Δίκτυα ΙΙ Ενότητα: Πρωτόκολλα Πρόσβασης Μέσου Κωνσταντίνος Οικονόμου Τμήμα Πληροφορικής
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο«ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ιόνιο Πανεπιστήμιο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος«Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ενωση(Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Περιεχόμενα Αʹ Πρωτόκολλα Πρόσβασης Μέσου 1 Αʹ.1 ΠρωτοκολλαΑνταγωνισμου..... 1 Αʹ.1.1 MACA... 2 Αʹ.1.1.1 Ομηχανισμός /... 2 Αʹ.1.2 MACAW.... 4 Αʹ.1.3 MACA-BI... 4 Αʹ.1.4 BTMA... 5 Αʹ.1.5 DBTMA.... 5 Αʹ.1.6 RI-BTMA... 6 Αʹ.2 ΠρωτοκολλαΑναθεσης....... 6 Αʹ.2.1 Spatial TDMA... 7 Αʹ.2.2 FPRP.... 8 Βιβλιογραφία 10 ii
Κατάλογος Σχημάτων Αʹ.1 Απεικόνισηενόςδιαλόγου /μεεπιθυμητάαποτελέσματα..... 3 Αʹ.2 Απεικόνισηενόςδιαλόγου /μεμηεπιθυμητάαποτελέσματα..... 3 Αʹ.3 Παράδειγμαδικτύου 6κόμβωνμετοαντίστοιχοσύνολοκλικών.... 7 iii
Κατάλογος Πινάκων iv
Κεφάλαιο Αʹ Πρωτόκολλα Πρόσβασης Μέσου ΥΠΑΡΧΟΥΝ πολλές πολιτικές, πρωτόκολλα και αλγόριθμοι πρόσβασης μέσου που έχουν προταθεί κατά καιρούς. Σε γενικές γραμμές, οι προσεγγίσεις μπορούν να χωριστούνσεδύοομάδεςβάσειτουτρόπουχρονοδρομολόγησης 1 τωνμεταδόσεών τους. Η πρώτη ομάδα αφορά εκείνα τα πρωτόκολλα που προσπαθούν να προσπελάσουν τομέσομεμόνοκριτήριοτογεγονόςτηςύπαρξηςδεδομένωνπροςμετάδοση 2. Ταπρωτόκολλα της ομάδας αυτής μπορούν να ονομαστούν πρωτόκολλα ανταγωνισμού, αφού οι κόμβοι ουσιαστικά ανταγωνίζονται μεταξύ τους για να επιτύχουν πρόσβαση στο μέσο μετάδοσης. Η άλλη μεγάλη ομάδα πρωτοκόλλων αφορά εκείνα που μεταδίδουν σε προκαθορισμένες χρονικές στιγμές και τα οποία μπορούν να ονομαστούν πρωτόκολλα ανάθεσης. Αʹ.1 Πρωτόκολλα Ανταγωνισμού Η πρώτη κατηγορία αντιστοιχεί, ουσιαστικά, σε εκείνα τα πρωτόκολλα που επιτρέπουν στους χρήστες να ανταγωνιστούν με σκοπό τη μετάδοση, ενώ εσφαλμένες μεταδόσεις εξαιτίας συγκρούσεων 3 επιτρέπονται.τοιεεε802.11,[27],ασύρματοτοπικόδίκτυο,πουείναιβασισμένο στο CSMA/CA(Carier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), είναι ένα πολύ γνωστό παράδειγμα. 1 Αντιστοιχείστονόρο scheduling. 2 Πρόκειται,ουσιαστικά,γιαταλεγόμενα contention-basedπρωτόκολλα. 3 Αντιστοιχείστονόρο collision. 1
2 Κεφάλαιο Αʹ. Πρωτόκολλα Πρόσβασης Μέσου Αʹ.1.1 MACA Το MACA(Multiple Access with Collision Avoidance), [28], είναι ένα πρωτόκολλο που χρησιμοποιείτονμηχανισμόανίχνευσηςφέρουσας 4,αλλάαυτόαπόμόνοτουδενείναιαρκετό για να επιτευχθεί καλή απόδοση στα κατά περίπτωση δίκτυα αφού το πρόβλημα του κρυμμένουεκτεθειμένου κόμβου παραμένει. Για τον λόγο αυτό, το MACA χρησιμοποιεί επιπρόσθετα τον μηχανισμό χειραψίας /(Ready-To-Send/Clear-To-Send). Αυτός ο μηχανισμός έχει εισαχθεί κυρίως για να περιορίσει τις αρνητικές επιπτώσεις που προκαλούνται από το πρόβλημα του κρυμμένου και του εκτεθειμένου κόμβου, σημαντικού παράγοντα περιορισμού της απόδοσης των κατά περίπτωση δικτύων,[29]. Αʹ.1.1.1 Ο μηχανισμός / Ο μηχανισμός / προσπαθεί να επιλύσει το πρόβλημα που προκαλεί ο κρυμμένος και ο εκτεθειμένος κόμβος. Ουσιαστικά, ο μηχανισμός αυτός επιβάλλει σε έναν κόμβο χ που θέλει ναμεταδώσεισεένανκόμβοv,τηνεκπομπήενόςμηνύματοςπροςόλεςτιςκατευθύνσεις 5, δηλωτικότηςεπιθυμίαςτουγιαμετάδοσηπροςτονκόμβο v.τομήνυμααυτόθαληφθείαπό όλουςτουςγείτονεςκαθώςκαιαπότονκόμβο v.ανδενμεταδίδειήδηκάποιοςάλλοςκόμβος προςτονκόμβο v,τότεοτελευταίοςεπιστρέφειστονκόμβο χτο μήνυμα,πουδηλώνει πωςημετάδοση χ vμπορείπλέονναλάβειχώρα. Στηνπερίπτωσηαυτή,όλοιοιάλλοι κόμβοι που έχουν αντιληφθεί αυτή την εναλλαγή μηνυμάτων αποφεύγουν να μεταδώσουν. Αν κάποιος άλλος κόμβος, ο κόμβος u στο παράδειγμα του Σχήματος;;(α), μεταδίδει προς τον κόμβο v,τότεοκόμβος vδενθαλάβειποτέτο μήνυμακαισυνεπώςοκόμβος χδενθα λάβειποτέτο μήνυμακαιδενθααρχίσειναμεταδίδει. Ο ίδιος μηχανισμός αντιμετωπίζει και το πρόβλημα του εκτεθειμένου κόμβου. Αναφορικά με τοσχήμα;;(β),οκόμβος χθαστείλειέναμήνυμα πουθαληφθείαπότουςκόμβους v και ψ.οκόμβος vδενθαστείλειπίσωκαμίααπάντηση,αφούημετάδοσηδενπροορίζεταιγια αυτόν.οκόμβος ψθααπαντήσειμεένα μήνυμακαικατάσυνέπεια,ημετάδοση χ ψ θαμπορείναλάβειχώραταυτόχροναμετημετάδοση v u. Στο Σχήμα Αʹ.1 απεικονίζονται ενδεικτικά δύο σενάρια επιθυμητής λειτουργίας του μηχανισμού. Ειδικότερα, στο Σχήμα Αʹ.1.α κανένας κόμβος δεν μεταδίδει και προφανώς όταν ο κόμβος 2 δηλώνει την επιθυμία του για μετάδοση στον κόμβο 4 αυτό είναι επιτρεπτό. Στο ΣχήμαΑʹ.1.βοκόμβος 7ήδημεταδίδειδεδομέναπροςτονκόμβο 9. Αυτόσημαίνειπωςσε κάποιαπροηγούμενηστιγμήοκόμβος 4θαείχεαντιληφθείτο μήνυματουκόμβου7προς 4 Αντιστοιχείστονόρο carrier sense. 5 Πρόκειταιγιαένα broadcast μήνυμα.
Αʹ.1. Πρωτόκολλα Ανταγωνισμού 3 1 0 8 1 0 8 2 4 7 9 2 4 7 9 3 3 X 5 6 5 6 α. Η μετάδοση είναι εφικτή. β. Η μετάδοση δεν είναι εφικτή. Σχήμα Αʹ.1: Απεικόνιση ενός διαλόγου / με επιθυμητά αποτελέσματα. τον κόμβο 9, ενώ σίγουρα αντιλαμβάνεται τώρα(μέσω του μηχανισμού ανίχνευσης φέρουσας) τημετάδοσητωνδεδομένων.συνεπώς,ότανοκόμβος 2στείλειτο μήνυμαστονκόμβο 4, ο τελευταίος δεν πρόκειται ποτέ να απαντήσει με το αντίστοιχο. Αυτό επίσης είναι επιθυμητό μια που η μετάδοση 2 4 είναι καταδικασμένη να αποτυχαίνει όσο είναι παρούσα ημετάδοση 7 9. u u u u X X u u u u X X α. Σύγκρουση του με τα δεδομένα. β. Σύγκρουση δεδομένων. Σχήμα Αʹ.2: Απεικόνιση ενός διαλόγου / με μη επιθυμητά αποτελέσματα. Ομως, ο συγκεκριμένος μηχανισμός(ο οποίος σε διάφορες παραλλαγές του χρησιμοποιείται και από άλλα πρωτόκολλα πλην του MACA) δεν είναι άμοιρος κακών στιγμών. Υπάρχουν διάφορα σενάρια στα οποία οι μεταδόσεις καταλήγουν σε συγκρούσεις με προφανή δυσμενή
4 Κεφάλαιο Αʹ. Πρωτόκολλα Πρόσβασης Μέσου αποτελέσματα για τη ρυθμαπόδοση του συστήματος. Δύο απλές περιπτώσεις απεικονίζονται στο Σχήμα Αʹ.2. Ειδικότερα, στο Σχήμα Αʹ.2.α στη δεύτερη γραμμή υπάρχει σύγκρουση ενός και ενός γειτονικών κόμβων με αποτέλεσμα όταν θα προσπαθήσει ο τελευταίος να στείλει πάλι το να προκαλέσει σύγκρουση στα προς μετάδοση δεδομένα. Στο Σχήμα Αʹ.2.β πάλι στη δεύτερη γραμμή μία αντίθετης φοράς σύγκρουση(σε σχέση με την περίπτωση του Σχήματος Αʹ.2.α), οδηγεί τελικά σε ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων και συγκρούσεις των μεταδόσεων. Αʹ.1.2 MACAW Ενα πρωτόκολλο που βασίζεται στο MACA είναι το MACAW(MACA for Wireless),[30]. Ανάμεσα σε άλλες βελτιώσεις, το πρωτόκολλο υλοποιεί έναν μηχανισμό επιβεβαίωσης της μετάδοσης(acknowledgement), προκειμένου να διαπιστώνεται η σωστή μετάδοση των δεδομένων. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα ασύρματα περιβάλλοντα όπου η πιθανότητα να υπάρχει φθορά μιας μετάδοσης όχι μόνο εξαιτίας συγκρούσεων αλλά και λόγω της κατάστασης του καναλιού(π.χ., θόρυβος) δεν είναι καθόλου αμελητέα. Αʹ.1.3 MACA-BI Μια ακόμα διάσημη παραλλαγή της βασικής ιδέας του MACA είναι το MACA By Invitation (MACA-BI),[31]. Σε αυτή την παραλλαγή δεν δηλώνει ο κόμβος που θέλει να μεταδώσει δεδομένα την επιθυμία του αυτή(μέσω του γνωστού μηνύματος ) αλλά ο κόμβος που μπορεί να λάβει δεδομένα δηλώνει αυτή του δυνατότητα με τη χρήση ενός μηνύματος που ονομάζεται RTR (Ready-to-Receive). Ουσιαστικά το RTR αντιστοιχεί στο της προηγούμενης περίπτωσης του MACA. Με βάση το πρωτόκολλο αυτό κανένας κόμβος δεν μεταδίδει, εκτός και αν έχει λάβει πρόσκληση από κάποιον άλλο κόμβο. Σαφώς, ο δέκτης δεν μπορεί να γνωρίζει πως κάποιος άλλος κόμβος θέλει να μεταδώσει και το γεγονός αυτό αποτελεί ένα από τα μειονεκτήματα του πρωτοκόλλου. Για παράδειγμα, σε συνθήκες χαμηλού φορτίου κίνησης δεδομένων ενδέχεται να πλημμυρίζει το δίκτυο με RTR μηνύματα με προφανείς αρνητικές συνέπειες για τη μπαταρία των χρηστών. Θα πρέπει λοιπόν, ο κάθε κόμβος να καταβάλλει προσπάθειες αποτελεσματικής εκτίμησης της επιθυμίας των γειτονικών του κόμβων να μεταδώσουν. Ενας πρώτος τρόπος αντιμετώπισης του προβλήματος αφορά την ενημέρωση του κόμβου που παίζει τον ρόλο του δέκτη σχετικά με την επιθυμία προς μετάδοση(π.χ., το μέγεθος της ουράς) του πομπού μέσα στα δεδομένα ήδη μεταδίδονται στο δίκτυο. Η απόδοση συνολικά του πρωτοκόλλου, όμως,θαεξαρτάταιαπότηνεκτίμησηαυτήκαιπρόκειταιτελικάγιαέναπολύλεπτόκαιίσως
Αʹ.1. Πρωτόκολλα Ανταγωνισμού 5 αμφιλεγόμενο σημείο. Αʹ.1.4 BTMA Μέχρι στιγμής, τα πρωτόκολλα που παρουσιάστηκαν χρησιμοποιούν ένα μόνο κανάλι ή διαφορετικά, όλο το εύρος ζώνης που τους έχει διατεθεί. Το πρωτόκολλο Busy Tone Multiple Access (BTMA),[29], εισάγει την έννοια των δύο καναλιών: δηλαδή το διαθέσιμο εύρος ζώνης ουσιαστικά διαιρείται στο πεδίο της συχνότητας σε δύο διαφορετικές περιοχές με προφύλαξη(guard period) ώστε να μην υπάρχουν παρεμβολές ανάμεσα στις ταυτόχρονες μεταδόσεις (μεταδόσεις που γίνονται την ίδια στιγμή αλλά σε διαφορετικές συχνότητες). Το κύριο κανάλι δεδομένων χρησιμοποιείται για τη μετάδοση πακέτων δεδομένων και καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Το κανάλι ελέγχου χρησιμοποιείται για τη μετάδοση ενός ειδικού τόνου απασχόλησης(του busy-tone signal) το οποίο σηματοδοτεί τη χρήση του καναλιού δεδομένων από κάποιο άλλο κόμβο. Σημειώνεται πως οι τόνοι απασχόλησης είναι σήματα που δεν απαιτούν μεγάλο εύρος ζώνης για να μεταδοθούν και ως εκ τούτου το κανάλι ελέγχου είναι καταλαμβάνει ένα μικρό μέρος του διαθέσιμου εύρους ζώνης σεσχέσημετοκανάλιτωνδεδομένων. Η βασική ιδέα του πρωτοκόλλου είναι κάθε κόμβος που αντιλαμβάνεται πως υπάρχουν υπάρχει δραστηριότητα στο κανάλι των δεδομένων να ξεκινάει άμεσα να μεταδίδει τον τόνο απασχόλησης. Αυτό λαμβάνει χώρα συνεχώς μέχρι το κανάλι των δεδομένων να γίνει πάλι ανενεργό. Οταν, λοιπόν, υπάρχει ένα πακέτο προς μετάδοση σε έναν κόμβο, τότε η πηγή δεδομένων ανιχνεύει(αν υπάρχει) τον τόνο απασχόλησης. Εάν δεν ανιχνευτεί ο τόνος(δηλαδή το κανάλι των δεδομένων είναι ελεύθερο προς χρήση) τότε ο κόμβος είναι ελεύθερος να αρχίσει να μεταδίδει. Αν, όμως, ανιχνευτεί ο τόνος, αυτό σημαίνει πως το κανάλι των δεδομένων ήδη χρησιμοποιείται και ο κόμβος περιμένει να ξαναπροσπαθήσει κάποια στιγμή στο μέλλον. Το BTMA καταφέρνει να αποθαρρύνει όλους τους κόμβους που βρίσκονται 3 άλματα μακριά από τον κόμβο που μεταδίδει να χρησιμοποιήσουν το κανάλι των δεδομένων. Με τον τρόπο αυτό μειώνονται σημαντικά οι παρεμβολές από τους κρυμμένους κόμβους και συνεπώς μειώνεται και η πιθανότητα φθοράς των μεταδόσεων εξαιτίας συγκρούσεων. Το μειονέκτημα είναι δεν περιορίζεται το πρόβλημα του εκτεθειμένου κόμβου με αποτέλεσμα να μην γίνεται τελικά καλή χρήση του καναλιού των δεδομένων. Αʹ.1.5 DBTMA Μια βελτίωση του BTMA, το Dual BTMA (DBTMA),[32], προτείνει την εισαγωγή του μηχανισμού / ο οποίος θα λαμβάνει χώρα εξ ολοκλήρου στο κανάλι ελέγχου. Με
6 Κεφάλαιο Αʹ. Πρωτόκολλα Πρόσβασης Μέσου τον τρόπο αυτό θα γίνεται εκμετάλλευση του γεγονότος πως τα μηνύματα και, αν και σαφώς απαιτούν μεγαλύτερο εύρος ζώνης από τον τόνο απασχόλησης του BTMA, εξακολουθούν να έχουν μικρότερες απαιτήσεις από ένα κανάλι δεδομένων. Αʹ.1.6 RI-BTMA Μία άλλα παραλλαγή του BTMA, το Receiver Initiated BTMA (RI-BTMA),[33], στοχεύει στη μείωση του αριθμού των εκτεθειμένων κόμβων με το να επιτρέπει μόνο στους δέκτες των μεταδόσεων να μεταδίδουν τον τόνο απασχόλησης. Στο πρωτόκολλο αυτό ο κάθε κόμβος αντί να μεταδώσει έναν τόνο απασχόλησης, μόλις αντιληφθεί να γίνεται χρήση του καναλιού των δεδομένων, περιμένει να δει αν είναι ο ίδιος ο προορισμός των δεδομένων προς μετάδοση και τότε μεταδίδει τον τόνο απασχόλησης. Ενα σημαντικό μειονέκτημα, όμως, αφορά το γεγονός πως εισάγεται σημαντική καθυστέρηση μέχρι τελικά να διαπιστωθεί ο προορισμός του πακέτου, ειδικότερα σε περιβάλλοντα με πολλές παρεμβολών και θόρυβο. Επίσης, η πρώτη μετάδοση μπορεί πάντα να συγκρουστεί με κάποια άλλη και να φθαρεί οπότε δεν ωφελείται. Αʹ.2 Πρωτόκολλα Ανάθεσης Η δεύτερη ομάδα πρωτοκόλλων, ουσιαστικά αναφέρεται σε πρωτόκολλα βασισμένα σε TDMA (Time Division Multiple Access) που είναι πρωτόκολλα πρόσβασης σε διακριτές χρονικές στιγμές. Στασυστήματαπουβασίζονταισε TDMA 6,οχρόνοςχωρίζεταισεμικρέςίσες διακριτέςχρονικέςπεριόδους,οιοποίεςονομάζονταιχρονοθυρίδες 7. Εναςπροκαθορισμός αριθμόςχρονοθυρίδων,συμβολιζόμενοςμεl,αποτελείέναπλαίσιο 8.Στησυνέχειαθαυπάρχει η παραδοχή πως το χρονικό διάστημα που αντιστοιχεί σε μια χρονοθυρίδα είναι αρκετό για να πραγματοποιηθεί μία και μόνη μετάδοση από έναν κόμβο σε έναν άλλο και η οποία περιλαμβάνει ένα πακέτο δεδομένων. Αν πρόκειται για επιτυχημένη μετάδοση τότε το πακέτο δεδομένων θα ληφθεί σωστά από τον προορισμό και αντίστροφα. Σε ένα τέτοιο TDMA περιβάλλον, τα αντίστοιχα πρωτόκολλα πρόσβασης μέσου λειτουργούν με τη λογική της ανάθεσης σε κάθε κόμβο συγκεκριμένων χρονοθυρίδων προς μετάδοση. Το σύνολο των χρονοθυρίδων στις οποίες ο κόμβος έχει το δικαίωμα να χρονοδρομολογήσει τις μεταδόσεις του αποτελεί τη χρονοδρομολόγηση του κόμβου. 6 Αξίζει νασημειωθείπωςένασοβαρόπρόβλημασεαυτάταπεριβάλλονταείναιοσυγχρονισμόςτων κόμβων ή διαφορετικά, η ύπαρξη κοινού ρολογιού στους κόμβους. 7 Αντιστοιχείστονόρο time slot. 8 Αντιστοιχείστονόρο frame.
Αʹ.2. Πρωτόκολλα Ανάθεσης 7 Αʹ.2.1 Spatial TDMA Πιο συγκεκριμένα, το S-TDMA πρωτόκολλο, που προτάθηκε από τους Kleinrock και Nelson,[34],είναιικανόναχρονοδρομολογήσειτιςμεταδόσειςχωρίςσυγκρούσεις 9 μετονα εκμεταλλεύεται μη αλληλοεπηρεαζόμενες μεταδόσεις στο δίκτυο. Με βάση το πρωτόκολλο, αυτό θεωρείται πως το δίκτυο αντιστοιχεί σε έναν κατευθυνόμενο γράφο(κάθε πλευρά έχει συγκεκριμένη κατεύθυνση). Στον γράφο αυτό αναζητούμε το σύνολοτωνκλίκων C = {C 1,C 2,...,C k }. Κάθεκλίκαπεριέχειένασύνολοαπόπλευρέςτου δικτύου έτσι ώστε σε περίπτωση μετάδοσης σε μια πλευρά του δικτύου να μην επηρεάζονται οι μεταδόσεις που αντιστοιχούν στις πλευρές της ίδιας κλίκας. Πρέπει, επίσης, κάθε πλευρά του δικτύου να έχει συμπεριληφθεί σε τουλάχιστον μία κλίκα. Το γεγονός πως μία πλευρά μπορεί να ανήκει σε περισσότερες της μιας κλίκας αρκεί να ικανοποιούνται οι παραπάνω συνθήκες δεν πρέπει να ξενίζει. Τέλος, ένας αριθμός χρονοθυρίδων ανατίθεται σε κάθε κλίκα ο οποίος διαμοιράζεται σε κάθε πλευρά που ανήκει στην κλίκα αυτή. Ενα απλό παράδειγμα παρουσιάζεται στο Σχήμα Αʹ.3. Αξίζει να αναφερθεί η παρατήρηση πως όλες οι πλευρές που ανήκουν σε μια κλίκα μπορούν να ενεργοποιηθούν με μεταδόσεις δίχως να υπάρξει κάποιο πρόβλημα συγκρούσεων. C={C 1, C 2, C 3, C 4, C 5, C 6 } C 1 ={1,6,10} C 2 ={2,5,9} C 3 ={3,9} C 4 ={4,10} C 5 ={5,7} C 6 ={6,8} (10) 6 (9) 5 (7) (8) 1 (1) (2) 2 (4) (3) 3 (5) (6) 4 Σχήμα Αʹ.3: Παράδειγμα δικτύου 6 κόμβων με το αντίστοιχο σύνολο κλικών. Το πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι πως δεν υπάρχουν συγκρούσεις. Ομως, παραμένει σοβαρό πρόβλημα το γεγονός πως ο υπολογισμός των κλίκων είναι χρονοβόρος και πρέπει να 9 Αντιστοιχείστονόρο collision-free scheduling.
8 Κεφάλαιο Αʹ. Πρωτόκολλα Πρόσβασης Μέσου λαμβάνει χώρα κάθε φορά που αλλάζει η τοπολογία του δικτύου, γεγονός ασύμφορα για τα κατά περίπτωση δίκτυα. Αʹ.2.2 FPRP Το Five Phase Reservation Protocol (FPRP),[35], χρησιμοποιεί μία περίπλοκη δομή πλαισίου προκειμένου μέσα από μία ανταλλαγή μηνυμάτων, που θυμίζουν έντονα τον μηχανισμό χειραψίας /, να καταφέρει να κάνει κρατήσεις χρονοθυρίδων για ένα αριθμό επερχόμενων πλαισίων(δηλαδή ο αλγόριθμος εκτελείται στην αρχή ενός συνόλου πλαισίων και καθορίζει τις κρατήσεις για αυτό το σύνολο πλαισίων). Ουσιαστικά, ο μηχανισμός χειραψίας εκτελείται για κάθε μία χρονοθυρίδα ενός πλαισίου ενώ η όποια κράτηση διατηρείται ως έχει για τη συγκεκριμένη χρονοθυρίδα. Αναφορικά με τη δομή του πλαισίου, αυτή αποτελείται από δύο διαφορετικούς τύπους υποπλαισίων που ονομάζονται πλαίσια κράτησης(reservation frames) και πλαίσια πληροφορίας (information frames). Ενα πλαίσιο κράτησης προηγείται k πλαισίων πληροφορίας ενώ αποτελείται από l χρονοθυρίδες κράτησης οι οποίες αντιστοιχούν σε l χρονοθυρίδες πληροφορίας για κάθε πλαίσιο πληροφορίας. Αν ένας κόμβος θέλει να κάνει κράτηση για μια συγκεκριμένη χρονοθυρίδα πληροφορίας, ανταγωνίζεται κατά τη διάρκεια της αντίστοιχης χρονοθυρίδας κράτησης. Στο τέλος τους πλαισίου κράτησης, είναι πλέον έτοιμη η χρονοδρομολόγηση για κάθε κόμβο και η οποία τηρείται για τα επόμενα k πλαίσια πληροφορίας. Μετά το πέρας των k πλαισίων πληροφορίας, η χρονοδρομολόγηση δημιουργείται πάλι στο επόμενο πλαίσιο κράτησης. Προκειμένου να λάβει χώρα ο ανταγωνισμός κάθε χρονοθυρίδα κράτησης αποτελείται από m κύκλους κράτησης κατά τη διάρκεια των οποίων εφαρμόζεται ένα σύστημα ανταλλαγής μηνυμάτων 5 φάσεων. Η κράτηση γίνεται στις τέσσερις πρώτες φάσεις ενώ η πέμπτη χρησιμοποιείται κυρίως για βελτιστοποίηση της απόδοσης: 1.Οκόμβοςπουθέλεινακάνειμιακράτησηστέλνειμίααίτησηχρησιμοποιώνταςτο p- persistent ALOHA 2. Ενημερώνεται από τους γειτονικούς του κόμβους για τη σχετική τους κατάσταση 3. Εφόσον δεν υπήρξε κάποια σύγκρουση ή κίνδυνος σύγκρουσης γίνεται η κράτηση 4. Ολοι οι κόμβοι που βρίσκονται σε απόσταση δύο αλμάτων από την πηγή ενημερώνονται για την κράτηση αυτή
Αʹ.2. Πρωτόκολλα Ανάθεσης 9 Σημειώνεται πως όλοι οι κόμβοι σέβονται την κράτηση των άλλων κόμβων, ενώ σε περίπτωση αποτυχημένης κράτησης γίνεται προσπάθεια να γίνει πάλι κράτηση μετά από έναν τυχαίο χρονικό διάστημα. Συμπερασματικά, το FPRP καταφέρνει να χρονοδρομολογήσει μεταδόσεις δίχως τον κίνδυνο συγκρούσεων αλλά το βασικό του μειονέκτημα είναι πως εισάγει επιπλέον φόρτο(overhead) στο σύστημα. Ειδικότερα, κάθε κύκλος κράτησης απαιτεί έναν αριθμό από εναλλαγές του υλικού(hardware switches) ανάμεσα στην κατάσταση μετάδοσης και λήψης. Επίσης, κάθε κύκλος ανταγωνισμού πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος ώστε να περιλαμβάνει το προς μετάδοση σήμα, την καθυστέρηση μετάδοσης(propagation delay) και τις χρονικές απαιτήσεις του φυσικού επιπέδου(π.χ., guard time, synchronization). Ολα τα παραπάνω θα πρέπει να λάβουν χώραγιατις mφάσειςκράτησηςγιαόλεςτις lχρονοθυρίδεςκράτησηςενώητάξημεγέθους m lδενμπορείνααγνοηθεί.επίσης,οκαθορισμόςτωνπαραμέτρων k, l, mπροκύπτειμέσα από προσομοιώσεις και τελικά, το πρωτόκολλο δεν αναπροσαρμόζεται άμεσα σε δυναμικά περιβάλλοντα, το οποίο είναι ένα σημαντικό μειονέκτημα στα κατά περίπτωση δίκτυα.
Βιβλιογραφία [1] K. Oikonomou, N. B. Pronios, Ad-Hoc Networking: A Unified Evaluation Framework, IST Mobile & Communications Summit 2003, Aveiro- Portugal, 15-18 June 2003. [2] Hend Koubaa, Reflections on Smart Antennas for MAC Protocols in Multihop Ad Hoc Networks, European Wireless 2002, February 25-28, 2002, Florence, Italy. [3] T. Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall; 2nd edition, December 31, 2001. [AAhmad-2005] Aftab Ahmad, Wireless and Mobile Networks, John Wiley & Sons Inc., 2005. [Murthy-2004] C. Siva Ram Murthy, and B. S. Manoj, Ad Hoc Wireless Networks, Architectures and Protocols Prentice Hall PRT, Pearson Education Inc., 2004. [TRappaport-2002] Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, Principles and Practice, 2nd Edition, Prentice Hall Inc., 2002. [4] N. Pronios, Performance considerations for slotted spread-spectrum random access networks with directional antennas, in Proc. of IEEE GLOBECOM 89, Nov. 1989. [5] Y.B. Ko, V. Shankarkumar, and N.H. Vaidya, Medium access control protocols using directional antennas in ad hoc networks, in Proceedings of IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM), volume 1(3), pages 13 21, Tel Aviv, Israel, Mar. 26 30 2000. [6] J. Ward and R. T. Compton, Improving the Performance of Slotted ALOHA Packet Radio Network with an Adaptive Array, IEEE Transactions on Communications, 40(2):292 300, February 1992. 10
Βιβλιογραφία 11 [7] R. T. Compton, Jr. and J. Ward, High throughput slotted ALOHA packet radio networks with adaptive arrays, IEEE Trans. Comm., vol. 41, no. 3, pp. 460-470, March 1993. [8] R. Wattenhofer, L. Li, P. Bahl, and Y. M. Wang, Distributed topology control for power efficient operation in multihop wireless ad hoc networks, in Proc. IEEE Infocom, 2001. [9] M. Kubisch, H. Karl, A. Wolisz, L. C. Zhong and J. Rabaey, Distributed Algorithms for Transmission Power Control in Wireless Sensor Networks, in WCNC 2003, New Orleans, LA, March 2003. [10] J. Monks, V. Bharghavan, and W. W. Hwu, Transmission power control for multiple access wireless packet networks, in Proceedings of The 25th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks (LCN 2000), Tampa, FL, November 2000. [11] S. Narayanaswamy, V. Kawadia, R. S. Sreenivas, and P. R. Kumar, Power control in ad-hoc networks: Theory, architecture, algorithm and implementation of the COMPOW protocol, in Proceedings of European Wireless Conference, 2002. [12] J. P. Monks, J.-P. Ebert, A. Wolisz, and W. mei W. Hwu, A study of the energy saving and capacity improvement potential of power control in multi-hop wireless networks, in Workshop on Wireless Local Networks, Tampa, Florida, USA, also Conf. of Local Computer Networks (LCN), Nov. 2001. [13] R. Zheng and R. Kravets, On-demand power management for ad hoc network, IEEE Infocom 2003, San Franciso, CA, USA, March 30 - April 3, 2003. [14] R. Kravets and P. Krishnan, Power management techniques for mobile communication, in Proc. ACM Mobicom 99, pages 24 35, 1999. [15] W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks, in INFOCOM 2002, New York, June 23-27, 2003. [16] S. Singh and C. S. Raghavendra, PAMAS: Power Aware Multi-Access protocol with Signalling for Ad Hoc Networks, (to appear) ACM Computer Communications Review, 1999. [17] U. Kozat, I. Koutsopoulos and L. Tassiulas, A Framework for Cross-layer Design of Energy-efficient Communication with QoS Provisioning in Multi-hop Wireless Networks,
12 Βιβλιογραφία [18] R. Albert and A.-L. Barabási, Statistical mechanics of complex networks, Rev. Mod. Phys., in press. [19] R. Albert, H. Jeong and A.-L. Barabási, 1999, Nature (London), 401, 130. [20] M. Faloutsos, P. Faloutsos and C. Faloutsos, Computer Communications Review, 29, 251. [21] B. Bollobas, 1981, Discrete Math. 33. 1. [22] D. J. Watts and S. H. Strogatz, 1998, Nature (London), 393, 440. [23] A.-L Barabási and R. Albert, 1999, Science 286, 509. [24] R. Krishnan and J.P.G. Sterbenz, An Evaluation of the TSMA Protocol as a Control Channel Mechanism in MMWN, Technical report, BBN Technical Memorandum No. 1279, 2000. [25] Dimitri Bertsekas and Robert Gallager, networks, 2nd edition, Prentice-Hall, Inc., 1992. [26] G. Wang and N. Ansari, Optimal Broadcast Scheduling in Packet Radio Networks Using Mean Field Annealing, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, VOL. 15, NO. 2, pp 250-260, February 1997. [27] IEEE 802.11, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, Nov. 1997. Draft Supplement to Standard IEEE 802.11, IEEE, New York, January 1999. [28] P. Karn, MACA- A new channel access method for packet radio, in ARRL/CRRL Amateur Radio 9th Computer Networking Conference, pp. 134-140, 1990. [29] F. A. Tobagi and L. Kleinrock, Packet Switching in Radio ChannelsQ Part II - the Hidden Terminal Problem in Carrier Sense Multiple Access Modes and the Busy-Tone Solution, IEEE Transactions on Communications, Vol. 23, pp. 1417-1433, 1975. [30] V. Bharghavan, A. Demers, S. Shenker, and L. Zhang, MACAW: A Media Access Protocol for Wireless LAN s, Proceedings of ACM SIGCOMM 94, pp. 212-225, 1994. [31] F. Talucci, M. Gerla and L. Fratta, MACA-BI (MACA By Invitation): A Receiver- Oriented Access Protocol for Wireless Multihop Networks, PIMRC 97, the 8th IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Communications, Vol. 2, 1997, pp. 435-39.
Βιβλιογραφία 13 [32] J. Deng and Z. J. Haas, Busy Tone Multiple Access (DBTMA): A New Medium Access Control for Packet Radio Networks, in IEEE ICUPC 98, Florence, Italy, October 5-9, 1998. [33] C. Wu and V.O.K. Li, Receiver-Initiated Busy Tone Multiple Access in Packet Radio Networks, ACM Computer Communications Review, 17(5):335-342, August 1987. [34] R. Nelson, L. Kleinrock, Spatial TDMA, A collision-free Multihop Channel Access Protocol, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-33, No. 9, September 1985. [35] C. Zhu and S.M. Corson, A Five-Phase Reservation Protocol (FPRP) for Mobile Ad Hoc Networks, in Proceedings of IEEE Infocom 98, Vol. 1, Pp. 322-331, San Francisco, CA, March/April 1998. [36] I. Chlamtac and A. Farago, Making Transmission Schedules Immune to Topology Changes in Multi-Hop Packet Radio Networks, IEEE/ACM Trans. on Networking, 2:23-29, 1994. [37] J.-H. Ju and V. O. K. Li, An Optimal Topology-Transparent Scheduling Method in Multihop Packet Radio Networks, IEEE/ACM Trans. on Networking, 6:298-306, 1998. [38] J. A. Stankovic, T. Abdelzaher, C. Lu, L. Sha, J. Hou, Real-Time Communication and Coordination in Embedded Sensor Networks, Proceedings of the IEEE, 91(7): 1002-1022, July 2003. (invited paper). [39] R. Rozovsky and P. R. Kumar, SEEDEX: A MAC protocol for ad hoc networks, ACM Mobihoc 01, October 2001. [40] Ian Stewart, Galois Theory, Chapman & Hall/CRC Mathematics, 3rd Edition, 2004. [41] K. Oikonomou and I. Stavrakakis, Analysis of a Probabilistic Topology-Unaware TDMA MAC Policy for Ad-Hoc Networks, IEEE JSAC Special Issue on Quality-of- Service Delivery in Variable Topology Networks, Vol. 22, No. 7, September 2004, pp. 1286-1300. [42] C. P.. P. Bhagwat, Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers, Proceedings of ACM SIGCOMM 94, pp. 234-244, September 1994.
14 Βιβλιογραφία [43] S. Murthy and J.J. Garci-Luna-Aceves, A Routing Protocol for Packet Radio Networks, in Proceedings of ACM First International Conference on Mobile Computing & Networking (MOBICOM 95), November 1995. [44] C. Perkins and E. Royer, Ad-Hoc On-Demand Distance Vector Routing, Proceedings of 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, February 1999. [45] D. B. Johnson and D. A. Maltz, Mobile Comupting, Kluwer Academic Publishers, 1996. [46] M.R. Pearlman, Z.J. Haas, Determining the Optimal Configuration for the Zone Routing Protocol, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 17(8), 1395-1414, August 1999. [47] Y,-B. Ko and N.H. Vaidya, Location-Aided Routing (LAR) in Mobile Ad Hoc Networks, in Proceedings of the 4th ACM/IEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom), pp. 66-75, Dallas, Texas, October 1998.