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© 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Wireless.

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1 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Wireless ad hoc networking and routing

2 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Teil 1 Grundlagen und Nutzen von Ad Hoc Netzwerken Christian Herter

3 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Ad Hoc Netzwerke - Übersicht l Einführung und Eigenschaften l Anwendungsgebiete von Ad Hoc Netzwerken l Technologische Herausforderungen l Gesellschaftliche Chancen und Risiken l Kommerzialisierung: Voraussetzungen und Hindernisse

4 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Einführung (1) l Was sind Ad Hoc Netzwerke? áSammlung von autonomen Knoten oder Terminals, die miteinander kommunizieren ohne auf eine zentrale Verwaltungseinheit zurückgreifen zu müssen.

5 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Einführung (2) Eigenschaften áNetzwerk Topologie ist dynamisch áFähigkeit zur Autokonfiguration áKnoten sind gleichzeitig Host und Router áVerbindungen zwischen Knoten (meist) wireless

6 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Einführung (3) Unterteilung áMobile Ad Hoc Networks (MANETs) Unabhängige User formen miteinander ein temporäres Netzwerk, jeder User übernimmt auch Routingfunktionen (Dezentralisierung) – User/Knoten ist selbstständig, intelligent áSmart Sensor Networks Menge von Sensoren verteilt über ein bestimmtes Gebiet jeder Sensor hat die Fähigkeit zur kabellosen Kommunikation und genügend Intelligenz zur Signalverarbeitung und zum Versand der Daten Sensoren einzeln adressierbar oder nicht – Sensoren unterstützen ein gemeinsames übergeordnetes Ziel, Sensoren sind dumm

7 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Anwendungsgebiete von Ad Hoc Netzwerken Beispiele für MANETs áConferencing áHome Networking áPersonal Area Networks áEmergency/Disaster áVerkehr: zwischen Fahrzeugen Beispiele für Smart Sensor Networks áMilitärische Nutzung: Überwachung von feindlichen Bewegungen, Erkennung von gefährlichem Material (Gas, Strahlung etc.) áElectronic Dust (Skalierbarkeit!) áVerkehr: Überwachung, Zählung, Parkplatzinformationen

8 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Technologische Herausforderungen Grundsätzliche technische Herausforderungen áForwarding, Routing áLimitierte Ressourcen – Energieverbrauch/-versorgung – Wireless -> Bandbreite, Störanfälligkeit, Asymmetrie – Speicher, CPU etc. áAbdeckung, Ausfall von Knoten áSicherheit (Daten-, Teilnehmer-, Infrastruktur-) weitere Herausforderungen für SSNs áSkalierbarkeit áAutokonfiguration áFiltern sinnvoller Information

9 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Gesellschaftliche Chancen und Risiken Chancen ábreitere Abdeckung bei geringen Infrastrukturkosten möglich áweniger Mobilfunkantennen áhohe Ausfallsicherheit Risiken áQualität/Angebotsmenge abhängig von Teilnehmermenge ámangelnder Schutz áEgoismus áKeine Killerapplikation vorhanden!

10 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Kommerzialisierung l Beispiele, Ideen áConferencing áMilitär áMobilfunk l Voraussetzung ábreite Unterstützung/Abdeckung áBedürfnis von Nutzern átechnische Fortschritte áeinfache Konfiguration für Benutzer áVerrechnung

11 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Konventionelle Routingverfahren Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren Teil 2

12 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Konventionelle Routingverfahren Wieso werden für Ad Hoc Netzwerke nicht herkömmliche Routingprotokolle verwendet? + werden schon lange in der Netzwerktechnik eingesetzt und sind gut erprobt

13 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Konventionelle Routingverfahren Wieso werden für Ad Hoc Netzwerke nicht herkömmliche Routingprotokolle verwendet? - Konventionelle Protokolle wurden für mehr oder weniger statische Netzwerktopologien entwickelt - K.P. führen eine Liste mit den Routen zu allen erreichbaren Zielen. Um die Listen aktuell zu halten, müssen regelmässig Kontrollnachrichten verschickt werden - K.P. gehen meist von bidirektionalen Verbindungen aus, das heisst eine Übertragung zwischen 2 Punkten funktioniert in beiden Richtungen gleich gut.

14 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Konventionelle Routingverfahren Wieso werden für Ad Hoc Netzwerke nicht herkömmliche Routingprotokolle verwendet? Sofern sich das Ad Hoc Netzwerk nicht zu rasch verändert, wäre es theoretisch möglich, konventionelle Protokolle einzusetzen. Allerdings würden sie sehr ineffizient arbeiten, da sie für ein Einsatzgebiet mit sehr unterschiedlichen Bedingungen (verdrahtete, statische Netzwerke) entwickelt wurden

15 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Konventionelle Routingverfahren Routingprotokolle müssen an die Eigenheiten von drahtlosen Netzwerken angepasst werden Viele Ad Hoc Routingprotokolle basieren auf konventionellen Protokollen. Es ist daher von Vorteil, die Funktionsprinzipien der konventionellen Protokolle zu verstehen

16 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Konventionelle Routingverfahren } Distance Vector Link State Flooding Routenfindung für Punkt-zu-Punkt Übermittlungen Verbreiten von Informationen im gesamten Netz

17 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Distance Vector auch Bellman-Ford Verfahren genannt jeder Knoten verwaltet eine Routingtabelle, die Vektoren zu allen erreichbaren Zielen enthält. In einem Vektor ist zu jedem Ziel die Länge des kürzesten Pfades enthalten. Zusätzlich wird der nächste Zwischenschritt auf dem weg zum Ziel festgehalten. Regelmässig verschicken die Knoten ihre Vektoren an ihre Nachbarn. Anhand dieser Vektoren können die anderen Knoten ihre Routingtabelle aktualisieren.

18 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Distance Vector Aufbauen der Routingtabelle: Wenn ein Knoten neu in das Netz eingefügt wird, besitzt er eine leere Routingtabelle Er stellt sich seinen direkten Nachbarn vor, und erhält von ihnen ihre Vectoren zugeschickt. Diese trägt er in seine Routingtabelle ein Wenn er einen Vektor erhält zu einem Ziel, das er schon eingetragen hat und dessen Verbindungskosten kleiner sind als die eingetragenen, wird der alte Vektor mit dem neuen ersetzt In einem regelmässigen Rhythmus oder nach einer Änderung im Netz verschickt er seine Vektoren

19 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Distance Vector

20 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Link State Linkzustand- oder Shortest-Path-First-Algorithmen Jeder Knoten verwaltet eine Routingtabelle, die alle Knoten und die Kosten der Verbindungen zwischen den Knoten enthält. Jeder Knoten ist in der Lage, die optimale Route für ein Datenpaket zu berechnen

21 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Link State Aufbauen der Routingtabelle: Ermitteln der direkten Nachbarn Messen der Verbindungskosten zu den Nachbarn Erstellen eines Link State Packetes und versenden an alle Netzteilnehmer mittels Flooding Sammeln der Link State Packeten der anderen Teilnehmer, eintragen in die Routingtabelle Bei Veränderungen des Netzes oder nach gewisser Zeit Auffrischen der Routingtabelle

22 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Link State

23 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Flooding Flooding ist eine Methode, zum Verbreiten einer Information im gesamten Netzwerk Ein Knoten schickt das Flooting-Packet an alle seine Nachbarn Die Empfänger eines Flooting-Paketes ihrerseits senden das Packet an alle ihre Nachbarn ausser an denjenigen, von dem sie es erhalten haben

24 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Flooding Problem: bei einer Schleife im Netz würde das Paket ewig im Kreis herumgesandt werden Mögliche Lösungsansätze: Einführen einer Hop-Beschränkung Anhängen einer Zeitinformation Anhängen einer Laufnummer

25 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren Dynamische Topologie, Mobilität der Teilnehmer: das Netzwerk muss sich schnell an Änderungen anpassen können Bandbreitenbeschränkung: Es sollte möglichst wenig Bandbreite für das Routing benötigt werden, da sie schon für Nutzdaten knapp ist Energieknappheit mobile Geräte benutzen meist Batterien. Jeder Funkverkehr verbraucht Energie. Es soll mit möglichst wenig Funkaktivität möglichst viele Daten übertragen werden

26 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren Unidirektionale Verbindungen durch das Einbeziehen von unidirektionalen Verbindungen kann die Effizienz gesteigert werden Mehrere Routen zum gleichen Ziel meist sind mehrere Wege vorhanden, um ans Ziel zu gelangen. Wenn das Protokoll mehrere Routen speichert, kann beim Ausfall einer Route auf eine andere ausgewichen werden Sicherheit (Security/Privacy) drahtlose Netzwerke sind viel anfälliger als drahtbasierte Netze

27 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Anforderungen an Ad Hoc Routingverfahren Quality of Service (QoS) bspw. für Echtzeit-Unterstützung nötig wegen Bandbreitenbeschränkungen, starken Schwankungen der Verbindungsqualität

28 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Teil 3 Roger Grütter Ad Hoc Routing Verfahren

29 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Klassifikation l Adaptive Verfahren: – Stellen sich automatisch auf eine veränderte Netzwerktopologie ein. l Nicht-adaptive Verfahren: – Routen anhand fester Tabellen, daher für Ad Hoc Netzwerke nicht geeignet l Proaktiv (engl.: table-driven): – Unterhalten Routing- Tabellen zu allen Knoten im Netzwerk l Reaktiv (engl.: on-demand): – Berechnen Route erst, wenn diese gebraucht wird

30 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Distance Vector Routing l Vertreter: – Destination Sequenced Distance Vector (DSDV) – Ad Hoc On Demand Distance Vector (AODV) l Klasse: – DSDV: proaktiv – AODV: reaktiv l Probleme in Ad Hoc Netzwerken: – Loops – Count to infinity l Modifikation: – Sequenznummern

31 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing N 3, -,, 73 N 3 N N N 3 N Distance Vector Routing II Sequenznummer: N1N1 N3N3 N2N2 Routing Tabelle von N 1 Ziel Hop Metrik SeqNr l Nachteil: ständiger Versand von Netzwerkpaketen zur Aktualisierung der Tabellen N 3 N N 3 N Routing Tabelle von N 3 Ziel Hop Metrik SeqNr N 3, N 2, 2, 74N 3, N 2, 1, 74

32 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Link State Routing l Vertreter: – Optimized Link State Routing l Klasse: – proaktiv l Probleme im Ad Hoc Netzwerk: – Grosse Kontrollpakete – Fluten verursacht hohe Netzlast l Modifikationen: – Verkleinern der Kontrollpakete – Optimieren des Flutens

33 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Optimized Link State Routing l Basiert auf Multipoint Relays (MPR), übernehmen besondere Aufgaben bei der Weiterleitung von Kontrollpaketen l Zusätzlich Grundgerüst für Wegauswahl l Kontrollpakete: – Kleiner – Nur Menge von Nachbarknoten, die Knoten als MPR ausgewählt haben l Fluten: – Weniger Belastung des Netzwerks – Nicht mehr jede Kontrollnachricht wird weitergeleitet

34 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Source Routing l Vertreter: – Dynamic Source Routing (DSR) – Cluster Based Routing Protocol (CBRP) l Klasse: – Reaktiv l Weg wird dem Paket mitgegeben l Neuer Weg muss zuerst gesucht werden l Hauptfunktionen von DSR: – Route- Discovery: findet neuen Weg – Route- Maintenance: pflege eines bestehenden Weg l Beide Funktionen nur nach Bedarf, kein periodischer Austausch von Routing- Informationen

35 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Source Routing l Route- Discovery: – Request: – Respond: l Route- Maintenance: [A][A, B][A, B, C] [A, B, C, D] A B C D E [A, B, C, D, E] P P E E

36 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Zone Routing l Zone Routing Protokoll (ZRP) besteht aus dem Intra- Zone Routing Protokoll und dem Inter- Zone Routing Protokoll l Klasse: – hybrid (reaktiv und proatkiv) l Jede Zone bildet eine Routing- Zone um sich herum l Zu einer Zone gehören alle Knoten, die mit einer festgelegten Anzahl von Hops zu erreichen ist l Der Radius ist je nach Bedarf anpassbar

37 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Zone Routing II l Routing- Zone mit Radius 2 l Zonenintern: proaktiv l Zonenextern: reaktiv l Bordernodes zur Weiterleitung Zonenexterner Anfragen l Verbindungsunterbruch ist ein lokales Problem

38 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Vor- und Nachteile l Quality of Service, Sicherheit und mehrere Wege werden von keinem Protokoll unterstützt l Destination Sequenced Distance Vector + schnelle Wege - Netzlast, Tabellen, Aktualisierung l Optimized Link State Routing + kleinere Kontrollpakete, Optimierung des Flutens - Tabellen, Berechnung des kürzesten Weges l Dynamic Source Routing + Netzlast, Energie, unidirektionale Links - viele Route- Replys, Kontrollpakete gross l Zone Routing Protocol: + Vorteile von reaktiven und proaktiven Verfahren - Intrazone- Routing- Protokoll nicht spezifiziert

39 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Fragen ?

40 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Diskussion – Nachteile der Verfahren l Destination Sequenced Distance Vector (proaktiv) – periodische Updates – grosse Tabellen – langsame Aktualisierung – keine unidirektionalen Verbindungen – Sparmodus ? l Dynamic Source Routing (reaktiv) – Grosse Paketköpfe – Viele Route- Reply- Pakete – nur Zurücksendung der Errorpakete – Erkennung kürzester Wege?

41 © 2004 Christian Herter, Daniel Zuberbühler, Roger Grütter Seminar: Anwendung von ubiquitären, mobilen Kleingeräten Ad Hoc Networking und Routing Diskussionsfragen l Wie lassen sich User animieren, ihre Geräte freiwillig (trotz erhöhtem Energieverbrauch, geringerer Bandbreite) als Router zur Verfügung zu stellen? l Mobilfunkmarkt Schweiz: Wird ad hoc networking das bisherige System mit fixen Antennenmasten ersetzen können?


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