Лекция 4 Мобильные сети: IP маршрутизация и алгоритмы MANET маршрутизации Терновой Максим Юрьевич - к.т.н., доцент кафедры информационно...

Информационное обеспечение мобильных систем ТК

            Лекция 4
Мобильные сети: IP маршрутизация
и алгоритмы MANET маршрутизации

     Терновой Максим Юрьевич
   к.т.н., доцент кафедры информационно-
         телекоммуникационных сетей

Содержание
1. Беспроводные Ad-hoc сети
2. Общие принципы маршрутизации
   1. Алгоритмы вектора расстояния
   2. Алгоритм состояния канала
3. MANET сети
4. Протоколы MANET
   1. OLSR
   2. AODV
   3. Иерархические алгоритмы

Беспроводные ad-hoc сети
l Беспроводная ad-hoc сеть – это компьютерная сеть, в которой все
 каналы сообщения беспроводные. Сеть произвольной структуры (ad-
 hoc) называется так потому, что каждый узел готов передавать
 информацию другим узлам, и решение о том, какому узлу передавать
 данные, принимается динамически, на основе связности сети. Это и
 является отличием от старых сетевых технологий, в которых
 определенные узлы, с типичным аппаратным обеспечением,
 называемые маршрутизаторами, коммутаторами,           хабами и
 файерволами, выполняют задачу передачи данных.

l Типы беспроводных ad-hoc сетей:
      n Беспроводные сенсорные сети
      n Беспроводные mesh сети
      n Мобильные сети произвольной структуры (MANETs)

Беспроводные сенсорные сети
l Беспроводные сенсорные сети – это сети, состоящие из
  пространственно распределенных автономных устройств,
  использующих сенсоры для совместного контроля физического
  состояния и условий окружающей среды.

l Главные особенности:
   n Беспроводные сенсорные сети сейчас используются во многих
     прикладных областях, включая мониторинг окружающей среды и
     контроль среды обитания, применяются в области охраны здоровья,
     автоматизации зданий и контроля движения.
   n Каждый узел сенсорной сети обычно оснащен радиопередатчиком,
     небольшим микроконтроллером, батареей.

Беспроводные mesh сети
l Беспроводные mesh сети – это
mesh сети построенные на основе
беспроводной локальной сети.
l Главные особенности:
                                            Рис.1. схема mesh сети
    n mesh сети могут использовать как стационарные так и мобильные
      устройства
    n Узлы функционируют как ретрансляторы при передаче данных от
      ближайших узлов к пунктам, находящимся слишком далеко для
      передачи.
    n Мобильные mesh сети включают в себя множество
      фиксированных базовых станций с огрниченными
      широкополосными наземными каналами.
    n Протоколы маршрутизации: AODV, PWRP, DSR, OLSR, TORA,
      HSLS

Мобильные Ad-hoc сети (MANETs)
l Мобильные ad-hoc сети (MANET) – вид беспроводных ad-
  hoc сетей – сеть произвольной структуры, состоящая из
  мобильных маршрутизаторов (и прилегающих хостов),
  соединенных беспроводными каналами связи, объединение
  которых формирует произвольную топологию.
l Маршрутизаторы могут свободно передвигаться в любом
  направлении и организовываться произвольно, таким
  образом топология беспроводной сети может изменятся
  быстро и непредсказуемо.

Содержание
1. Беспроводные Ad-hoc сети
2. Общие принципы маршрутизации
   1. Алгоритмы вектора расстояния
   2. Алгоритм состояния канала
3. MANET сети
4. Протоколы MANET
   1. OLSR
   2. AODV
   3. Иерархические алгоритмы

До сих пор…
l Узлы в 802.11 или в Bluetooth пикосети напрямую
  соединены каждый с каждым
l Нет необходимости в маршрутизации и сетевой
  уровень, по существу, не несет никакой
  функциональности
                           Точка
                           доступа

        Ad Hoc Mode         Infrastructure Mode

Маршрутизация на Уровне 2 (1)
l Источник устанавливает, что пункт назначения в
  той же IP-подсети
  n Это  обязательно означает, что источник и пункт
    назначения непосредственно связаны уровнем 2
    (уровень канала передачи данных)
l ARP позволяет источнику определять MAC- адрес
  получателя
l Источник инкапсулирует IP-дейтаграммы в фрейм
  Уровня 2, адресует его соответственно и передает
l Устройству     «межсетевого     взаимодействия»
  (Ethernet bridges, 802.11 APs) Уровня 2 может
  потребоваться выполнить некоторые функции по
  продвижению данных или маршрутизации

Маршрутизация на Уровне 2 (2)

Локальный- IP:     10.0.1.4      S       Dest IP = 10.0.1.9
Маска подсети: 255.255.255.0           (Dest Net = 10.0.1.X)
Локальная сеть:    10.0.1.X

                  ARP запрос          ARP
                  для 10.0.1.9        ответ
                                                IP       MAC
                          AP                  10.0.1.9    D

                                               …

                                                         …
                                 Локальный IP: 10.0.1.9

                          D

Маршрутизация на Уровне 2 (3)
Локальный- IP:    10.0.1.4     S     Dest IP = 10.0.1.9
Маска подсети: 255.255.255.0       (Dest Net = 10.0.1.X)
Локальная сеть:  10.0.1.X

    IP Dest = 10.0.1.9
    DA = D
    BSSID = AP
                          AP
    IP Dest = 10.0.1.9
    Dest = D

                          D

Необходимость
     маршрутизации на Уровне 3
l Конечно, узлы могут быть не соединены через
Уровень 2
  n Узлы, которые в разных IP-подсетях, т.е., IP сеть
    назначения отлична от локальной IP- сети
  n Узлы, которые вне радиозоны в беспроводных ad hoc
    сетях
l В этом случаи необходима маршрутизация на
  сетевом уровне (уровень 3), т.е. IP-
  маршрутизация
             10.0.1.1              10.0.3.6     10.4.6.9

       10.0.1.3         10.0.3.3              10.4.6.1

Формы маршрутизации
l Прямая   маршрутизация, передача дейтаграммы
 напрямую из одной машины в другую, является
 основой, на которой строится все остальное
 межсетевое взаимодействие. Две машины могут
 участвовать в прямой маршрутизации только в том
 случае, когда они обе соединены напрямую с одной
 физической системой передачи(например, Ethernet).

l Косвенная маршрутизация осуществляется, когда
 назначение не находится в той же сети, что и
 источник, и заставляет отправителя передавать
 дейтаграмму шлюзу для доставки.

Принцип прямой маршрутизации

l   A посылает IP-пакет B:                               A            B            C
     n заголовок IP-пакета содержит в
       поле отправителя IP-адрес узла A
     n заголовок Ethernet-кадра содержит     Ethernet1
       в поле отправителя Ethernet-адрес A
     n IP-заголовок содержит в поле
       получателя IP-адрес узла B                адрес          отправитель   получатель

     n Ethernet-заголовок содержит в поле
       получателя Ethernet-адрес B               IP-заголовок        A             B

                                                 Ethernet-           A             B
l   Когда в машине B модуль IP                   заголовок
    получает IP-пакет от машины A:
                                                 Если взаимодействия происходит между
     n он сопоставляет IP-адрес места
                                                   машинами, подключенными к одной IP-
       назначения со своим                        сети, то       прямая маршрутизация
     n если адреса совпадают, то передает
       дейтаграмму протоколу верхнего
       уровня

Косвенная маршрутизация
Косвенная маршрутизация более
трудная, так как:

n Отправитель должен идентифицировать
 шлюз, которому можно послать дейтаграмму

n Шлюз должен затем отправить дейтаграмму к
 сети назначения

Принцип косвенной маршрутизации
                                                             Ethernet_1
Машина A посылает E IP-пакет:                                                                       Ethernet_2
                                                             A         В      C        D       BH
   n    Машина A должна использовать шлюз D для                                                            F       G
         ретрансляции IP-пакетов в другую IP-сеть
   n    IP-адрес и Ethernet-адрес отправителя
         соответствуют адресам A
                                                                                               BE          I       J
   n    IP-адрес места назначения является адресом E, но
        поскольку модуль IP в A посылает IP-пакет через D,
        Ethernet-адрес места назначения - адрес D
                                                                                                         Ethernet_3
       адрес                 отправитель   получатель

       IP-заголовок              A             E                 n     Модуль IP в машине D получает IP-пакет и
       Ethernet- заголовок       A             D                       проверяет IP-адрес места назначения
                                                                 n     Определяет, что это не его IP-адрес, шлюз D
                                                                       посылает этот IP-пакет прямо к E

                                                                     адрес                 отправитель     получатель
 Если A взаимодействует с машинами,
    включенными в другую IP-сеть,                                    IP-заголовок              А               E
  то       косвенная маршрутизация                                   Ethernet- заголовок       D               E

IP-Маршрутизация
l IP-маршрутизация      не    изменяет     исходную
 дейтаграмму
  n поля отправителя и получателя дейтаграммы остаются
    неизменными;
  n они   всегда указывают IP-адрес первоначального
    отправителя и IP-адрес конечного получателя

Маршрутизация
l Два основных этапа маршрутизации
   n Продвижение пакетов к следующему транзитному
     участку («прыжку») (от входного к выходному
     интерфейсу в проводных сетях)
   n Определения маршрута передвижения пакетов
     (построение таблицы маршрутизации или определение
     пути)
l Сложность заключается не в самом продвижении
  пакетов, а в знании куда их направлять
   n Достижение места назначения
   n Минимизация количества транзитных участков
   n Минимизация задержки
   n Минимизация потерь пакетов
   n Минимизация стоимости

Точка принятия решений о
                 маршрутизации
l Маршрутизация источником
   n Отправитель определяет маршрут и указывает его в заголовке
     пакета
   n Поддерживается в IP, но это не типичная схема маршрутизации
l Последовательная (Hop-by-hop) дейтаграммная
  маршрутизация
   n Решение о маршрутизации принимается на каждом
     маршрутизаторе
   n Стандартная схема маршрутизации для IP
l Маршрутизация виртуальных каналов
   n Определяется и конфигурируется путь предварительно, при
     передаче первого пакета
   n Используется в ATM (и аналоговых голосовых телефонных
     системах)

Таблицы маршрутизации
l Таблица маршрутизации содержит информацию для
  определения как передать пакеты
   n Маршрутизация источником: таблица маршрутизации
     используется для определения маршрута к пункту
     назначения для указания его в пакете
   n Последовательная (Hop-by-hop) маршрутизация: таблица
     маршрутизации используется для определения
     следующего транзитного участка для заданного пункта
     назначения
   n Маршрутизация виртуальных каналов: таблица
     маршрутизации используется для определения пути для
     конфигурации для сети
l Алгоритмы построения таблиц маршрутизации:
   n Дистанционно-векторные алгоритмы
   n Алгоритмы состояния канала связи

Дистанционно-векторные
           алгоритмы, DVA (1)
l «Расстояние» каждого канала в сети это мера,
  которая должна быть минимизирована
   n Алгоритм пытается минимизировать количество
     транзитных участков
l Таблица маршрутизации на каждом узле:
   n Указывает следующий транзитный участок для каждого
     пункта назначения
   n Указывает расстояние до пункта назначения
l Соседи могут обмениваться таблицами
  маршрутизации для нахождения (лучшего)
  маршрута к месту назначения

Дистанционно-векторные
        алгоритмы, DVA (2)
                     Dest Next Metric
                      A    B     2
                      B    B     1
                      D    D     1

              A            C            D

Dest Next Metric                        Dest Next Metric
 B    B     1                            A    C     3
 C    B     2         B                  B    C     2
 D    B     3                            C    C     1
                   Dest Next Metric
                    A    A     1
                    C    C     1
                    D    C     2

Дистанционно-векторные
         алгоритмы, DVA (3)
l Узел A определит с
  помощью узла C
  более короткий путь к     Dest Next Metric
  узлу D и обновит свои      A    A    1
                             B    B    1
  таблицы                    D    D    1
  маршрутизации
                       A          C            D

         Dest Next Metric
          B    B    1
          C    C    1       B
          D    C    2

Алгоритмы состояния канала связи,
              LSA (1)
l Каждый    узел предоставляет информацию о
  каналах, так что все узлы могут построить карту
  полной сетевой топологии
l Информация о канале обновляется когда канал
  меняет    свое   состояние   (включается    или
  выключается)
  n Состояние канала определяется при помощи рассылки
    маленьких “hello” пакетов соседним узлам
l Имея полную информацию о топологии, узел
  может    определить      следующий      лучший
  транзитный участок или маршрут от источника

Алгоритмы состояния канала связи,
            LSA (2)
                  Link      Link
                  A-B       A-B
                  B-C       B-C
Link              C-D       C-D
A-B
       A           C         D
B-C
C-D
                           l Если топология
            B
                                 стабильна
           Link          продолжительное время,
           A-B            то все узлы будут иметь
           B-C           одинаковую информацию
           C-D
                                о топологии

Алгоритмы состояния канала связи,
             LSA (3)
                    Link
                    A-B
                    A-C
                    B-C
Link          A-C   C-D        A-C       Link
A-B                                      A-B
A-C    A             C               D   A-C
B-C                                      B-C
C-D                                      C-D
                         A-C
               B
       Link
       A-B                 l Узлы A и C распространяют
       A-C                       информацию о наличии
       B-C                     связи A-C своим соседям и,
       C-D                         в итоге, всей сети

Содержание
1. Беспроводные Ad-hoc сети
2. Общие принципы маршрутизации
   1. Алгоритмы вектора расстояния
   2. Алгоритм состояния канала
3. MANET сети
4. Протоколы MANET
   1. OLSR
   2. AODV
   3. Иерархические алгоритмы

Мобильные Ad-hoc сети (MANETs)
l Мобильные ad-hoc сети характеризуются:
  n Много-хоповая маршрутизация таким образом, так как
    узлы не соединены напрямую через Уровень 2 и могут
    общаться только при помощи маршрутизации на Уровне3
  n Беспроводные каналы
  n Мобильные узлы

                                Логическая
                                 топология

           S
                                 S
                 D
                                        D

Сравнительный анализ MANETs (1)
l В   MANET каждый узел является         потенциальным
  маршрутизатором, в то время, как большинство узлов в
  традиционных проводных сетях не маршрутизируют пакеты
   n Узлы передают и получают свои собственные пакеты и, также,
      перенаправляют пакеты другим узлам
l В   MANET     топология    сети  является динамически
  изменяемой, в то время как для традиционных проводных
  сетей топология сети статическая
l Маршрутизация в MANET должна учитывать информацию 2
  и 3 Уровней, в то время, как традиционные протоколы -
  только информацию Уровня 3
   n Информация канального уровня может давать информацию о
      связности и интерференции

Сравнительный анализ MANETs (2)
l MANET топология имеет намного больше
  избыточных связей, чем в традиционных сетях
l MANET «маршрутизатор» обычно имеет один
  интерфейс, тогда как традиционный
  маршрутизатор имеет интерфейсы для каждой
  сети, к которой он подключен
  n Маршрутизируемый пакет посылается вперед во время
    передачи, но также отсылается предыдущему
    передатчику
l Свойства каналов, включая пропускную
  способность и частоту появления ошибок,
  относительно статичны в традиционных сетях, но
  могут изменяться в MANET

Сравнительный анализ MANETs (3)

l Интерференция – проблема в MANETs, но не в
  традиционных сетях
  n К примеру, пересылаемый пакет от B к C соревнуется с
    новыми пакетами посылаемыми от A к B
l Каналы могут быть асимметричны в некоторых
  технологиях Уровня 2 для проводных сетей
  n IEEE 802.11 MAC предполагает симметричные каналы

l Выход по энергии – проблема в MANETs, но не
  является проблемой в традиционных сетях

Сравнительный анализ MANETs (4)

l В сравнении с традиционными сетями, MANET
 имеют ограниченные физические средства
 защиты
  n возросшая возможность прослушивания, спуфинга, DoS
    атак
l Традиционные протоколы маршрутизации для
 проводных сетей не работают хорошо в MANETs
  n MANETs слишком динамичны
  n Наличие интерференции, ограничение пропускной
    способности в беспроводной связи и т.д.

Уровни сети MANET

       Уровни сети                          Задачи каждого уровня
                            New/Killer appllications         Все уровни:
                            Автоматическая
7. Уровень приложений       конфигурфция сети
6. Уровень представлений    Размещение служб                 Сохранение
5. Сеансовый уровень        Безопасность                     энергии
                            (аутентификация,                 Качество
                            шифрование)                      обслуживания
                                                             Надежность
4. Транспортный уровень     Tcp адаптация
                                                             Масштабируемость
                            Окна возврата
                                                             Моделирование
                            IP-маршрутизация                 сети
3. Сетевой уровень          Адресация                        Производи-
                            Оптимизация                      тельность
                            Многоадресная доставка           Оптимизация
                                                             Поддержка
                            Контроль медиа-доступа
2. Канальный уровень                                         аппаратного и
                            Коррекция ошибок
                                                             программного
                            оптимизация
                                                             обеспечения
1. Физический уровень       Спектральное
                            использование/размещение

Содержание
1. Беспроводные Ad-hoc сети
2. Общие принципы маршрутизации
   1. Алгоритмы вектора расстояния
   2. Алгоритм состояния канала
3. MANET сети
4. Протоколы MANET
   1. OLSR
   2. AODV
   3. Иерархические алгоритмы

MANET маршрутизация (1)
l Узлы должны устанавливать, как передавать
  пакеты
   n Маршрутизация от источника: маршрутные решения
     принимаются отправителем
   n Hop-by-hop маршрутизация: маршрутные решения
     принимаются на каждом промежуточном узле
l Трудно достичь высокой эффективности
   n Маршруты изменяются все время из-за мобильности
     узла
   n Лучше всего избегать долгих задержек при начальной
     передаче пакетов
   n Лучше уменьшить служебную информацию об
     обнаружении маршрута и поддержке
   n Желание включить по возможности больше узлов –
     найти лучшие пути и уменьшить вероятность разделения

MANET маршрутизация (2)
l Время принятия решения
   n Проактивная или управляемое таблицами – поддержка
     таблиц маршрутизации
   n Реактивная или по требованию – определение маршрута,
     когда требуется
l Структура сети
   n Иерархическая – установление иерархии над
     совокупностью узлов и отражение этой иерархии в
     алгоритмах маршрутизации
      ○ Возможно использование проактивных протоколов
        для маршрутизации внутри кластеров или зон
      ○ Возможно использование реактивных протоколов,
        действующих между кластерами
   n Не иерархическая – принятие решения среди всех узлов

Критерии выбора протоколов
              маршрутизации
                                          Распределенный,
                  Простота и
                                          но легкий по сути
                   легкость
                  применения

                                                              Полоса частот,
Масштабируемый,
  безопасный и                 Критерии                         мощность,
                                                             эффективность
   надежный
                                выбора                         расчетов с
                                                             минимальными
                                                         накладными расходами

                   Быстрая                     Поддержка
                  сходимость                  требований к
                   маршрута                     качеству
                                              обслуживания

Протоколы маршрутизации (1)

Общие положения
l Протоколы маршрутизации MANET должны:
   n Находить путь от хоста-источника к точке назначения
   n «Поддерживать» путь (например, когда промежуточный
     узел перемещается и прерывает путь)
   n Определять механизмы обмена информацией о
     маршрутах
l Реактивные протоколы
   n Находят пути, когда нужно передать пакет, но нет уже
     известных маршрутов
   n Стараются изменить путь, когда возникают отказы
l Проактивные протоколы
   n Заранее находят пути для всех возможных пар
     соединений
   n Периодически обмениваются информацией о маршрутах
     для «поддержания» путей

Рабочая группа IETF MANET (1)

 http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html

“Целью     этой     рабочей     группы    является
стандартизация функциональных возможностей
протокола маршрутизации IP для использования в
беспроводных сетях со статической и динамической
топологиями. Основными проблемами проекта
является то, что беспроводные интерфейсы имеют
несколько     уникальных      характеристик    для
маршрутизируемых интерфейсов и что узлы в
беспроводной     сети   могут    иметь   огромную
динамику, благодаря их мобильности и другим
факторам.”

IETF MANET рабочая группа (2)
l В   настоящее время четыре предложенных
  протокола маршрутизации MANET находятся в
  экспериментальном RFC статусе
   n Ad Hoc On Demand Distance Vector (AODV) протокол
   n Dynamic Source Routing (DSR) протокол
   n Optimized Link State Routing (OLSR) протокол
   n Topology Broadcast based on Reverse-Path Forwarding
      (TBRPF) протокол
l URL
   n http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html

OLSR
l Optimized Link State Routing (OLSR) протокол
  n Стал проектом интернет-документа (Internet Draft)
l Рекомендованная литература
   n C. Adjih, et al., “Optimized Link State Routing Protocol,”
     IETF Internet Draft, draft-ietf-manet-olsr-08.txt, March 3,
     2003.
   n P. Jacquet, P. Muhlethaler, T. Clausen, A. Laouiti, A.
     Qayyum, and L. Viennot, “Optimized Link State Routing
     Protocol for Ad Hoc Networks,” Proceedings IEEE INMIC,
     2001, pp. 62-68.

OLSR концепции (1)
l Проактивный (управляемый таблицей) протокол
  маршрутизации
   n Необходимый маршрут доступен немедленно
l Базируется на алгоритме состояния каналов
   n Обычно все узлы забрасывают соседние информацией в
     протоколе состояния каналов, но только не OLSR
l Узлы распространяют информацию о каналах с соседними
  узлами, которые находятся в их наборе многоточечных
  ретрансляторов
   n Уменьшается размер управляющих пакетов
l Уменьшается лавинная маршрутизация путем
  использования только многоточечных узлов
  ретрансляторов для посылки информации по сети
   n Уменьшает число управляющих пакетов путем снижения числа
     дублирующих передач

OLSR концепции (2)
l Не требует надежности передачи, так как
  периодически посылаются обновления
l Не требует доставки строго по порядку, так как
  используются порядковые номера, чтобы
  предотвратить неверную интерпретацию
  устаревшей информации
l Использование hop-by-hop маршрутизации
  n Маршруты основаны на компонентах динамических
    таблиц, поддерживаемых на промежуточных узлах

Многоточечные ретрансляторы
l Каждый узел N сети выбирает несколько соседних узлов
  как многоточечные ретрансляторы (Multipoint Relay -
  MPR(N)), которые передают контрольные пакеты из N
      n Соседние узлы не из MPR(N) обрабатывают контрольные
        пакеты от N, но не передают их дальше
l MPR(N) выбирается так, что все соседние узлы,
  находящиеся в 2 «прыжках», были охвачены (соседями,
  находящимися в 1 «прыжке» ) MPR(N)
                4                    Оптимальный набор для узла 4:
  1                            6     MPR(4) = { 3, 6 }

                        5              7        Существует ли
            3                                   другой оптимальный
 2                                              MPR(4)?

Набор многоточечных ретрансляторов
              (MPRS)
l Набор MPRS для узла M, MS(M), это набор узлов,
  которые выбрали узел M в свой набор MPR
  n Только связи N-M, для всех N, таких что MÎMS(N) будут
       информированы контрольными сообщениями

                4                      MS(3) = {…, 4,…}
    1                       6          MS(6) = {…, 4,…}

                      5            7
            3
   2
            (Предполагаются двухсторонние пути)

Приветственные сообщения (1)
l Каждый узел использует приветственные
  сообщения HELLO, чтобы определить свой набор
  MPR
l Все узлы периодически посылают
  приветственные сообщения всем соседним узлам
  на расстоянии одного «прыжка» (двухсторонние
  каналы)
l Приветственные сообщения не передаются
  дальше по сети             4
                            1           6
HELLO: NBR(4) = {1,3,5,6}
                                    5       7
                                3
                            2

Приветственные сообщения (2)
l Используя списки соседних узлов в полученных
  приветственных сообщений, узлы могут определить своих
  соседей, находящихся в 2 «прыжках», и оптимальный или
  почти оптимальный набор MPR
l Порядковые номера связаны с этим набором MPR
   n Порядковый номер увеличивается каждый раз, как
     высчитывается новый набор

    Возле узла 4:
    NBR(1) = {2}                 4
    NBR(3) = {2,5}   1                        6
    NBR(5) = {3,6}
    NBR(6) = {5,7}
                                        5             7
    MPR(4) = {3,6}           3
                     2

Приветственные сообщения (3)
l Последующие приветственные сообщения также
  определяют соседей, находящихся в наборе MPR
  текущего узла
l Набор MPR пересчитывается, когда
  зафиксированы изменения в одном из соседних
  узлов, находящихся не более чем в двух шагах
    HELLO:                                   MS(6) = {…, 4,…}
                              4
NBR(4) = {1,3,5,6},                      6
                      1
 MPR(4) = {3,6}

                                    5           7
                          3
                      2
                          MS(3) = {…, 4,…}

Сообщения TC
l Узлы шлют информацию о топологии в
  сообщениях TC (Topology Control)
  n Список объявленных соседних узлов (информация
    канала)
  n Порядковый номер (чтобы избежать использования
    устаревшей информации)
l Узел создает сообщения TC только для узлов в
  своем наборе MS
  n Только узлы MPR создают сообщения TC
  n Не все каналы представляются
l Узел обрабатывает все полученные сообщения
  TC, но дальше отправляет только те, отправитель
  которых принадлежит к его набору MS
  n Только узлы MPR распространяют сообщения TC

Пример OLSR (1)
                4
   1                           6

                       5                 7
            3
  2

MPR(1) = { 4 }         MS(1) = { }
MPR(2) = { 3 }         MS(2) = { }
MPR(3) = { 4 }         MS(3) = { 2, 4, 5 }
MPR(4) = { 3, 6 }      MS(4) = { 1, 3, 5, 6 }
MPR(5) = { 3, 4, 6 }   MS(5) = { }
MPR(6) = { 4 }         MS(6) = { 4, 5, 7 }
MPR(7) = { 6 }         MS(7) = { }

Пример OLSR (2)
                       4
            1                      6

                               5        7
                   3
           2
                 TC(3) = 

l Узел 3 создает сообщение TC объявляя узлы в
  MS(3) = {2, 4, 5}
l Узел 4 отправляет дальше сообщение TC Узла 3,
  так как Узел 3 Î MS(4) = {1, 5, 6}
l Узел 6 перенаправляет TC(3), так как Узел 4 ÎMS(6)

Пример OLSR (3)

                          TC(4) = 
                      4
            1                        6

                              5               7
                  3
           2

l Узел 4 создает сообщение TC объявляя узлы в
  MS(4) = {1, 3, 5, 6}
l Узлы 3 и 6 перенаправляют TC(4), так как
  Узел 4 Î MS(3) и Узел 4 Î MS(6)

Пример OLSR (4)
                      4
                                       TC(6) = 
          1                        6

                             5             7
                  3
          2

l Узел 6 создает сообщение TC объявляя узлы в MS(6) = {4, 5,
  7}
l Узел 4 перенаправляет TC(6) от узла 6, а Узел 3 направляет
  TC(6) от узла 4
l После того, как узлы 3, 4, и 6 создали сообщения TC, все
  узлы имеют информацию для маршрутизации о состоянии
  каналов в любом узле

Пример OLSR (5)
 TC(4) = 
                         4                     TC(6) = 
          1                                6

                                    5               7
                     3
         2                   TC(3) = 

Dest   Next Hops             l Получив информацию TC, каждый
 1       4   2                 узел формирует топологическую
 2       2   1                 таблицу
 4       4   1               l Таблица маршрутов рассчитывается
 5       5   1                 из топологической таблицы
 6     4 (5) 2
                             l Следует отметить, что канал 1-2
 7     4 (5) 3
                               виден только узлам 2 и 3

AODV
l AODV: Ad hoc On-demand Distance Vector
  протокол маршрутизации
   n Экспериментальный IETF RFC
l Рекомендованная литература
   n C. E. Perkins, E. M. Belding-Royer, and S. R. Das, “Ad hoc
     On-Demand Distance Vector (AODV) Routing,” IETF Internet
     Draft, draft-ietf-manet-aodv-13.txt, Feb. 17, 2003 (work in
     progress).
   n C. E. Perkins and E. M. Royer, “Ad hoc On-Demand Distance
     Vector Routing,” Proceedings 2nd IEEE Workshop on Mobile
     Computing Systems and Applications, February 1999, pp.
     90-100.

Концепции AODV (1)
l Чистый (Оn-demand) протокол маршрутизации по
 требованию
  n Узел не выполняет нахождение или обслуживание
    маршрута до тех пор, пока ему не потребуется путь к
    другому узлу или он не предложит свои услуги в
    качестве промежуточного узла
  n Узлы, находящиеся на неактивных путях, не
    поддерживают информацию о маршрутизации и не
    участвуют в обменах таблицами маршрутов
l Использует широковещательный механизм
  нахождения маршрутов
l Использует hop-by-hop маршрутизацию
  n Маршруты строятся на основе динамических записей
    таблиц, поддерживаемых на промежуточных узлах
  n Так же, как и Dynamic Source Routing (DSR), но DSR
    использует маршрутизацию от источника

Концепции AODV (2)
l Локальные приветственные сообщения HELLO
  используются для определения локальной
  связности
  n Может уменьшить время ответа на запросы маршрута
  n Может вызвать обновления, когда это необходимо
l Маршрутам и записям таблиц маршрутов
  присвоены порядковые номера
  n Используются для замены устаревших закешированных
    маршрутных записей
l Каждый узел обслуживает 2 счетчика
   n Порядковый номер узла
   n Широковещательный ID

Запрос маршрута в AODV (1)
l Инициируется, когда узел хочет соединиться с
  другим, но не имеет маршрута к этому узлу
l Исходный узел передает запрос маршрута (RREQ)
  соседним узлам

              type    flags   resvd     hopcnt
                       broadcast_id
                         dest_addr
                      dest_sequence_#
                        source_addr
                     source_sequence_#

Запрос маршрута в AODV (2)
l Порядковые номера
   n Порядковые номера источника определяют «свежесть»
     обратного маршрута к источнику
   n Порядковые номера пункта назначения определяют свежесть
     маршрута к этому пункту
l Каждый из соседних узлов получает запрос маршрута
  (RREQ - Route Requests) и либо
   n возвращает ответный пакет маршрута (RREP - Route Replies)
   n перенаправляет RREQ своим соседям
l (source_addr, broadcast_id) уникально идентифицируют
  RREQ
   n broadcast_id - увеличивается для каждого отправленного RREQ
     пакета
   n Получатели могут определить и отказаться от повторных
     пакетов RREQ

Запрос маршрута в AODV (3)
l Если узел не может ответить на RREQ
   n Узел увеличивает сумму шагов
   n Узлы сохраняют информацию, чтобы выполннить
     восстановление обратного пути (AODV предполагает
     симметричные каналы)
      ○ Соседний узел, отправивший этот RREQ пакет
      ○ IP-адрес точки назначения
      ○ IP-адрес источника сообщения
      ○ Broadcast ID
      ○ Порядковый номер узла источника
      ○ Время ожидания возвращения по маршруту
        (позволение сбора мусора - удаление ненужных
        данных и т.п.)

Пример AODV (1)
                       4
            1                   6

                           5           7
                   3
           2

l Узлу 1 требуется послать пакет данных Узлу 7
l Представим, что Узел 6 знает текущий маршрут к
  узлу 7
l Будем также считать, что никакой другой
  информации о маршруте в сети нет (относительно
  Узла 7)

Пример AODV (2)
                          4
              1                        6

                                 5              7
                      3
              2

l Узел 1 шлет RREQ пакет соседним узлам
   n source_addr = 1
   n dest_addr = 7
   n broadcast_id = broadcast_id + 1
   n source_sequence_# = source_sequence_# + 1
   n dest_sequence_# = last dest_sequence_# for Node 7

Пример AODV (3)
                       4
            1                        6

                             5               7
                   3
            2

l Узлы 2 и 4 подтверждают, что это новый RREQ и
  что source_sequence_# не устаревшее
  относительно обратного маршрута к Узлу 1
l Узлы 2 и 4 переправляют RREQ
  n Обновляют source_sequence_# для узла 1
  n добавляют hop_cnt в пакет RREQ

Пример AODV (4)
                         4
              1                      6

                               5             7
                     3
             2

l RREQ достигает узла 6, который знает маршрут к 7
   n Узел 6 должен убедиться, что порядковый номер пункта
     назначения меньше или равен номеру пункта, записанного
     как Узел 7
l Узлы 3 и 5 переправят пакет RREQ, но получатели
  признают пакет как дублирующиеся

Ответ маршрута AODV (1)
l Если узел получает RREQ и у него есть
  действующий маршрут к требуемой точке, тогда
  он направляет ответ маршрута (RREP) узлу-
  соседу, приславшему RREQ

              type   flags rsvd prsz hopcnt
                        dest_addr
                     dest_sequence_#
                       source_addr
                         lifetime

Ответ маршрута AODV (2)
l Промежуточные узлы передают первый RREP источнику,
  используя закешированные записи о маршруте
l Остальные RREP к сожалению получают отказ, если не…
   n порядковый номер точки назначения (dest_sequence_# )
     больше предыдущего
   n (dest_sequence_# ) порядковые номера одинаковы, но кол-во
     «прыжков» hop_cnt меньше (т.е., существует лучший путь)
l RREP в итоге делает это для источника, который может
  использовать соседние узлы для отправки RREP, как
  следующий шаг в отправке к пункту назначения
l Закешированные обратные пути будут уничтожены на
  узлах, которые не получили пакета RREP

Пример AODV (5)
                       4
            1                    6

                            5           7
                   3
            2
l Узел 6 знает путь к узлу 7 и шлет RREP узлу 4
   n source_addr = 1
   n dest_addr = 7
   n Dest_sequence_# = max(own sequence number,
     dest_sequence_# in RREQ)
   n hop_cnt = 1

Пример AODV (6)
                       4
            1                         6

                              5           7
                   3
            2

l Узел 4 убеждается, что это ответ о новом
  маршруте (в данном случае) или имеющий
  меньшее число «прыжков», и, если это так,
  передает RREP пакет Узлу 1
  n Увеличивая hop_cnt в пакет RREP

Пример AODV (7)
   Dest Next Hops             4
    7    4    3     1                    6

  КонецСлед.Шагов
                                   5               7
    7    4    3           3
                    2

l Узел 1 теперь знает путь из 3 шагов к узлу 7 и
  может его сразу использовать для пересылки
  пакетов данных
l Следует отметить, что первый пакет данных, для
  которого потребовался поиск пути,
  задерживается, пока первый RREP не вернется

Поддержание маршрута в AODV
l Изменения маршрута могут быть обнаружены по…
   n отказу периодических приветственных сообщений HELLO
   n отказу или признаку разъединения на канальном уровне
   n отказу в передаче пакетов к следующему пункту
     (обнаруживается путем прослушивания повторной передачи, в
     случае если это не конечный пункт назначения)
l Предыдущий (ближе к источнику) узел, обнаружив отказ,
  посылает сообщения об ошибке маршрута RERR(route
  error) с новым порядковым номером пункта назначения и с
  бесконечным (недостижимым) числом шагов
l Источник (или другой узел пути) может изменить путь,
  послав RREQ пакет

Пример AODV (8)
                       4
             1                   6

                            5           7
                   3
            2                    7

l Будем считать, что узел 7 переместился и связь
  6-7 разорвалась
l Узел 6 создает RERR, указывая разорванный путь
l RERR передается обратно к узлу 1

Сравнение OLSR и AODV
                  OLSR                                          AODV

    Оба протокола имеют особые характеристики, которые делают один из протоколов более
             подходящим чем другой, в зависимости от установочных параметров

l проактивный протокол                                    реактивный протокол

l хранит новейшие данные о всей сети          l хранит данные только про активные пути, за
                                                счет чего меньше обработка служебной
                                                информации
l время нахождения нового пути меньше, так    l время нахождения нового пути больше, так
 как необходимо только просмотреть              как информация имеется только об активных
 маршрутную таблицу, которая постоянно          маршрутах
 обновляется
l более эффективен для сетей с меньшей        l более эффективен для сетей с высокой
 мобильностью                                   мобильностью

Иерархические алгоритмы (1)
l Масштабируемость – протоколы MANET часто плохо
  работают в больших сетей (особенно в неплотных)
   n Глобальная топология основана на связности каждого
       мобильного узла
l Для обеспечения масштабируемости могут использоваться
  группирование узлов (кластеры)
   n Кластеры формируются (конечно, динамически) для
       обеспечения иерархии
   n   Глобальная маршрутизация осуществляется для кластеров
   n   Локальная маршрутизация осуществляется к узлам внутри
       кластера
   n   Для расширения иерархии кластеры могут собираться в супер
       кластеры (супергруппы) – кластеры кластеров
   n   Принципы схожи с IP-подсетями

Иерархические алгоритмы (2)
l Специальный узел, называемый глава кластера
  (cluster-head), назначается для каждого кластера
   n Способен маршрутизировать данные в или от других
     кластеров
   n Может быть специальный узел или узел назначаемый
     при помощи алгоритма кластеризации
l Алгоритмы
   n Кластеризации – формирование кластеров
   n Определение главы кластера– может быть частью
     алгоритма кластеризации
   n Маршрутизация – некоторые алгоритмы маршрутизации
     все еще нужны
      ○ Применяется на каждом уровне иерархии

Иерархические алгоритмы. Пример
                      Кластер 2

      Кластер 1

                  Кластер 3

Заключение
l Уровень 3 маршрутизации необходим для расширения
    беспроводных мобильных сетей за пределы локальных
    сетей из непосредственно связанных между собой узлов
l   Мобильные ad hoc сети используют многошаговую
    маршрутизацию для осуществления соединений в сети с
    динамической топологией
l   Трудно хорошо осуществить маршрутизацию MANET – из-за
    существующих проблем беспроводности и мобильности
l   Предложено несколько активных и реактивных протоколов
    маршрутизации MANET
l   MANET все еще не сильно используются и еще
    относительно неразвиты