KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

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1 KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE PROTOKOLLE UND DIENSTE DER MOBILKOMMUNIKATION 1. Eigenschaften & Aufbau AD-HOC-NETZ VS. INFRASTRUKTURNETZ I Ad-hoc-Netz Drahtloses Infrastrukturnetz? Ad-hoc- Netz B Ad-hoc-Netz A Internet 94 Fachgebiet Kommunikationsnetze 1

2 1. Eigenschaften & Aufbau AD-HOC-NETZ VS. INFRASTRUKTURNETZ II Ad-hoc-Netz Drahtlose Kommunikation zwischen den mobilen Knoten direkt Dynamische Netztopologie Keine vorausgehende Planung nötig / möglich Hohe Flexibilität Komplexe Endsysteme, die alle Funktionen selbst erbringen müssen Dezentrale Verwaltung Selbstorganisation Drahtloses Infrastrukturnetz Drahtlose Kommunikation immer zwischen mobilem Endgerät und Basisstation / Access Point Basisstationen miteinander über Festnetz vernetzt Verbindung mehrerer Zellen zu einem logischen Netz Vorausgehende Planung notwendig Infrastruktur für weiteres Diensteangebot und Dienstgütegarantien Komplexe Basisstationen, aber einfache Endgeräte Zentralisierte Verwaltung Einsatzgebiete KATASTROPHENSZENARIO Infrastruktur durch Katastrophe zerstört Kommunikation nicht mehr möglich, aber äußerst wichtig: Abstimmung der Einsatzkräfte Lokalisierung von Katastrophenopfern Automatisches Bilden von Ad-hoc-Netzen Nur lokale Abdeckung möglich Unter Umständen Zerfall in mehrere nicht verbundene Ad-hoc-Netze Endsysteme müssen darauf vorbereitet sein Internet??? 96 Fachgebiet Kommunikationsnetze 2

3 2. Einsatzgebiete INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS (ITS) Kommunikation zwischen Verkehrsteilnehmern: Car2Car (Vehicular Ad-hoc Networks VANETs) Car2Infrastructure ( Road Side Units ) Car2Pedestrian Anwendungsgebiete: Sicherheit (Unfallvermeidung, Gefahrenwarnung, ) Verkehrssteuerung (adaptive Geschwindigkeitsbegrenzung, smarte Ampelschaltung, ) Informationsverteilung (freie Parkplätze, aktuelle Sonderangebote, ) Herausforderungen: Hohe Mobilität Sehr viele Teilnehmer Heterogenität RSU Einsatzgebiete INTERNET OF THINGS (IOT) Alle Geräte haben die Möglichkeit zu kommunizieren Herausforderungen: Heterogene Endgeräte Viele Teilnehmer Diensterkennung Anwendungsgebiete: Industrie 4.0 Internet Smart Home Activity Tracker ( ANT+, ) Problem: Sicherheit 98 Fachgebiet Kommunikationsnetze 3

4 2. Einsatzgebiete DEVICE-2-DEVICE KOMMUNIKATION FÜR 4G / 5G Ergänzung des Infrastrukturmodus um direkte Kommunikation zwischen Endgeräten Kürzere Kommunikationswege Weniger Energieverbrauch Entlastung der Infrastruktur Höhere Netzstabilität Anwendungsfälle: Proximity Services für soziale Netze Werbung für Passanten Öffentliche Sicherheit Zellbasierte Kommunikation über Infrastruktur Technologien IEEE / BLUETOOTH Industriestandard der Bluetooth Special Interest Group auf Basis von IEEE Kurzdistanz-Funkübertragung auf lizenzfreiem ISM-Band bei 2,4 GHz Piconetz: ein Master und bis zu sieben Slaves Slave 2 Master Slave 3 Aktueller Standard: Bluetooth 4.2 und Bluetooth Low Energy (BLE) Slave 1 Piconetz Slave Fachgebiet Kommunikationsnetze 4

5 3. Technologien WI-FI / IEEE Funkschnittstelle basierend auf IEEE für Infrastruktur- und Ad-hoc-Netze Funkübertragung auf ISM-Band (2,4 GHz, 5 GHz) Übertragungsraten von ursprünglich 2 Mbit/s bis 6,9 Gbit/s Weiterentwicklungen im Ad-hoc-Bereich: IEEE p für Intelligent Transport Systems im Frequenzband von 5,85 bis 5,925 GHz IEEE s für Mesh-Netze Independent Basic Service Set Technologien ZIGBEE / IEEE Industriestandard für drahtlose Sensornetze nach dem IEEE-Standard Geräte mit verschiedenen Fähigkeiten (Endgerät, Router, Koordinator) Drahtlose Kommunikation mit möglichst geringer Leistungsaufnahme Verwendete ISM-Frequenzen 868/915 MHz und 2,4 GHz Endgerät (Sensor) Endgerät (Sensor) Router Koordinator Cluster Tree Router Endgerät (Sensor) Endgerät (Sensor) 102 Fachgebiet Kommunikationsnetze 5

6 4. HERAUSFORDERUNGEN Funkkommunikation Geteiltes physikalisches Medium Hidden Terminal / ExposedTerminal Nachbarerkennung Ressourceneffizienz Zuverlässigkeit Sicherheit Quality of Service (QoS) Heterogenität Selbstorganisation Adressvergabe Diensteverfügbarkeit Topologie-Erkennung bei mobilen Knoten Wegewahl Herausforderungen Funkkommunikation HIDDEN-TERMINAL-PROBLEM A möchte zu B senden C sendet bereits auf dem selben Kanal zu B Mobiles Terminal A Mobiles Terminal B Mobiles Terminal C Kollisionen treten in B auf A und C können Kollisionen nicht detektieren 104 Fachgebiet Kommunikationsnetze 6

7 4. Herausforderungen Funkkommunikation EXPOSED-TERMINAL-PROBLEM B sendet zu A C möchte zu D senden Mobiles Terminal A Mobiles Terminal B Mobiles Terminal C Mobiles Terminal D C kann den von B verwendeten Kanal nicht nutzen freie Kapazitäten bleiben ungenutzt Herausforderungen Funkkommunikation NACHBAR- UND TOPOLOGIEERKENNUNG ME2 ME 4 ist neu in der Umgebung und sendet Hello- Nachricht ME1 ME3 Nachbarn antworten z. B. mit eigener Hello- Nachricht (unter Angabe der eigenen Nachbarn) Identifikation des Ad-hoc-Netzes notwendig ME4 Request for Comments 6130 ME5 ME6 Knoten verwalten lokale Neighbor Information Base Hello-Nachrichten müssen periodisch gesendet werden Entdeckung von Änderungen Gefahr von Kollisionen 106 Fachgebiet Kommunikationsnetze 7

8 4. Herausforderungen Funkkommunikation RESSOURCENEFFIZIENZ Periodische Funkkommunikation notwendig Nachbarschaftserkennung Topologieerkennung Limitierte Ressourcen Bandbreite der Funkkanäle Batterielaufzeit Optimierung notwendig Schlafperioden Zwischenspeichern von Paketen, deren Empfänger gerade nicht erreichbar sind Periodizitätsintervalle AD-HOC-ROUTING Erfüllung aller Anforderungen = = eierlegende Wollmilchsau Widerspruch: Funktionalität-Last-Energieeffizienz verschiedene Protokolle für unterschiedliche Wegewahlkriterien: Lastverteilung Minimale Zahl der Hops QoS-Parameter (Bitrate, Laufzeit,...) Sicherheit Gebühren 108 Fachgebiet Kommunikationsnetze 8

9 5. AD-HOC-ROUTING Herausforderungen Sich ständig ändernde Topologie Ressourceneffizienz Zusätzliche Belastung durch Austausch von Routinginformationen Zuverlässigkeit der Paketzustellung Berücksichtigung der Anforderungen der Anwendungen AD-HOC-ROUTING Routingprotokolle in Ad-hoc-Netzen Beispiele Reaktiv Proaktiv Hybrid Positionsabhängig Mehrwege-Routing Hierarchisch Multicast Geocast AODV DSR OLSR DSDV ZRP GPSR AOMDV HSR DCMP DGR Energiebewusst DEAR Nach Boukerche et al., Fachgebiet Kommunikationsnetze 9

10 5.1 PROAKTIVES ROUTING Proaktiver Austausch von Routinginformationen, auch wenn kein Sendewunsch vorliegt Periodischer Austausch immer, ohne dass sich eine offensichtliche Änderung ergeben hat Ereignisgesteuerter Austausch, wenn sich die Topologie geändert hat Vorteile Immer aktuelle Wegewahltabelle vorhanden Keine initiale Verzögerung, wenn ein Paket geschickt werden soll Nachteile Hohe Belastung des Netzes, insbesondere bei hochmobilen Knoten Routinginformationen werden immer ausgetauscht, auch wenn sie nicht benötigt werden Beispiel Optimized Link State Routing (OLSR) Proaktives Routing OPTIMIZED LINK STATE ROUTING Zwei Nachrichtentypen für Topologieerkennung HELLO-Nachricht: Erkennung von Nachbarknoten, die 1 oder 2 Hops entfernt sind Topology Control TC-Nachricht: Verteilung der Routinginformation im ganzen Netz Bestimmung von Multipoint Relays für jeden Knoten K ME1 ME2 ME3 K erreicht über die Multipoint Relays alle 2 Hop entfernten Nachbarknoten Multipoint Relays für die Verteilung von Broadcast- Nachrichten und der TC-Nachrichten ME4 ME5 ME6 Multipoint Relay für ME Fachgebiet Kommunikationsnetze 10

11 5.2 REAKTIVES ROUTING Austausch von Routinginformationen nur dann, wenn ein Sendewunsch vorliegt Information wird dann ebenfalls in einer Tabelle gehalten Vorteile Kein unnötiger Austausch von Routinginformation Hohe Mobilität der Knoten ohne Auswirkung, wenn kein Sendewunsch vorliegt Findet kürzesten Weg Nachteile Anfängliche Verzögerung, bis der Weg zum Ziel gefunden wird Gespeicherte Pfade könnten veraltet sein Beispiel Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) Reaktives Routing AD HOC ON-DEMAND DISTANCE VECTOR (AODV) ROUTING Drei wesentliche Nachrichtentypen für Routenfindung Route Request RREQ-Nachricht: Broadcast-Anfrage nach einer Route zur angegebenen Adresse Route Reply RREP-Nachricht: Unicast-Antwort zur Übermittlung einer Route an den Anfragenden Route Error RERR-Nachricht: Fehlernachricht mit den nicht mehr erreichbaren Nachbarn Route wird in Routingtabelle gespeichert Auch Zwischenknoten können RREQ-Nachricht beantworten, wenn der Routingeintrag noch aktuell ist (Sequenznummer) RREP RREQ ME1 RREP RREQ RREQ RREQ ME4 Sender ME5 ME2 RREQ RREQ RREP RREQ RREQ ME6 Ziel ME3 114 Fachgebiet Kommunikationsnetze 11

12 5.3 HYBRIDES ROUTING Verwendung mehrerer Routingprotokolle in unterschiedlichen Bereichen Idee: Beste Ausnutzung der einzelnen Vorteile und Minderung der Nachteile ( Best of both worlds ) Vorteile Optimierung des Routingaufwands bei gleichzeitiger Bereitstellung aktueller Pfadinformationen Berücksichtigung der Nachbarschaft der Knoten Nachteile Gleichzeitige Verwendung mehrerer Routingprotokolle Komplexität der Knoten Beispiel Zone Routing Protocol (ZRP) Hybrides Routing ZONE ROUTING PROTOCOL Routing Zone: Alle Knoten, die bis zu einer gegebenen Anzahl von Hops ( Zone Radius ) vom Sender entfernt sind. Routing Zone Ziel Intra-Zone Routing Protocol: Proaktives Routingprotokoll für die Routing Zone Neighbor Discovery Protocol: Erkennen von Nachbarn durch periodische Hello - Nachrichten ME1 ME2 ME3 Interzone Routing Protocol: Reaktives Routingprotokoll für Knoten außerhalb der Routing Zone Bordercasting ME4 Sender ME5 ME6 116 Fachgebiet Kommunikationsnetze 12

13 5.4 GEOGRAPHISCHES ROUTING Knoten kennen ihre Position (z. B. mittels GPS) Schätzung der erwarteten Region des Empfängers, wobei dessen Bewegung berücksichtigt werden muss Pakete enthalten neben der Empfängeradresse zusätzlich die erwartete Region Pakete werden nur an Nachbarn weitergeleitet, die näher am Empfänger sind Ist der Knoten nicht mehr in der geschätzten Region, muss diese sukzessive vergrößert werden Beispiel: Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) Weitere Verfahrensweise: Geocast Pakete werden an alle Knoten in einer gegebenen Region ausgeliefert Geographisches Routing GREEDY PERIMETER STATELESS ROUTING (GPSR) Zieladresse sind die Koordinaten der Knotenposition Positionsbekanntgabe der Knoten erfolgt durch Beaconing Der Nachbarknoten, der am dichtesten zum Ziel ist, bekommt das Paket ME1 Distanz 1 = 113m ME2 Ziel ME3 Bei Sackgasse erfolgt die Weiterleitung nach rechter Hand -Regel ME6 ME4 Sender ME5 118 Fachgebiet Kommunikationsnetze 13

14 6. Dienstgüteunterstützung AD-HOC-NETZE UND QOS Quality of Service (QoS) ist die Garantie für den Teilnehmer über eine gewisse Netzqualität QoS-Parameter: Bitrate (konstant, variabel, maximal usw.) Verzögerung, Verzögerungsschwankung max. Bitfehlerrate Transportkosten Problem: Aufrechterhaltung einer Dienstgüte bei sich ständig ändernder Netztopologie! Dienstgüteunterstützung QOS UND ECHTZEITANWENDUNGEN QoS ist die Voraussetzung für Echtzeitanwendungen Video-Streaming Audio Prozesssteuerung (Industrie 4.0) QoS wird in den Anwendungen gefordert und muss im Netz bereit gestellt werden Ressourcenreservierung notwendig Ablauf: Route mit genügend Ressourcen finden Reservierung der Ressourcen Aufrechterhaltung und Kontrolle der QoS 120 Fachgebiet Kommunikationsnetze 14

15 6. Dienstgüteunterstützung PROBLEME MIT QOS IN AD-HOC-NETZEN beschränkte Reichweite und Energie (Batterieproblem) begrenzte Verfügbarkeit von Kanälen bzw. Bitrate (geteiltes Medium) Störungen der Funkstrecken unberechenbar vertikaler und horizontaler Handover Knoten kann QoS-Parameter nicht erfüllen Dienstgüteunterstützung QOS UND HANDOVER Voraussetzungen für einen erfolgreichen Handover: Genügend schnelle Topologie-Updates Alternative(r) Nachbarknoten Ausreichende Ressourcen Aufrechterhaltung der QoS durch Redundanz Parallele Routen gleichzeitige Nutzung eingerichtet und reserviert nur ausgewählt QoS-Parameter unmöglich: Übertragung mit best effort oder Kommunikationsabbruch 122 Fachgebiet Kommunikationsnetze 15

16 7. KOPPLUNG VON AD-HOC NETZEN Ad-hoc-Netze haben begrenzte Reichweite Mehrere kleine Ad-hoc-Netze existieren parallel Keine Kommunikation zwischen Ad-hoc-Netzen möglich Idee: Physischer Datentransport durch mobiles Gerät (Store, Carry & Forward, Nachrichtenvermittlung) Spezielle Datenfähren Ferries gesteuerte Mobilität Jedes sich bewegende Gerät Delay Tolerant Network (DTN) Spezielle Routingverfahren notwendig Ad-hoc-Netz A Ad-hoc- Netz B Kopplung von Ad-hoc-Netzen KURZER ÜBERBLICK ÜBER DTN-ROUTING Komplettes Wissen über die Knoten Bewegung der Knoten bekannt Weiterleitungsentscheidung optimal (aber nicht praxisrelevant ) Bewegung der Knoten unbekannt Fluten Epidemic Routing: Weiterleiten der Pakete an alle Knoten, zu denen ein Kontakt aufgebaut werden kann Begrenzung der Paketkopien durch Spray and Wait Probabilistisches Routing Abschätzen der Wahrscheinlichkeit, dass der andere Knoten das Ziel trifft Historie der Kontakte, Bewegungsmuster Beispiel: Probabilistic Routing Protocol using History of Encounters and Transitivity PRoPHET (RFC 6693) Gesteuerte Fähren 124 Fachgebiet Kommunikationsnetze 16

17 LITERATUR Basagni, Stefano; Conti, Marco; Giordano, Silvia; Stojmenovic, Ivan (Hg.) (2013): Mobile Ad Hoc Networking. 2nd edition. Piscataway, NJ, USA: IEEE Press / Wiley. Boukerche, Azzedine; Turgut, Bergumhan; Aydin, Nevin; Ahmad, Mohammad Z.; Bölöni, Ladislau; Turgut, Damla (2011): Routing Protocols in Ad Hoc Networks: A Survey. In: Computer Networks 55 (13), S Clausen, Thomas Heide; Jacquet, Philippe (2003): Optimized Link State Routing Protocol (OLSR). IETF Network Working Group (Request for Comments, 3626). Clausen, Thomas Heide; Dearlove, Christopher; Dean, Justin W. (2011): Mobile Ad Hoc Network (MANET) Neighborhood Discovery Protocol (NHDP). IETF Network Working Group (Request for Comments, 6130). Parkins, Charles, E.; Belding-Royer, Elizabeth M.; Das, Samir R. (2003): Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing. IETF Network Working Group (Request for Comments, 3561). Samar, Prince; Pearlman, Marc R.; Haas, Zygmunt J. (2004): Independent Zone Routing:An Adaptive Hybrid Routing Framework for Ad Hoc Networks. In: IEEE/ACM Transactions on Networking 12 (4), S Roth, Jörg (2005): Mobile Computing. Grundlagen, Technik, Konzepte. 2., aktualisierte Auflage. Heidelberg: dpunkt-verlag (dpunkt.lehrbuch). Zhang, Zhansheng (2006): Routing in Intermittently Connected Mobile Ad Hoc Networks and Delay Tolerant Networks: Overview and Challenges. In: IEEE Communications Surveys & Tutorials 8 (1), S Fachgebiet Kommunikationsnetze 17