Ad-Hoc Routing Motivation Ansätze aus dem Festnetz Reaktive Ansätze Positionsbasierte Ansätze Ad-Hoc Routing 9.0.2

Ad-Hoc-Netzwerke Ad-Hoc-Netzwerke benötigen keine feste Infrastruktur alle Knoten sind Mobil abgelegene Gegenden, spontane Treffen, Katastrophen auch Kosten können gegen eine Infrastruktur sprechen Hauptproblem: Wegwahl keine Standard-Router vorhanden potentiell muß jeder Knoten weiterleiten können A B C Ad-Hoc Routing 9.17.1

Routing-Beispiel für ein ad-hoc-Netzwerk Zeit = t1 Zeit = t2 gute Verbindung schlechte Verbindung Ad-Hoc Routing 9.39.1

Traditionelle (Proaktive) Routing-Algorithmen Distance Vector periodischer Austausch mit den physikalischen Nachbarn wer über welche Distanz erreicht werden kann Auswahl des kürzesten Pfades bei Wegalternativen Link State periodische Benachrichtigung aller Router über den Zustand aller physikalischen Verbindungen Router erhalten also ein „vollständiges“ Bild des Netzes Beispiel RIP (Distance Vektor), DSDV (für Ad Hoc Netze verbessert) OSPF (Link State) Proaktiv die Wege durch das Netz konstant aufrechterhalten, egal ob sie zur zeit verwendet werden oder nicht. Ad-Hoc Routing 9.18.1

Probleme traditioneller Routing-Algorithmen Dynamik der Topologie häufige Änderung der Verbindungen, Teilnehmer, Verbindungsqualitäten systeminhärent Begrenzte Leistung der mobilen Geräte periodische Aktualisierungen der Routing-Tabellen benötigt viel Energie ohne Nutzdaten zu senden, Ruhemodus unmöglich ohnehin begrenzte Bandbreite der Geräte zusätzlich durch Austausch der Routing-Information geschmälert Verbindungen können asymmetrisch sein, d.h. richtungsabhängige Übertragungsqualitäten besitzen Problem Protokolle wurden für Festnetze mit relativ seltenen Änderungen entworfen und gehen meist von symmetrischen Verbindungen aus Ad-Hoc Routing 9.19.1

Ad-Hoc-Routing Zwei Klassen von Routing Protokollen für Ad-Hoc-Netze: - reaktiv: die Bestimmung von Routen geschieht nur dann, wenn Daten gesendet werden sollen. - positionsbasiert: Pakete werden anhand der physikalischen Position des Zieles weitergeleitet, es gibt keine Routen mehr! Ad-Hoc Routing

Reaktives Ad-Hoc-Routing: Dynamic Source Routing Grundidee des Dynamic Source Routing (DSR): - Pakete erhalten vom Absender eine Vollständige Beschreibung des Pfades zum Empfänger (Source Routing) - zu Beginn der Kommunikation muss ein Pfad zum Empfänger gefunden werden (Dynamic) - während der Kommunikation muss der Pfad gepflegt werden - wenn keine Kommunikation stattfindet werden Pfade nicht gepflegt Ad-Hoc Routing

DSR: Auffinden eines Pfades (Route Discovery) I Der Sender schickt eine Nachricht (Route Request) per Broadcast an alle Nachbarn: - Sender und Empfänger Adresse - Sequenznummer - Liste aller Knoten welche die Nachricht weitergeleitet haben (ist zu Beginn leer) Ein Knoten empfängt einen Route Request) und ist nicht der endgültige Empfänger: - schaue im Cache nach ob die Nachricht mit dem (Sender, Empfänger, Sequenznummer) Tupel bereits gesehen wurde, wenn ja, verwerfe Nachricht - Überprüfe ob dieser Knoten schon in der Liste enthalten ist, wenn ja, verwerfe Nachricht - Sonst: hänge die eigene Adresse an die Liste an und forwarde das Paket an alle Nachbarn, trage das (Sender, Empfänger, Sequenznummer) Tupel in den Cache ein Ad-Hoc Routing

DSR: Auffinden eines Pfades II Ein Knoten Empfängt einen Route Request und ist der endgültige Empfänger: - wenn symmetrische Verbindungen angenommen werden, dann schicke eine Antwort (enthält Pfad) auf dem Pfad zurück, auf dem das Paket angekommen ist - wenn asymmetrische Verbindungen angenommen werden, dann führe den Algorithmus zur Pfaderkennung in umgekehrter Richtung durch, übertrage dabei die Pfadinformationen für den Hinweg im Paket welches hierfür verwendet wird Der Sender empfängt eine Antwort: - trage den Pfad in einen Cache ein und beginne mit der Übertragung Ad-Hoc Routing

DSR: Pflegen eines Pfades (Route Maintenance) Jeder Knoten ist dafür verantwortlich, dass Pakete die über ihn geleitet werden beim nächsten Knoten ankommen, dies erfordert Übertragungswiederholungen bei Paketverlust: - häufig implizite Bestätigung auf Schicht 2 (IEEE 802.11) - abhören dessen was der Nachbar sendet Wenn eine maximale Anzahl Übertragungswiederholungen gescheitert ist, dann wird ein Route Error an den Sender des Pakets geschickt: - A muss den Pfad aus seinem Cache löschen - wenn A keinen alternativen Pfad kennt muss ein neues Route Discovery durchgeführt werden Ad-Hoc Routing

DSR: Optimierungen für das Auffinden eines Pfades I Alle Informationen über Pfade in Paketen, die man mithört, werden im Cache abgelegt: - bei unidirektionalen Links dürfen nur die Informationen verwendet werden die die Links in die richtige Richtung durchlaufen Beantworten von Route Requests aus dem Cache: - wenn ein Knoten einen Pfad zum Empfänger in seinem Cache hält, dann darf er die Anfrage mit diesen Informationen direkt beantworten - dabei muss der Knoten darauf achten, daß der Wege, den der Route Request bereits zurückgelegt hat und der Wege im Cache keinen Knoten gemeinsam hat, sonst kann es zu Schleifen kommen Ad-Hoc Routing

DSR: Optimierungen für das Auffinden eines Pfades II Verhindern von Antwortimplosionen: - wenn Knoten aus dem Cache antworten können, dann kann es zu einer Antwortimplosion kommen, d.h. sehr viele Knoten generieren eine Antwort - dadurch kann es zur Überlast des Netzes kommen - daher verzögert ein Knoten der aus dem Cache antwortet seine Antwort um eine Zufällige Zeit d=H*(h-1+r) - h=Länge der Route wie sie in der Antwort stehen würde - H=Konstante (mindestens die zweifache hop-to-hop Verzögerung) - r=eine gleichverteilte Zufallszahl zwischen 0 und 1 - sieht ein Knoten eine Antwort von einem anderen Knoten, dann sendet er keine Antwort Ad-Hoc Routing

DSR: Optimierungen für das Auffinden eines Pfades III Hop Limit: - ein Route Request enthält einen hop limit, welches angibt wie häufig er weitergeleitet werden darf bevor er verworfen wird - dieses kann verwendet werden um die Suche nach einem Pfad zunächst auf den lokalen Bereich zum beschränken - wenn im lokalen Bereich die Suche erfolglos bleibt kann das hop limit in weiteren Versuchen langsam erhöht werden (expanding ring search) Ad-Hoc Routing

DSR: Optimierungen für die Pflege des Pfades I Pakete Retten: - wenn ein Konten ein Paket nicht entsprechen der Route im Paket weiterleiten kann, dann sucht er in seinem Cache nach einem neuen Weg - findet er einen, dann schick er einen Route Error an den Absender, forwarded das Paket aber auf dem neuen Pfad Automatisches Kürzen der Route: - wenn ein Knoten ein Paket empfängt welches nicht an ihn gerichtet ist wird die Route des Paketes untersucht - wenn er dabei feststellt, dass er das Paket später empfangen wird (er ist in dem Pfad des Paketes enthalten) dann kann er die Route kürzen - der Knoten sendet einen neuen Pfad zum Absender des Paketes, der die Knoten, die überflüssig geworden sind, nicht mehr enthält Ad-Hoc Routing

DSR: Optimierungen für die Pflege des Pfades II Schnelleres Verbreiten von Route Error Nachrichten: - wenn ein Knoten einen Route Error für ein Ziel erhält, dann wird dieser mit dem darauf folgenden Route Request mitgeschickt - durch das Fluten des Route Request werden alte Einträge in den Caches der anderen Knoten gelöscht Ad-Hoc Routing

DSR: Weitere Informationen Weitere Informationen zu DSR findet man in: D. Johnson, D. Maltz, Y. Hu, J. Jetcheva: The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks. Internet Draft: draft-ietf-manet-dsr-05.txt. 2001. Ad-Hoc Routing

TORA: Temporally-Ordered Routing Algorithm Quelle: V. Park und M.Corson: „A Highly Adaptive Distributed Routing Algorithm for Mobile Wireless Networks“. In IEEE Infocom, 1997. Idee für das Routing zu einem Zielknoten: - Assoziiere alle Knoten im Netz mit einer „Höhe“ - der Zielknoten hat die geringste Höhe - Pakete zum Zielknoten werden „abwärts“ weitergeleitet Charakteristika: - Schleifenfrei, mehrere redundante Routen, Lokalität der Informationen bei Pfadänderungen Ad-Hoc Routing

TORA: Auffinden des Pfades Ad-Hoc Routing

TORA: Pflege des Pfades Vorgehensweise: - hat ein Knoten keinen „abwärts“ Link, dann setzt er seine „Höhe“ auf sehr groß und teilt dies den Nachbarn mit - bei Linkausfall wird dadurch ein „Link-Reversal“ durchgeführt - komplexes Verfahren! Ad-Hoc Routing

TORA: Pflege des Pfades - Beispiel Ad-Hoc Routing

AODV: Ad-hoc On-Demand Distance Vektor Routing Quelle: C. Perkins and E. Royer: Ad-hoc On-Demand Distance Vecotr Routing. In Proceedings of IEEE WMCSA'99, New Orleans, LA, Feb. 1999, pp. 90-100. Prinzipielle Idee: AODV ist ein Distance Vektor Protokoll welches reaktiv arbeitet. Ähnlich zu DSR, nur das Hop-by-Hop Weise geroutet wird und kein Source Routing Verwendung findet. Ad-Hoc Routing

AODV Auffinden des Pfades Es wird ein Route Request Paket per Broadcast verschickt. Dieses Paket wird wie in DSR weitergeleitet. Knoten die das Paket weiterleiten merken sich den Rückweg zum Sender des Route Request Paketes (symmetrische Verbindungen erforderlich!). Kennt ein Knoten den Pfad zum Ziel, dann schickt er eine Antwort and den Sender des Route Request Paketes. Die Antwort durchläuft den Rückweg und baut dabei den Pfad auf. Dann können Datenpakete gesendet werden. Ad-Hoc Routing

AODV: Auffinden des Pfades - Beispiel Ad-Hoc Routing

AODV: Pflegen des Pfades Einfach: wenn ein Link bricht, dann wird dies entlang des reverse Path allen Knoten mitgeteilt. Der Sender kann daraufhin versuchen wieder einen neuen Pfad zu finden. Ad-Hoc Routing

Evaluation der Reaktiven Ansätze Quelle: J. Broch et. al.: A Performance Comparison of Multi-Hop Wireless Ad Hoc Network Routing Protocols. In Proc. of MobiCom, 1998. Vergleich von DSR, TORA, DSDV und AODV mittels Simulation in ns-2. Parameter: - Schicht 2: IEEE802.11 - Gebiet: 1500m x 300m - Knoten Bewegen sich zu einem Punkt mit konstanter Geschwindigkeit (20 m/s) pausieren dort und wählen einen neuen Punkt aus. - Daten: Constant Bitrate mit 10-30 Quellen mit je bis zu 64 kbit/s Ad-Hoc Routing

Anteil erfolgreich zugestellter Pakete Ad-Hoc Routing

Routing Overhead Ad-Hoc Routing

Positionsbasiertes Ad-Hoc Routing Vorgehensweise: - alle Knoten kennen ihre eigene Position (GPS) - alle Knoten kennen die Position ihrer Nachbarn (durch regelmäßige 1-Hop Broadcasts) - im ersten Schritt bestimmt der Sender die Position des Empfängers: Positionsdienst - dann werden Pakete geschickt, die von den Knoten mit einer gewissen Strategie in die richtige Richtung weitergeleitet werden - Adresse: eindeutiger Identifizierer + Position Ad-Hoc Routing

Positionsdienste Naheliegende Idee: Positionsänderungen werden im Netz geflutet - einfach, - aber ineffizient! Bessere Strategien: - Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) - Grid Location Service (GLS) - Homezone Ad-Hoc Routing

Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) Der „Distance Effect“: - bei Bewegung der Knoten ändert sich die Richtung zu einem weit entfernten Knoten weniger schnell, als zu einem nahen Knoten: DREAM: - das Fluten der Positionsinformationen hat unterschiedliche Reichweiten: kurz=häufig, weit=selten - die Frequenz des Flutens hängt von der Bewegung des Knotens ab: schnell=häufig, langsam=selten Ad-Hoc Routing

Homezone Vorgehensweise: - der eindeutige Identifizierer eines Knotens wird auf eine Region abgebildet (hashing) - wenn sich ein Knoten bewegt, sendet er ein Update seiner Position an alle Knoten in dieser Region - wenn man einen Knoten erreichen möchte, dann fragt man in der zugehörigen Region nach seiner Position Problem: was tun, wenn die Region keinen Knoten enthält? - Größe der Region dynamisch anpassen - Mehrere Regionen pro Identifizierer (Redundanz) Ad-Hoc Routing

Grid Location Service (GLS) Prinzipielle Vorgehensweise: - das Gebiet des ad hoc Netzes wird in Quadrate zerlegt - die hierarchische Anordnung der Quadrate bildet einen Quadtree - jeder Knoten hat eine eigene Sicht auf den Quadtree: - in jedem Element des Quadtrees soll es einen „location server“ für den Knoten geben - „location server“ = Knoten mit der nächsthöheren ID in diesem Element des Quadtrees 1. Ordnung 2. Ordnung Ad-Hoc Routing

GLS Location Query Annahme: es seien die Positionsinformationen über die Knoten wie beschrieben verteilt. Algorithmus zum Auffinden von der Position von Knoten A: - ist man selbst Positionsserver für A: trivial - sonst suche in Element 1. Ordnung den Knoten dessen ID am wenigsten die von A überschreitet – möglich, da man alle Knoten im Element 1. Ordnung kennt - dieser Knoten MUSS ein Positionsserver für den Knoten sein, der im Element 2. Ordnung am dichtesten über der ID von A liegt. - führe dies fort, bis man einen Positionsserver von A erreicht Ad-Hoc Routing

GLS Location Query - Beispiel Ad-Hoc Routing

GLS – Location Update Ein Knoten verteilt Infos über seine Position an: - alle Knoten im selben Quadtree Element in dem er sich befindet - an die Positionsserver in den anderen Quadtreee Elementen - dazu wird die Position mittels Positionsbasiertem Routing an einen beliebigen Knoten im entsprechenden Quadtree Element geleitet - dann wird der gleiche Algorithmus wie bei der Suche nach einem Positionsserver verwendet Ad-Hoc Routing

Strategien zur Paketweiterleitung 2 Ansätze: - greedy forwarding - Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) - restricted directional flooding - Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) Ad-Hoc Routing

Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) Vogehen: - jeder Knoten kennt die Position seiner Nachbarn (periodischer 1-Hop Broadcast) - die Position des Empfängers steht im Header des Paketes - zum Weiterleiten wird ein Nachbar ausgesucht, der: - den weitesten Fortschritt zum Empfänger erzielt (GPSR) - oder der am nächsten am weiterleitenden Knoten liegt - oder der am besten die Richtung zum Empfänger annähert - oder ein zufälliger Nachbar mit Fortschritt Ad-Hoc Routing

GPSR Beispiel Ad-Hoc Routing

Problem bei Greedy Forwarding Ad-Hoc Routing

Lösung für das Problem in GPSR Parimeter Routing (um Funklöcher „herumrouten“): - bestimme Verbindungslinie vom momentanen Knoten zum Empfänger - forwarde das Paket über die Kante die als nächstes gegen den Uhrzeigersinn von der Verbindungslinie liegt - im nächsten Knoten forwarde das Paket über die nächste Kante gegen den Uhrzeigersinn von der Kante über die das Paket erhalten wurde - wenn diese neue Kante die Verbindung (erster Schritt) schneiden würde nimm die nächste Kante gegen den Uhrzeigersinn - wenn ein Knoten erreicht wird, der näher am Ziel ist als der Eintrittsknoten für das Perimeter Routing benutze wieder greedy Ad-Hoc Routing

Perimeter Routing Beispiel Achtung: in GPSR würde hier kein perimeter routing verwendet werden, sondern nur greedy forwarding Ad-Hoc Routing

Perimeter Routing Wichtig: - alle Informationen stehen lokal zur Verfügung oder werden im Paket gespeichert, keine globale Sicht notwendig - wenn keine Route zum Ziel existiert wird dies bemerkt, weil dann das Paket in einem Polygon kreist, dann wird das Paket verworfen Ad-Hoc Routing

GPSR Anmerkungen GPSR wurde von den Autoren evaluiert: - in allen wesentlichen Kriterien besser als DSR - aber es war Vorraussetzung, daß die Position des Empfängers dem Sender immer exakt bekannt ist - interessant wäre eine integrierte Untersuchung von Positionsdienst und GPSR Ad-Hoc Routing

Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) Prinzipielle Idee: - berechne eine Region (Kreis) in der sich der Empfänger wahrscheinlich aufhält: - der Kreis hat die zuletzt bekannte Position des Empfängers als Mittelpunkt - der Radius des Kreises wird berechnet mit der maximalen Geschwindigkeit eines Knoten multipliziert mit der Zeit die seit dem letzten Positionsupdate vergangen ist - das Paket wird an alle Knoten weitergeleitet, die in Richtung des Kreises liegen - dabei wird die lokale Information verwendet, je näher man dem Ziel kommt, desto genauer sollte sie also werden Ad-Hoc Routing

DREAM – Weiterleiten von Paketen Ad-Hoc Routing

Evaluation positionsbasierter Ansätze Gibt es noch nicht. Aktuelles Forschungsgebiet. Ad-Hoc Routing