AD-HOC HÁLÓZATOK

2011. május 19.,Budapest

Ad hoc hálózatok• mi az ad hoc hálózat?

• más elnevezések: multihop, önszervező, infrastruktúra nélküli

• A) mozgó készülékek által létrehozott hálózatA) mozgó készülékek által létrehozott hálózat

• a készülékek adattovábbítást is végeznek

• önszervező és átszervező

• folyamatosan változó topológia

• B) mobil készülékek + könnyen mozgatható, de a hálózat működése közben általában fix hozzáférési pontokáltalában fix hozzáférési pontok

• önszervező

• a hozzáférési pontok végeznek adattovábbítást: -> cellás hálózathoz hasonló

Ad hoc hálózatok• csomópontok: mobilok és a hordozható hozzáférési pontok

• összeköttetések: azon csomópontok között van, amelyek között a csatorna csillapítása kisebb egy küszöbnél p gy

Ad hoc hálózatok• alkalmazások

• katonai kommunikáció („smart dust”), űrkutatás

• készenléti szervek katasztrófaelhárításkészenléti szervek, katasztrófaelhárítás

• nagy tömeget vonzó események

• otthoni hálózat (intelligens ház, szg. hálózat + telekomm.+ szórakoztató ) ( ) ( )elektronika + házi automaták), járműbeli hálózat (VAN), testen viselt hálózat (BAN)

• érzékelő hálózatok, kis sebességű hálózatok

• infrastruktúra elérése, utolsó néhány csomópontinfrastruktúra elérése, utolsó néhány csomópont

• stb.

Ad hoc hálózatok• főbb problémák:

• fizikai réteg: teljesítmény takarékosság, változó topológia, asszimetrikus linkek

• adatkapcsolati réteg: közeghozzáférés-vezérlés: nincs központi egység amiadatkapcsolati réteg: közeghozzáférés-vezérlés: nincs központi egység ami felügyeli, elosztott módszer kell

• hálózati réteg: topológia felderítés, frissítés, útvonalválasztás változó topológiántopológián

• minden réteg: biztonsági kérdések, QoS biztosítása

Ad hoc MAC• többszörös hozzáférés:

• FDMA: nincs központi egység ami a frekvencia kiosztást felügyeli, minden frekvenciát hallgatni kellene, vagy külön vezérlő sávot kell létrehozni -> ezt is meg kell osztani

• TDMA: ez OK, szervezett módon: központi egység (master) kell az időrések elosztására (Bluetooth filozófia), ezt ki kell választani, masterek közti kommunikációban meg kell egyezni, gond a hálózatban az időrés-szinkronitást elérni; vivőérzékeléses eljárások: OK, de vannak problémák

• CDMA: ez OK, a kódok kiosztása a gond

• duplexitás: TDD (FDD lehet, ha vannak hozzáférési pontok vagy masterok, amik a két frekvencia között „fordítják” az adatfolyamot)

Ad hoc MAC• problémák vivőérzékeléses véletlen hozzáférés alkalmazásánál

• rejtett terminál: A ---- B ---- C : A ad Bnek, C nem hallja, ő is adást kezdeményezhet, ütközés B-ben

• kitett (exposed) terminál: A ---- B ---- C ---- D : B ad A -nak, C hallja nem ad D -nek, pedig nem lenne ütközés, kihasználtság romlik

• elfogás (capture): két terminál ad egyszerre valakinek a nagyobbelfogás (capture): két terminál ad egyszerre valakinek, a nagyobb teljesítménnyel vett adást az ütközés ellenére is venni tudja

k d h háló tb• nem csak ad-hoc hálózatban

Ad hoc MAC• a MAC minősítése:

• késleltetés:

• kihasználtság throughput: a csatorna kapacitásának hány százalékán megykihasználtság, throughput: a csatorna kapacitásának hány százalékán megy adat

• igazságos (fairness): prioritásnak megfelelő kapacitás jusson

f• stabilitás: forgalom ingadozásokat elviselje

• robosztusság a fading ellen

• ki fogyasztáski fogyasztás

• QoS, multimédia támogatás (prioritások, scheduling)

Ad hoc MAC• CSMA alapú MAC protokollok

• rejtett és kitett terminál problémája

• ütközés detektálás: nem megy adás közben venni sem lehet (időben duplexütközés detektálás: nem megy, adás közben venni sem lehet (időben duplex ált.), a vevő nem tud szólni hogy ütközés történt

• adás végén csak az ack. hiánya jelezné az ütközést: kapacitás pazarlás

/• ütközés elkerülési/érzékelési megoldások kellenek

• foglaltságjelzés egy másik frekvenciasávban (busy tone)foglaltságjelzés egy másik frekvenciasávban (busy tone)

• „kézfogásos” eljárások

Ad hoc MAC• kézfogásos módszerek

• aki küldeni akar, egy rövid RTS csomagot küld a címzett azonosítójával

• mindenki aki veszi az RTS-t nem admindenki, aki veszi az RTS t, nem ad

• a címzett az RTS vétele után válaszként CTS-t küld

• akik ezt veszik, azok se adnak

• a CTS megkapása után a küldő megkezdi az adást

Ad hoc MAC• EY-NPMA (Elimination-Yield Non-preemptive Priority Multiple Access)

• Hiperlan 1

• adó 1700 bitidőig figyeli a csatornát ha üres azonnal adni kezdadó 1700 bitidőig figyeli a csatornát, ha üres, azonnal adni kezd

• ha van rajta adás, megvárja a végét, majd megkezdődik a csatornahozzáférési periódus

• prioritások: minden csomagra eddigi várakozás alapján, maguk számolják, 0 -H-1 prioritási szint, 0 a legnagyobb

• 1. prioritizálási fázis: mindenki a saját prioritásának megfelelő időrésig (256 bitidő ké t) h ll tj t át h l ki d tt ki áll é á j köbitidő egyenként) hallgatja a csatornát, ha valaki adott, kiszáll és megvárja a köv. versenyzési fázist; ha nem, ad egy prio börsztöt, mivel a nagyobb prioritásúak hamarabb adnak, csak a legnagyobb prioritásúak mennek tovább

Ad hoc MAC• EY-NPMA (Elimination-Yield Non-preemptive Priority Multiple Access)

• 2. versenyzési fázis

• 2.a: elimináció: mindenki egy geo eloszlású számú időrésnyit ad (256 bitidő hosszú rések), utána hallgatja a csatornát, aki hallja hogy még más ad, abbahagyja és a köv ciklusban próbálkozik: akik a legnagyobb számú rést sorsolta, az megy tovább (több is lehet)

• 2.b: „termés” (yield): geo eloszlású véletlen számú időrést hallgatnak (64 bitidő hosszúak), ha addig más nem kezd adni, akkor küld egy csomagot

Ad hoc MACpélda

Ad hoc MAC

Ad hoc MAC•csomag prioritási szintek: felhasználó prioritástól (high, low) és csomag hátralévő g p p ( g , ) gélettartamától függ (NMRL = Normalized MPDU Residual Lifetime)

• legnagyobb prioritású csomag (0): high user priority és kisebb mint 10 msec NMRL

•legkisebb prioritású csomag (4): high user prioritás és több mint 80 msec NMRL•legkisebb prioritású csomag (4): high user prioritás és több mint 80 msec NMRL, alacsony user prioritás és több mint 40 msec NMRL

• 0 prioritású csak high user prioritású felhasználó csomagja lehet

Ad hoc MAC

• FPRP (Five Phase reservation Protocol)

• TDMA

• szinkronizáció van (GPS)

• a protokoll ciklusaihoz képest a topológia lassan változik

• a csp.-k ütközést tudnak észlelni

•minden csp.-nek egyedi azonosítója van

Ad hoc MAC

RS: az azonos sorszámú IS –ért lehet versenyezni itt, a következő keretek mindegyikében megkapja a győztes

minden RS valahány 5 fázisból álló figlalási ciklust tartalmazminden RS valahány, 5 fázisból álló figlalási ciklust tartalmaz

Ad hoc MAC• RR fázis: aki foglalni szeretne, p valószínűséggel küld egy RR

t többi h ll tcsomagot, a többi hallgat

• CR (Collision Report): ha egy node ütközést észlelt az RR fázisban, CR csomagot küld, ha az eredeti adó nem hall CR-t, feltételezi hogy CR csomagot küld, ha az eredeti adó nem hall CR t, feltételezi hogy kérése sikeresen átment és ő lesz az adó (TN), rejtett terminál megoldva itt

RC (Res Confirmation) TN itt RC csomaggal megerősíti a foglalását• RC (Resv. Confirmation): TN itt RC csomaggal megerősíti a foglalását (többi a környezetében ebből tudja, hogy övé az adott időrés)

• RA (Resv. Acknowledgement): mindenki, aki RC-t hallotta, küldi. Ha ( g )TN nem vesz ilyet, akkor tudja hogy el van vágva a többitől, ill a 2 hopralevők is tudják, bejegyzik az időrés foglaltságát

• P/E fázis (Packing/Elimination): minden 2 hopra levő küld akik RA t• P/E fázis (Packing/Elimination): minden 2 hopra levő küld akik RA t hallják, de RC –t nem, küld egy P csomagot, akik ezt hallják, de a többit nem, jobb eséllyel versenyezhetnek az időrésért, a foglalási valószínűségüket igazítják ehhez valamint Tn adja deadlockvalószínűségüket igazítják ehhez, valamint Tn adja deadlockfeloldásához

Ad hoc routing• cél: az ad hoc hálózat két tetszőleges csomópontja között továbbítani csomagokat, lehetőleg valamilyen szempontból optimálisan

• proaktív algoritmusok (táblázat alapú): az útvonalak az átvitel előtt ki vannak számolva, minden csp. táblázatokban tárol routing információt (milyen célcím esetén melyik a next hop, ahová küldeni kell), ezeket frissíteni kell a topológia változásakor, a frissítésnek az egész hálózatban meg kell történnie

• reaktív algoritmusok (forrás által kezdeményezett, vagy igény szerinti útvonalválasztás): a forrás kezdeményez egy útvonal keresési folyamatot a hálózatban, adás előtt. ha az útvonal megvan, útvonal-fenntartási folyamat, amíg kell az útvonalaz útvonal

• hierarchikus útvonalválasztási algoritmusok

Ad hoc routing• táblázat alapú algoritmusok:p g

• DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector routing)

• útvonal táblázatok minden csomópontban: lehetséges célhoz tartozó útvonalhoz hova kell küldeni + ugrások száma + sorszámhova kell küldeni, + ugrások száma, + sorszám

• táblázat frissítések ha valami történik: teljes (ritkán), frissítések

• a sorszám azt mutatja, hogy mennyire friss a bejegyzés

• a legfrissebb útvonalat választják

Ad hoc routing• CGSW (Clusterhead Gateway Switch Routing)( y g)

• a mobilok csoportokra, klaszterekre osztva

• minden csoportnak van „feje”, ezt a mobilok egy elosztott algoritmussal választjákválasztják

• átjáró csomópontok: amik egyszerre több csoport vezetőt is el tud érni, csomagok útja: mobil-fej-átjáró-fej stb.

• kétféle táblázat minden mobilban: klaszter vezető táblázat: minden lehetséges célhoz a legjobb úton a következő klaszter fej, útvonalválasztási tábla: a következő ugrás egy bizonyos cél eléréséig

• tábla változások üzenetszórva

• kap egy csomagot: klaszte vezető táblázatból kikeresi hogy melyiknek küldje, utána routingból hogy ehhez melyik a next hop

Ad hoc routing• WRP (Wireless routing protocol)( g p )

• minden csp-ban 4 táblázat: távolság táblázat, útv. táblázat, link költség tábla, üzenet újraküldési lista

• mobilok frissítéseket küldenek egymásnak: ök eltűnése új ök megjelenése• mobilok frissítéseket küldenek egymásnak: ök. eltűnése, új ök. megjelenése esetén; ezeket továbbküldik, illetve néhányra ACK -ot várnak

• a szomszédságot az üzenetekből, ACK -okból illetve ha ezeket nem ad, néha hellot küldhellot küld

Ad hoc routing• forrás által kezdeményezett útvonalválasztási módszerek

• AODV (Ad hoc on-demand distance vector)

• DSDV hez hasonlít, de nincs gyakran tábla frissítés, csak egy adott útvonalon található mobilok vesznek részt a frisstésben

• mobil adni akar, RREQ üzenetet küld mindenkinek, ezt mindenki továbbküldi (ha van bejegyzése a célról, de régi, akkor is)

• addig megy tovább míg a célhoz vagy egy olyan közbülsőhöz ér amelyiknek• addig megy tovább míg a célhoz, vagy egy olyan közbülsőhöz ér, amelyiknek elég friss bejegyzése van

• az RREQ továbbítása közben mindenki feljegyzi, hogy kitől kapta az első másolatát az adott üzenetnek ez egy visszaút leszmásolatát az adott üzenetnek, ez egy visszaút lesz

• a cél vagy egy közbülső egy RREP választ küld az RREQ által kijelölt útvonalon

• az RREP a forrásig megy, mindenki megjegyzi kitől kapta: útvonal

Ad hoc routing• AODV (folyt.)

• látható, hogy csak szimmetrikus linkekkel működik

• ha a forrás elmozdul: kezdeményezhet újra egy útvonalkeresést

• ha másik mozdul el: a szomszédja küld egy link failure üzenetet ezt• ha másik mozdul el: a szomszédja küld egy link failure üzenetet, ezt továbbküldik a forrásik, kezdeményezhet újat

Ad hoc routing• DSR (dynamic source routing)

• mobilokban útvonal tárolók, a teljes útvonalat tárolják minden célig

• küldeni akar és nincs útvonala: RRQ broadcast, cél címe, forrás címe, kérés azonosító

• mindenki továbbítja, aki nem tud útvonalat, a csomagban beleteszi a saját címét, csak akkor továbbítja, ha ez az első

• ha valakinek van jó útvonala a célig vagy a cél válaszol benne van a válszban• ha valakinek van jó útvonala a célig, vagy a cél válaszol, benne van a válszban a teljes útvonal (amin az RRQ jött), ill. közbülső node hozzáteszi a saját útvonalát

• a válszt küldheti egy tárolt útvonalon, ill. szimm. esetben az RRQ útvonalán, ill küldhet RRQ -t amihez csatolja a választküldhet RRQ t, amihez csatolja a választ

Ad hoc routing

• ABR (Associativity based routing)

• mérték: összeköttetés stabilitás foka -> mobilitással fordítottan arányos

• minden mobil periodikusan jelzést küld, a szomszédai ez alapján összeköttetés táblázatot frissítenek

• útvonal keresésnél: broadcast kérés, mindenki továbbítja és beleteszi címét és éd i k ó j ll őa szomszédaira vonatkozó jellemzőt

• a következő a magára vonatkozó jellemzőt hagyja csak benne majd továbbküld

• a célhoz megérkezik több útvonalon, a cél azt választja, aminek a stabilitása aa célhoz megérkezik több útvonalon, a cél azt választja, aminek a stabilitása a legnagyobb, egyenlők közül a legkevesebb ugrásból állót

• ezen az útvonalon küld választ, ezt a nodek aktívnak jelölik, a többi inaktív

Ad hoc routing

• SSR (Signal Stability routing)

• csp. közti jel erőssége és a mobil helyztének stabilitása alapján

• rreq üzenetek küldése, csak erős csatornán továbbítják, mérték: stabilitás

• legstabilabb erős csatornás útvonal választása

• ha nincs rreplay üzenet, a forrás új broadcastot kezdeményez, engedélyezve a gyenge csatornán való továbbítást

Ad hoc routing• TORA (temporally ordered routing algorithm)

• adaptív, hurkokat nem okozó, változékony mobil környezetben alkalmazható

• minden forrás-cél párhoz több útvonalminden forrás cél párhoz több útvonal

• hibrid algoritmusok

• CEDAR (core extraction distributed adhoc routing)

• ötlet:elosztott algoritmussal kiválasztják a hálózat magját, ezek vesznek részt csak az útvonalszámításban és frissítésben

• kisebb az overhead

• ZHLS (zone-based hierarchical link state)

• a hálózat zónákra van osztva, GPS alapján minden mobil tudja melyik zónában vanvan

• hierarchikus a routing: zonán belül és zónák között