ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΕΟΥ ΑΥΤΟΠΡΟΣΑΡΜΟΖΟΜΕΝΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΕΟΥ ΑΥΤΟΠΡΟΣΑΡΜΟΖΟΜΕΝΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΣΠΗΛΙΟΥ Δ. ΓΙΑΝΝΟΥΛΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ 234 Οκτώβριος 2009

Αφιερωμένο σε όσους στάθηκαν δίπλα μου 3 από 161

4 από 161

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών κατά την περίοδο Σεπτέμβριο 2001 Οκτώβριο 2009. Η τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή που ορίστηκε, 8/ 14/7/09 συνεδρίαση της γενικής Συνέλευσης με Ειδική Σύνθεση του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, αποτελείται από τους κ. Σταύρο Κουμπιά Καθηγητή (Επιβλέπων), κ. Γεώργιο Παπαδόπουλο Ομότιμο Καθηγητή (Μέλος) και κ. Θεόδωρο Αντωνακόπουλο, Καθηγητή (Μέλος). Η διατριβή αυτή, αποτελεί μέρος της γενικότερης ερευνητικής δραστηριότητας του εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Εφαρμογών στην Περιοχή της Ανάπτυξης Ασυρμάτων Δομών Για Κινούμενα Δίκτυα Αισθητήρων. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την Τριμελή Συμβουλευτική Επιτροπή για την υποστήριξη και συμπαράσταση της καθ' όλη τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της διδακτορικής διατριβής. Ευχαριστώ τον Καθηγητή κ. Σταύρο Κουμπιά, επιβλέποντα της διδακτορικής διατριβής για την εμπιστοσύνη και αμέριστη ηθική συμπαράσταση που μου έδειξε, από την πρώτη στιγμή ως μεταπτυχιακό φοιτητή μέχρι και το πέρας εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής, καθώς επίσης και για τη συνεχή δρομολόγηση και επιστημονική καθοδήγηση του έργου αυτού. Οι παρατηρήσεις και παρεμβάσεις του σε κρίσιμα σημεία της εργασίας, αποτέλεσαν τον κύριο άξονα της έρευνας μου και οδήγησαν στην εξαγωγή χρήσιμων και αξιοποιήσιμων αποτελεσμάτων στον εν λόγω ερευνητικό χώρο. Ευχαριστώ τον Ομότιμο καθηγητή κ. Γεώργιο Παπαδόπουλο, για την εμπιστοσύνη, υποστήριξη και ηθική συμπαράσταση που μου έδειξε καθ' όλη τη διάρκεια της διατριβής, για τις ουσιαστικές υποδείξεις, παρατηρήσεις και παρεμβάσεις του σε σημαντικά σημεία της εργασίας, καθώς επίσης και για τη συνεχή δρομολόγηση και επιστημονική καθοδήγηση. Ευχαριστώ τον Καθηγητή κ. Θεόδωρο Αντωνακόπουλο για την εμπιστοσύνη, υποστήριξη και ηθική συμπαράσταση που μου έδειξε, καθώς επίσης και για τις σημαντικές παρατηρήσεις καθ' όλη τη διάρκεια της διατριβής. 5 από 161

Θερμά ευχαριστήρια στους συναδέλφους και φίλους Αγγελική Πραγιάτη, Ευστράτιο Νικολούτσο και Διονύσιο Πουλόπουλο, με τους οποίους μοιράστηκα το ίδιο γραφείο επί αρκετά χρόνια, για την αμέριστη ηθική συμπαράσταση και υποστήριξή τους και για την άψογη και πάντα ευχάριστη συνεργασία μας καθώς και τους Χρήστο Κουλαμά και Ευάγγελο Τοπάλη. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους συναδέλφους μου στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών, για την υποστήριξή τους και την συνεργασία που είχαμε όλα αυτά τα χρόνια. Σπήλιος Δ. Γιαννούλης Πάτρα, Οκτώβριος 2009 6 από 161

ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΕΟΥ ΑΥΤΟΠΡΟΣΑΡΜΟΖΟΜΕΝΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ Η αλματώδης πρόοδος στις ασύρματες επικοινωνίες έχει φέρει ως αποτέλεσμα την δυνατότητα δημιουργίας μικρών σε μέγεθος μικροϋπολογιστικών συστημάτων που έχουν την δυνατότητα ασύρματης διασύνδεσης. Λόγω του μικρού μεγέθους αυτών είναι δυνατή η μεταφορά τους ακόμα και από φυσικά πρόσωπα και άρα προσφέρουν με τον τρόπο αυτό το πλεονέκτημα φορητότητας. Παράλληλα η επιθυμία για δημιουργία δικτύων μεγάλης κλίμακας με χρήση τέτοιων συσκευών χωρίς την δυνατότητα σταθερής παροχής ενέργειας δημιούργησε την ανάγκη μικρής εμβέλειας μετάδοσης και άρα πολλαπλών επαναμεταδόσεων ανά πακέτο δεδομένων μέχρι να φτάσει στον τελικό προορισμό του. Το ερευνητικό αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η πρόταση μίας ολοκληρωμένης ασύρματης δομής που θα παρέχει δυνατότητες ασύρματης διασύνδεσης σε δίκτυα μεγάλης κλίμακας χωρίς ύπαρξη κεντρικής διαχείρισης. Το πρόβλημα της εύρεσης διαδρομών σε ένα ασύρματο δίκτυο κινούμενων αισθητήρων αποτελεί ένα πολύ δύσκολο εγχείρημα, ακόμα δε περισσότερο αν λάβουμε υπόψη μας και το ασύρματο μέσο που είναι ένα μη-ντετερμινιστικό φυσικό μέσο δικτύου. Η ύπαρξη απαιτήσεων πραγματικού χρόνου παρ όλες τις δυσκολίες υπάρχει σε εφαρμογές δικτύων κινούμενων αισθητήρων και δυσκολεύει περαιτέρω την σχεδίαση μιας δομής που θα διατηρεί διασυνδεσιμότητα μεταξύ των αισθητήρων του δικτύου ενώ παράλληλα θα ικανοποιεί τις απαιτήσεις πραγματικού χρόνου. Πρόσθετα οι δυναμικές συνθήκες που παρατηρούνται σε ένα ασύρματο δίκτυο κινούμενων αισθητήρων όσον αφορά σημαντικές παραμέτρους λειτουργίας όπως μεταβλητό φορτίο εφαρμογής, ταχύτητα φυσικής κίνησης του κινούμενου αισθητήρα και αριθμός συγκέντρωσης τους στην ίδια ασύρματη περιοχή καθώς και η μη ύπαρξη σταθερής παροχής ενέργειας, δημιουργούν την ανάγκη σχεδίασης μιας ασύρματης δομής που θα έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου. Υποστηρίζοντας δυνατότητα προσαρμογής στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου ενώ παράλληλα εξυπηρετούνται οι απαιτήσεις πραγματικού χρόνου, δημιουργείται η δυνατότητα μείωσης του προσθετόμενου πρωτοκολλικού δικτυακού φόρτου άρα και μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης του κινούμενου αισθητήρα. Προχωρώντας περαιτέρω, η λειτουργία του 7 από 161

πρωτοκόλλου δρομολόγησης μπορεί επίσης να βελτιστοποιηθεί ώστε να εξυπηρετεί τα δρομολογούμενα πακέτα με μεγαλύτερη επιτυχία. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έρχεται να καλύψει την ανάγκη για τεχνικές προσαρμοστικότητας σε ασύρματα δίκτυα στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου και να παρουσιάσει μια πρόταση πρότυπης υλοποίησης που να βελτιστοποιεί την λειτουργία του ασύρματου δικτύου, παρακολουθώντας σε πραγματικό χρόνο κρίσιμες μεταβλητές της λειτουργίας. Τα κυριότερα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται παρακάτω: Μελέτη και ανάλυση της εν γένη συμπεριφοράς υπαρχόντων προτεινόμενων δομών για την δρομολόγηση σε ασύρματα κινούμενα δίκτυα αισθητήρων. Σχεδίαση και ανάλυση πρότυπης υβριδικής δομής στηριζόμενη σε γνωστούς αποδεκτούς αλγορίθμους δρομολόγησης. Μελέτη και ανάλυση των μεταβλητών λειτουργίας και εξαγωγή των κρίσιμων μεταβλητών μέσω των οποίων μπορεί να γίνει η αναγνώριση κατάστασης του ασύρματου δικτύου. Σχεδίαση, ανάλυση και υλοποίηση πρότυπου αλγορίθμου ελέγχου και προσαρμογής λειτουργίας της ασύρματης δομής στις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας του δικτύου. Πλήρης υλοποίηση πρότυπης δικτυακής ασύρματης αρχιτεκτονικής με δυνατότητες αναπροσαρμογής σε μεταβλητές συνθήκες δικτύου. Λήψη και δημοσίευση πλήρους συνόλου μετρήσεων μέσω προσομοίωσης της προτεινόμενης δομής με χρήση παγκοσμίου φήμης λογισμικού προσομοίωσης δικτύων και απόδειξη της επιτυγχανόμενης βελτίωσης λειτουργίας του δικτύου. 8 από 161

ABSTRACT DESIGN AND DEVELOPMENT OF A NEW WIRELESS AUTO-ADAPTIVE MODULE FOR MOBILE REAL- TIME AD-HOC NETWORKS The progress in wireless telecommunications has resulted in the creation of small sized microprocessor systems that are wireless enabled. Due to the small size of these systems, they are considered portable since they can even be carried by a person. Furthermore, the need to create large scale wireless networks using such systems, without a fixed power supply, has created the constraint of small communication range for such devices. This leads to multiple retransmissions of data packets in order to reach their final destination within the wireless network. This communication is often referred to as multihop communication. The research objective of this thesis is to propose a new wireless architecture that will provide wireless connectivity for large scale wireless ad-hoc networks without the need of central management. The problem of finding a route, or even worse, the optimal route in a wireless ad-hoc network is very difficult and gets even worse if we consider the nature of the wireless medium that is un-deterministic and probably the less predictable medium used in networks. The need of real time constraints in wireless ad-hoc networks exists however, making even more difficult the design of a wireless architecture that will provide connectivity in the domain of a wireless network while managing to succeed in satisfying the real time constraints. Furthermore the dynamic nature of a wireless mobile network as far as important functional variables are concerned, like application load, speed of node movement, rate of connectivity in the same wireless domain, as well as the lack of a fixed power supply, create the need of adaptivity support, based on network status, in any wireless module designed to address the above problems. Supporting an adaptivity functionality based on the wireless network status, while managing to meet the real time constrains imposed from the application, we manage to lower the overhead of the network protocol, hence reducing the energy consumption of the wireless node. Moving forward, the functionality of the routing protocol itself is enhanced so as to route the data packets to the destination node with higher rates of success. This dissertation manages to fulfill the need for techniques of adaptivity in wireless ad-hoc networks by presenting a new wireless architecture, that is enhancing the general behavior of a wireless network by monitoring in real time various critical network variables and change the 9 από 161

protocols behavior to adapt to changing network condition. The more important results of this dissertation are presented below: Study and analysis of general behavior of already existing routing protocols for adhoc wireless networks. Design and analysis of a prototype hybrid module, based on existing routing algorithms. Study and analysis of functional variables, extraction of critical functional variables that can be used to identify the status of the wireless network within a certain domain. Design, analysis and implementation of a prototype algorithm that controls and adapts the general functionality of the wireless module based on the network status. Implementation prototype of a wireless architecture supporting automatic real time adaptability to network status based on real time monitoring of network variables. Collection and publication of a full set of tests by using a world wide known software tool to simulate data networks, and proof of the resulted functionality enhancement of the wireless network s behaviour. 10 από 161

ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 7 ABSTRACT... 9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 13 1.1. ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ... 13 1.2. ΤΟ ΔΙΚΤΥΑΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ OSI-RM... 15 1.2.1. Παρουσίαση των Επιπέδων του OSI-RM... 18 1.3. AD-HOC ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ... 21 1.3.1. Ορισμός και χαρακτηριστικά ενός ad hoc δικτύου... 22 1.3.2. Εφαρμογές των ad hoc δικτύων... 22 1.4. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΓΙΑ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ... 23 1.4.1. Ιδιαιτερότητες των ασύρματων δικτύων... 23 1.4.2. Κριτήρια αξιολόγησης αλγορίθμων δρομολόγησης... 24 1.4.3. Κατηγορίες αλγορίθμων δρομολόγησης για ad hoc δίκτυα... 27 1.4.4. Proactive αλγόριθμοι δρομολόγησης... 28 1.4.5. Reactive αλγόριθμοι δρομολόγησης... 33 1.4.6. Υβριδικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης... 39 1.4.7. Συγκριτική ανάλυση των βασικών πρωτοκόλλων δρομολόγησης... 44 1.5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ... 47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ZRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΣΤΟ OPNET. 49 2.1. ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΗΝ ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ZRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ... 49 2.2. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ DSR ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ BRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ... 58 2.3. ΑΛΛΑΓΕΣ ΠΟΥ ΑΦΟΡΟΥΝ ΤΗΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΠΟΣΤΟΛΗΣ ROUTE REQUEST... 59 2.4. ΑΛΛΑΓΕΣ ΠΟΥ ΑΦΟΡΟΥΝ ΤΗΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΛΗΨΗΣ ROUTE REQUEST... 62 2.5. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ZPR.... 66 2.5.1. INIT STATE... 74 2.5.2. WAIT STATE... 77 2.5.3. IARP_CREATE_LINK_STATUS_PACKET STATE... 78 2.5.4. PROCESS_PACKET STATE... 80 2.5.5. IARP_APPLICATION_PACKET STATE... 85 2.5.6. IARP_PROTOCOL_PACKET STATE... 88 11 από 161

2.6. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΥΛΟΠΟΙΗΘΕΝΤΟΣ ZRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ... 90 2.6.1. Περιγραφή μοντέλων, πλατφόρμας και χαρακτηριστικών προσομοίωσης... 91 2.6.2. Αποτελέσματα προσομοίωσης του υλοποιηθέντος ZRP.... 93 2.7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ... 99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ AZRP (ADAPTIVE ZONE ROUTING PROTOCOL)... 101 3.1. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ... 101 3.2. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ... 107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ AZRP ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΣΤΟ ΕΞΟΜΟΙΩΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ... 109 4.1. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ AZRP ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΤΗΝ ZRP ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ... 109 4.2. ΣΕΝΑΡΙΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ... 112 4.2.1. Σενάρια εξομοίωσης... 112 4.2.2. Αποτελέσματα... 113 4.2.2.1. Σενάριο στατικής κινητικότητας, χαμηλού φορτίου.... 113 4.2.2.2. Σενάριο χαμηλής κινητικότητας, χαμηλού φορτίου.... 116 4.2.2.3. Σενάριο υψηλής κινητικότητας, χαμηλού φορτίου.... 118 4.2.2.4. Σενάριο στατικής κινητικότητας, υψηλού φορτίου.... 121 4.2.2.5. Σενάριο χαμηλής κινητικότητας, υψηλού φορτίου.... 123 4.2.2.6. Σενάριο υψηλής κινητικότητας, υψηλού φορτίου.... 126 4.3. ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ ΤΟΥ AZRP... 128 4.4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ... 130 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ... 133 5.1. ΤΕΛΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 133 5.2. ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ... 136 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1... 141 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2... 156 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 3... 158 12 από 161

Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Αν και η βιομηχανία των υπολογιστών είναι νέα σε σύγκριση με άλλες βιομηχανίες (όπως η αυτοκινητοβιομηχανία και οι αερομεταφορές), οι υπολογιστές έχουν εξελιχθεί θεαματικά μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Κατά τη διάρκεια των δυο πρώτων δεκαετιών της ύπαρξής τους, τα υπολογιστικά συστήματα ήταν ιδιαιτέρως συγκεντρωμένα, συνήθως μέσα σε μια μεγάλη αίθουσα. Όχι σπανίως, η αίθουσα αυτή είχε γυάλινους τοίχους, μέσα από τους οποίους οι επισκέπτες μπορούσαν να θαυμάσουν το μεγάλο ηλεκτρονικό θαύμα. Μία εταιρία μεσαίου μεγέθους ή ένα πανεπιστήμιο μπορούσαν να έχουν ένα ή δυο υπολογιστές, ενώ τα μεγάλα ιδρύματα διέθεταν το πολύ μερικές δεκάδες. Η ιδέα ότι μέσα σε είκοσι χρόνια, θα παράγονταν μαζικά εκατομμύρια εξίσου ισχυροί υπολογιστές, μικρότεροι σε μέγεθος από γραμματόσημο, ήταν καθαρά επιστημονική φαντασία. Η σύγκλιση υπολογιστών και επικοινωνιών είχε σημαντική επίδραση στον τρόπο με τον οποίο οργανώνονται τα υπολογιστικά συστήματα. Η ιδέα του υπολογιστικού κέντρου, ως δωματίου με έναν μεγάλο υπολογιστή, όπου οι χρήστες φέρνουν τη δουλειά τους για επεξεργασία είναι πλέον εντελώς ξεπερασμένη. Το παλιό μοντέλο, ενός μοναδικού υπολογιστή που εξυπηρετεί όλες τις υπολογιστικές ανάγκες ενός οργανισμού, έχει αντικατασταθεί από εκείνο, όπου ένας μεγάλος αριθμός ξεχωριστών αλλά διασυνδεδεμένων υπολογιστών κάνουν τη δουλειά. Τα συστήματα αυτά αποκαλούνται δίκτυα υπολογιστών (computer networks). 1.1. Δίκτυα Υπολογιστών Με τον όρο δίκτυο υπολογιστών εννοούμε μία διασυνδεδεμένη συλλογή από αυτόνομους υπολογιστές. Δύο υπολογιστές αποκαλούνται διασυνδεδεμένοι αν είναι σε θέση να ανταλλάξουν πληροφορίες. Η σύνδεση δεν είναι κατ ανάγκη μέσω χάλκινου σύρματος, μπορεί ενναλακτικά να χρησιμοποιηθούν οπτικές ίνες, μικροκυματικές ζεύξεις ή και επικοινωνιακοί δορυφόροι. Με την απαίτηση οι υπολογιστές να είναι αυτόνομοι, επιθυμούμε να αποκλείσουμε από τον ορισμό μας συστήματα, στα οποία υπάρχει μια καθαρή σχέση κυρίου-εξαρτημένου (master-slave). Αν ένας υπολογιστής μπορεί να ξεκινήσει, να σταματήσει ή να ελέγξει έναν άλλο, οι υπολογιστές δεν είναι αυτόνομοι. Ένα σύστημα με μία κύρια μονάδα ελέγχου και πολλές εξαρτημένες δεν είναι δίκτυο, όπως δεν είναι δίκτυο ένας μεγάλος υπολογιστής με απομακρυσμένους εκτυπωτές και τερματικά. Τα πλεονεκτήματα που έχουμε από την υλοποίηση και χρήση δικτύων είναι : 13 από 161

Καταμερισμός των διαθεσίμων πόρων (resource sharing): Η δυνατότητα πρόσβασης και χρήσης όλων των μονάδων υλικού και λογισμικού, δεδομένων και γενικά του εξοπλισμού από όλους τους χρήστες του δικτύου. Υψηλή αξιοπιστία (high reliability): Η ύπαρξη αντιγράφων των προγραμμάτων και αρχείων σε περισσότερους από ένα σταθμούς, επιτρέπει τη συνέχιση της λειτουργίας ακόμα και σε περίπτωση βλάβης ενός απ' αυτούς. Εξοικονόμηση χρημάτων (money saving): Ο λόγος κόστους προς απόδοση είναι καλύτερος στους μικρότερους υπολογιστές, γεγονός που οδηγεί σε ανάπτυξη συστημάτων αποτελουμένων από πολλούς ισχυρούς προσωπικούς υπολογιστές (για ειδικές χρήσεις) όπου τα δεδομένα βρίσκονται σε έναν ή περισσότερους file servers. Επικοινωνίες πολλαπλών μέσων (multimedia communications): Μία από τις πρόσφατες κατευθύνσεις στη ανάπτυξη των δικτύων είναι η δυνατότητα ολοκλήρωσης και νέων υπηρεσιών (πέραν της μετάδοσης απλών δεδομένων), όπως φωνής και video. Μία τέτοια ολοκλήρωση θα οδηγήσει σε απλοποίηση της διαδικασίας διακίνησης των πληροφοριών και θα αυξήσει το εύρος των εφαρμογών που σχετίζονται με την παρουσίαση δεδομένων (κείμενο, σταθερή και κινούμενη εικόνα, ήχος, κλπ.). Εργοστασιακές/βιομηχανικές επικοινωνίες (factory/industrial communications): Είναι μια σχετικά πρόσφατη εφαρμογή των τοπικών δικτύων σε εργοστασιακό περιβάλλον, με σκοπό την ολοκλήρωση όλων των διαδικασιών ελέγχου και επεξεργασίας (Computer Integrated Manufacturing, CIM) μέσω της διασύνδεσης διαφορετικών υπολογιστικών συστημάτων ειδικού και γενικού σκοπού. Η εισαγωγή των δικτύων υπολογιστών γίνεται σε όλα τα επίπεδα της ιεραρχίας του εργοστασιακού περιβάλλοντος, από το επίπεδο παρακολούθησης και ελέγχου των αισθητήρων (sensors) και ενεργοποιητών (actuators) μέσω των προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών (PLCs), ως το επίπεδο διαχείρισης των υλικών, παραγγελιών, κλπ. Τα δίκτυα υπολογιστών ανάλογα με τη γεωγραφική έκταση στην οποία εκτείνονται χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: Α) Τα τοπικά δίκτυα (local area networks), συνήθως αποκαλούμενα LAN, είναι ιδιωτικά δίκτυα εκτεινόμενα εντός ενός μοναδικού κτιρίου ή σε εγκαταστάσεις ακτίνας μερικών χιλιομέτρων. Χρησιμοποιούνται ευρύτατα για να συνδέουν προσωπικούς υπολογιστές και σταθμούς εργασίας σε γραφεία εταιριών και εργοστάσια, με σκοπό την κοινή χρήση των μέσων αυτών (π.χ. των εκτυπωτών) και την ανταλλαγή πληροφοριών. Τα LAN είναι περιορισμένου μεγέθους, που σημαίνει ότι ο χρόνος μετάδοσης στη χειρότερη περίπτωση είναι φραγμένος και γνωστός εκ των προτέρων. Η 14 από 161

γνώση του ορίου αυτού επιτρέπει τη χρήση συγκεκριμένων τεχνικών που αλλιώς θα ήταν ανέφικτες ενώ παράλληλα απλοποιεί τη διαχείριση του δικτύου. Τα LAN χρησιμοποιούν συχνά μια τεχνολογία μετάδοσης που αποτελείται από ένα απλό καλώδιο, στο οποίο έχουν συνδεθεί όλες οι μηχανές, όπως στις ομαδικές γραμμές που κάποτε χρησιμοποιούσαν οι τηλεφωνικές εταιρίες στις αγροτικές περιοχές. Τα παραδοσιακά LAN που λειτουργούν σε ταχύτητες των 10 έως 100 Mbps, παρουσιάζουν χαμηλή καθυστέρηση (δεκάδες χιλιοστών του δευτερολέπτου) και εμφανίζουν πολύ λίγα λάθη. Τα νεώτερα LAN μπορούν να λειτουργήσουν σε ακόμα υψηλότερες ταχύτητες, έως και εκατοντάδες Mbps. Β) Ένα μητροπολιτικό δίκτυο (metropolitan area network) ή MAN, είναι βασικά μια μεγαλύτερη εκδοχή ενός LAN και συνήθως χρησιμοποιεί παρόμοια τεχνολογία. Μπορεί να καλύπτει ομάδα γειτονικών γραφείων μιας επιχείρησης ή μια πόλη και μπορεί να είναι είτε ιδιωτικό είτε δημόσιο. Το ΜΑΝ μπορεί να υποστηρίζει δεδομένα, φωνή και πιθανώς να σχετίζεται και με την καλωδιακή τηλεόραση. Το ΜΑΝ χρησιμοποιεί ένα ή δύο καλώδια και δεν διαθέτει στοιχεία μεταγωγής που να δρομολογούν τα πακέτα προς τη μία από τις πολλές διαφορετικές γραμμές εξόδου. Η απουσία μεταγωγής απλοποιεί τη σχεδίαση. Γ) Ένα δίκτυο ευρείας περιοχής (wide area network), ή αλλιώς WAN, καλύπτει μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή, συχνά μια χώρα ή μια ήπειρο. Περιλαμβάνει μια συλλογή από μηχανές που προορίζονται να τρέχουν εφαρμογές (προγράμματα) χρηστών. Ακολουθώντας την παράδοση ονομάζουμε αυτές τις μηχανές host. Στη βιβλιογραφία χρησιμοποιείται επίσης ο όρος ακραίο σύστημα (end system). Οι host συνδέονται μέσω του υποδικτύου επικοινωνίας (communication subnet) ή για συντομία του υποδικτύου (subnet). Έργο του υποδικτύου είναι να μεταφέρει μηνύματα από host σε host, όπως ακριβώς το τηλεφωνικό σύστημα μεταφέρει λέξεις από τον ομιλητή στον ακροατή. Διαχωρίζοντας τα καθαρά τηλεπικοινωνιακά θέματα του δικτύου (το υποδίκτυο) από τα θέματα των εφαρμογών (οι host), η συνολική σχεδίαση του δικτύου απλοποιείται πολύ. Υπάρχουν πολλά δίκτυα στον κόσμο, συχνά με διαφορετικό υλικό και λογισμικό. Αυτοί που έχουν συνδεθεί σε ένα δίκτυο συχνά θέλουν να επικοινωνήσουν με άλλους συνδεδεμένους σε ένα διαφορετικό δίκτυο. Η επιθυμία αυτή απαιτεί τη σύνδεση διαφορετικών και συχνά ασύμβατων δικτύων χρησιμοποιώντας μερικές φορές μηχανές, που αποκαλούνται πύλες (gateways), για τη διασύνδεση και την απαραίτητη μετάφραση, τόσο του υλικού όσο και του λογισμικού. Ένα σύνολο διασυνδεδεμένων δικτύων ονομάζεται διαδίκτυο (inter-network ή απλά internet). 1.2. Το Δικτυακό Μοντέλο Αναφοράς OSI-RM 15 από 161

Ένας από τους λόγους θέσπισης διεθνών προδιαγραφών για τη διασύνδεση επικοινωνιακών συστημάτων είναι η δημιουργία κανόνων συμβατότητας μεταξύ των προϊόντων διάφορων κατασκευαστών, έτσι ώστε να είναι δυνατή η μεταξύ τους επικοινωνία. Ο International Standards Organization (ISO), ο οποίος είναι ένας από τους οργανισμούς που ασχολείται με την τυποποίηση στην περιοχή των δικτύων, δημοσίευσε το 1983 ένα σχεδόν καθολικά αποδεκτό μοντέλο επτά επιπέδων, το OSI-RM (Open Systems Interconnection-Reference Model), που καθορίζει τα γενικά επίπεδα από τα οποία αποτελείται ένα δίκτυο. Ο όρος «ανοιχτό» εισάγει την έννοια της ανοιχτής επικοινωνίας μεταξύ οποιονδήποτε συστημάτων που πληρούν τα πρότυπα τα οποία ορίστηκαν από τον ISO. Το μοντέλο OSI-RM, η δομή του οποίου φαίνεται στην Εικόνα 1, αποτελείται από επτά επίπεδα (layers) και μπορεί να εφαρμοστεί τόσο στα τοπικά δίκτυα, όσο και στα δίκτυα μεγαλυτέρων αποστάσεων. Το σύνολο των λειτουργιών που είναι απαραίτητες για την επίτευξη της επικοινωνίας, χωρίζεται σε επίπεδα, καθένα από τα οποία είναι υπεύθυνο για ένα συγκεκριμένο υποσύνολο των λειτουργιών αυτών. Το κάθε επίπεδο παρέχει υπηρεσίες (services) στο αμέσως παραπάνω και χρησιμοποιεί τις υπηρεσίες του αμέσως κατώτερου επιπέδου. Έτσι δεν είναι απαραίτητο για τα υψηλότερα επίπεδα να έχουν λεπτομερή γνώση της λειτουργίας των παρακάτω επιπέδων. Το ΟSI-RM παρέχει τη δυνατότητα ανταλλαγής πληροφορίας μεταξύ ομότιμων (peer) επιπέδων σε απομακρυσμένους μεταξύ τους σταθμούς. Η πληροφορία που ένα επίπεδο επιθυμεί να στείλει σε κάποιο ομότιμο επίπεδο, δίνεται σαν πακέτο στο αμέσως παρακάτω επίπεδο του OSI-RM, με την γενική ορολογία που φαίνεται στο Σχ. 2. 16 από 161

Επικοινωνιακές peer-to-peer Εφαρμογές ΤΕΛΙΚΟΣ ΧΡΗΣΤΗΣ ΤΕΛΙΚΟΣ ΧΡΗΣΤΗΣ 7 6 5 4 3 2 1 Εφαρμογής Παρουσίασης Συνόδου Μεταφοράς ικτύου Σύνδεσης εδ. Φυσικό ιαχείριση ικτύου επικοινωνία μεταξύ ομότιμων επιπέδων Εφαρμογής Παρουσίασης Συνόδου Μεταφοράς ικτύου Σύνδεσης εδ. Φυσικό ιαχείριση ικτύου Επικοινωνιακό Κανάλι Εικόνα 1.Το OSI Μοντέλο Αναφοράς των επτά επιπέδων service REQUEST service INDICATION service REQUEST service INDICATION Layer N Protocol Entity PDU Protocol Data Unit Layer N Protocol Entity Εικόνα 2. Ορολογία πρωτοκόλλου κατά OSI-RM Το πρωτόκολλο κάθε επιπέδου χειρίζεται το πακέτο που λαμβάνει από το παραπάνω επίπεδο σαν ένα συρμό δεδομένων, για τη δομή του οποίου δεν ενδιαφέρεται. Έτσι, προσθέτει απλώς μία επικεφαλίδα (header) η οποία αφορά μόνο το ομότιμο επίπεδο στον απομακρυσμένο σταθμό και 17 από 161

στο οποίο θα αφαιρεθεί πριν το πακέτο περάσει στο παραπάνω επίπεδο. Ως εκ τούτου, υπάρχει μια νοητή οριζόντια επικοινωνία μεταξύ ομότιμων επιπέδων, ενώ στην ουσία τα πακέτα ακολουθούν κάθετη διαδρομή, από τα υψηλότερα επίπεδα προς τα χαμηλότερα στον αποστολέα και αντίστροφα στον παραλήπτη. Μόνο στο χαμηλότερο φυσικό επίπεδο υπάρχει φυσική σύνδεση μεταξύ των σταθμών που επικοινωνούν. 1.2.1. Παρουσίαση των Επιπέδων του OSI-RM 1.2.1.1. Φυσικό Επίπεδο (1ο) Το φυσικό επίπεδο (physical layer) ορίζει την κωδικοποίηση των δυαδικών ψηφίων που μεταδίδονται στο κανάλι, το είδος του καναλιού (π.χ. συνεστραμμένο ζεύγος καλωδίων, οπτικές ίνες, κ.λ.π.), τα επίπεδα τάσης που απαιτούνται για την παράσταση ενός λογικού "0" ή "1", την ανοχή σε θόρυβο, το είδος του συνδετήρα με τον οποίο συνδέεται το φυσικό κανάλι επικοινωνίας του δικτύου, κλπ. 1.2.1.2. Επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων (2ο) Το επίπεδο ζεύξης δεδομένων (data link layer) είναι υπεύθυνο για την εκτέλεση ενός πλήθους συγκεκριμένων λειτουργιών που περιλαμβάνουν την πλαισίωση των δεδομένων, την αναγνώριση της διεύθυνσης παραλήπτη και αποστολέα, την ανίχνευση και τη διαχείριση των σφαλμάτων μετάδοσης και τη ρύθμιση της ροής των πλαισίων (πακέτων) δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, το επίπεδο αυτό χωρίζεται σε δύο υπο-επίπεδα, α) το υπο-επίπεδο ελέγχου λογικής διασύνδεσης (Logical Link Control, LLC) που είναι υπεύθυνο για όλες τις υπηρεσίες προς το επόμενο επίπεδο δικτύου και β) το υπο-επίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσου (Medium Access Control, MAC). Το MΑC υπο-επίπεδο είναι εξαιρετικά σημαντικό, δεδομένου ότι υλοποιεί το πρωτόκολλο προσπέλασης των σταθμών (κόμβων) στο δίκτυο, εξασφαλίζοντας σημαντικά λειτουργικά χαρακτηριστικά, όπως π.χ. απόκριση σε πραγματικό χρόνο, αξιοπιστία κλπ. Ιδιαίτερα για τα βιομηχανικά δίκτυα, όπου χρησιμοποιείται συνήθως μια περιορισμένη δικτυακή αρχιτεκτονική τριών επιπέδων (φυσικό, ζεύξης δεδομένων και εφαρμογής), το MAC υπο-επίπεδο είναι κρίσιμης σημασίας για την εξασφάλιση τέτοιων επιθυμητών λειτουργικών χαρακτηριστικών. 1.2.1.3. Επίπεδο δικτύου (3ο) 18 από 161

Το επίπεδο δικτύου (network layer) είναι υπεύθυνο για την δρομολόγηση των πακέτων σε ένα σύνθετο δίκτυο, που αποτελείται από διασυνδεδεμένα υποδίκτυα. Επιτρέπει σε δύο συστήματα να συνδεθούν μέσω ενός ή περισσοτέρων υποδικτύων, παρέχοντας έτσι μία ομοιόμορφη, από-άκροσε-άκρο (end-to-end), υπηρεσία στο παραπάνω επίπεδο μεταφοράς. Η ύπαρξη του επιπέδου αυτού δεν είναι απαραίτητη όταν το δίκτυο αποτελείται μόνο από ένα υποδίκτυο. 1.2.1.4. Επίπεδο Μεταφοράς (4ο) Το επίπεδο μεταφοράς (transport layer) παρέχει στο παραπάνω επίπεδο μία αξιόπιστη μεταφορά μηνυμάτων. Συγκεκριμένα, οι λειτουργίες του περιλαμβάνουν έλεγχο λαθών, έλεγχο ροής και σωστή ταξινόμηση των πακέτων δεδομένων, καθώς επίσης και τη δυνατότητα ελέγχου της ταχύτητας ανταλλαγής των δεδομένων μεταξύ δυο ομότιμων διαδικασιών μεταφοράς. Το επίπεδο μεταφοράς αποτελεί το υψηλότερο από τα επίπεδα που οριοθετούν τις κύριες δικτυακές διαδικασίες (τα τέσσερα χαμηλότερα επίπεδα) και ουσιαστικά απομονώνει όλες τις λειτουργίες του δικτύου επικοινωνίας από τα επίπεδα που οριοθετούν τις διαδικασίες εφαρμογής, δηλαδή τα τρία υψηλότερα επίπεδα. Η ποικιλία των απαιτήσεων, όσον αφορά στην παρεχομένη από το δίκτυο ποιότητα υπηρεσίας (QoS), έχει οδηγήσει στην καθιέρωση πέντε διαφορετικών κατηγοριών (classes) πρωτοκόλλων μεταφοράς (0, 1, 2, 3 και 4): Class 0: δεν παρέχει διαδικασίες διόρθωσης λαθών. Class 1: παρέχει τη δυνατότητα διόρθωσης λαθών που οφείλονται σε αποσύνδεση ή βλάβη του δικτύου. Class 2: συνδυάζει τα χαρακτηριστικά της class 0 και επιπλέον παρέχει τη δυνατότητα πολύπλεξης. Class 3: συνδυάζει τα χαρακτηριστικά της class 1 και την πολύπλεξη της class 2. Class 4: παρέχει τις διαδικασίες της class 3 και έχει τη δυνατότητα ανίχνευσης λαθών από πακέτα που χάθηκαν ή έχουν διαταχθεί με λάθος τρόπο. 1.2.1.5. Επίπεδο Συνόδου (5ο) Το επίπεδο συνόδου (session layer) ασχολείται με τη διαχείριση του «διαλόγου» μεταξύ δύο διαδικασιών του έκτου επιπέδου. Συγκεκριμένα, πριν την έναρξη κάποιου διαλόγου, τα ομότιμα επίπεδα συνόδου ανταλλάσσουν πληροφορίες σχετικές με την κωδικοποίηση και την κρυπτογράφηση των δεδομένων, καθώς επίσης και το είδος της σύνδεσης (half-duplex, full-duplex). Ένα από τα σημαντικά χαρακτηριστικά του επιπέδου αυτού, για την εξασφάλιση της σωστής 19 από 161

μετάδοσης μεγάλου όγκου πληροφορίας, είναι η εισαγωγή σημείων ελέγχου (check-points). Τα σημεία αυτά εισάγονται περιοδικά μεταξύ των προς μετάδοση δεδομένων, έτσι ώστε να χρησιμοποιούνται ως σημείο αφετηρίας για την αναμετάδοση λανθασμένων μηνυμάτων και να αποφεύγονται με αυτόν τον τρόπο οι άσκοπες αναμεταδόσεις. 1.2.1.6. Επίπεδο Παρουσίασης (6ο) Σκοπός του επιπέδου παρουσίασης (presentation layer) είναι η εκτέλεση μιας σειράς μετασχηματισμών στα δεδομένα πριν αυτά περάσουν στο επίπεδο συνόδου και αντίστροφα. Τέτοιου είδους μετασχηματισμοί είναι η συμπίεση των δεδομένων, η κρυπτογράφηση και αποκρυπτογράφηση, και ό,τι άλλου τύπου μετασχηματισμός μπορεί να απαιτείται για την ερμηνεία των πληροφοριών που μεταδίδονται. Αυτό είναι απαραίτητο, ώστε να μπορεί να υπάρξει επικοινωνία μεταξύ συσκευών που χρησιμοποιούν διαφορετικούς κώδικες για την αναπαράσταση των χαρακτήρων που μεταδίδονται. Ουσιαστικά, το επίπεδο αυτό απομονώνει το επόμενο επίπεδο εφαρμογής από τον τρόπο αναπαράστασης των δεδομένων που μεταδίδονται στο δίκτυο. 1.2.1.7. Επίπεδο Εφαρμογής (7ο) Το τελευταίο επίπεδο, το επίπεδο εφαρμογής (application layer), στην ιεραρχία του OSI-RM είναι αρκετά πολύπλοκο, λόγω της μεγάλης πληθώρας δικτυακών εφαρμογών που πρέπει να υλοποιηθούν. Για να αποδεσμευτούν οι πραγματικές εφαρμογές από τη διαχείριση κοινών λειτουργιών (π.χ. εγκατάσταση και διακοπή σύνδεσης) έχει οριστεί μία ειδική διεπαφή (interface), το Common Application Service Element (CASE), που αναλαμβάνει τέτοιου είδους λειτουργίες. Οι βασικές λειτουργίες που έχουν προδιαγραφεί για το επίπεδο εφαρμογής είναι οι εξής: FTAM (File Transfer, Access, and Management). Επιτρέπει σε διαδικασίες που τρέχουν σε απομακρυσμένα μεταξύ τους συστήματα να μεταφέρουν και να διαχειρίζονται αρχεία. VT (Virtual Terminal). Οι υπηρεσίες που σχετίζονται με το VT πρωτόκολλο, επιτρέπουν την προσπέλαση σε τερματικά ανεξάρτητα από τον συγκεκριμένο τύπο του τερματικού. JTM (Job Transfer and Manipulation). Δίνει τη δυνατότητα της εκτέλεσης και του ελέγχου ενός προγράμματος από απομακρυσμένα σημεία. ΕM (Electronic Mail) ή MHS (Message Handling Services). Είναι μια ομάδα πρωτοκόλλων για τη διαχείριση του ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. MMS (Manufacturing Message Service). Παρέχει τη δυνατότητα σε ένα υπολογιστή ενός αυτοματοποιημένου εργοστασίου να ελέγχει τις λειτουργίες των διασυνδεδεμένων 20 από 161

προγραμματιζόμενων εργοστασιακών μηχανών, μέσω ενός αριθμού υπηρεσιών, όπως για παράδειγμα φόρτωμα προγραμμάτων στους κόμβους-μηχανές, επίβλεψη γεγονότων και έλεγχος διαδικασιών. 1.3. AD-HOC Ασύρματα Δίκτυα Οι κινητοί υπολογιστές, όπως οι φορητοί υπολογιστές (notebook computers) και οι προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί PDA (Personal Digital Assistants), αποτελούν τον πλέον γοργά αναπτυσσόμενο τομέα της βιομηχανίας υπολογιστών. Πολλοί από τους ιδιοκτήτες αυτών των υπολογιστών διαθέτουν στο γραφείο τους επιτραπέζιες μηχανές συνδεδεμένες σε LAN ή WAN και επιθυμούν να είναι συνδεδεμένοι με τη βάση τους ακόμα και όταν απουσιάζουν ή όταν βρίσκονται στο δρόμο. Εφόσον είναι αδύνατη η ενσύρματη σύνδεση μέσα σε αυτοκίνητα και αεροπλάνα, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για ασύρματα δίκτυα. Τα ασύρματα δίκτυα έχουν πολλές χρήσεις. Μία συνηθισμένη χρήση τους είναι το φορητό γραφείο. Συχνά, κάποιοι που βρίσκονται εν κινήσει θέλουν να χρησιμοποιήσουν τον φορητό τους ηλεκτρονικό εξοπλισμό για να πραγματοποιήσουν τηλεφωνικές κλήσεις, να στείλουν και να λάβουν fax, email, να προσπελάσουν απομακρυσμένα αρχεία και μηχανές κ.ο.κ.. Τα ασύρματα δίκτυα είναι πολύτιμα για στόλους οχημάτων και διαφόρων ειδών κινητές μονάδες, ώστε να είναι σε θέση να διατηρούν επαφή με τη βάση τους. Μια άλλη χρήση είναι για συνεργεία διάσωσης σε περιοχές που συνέβησαν καταστροφές (πυρκαγιές, πλημμύρες, σεισμοί, δυστυχήματα), καθιστώντας εφικτή την επικοινωνία μεταξύ των ομάδων. Τέλος τα ασύρματα δίκτυα είναι σημαντικά και για το στρατό. Σε γενικές γραμμές τα ασύρματα δίκτυα βρίσκουν εφαρμογή σε κάθε περίπτωση που είτε δεν υπάρχει καθόλου δικτυακή υποδομή, είτε αυτή έχει καταστραφεί. Αν και η ασύρματη δικτύωση και οι φορητοί υπολογιστές συχνά σχετίζονται, δεν πρέπει ωστόσο να ταυτίζονται. Υπάρχουν περιπτώσεις που οι φορητοί υπολογιστές είναι συνδεδεμένοι σε ενσύρματο δίκτυο, όπως για παράδειγμα ένας φορητός υπολογιστής συνδεδεμένος στην τηλεφωνική πρίζα ενός ξενοδοχείου, καθώς και περιπτώσεις που ένα ασύρματο δίκτυο αποτελείται από επιτραπέζιους υπολογιστές, π.χ. σε ένα παλιό κτίριο χωρίς δικτυακή καλωδίωση. Τα ασύρματα LAN είναι εύκολα στην εγκατάσταση (η εγκατάσταση ενός ασύρματου LAN ίσως να μην απαιτεί πολύ περισσότερα από την αγορά ενός μικρού κουτιού, με κάποια ηλεκτρονικά και την εγκατάσταση μερικών κεραιών) και κατ επέκταση φθηνά, έχουν ωστόσο, κάποια μειονεκτήματα. Συνήθως έχουν χωρητικότητα των 1-2 Mbps, που είναι πολύ χαμηλότερη αυτής των ενσύρματων LAN. Επίσης οι ρυθμοί λαθών είναι συχνά πολύ υψηλότεροι και οι μεταδόσεις από διαφορετικούς υπολογιστές μπορεί να παρεμβληθούν μεταξύ τους. 21 από 161

1.3.1. Ορισμός και χαρακτηριστικά ενός ad hoc δικτύου Τα ad hoc δίκτυα είναι αυτό-οργανούμενα, ασύρματα δίκτυα τα οποία αποτελούνται από κόμβους που κινούνται με τυχαίο τρόπο. Η δημιουργία και ανάπτυξη δικτύων αυτής της κατηγορίας δεν προϋποθέτει την ύπαρξη μιας σταθερής και προϋπάρχουσας υποδομής και δεν απαιτεί καμία διαδικασία προετοιμασίας ή εγκατάστασης. Τέτοια δίκτυα μπορούν να αντεπεξέλθουν σε δυναμικές, τυχαίες και μερικές φορές πολύ γρήγορα μεταβαλλόμενες τοπολογίες οι οποίες συνήθως αποτελούνται από μικρού εύρους ασύρματες συνδέσεις και από κόμβους των οποίων η λειτουργία χαρακτηρίζεται από αυστηρούς ενεργειακούς περιορισμούς. Εύκολα γίνεται αντιληπτό ότι σε αυτά τα δίκτυα λόγω της δυναμικής τους τοπολογίας και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους οι κόμβοι αποτελούν ταυτόχρονα και δρομολογητές (routers) και τερματικές διατάξεις (hosts). Κατά την μελέτη και σχεδίαση αλγορίθμων δρομολόγησης για τα ad hoc δίκτυα αυτό που πρέπει να λάβει κανείς σοβαρά υπόψη του είναι τα χαρακτηριστικά αυτών των δικτύων, δηλαδή : Το μέγεθος του δικτύου (ο αριθμός των κόμβων του δικτύου). Η συνδεσιμότητα του δικτύου (ο μέσος όρος του αριθμού των γειτονικών κόμβων ενός κόμβου) και ο ρυθμός εμφάνισης αποκομμένων υποδικτύων. Η κινητικότητα των κόμβων και η μορφή κίνησης τους. Χρειάζεται να καθορίζεται η εξάρτηση του πρωτοκόλλου από την κινητικότητα των κόμβων και σε ποιες περιπτώσεις επηρεάζεται η απόδοση του πρωτοκόλλου. Ο ρυθμός μεταβολής της τοπολογίας (η ταχύτητα με την οποία η τοπολογία ενός δικτύου μεταβάλλεται). Το εύρος ζώνης των συνδέσεων το οποίο συνήθως σε ασύρματα δίκτυα είναι αρκετά περιορισμένο. Η μορφή κίνησης των δεδομένων (το ποσοστό των μονοκατευθυντήριων συνδέσεων που υπάρχουν στην τοπολογία του δικτύου). Το ποσοστό και η συχνότητα εμφάνισης power-save κόμβων (κόμβοι οι οποίοι καταναλώνουν την ελάχιστη δυνατή ενέργεια για την λειτουργία τους όταν δεν έχουν δεδομένα να αποστείλουν). 1.3.2. Εφαρμογές των ad hoc δικτύων Μερικές περιπτώσεις χρήσης των τεχνολογιών των ad hoc δικτύων περιλαμβάνουν βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές που απαιτούν ασύρματη ανταλλαγή πληροφοριών και δεδομένων. Επιπλέον οι τεχνολογίες των ad hoc δικτύων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την 22 από 161

ανάπτυξη αξιόπιστης ασύρματης επικοινωνίας σε στρατιωτικές εφαρμογές. Όταν αυτές οι τεχνολογίες συνδυαστούν κατάλληλα με την παροχή πληροφοριών από δορυφόρους, μπορούν να αποτελέσουν έναν ελπιδοφόρο και ευέλικτο τρόπο για την δημιουργία ασύρματων επικοινωνιακών δικτύων, τα οποία θα βρίσκονται στην διάθεση των συνεργείων διάσωσης κατά την διάρκεια καταστροφικών φαινομένων (πυρκαγιές, σεισμοί, πλημμύρες). Τα ad hoc δίκτυα μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο και σε αεροδρόμια, σταθμούς τρένων, εμπορικά κέντρα, βιομηχανικά περιβάλλοντα, δημόσια ασύρματα δίκτυα για επικοινωνία, κινητή τηλεφωνία, τηλεματικές υπηρεσίες κλπ. Είναι προφανές ότι όσο θα βελτιώνεται η αξιοπιστία και η απόδοση αυτών των δικτύων, τόσο αυτά θα αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη αξία. 1.4. Αλγόριθμοι Δρομολόγησης Για Ad Hoc Δίκτυα 1.4.1. Ιδιαιτερότητες των ασύρματων δικτύων Τα ασύρματα δίκτυα έχουν πολλά χαρακτηριστικά που τα διαφοροποιούν σημαντικά από τα ευρέως ανεπτυγμένα ενσύρματα δίκτυα. Σε αυτό το σημείο είναι αναγκαίο να τονιστεί ότι πολλά από αυτά τα χαρακτηριστικά επιβάλλονται από τον ασύρματο τρόπο επικοινωνίας που χρησιμοποιείται στο φυσικό μέσο ενώ άλλα χαρακτηριστικά είναι απαραίτητα ώστε να είναι εφικτή η παροχή συγκεκριμένων υπηρεσιών. Ακολουθεί μία σύντομη παρουσίαση των βασικών χαρακτηριστικών των ασύρματων δικτύων : Δυναμικές Τοπολογίες: Οι κόμβοι είναι σε θέση να κινούνται με τυχαίο και ακανόνιστο τρόπο. Είναι φανερό λοιπόν, πως η τοπολογία του δικτύου μπορεί να μεταβάλλεται πολύ γρήγορα και με ακανόνιστο τρόπο οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Αξιοσημείωτο είναι επίσης και το γεγονός ότι είναι δυνατή η ύπαρξη τόσο μονοκατευθυντήριων όσο και δικατευθυντήριων συνδέσεων. Περιορισμένο Εύρος Ζώνης: Συγκριτικά με τις ενσύρματες συνδέσεις, οι ασύρματες έχουν σαφώς πιο περιορισμένο εύρος ζώνης. Την κατάσταση επιβαρύνουν διάφορα φαινόμενα που είναι αναπόφευκτα κατά την ασύρματη επικοινωνία, όπως για παράδειγμα η πολλαπλή πρόσβαση στο μέσο, ο αυξημένος θόρυβος, φαινόμενα εξασθένησης κλπ. Συνεπώς ο αριθμός των πακέτων που διακινούνται σε μία ασύρματη σύνδεση είναι σαφώς μικρότερος από τον μέγιστο ρυθμό μετάδοσης ενός εκπομπού. Περιορισμένη Ενέργεια Λειτουργίας: Σε ένα ασύρματο δίκτυο μερικοί ή όλοι οι κόμβοι του μπορεί να τροφοδοτούνται με την βοήθεια μπαταριών ή άλλων εξαντλήσιμων πηγών ενέργειας. Για αυτούς τους κόμβους είναι πολύ πιθανό το κριτήριο βελτιστοποίησης για τον 23 από 161

σχεδιασμό του συστήματος να είναι η εξοικονόμηση και η βέλτιστη διαχείριση των διαθέσιμων ενεργειακών πόρων. Αυξημένα Προβλήματα Ασφαλείας: Είναι αδιαμφισβήτητο γεγονός ότι τα ασύρματα δίκτυα έχουν μειωμένη ασφάλεια σε σχέση με τα ενσύρματα δίκτυα. Υπάρχει αυξημένη πιθανότητα παραβίασης της ασφάλειας που οφείλεται κατά κύριο λόγο στον ασύρματο τρόπο επικοινωνίας. Τέτοια ζητήματα πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη και να εφαρμοστούν οι κατάλληλες πολιτικές ασφαλείας ώστε το ασύρματο δίκτυο να είναι φορέας αξιοπιστίας. 1.4.2. Κριτήρια αξιολόγησης αλγορίθμων δρομολόγησης Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες κριτηρίων στις οποίες στηρίζεται η αξιολόγηση των αλγορίθμων δρομολόγησης που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε ασύρματα δίκτυα. Η πρώτη κατηγορία επιτρέπει μία ποιοτική ανάλυση και αξιολόγηση των ιδιοτήτων ενός πρωτοκόλλου, ενώ η δεύτερη καθιστά δυνατή την ποσοτική ανάλυση του πρωτοκόλλου με την βοήθεια μαθηματικοποιημένων μεγεθών. 1.4.2.1. Ποιοτικά κριτήρια αξιολόγησης Στην συνέχεια παρατίθεται μία λίστα με τις επιθυμητές ιδιότητες που είναι απαραίτητο να χαρακτηρίζουν έναν αλγόριθμο δρομολόγησης: Κατανεμημένη Λειτουργία: Παρόλο που αυτή η ιδιότητα θεωρείται συχνά αυτονόητη για την κατηγορία δικτύων που μελετάμε καλό είναι να επισημαίνεται. Απαλλαγή από βρόγχους (Loop-freedom): Γενικά είναι επιθυμητό να αποφεύγονται φαινόμενα που επιδρούν με ακανόνιστο τρόπο στην ομαλή λειτουργία του δικτύου όπως για παράδειγμα η περίπτωση ενός αριθμού πακέτων που διακινούνται στο δίκτυο για μεγάλα χρονικά διαστήματα (worst-case phenomena). Ορισμένες λύσεις περιορίζουν το πρόβλημα (π.χ. TTL: Time to Live) αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις αυτό δεν είναι αρκετό. Συνήθως απαιτείται μία κατάλληλα οργανωμένη και δομημένη προσέγγιση που αποσκοπεί στην επίλυση τέτοιων προβλημάτων, καθώς η κατάργηση τους οδηγεί σε καλύτερη συνολική απόδοση. Reactive Λειτουργία: Αντί να γίνεται η αυθαίρετη υπόθεση ότι η κίνηση μέσα σε ένα δίκτυο είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στον χρόνο, δίνουμε τη δυνατότητα και την ευθύνη στον αλγόριθμο δρομολόγησης να προσαρμόζει την λειτουργία του βασιζόμενος στην κίνηση και 24 από 161

τις τρέχουσες ανάγκες. Εάν αυτό υλοποιηθεί με έξυπνο τρόπο μπορεί να γίνει εφικτή μία καλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης και των διαθέσιμων ενεργειακών πόρων του δικτύου. Το τίμημα που πληρώνουμε σε αυτήν την περίπτωση είναι μία αύξηση στην συνολική καθυστέρηση των πακέτων καθώς η διαδρομή (route) που θα ακολουθηθεί κατά την δρομολόγηση των πακέτων δεν είναι γνωστή εκ των προτέρων και πρέπει να βρεθεί εκείνη τη χρονική στιγμή. Proactive Λειτουργία: Σε ορισμένες εφαρμογές η επιβάρυνση στην καθυστέρηση που προκαλεί η λειτουργία του αλγορίθμου δρομολόγησης δεν είναι αποδεκτή. Η proactive λειτουργία αποτελεί μία προσέγγιση που βρίσκεται στον αντίποδα της reactive λογικής. Πιο συγκεκριμένα οι σταθμοί διατηρούν διαδρομές για όλους τους πιθανούς σταθμούςπροορισμούς χωρίς να υπάρχει αναγκαστικά κάποιο πακέτο δεδομένων που πρέπει να αποσταλεί σε αυτούς τους προορισμούς. Για να το πετύχουν αυτό ανταλλάσσουν περιοδικά πληροφορίες ελέγχου οι οποίες καταναλώνουν ένα μέρος του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Εάν το διαθέσιμο εύρος ζώνης και η ενέργεια λειτουργίας δεν αποτελούν ανασταλτικό παράγοντα, η proactive προσέγγιση είναι η ζητούμενη λύση. Προσαρμοστικότητα στην κατάσταση του δικτύου: Τα περισσότερα πρωτόκολλα που έχουν σχεδιαστεί μέχρι σήμερα δεν λαμβάνουν καθόλου υπόψη τους τον δυναμικό και ακανόνιστο τρόπο με τον οποίο αλλάζει η κατάσταση οποιουδήποτε ad hoc δικτύου, εξαιτίας της κίνησης των κόμβων (mobility scenarios) ή του ρυθμού και τρόπου γέννησης των πακέτων (traffic patterns). Αναπόφευκτα λοιπόν, εμφανίζονται χρονικά διαστήματα χαμηλής απόδοσης κάθε πρωτοκόλλου που δεν χαρακτηρίζεται από προσαρμοστικότητα στην λειτουργία του (non-adaptive protocols). Αντίθετα, εάν το πρωτόκολλο έχει προσαρμοστικό χαρακτήρα είναι σε θέση να τροποποιήσει την συμπεριφορά του σύμφωνα με την κατάσταση του δικτύου ανά πάσα χρονική στιγμή. Ωστόσο, ο τρόπος με τον οποίο ένα πρωτόκολλο μπορεί να ανιχνεύσει την κατάσταση του δικτύου και να τροποποιήσει κατάλληλα τις παραμέτρους του με δυναμικό τρόπο αποτελεί ένα σοβαρό πρόβλημα και μία δύσκολη πρόκληση για κάθε σχεδιαστή. Αποθηκευμένες πληροφορίες: Όλα τα πρωτόκολλα, ακόμη και τα reactive, χρειάζεται να διατηρούν ορισμένους πίνακες με τις απαιτούμενες πληροφορίες ώστε να εξασφαλίζεται η ομαλή και αποδοτική λειτουργία του πρωτοκόλλου. Οι πίνακες αυτοί αποθηκεύονται στις μνήμες των κόμβων που συνιστούν το δίκτυο. Είναι προφανές ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος αυτών των πληροφοριών που αποθηκεύονται τόσο μεγαλύτερη είναι και η οικονομική 25 από 161

επιβάρυνση για την απόκτηση επιπρόσθετης μνήμης για κάθε κόμβο. Κατά την σχεδίαση ενός νέου πρωτοκόλλου χρειάζεται να ληφθεί και αυτός ο παράγοντας υπόψη Περίοδος ενημέρωσης των πληροφοριών (Update Period): Το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί μεταξύ των προγραμματισμένων ενημερώσεων των πληροφοριών που χρειάζεται ο αλγόριθμος δρομολόγησης για την ομαλή λειτουργία του είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε proactive πρωτόκολλα. Στην ουσία αυτή είναι και η πιο σημαντική παράμετρος που πρέπει να ρυθμιστεί με βέλτιστο τρόπο έτσι ώστε να μην προκαλείται υπερβολική επιβάρυνση του δικτύου λόγω πληροφοριών ελέγχου (τα πακέτα που χρησιμοποιεί ο αλγόριθμος για να εξασφαλίσει την σωστή λειτουργία του) και ταυτόχρονα να διατηρείται ένα σύνολο από έγκυρες και έγκαιρες πληροφορίες που εξασφαλίζει την άρτια λειτουργία του πρωτοκόλλου. Διάφορες επιπλέον ιδιότητες: Μερικές ενδιαφέρουσες ιδιότητες που πολύ συχνά απαιτούνται σε αλγορίθμους δρομολόγησης για ad hoc δίκτυα είναι η περιοδική sleep λειτουργία, η υποστήριξη μονοκατευθυντήριων συνδέσεων και η ύπαρξη κάποιας μορφής ασφάλειας στην ανταλλαγή πληροφοριών. 1.4.2.2. Ποσοτικά κριτήρια αξιολόγησης Στην συνέχεια παρατίθεται μία λίστα από ποσοτικά μεγέθη τα οποία χρησιμοποιούνται για να εκτιμηθεί η απόδοση ενός αλγορίθμου δρομολόγησης για ad hoc δίκτυα: Από-άκρο-σε-άκρο απόδοση και καθυστέρηση (end-to-end throughput and delay): Με την βοήθεια στατιστικών προσεγγίσεων και μεγεθών (μέσες τιμές, κατανομές, διακυμάνσεις, αποκλίσεις κλπ) είναι εφικτό να ποσοτικοποιηθούν παράμετροι όπως η καθυστέρηση και η από-άκρο-σε-άκρο απόδοση, οι οποίες είναι εξαιρετικά σημαντικές για την συνολική εκτίμηση της λειτουργίας ενός πρωτοκόλλου. Αυτά τα μεγέθη αποτελούν έναν «εξωτερικό» τρόπο εκτίμησης της λειτουργίας ενός αλγορίθμου δρομολόγησης. Χρόνος εύρεσης της Διαδρομής (Route Acquisition Time): Μια παράμετρος εκτίμησης της καθυστέρησης από-άκρο-σε-άκρο (παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε reactive αλγορίθμους δρομολόγησης) αποτελεί το χρονικό διάστημα που απαιτείται για την δημιουργία μιας διαδρομής όταν αυτή απαιτείται. Ποσοστό πακέτων που δεν παραδόθηκαν με την σωστή σειρά (Percentage Out-of-Order Delivery): Συνιστά έναν «εξωτερικό» τρόπο εκτίμησης της λειτουργίας ενός αλγορίθμου δρομολόγησης που λειτουργεί χωρίς σύνδεση (με ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε πρωτόκολλα του επιπέδου μεταφοράς π.χ. TCP που απαιτούν παράδοση των πακέτων με την σωστή σειρά ακόμη και αν το δίκτυο που υφίσταται είναι αναξιόπιστο) 26 από 161

Αποδοτικότητα (Efficiency): Συνιστά «εσωτερικό» τρόπο εκτίμησης της λειτουργίας ενός αλγορίθμου δρομολόγησης. Η αποδοτικότητα ενός πρωτοκόλλου είναι πιθανό να επιδρά ή να μην επιδρά άμεσα στην δρομολόγηση των δεδομένων (ωφέλιμες πληροφορίες) μέσα στο δίκτυο. Στην περίπτωση που οι πληροφορίες ελέγχου και τα δεδομένα μοιράζονται το ίδιο κανάλι και το εύρος ζώνης του καναλιού είναι περιορισμένο (όπως συμβαίνει στην περίπτωση των MANET δικτύων), η υπερβολική διακίνηση μηνυμάτων ελέγχου οδηγεί σε μεγάλη επιβάρυνση και μείωση της απόδοσης του δικτύου. 1.4.3. Κατηγορίες αλγορίθμων δρομολόγησης για ad hoc δίκτυα Η πρόκληση που προκύπτει από την προηγούμενη ανάλυση είναι η εύρεση ενός αλγορίθμου δρομολόγησης που να καλύπτει κατά το βέλτιστο τρόπο ένα σύνολο από τα προαναφερθέντα κριτήρια. Υπάρχει μια πληθώρα από χαρακτηριστικά και κριτήρια που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τον σχεδιασμό ενός αλγορίθμου δρομολόγησης. Η εύρεση ενός τέτοιου αλγορίθμου, λοιπόν, αποτελεί ένα πολύπλοκο και σύνθετο πρόβλημα το οποίο δεν μπορεί να επιλυθεί με μοναδικό τρόπο. Έχουν αναπτυχθεί δύο βασικοί τρόποι προσέγγισης για την σχεδίαση ενός αλγορίθμου δρομολόγησης για ad hoc δίκτυα, ο reactive και ο proactive. Τα proactive πρωτόκολλα ακολουθούν μια παρόμοια λογική με αυτήν που χρησιμοποιείται στα πρωτόκολλα δρομολόγησης για ενσύρματα δίκτυα. Αξιολογούν συνεχώς τις γνωστές διαδρομές και αναζητούν νέες, σε μία προσπάθεια να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν έναν όσο το δυνατό καλύτερα ενημερωμένο χάρτη της τοπολογίας του δικτύου (λέγεται και γράφος του δικτύου network graph). Με γνωστές τις διαδρομές εκ των προτέρων, τα proactive πρωτόκολλα (λέγονται και πρωτόκολλα οδηγούμενα από πίνακες table driven protocols) είναι σε θέση να προωθήσουν τα πακέτα αποτελεσματικά την στιγμή που φτάνουν στον κόμβο χωρίς καμία πρόσθετη καθυστέρηση. Ωστόσο απαιτείται μία συνεχής ανταλλαγή πακέτων ενημέρωσης (update packets) για να είναι σε θέση τα πρωτόκολλα αυτά να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν τον συνεχώς μεταβαλλόμενο γράφο του δικτύου (λόγω της κίνησης των κόμβων ή κόμβων που αντιμετωπίζουν προβλήματα στην λειτουργία τους και δεν μπορούν να προωθήσουν πακέτα). Είναι προφανές ότι αυτή η περιοδική ανταλλαγή πακέτων ενημέρωσης είναι πιθανό να καταναλώνει ένα μεγάλο μέρος του διαθέσιμου εύρους ζώνης, που ειδικά στα δίκτυα που εξετάζουμε είναι πολύ περιορισμένο. Το χειρότερο είναι ότι μεγάλο μέρος των πληροφοριών που διακινούνται περιοδικά μέσω των πακέτων ενημέρωσης συχνά παραμένει ανεκμετάλλευτο καθώς πολλές διαδρομές υφίστανται για πολύ μικρά χρονικά διαστήματα. Συνεπώς τα proactive πρωτόκολλα επιτρέπουν την χωρίς καθυστέρηση προώθηση πακέτων, αφού οι διαδρομές είναι γνωστές εκ των προτέρων, με τίμημα την κατανάλωση ενός μέρους του διαθέσιμου εύρους ζώνης για την δημιουργία και συνεχή ενημέρωση του γράφου του 27 από 161

δικτύου. Μερικά πρωτόκολλα που ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία είναι η οικογένεια των Distance-Vector πρωτοκόλλων (1.4.4.128), η οικογένεια των Link-State πρωτοκόλλων (1.4.4.4), το Wireless Routing Protocol (WRP) (1.4.4.2) και το Fisheye State Routing Protocol (FSR) (1.4.4.3). Σε αντίθεση με τα proactive πρωτόκολλα, τα reactive πρωτόκολλα προσδιορίζουν την κατάλληλη διαδρομή μόνο όταν κρίνεται αναγκαίο, δηλαδή την χρονική στιγμή που χρειάζεται να προωθηθεί ένα πακέτο σε κάποιο σταθμό-προορισμό. Σε αυτήν την περίπτωση και εφόσον δεν έχει βρεθεί κάποια διαδρομή προς τον προορισμό του πακέτου, ο κόμβος πλημμυρίζει (flooding) το δίκτυο με ένα πακέτο αναζήτησης διαδρομής (Route Request Packet RREQ packet) και δημιουργεί την διαδρομή με βάση την απόκριση που δέχεται από τους υπόλοιπους κόμβους. Το πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι δεν χρειάζεται συνεχής μετάδοση πακέτων ενημέρωσης με αποτέλεσμα να γίνεται βέλτιστη χρήση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Ωστόσο τα reactive πρωτόκολλα εισάγουν μία καθυστέρηση στην προώθηση των πακέτων καθώς η διαδρομή που θα ακολουθηθεί δεν είναι γνωστή εκ των προτέρων. Επιπρόσθετα η τεχνική πλημμυρίσματος του δικτύου με τα RREQ πακέτα μπορεί να δημιουργήσει μεγάλη επιβάρυνση στο διαθέσιμο εύρος ζώνης. Στην κατηγορία των reactive πρωτοκόλλων περιλαμβάνονται τα: Temporally Ordered Routing Algorithm (TORA) (1.4.5.1), Associativity Based Routing (ABR) (1.4.5.2), Ad hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV) (1.4.5.4) και Dynamic Source Routing (DSR)(1.4.5.3). Ο συνδυασμός των δύο παραπάνω ακραίων τρόπων επίλυσης του προβλήματος της δρομολόγησης οδήγησε στα υβριδικά (hybrid) πρωτόκολλα. Πρόκειται για μία ειδική κατηγορία πρωτοκόλλων που προσπαθούν να εκμεταλλευτούν τα πλεονεκτήματα και των δυο προηγούμενων ειδών αλγορίθμων χρησιμοποιώντας κατάλληλες υποθέσεις και τεχνικές. Είναι, λοιπόν, φυσικό η κατηγορία αυτή να παρουσιάζει αυξημένο ενδιαφέρον, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια. Από την κατηγορία των υβριδικών πρωτοκόλλων θα εξεταστούν στη συνέχεια δύο από τα πλέον γνωστά πρωτόκολλα, τα Landmark Routing Protocol (LANDMAR) (1.4.6.1) και Zone Routing Protocol (ZRP) (1.4.6.2). 1.4.4. Proactive αλγόριθμοι δρομολόγησης 1.4.4.1. Destination-Sequenced Distance-Vector (DSDV) Ο Destination-Sequenced Distance-Vector (DSDV) [21] αλγόριθμος μοιάζει με τους Distributed Bellman-Ford (DBF) αλγόριθμους. Στο DSDV πρωτόκολλο δρομολόγησης κάθε κόμβος διατηρεί έναν πίνακα δρομολόγησης, στον οποίο περιέχονται όλοι οι προορισμοί στους οποίους έχει πρόσβαση ο εν λόγω κόμβος, καθώς και ο αριθμός των ενδιάμεσων κόμβων για κάθε προορισμό. Κάθε κόμβος μεταδίδει περιοδικά τον πίνακα δρομολόγησής του, βοηθώντας τους γειτονικούς του 28 από 161

κόμβους να έχουν μια σύγχρονη άποψη για την κατάσταση του δικτύου. Ο DSDV λύνει το πρόβλημα της εμφάνισης βρόγχων (loops) που παρουσιάζει ο κλασσικός Distance Vector (DV), που χρησιμοποιείται σε ενσύρματα δίκτυα, επισυνάπτοντας αύξοντες αριθμούς (sequence numbers) στις καταχωρήσεις των διαδρομών. Κάθε κόμβος εκπέμπει περιοδικά έναν συνεχώς αυξανόμενο αριθμό μαζί με τις υπόλοιπες πληροφορίες ελέγχου. Οποιοσδήποτε κόμβος ανανεώνει μία καταχώρηση για μία διαδρομή, αυτόματα εκπέμπει έναν μεγαλύτερο αύξοντα αριθμό για αυτήν την διαδρομή. Ένας κόμβος τροποποιεί την καταχώρηση του για μια διαδρομή όταν ο κόμβος λάβει ένα πακέτο ελέγχου με μεγαλύτερο αύξοντα αριθμό για τη συγκεκριμένη διαδρομή ή όταν λάβει ένα πακέτο ελέγχου με τον ίδιο αύξοντα αριθμό, αλλά με μικρότερο αριθμό ενδιάμεσων κόμβων, ήτοι συντομότερη διαδρομή. Με την βοήθεια των πληροφοριών ελέγχου κάθε κόμβος φτιάχνει έναν εικονικό γράφο του δικτύου που είναι προσανατολισμένος ως προς τον προορισμό (virtual destination-based tree) και είναι πλέον σε θέση να δρομολογήσει επιτυχώς τα πακέτα. Για να αντεπεξέλθει στις συνεχείς αλλαγές της τοπολογίας του δικτύου ο DSDV χρησιμοποιεί τόσο περιοδικά όσο και διεγειρόμενα (triggered) πακέτα ενημέρωσης. Οι περιοδικές μεταδόσεις πακέτων ενημέρωσης περιλαμβάνουν το σύνολο των πληροφοριών του πίνακα δρομολόγησης και λαμβάνουν χώρα συνήθως μία φορά ανά 30-90 δευτερόλεπτα. Οι διεγειρόμενες μεταδόσεις πακέτων ενημέρωσης λαμβάνουν χώρα ανάμεσα στις περιοδικές μεταδόσεις, αν έχει μεταβληθεί ένα αρκετά μεγάλο σύνολο από καταχωρήσεις διαδρομών, ενώ συχνά περιλαμβάνουν μόνο τις πρόσφατα τροποποιημένες καταχωρήσεις. Ωστόσο, έχει αποδειχτεί στην πράξη πως η εκτεταμένη εφαρμογή του DSDV οδηγεί σε κακή απόδοση και υψηλή επιβάρυνση του διαθέσιμου εύρους ζώνης με πληροφορίες ελέγχου. Υπάρχουν προτάσεις για περαιτέρω βελτίωση του αρχικού αλγορίθμου, αλλά η απόδοση μιας πλήρους εφαρμογής του DSDV (λέμε πλήρους γιατί μπορεί να υπάρχει και περιορισμένη χρήση (scoped-use) του DSDV, όπως για παράδειγμα στο ZRP) σε δίκτυα που απαρτίζονται από σχετικά μεγάλο αριθμό κόμβων με υψηλή κινητικότητα, είναι αποθαρρυντική. Συνοψίζοντας, παρατίθεται μία συνοπτική λίστα με τα βασικά χαρακτηριστικά του Destination- Sequenced Distance-Vector (DSDV): Βασίζεται σε έναν distance-vector αλγόριθμο. Hop-by-hop δρομολόγηση. Παρέχει διαδρομές απαλλαγμένες από βρόγχους (loop-free routes). Με την βοήθεια αυξόντων αριθμών προλαμβάνει το πρόβλημα της αστάθειας στον πίνακα δρομολόγησης (count-to-infinity issue). 29 από 161