Σχεδίαση και Μελέτη Πρωτοκόλλου Δρομολόγησης Πολλαπλών Διαδρομών σε Αδόμητα Δίκτυα Οχημάτων (VANETs)

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Διπλωματική Εργασία Σχεδίαση και Μελέτη Πρωτοκόλλου Δρομολόγησης Πολλαπλών Διαδρομών σε Αδόμητα Δίκτυα Οχημάτων (VANETs) Σερμπέζης Παύλος Επιβλέπουσα : Καθηγήτρια Φωτεινή-Νιόβη Παυλίδου Θεσσαλονίκη, Ιανουάριος 2011

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική έχει ως αντικείμενο έρευνας τα αδόμητα δίκτυα οχημάτων ή VANETs (Vehicular Ad hoc NETworks). Τα VANETs αποτελούν την εφαρμογή των Ad hoc δικτύων σε κόμβους που βρίσκονται πάνω σε οχήματα και είναι ένα νέο επιστημονικό πεδίο που τα τελευταία χρόνια στρέφεται πάνω του όλο και περισσότερο ενδιαφέρον, και από ερευνητές και από τη βιομηχανία. Σκοπός της διπλωματικής είναι να προτείνει ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης πολλαπλών διαδρομών (multipath) για VANET και να μελετήσει τη συμπεριφορά του. Η εργασία δομείται ως εξής: Το πρώτο κεφάλαιο είναι μια εισαγωγή στον κόσμο των VANETs. Γίνεται αναφορά στις αρχιτεκτονικές τους, στα πρότυπα που υπάρχουν και στα ειδικά χαρακτηριστικά τους. Επίσης περιγράφονται οι κυριότερες από τις εφαρμογές που μπορούν να υποστηριχθούν. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται οι κατηγορίες πρωτοκόλλων δρομολόγησης που υπάρχουν για τα VANETs και σε κάθε κατηγορία δίνεται η περιγραφή μερικών πρωτοκόλλων που έχουν προταθεί. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πρωτόκολλο δρομολόγησης JMSR, που σχεδιάστηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής. Γίνεται αναλυτική περιγραφή του τρόπου λειτουργίας του και των επιμέρους διαδικασιών του. Το τέταρτο κεφάλαιο περιέχει μια συνοπτική παρουσίαση των εργαλείων προσομοίωσης. Επίσης αναλύονται τα μοντέλα και οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Για την καλύτερη μελέτη τους χωρίστηκαν σε 5 ομάδες αποτελεσμάτων και στο τέλος κάθε ομάδας γίνεται αναλυτικός σχολιασμός τους και εξάγονται τα αντίστοιχα συμπεράσματα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω την επιβλέπουσα καθηγήτριά μου κα. Φωτεινή-Νιόβη Παυλίδου για την άψογη συνεργασία που είχαμε και για το συνεχές ενδιαφέρον της. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον διδάκτορα Γιώργο Κολτσίδα για το ενδιαφέρον του, την κατανόηση, τις συμβουλές του και την βοήθεια που μου προσέφερε καθ' όλη τη διάρκεια της διπλωματικής. Σερμπέζης Παύλος Θεσσαλονίκη, Ιανουάριος 2011

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή στα VANETs Αρχιτεκτονικές Πρότυπα Ειδικά Χαρακτηριστικά Εφαρμογές... 5 Κεφάλαιο 2 - Πρωτόκολλα δρομολόγησης Topology based δρομολόγηση Position based δρομολόγηση Cluster based δρομολόγηση Broadcast και Geocast δρομολόγηση Κεφάλαιο 3 - Το πρωτόκολλο JMSR Περιγραφή του αλγορίθμου Hello πακέτα Γειτονικοί κόμβοι Εντοπισμός κόμβου-παραλήπτη (destination) Δρομολόγηση από κόμβο-αποστολέα (source) Προώθηση πακέτων Αλγόριθμος εύρεσης disjoint διαδρομών Γράφοι Αλγόριθμοι εύρεσης συντομότερων διαδρομών Εύρεση disjoint διαδρομών Κεφάλαιο 4 Προσομοιώσεις Ο προσομοιωτής δικτύου ns Δημιουργία σεναρίων κίνησης Παράμετροι προσομοιώσεων Κεφάλαιο 5 Αποτελέσματα Συμπεράσματα Αρκτικόλεξα Βιβλιογραφία... 60

4

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ VANETs Οι πρώτες έρευνες για επικοινωνία μεταξύ οχημάτων ξεκίνησαν στις αρχές της δεκαετίας του '80, όμως η τεχνολογία δεν ήταν αρκετά ώριμη για να υποστηρίξει τέτοιες προσπάθειες. Την τελευταία δεκαετία, με τη πρόοδο της ασύρματης τεχνολογίας, η περιοχή των επικοινωνιών μεταξύ οχημάτων απέκτησε μεγάλο ενδιαφέρον και δόθηκε ώθηση στην έρευνα, όχι μόνο από τα πανεπιστήμια αλλά και από τη βιομηχανία. Το μεγαλύτερο κομμάτι της αυτής της έρευνας έχει επικεντρωθεί στα VANETs. Τα αδόμητα δίκτυα οχημάτων ή αλλιώς VANETs (Vehicular Ad-hoc NETworks) είναι μια νέα μορφή δικτύων που ενσωματώνει τις τεχνολογίες των αδόμητων δικτύων (ad-hoc networks), των ασύρματων τοπικών δικτύων (W-LAN) και των κυψελωτών συστημάτων (cellular systems), και συνδυάζοντάς τες με νέες τεχνικές και μεθόδους επιδιώκει να επιτύχει την έξυπνη επικοινωνία των οχημάτων και τη συνεχή σύνδεση των επιβατών τους με τον κόσμο (internet). Το κύριο πεδίο εφαρμογής των VANETs είναι τα ευφυή συστήματα μεταφορών (ITS - Intelligent Transportation Systems) που έχουν ως σκοπό να βελτιώσουν τις συνθήκες κυκλοφοριακής κίνησης και να αυξήσουν την οδική ασφάλεια. Ως απόγονος των κινητών αδόμητων δικτύων (MANETs Mobile Ad-hoc Networks), τα VANETs έχουν κληρονομήσει το κύριο χαρακτηριστικό των αδόμητων δικτύων, την ικανότητα σχηματισμού δικτύου αποκλειστικά από τους κόμβους τους χωρίς να απαιτείται κάποια σταθερή υποδομή. Οι κόμβοι, αναλαμβάνοντας και τη διαδικασία της δρομολόγησης (routing), δίνουν τη δυνατότητα στο δίκτυο να υποστηρίζει επικοινωνία μέσω πολλαπλών συνδέσεων-αλμάτων (hops) σε αντίθεση με τα ασύρματα τοπικά δίκτυα και τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας, τα οποία αποτελούνται από ένα σταθερό access point ή base station, αντίστοιχα, και οι κόμβοι τους μπορούν να επικοινωνήσουν μόνο με αυτό. Ωστόσο οι διαφορές στο περιβάλλον που κινούνται τα οχήματα καθώς και τα ειδικά χαρακτηριστικά της κίνησής τους έχουν ως αποτέλεσμα η συμπεριφορά τους να αποκλίνει πολύ από αυτή των MANETs και να απαιτεί την αντιμετώπισή τους ως ξεχωριστή κατηγορία δικτύων. Τα οχήματα κινούνται με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα απ' ότι οι κόμβοι ενός MANET και η κίνησή τους δεν είναι τυχαία στο χώρο αλλά είναι σχεδόν γραμμική καθώς ακολουθούν τη χάραξη των δρόμων και των διασταυρώσεων. Επίσης ο τρόπος διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στα αστικά περιβάλλοντα διαφέρει πολύ από τη διάδοση στον ελεύθερο χώρο, διότι τα κτίρια παίζουν καθοριστικό ρόλο με το να μην επιτρέπουν στα κύματα να τα διαπεράσουν και με το να τα ανακλούν. Παρακάτω περιγράφονται οι αρχιτεκτονικές που συναντούνται στα VANETs, εξετάζονται κάποια πρότυπα και κάποια ειδικά χαρακτηριστικά των VANETs και τέλος γίνεται μια απαρίθμηση των πιο σημαντικών από τις εφαρμογές τους. 1

6 1.1 - ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΤΩΝ VANETs Οι συνιστώσες των VANET συστημάτων μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις κατηγορίες. Αυτές είναι τα οχήματα, οι προσωπικές συσκευές, ο εξοπλισμός δρόμου (RSU Road-Side Units) και ο κεντρικός εξοπλισμός. Ένα σύστημα VANET δεν είναι απαραίτητο να αποτελείται από συστατικά όλων των παραπάνω κατηγοριών. Με βάση το ποιες κατηγορίες απαρτίζουν το σύστημα γίνεται και ο διαχωρισμός των αρχιτεκτονικών που εμφανίζονται. Τα οχήματα είναι αναπόσπαστο κομμάτι των VANETs και αποτελούν τη βασική συνιστώσα όλων των αρχιτεκτονικών. Οι προσωπικές συσκευές τοποθετούνται από το χρήστη πάνω στο όχημα και μπορεί να είναι είτε συσκευές πλοήγησης GPS είτε συσκευές πολυμεσικών εφαρμογών. Επίσης κινητά τηλέφωνα μπορεί να θεωρηθούν ότι ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία αν χρησιμοποιούν το δίκτυο των οχημάτων, για τη σύνδεσή τους στο διαδίκτυο, και όχι κάποιο άλλο δίκτυο (πχ. κινητής τηλεφωνίας). Ο εξοπλισμός δρόμου παρουσιάζει μεγάλη ποικιλία ως προς το είδος των συσκευών που μπορεί να αποτελείται. Παραδοσιακές συσκευές όπως φωτεινοί σηματοδότες ή πινακίδες σήμανσης δύναται να ενσωματώνουν τμήματα με υπολογιστική ισχύ και ικανότητα ασύρματης επικοινωνίας (πομπούς), έτσι ώστε να διανέμουν τη πληροφορία τους στο δίκτυο πέρα από την οπτική επαφή. Επίσης σταθεροί αναμεταδότες που λειτουργούν ως ακίνητοι κόμβοι του δικτύου και βοηθούν στην πιο γρήγορη και αποτελεσματική μετάδοση των μηνυμάτων. Τα RSU μπορούν να είναι είτε αποκομμένα είτε να συνδέονται μεταξύ τους με ένα ιδιωτικό δίκτυο (private network). Επίσης μπορούν να συνδέονται με τον κεντρικό εξοπλισμό ή και κατευθείαν στο Διαδίκτυο. Ο κεντρικός εξοπλισμός λειτουργεί ως το κέντρο ελέγχου του δικτύου. Κύριες λειτουργίες του είναι να συλλέγει δεδομένα από τα RSU, να προβλέπει μελλοντικές συνθήκες του δικτύου (πχ. κυκλοφοριακή συμφόρηση), να δίνει εντολές στα RSU. Οι τρεις αρχιτεκτονικές δικτύου που εμφανίζονται στα VANETs είναι οι εξής, Αμιγώς κυψελωτή/wlan αρχιτεκτονική Αμιγώς αδόμητη (Ad-hoc) αρχιτεκτονική Υβριδική αρχιτεκτονική και παραδείγματά τους παρουσιάζονται στην εικόνα 1.1. Εικόνα 1.1 Αρχιτεκτονικές των VANETs 2

7 α) Αμιγώς κυψελωτή/wlan αρχιτεκτονική Το δίκτυο χρησιμοποιεί πύλες δικτύου (gateways) ή access points, που βρίσκονται συνήθως στις διασταυρώσεις, για να συνδέσει τους κόμβους-οχήματα με το Διαδίκτυο, για να συλλέξει δεδομένα από αυτούς, για να τους μεταδώσει σημαντικές πληροφορίες ή για να κάνει τη δρομολόγηση (routing). Ο σταθερός εξοπλισμός παρέχει στους κινούμενους κόμβους συνδεσιμότητα και καλύτερη ποιότητα επικοινωνίας. Όμως το μειονέκτημα αυτής της αρχιτεκτονικής είναι κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας του σταθερού εξοπλισμού, που την κάνει να φαίνεται γενικά ασύμφορη σε σχέση με τις υπόλοιπες. β) Αμιγώς Ad-hoc αρχιτεκτονική Σε αυτήν την αρχιτεκτονική υφίστανται μόνο κινητοί κόμβοι (οχήματα) και συσκευές RSU. Η επικοινωνία γίνεται μέσω γειτονικών κόμβων ή για πιο μακρινές αποστάσεις μέσω πολλαπλών συνδέσεων-αλμάτων (hops). Το δίκτυο οργανώνεται μόνο του και δεν απαιτεί κάποια σταθερή υποδομή. Το μειονέκτημα είναι ότι παρουσιάζει μικρότερη αξιοπιστία λόγω της κίνησης των κόμβων και τη μη συνεχή παρουσία τους σε όλα τα σημεία. γ) Υβριδική αρχιτεκτονική Είναι ένας συνδυασμός των προηγούμενων αρχιτεκτονικών. Το δίκτυο υλοποιείται μέσω συνδέσεων οχημάτων-σταθερού εξοπλισμού (V2I Vehicle to Infrastructure) και μέσω συνδέσεων οχημάτων-οχημάτων (V2V Vehicle to Vehicle). Ο κάθε τύπος σύνδεσης χρησιμοποιείται ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο και τις ανάγκες της επιθυμητής επικοινωνίας. 1.2 ΠΡΟΤΥΠΑ Η διαδικασία δημιουργίας μιας νέας τεχνολογίας ακολουθεί, κατά κανόνα, ένα συγκεκριμένο τρόπο εξέλιξης. Αρχικά εμφανίζεται ως ερευνητικό αντικείμενο, έπειτα ακολουθούν κάποια πρώιμα πειράματα όπου ελέγχεται η εγκυρότητα της θεωρίας και το τελευταίο και καθοριστικό βήμα πριν την υλοποίησή της είναι η έκδοση προτύπων (standards) για τη συγκεκριμένη τεχνολογία. Τα πρότυπα περιέχουν τις τεχνικές προδιαγραφές, τις μεθόδους, τις διαδικασίες και τις πρακτικές για την υλοποίηση μιας τεχνολογίας. Μετά την έκδοση ενός προτύπου υπάρχει πλέον ένας κοινός κανόνας και ένα κοινό σημείο αναφοράς για τους κατασκευαστές και τους χρήστες, πράγμα που μπορεί να δώσει ώθηση στην εξάπλωση και χρήση της νέας τεχνολογίας. Στον τομέα των VANETs η προτυποποίηση ξεκίνησε το 1999 όταν η FCC (Federal Communication Commission) των Ηνωμένων Πολιτειών δέσμευσε 75MHz εύρος φάσματος στη ζώνη συχνοτήτων των 5.9GHz με την ονομασία DSRC (Dedicated Short Range Communication). Ο όρος DSRC αναφέρεται σε ασύρματες επικοινωνίες οχημάτων μικρής εμβέλειας. Το 2004 η IEEE ξεκίνησε τις εργασίες για μια νέα σειρά από πρότυπα για VANETs. Αυτή η σειρά προτύπων ονομάστηκε WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments). 3

8 Οι DSRC επικοινωνίες αρχικά χρησιμοποιούσαν στο PHY/MAC επίπεδο, το πρότυπο της IEEE a. Όμως οι ειδικές συνθήκες στο περιβάλλον που αναπτύσσονται τα VANETs οδήγησαν στη δημιουργία του προτύπου IEEE p, το οποίο βασίζεται στο a. Εικόνα 1.2 Μοντέλο OSI και πρότυπα των VANETs p Στο DSRC η ζώνη συχνοτήτων χωρίζεται σε 7 κανάλια των 10MHz, όμως υπάρχει και η δυνατότητα να συνδυάζονται 2 κανάλια σε ένα των 20MHz ώστε να αυξάνεται το εύρος ζώνης. Η εμβέλεια κυμαίνεται από 300 έως 1000 μέτρα, ανάλογα με την ισχύ εκπομπής, και ο ρυθμός αποστολής δεδομένων από 3 έως 27Μbps (κανάλια των 10 MHz) και από 6 έως 54Mbps (κανάλια των 20MHz) ΕΙΔΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Τα VANETs, εξαιτίας της κινητικότητας των κόμβων τους, της ιδιομορφίας του περιβάλλοντος που κινούνται, των αρχιτεκτονικών τους και του είδους των εφαρμογών τους, παρουσιάζουν κάποια χαρακτηριστικά που τα κάνουν να διαφέρουν από άλλα είδη δικτύων. Μερικά από αυτά τα ειδικά χαρακτηριστικά επιδρούν θετικά στην ποιότητα της επικοινωνίας και άλλα αποτελούν εμπόδιο γι' αυτήν. Ωστόσο για τον καλύτερο σχεδιασμό του συστήματος θα πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη. Δυναμική τοπολογία: Εξαιτίας των υψηλών ταχυτήτων που μπορούν να αναπτύξουν τα οχήματα, η τοπολογία του δικτύου όχι μόνο αλλάζει συνεχώς αλλά και με γρήγορους ρυθμούς. Μέσα σε λίγα μόνο δευτερόλεπτα οι αποστάσεις μεταξύ δύο κόμβων μπορούν να αλλάξουν δραματικά και έτσι μπορεί να χαθεί ένα link ή να δημιουργηθούν νέα. Ασταθής συνδεσιμότητα: Αποτέλεσμα της δυναμικής τοπολογίας είναι να μην υπάρχει σταθερότητα όσον αφορά τη συνδεσιμότητα του δικτύου. Ειδικότερα όταν η πυκνότητα των οχημάτων είναι μικρή, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ένας κόμβος να αποσυνδέεται συχνά από το δίκτυο καθώς δε θα βρίσκει γειτονικούς κόμβους για να επικοινωνήσει. 4

9 Κινητικότητα κόμβων: Οι κόμβοι είναι οχήματα και άρα κινούνται πάνω στους δρόμους. Αυτό δίνει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά στην κίνησή τους η οποία δεν είναι τυχαία. Έτσι κάθε στιγμή υπάρχει η δυνατότητα να προβλέψουμε -με κάποια πιθανότητα βέβαια- την κίνηση ενός κόμβου. Αυτή η ιδιότητα γίνεται εκμεταλλεύσιμη στον σχεδιασμό πολλών από των πρωτοκόλλων δρομολόγησης, Επικοινωνίες χώρου: Σε πολλές από τις εφαρμογές των VANETs τα μηνύματα που εκπέμπει ένας κόμβος δεν απευθύνονται σε έναν άλλο (ή σε μια ομάδα) με συγκεκριμένο ID, αλλά προς κάποιον κόμβο (ή κόμβους) που βρίσκονται σε κάποια γεωγραφική θέση. Όπως για παράδειγμα η ειδοποίηση απότομου φρεναρίσματος απευθύνεται μόνο στους κόμβους πίσω από το όχημα που φρέναρε. Επάρκεια ενέργειας: Ο πομπός των κόμβων βρίσκεται πάνω σε ένα όχημα, οπότε οποιοσδήποτε περιορισμός ενέργειας αίρεται. Επίσης δεν υπάρχουν περιορισμοί υπολογιστικής ισχύς και μνήμης καθώς οι συσκευές επικοινωνίας δεν οφείλουν να είναι μικρές. Συνεργασία με άλλα συστήματα: Οι κόμβοι συνεργάζονται με άλλες συσκευές όπως συσκευές GPS ή με τους αισθητήρες που είναι εξοπλισμένο ένα όχημα. Τις πληροφορίες που λαμβάνουν από αυτά τα συστήματα τις χρησιμοποιούν για τη δρομολόγηση (πχ. πληροφορία θέσης από GPS) ή για την ειδοποίηση άλλων κόμβων. 1.4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Κύριος σκοπός των VANETs είναι η αύξηση της οδικής ασφάλειας και εκεί στρέφεται και η πλειοψηφία των εφαρμογών που έχουν προταθεί. Επίσης, μελέτη έχει γίνει και σε εφαρμογές για τη βελτίωση των κυκλοφοριακών συνθηκών καθώς και σε μια πληθώρα άλλων υπηρεσιών που δεν σχετίζονται άμεσα με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Παρακάτω παρουσιάζονται αντιπροσωπευτικά μερικές από αυτές τις εφαρμογές. Οδική ασφάλεια Η άμεση επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων μπορεί να παίξει καθοριστικό ρόλο στον τομέα των ατυχημάτων που συμβαίνουν στους δρόμους. Κυρίαρχος στόχος είναι η μείωσή τους με την έγκαιρη ειδοποίηση των οδηγών για κίνδυνο ατυχήματος, έτσι ώστε αυτοί να ενεργήσουν κατάλληλα για να το αποφύγουν. Αλλά και στις περιπτώσεις που συμβεί το ατύχημα είναι ζωτικής σημασίας να ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα ώστε να μειωθούν οι συνέπειες. Η ονομαζόμενη και ως ενεργή ασφάλεια -σε σύγκριση με την παθητική ασφάλεια, στην οποία ανήκουν οι ζώνες ασφαλείας και οι αερόσακοι- ενεργοποιείται πριν συμβεί το ατύχημα και μερικά παραδείγματά της είναι: 5

10 Ειδοποίηση για απότομο φρενάρισμα του προπορευόμενου αυτοκινήτου. Ειδοποίηση κινδύνου, λόγω παραβίασης φωτεινού σηματοδότη ή πινακίδας από άλλο όχημα. Ειδοποίηση κινδύνου που ακολουθεί μετά από κλειστή στροφή. Ειδοποίηση διάβασης πεζών. Ειδοποίηση συμβάντος ατυχήματος σε οδηγούς τρίτων οχημάτων. Ειδοποίηση παραβίασης ορίου ταχύτητας. Ηλεκτρονικές πινακίδες για επιπλέον επικέντρωση της προσοχής Εικόνα 1.3 Ειδοποίηση επερχόμενων αυτοκινήτων για συμβάν ατυχήματος Διευκόλυνση κυκλοφορίας Σε περιπτώσεις όπου το δίκτυο, εκτός από τα οχήματα, αποτελείται και από σταθερό εξοπλισμό, μπορεί να γίνει ένας κεντρικός έλεγχος του οδικού δικτύου ώστε να διευκολυνθεί η κίνηση των οχημάτων και να αποφεύγεται η κυκλοφοριακή συμφόρηση. Με τη συνεργασία όλων των οχημάτων, το κέντρο ελέγχου γνωρίζει ποια σημεία του οδικού δικτύου έχουν συμφόρηση και έτσι μπορεί να ενημερώσει τα οχήματα που κατευθύνονται προς τα εκεί, ώστε να επιλέξουν μία άλλη διαδρομή. Επίσης, είναι δυνατή η επικοινωνία και ο συντονισμός ομάδων οχημάτων (αστυνομία, πυροσβεστική, ταξί) που σήμερα γίνεται με άλλα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Εικόνα 1.4 Ενημέρωση οδηγών για κυκλοφοριακή συμφόρηση. Άλλες υπηρεσίες Οι υπόλοιπες υπηρεσίες που μπορούν να προσφερθούν μέσω ενός δικτύου οχημάτων ανήκουν σε διάφορες κατηγορίες υπηρεσιών. Οι άμεσα σχετιζόμενες με την οδήγηση μπορεί να είναι η ηλεκτρονική πληρωμή διοδίων, ο εντοπισμός χώρων στάθμευσης σε μία περιοχή, η πληροφόρηση για την ύπαρξη καταστημάτων 6

11 όπως βενζινάδικα ή συνεργεία αυτοκινήτων, η δυναμική πλοήγηση (navigation). Ακόμα υπηρεσίες για τους επιβάτες ενός οχήματος -ή για τον οδηγό, όταν το όχημα είναι ακινητοποιημένο- όπως η σύνδεση στο Διαδίκτυο, εφαρμογές πολυμέσων σε συνδυασμό με άλλους χρήστες των VANETs, σχηματισμός Peer-to-Peer (P2P) δικτύων. Εικόνα 1.5 Πληροφόρηση για ύπαρξη συνεργείου αυτοκινήτων και αυτόματη ενημέρωση λογισμικού συσκευής πλοήγησης. Εικόνα 1.6 Ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ χρηστών του ίδιου δικτύου και λήψη από το Internet αρχείων ήχου. Ωστόσο για να αρχίσουν να υλοποιούνται στην πράξη όλες αυτές οι εφαρμογές, θα πρέπει να ληφθούν πολύ αυστηρά μέτρα προφύλαξης από ανεπιθύμητους χρήστες. Αν οι επικοινωνίες δεν είναι ασφαλείς και μπορέσει κάποιος να τις υπονομεύσει, μπορεί να προκληθούν από απλές δυσλειτουργίες μέχρι και ατυχήματα. 7

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των VANETs και η φύση των εφαρμογών που καλούνται να υποστηρίξουν, δημιουργούν την ανάγκη για ανάπτυξη αποδοτικών πρωτοκόλλων δρομολόγησης. Τα τελευταία χρόνια έχουν προταθεί πολλά πρωτόκολλα, των οποίων η σχεδίαση συμβάλλει καθοριστικά στην συνολική απόδοση του δικτύου. Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστούν οι κυριότερες κατηγορίες δρομολόγησης για VANETs και κάποια παραδείγματα πρωτοκόλλων που ανήκουν σε αυτές. 2.1 TOPOLOGY BASED ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης που ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία χρησιμοποιούν την πληροφορία που υπάρχει στο δίκτυο σχετικά με τα links μεταξύ των κόμβων για να εκτελέσουν τις λειτουργίες τους. Χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες, τα proactive πρωτόκολλα και τα reactive πρωτόκολλα. Στα proactive πρωτόκολλα οι κόμβοι εγκαθιστούν διαδρομές, ανταλλάσσοντας μηνύματα, και διατηρούν πίνακες όπου τις αποθηκεύουν. Έτσι όταν ένας κόμβος θελήσει να στείλει σε κάποιον άλλο ένα πακέτο, αναζητά τη διαδρομή που πρέπει αυτό να ακολουθήσει, την οποία την έχει βρει εκ των προτέρων, και το δρομολογεί κατάλληλα. Αντίθετα, τα reactive πρωτόκολλα εγκαθιστούν διαδρομές αφού εμφανιστεί πρώτα ένα πακέτο προς αποστολή. Το πλεονέκτημά τους είναι ότι στο δίκτυο ανταλλάσσονται λιγότερα routing πακέτα, όμως υπάρχει μια καθυστέρηση μέχρι να γίνει η εγκατάσταση της διαδρομής. Από τα πλέον γνωστά reactive πρωτόκολλα είναι το AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector) [3] και το DSR (Dynamic Source Routing) [4]. Αυτά τα πρωτόκολλα σχεδιάστηκαν για MANETs, όμως λόγω των κοινών χαρακτηριστικών, μπορεί να γίνει η χρήση τους και σε VANETs. Στο AODV ο κόμβος-αποστολέας (source) στέλνει στο δίκτυο πακέτα RREQ για να βρει μια διαδρομή μέχρι τον κόμβο-παραλήπτη (destination). Οι ενδιάμεσοι κόμβοι αποθηκεύουν την πληροφορία των RREQ και τα προωθούν περαιτέρω. Όταν τα πακέτα αυτά φτάσουν στον destination, αυτός στέλνει στον source ένα πακέτο RREP μέσω της συντομότερης διαδρομής. Οι ενδιάμεσοι κόμβοι της επιλεγμένης διαδρομής, αποθηκεύουν το ID του κόμβου από τον οποίο δέχθηκαν το RREP και έτσι, όταν αυτό φτάσει στον source, ακολουθείται -από κόμβο σε κόμβο- η αντίστροφη διαδρομή για την προώθηση του πακέτου. Στο DSR προτείνεται μια παρόμοια διαδικασία, με τη διαφορά ότι η διαδρομή δεν αποθηκεύεται στους ενδιάμεσους κόμβους αλλά στα RREQ και RREP πακέτα. Έτσι το RREP πακέτο που θα φτάσει στον source θα περιέχει την αλληλουχία των κόμβων που συνθέτουν την διαδρομή. 8

13 Εικόνα 2.1 Διαδικασία εύρεσης διαδρομής στο AODV πρωτόκολλο. Η υψηλά δυναμική όμως τοπολογία και η κινητικότητα των κόμβων στα VANETs προκαλεί συχνά κατάρρευση των διαδρομών και απαιτείται να ξαναγίνει η διαδικασία για εύρεση νέων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η απόδοση αυτών των πρωτοκόλλων να μειώνεται σημαντικά. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος έχουν προταθεί τεχνικές πρόβλεψης της κίνησης των κόμβων (PRAODV, PRAODVM) [5]. 2.2 POSITION BASED ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ Η κίνηση των αυτοκινήτων έχει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, όπως ότι ακολουθεί συγκεκριμένες κατευθύνσεις -αυτές των δρόμων- ή ότι μπορεί να προβλεφθεί. Τα position based πρωτόκολλα προσπαθούν να εκμεταλλευτούν αυτά τα χαρακτηριστικά. Κατά την προώθηση των πακέτων λαμβάνονται αποφάσεις κάνοντας χρήση πληροφοριών γεωγραφικού περιεχομένου που προέρχονται από είτε από χάρτες του οδικού δικτύου είτε από μοντέλα κίνησης οχημάτων είτε από συσκευές πλοήγησης. Η position based δρομολόγηση αποτελεί το περισσότερα υποσχόμενο είδος δρομολόγησης. Αρκετά πρωτόκολλα έχουν προταθεί, με καλύτερη απόδοση σε σχέση με αυτά άλλων κατηγοριών, και παρακάτω περιγράφεται ο τρόπος λειτουργίας μερικών. Το GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) [6] είναι ένα από τα πιο γνωστά position based πρωτόκολλα. Η διαδικασία δρομολόγησης είναι η εξής. Ο κάθε κόμβος προωθεί το πακέτο στον κόμβο που βρίσκεται κοντινότερα στον destination (άπληστη προώθηση ή greedy forwarding). Σε περίπτωση που δεν υπάρχει κόμβος πλησιέστερος στον destination, έχει φτάσει σε τοπικό ελάχιστο. Για να ξεπεραστεί, χρησιμοποιείται μια δεύτερη διαδικασία, στην οποία επιλέγεται ένας κόμβος με τον κανόνα του δεξιού χεριού μέχρι να φτάσουμε σε κόμβο κοντινότερο στο destination απ' ότι ήταν ο κόμβος που έπεσε σε τοπικό ελάχιστο. Εικόνα 2.2 GPSR - Τοπικό ελάχιστο στον κόμβο x. 9

14 Παρόλο που το GPSR έχει καλή απόδοση στον ελεύθερο χώρο, σε αστικά περιβάλλοντα, λόγω των κτιρίων που λειτουργούν ως εμπόδια, εμφανίζει προβλήματα και η απόδοσή του μειώνεται. Για να αντιμετωπιστούν τα μειονεκτήματα του GPSR, προτάθηκε η λύση του GPCR (Greedy Perimeter Coordinator Routing) [7]. Η διαδικασία προώθησης των πακέτων είναι η ίδια, με τη διαφορά ότι αν υπάρχει κάποιος κόμβος σε διασταύρωση (ακόμα και αν δεν είναι ο κοντινότερος στον destination) προωθείται σε αυτόν το πακέτο και έπειτα αυτός αποφασίζει προς ποια κατεύθυνση θα το προωθήσει. Έτσι εκμεταλλεύεται την ιδιομορφία του αστικού περιβάλλοντος. Ένα παράδειγμα φαίνεται στην Εικόνα 2.3 όπου ο κόμβος Α δεν προωθεί το πακέτο στον C -που είναι πλησιέστερα στον destination, D- αλλά στον Β που βρίσκεται σε διασταύρωση και αποφεύγεται το τοπικό ελάχιστο. Εικόνα 2.3 GPCR Αποφυγή τοπικού ελαχίστου. Το GSR (Geographic Source Routing) [8] χρησιμοποιώντας χάρτη των δρόμων της πόλης υπολογίζει την αλληλουχία των διασταυρώσεων που συνθέτουν τη συντομότερη διαδρομή από τον source στον destination. Έτσι κάθε φορά προωθεί είτε απευθείας -αν είναι εφικτό- είτε με greedy forwarding το πακέτο ώστε αυτό να φτάσει σε έναν κόμβο στην επόμενη διασταύρωση της διαδρομής. Μια επίσης πρόταση που βασίζεται σε επιλογή διαδρομής μέσω χαρακτηριστικών σημείων είναι το A-STAR (Anchor-Based Street and Traffic Aware Routing) [9]. Εδώ αντί για τις διασταυρώσεις, επιλέγονται σημεία της πόλης σύμφωνα με την κίνηση που υπάρχει στους δρόμους. Οι δρόμοι αξιολογούνται κατάλληλα ως προς τη συνδεσιμότητα που εμφανίζουν και επιλέγεται αν θα ανήκουν στη διαδρομή. Σε περίπτωση αποτυχίας της διαδρομής λόγω ανυπαρξίας αρκετών κόμβων σε έναν δρόμο, ο δρόμος αυτός λαμβάνεται προσωρινά εκτός λειτουργίας. 2.3 CLUSTER BASED ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ Η λογική των πρωτοκόλλων αυτής της κατηγορίας είναι να δημιουργηθεί μια εικονική δομή δικτύου με την ομαδοποίηση των κόμβων. Σε κάθε ομάδα (cluster) ορίζεται ένας κόμβος ως η κεφαλή της ομάδας και αυτός είναι υπεύθυνος να συντονίζει τις εσωτερικές και εξωτερικές λειτουργίες δρομολόγησης της ομάδας. Οι κόμβοι που ανήκουν στην ίδια ομάδα επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους, ενώ η επικοινωνία κόμβων διαφορετικών ομάδων γίνεται μέσω των κεφαλών των αντίστοιχων ομάδων. 10

15 Οι τεχνικές ομαδοποίησης δεν εμφανίζουν ιδιαίτερα καλή απόδοση στα VANETs λόγω της συχνής και γρήγορης αλλαγής της θέσης των οχημάτων που οδηγεί σε συχνή διάσπαση και επανασχηματισμό ομάδων. Έτσι αναιρείται και το κύριο πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής, το χαμηλό overhead των πακέτων. Εικόνα 2.4 Cluster based δρομολόγηση. Το COIN (Clustering for Open IVC Networks) [10] είναι ένα cluster based πρωτόκολλο που αναπτύχθηκε για VANET. Η επιλογή της κεφαλής των ομάδων βασίζεται στη δυναμική των οχημάτων και στις προθέσεις των οδηγών, αντί για το ID ή τη σχετική κίνηση του οχήματος όπως συμβαίνει στις κλασικές μεθόδους clustering. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό πιο σταθερών ομάδων με μικρότερο επιπρόσθετο overhead. Στο πρωτόκολλο LORA_CBF [11] οι κόμβοι μιας ομάδας είναι είτε η κεφαλή της ομάδας είτε gateways είτε απλά μέλη. Gateways χαρακτηρίζονται οι κόμβοι που ανήκουν ταυτόχρονα σε περισσότερες από μία ομάδες. Η διαδικασία εγκατάστασης διαδρομών είναι παρόμοια με αυτήν του AODV. 2.4 BROADCAST ΚΑΙ GEOCAST ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ Το broadcasting, δηλαδή η αποστολή μηνυμάτων που δεν έχουν συγκεκριμένο παραλήπτη αλλά τα δέχονται όλοι όσοι μπορούν να τα λάβουν, χρησιμοποιείται στα VANETs σε περιπτώσεις δρομολόγησης με ειδικό σκοπό. Για παράδειγμα την μετάδοση πληροφοριών ενημέρωσης για την κυκλοφορία ή την κατάσταση των δρόμων, για επείγοντα μηνύματα, για διαφημίσεις, για ανακοινώσεις. Επίσης χρησιμοποιείται και ως μέρος άλλων πρωτοκόλλων στη διαδικασία εύρεσης διαδρομής ή γνωστοποίησης της θέσης ενός κόμβου. Ο πιο απλός τρόπος υλοποίησης μιας broadcast υπηρεσίας είναι με flooding, όπου ο κάθε κόμβος ξαναστέλνει το μήνυμα που έλαβε σε όλους, εκτός από τον κόμβο που του το έστειλε. Με αυτόν τον τρόπο το μήνυμα εγγυημένα θα φτάσει σε όλους τους κόμβους του δικτύου. Για δίκτυα με λίγους κόμβους, οι επιδόσεις των broadcast πρωτοκόλλων είναι καλές, όμως για πυκνά δίκτυα η απόδοση πέφτει κατακόρυφα. Αυτό διότι εκεί όπου υπάρχουν πολλοί κόμβοι, όταν εκπεμφθεί ένα broadcast πακέτο, όλοι το λαμβάνουν και προσπαθούν να το προωθήσουν αμέσως, οπότε είναι αναπόφευκτο να αυξάνονται οι συγκρούσεις πακέτων (collisions). Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν υιοθετηθεί τεχνικές επιλεκτικής προώθησης. 11

16 Στο πρωτόκολλο BROADCOMM [12] που έχει σχεδιαστεί για περιβάλλοντα αυτοκινητοδρόμων, οι δρόμοι χωρίζονται σε εικονικές κυψέλες, κινούμενες σύμφωνα με τα οχήματα. Λίγοι κόμβοι στο κέντρο της κάθε κυψέλης ορίζονται ως cell reflectors και για κάποιο χρονικό διάστημα λειτουργούν ως σταθμοί βάσης για την κυψέλη. Δηλαδή προωθούν τα broadcast μηνύματα που προέρχονται από τους υπόλοιπους κόμβους της κυψέλης ή τα μηνύματα που προέρχονται από γειτονικές κυψέλες. Το UMB (Urban Multi-hop Broadcast) [13] σχεδιάστηκε για να επιλύσει προβλήματα παρεμβολής, συγκρούσεων πακέτων και κρυφών τερματικών σε περιπτώσεις broadcast πολλαπλών hops. Ο κόμβος αποστολέας προσπαθεί να προωθήσει το πακέτο στον μακρινότερο κόμβο. Έπειτα αυτός με τη σειρά του θα ακολουθήσει την ίδια διαδικασία. Επιπλέον, τα πακέτα προωθούνται και στους κόμβους που βρίσκονται στις διασταυρώσεις. Η Geocast δρομολόγηση είναι ουσιαστικά multicast δρομολόγηση βασιζόμενη σε τοπικά χαρακτηριστικά. Σκοπός είναι να μεταδοθεί το πακέτο από τον source σε όλους τους κόμβους που ανήκουν σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Για παράδειγμα, σε περίπτωση σύγκρουσης οχημάτων πρέπει να αποσταλούν προειδοποιητικά μηνύματα στα οχήματα που ακολουθούν και όχι σε όλα, δηλαδή και σε αυτά που είναι μπροστά ή σε κάποιον παράλληλο δρόμο. Η υλοποίηση της geocast δρομολόγησης μπορεί να είναι απλή, ορίζοντας σε ένα broadcast πακέτο ως παραλήπτες του αυτούς τους κόμβους που ανήκουν στην γεωγραφική περιοχή που επιθυμούμε. Τα περισσότερα geocast πρωτόκολλα κάνουν χρήση τεχνικών κατευθυνόμενου flooding. Εικόνα 2.5 α) Broadcast δρομολόγηση β) Geocast δρομολόγηση. 12

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ JMSR Κύριο αντικείμενο της διπλωματικής ήταν να σχεδιαστεί ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης, εστιασμένο στα ειδικά χαρακτηριστικά και τις ανάγκες των VANETs, και να γίνει η μελέτη και η αξιολόγηση της απόδοσής του. Επιλέχθηκε να σχεδιαστεί ένα πρωτόκολλο που να ανήκει στην κατηγορία πρωτοκόλλων πολλαπλών διαδρομών (multipath), διότι στην περιοχή των VANETs δεν υπάρχει μέχρι τώρα εκτενής μελέτη αυτού του τομέα. Για την ακρίβεια, είναι η πρώτη φορά που προτείνεται συγκεκριμένη υλοποίηση πρωτοκόλλου για multipath δρομολόγηση στα VANETs. Έχει προηγηθεί μία εργασία διερεύνησης της multipath δρομολόγησης ([14]), όμως σε αυτήν δεν προτείνεται κάποιος συγκεκριμένος αλγόριθμος. Το πρωτόκολλο που προτείνεται ονομάστηκε JMSR ή Junction-based Multipath Source Routing. Αφορά κυρίως επικοινωνίες μεταξύ οχημάτων (V2V) αλλά μπορεί να εφαρμοστεί εξίσου και σε επικοινωνίες οχημάτων-σταθερής υποδομής (V2I). Σε γενικές γραμμές κληρονομεί τεχνικές και ιδέες από πρωτόκολλα που εφαρμόστηκαν σε MANETs όμως υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση καθώς επικεντρώνεται και προσπαθεί να αξιοποιήσει τα ειδικά χαρακτηριστικά ενός δικτύου οχημάτων που σχηματίζεται σε ένα αστικό περιβάλλον και όχι σε περιβάλλον αυτοκινητοδρόμων. Το αστικό περιβάλλον ξεχωρίζει όσον αφορά στην τοπολογία του και στην κίνηση των οχημάτων. Αποτελείται από δρόμους κάθετους και παράλληλους, που διασταυρώνονται, με την απόσταση μεταξύ των διαδοχικών διασταυρώσεων να μην είναι μεγάλη. Επίσης τα οχήματα δεν αναπτύσσουν μεγάλες ταχύτητες και η πυκνότητά τους είναι αρκετά μεγάλη, ιδιαίτερα στις διασταυρώσεις όπου υπάρχει συνωστισμός λόγω κυκλοφοριακής συμφόρησης ή λόγω ηλεκτρικών σηματοδοτών. Ο λόγος που δόθηκε στο πρωτόκολλο αυτό το όνομα καθώς και το τι φανερώνει το κάθε ένα από τα συνθετικά του ονόματος περιγράφεται στη συνέχεια: Junction-based (βασισμένο σε διασταυρώσεις) Το πρωτόκολλο εντάσσεται στην κατηγορία της γεωγραφικής δρομολόγησης (geographic ή position-based routing), στην οποία κυρίαρχο ρόλο, όσον αφορά τη διαδρομή που θα ακολουθήσουν τα πακέτα, παίζουν οι θέσεις των κόμβων του δικτύου. Στην περίπτωση του JMSR η γεωγραφική δρομολόγηση αποκτά λίγο διαφορετική σημασία. Η διαδρομή επιλέγεται πρωταρχικά με βάση τη θέση των διασταυρώσεων των δρόμων και η θέση των κόμβων έχει δευτερεύοντα ρόλο. Μια παρόμοια ιδέα έχει διατυπωθεί και στο πρωτόκολλο GSR [8]. Η ιδέα της επιλογής της δρομολόγησης στηριζόμενοι στις θέσεις των διασταυρώσεων, φαίνεται ιδιαίτερα ελκυστική γιατί αποφεύγει προβλήματα, όπως αυτά των τοπικών ακρότατων και των routing loops, που εμφανίζονται στα κλασικά πρωτόκολλα γεωγραφικής δρομολόγησης (πχ. GPSR [6], GPCR [7]). Τα πλεονεκτήματα της γεωγραφικής δρομολόγησης είναι ότι έχει καλές αποδόσεις όταν το δίκτυο έχει έντονα δυναμική συμπεριφορά και ότι δεν απαιτούνται πίνακες δρομολόγησης σε κάθε κόμβο (όπως στο AODV [3]) ή εγκατάσταση διαδρομών (όπως στο DSR [4]). Ένα ακόμα πλεονέκτημα είναι ότι ο αριθμός των πακέτων που απαιτούνται για τη δρομολόγηση (routing 13

18 πακέτα) είναι αρκετά περιορισμένος σε σύγκριση με τα προηγούμενα. Για να μπορέσουμε όμως να χρησιμοποιήσουμε οποιοδήποτε πρωτόκολλο γεωγραφικής δρομολόγησης θα πρέπει οι κόμβοι να έχουν συνεχώς γνώση της θέσης τους. Επιπλέον στο JMSR θα πρέπει οι κόμβοι να έχουν γνώση και του χάρτη της περιοχής που κινούνται. Αυτές οι πληροφορίες αποκτώνται από συσκευές προσδιορισμού θέσης (GPS) και από χάρτες της περιοχής που διαθέτουν αυτές. Η παραδοχή ότι όλοι οι κόμβοι θα πρέπει να έχουν συσκευές GPS δεν μπορεί να θεωρηθεί ούτε εξωπραγματική ούτε ανασταλτικός παράγοντας για την εφαρμογή του πρωτοκόλλου, αν λάβουμε υπόψη τη διείσδυση αυτής της τεχνολογίας στα αυτοκίνητα σήμερα και τη ραγδαία και συνεχή εξάπλωσή της. Multipath (πολλαπλών διαδρομών) Στόχος ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης στα VANETs είναι να επιτύχει όσο το δυνατόν μεγαλύτερο ποσοστό παράδοσης πακέτων (PDR Packet Delivery Ratio) και συγχρόνως όσο το δυνατόν μικρότερη καθυστέρηση (delay). Η κεντρική ιδέα μιας multipath υλοποίησης ενός πρωτοκόλλου είναι, όταν επικοινωνούν δύο κόμβοι, να στέλνουμε τα πακέτα μέσω διαφορετικών -περισσοτέρων της μιας- διαδρομών έτσι ώστε να κατανέμεται καλύτερα το τηλεπικοινωνιακό φορτίο στο δίκτυο. Η πιο ισορροπημένη κατανομή του φορτίου, έχει ως άμεση συνέπεια να επιχειρείται μετάδοση λιγότερων πακέτων σε μια περιοχή του δικτύου και έτσι μειώνεται ο αριθμός των συγκρούσεων πακέτων (packet collision). Το αποτέλεσμα μιας σύγκρουσης είναι είτε να χάνεται το πακέτο, αν αυτή δε γίνει αντιληπτή, -οπότε και μειώνεται το PDR- είτε να επανεκπέμπεται το πακέτο, αν γίνει αντιληπτή από το MAC επίπεδο -οπότε και αυξάνεται το delay. Επιπλέον, με τη μείωση της συγκέντρωσης των πακέτων σε μια περιοχή του δικτύου, αποφεύγεται και η συσσώρευση πακέτων στους buffers των κόμβων και έτσι η αποστολή τους γίνεται ακόμα πιο γρήγορα (μείωση delay). Βέβαια οι πολλαπλές διαδρομές δεν προσφέρουν πάντοτε βελτίωση. Η απόδοση και η συνεισφορά τους εξαρτάται από τον αριθμό των hops που μεσολαβούν μέχρι να φτάσει το πακέτο στον παραλήπτη καθώς και την παρεμβολή (interference) που υπάρχει ανάμεσα στις διαφορετικές διαδρομές. Μια σχετική μελέτη, όπου για πρώτη φορά μελετώνται αυτά τα θέματα σε VANETs δίνεται στο [14]. Δύο διαδρομές μιας multipath υλοποίησης μπορούν να συσχετίζονται με πολλούς τρόπους. Ανάλογα με το βαθμό της συσχέτισής τους κατηγοριοποιούνται σε τέσσερις ομάδες: Μη ανεξάρτητες : Αν περιέχουν σε κάποιο σημείο τους τουλάχιστον μία κοινή ζεύξη (link) μεταξύ δύο κόμβων. Link-disjoint: Αν σε κανένα τμήμα τους δεν μοιράζονται το ίδιο link. Node-disjoint: Αν δεν έχουν κανένα κοινό κόμβο. Interference-disjoint: Αν σε κανένα κομμάτι της μίας διαδρομής δεν υπάρχει παρεμβολή από κάποιον κόμβο της άλλης. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό κάθε μία από τις παραπάνω κατηγορίες αποτελεί υποσύνολο της προηγούμενής της. Όσο περισσότερο κατεβαίνουμε κατηγορία τόσο πιο αυστηρά είναι τα κριτήρια που πρέπει να τηρούνται και τόσο πιο ασυσχέτιστες είναι οι διαδρομές. Στο πρωτόκολλο που προτείνεται, για κάθε ζεύγος κόμβων που επικοινωνούν (source, S, και destination, D) επιλέγονται δύο διαδρομές. Αυτές οι διαδρομές επιλέγεται να περνούν από διαφορετικές διασταυρώσεις δρόμων (junction-disjoint). Έτσι εξασφαλίζεται ότι οι δύο διαδρομές θα είναι node-disjoint, άρα και link-disjoint, καθώς δεν είναι δυνατόν ένας κόμβος να βρίσκεται σε δύο διασταυρώσεις ταυτόχρονα. Εξαιτίας της ιδιομορφίας του αστικού περιβάλλοντος και κυρίως των κτιρίων που λειτουργούν ως εμπόδια για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία -στις συχνότητες που μας ενδιαφέρουν- η επιλογή δύο junction-disjoint διαδρομών προσεγγίζει αρκετά την συνθήκη των interference-disjoint διαδρομών και μερικές φορές την ικανοποιεί. 14

19 α) β) γ) δ) Εικόνα 3.1 α) Διαδρομές με κοινό link (μη ανεξάρτητες) β) Διαδρομές με κοινό κόμβο (link-disjoint) γ) Διαδρομές με παρεμβολή (node-disjoint) δ) Διαδρομές interference-disjoint Εικόνα 3.2 Διαδρομές junction-disjoint που ικανοποιούν και το κριτήριο interference-disjoint Source Routing (πηγαίας δρομολόγησης) Σε αυτήν την κατηγορία πρωτοκόλλων δρομολόγησης ο αποστολέας των πακέτων (source) είναι ο μοναδικός υπεύθυνος κόμβος που επιλέγει και καθορίζει ποια διαδρομή θα ακολουθήσει το κάθε πακέτο μέχρι να φτάσει στον παραλήπτη (destination). Η πληροφορία που εμπεριέχει τη διαδρομή προστίθεται και αποστέλλεται στην κεφαλίδα (header) του πακέτου ώστε να γνωστοποιηθεί και στους επόμενους κόμβους που θα το παραλάβουν. Σε πρωτόκολλα όπως το DSR, ο αποστολέας καθορίζει την αλληλουχία των ενδιάμεσων κόμβων μέσω των οποίων θα πρέπει να προωθηθεί το πακέτο. Αντίθετα, στην δική μας περίπτωση, ο αποστολέας καθορίζει τη διαδρομή (ακολουθία δρόμων και διασταυρώσεων) που θα ακολουθήσει το πακέτο χωρίς να καθορίζει ποιοι κόμβοι θα αναλάβουν τη προώθησή του. Το πλεονέκτημα που προσφέρει το source routing είναι ότι, αφού η διαδρομή προκαθορίζεται, μπορούμε να επιλέξουμε διαδρομές με τον ελάχιστο αριθμό hops, που όμως να ικανοποιούν και τα disjoint κριτήρια που έχουμε θέσει. Επίσης οι ενδιάμεσοι κόμβοι δεν απαιτείται να υπολογίζουν πως θα προωθήσουν τα πακέτα, παρά μόνο να τα προωθούν προς εκεί που τους υποδεικνύεται. 15

20 3.1 - ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ Hello πακέτα Γειτονικοί κόμβοι Κάθε κόμβος του δικτύου στέλνει, περιοδικά, ανά διαστήματα, πακέτα τα οποία έχουν ως σκοπό να γνωστοποιήσουν -στους υπόλοιπους κόμβους- την ύπαρξή του. Αυτά τα πακέτα ονομάζονται hello πακέτα και περιέχουν ως πληροφορία το ID (αναγνωριστικό αριθμό) του κόμβου και τις συντεταγμένες του. Με την υπόθεση ότι οι κόμβοι είναι εφοδιασμένοι με συσκευές GPS, είναι δυνατόν να γνωρίζουν ανά πάσα χρονική στιγμή τη θέση τους. Έτσι, κάθε φορά, πριν στείλουν ένα hello πακέτο, ανανεώνουν τη πληροφορία της θέσης τους και την ενσωματώνουν σε αυτό. Τα hello πακέτα ορίζονται να είναι broadcast, δηλαδή απευθύνονται σε όλους τους κόμβους που μπορούν να τα λάβουν άμεσα. Όμως, αφού τα λάβει ένας κόμβος, δεν τα προωθεί περαιτέρω, έτσι ώστε να μην φτάνουν σε κάποιον κόμβο που δεν βρίσκεται στην εμβέλεια του αποστολέα του hello πακέτου. Αποτέλεσμα αυτού του μηχανισμού είναι ο κάθε κόμβος να λαμβάνει hello πακέτα από τους κόμβους που βρίσκονται εντός της εμβέλειάς του. Όταν λάβει ένα τέτοιο μήνυμα, τότε θεωρεί τον αποστολέα του ως γείτονα, δηλαδή ότι μπορεί να επικοινωνήσει απευθείας μαζί του χωρίς να είναι απαραίτητη η μεσολάβηση κάποιου τρίτου κόμβου. Για να αξιοποιήσει την πληροφορία των hello πακέτων ο κάθε κόμβος διατηρεί μία λίστα με τους γείτονές του. Όταν λάβει ένα hello από έναν κόμβο που δεν υπάρχει στη λίστα των γειτόνων, τότε προσθέτει σε αυτήν τα στοιχεία του (ID και συντεταγμένες της θέσης του) και παράλληλα αποθηκεύει και τη χρονική στιγμή (time-stamp) που έλαβε το συγκεκριμένο hello πακέτο. Στην περίπτωση που ο κόμβος προϋπάρχει στη λίστα, τότε ανανεώνει τα στοιχεία της θέσης του και το time-stamp. Η λίστα με τους γείτονες, ελέγχεται ανά τακτά διαστήματα. Αν δεν ληφθεί hello πακέτο από κάποιον κόμβο που υπάρχει στη λίστα για διάστημα μεγαλύτερο ενός προκαθορισμένου διαστήματος λήξης (timeout), τότε διαγράφεται η καταχώρηση από τη λίστα και ο κόμβος πλέον δεν θεωρείται γείτονας. Το διάστημα timeout επιλέγεται να είναι λίγο μεγαλύτερο από το διπλάσιο της περιόδου εκπομπής των hello πακέτων, έτσι ώστε για να διαγραφεί ένας γείτονας να πρέπει να χαθούν 2 hello πακέτα. Αυτό γίνεται, διότι συχνά συμβαίνει να χάνεται κάποιο hello λόγω κάποια σύγκρουσης χωρίς όμως ο κόμβος που το έστειλε να βγει εκτός της γειτονιάς. Στο JMSR, τα hello πακέτα, μαζί με τα query (βλ. επόμενη ενότητα), αποτελούν τα μοναδικά είδη πακέτων που χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για το routing. Στην υλοποίηση που προτείνεται, για να έχουμε μικρότερο αριθμό routing πακέτων και άρα λιγότερο τηλεπικοινωνιακό φορτίο στο δίκτυο, επιλέχθηκε οι κόμβοι να στέλνουν hello μηνύματα μόνο στη περίπτωση που βρίσκονται κοντά σε διασταύρωση. Οπότε, κάθε κόμβος, πριν εκπέμψει ένα hello πακέτο, συγκρίνει τη θέση του με τη θέση των διασταυρώσεων -που γνωρίζει λόγω του χάρτη- και αν βρίσκεται μέσα στα όρια της περιοχής της διασταύρωσης τότε το εκπέμπει, αλλιώς η εκπομπή αναβάλλεται. Η τεχνική αυτή, δεν επηρεάζει αρνητικά την απόδοση του πρωτοκόλλου, διότι στην προώθηση των μηνυμάτων ενεργό ρόλο έχουν μόνο οι κόμβοι που βρίσκονται στις διασταυρώσεις. Οπότε οι υπόλοιποι κόμβοι δεν είναι απαραίτητο να γνωστοποιούν τη θέση τους. 16

21 α) 200 κόμβοι β) 400 κόμβοι Εικόνα 3.3 Αριθμός hello πακέτων σε περίπτωση που στέλνουν όλοι οι κόμβοι (μπλε) και μόνο όσοι βρίσκονται σε διασταυρώσεις (πορτοκαλί) Εντοπισμός κόμβου-παραλήπτη (destination) Για να επικοινωνήσει ο κόμβος-αποστολέας (ή source, στο εξής θα συμβολίζεται S) με τον κόμβο-παραλήπτη (ή destination, στο εξής θα συμβολίζεται D) θα πρέπει να γνωρίζει τη θέση που αυτός βρίσκεται, έτσι ώστε να βρει την κατάλληλη διαδρομή μέσω της οποίας θα του προωθήσει τα πακέτα. Για να αποκτήσει αυτήν την πληροφορία ο S θα πρέπει να ενεργοποιηθεί ένας μηχανισμός που θα του δώσει τη θέση του D. Τέτοιοι μηχανισμοί μπορούν να υλοποιηθούν με διαφορετικούς τρόπους. Μπορούν να υλοποιηθούν είτε μέσω μιας κεντρικής υπηρεσίας που θα διατηρεί καταλόγους με τις θέσεις των κόμβων είτε με μηχανισμούς RLS (Reactive Location Service). Στην πρώτη περίπτωση απαιτείται η ύπαρξη σταθερής υποδομής, η οποία θα λαμβάνει ανά τακτά διαστήματα από όλους τους κόμβους τη πληροφορία της θέσης τους, θα τη διανέμει σε όλο το σταθερό δίκτυό της και θα την αποθηκεύει σε πίνακες. Έτσι, όταν ο S θελήσει να μάθει τη θέση του D θα μπορεί να την ζητήσει από τον πλησιέστερο κόμβο της σταθερής υποδομής. Στην περίπτωση των μηχανισμών RLS, ο S, για να μάθει τη θέση του D, κάνει flooding ένα μήνυμα στο δίκτυο με το οποίο ζητά από τον D να του στείλει τη θέση του. Όταν ο D λάβει αυτό το μήνυμα, στέλνει συνεχώς στον S τη θέση του -είτε με flooding είτε κατευθείαν, αν γνωρίζει τη θέση του S- ανά τακτά διαστήματα μέχρι το τέλος της επικοινωνίας. Στο JMSR η διαδικασία που ακολουθήθηκε ανήκει στους RLS μηχανισμούς όμως παρουσιάζει μία μικρή διαφοροποίηση. Αρχικά, λαμβάνεται ως παραδοχή ότι ο κάθε κόμβος D, γνωρίζει ότι είναι D χωρίς να του ζητηθεί από τον αντίστοιχο S. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως παράληψη του πρώτου βήματος του μηχανισμού RLS, όμως δεν παίζει καθοριστικό ρόλο στην επικοινωνία των κόμβων, οπότε και θεωρήθηκε αποδεκτή παραδοχή για τις ανάγκες της προσομοίωσης. Ο D, για να γνωστοποιήσει τη θέση του στους κόμβους του δικτύου, στέλνει ειδικά μηνύματα που ονομάζονται query. Κάθε πακέτο query περιέχει τις συντεταγμένες του αποστολέα του -δηλαδή του D- καθώς και ένας αριθμό σειράς (sequence number ή seqno). Κατά τη προσομοίωση το πρώτο query που θα σταλεί από έναν D θα έχει την τιμή seqno=1. Σε κάθε επόμενο ο αριθμός seqno θα αυξάνεται κατά 1, έτσι ώστε πακέτα query που στάλθηκαν από τον ίδιο D σε διαφορετικές στιγμές να διαφέρουν ως προς το seqno. Όπως γίνεται φανερό, το πακέτο με το μεγαλύτερο seqno σημαίνει ότι στάλθηκε αργότερα, δηλαδή ότι έχει τις πιο πρόσφατες συντεταγμένες της θέσης του D. Τα query πακέτα είναι broadcast πακέτα, όμως, σε αντίθεση με τα hello, όταν τα λαμβάνει ένας κόμβος συνεχίζει να τα προωθεί, έτσι ώστε να φτάσουν σε όλους τους κόμβους του δικτύου. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως flooding. Ο κάθε κόμβος διατηρεί μία λίστα, με όλους τους κόμβους που είναι D. Όταν λάβει ένα πακέτο query, ελέγχει αν ο αποστολέας του συμπεριλαμβάνεται στην λίστα των D. Αν όχι, τότε τον προσθέτει στη λίστα και αποθηκεύει τις 17

22 συντεταγμένες της θέσης του και το seqno. Αν συμπεριλαμβάνεται, τότε ελέγχει αν το seqno του query πακέτου που μόλις έλαβε είναι μεγαλύτερο από το seqno της καταχώρησης που ήδη έχει για αυτόν τον κόμβο. Αν είναι μεγαλύτερο τότε ανανεώνει τα στοιχεία της καταχώρησης και προωθεί το query πακέτο. Αν είναι μικρότερο -πολύ σπάνια- ή ίσο τότε σημαίνει ότι έχει ήδη λάβει ένα ίδιο πακέτο κάποια προηγούμενη χρονική στιγμή και το έχει προωθήσει, οπότε αγνοεί το πακέτο που μόλις του ήρθε και δεν το προωθεί. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η αποστολή περιττών μηνυμάτων που θα αυξάνουν το φορτίο του δικτύου χωρίς λόγο. πακέτο Query Ανήκει στη λίστα των D? ΟΧΙ ΝΑΙ νέο seqno > seqno καταχώρησης? ΝΑΙ ΟΧΙ Αποθήκευση στη λίστα των D Ανανέωση στοιχείων καταχώρησης Προώθηση πακέτου query Καμία ενέργεια Εικόνα 3.4 H διαδικασία που ακολουθείται όταν γίνεται λήψη ενός πακέτου query Δρομολόγηση από κόμβο-αποστολέα (source) Από τη στιγμή που θα λάβει ο S (κόμβος-αποστολέας) ένα query μήνυμα από τον D (κόμβος παραλήπτης) είναι σε θέση να ξεκινήσει τη διαδικασία αποστολής μηνυμάτων στον D. Ο S αρχικά ελέγχει αν ο D ανήκει στους γείτονές του και αν ανήκει τότε του προωθεί άμεσα το πακέτο. Σε περίπτωση που δεν ανήκει, θα πρέπει να βρει έναν τρόπο για να προωθήσει το πακέτο στον D μέσω άλλων κόμβων του δικτύου. Χρησιμοποιώντας τις συντεταγμένες της θέσης του και τις συντεταγμένες της θέσης του D, τις οποίες γνωρίζει από το query πακέτο που έχει λάβει, επιλέγει κατάλληλα δύο διαδρομές. Οι διαδρομές αυτές ουσιαστικά περιέχουν τις διασταυρώσεις της περιοχής από τις οποίες θα πρέπει να περάσει το πακέτο ώστε να φτάσει στον τελικό του προορισμό, τον D. Η προώθηση του πακέτου θα γίνει μέσω των κόμβων που βρίσκονται στην περιοχή της κάθε διασταύρωσης που ορίζεται στη διαδρομή. Είναι προφανές ότι η απόσταση μεταξύ του S και της πρώτης διασταύρωσης της διαδρομής, οι αποστάσεις μεταξύ διαδοχικών διασταυρώσεων της διαδρομής και η απόσταση μεταξύ της τελευταίας διασταύρωσης της διαδρομής και του D θα πρέπει να είναι μικρότερες της εμβέλειας των κόμβων έτσι ώστε να μπορεί να μεταδοθεί το πακέτο απευθείας από τον έναν κόμβο στον άλλο. 18

23 Εικόνα 3.5 Αναπαράσταση διαδικασίας προώθησης ενός πακέτου από μια επιλεγμένη διαδρομή. Οι διασταυρώσεις που σημειώνονται είναι οι διασταυρώσεις που συνθέτουν την διαδρομή. Ο S θα προωθήσει το πακέτο σε έναν (κόκκινο) κόμβο της πρώτης διασταύρωσης, έπειτα εκείνος σε έναν της δεύτερης κ.ο.κ μέχρι το πακέτο να προωθηθεί στον D. Οι υπόλοιποι κόμβοι του δικτύου (μπλε) δεν λαμβάνουν μέρος στη διαδικασία. Η επιλογή των διασταυρώσεων που συνθέτουν τις δύο διαδρομές γίνεται από έναν αλγόριθμο που αναλύεται σε επόμενη ενότητα. Κάθε φορά που λαμβάνεται ένα query μήνυμα από τον D, γίνεται ξανά υπολογισμός των δύο διαδρομών για να ληφθεί υπόψη η αλλαγή της θέσης του D. Ο S επιλέγει για κάθε πακέτο να το προωθήσει μέσω μίας από τις δύο διαδρομές. Η επιλογή αυτή μπορεί να γίνεται στην τύχη ή με διαδοχική εναλλαγή των διαδρομών. Για να μπορέσει το πακέτο να ακολουθήσει τη συγκεκριμένη διαδρομή, θα πρέπει οι ενδιάμεσοι κόμβοι που θα το παραλάβουν να γνωρίζουν επίσης αυτή τη διαδρομή. Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη, σε κάθε πακέτο πληροφορίας, μίας κεφαλίδας (header) που περιέχει τις συντεταγμένες κάθε μίας από τις διασταυρώσεις της διαδρομής. Τύπος Πακέτου ID παραλήπτη (destination) Συντεταγμένες 1ης διασταύρωσης της διαδρομής Συντεταγμένες 2ης διασταύρωσης της διαδρομή... Συντεταγμένες τελευταίας διασταύρωσης της διαδρομής Εικόνα 3.6 Πεδία κεφαλίδας πακέτου πληροφορίας 19

24 3.1.4 Προώθηση πακέτων Όταν ένας κόμβος λάβει ένα πακέτο, διακρίνει αν αυτό είναι hello, query ή πακέτο που περιέχει δεδομένα. Το πως διαχειρίζεται τις δύο πρώτες περιπτώσεις αναλύθηκε παραπάνω. Στην περίπτωση που γίνει λήψη πακέτου δεδομένων, ο κόμβος είτε είναι ο παραλήπτης του πακέτου, οπότε και το λαμβάνει χωρίς να προχωρήσει σε κάποια άλλη ενέργεια, είτε είναι κάποιος ενδιάμεσος κόμβος και θα πρέπει να το προωθήσει κατάλληλα. Η διαδικασία με την οποία προωθεί ο S το πακέτο στον επόμενο κόμβο δεν παρουσιάζει καμία διαφορά σε σύγκριση με τη διαδικασία που ακολουθούν οι ενδιάμεσοι κόμβοι, γι' αυτό και δεν θα γίνει ξεχωριστή περιγραφή της. Στην κεφαλίδα του πακέτου, όπως αναφέρθηκε, είναι αποθηκευμένη η αλληλουχία των διασταυρώσεων μέσω των οποίων πρέπει να προωθηθεί το πακέτο. Ο κόμβος που πρέπει να προωθήσει το πακέτο, πληροφορείται από την κεφαλίδα τις συντεταγμένες της επόμενης διασταύρωσης. Στην περίπτωση που δεν υπάρχει επόμενη διασταύρωση, σημαίνει ότι ο τρέχων κόμβος είναι ο τελευταίος ενδιάμεσος κόμβος και άρα ο D είναι γείτονάς του, οπότε απλά εκπέμπει το πακέτο και αφού ο D βρίσκεται εντός της εμβέλειάς του, μπορεί να το λάβει. Εάν υπάρχει επόμενη διασταύρωση, ο τρέχων κόμβος συγκρίνει τη θέση όλων των κόμβων που ανήκουν στη λίστα των γειτόνων του με τη θέση της επόμενης διασταύρωσης. Από τους γείτονές του που βρίσκονται εντός της περιοχής της διασταύρωσης, επιλέγεται ένας στην τύχη ως ο επόμενος κόμβος και του προωθείται το πακέτο. Περιοχή της διασταύρωσης θεωρείται ότι είναι ένα τετράγωνο με κέντρο τις συντεταγμένες της διασταύρωσης -όπως αυτές δίνονται από τον χάρτηκαι μήκος πλευράς ίσο με 16 μέτρα (θεωρήθηκε ότι 16 μέτρα είναι τυπικό πλάτος δρόμου). Αν κανένας γείτονάς του δεν πληρεί αυτό το κριτήριο τότε το πακέτο γίνεται drop και η παράδοση του πακέτου αποτυγχάνει 1. ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΡΟΩΘΗΣΗΣ ΠΑΚΕΤΟΥ 1 Διάβασε επόμενη διασταύρωση από το header του πακέτου 2 Αν επόμενη διασταύρωση = 3 Στείλε το πακέτο στον κόμβο-παραλήπτη με ID που δίνεται στο header του πακέτου 4 Αλλιώς 5 Βρες το σύνολο JΝ από κόμβους-γείτονες που να ανήκουν στην περιοχή της επόμενης διασταύρωσης 6 Αν JN = 7 Κάνε drop το πακέτο 8 Αλλιώς 9 διάλεξε έναν κόμβο από το σύνολο JN και προώθησέ του το πακέτο 1 Η επιλογή να κάνουμε drop το πακέτο αν δεν υπάρχει κόμβος στην επόμενη διασταύρωση αντί να προσπαθούμε να βρούμε εναλλακτικό τρόπο προώθησης έγινε με βάση την παραδοχή ότι η κίνηση στο αστικό περιβάλλον είναι αρκετά πυκνή. Οπότε σε συνδυασμό με τον τρόπο της κίνησης των οχημάτων (συμφόρηση ή έστω σταμάτημα στις διασταυρώσεις), θεωρήθηκε ότι σχεδόν πάντα θα υπάρχουν αυτοκίνητα σε μια διασταύρωση, με αποτέλεσμα να μην έχουμε σημαντική μείωση της απόδοσης. 20

25 Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται συνολικά η διαδικασία που ακολουθείται από τον αλγόριθμο δρομολόγησης: source Έχει ληφ θεί νέο query? ΝΑΙ ΟΧΙ Επιλογή μίας από τις δύο διαδρομές Δημιουργία header του πακέτου Εύρεση δύο διαδρομών Λήψη θέσης επόμενης διασταύρωσης από το header Προώθηση του πακέτου στον D ΟΧΙ Υπάρχει επόμενη διασταύρωση? ΝΑΙ Εύρεση κόμβων στηνπεριοχή της επόμενης διασταύρωσης (σύνολο JN) ΟΧΙ Είμαι ο παραλήπτης? Επιλογή κόμβου από το JN και προώθηση του πακέτου σ'αυτόν ΟΧΙ JN = (κενό)? ΝΑΙ ΝΑΙ Λήψη πακέτου Απόρριψη πακέτου Εικόνα 3.7 Συνολική λειτουργία αλγορίθμου 21

26 3.2 - ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΕΥΡΕΣΗΣ DISJOINT ΔΙΑΔΡΟΜΩΝ Ο κόμβος-αποστολέας (S) για κάθε σύνδεση με έναν κόμβο-παραλήπτη (D) επιλέγει δύο διαδρομές μέσα από τις οποίες θα προωθήσει τα πακέτα. Βασικό κριτήριο επιλογής των διαδρομών αποτελεί ο βαθμός συσχέτισής τους. Επιδιώκεται οι δύο διαδρομές να είναι όσο το δυνατόν ασυσχέτιστες (disjoint διαδρομές) για να επιτύχουμε καλύτερη απόδοση του πρωτοκόλλου. Σε αυτήν την ενότητα θα περιγραφεί ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε για την εύρεση των δύο διαδρομών από τον S στον D. Εδώ, να σημειωθεί ότι αν και στο JMSR χρησιμοποιούνται δύο μόνο διαδρομές, μπορεί εύκολα να γίνει γενίκευση και για περισσότερες. Το εργαλείο με βάση το οποίο μελετήθηκε και επιλύθηκε το πρόβλημα της εύρεσης disjoint διαδρομών, είναι η θεωρία των γράφων 2. Οι γράφοι είναι μια μαθηματική δομή δεδομένων, που χρησιμοποιείται στην επίλυση προβλημάτων -κυρίως βελτιστοποίησης και ταξινόμησης- με υπολογιστή. Θα ξεκινήσουμε την ενότητα δίνοντας κάποια βασικά στοιχεία της θεωρίας των γράφων Γράφοι Το κύριο στοιχείο ενός γράφου είναι οι κορυφές. Οι κορυφές, ανάλογα με το φυσικό πρόβλημα, αντιπροσωπεύουν αντικείμενα ή σημεία του χώρου ή κάποιο άλλο στοιχείο. Οι κορυφές ενός γράφου συνδέονται μεταξύ τους με τις ακμές. Δεν είναι απαραίτητο όλες οι κορυφές να συνδέονται μεταξύ τους. Όταν δύο κορυφές ενώνονται με ακμή τότε είναι δυνατή η μετακίνηση από τη μία κορυφή στην άλλη. Εικόνα 3.8 Παράδειγμα ενός γράφου. Οι κορυφές του αναπαρίστανται με κύκλους και οι ακμές με μαύρες γραμμές. Υπάρχουν διαφορετικές κατηγορίες γράφων. Για παράδειγμα οι κατευθυνόμενοι γράφοι, όπου οι ακμές έχουν συγκεκριμένη κατεύθυνση, δηλαδή είναι δυνατή η μετακίνηση -μέσω της ακμής- από την πρώτη κορυφή στη δεύτερη όχι όμως και το αντίστροφο. Επίσης οι ισοζυγισμένοι γράφοι, όπου η κάθε ακμή χαρακτηρίζεται από μία τιμή, η οποία ονομάζεται κόστος και αναπαριστά την απόσταση μεταξύ δύο κορυφών. Η αναπαράσταση ενός γράφου στη μνήμη του υπολογιστή γίνεται με τον πίνακα γειτνίασης. Αρχικά δημιουργείται ένας πίνακας P διάστασης ΝxN, όπου Ν ο αριθμός των κορυφών. Αν υπάρχει ακμή που να ενώνει δύο από τις κορυφές, έστω τις κορυφές i και j, τότε το στοιχείο p ij (και το στοιχείο p ji, στην περίπτωση μη κατευθυντικού γράφου) τίθεται ίσο με το κόστος της ακμής (αν ο γράφος είναι μη ισοζυγισμένος τότε τίθεται ίσο με 1). Έτσι για να βρούμε αν δύο κορυφές ενώνονται με μία ακμή, αρκεί να ελέγξουμε την τιμή του αντίστοιχου στοιχείου του πίνακα γειτνίασης. 2 Στη διεθνή βιβλιογραφία ονομάζονται graphs. Στην ελληνική τους συναντούμε και με τον όρο γραφήματα όμως προτιμήθηκε ο όρος γράφοι διότι χρησιμοποιείται περισσότερο. 22

27 Εικόνα 3.9 Ο πίνακας γειτνίασης του γράφου της εικόνας 3.8 Υπάρχουν πολλά προβλήματα που σχετίζονται με γράφους. Κάποια από τα πιο συνηθισμένα -και καλά μελετημένα- είναι οι αναζητήσεις, δηλαδή η εύρεση των όλων των κορυφών που μπορούν να προσεγγιστούν από μία συγκεκριμένη κορυφή, τα δέντρα ελάχιστου σκελετού, δηλαδή ο μικρότερος αριθμός ακμών που απαιτείται για να ενώσουμε όλες τις κορυφές, η συντομότερη διαδρομή από μία κορυφή σε μία άλλη Αλγόριθμοι εύρεσης συντομότερων διαδρομών Το ζητούμενο στα προβλήματα συντομότερης διαδρομής είναι η μετακίνηση από μία κορυφή σε μία άλλη με το μικρότερο δυνατό συνολικό κόστος, όπου συνολικό κόστος ορίζεται το άθροισμα από τα κόστη των ακμών που θα πρέπει να διασχίζουμε. Στους μη ισοζυγισμένους γράφους, η συντομότερη διαδρομή συνεπάγεται τη διαδρομή με το μικρότερο αριθμό ακμών, όμως αυτό δεν μπορεί να γενικευθεί και στους ισοζυγισμένους γράφους. Στο σχήμα που ακολουθεί δίνεται ένα παράδειγμα όπου η συντομότερη διαδρομή (σε αριθμό ακμών) δεν είναι αυτή με το μικρότερο κόστος Εικόνα 3.10 Γράφος μη κατευθυντικός και ισοζυγισμένος. Τα κόστη των ακμών σημειώνονται στο σχήμα. Η συντομότερη διαδρομή (σε αριθμό ακμών) από την κορυφή 1 στην κορυφή 2 έχει κόστος 8, ενώ η διαδρομή μέσω των κορυφών 4 και 5 έχει μικρότερο κόστος (2+3+1=6). Σε αυτήν την ενότητα θα παρουσιαστούν δύο αλγόριθμοι εύρεσης συντομότερων διαδρομών, που χρησιμοποιούνται από το JMSR. Ο πρώτος είναι ο αλγόριθμος της οριζόντιας αναζήτησης (breadth first search) [15] και χρησιμοποιείται σε μη ισοζυγισμένους γράφους. Ο δεύτερος είναι ο αλγόριθμος του Dijkstra [16] και εφαρμόζεται σε ισοζυγισμένους γράφους. 23

28 Αλγόριθμος οριζόντιας αναζήτησης Ο γράφος (G) είναι μη ισοζυγισμένος άρα το κόστος όλων των ακμών του λαμβάνεται ίσο με 1. Ο αλγόριθμος ξεκινώντας από μία δοσμένη κορυφή του G (την κορυφή source ή s) συστηματικά επισκέπτεται όλες τις άλλες κορυφές του G για να βρει ποιες από αυτές είναι προσπελάσιμες από την s. Ταυτόχρονα για κάθε προσπελάσιμη κορυφή υπολογίζει την ελάχιστη απόστασή της από την s και αποθηκεύει τη διαδρομή -δηλαδή την ακολουθία των κορυφών- που ακολουθήθηκε. Αλγόριθμος 1 (οριζόντιας αναζήτησης) έστω G: γράφος s: κορυφή source u: οποιαδήποτε κορυφή γράφου Ajd: πίνακας γειτνίασης // Adj[i,j] = 1 ή Adj[i,j] = -ο πίνακας w[..] περιέχει την πληροφορία για το αν έχει εξερευνηθεί η κάθε κορυφή -ο πίνακας d[..] περιέχει την απόσταση της κάθε κορυφής από την s -ο πίνακας p[..] περιέχει την προηγούμενη κορυφή της διαδρομής προς αυτή την κορυφή -Q: ουρά (queue) αποθήκευσης κορυφών 1 για κάθε u G - {s} 2 w[u] false 3 d[u] 4 p[u] 5 w[s] true 6 d[u] 0 7 p[u] 8 Q 9 πρόσθεσε την s στην Q 10 όσο ισχύει Q 11 αφαίρεσε την u από την Q 12 για κάθε v που ισχύει: Adj[u,v] = 1 13 αν w[v] = false 14 w[v] true 15 d[v] d[u] p[v] u 17 πρόσθεσε την v στην Q Ο αλγόριθμος εγγυάται ότι θα εξερευνήσει πρώτα τις πλησιέστερες κορυφές και έπειτα τις κορυφές που βρίσκονται σε μεγαλύτερη απόσταση. Σε κάθε βήμα εξερευνά όλες τις κορυφές που βρίσκονται σε απόσταση k πριν εξερευνήσει κάποια που βρίσκεται σε απόσταση k+1. Αφού εκτελέσουμε τον αλγόριθμο 1, για να βρούμε το κόστος της ελάχιστης διαδρομής προς κάποια κορυφή v -από την κορυφή s- αρκεί να διαβάσουμε το στοιχείο d[v]. Οι ενδιάμεσες κορυφές αυτής της ελάχιστης διαδρομής, δίνονται από την παρακάτω επαναληπτική διαδικασία. 24

29 Αλγόριθμος 2 ΕΚΤΥΠΩΣΗ-ΔΙΑΔΡΟΜΗΣ (G, s, v) 1 αν v = s 2 εκτύπωσε s 3 αλλιώς 4 αν p[v] 5 ΕΚΤΥΠΩΣΗ-ΔΙΑΔΡΟΜΗΣ (G, s, p[v]) 6 εκτύπωσε v Αλγόριθμος Dijkstra Ο αλγόριθμος του Dijkstra προτάθηκε το 1959 από τον Edsger Dijkstra και είναι ένας από τους πιο διαδεδομένους αλγορίθμους εύρεσης συντομότερης διαδρομής. Ακολουθεί την ίδια φιλοσοφία με τον αλγόριθμο οριζόντιας αναζήτησης, όμως λαμβάνει υπόψη του και τα κόστη των ακμών. Αλγόριθμος 3 (αλγόριθμος του Dijkstra) έστω G: γράφος s: κορυφή source u: οποιαδήποτε κορυφή γράφου Ajd: πίνακας γειτνίασης // Adj[i,j] > 0 ή Adj[i,j] = -ο πίνακας d[..] περιέχει την απόσταση της κάθε κορυφής από την s -ο πίνακας p[..] περιέχει την προηγούμενη κορυφή της διαδρομής προς αυτή την κορυφή -Q: ουρά (queue) αποθήκευσης κορυφών 1 για κάθε u G-{s} 3 d[u] Adj[s,u] 4 p[u] s 5 πρόσθεσε την u στην Q 7 d[s] 0 8 p[s] 9 όσο ισχύει Q 10 βρες την u Q με το ελάχιστο d 11 αφαίρεσε την u από την Q 12 για κάθε v Q 13 αν d[v] > d[u] + Adj[u,v] 14 d[v] d[u] + Adj[u,v] 15 p[v] u Ομοίως και εδώ, για να βρούμε τις ενδιάμεσες κορυφές μιας ελάχιστης διαδρομής προς κάποια κορυφή, εκτελούμε τον αλγόριθμο 2. 25

30 range Εύρεση disjoint διαδρομών Το πρώτο βήμα, για να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε τη θεωρία και τις μεθόδους των γράφων για την εύρεση της κατάλληλης διαδρομής από την οποία θα δρομολογηθούν τα πακέτα, είναι να γίνει η αναπαράσταση του αστικού περιβάλλοντος με έναν γράφο. Στο πρόβλημά μας, οι διασταυρώσεις των δρόμων αντιστοιχούν στις κορυφές του γράφου. Η ύπαρξη ακμών μεταξύ δύο κορυφών (διασταυρώσεων) ορίζεται με τον εξής τρόπο: Αν ένας κόμβος που βρίσκεται στην Χ διασταύρωση (κορυφή) μπορεί να επικοινωνήσει άμεσα με έναν κόμβο που βρίσκεται στην Υ διασταύρωση (κορυφή) τότε μεταξύ των δύο κορυφών θεωρείται ότι υπάρχει ακμή (μη κατευθυντικός γράφος). Για να μπορούν οι δύο κόμβοι να επικοινωνήσουν άμεσα, θα πρέπει η απόσταση μεταξύ των διασταυρώσεων που βρίσκονται να είναι μικρότερη από την εμβέλειά τους -η οποία καθορίζεται από τις παραμέτρους του PHY επιπέδου του συστήματοςκαι να μην υπάρχει ανάμεσά τους κάποιο εμπόδιο (πχ. κτίριο) που να εμποδίζει αυτήν την επικοινωνία. J-1 J-2 J-3 J-4 J-1 J-2 J-3 J-4 range Εικόνα 3.11 α) Διασταυρώσεις σε ευθεία. Περίπτωση όπου οι διασταυρώσεις 1 και 4 απέχουν απόσταση μεγαλύτερη από την εμβέλεια των κόμβων. β) Αναπαράσταση σε γράφο. J-1 J-2 J-1 J-2 J-3 J-4 J-3 J-4 Εικόνα 3.12 α) Διασταυρώσεις γύρω από οικοδομικό τετράγωνο. Περίπτωση όπου οι διασταυρώσεις 1 και 4 (όπως και οι 2 και 3) απέχουν απόσταση μικρότερη από την εμβέλεια των κόμβων, όμως το εμπόδιο παρεμποδίζει την επικοινωνία κόμβων που βρίσκονται σε αυτές. β) Αναπαράσταση σε γράφο. 26

31 J-1 J-2 J-3 J-4 J-5 J-6 J-7 J-8 J-9 J-10 J-11 J-12 J-13 J-14 J-15 J-16 J-1 X J-2 1 X J X J X 1 1 J-5 1 X J X J X J X 1 1 J X J X J X 1 1 J X 1 J-1 J-2 J-3 J-4 J-5 J-6 J-7 J-8 J-1 J-9 J-10 J-4 J-11 J-12 J X 1 1 J X 1 1 J X 1 J-5 J-13 J-7 J-15 J-8 J-14 J-16 J X range Εικόνα 3.13 Διασταυρώσεις μιας αστικής περιοχής και η αντίστοιχη αναπαράστασή τους με πίνακα γειτνίασης. Στον πίνακα γειτνίασης τα κενά κελιά θεωρούνται =. Ο αλγόριθμος εύρεσης disjoint διαδρομών ξεκινάει με τη δημιουργία ενός γράφου που περιέχει ως κορυφές όλες τις διασταυρώσεις της περιοχής. Ο πίνακας γειτνίασης, παίρνει τιμές 1 ή σύμφωνα με τα κριτήρια που αναφέρθηκαν παραπάνω. Έπειτα προσθέτουμε δύο νέες κορυφές στο γράφο. Η μία αντιπροσωπεύει τον κόμβο-αποστολέα S και η άλλη τον κόμβο παραλήπτη D. Σύμφωνα με τις θέσεις που βρίσκονται ο S και ο D και με τα ίδια κριτήρια, ελέγχουμε με ποιες διασταυρώσεις σχηματίζουν αυτοί ακμές και συμπληρώνουμε δύο νέες στήλες και σειρές στον πίνακα γειτνίασης. Αφού γίνει η προσθήκη των δύο νέων κορυφών, το επόμενο βήμα είναι να εξετάσουμε πόσες (και ποιες) από τις κορυφές-διασταυρώσεις συνδέονται μέσω ακμής με την κορυφή S. Αυτές που συνδέονται με ακμές, τις ονομάζουμε γειτονικές κορυφές. Για κάθε μία από αυτές τις γειτονικές κορυφές ακολουθούμε την εξής διαδικασία. Με αφετηρία αυτήν την κορυφή βρίσκουμε με τον αλγόριθμο της οριζόντιας αναζήτησης τη συντομότερη διαδρομή που οδηγεί στην κορυφή D. Αποθηκεύουμε το κόστος της διαδρομής και τις κορυφές (διασταυρώσεις) που την συνθέτουν. Στη συνέχεια δημιουργούμε έναν νέο γράφο όμοιο με τον αρχικό (συμπεριλαμβανομένων των S και D) και αφαιρούμε από αυτόν την τρέχουσα γειτονική κορυφή καθώς και τις ενδιάμεσες κορυφές της συντομότερης διαδρομής που υπολογίσαμε. Οπότε τώρα έχουμε έναν γράφο που δεν περιέχει τις ενδιάμεσες κορυφές μιας διαδρομής από τον S στον D. Έτσι αν βρούμε μια νέα διαδρομή από τον S στον D, είμαστε σίγουροι ότι δεν θα έχει κοινές κορυφές με την προηγούμενη διαδρομή 3. Όμως επειδή επιδιώκουμε επιπλέον η νέα διαδρομή να μην έχει μεγάλη συσχέτιση με την προηγούμενη, θα πρέπει οι κορυφές-διασταυρώσεις τις νέας που είναι γειτονικές με τις κορυφέςδιασταυρώσεις της προηγούμενης αν γίνεται να αποφευχθούν. Γι' αυτό το λόγο προσθέτουμε στο κόστος όλων των ακμών που καταλήγουν σε αυτές (δηλαδή, τις γειτονικές κορυφές των κορυφών της πρώτης διαδρομής) ένα πρόσθετο κόστος. Μετά από αυτή την αλλαγή του κόστους των ακμών, 3 Η τεχνική της αφαίρεσης των ενδιάμεσων κορυφών μιας διαδρομής για την εύρεση μιας άλλης disjoint διαδρομής έχει προταθεί σε αρκετές μελέτες. Μία παρόμοια υλοποίηση εύρεσης disjoint διαδρομών προτείνεται στο [18] 27

32 βρίσκουμε με τον αλγόριθμο του Dijkstra -διότι τώρα ο γράφος είναι ισοζυγισμένος και δεν γίνεται να εφαρμόσουμε τον αλγόριθμο της οριζόντιας αναζήτησης- τη συντομότερη διαδρομή από τον S στον D. Η αλλαγή του κόστους των ακμών σε συνδυασμό με τον αλγόριθμο του Dijkstra, θα έχει ως αποτέλεσμα να βρούμε μία διαδρομή η οποία να έχει ταυτόχρονα μικρό μήκος αλλά και μικρή συσχέτιση με την πρώτη διαδρομή. Από το επιπρόσθετο κόστος που θα επιλεχθεί, θα εξαρτηθεί και η συσχέτιση των δύο διαδρομών. Αν επιλέξουμε μεγάλο επιπρόσθετο κόστος, τότε ο αλγόριθμος θα μας δώσει μία διαδρομή που θα είναι αρκετά ασυσχέτιστη με την πρώτη, αλλά είναι πολύ πιθανό να έχει μεγάλο μήκος. Αν επιλέξουμε μικρό επιπρόσθετο κόστος θα βρούμε μια μικρότερη σε μήκος διαδρομή αλλά με μεγαλύτερη συσχέτιση. Έτσι βλέπουμε ότι υπάρχει ένας συμβιβασμός συσχέτισης-μήκους διαδρομών. Αυτή η παράμετρος επηρεάζει την απόδοση της επικοινωνίας, όμως βρίσκεται εκτός του πεδίου αυτής της διπλωματικής, οπότε και δε μελετήθηκε το μέγεθος της επίδρασης της. Αφού βρούμε για κάθε γειτονική κορυφή του S τις δύο διαδρομές, όπως αναλύθηκε παραπάνω, προσθέτοντας τα κόστη τους καταλήγουμε σε ένα συνολικό κόστος. Στη συνέχεια συγκρίνουμε τα συνολικά κόστη της κάθε περίπτωσης και επιλέγουμε την περίπτωση με το μικρότερο. Όπως γίνεται φανερό, δεν είναι απαραίτητο η περίπτωση που θα επιλέξουμε να έχει το μικρότερο μήκος διαδρομών. ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΥΡΕΣΗΣ DISJOINT ΔΙΑΔΡΟΜΩΝ 1 Δημιουργία γράφου G με κορυφές τις διασταυρώσεις, καθορισμός των ακμών 2 Προσθήκη στον γράφο των κορυφών S και D, καθορισμός των αντίστοιχων ακμών // μέχρι στιγμής όλες οι ακμές (στοιχεία πίνακα γειτνίασης, Adj) έχουν την τιμή 1 ή 3 Για κάθε κορυφή V G 4 Αν Adj[V][S] = 1 5 Πρόσθεσε τη V στη λίστα, JN, με τις γειτονικές κορυφές του S 6 Για κάθε V JN 7 route[v] συντομότερη διαδρομή από τη V στην D // με τον αλγόριθμο // οριζόντιας αναζήτησης 8 Για κάθε κορυφή U route[v] 9 Για κάθε κορυφή W G 10 Αν Adj[U][W] < 11 Για κάθε Υ G 12 Αν Adj[W][Υ] < 13 Adj[W][Υ] Adj[W][Υ] + extra_weight 14 Αφαίρεσε την U από τον G 15 new_route[v] συντομότερη διαδρομή από τη V στην D // με τον αλγόριθμο // Dijkstra 16 w1 κόστος της route[v] 17 w2 κόστος της new_route[v] 18 weight[v] w1 + w2 19 Αναίρεση των αλλαγών που έγιναν στον G 20 F V με το μικρότερο weight[v] 21 Επέστρεψε τις διαδρομές route[f] και new_route[f] 28

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ Ο μηχανικός δικτύων έχει στα χέρια του δύο πολύ χρήσιμα και πολύ ισχυρά εργαλεία για τη μελέτη ενός δικτύου. Το πρώτο είναι η μαθηματική ανάλυση και το δεύτερο -και πιο πρόσφατοείναι η προσομοίωση με υπολογιστή. Είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζει κανείς τη συμπεριφορά που θα έχει ένα δίκτυο, πριν το υλοποιήσει, διότι θα ήταν ασύμφορο για τον έλεγχο κάθε νέας τεχνικής να γινόταν η εφαρμογή της σε πραγματικές συνθήκες. Ωστόσο στα VANETs, που είναι κινητά δίκτυα με δυναμική τοπολογία, είναι δύσκολη και σε μερικές περιπτώσεις αδύνατη η μοντελοποίησή τους με τα μαθηματικά εργαλεία. Οπότε η προσομοίωση αποκτά μεγαλύτερη σημασία. Αυτή είναι και η αιτία που οι περισσότερες μελέτες στην περιοχή των VANETs βασίζονται αποκλειστικά σε προσομοιώσεις. Οι προσομοιώσεις αφορούν δύο επίπεδα. Το πρώτο είναι η προσομοίωση της κίνησης των κόμβων και το δεύτερο η προσομοίωση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης μεταξύ των κόμβων. Συνδυάζοντας και τα δύο, αποκτούμε μια γενική εικόνα για τη συμπεριφορά και την απόδοση του δικτύου, και για το πως αυτή αλλάζει, αλλάζοντας κάποιες παραμέτρους. Σε αυτήν την ενότητα δίνουμε μια περιγραφή των εργαλείων που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις μας, τον προσομοιωτή ns-2 και τον VanetMobiSim Ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗΣ ΔΙΚΤΥΟΥ NS-2 Ο προσομοιωτής δικτύου NS-2 (Network Simulator version 2) [19] είναι ένα από τα κύρια εργαλεία που χρησιμοποιούνται από την πανεπιστημιακή κοινότητα. Πάρα πολλές δημοσιεύσεις και προτάσεις στηρίζονται σε αποτελέσματα που λήφθηκαν από προσομοιώσεις του NS-2. Η ευρύτατη χρήση του, που διευκολύνει τη σύγκριση με άλλες μελέτες, και το γεγονός ότι πρόκειται για λογισμικό ανοιχτού κώδικα είναι οι λόγοι που οδήγησαν στην χρησιμοποίησή του και στην παρούσα διπλωματική. Με τον NS-2 μπορεί να γίνει προσομοίωση πολλών ειδών δικτύων: σταθερών, κινητών, αδόμητων. Επιπλέον, υλοποιεί όλα τα επίπεδα του μοντέλου OSI, πράγμα που διευκολύνει τη μελέτη και την εστίαση σε ένα επίπεδο (στην περίπτωσή μας το network layer), διότι δεν είναι απαραίτητη η ενασχόληση και με τα υπόλοιπα επίπεδα. Στον NS-2 χρησιμοποιούνται δύο γλώσσες προγραμματισμού, η C/C++ και η Tcl. Η C/C++ χρησιμοποιείται για την υλοποίηση των διαδικασιών που εκτελούνται στα 7 επίπεδα του μοντέλου OSI. Το πρωτόκολλο JMSR ανήκει σε αυτήν την κατηγορία και έχει αναπτυχθεί με αυτή τη γλώσσα προγραμματισμού. Η γλώσσα Tcl χρησιμοποιείται για τη δημιουργία σεναρίων προσομοίωσης. 29

34 Εικόνα 4.1 Μοντέλο OSI Στα αρχεία tcl ορίζονται οι παράμετροι της προσομοίωσης, όπως για παράδειγμα ο αριθμός των κόμβων του δικτύου, ο χρόνος προσομοίωσης, οι διαστάσεις της περιοχής κίνησης των κόμβων. Επίσης επιλέγονται οι μέθοδοι και τα πρωτόκολλα που θα χρησιμοποιηθούν στα διάφορα επίπεδα (layers) του OSI (πχ. μοντέλο διάδοσης, πρότυπο PHY/MAC επιπέδου, πρωτόκολλο δρομολόγησης). Αν απαιτείται ορίζονται και οι παράμετροι που χρησιμοποιούνται από τις μεθόδους των επιπέδων. Τέτοιες παράμετροι είναι η ισχύς εκπομπής και λήψης, η συχνότητα λειτουργίας, το μέγεθος του buffer των κόμβων, η περίοδος αποστολής hello πακέτων. Αυτά τα στοιχεία κατά την προσομοίωση θα μεταβιβαστούν ως ορίσματα στις μεθόδους που υλοποιούν τα επίπεδα(layers). Ως ορίσματα δίνονται και τα αρχεία που περιέχουν τα σενάρια κίνησης των κόμβων και τα σενάρια της τηλεπικοινωνιακής κίνησης του δικτύου. Το σενάριο κίνησης των κόμβων μπορεί να δημιουργηθεί είτε από ενσωματωμένες συναρτήσεις του NS-2 είτε από κάποιο άλλο εργαλείο προσομοίωσης κίνησης κόμβων. Το σενάριο της τηλεπικοινωνιακής κίνησης είναι ένα άλλο tcl αρχείο, στο οποίο ορίζεται ο αριθμός των κόμβων που θα επικοινωνούν, το είδος της επικοινωνίας (πχ. UDP, TCP κίνηση) και τα χαρακτηριστικά των πακέτων που θα ανταλλάσσονται, όπως το μέγεθος του πακέτου, η περίοδος αποστολής, το είδος της κίνησης (πχ. CBR κίνηση) Τέλος ορίζεται το αρχείο που θα περιέχει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Αυτό το αρχείο μπορεί να περιέχει την κίνηση των κόμβων στο χώρο. Επιλέγεται αν θα γίνεται αποθήκευση και εκτύπωση των πακέτων που λαμβάνονται και αποστέλλονται από το network και το MAC επίπεδο. Μετά το τέλος της προσομοίωσης, μπορούμε να επεξεργαστούμε το αρχείο εξόδου και να αποσπάσουμε τα δεδομένα που θέλουμε. Στην εικόνα 4.2 δίνεται παραστατικά η μορφή ενός αρχείου προσομοίωσης (tcl αρχείου). TCL αρχείο Παράμετροι π ροσομοίωσης Εικόνα 4.2 Αρχείο tcl. Σενάριο κίνησης κόμβων Σενάριο τηλεπ ικοινωνιακής κίνησης Ορισμός εξόδου Απ οτελέσματα 30

35 Αποστολή (s) ή λήψη (r) πακέτου Αριθμός πακέτου Πρωτόκολλο δρομολόγησης Χρονική στιγμή (sec) Αριθμός κόμβου Εικόνα 4.3 Τμήμα αρχείου εξόδου του NS-2. Μοντέλο διάδοσης Ο NS-2 προσομοιώνει τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είτε με το μοντέλο του ελεύθερου χώρου είτε με το μοντέλο TwoRayGround. Το μοντέλο του ελεύθερου χώρου υποθέτει ότι η διάδοση γίνεται μόνο με το απευθείας κύμα και αγνοεί οποιαδήποτε ανάκλαση. Περιγράφεται από τη γνωστή εξίσωση του Friis: P R =P T G T G R L λ 4 π d 2 P R : Ισχύς λήψης P T : Ισχύς εκπομπής G R : Κέρδος κεραίας λήψης G T : Κέρδος κεραίας εκπομπής L: παράγοντας απωλειών λ: μήκος κύματος d: απόσταση πομπού δέκτη Το μοντέλο TwoRayGround εκτός από το απευθείας κύμα λαμβάνει υπόψη και το κύμα που προέρχεται από την ανάκλαση στο έδαφος. 31

36 Όμως στο αστικό περιβάλλον η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων δεν οφείλεται μόνο στο απευθείας κύμα και στην ανάκλαση από το έδαφος, αλλά και στις ανακλάσεις και περιθλάσεις που προκαλούνται από τα κτίρια. Οι διαφορές μεταξύ των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τα μοντέλα και της πραγματικότητας, είναι σημαντικές. Ένα παράδειγμα φαίνεται στα παρακάτω σχήματα όπου απεικονίζεται η διάδοση της ακτινοβολίας σε ένα αστικό περιβάλλον όπως υπολογίστηκε από τρία διαφορετικά μοντέλα. Εικόνα 4.4α Μοντέλο 1. Λήφθηκε υπόψη μόνο η διάδοση λόγω του απευθείας κύματος. Εικόνα 4.4β Μοντέλο 2. Διάδοση λόγω απευθείας κύματος και ανάκλασης από το έδαφος. Εικόνα 4.4γ Μοντέλο 3. Λήφθηκαν υπόψη ανακλάσεις και περιθλάσεις από κτίρια. 32