ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΤΥΠΟΥ MANET (Mobile Ad-Hoc Networks) ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΤΥΠΟΥ MANET (Mobile Ad-Hoc Networks) ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ Επιβλέπων Καθηγητής : Μητράκος Δημήτριος Φοιτητής : Αρσλάνογλου Γεώργιος ΑΕΜ : 4403 Ιούλιος 2007

Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή 2. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα 3. Περιγραφή των δικτύων MANET 3.1 Εισαγωγή 3.2 Χαρακτηριστικά των δικτύων MANET 3.3 Εφαρμογές των δικτύων MANET 3.4 Δίκτυα VANET (Vehicular Ad-Hoc Networks) 3.5 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Networks) 4. Περιγραφή των Πρωτόκολλων Δρομολόγησης για Δίκτυα MANET 4.1 Επιθυμητά Χαρακτηριστικά των Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης για Δίκτυα ΜΑΝΕΤ 4.2 Κατηγορίες Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης Για Δίκτυα Ad-Hoc 5. Πρωτόκολλο Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV) 6. Πρωτόκολλο Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV) 7. Πρωτόκολλο Dynamic Source Routing (DSR) 8. Περιγραφή του Λογισμικού Προσομοίωσης Δικτύων MANET 8.1 Περιγραφή των κλάσεων της εφαρμογής 8.2 Αρχιτεκτονική της εφαρμογής προσομοίωσης 8.3 Screenshots και λειτουργίες της εφαρμογής 8.4 Γνωστοί περιορισμοί 9. Βιβλιογραφία Σελίδα -1/45-

Πρόλογος Η ανάγκη της σημερινής κοινωνίας για αδιάλειπτη επικοινωνία ανεξάρτητα από την τοποθεσία των τερματικών σταθμών, έχει οδηγήσει στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη ασύρματων δικτύων που παρέχουν τη δυνατότητα επικοινωνίας ακόμα και σε περιπτώσεις όπου δεν υφίσταται σταθερή δικτυακή υποδομή. Αυτά τα δίκτυα ονομάζονται Ad-Hoc και αποτελούν σήμερα αντικείμενο συστηματικής μελέτης από μεγάλο αριθμό ερευνητών. Στην παρούσα εργασία ασχολούμαστε με την κατηγορία των δικτύων Ad-Hoc με κινητούς κόμβους (MANET) και ειδικότερα με τα πρωτόκολλα δρομολόγησης που εφαρμόζονται σε αυτά. Σχεδιάστηκε, αναλύθηκε και υλοποιήθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού Java, εφαρμογή προσομοίωσης για τα συγκεκριμένα δίκτυα, με έμφαση στην ανάλυση των πρωτοκόλλων δρομολόγησης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Μητράκο ο οποίος μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ με ένα τόσο καινοτόμο και ενδιαφέρον θέμα. Σελίδα -2/45-

1. Εισαγωγή Πολλοί παράγοντες που σχετίζονται με την τεχνολογία, επιχειρήσεις και κοινωνική συμπεριφορά φυσικά και λογικά υποστηρίζουν την ασύρματη ad-hoc δικτύωση. Η κινητή ασύρματη επικοινωνία δεδομένων, η οποία εξελίσσεται και τεχνολογικά αλλά και στη χρήση/διάδοσή της, είναι μια κινητήρια δύναμη χάρη στο Internet και την επιτυχία της τρίτης γενιάς των κινητών δικτύων με κυψέλες. Καθώς κοιτάμε μπροστά, μπορούμε επιτέλους να δούμε μια εικόνα μιας πραγματικά ευρέως διαδεδομένης επικοινωνίας και χρήση Η/Υ. Στο άμεσο μέλλον, ο ρόλος και οι δυνατότητες της ανταλλαγής δεδομένων σε κοντινή απόσταση αναμένεται να μεγαλώσουν, και να εξυπηρετούν σαν συμπλήρωμα στην παραδοσιακή μεγάλης κλίμακας επικοινωνία. Οι περισσότερες επικοινωνίες, μεταξύ ανθρώπου και μηχανής καθώς και προφορική επικοινωνία μεταξύ ανθρώπων, συμβαίνουν σε αποστάσεις μικρότερες των 10 μέτρων. Ακόμα, σαν αποτέλεσμα αυτής της επικοινωνίας, οι δύο συμμετέχοντες συχνά χρειάζονται να ανταλλάξουν δεδομένα. Η ύπαρξη ελεύθερων ραδιοσυχνοτήτων ευνοεί την ανάπτυξη τεχνολογιών (όπως το Bluetooth) που επιτρέπουν την εύκολη και ανέξοδη δημιουργία ασύρματης επικοινωνίας. Ίσως η πιο διαδεδομένη αντίληψη για ένα κινητό ad-hoc δίκτυο είναι ένα δίκτυο σχηματισμένο χωρίς καμία κεντρική διαχείριση που αποτελείται από κινούμενους κόμβους που χρησιμοποιούν ένα ασύρματο μέσο για να στέλνουν πακέτα δεδομένων. Αφού αυτοί οι κόμβοι σε ένα δίκτυο τέτοιου είδους μπορούν να λειτουργήσουν και σαν δρομολογητές (routers) αλλά και σαν εξυπηρετητές (servers), μπορούν να προωθούν πακέτα εκ μέρους άλλων κόμβων και να τρέχουν εφαρμογές χρηστών. Τα δίκτυα Mobile Ad-Hoc Networks (MANET) αποτελούν μια επέκταση των δικτύων Ad-Hoc, αφού αποτελούνται από κόμβους που κινούνται δυναμικά και αυθαίρετα, δημιουργώντας έτσι δυναμικές τοπολογίες δικτύου. Το αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η εμβάθυνση στα δίκτυα MANET και στα πρωτόκολλα δρομολόγησης πακέτων (routing protocols) που Σελίδα -3/45-

χρησιμοποιούνται σε αυτά, με τελικό στόχο την ανάπτυξη λογισμικού προσομοίωσης δικτύων MANET με έμφαση στα πρωτόκολλα δρομολόγησης. Το λογισμικό προσομοίωσης αναπτύχθηκε από το μηδέν σε γλώσσα προγραμματισμού Java. Σελίδα -4/45-

2. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Οι ρίζες των δικτύων Ad-Hoc (Ad-Hoc σημαίνει «για αυτόν τον σκοπό») βρίσκονται πίσω στο 1968, όταν ξεκίνησε το έργο πάνω στο δίκτυο ALOHA, στόχος του οποίου ήταν η διασύνδεση εκπαιδευτικών κτιρίων στη Χαβάη. Η ιδέα ήταν να χρησιμοποιηθούν χαμηλού κόστους ερασιτεχνικά ραδιοφωνικά συστήματα για τη δημιουργία ενός δικτύου υπολογιστών για τη διασύνδεση των διασκορπισμένων campus του πανεπιστημίου. Η αρχική έκδοση του πρωτόκολλου ALOHA χρησιμοποιούσε δύο ξεχωριστές ραδιοφωνικές συχνότητες και μια τοπολογία αστέρα με ένα κεντρικό σταθμό (hub/star configuration). Ο κεντρικός σταθμός μετέδιδε πακέτα σε όλους τους άλλους σταθμούς στο κανάλι εξόδου (outbound channel), ενώ οι υπόλοιποι σταθμοί έστελναν δεδομένα στον κεντρικό σταθμό στο κανάλι εισόδου (inbound channel). Παρόλο που στηθήκανε σταθεροί σταθμοί, το πρωτόκολλο ALOHA επέτρεπε τη διαχείριση για διανεμημένη πρόσβαση καναλιών (distributed channel access management) και έτσι εξασφάλισε μια βάση για τη μετέπειτα ανάπτυξη των σχημάτων διανεμημένης πρόσβασης καναλιού που ήταν κατάλληλα για τα δίκτυα Ad- Hoc. Το πρωτόκολλο ALOHA από μόνο του ήταν ένα πρωτόκολλο single hop, οπότε δεν υποστήριζε εγγενώς τη δρομολόγηση πακέτων. Αντίθετα, κάθε κόμβος έπρεπε να είναι εντός εμβέλειας όλων των υπόλοιπων κόμβων του δικτύου. Εικόνα 2.1 Πρωτόκολλο ALOHA Σελίδα -5/45-

Αυτή η αρχική μορφή του πρωτοκόλλου αποκαλείται σήμερα Pure ALOHA για να ξεχωρίζει από τις καινούριες μορφές του πρωτοκόλλου, όπως την Slotted ALOHA. Το Pure ALOHA πρωτόκολλο είχε ένα μέγιστο throughput της τάξης του 18.4% της συνολικής χωρητικότητας. Αυτό σημαίνει ότι περίπου το 81.6% του διαθέσιμου εύρους ζώνης μένει ανεκμετάλλευτο εξαιτίας των απωλειών από τις συγκρούσεις πακέτων (packet collisions). Εικόνα 2.2 Πρωτόκολλο Pure ALOHA Η βελτίωση του Pure ALOHA οδήγησε στη δημιουργία του πρωτοκόλλου Slotted ALOHA, το οποίο εισήγαγε την έννοια του timeslot και αύξησε την απόδοση του πρωτοκόλλου στο 36.8%. Κάθε κόμβος μπορεί να στέλνει πακέτα μόνο στην αρχή ενός timeslot, με αποτέλεσμα να μειώνονται οι συγκρούσεις των πακέτων. Εικόνα 2.3 Πρωτόκολλο Slotted ALOHA Σελίδα -6/45-

Εμπνευσμένο από το δίκτυο ALOHA και την προηγούμενη ανάπτυξη του packet switching σε σταθερά δίκτυα, το DARPA ξεκίνησε το 1973 στο PRnet (Packet Radio Network), ένα δίκτυο multihop. Στην προκειμένη, ο όρος multihop υποδηλώνει τη συνεργασία των κόμβων για την αναμετάδοση της δικτυακής κίνησης μεταξύ τους, ώστε να φτάνουν σε μακρινούς σταθμούς που διαφορετικά θα ήταν εκτός εμβέλειας. Το PRnet παρείχε μηχανισμούς για τη διαχείριση των εργασιών είτε κεντρικά, είτε διανεμημένα. Ως επιπρόσθετο πλεονέκτημα, διαπιστώθηκε ότι η τεχνική του multihop αύξησε τη χωρητικότητα του δικτύου, καθώς ο χώρος μπορούσε να επαναχρησιμοποιηθεί για συνεχόμενες, αλλά ξεχωριστές μεταξύ τους multihop sessions. Παρόλο που πολλά πειραματικά δίκτυα τύπου Packet Radio αναπτύχθηκαν αργότερα, αυτά τα ασύρματα συστήματα δεν έφτασαν ποτέ στην αγορά. Όταν το Ινστιτούτο IEEE ανέπτυσσε το πρότυπο IEEE 802.11 για ασύρματα τοπικά δίκτυα (Wireless Local Area Network, WLAN), αντικατέστησε τον όρο Packet Radio Network με τον όρο Ad-Hoc Network. Τα Packet Radio Networks συσχετίστηκαν με τα δίκτυα multihop μεγάλης κλίμακας για στρατιωτικές επεμβάσεις ή επιχειρήσεις διάσωσης. Υιοθετώντας ένα καινούριο όνομα, η IEEE ήλπιζε ότι θα αναδείξει ένα εντελώς καινούριο σενάριο ανάπτυξης. Σήμερα, η ιδέα μας για τα Ad-Hoc δίκτυα περιλαμβάνει σενάρια όπως αυτά που απεικονίζονται στην Εικόνα 2.4, όπου άνθρωποι έχουν συσκευές που μπορούν να επικοινωνούν με Ad-Hoc δίκτυα. Οι συσκευές ενός χρήστη μπορούν να διασυνδέονται μεταξύ τους και να συνδέονται σε τοπικά κέντρα πληροφόρησης. Για παράδειγμα, για να αντλούν ενημερώσεις για τις αναχωρήσεις των πτήσεων, αλλαγές στις πύλες εξόδου και άλλα. Οι Ad-Hoc συσκευές μπορούν επίσης να προωθήσουν δικτυακή κίνηση σε συσκευές που είναι εκτός εμβέλειας. Έτσι το σενάριο του αεροδρομίου περιέχει μία μείξη απλών και πολλαπλών radio hops. Σελίδα -7/45-

Εικόνα 2.4. Σενάριο Αεροδρομίου Για να δούμε τα Ad-Hoc δίκτυα από τη σωστή γωνία, ας κάνουμε κάποιες παρατηρήσεις για την ασύρματη επικοινωνία, ξεκινώντας από τα κινητά δίκτυα με κυψέλες που βασίζονται έντονα στη σταθερή υποδομή τους. Η κάλυψη παρέχεται από σταθμούς βάσης (base stations), οι πόροι των ραδιοσυχνοτήτων διαχειρίζονται από μια κεντρική μονάδα και οι υπηρεσίες είναι ενσωματωμένες με το σύστημα. Καθώς απομακρυνόμαστε από τα συστήματα κεντρικής διαχείρισης, βρισκόμαστε σε καθαρά Ad-Hoc δίκτυα, άλλα single-hop και άλλα multihop. Οι διαφορές ανάμεσα σε αυτά τα δίκτυα απεικονίζονται στην Εικόνα 2.5. Σελίδα -8/45-

Εικόνα 2.5 Διαφορές single-hop και multihop Δικτύων Χωρίς να έχουμε αφήσει τελείως τον κεντρικό έλεγχο, αλλά δεδομένης της δυνατότητας άμεσης επικοινωνίας στο HiperLAN/2, γειτονικά τερματικά μπορούν να επικοινωνούν αναμεταξύ τους χωρίς την παρέμβαση κάποιου σταθμού βάσης. Έτσι η μεταφορά της δικτυακής κίνησης δεν εξαρτάται αποκλειστικά από την εμβέλεια των εγκατεστημένων σταθμών βάσης. Τέλος, καταλήγουμε στα δίκτυα που δεν έχουν καθόλου κεντρική διαχείριση, όπως τα MANET και τα PAN (Personal Area Network). Όλα τα συμπεράσματα συνοψίζονται στην Εικόνα 2.6. Εικόνα 2.6 Διαφορές Σταθερού Δικτύων με Ad-Hoc Δίκτυα Σελίδα -9/45-

3. Περιγραφή των δικτύων MANET 3.1 Εισαγωγή Με τις πρόσφατες εξελίξεις στην απόδοση των ασύρματων δικτύων, αναμένεται ευρέα διάδοση και χρήση πιο προχωρημένων ασύρματων δικτύων με κινητούς κόμβους, που θα εξελίξουν κατά πολύ τη χρήση του Internet Protocol (IP). Το όραμα της Ad-Hoc δικτύωσης με κινητούς κόμβους είναι να υποστηρίξει δυνατά και αποτελεσματικά τη χρήση των ασύρματων δικτύων ενσωματώνοντας λειτουργίες δρομολόγησης στους κινητούς κόμβους. Τέτοια δίκτυα θα έχουν δυναμικές, πολλές φορές γρήγορα εναλλασσόμενες, τυχαίες, multihop τοπολογίες, που θα αποτελούνται από σχετικά περιορισμένου εύρους ζώνης ασύρματες ζεύξεις. Στην κοινωνία του Internet, η υποστήριξη δρομολόγησης για κινητούς κόμβους μορφοποιείται ως τεχνολογία mobile IP. Αυτή είναι μια τεχνολογία που θα επιτρέπει σε κόμβους «νομάδες» να επικοινωνούν με το Internet, συνδεόμενοι σε «φιλόξενους κόμβους» (hosts) που θα είναι ήδη συνδεδεμένοι με το Internet με διάφορα μέσα πέρα από την σταθερή τους διεύθυνση (fixed-address). Αυτός ο «φιλόξενος κόμβος» μπορεί να είναι είτε φυσικά συνδεδεμένος με το σταθερό δίκτυο σε ένα ξένο subnet, ή να είναι συνδεδεμένος με μια ασύρματη ζεύξη, ή με μια σύνδεση dial-up, ή με οτιδήποτε άλλο. Αυτή η μορφή του «κινητού φιλόξενου κόμβου» (host mobility) απαιτεί διαχείριση διευθύνσεων, βελτιώσεις στη διασύνδεση των πρωτοκόλλων και άλλα σχετικά, όμως οι βασικές δικτυακές λειτουργίες όπως η δρομολόγηση από κόμβο σε κόμβο (hop-by-hop routing) ακόμα εξαρτώνται στα ήδη υπάρχοντα πρωτόκολλα δρομολόγησης που λειτουργούν στα σταθερά δίκτυα. Αντίθετα, ο στόχος των δικτύων MANET είναι να επεκτείνουν αυτή την κινητικότητα σε αυτόνομα, κινητά, ασύρματα domain, όπου ένα σύνολο κόμβων από μόνοι τους αποτελούν την υποδομή για τη δρομολόγηση με έναν Ad-Hoc τρόπο. Σελίδα -10/45-

3.2 Χαρακτηριστικά των δικτύων MANET Ένα δίκτυο MANET αποτελείται από κινητές μονάδες (π.χ. ένα δρομολογητή με πολλούς hosts και ασύρματες συσκευές, που θα αποκαλούνται κόμβοι) οι οποίες είναι ελεύθερες να μετακινηθούν όπου θέλουν. Αυτοί οι κόμβοι μπορούν να βρίσκονται σε αεροπλάνα, πλοία, φορτηγά, αυτοκίνητα, ακόμα και σε ανθρώπους. Ένα δίκτυο MANET λοιπόν, είναι ένα αυτόνομο σύστημα αποτελούμενο από κινητούς κόμβους. Το σύστημα αυτό μπορεί να λειτουργεί απομονωμένο, ή να έχει και διεξόδους (gateways) και να επικοινωνεί με ένα σταθερό δίκτυο. Στον δεύτερο τρόπο λειτουργίας, το σύστημα θα λειτουργεί σαν ένα «αποκομμένο δίκτυο» ( stub network) που συνδέεται με ένα σταθερό δίκτυο. Τα «αποκομμένα δίκτυα» μεταφέρουν δικτυακή κίνηση που προέρχεται ή κατευθύνεται προς τους εσωτερικούς κόμβους, αλλά δεν επιτρέπει εξωτερική κίνηση να μεταφερθεί μέσω του «αποκομμένου δικτύου». Οι κόμβοι του δικτύου MANET είναι εξοπλισμένοι με ασύρματους πομπούς και δέκτες χρησιμοποιώντας κεραίες που μπορεί να είναι μη κατευθυντικές (omnidirectional), πολύ κατευθυντικές (point-to-point), πιθανώς μεταβλητές, ή κάποιος συνδυασμός των παραπάνω. Σε κάποιο χρονικό σημείο, ανάλογα με τη θέση των κόμβων, την εμβέλεια των πομποδεκτών τους, τη μεταδιδόμενη ισχύ τους και τα επίπεδα παρεμβολών, μια ασύρματη σύνδεση στη μορφή ενός τυχαίου Ad-hoc δικτύου δημιουργείται ανάμεσά τους. Αυτή η Ad-hoc τοπολογία μπορεί να αλλάξει με την πάροδο του χρόνου, καθώς οι κόμβοι μετακινούνται ή αλλάζουν την ισχύ μετάδοσής τους. Τα δίκτυα MANET έχουν πολλά αξιοπρόσεκτα χαρακτηριστικά : Δυναμικές τοπολογίες. Οι κόμβοι είναι ελεύθεροι να μετακινούνται αυθαίρετα, με αποτέλεσμα η τοπολογία του δικτύου, που είναι συνήθως multihop, να μπορεί να αλλάζει τυχαία και γρήγορα σε απρόβλεπτες στιγμές. Επίσης η τοπολογία μπορεί να απαρτίζεται και από αμφίδρομες (bidirectional) αλλά και από μονοκατευθυντικές (unidirectional) ζεύξεις. Σελίδα -11/45-

Ζεύξεις περιορισμένου εύρους ζώνης και μεταβλητής χωρητικότητας. Οι ασύρματες ζεύξεις θα συνεχίσουν να έχουν σημαντικά μικρότερες χωρητικότητες από τις αντίστοιχες ενσύρματες. Επιπρόσθετα, το πραγματικό throughput στις ασύρματες επικοινωνίες, αν λάβουμε υπόψη τα φαινόμενα της πολλαπλής πρόσβασης (multiple access), του θορύβου, των παρεμβολών, κτλ., είναι συνήθως πολύ μικρότερο από τη μέγιστη εκπομπή των πομπών. Ένα αποτέλεσμα της σχετικά χαμηλής έως μέτριας χωρητικότητας των ζεύξεων είναι ο συνωστισμός, που τυπικά είναι ο κανόνας και όχι η εξαίρεση. Π.χ. η αυξανόμενη ζήτηση μιας δικτυακής εφαρμογής πιθανότατα θα πλησιάσει ή και θα ξεπεράσει τη χωρητικότητα του δικτύου. Αφού το κινητό δίκτυο είναι συχνά μια επέκταση ενός σταθερού δικτύου, οι χρήστες του κινητού δικτύου απαιτούν παρόμοιες υπηρεσίες με αυτές του σταθερού δικτύου. Οι απαιτήσεις αυτές θα συνεχίσουν να αυξάνονται με την ανάπτυξη των πολυμέσων και των δικτυακών εφαρμογών. Λειτουργία με περιορισμένη ενέργεια τροφοδοσίας. Μερικοί ή όλοι οι κόμβοι σε ένα δίκτυο MANET μπορεί να βασίζονται σε μπαταρίες ή σε άλλα εξαντλήσιμα μέσα τροφοδοσίας. Για αυτούς τους κόμβους, το πιο σημαντικό κριτήριο σχεδιασμού για βελτίωση είναι η κατανάλωση ενέργειας. Περιορισμένη ασφάλεια του φυσικού μέσου μετάδοσης (physical layer). Τα κινητά ασύρματα δίκτυα είναι γενικά πιο ευπαθή σε θέματα ασφάλειας του φυσικού μέσου μετάδοσης σε σχέση με τα ασύρματα δίκτυα. Οι αυξημένες πιθανότητα για επιθέσεις τύπου eavesdropping, spoofing και DoS (Denial-of- Service) θα πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη. Συχνά εφαρμόζονται ήδη υπάρχοντες τεχνικές ασφάλειας στα ασύρματα δίκτυα για την μείωση των τρωτών σημείων στην ασφάλεια. Η αποκεντρωμένη φύση της διαχείρισης των δικτύων MANET παρέχει επιπλέον κάλυψη για περιπτώσεις που κάποιος κόμβος βγει εκτός λειτουργίας (single point failure) σε σχέση με τις πιο συγκεντρωμένες (centralized) προσεγγίσεις. Κλιμάκωση (Scalability). Σε κάποια πιθανά δίκτυα MANET όπως στρατιωτικά δίκτυα ή δίκτυα σε αυτοκινητόδρομους, ο αριθμός των κόμβων ενδέχεται να είναι σχετικά μεγάλος, μερικές δεκάδες ή ακόμα και εκατοντάδες κόμβοι ανά περιοχή δρομολόγησης (routing area), επομένως απαιτείται η υποστήριξη κλιμάκωσης σε αυτά τα δίκτυα. Μπορεί η ανάγκη για κλιμάκωση Σελίδα -12/45-

να μην είναι μοναδική για τα MANET, αλλά οι μηχανισμοί για την επίτευξή της είναι. Αυτά τα χαρακτηριστικά δημιουργούν ένα σύνολο προϋποθέσεων για τον σχεδιασμό των πρωτοκόλλων που επεκτείνονται πολύ σε σχέση με τον σχεδιασμό των πρωτοκόλλων για το γρηγορότερο και σχεδόν σταθερής τοπολογίας δικτύου του σταθερού Internet. 3.3 Εφαρμογές των δικτύων MANET Τα MANET έχουν πρακτική εφαρμογή σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει κάποια σταθερή ενσύρματη δικτυακή υποδομή (fixed wired infrastructure). Τέτοιες περιπτώσεις έχουμε όταν δεν είναι οικονομικά, πρακτικά ή γεωγραφικά εφικτό να δημιουργηθεί η απαραίτητη υποδομή, ή επειδή οι καταστάσεις δεν επιτρέπουν την εγκατάστασή της, όπως : Σε μια συνεδριακή αίθουσα κατά τη διάρκεια συναντήσεων, όταν οι συμμετέχοντες θέλουν να ανταλλάξουν πληροφορίες. Σε μια αίθουσα διδασκαλίας κατά τη διάρκεια συζητήσεων με τον καθηγητή, ή και κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας. Σε ένα αεροδρόμιο όπου οι εργαζόμενοι θέλουν να ανταλλάξουν αρχεία. Σε μια επείγουσα επιχείρηση διάσωσης, όταν τα μέλη του σωστικού συνεργείου θέλουν να συντονίσουν την προσπάθειά τους. Για παράδειγμα σε περίπτωση όταν κάποιος σεισμός ή πλημμύρα καταστρέψει την ενσύρματη υποδομή των σταθερών δικτύων. Σε μάχες κατά τη διάρκεια πολέμου, για τον συντονισμό των στρατιωτών στην άμυνα και την επίθεση. Ειδικές περιπτώσεις ασύρματων δικτύων που βασίζονται στα δίκτυα MANET Σελίδα -13/45-

3.4 Δίκτυα VANET (Vehicular Ad-Hoc Networks) Εικόνα 3.1 Vehicular Ad-Hoc Networks Logo Τα δίκτυα VANET αποτελούν ειδική περίπτωση των δικτύων MANET, όπου κινούμενα οχήματα και το οδικό δίκτυο εξοπλίζονται με ασύρματες συσκευές, με αποτέλεσμα τα οχήματα να μπορούν να επικοινωνούν αναμεταξύ τους (Vehicle 2 Vehicle, V2V) αλλά και με το οδικό δίκτυο (Vehicle 2 Roadside, V2R). Μια άμεση εφαρμογή των δικτύων VANET είναι ανταλλαγή πληροφοριών σχετικά με περιστατικά στο δρόμο, ώστε να βελτιώνεται η αντίδραση και η ασφάλεια των οδηγών. Εξαιτίας της αυξημένης κινητικότητας των κόμβων, στην προκειμένη οχήματα, τα βασικά πρωτόκολλα δρομολόγησης για δίκτυα MANET είναι αναποτελεσματικά. Καινούριες προσεγγίσεις έχουν προταθεί, όπως η γεωγραφική δρομολόγηση χωρίς καταστάσεις (state-less geographical routing), όπου τα πακέτα δρομολογούνται χωρίς κάποια συγκεκριμένη διαδρομή, αλλά προς την κατεύθυνση του κόμβου-παραλήπτη. Αυτή η κατηγορία πρωτοκόλλων δρομολόγησης απαιτεί τη γνώση τουλάχιστον των θέσεων του κόμβου-αποστολέα και του κόμβου-παραλήπτη. Τα περισσότερα από αυτά χρησιμοποιούν συντεταγμένες από το σύστημα GPS (Global Positioning System). Για να βγει μια απόφαση δρομολόγησης, οι κόμβοι πρέπει να ανταλλάξουν τα δεδομένα της γεωγραφικής τους θέσης. Σελίδα -14/45-

3.5 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Networks) Εικόνα 3.2 Wireless Sensor Network Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSN), αποτελούν μια ακραία μορφή των δικτύων MANET όσον αφορά τον αριθμό των συσκευών-κόμβων, και τις πολύ περιορισμένες δυνατότητές τους. Οι αισθητήρες μπορεί να είναι μαζικά παραγόμενες συσκευές χαμηλού κόστους που λειτουργούν για χρόνια με ένα ζευγάρι από μπαταρίες τύπου AAA. Ένα σύνολο από πολλούς αισθητήρες μπορεί να απλωθεί σε μια περιοχή που παρακολουθείται, και από τη στιγμή εκείνη και μετά οι αισθητήρες είναι σταθεροί και λειτουργούν όσο τους επιτρέπουν οι μπαταρίες τους, που είναι και το πιο σημαντικό τους κομμάτι. Γύρω από το δίκτυο των αισθητήρων, τοποθετούνται σταθμοί (sinks) που συλλέγουν τις μετρήσεις από τους αισθητήρες και μεταφέρουν τις εντολές από τους ελεγκτές. Έτσι, οι αισθητήρες σχηματίζουν μια δομή που προωθεί πακέτα από τους αισθητήρες προς τους σταθμούς και μεταδίδει πακέτα στο δίκτυο των αισθητήρων από τους σταθμούς. Για να δημιουργηθεί μια υποδομή δρομολόγησης και να υπάρξει κλιμάκωση σε μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή, οι αισθητήρες τοποθετούνται έτσι ώστε να σχηματίζουν τη μορφή ενός δέντρου, ή ενός διχτυού, ή την μορφή οποιουδήποτε διανεμημένου γράφου (graph) που έχει σκοπό την βελτιστοποίηση της επικοινωνίας και την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ισχύος. Σελίδα -15/45-

Καθώς οι αισθητήρες μπορούν να γνωρίζουν μόνο τη δικιά τους θέση, προκειμένου να βελτιωθεί η δημιουργία καινούριων διαδρομών, μπορούν να ανταλλαχθούν πληροφορίες σχετικές με τις θέσεις των κόμβων ανάμεσα στους σταθμούς και τους αισθητήρες. Ακόμα, για τη βελτίωση της ανίχνευσης και εντόπισης μιας συσκευής που εισέρχεται σε μια περιοχή που παρακολουθείται, οι αισθητήρες μπορούν να ανταλλάξουν πληροφορίες σχετικά με τις θέσεις και την κινητικότητα των κόμβων ακόμα και αναμεταξύ τους. Σελίδα -16/45-

4. Περιγραφή των Πρωτόκολλων Δρομολόγησης για Δίκτυα MANET Επειδή τα δίκτυα MANET είναι multihop, δηλαδή ένα πακέτο για να φτάσει από έναν κόμβο-αποστολέα σε έναν κόμβο-παραλήπτη μπορεί να περάσει από πολλούς ενδιάμεσους κόμβους, χρειάζεται η ύπαρξη ενός πρωτόκολλου δρομολόγησης πακέτων. Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης έχουν δύο βασικές λειτουργίες : την επιλογή διαδρομών για ζευγάρια αποστολέα-παραλήπτη και την παράδοση των πακέτων στον σωστό προορισμό. Η παράδοση των πακέτων είναι θεωρητικά άμεση και χρησιμοποιεί ποικιλία πρωτοκόλλων και δομών δεδομένων (πίνακες δρομολόγησης - routing tables). 4.1 Επιθυμητά Χαρακτηριστικά των Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης για Δίκτυα ΜΑΝΕΤ Επειδή τα συμβατικά πρωτόκολλα δρομολόγησης δεν καλύπτουν τις ανάγκες για τα δίκτυα MANET, χρειαζόμαστε καινούρια πρωτόκολλα δρομολόγησης που θα έχουν τα ακόλουθα βασικά χαρακτηριστικά : Η διανεμημένη λειτουργία. Το πρωτόκολλο θα πρέπει φυσικά να είναι διανεμημένο και ανεξάρτητο από τη διαχείριση από κάποιον κεντρικό κόμβο. Η ελαχιστοποίηση των επιπλέον πακέτων πληροφορίας (overhead). Θα πρέπει να υπάρχουν ελάχιστες περιοδικές εκπομπές τέτοιων πακέτων, αλλά οι πεσμένες ζεύξεις (broken links) ή οι καινούριες διαδρομές θα πρέπει να ανιχνεύονται όσο το δυνατόν πιο γρήγορα. Οι αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου θα πρέπει να ανιχνεύονται και να δημιουργούνται καινούριες διαδρομές όσο το δυνατόν πιο γρήγορα. Η ελαχιστοποίησή της απαιτούμενης υπολογιστικής ισχύος και της απαιτούμενης μνήμης στους κόμβους. Σελίδα -17/45-

Θα πρέπει να εκκινούν από μόνα τους (self starting). Έτσι ώστε να απαιτούνται λιγότερες παρεμβάσεις από τους διαχειριστές του δικτύου. Δε θα πρέπει να δημιουργούνται αέναοι βρόχοι (loop free), αποφεύγοντας προβλήματα όπως το άθροισμα μέχρι το άπειρο (count to infinity problem). Θα πρέπει να επεκτείνονται και σε πολύ μεγάλα δίκτυα (scalable). Θα πρέπει να είναι ανεξάρτητα από το φυσικό μέσο μετάδοσης (physical layer), αλλά και του πρωτοκόλλου μετάδοσης (link layer protocol), αν και θεωρείται ότι το 802.11 (WiFi) θα χρησιμοποιείται κυρίως σαν το πρωτόκολλο μετάδοσης. Επίσης θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και πρωτόκολλα μετάδοσης περιορισμένης εμβέλειας, όπως οι υπέρυθρες (IrDA) και οι ραδιοσυχνότητες (radio frequency). Δεν θα πρέπει να θεωρούνται όλες οι ζεύξεις συμμετρικές (symmetric), δηλαδή ότι είναι όλες αμφίδρομες (bi-directional). Θα πρέπει να εγκαταλείπονται συνετά οι προσπάθειες εύρεσης ενός κόμβου που είναι εκτός εμβέλειας, ώστε να μη δεσμεύεται αναγκαίο εύρος ζώνης (bandwidth). Έτσι αποφεύγονται προβλήματα όταν μέρος του δικτύου βρεθεί εκτός εμβέλειας ή βγει εκτός λειτουργίας. Θα πρέπει να παρέχει διαδρομές (routes) που δεν αποτελούν βρόχο (loop). Αυτό ισχύει και μετά αλλά και κατά τη σύγκληση (converge) του αλγορίθμου δρομολόγησης. Θα πρέπει, εάν είναι εφικτό, να παρέχει πολλές διαφορετικές διαδρομές για τον ίδιο κόμβο προορισμού για την αποφυγή συνωστισμού (congestion). Θα πρέπει, εάν είναι εφικτό, να είναι συμβατό με τα ήδη υπάρχοντα πρωτόκολλα δρομολόγησης των ενσύρματων δικτύων. Θα πρέπει ο αλγόριθμος να είναι απλός, ώστε να είναι εύκολος στην κατανόηση και στην εφαρμογή. Σελίδα -18/45-

4.2 Κατηγορίες Πρωτοκόλλων Δρομολόγησης Για Δίκτυα Ad-Hoc Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης για δίκτυα Ad-Hoc μπορούν να χωριστούν σε διαφορετικές κατηγορίες ανάλογα με τις ιδιότητές τους. Αυτές οι κατηγορίες είναι : Centralized και Distributed Static και Adaptive Reactive και Proactive Ένας τρόπος για την κατηγοριοποίηση των πρωτοκόλλων δρομολόγησης είναι ο διαχωρισμός σε συγκεντρωμένους (centralized) και διανεμημένους (distributed) αλγόριθμους. Στους συγκεντρωμένους αλγόριθμους, όλες οι αποφάσεις για τις διαδρομές παίρνονται σε έναν κεντρικό κόμβο, ενώ στους διανεμημένους αλγόριθμους, ο υπολογισμός των διαδρομών μοιράζεται σε όλους τους κόμβους του δικτύου. Άλλη μια κατηγοριοποίηση των πρωτόκολλων δρομολόγησης σχετίζεται με τη δυνατότητα των πρωτοκόλλων στην αλλαγή των διαδρομών ανάλογα με το μοτίβο της δικτυακής κίνησης (traffic pattern). Στους στατικούς αλγόριθμους, η διαδρομή που χρησιμοποιείται για συγκεκριμένα ζευγάρια αποστολέα-παραλήπτη είναι αμετάβλητη ανεξάρτητα από τη δικτυακή κίνηση. Μπορεί να αλλάξει μόνο σε περίπτωση που κάποια ζεύξη ή κόμβος βγουν από το δίκτυο. Αυτός ο τύπος αλγορίθμου δεν μπορεί να πετύχει υψηλή απόδοση σε μια μεγάλη ποικιλία μοτίβων δικτυακής κίνησης. Τα περισσότερα πρωτόκολλα χρησιμοποιούν προσαρμοστικούς (adaptive) αλγόριθμους όπου οι διαδρομές μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με το συνωστισμό στο δίκτυο. Η τρίτη κατηγοριοποίηση είναι αυτή που χρησιμοποιείται κυρίως στα δίκτυα Ad-Hoc και χαρακτηρίζει τον αλγόριθμο δρομολόγησης είτε proactive, είτε reactive. Σελίδα -19/45-

Proactive Πρωτόκολλα Κάθε κόμβος επιχειρεί να διατηρήσει ένα συνεπή και ενημερωμένο πίνακα με πληροφορίες δρομολόγησης για κάθε κόμβο που ανήκει στο δίκτυο, έτσι ώστε όταν χρειαστεί να προωθήσει ένα πακέτο σε κάποιον προορισμό, η διαδρομή είναι γνωστή εκ των προτέρων και χρησιμοποιείται αμέσως. Η μέθοδος αυτή είναι ίδια στη θεωρία με τα πρωτόκολλα δρομολόγησης που χρησιμοποιούνται στα ενσύρματα δίκτυα, με εξαίρεση κάποιες μετατροπές που έχουν γίνει ειδικά για τα Ad-Hoc δίκτυα. Κάθε αλγόριθμος είναι μοναδικός στον τρόπο διατήρησης του πίνακα δρομολόγησης (routing table) και στον τρόπο διασποράς των πληροφοριών δρομολόγησης. Reactive Πρωτόκολλα Οι διαδρομές δημιουργούνται μόνο όταν είναι απαραίτητο, δηλαδή όταν ένας κόμβος-αποστολέας θέλει να στείλει πακέτα σε έναν κόμβο-προορισμό για τον οποίο δεν ξέρει τη διαδρομή. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται εύρεση διαδρομής (route discovery). Οι κόμβοι που δεν βρίσκονται σε ενεργά μονοπάτια, ούτε προωθούν πακέτα, ούτε διατηρούν πληροφορίες δρομολόγησης, εξοικονομώντας έτσι κατανάλωση μνήμης και ισχύος. Κάθε αλγόριθμος είναι μοναδικός στη διαδικασία εύρεσης διαδρομής αλλά και στη διατήρηση και διαγραφή των διαδρομών. Στα επόμενα κεφάλαια ακολουθούν αντιπροσωπευτικά παραδείγματα πρωτοκόλλων δρομολόγησης των παραπάνω κατηγοριών. Σελίδα -20/45-

5. Πρωτόκολλο Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV) Το πρωτόκολλο Destination-Sequenced Distance Vector βασίζεται στις τεχνικές των παραδοσιακών Distance Vector πρωτοκόλλων δρομολόγησης, όπου κάθε κόμβος έχει έναν πίνακα διαδρομών ο οποίος περιέχει για όλους τους εφικτούς προορισμούς τον επόμενο κόμβο (hop) και τον αριθμό των hop που απαιτούνται. Το DSDV απαιτεί κάθε κόμβος να εκπέμπει περιοδικά ενημερώσεις για τις διαδρομές. Ανήκει στην κατηγορία των proactive πρωτοκόλλων. Το πλεονέκτημα του DSDV σε σχέση με τα παραδοσιακά Distance Vector πρωτόκολλα δρομολόγησης είναι ότι το DSDV εγγυάται την αποφυγή διαδρομώνβρόχων (loop free). Αυτό το πετυχαίνει χρησιμοποιώντας αριθμούς ακολουθίας (sequence numbers) για να χαρακτηρίσει κάθε διαδρομή. Ο αριθμός ακολουθίας δείχνει το πόσο πρόσφατη είναι η συγκεκριμένη διαδρομή και οι διαδρομές με υψηλότερο αριθμό ακολουθίας είναι προτιμότερες. Μια διαδρομή R θεωρείται προτιμότερη από μία διαδρομή R εάν η R έχει μεγαλύτερο αριθμό ακολουθίας ή εάν οι διαδρομές έχουν τον ίδιο αριθμό ακολουθίας αλλά η R έχει μικρότερο αριθμό από hop. Ο αριθμός ακολουθίας αυξάνεται όταν ένας κόμβος ανιχνεύσει ότι η διαδρομή για έναν κόμβο-προορισμό είναι άκυρη. Έτσι την επόμενη φορά που αυτός ο κόμβος εκπέμψει τις πληροφορίες για τις διαδρομές του, θα δώσει άπειρο αριθμό από hop για την άκυρη διαδρομή και έναν αριθμό ακολουθίας μεγαλύτερο από πριν. Το DSDV βασικά είναι ένα «παραδοσιακό» πρωτόκολλο distance vector, με μικρές μετατροπές για να γίνει πιο κατάλληλο για τα δίκτυα Ad-Hoc. Οι μετατροπές αυτές περιλαμβάνουν εξαναγκασμένες ενημερώσεις (triggered updates) που αναλαμβάνουν να τακτοποιήσουν τις αλλαγές της τοπολογίας του δικτύου στα χρονικά διαστήματα ανάμεσα από τις περιοδικές εκπομπές (broadcast). Για την μείωση της επιπλέον πληροφορίας σε αυτά τα πακέτα, υπάρχουν δύο τύποι μηνυμάτων ανανέωσης τα οποία είναι τα full dump και incremental dump. Τα full dump περιέχουν όλες τις πληροφορίες για τις διαδρομές που υπάρχουν, ενώ τα incremental dump περιέχουν μόνο τις πληροφορίες που άλλαξαν από το τελευταίο μήνυμα dump. Σελίδα -21/45-

Επειδή το πρωτόκολλο DSDV εξαρτάται από τις περιοδικές εκπομπές πληροφορίας, χρειάζεται κάποιο χρόνο για να συγκλίνει πριν μια διαδρομή μπορέσει να χρησιμοποιηθεί. Αυτός ο χρόνος σύγκλισης μπορεί να θεωρηθεί πρακτικά αμελητέος σε ένα στατικό ενσύρματο δίκτυο, όπου η τοπολογία του δεν αλλάζει τόσο συχνά. Σε ένα δίκτυο Ad-Hoc όμως, όπου η τοπολογία είναι δυναμική και αλλάζει συνεχώς, αυτός ο χρόνος σύγκλισης θα δημιουργεί πολλά χαμένα πακέτα πριν ανιχνευθεί μια έγκυρη διαδρομή. Οι περιοδικές εκπομπές επίσης προσθέτουν ένα μεγάλο ποσό επιπλέον πληροφορίας (overhead) στο δίκτυο. Επειδή οι συγγραφείς του πρωτοκόλλου εντόπισαν τα προβλήματα αυτά, δημιούργησαν το πρωτόκολλο AODV, που είναι η reactive έκδοση του DSDV. Σελίδα -22/45-

6. Πρωτόκολλο Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Το πρωτόκολλο Ad Hoc On Demand Distance Vector επιτρέπει τη δυναμική, αυτοεκκινούμενη, multihop δρομολόγηση μεταξύ κινητών κόμβων που επιθυμούν να αποτελέσουν και να διατηρήσουν ένα δίκτυο Ad Hoc.Το AODV επιτρέπει στους κινητούς κόμβους να βρίσκουν γρήγορα διαδρομές για νέους προορισμούς και δεν απαιτεί από τους κόμβους να διατηρούν τις διαδρομές με προορισμούς που δεν βρίσκονται σε ενεργή επικοινωνία, δηλαδή ανήκει στην κατηγορία των Reactive πρωτοκόλλων. Επίσης επιτρέπει στους κόμβους να ανταποκρίνονται έγκαιρα σε διακοπές ζεύξεων και σε αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου. Η λειτουργία του AODV είναι loop-free και αποφεύγοντας το πρόβλημα «άθροιση μέχρι το άπειρο» προσφέρει γρήγορη σύγκληση όταν αλλάζει η τοπολογία του δικτύου, δηλαδή αλλάζει θέση κάποιος κινητός κόμβος. Όταν μια ζεύξη βγαίνει εκτός λειτουργίας, το AODV αναγκάζει τους κόμβους που επηρεάζονται να ενημερωθούν ώστε να είναι σε θέση να ακυρώσουν τις διαδρομές που χρησιμοποιούν τη χαμένη ζεύξη. Ένα χαρακτηριστικό του AODV που ξεχωρίζει είναι η χρήση του αριθμού ακολουθίας προορισμού (destination sequence number) για κάθε αποθηκευμένη διαδρομή. Ο αριθμός ακολουθίας προορισμού δημιουργείται από τον κόμβοπροορισμό για να συμπεριληφθεί μαζί με τις υπόλοιπες πληροφορίες της διαδρομής που στέλνει στους κόμβους που τις ζητάνε. Η χρήση του αριθμού ακολουθίας προορισμού σιγουρεύει την loop-free λειτουργία του αλγορίθμου, και είναι εύκολη στην υλοποίησή της. Όταν υπάρχει η επιλογή δύο διαδρομών για έναν προορισμό, ο κόμβος που ζήτησε διαδρομή υποχρεώνεται να επιλέξει εκείνη με τον μεγαλύτερο αριθμό ακολουθίας προορισμού. Ο αλγόριθμος του πρωτοκόλλου χρησιμοποιεί διαφορετικά πακέτα μηνυμάτων για την εύρεση και διατήρηση διαδρομών. Όποτε ένας κόμβος επιχειρεί να βρει μια διαδρομή για έναν άλλο κόμβο, εκπέμπει ένα μήνυμα Αίτησης Διαδρομής RREQ (Route Request) σε όλους τους γειτονικούς κόμβους. Το RREQ διαδίδεται μέσα στο δίκτυο μέχρι να φτάσει τον προορισμό ή κάποιον κόμβο με μια πρόσφατη διαδρομή προς τον προορισμό. Η διαδρομή γίνεται διαθέσιμη με την εκπομπή ενός μηνύματος RREP (Route Reply) πίσω στον κόμβο αποστολέα. Το πρωτόκολλο Σελίδα -23/45-