειτουργία. Ο manager διατηρεί έναν πίνακα αιτήσεων (Manager Request Table MRT) ο οποίος περιέχει τις αιτήσεις διαχείρισης εν αναµονή (δηλαδή αιτήσεις που έγιναν και αναµένεται η απάντηση από τους agents) που έχει µεταδώσει στο δίκτυο. Κατά τη δηµιουργία µίας νέας αίτησης εξετάζεται ο πίνακας και αν δεν υπάρχουν πολλές εκκρεµής αιτήσεις εισάγεται η νέα αίτηση στον πίνακα. Κάθε αίτηση χαρακτηρίζεται από: i. Τη διεύθυνση προορισµού ή οποία µπορεί να είναι µια unicast IP διεύθυνση ενός agent, µία IP limited broadcast διεύθυνση ( ) ή µία multicast IP διεύθυνση. Η διεύθυνση αυτή εισάγεται στη διεύθυνση προορισµού της IP επικεφαλίδας του πακέτου διαχείρισης. ii. iii. iv. Το εύρος ή δακτύλιος αναζήτησης στο δίκτυο. Αυτό εκφράζεται από το πεδίο TTL της IP επικεφαλίδας, όµοια µε τη διαδικασία εύρεσης διαδροµής του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Ουσιαστικά το πεδίο αυτό χρησιµοποιείται µόνο για broadcast ή multicast διευθύνσεις προορισµού και εκφράζει το εύρος ή το δακτύλιο στον οποίο θα γίνει πληµµύρισµα (network flooding) του συγκεκριµένου πακέτου αίτησης στο δίκτυο. Τη λειτουργία της υπηρεσίας ANMS και τη µεταβλητή ή το αντικείµενο που αυτή αφορά. Κάθε µεταβλητή ή αντικείµενο διαχείρισης στο δίκτυο αντιστοιχεί µε ένα µοναδικό αριθµό ταυτότητας QueryID ο οποίος το προσδιορίζει µονοσήµαντα. Τον χρόνο που δηµιουργήθηκε η συγκεκριµένη αίτηση. Σε συνδυασµό µε τον αριθµό των εκκρεµών αιτήσεων µπορεί να υλοποιηθεί κάποιος αλγόριθµος που να περιορίζει τη δηµιουργία και µετάδοση στο δίκτυο αιτήσεων από τους εκάστοτε managers ώστε να µην αυξάνεται υπερβολικά η επιβάρυνση του δικτύου λόγω των πακέτων διαχείρισης. v. Το χρόνο µετά το πέρας του οποίου θεωρείται ότι θα πρέπει να έχει λάβει ο manager τις απαντήσεις των agents. Αν αυτός ο χρόνος παρέλθει χωρίς να λάβει κάποια απάντηση στέλνει ένα µήνυµα σφάλµατος στην οντότητα ή στην διεργασία που προκάλεσε την ενέργεια διαχείρισης. 135

150 Νικόλαος Β. Πόγκας vi. Ένα µοναδικό αριθµό σειράς. Ο manager διατηρεί ένα µετρητή ο οποίος αυξάνεται για κάθε µήνυµα τύπου manager request που µεταδίδει. Ο αριθµός σειράς (sequence number) εισάγεται στην επικεφαλίδα του πρωτοκόλλου ANMP Λήψη µηνύµατος Manager Request Σε κάθε διαδικασία διαχείρισης υπάρχει ένας manager και ένας ή περισσότεροι agents. Όπως αναφέρεται στην ενότητα 6.8, κάποιος κόµβος µπορεί να συµµετέχει στην επικοινωνία διαχείρισης αλλά να µην συµµετέχει στις λειτουργίες διαχείρισης. Όταν κάποιος κόµβος λάβει ένα πακέτο του πρωτοκόλλου ANMP τύπου manager request θα πρέπει να το επεξεργαστεί µε βάση τα παρακάτω βήµατα. Αν η ΙP διεύθυνση προορισµού είναι όµοια µε τη διεύθυνση δικτύου του κόµβου ή είναι η IP limited broadcast διεύθυνση ( ) ή κάποια IP multicast διεύθυνση, τότε θα πρέπει να επεξεργαστεί το πακέτο, διαφορετικά το δροµολογεί προς τον τελικό του προορισµό. Ο κάθε agent διατηρεί έναν πίνακα απαντήσεων (Agent Reply Table ART) και κατά την επεξεργασία του µηνύµατος αποθηκεύει τη διαδροµή µέσω της οποίας δροµολογήθηκε το πακέτο. Κατά τη διαδικασία απάντησης ο agent χρησιµοποιεί αυτήν τη διαδροµή για να δροµολογήσει το µήνυµα agent response προς τον manager και όχι κάποια διαδροµή από την Route Cache. Ωστόσο, αν η διεύθυνση δικτύου αυτού του κόµβου αναγράφεται ήδη στο πεδίο δροµολόγησης, τότε ο κόµβος θα πρέπει να απορρίψει το πακέτο γιατί αυτό είναι ένδειξη ότι έχει περιέλθει σε κάποιο βρόχο δροµολόγησης. Στη συνέχεια, ο κόµβος αναζητεί στον πίνακα ART µία εισαγωγή που περιέχει τη διεύθυνση του manager που δηµιούργησε το πακέτο (την IP διεύθυνση πηγής). Αν µία τέτοια εισαγωγή βρεθεί στον πίνακα, τότε συγκρίνεται το ζεύγος διεύθυνσης manager µοναδικού αριθµού σειράς. Αν υπάρχει ήδη αυτή η καταχώρηση στον πίνακα ART τότε το πακέτο απορρίπτεται εφόσον θεωρείται ότι ο κόµβος έχει ήδη λάβει ένα αντίγραφο του συγκεκριµένου πακέτου. Αν δεν απορριφθεί το πακέτο τότε ο κόµβος ακολουθεί την παρακάτω διαδικασία. ηµιουργεί µία εισαγωγή στον πίνακα µε κλειδί αναζήτησης το ζεύγος διεύθυνσης manager µοναδικού αριθµού σειράς του πακέτου. Ο πίνακας θα πρέπει να έχει κατάλληλο µέγεθος ώστε να µπορεί να αποθηκεύσει το τελευταίο πακέτο αίτησης από κάθε manager. Ουσιαστικά το µέγεθος του θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο µε το µέγιστο αριθµό ταυτόχρονα εκκρεµών αιτήσεων που µπορούν να υπάρξουν στο δίκτυο. Στην συνέχεια εισάγει στον πίνακα ART τη διαδροµή δροµολόγησης του πακέτου, το χρόνο που το έλαβε καθώς και το πεδίο της υπηρεσίας ANMS (που περιέχει τη διαχειριστική λειτουργία) και το QueryID της µεταβλητής ή του αντικειµένου που αφορά η διαχειριστική λειτουργία. Ο agent εξετάζει τη βάση των διαχειριζόµενων αντικειµένων και µεταβλητών (Managing Object Attribute Base MOAB) που διατηρεί. Όµοια µε την βάση MIB του manager, η βάση MOAB του agent περιλαµβάνει αντικείµενα και µεταβλητές των επιπέδων της αρχιτεκτονικής διαστρωµάτωσης που µπορεί να διαχειριστή ο εκάστοτε κόµβος. Η βάση αυτή µπορεί να διαφέρει σε κάθε κόµβο ανάλογα µε τις υπηρεσίες που παρέχει και τις διαχειριστικές του δυνατότητες. Αν η αίτηση από τον manager περιλαµβάνει ενέργειες προς κάποιο αντικείµενο το οποίο δεν µπορεί να διαχειριστεί ο agent τότε: αν η επικοινωνία είναι τύπου unicast και η λειτουργία διαχείρισης είναι µε επιβεβαίωση o agent αποστέλλει ένα µήνυµα σφάλµατος διαχείρισης προς τον manager, διαφορετικά αγνοεί την ενέργεια διαχείρισης αλλά συµµετέχει στους µηχανισµούς επικοινωνίας του πρωτοκόλλου διαχείρισης, δηλαδή θα προωθήσει πακέτα τύπου agent-response από άλλους agents που υποστηρίζουν τη συγκεκριµένη λειτουργία. Αν ο κόµβος υποστηρίζει τη λειτουργία διαχείρισης, τότε την εκτελεί ενώ αν απαιτείται κάποια επιβεβαίωση ή απάντηση µε δεδοµένα, δηµιουργεί το κατάλληλο πακέτο διαχείρισης 136

151 ιδακτορική ιατριβή τύπου agent-response. Ανάλογα µε τον τύπο της επικοινωνίας διαχείρισης (unicast, broadcast, multicast) ο κόµβος µπορεί να µεταδώσει άµεσα το µήνυµα agent-reply προς τον manager ή να περιµένει και να στείλει µία συγκεντρωµένη απάντηση. Στην περίπτωση της άµεσης απάντησης ο agent χρησιµοποιεί την πηγαία διαδροµή του πακέτου αίτησης για τη δροµολόγηση του πακέτου και όχι κάποια άλλη διαδροµή από την Route Cache. Στην περίπτωση της συγκεντρωµένης απάντησης, ο κόµβος θα περιµένει να λάβει απαντήσεις από άλλους κόµβους και µετά το πέρας ενός χρονικού διαστήµατος (o υπολογισµός του οποίου αναφέρεται στην παρακάτω ενότητα) θα µεταδώσει ένα πακέτο προς τον manager το οποίο θα περιέχει και τις απαντήσεις από τους γειτονικούς του κόµβους. Επίσης ο agent εξετάζει το εύρος αναζήτησης της αίτησης στο δίκτυο, η οποία αναγράφεται στο πεδίο TTL της επικεφαλίδας του πρωτοκόλλου IP, και αν έχει φτάσει το ανώτατο όριο θα πρέπει να απορρίψει το πακέτο. ιαφορετικά, θα επαναµεταδώσει το πακέτο αίτησης, µε µία µικρή καθυστέρηση, εισάγοντας ένα jitter το οποίο επιλέγεται τυχαία µεταξύ ενός διαστήµατος 0 και µιας σταθερής Broadcast-Jitter η οποία εξαρτάται από την καθυστέρηση µετάδοσης στο φυσικό µέσο. Η καθυστέρηση που εισάγεται κατά την επαναµετάδοση ενός broadcast µηνύµατος τύπου manager-request από τους κόµβους του δικτύου αποφεύγει πιθανές συγκρούσεις πακέτων στο δίκτυο. Με την παραπάνω διαδικασία, οι διαχειριστικές λειτουργίες που αφορούν επικοινωνίες τύπου broadcast ή anycast µπορούν να περιοριστούν σε ένα δακτύλιο ή ζώνη του δικτύου, της οποίας τη διάµετρο καθορίζει ο manager, χωρίς τα µηνύµατα manager-request να πληµµυρίζουν ολόκληρο το δίκτυο Αποστολή µηνύµατος Agent-Response Στην περίπτωση της άµεσης απάντησης, η οντότητα του agent µέσω της υπηρεσίας ANMS εκτελεί τη διαχειριστική λειτουργία και αν αυτή απαιτεί επιβεβαίωση µεταδίδει ένα µήνυµα agent-response προς την οντότητα του manager. Το µήνυµα αυτό δροµολογείται µε βάση τη διαδροµή την οποία έχει αποθηκεύσει ο agent στον πίνακα Agent Response Table (ART) και η οποία προέρχεται από το πεδίο διαδροµής του µηνύµατος manager-request. To µήνυµα agent-response, σύµφωνα µε τον Πίνακα 6.3, περιέχει τη µεταβλητή ή το αντικείµενο (QueryID) στο οποίο εκτελέστηκε η διαχειριστική λειτουργία και δεδοµένα (QueryData) τα οποία αφορούν τιµές µεταβλητών (στην περίπτωση της υπηρεσίας M-GET) ή δεδοµένα επιβεβαίωσης. Τα πλαίσιο του πρωτοκόλλου ANMP διαβιβάζεται στο πρωτόκολλο δροµολόγησης και προωθούνται προς τον manager. Στην περίπτωση της συγκεντρωµένης απάντησης ο agent καθυστερεί τη µετάδοση του µηνύµατος agent-response για ένα χρονικό διάστηµα το οποίο προσδιορίζεται από τη σχέση: d = H * ( Ζ - h + r) (6.5) όπου h είναι το µήκος της διαδροµής (αριθµός τµηµάτων) από τον manager στον agent, r είναι ένας τυχαίος αριθµός (µε οµοιόµορφή κατανοµή) κινητής υποδιαστολής µεταξύ του 0 και 1 και H είναι µία µικρή σταθερή καθυστέρηση (τουλάχιστον διπλάσια από το µέγιστο χρόνο της καθυστέρησης µετάδοσης ενός πακέτου σε µία ασύρµατη διασύνδεση), η οποία εισάγεται για κάθε τµήµα της διαδροµής. Η παράµετρος Ζ δηλώνει τη διάµετρο της ζώνης στην οποία εκτελείται η διαχειριστική λειτουργία, η διάµετρος αυτή καθορίζεται από τον manager και αναγράφεται στο πεδίο TTL της επικεφαλίδας του πρωτοκόλλου IP. O χρόνος αναµονής d εισάγει µια τυχαία καθυστέρηση στην αποστολή των µηνυµάτων agentresponse. Οι κόµβοι µε µήκος διαδροµής µεγαλύτερο από h θα µεταδώσουν τα µηνύµατα agent-response πριν από αυτόν τον κόµβο ενώ κόµβοι µε µήκος διαδροµής µεγαλύτερο από h θα µεταδώσουν τα µηνύµατα agent-response µετά από αυτόν. Εποµένως, οι agents που είναι σε µεγαλύτερη απόσταση (περισσότερα τµήµατα διαδροµής) από τον manager θα απαντήσουν πρώτοι στην αίτηση ενώ οι ενδιάµεσοι κόµβοι που θα λάβουν τα µηνύµατα απάντησης θα τα αποθηκεύσουν στη βάση Agent Reply Table ART. Όταν παρέλθει το 137

152 Νικόλαος Β. Πόγκας χρονικό διάστηµα d, ο κόµβος θα απαντήσει µε ένα πακέτο (η περισσότερα αν το µέγεθος του πακέτου ξεπεράσει τα 1500 bytes) το οποίο θα δηµιουργήσει από πληροφορίες του πίνακα ART και το οποίο θα περιλαµβάνει και τη δική του απάντηση, αν ο κόµβος συµµετέχει στη διαχειριστική λειτουργία Λήψη µηνύµατος Agent-Response Στην περίπτωση που ένας agent ή ένας απλός κόµβος ο οποίος συµµετέχει στη διαχειριστική επικοινωνία, λάβει ένα µήνυµα τύπου agent-response εξετάζει τον πίνακα ART. Αν η διαχειριστική επικοινωνία είναι τύπου broadcast ή multicast και υπάρχει καταχώρηση στον πίνακα ART, δηλαδή ο κόµβος έχει προηγουµένως προωθήσει ένα manager-request µήνυµα το οποίο αφορά η συγκεκριµένη απάντηση, ο agent ακολουθεί τη διαδικασία συγκεντρωµένης απάντησης που περιγράφεται στην παραπάνω ενότητα, διαφορετικά, δροµολογεί το πακέτο προς τον τελικό του προορισµό. Όταν ένας manager λάβει ένα πακέτο τύπου agent-response το διαβιβάζει στην υπηρεσία ANMS η οποία εξετάζει τα πεδία QueryID και QueryData και ενηµερώνει τη βάση πληροφοριών διαχείρισης Management Information Base (ΜΙΒ) Εφαρµογές της αρχιτεκτονικής διαχείρισης Εφαρµογή στην εύρεση του ενεργειακού χάρτη Η εύρεση της τοπολογίας του δικτύου αφορά µια σηµαντική διαχειριστική λειτουργία της αρχιτεκτονικής. Η εύρεση του ενεργειακού χάρτη ουσιαστικά αποτελεί την τοπολογία µε τα ενεργειακά επίπεδα των κόµβων. Σε αυτήν την ενότητα θα περιγράψουµε τη διαδικασία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη σε ένα δίκτυο. Η αναζήτηση αυτή µπορεί να γίνει σε ολόκληρο το δίκτυο ή µία ζώνη του δικτύου της οποίας τη διάµετρο καθορίζει ο manager ο οποίος εκτελεί της διαχειριστική ενέργεια. Καθώς οι κόµβοι τροφοδοτούνται από ηλεκτρικούς συσσωρευτές µια διαχειριστική οντότητα µπορεί να επιβλέπει τα επίπεδα ενέργειας µε σκοπό την αλλαγή ή φόρτιση των ηλεκτρικών συσσωρευτών των κόµβων του δικτύου. Η διαδικασία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη του δικτύου έχει ως εξής: Ο manager εκείνη τη διαδικασία σε κάποιο δακτύλιο ή ζώνη του δικτύου µεταδίδοντας ένα broadcast µήνυµα τύπου manager-request µε τo στοιχείο υπηρεσίας M-GET στο πεδίο Service και την κατάλληλη µεταβλητή στο πεδίο QueryID. Το µήνυµα αυτό πληµµυρίζει το δακτύλιο και οι κόµβοι ακολουθούν τη διαδικασία συγκεντρωµένης απάντησης. Οι κόµβοι που δεν έχουν λάβει ένα µήνυµα τύπου agent-response από άλλους κόµβους απαντούν, µετά το πέρας του χρονικού διαστήµατος της Σχέσης 6.6, µεταδίδοντας ένα µήνυµα τύπου agentresponse στον κόµβο από τον οποίο έλαβαν το µήνυµα manager-request. Το µήνυµα agentresponse θα περιλαµβάνει τα πεδία του Πίνακα 6.3, όπου το πεδίο QueryID θα είναι ίδιο µε αυτό της αίτησης, το πεδίο Source Address θα έχει τη διεύθυνση δικτύου του agent και το πεδίο QueryData το επίπεδο της ενέργειας του ηλεκτρικού συσσωρευτή. Στην περίπτωση εύρεσης της τοπολογίας (δηλ. δεν απαιτούνται τα επίπεδα ενέργειας) το πεδίο QueryData παραλείπεται. Οι κόµβοι οι οποίοι συγκεντρώνουν πληροφορίες και µεταδίδουν πλαίσια µε απαντήσεις από άλλους κόµβους, µεταδίδουν ένα πλαίσιο µε τη δοµή του Πίνακα 6.4 το οποίο έχει κάποιες διαφοροποιήσεις. Τα πρώτα πεδία Source Address και QueryData θα περιέχουν τη διεύθυνση και το επίπεδο ενέργειας του agent που µεταδίδει το πακέτο ενώ τα επόµενα πεδία QueryData θα περιέχουν ένα ζεύγος τιµών που περιέχει τη διεύθυνση ενός κόµβου και το αντίστοιχο επίπεδο ενέργειας που αυτός έχει. Τέλος, ο manager θα λάβει ένα ή περισσότερα µηνύµατα τύπου agent-response του πρωτοκόλλου ANMP τα οποία θα περιέχουν τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων και ένα µέρος των διασυνδέσεων της τοπολογίας. Στο Σχ 6.15 παρουσιάζεται ένα παράδειγµα εύρεσης του ενεργειακού χάρτη στο οποίο ο κόµβος A είναι ο manager. Σύµφωνα µε τη διαδικασία 138

153 ιδακτορική ιατριβή συγκεντρωµένης απάντησης αρχικά απαντάει ο κόµβος Ε µε επίπεδο ενέργειας 50, έπειτα οι κόµβοι C και D και τέλος ο κόµβος Β. Στο σχήµα παρουσιάζεται και ένα µέρος των δεδοµένων από τα µηνύµατα agent-response που µεταδίδονται. Src Address B QueryData 20 Src Address B QueryData C 30 Src Address B QueryData D 40 Src Address D QueryData E 50 Src Address QueryData C 30 A 10 B 20 Src Address QueryData D 40 Src Address D QueryData E 50 C 30 D 40 E 50 Src Address E QueryData 50 Σχήµα 6.15 Η διαδικασία εύρεση του ενεργειακού χάρτη του δικτύου. Ένα µήνυµα agent-response στην περίπτωση εύρεσης της τοπολογίας (σε IPv4 δίκτυα) µπορεί να περιέχει έως 175 διασυνδέσεις (το µέγιστο µέγεθος ενός πακέτου στο δίκτυο σύµφωνα µε το πρότυπο είναι 1500 bytes, η επικεφαλίδα του πρωτοκόλλου IP είναι 20 bytes, του πρωτοκόλλου ANMP 20 bytes και το µέγεθος της µέγιστης διαδροµής δροµολόγησης (10 τµήµατα) 40 bytes. Εποµένως το µέγιστο πεδίο δεδοµένων ενός τέτοιου πλαισίου είναι 1400 bytes ενώ το µέγεθος δεδοµένων για κάθε διασύνδεσης είναι 8 bytes, εποµένως ο µέγιστος αριθµός διασυνδέσεων που µπορεί να µεταφέρει ένα πακέτο είναι 1400 / 8 = 175) στην περίπτωση εύρεσης του ενεργειακού χάρτη αυτός ο αριθµός είναι µικρότερος καθώς περιέχονται και τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων τα οποία έχουν µέγεθος 1 Byte Εφαρµογή σε σύνθετες στρατηγικές δροµολόγησης Η χρήση της αρχιτεκτονικής διαχείρισης για την εύρεση του ενεργειακού χάρτη στο δίκτυο έχει ως αποτέλεσµα το πρωτόκολλο δροµολόγησης να ενηµερώνεται για την ύπαρξη εναλλακτικών διαδροµών οι οποίες µπορεί να είναι ενεργειακά αποδοτικότερες. Η διαδικασία αυτή προκαλεί µία επιβάρυνση στο δίκτυο από τα πακέτα του πρωτοκόλλου διαχείρισης, ωστόσο, η πληροφορία για την τοπολογία και τα επίπεδα ενέργειας των κόµβων είναι πιο πλήρης σε σχέση µε τη διαδικασία που περιγράφεται στην ενότητα 4.5, µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η αποδοτικότητα της PAR στρατηγικής δροµολόγησης. Η συγκεκριµένη λειτουργία διαχείρισης έχει ως αποτέλεσµα ο manager να βρίσκει ένα µέρος της τοπολογίας του δικτύου, ουσιαστικά βρίσκει διασυνδέσεις οι οποίες εκτείνονται σε δέντρο (spanning tree) από αυτόν προς κάθε άλλο κόµβο του δικτύου. Στο Σχ 6.16 παρουσιάζεται η τοπολογία ενός δικτύου και στο Σχ 6.17 η τοπολογία του δικτύου που προκύπτει έπειτα τη διαχειριστική λειτουργία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη. 139

154 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχ 6.16 Πλήρης τοπολογία δικτύου Σχ 6.17 ιασυνδέσεις οι οποίες εκτείνονται σε δέντρο Ωστόσο, αν ο τυχαίος χρόνος επαναµετάδοσης (Broadcast-Jitter) των µηνυµάτων τύπου manager-request (ενότητα 6.9.3) είναι µικρός, παρατηρήθηκε µέσω εξοµοιώσεων ότι σε κάθε αναζήτηση οι ίδιοι κόµβοι προωθούν τα συγκεκριµένα πακέτα στο δίκτυο. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα ο manager να λαµβάνει τις ίδιες διασυνδέσεις δηλαδή να προκύπτει η ίδια τοπολογία µετά από κάθε αναζήτηση. Αν ο χρόνος Broadcast-Jitter αυξηθεί, οι διαδροµές που θα ακολουθήσουν τα µηνύµατα τύπου manager-request είναι τυχαία µε αποτέλεσµα η τοπολογία µετά από κάθε διαδικασία εύρεσης να διαφέρει. Εποµένως, ο manager και οι ενδιάµεσοι κόµβοι, οι οποίοι προωθούν τα µηνύµατα agent-reply, θα διαθέτουν µία πληρέστερη εικόνα της τοπολογίας του δικτύου. Στην πιλοτική εφαρµογή εφαρµόστηκε αυτή η µέθοδος, κατά την οποία ο manager ανά χρονικά διαστήµατα ( sec) εκτελούσε µια διαχειριστική διαδικασία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη του δικτύου. Επειδή ο manager δηµιουργούσε και επικοινωνιακές συνδέσεις στο δίκτυο για τη συλλογή δεδοµένων από αποµακρυσµένους σταθµούς, η παραπάνω διαδικασία βελτίωσε σηµαντικά την αποδοτικότητα της σύνθετης στρατηγικής δροµολόγησης που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4. Ωστόσο, το µειονέκτηµα της διαδικασίας αυτής είναι η αύξηση της επιβάρυνσης που προκαλείται στο δίκτυο καθώς µε κάθε διαδικασία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη µεταδίδονται 2N πακέτα, όπου Ν είναι ο αριθµός των κόµβων στη ζώνη που γίνεται η αναζήτηση Εφαρµογή στην υλοποίηση υβριδικών πρωτοκόλλων δροµολόγησης Η διαχειριστική λειτουργία εύρεσης της τοπολογίας (ή του ενεργειακού χάρτη) του δικτύου έχει άµεση επίδραση στην απόδοση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης καθώς, µέσω της λειτουργίας αυτής, οι κόµβοι ενηµερώνονται για την τοπολογία του δικτύου. Κατά τη διαδικασία εύρεσης της τοπολογίας του δικτύου, ενότητα , οι κόµβοι που έχουν το ρόλο του agent, λαµβάνουν πακέτα τύπου agent-response και αποθηκεύουν τις πληροφορίες της τοπολογίας που περιέχουν στην Route Cache. Τα πακέτα αυτά περιέχουν διασυνδέσεις της τοπολογίας του δικτύου, οι οποίες έχουν δοκιµαστεί ότι είναι δυ-κατευθυντήριες καθώς οι 140

155 ιδακτορική ιατριβή κόµβοι που απαντούν έχουν δεχτεί προηγουµένως ένα πακέτο αίτησης από την ίδια διαδροµή. Μέσω της συγκεκριµένης διαχειριστικής λειτουργίας, ο κόµβος που έχει το ρόλο του manager, αποκτά µία εικόνα της τοπολογίας η οποία περιλαµβάνει διαδροµές προς κάθε άλλο κόµβο στο δικτύου (ή ενός δακτυλίου του δικτύου αν η διαδικασία έχει περιοριστεί σε κάποια ζώνη). Αυτό βελτιώνει σηµαντικά την απόδοση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης καθώς οι κόµβοι αποκτούν πληροφορίες για την τοπολογία χωρίς να εφαρµόσουν διαδικασίες εύρεσης διαδροµής. Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζουµε έναν κατανεµηµένο αλγόριθµο ο οποίος µπορεί να εφαρµοστεί από το πρωτόκολλο δροµολόγησης και ο οποίος κάνει χρήση της διαδικασίας εύρεσης του ενεργειακού χάρτη στο δίκτυο. Ο αλγόριθµος αυτός λειτουργεί ως εξής: i. Κάθε κόµβος ο οποίος επικοινωνεί µε άλλους κόµβους στο δικτύου για ένα χρονικό διάστηµα t > Τ comm εκτελεί µία διαδικασία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη σε µία ζώνη Ζ το χρόνο t + T random. Όπου T random µια τυχαία µεταβλητή (0 ως 10sec), Τ comm (100 ως 150sec) και Ζ το µεγαλύτερο µήκος διαδροµής του πιο αποµακρυσµένου κόµβου µε τον οποίο επικοινωνεί ο συγκεκριµένος κόµβος. ii. Αν µετά από χρόνο t 1 > ( t + T random ) + Τ comm ο κόµβος συνεχίζει να επικοινωνεί µε άλλους κόµβους στο δίκτυο εκτελεί πάλι µία διαδικασία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη σε χρόνο t 1 + T random. iii. Η παραπάνω διαδικασία (ii) επαναλαµβάνεται µε αποτέλεσµα οι κόµβοι που επικοινωνούν για µεγάλα χρονικά διαστήµατα στο δίκτυο (και οι οποίοι δροµολογούν και τα περισσότερα πακέτα) εκτελούν τη διαχειριστική λειτουργία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη περιοδικά σε τυχαία διαστήµατα Τ comm + T random. Εφόσον η διαδικασία αυτή εκτελείται περιοδικά µπορεί να θεωρηθεί ως proactive λειτουργία του πρωτοκόλλου δροµολόγησης. Καθώς η διαδικασία αυτή έχει άµεση επίδραση στην απόδοση του πρωτόκολλου δροµολόγησης, το οποίο θεωρείται reactive (ενότητα 3.6), ο συνδυασµός τους µπορεί να θεωρηθεί ως ένα υβριδικό πρωτόκολλο δροµολόγησης. Ένα τέτοιο πρωτόκολλο είναι και το Zone Routing Protocol ZRP [74] στο οποίο κάθε κόµβος σε µία σταθερή ζώνη εκτελεί proactive διαδικασίες εύρεσης της τοπολογίας ενώ η δροµολόγηση των πακέτων µεταξύ διαφορετικών ζωνών γίνεται µε ένα reactive πρωτόκολλο δροµολόγησης. Στο Σχ 6.18 παρουσιάζεται ο χρόνος λειτουργίας των κόµβων του δικτύου σε ένα σενάριο παρόµοιο µε αυτό της ενότητας 5.8. Στο δίκτυο οι κόµβοι χρησιµοποιούν τον αλγόριθµο LPM για να µειώσουν την κατανάλωση ενέργειας. Παρατηρούµε ότι στην περίπτωση όπου χρησιµοποιείται η διαδικασία εύρεσης του ενεργειακού χάρτη σε συνδυασµό µε τη στρατηγική σύνθετης αναζήτησης PAR (PAR & ANMP) οι χρόνοι λειτουργίας των κόµβων του δικτύου αυξάνονται. 141

156 Νικόλαος Β. Πόγκας PA R PA R & A NMP Expiration Time (sec) Expiration Sequence Σχήµα 6.18 Χρόνος λειτουργίας των κόµβων στο δίκτυο Στην συνέχεια µελετούµε ένα δικτυακό περιβάλλον µε µία τοπολογία µεγέθους 1000m x 1000m µε 50 κόµβους οι οποίοι κινούνται µε βάση το µοντέλο κίνηση random-way-point [68] µε µία µέση ταχύτητα 10m/sec, ενώ σε τυχαία χρονικά διάστηµα παραµένουν ακίνητοι για µία περίοδο που µεταβάλλεται (pause time). Η επικοινωνιακή κίνηση στο δίκτυο προέρχεται από 10 CBR πηγές οι οποίες δηµιουργούν συνδέσεις µεταξύ διαφορετικών κόµβων πηγής και προορισµού και µεταδίδουν UDP πακέτα µε ρυθµό 80kbps. Επίσης, στο δίκτυο οι κόµβοι χρησιµοποιούν τον αλγόριθµο LPM για να µειώσουν την κατανάλωση ενέργειας. Στο Σχ 6.19 παρουσιάζεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας του δικτύου για την περίπτωση δροµολόγησης συντοµότερης διαδροµής (SPR), για την περίπτωση χρήσης της σύνθετης στρατηγικής δροµολόγησης που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4 (PAR) και για την περίπτωση χρήσης του παραπάνω αλγόριθµου (PAR ANMP). Καθώς η κινητικότητα των κόµβων µεγαλώνει (η τιµή pause time πλησιάζει το 0) η κατανάλωση ενέργειας αυξάνεται εξαιτίας της επιβάρυνσης που προκύπτει από τις διαδικασίες εύρεσης διαδροµών στο δίκτυο. Στην περίπτωση χαµηλής κινητικότητας ο συνδυασµός εύρεσης του ενεργειακού χάρτη µε τη στρατηγική PAR (PAR ANMP) παρουσιάζει υψηλότερη κατανάλωση καθώς το δίκτυο επιβαρύνεται από τα πακέτα του πρωτοκόλλου διαχείρισης ANMP. Στο Σχ 6.19 παρουσιάζεται ο συνολικός αριθµός των διαδικασιών εύρεσης διαδροµής που εκτελέστηκαν από το πρωτόκολλο δροµολόγησης για το παραπάνω σενάριο εξοµοίωσης. Παρατηρούµε ότι όταν η κινητικότητα των κόµβων του δικτύου είναι υψηλή, µειώνεται ο αριθµός των διαδικασιών εύρεσης διαδροµής µε αποτέλεσµα να µειώνεται και η επιβάρυνση του δικτύου. Σε κάθε περίπτωση η χρήση του παραπάνω αλγορίθµου βελτιώνει την αποδοτικότητα της εύρεσης διαδροµών στο δίκτυο καθώς οι κόµβοι που δροµολογούν πακέτα αποκτούν µια πιο πλήρη εικόνα της τοπολογίας του δικτύου. Ως εκ τούτου, βελτιώνεται και η αποδοτικότητα της στρατηγικής PAR µε αποτέλεσµα να αυξάνονται οι χρόνοι λειτουργίας των κόµβων και να µειώνεται η πιθανότητα κατάτµησης του δικτύου. 142

157 ιδακτορική ιατριβή Network Energy Consumption (Wh) SPR PAR PAR ANMP Pause Time (sec) Σχήµα 6.19 Συνολική κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο SPR PAR PAR ANMP Route Discovery Pause Time (sec) Σχήµα 6.20 ιαδικασίες εύρεσης διαδροµής που εκτελέστηκαν Ασφάλεια στη διαχείριση και τις επικοινωνίες του δικτύου Στα πλαίσια της πιλοτικής εφαρµογής αναπτύχθηκε ένα πρωτόκολλο στο επίπεδο εφαρµογής το οποίοι χρησιµοποιεί TCP συνδέσεις για την ανταλλαγή δεδοµένων µεταξύ των κόµβων του δικτύου. Το πρωτόκολλο αυτό είναι τύπου client/server και ακολουθεί µία διαδικασία αίτησης-απάντησης (request-response) κατά την οποία ένας client αιτεί δεδοµένα από έναν server. Οι απαιτήσεις για ασφάλεια των επικοινωνιών οδήγησαν στην αναζήτηση αλγόριθµων κρυπτογραφίας (cryptography) και απόδειξης αυθεντικότητας (authentication) [110]. Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται συνοπτικά ένα τέτοιο σχήµα το οποίο χρησιµοποιεί την αρχιτεκτονική διαχείρισης. Το σχήµα αυτό µπορεί να επεκταθεί σε όλες τις λειτουργίες της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής διαχειρίσεις ώστε να αποδεικνύετε η αυθεντικότητα του manager κατά την αίτηση εκτέλεσης διαχειριστικών λειτουργιών σε κόµβους του δικτύου. Στο Σχ 6.21 παρουσιάζεται η λειτουργία απόδειξης αυθεντικότητας (aythentication) ενός manager µε όλους τους agents του δικτύου. 143

158 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχήµα 6.21 ιαχειριστική λειτουργία απόδειξης αυθεντικότητας (aythentication) Ο κόµβος Α ο οποίος είναι ένας manager εκδίδει το στοιχείο υπηρεσίας M-CREATE µε το κατάλληλο QueryID που δηλώνει µία λειτουργία authentication, στο πεδίο δεδοµένων περιέχεται το πιστοποιητικό ασφαλείας (certificate) του κόµβου Α µε το δηµόσιο κλειδί του (public key) και την ψηφιακή υπογραφή (digital signature). Θεωρούµε ότι υπάρχει µία αρχή πιστοποίησης (Certificate Authority) στο δίκτυο η οποία αναθέτει τα δηµόσια και κρυφά κλειδιά (secret key) των κόµβων του δικτύου καθώς και τα πιστοποιητικό ασφαλείας (certificate) και τις ψηφιακές υπογραφές (digital signature). Με βάση την παραπάνω διαδικασία, η οποία εκτελείται σύµφωνα µε το µηχανισµό συγκεντρωµένης απάντησης, οι κόµβοι ελέγχουν το πιστοποιητικό ασφαλείας του manager και την ψηφιακή του υπογραφή και αν αυτά είναι έγκυρα απαντούν µε ένα µήνυµα τύπου agent-response το οποίο περιέχει τα αντίστοιχα πιστοποιητικά και ψηφιακές υπογραφές των agent του δικτύου. Αν θεωρήσουµε ότι όλοι οι κόµβοι είναι agents (η συνήθης περίπτωση για την προτεινόµενη αρχιτεκτονική), µε την παραπάνω διαδικασία όλοι οι κόµβοι έχουν πιστοποιήσει τον κόµβο Α και ο κόµβος Α έχει πιστοποιήσει όλους τους ασφαλείς ή έγκυρους κόµβους στο δίκτυο [106]. Επίσης ο κόµβος Α διαθέτει όλα τα δηµόσια κλειδιά κρυπτογραφίας των κόµβων του δικτύου. Στην επόµενη φάση της επικοινωνίας, η οποία παρουσιάζεται στο Σχ 6.22, αφού έχει γίνει πιστοποίηση µεταξύ των κόµβων του δικτύου, ο κόµβος Α αιτεί δεδοµένα από τον κόµβο Β τα οποία θα πρέπει να είναι κρυπτογραφηµένα. Σε αυτήν τη φάση της επικοινωνίας χρησιµοποιείται το πρωτόκολλο του επιπέδου εφαρµογής το οποίο χρησιµοποιεί TCP συνδέσεις για τη µεταφορά των δεδοµένων. Ο κόµβος Α θεωρείται ως client καθώς αιτεί δεδοµένα από τον κόµβο Β ο οποίος ουσιαστικά έχει το ρόλο του server κατά την επικοινωνία. Εφόσον οι κόµβοι έχουν πιστοποιηθεί σύµφωνα µε την προηγούµενη διαδικασία, χρησιµοποιείται το νέο πρότυπο Advanced Encryption Standard (AES) [105] για την κρυπτογραφία των δεδοµένων, στη διαδικασία αυτή θεωρούµε ότι χρησιµοποιούνται συµµετρικά κλειδιά. Ο κόµβος Α αιτεί δεδοµένα και εφόσον είναι πιστοποιηµένος, ο κόµβος Β απαντάει µεταδίδοντας ένα κρυπτογραφικό συµµετρικό κλειδί (SK) για τη συγκεκριµένη TCP σύνδεση (το οποίο αλλάζει σε κάθε επόµενη σύνδεση). Ωστόσο, το κλειδί αυτό είναι κρυπτογραφηµένο µε το δηµόσιο κλειδί του κόµβου Α, εποµένως µόνο ο κόµβος Α µπορεί να 144

159 ιδακτορική ιατριβή το αποκωδικοποιήσει. Όλα τα δεδοµένα (Data) που µεταδίδονται στο δίκτυο κρυπτογραφούνται µε τον αλγόριθµο AES και το κλειδί της συνόδου (SK). Σχήµα 6.22 Μεταφορά κρυπτογραφηµένων δεδοµένων Συµπεράσµατα Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκε µία ολοκληρωµένη αρχιτεκτονική διαχείρισης ad hoc δικτύων και πιθανές εφαρµογές της. Η προτεινόµενη κατανεµηµένη αρχιτεκτονική βασίζεται σε µία υπηρεσία (ANMS) και ένα πρωτόκολλο (ANMP) τα οποία αναπτύχθηκαν µε στόχο να µειωθεί η επιβάρυνση που προκαλούν οι διαχειριστικές λειτουργίες σε ένα ad hoc δίκτυο. Επίσης, παρουσιάστηκαν εφαρµογές της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής σε ζητήµατα όπως η ασφάλεια των επικοινωνιών, η εύρεση της τοπολογίας του δικτύου και η ανάπτυξη ενός υβριδικού µηχανισµού δροµολόγησης µε σύνθετα κριτήρια επιλογής διαδροµών. Ο υβριδικός µηχανισµός δροµολόγησης χρησιµοποιεί τις λειτουργίες της αρχιτεκτονικής διαχειρίσεις σε συνδυασµό µε το πρωτόκολλο δροµολόγησης (που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 3) και την στρατηγική σύνθετης δροµολόγησης PAR (που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4). Ο παραπάνω συνδυασµός αυξάνει την αποδοτικότητα της δροµολόγησης (καθώς µειώνεται ο αριθµός διαδικασιών εύρεσης διαδροµής) και αυξάνει το χρόνο ζωής των κόµβων του δικτύου ακόµα περισσότερο. Ωστόσο, ο παραπάνω συνδυασµός αυξάνει την επιβάρυνση σε δίκτυα τα οποία είναι στατικά ή οι κόµβοι έχουν σχετικά µικρή κινητικότητα. 145

160 146 Νικόλαος Β. Πόγκας

161 ιδακτορική ιατριβή 7 Υλοποίηση και εφαρµογή της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται η υλοποίηση της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης η οποία αποτελείται από πρωτόκολλα και µηχανισµούς που παρουσιάστηκαν αναλυτικά στα προηγούµενα κεφάλαια της διατριβής. Ο τελικός στόχος για κάθε πρωτόκολλο που σχεδιάζεται είναι η ανάπτυξη και χρήση του σε πραγµατικό δίκτυο ώστε να µετρηθεί η απόδοση του και να ελεγχθεί η αξιοπιστία του. Καθώς ο έλεγχος καλής λειτουργίας ενός επικοινωνιακού πρωτόκολλου, κατά τη διάρκεια του σχεδιασµού και ανάπτυξης του, θεωρείται δύσκολος στις επόµενες ενότητες παρουσιάζεται µία µεθοδολογία ανάπτυξης της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης, µε σκοπό τον έλεγχο των επικοινωνιακών πρωτοκόλλων, η οποία ακολουθήθηκε κατά την ανάπτυξη της προτεινόµενης επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης. Επίσης, παρουσιάζεται η διασύνδεση των υποσυστηµάτων των πρωτοκόλλων µεταξύ των διαφόρων επικοινωνιακών επιπέδων και η αλληλεπίδραση τους κατά τη µετάδοση και λήψη πακέτων από το δίκτυο. 7.1 Μεθοδολογία ανάπτυξης Μια επικοινωνιακή διαστρωµάτωση αποτελεί ένα σύνθετο σύστηµα το οποίο περιλαµβάνει διαφορετικά πρωτόκολλα και µηχανισµούς τα οποία αλληλεπιδρούν µεταξύ τους. Η απόδοση και συµπεριφορά ενός τέτοιου συστήµατος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του µικρουπολογιστικού συστήµατος στο οποίο εφαρµόζεται (επεξεργαστική ισχύς, απαιτήσεις σε χωρητικότητα µνήµης, καθυστέρηση στην εξυπηρέτηση διεργασιών από το λειτουργικό σύστηµα κλπ) καθώς και από την τεχνολογία µετάδοσης στο φυσικό µέσο. Ένας άλλος σηµαντικός παράγοντας είναι η τοπολογία του δικτύου και τα χαρακτηριστικά του, όπως περιγράφονται στην ενότητα 2.2. Στο Σχ 7.1 παρουσιάζεται ο κύκλος ανάπτυξης των πρωτοκόλλων στην επικοινωνιακή διαστρωµάτωση. Αρχικά κάθε πρωτόκολλο σχεδιάζεται µε βάση κάποιες προδιαγραφές οι οποίες αφορούν την απόδοση του και το δικτυακό περιβάλλον στο οποίο πρόκειται να χρησιµοποιηθεί. Στη φάση του σχεδιασµού έγινε χρήση του εξοµοιωτή δικτύων ns-2 [82] για τον έλεγχο της απόδοσης του πρωτοκόλλου. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια ανάπτυξης σε πραγµατικό δικτυακό περιβάλλον συχνά απαιτείται ο συντονισµός κάποιων παραµέτρων ή ο επανασχεδιασµός του πρωτοκόλλου καθώς η συµπεριφορά ενός συστήµατος σε πραγµατικό περιβάλλον συχνά διαφέρει από το περιβάλλον της εξοµοίωσης, αυτό οφείλεται κυρίως στα χαρακτηριστικά του µοντέλου µετάδοσης στο φυσικό κανάλι και σε παράγοντες του υλικού και λογισµικού που επηρεάζουν την απόδοση ενός πρωτοκόλλου στο τελικό σύστηµα [114]. Στις επόµενες ενότητες παρουσιάζεται µία µεθοδολογία ανάπτυξης η οποία επιτάχυνε τη διαδικασία ελέγχου και παραµετροποίησης των πρωτοκόλλων. Στη φάση της τελικής ανάπτυξης η επικοινωνιακή διαστρωµάτωση υλοποιήθηκε σε ένα ενσωµατωµένο µικρο-υπολογιστικό σύστηµα, το οποίο παρουσιάζεται στην ενότητα 1.3. Η υλοποίηση αυτή έγινε στα πλαίσια ενός ερευνητικού προγράµµατος µε σκοπό την υλοποίηση ενός συστήµατος σε ολοκληρωµένο SoC (System on Chip) µε αυξηµένες επικοινωνιακές δυνατότητες το οποίο θα αποτελεί έναν αυτόνοµο κόµβο για ασύρµατα ad hoc δίκτυα. Στην επόµενη ενότητα παρουσιάζεται η περιγραφή της εφαρµογής στην οποία θα χρησιµοποιηθεί το σύστηµα αυτό. 147

162 Νικόλαος Β. Πόγκας Προδιαγραφές Αρχιτεκτονική Εξοµοίωση Προσδιορισµός απαιτήσεων δικτύου Προσδιορισµός αρχιτεκτονικής Υλικού \ Λογισµικού Σχεδιασµός πρωτοκόλλων Ανάπτυξη Ανάπτυξη λογισµικού Έλεγχος Συντονισµός ρύθµιση δικτύου Μεταφορά στο τελικό σύστηµα SΟC σχεδιασµός Έλεγχοςαπόδοσηςτουδικτύου Μετρήσεις αποδοτικότητας Πρωτότυπο Σχεδιασµός ολοκληρωµένου συστήµατος System on chip (SOC) Σχήµα 7.1 Κύκλος ανάπτυξης της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης. 7.2 Χρήση της επικοινωνιακής διαστρωµάτωσης σε πιλοτική εφαρµογή Η επικοινωνιακή διαστρωµάτωση που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή χρησιµοποιήθηκε στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράµµατος IST LOCCATEC [111] για την ανάπτυξη ασύρµατων ad hoc δικτύων σε επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης. Σκοπός της εφαρµογής ήταν η ανάπτυξη και υποστήριξη επιχειρήσεων έρευνας και διάσωσης ανθρώπων µετά από σεισµό σε κατεστραµµένα διαµερίσµατα και κτήρια [112]. Σύµφωνα µε το σενάριο της εφαρµογής, σε κάθε τέτοιο κτήριο είναι τοποθετηµένος ένας αριθµός από αυτόνοµες συσκευές µικρού µεγέθους (LOCCATEC Capture Device -LCD) οι οποίες διαθέτουν έναν CMOS αισθητήρα κάµερας, ένα AUDIO µικρόφωνο και µία ασύρµατη κάρτα δικτύου τύπου IEEE b. Οι οµάδες διάσωσης µε τη χρήση κεντρικών σταθµών (LOCCATEC Central Unit -LCU) συλλέγουν από τις LCD συσκευές, µέσω ασύρµατης επικοινωνίας, δεδοµένα εικόνων και ήχου µε σκοπό την εύρεση παγιδευµένων ανθρώπων ώστε να προχωρήσουν σε ενέργειες διάσωσης. Οι περιορισµοί και απαιτήσεις της εφαρµογής αυτής είναι το περιορισµένο εύρος ασύρµατης µετάδοσης, λόγω υψηλής εξασθένησης, συχνές αλλαγές της τοπολογίας του δικτύου, λόγω της κίνησης των κεντρικών σταθµών ή µεγάλων αντικειµένων, η πιθανή απώλεια ή φυσική καταστροφή κόµβων στο δίκτυο καθώς και περιορισµοί ως προς την κατανάλωση ενέργειας των αυτόνοµων συσκευών. Επίσης, στην επικοινωνία υπήρχαν απαιτήσεις για τη µετάδοση, µε υψηλό ρυθµό, κρυπτογραφηµένων πληροφοριών audio/video περιεχοµένου από τις αυτόνοµες συσκευές. Παρόλο που η κινητικότητα των κόµβων στο δίκτυο θεωρείται σχετικά χαµηλή, η υψηλή απόσβεση σήµατος (attenuation), η πολύ-οδική εξασθένηση (multi-path propagation) και η κίνηση µεγάλων αντικειµένων και µηχανηµάτων εντός της γεωγραφικής περιοχής του δικτύου προκαλεί σηµαντικές αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου. Στο Σχ 7.2 παρουσιάζεται συνοπτικά το σενάριο της εφαρµογής, ο κεντρικός σταθµός (LCU) µε τη βοήθεια µικρών φορητών σταθµών συλλέγει δεδοµένα από τις συσκευές (LCD), οι οποίες βρίσκονται στο εσωτερικό ενός κατεστραµµένου κτηρίου. Καθώς η τοπολογία του δικτύου έχει τα χαρακτηριστικά ενός ασύρµατου ad hoc δικτύου (ενότητα 2.2), η επικοινωνία µεταξύ των συσκευών γίνεται µε τη χρήση του πρωτοκόλλου δροµολόγησης, που περιγράφεται στα Κεφάλαια 3 και 4, ενώ συχνά η τοπολογία του δικτύου αποτελείται από διαδροµές µε πολλαπλά τµήµατα (multi-hop). Ένα άλλο χαρακτηριστικό του επικοινωνιακού σεναρίου είναι ότι η επικοινωνία της συσκευής LCU µε τις συσκευές LCD πιθανών να αρχίσει µετά από µεγάλο χρονικό διάστηµα. Κατά τη διάρκεια αυτού του επικοινωνιακά αδρανές διαστήµατος (το οποίο µπορεί να είναι της τάξεως των 10 ωρών) οι συσκευές LCD οι οποίες τροφοδοτούνται από ηλεκτρικούς συσσωρευτές θα πρέπει να ελαχιστοποιήσουν την κατανάλωση ενέργειας, αυτό επιτυγχάνεται µε τη χρήση του αλγόριθµου χαµηλής κατανάλωσης που περιγράφεται στο Κεφαλαίου 5. Ένα άλλο χαρακτηριστικό της εφαρµογής 148

163 ιδακτορική ιατριβή είναι ότι οι κεντρικοί σταθµοί (LCU's) δεν γνωρίζουν τον αριθµό και τις διευθύνσεις δικτύου των κόµβων (LCD's) που βρίσκονται στο κτήριο, εποµένως, πριν την έναρξη της συλλογής δεδοµένων από τις συσκευές, απαιτείται η χρήση του πρωτοκόλλου διαχείρισης και της υπηρεσίας εύρεσης της τοπολογίας του δικτύου, που περιγράφονται στο Κεφάλαιο 6. Στις επόµενες ενότητες περιγράφονται τα χαρακτηριστικά υλικού και λογισµικού των συσκευών LCD στις οποίες αναπτύχθηκε η προτεινόµενη επικοινωνιακή διαστρωµάτωση. LOCCATEC IST Project (IST ) LOW COST CATSTROPHIC EVENT CAPTURING Επικ/κες συνδέσεις Audio/Video Κεντρικός σταθµός Κινητός κόµβος LC συσκευές Σχήµα 7.2 Το επικοινωνιακό σενάριο της πιλοτικής εφαρµογής. multi-hop ad-hoc δίκτυο 7.3 Προδιαγραφές υλικού του ενσωµατωµένου συστήµατος Το πρωτότυπο σύστηµα στο οποίο αναπτύχθηκε η επικοινωνιακή διαστρωµάτωση βασίζεται στην πλατφόρµα ανάπτυξης συστηµάτων SoC (System on Chip) ALTERA Excalibur, η οποία χρησιµοποιεί το ολοκληρωµένο ALTERA EXPA10. Το ολοκληρωµένο αυτό περιλαµβάνει ένα PLD (Programmable Logic Device) το οποίο περιέχει τον πυρήνα ενός µικροεπεξεργαστή ARM 9TDMI µε συχνότητα χρονισµού στα 200ΜΗz. Το PLD έχει 1 εκατοµµύριο πύλες ενώ περιλαµβάνει και αρκετά εσωτερικά περιφερειακά όπως: ελεγκτή µνήµης SDRAM, 128Kb Dual Port RAM, UART, JTAG διεπαφή καθώς και αρκετές θύρες εισόδου-εξόδου γενικού σκοπού. Η διασύνδεση του µικρο-υπολογιστικού συστήµατος µε την ασύρµατη κάρτα δικτύου έγινε µε την χρήση ενός PCMCIA ελεγκτή ο οποίος υλοποιήθηκε στο PLD. Εκτός από τη διασύνδεση µε την κάρτα δικτύου, στο σύστηµα υλοποιήθηκε και µία διεπαφή για τη διασύνδεση του µε έναν CMOS αισθητήρα κάµερας µε µέγιστη ανάλυση 640x480 pixels (grayscale) καθώς και µε ένα AUDIO µικρόφωνο PCM κωδικοποίησης. Για την αποθήκευση εικόνων που προέρχονται από τον CMOS αισθητήρα, υλοποιήθηκε ένα υποσύστηµα συµπίεσης των εικόνων σύµφωνα µε το πρότυπο JPEG. Στο Σχ 7.3 παρουσιάζεται η πλατφόρµα ανάπτυξης ALTERA Excalibur στην οποία έχει τοποθετηθεί µία κάρτα για τη διασύνδεση της ασύρµατης κάρτας δικτύου, στην εικόνα του σχήµατος έχει συνδεθεί µία ασύρµατη κάρτα τύπου PRISM b DCF. 149

164 Νικόλαος Β. Πόγκας Σχήµα 7.3 Η πλατφόρµα ανάπτυξης ALTERA Excalibur. Το παραπάνω σύστηµα επανασχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε, µε όλα τα περιφερειακά που αναφέρθηκαν, σε µικρότερη κλίµακα όπως παρουσιάζεται στο Σχ 7.4. Στο σχήµα αυτό είναι εµφανής ο CMOS αισθητήρας καθώς και η ασύρµατη κάρτα δικτύου τύπου Orinoco ΙΕΕΕ b µε τα χαρακτηριστικά που περιγράφονται στην ενότητα 5.3. Στο πίσω τµήµα του συστήµατος βρίσκεται το ολοκληρωµένο ALTERA EXPA10. Σχήµα 7.4 Το ενσωµατωµένο µικρο-υπολογιστικό σύστηµα LCD. Στο Σχ 7.5α παρουσιάζεται η εσωτερική δοµή του ολοκληρωµένου ALTERA EXPA10 ενώ στο σχήµα 7.5β παρουσιάζονται σε µορφή µπλοκ διαγράµµατος τα εσωτερικά υποσυστήµατα και αυτά που υλοποιήθηκαν στο PLD για τη διασύνδεση του µικρο-υπολογιστικού συστήµατος µε εξωτερικά περιφερειακά. 150

165 ιδακτορική ιατριβή Program FLASH ALTERA Excalibur Interrupt Controller ARM 922T Processor AHB Watchdog Timer EBI Memory Controller AHB - AHB Bridge Single Port SRAM (32 bit) Dual Port SRAM (32 bit) AHB Logic to AHB Bridge Timer AHB to Logic Bridge Data Transfer Control JPEG Codec Parallel Port (IEEE 1284) Controller I2C Interface Image Data Inetrface Audio Data Inetrface PCMCIA Controller Data Acces Image Stream Audio Stream Buffer Management CMOS Image Sensor and IR LEDs Audio CODEC and Sensor b Wireless Interface SRAM - non volatile Data Buffer Commercial products α) H εσωτερική δοµή του ολοκληρωµένου β) Η δοµή των λογικών συσκευών που αναπτύχθηκαν στο PLD Σχήµα 7.5 Η αρχιτεκτονική υλικού του ολοκληρωµένου ALTERA EXPA10. Στο Σχ 7.6 παρουσιάζεται η εσωτερική δοµή του µικρο-επεξεργαστή ARM9TDMI. Ο πυρήνας του µικρο-επεξεργαστή βασίζεται στην αρχιτεκτονική Harvard και έχει µία pipeline πέντε επιπέδων (Fetch, Decode, Execute, Memory και Write). Υποστηρίζει δύο σύνολα εντολών, ένα 32bit βελτιστοποιηµένο ως προς την ταχύτητα και ένα 16bit, το οποίο ονοµάζεται και ως ARM Thumb, που παρουσιάζει µικρότερες απαιτήσεις µνήµης. Η προτεινόµενη επικοινωνιακή διαστρωµάτωση και το λογισµικό του συστήµατος υλοποιήθηκαν µε χρήση του συνόλου των 32bit εντολών ώστε το σύστηµα και τα πρωτόκολλα να αποκρίνονται µε µικρότερες καθυστερήσεις. Η διασύνδεση του µικροεπεξεργαστή µε τα εξωτερικά υποσυστήµατα γίνεται µε ένα ενιαίο δίαυλο διευθύνσεωνδεδοµένων τύπου Advanced High-performance Bus (AHB) στον οποίο ο µικρο-επεξεργαστής λειτουργεί ως AMBA Master (Advanced Microcontroller Bus Architecture). [113]. 151

Ενότητα 1. Εισαγωγή στις βασικές έννοιες των ικτύων ΗΥ

Ενότητα 1. Εισαγωγή στις βασικές έννοιες των ικτύων ΗΥ Ενότητα 1 Εισαγωγή στις βασικές έννοιες των ικτύων ΗΥ Εύρος Ζώνης και Ταχύτητα Μετάδοσης Η ταχύτητα µετάδοσης [εύρος ζώνης (banwidth)] των δεδοµένων αποτελεί ένα δείκτη επίδοσης των δικτύων και συνήθως

Διαβάστε περισσότερα

Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων. Σαράντης Πασκαλής Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών

Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων. Σαράντης Πασκαλής Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων Σαράντης Πασκαλής Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών Αισθητήρες Ο αισθητήρας (sensor) είναι µια συσκευή που µετρά ένα φυσικό µέγεθος και το µετατρέπει σε σήµα αναγνώσιµο

Διαβάστε περισσότερα

8 η ιάλεξη: σε δίκτυα δεδομένων

8 η ιάλεξη: σε δίκτυα δεδομένων Εργαστήριο ικτύων Υπολογιστών 8 η ιάλεξη: Βασικές αρχές δρομολόγησης Βασικές αρχές δρομολόγησης σε δίκτυα δεδομένων ρομολόγηση (Routing) Μεταφορά μηνυμάτων μέσω του διαδικτύου από μία πηγή σε ένα προορισμό

Διαβάστε περισσότερα

Δίκτυα Υπολογιστών I

Δίκτυα Υπολογιστών I Δίκτυα Υπολογιστών I Σχεδίαση και Αρχιτεκτονική Δικτύων Ευάγγελος Παπαπέτρου Τμ. Μηχ. Η/Υ & Πληροφορικής, Παν. Ιωαννίνων Ε.Παπαπέτρου (Τμ.Μηχ. Η/Υ & Πληροφορικής) MYY703: Δίκτυα Υπολογιστών I 1 / 19 Διάρθρωση

Διαβάστε περισσότερα

Πρότυπο Αναφοράς Open Systems Interconnection (OSI) Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 5 ο

Πρότυπο Αναφοράς Open Systems Interconnection (OSI) Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 5 ο Πρότυπο Αναφοράς Open Systems Interconnection (OSI) Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 5 ο Πρωτόκολλα και Αρχιτεκτονική Δικτύου Για να ανταλλάξουν δεδομένα δύο σταθμοί, εκτός από την ύπαρξη διαδρομής μεταξύ

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΚΤΥΑ (15-17) Π. Φουληράς

ΔΙΚΤΥΑ (15-17) Π. Φουληράς ΔΙΚΤΥΑ (15-17) Π. Φουληράς Χαρακτηριστικά Δικτύου: Ιδιοκτησία, Υπόδειγμα Υπηρεσίας, και Απόδοση Ιδιωτικά Δίκτυα Κλασσικό Παράδειγμα τα LAN Μεγάλες εταιρείες όμως και σε επίπεδο WAN Αγοράζουν υλικό διασύνδεσης

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ (INTERNETWORKING)

ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ (INTERNETWORKING) ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ (INTERNETWORKING) Α. Α. Οικονομίδης Πανεπιστήμιο Μακεδονίας Διασυνδεδεμένο δίκτυο διασύνδεση δικτύων που το καθένα διατηρεί την ταυτότητά του χρησιμοποιώντας ειδικούς μηχανισμούς διασύνδεσης

Διαβάστε περισσότερα

Υποστήριξη Κινητικότητας στο Internet. Σαράντης Πασκαλής <paskalis@di.uoa.gr> Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών

Υποστήριξη Κινητικότητας στο Internet. Σαράντης Πασκαλής <paskalis@di.uoa.gr> Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών Υποστήριξη Κινητικότητας στο Internet Σαράντης Πασκαλής Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών 1 Mobile IP Ιστορικό Το πρωτόκολλο Internet σχεδιάστηκε για στατικούς υπολογιστές.

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 5ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 5ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 5ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ 14. Ποιος είναι ο ρόλος των καρτών δικτύου (Network Interface Card, NIC); Απάντηση: Οι κάρτες δικτύου χρησιμοποιούνται για να συνδέσουν

Διαβάστε περισσότερα

Γαβαλάς αµιανός

Γαβαλάς αµιανός ίκτυα Υπολογιστών (Γ έτος, ΣΤ εξ) Ύλη εξετάσεων, τρόπος αξιολόγησης, σηµεία στα οποία πρέπει να δοθεί έµφαση / προσοχή κατά την προετοιµασία για την γραπτή εξέταση Γαβαλάς αµιανός dgavalas@aegean.gr Εαρινό

Διαβάστε περισσότερα

ίκτυα υπολογιστών Στόχοι κεφαλαίου ίκτυα

ίκτυα υπολογιστών Στόχοι κεφαλαίου ίκτυα Στόχοι κεφαλαίου ίκτυα υπολογιστών (Κεφαλαιο 15 στο βιβλιο) Περιγραφή των κύριων θεµάτων σχετικά µε τα δίκτυα υπολογιστών Αναφορά στα διάφορα είδη δικτύων Περιγραφή των διαφόρων τοπολογιών των τοπικών

Διαβάστε περισσότερα

Δίκτυα Υπολογιστών Firewalls. Χάρης Μανιφάβας

Δίκτυα Υπολογιστών Firewalls. Χάρης Μανιφάβας Δίκτυα Υπολογιστών Firewalls Χάρης Μανιφάβας 1 Επικοινωνία Βασίζεται στη μεταβίβαση μηνυμάτων (λόγω απουσίας διαμοιραζόμενης μνήμης) Απαιτείται συμφωνία φόρμας μηνυμάτων Πρότυπο Στόχος τυποποίησης = Συνεργασία

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή στα πρωτόκολλα TCP/IP και το INTERNET 2.1. Μέσα μετάδοσης, φυσικές διευθύνσεις

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή στα πρωτόκολλα TCP/IP και το INTERNET 2.1. Μέσα μετάδοσης, φυσικές διευθύνσεις ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.0. Επισκόπηση 1.1. Δίκτυα υπολογιστών 1.2. Πρωτόκολλα δικτύων υπολογιστών 1.3. Το πρόβλημα της διαχείρισης 1.4. Μοντέλα και πρότυπα διαχείρισης 1.5. Τρόποι διακίνησης

Διαβάστε περισσότερα

Παραδείγµατα δικτυακών τεχνολογιών. Ethernet Internet ATM

Παραδείγµατα δικτυακών τεχνολογιών. Ethernet Internet ATM Παραδείγµατα δικτυακών τεχνολογιών Ethernet Internet ATM Τοπικά δίκτυα (LANs) Τα πιο απλά δίκτυα Κάθε υπολογιστής έχει όνοµα διεύθυνση δικτύου (Internet) διεύθυνση τοπικού δικτύου (Ethernet) alice 28 35

Διαβάστε περισσότερα

ιαδίκτυα & Ενδοδίκτυα Η/Υ

ιαδίκτυα & Ενδοδίκτυα Η/Υ ιαδίκτυα & Ενδοδίκτυα Η/Υ ΙΑ ΙΚΤΥΑΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ (Kεφ. 16) ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ Αυτόνοµα Συστήµατα Πρωτόκολλο Συνοριακών Πυλών OSPF ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ (ISA) Κίνηση ιαδικτύου Προσέγγιση

Διαβάστε περισσότερα

Εφαρμογές Υπολογιστικής Νοημοσύνης στις Ασύρματες Επικοινωνίες

Εφαρμογές Υπολογιστικής Νοημοσύνης στις Ασύρματες Επικοινωνίες ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ Τ.Ε.Ι. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ.Ε. Εφαρμογές Υπολογιστικής Νοημοσύνης στις Ασύρματες Επικοινωνίες Πτυχιακή εργασία Φοιτήτρια: Ριζούλη Βικτώρια

Διαβάστε περισσότερα

Μάθημα 5: To Μοντέλο Αναφοράς O.S.I.

Μάθημα 5: To Μοντέλο Αναφοράς O.S.I. Μάθημα 5: To Μοντέλο Αναφοράς O.S.I. 5.1 Γενικά Τα πρώτα δίκτυα χαρακτηρίζονταν από την «κλειστή» αρχιτεκτονική τους με την έννοια ότι αυτή ήταν γνωστή μόνο στην εταιρία που την είχε σχεδιάσει. Με τον

Διαβάστε περισσότερα

Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων. Σαράντης Πασκαλής Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών

Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων. Σαράντης Πασκαλής Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων Σαράντης Πασκαλής Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών Αισθητήρες Ο αισθητήρας (sensor) είναι µια συσκευή που µετρά ένα φυσικό µέγεθος και το µετατρέπει σε σήµα αναγνώσιµο

Διαβάστε περισσότερα

Ιόνιο Πανεπιστήµιο Τµήµα Αρχειονοµίας Βιβλιοθηκονοµίας. Μοντέλο TCP/IP. Ενότητα E. Συστήµατα Επικοινωνίας

Ιόνιο Πανεπιστήµιο Τµήµα Αρχειονοµίας Βιβλιοθηκονοµίας. Μοντέλο TCP/IP. Ενότητα E. Συστήµατα Επικοινωνίας Ιόνιο Πανεπιστήµιο Τµήµα Αρχειονοµίας Βιβλιοθηκονοµίας ίκτυα Η/Υ Μοντέλο TCP/IP Ενότητα E ρ. Ε. Μάγκος Συστήµατα Επικοινωνίας (Ε) (PC) (N) Επικοινωνίες: Εφαρµογές Υπολογιστές ίκτυα πολλές πολλοί N A N

Διαβάστε περισσότερα

Τεχνολογίες & Εφαρμογές Πληροφορικής Ενότητα 7: Τοπικά δίκτυα

Τεχνολογίες & Εφαρμογές Πληροφορικής Ενότητα 7: Τοπικά δίκτυα ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τεχνολογίες & Εφαρμογές Πληροφορικής Ενότητα 7: Τοπικά δίκτυα Ανδρέας Βέγλης, Αναπληρωτής Καθηγητής Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό

Διαβάστε περισσότερα

Ethernet Ethernet ΙΕΕΕ CSMA/CD

Ethernet Ethernet ΙΕΕΕ CSMA/CD Ethernet Τα τοπικά δίκτυα είναι συνήθως τύπου Ethernet ή λέμε ότι ακολουθούν το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.3 Ακολουθούν το μηχανισμό CSMA/CD (Πολλαπλή πρόσβαση με Ακρόαση Φέροντος και Ανίχνευση Συγκρούσεων). Πολλαπλή

Διαβάστε περισσότερα

Δροµολόγηση (Routing)

Δροµολόγηση (Routing) Δροµολόγηση (Routing) Περίληψη Flooding Η Αρχή του Βέλτιστου και Δυναµικός Προγραµµατισµός Dijkstra s Algorithm Αλγόριθµοi Δροµολόγησης Link State Distance Vector Δροµολόγηση σε Κινητά Δίκτυα Δροµολόγηση

Διαβάστε περισσότερα

Σχολή Προγραµµατιστών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (ΣΠΗΥ) Τµήµα Προγραµµατιστών Σειρά 112

Σχολή Προγραµµατιστών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (ΣΠΗΥ) Τµήµα Προγραµµατιστών Σειρά 112 Σχολή Προγραµµατιστών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (ΣΠΗΥ) Τµήµα Προγραµµατιστών Σειρά 112 Πλωτάρχης Γ. ΚΑΤΣΗΣ ΠΝ Γιατί χρησιµοποιούµε δίκτυα? Δίκτυο Σύνολο Η/Υ και συσκευών Συνδεδεµένα µε κάποιο µέσο Stand-alone

Διαβάστε περισσότερα

ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΔΙΚΤΥΑΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ» ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΣΕ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ. Γενικά

ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΔΙΚΤΥΑΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ» ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΣΕ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ. Γενικά ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΔΙΚΤΥΑΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ» ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΣΕ HO ΔΙΚΤΥΑ Μάιος Βάιος Νάσος Γραβάνης Γιάννης Γενικά Τι είναι; Η τυχαία οργάνωση κόμβων χωρίς κεντρικό

Διαβάστε περισσότερα

Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών 2014-15. Δίκτυα υπολογιστών. (και το Διαδίκτυο)

Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών 2014-15. Δίκτυα υπολογιστών. (και το Διαδίκτυο) Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών 2014-15 Δίκτυα υπολογιστών (και το Διαδίκτυο) http://di.ionio.gr/~mistral/tp/csintro/ Μ.Στεφανιδάκης Τι είναι ένα δίκτυο υπολογιστών;

Διαβάστε περισσότερα

Φύλλο Κατανόησης 1.8

Φύλλο Κατανόησης 1.8 Σχολικό Έτος : 2012-2013 Τάξη : B Τομέας : Πληροφορικής Μάθημα : ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ι - Θεωρία Διδάσκων : Χρήστος Ρέτσας Η-τάξη : tiny.cc/retsas-diktya1 Φύλλο Κατανόησης 1.8 1.8. Το μοντέλο OSI Ερωτήσεις

Διαβάστε περισσότερα

3.6 Δρομολόγηση 1 22 /

3.6 Δρομολόγηση 1 22 / 3.6 Δρομολόγηση 1 / 22 Το επίπεδο Διαδικτύου (στο μοντέλο TCP/IP), εκτός από τη διευθυνσιοδότηση, είναι επιφορτισμένο και με τη δρομολόγηση των αυτοδύναμων πακέτων (datagrams) ώστε να εξασφαλίσει την επικοινωνία

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στο πως λειτουργεί το διαδίκτυο

Εισαγωγή στο πως λειτουργεί το διαδίκτυο Εισαγωγή στο πως λειτουργεί το διαδίκτυο (και τι θα δούμε στο εργαστήριο δικτύων) Εργαστήριο Δικτύων Υπολογιστών 2014-2015 Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Διαδίκτυο - ένα δίκτυο δεδομένων Σημαντικό

Διαβάστε περισσότερα

Δίκτυα Υπολογιστών. Δίκτυα υπολογιστών και το Διαδίκτυο Εισαγωγή. Κ. Βασιλάκης

Δίκτυα Υπολογιστών. Δίκτυα υπολογιστών και το Διαδίκτυο Εισαγωγή. Κ. Βασιλάκης Δίκτυα Υπολογιστών Δίκτυα υπολογιστών και το Διαδίκτυο Εισαγωγή Κ. Βασιλάκης Περίγραμμα Τι είναι το διαδίκτυο Στοιχεία που το συνθέτουν Τρόποι παροχής υπηρεσιών Τι είναι τα πρωτόκολλα Τα άκρα του δικτύου

Διαβάστε περισσότερα

Συσκευές Τηλεπικοινωνιών και Δικτύωσης. Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 9 ο

Συσκευές Τηλεπικοινωνιών και Δικτύωσης. Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 9 ο Συσκευές Τηλεπικοινωνιών και Δικτύωσης Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 9 ο Εισαγωγή Ένα δίκτυο αποτελείται από ενεργά και παθητικά στοιχεία. Στα παθητικά στοιχεία εντάσσονται τα καλώδια και τα εξαρτήματα

Διαβάστε περισσότερα

Δίκτυα Η/Υ στην Επιχείρηση

Δίκτυα Η/Υ στην Επιχείρηση Δίκτυα Η/Υ στην Επιχείρηση Δικτυακά πρωτόκολλα και εφαρμογές, Δρομολόγηση Γκάμας Βασίλειος, Εργαστηριακός Συνεργάτης Μοντέλο πελάτη-εξυπηρετητή Προκειμένου να χρησιμοποιήσουμε μια υπηρεσία του Internet

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ι. Σημειώσεις Θεωρίας

ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ι. Σημειώσεις Θεωρίας Ινστιτούτα Επαγγελματική Κατάρτισης ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ι Σημειώσεις Θεωρίας Επιμέλεια: Ματθές Δημήτριος Αθήνα 2017 Μάθημα 1: Βασικές Έννοιες στα Δίκτυα Υπολογιστών 1.1 Δίκτυο Υπολογιστών Ένα δίκτυο είναι

Διαβάστε περισσότερα

ίκτυα - Internet Μάθηµα 5ο Ενότητες Μαθήµατος Παρασκευή 01 ΕΚ 2006 ιευθυνσιοδότηση στα Τοπικά ίκτυα (LAN).

ίκτυα - Internet Μάθηµα 5ο Ενότητες Μαθήµατος Παρασκευή 01 ΕΚ 2006 ιευθυνσιοδότηση στα Τοπικά ίκτυα (LAN). Ιόνιο Πανεπιστήµιο Τµήµα Αρχειονοµίας-Βιβλιοθηκονοµίας, Κέρκυρα Παρασκευή 01 ΕΚ 2006 ίκτυα - Internet Μάθηµα 5ο Ενότητες Μαθήµατος 1. Τεχνικές Πολλαπλής Πρόσβασης Πρωτόκολλα LAN ιευθυνσιοδότηση στα Τοπικά

Διαβάστε περισσότερα

1.5.1 ΓΕΦΥΡΑ (BRIDGE) Εικόνα Επίπεδα λειτουργίας επαναλήπτη, γέφυρας, δρομολογητή και πύλης ως προς το μοντέλο OSI.

1.5.1 ΓΕΦΥΡΑ (BRIDGE) Εικόνα Επίπεδα λειτουργίας επαναλήπτη, γέφυρας, δρομολογητή και πύλης ως προς το μοντέλο OSI. 40 Σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά και δικτυακά πρωτόκολλα Εικόνα 1.5.1 Επίπεδα λειτουργίας επαναλήπτη, γέφυρας, δρομολογητή και πύλης ως προς το μοντέλο OSI. 1.5.1 ΓΕΦΥΡΑ (BRIDGE) Οι γέφυρες λειτουργούν τόσο

Διαβάστε περισσότερα

ιαδίκτυα & Ενδοδίκτυα Η/Υ

ιαδίκτυα & Ενδοδίκτυα Η/Υ ιαδίκτυα & Ενδοδίκτυα Η/Υ (Kεφ. 10) ΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ Χαρακτηριστικά Στρατηγικές ροµολόγησης Παραδείγµατα Βιβλίο Μαθήµατος: Επικοινωνίες Υπολογιστών & εδοµένων, William Stallings, 6/e, 2000. ΕΥ - κεφ.10 (2/3)

Διαβάστε περισσότερα

Τεχνολογία Δικτύων Επικοινωνιών (Ενότητα Πρωτόκολλα και Αρχιτεκτονική Δικτύου)

Τεχνολογία Δικτύων Επικοινωνιών (Ενότητα Πρωτόκολλα και Αρχιτεκτονική Δικτύου) Τεχνολογία Δικτύων Επικοινωνιών (Ενότητα 1.7 - Πρωτόκολλα και Αρχιτεκτονική Δικτύου) Πρωτόκολλο είναι ένα σύνολο κανόνων που πρέπει να ακολουθήσουν όλοι οι σταθμοί εργασίας σε ένα δίκτυο ώστε να μπορούν

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Εισαγωγή Πρότυπο τριών Διαστάσεων Λειτουργίας Μοντέλο Διαχείρισης FCAPS Το Δίκτυο του Ε.Μ.Π. Περιβάλλον Εργαστηριακών Ασκήσεων

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Εισαγωγή Πρότυπο τριών Διαστάσεων Λειτουργίας Μοντέλο Διαχείρισης FCAPS Το Δίκτυο του Ε.Μ.Π. Περιβάλλον Εργαστηριακών Ασκήσεων ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Εισαγωγή Πρότυπο τριών Διαστάσεων Λειτουργίας Μοντέλο Διαχείρισης FCAPS Το Δίκτυο του Ε.Μ.Π. Περιβάλλον Εργαστηριακών Ασκήσεων Β. Μάγκλαρης maglaris@netmode.ntua.gr www.netmode.ntua.gr

Διαβάστε περισσότερα

Τι είναι ένα δίκτυο υπολογιστών; Αρχιτεκτονική επιπέδων πρωτοκόλλων. Δικτυακά πρωτόκολλα

Τι είναι ένα δίκτυο υπολογιστών; Αρχιτεκτονική επιπέδων πρωτοκόλλων. Δικτυακά πρωτόκολλα Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών 2014-15 Δίκτυα υπολογιστών (και το Διαδίκτυο) http://di.ionio.gr/~mistral/tp/csintro/ Μ.Στεφανιδάκης Τι είναι ένα δίκτυο υπολογιστών;

Διαβάστε περισσότερα

AEI Πειραιά Τ.Τ. Τμ. Μηχ/κων Αυτοματισμού ΤΕ. Δίκτυα Μετάδοσης Δεδομένων. Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές

AEI Πειραιά Τ.Τ. Τμ. Μηχ/κων Αυτοματισμού ΤΕ. Δίκτυα Μετάδοσης Δεδομένων. Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές AEI Πειραιά Τ.Τ. Τμ. Μηχ/κων Αυτοματισμού ΤΕ Δίκτυα Μετάδοσης Δεδομένων Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές Γενικά Διδάσκουσα: Ελένη Αικατερίνη Λελίγκου Γραφείο ΖΑ202. Ε-mail:

Διαβάστε περισσότερα

Υλοποίηση Δικτυακών Υποδομών και Υπηρεσιών: Δρομολόγηση

Υλοποίηση Δικτυακών Υποδομών και Υπηρεσιών: Δρομολόγηση Υλοποίηση Δικτυακών Υποδομών και Υπηρεσιών: Δρομολόγηση Δρ. Απόστολος Γκάμας Διδάσκων 407/80 gkamas@uop.gr Υλοποίηση Δικτυακών Υποδομών και Υπηρεσιών Διαφάνεια 1 Δρομολόγηση Εισαγωγή Ιεραρχική δρομολόγηση

Διαβάστε περισσότερα

Πρόότυπο Αναφοράάς Open Systems Interconnection/OSI. 1. Τεχνολογία Δικτύων Επικοινωνιών, Βιβλίο Α τάξης 2 ου Κύκλου ΤΕΕ, ΥΠΕΠΘ

Πρόότυπο Αναφοράάς Open Systems Interconnection/OSI. 1. Τεχνολογία Δικτύων Επικοινωνιών, Βιβλίο Α τάξης 2 ου Κύκλου ΤΕΕ, ΥΠΕΠΘ Ενότητα 10 η Πρόότυπο Αναφοράάς Open Systems Interconnection/OSI Πηγέές - Βιβλιογραφίία 1. Τεχνολογία Δικτύων Επικοινωνιών, Βιβλίο Α τάξης 2 ου Κύκλου ΤΕΕ, ΥΠΕΠΘ 2. Δίκτυα Δηµόσιας Χρήσης και Διασύνδεση

Διαβάστε περισσότερα

Δίκτυα Υπολογιστών I

Δίκτυα Υπολογιστών I Δίκτυα Υπολογιστών I Βασικές Αρχές Δικτύωσης Ευάγγελος Παπαπέτρου Τμ. Μηχ. Η/Υ & Πληροφορικής, Παν. Ιωαννίνων Ε.Παπαπέτρου (Τμ.Μηχ. Η/Υ & Πληροφορικής) MYY703: Δίκτυα Υπολογιστών I 1 / 22 Διάρθρωση 1 Βασικές

Διαβάστε περισσότερα

Κατανεμημένα συστήματα και Επικοινωνία Πραγματικού Χρόνου

Κατανεμημένα συστήματα και Επικοινωνία Πραγματικού Χρόνου Λειτουργικά Συστήματα Πραγματικού Χρόνου 2006-07 Κατανεμημένα συστήματα και Επικοινωνία Πραγματικού Χρόνου Μ.Στεφανιδάκης Κατανεμημένα συστήματα ελέγχου Α Β διασυνδετικό δίκτυο Γ Δ Ε π.χ. οι επιμέρους

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Έστω ότι θέλετε να συνδέσετε 20 υπολογιστές με συνδέσεις από σημείο σε σημείο (point-to-point), ώστε να είναι δυνατή η επικοινωνία όλων

Διαβάστε περισσότερα

Μοντέλο OSI 1.8. Κεφάλαιο 1. ΕΠΑ.Λ. Άμφισσας Σχολικό Έτος : Τάξη. : Β Τομέα Πληροφορικής Μάθημα. : Δίκτυα Υπολογιστών I Διδάσκων

Μοντέλο OSI 1.8. Κεφάλαιο 1. ΕΠΑ.Λ. Άμφισσας Σχολικό Έτος : Τάξη. : Β Τομέα Πληροφορικής Μάθημα. : Δίκτυα Υπολογιστών I Διδάσκων ΕΠΑ.Λ. Άμφισσας Σχολικό Έτος : 2012-2013 2013 Τάξη : Β Τομέα Πληροφορικής Μάθημα : Δίκτυα Υπολογιστών I Διδάσκων : Κεφάλαιο 1 1.8 Μοντέλο OSI ΕΠΑ.Λ. Άμφισσας Επίπεδα αρχιτεκτονικής 7 επίπεδα ξεκινώντας

Διαβάστε περισσότερα

Επαναληπτικές Ασκήσεις Μαθήματος

Επαναληπτικές Ασκήσεις Μαθήματος Επαναληπτικές Ασκήσεις Μαθήματος Ερώτηση: EAM1. Ποιο από τα παρακάτω χαρακτηριστικά δεν αποτελεί κριτήριο κατηγοριοποίησης δικτύων. Κλίμακα Τεχνολογία μετάδοσης Πλήθος τερματικών εντός του δικτύου Ερώτηση:

Διαβάστε περισσότερα

AEI Πειραιά Τ.Τ. Τμ. Μηχ/κων Αυτοματισμού ΤΕ. Δίκτυα Υπολογιστών. Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές

AEI Πειραιά Τ.Τ. Τμ. Μηχ/κων Αυτοματισμού ΤΕ. Δίκτυα Υπολογιστών. Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές AEI Πειραιά Τ.Τ. Τμ. Μηχ/κων Αυτοματισμού ΤΕ Δίκτυα Υπολογιστών Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές Γενικά Διδάσκουσα: Ελένη Αικατερίνη Λελίγκου Γραφείο ΖΑ202. Ε-mail: e.leligkou@puas.gr

Διαβάστε περισσότερα

ιαδίκτυα και το ιαδίκτυο (Internetworking and the Internet)

ιαδίκτυα και το ιαδίκτυο (Internetworking and the Internet) ιαδίκτυα και το ιαδίκτυο (Internetworking and the Internet) Περίληψη Πως τα διάφορα δίκτυα διαφέρουν µεταξύ τους Πως συνδέονται ανοµοιογενή δίκτυα µεταξύ τους Εικονικά κυκλώµατα συνδεδεµένα σε σειρά ιαδικτύωση

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Τα είδη των Δικτύων Εισαγωγή

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Τα είδη των Δικτύων Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Τα είδη των Δικτύων 1.1. Εισαγωγή Γενικότερα δεν υπάρχει κάποια ταξινόμηση των πιθανών δικτύων κάτω από την οποία να ταιριάζουν όλα τα δίκτυα. Παρόλα αυτά η ταξινόμηση τους είθισται να γίνεται

Διαβάστε περισσότερα

1.2.1 Το μοντέλο αναφοράς για τη Διασύνδεση Ανοικτών Συστημάτων (OSI) 1 / 19

1.2.1 Το μοντέλο αναφοράς για τη Διασύνδεση Ανοικτών Συστημάτων (OSI) 1 / 19 1.2.1 Το μοντέλο αναφοράς για τη Διασύνδεση Ανοικτών Συστημάτων (OSI) 1 / 19 2 / 19 Το Φυσικό Επίπεδο Το Φυσικό Επίπεδο ή στρώμα (Physical layer) ασχολείται με τη μετάδοση των bit (1 0) που απαρτίζουν

Διαβάστε περισσότερα

Περίληψη. Ethernet Δίκτυα Δακτυλίου, (Token Ring) Άλλα Δίκτυα Σύνδεση Τοπικών Δικτύων.

Περίληψη. Ethernet Δίκτυα Δακτυλίου, (Token Ring) Άλλα Δίκτυα Σύνδεση Τοπικών Δικτύων. Τοπικά Δίκτυα Περίληψη Ethernet Δίκτυα Δακτυλίου, (Token Ring) Άλλα Δίκτυα Σύνδεση Τοπικών Δικτύων. Αναµεταδότες, Γέφυρες, Μεταγωγείς, δροµολογητές και Πύλες (repeaters, hubs, bridges, switches, routers,

Διαβάστε περισσότερα

7.2 Τεχνολογία TCP/IP

7.2 Τεχνολογία TCP/IP 7.2 Τεχνολογία TCP/IP Ερωτήσεις 1. Πώς χρησιµοποιείται σήµερα ο όρος TCP/IP; ε ποια πρωτόκολλα αναφέρεται και γιατί έχει επικρατήσει αυτή η ονοµασία; 2. Ποια ανάγκη οδήγησε στην επικράτηση της τεχνολογίας

Διαβάστε περισσότερα

Επικοινωνία. Χάρης Μανιφάβας Τμήμα Εφ. Πληροφορικής & Πολυμέσων ΤΕΙ Κρήτης. Κατανεμημένα Συστήματα (E) Επικοινωνία 1

Επικοινωνία. Χάρης Μανιφάβας Τμήμα Εφ. Πληροφορικής & Πολυμέσων ΤΕΙ Κρήτης. Κατανεμημένα Συστήματα (E) Επικοινωνία 1 Επικοινωνία Χάρης Μανιφάβας Τμήμα Εφ. Πληροφορικής & Πολυμέσων ΤΕΙ Κρήτης Επικοινωνία 1 Δίκτυα Υπολογιστών ίκτυο είναι Ένα σύνολο συσκευών (υπολογιστών, εκτυπωτών, τερματικών, δορυφόρων κτλ.) Συνδεδεμένων

Διαβάστε περισσότερα

Διάρθρωση. Δίκτυα Υπολογιστών I Βασικές Αρχές Δικτύωσης. Διάρθρωση. Δίκτυο Υπολογιστών: ένας απλός ορισμός. Ευάγγελος Παπαπέτρου

Διάρθρωση. Δίκτυα Υπολογιστών I Βασικές Αρχές Δικτύωσης. Διάρθρωση. Δίκτυο Υπολογιστών: ένας απλός ορισμός. Ευάγγελος Παπαπέτρου Δίκτυα Υπολογιστών I Βασικές Αρχές Δικτύωσης Ευάγγελος Παπαπέτρου Τμ. Μηχ. Η/Υ & Πληροφορικής, Παν. Ιωαννίνων Ε.Παπαπέτρου (Τμ.Μηχ. Η/Υ & Πληροφορικής) MYY703: Δίκτυα Υπολογιστών I 1 / 22 Ε.Παπαπέτρου

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας Τμ. Ηλ.γων Μηχ/κων ΤΕ. Δίκτυα Υπολογιστών. Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές

ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας Τμ. Ηλ.γων Μηχ/κων ΤΕ. Δίκτυα Υπολογιστών. Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας Τμ. Ηλ.γων Μηχ/κων ΤΕ Δίκτυα Υπολογιστών Διάλεξη 1: Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και βασικές αρχές Γενικά Τα αρχεία των διαλέξεων του μαθήματος μπορείτε να βρείτε στο: http://eclass.gunet.gr/

Διαβάστε περισσότερα

Δίκτυα Υπολογιστών. Δίκτυα υπολογιστών και το Διαδίκτυο Εισαγωγή. Κ. Βασιλάκης

Δίκτυα Υπολογιστών. Δίκτυα υπολογιστών και το Διαδίκτυο Εισαγωγή. Κ. Βασιλάκης Δίκτυα Υπολογιστών Δίκτυα υπολογιστών και το Διαδίκτυο Εισαγωγή Κ. Βασιλάκης Περίγραμμα Τι είναι το διαδίκτυο Στοιχεία που το συνθέτουν Τρόποι παροχής υπηρεσιών Τι είναι τα πρωτόκολλα Τα άκρα του δικτύου

Διαβάστε περισσότερα

Πανεπιστήμιο Πειραιά Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων. ίκτυα Υπολογιστών Ι. To Μοντέλο OSI. Αναπλ. Καθηγ. Π. εμέστιχας

Πανεπιστήμιο Πειραιά Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων. ίκτυα Υπολογιστών Ι. To Μοντέλο OSI. Αναπλ. Καθηγ. Π. εμέστιχας Πανεπιστήμιο Πειραιά To Μοντέλο OSI pdemest@unipi.gr ιάρθρωση Το μοντέλο αναφοράς OSI Επίπεδα Πρωτόκολλα, κατανομή πρωτοκόλλων σε στοιχεία δικτύου Αντιστοιχία τστοχα μοντέλων OSI και Internet Ανάλυση Επιπέδων

Διαβάστε περισσότερα

Επιχειρησιακή ιαδικτύωση

Επιχειρησιακή ιαδικτύωση Επιχειρησιακή ιαδικτύωση Τοπικά ίκτυα Γ. ιακονικολάου Γ.Διακονικολάου, Η.Μπούρας, Α.Αγιακάτσικα 1 Σκοπός Κεφαλαίου Τι είναι το τοπικό δίκτυο (LAN); Κατανόηση των συστατικών μερών ενός LAN Είδη και πιθανές

Διαβάστε περισσότερα

Ιόνιο Πανεπιστήµιο Τµήµα Πληροφορικής Συστήµατα Επικοινωνίας. Μοντέλο TCP/IP. Ενότητα E. Πόσοι εµπλέκονται σε ένα Σύστηµα Επικοινωνίας

Ιόνιο Πανεπιστήµιο Τµήµα Πληροφορικής Συστήµατα Επικοινωνίας. Μοντέλο TCP/IP. Ενότητα E. Πόσοι εµπλέκονται σε ένα Σύστηµα Επικοινωνίας Ιόνιο Πανεπιστήµιο Τµήµα Πληροφορικής ίκτυα Η/Υ Συστήµατα Επικοινωνίας (Ε) (PC) (N) Επικοινωνίες: Εφαρµογές Υπολογιστές ίκτυα Μοντέλο TCP/IP πολλές πολλοί N A N B Ενότητα E PC A PC B PC D PC E E A E B

Διαβάστε περισσότερα

Περίληψη Λαμπρόπουλος

Περίληψη Λαμπρόπουλος Περίληψη Λαμπρόπουλος 1. Αντικείμενο και Περιγραφή της Διατριβής H διδακτορική διατριβή με τίτλο «Σχεδιασμός και υλοποίηση συστήματος διαχείρισης και ενοποίησης διαφορετικών ταυτοτήτων χρηστών σε δίκτυα

Διαβάστε περισσότερα

Επίπεδο Δικτύου: Διαδικτύωση

Επίπεδο Δικτύου: Διαδικτύωση Επίπεδο Δικτύου: Διαδικτύωση Μάθημα «Δίκτυα Υπολογιστών» Τμήμα Πληροφορικής Οικονομικό Πανεπιστήμιο Αθηνών Εαρινό Εξάμηνο 2013-14 Γεώργιος Ξυλωμένος Γεώργιος Δ. Σταμούλης Βασίλειος Σύρης Εισαγωγή Υπάρχει

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο 5: Τοπικά ίκτυα

Κεφάλαιο 5: Τοπικά ίκτυα Κεφάλαιο 5: Τοπικά ίκτυα 5.1 ΤοΠρωτόκολλο ALOHA Αλγόριθµοι επίλυσης συγκρούσεων µε βάση το δυαδικό δένδρο 5.2 ίκτυα Ethernet Πρότυπο ΙΕΕΕ 802.3 5.3 ίκτυα Token Ring - Πρότυπο ΙΕΕΕ 802.5 Τοπικά ίκτυα 5-1

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο 2. Υπολογιστές και Τεχνολογία Επικοινωνιών Παρελθόν - Παρόν - Μέλλον

Κεφάλαιο 2. Υπολογιστές και Τεχνολογία Επικοινωνιών Παρελθόν - Παρόν - Μέλλον Κεφάλαιο 2 Υπολογιστές και Τεχνολογία Επικοινωνιών Παρελθόν - Παρόν - Μέλλον Εισαγωγή Μέσα αποθήκευσης Δίκτυα υπολογιστών Βάσεις δεδομένων Δίκτυα Υπολογιστών Σύνολο από υπολογιστές ή συσκευές διασυνδεδεμένες

Διαβάστε περισσότερα

28 Πολυπρακτορικά Συστήµατα

28 Πολυπρακτορικά Συστήµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 28 28 Πολυπρακτορικά Συστήµατα "There is no such thing as a single agent system". [Woodridge, 2002] Η παραπάνω ρήση από το βιβλίο του M.Wooldridge τονίζει, ίσως µε περισσή έµφαση, ότι είναι πλέον

Διαβάστε περισσότερα

ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ & ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΙΙ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΩΝ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΕΤΟΥΣ 2001-2 ΘΕΜΑΤΑ

ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ & ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΙΙ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΩΝ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΕΤΟΥΣ 2001-2 ΘΕΜΑΤΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ & ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΙΙ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΩΝ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΕΤΟΥΣ 2001-2 ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΜΑ1ο Α.1 Να αναφέρετε ονομαστικά τα πέντε (5) υποσυστήματα με τα οποία υλοποιείται

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στο διαδίκτυο

Εισαγωγή στο διαδίκτυο Εισαγωγή στο διαδίκτυο Στόχοι κεφαλαίου Περιγραφή των κύριων θεμάτων σχετικά με τα δίκτυα υπολογιστών Αναφορά στα διάφορα είδη δικτύων Περιγραφή των διαφόρων τοπολογιών των τοπικών δικτύων Περιγραφή των

Διαβάστε περισσότερα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1.7. Πρωτόκολλα και Αρχιτεκτονική Δικτύου

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1.7. Πρωτόκολλα και Αρχιτεκτονική Δικτύου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1.7 Πρωτόκολλα και Αρχιτεκτονική Δικτύου Επικοινωνία δύο σταθμών Ύπαρξη διαδρομής Αποκατάσταση σύνδεσης Ο σταθμός-πηγή πρέπει να ξέρει πότε ο σταθμός-προορισμός είναι έτοιμος να λάβει δεδομένα.

Διαβάστε περισσότερα

Πρωτόκολλα Διαδικτύου

Πρωτόκολλα Διαδικτύου Πρωτόκολλα Διαδικτύου Ερωτήσεις Ασκήσεις Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 3 ο Ερωτήσεις 1. Τι είναι το intranet και ποια τα πλεονεκτήματα που προσφέρει; 2. Τι δηλώνει ο όρος «TCP/IP»; 3. Να αναφέρετε τα πρωτόκολλα

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών. Υλικό Υπολογιστών Κεφάλαιο 6ο ίκτυα υπολογιστών

Εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών. Υλικό Υπολογιστών Κεφάλαιο 6ο ίκτυα υπολογιστών Εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών Υλικό Υπολογιστών Κεφάλαιο 6ο ίκτυα υπολογιστών 1 ίκτυα μικρά και μεγάλα Ένα δίκτυο υπολογιστών (computer network) είναι ένας συνδυασμός συστημάτων (δηλαδή, υπολογιστών),

Διαβάστε περισσότερα

T.E.I. ΗΠΕΙΡΟΥ ΤΜΗΜΑ ΤΗΛΕΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

T.E.I. ΗΠΕΙΡΟΥ ΤΜΗΜΑ ΤΗΛΕΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ T.E.I. ΗΠΕΙΡΟΥ ΤΜΗΜΑ ΤΗΛΕΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΜΕΛΕΤΗ & ΡΥΘΜΙΣΕΙΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ RIP ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΣΤΕΡΓΙΟΥ ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΡΙΑ: ΤΣΙΜΠΙΔΑ ΙΩΑΝΝΑ- ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας Τμ. Ηλ.γων Μηχ/κων ΤΕ. Δίκτυα Υπολογιστών. Διάλεξη 4: Επίπεδο 3 το πρωτόκολλο IP

ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας Τμ. Ηλ.γων Μηχ/κων ΤΕ. Δίκτυα Υπολογιστών. Διάλεξη 4: Επίπεδο 3 το πρωτόκολλο IP ΤΕΙ Στερεάς Ελλάδας Τμ. Ηλ.γων Μηχ/κων ΤΕ Δίκτυα Υπολογιστών Διάλεξη 4: Επίπεδο 3 το πρωτόκολλο IP Απαιτήσεις διαδικτύωσης Τα ζητήματα που πρέπει να επιλύσει η διαδικτύωση Πρωτόκολλα διαδικτύωσης Αρχιτεκτονικές

Διαβάστε περισσότερα

ΗY335: Δίκτυα Υπολογιστών Χειμερινό Εξάμηνο Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Διδάσκουσα: Μαρία Παπαδοπούλη 16 Νοεμβρίου 2013

ΗY335: Δίκτυα Υπολογιστών Χειμερινό Εξάμηνο Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Διδάσκουσα: Μαρία Παπαδοπούλη 16 Νοεμβρίου 2013 ΗY335: Δίκτυα Υπολογιστών Χειμερινό Εξάμηνο 2013-2014 Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Διδάσκουσα: Μαρία Παπαδοπούλη 16 Νοεμβρίου 2013 Λύσεις Πρώτης Προόδου (συνολικά 100 μονάδες) 1. Αντιπαραθέσετε

Διαβάστε περισσότερα

7.5 Πρωτόκολλο IP. Τεχνολογία ικτύων Επικοινωνιών ΙΙ

7.5 Πρωτόκολλο IP. Τεχνολογία ικτύων Επικοινωνιών ΙΙ Τεχνολογία ικτύων Επικοινωνιών ΙΙ 7.5 Πρωτόκολλο IP 38. Τι είναι το πρωτόκολλο ιαδικτύου (Internet Protocol, IP); Είναι το βασικό πρωτόκολλο του επιπέδου δικτύου της τεχνολογίας TCP/IP. Βασίζεται στα αυτοδύναµα

Διαβάστε περισσότερα

Μάθημα 6: Αρχιτεκτονική TCP/IP

Μάθημα 6: Αρχιτεκτονική TCP/IP Μάθημα 6: Αρχιτεκτονική TCP/IP 6.1 Συσχέτιση OSI και TCP/IP Η αρχιτεκτονική TCP/IP ακολουθεί ένα πρότυπο διαστρωμάτωσης παρόμοιο με το μοντέλο OSI. Η αντιστοιχία φαίνεται στο σχήμα 6.1. Η ονομασία της

Διαβάστε περισσότερα

Λουκάς Ελευθέριος

Λουκάς Ελευθέριος Λουκάς Ελευθέριος eloukas05@aueb.gr Σκοπός Δ. Εργασίας Πορεία προς τη Λύση Multi Service Link Layer (MSLL) MSLL Πρωτόκολλα Πλήρους Ανάκαμψης MSLL Πρωτόκολλα Περιορισμένης Ανάκαμψης Σενάρια Προσομοίωσης

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ INTERNET

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ INTERNET ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ INTERNET Κεφάλαιο 6: Συσκευές τηλεπικοινωνιών και δικτύωσης (Θ) Ενεργά στοιχεία δικτύων Δύο συστήματα Η/Υ μπορούν να συνδεθούν χρησιμοποιώντας: Δια-αποδιαμορφωτές

Διαβάστε περισσότερα

Β. Μάγκλαρης.

Β. Μάγκλαρης. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Αρχιτεκτονική & Δρομολόγηση στο Internet (Τμήμα 2/2) Ορισμοί & Ταξινόμηση Τεχνικών Δρομολόγησης Δρομολόγηση Επιπέδου Δικτύου (IP) Intra-AS & Inter-AS Β. Μάγκλαρης maglaris@netmode.ntua.gr

Διαβάστε περισσότερα

Νέες Επικοινωνιακές Τεχνολογίες

Νέες Επικοινωνιακές Τεχνολογίες Νέες Επικοινωνιακές Τεχνολογίες Λύσεις Θεμάτων http://nop33.wordpress.com Τι ορίζουμε ως Τοπικό Δίκτυο Υπολογιστών; Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά των Τοπικών Δικτύων; Ποιες οι βασικές τοπολογίες

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ INTERNET

ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ INTERNET ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ INTERNET Κεφάλαιο 4: Τεχνικές Μετάδοσης ΜΕΤΑΓΩΓΗ Τεχνική µεταγωγής ονομάζεται ο τρόπος µε τον οποίο αποκαθίσταται η επικοινωνία ανάµεσα σε δύο κόµβους με σκοπό την

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΚΤΥΑ (13) Π. Φουληράς

ΔΙΚΤΥΑ (13) Π. Φουληράς ΔΙΚΤΥΑ (13) Π. Φουληράς Τεχνολογίες WAN και Δρομολόγηση LAN Επεκτείνεται μόνον σε ένα κτίριο ή ομάδα κτιρίων WAN (Wide Area Network) Επεκτείνονται σε μεγάλες περιοχές MAN Ενδιάμεσο ως προς το μέγεθος της

Διαβάστε περισσότερα

ΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ. Ιωάννης Σταυρακάκης, Καθηγητής Password: edi

ΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ. Ιωάννης Σταυρακάκης, Καθηγητής  Password: edi ΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Ιωάννης Σταυρακάκης, Καθηγητής ioannis@di.uoa.gr http://www.di.uoa.gr/~ioannis/courses.html Password: edi ίκτυα Επικ. - Κεφ. 1 ( Καθ. Ι. Σταυρακάκης, Τµήµα Πληροφ. & Τηλεπικ. - Ε.Κ.Π.Α.)

Διαβάστε περισσότερα

J. Glenn Brookshear. Copyright 2008 Pearson Education, Inc. Publishing as Pearson Addison-Wesley

J. Glenn Brookshear. Copyright 2008 Pearson Education, Inc. Publishing as Pearson Addison-Wesley Κεφάλαιο 4: ικτύωση και ιαδίκτυο Η Επιστήµη των Υπολογιστών: Μια Ολοκληρωµένη Παρουσίαση (δέκατη αµερικανική έκδοση) J. Glenn Brookshear Copyright 2008 Pearson Education, Inc. Publishing as Pearson Addison-Wesley

Διαβάστε περισσότερα

ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 13 ΚΕΦ.1 Πρωτόκολλα TCP/IP... 15 1.1 Χαρακτηριστικά της σουίτας TCP/IP... 16 1.1.2. Λειτουργίες των TCP, IP και UDP πρωτοκόλλων...

ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 13 ΚΕΦ.1 Πρωτόκολλα TCP/IP... 15 1.1 Χαρακτηριστικά της σουίτας TCP/IP... 16 1.1.2. Λειτουργίες των TCP, IP και UDP πρωτοκόλλων... ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 13 ΚΕΦ.1 Πρωτόκολλα TCP/IP... 15 1.1 Χαρακτηριστικά της σουίτας TCP/IP... 16 1.1.2. Λειτουργίες των TCP, IP και UDP πρωτοκόλλων... 19 1.1.3 Ανάλυση πρωτοκόλλων στο μοντέλο OSI...

Διαβάστε περισσότερα

Επίπεδο δικτύου IP Forwading κτλ

Επίπεδο δικτύου IP Forwading κτλ Επίπεδο δικτύου IP Forwading κτλ (IP για που το έβαλες) Εργαστήριο Δικτύων Υπολογιστών 2014-2015 Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Επίπεδο δικτύου (Network layer) Επίπεδο εφαρμογής (Application layer):

Διαβάστε περισσότερα

Βασικές Αρχές Δικτύωσης. Ευάγγελος Παπαπέτρου

Βασικές Αρχές Δικτύωσης. Ευάγγελος Παπαπέτρου Δίκτυα Υπολογιστών Βασικές Αρχές Δικτύωσης Ευάγγελος Παπαπέτρου Τμ Μηχ Η/Υ & Πληροφορικής, Παν Ιωαννίνων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 1 / 36 Διάρθρωση 1 Βασικές Έννοιες

Διαβάστε περισσότερα

Πρωτόκολλα Διαδικτύου Μέρος 2ο. Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 3 ο

Πρωτόκολλα Διαδικτύου Μέρος 2ο. Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 3 ο Πρωτόκολλα Διαδικτύου Μέρος 2ο Επικοινωνίες Δεδομένων Μάθημα 3 ο Internet Protocol (IP) Στο επίπεδο δικτύου της τεχνολογίας TCP/IP, συναντάμε το πρωτόκολλο IP. Η λειτουργία του IP βασίζεται αποκλειστικά

Διαβάστε περισσότερα

Δίκτυα Υπολογιστών I

Δίκτυα Υπολογιστών I Δίκτυα Υπολογιστών I Βασικές Αρχές Δικτύωσης Ευάγγελος Παπαπέτρου Τμ. Μηχ. Η/Υ & Πληροφορικής, Παν. Ιωαννίνων Ε.Παπαπέτρου (Τμ.Μηχ. Η/Υ & Πληροφορικής) MYY703: Δίκτυα Υπολογιστών I 1 / 20 Διάρθρωση 1 Βασικές

Διαβάστε περισσότερα

Τεχνολογία TCP/IP ΙΑ ΙΚΤΥΩΣΗ- INTERNET. Τεχνολογίες Τηλεκπαίδευσης & Εφαρµογές - Ιούλιος 09 1 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.

Τεχνολογία TCP/IP ΙΑ ΙΚΤΥΩΣΗ- INTERNET. Τεχνολογίες Τηλεκπαίδευσης & Εφαρµογές - Ιούλιος 09 1 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3. Τεχνολογία TCP/IP ΙΑ ΙΚΤΥΩΣΗ- INTERNET Εφαρµογές - Ιούλιος 09 1 Εισαγωγή στην τεχνολογία TCP/IP Τεχνολογία TCP/IP TCP/IP Πρωτόκολλα TCP/IP ή τεχνολογία TCP/IP ή τεχνολογία ιαδικτύου (Internet)( ιαδίκτυο

Διαβάστε περισσότερα

1.2.2 Το μοντέλο δικτύωσης TCP/IP 1 / 26

1.2.2 Το μοντέλο δικτύωσης TCP/IP 1 / 26 1.2.2 Το μοντέλο δικτύωσης TCP/IP 1 / 26 Το δίκτυο ARPANET ήταν ένα δίκτυο μεταγωγής πακέτων που χρηματοδοτήθηκε από το υπουργείο άμυνας των Η.Π.Α. στα τέλη της δεκαετίας του '60. 2 / 26 Από την αρχή κύριος

Διαβάστε περισσότερα

7.6 ιευθυνσιοδότηση. Ερωτήσεις

7.6 ιευθυνσιοδότηση. Ερωτήσεις 7.6 ιευθυνσιοδότηση Ερωτήσεις 1. Να εξηγήσετε τους όρους διεύθυνση, όνοµα και διαδροµή στην τεχνολογία TCP/IP και να εξηγήσετε πώς σχετίζονται αυτοί µεταξύ τους. 2. Τι είναι η φυσική διεύθυνση ή διεύθυνση

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Εισαγωγή: Το Internet, Μοντέλο Διαχείρισης FCAPS, Ανασκόπηση TCP/IP, Στατιστικές, Ονοματοδοσία στο Internet Β.

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Εισαγωγή: Το Internet, Μοντέλο Διαχείρισης FCAPS, Ανασκόπηση TCP/IP, Στατιστικές, Ονοματοδοσία στο Internet Β. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Εισαγωγή: Το Internet, Μοντέλο Διαχείρισης FCAPS, Ανασκόπηση TCP/IP, Στατιστικές, Ονοματοδοσία στο Internet Β. Μάγκλαρης maglaris@netmode.ntua.gr www.netmode.ntua.gr 13/10/2014 Άδεια

Διαβάστε περισσότερα

Τρίτη Πρόοδος [110 μονάδες] Απαντήσεις

Τρίτη Πρόοδος [110 μονάδες] Απαντήσεις ΗY335: Δίκτυα Υπολογιστών Χειμερινό Εξάμηνο 2011-20112 Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Διδάσκουσα: Μαρία Παπαδοπούλη 15 Δεκεμβρίου 2011 Τρίτη Πρόοδος [110 μονάδες] Απαντήσεις 1. Θεωρήσετε

Διαβάστε περισσότερα

Β. Μάγκλαρης.

Β. Μάγκλαρης. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Δρομολόγηση Επιπέδου IP στο Internet Άμεση Έμμεση Δρομολόγηση Δρομολόγηση εντός Αυτόνομης Περιοχής (IGP) Δρομολόγηση μεταξύ Αυτονόμων Περιοχών (BGP) Αλγόριθμοι Distance Vector (Bellman)

Διαβάστε περισσότερα

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ανάπτυξη μιας προσαρμοστικής πολιτικής αντικατάστασης αρχείων, με χρήση

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο 1 Ε Π Α Ν Α Λ Η Ψ Η

Κεφάλαιο 1 Ε Π Α Ν Α Λ Η Ψ Η Κεφάλαιο 1 Ε Π Α Ν Α Λ Η Ψ Η Αρχές Δικτύων Επικοινωνιών Σελ. 9-50 Γεώργιος Γιαννόπουλος ΠΕ19, ggiannop (at) sch.gr http://diktya-epal-b.ggia.info/ Creative Commons License 3.0 Share-Alike Σύνδεση από σημείο

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Δρομολόγηση στο Internet (II) Αλγόριθμοι Distance Vector (Bellman) Αλγόριθμοι Link State (Dijkstra)

ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Δρομολόγηση στο Internet (II) Αλγόριθμοι Distance Vector (Bellman) Αλγόριθμοι Link State (Dijkstra) ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ Δρομολόγηση στο Internet (II) Αλγόριθμοι Distance Vector (Bellman) Αλγόριθμοι Link State (Dijkstra) Β. Μάγκλαρης maglaris@netmode.ntua.gr www.netmode.ntua.gr 2/11/2015 Άδεια Χρήσης Το

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΛ 476: ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ (MOBILE NETWORKS)

ΕΠΛ 476: ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ (MOBILE NETWORKS) ΟΜΑΔΑ ΦΟΙΤΗΤΩΝ: Μιχαηλίνα Αργυρού Κασιανή Πάρη ΕΠΛ 476: ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ (MOBILE NETWORKS) Δρ. Χριστόφορος Χριστοφόρου Πανεπιστήμιο Κύπρου - Τμήμα Πληροφορικής WiMAX (Worldwide Interoperability

Διαβάστε περισσότερα

Ενότητα 1. Εισαγωγή στις βασικές έννοιες των ικτύων ΗΥ

Ενότητα 1. Εισαγωγή στις βασικές έννοιες των ικτύων ΗΥ Ενότητα 1 Εισαγωγή στις βασικές έννοιες των ικτύων ΗΥ Εισαγωγή στις βασικές έννοιες των δικτύων υπολογιστών ικτυακός Καταµερισµός Εργασίας Το υπόδειγµα του Internet Εξοπλισµός ικτύου Κατηγοριοποίηση ικτύων

Διαβάστε περισσότερα

Διασύνδεση τοπικών δικτύων

Διασύνδεση τοπικών δικτύων Κεφάλαιο 10 Διασύνδεση τοπικών δικτύων ------------------------- Μάθημα 10.1 : Αρχές διασύνδεσης τοπικών δικτύων Μάθημα 10.2 : Επιλογή τοπικού δικτύου και μέσου μετάδοσης Μάθημα 10.3 : Επιλογή τοπικού

Διαβάστε περισσότερα

7.9 ροµολόγηση. Ερωτήσεις

7.9 ροµολόγηση. Ερωτήσεις 7.9 ροµολόγηση Ερωτήσεις 1. Να δώσετε τον ορισµό της δροµολόγησης; 2. Από τι εξαρτάται η χρονική στιγµή στην οποία λαµβάνονται οι αποφάσεις δροµολόγησης; Να αναφέρετε ποια είναι αυτή στην περίπτωση των

Διαβάστε περισσότερα