Wireless Mesh Networks. Andreas Bossard Daniel Dönni Daniel Rickert

Transkript

1 Wireless Mesh Networks Andreas Bossard Daniel Dönni Daniel Rickert

2 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Folie 2

3 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Begrüssung Folie 3

4 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Einleitung Folie 4

5 Einleitung Definition Wireless Mesh Network Ein Praxisbeispiel Einleitung Folie 5

7 Definition Zweck: Verbindung von Clients mit dem Internet Architektur: Access Points Wireless Routers Client Nodes Einleitung Folie 7

8 Unterschied zu Hotspots Hotspots Wireless Mesh Network A P A P A P R A P A P R R R A P AP: Access Points R: Router Einleitung Folie 8

10 Beispiel St. Gallen Pilotphase von Dez 06 Februar 07 3 Access Points, 20 Router 10 Mbit Zugang (100 Mbit) Hoffnung auf Eigeninitiative der Bevölkerung Tempe, Arizona. 100 km 2 Einleitung Folie 10

11 Beispiel St. Gallen Einleitung Folie 11

12 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Metriken Folie 12

13 Metriken Definition Metrik Gängige Metriken Metriken Folie 13

15 Definition Metrik Metrik = Messgrösse, um einen Pfad zwischen zwei Knoten zu charakterisieren Metriken Folie 15

17 Hop Count Anzahl Hops N zwischen zwei Knoten S N N Z Metriken Folie 17

18 Expected Transmission Count (ETX) Verlust-Rate Anzahl benötigter Übertragungen, um ein Packet von einem Knoten zum nächsten zu senden P S Z P P Metriken Folie 18

19 WCETT Basiert auf ETX Zusätzlich: Bandbreite Frequenzkanal-Diversität P N P S N Z N P P P P Metriken Folie 19

20 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Protokollvielfalt Folie 20

21 Protokollvielfalt Es existieren heute weit über 100 Protokolle Ursachen der Protokollvielfalt? Keine existierenden Standards Breites Anwendungsspektrum Unterschiedliche Designmethoden Bandbreitenprobleme Protokollvielfalt Folie 21

22 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Protokolle Folie 22

23 Protokolle Kurze Einführung in Routingprotokolle Anforderungen an Routingprotokolle in WMN Routingprotokolle in WMN Proaktive Routingprotokolle Reaktive Routingprotokolle Hybride Routingprotokolle Protokolle Folie 23

25 Definition Routing & Routingprotokolle Routing: Prozess der Auswahl der richtigen Schnittstelle und des nächsten Hops für Datenpakete, die weitergeleitet werden sollen. Routingprotokolle: Protokolle, die die Wegwahl durch spezielle Routing-Algorithmen ermöglichen. Protokolle Folie 25

26 Distance Vector Routing Sicht auf die lokale Umgebung Kostenmatrix Probleme: Count-to-Infinity, Schleifenbildung Protokolle Folie 26

27 Link State Routing Sicht auf das komplette Netzwerk Link States regelmässige Updates durch Fluten Schleifenfreiheit Protokolle Folie 27

29 Anforderungen an Routingprotokolle in WMN Multi-Hop Routing keine Schleifenbildung Management einer dynamischen Netzwerktopologie minimaler Control Overhead Protokolle Folie 29

32 Proaktiv: OLSR (1) OLSR = Optimized Link State Routing Protocol Optimierung des klassischen Link State Protocol kleine Kontrollpakete minimales Broadcasting Protokolle Folie 32

33 Proaktiv: OLSR (2) Idee der Multipoint Relays N1 N2 MPR(N1) N3 N4 N(N1) N5 N6 N7 N8 N2(N1) N9 N10 Folie 33

34 Proaktiv: OLSR (3) Vorteile: sehr geringe Latenzzeiten, da Routen im Voraus berechnet werden kleine Kontrollpakete und minimales Broadcasting stabiles und erprobtes Verfahren (LS) Nachteil: viele überflüssige Routen Protokolle Folie 34

36 Reaktiv: AODV (1) AODV = Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing basiert auf Distance Vector Protocol Vermeidung von systemweiten Broadcasts Protokolle Folie 36

37 Reaktiv: AODV (2) Ausgangslage: S möchte Daten an D senden A B S D C Protokolle Folie 37

38 Reaktiv: AODV (3) S: Route Request (Broadcast) A B S D C Protokolle Folie 38

39 Reaktiv: AODV (4) A / C: Reverse-Route-Eintrag und Route Request A B S D C Protokolle Folie 39

40 Reaktiv: AODV (5) B: Reverse Route-Eintrag und Route Request Zielknoten D: Route Reply A B S D C Protokolle Folie 40

41 Reaktiv: AODV (6) C: Route Reply und Forward Route-Eintrag A B S D C Protokolle Folie 41

42 Reaktiv: AODV (7) S: Forward Route-Eintrag A B S D C S kann jetzt Daten an D senden Protokolle Folie 42

43 Reaktiv: AODV (8) Vorteile: bandbreiteneffizient, da Routen nur bei Bedarf ermittelt werden garantierte Schleifenfreiheit durch Sequenznummern kleinere Routingtabellen Nachteile: höhere Latenzzeiten, da Routen erst On-Demand berechnet werden benötigt bidirektionale Verbindungen Protokolle Folie 43

45 Hybrid: Zone Routing Protokoll (1) Hybride Protokolle kombienieren pro- und reaktive Verfahren Ziel: Vorteilhaften Eigenschaften beider Protokollarten nutzen Ein typischer Vertreter ist ZRP Protokolle Folie 45

46 Hybrid: Zone Routing Protokoll (2) Menge von Knoten Protokolle Folie 46

47 Hybrid: Zone Routing Protokoll (3) Knoten werden in Zonen aufgeteilt Protokolle Folie 47

48 Hybrid: Zone Routing Protokoll (4) Proaktives Routing IntrAzone Routing Protocol (IARP) Protokolle Folie 48

49 Hybrid: Zone Routing Protokoll (5) Reaktives Routing IntErzone Routing Protocol (IERP) Protokolle Folie 49

50 Hybrid: Zone Routing Protokoll (6) Proaktives Routing IntrAzone Routing Protocol (IARP) Radius = 1 Hop Protokolle Folie 50

51 Hybrid: Zone Routing Protokoll (7) Proaktives Routing IntrAzone Routing Protocol (IARP) Radius = 2 Hops Protokolle Folie 51

52 Hybrid: Zone Routing Protokoll (8) Proaktives Routing Innerer Knoten Äusserer Knoten IntrAzone Routing Protocol (IARP) Radius = 2 Hops Protokolle Folie 52

53 Hybrid: Zone Routing Protokoll (9a) Routing zwischen sich nicht überlappenden Zonen Protokolle Folie 53

54 Hybrid: Zone Routing Protokoll (9b) Routing zwischen sich nicht überlappenden Zonen Protokolle Folie 54

55 Hybrid: Zone Routing Protokoll (9c) Routing zwischen sich nicht überlappenden Zonen Protokolle Folie 55

56 Hybrid: Zone Routing Protokoll (9d) Routing zwischen sich nicht überlappenden Zonen Protokolle Folie 56

57 Hybrid: Zone Routing Protokoll (9e) Routing zwischen sich nicht überlappenden Zonen Protokolle Folie 57

58 Hybrid: Zone Routing Protokoll (9f) Routing zwischen sich nicht überlappenden Zonen Protokolle Folie 58

59 Hybrid: Zone Routing Protokoll (9g) Routing zwischen sich nicht überlappenden Zonen Protokolle Folie 59

60 Hybrid: Zone Routing Protokoll (9h) Routing zwischen sich nicht überlappenden Zonen Protokolle Folie 60

61 Hybrid: Zone Routing Protokoll (10) Vorteile: Nutzt die günnstigen Eigenschaften von pro- und reaktiven Protokollen Skalierbarkeit nimmt zu Kann als Meta-Protokoll betrachtet werden Nachteile: Overhead ist nach wie vor relativ hoch Keine Garantie, dass eine Knoten gefunden wird Keine Garantie, dass eine Antwort, den Sender erreicht Keine direkte Praxisanwendung Protokolle Folie 61

62 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Herausforderungen Folie 62

63 Herausforderungen Skalierbarkeit Performance Energieverwaltung Sicherheit Standardisierung Herausforderungen Folie 63

65 Skalierbarkeit Eine der grössten Herausforderungen Viele gute Ansätze, jedoch keine Lösung Proaktive, reaktive und hybride Protokolle Hierarchische, geographische,..., Protokolle Skalierbarkeit Performance Tradeoff Herausforderungen Folie 65

67 Performance (1) Verschiedene Funktechnologien Direktionale Antennen Intelligente Antennen MIMO Systeme Fortgeschrittene Funktechniken Skalierbarkeit Netzwerkgrösse Performance Datenrate auf b nach 4 Hops 1Mbps (2003) Herausforderungen Folie 67

68 Performance (2) Energieaufwand Anzahl verwendeter Sender Häufigkeit von Änderungen in der Netzwerktopologie Häufigkeit von Updates der Routingtabellen Kompatibilität und Interoperabilität Paralleler Betrieb mehrer Systeme Funktionalität für ein heterogenen Netzwerk Herausforderungen Folie 68

69 Herausforderungen Skalierbarkeit Performance Energie- und Energieverwaltung Sicherheit Standardisierung Herausforderungen Folie 69

70 Energie- und Energieverwaltung Energiedichte des verwendeten Energiespeichers Effizienz der Energienutzung Anzahl verwendeter Sender Routingalgorithmus Häufigkeit von Änderungen in der Topologie Häufigkeit von Updates der Routingtabellen So aktuelle Routingtabellen wie möglich So wenig Signalisierungsverkehr wie möglich Komplexität von Algorithmen Herausforderungen Folie 70

71 Herausforderungen Skalierbarkeit Performance Energie- und Energieverwaltung Sicherheit Standardisierung Herausforderungen Folie 71

72 Sicherheit (1) Drahtlose Netzwerke sind einfacher angreifbar Lokalisierung von Störquellen schwierig Keine zentrale Kontrollinstanz Keine vertrauenswürdige Drittpartei Verwaltung von Schlüsseln, Passwörtern, Zertifikaten, etc. muss von den Knoten selbst vorgenommen werden Zentrale Authentication, Authorisation and Accounting (AAA) skaliert nicht Herausforderungen Folie 72

73 Sicherheit (2) Nicht-Einhaltung von Protokoll-Spezifikationen Verteilte Angriffe Schwierig von korrektem Datenverkehr Limitierte Reaktionsmöglichkeiten Ineffizienz existierender Sicherheitsprotokolle Konzentration auf nur eine Protokollschicht Mechanismen für mehrere Schichten schwer realisierbar Monitoring- und Intrusion Detection Systeme Sinnvoll, verbrauchen aber (zu?) viel Energie Herausforderungen Folie 73

75 Standardisierung (1) Entwicklung in Zusammenarbeit mit der Industrie Zahlreiche Einzelinteressen Langwieriger Prozess Notwendigkeit von Standards Attraktivität für Kunden nimmt zu Attraktivität für manche Hersteller nimmt zu Kann einer Technologie zum Durchbruch verhelfen Herausforderungen Folie 75

76 Standardisierung (2) Erfolgsfaktoren für die Standardisierung Zeitpunkt der Fertigstellung eines Standards Marktmacht proprietärer Hersteller Technische und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit Einhaltung des Standards Politische Interessen Herausforderungen Folie 76

77 Standardisierung (3) Arbeitsstand IEEE s Reduktion von 35 auf 1 Vorschlag Zahlreiche namhafte Firmen vertreten Final Draft wird Mitte 2008 erwartet Offene Fragen Viele WMN-Firmen nicht vertreten Proprietäre Produkte bereits auf dem Markt Lösbarkeit existierender Probleme Bedeutung von s im Vergleich mit : WPAN : WiMAX : MBWA Herausforderungen Folie 77

78 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Zusammenfassung Folie 78

79 Zusammenfassung Günstige Alternative zu einer reinen Hotspot- Architektur Allerdings einige Probleme, die zu bewältigen sind Protokoll-Wahl abhängig von Szenario s Folie 79

80 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Fragen Folie 80

81 Fragen Fragen Folie 81

82 Coffee Break Coffee Break Folie 82

83 Inhaltsverzeichnis 1. Begrüssung 2. Einleitung 3. Metriken 4. Protokollvielfalt 5. Protokolle 6. Herausforderungen 7. Zusammenfassung 8. Fragen 9. Diskussion Diskussion Folie 83

84 Diskussion (1) Welche möglichen Anwendungsszenarien könnt Ihr euch für WMNs vorstellen? Folie 84

85 Diskussion (2a) Angenommen, Zürich wäre flächendeckend mit einem WMN abgedeckt. Welche Voraussetzungen müssten erfüllt sein, damit Ihr das WMN verwenden würdet? Folie 85

86 Diskussion (2b) Angenommen, Zürich wäre flächendeckend mit einem WMN abgedeckt. Welche Voraussetzungen müssten erfüllt sein, damit Ihr das WMN verwendt? Könnte ein solches Netz, weil VoIP ja problemlos verwendet werden könnte, eine ernstzunehmende Konkurrenz zu den existierenden Telekomanbietern darstellen? Folie 86

87 Diskussion (2c) Angenommen, Zürich wäre flächendeckend mit einem WMN abgedeckt. Welche Voraussetzungen müssten erfüllt sein, damit Ihr das WMN verwendt? Könnte ein solches Netz, weil VoIP ja problemlos verwendet werden könnte, eine ernstzunehmende Konkurrenz zu den existierenden Telekomanbietern darstellen? Würdet Ihr in diesem Fall bei euch zuhause den (drahtgebundenen) Anschluss kündigen und nur noch per WMN surfen? Folie 87

88 Diskussion (3) Ist Eurer Ansicht nach die Kapazitätsgrenze des Übertragungsmediums Luft erreicht? Falls nein, wie lange kann man sie noch steigern? Folie 88