ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΤΥΠΟΥ MANET (Mobile Ad-Hoc Networks)

1. ΑΝΑΠΤΥΞΗΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣΑΣΥΡΜΑΤΩΝΔΙΚΤΥΩΝΤΥΠΟΥ MANET (Mobile Ad-Hoc Networks) ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ Αρσλάνογλου Γεώργιος ΑΕΜ 4403

2. Περιεχόμενα • Εισαγωγή • Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα • Περιγραφή των δικτύων MANET • Περιγραφή των Πρωτόκολλων Δρομολόγησης για Δίκτυα MANET • Πρωτόκολλο Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV)

3. Περιεχόμενα • Πρωτόκολλο Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV) • Πρωτόκολλο Dynamic Source Routing (DSR) • Περιγραφή του Λογισμικού Προσομοίωσης Δικτύων MANET • Συμπεράσματα – Σχόλια • Βιβλιογραφία

4. Εισαγωγή Η κινητή ασύρματη επικοινωνία δεδομένων, η οποία εξελίσσεται και τεχνολογικά αλλά και στη χρήση/διάδοσή της, είναι μια κινητήρια δύναμη χάρη στο Internet και την επιτυχία της τρίτης γενιάς των κινητών δικτύων με κυψέλες. Στο άμεσο μέλλον, ο ρόλος και οι δυνατότητες της ανταλλαγής δεδομένων σε κοντινή απόσταση αναμένεται να μεγαλώσουν, και να εξυπηρετούν σαν συμπλήρωμα στην παραδοσιακή μεγάλης κλίμακας επικοινωνία.

5. Εισαγωγή Οι περισσότερες επικοινωνίες, μεταξύ ανθρώπου και μηχανής καθώς και προφορική επικοινωνία μεταξύ ανθρώπων, συμβαίνουν σε αποστάσεις μικρότερες των 10 μέτρων. Η ύπαρξη ελεύθερων ραδιοσυχνοτήτων ευνοεί την ανάπτυξη τεχνολογιών (όπως το Bluetooth) που επιτρέπουν την εύκολη και ανέξοδη δημιουργία ασύρματης επικοινωνίας.

6. Εισαγωγή Η πιο διαδεδομένη αντίληψη για ένα κινητό ad-hoc δίκτυο είναι ένα δίκτυο σχηματισμένο χωρίς καμία κεντρική διαχείριση που αποτελείται από κινούμενους κόμβους που χρησιμοποιούν ένα ασύρματο μέσο για να στέλνουν πακέτα δεδομένων. Αυτοί οι κόμβοι σε ένα δίκτυο τέτοιου είδους μπορούν να λειτουργήσουν και σαν δρομολογητές (routers) αλλά και σαν εξυπηρετητές (servers), μπορούν να προωθούν πακέτα εκ μέρους άλλων κόμβων και να τρέχουν εφαρμογές χρηστών.

7. Εισαγωγή Τα δίκτυα Mobile Ad-Hoc Networks (MANET) αποτελούν μια επέκταση των δικτύων Ad-Hoc, αφού αποτελούνται από κόμβους που κινούνται δυναμικά και αυθαίρετα, δημιουργώντας έτσι δυναμικές τοπολογίες δικτύου.

8. Εισαγωγή Το αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας ήταν η εμβάθυνση στα δίκτυα MANET και στα πρωτόκολλα δρομολόγησης πακέτων (routing protocols) που χρησιμοποιούνται σε αυτά, με τελικό στόχο την ανάπτυξη λογισμικού προσομοίωσης δικτύων MANET με έμφαση στα πρωτόκολλα δρομολόγησης. Το λογισμικό προσομοίωσης αναπτύχθηκε από το μηδέν σε γλώσσα προγραμματισμού Java.

9. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Οι ρίζες των δικτύων Ad-Hoc (Ad-Hoc σημαίνει «για αυτόν τον σκοπό») βρίσκονται πίσω στο 1968, όταν ξεκίνησε το έργο πάνω στο δίκτυο ALOHA, στόχος του οποίου ήταν η διασύνδεση εκπαιδευτικών κτιρίων στη Χαβάη.

10. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Η ιδέα ήταν να χρησιμοποιηθούν χαμηλού κόστους ερασιτεχνικά ραδιοφωνικά συστήματα για τη δημιουργία ενός δικτύου υπολογιστών για τη διασύνδεση των διασκορπισμένων campus του πανεπιστημίου.

11. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Η αρχική έκδοση του πρωτόκολλου ALOHA χρησιμοποιούσε δύο ξεχωριστές ραδιοφωνικές συχνότητες και μια τοπολογία αστέρα με ένα κεντρικό σταθμό (hub/star configuration). Ο κεντρικός σταθμός μετέδιδε πακέτα σε όλους τους άλλους σταθμούς στο κανάλι εξόδου (outbound channel), ενώ οι υπόλοιποι σταθμοί έστελναν δεδομένα στον κεντρικό σταθμό στο κανάλι εισόδου (inbound channel).

12. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Παρόλο που στηθήκανε σταθεροί σταθμοί, το πρωτόκολλο ALOHA επέτρεπε τη διαχείριση για διανεμημένη πρόσβαση καναλιών (distributed channel access management) και έτσι εξασφάλισε μια βάση για τη μετέπειτα ανάπτυξη των σχημάτων διανεμημένης πρόσβασης καναλιού που ήταν κατάλληλα για τα δίκτυα Ad-Hoc.

13. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Το πρωτόκολλο ALOHA από μόνο του ήταν ένα πρωτόκολλο single hop, οπότε δεν υποστήριζε εγγενώς τη δρομολόγηση πακέτων. Αντίθετα, κάθε κόμβος έπρεπε να είναι εντός εμβέλειας όλων των υπόλοιπων κόμβων του δικτύου.

14. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Πρωτόκολλο ALOHA

15. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Αυτή η αρχική μορφή του πρωτοκόλλου αποκαλείται σήμερα “Pure ALOHA” για να ξεχωρίζει από τις καινούριες μορφές του πρωτοκόλλου, όπως την “Slotted ALOHA”.

16. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Το “Pure ALOHA” πρωτόκολλο είχε ένα μέγιστο throughput της τάξης του 18.4% της συνολικής χωρητικότητας. Αυτό σημαίνει ότι περίπου το 81.6% του διαθέσιμου εύρους ζώνης μένει ανεκμετάλλευτο εξαιτίας των απωλειών από τις συγκρούσεις πακέτων (packet collisions).

17. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Πρωτόκολλο “Pure ALOHA”

18. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Η βελτίωση του “Pure ALOHA” οδήγησε στη δημιουργία του πρωτοκόλλου “Slotted ALOHA”, το οποίο εισήγαγε την έννοια του timeslot και αύξησε την απόδοση του πρωτοκόλλου στο 36.8%. Κάθε κόμβος μπορεί να στέλνει πακέτα μόνο στην αρχή ενός timeslot, με αποτέλεσμα να μειώνονται οι συγκρούσεις των πακέτων.

19. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Πρωτόκολλο “Slotted ALOHA”

20. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Εμπνευσμένο από το δίκτυο ALOHA και την προηγούμενη ανάπτυξη του packet switching σε σταθερά δίκτυα, το DARPA ξεκίνησε το 1973 στο PRnet (Packet Radio Network), ένα δίκτυο multihop.

21. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Ο όρος multihop υποδηλώνει τη συνεργασία των κόμβων για την αναμετάδοση της δικτυακής κίνησης μεταξύ τους, ώστε να φτάνουν σε μακρινούς σταθμούς που διαφορετικά θα ήταν εκτός εμβέλειας. Το PRnet παρείχε μηχανισμούς για τη διαχείριση των εργασιών είτε κεντρικά, είτε διανεμημένα.

22. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Διαπιστώθηκε ότι η τεχνική του multihop αύξησε τη χωρητικότητα του δικτύου, καθώς ο χώρος μπορούσε να επαναχρησιμοποιηθεί για συνεχόμενες, αλλά ξεχωριστές μεταξύ τους multihop sessions. Παρόλο που πολλά πειραματικά δίκτυα τύπου Packet Radio αναπτύχθηκαν αργότερα, αυτά τα ασύρματα συστήματα δεν έφτασαν ποτέ στην αγορά.

23. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Όταν το Ινστιτούτο IEEE ανέπτυσσε το πρότυπο IEEE 802.11 για ασύρματα τοπικά δίκτυα (Wireless Local Area Network, WLAN), αντικατέστησε τον όρο Packet Radio Network με τον όρο Ad-Hoc Network.

24. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Η ιδέα μας για τα Ad-Hoc δίκτυα περιλαμβάνει σενάρια όπως αυτά που απεικονίζονται στην επόμενη εικόνα, όπου άνθρωποι έχουν συσκευές που μπορούν να επικοινωνούν με Ad-Hoc δίκτυα. Οι συσκευές ενός χρήστη μπορούν να διασυνδέονται μεταξύ τους και να συνδέονται σε τοπικά κέντρα πληροφόρησης.

25. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Για παράδειγμα, για να αντλούν ενημερώσεις για τις αναχωρήσεις των πτήσεων, αλλαγές στις πύλες εξόδου και άλλα. Οι Ad-Hoc συσκευές μπορούν επίσης να προωθήσουν δικτυακή κίνηση σε συσκευές που είναι εκτός εμβέλειας. Έτσι το σενάριο του αεροδρομίου περιέχει μία μείξη απλών και πολλαπλών radio hops.

26. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Σενάριο Αεροδρομίου

27. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Για να δούμε τα Ad-Hoc δίκτυα από τη σωστή γωνία, ας κάνουμε κάποιες παρατηρήσεις για την ασύρματη επικοινωνία, ξεκινώντας από τα κινητά δίκτυα με κυψέλες που βασίζονται έντονα στη σταθερή υποδομή τους. Η κάλυψη παρέχεται από σταθμούς βάσης (base stations), οι πόροι των ραδιοσυχνοτήτων διαχειρίζονται από μια κεντρική μονάδα και οι υπηρεσίες είναι ενσωματωμένες με το σύστημα.

28. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Καθώς απομακρυνόμαστε από τα συστήματα κεντρικής διαχείρισης, βρισκόμαστε σε καθαρά Ad-Hoc δίκτυα, άλλα single-hop και άλλα multihop. Οι διαφορές ανάμεσα σε αυτά τα δίκτυα απεικονίζονται στην επόμενη εικόνα.

29. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Διαφορές single-hop και multihop Δικτύων

30. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Τέλος, καταλήγουμε στα δίκτυα που δεν έχουν καθόλου κεντρική διαχείριση, όπως τα MANET και τα PAN (Personal Area Network). Όλα τα συμπεράσματα συνοψίζονται στην επόμενη Εικόνα.

31. Ιστορική Αναδρομή στα Ασύρματα Δίκτυα Διαφορές Σταθερού Δικτύων με Ad-Hoc Δίκτυα

32. Περιγραφή των δικτύων MANETΕισαγωγή Με τις πρόσφατες εξελίξεις στην απόδοση των ασύρματων δικτύων, αναμένεται ευρέα διάδοση και χρήση πιο προχωρημένων ασύρματων δικτύων με κινητούς κόμβους, που θα εξελίξουν κατά πολύ τη χρήση του Internet Protocol (IP).

33. Περιγραφή των δικτύων MANETΕισαγωγή Το όραμα της Ad-Hoc δικτύωσης με κινητούς κόμβους είναι να υποστηρίξει δυνατά και αποτελεσματικά τη χρήση των ασύρματων δικτύων ενσωματώνοντας λειτουργίες δρομολόγησης στους κινητούς κόμβους.

34. Περιγραφή των δικτύων MANETΕισαγωγή Τέτοια δίκτυα θα έχουν δυναμικές, πολλές φορές γρήγορα εναλλασσόμενες, τυχαίες, multihop τοπολογίες, που θα αποτελούνται από σχετικά περιορισμένου εύρους ζώνης ασύρματες ζεύξεις.

35. Περιγραφή των δικτύων MANETΕισαγωγή Στην κοινωνία του Internet, η υποστήριξη δρομολόγησης για κινητούς κόμβους μορφοποιείται ως τεχνολογία “mobile IP”.

36. Περιγραφή των δικτύων MANETΕισαγωγή Αυτή είναι μια τεχνολογία που θα επιτρέπει σε κόμβους «νομάδες» να επικοινωνούν με το Internet, συνδεόμενοι σε «φιλόξενους κόμβους» (hosts) που θα είναι ήδη συνδεδεμένοι με το Internet με διάφορα μέσα πέρα από την σταθερή τους διεύθυνση (fixed-address).

37. Περιγραφή των δικτύων MANETΕισαγωγή Αυτός ο «φιλόξενος κόμβος» μπορεί να είναι είτε φυσικά συνδεδεμένος με το σταθερό δίκτυο σε ένα ξένο subnet, ή να είναι συνδεδεμένος με μια ασύρματη ζεύξη, ή με μια σύνδεση dial-up, ή με οτιδήποτε άλλο.

38. Περιγραφή των δικτύων MANETΕισαγωγή Αυτή η μορφή του «κινητού φιλόξενου κόμβου» (host mobility) απαιτεί διαχείριση διευθύνσεων, βελτιώσεις στη διασύνδεση των πρωτοκόλλων και άλλα σχετικά, όμως οι βασικές δικτυακές λειτουργίες όπως η δρομολόγηση από κόμβο σε κόμβο (hop-by-hop routing) ακόμα εξαρτώνται στα ήδη υπάρχοντα πρωτόκολλα δρομολόγησης που λειτουργούν στα σταθερά δίκτυα.

39. Περιγραφή των δικτύων MANETΕισαγωγή Αντίθετα, ο στόχος των δικτύων MANET είναι να επεκτείνουν αυτή την κινητικότητα σε αυτόνομα, κινητά, ασύρματα domain, όπου ένα σύνολο κόμβων από μόνοι τους αποτελούν την υποδομή για τη δρομολόγηση με έναν Ad-Hoc τρόπο.

40. Περιγραφή των δικτύων MANETΧαρακτηριστικά των δικτύων MANET Ένα δίκτυο MANET αποτελείται από κινητές μονάδες (π.χ. ένα δρομολογητή με πολλούς hosts και ασύρματες συσκευές, που θα αποκαλούνται κόμβοι) οι οποίες είναι ελεύθερες να μετακινηθούν όπου θέλουν.

41. Περιγραφή των δικτύων MANETΧαρακτηριστικά των δικτύων MANET Αυτοί οι κόμβοι μπορούν να βρίσκονται σε αεροπλάνα, πλοία, φορτηγά, αυτοκίνητα, ακόμα και σε ανθρώπους. Ένα δίκτυο MANET λοιπόν, είναι ένα αυτόνομο σύστημα αποτελούμενο από κινητούς κόμβους. Το σύστημα αυτό μπορεί να λειτουργεί απομονωμένο, ή να έχει και διεξόδους (gateways) και να επικοινωνεί με ένα σταθερό δίκτυο.

42. Περιγραφή των δικτύων MANETΧαρακτηριστικά των δικτύων MANET Στον δεύτερο τρόπο λειτουργίας, το σύστημα θα λειτουργεί σαν ένα «αποκομμένο δίκτυο» (“stub” network) που συνδέεται με ένα σταθερό δίκτυο. Τα «αποκομμένα δίκτυα» μεταφέρουν δικτυακή κίνηση που προέρχεται ή κατευθύνεται προς τους εσωτερικούς κόμβους, αλλά δεν επιτρέπει εξωτερική κίνηση να μεταφερθεί μέσω του «αποκομμένου δικτύου».

43. Περιγραφή των δικτύων MANETΧαρακτηριστικά των δικτύων MANET Οι κόμβοι του δικτύου MANET είναι εξοπλισμένοι με ασύρματους πομπούς και δέκτες χρησιμοποιώντας κεραίες που μπορεί να είναι μη κατευθυντικές (omnidirectional), πολύ κατευθυντικές (point-to-point), πιθανώς μεταβλητές, ή κάποιος συνδυασμός των παραπάνω.

44. Περιγραφή των δικτύων MANETΧαρακτηριστικά των δικτύων MANET Σε κάποιο χρονικό σημείο, ανάλογα με τη θέση των κόμβων, την εμβέλεια των πομποδεκτών τους, τη μεταδιδόμενη ισχύ τους και τα επίπεδα παρεμβολών, μια ασύρματη σύνδεση στη μορφή ενός τυχαίου “Ad-hoc” δικτύου δημιουργείται ανάμεσά τους. Αυτή η Ad-hoc τοπολογία μπορεί να αλλάξει με την πάροδο του χρόνου, καθώς οι κόμβοι μετακινούνται ή αλλάζουν την ισχύ μετάδοσής τους.

45. Περιγραφή των δικτύων MANETΧαρακτηριστικά των δικτύων MANET Τα δίκτυα MANET έχουν πολλά αξιοπρόσεκτα χαρακτηριστικά : • Δυναμικές τοπολογίες • Ζεύξεις περιορισμένου εύρους ζώνης και μεταβλητής χωρητικότητας • Λειτουργία με περιορισμένη ενέργεια τροφοδοσίας • Περιορισμένη ασφάλεια του φυσικού μέσου μετάδοσης (physical layer). • Κλιμάκωση (Scalability)

46. Περιγραφή των δικτύων MANETΕφαρμογές των δικτύων MANET Τα MANET έχουν πρακτική εφαρμογή σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει κάποια σταθερή ενσύρματη δικτυακή υποδομή (fixed wired infrastructure). Τέτοιες περιπτώσεις έχουμε όταν δεν είναι οικονομικά, πρακτικά ή γεωγραφικά εφικτό να δημιουργηθεί η απαραίτητη υποδομή, ή επειδή οι καταστάσεις δεν επιτρέπουν την εγκατάστασή της,

47. Περιγραφή των δικτύων MANETΕφαρμογές των δικτύων MANET • Σε μια συνεδριακή αίθουσα κατά τη διάρκεια συναντήσεων, όταν οι συμμετέχοντες θέλουν να ανταλλάξουν πληροφορίες. • Σε μια αίθουσα διδασκαλίας κατά τη διάρκεια συζητήσεων με τον καθηγητή, ή και κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας. • Σε ένα αεροδρόμιο όπου οι εργαζόμενοι θέλουν να ανταλλάξουν αρχεία.

48. Περιγραφή των δικτύων MANETΕφαρμογές των δικτύων MANET • Σε μια επείγουσα επιχείρηση διάσωσης, όταν τα μέλη του σωστικού συνεργείου θέλουν να συντονίσουν την προσπάθειά τους. Για παράδειγμα σε περίπτωση όταν κάποιος σεισμός ή πλημμύρα καταστρέψει την ενσύρματη υποδομή των σταθερών δικτύων. • Σε μάχες κατά τη διάρκεια πολέμου, για τον συντονισμό των στρατιωτών στην άμυνα και την επίθεση.

49. Περιγραφή των δικτύων MANETΔίκτυαVANET (Vehicular Ad-Hoc Networks) Vehicular Ad-Hoc Networks Logo

50. Περιγραφή των δικτύων MANETΔίκτυαVANET (Vehicular Ad-Hoc Networks) Τα δίκτυα VANET αποτελούν ειδική περίπτωση των δικτύων MANET, όπου κινούμενα οχήματα και το οδικό δίκτυο εξοπλίζονται με ασύρματες συσκευές, με αποτέλεσμα τα οχήματα να μπορούν να επικοινωνούν αναμεταξύ τους (Vehicle 2 Vehicle, V2V) αλλά και με το οδικό δίκτυο (Vehicle 2 Roadside, V2R).