ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Υλοποίηση DSR πρωτοκόλλου πάνω από Bluetooth που αποσκοπεί στην δημιουργία εφαρμογών σε MANETs. Σπύρος Γ.

Transcript

1 Υλοποίηση DSR πρωτοκόλλου πάνω από Bluetooth που αποσκοπεί στην δημιουργία εφαρμογών σε MANETs ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπύρος Γ. Μαντζουράτος Επιβλέπων : Γρηγόρης Μέντζας Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Οκτώβριος 2009

2 1

3 Υλοποίηση DSR πρωτοκόλλου πάνω από Bluetooth που αποσκοπεί στην δημιουργία εφαρμογών σε MANETs ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπύρος Γ. Μαντζουράτος Επιβλέπων : Γρηγόρης Μέντζας Καθηγητής ΕΜΠ Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την Γρηγόρης Μέντζας Ιάκωβος Βενιέρης Αντώνιος Συμβώνης Καθηγητής ΕΜΠ Καθηγητής ΕΜΠ Καθηγητής ΕΜΠ Αθήνα, Οκτώβριος

4 ... Σπύρος Γ. Μαντζουράτος Διπλωματούχος Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Ε.Μ.Π Copyright Σπύρος Γ. Μαντζουράτος, Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσεως, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς το συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου. 3

5 Περίληψη Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση μιας υλοποίησης ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε Mobile Ad-hoc NETwork περιβάλλοντα (δηλαδή σε MANETs). Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης που έχουν προταθεί στο χώρο των MANETs είναι πολλά. Οι αρχιτεκτονικές αρχές διαφέρουν αφού τα πρωτόκολλα αυτά συμπεριφέρονται διαφορετικά όταν συγκρίνονται κάτω από διαφορετικές συνθήκες δικτύων (π.χ. μέγεθος του δικτύου, κινητικότητα κτλ). Ένα σύνολο κινητών τηλεφώνων με ικανότητες ad-hoc επικοινωνίας μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα MANET. Εμπνευσμένοι από την ιδέα αυτή εφαρμόσαμε ένα συγκεκριμένο πρωτόκολλο δρομολόγησης πάνω από το πρωτόκολλο Bluetooth. Επιλέξαμε το Bluetooth εξαιτίας της ευρείας χρησιμοποίησης του από τους περισσότερους κατασκευαστές κινητών τηλεφώνων. Το πρωτόκολλο δρομολόγησης που επιλέχθηκε ήταν το Data Source Routing Protocol (DSR). Κάναμε αυτή την επιλογή βασιζόμενοι στην απλότητα και στην ευρωστία που χαρακτηρίζει το πρωτόκολλο αυτό κάτω από συνθήκες Personal Area Networks (PAN). Η υλοποίηση μας επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες Bluetooth Libraries της JAVA. Η παραγόμενη Library μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να δημιουργηθούν εφαρμογές χωρίς να ασχολείται κανείς με τη λογική της δρομολόγησης. Για να ελέγξουμε την υλοποίηση μας, δημιουργήσαμε ένα σενάριο όπου οι συμμετέχοντες κόμβοι ενός MANET δημιουργούν έναν πίνακα DHT. Για να μετρήσουμε τα μηνύματα που ανταλλάχθηκαν μεταξύ των κόμβων, εισάγαμε την υλοποίηση του DSR σε ένα peersim περιβάλλον. Το Peersim είναι ένα περιβάλλον εξομοίωσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο των MANET πρωτοκόλλων. Επομένως, στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, αναλύουμε λεπτομερώς την έννοια των MANETs - εξετάζοντας τα προβλήματα που εγείρονται στο χώρο δρομολόγησης και επιλέγουμε το DSR σαν βοήθημα υλοποίησης. Συμπερασματικά, παρέχουμε μια υλοποίηση βασισμένη στο Bluetooth και μια εξομοίωση του αλγορίθμου που επιλέξαμε. Λέξεις-κλειδιά : MANET, Reactive δρομολόγηση, Data Source δρομολόγηση, DSR, L2CAP. 4

6 Abstract The scope of this thesis was the study and analysis of a routing protocol implementation that can be used in Mobile Ad-hoc NETwork environments (a.k.a. MANETS). The routing protocols that are proposed in the MANET area are many. Their architectural principles differ since these protocols behave differently when compared under different network conditions (e.g. size of the network, mobility etc.) A set of mobile phones with ad-hoc communication capabilities can be considered as a MANET. Inspired by this idea we implemented a specific routing protocol on-top of Bluetooth protocol. We selected Bluetooth because of its wide adoption by the mobile phone vendors. The routing protocol that was selected was Data Source Routing Protocol (DSR). We did such a selection because of the simplicity and robustness that characterize this protocol under Person Area Networking (PAN) conditions. Our implementation was accomplished using the appropriate Bluetooth libraries of JAVA. The produced library can be used by third-party applications in order to create applications without taking under consideration the routing business logic. In order to stress test our implementation we created a scenario where the participating nodes of a MANET create a DHT table. In order to measure the exchanged messages we ported the DSR implementation in peersim environment. Peersim is a simulation environment that can be used to test MANET protocols. Consequently in the frames of this thesis, we analyse in detail the notion of MANETS; we examine the problems that are raised in the routing area; and we select DSR as our reference implementation. Finally, we provide a Bluetooth-based implementation and a simulation of the ported algorithm. KeyWords : MANET, Reactive routing, Data Source Routing, DSR, L2CAP. 5

7 Πίνακας Περιεχομένων 1 Τα δίκτυα MANET Εισαγωγή στα Δίκτυα γενικά Ενσύρματα Δίκτυα Ασύρματα Δίκτυα Infrastructure-based Δίκτυα Mobile Ad Hoc Networks (MANETs) Διευθυνσιοδότηση στα δίκτυα ΜΑΝΕΤ Δρομολόγηση στα δίκτυα ΜΑΝΕΤ Εισαγωγή στη δρομολόγηση Στάδια της δρομολόγησης Βέλτιστα Μονοπάτια Δρομολόγησης Πίνακες Δρομολόγησης Στατική (Static) και Δυναμική (Dynamic) Δρομολόγηση Πρωτόκολλα Δρομολόγησης στα Ad Hoc Δίκτυα Table driven Πρωτόκολλα Δρομολόγησης Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) Cluster-head Gateway Switch Routing (CGSR) Wireless Routing Protocol (WRP) Source-initiated On-Demand Δρομολόγηση Temporary Ordered Routing Algorithm (TORA) Signal Stability Routing (SSR) Δρομολόγηση AODV και DSR Ad hoc On Demand Distance Vector (AODV) Επισκόπηση του AODV Unicast Multicast Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Βασική διαφορά AODV και DSR Dynamic Source Routing Protocol (DSR) Υποθέσεις εργασίας Περιγραφή πρωτοκόλλου DSR Υλοποίηση DSR πάνω από Bluetooth Γιατί Bluetooth; Ιστορικά Εφαρμογές Λειτουργία Δομική Ανάλυση Προβλεπόμενες Διαδικασίες Χρήση L2CAP Το Logical link control and adaptation protocol αναλυτικότερα Δομή εφαρμογής Εξοιμοίωση σε περιβάλλον peersim & Συμπεράσματα Τί είναι το peersim Σενάριο εξομοίωσης Αναφορές Παράρτημα Παράρτημα 1 Κώδικας Υλοποίησης του DSR σε J2ME Παράρτημα 2 Κώδικας εξωμοίωσης σε περιβάλλον PeerSim

8 7

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή στα MANETs 8

10 1 Τα δίκτυα MANET 1.1 Εισαγωγή στα Δίκτυα γενικά Ένα δίκτυο ορίζεται σαν το σύνολο ανθρώπων ή συστημάτων ή οργανισμών που προσπαθούν να μοιραστούν τις πληροφορίες τους ομαδικά για την επίτευξη του στόχου τους. Στην ορολογία των υπολογιστών, η έννοια των δικτύων είναι παρόμοια με το σύνολο των υπολογιστών που είναι συνδεδεμένοι για να μοιραστούν πληροφορίες ή υπηρεσίες (όπως εκτυπωτές κ.τ.λ.). Αρχικά, τα δίκτυα υπολογιστών ξεκίνησαν σαν αναγκαιότητα για διαμοίραση αρχείων και εκτυπωτών, αλλά αργότερα χρησιμοποιήθηκαν και για τη διαμοίραση δεδομένων και για την επεξεργασία αλγορίθμων. Ο Tenenbaum ορίζει τα δίκτυα υπολογιστών σαν ένα σύστημα για επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών. Αυτά τα δίκτυα μπορεί να είναι σταθερά (fixed) ή προσωρινά (temporary). Ένα δίκτυο μπορεί να χαρακτηριστεί σαν ενσύρματο (wired) ή ασύρματο (wireless). Τα ασύρματα μπορούν να διαχωριστούν από τα ενσύρματα καθώς δεν χρειάζεται καμία φυσική συνδεσμολογία μεταξύ των κόμβων. Εικόνα 1.1 Τυπικά ενσύρματα και ασύρματα δίκτυα. 1.2 Ενσύρματα Δίκτυα Τα ενσύρματα δίκτυα είναι γενικά συνδεδεμένα με την βοήθεια συρμάτων και καλωδίων. Τα καλώδια που χρησιμοποιούνται, συνήθως, σε αυτό το είδος δικτύων είναι τα CAT5 ή CAT6. Η σύνδεση επιτυγχάνεται τοποθετώντας ενδιάμεσα συσκευές, όπως Switches και Hubs, που έχουν σαν αποτέλεσμα την αύξηση της έντασης της σύνδεσης. Αυτά τα δίκτυα είναι, συνήθως, πιο αποδοτικά, λιγότερο ακριβά και πολύ πιο γρήγορα από τα ασύρματα δίκτυα. Από τη στιγμή που η σύνδεση επιτευχθεί υπάρχει πολύ μικρή πιθανότητα να γίνει αποσύνδεση. Ένα ενσύρματο δίκτυο μπορεί να προσφέρει ταχύτητες από 100Mbps έως 1000Mbps. Τα σταθερά ενσύρματα δίκτυα δεν είναι επιρρεπής στις παρεμβολές και στην αυξομείωση του διαθέσιμου bandwidth, η οποία μπορεί να επηρεάσει μερικές ασύρματες συνδέσεις δικτύων. Αντίθετα, είναι δαπανηρό να διατηρηθεί ένα τέτοιο δίκτυο εξαιτίας των πολλών καλωδίων μεταξύ των συστημάτων υπολογιστών. Ακόμη και ένα σφάλμα να υπάρξει στα καλώδια είναι πολύ δύσκολο να αντικατασταθεί ένα συγκεκριμένο 9

11 καλώδιο πράγμα που οδηγεί σε ακόμη περισσότερα έξοδα. Επίσης, αν χρησιμοποιείται ένας φορητός υπολογιστής, ο οποίος χρειάζεται να συνδεθεί στο δίκτυο, ένα ενσύρματο δίκτυο θα περιορίσει τους λόγους για τους οποίους αγοράστηκε ένας φορητός υπολογιστής εξ αρχής. 1.3 Ασύρματα Δίκτυα Όσον αφορά τα ασύρματα δίκτυα, αυτά χρησιμοποιούν μερικά είδη ραδιοσυχνοτήτων στον αέρα για να μεταδώσουν ή να παραλάβουν δεδομένα αντί να χρησιμοποιούν καλώδια. Το πιο αξιοπρόσεκτο γεγονός στα ασύρματα δίκτυα είναι ότι περιορίζουν το πρόβλημα που υπήρχε με τα έξοδα από τα ακριβά καλώδια και το κόστος συντήρησης. Στους χρήστες που βρίσκονται σε κίνηση (τους λεγόμενους Mobile Users) παρέχεται πρόσβαση σε πληροφορίες πραγματικού χρόνου, ακόμη και αν είναι μακριά από το σπίτι ή το γραφείο τους. Το να εγκατασταθεί ένα ασύρματο σύστημα είναι εύκολο και γρήγορο και περιορίζει το πρόβλημα του να περνάνε καλώδια από τοίχους και οροφές. Τα δίκτυα αυτά μπορούν φυσικά να επεκταθούν σε μέρη που δεν μπορούν να καλωδιωθούν. Προσφέρουν περισσότερη ευελιξία και προσαρμόζονται εύκολα στις αλλαγές των ρυθμίσεων του δικτύου. Από την άλλη μεριά, στα ασύρματα δίκτυα υπάρχουν παρεμβολές εξαιτίας του καιρού, από άλλες συσκευές ραδιοσυχνοτήτων ή γενικά από εμπόδια όπως είναι οι τοίχοι. Επίσης, το συνολικό δίκτυο επηρεάζεται όταν υπάρχουν πολλαπλές συνδέσεις. Σήμερα, τα ασύρματα δίκτυα έχουν υποστεί μια αξιοσημείωτη αύξηση της δημοτικότητάς τους, πράγμα που οφείλεται στις πολλές έρευνες και τις προσπάθειες για εμπορευματοποίηση τους. Όσον αφορά τη δομή των δικτύων, τα ασύρματα δίκτυα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο τύπους: τα infrastructurebased ασύρματα δίκτυα (δίκτυα με σταθερή υποδομή) και τα Ad hoc δίκτυα [Nilsson et al., 2005] Infrastructure-based Δίκτυα Ένα infrastructure based δίκτυο αποτελείται, σαν έννοια, από δύο επίπεδα: το σταθερό επίπεδο (stationary level) και το κινητό επίπεδο (mobile level). Το σταθερό επίπεδο αποτελείται από σταθερά σημεία πρόσβασης (Access Points APs) που είναι συνδεδεμένα με ενσύρματα ή ασύρματα μέσα. Το κινητό επίπεδο αναφέρεται στους κινητούς σταθμούς (Mobile Terminals MTs), οι οποίοι επικοινωνούν με τα σημεία πρόσβασης ή μεταξύ τους με ασύρματες συνδέσεις. Εικόνα 1.2 Απλό παράδειγμα Infrastructure based δικτύου. 10

12 Τα σημεία πρόσβασης είναι μόνιμα σε λειτουργία, σε καθορισμένες θέσεις ώστε να βοηθούν στη λειτουργία των κινητών σταθμών. Όταν ένας κινητός σταθμός είναι σε λειτουργία, πρώτα συνδέεται με ένα σημείο πρόσβασης και στη συνέχεια, το σημείο πρόσβασης, αφού εντοπίσει τη συσκευή, παρέχει τις υπηρεσίες του στον κινητό σταθμό Mobile Ad Hoc Networks (MANETs) Στα ασύρματα δίκτυα, τύπου Ad hoc, φορητές συσκευές έρχονται σε επαφή ώστε να δημιουργήσουν ένα δίκτυο στον αέρα (on the fly). Τα Ad hoc ασύρματα δίκτυα δεν έχουν καμία υποδομή και αυτό γιατί δεν έχουν κανένα σταθερό σημείο πρόσβασης και, συνήθως, κάθε κόμβος είναι ικανός να έρθει σε επικοινωνία με οποιονδήποτε άλλο κόμβο όταν όλοι είναι αναπτυγμένοι σε μια, σχετικά μικρή, γεωγραφική περιοχή [Johnson et al., 1996]. Σαν παράδειγμα, σκεφτείτε μια σύσκεψη σε ένα χώρο συνεδριάσεων, όπου οι υπάλληλοι φέρνουν φορητούς υπολογιστές μαζί τους ώστε να επικοινωνούν και να ανταλλάσουν πληροφορίες για διάφορα θέματα. Εικόνα 1.3 Τυπικά παραδείγματα MANETs. Όμως, οι κόμβοι μπορούν να αναπτυχθούν σε μια μεγαλύτερη γεωγραφική περιοχή από αυτή που μπορεί να φτάσει το σήμα επικοινωνίας (communication signal). Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι κόμβοι μπορεί να χρειαστεί να έρθουν σε επικοινωνία μέσω πολλαπλών αλμάτων (multiple hops). Τα Ad hoc δίκτυα δεν έχουν κεντρικό έλεγχο, αλλά έχουν το πλεονέκτημα του να είναι σχετικά φθηνά να φτιαχτούν, καθώς δεν απαιτούν καμία υποδομή επικοινωνίας. Εφαρμογές τέτοιων δικτύων παρατηρούνται στο στρατό και σε σενάρια έκτακτης ανάγκης. Όπως αναφέρθηκε, τα Ad hoc δίκτυα είναι ασύρματα δίκτυα, στα οποία οι κόμβοι επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας συνδέσεις πολλαπλών αλμάτων (multi hop). Δεν υπάρχει σταθερή υποδομή ή σταθερός σταθμός για επικοινωνία. Κάθε κόμβος λειτουργεί σαν router ( δρομολογητής ) για την προώθηση και την παραλαβή πακέτων (packets) από και προς άλλους κόμβους. Στα MANETs αφού δεν υπάρχει υποστήριξη από καμία υποδομή και, επίσης, ο κόμβος του προορισμού μπορεί να είναι εκτός εμβέλειας του κόμβου της πηγής, η οποία μεταδίδει τα πακέτα, απαιτείται μια διαδικασία δρομολόγησης ώστε να βρεθεί ένα μονοπάτι (path) ώστε να μεταβιβαστούν τα πακέτα σωστά μεταξύ της πηγής και του προορισμού. 11

13 Στα συνήθη ασύρματα δίκτυα ένας κεντρικός σταθμός μπορεί να προσεγγίσει όλους τους φορητούς κόμβους χωρίς την δρομολόγηση μέσω εκπομπών. Σ αυτήν την περίπτωση Ad hoc δικτύων, κάθε κόμβος πρέπει να είναι ικανός να προωθήσει δεδομένα γι άλλους κόμβους. Αυτό δημιουργεί επιπλέον προβλήματα, στα ήδη υπάρχοντα από τις αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου. Με λίγα λόγια, ένα Ad hoc δίκτυο είναι ένα σύνολο από ασύρματους φορητούς διακομιστές (hosts) που σχηματίζουν ένα προσωρινό (temporary) δίκτυο, χωρίς τη βοήθεια καμιάς σταθερής υποδομής ή διαχείρισης από κάποιο κέντρο. Τα φορητά Ad hoc δίκτυα (Mobile Ad Hoc Networks MANETs) είναι αυτό οργανωμένα και αυτό ρυθμιζόμενα ασύρματα δίκτυα πολλαπλών αλμάτων, όπου η δομή τους αλλάζει δυναμικά. Η αλλαγή αυτή, στη δομή των δικτύων (ή αλλιώς της τοπολογίας τους) οφείλεται, κυρίως, στην κινητικότητα των κόμβων [Hong et al., 2002]. Οι κόμβοι, σε αυτά τα δίκτυα, αξιοποιούν τη δυνατότητα που τους δίνεται για μια τυχαία πρόσβαση σε ασύρματους διαύλους (channels), συνεργαζόμενα με τέτοιο τρόπο ώστε να συμμετέχουν και αυτά σε μεταβιβάσεις πολλαπλών αλμάτων. Οι κόμβοι στο δίκτυο δεν λειτουργούν μόνο σαν διακομιστές αλλά και σαν δρομολογητές (routers), όπου δρομολογούν δεδομένα από και προς άλλους κόμβους στο δίκτυο [Abolhasan et al., 2003]. Τα MANETs είναι ιδανικά για δίκτυα μέσα σε αεροδρόμια, χώρους συσκέψεων και, γενικά, σε ανοιχτούς χώρους. Συχνά, χρησιμοποιούνται και από το στρατό. Αυτό οφείλεται τόσο στις οικονομικές όσο και στις τεχνολογικές δυνατότητες υλοποίησης τους. Εικόνα 1.4 Χρήση MANETs στο στρατό. 1.4 Διευθυνσιοδότηση στα δίκτυα ΜΑΝΕΤ Επειδή τα MANETs βασίζονται σε ένα σύνολο πρωτοκόλλων IP, ένας κόμβος σ ένα MANET δεν μπορεί να πάρει μέρος σε unicast επικοινωνίες μέχρι να ρυθμιστεί με μια ελεύθερη διεύθυνση IP. Παρόλο που είναι απλό να θέσουμε διευθύνσεις IP στους φορητούς κόμβους ενός MANET μικρής κλίμακας, είναι επιθυμητή και μια διαδικασία που θα κάνει αυτόματα, το ίδιο, και σ ένα MANET μεγαλύτερης κλίμακας, όπου οι φορητοί 12

14 κόμβοι είναι ελεύθεροι τόσο να πάρουν μέρος όσο και να φύγουν από αυτό το δίκτυο [Perkins et al., 2001]. Ένα θέμα που προκύπτει με την ανάθεση των διευθύνσεων IP σε φορητούς κόμβους είναι ότι η διεύθυνση IP μπορεί να αλλάξει κατά τη διάρκεια της περιόδου που ο κόμβος αυτός βρίσκεται στο MANET. Η αλλαγή της διεύθυνσης IP δεν είναι ένα σοβαρό πρόβλημα στα ενσύρματα δίκτυα διότι η διεύθυνση IP ενός διακομιστή είναι είτε στατικά ρυθμισμένη είτε προσδιορισμένη από έναν DHCP server [Nesargi et al., 2002]. Αυτός, συνήθως, δεν αλλάζει την διεύθυνση IP του εκτός αν κάνει επανεκκίνηση. Όμως, επειδή οι κόμβοι στα MANETs είναι ελεύθεροι να κινηθούν αυθαίρετα, η αλλαγή της διεύθυνσης IP συμβαίνει πιο συχνά. Υπάρχουν κάποια σενάρια, στα οποία ένας φορητός κόμβος μπορεί να αλλάξει την διεύθυνση IP του: Συγχώνευση δύο μερών ενός δικτύου: εάν κάποιοι φορητοί κόμβοι σε ένα MANET μετακινηθούν έξω από την εμβέλεια μετάδοσης άλλων κόμβων, το δίκτυο χωρίζεται όπως φαίνεται στην εικόνα 1.5a. Επειδή αυτοί οι κόμβοι μπορεί να μην γνωρίζουν για το χωρισμό, θα χρησιμοποιούν ακόμη τις προηγούμενες προσδιορισμένες διευθύνσεις IP. Εάν η διεύθυνση IP ενός κόμβου (ας πούμε του κόμβου Α) του ενός τμήματος έχει δοθεί σε έναν καινούριο κόμβο (ας πούμε τον κόμβο Β) στο άλλο τμήμα, προκύπτει μια αντίφαση (conflict) στις διευθύνσεις IP όταν αυτά τα δύο τμήματα συνδεθούν όπως φαίνεται στην εικόνα 1.5b. Ένα παράδειγμα είναι όταν κάποιοι χρήστες φεύγουν από ένα δωμάτιο συσκέψεων για κάποιο μικρό χρονικό διάστημα και επιστρέφουν κατά τη διάρκεια της παρουσίασης. [Zhou et al., 2003] Εικόνα 1.5 Ένα δίκτυο χωρίζεται και στη συνέχεια επανασυνδέεται. Συγχώνευση δύο ανεξάρτητων MANETs: το σενάριο αυτό αφορά τη συγχώνευση δύο MANETs που έχουν ρυθμιστεί χωριστά. Επειδή αυτά τα δύο δίκτυα έχουν ρυθμιστεί ξεχωριστά, μπορεί να υπάρχουν κάποιες διπλές διευθύνσεις IP και στα δύο δίκτυα, όπως ο κόμβος Α στο MANET 1 και ο κόμβος Β στο MANET 2 στην εικόνα 1.6. Έτσι, ο ένας χρειάζεται να αλλάξει τη διεύθυνση του ώστε να γίνει η συγχώνευση. 13

15 Εικόνα 1.6 Συγχώνευση δύο ανεξάρτητων MANETs. Συγχώνευση ενός MANET με ένα LAN: το σενάριο αυτό αφορά τη συγχώνευση ενός MANET μ ένα LAN, το οποίο έχει ένα Ad hoc mode Access Point (Ad hoc σημείο πρόσβασης). Οι κινητοί κόμβοι (όπως ο κόμβος R στην εικόνα 1.7), που είναι εντός της εμβέλειας μετάδοσης του σημείου πρόσβασης του LAN μπορεί να χρησιμοποιήσει τις ρυθμίσεις που εκπέμπονται από το σημείο πρόσβασης ώστε να ρυθμίσει τον εαυτό του, έτσι ώστε, να λειτουργεί σαν ένας κόμβος αναμετάδοσης (relay node). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, το MANET να συνδέεται στο ιντερνέτ [Wakikawa et al., 2002]. Επιπλέον, αν το MANET και το LAN μπορούν να χρησιμοποιούν παρόμοιες αλληλουχίες διευθύνσεων IP, μπορεί να υπάρξουν διπλές διευθύνσεις IP τόσο στο MANET όσο και στο LAN, όπως ο κόμβος Α και ο κόμβος Β στην εικόνα 1.7. Επειδή ο ενσύρματος διακομιστής στο LAN μπορεί να μην θέλει να ελευθερώσει την διεύθυνση IP του, ο κόμβος στο MANET θα πρέπει να την αλλάξει. Εικόνα 1.7 Η συγχώνευση ενός MANET μ ένα LAN. Ένα MANET με ένα ιεραρχικό σχέδιο διευθύνσεων IP: Σε ένα τέτοιο δίκτυο, οι φορητοί κόμβοι είναι χωρισμένοι σε διαφορετικές συστοιχίες, κάθε μία από αυτές έχει μια μοναδική διεύθυνση subnet [Pei et al., 2001]. Όταν ένας φορητός κόμβος (όπως ο κόμβος Α στην εικόνα 1.8) μετακινηθεί από μια συστοιχία σε μια άλλη τότε θα αλλάξει η διεύθυνση του. 14

16 Εικόνα 1.8 Ένα MANET μ ένα ιεραρχικό σχέδιο διευθύνσεων IP. 15

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δρομολόγηση στα δίκτυα MANET 16

18 2 Δρομολόγηση στα δίκτυα ΜΑΝΕΤ 2.1 Εισαγωγή στη δρομολόγηση Η δρομολόγηση είναι μια διαδικασία ή μια λειτουργία που συνδέει μια κλήση από την πηγή στον προορισμό στα δίκτυα τηλεπικοινωνίας και παίζει, επίσης, πολύ σημαντικό ρόλο στην αρχιτεκτονική, στη σχεδίαση και στη λειτουργία των δικτύων. Η δρομολόγηση είναι η πράξη της μετακίνησης πληροφοριών από μία πηγή σ ένα προορισμό σ ένα ενδοδίκτυο (internetwork). Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αυτής, τουλάχιστον ένας ενδιάμεσος κόμβος μέσα στο ενδοδίκτυο συναντιέται με κάποιον άλλον. Αυτή η έννοια δεν είναι καινούρια στην επιστήμη των υπολογιστών, αφού η δρομολόγηση χρησιμοποιείται στα δίκτυα από τις αρχές του Αλλά, αυτή η έννοια απέκτησε απήχηση από τα μέσα του Ο κύριος λόγος γι αυτό ήταν, επειδή, τα πρώτα δίκτυα ήταν πολύ απλά και ομογενή περιβάλλοντα, ενώ τώρα μεγάλης κλίμακας ενδοδίκτυα έχουν γίνει δημοφιλή με τις τελευταίες εξελίξεις στα δίκτυα και στις τεχνολογίες τηλεπικοινωνιών. Εικόνα 2.1 Απλό παράδειγμα δρομολόγησης. 2.2 Στάδια της δρομολόγησης Η έννοια της δρομολόγησης, βασικά, περιλαμβάνει δύο στάδια: αρχικά, καθορίζονται τα βέλτιστα μονοπάτια δρομολόγησης και στη συνέχεια, μεταφέρονται οι ομάδες πληροφοριών (που ονομάζονται πακέτα) μέσω ενός ενδοδικτύου. Αυτό ονομάζεται packet switching. Σκοπός είναι, όλες αυτές οι πληροφορίες να επαληθεύονται και να διατηρούνται [Cisco et al., 2002]. 2.3 Βέλτιστα Μονοπάτια Δρομολόγησης Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης χρησιμοποιούν αρκετές μετρήσεις για να υπολογίσουν το καλύτερο μονοπάτι για τη δρομολόγηση των πακέτων στον προορισμό τους. Αυτές οι μετρήσεις είναι μια συγκεκριμένη διαδικασία που μπορεί 17

19 να είναι ο αριθμός των αλμάτων (hops) που χρησιμοποιούνται από τον αλγόριθμο δρομολόγησης ώστε να καθοριστεί το βέλτιστο μονοπάτι για να πάνε τα πακέτα στον προορισμό τους. Η διαδικασία που προσδιορίζει το μονοπάτι γίνεται μέσω των αλγορίθμων δρομολόγησης, οι οποίοι διατηρούν πίνακες δρομολόγησης (routing tables) που περιέχουν τις πληροφορίες για το σύνολο της διαδρομής για το πακέτο. Αυτές οι πληροφορίες για τη διαδρομή διαφέρουν από αλγόριθμο σε αλγόριθμο. 2.4 Πίνακες Δρομολόγησης Οι πίνακες δρομολόγησης είναι συμπληρωμένοι με αρκετές πληροφορίες, οι οποίες παράγονται από τους αλγόριθμους δρομολόγησης. Οι πιο συνηθισμένες εγγραφές στους πίνακες δρομολόγησης είναι το πρόθημα της διεύθυνσης IP και το επόμενο άλμα. Ο σύνδεσμος του πίνακα δρομολόγησης του προορισμού (ή επόμενου άλματος ) λέει στον router ότι ένας συγκεκριμένος προορισμός μπορεί να προσεγγιστεί βέλτιστα, στέλνοντας το πακέτο στον router και απεικονίζοντας το επόμενο άλμα στη διαδρομή για τον τελικό προορισμό καθώς και το πρόθημα της διεύθυνσης IP που καθορίζει το σύνολο των προορισμών, για τους οποίους οι εγγραφές δρομολόγησης είναι έγκυρες. Οι εναλλαγές (switching) είναι σχετικά απλές σε σύγκριση με τη διαδικασία που γίνεται ώστε να προσδιοριστεί το μονοπάτι. Η έννοια των εναλλαγών είναι σαν ένας διακομιστής να μπορεί να καθορίζει εάν μπορεί να στείλει μερικά πακέτα σ έναν άλλο διακομιστή. Με άλλα λόγια, αποκτά την διεύθυνση των routers και στέλνει τα πακέτα στη διεύθυνση MAC του router, με το πρωτόκολλο διεύθυνσης του διακομιστή του προορισμού. Ο router, έπειτα, εξετάζει το πρωτόκολλο διεύθυνσης και επιβεβαιώνει εάν ξέρει πως να μεταφέρει τα δεδομένα στον προορισμό τους. Εάν ξέρει πως να τα μεταφέρει, τότε προωθεί το πακέτο στον προορισμό του, ενώ αν δεν ξέρει αφήνει το πακέτο. 2.5 Στατική (Static) και Δυναμική (Dynamic) Δρομολόγηση Η δρομολόγηση είναι ταξινομημένη στη στατική (static) και στη δυναμική (dynamic) δρομολόγηση. Η στατική δρομολόγηση αναφέρεται στην στρατηγική δρομολόγησης που ορίζεται χειροκίνητα ή στατικά μέσα στον router. Η στατική δρομολόγηση διατηρεί έναν πίνακα δρομολόγησης, συνήθως, γραμμένο από το διαχειριστή του δικτύου. Ο πίνακας δρομολόγησης δεν εξαρτάται από την κατάσταση που βρίσκεται το δίκτυο, π.χ. εάν ο προορισμός είναι ενεργός ή όχι [Halabi et al., 2000]. Η δυναμική δρομολόγηση αναφέρεται στη στρατηγική δρομολόγησης που μαθαίνεται από ένα εσωτερικό ή εξωτερικό πρωτόκολλο δρομολόγησης. Αυτή η δρομολόγηση εξαρτάται, κυρίως, από την κατάσταση του δικτύου, π.χ. ο πίνακας δρομολόγησης επηρεάζεται από την δραστηριότητα του προορισμού. 18

20 Εικόνα 2.2 Απλό παράδειγμα δρομολόγησης. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα με τη στατική δρομολόγηση είναι πως όταν ένας καινούριος router προστεθεί ή αφαιρεθεί από το δίκτυο τότε είναι υποχρέωση του διαχειριστή να κάνει τις απαραίτητες αλλαγές στους πίνακες δρομολόγησης. Όμως, αυτό το πρόβλημα δεν υπάρχει στην δυναμική δρομολόγηση, καθώς, κάθε router ανακοινώνει την παρουσία του μέσω της αποστολής ενός πακέτου πληροφοριών με τη μέθοδο της πλημμύρας (flooding) στο δίκτυο, έτσι ώστε, κάθε router να μάθει για τον καινούριο router που προστέθηκε ή αφαιρέθηκε και τις εγγραφές του [Ballew et al., 1997]. 2.6 Πρωτόκολλα Δρομολόγησης στα Ad Hoc Δίκτυα Με την έλευση του πακέτου δικτύων του Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) στις αρχές του 1970, αρκετά πρωτόκολλα αναπτύχθηκαν για τα Ad Hoc δίκτυα [Jubin et al., 1987]. Αυτά τα πρωτόκολλα πρέπει να αντιμετωπίσουν τους τυπικούς περιορισμούς αυτών των δικτύων, καθώς επίσης, την μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, το χαμηλό bandwidth. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.3, αυτά τα πρωτόκολλα δρομολόγησης μπορούν να χωριστούν ως εξής: - στα Table driven και - στα Source initiated (Demand driven). Εικόνα 2.3 Κατηγοριοποίηση των ad hoc πρωτοκόλλων δρομολόγησης. 19

21 Οι κανονικές γραμμές δείχνουν τους απευθείας απογόνους, ενώ οι διακεκομμένες γραμμές δείχνουν τους λογικούς απογόνους. Παρόλο που έχουν σχεδιασθεί για το ίδιο είδος δικτύου, τα χαρακτηριστικά του κάθε πρωτοκόλλου είναι ευδιάκριτα. Στη συνέχεια, θα περιγραφούν αυτά τα πρωτόκολλα και θα χωριστούν ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. 2.7 Table driven Πρωτόκολλα Δρομολόγησης Τα Table driven πρωτόκολλα δρομολόγησης προσπαθούν να διατηρήσουν ενημερωμένες τις πληροφορίες δρομολόγησης από κάθε ένα κόμβο σε κάθε άλλο μέσα στο δίκτυο. Αυτά τα πρωτόκολλα απαιτούν κάθε κόμβος να διατηρεί έναν ή περισσότερους πίνακες, οι οποίοι θα διατηρούν τις πληροφορίες δρομολόγησης και σε οποιαδήποτε αλλαγή στην τοπολογία του δικτύου αντιδρούν στέλνοντας ενημερώσεις σε όλο το δίκτυο ώστε να διατηρηθεί σταθερή η μορφή του δικτύου. Τα πρωτόκολλα αυτά διαφέρουν στον αριθμό των απαιτούμενων πινάκων αλλά και τις μεθόδους, με τις οποίες ενημερώνουν το δίκτυο για οποιαδήποτε αλλαγή στη δομή του. Θα αναφερθούν λίγα λόγια για μερικά από τα υπάρχοντα Table driven πρωτόκολλα δρομολόγησης Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) To Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) πρωτόκολλο δρομολόγησης είναι ένας Table driven αλγόριθμος που βασίζεται στον κλασικό μηχανισμό δρομολόγησης του Bellman Ford [Ford et al., 1962]. Οι βελτιώσεις που έχουν γίνει στον αλγόριθμο του Bellman Ford περιλαμβάνουν ελευθερία των αλμάτων (hops) στους πίνακες δρομολόγησης. Κάθε κινητός κόμβος στο δίκτυο διατηρεί έναν πίνακα δρομολόγησης, στον οποίο είναι καταγεγραμμένοι όλοι οι πιθανοί προορισμοί μέσα στο δίκτυο, καθώς, και ο αριθμός των αλμάτων για κάθε προορισμό. Κάθε εγγραφή περιλαμβάνει μια ακολουθία αριθμών ορισμένη από τον κόμβο προορισμού. Οι ακολουθίες των αριθμών επιτρέπουν στους κινητούς κόμβους να ξεχωρίζουν τις παλιές διαδρομές από τις καινούριες και, εξαιτίας αυτού, αποφεύγεται ο σχηματισμός βρόγχων δρομολόγησης (routing loops). Οι ενημερώσεις των πινάκων δρομολόγησης μεταδίδονται περιοδικά μέσα στο δίκτυο, ώστε οι πίνακες να έχουν κάθε στιγμή τις σωστές πληροφορίες. Για να ελαφρύνει το, πιθανόν, μεγάλο μέγεθος της κυκλοφορίας του δικτύου που παράγεται από αυτές τις ενημερώσεις, αυτές χρησιμοποιούν δύο πιθανά είδη πακέτων. Το πρώτο είναι γνωστό σαν Full Dump. Αυτό το είδος του πακέτου περιέχει όλες τις πληροφορίες δρομολόγησης που διατίθενται και μπορεί να χρειαστεί πολλαπλά Network Protocol Data Units (NPDUs). Κατά τη διάρκεια τυχαίας κινητικότητας του δικτύου, αυτά τα πακέτα μεταφέρονται αραιά και που. Μικρότερα incremental πακέτα χρησιμοποιούνται για να μεταβιβάσουν, μόνο, τις πληροφορίες που έχουν αλλάξει από το τελευταίο Full Dump. Κάθε μια από αυτές τις μεταβιβάσεις πρέπει να ταιριάζει σ ένα συγκεκριμένο μέγεθος NPDU εξαιτίας της μείωσης της κυκλοφορίας. Ο κινητός κόμβος διατηρεί έναν επιπλέον πίνακα, όπου αποθηκεύονται τα δεδομένα που στέλνονται με τα incremental πακέτα πληροφοριών δρομολόγησης. 20

22 Οι νέες διαδρομές που μεταδίδονται περιλαμβάνουν την διεύθυνση του προορισμού, τον αριθμό των αλμάτων που απαιτούνται για τον προορισμό, η ακολουθία των αριθμών για την πληροφορία, όσον αφορά τον προορισμό, καθώς και νέες ακολουθίες αριθμών, μοναδικές, για κάθε μετάδοση [Perkins et al., 1994]. Η διαδρομή με ετικέτα την πιο πρόσφατη ακολουθία αριθμών είναι ήδη σε χρήση. Σε περίπτωση που δύο ενημερώσεις έχουν την ίδια ακολουθία αριθμών, η διαδρομή με την μικρότερη ακολουθία χρησιμοποιείται ώστε να βελτιστοποιήσει (μικρύνει) το μονοπάτι (path). Οι κινητοί κόμβοι, τέλος, κρατούν και πληροφορίες για τον αριθμό των διαδρομών που έχουν ρυθμιστεί ή ένα μέσο χρόνο που απαιτείται ώστε να βρεθεί το καλύτερο μονοπάτι. Με την καθυστέρηση της εκπομπής της ενημέρωσης μιας διαδρομής επιτυγχάνεται μείωση της κίνησης του δικτύου και επιτυγχάνεται η βελτίωση τους περιορίζοντας τις μεταδόσεις που μπορούν να προκύψουν, εάν μια καλύτερη διαδρομή βρεθεί στο μέλλον Cluster-head Gateway Switch Routing (CGSR) Το Cluster head Gateway Switch (CGSR) πρωτόκολλο δρομολόγησης διαφέρει από το προηγούμενο πρωτόκολλο όσον αφορά τον τύπο σχεδίου που εφαρμόζεται στο δίκτυο. Αντί, ενός flat δικτύου, το CGSR είναι ένα φορητό ασύρματο δίκτυο πολλαπλών αλμάτων χωρισμένο σε συστοιχίες (Clustered Multihop Mobile Wireless Network) με αρκετά ιεραρχικά σχέδια δρομολόγησης [Chiang et al., 1997]. Έχοντας μια κεντρική συστοιχία (Cluster Head) να ελέγχει ένα σύνολο Ad Hoc κόμβων μπορεί να επιτευχθεί ένα πλαίσιο για διαχωρισμό του κώδικα ανάμεσα στις συστοιχίες, πρόσβαση σε κανάλια, δρομολόγηση και καταμερισμός του bandwidth. Ένας αλγόριθμος επιλογής, αυτής της κεντρικής συστοιχίας, εφαρμόζεται ώστε να επιλεχθεί ένας κόμβος για να παίξει αυτό το ρόλο χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο διανεμημένο μέσα στη συστοιχία. Το μειονέκτημα του να έχουμε μια κεντρική συστοιχία είναι ότι οι συχνές αλλαγές σ αυτήν μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση του πρωτοκόλλου δρομολόγησης, αφού οι κόμβοι είναι απασχολημένοι με την επιλογή της κεντρικής συστοιχίας αντί με την μεταφορά πακέτων. Έτσι, αντί να ασχολούνται με την επανεπιλογή κεντρικής συστοιχίας κάθε φορά που αλλάζουν τα μέλη της εισάγεται ο αλγόριθμος Least Cluster Change (LCC). Χρησιμοποιώντας αυτόν τον αλγόριθμο, οι κεντρικές συστοιχίες αλλάζουν, μόνο, όταν δύο από αυτές έρθουν σ επαφή ή όταν ένας κόμβος μετακινείται εκτός από την εμβέλεια όλων των κεντρικών συστοιχιών. Το CGSR χρησιμοποιεί το DSDV σαν υπόστρωμα δρομολόγησης, άρα έχει αρκετά κοινά στοιχεία με αυτό. Όμως, μετατρέπει το DSDV χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση δρομολόγησης που ονομάζεται Cluster head to gateway δρομολόγηση, ώστε να οδηγήσει την κίνηση από την πηγή στον προορισμό. Οι Gateway κόμβοι είναι κόμβοι που βρίσκονται εντός της εμβέλειας επικοινωνίας δύο ή περισσοτέρων κεντρικών συστοιχιών. Ένα πακέτο που στέλνεται από έναν κόμβο, πρώτα δρομολογείται στην κεντρική συστοιχία και μετά μέσα από Gateway κόμβους σε μία άλλη μέχρι να φτάσουμε στη συστοιχία που ανήκει ο κόμβος προορισμού. Τότε, το πακέτο μεταδίδεται στον προορισμό του. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα τέτοιο σχέδιο δρομολόγησης. 21