自律分散協調システム

1. 自律分散協調システム

2. 自律分散協調コンピューティング • 分散コンピューティング • 分散アルゴリズム • いくつかの事例 • Mobile Ad hoc Networks • Wireless Sensor Networks • マルチエージェント • Software Agent • Mobile Agent • CSCWシステム • 遺伝的アルゴリズム • ニューラルコンピューティング

3. Mobile Ad hoc Networks

4. 無線アドホックネットワーク • アドホックネットワークとは？ • ネットワーク･インフラが存在しない • peer-to-peerでの通信スタイル • トポロジが人や物の動きと共に動的に変化する • ノードの移動、無線電波品質の変化 • Weak Connectivity • 常時接続の保証ではない

5. アドホックネットワーク：応用例 • パーソナルエリアネットワーク • 携帯電話、ラップトップ、時計 • 軍隊の (Military) 環境 • 兵士、戦車、戦闘機 • 一般市民の (Civilian) 環境 • タクシーネットワーク、ミーティングルーム、スポーツスタジアム、ボート • 緊急時の操作 • 地震、洪水、竜巻 • 捜索と救出、警察や消防士

6. Introduction

7. Traditional Networks • Internet は Ad Hoc Networkではない • ネットワーク･インフラは固定 • ネットワーク･トポロジはほとんど変化しない

8. Cellular Networks • Cellular Networks は Ad Hoc Networkではない • 終端ホップは無線だが、ネットワーク･インフラは固定 基地局 基地局 交換機 交換機 基地局 基地局

9. Single-hop Wireless Networks • Cellular networks と基本的には同じ • 電波の届く距離にアクセスポイントが必要 有線ネットワーク 無線ネットワーク アクセスポイント

10. Multi-hop Wireless Ad Hoc Networks • 一般的に言われているAd Hoc Network • ネットワーク･インフラが存在しない • トポロジの変化が発生する • ノードの移動、無線電波品質の変化

11. アドホックネットワーク（応用例） • パーソナルエリアネットワーク • 携帯電話、ラップトップ、時計 • 軍隊の (Military) 環境 • 兵士、戦車、戦闘機 • 一般市民の (Civilian) 環境 • タクシーネットワーク、ミーティングルーム、スポーツスタジアム、ボート • 緊急時の操作 • 地震、洪水、竜巻 • 捜索と救出、警察や消防士 • センサネットワーク

12. Flooding

13. Key Technology: Flooding • Internet • ノードが持つIPアドレスがネットワーク上の位置を示している • ルータは宛先アドレスを基にデータを次のルータ/ノードに中継する • Ad Hoc Networks • すべてのノードがルータの役割をする • ノードは移動するため、宛先までの経路は頻繁に変化する • 経路の分からない宛先までデータを届けるメカニズムが必要 Flooding

14. Flooding for Data Delivery • 送信者Ｓは宛先Ｄのデータ（パケット）Ｐをすべての近隣ノードにブロードキャストで転送する • Ｐを受け取った各ノードはさらに近隣のノードにＰをブロードキャストで転送する。 • 同じパケットを何度も転送することを避ける為にＰにはシケーンス番号を付けておく • Ｐが宛先Ｄまで到達するとＤは自分宛てのパケットなので中継しない。

15. Flooding for Data Delivery Y Z S E F B C M L J A G H D K I N パケットＰをすでに受信したノード お互いにデータが送受信可能なノード

16. Flooding for Data Delivery Y ブロードキャストによる転送 Z S E F B C M L J A G H D K I N パケットＰを最初に受信したノード パケットＰの転送

17. Flooding for Data Delivery Y Z S E F B C M L J A G H D K I N

18. Flooding for Data Delivery Y Z S E F B C M L J A G H D K I N ノードＣはパケットＰをＧとＨから受け取るが、すでに転送したパケットであるため、もう一度転送はしない。

19. Flooding for Data Delivery Y Z S E F B C M L J A G H D K I N

20. Flooding for Data Delivery Y Z S E F B C M L J A G H D K I N ノードＤは最終宛先である為パケットＰをノードＮに転送しない

21. Flooding for Data Delivery Y Z S E F B C M L J A G H D K I N Flooding 終了

22. Flooding for Data Delivery: Advantages • 簡単なメカニズム　（実装が容易） • データパケット以外の情報を送信する必要がない • トポロジの変更が頻繁に起こるような環境では経路の管理 (Discovery/Maintenance) をする必要がないため効率的 • データ配信の信頼性が高い • パケットが複数の経路を通って宛先に届くので信頼性がある

23. Flooding for Data Delivery: Disadvantages • オーバーヘッドが大きい • パケットが無駄に多くのノードに配信される。 • データ配信の信頼性を100%にすることが難しい • Flooding はブロードキャストを使っている。 • 信頼性のあるブロードキャストを実装することはオーバーヘッドをさらに増加させる。 • 同時に2つのノードがパケットを送信するとパケットの衝突が起こる可能性がある→パケット喪失 無線の帯域は狭い為、データをFloodingさせるメカニズムはスケーラビリティの点で難点がある

24. Flooding of Control Packets • データパケットではなくコントロールパケットを flooding する • コントロールパケットは経路を発見するために利用する • 発見した経路はデータパケットを送るのに利用する • 経路を管理するためにコントロールパケットを定期的に送る必要がある • ノードの移動に伴い経路が変化する可能性がある

25. Ad Hoc Networking Protocols

26. アドホックネットワークを実現するためのプロトコルの研究アドホックネットワークを実現するためのプロトコルの研究 • DARPA（米国国防総省） 研究プログラム • Packet Radio Network (PRNET) 1972-1983 • Survivable Adaptive Networks (SURAN) 1983-1992 • Global Mobile Information Systems (GLOMO) 1995-2000 • IETF Mobile Ad Hoc Networks (MANET) Working Group1997- • Dynamic Source Routing (DSR) • Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing (AODV)

27. アドホックネットワークのルーティングプロトコルの分類アドホックネットワークのルーティングプロトコルの分類 • Reactive 型 （On-Demand型）プロトコル • 経路が必要な時に宛先までの経路を作成 • Proactive 型 （Table-Driven型）プロトコル • あらかじめ各宛先への経路を構築しておく • Hybrid型プロトコル

28. DSR: Dynamic Source Routing • ノードＳがパケットをＤに送りたいが経路を知らない場合 Route Discoveryを行う • ノードＳはRoute Request (RREQ)を Flooding する • それぞれのノードはRREQを中継する際に　　自分のアドレスをRREQに付加する David B. Johnson (CMU → Rice Univ.)

29. Route Discovery in DSR Y Z S E F B C M L J A G H D K I N SからDに対する RREQ を既に受け取ったノード

30. Route Discovery in DSR Y Z [S] S E F B C M L J A G H D K I N [X,Y] RREQ に付加しているアドレスのリスト

31. Route Discovery in DSR Y Z S [S,E] E F B C M L J A G [S,C] H D K I N

32. Route Discovery in DSR Y Z S E F [S,E,F] B C M L J A G H D K [S,C,G] I N ノードＣは RREQ をＧとＨから受け取るが、すでに転送したRREQであるため、もう一度転送はしない。

33. Route Discovery in DSR Y Z S E F [S,E,F,J] B C M L J A G H D K I N [S,C,G,K]

34. Route Discovery in DSR Y Z S E [S,E,F,J,M] F B C M L J A G H D K I N ノードＤは最終宛先である為RREQをノードＮに転送しない

35. Route Discovery in DSR • ノードDは Router Reply (RREP)を返答する。 • RREPはRREQに付加しているアドレスを逆にたどって送られる。 • RREPにはＳからＤへの経路の情報が含まれている。 • ノードSは最初に受け取った RREP に含まれている経路をノードDまでの経路として記憶(キャッシュ)する。

36. Route Reply in DSR Y Z S RREP [S,E,F,J,D] E F B C M L J A G H D K I N RREP の転送 ＳはＤへの経路は Ｓ→Ｅ→Ｆ→Ｊ→Ｄ であると記憶する。

37. Data Delivery in DSR Y Z DATA [S,E,F,J,D] S E F B C M L J A G H D K I N 経由するノードが多くなる程、パケットヘッダが大きくなる

38. Route Error (RERR) Y Z RERR [J-D] S E F B C M L J A G H D K I N ＪはＤへの経路が壊れたというメッセージを含んだReply Error (RERR)をＪ→Ｆ→Ｅ→Ｓという経路で送信ノードＳに送る。 RERRを受け取ったノードＳはＪ→Ｄの経路情報を消去する。

39. AODV: Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing • DSRは宛先のルートをすべてパケットのヘッダに含んでいる。 • 大きなヘッダは転送効率を悪くする。 • AODVはデータパケットに経路を含ませないようにする為に、各ノードで経路情報を保持する。 Charles E. Perkins (IBM→Sun→Nokia)

40. Route Requests in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N SからDに対する RREQ を既に受け取ったノード

41. Route Requests in AODV Y ブロードキャストによる転送 Z S E F B C M L J A G H D K I N RREQの転送

42. Route Requests in AODV Y EはRREQをSから受け取ったことを記憶しておく。 Z S E F B C M L J A G H D K I N 逆方向の経路のリンク

43. Reverse Path Setup in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N

44. Reverse Path Setup in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N

45. Reverse Path Setup in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N

46. Route Reply in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N RREPによって通知される経路

47. Forward Path Setup in AODV Y Z S E F B C M L J A G H D K I N RREPが逆の経路を通ってSに戻ってきた時各ノードの経路情報は設定される 送信経路

48. Data Delivery in AODV Y DATA Z S E F B C M L J A G H D K I N

49. Route Error in AODV • ノードの移動により経路が壊れた場合、すべてのノードにRoute Error を伝えなくてはならない。（各ノードが持つ古い経路情報を消去するため） Route Error Packet の　Flooding が起こる 一定時間使われなかった経路情報は消去する。

50. Summary: DSR vs. AODV • DSR • 送信ノードは宛先までの完全な経路を知っている。 • ネットワークトポロジの変化が少ない時に高い性能 • パケットにルーティング情報が入るため転送効率が悪い • AODV • 各ノードは宛先に届けるために次にどのノードに投げれば良いかだけを知っている。 • ネットワークトポロジが頻繁に変更する時に高い性能 • まだ有効な経路情報を消去してしまう危険性がある。