Untersuchung von Wireless Mesh Network- Routing-Protokollen für den Einsatz in Netzen für Katastrophengebiete

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1 Untersuchung vn Wireless Mesh Netwrk- Ruting-Prtkllen für den Einsatz in Netzen für Katastrphengebiete Auberlin Paguem Tchinda Armin Lehmann und Ulrich Trick Frankfurt University f Applied Sciences, Germany Research Grup fr Telecmmunicatin Netwrks Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Wireless Mesh Netwrks (WMN) 3. Netwrk Functins Virtualisatin (NFV) 4. Anfrderungen an Katastrphennetze 5. WMN-Prtklle zur Netzptimierung 6. Zusammenfassung und Ausblick Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

3 1 Einleitung Kmmunikatinsnetze Beispiel: Schäden im Kmmunikatinsnetz in der Prvinz vn Manabi nach dem Erdbeben in Ecuadr (17. April 2016). Betrffen waren 71 % des Clar-Netzwerks 80 % des Mvi-Netzwerks 59 % des CNT-Netzwerks Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze Schutz vn Leben und Eigentum Rettungsdienst Plizei Familie Infs

4 2 Wireless Mesh Netwrks (WMN) WMN = Verbindung der Knten durch eine drahtlse Technlgie (z.b. IEEE , , , etc.) Eigenschaften = dezentralisierte Netzwerkarchitektur, kstengünstige Hardware, schnelle Aufbaufähigkeit Netzarchitekturen Client Mesh: bestehen aus User- Endgeräten mit vergleichsweise hher Mbilität Infrastructure Mesh: bestehen aus Wireless-Rutern und Gateways, die eigens in das Katastrphengebiet gebracht wurden Hybrid Mesh: Kmbinatin vn Client und Infrastructure Mesh Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

5 WMN-Ruting-Prtklle Praktive Prtklle Optimized Link State Ruting (OLSR) Better Apprach t Mbile Ad-hc Netwrking (BATMAN) Destinatin-Sequenced Distance Vectr (DSDV) Babel Reaktive Prtklle Ad hc On-Demand Distance Vectr (AODV) Dynamic Surce Ruting (DSR) Hybride Prtklle Zne Ruting Prtcl (ZRP) Hybrid Wireless Mesh Prtcl (HWMP) Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

6 3 Netwrk Functins Virtualisatin (NFV) NFV Framewrk standardisiert durch ETSI (Eurpean Telecmmunicatins Standards Institute ) Virtual Netwrk Functin (VNF) Netwrk Functins Virtualisatin Infrastructure (NFVI) NFV Management and Orchestratin (MANO) Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

7 3 NFV: Vrteile Geringere Investitins- und Betriebsksten Schnellere Einführung neuer Netzeigenschaften Hhe Skalierbarkeit Anpassung der Netzknfiguratin an aktuellen Verkehr nahezu in Echtzeit Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

8 3 NFV: Anwendungsbeispiele für Katastrphengebiete Szenari 1: Web-Server Weniger Verkehr im Kernnetz, schnelle Antwrten und geringerer Energieverbrauch Szenari 2: SIP Prxy-Server Weniger Fehler beim Verbindungsaufbau, geringerer Energieverbrauch Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

9 4 Anfrderungen an Katastrphennetze Geringer Energieverbrauch Verwendbarkeit Kapazität Nachhaltigkeit Anpassungsfähigkeit Operabilität Knnektivität Sicherheit Praktikabilität Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

10 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Energieverbrauch Geringer Energieverbrauch Geräte (z.b. Ruter) in Katastrphennetzen sind ft batteriebetrieben Abhängigkeit zwischen Lebensdauer des Katastrphennetzes und Lebensdauer der einzelnen Knten Abhängigkeit zwischen Lebensdauer der einzelnen Knten, Verkehr und aktiven Netzwerkfunktinen (NFs) Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Geringe Anzahl vn Kntrllpaketen: Reaktives Ruting-Prtkll (R) Berücksichtigung der Restenergie der einzelnen Knten: Energy-Aware (E) Berücksichtigung des Verkehrs im Netz: Lad-Balancing (L) DSR (REL), AODV (REL), OLSR (EL), DSDV (E), ZRP (RE), HWMP (RE), BATMAN (), Babel () Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

11 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Verwendbarkeit Verwendbarkeit Unterstützung vn katastrphenspezifischen Diensten (z.b. Audi der Videtelefnie) Gewährleistung der Quality f Service (QS) Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Geringe Latenzzeiten, Jitter und Paketverlustraten Maximaler Durchsatz Ausfallsicherheit z.b. für Echtzeit-Vide-Unterstützung für einen unerfahrenen Chirurgen Raming vn Endgeräten zwischen Access Pints z.b. für Rettungswagen DSR (), AODV (-), OLSR (), DSDV (-), ZRP (-), HWMP (+), BATMAN (+), Babel (-) Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

12 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Kapazität Kapazität Abhängigkeit zwischen Größe des betrffenen Gebietes und Anzahl der Knten Abhängigkeit zwischen Anzahl der Nutzer und Anzahl der Endgeräte Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Anpassungsfähigkeit an die Anzahl der Knten und Endgeräte: Skalierbarkeit Praktive Prtklle: allgemein nicht skalierbar Reaktive Prtklle: allgemein skalierbar, Ausnahme DSR (bis 100 Knten in IPv4) Quelle n1 n2 n3 nx Ziel Nutzdaten Hybride Prtklle: allgemein skalierbar Reaktive und Hybride Prtklle Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

13 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Nachhaltigkeit Nachhaltigkeit Gewährleistung der Kmmunikatin bis zur Wiederherstellung des üblichen Kmmunikatinsnetzes Ausfallsicherheit für das gesamte Katastrphennetz Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Dezentralisierte Verwaltung Gleichberechtigung aller Knten im Netz Flache Tplgie Alle betrachteten Prtklle Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

14 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Anpassungsfähigkeit Anpassungsfähigkeit Schnelle Integratin und Berücksichtigung vn Änderungen im Netz z. B. aufgrund vn Nachbeben, Feuer der Evakuierung Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Erkennung vn neuen Verbindungen und Knten Erkennung vn Verbindungs- und Kntenausfällen Unterstützung der Kntenmbilität Praktive Prtklle: begrenzte Anpassungsfähigkeit durch die Frequenz der Tplgie-Updates Reaktive Prtklle: schnelle Anpassungsfähigkeit aufgrund vn Errr- Nachrichten Hybride Prtklle: unterschiedliche Anpassungsfähigkeit Reaktive Prtklle Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

15 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Operabilität Operabilität Überwachung und Anpassung des Netzes an die aktuellen Kmmunikatinsanfrderungen Implementierung vn Verwaltungs- und Wartungsfunktinen Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Bestimmung der Metrik sämtlicher Verbindungen im Netz Erweiterung bestehenden Ruting-Prtklle, um die Qualität der Links zu berücksichtigen, z.b. Link Quality Surce Ruting (LQSR)-Prtkll, OLSRv2, Babel Meistens benutzte Metrik: Expected Transmissin Cunt (ETX), wie viele Versuche sind ntwendig, um ein Paket über einen Link im WMN erflgreich zu versenden Alle betrachten Prtklle außer ZRP Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

16 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Knnektivität Knnektivität Kmmunikatin zwischen Mitgliedern einer Gruppe Kmmunikatin zwischen Mitgliedern unterschiedlicher Gruppen Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Bereitstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen zwei beliebigen Endgeräten im Netz Rutenstabilität: kleine Verbindungsabbrüche der ständige Paket-Umleitungen müssen vermieden werden Erreichbarkeit aller Endgeräte im Netz: Layer 2-Prtklle, Integratin der Endgeräte in das gesamte Netz (z.b. BATMAN) DSR (), AODV (), OLSR (), DSDV (-), ZRP (-), HWMP (+), BATMAN (+), Babel () Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

17 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Sicherheit Sicherheit Schutz des Katastrphennetzes gegen externe und interne Angriffe Sicherheitsprblem im WMN Bradcast-Charakter der physikalischen Schicht Kntenmbilität Autmatische Kntenanbindung Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Implementierung sicherer Ruting-Prtklle, z.b. Authenticated Ruting fr Ad hc Netwrks (ARAN), Babel Erweiterung bestehender Prtklle mit Sicherheitsmechanismen z.b. BatCave (Secure BATMAN), SHWMP (Secure HWMP) der SAODV (Secure AODV) Alle betrachteten Prtklle Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

18 4 Anfrderungen an Katastrphennetze: Praktikabilität Praktikabilität Begrenzte Budgets zur Verfügung Nutzung üblicher Hardware (z.b. WLAN-Access Pints) und Kmmunikatinstechnlgien Anfrderungen an das Ruting-Prtkll Lizenzfrei Alle betrachteten Prtklle Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

19 5 WMN-Prtklle zur Netzptimierung Praktikabilität Sicherheit Knnektivität Operabilität Anpassungsfähigkeit Nachhaltigkeit Kapazität Verwendbarkeit Energieeffizienz DSR REL - ja + ja ja ja AODV REL - + ja + ja ja ja OLSR EL - ja - ja ja ja DSDV E - - ja - ja - ja ja ZRP RE - + ja - nein - ja ja BATMAN + - ja - ja + ja ja HWMP RE + + ja/nein + ja + ja ja Babel - - ja + ja ja ja Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

20 6 Zusammenfassung und Ausblick Einführung des vrteilhaften Einsatzes vn NFV in Katastrphennetzen Definitin der Anfrderungen an ein Katastrphennetz Definitin der Anfrderungen an ein Ruting-Prtkll im Katastrphenszenari Betrachtung verschiedener WMN-Ruting-Prtklle unter Berücksichtigung der Anfrderungen HWMP zeigt die besten Ergebnisse In der Flge detaillierte Untersuchung der Prtklle HWMP, BATMAN und Babel Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze

21 Untersuchung vn Wireless Mesh Netwrk- Ruting-Prtkllen für den Einsatz in Netzen für Katastrphengebiete Auberlin Paguem Tchinda Armin Lehmann und Ulrich Trick Frankfurt University f Applied Sciences, Germany Research Grup fr Telecmmunicatin Netwrks Frankfurt University f Applied Sciences Frschungsgruppe für Telekmmunikatinsnetze Kleiststraße 3, D Frankfurt/Main paguem@e-technik.rg