Ad-Hoc Nätverk. Christer Corneliusson Ett arbete i kursen Datakommunikation och Distribuerade System VT- 2005

Transkript

1 Ad-Hoc Nätverk Christer Corneliusson Ett arbete i kursen Datakommunikation och Distribuerade System VT Chalmers Tekniska Högskola

2 Innehållsförteckning Innehållsförteckning Introduktion Vad är Ad-Hoc? Vart är Ad-Hoc nätverk användbara? Bluetooth ett Ad-Hoc nätverk? Problemen med ad hoc nätverk Routing protokoll AODV Hur fungerar AODV? Om en länk går ner medan datavägen är upprättad DSR Hur väljer en nod en väg för ett meddelande? Vad händer om en nod försvinner ur nätverket? Hur byggs ett Route Error meddelandet upp? TCP i Ad-Hoc nätverk...8 Referenslista

3 1.Introduktion I och med att fler har skaffat sig bärbara datorer och att dessa ofta numera har inbyggt stöd för trådlösanätverk så har behovet och möjligheten att byta information trådlöst ökat markant både via infra rött ljus (IR) och radiovågor. Ofta så möter de trådlösa enheterna varandra på platser som inte har något fast nätverk så att datorerna kan kommunicera med varandra. Det kan tex vara arbetskamrater som träffas på ett hotellrum, flygplats eller i lunchrummet. Dessa nätverk av mobila nätverk har kommit att kallas ad hoc nätverk. Ett Ad hoc nätverk är en samling mobila enheter som skapar ett tillfälligt nätverk utan några hjälpmedel iform av centraliserade noder och administration. Nån form av generella routing protokoll är nödvändiga i ett ad hoc nätverk, då två noder troligen vill kommunicera med varandra trotts att de inte ligger inom räckvidd för varandra och inte kan kommunicera direkt med varandra. I figur 1 så visas ett fall då routing protokoll är nödnändigt om nod A vill kommunicera med nod C. Figur 1 Ringarna runt noderna visar nodens räckvidd vid sändning. De faktiska antal hopp ett meddelande måste ta i ett verkligt ad hoc nätverk är vanligen ganska litet men oftast större än 1 som i detta fall. Routing i ad hoc nätverk är mer kompliserad vad detta exempel visar då noder lätt kan flytta på sig eller försvinna helt från nätverket. 2.Vad är Ad-Hoc? Ad hoc är latin och betyder för detta ändamål och används ofta för att ange att något är improviserat. Tolkningen av ett ad hoc-nät är ett nätverk som förändras kontinuerligt och anpassas till terrängen och situationen. Ett ad hoc nätverk är ett nätverk där alla noder är en del av infrastukturen av nätverket. Det betyder att varje nod aggerar både som sändare/mottagare och router i samma nätverk. Ett meddelande som skall transporteras mellan två olika noder i nätverket routras med andra ord från nod till nod tills den kommer till rätt nod. 3

4 Eftersom nätverketverket komuniserar via ett trådlösta komunikations kanaler så kan noder flytta på sig (försvinna eller tillkomma) medans noderna som är anslutna till näteverket som de komuniserar över. Detta gör att routingingen blir en svår uppgift då topologin i närverket ändras hela tiden. Hur man skall hitta och skicka data till destinations noden över en stabil komunikationsväg i ett nätverk som har konstanta topologi förändringar är de största forskningsområderna innom mobila Ad-Hoc nätverk.[pierre] 2.1Vart är Ad-Hoc nätverk användbara? I militära sammanhang kan ad hoc-nät användas på slagfält där man snabbt ska etablera ett radionät mellan tex fordon i stridslinjen. Man kan även tänka sig att använda ad hoc nätverk inom civila nödsituationer då ett radionät måste användas men infrastrukturen är utslagen eller inte finns utbyggd, tex vid naturkatastrofer. 2.2Bluetooth ett Ad-Hoc nätverk? Bluetooth sägs ibland vara ett Ad-Hoc nätverk. Men det är inte ett renodlat Ad-Hoc nätverk eftersom det bygger på en master-enhet och upp till sju stycken slavenheter som bildar ett piconät. Med andra ord är Bluetooth i grunden ett cellulärt nät (ett nät med fasta noder). Systemet använder sig av bandspridning genom frekvenshopp. Det som gör att Bluetooth kan karaktäriseras som ett Ad-Hoc nätverk, är den dynamiska tilldelningen. Det finns dock ett mellanting, s.k. scater nets där två olika piconät kan länkas samman. En uppkoppling av typ master-slav-master är då upprättad. Dock har denna lösning inte Ad-Hoc nätverk:s totala flexibilitet. [Reinhold] 2.3Problemen med ad hoc nätverk Att använda vanliga routingprotokoll i ett ad hoc nätverk, och låta alla noder vara routrar, fungerar ganska bra men det finns ett par problem med denna lösning: När trådlösa nätverk används så är det inte säkert att alla länkar går att använda i båda riktningarna. Även om nod A i figur 1 tar emot ett meddelande från nod B att den är noden som är närmast C, alltså skall vara första hoppet om A skall sända ett meddelande till C så är det inte säkert att A kan skicka meddelanden till B. I figur 1 så är räckvidden från noderna lika låmg åt alla håll, men så är inte fallet i verkligheten. Många länkar mellan routrar ses som redundanta instället för en länk mellan A och C, för det kan finnas många noder innom As räckvidd som e lika bra på att routa till C som B. Nätverk som går över sladdar är ofta konfiguerade så att de har en (eller ett fåtal) vägar mellan två olika noder. Att mobila nätverk har redundanta vägar till andra noder gör att det blir fler meddelanden och mer CPU overhead att räkna ut nya vägar och updaterade vägar. Periodiska sändningar av route uppdateringar slösar på bandbredd. Oftast händer det ingenting mellan route uppdateringarna, men varje router (nod) måste forsätta att skicka periodiska uppdateringar så att de andra routrarna fortfarande har de vägar de har lagrade markerade som giltiga. Route uppdateringar från noder utanför en nods täckningsområde kommer inte att inverka på varandra, men om det är flera noder innom samma täckningsområde så kommer route uppdateringarna ta mycket av bandbredden i den delen av nätet. 4

5 Poeriodisk sändninga av route uppdateringar slukar mycket batteri kraft. De flesta mobila enheter i ett ad hoc nätverk har batterier som strömkälla. Varje paket som skickas tar en betydande del av bateriets kraft (Den skickar ut en energi våg ut i luften). Det krävs alltså mindre kraft att ta emot ett meddelande än att sända ett. Att en nod hela tiden tar emot periodiska medleanden gör att noden aldrig kommer att gå ner i lågenergi läge och på det viset spara batteri kraft. Vanliga routing protokoll är inte designade för att hantera dynamiska noder (noder som kan tillkomma, försvinna eller flytta på sig). I fasta nätverk kan länkar gå ner och komma upp, det kan bero på att en länk blir överbelastad, men routrar brukar inte flytta på sig och ändrar på det viset nätets topologi fram och tillbaka. Mobila noder kan karakteiseras genom att dessa kan flyttas på detta vis på grund av att de är mobila. Att skapa nya giltiga routing väger i nätet efter en flytt kan ta lång tid speciellt med distans vektor algoritmer. Det går att snabba på utspridningen av de nya routing vägarna genom att skicka route uppdaterings meddelanden oftare, men det kräver mer av nodernas batterier och bandbredden i nätet. Några av dessa problem går att lösa genom att välja lämpliga routing protokoll som är designade för ad hoc nätverk, medans andra fortfarande kommer att finnas kvar.[johnson] Ad hoc nätverken har även de problemen som ett allmänt trådlöst nätverk har, tex begrensad räckvidd och att länkarna är känsliga för störningar. 3.Routing protokoll Det finns många olika protokoll att använda när Ad-Hoc nätverk skall användas. De två vanligaste protokollen är AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector routing protocol ) och DSR (Dynamic Source Routing protocol ). 3.1AODV AODV är kan använda sig av både unicast (ett meddelande till en mottagare) och multicast(ett meddelandet till flera mottagare) routing. ADOV är ett protokoll som kopplar upp länkar då de behövs för att sända ett paket och håller länken öppen tills den inte behövs mer förutom de träd formade grupper som samman binder multicast grupper. AODV använder sekvensnummer för att hålla koll på de nyaste vägarna i nätverket. Protokollet är även själv initierande, loop fritt (Meddelanden går aldrig i cirklar i nätverket) och det kan hantera ett stort antal noder.[perkins] 3.1.1Hur fungerar AODV? AODV använder sig av en Route Request/Route reply teknik för att hitta rätt vägar i nätverket. När en nod skall bestämma vilken väg som ett meddelande skall ta på sin väg till mottagaren så skickar noden ut ett broadcast en Route request (RREQ) meddelande över nätverket. Noder som mottager detta RREQ uppdaterar sin route information och lägger till pekare som pekar på meddelandets käll nod i sina route tabeller. Förutom en avsändar nodens ipadress, sekvensnummer och broadcast ID så innehåller ett RREQ meddelande det senaste sekvensnummret till destinations noden som avsändaren känner till. En nod som tar emot ett RREQ skikar ett route reply (RREP) om det är noden som är destinationen eller att den har ett sekvensnummer till den noden som är större eller lika med det sekvensnummer som finns i RREQ. Skulle detta vara falllet så skickar noden en unicast RREP till avsändaren av RREQ. Om det inte skulle vara så att det är destinationsnoden eller att den innhåller en väg med minst lika stort sekvensnummer som det i RREQ så skickar noden meddelandet vidare i en 5

6 broadcast. Varje nod håller reda på vilka broadcast meddelanden den har behandlat genom att minnas avsändar adressen och broadcast id, skulle noden få ett broadcast den redan har behandlat så slänger noden bara meddelandet utan att behandla det. De noder som ett RREP passerar på sin väg till avsändaren av RREQ lägger till pekare till avsändaern av RREP. Så fort som en avsändare av RREQ har mottagit sitt RREP så börjar det skicka de meddelanden till noden via den nya vägen. Skulle en nod mottaga flera RREP på ett och samma RREQ så lägger den till flera vägar i sin route tabell men väjer at skicka på den noden som passerar minst antal noder Om en länk går ner medan datavägen är upprättad Så länge en dataväg anses vara aktiv så hålls den uprättad. En väg anses som aktiv om det skickas datapaket periodvis över datavägen. När en nod slutar skicka data över datavägen så riskeras att anslutningen att timas ut och bli ner kopplad, går det tillräckligt lång tid så tas till och med datavägen ur nodens route tabell. Om en länk går ner medans en dataväg är uppkopplad så genereras ett route error (RERR) meddelande av noden som ligger innan den brutna länken i datavägen. RERR skickas till avsändaren föra tt informera att destinationen (-erna) inte går att nå för tillfället. När avsändaren tar emot en RERR så kan noden skicka ett nytt RREQ för att hitta en ny väg till noden. Multicast hanteras på ett liknande vis. En nod som önskar att ansluta till en multicast grupp skickar ett broadcast RREQ med destinations adress satt till gruppens nod och med join flaggan satt så att gruppen vet att noden vill ansluta till gruppen. Varje nod som mottager detta RREQ och är medlem i gruppen som har en ganska ny dataväg skickar en RREP. När noderna skickar tillbaka RREP så updaterar de sina datavägs tabeller med adressen till gruppen. När avsändaren av RREQ mottager motsvarande RREP så sparar noden den dataväg med senaste sekvensnummer och den med minst hopp till gruppen. Efter det att noden har anmält sig till gruppen så skickar noden ett Multicast Activation (MACT) meddelande. Detta meddelande har uppgifen att activera datavägen. AODV upprätthåller datavägar så länge de är aktiva. Eftersom att nätverksnoderna är mobila så är det mycket troligt att några länkar kommer att gå ner under tiden en dataväg går via den länken. [Perkins]> 3.2DSR Grund versionen av DSR använder "source routing", där headern i varje datameddelande som sänds innehåller en ordnad lista med alla noder som meddelandeet skall passera på sin väg till destinations noden. Att använda source routing gör att den sändande noden kan kontrollera vilken väg som packetet som skickas tar. Om den sändande noden har flera möjliga vägar att sända meddelandeet på så kan den ta olika vägar för alla packet den skivkar och på så vis får man en viss last balansering i nätverket och att inte packeten skickas runt i cirklar i nätverket mellan datorer och på det viset kommer fram sent eller kommer inte fram alls. När en nod tar emot ett meddelande som inte är adresserat till noden så skickar den det vidare, men innan detta sker så kopierar den listan med noder som finns i meddelandets header i sin route cache. Detta med för att varje gång en nod vidarebefodrar ett meddelande så lär sig noden mer om nätverket och kan själv använda dessat vägar att skicka sina meddelanden. [Johnson] 6

7 3.2.1Hur väljer en nod en väg för ett meddelande? Normalt så kontrollerar en sändande nod sin route cache för att hitta en lämplig väg att sända sitt meddelande. Hittar noden ingen lämplig väg i route cachen så anropar den Route Discovery Protocol för att dynamiskt hittta en (bra) väg till destinations noden. T ex anta att en nod A försöker hitta en väg till nod E och inte hittar en väg i sin route cache. Route Discovery anropas av nod A för att hitta en väg till nod E och den proceduren går till så här: ^ "A" ^ "A,B" ^ "A,B,C" ^ "A,B,C,D" id=2 id=2 id=2 id= A ----> B ----> C ----> D ----> E v v v v Nod A skickar en "Route Request" till alla noder som finns innom nod A:s räckvidd inklusive nod B i detta exempel. Varje Route Request identifieras av avsändare, mottagare och Route Request id (i detta exempel 2) som är bestämd av den nod som anropade protokollet. Route request innehåller även en lista på vilka noder den har passerat (inklusive start noden). När en nod mottager meddelandet av typen Route Request (t ex B i detta fall) så tittar noden på meddelandet om det är den som är destinationen för Route Request så retunerar den ett "Route Reply" meddelande (som innehåller den vägen som Route Request meddelandet tog) till avsändaren av Route Request. När av sändaren av Route Request får meddelandet Route Reply så lägger den vägen som medföljer Route Reply i sin route cache och kan använda den för att skicka de meddelanden som gjorde att nod A frågade efter vägen till nod E. Om en nod mottager meddelandet av typen Route Request och ser att den redan har haft samma Route Request (samma avsändare, mottagare och id) eller att noden redan finns i Route Request meddelandes väg så gör noden ingenting med meddelandet. Skulle det vara så att noden ej har haft meddelandet tidigare så lägger den till sin adress i listan i meddelandet och skicakar en broadcast till alla noder den kan nå med sin räckvidd. När destinationsnoden (här nod E) skall retunera Route Reply till avsändaren av Route Request så skall den kolla sin route cache för att hitta en väg till avsändaren (här nod A) så den kan skicka tillbaka Route Reply. Hittar destinationsnoden inte någon väg till avsändaren så får den skicka en ny Route Request för att hitta vägen till avsändaren. För att förhindra att detta resulterar i att blir en evighets loop där noderna skickar Route Request till varandra så har man byggt in att man kan skicka med en Route Reply med en Route Request. Nod E skulle ju istället kunna vända på sekvensen av hopp i listan som den försöker sända i Route Reply och använda detta som väg på paketet som bär route reply. För MAC protokoll, som IEEE , vilka kräver en tvåvägs kommunikation som en del av MAC protokollet MÅSTE listan i Route Request vändas på detta sätt för att returnera Route Reply, då det testar den hittade vägen för att försäkra sig om att den klarar kommunikation i båda riktningarna, före avsändaren börjar använda denna väg. Denna vändning av listan undviker även att en andra Route Request utförs. Denna tekniken kommer att förhindra att man hittar en länkar där man bara kan sända data i en riktning. I trådlösa nätverk så är det tillåtet med enkelriktade datalänkar, och de kan i vissa fall vara mer effektiva eller enda vägen att komma till destinations noden.[johnson] 7

8 3.2.2Vad händer om en nod försvinner ur nätverket? När en nod får ett meddelande som skall vidarebofodras och märker att nästa steg i meddelandets väg går över en nod som inte finns där vägbeskrvningen anger att den skall finnas så skall den ta följande åtgärder: Ta bort meddelandet från sändkön. Skapa ett Route Error meddelande för packetet för att skicka till avsändaren av det medelandet med fel väg beskrivning. Om noden mottager fler medelanden som skall gå lver den trasiga länken så skickar den ändå bara ett Rout Error meddelande till varje avsändare. Om noden har en annan väg till destinations noden i sin route cache så skall noden skicka medelandet denna väg annars skall noden kasta meddelandet.[johnson] 3.2.3Hur byggs ett Route Error meddelandet upp? När en nod inte kan skicka till nästa nod när den skall vidarebefodra ett meddelande (efter ett visst antal försök) skall den retunera ett Route Error meddelande till avsändaren av meddelandet. En nod som skalll skicka ett Route Error meddelande måste utföra: Skapa ett IP paket som där avsändar adressen har värdet av adressen till noden som skapade paketet. Om räddnings fältet i det mottagna medelandet är satt till noll (om ingen tidigare nod har räddad meddelandet genom att sätta ny väg på det.) så kopieras avsändar adressen i det mottagna meddelandet som mottagar adress i i Route Error meddelandet. Är däremot räddnings fältet ett så kopieras destinations adressen istället till mottagarfältet i det nya paketet. Lägg till en ny DSR header i meddeladnet Lägg till ett Route Error alternativ till det nya paketet (sätt Error Type = NODE_UNREACHABLE), kopiera räddnings fältet i det mottagna meddelandet till det nya Route Error meddelandet och den adressen till den skulle hoppa till efter den noden som inte gick att nå till att vara nästa nod i vägen i det nya meddelandet. Skriv in nya destinations och avsändar adresser i ipaketet. Skicka iväg meddelandet[johnson] 4.TCP i Ad-Hoc nätverk Ett grundläggande problem med TCP är att protokollet inte kan skilja mellan olika fel på länken, utan alltid antar att felen beror på överbelastningar med påföljd att datatakten automatiskt sänks. Därför önskar man hitta en form av TCP som kan separera felen, och sålunda inte minska överföringshastigheten i onödan. Det skulle resultera i en ökad kapacitet hos Ad-Hoc nätverk. FOI har inom ramen för en studie tittat på problematiken. Studien fokuserar på hur tappade meddelande och länkfel gör att överföringskapaciteten ändras. Studien granskar också om man genom att modifiera TCP kan se om det är möjligt att öka kapaciteten på förbindelsen. Studien visade att i trådlösa nät erhålls en hög bitfelshalt, vilket innebär att TCP sänker takten. 8

9 I Ad-Hoc nätverk förvärras situationen ytterligare eftersom information skickas mellan mobila noder. En modifiering av TCP är nödvändig. En FOI studie, som bygger på simuleringar, visade att om andelen tappade meddelande inte överskrider 10 % påverkas kapaciteten inte allvarligt. Den nivån kan man komma ned till meddelst felrättande kodning i länklagret. I simuleringsmodellen visade det sig att inte heller avbrott ger särskilt stora problem. Det berodde bland annat på buffrandet i Ad-Hoc nätverk. Kapaciteten ökade då meddelandeen buffrades. Används buffring får korta avbrott endast en fördröjande effekt. Buffring innebär att informationen lagras tillfälligt för att sedan återges. Buffringen utförs främst för att tappade meddelande skall kunna sändas om och återgivningen skall bli sammanhängande. Vid simuleringarna gjordes också en modifiering av TCP genom att låta datatakten öka hastigt efter avbrott vilket också visade att en ökning av kapaciteten var möjlig. Slutsatsen var att man kan göra effektiva modifieringar av TCP. Men vill man uppnå full effekt måste man förändra TCP för att kunna sända med information om ev. överbelastning. Notera att förändringarna i TCP gav en kapacitetsökning, men att den byggde på buffring. Buffring medför alltid en viss fördröjning. Buffring har alltså inte bara positiva effekter. Det är viktigt att veta under vilka omständigheter buffring är till för- resp. nackdel i det här fallet. FOI:s studie visar sålunda att utvecklingen av TCP kan medföra en ökning av kapaciteten genom buffring. Korta avbrott får bara en fördröjande effekt. Det viktiga i detta sammanhang är att kunna garantera en maximal tidsförlust i samband med länkfel och bitfel. [Reinhold] 5.Diskussion Då ad hoc nätverk bygger på mobila trådlösa enheter så blir det problem om vanliga routing protokoll används då de är designade för noder som inte flyttar på sig (och sällan går ner). Detta gör att det har utvecklats speciella routing protokoll för ad hoc nätverk och de två vanligaste är AODV och DSR. Ad hoc nätverk är bra där man skall sättta upp tillfälliga nätverk med mobila enheter. Detta gör att ad hoc nätverk blir väldigt funktionella inom tex försvaret framme i stridslinjen så de olika enheterna har data kontakt mellan varandra. Det finns även civila användnigns områden tex vid naturkatastrofer och där man behöver snabbt skapa ett nätverk. Man bör dock inte använda ad hoc nätverk nära sjukhus och känsliga elektronisk utrustning, bara för att det är signaler i luften som kan störa ut utrustningen, dock inte om IR används. En av de stora problemen med ad hoc nätverk är att det är upp byggt av mobila enheter som oftast drivs med hjälp av batterier. För att ha aktuella datavägar till andra noder så behöver noderna skicka medelanden mellan varandra med jämna mellanrum, detta gör att batterierna tar slut ganska fort pga att sändningar kräver ganksa mycket energi. Ett annat problem med är att man aldrig kan vara säker på att mottagaren av ett meddelande finns kvar i nätet. Går vissa noder ner så kan det bli så att nätet delas av i två mindre nät. Oftast så är det så att istället för att bara ha en väg (som i ett nätverk som bygger på ledningar) så finns det flera vägar att skicka ett meddelandet till en annan nod. 9

10 Referenslista Johnson, David B; The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Network (DSR); < 26/4 2005; Rice University Perkins, Charles; Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing;< 2005; Perkins, Charles; Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing;< 28/4 2005; UC Santa Barbara Pierre, Samuel Barbeau, Michel Kranakis, Evangelos ; Ad-hoc, mobile, and wireless networks : Second International Conference,ADHOC-NOW2003, Montreal, Canada, October 8-10, 2003, Proceedings; Springer, 2003 Reinhold, Mj Tore; AD HOC-NÄT NÅGOT FÖR MOBILA ENHETER I NBF?; Försvarshögskolan 2002 Johnson, David B;Routing in Ad Hoc Networks of Mobile Hosts;Computer Science Department Carnegie Mellon University; Pittsburgh