Position Based Routing in Ad-hoc Networks - Location Services. Seminar: Datenkommunikation & verteilte Systeme SS 2003

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1 Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Lehrstuhl für Informatik IV Prof. Dr. rer. nat. Otto Spaniol Position Based Routing in Ad-hoc Networks - Location Services Seminar: Datenkommunikation & verteilte Systeme SS 2003 Thomas Skora Matrikelnummer: Betreuung: Dipl.-Inform. Stefan Penz Lehrstuhl für Informatik IV, RWTH Aachen

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Grundlagen Standortbasiertes Ad-hoc-Routing Forwarding Location Services & Servers Klassifizierung Gütekriterien von Location Services Verfahren Grid Location Service (GLS) Der hierarchische Aufbau des Netzes Auswahl der Location Server Positionsanfragen Location Updates DREAM Homezone-basierte Location Services Auswahl der Homezone Location Updates Positionsanfragen Vergleich der Verfahren GLS, DREAM und Homezone Simulationsergebnisse von GLS Zusammenfassung & Ausblick 23 2

3 1 Einleitung Das Routing, das Durchleiten von Daten zu ihrem Ziel, in mobilen Ad-hoc-Netzen stellt eine weitaus komplexere Aufgabe als das Routing in Netzen mit fest installierter Infrastruktur dar. So müssen z. B. die Knotenpunkte, die Teilnehmer des Ad Hoc-Netzwerks, das Routing übernehmen und die Routen können sich ständig ändern, weswegen statische Ansätze, wie sie oft in Netzen mit fester Infrastruktur verwendet werden, für Ad-hoc-Netze nicht in Frage kommen. Es gibt zwei verschiedene Konzepte für Routingverfahren in Ad-hoc-Netzen. Bei topologiebasierten Routingverfahren werden die Informationen über existierende Verbindungen zum Routen von Daten verwendet, während bei standortbasierten Routingverfahren die Positionen der einzelnen Teilnehmer den Weg der Daten im Netz bestimmen. Diese Verfahren lassen sich grob in zwei Aufgaben aufteilen: das Bereitstellen der Standortinformationen (Location Services) und das Weiterleiten von Datenpaketen im Senderadius zu ihren Zielen, was im folgendem als Forwarding bezeichnet wird. In dieser Ausarbeitung werden nur die Location Services der standortbasierten Routingverfahren behandelt. Dabei werden zunächst in Abschnitt 2 die Grundlagen behandelt. Anschließend werden in Abschnitt 3 verschiedene Location Services des standortbasierten Ad-hoc-Routings vorgestellt. Insbesondere wird hier auf GLS aus dem Grid-Projekt [Grid] eingegangen. Außerdem werden DREAM und Homezone-basierte Verfahren vorgestellt und ein Überblick über weitere Verfahren gegeben. In Abschnitt 4 werden einige der bisher durchgeführten Simulationen vorgestellt und die Location Services miteinander verglichen. 2 Grundlagen 2.1 Standortbasiertes Ad-hoc-Routing Beim standortbasierten Ad-hoc-Routing entscheidet jeder Knotenpunkt für sich, wohin ein empfangenes Datenpaket geroutet werden soll. An welche Nachbarknoten das Paket weitergeleitet werden soll, wird anhand der Zielposition im Header des Pakets, der Positionen der aktuellen Nachbarknoten und der eigenen Position entschieden. Die Positionen werden dabei von jedem Knoten über Navigationssysteme wie GPS ermittelt und einem Location Service mitgeteilt. Dieser sorgt wiederum dafür, dass die Information über die Position im gesamten Netz verfügbar ist und von jedem anderen Knotenpunkt abgefragt werden kann. Möchte ein Knoten A ein Paket an einen anderen Knoten B senden, dann wird zunächst die Position von B bestimmt. Diese Positionsinformation kann durch eine Anfrage bei einem Location Service geschehen oder A bereits bekannt sein. Ist auf dem vom Forwarding-Verfahren vorgesehenen Pfad zwischen A und B ein Knoten C, der eine aktuellere Positionsinformaton besitzt als die, die im Header steht, wird C diese Information im Header durch die eigene Information ersetzen und das Paket weiterleiten. Die Aktualität der Information kann z. B. durch einen Zeitstempel zur Positionsangabe ermittelt werden. 3

4 C ½¾¼ ¾¼ µ Location Service ½¼¼ ¼ ¾µ ½¾¼ ¾¼ µ Ñ A ½¼¼ ¼ ¾µ Ñ B Abbildung 1: Routing eines Pakets über mehrere Knoten mit Update der Positionsangabe im Header Beispiel 2.1 (Routing eines Pakets) In Abbildung 1 möchte Knoten A die Nachricht Ñ an B senden, welcher nicht direkt erreicht werden kann. Da A die Position von B nicht kennt, fragt A den Location Service nach der Position von B und konstruiert aus den erhaltenen Informationen das Paket ½¼¼ ¼ ¾µ Ñ, wobei B das Ziel des Pakets, ½¼¼ ¼ ¾µ die Position Ü ½¼¼, Ý ¼ von B mit Zeitstempel Ø ¾und Ñ die Nachricht darstellt. Dieses Paket wird anschließend durch das Netz geleitet, bis es am Knoten C ankommt, der eine aktuellere Positionsinformation besitzt. C ersetzt die Positionsinformation mit Zeitstempel durch die eigene und leitet das Paket weiter, bis es bei B ankommt. 2.2 Forwarding Location Server, die Daten miteinander austauschen möchten, können unter Umständen so weit voneinander entfernt sein, dass die übertragenen Pakete über mehrere Knoten weitergeleitet werden müssen, bis sie ihr Ziel erreichen. Dabei können die übertragenen Daten auch über Knoten geleitet werden, die keine Location Server sind. In diesem Abschnitt wird eine Forwarding-Strategie, das Greedy Packet Forwarding, kurz vorgestellt, mit der anhand von Zielposition und der Position der Nachbarn jeder Knoten eine Forwarding- Entscheidung treffen kann. Bei dieser Forwarding-Strategie werden die Pakete an einen Nachbarn weitergeleitet, der grob in der Richtung des Ziels liegt. Dazu muß der ursprüngliche Sender des Pakets die ihm bekannte Position des Zielknotens in den Paket-Header eintragen. Die Strategie selbst kann noch in mehrere Variationen unterteilt werden, die im Folgenden beschrieben werden. Dabei stellt Ö den maximalen Radius dar, in dem ein Knoten senden kann. Eine Strategie des Greedy Packet Forwarding ist es, zufällig einen Knoten, der näher an der Zielposition ist, auszuwählen. Diese Strategie arbeitet dann effektiv, wenn die Positionen der Nachbarn nur sehr ungenau bestimmt werden können, weil Ö z. B. sehr klein ist und das Positionssystem in diesem Radius nur eine schlechte Auflösung bietet. Bei einer anderen Strategie, dem Most Forward Within r (MFR), wird ein Paket an den Nachbarn weitergeleitet, der der Zielposition am nächsten ist. Dadurch soll die Anzahl der Zwischenstationen, 4

5 die das Paket weiterleiten müssen, minimiert werden. Eine weitere Forwarding-Strategie ist das Nearest With Forward Progress (NFP), bei der der nächste Nachbar ausgewählt wird, der in der Richtung des Ziels liegt. Diese Strategie bietet vor allem dann Vorteile, wenn der Senderadius Ö durch Abschwächen der Sendeenergie eingeschränkt werden kann, was dazu führt, dass mehr Knoten den Sendekanal gleichzeitig nutzen können, ohne Kollisionen zu verursachen. Allerdings wird durch diese Strategie die Anzahl der Knoten, die das Paket weiterleiten müssen, im Gegensatz zu MFR erhöht. Die letzte hier vorgestellte Strategie, das Compass Routing (CR), leitet ein Paket an den Knoten weiter, der als nächster an einer geraden Linie zwischen dem aktuellen und dem Zielknoten liegt. Das Ziel hierbei ist es, die zurückgelegte Distanz des Pakets zwischen den beiden Knoten zu minimieren. Beispiel 2.2 (Greedy Packet Forwarding) In Abbildung 2 möchte A ein Paket an B senden. Eingezeichnet sind noch drei weitere Knoten, deren Bezeichnung angibt, nach welchem Verfahren sie ausgewählt würden. Ù MFR A Ù Ù CR B Ù Ù NFP Abbildung 2: Greedy Packet Forwarding Probleme treten beim Greedy Packet Forwarding auf, wenn in der Richtung des Zielknotens keine Nachbarn liegen. Diese Situation wird lokales Maximum genannt und kann mit Recovery-Strategien wie Least Backward Progress [Fwd, Rec] behoben werden. 2.3 Location Services & Servers Ein Location Service wird bei vielen Verfahren von mehreren oder allen Knotenpunkten des Netzes gebildet, da so ein großer Vorteil von Ad-hoc-Netzen, der Verzicht auf eine feste Netz-Infrastruktur, erhalten bleibt. Ein Knoten im Netz, der zum Location Service gehört, wird als Location Server bezeichnet. Ein solcher Location Server nimmt Location Updates von anderen Knotenpunkten entgegen, die oft per Broadcast bekanntgegeben werden, und verteilt die Positionsinformationen gegebenfalls auch an andere Location Server. Dies ist notwendig, da ein Broadcast nur Knoten in Funkreichweite erreicht. 5

6 Knoten, die keine Location Server sind, können unabhängig davon selbst Positionen von anderen Knoten außerhalb der Nachbarschaft 1 speichern. Die Knoten in der Nachbarschaft müssen dagegen immer bekannt sein, da ohne diese Informationen kein Forwarding möglich ist. Dieser vom Location Service unabhängige Positionsspeicher wird auch als Location Cache bezeichnet [GLS]. Die Daten für den Location Cache werden aus den Broadcasts von Nachbarn und den Headern der empfangenen Daten- und Updatepakete gewonnen. Dabei können die empfangenen Pakete auch für andere Knoten bestimmt sein. Der Einsatz des Location Cache kann für lokale Zwecke eingeschränkt und nur beim Versenden von eigenen Paketen verwendet [GLS], beim Weiterleiten von Paketen zur Aktualisierung von älteren Headerdaten eingesetzt [SPBR] oder zum Beantworten von Positionsanfragen verwendet werden [LIS]. Zusätzlich können in den Location Servern Informationen über die Geschwindigkeit und Richtung von Knoten gespeichert werden, um so die Anzahl der Updates durch das Berechnen von Vorhersagen zu verringern. 2.4 Klassifizierung Location Services lassen sich nach der Anzahl der Teilnehmer aus dem gesamten Netz und der Menge der gespeicherten Positionsinformationen in jedem Location Server klassifizieren [SPBR]. Dabei werden Bezeichnungen wie z. B. all-for-some verwendet. Die erste Information charakterisiert die Menge der Knotenpunkte im gesamten Netz, die auch Location Server sind. some bedeutet, dass nur eine bestimmte Auswahl von Knoten auch zum Location Service gehört, dagegen ist bei all jeder Knoten des Netzes auch ein Location Server. Die zweite Bezeichnung sagt aus, von wie vielen Knotenpunkten ein Location Server die Informationen speichert. Some bedeutet hier, dass ein Location Server nur für eine bestimmte Auswahl von anderen Knoten die Position speichert, während bei all jeder Location Server die Position von allen Knoten kennt. Unabhängig davon lassen sich Locations Services noch in proaktive und reaktive Verfahren einteilen [LIS]. Dabei verteilen proaktive Verfahren die Positionsinformationen unabhängig von den Anfragen, z. B. periodisch, während die Informationen bei reaktiven Verfahren nur dann verteilt werden, wenn sie benötigt werden. 2.5 Gütekriterien von Location Services Anhand der Klassifizierung lassen sich bereits bestimmte Vorteile eines Location Service-Verfahren erkennen. So kann z. B. bei einem Verfahren, auf das all-for-all zutrifft, jeder Knoten die Position für ein Ziel direkt aus dem ihm zur Verfügung stehenden Informationen bestimmen. Dies führt dazu, dass keine Anfragen für Positionsinformationen mehr durchgeführt werden müssen und so keine Bandbreite und nur ein konstanter Zeitaufwand für diese Anfragen aufgewandt wird. Dies könnte dadurch realisiert werden, dass jeder Knoten das Netz mit seiner aktuellen Positionsinformation flutet, 1 Als Nachbarschaft werden die Knoten bezeichnet, die in Funkreichweite liegen. 6

7 was jedoch zu einem hohen Aufwand für Location Updates führen würde. Dieser Location Service würde nur schlecht skalieren, weil der Kommunikationsaufwand für Location Updates im Worst- Case quadratisch zur Anzahl der Knoten im Netz steigen würde. Hat dagegen nicht jeder der Location Server die Positionsinformationen von allen Knoten (*-for-some), müssen Positionsanfragen evtl. an andere Location Server weitergeleitet werden, wodurch sich der Kommunikationsaufwand für Anfragen erhöht. Ein weiteres Kriterium ist die Robustheit gegenüber Ausfällen von einzelnen Knoten. Diese können bei mobil betriebenen Geräten in Ad-hoc-Netzwerken oft vorkommen, da die Energieversorgung unterbrochen werden oder ein Gerät den Empfangsbereich aller anderen Knoten verlassen kann. Für den Fall, dass ein Knoten nicht mehr erreicht werden kann, sollte der Location Service weiterhin seine Aufgaben erfüllen. 3 Verfahren 3.1 Grid Location Service (GLS) GLS ist ein Location Service, der im Grid Project [Grid] verwendet wird. Das Ziel von GLS ist es, einen gegen Ausfälle von einzelnen Knoten robusten Location Service anzubieten, der sowohl den Speicher als auch den Kommunikationsaufwand gleichmäßig auf alle Knoten verteilt. Außerdem soll das Netz bei lokalen Kommunikationsverbindungen auch nur lokal mit Positionsanfragen belastet werden. Um diese Bedingungen zu erfüllen, ist ein GLS hierarchisch aufgebaut und alle Knoten bekommen intern einen Hash-Wert zugeteilt, der sie eindeutig identifiziert Der hierarchische Aufbau des Netzes Das Gebiet ist bei GLS so in Quadrate unterteilt, dass jeweils vier Quadrate zusammen wieder ein Quadrat ergeben. Die Quadrate der kleinsten Größe werden als Quadrate erster Ordnung bezeichnet, die aus vier Quadraten der Ordnung Ò ½ zusammengesetzten Quadrate gehören zur Ò-ten Ordnung, was in Abbildung 3 durch die grauen Quadrate dargestellt wird. Ein Quadrat der Ordnung Ò gehört dabei jeweils immer nur einem Quadrat der Ordnung Ò ½an. Eine hinreichende Bedingung dafür ist, dass die Koordinaten der Form Ü Ýµ für ein Quadrat Ò-ter Ordnung ¾ Ò ½ ¾ Ò ½ µ betragen und ¾ Æ gilt. Ein ¾ ¾-Quadrat, das nicht zweiter Ordnung ist, wird in Abbildung 3 durch das schwarze Quadrat dargestellt. Die Koordinaten bezeichnen die Entfernung von der linken unteren Ecke des Gebiets in einer beliebigen Einheit Auswahl der Location Server Möchte ein Knoten ein Location Update bis zu den Quadraten der Ordnung Ò durchführen, so sucht er sich in den drei Quadraten erster Ordnung, die nicht den aktualisierenden Knoten selbst enthalten aber im gleichen Quadrat zweiter Ordnung liegen, jeweils einen Location Server. Im gleichem 7

8 1. Ordnung 3. Ordnung 2. Ordnung Abbildung 3: Partitionierung eines Netzes. Auswahlverfahren werden dann in jedem Quadrat -ter Ordnung drei Location Server in drei verschiedenen Quadraten ½-ter Ordnung ausgesucht, bis Ò gilt. Außerdem kennen alle Knoten, die im gleichen Quadrat erster Ordnung liegen, gegenseitig ihre Positionen. Da die Anfragen nachher an die ausgewählten Location Server gestellt werden müssen, sollte jeder Knoten seine Location Server so aussuchen, dass der anfragende Knoten mit dem gleichen Suchverfahren die gleichen Location Server auswählt. Dazu hat jeder Knoten des Netzes einen eindeutigen Identifier, der durch eine Hashfunktion über den Knotennamen oder direkte Zuweisung bestimmt werden kann. In der weiteren Beschreibung von GLS wird davon ausgegangen, dass alle Identifier natürliche Zahlen sind. Um in einem Quadrat einen Location Server auszuwählen, wird in diesem Quadrat ein Knoten gesucht, dessen Identifier dem eigenen Identifier am nächsten liegt. Ein Identifier in einem beliebigen Quadrat wird als am nächsten zum eigenen Identifier bezeichnet, wenn es keinen anderen Identifier in diesem Quadrat gibt, für den gilt. Zusätzlich ist der Raum der Identifier zirkulär. Wenn zu kein mit existiert, dann ist der nächste Identifier der, der als erster hinter ¼ liegt. Beispiel 3.1 (Identifier) Der Knoten mit dem Identifier 42 sucht in einem Quadrat, der die Knoten mit den Identifiern 4, 17, 36, 45 und 52 enthält, 45 als Location Server aus. In einem anderen Quadrat mit den Identifiern 3, 25, 37, 41 wählt er den Knoten mit dem Identifier 3 aus, da kein Identifier vorhanden ist und 3 der erste Identifier ¼ ist. Durch dieses Verfahren kann jedem Knoten in jedem Quadrat eindeutig ein Location Server zugeordnet werden, der auch von anderen Knoten gefunden werden kann, wobei die Dichte der Location 8

9 Server eines Knotens mit der Entfernung logarithmisch abnimmt [SPBR]. In Abbildung 4 wird aus der Sicht des Knotens 42 gezeigt, welche Knoten er als Location Server aussuchen würde. Die ausgewählten Knoten sind fett gedruckt. Da jeder Knoten ein Location Server sein kann, aber nur eine bestimmte Menge von Positionsinformationen für andere Knoten speichert, ist GLS ein all-for-some- Location Service Abbildung 4: Auswahl der Location Server für Knoten Positionsanfragen Eine Positionsanfrage kann jeder Knoten des Netzes mit den lokal gespeicherten Daten durchführen. Dazu sendet der anfragende Knoten ein Anfragepaket (Abbildung 5) an einen bekannten Knoten, dessen Identifier am nächsten zum Identifier des Zielknotens liegt. Dieser Schritt wird so lange wiederholt, bis der Zielknoten erreicht wird, der dann seine Position zum anfragenden Knoten sendet. Da der nächste Knoten bei diesem Verfahren nicht der Zielknoten sein muß, gibt es im Anfragepaket zwei Felder, die den Identifier und die Position des nächsten Location Servers aufnehmen können. Diese Felder werden hier als Identifier bzw. Position des nächsten Location Servers bezeichnet. Die Anfrage wird letztendlich immer vom Zielknoten beantwortet, da dieser seine exakte Position kennt. Beispiel 3.2 In Abbildung 6 wurde in einige Quadrate jeweils ein Knoten mit den Identifiern der Knoten, die diesen als Location Server verwenden, eingetragen. Der Knoten 99 möchte hier die Position von 42 erfahren. Da er sie selbst nicht kennt, leitet dieser die Anfrage zu 53 weiter, weil der kleinste Knoten in der Liste der bekannten Knoten von 99 ist, der hinter 42 liegt. 53 kennt die Position von 42 wiederum nicht und routet daher die Nachricht zum 42 9

10 Positionsanfrage Quell-Identifier Quell-Position Ziel-Identifier Identifier des nächsten Location Servers Position des nächsten Location Servers Zeitstempel Abbildung 5: Aufbau eines Anfrage-Paket [GLS] am nächsten liegenden Knoten, zu 51. Dieser kennt die Position, da er Location Server für 42 ist, und leitet das Anfrage-Paket an den Knoten 42 weiter, der dann eine Antwort direkt an 99 sendet. Zusätzlich wurde in dieser Abbildung noch der Weg der Anfrage von 52 an 79 eingezeichnet. 51: 18, 23, 42, 43, 44, 45, 53, 99 99: 53: 52: 53, 64, 70, 18, 51, 52, 44, 45, 51, 79, À ÀÀÀÀ 18: 15, 17, 51, 53, 99 ¹ À ÀÀÀÀ Í 44: 15, 17, 18, 23, 42, 43, 52, 70, 79, 84, 99 70: 44, 52, 53, 64 84: 42: 64: 43: 23, 45, 51, 15, 17, 18, 15, 42, 43, 15, 17, 42, 52, 53, 64, 23, 64 70, 79, 84 44, 45, 51, 64, 79 52, 53 15: 42, 64, 79, 84, 99 45: 23, 42, 43, 44, 84 23: 17: 15, 17, 18, 15, 42, 43, 45, 84, 99 64, 79 Æ 79: 15, 17, 42, 43, 64, 70 Abbildung 6: Beispiel von zwei Positionsanfragen. Erreicht eine Anfrage für die Position eines Knotens A einen Knoten B, der keine Positionsinformation über A und keinen Knoten mit einem Identifier zwischen A und B kennt, so ist das darauf zurückzuführen, dass die Positionsinformation in B abgelaufen ist. Dies passiert dann, wenn ein Update-Paket sein Ziel nicht erreicht hat. In so einem Fall können, falls vorhanden, auch Positionsinformationen verwendet werden, die bereits abgelaufen sind Location Updates Die Location Update-Pakete (Abbildung 7) werden nicht an einen bestimmten Knoten geroutet, da dafür die Position des Zielknotens bekannt sein müsste, was wiederum ein Bootstrapping erfordern 10

11 würde, nach dem jeder Knoten die Positionen der anderen kennen müsste. Die Update-Pakete werden dazu an eine bestimmte Position gesendet, die innerhalb des Zielquadrates liegt. Der erste Knoten in dem Quadrat, der dieses Paket empfängt, leitet es analog zu einer Suchanfrage an einen ihm bekannten Knoten in dem Quadrat weiter, dessen Identifier gemäß der obigen Definition näher am Identifier des Quellknotens des Updates liegt. Dies wird so lange fortgesetzt, bis das Paket bei einem Knoten ankommt, der keinen anderen Knoten in diesem Quadrat kennt, dessen Identifier kleiner ist als sein eigener und nicht kleiner ist als der des Quellknotens des Updates. Dieser Knoten nimmt an, dass er der Location Server ist, und speichert die Position des Quellknotens. Sollten mehrere Location Updates eintreffen, so wird das aktuellste anhand des Zeitstempels im Update-Paket ausgewählt. Location Update-Paket Quell-Identifier Eigene Position Zeitstempel Zielquadrat Haltbarkeit Identifier des nächsten Location Servers Position des nächsten Location Servers Abbildung 7: Aufbau eines Location Update-Pakets [GLS] Eine Bedingung dafür, dass ein Location Update in einem Quadrat Ò-ter Ordnung funktioniert, ist, dass die Location Server in den vier untergeordneten Quadraten Ò ½µ-ter Ordnung alle Positionsinformationen enthalten. Dazu werden Location Updates in aufsteigender Ordnung durchgeführt, das heißt, dass zunächst alle Knoten in Quadraten erster Ordnung ihre Positionen untereinander verteilen, danach werden die Positionsinformationen weiter in den Quadraten zweiter Ordnung verteilt. Dies wird so lange wiederholt, bis das Quadrat Ò-ter Ordnung erreicht wurde. Diese Bedingung kann nur sehr schwer erfüllt werden, da dafür eine Synchronisation zwischen den Quadraten stattfinden müsste. Zusätzlich besteht immer die Möglichkeit, dass ein neuer Knoten in das Netz kommt, der noch kein Location Update empfangen hat, aber der richtige Location Server ist, weil dessen Identifier näher an einem Knoten liegt als der des bisherigen Location Servers. In der Implementation von GLS wird dies durch periodische Location Updates gelöst, wodurch es beim Aktivieren von neuen Knoten kurzzeitig zu Inkonsistenzen kommen kann. Die Häufigkeit von Location Updates hängt von der zurückgelegten Strecke seit dem letzten Location Update und dem Netzwerkparameter ab. Location Updates bis zu den benachbarten Quadraten der -ten Ordnung werden immer dann durchgeführt, wenn sich der Knoten um ¾ ¾ Einheiten weiterbewegt hat. Ein Update bis zur Ordnung 2 wird z. B. alle Einheiten durchgeführt. Zusätzlich gibt es periodische Updates, die nach einem bestimmten Zeitintervall durchgeführt werden. Der Timeout für eine Positionsinformation, die im Updatepaket enthalten ist, steht im Zusammenhang mit diesem Intervall. Dadurch soll der Location Server die Positionsinformation, kurz nachdem ein neues Location 11

12 Update erwartet wird, für veraltet erklären, da sich die Position des Knotens bei vernünftiger Wahl von zu stark geändert haben kann. Bewegt sich ein Knoten von einem Quadrat erster Ordnung A in ein anderes Quadrat erster Ordnung B, so wird vor dem Verlassen von A ein Forwarding Pointer mit einem Broadcast an die Nachbarknoten gesendet, der den Identifier des neuen Quadrats des Knotens enthält. Eine zufällige Auswahl von Forwarding Pointern wird von jedem Knoten in A in den periodischen Broadcasts mitgesendet. Empfängt ein Knoten K, der sich in A befindet, einen solchen Broadcast von einem anderen Knoten, der sich auch in A befindet, und enthält dieser Broadcast Forwarding Pointer, die nicht in K gespeichert sind, so übernimmt K diese Forwarding Pointer. Dadurch wird der Forwarding Pointer auf alle anderen Knoten in einem Quadrat erster Ordnung verteilt und kann von Knoten übernommen werden, die sich in ein Quadrat hineinbewegen. Bewegt sich ein Knoten aus einem Quadrat heraus, so kann er alle gespeicherten Forward Pointer verwerfen. Möchte nun ein Knoten, der die neue Position des Zielknotens noch nicht kennt, Daten an diesen senden, dann wird das Paket beim Eintreffen in A in das Quadrat B weitergeleitet, in dem entweder die Position des Zielknotens bekannt ist oder ein weiterer Forwarding Pointer ein neues Zielquadrat angibt. Durch diese Vorgehensweise wird verhindert, dass bei jeder Bewegung eines Knotens in ein neues Quadrat erster Ordnung ein Location Update durchgeführt werden muß, was das Netz mehr belastet als der lokale Broadcast des Forwarding Pointers. Location Updates für die Quadrate erster Ordnung werden bei GLS nicht durchgeführt, da jeder Knoten eine Tabelle mit den Positionen seiner direkt erreichbaren Nachbarn 2 und von den Knoten speichert, die über einen Nachbarn erreicht werden können. Neben der Position werden zusätzlich die Geschwindigkeit des Knotens und ein Zeitstempel gespeichert. Um diese Informationen zu verbreiten, werden periodisch Pakete mit dem eigenen Identifier, der Position, Geschwindigkeit und eine Tabelle der bekannten Nachbarn in einem Broadcast versendet. Weiterhin wird diese Tabelle geupdated, wenn ein Paket von einem Nachbarn empfangen wird. Alle Einträge laufen nach einer bestimmten Zeit aus. Die Position eines abgelaufenen Knotens wird mit Hilfe der Geschwindigkeitsangabe in der Tabelle neu geschätzt und so lange weiterverwendet, bis der Knoten nicht mehr erreichbar ist, weil er z. B. nicht mehr mit Bestätigungen auf Datenpakete antwortet. Die Tabelle der Nachbarn wird dazu verwendet, den nächsten Forwardingknoten zu bestimmen. Zusätzlich hält jeder Knoten noch ein Location Cache, in dem die Daten aus weitergeleiteten Location Updates gespeichert werden. Die Daten im Cache haben nur eine kurze Lebensdauer und werden nur dann verwendet, wenn eigene Daten gesendet werden müssen. Insbesondere werden damit keine Anfragen nach Positionen beantwortet. 3.2 DREAM DREAM steht für Distance Routing Effect Algorithm for Mobility. DREAM beschreibt dabei einen Location Service und das Forwarding. Der Distance Effect ist die Beobachtung, dass sich zwei weit 2 Im folgenden: Nachbar. 12

13 von einander entfernte Knoten langsamer zueinander bewegen als zwei Knoten, die nah zueinander stehen. Dadurch kann die Genauigkeit der Positionsinformation für einen Knoten mit der Distanz abnehmen. Bei DREAM wird das Netz grundsätzlich mit Location Updates geflutet. Empfängt ein Knoten ein solches Location Update, dann wird die Positionsinformation lokal gespeichert, DREAM ist also ein all-for-all-location Service. Jedem Location Update-Paket wird neben dem Identifier des Senders und der Positionsinformation auch eine Distanz mitgegeben, die das Paket beim Forwarding durch das Netz nicht überschreiten darf. Diese Distanz kann durch eine Entfernung in einer natürlichen Maßeinheit oder in Zwischenstationen angegeben werden. Letzteres hat sich dabei in Simulationen als vorteilhaft gegenüber der ersten Variante erwiesen [LIS]. Durch diese Information kann jedes Location Update auf eine bestimmte Entfernung beschränkt und die Genauigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung gesteuert werden. In [DRM] und [LIS] werden dafür zwei Arten von Paketen, kurz- und langlebige, eingesetzt. Kurzlebige Pakete werden in kurzen Intervallen gesendet, werden aber nur über eine kurze Distanz weitergeleitet. Langlebige Pakete werden dagegen nur relativ selten gesendet, erreichen dafür alle Knoten im Netz. Die Häufigkeit von Location Updates wird zusätzlich durch die Geschwindigkeit des Knotens bestimmt. Schnelle Knoten aktualisieren ihre Positionsinformationen in den Location Servern häufiger als langsame. In [LIS] wurde die Häufigkeit der Location Updates mit Ì Ö Ú für kurzlebige Location Update-Pakete festgelegt, wobei Ì Ö die Reichweite des Senders, Ú die Durchschnittsgeschwindigkeit und ein Skalierungsfaktor ist. Nach Ý Sekunden oder Ü kurzlebigen Paketen wird jeweils ein langlebiges Update-Paket gesendet. 3.3 Homezone-basierte Location Services In Homezone-basierten Verfahren wird jedem Knoten ein kreisförmiger Bereich mit einem Mittelpunkt und einem Radius Ê, die Homezone, zugeordnet. In diesem Bereich werden die Positionsdaten des jeweiligen Knotens verwaltet, das heißt, dass der Knoten seine Location Updates in diesen Bereich sendet und Anfragen an die Knoten in diesem Bereich gestellt werden. In Abbildung 8 ist das Konzept dieses Location Services schematisch dargestellt. Ein Knoten sendet ein Location Update an die Homezone(1), die später von einem anderen Knoten abgefragt wird(2). Sind die Positionen bekannt, so können Daten ausgetauscht werden, ohne die Homezone zu beanspruchen(3). Da jeder Knoten in einer Homezone liegen kann und die Knoten in einer Homezone nur die Positionsinformationen für den dazugehörigen Knoten speichern, ist dies ein all-for-some-location Service Auswahl der Homezone Als Mittelpunkt der Homezone wird in [HR1] die Position vorgeschlagen, an der sich der Knoten am Anfang befindet. In [HR2] wird eine Hash-Funktion À ÍÁ Ä verwendet, in der EUI 13

14 1. Update 3. Daten 2. Anfrage Abbildung 8: Beispiel für einen Homezone-basierten Location Service für End-System Unique Identifier, die Menge der eindeutigen Identifier der Knoten, und LDA für Location-Dependent Adress, die Menge der standortabhängigen Adressen, steht [TN]. Der Radius der Homezone wird im Gegensatz zum Mittelpunkt nicht festgelegt, sondern muß an die jeweilige Anzahl der Knoten, die sich in der Homezone befinden, angepaßt werden. Dabei dürfen sich nicht zu viele Knoten in der Homezone befinden, da der Kommunikationsaufwand für das Verteilen der Positionsinformationen zu hoch wird. Befinden sich dagegen zu wenige Knoten in diesem Bereich, dann steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Positionsanfragen aufgrund der niedrigen Redundanz nicht beantwortet werden können. Nach [HR2] sollen sich in einer Homezone jeweils zwei bis zehn Knoten aufhalten. Sinkt die Anzahl der vorhandenen Knoten unter einen bestimmten Wert, dann wird der Radius vergrößert, steigt die Anzahl der Knoten an, so wird der Radius verkleinert. Der Radius kann zentral durch den zur Homezone gehörenden Knoten oder durch die Knoten in der Homezone gesteuert werden Location Updates Location Updates werden beim Homezone-Location Service in [HR1] lokal am Standort des Knotens und in größeren Abständen in der Homezone vorgenommen. Jeder Knoten berechnet aus den bisherigen Location Updates der Nachbarn, in welcher Richtung und Geschwindigkeit sich jeder Nachbarknoten bewegt. Aus diesen Daten wird berechnet, wie lang ein Nachbar direkt erreichbar im Senderadius Ö bleibt. Ist diese Zeit verstrichen, wird ein Location Update an alle Knoten gesendet, die sich im Umkreis von ØÖ befinden, wobei Ø ein Netzwerkparameter ist und das Location Update bei Ø ¼ über mehrere Knoten weitergeleitet werden muß. Stellt ein Knoten einen neuen Nachbarn fest, dann führt er ebenfalls ein Location Update durch, damit der neue Knoten von der Anwesenheit des Knotens erfährt. Da dieses Location Update nur für den neuen Knoten bestimmt ist, sollte dieses Paket nicht weitergeleitet werden. Ein Location Update in der Homezone wird nach einer bestimmten Anzahl von lokalen Updates durchgeführt. Dabei wird ein Greedy Routing-Verfahren mit Recovery-Strategie verwendet, bei dem ein Paket so lange in die Richtung der Homezone weitergeleitet wird, bis diese erreicht ist. In der Homezone selbst wird das Paket nur noch an die Knoten weitergeleitet, die näher am Zentrum der 14

15 Homezone liegen als der Knoten, der das Paket empfangen hat. Ist kein näherer Knoten bekannt, dann wird die Positionsinformation im Radius ÔÖ verbreitet, wobei Ô ein weiterer Netzwerkparameter ist. Zusätzlich werden bei diesem Verfahren mit jedem Paket die Positionsdaten des sendenden Knotens mitgesendet. Hört ein anderer Knoten ein Location Update, so aktualisiert er die Daten des Knotens, der dieses Paket weiterleitet und übernimmt die Daten des Knotens, der dieses Location Update durchgeführt hat. Diese Informationen werden anschließend verwendet, um die Positionsinformationen von Paketen, die weitergeleitet werden sollen, aufzufrischen Positionsanfragen Bei diesem Verfahren werden grundsätzlich zwei Anfragepakete vom anfragendem Knoten gesendet, eins in die Richtung der letzten bekannten Position des Zielknotens und ein weiteres in die Richtung des Zentrums der Homezone. Dabei wird die Zielposition im Paketheader gegebenenfalls durch weiterleitende Knoten aktualisiert. Erreicht ein Anfragepaket einen Knoten A in der Homezone oder an der Position, an der der Zielknoten erwartet wurde, dann sendet A eine Anfrage an alle Knoten in einem Radius von ÔÖ um A, in der die empfangene Positionsinformation aus der Anfrage mit dem dazugehörigem Zeitstempel enthalten ist. Hat ein Knoten, der durch dieses Paket angesprochen wurde eine aktuellere Information, dann sendet er diese an A. A sammelt die Antworten und sendet das ursprüngliche Anfragepaket an die aktuellste empfangene Position. A C F D E B Abbildung 9: Location Updates und Anfragen. Gestrichelte Linien zeigen Bewegungen an, gepunktete Location Updates und durchgezeichnete den Weg von Anfragepaketen. Beispiel 3.3 In Abbildung 9 möchte A die Position von B erfahren. Dazu sendet A eine Anfrage zur letzten bekannten Position von B. Hier wird angenommen, dass es die Position ist, die B zuletzt an D gesendet hat. Da sich B inzwischen von D entfernt hat, kann D keine Route zu B aufbauen. Über die Homezone erreicht die Anfrage dagegen B, da B an seiner neuen Position ein Location Update an die Homezone gesendet hat. 15

16 4 Vergleich der Verfahren In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse aus verschiedenen durchgeführten Simulationen und Berechnungen zusammengefaßt. Die Ergebnisse aus [SPBR] beruhen auf theoretischen Überlegungen. Mit Simulationsergebnissen werden in [GLS], [GL2] und [GL3] GLS bewertet. 4.1 GLS, DREAM und Homezone In [SPBR] wird die Komplexität von verschiedenen Leistungsmerkmalen in der Ç-Notation erfaßt und aus den hier vorgestellten Location Services GLS, DREAM und Homezone verglichen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Dichte des Netzes bei neu hinzukommenden Knoten gleich bleibt und sich stattdessen die Fläche des Netzwerks vergrößert bzw. bei einer größeren Fläche mehr Knoten vorhanden sind. Alle hier angegebenen Komplexitäten sind Worst-Case-Komplexitäten. Es wird z. B. nicht beachtet, dass eine Sendung mehrere Knoten erreichen kann. GLS DREAM Homezone Typ All-for-Some All-for-All All-for-Some Kommunikationskomplexität(Update) Ç ÔÒµ Ç Òµ Ç ÔÒµ Kommunikationskomplexität(Anfrage) Ç ÔÒµ Ç µ Ç ÔÒµ Zeitkomplexität(Update) Ç ÔÒµ Ç ÔÒµ Ç ÔÒµ Zeitkomplexität(Anfrage) Ç ÔÒµ Ç µ Ç ÔÒµ Speicherplatzkomplexität Ç ÐÓ Òµµ Ç Òµ Ç µ Standortabhängig Ja Ja Nein Tabelle 1: Komplexitäten der Location Services. Ò ist die Anzahl der Knoten und eine Konstante. In Tabelle 1 sind die für diese Ausarbeitung relevanten Merkmale zusammengefaßt. Die Kommunikationskomplexität beschreibt hier, wie viele Zwischenstationen im Durchschnitt ein Location Update bzw. eine Anfrage durchläuft, bis sie abgeschlossen ist. Die Zeitkomplexität gibt analog den Zeitaufwand für die entsprechende Aktion an. Sie entspricht bis auf eine Ausnahme dem Kommunikationsaufwand. Die Speicherplatzkomplexität gibt an, wie viele Location Server im Durchschnitt die Daten eines Knotens speichern. Die Standortabhängigkeit gibt an, ob die in einem Knoten gespeicherten Positionsinformationen und deren Dichte und Qualität von dessen Standort abhängen. Bei GLS und Homezone werden immer nur bestimmte Knoten als Location Server ausgewählt, die bei einem Location Update oder einer Anfrage direkt angesprochen werden müssen. Da die Distanz zwischen zwei Knoten in einem Netz proportional zu Ô Ò wächst und für ein Location Update oder eine Anfrage nur die Knoten zwichen Location Server und der Quelle des jeweiligen Pakets mit einbezogen werden, ist der Kommunikations- und Zeitaufwand für Location Updates und Anfragen in Ç ÔÒµ. Findet die Kommunikation in einem Netz überwiegend lokal statt, dann ist GLS trotz der asymptotisch gleichen Komplexität im Vorteil, da die Auswahl der Location Server vom Standort des jeweiligen Knotens abhängt. Bei GLS werden in diesem Fall die Anfragen zu nahen Location 16

17 Servern geroutet, während es bei Homezone vorkommen kann, dass eine Anfrage für die Position eines nahen Knotens zu einer weit entfernten Homezone geroutet werden muß, da diese unabhängig von der Position des Knotens, dessen Positionsinformation gespeichert werden soll, bestimmt wird. Bei der Speicherplatzkomplexität unterscheiden sich beide Location Services. Bei GLS steigt die Anzahl der Location Server logarithmisch, da die Dichte der Location Server in Abhängigkeit von der Entfernung abnimmt. Bei Homezone befindet sich dagegen eine konstante Anzahl von Location Servern in der Homezone, weil hier die Größe der Homezone so variiert wird, dass jeder Knoten nur eine bestimmte Anzahl von Location Servern hat. Da bei DREAM jeder Knoten die Position der anderen Knoten kennt, müssen Location Updates in bestimmten Zeitabständen auch alle Knoten erreichen. Der Kommunikationsaufwand dafür ist in Ç Òµ, da eine Positionsinformation dafür jeden Knoten durchlaufen muß. Aus den gleichen Gründen wie bei GLS und Homezone ist der Zeitaufwand in Ç ÔÒµ. Da die Positionsinformationen in jedem Knoten lokal vorliegen, kann eine Anfrage lokal im Knoten und in konstanter Zeit ausgeführt werden. Zusätzlich ist die Qualität der Positionsinformationen abhängig vom Standort des Knotens. In der näheren Umgebung werden mit kurzlebigen Location Updates präzisere Positionsinformationen gespeichert als in weiter entfernten Knoten, die nur von langlebigen Paketen mit niedrigerer Updatefrequenz erreicht werden. 4.2 Simulationsergebnisse von GLS Die Simulationsergebnisse aus [GLS] und [GL3] werden hier zusammengefasst. Als Kosten, die im Verhältnis zur Anzahl der Knoten nur langsam steigen sollen, wurden dazu der durchschnittliche Speicherplatzbedarf in Location Servern, der für Positionsinformationen aufgewendet wird und die Anzahl der generierten oder weitergeleiteten Pakete gewählt. Die Simulationsparameter sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Zusätzlich werden bei einzelnen Durchgängen weitere Parameter bestimmt. Die Simulation der Bewegung erfolgt durch die zufällige Bestimmung von Wegpunkten, zu denen sich der Knoten mit einer zufälligen Geschwindigkeit zwischen 0 und 10 m/s bewegt. Die Dichte der Knoten wurde hier festgelegt, weswegen bei der Erhöhung der Knotenanzahl auch die Größe der Simulationsfläche erhöht wird. Bei der maximalen Anzahl von 600 Knoten beträgt die Kantenlänge der Simulationswelt 2900 Meter und die Hierarchie geht bis zu den Quadraten fünfter Ordnung. Die hier vorgestellten Ergebnisse beziehen sich ausschließlich auf die Übertragung von Protokolldaten. In dieser Simulationsreihe führt jeder Knoten im Durchschnitt 15 zufällige Positionsanfragen durch, die über den Zeitraum zwischen 30 Sekunden nach Simulationsbeginn und dem Simulationsende gleichverteilt sind. Um die Auswirkungen von unterschiedlichen Häufigkeiten von Location Updates zu beobachten, wird jede Simulation in drei Varianten durchgeführt, in denen die Knoten jeweils nach 100, 150 oder 200 Metern ein Location Update durchführen. Die Anzahl der durchschnittlich in einer Sekunde gesendeten Protokollpakete in Abhängigkeit von der Anzahl der Knoten ist in Abbildung 10 dargestellt. Als Protokollpakete werden in dieser Messung Location Updates, Anfragen und die dazugehörigen Antworten und lokale Broadcasts mit den Informationen über die Nachbarn angesehen. Der Verlauf des Graphen aus dieser Abbildung bestätigt die 17

18 Bezeichnung Wert Senderadius 250m Übertragungsgeschwindigkeit(ohne Daten) 1 MBit/s Anzahl der Knoten Knotendichte 100 Knoten/km ¾ Größe der Quadrate erster Ordnung 250m Geschwindigkeit der Knoten 0-10 m/s (0-36 km/h) Simulationsdauer 300s Ergebnisse Durchschnitt aus 5 Simulationen Tabelle 2: Simulationsparameter der GLS-Simulation Abbildung 10: Protokollaufwand: Anzahl der GLS-Protokollpakete pro Sekunde in Abhängigkeit von der Anzahl der Knoten im Netz. 18

19 in Abschnitt 4.1 theoretisch hergeleiteten Ergebnisse, nach denen der Kommunikationsaufwand bei GLS in Abhängigkeit von der Anzahl Ò der Knoten proportional zur Quadratwurzel von Ò steigt. Abbildung 11: Speicherplatz: Anzahl der Positionsinformationen, die jeweils in einem Knoten gespeichert werden. Noch langsamer steigt die Anzahl von Positionsinformationen, die ein Knoten im Durchschnitt als Location Server speichern muß. Dies ist in Abbildung 11 dargestellt. Zusätzlich wurde noch die maximale Anzahl von gespeicherten Positionsinformationen eingezeichnet, um zu zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen ein Ungleichgewicht besteht. Dieses Ungleichgewicht tritt dann auf, wenn ein Quadrat höherer Ordnung nur wenige Knoten enthält. Diese Knoten müssen dann relativ viele Positionsinformationen speichern, da die Wahrscheinlichkeit, dass einer dieser Knoten als Location Server ausgewählt wird, höher ist als in einem Quadrat der gleichen Ordnung mit einer höheren Knotendichte. Insbesondere tritt dies in dieser Simulation bei 150 und 400 Knoten auf, da bei diesen Werten Quadrate hoher Ordnung entstehen, in denen nur ein Teil der vorgesehenen Fläche genutzt wird und daher nur teilweise mit Knoten belegt ist, da vorher festgelegt wurde, dass die Dichte konstant bei 100 Knoten pro Quadratmeter bleibt und dadurch die Größe der Simulationswelt angepaßt werden muß. Dieses Problem führt zu einer großen Differenz zwischen Average- und Best-Case. Es kann also nicht davon ausgegangen werden, dass z. B. in einem Netz mit 400 Knoten 20 Einträge in der Positionstabelle ausreichen, da wie in Abbildung 11 ein Knoten in einem Quadrat hoher Ordnung mit nur wenigen Knoten über 100 Einträge benötigt. Ein weiterer interessanter Aspekt neben dem Protokollaufwand ist die Zuverlässigkeit des Location Services. Diese wurde in den Simulationen anhand der erfolgreichen Anfragen bewertet. Dabei gibt es verschiedene Parameter, die die Qualität des Location Services beeinflussen. Im Folgenden werden drei dieser Einflüsse genauer betrachtet und jeweils mit der Häufigkeit der Location Updates kombiniert. Ein Parameter, der die Qualität des Location Services beeinflusst, ist die Anzahl der Knoten im Netz. In dieser Simulation gilt eine Anfrage als nicht erfolgreich, wenn sie nicht beantwortet wird. Nach 19

20 Abbildung 12: Erfolgreiche Anfragen in Abhängigkeit von der Anzahl der Knoten. einem gescheiterten Versuch wird nicht weiter versucht, die Anfrage zu wiederholen. Wie in Abbildung 12 ersichtlich, sinkt der Anteil der erfolgreichen Anfragen nur sehr langsam in Abhängigkeit von diesem Parameter. Die Häufigkeit von Location Updates hat ebenfalls nur eine niedrige Auswirkung auf die Qualität der verfügbaren Positionsinformationen. Eine höhere Update-Rate verbessert die Verfügbarkeit der Positionsinformationen nur minimal. Des Weiteren beeinflusst die maximale Geschwindigkeit, mit der sich die Knoten fortbewegen, die Anzahl der erfolgreichen Anfragen. Da ein Location Update jeweils nach einer bestimmten zurückgelegten Strecke durchgeführt wird und die Häufigkeit der Location Updates sich damit der Geschwindigkeit anpasst, wirkt sich eine höhere Geschwindigkeit nur sehr schwach auf den Anteil der erfolgreichen Anfragen aus. Dies wird durch die Ergebnisse einer Simulation in Abbildung 13 bestätigt. In dieser Simulation bewegen sich die Knoten mit Geschwindigkeiten bis zu 50 m/s bzw. 180 km/h. Eine höhere Geschwindigkeit hat allerdings Auswirkungen auf die verbrauchte Bandbreite, die proportional zur Geschwindigkeit ansteigt. Dies lässt sich beweisen, indem man für die Geschwindigkeit Ú in m/s und der Strecke von Ù Metern, die für ein erneutes Location Update zurückgelegt werden muß, den zeitlichen Abstand Ø Ù zwischen zwei Location Updates berechnet. Ist nun die Größe eines Ú Update-Pakets in Byte, so ist Ø ½ Ú die für Location Updates benötigte Bandbreite in Bytes pro Ù Sekunde. Zusätzlich folgt daraus, dass bei größeren Abständen zwischen den Location Updates auch die Bandbreite sinkt. Ein weiterer Parameter, der die Erfolgswahrscheinlichkeit für die Anfragen beeinflusst, ist die Zuverlässigkeit der Knoten. In den Simulationen, deren Ergebnisse in Abbildung 14 dargestellt sind, wurde eine Anteil von den 100 vorhandenen Knoten bestimmt, die nicht ausfallen. Die restlichen Knoten wechseln zufällig im Zeitraum von 0 bis 120 Sekunden von an nach aus bzw. im Intervall von 0 bis 60 Sekunden von aus nach ein. Die Dauer des Folgezustands ist eine gleichverteilte Zufallszahl aus dem jeweiligen Intervall. Die Positionen von Knoten, die ausgefallen sind, werden während des 20

21 Abbildung 13: Erfolgreiche Anfragen in Abhängigkeit von der maximalen Geschwindigkeit der Knoten. Ausfalls nicht angefragt. Abbildung 14: Erfolgreiche Anfragen in Abhängigkeit von der Zuverlässigkeit der Knoten. Fällt ein Knoten aus, so geht ein Teil der Positionsinformationen verloren. Eine Anfrage für die Position eines Knotens, die ursprünglich im ausgefallenem Knoten gespeichert wurde, kann dann nicht mehr beantwortet werden. Da ein Knoten nach einem Ausfall sämtliche Positionsinformationen verliert, sind ihm die Positionen von anderen Knoten unbekannt. Das bedeutet, dass bei empfangenen Location Updates nicht festgestellt werden kann, ob dieser neue Knoten der Location Server für den Ursprungsknoten des Updates ist oder noch ein anderer Knoten im jeweiligem Quadrat existiert, dessen Identifier näher ist. Geht der Knoten davon aus, dass in diesem Quadrat kein weiterer Knoten existiert, wird er zunächst für alle ankommenden Location Updates zum Location Server, was be- 21

22 deutet, dass der Location Server, der in einer späteren Anfrage ausgewählt wird, nicht die aktuellsten Daten enthält bzw. die Daten im Location Server bereits abgelaufen sind, da ein anderer Knoten irrtümlich annimmt, der Location Server zu sein. Wird z. B. in Abbildung 4 der Knoten 63 im linken oberen Quadrat dritter Ordnung nach einem Ausfall reaktiviert, so kennt er zunächst keine Positionen von anderen Knoten, insbesondere nicht von denen, die im gleichen Quadrat dritter Ordnung sind. Erreicht während dieser Zeit ein Location Update von 42 an dieses Quadrat 63, so wird 63 annehmen, dass er der Location Server ist, und das Paket nicht zum eigentlichen Location Server, 51, weiterleiten. In Abbildung 14 sieht man, dass selbst dann, wenn alle Knoten unzuverlässig sind, noch mehr als 60% der Anfragen beantwortet werden können. In [GL3] wurden weitere Simulationen durchgeführt, in denen aufgeschlüsselt wurde, wie eine Anfrage beantwortet wird, und falls sie nicht beantwortet werden konnte, warum dies geschehen ist. Anzahl der Pakete Gesamtanzahl der Anfragen 6000 Lokal beantwortet 1402 Gesendete Anfragen 4598 Von Location Server des Zielknotens empfangen 4311 Vom Zielknoten empfangen 4233 Erfolgreich 4170 Verloren 428 Tabelle 3: Analyse der Anfragepakete. In Tabelle 3 wird dargestellt, wie 6000 Anfragen beantwortet werden. Dabei werden 1402 Anfragen nicht gesendet, da der anfragende Knoten selbst ein Location Server für den Zielknoten ist oder weil die Positionsinformationen sich bereits im Location Cache bzw. in der Tabelle der Nachbarn befinden. In jeder der einzelnen Stufen, die eine Anfrage durchläuft, gehen einige der Pakete verloren, bis letztendlich von 4598 gesendeten Anfragen nur 4170 erfolgreich beantwortet werden können. Die Ursachen für die 428 gescheiterten Anfragen sind in Tabelle 4 aufgeschlüsselt. Ursache Anteil bei 100 Knoten/km ¾ 400 Knoten/km ¾ Keine Route zum Ziel 60% 15% Maximale Lebenszeit erreicht 5% 40% Location Server nicht gefunden 30% 40% Falsche Positionsinformation 5% 5% Tabelle 4: Aufschlüsselung der Fehlerursachen. Die erste Fehlerursache, keine Route zum Ziel, tritt dann ein, wenn das Forwarding-Verfahren an einer Stelle keinen Knoten findet, an den das Paket zum Ziel weitergeleitet werden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass eine Route existieren kann, die nicht gefunden wird. Bei dem für GLS vorgeschlagenem Greedy-Forwarding tritt dies bei einem lokalen Maximum auf. Die letzte Ursache in Tabelle 22

23 4 tritt dann ein, wenn Update-Pakete verlorengegangen sind und ein Location Server nur die alte Position des Knotens kennt. In [GL3] wurde des Weiteren gezeigt, dass bei einer Erhöhung der Dichte zwar weniger Routingfehler auftauchen, dafür allerdings häufiger die Lebenszeit der Pakete abläuft. Besteht eine Kommunikationsverbindung zwischen zwei Knoten, was hier bedeutet, dass beide Kommunikationpartner ihre jeweilige Position kennen, dann wird die Position mit jedem Datenpaket mitübertragen. Dieses sogenannte Piggybacking sorgt dafür, dass eine bestehende Verbindung unabhängig vom Location Service ist. 5 Zusammenfassung & Ausblick Die hier vorgestellten Location Services können nicht in gute und schlechte unterteilt werden. Jeder Location Service hat Vor- und Nachteile, die in verschiedenen Einsatzgebieten überwiegen können. In Tabelle 5 werden die Vor- und Nachteile zusammengefasst. GLS eignet sich aufgrund der hierarchischen Struktur und der damit abnehmenden Dichte der Location Server in Abhängigkeit von der Entfernung zum Knoten für relativ große Netze, die sowohl eine große Fläche umfassen als auch viele Knoten enthalten. Um zu vermeiden, dass wie in Abschnitt 4.2 beschrieben, der Aufwand ungleich verteilt wird, sollte die Größe der Quadrate so gewählt werden, dass die belegte Fläche möglichst der geographischen Ausdehnung der Knoten entspricht. Wegen der hohen Zuverlässigkeit von DREAM, die darauf beruht, dass jeder Knoten alle Positionsinformationen speichert, eignet sich dieser Location Service für Einsatzgebiete, in denen eine hohe Verfügbarkeit der Positionsdaten verlangt wird oder die Knoten unzuverlässig sind. Das Netz darf im Verhältnis zu GLS nur relativ wenige Knoten enthalten, da Location Updates das Netz fluten und zu viele Knoten daher sehr viel Bandbreite für diese Updates aufwenden müssten. Ein typisches Merkmal von Homezone-Location Services ist, dass die Positionsinformationen unabhängig von der Position des zur Homezone gehörigen Knotens an einer anderen Position gespeichert werden. Ein großer Vorteil gegenüber GLS ist, dass der anfragende Knoten die Position, an denen die Informationen gespeichert sind, bereits vorher kennt und die Anfrage gezielt in diesen Bereich senden kann. Dadurch ist dieser Location Service unempfindlicher gegenüber Angriffen und fehlgeleiteten Location Updates. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass Location Updates unter Umständen sehr weit zur Homezone geroutet werden müssen, da die Homezone willkürlich gewählt wurde oder sich der Knoten weit von seiner Ausgangsposition entfernt hat. In Zukunft soll durch Vorhersage von Bewegungen mit speziell an das jeweilige Einsatzgebiet angepassten Bewegungsmodellen eine höhere Erfolgswahrscheinlichkeit für Location Updates erreicht werden. Außerdem könnte dadurch die Anzahl der Location Updates reduziert werden. Wenn sich ein Knoten z. B. auf einer vorhergesagten Route bewegt, müsste dieser keine oder nur wenige Location Updates durchführen. Bei GLS ist in Zukunft eine adaptive Anpassung der Hierarchie an die aktuelle Dichte der Knoten in einem Bereich vorgesehen. Damit könnten dicht besiedelte Quadrate weiter unterteilt bzw. dünn 23