Ad hoc networks Sven Claesson, 820622-4951
Inledning Vad är ad hoc och MANET? Ad hoc eller MANETs (Mobile Ad Hoc NETworks) är ett typ av trådlöst nätverk men till skillnad från vanliga nätverk så behöver inte MANETs ha någon underliggande fast infrastruktur så som t.ex. accesspunkt. Istället så är det noderna själva som håller ihop nätverket. Än så länge så är det fortfarande militären som är det största användningsområdet för att enheter i fält ska kunna kommunicera med varandra men ad hoc kommer mer och mer även för kommersiellt bruk. Vad som ytterligare karakteriserar ad hoc nätverk är att det snabbt kan förändras. Noder kommer och noder försvinner. Noder som befinner sig inom räckvidd kan kommunicera direkt med varandra medan noder som ligger längre bort måste förlita sig på att andra noder vidarebefordrar meddelanden. Figur 1 I figur 1a så bygger noderna A-F upp ett ad hoc nätverk. Cirkeln runt A representerar dess räckvidd. Om nu nod D flyttar sig utanför A:s räckvidd så bygger fortfarande samma noder upp ett nätverk men det ser nu väldigt annorlunda ut. Historia Grunden till ad hoc nätverk kom till så tidigt som 1968 när ALOHA skapades på Hawaii för sammanbindning av universitetsnätverk. Trots att här användes fasta stationer så användes många metoder som senare även skulle visa sig vara användbara i ad hoc nätverk. ALOHA stödjer enbart enkelhopp men av inspiration från ALOHA så utvecklades 1973 någon som kallas PRnet (packet radio network) vilket är en vidarutvecklig av ALOHA med även stöd för multi-hops. När det senare kom en standard för trådlöst nätverk, IEEE 802.11 så ersattes namnet från packet radio network med ad hoc network. Routing Eftersom multi-hops är en stor viktig del i ad hoc nätverk så behövs någon form av routing protokoll. Dess funtion är dels att hitta en väg mellan en start och en slutnod samt att sedan leverera meddelandet till rätt destination. Varför används då inte ett av de gamla vanliga protokollen som link state och distance vector? Det stora problemet med dessa protokoll är att de är konstruerade för att fungera i statsiska nätverk. Det blir problem när nätverksstrukturen ändrar sig ofta. Det skulle säkert fungera bra i ett ad hoc nätverk med att använda link state eller distance vector ifall nätverket inte förändras så ofta. Problemet med dessa protokoll är fortfarande att de kräver
mycket utbyte av kontrollmeddelanden. I takt med att nätverket växer så växer även antalet möjliga destinationer. Eftersom båda dessa protokoll försöker upprätthålla routes till alla destinationer i nätverket så blir man tvungen att slösa kraftigt med bandbredd, batteri, beräknings kapacitet på att hantera kontrollmeddelanden. I de gamla traditionella protokollen så förutsätter man även att varje länk mellan två noder kan skicka meddelanden i båda riktningarna. Detta är tyvärr inte alltid fallet med trådlös radioöverföring. Ett routing protokoll för ad hoc nätverk kan behöva följande egenskaper, Distribuerad lösning, Protokollet måste givetvis vara distribuerad och inte beroende av någon centralt styrande nod. Detta är viktigt även för stationära nätverk men ännu viktigare för ett ad hoc. Här gör nämligen den höga rörligheten att nätverket lätt blir partitionerad och mindre nätverk skapas som inte har någon kontakt med varandra. Loop Free, För att öka prestandan behöver man ett protokoll som kan garantera att vägarna man får inte innehåller några upprepande cykler. Detta är viktigt för att spara på resurser så som bandbredd och CPU kapacitet. Baseras på noders förfrågan, Protokollet ska bara reagera när det behöver (reactive) och inte skicka kontrollmeddelanden till alla noder med jämna mellanrum (proactive). Länkar som fungerar bara i en riktning, Speciellt för trådlöst radioöverförings miljö är detta vanligt. Protokollet behöver därför ta hänsyn till detta för att öka prestanda. Säkerhet, Eftersom trådlös överföring är utsatt för bl.a. tjuvlyssning behövs funktioner för att hantera detta, så som kryptering och autentisering. Ett stort problem här är dock distribueringen av nycklar. Strömsparande, Eftersom noderna i ett ad hoc nätverk är små bärbara enheter som laptops och PDAs med mycket begränsad batterikapacitet. Med i protokollet bör därför finnas möjlighet att hantera noder som går in i stand-by mode eller liknande för att spara ström. Multiple routes, Eftersom nätverket kan ändras ofta behövs flera möjliga vägar till en slutnod. Ifall nu en av vägarna slutar att fungera behöver man då inte direkt starta en ny route discovery algoritm. QoS, Quality of Service är viktigt för bl.a. röst applikationer. IETF har sedan några år tillbaka en grupp som heter MANET som arbetar med att ta fram protokoll samt fastställer RFCs för att försöka arbeta fram en duglig standard. Nedan följer nu ett antal protokoll MANET arbetar eller har arbetat med.
OSPF version 2 och IS-IS Ur kommersiell syvinkel så kan man tycka att kan borde försöka använda något som redan är uppfunnet. Därför började man först att titta på OSPF (Open Shortest Path First) protokollet och IS-IS. Båda är SPF baserade protokoll vilket innebär att information om länkar i nätet annonseras av varje router och lagras i en databas på varje nod. Routen beräknas sedan av noden som vill skicka något. Problemen med dessa typer av protokoll i en trådlös ad hoc miljö är många och flera av de önskade egenskaperna ovan är inte uppfylda. Ytterligare finns även OSPF v3 vilken är en utveckling av v2 som även har stöd för ipv6. Optimized Link State Routing (OLSR) Protokoll OLSR är en förenklad variant av OSPF men i grunden är det en liknande algoritm. Den förmedlar information om anslutna noder genom flooding och har en routing tabell i varje nod. I princip består av två olika meddelanden som utbyts: hello och link state flooding. Med jämna mellanrum skickat noderna ut ett hello meddelande. När två noder hittat varandra genom att utbyta hello meddelanden så kan de även utbyta information link state de fått från annat håll. Givet dessa meddelanden kan sen en nod med SPF beräkning få fram en route till fler noder i nätet. Problemet är dock att två olika system ofta har en delmängd av grannar som skiljer sig väldigt lite åt. Båda kan tycka att det är nödvändigt att skicka sin information medan mottagaren redan har större delar av den. Detta innebär onödig användning av bandbredden. Så frågan är då vilken delmängd ska användas och få ge ut sin information? OLSR löser detta genom att be varje system försöka ta fram vilket grannsystem som kan ge mest information om nätverket som den inte kan få från någon annan. Detta system blir då så kallad MultiPoint Relay (MPR). Dessa MPR påminner en aning om backbone i vanliga Internet. Den väsentliga skillnaden här är dock att MPR ändrar sig allt eftersom nätet rör på sig. Ytterligare ett problem OLSR har är att hello meddelanden kan komma fram på en länk som har ett dålig signal till brus förhållande att den inte går att använda för kommunikation. Detta problem har även AODV protokollet som beskrivs nedan. Man håller på att experimentera med olika filter för att upptäcka och komma runt det här problemet.
Ad-hoc On Demand Distance Vector (AODV) Protokoll AODV är baserad på distance vector algoritmen, skillnaden är dock att AODV är reactive till skillnad från den vanliga distance vector algoritmen. AODV skickar bara förfrågningar om routes när den behöver och kräver inte att noderna ska komma ihåg vägen till en destination som inte används för tillfället. Algoritmen använder olika meddelande för att upptäcka och för att upprätthålla en länk. När en nod vill upptäcka en route till en annan nod skickar den ett Route Request (RREQ) till alla sina grannar. RREQ meddelandet utbreder sig i nätet tills dessa att det når fram till slutmålet eller till en nod som har en tillräckligt ny route till slutmålet. Sen skapas en route genom att ett meddelande skickas tillbaka i nätet till källan. Algoritmen använder även hello meddelanden (speciell typ av RREQ) som noden skickar till sina närmsta grannar för att annonsera att noden fortfarande är aktiv. Ifall hello meddelanden slutar komma från en viss nod så kan dess grannar förutsätta att noden har flyttats bort och grannen markerar länken som trasig och meddelar berörda noder genom att skicka ett link failure notification (speciell typ av RREQ) till dem. Route Discovery En nod skickar ut ett RREQ till alla sina grannar när den behöver en route till en destination som den inte har. Detta inträffar antingen när noden antingen inte känner till destinationen eller routen dit är för gammal. Den går den in i vänteläge och väntar på RREP. Ifall noden inte fått svar inom en viss tid så kan den skicka om RREQ eller anta att slutmålet inte går att nå. RREQ skickas vidare ifall en grannod saknar en route till destinationen. I så fall skickar den i sin tur RREQ vidare till alla sina grannar. Samtidigt sparas ipadressen på startnoden för att kunna skicka tillbaka svar. Ifall RREQ når en nod som antingen är slutnoden eller har en giltig route till slutnoden så skapas ett RREP som skickas tillbaka i kedjan av länkar till den efterfrågande länken. Medans RREP är påväg genom länkarna till början så skapas en route till destinationsnoden. När meddelandet når källan så finns en route redan på noderna på väg till destinationen. Route Maintenance När en nod upptäcker att en route till en granne inte längre är giltig så skickar den link failure message till sina grannar för att informera om detta. AODV använder på grund av detta en grannlista för att ha koll på vilka grannar som använder en speciell route. De noder som tar emot link failure message gör på samma sätt. Till slut har meddelandet nått alla berörda noder och en nod som försöker skicka till en nu ogiltig nod kan antingen välja att sluta skicka eller att skicka ett nytt RREQ för att hitta en ny route. Egenskapar Eftersom AODV är ett reactive protokoll så minskas antalet meddelanden i nätverket väsentligt jämfört med t.ex. vanliga DV. AODV använder sekvensnummer för att se till att routen är tillräckligt ny. Detta hjälper även till att förhindra loops skapas i nätet. Ett problem uppstår när nätet inte längre är synkroniserat vilket uppstår när det delas upp i två nät som inte har någon anslutning till varandra. AODV kan bara hantera en route till varje slutmål vilket är en nackdel. Det skulle iofs inte vara så svårt att modifiera protokollet så att det även kan hantera detta. Istället för att skicka en ny förfrågan om en route när den gamla blir ogiltig så kan man försöka med nästa lagrade route istället. Ytterligare en nackdel är att protokollet inte stödjer länkar som bara fungerar i en riktning. Eftersom RREP skickas tillbaka i samma spår fungerar det inte ifall A kan höra B men B
kan inte höra A. Det kan kanske diskuteras hur viktig den här faktorn är i ett nät. ACKs i det trådlösa protokollet 802.11 skulle ändå inte fungera för länkar som bara är giltiga i en riktning. Från början fungerade AODV bara för ipv4 men detta har på senare tid utvecklats även för ipv6 vilket bl.a. innebär att protokollet kan utökas för att hantera QoS. Dynamic Source Routing (DSR) Protokoll DSR är ett reaktivt protokoll som låter noderna hitta routes dynamiskt till alla destinationer i nätverket. Source Routing innebär att paketen innehåller en ordnad lista med noder som paketet måste passera. I DSR så används inte några meddelanden som skickas periodiskt till alla noder i nätet, router annonseras inte. Genom detta så spar man nätverksbandbredd och indirekt även ström från batterier. Istället så förlitar sig DSR på att MAC lagret ska informera protokollet om när länkar bli inaktiva. DSR bygger i huvudsak på route discovery och route maintenance meddelanden. Route Discovery När nod A vill skicka ett paket till nod B skickar A först ett Route Request (RREQ) paket till alla sina grannar. När en nod tar emot detta meddelande så tittar den i sin routecache ifall noden redan känner till en route till destinationen. Om inte så skickar den i sin tur vidare till alla sina grannar. Detta fortsätter till antingen paketet når fram till slutnoden eller till en nod som har en route till slutnoden. När detta inträffar skickas ett RREP tillbaka i nätet och varje nod lägger till sig själv i listan. Första skickar noden ett RREQ meddelande som innehåller en maximum propagation time som är 0. Den här funktionen sätter maximalt antal hopp. Genom att göra så här så kommer grannnoderna inte att skicka vidare detta RREQ utan bara titta i sina routecachar. Får man inget svar får man skicka igen med MPT större än 0. Noder kan även ligga och lyssna passivt på nätverket och eventuellt snappa upp meddelande med routes som andra efterfrågat för att spara i sin egen cache. Vägen tillbaka till startnoden kan hanteras på lite olika sätt. Antingen så skickar man bara samma väg tillbaka men detta kräver att länken fungerar i båda riktningarna. För att ta sig runt detta så tittar DSR i sin cache efter en route till noden som skickade ett RREQ vidare. Ifall den hittar en route används den istället. En annan möjlighet kan vara att svara med ett RREQ till startnoden för att hitta en fungerande route tillbaka. Detta gör att DSR kan beräkna en route till en destination i ett nät vars länkar inte fungerar i båda riktningarna vilket ibland en önskad egenskap. När man hittat en route sparas den i cachen tillsammans med en tidstämpel. Route Maintenance Genom denna mekanism kan en nod avgöra ifall nätverket har ändrats så att man inte längre kan använda en viss route till destination D. Detta skulle kunna inträffa ifall noden flyttats utanför sändarens räckvidd eller att enheten stängts av. Detta skulle kunna upptäckas genom att lyssna efter acknowledgements på nätverket eller passivt lyssna efter paket som skickas vidare av en grannnod. När det upptäcks att en viss nod inte längre är nåbar så skickas ett felmeddelande till noden som försöker skicka och alla routes i den egna cachen som innehåller den nu felaktiga noden tas bort.
Egenskaper DSR har den stora fördelen att varje nod inte behöver ha en uppdaterad vy av hela nätverket för att skicka vidare paket. Det behövs heller inte annonseras router med jämna mellanrum vilket sparar batteri både genom att information inte behöver skickas men även genom att en nod slipper ligga och lyssna konstant. Ytterligare en stor fördel är att protokollet lär sig routes genom att passivt läsa av information som skickas på nätverket. Ifall A skickar från A till C via B så lär sig A både en route till C och en till B. Dessutom kommer B lära sig routes till A och C och C kommer lära sig routes till A och B. Eftersom varje paket innehåller en komplett lista över alla noder paketet korsar på vägen så kommer storleken på detta att växa när paketet går över fler hopp. Paketen blir aningens större och detta skulle kunna vara ett problem i en liten enhet med begränsat lagringsutrymme. En nackdel med att man passivt kan ta upp information är att någon illsinnad person kan lyssna av nätverket efter information som lösenord och kreditkortsnummer. Detta måste istället lösas på applikationsnivå genom att kryptera meddelanden innan de skickas. Routing protokollet är dessutom sårbart för attacker där noder utger sig för att vara någon annan och så kallade man-in-the-middle attacker så kryptering måste även finnas på den här nivån. Detta skulle kunna lösas med ett underliggande protokoll som IP-sec. Protokollet stödjer länkar som bara kan användas i en riktning men då krävs att det stöds av underliggande MAC protokoll. Zone Routing Protocol (ZRP) ZRP är en blandning av reaktivt och proaktivt protokoll. Varje nod ser sig själva som mitten av en cirkel eller zone med en viss radie som mäts i antal hopp. Noden förväntas veta identiteten på alla noder som finns inom ens egen zone samt noder som är i yttre gränsen av zonen. Vanlig proaktiv routing (t.ex. distance vector) används för meddelanden inom zonen medan reaktiv routing används för meddelanden utanför. Ifall en nod ska skicka ett meddelande till en annan nod som inte finns i sin zon sker detta med så kallad bordercasting. Istället för att skicka förfrågan till alla noder i zonen så skickar man till noderna som ligger nära den yttre gränsen och frågar dem ifall de vet hur man kommer till destination D. Ifall dessa noder vet så svarar de, annars skickar de vidare bordercasting till noderna i den yttre delen av respektive zone. Idén är att man ska spara bandbredd genom att inte skicka till noder i ens zone som ändå troligtvis inte har mer information än oss själva. ZRP med radie ett påminner väldigt mycket av DSR medan det med oändlig radie påminner om Internet. ZRP är ett nytt protokoll som ännu inte genomgått speciellt mycket testat. Många är dock tveksamma till ifall det skulle löna sig med den ökade komplexiteten.
Sammanfattning Många förslag på protokoll har presenterats men än så länge har inte det ultimata protokollet hittats. Ett visst protokoll är inte bäst i alla lägen och det beror till stor del på sammanhanget. Militär, Vi tänker oss en specialtrupp på uppdrag i bergig miljö i södra asien. Istället för att förlita sig på lokal infrastruktur sätter man upp temporär fix infrastruktur för satellitkommunikation. I detta sammanhang skulle antagligen OLSR eller en modifierad variant av OSPF fungera bäst. Här är det viktiga inte är nätet förändras väldigt frekvent utan istället har man ett nät som fungerar stabilt när man väl vill använda det. Bilar, Vi tänker oss ett scenario där bilarna kan prata med vägen för att få kartor, väder, turist information osv. Kanske kolla ifall det finns lediga rum i hotell i närheten. I Japan så har man ett nytt system för detta som bygger på bredbands CDMA i nya bilar Men ofta är det inte intressant med kartor över alla vägar i landet utan snarare i mindre skala där du just för tillfället befinner dig. I ett sånt här sammanhang skulle det passa bättre med AODV men några problem måste lösas bl.a. när man korsar från en zon till en annan. Klassiskt sensornätverk, Vi tänker oss ett exempel på en mindre brand i ett landskap med massa buskar. För att få överblick över situationen så låter vi ett bombplan släppa ut en typ av plastbollar med tillräckligt mycket elektronik för att veta var de befinner sig samt att rapportera detta och att jag finns fortfarande kvar meddelande med jämna mellanrum. Alla bollarna pratar med en central PC som håller reda på dem och vilka som fortfarande finns kvar. Allt eftersom branden breder ut sig så sluter fler och fler att fungera får datorn information och kan därmed följa brandens utbredning. I detta fall man tänka sig att DSR kan vara en bra lösning. Det enda bollarna behöver är en route till central noden. Precis i början kommer nätet att översköljas med route discovery meddelanden när alla noder försöker hitta en route till centralnoden. Detta kommer snabbt att gå över och skulle troligtvis inte innebära något problem då belastningen inte är konstant. Ifall centralnoden sen för något ändamål behöver en route tillbaka till var och en av noderna så är inte detta något problem då det finns gott om utrymme i en PC för att lagra denna information. Kommersiellt, För ett par år sedan så lutade det åt framförallt AODV eller modifierad OSPF V3 AODV är väldigt avancerat och har god kapacitet. AODV är helt fritt publicerad och det finns inte några patenthinder. AODV har stöd för IPv6 och lätt att lägga till QoS implementation. Vilket de flesta andra protokoll saknar. Om man löser problemen med OSPF genom att införa funktioner från andra protokoll så som OLSR så att det lämpar sig bättre i en MANET miljö så skulle det mycket väl kunna bli det vinnande protokollet. OSPF skulle då kunna bli en bra lösning för att sammanbinda fast infrastruktur med MANETs. OSPF har på senare år mer och mer spelat ut sin roll då de ersatts av andra proaktiva protokoll som på pappret är bättre. Men fortfarande finns vissa fördelar som andra protokoll saknar.
Framtiden MANET gruppen arbetar för fullt med förslag och tester av protokoll. Det senaste är att de delat upp sig i två grupper, en som arbetar med proaktiva protokoll och en med reaktiva protokoll. Nu i dagarna så är det dags för de båda grupperna att presentera vad de kommit fram till den senaste tiden. Det händer mycket på området med än så länge har inte det kommersiella genombrottet kommit. När det kommer återstår att se men att det kommer verkar mycket troligt. Referenser [1] Internet Engineering Tark Force. MANET WG Charter http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html [2] F. Baker, "An outsider's view of MANET," Internet Engineering Task Force document http://w3.antd.nist.gov/wctg/manet/draft-baker-manet-review-01.txt [3] M. Frodigh, et al, "Wireless Ad Hoc Networking: The Art of Networking without a Network," Ericsson Review, No. 4, 2000. http://www.ericsson.com/about/publications/review/2000_04/files/2000046.pdf