Software ubiquitärer Systeme

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1 Software ubiquitärer Systeme Ad-hoc-Netzwerke Constantin Timm und Olaf Spinczyk Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund

2 Inhalt Motivation Ad-hoc-Netzwerke Ad-hoc-Routingprotokolle Sicherheit in Ad-hoc-Netzwerken Zusammenfassung Anwendung/Programmierung Datenhaltung Middleware Betriebssystem Hardware 2

3 Inhalt Motivation Ad-hoc-Netzwerke Ad-hoc-Routingprotokolle Sicherheit in Ad-hoc-Netzwerken Zusammenfassung 3

4 Motivation Hey Tür! Ist Stuhl 1 in deiner Reichweite? Hallo Stuhl 1! Kannst du ihn fragen, ob er noch besetzt ist? Klar! 4

5 Motivation 5

6 Motivation Start Zwischenknoten Ziel Was braucht man hier? Richtig! Routingprotokolle. 6

7 UbiCom-Netzwerke Anforderungen Preiswert Energiesparend Robustheit (bzgl. dynamischer Topologieänderungen) Sicherheit Konsequenzen Einsatz preiswerter Technologie: Kleine Zellen durch geringe Reichweite, z.b. Personal Area Networks Minimierung der Kabelaufwands - Nutzung vorhandener Infrastruktur: Telefonkabel, Stromkabel, Haut(!) - Kabelgebundene Grobverkabelung, kabelloser letzter Meter Ausnutzung von Lokationsinformation Ad-Hoc-Kommunikation - Spontanes Hinzukommen/Verlassen - keine/einmalige Administration 7

8 Herausforderung Vielfalt Unterschiedliche Netzwerktypen Anwendungsbereiche: Multimedia / Information, Echtzeit, Kontext Kommunikationsmodelle Anwendungsorientert (P2P) Dienstorientert (Master-Slave) Medien oft mobil und kabellos für Haustechnik und Multimedia auch kabelgebunden Durchsatz, Latenz- und Einbuchzeiten Multimedia: hoher Durchsatz, längeres Einbuchen Kontext: niedriger Durchsatz, kurzes Einbuchen Routingfähigkeiten Netzwerk-Routing Application Layer Bridges 8

10 Der Begriff: Mobile Ad-hoc Network Jochen Schiller, Mobilkommunikation: Ad-hoc-Netze kommen ohne jegliche Infrastruktur aus, insbesondere ohne eine ausgezeichnete Basisstation, welche den Medienzugriff zentral steuert. Diese Netzvariante erlaubt die spontane, nicht vorab geplante Kommunikation zwischen mobilen Endgeräten, wobei einige oder alle Endgeräte auch Daten von anderen Endgeräten weiterleiten können. 10

11 Einordnung von MANETs 11

12 Eigenschaften von MANETs Keine feste Infrastruktur Dynamische Topologie Wegbrechen von Routen Entstehung von neuen Routen Spontane Vernetzung Jedes Gerät kann Endpunkt einer Kommunikation sein, aber auch Daten einer Kommunikation weiterleiten müssen. N1 N7 N2 N4 N1 N3 N5 Zeit = t1 N7 N6 N3 N2 N4 N6 N5 Zeit = t2 gute Verbindung schlechte Verbindung 12

13 Eigenschaften von MANETs (2) Multihop-Umgebung Stark begrenzte Bandbreite Asymmetrische Verbindungen Durch unterschiedliche Sendeleistungen Beschränkte Möglichkeit der Energieversorgung Abhängigkeit von Batterien oder Akkus Große Anzahl von Geräten, damit in der Summe potentiell hoher Energiebedarf Limitierte Möglichkeit das Netz vor physischen Einfluss zu schützen, z.b. Denial-of-Service-Angriffe Überwachungsangriffe Verfälschen von Nachrichten 13

15 Routing im TCP/IP-Stack 15

16 Routing Wo ist Routing eigentlich im ISO/OSI-Modell angesiedelt? Oft wird Routing mit der Wegsuche auf der Vermittlungsschicht gleichgesetzt. Dies ist aber nur zum Teil richtig Es gibt Beispiele für Routingmechanismen auch auf anderen Ebenen - Sicherungsschicht: Bluetooth - Anwendungsschicht: P2P-Protokolle 16

17 Klassische Routingprotokolle aus dem Festnetzbereich versagen Zu langsame Konvergenz Zu großer Overhead Ad-Hoc-Netze weisen eine hohe Dynamik auf Typisch: geringe Bandbreite und geringe Rechenleistung Wichtige Metriken werden ignoriert (z.b. bei der Routenwahl) Batterielaufzeit der Knoten Zeit des Zusammenhalts der Knoten Zuverlässigkeit der Verbindungen Energiebedarf... 17

18 Routingalgorithmen für Ad-Hoc-Netze erfordern Hohe Skalierbarkeit Flexibilität Effizienz im Hinblick auf Komplexität Energieverbrauch Speicherverbrauch werden intensiv erforscht Dutzende Verfahren existieren Implementierung für Standard-Betriebssysteme, wie z.b. Linux oder Windows existieren Nutzung von IP-Adressen zur Identifikation 18

19 Beispiel: DSDV Destination-Sequenced Distance Vector Routing Ein Klassiker von 1994 Routingtabellen werden per Broadcast verteilt Updates werden periodisch ( full dump ) und bei Veränderung in der Topologie ( incremental dump ) geschickt Sicht von Knoten A Destination Next Hop No. of Hops Seq. No. Install Time A A 0 A B B 1 B C B 2 C Auswahl der Route Route mit der neuesten Sequenznummer Route mit der besten Metrik 19

20 Ad-hoc Routingprotokolle Flach FSLS FSR OLSR TBRPF AODV DSR proaktiv reaktiv Hierarchisch Fuzzy Sighted Link State Fisheye State Routing Optimised Link State Routing Protocol Topology Broadcast Based on Reverse Path Forwarding Ad-hoc On Demand Distance Vector Dynamic Source Routing CGSR HSR LANMAR ZRP Clusterhead-Gateway Switch Routing Hierarchical State Routing Landmark Ad Hoc Routing Zone Routing Protocol Geographisch DREAM GeoCast GPSR LAR Distance Routing Effect Algorithm for Mobility Geographic Addressing and Routing Greedy Perimeter Stateless Routing Location-Aided Routing 20

21 Proaktive Protokolle... tauschen periodisch Kontrollnachrichten miteinander aus Linkstate-Protokolle - Jeder Router im Netzwerk teilt den anderen Knoten im Netzwerk den Zustand der Verbindungen zu seinen Nachbarn mit - Jeder Router kennt explizit die komplette Topologie und kann mit dieser eine Route berechnen, z.b. mit dem Shortest-Path-Algorithmus von Dijkstra Distanzvektor-Protokolle - Jeder Router kennt alle im Netzwerk vorhanden Knoten, aber nur in Form des nächsten Hops und der Länge des Weges - Routenberechnung implizit durch Austausch der kompletten Routingtabelle brauchen viel Bandbreite sind relativ statisch 21

22 OLSR (1) Optimized Link-State Routing Spezifiziert in RFC (Request for Comments) 3626 Erweitert normale Link-State-Protokolle Vereinfacht die Komplexität der Link-Protokolle Wichtige Eigenschaften Jeder Knoten hat globalen Überblick über alle Knoten im Netzwerk und den Verbindungen dort hin - Erzeugt Last im Netzwerk! Jeder Knoten berechnet die Route eigenständig - Shortest-Path-Algorithmus In OLSR haben nicht alle Knoten die gleichen Aufgaben - Dynamisch gewählte Multipoint-Relays übernehmen Aufgaben für umgebende Knoten - Dadurch Reduzierung der Netzwerklast 22

23 OLSR (2) Nachbarknoten (bis 2 Hops) werden mit Hello-Nachrichten gefunden Enthalten Adressen aller bekannten 1-Hop Nachbarn Werden nicht weitergeleitet Basis für die Auswahl der Multipoint-Relays - Minimale Menge an Knoten, um alle 2 Hop-Knoten erreichen zu können Kontrollpakete (TC) werden periodisch erstellt Enthält Knotenadresse, Sequenznummer, Nachbarknoten mit Distanzinformationen Werden per Broadcast über Multipoint-Relays verteilt Knoten erhält Distanzinformationen von allen anderen Knoten - Komplette Netzwerktopologie wird aufgebaut 23

24 OLSR (3) Unterschied zu anderen Linkstate-Algorithmen Optimized LSR Verteilte Auswahl sogenannter Multi-Point-Relays, die Kontrollnachrichten weiterleiten dürfen - Es müssen aber alle Knoten im Netzwerk erreichbar sein Standard Optimiert 24

25 Reaktive Protokolle Reaktive Protokolle tauschen Kontrollnachrichten nur aus, wenn eine Route benutzt werden soll Reaktive Protokolle brauchen weniger Bandbreite als proaktive Protokolle und sind dynamischer Die Route müssen aus nur teilweiser Kenntnis des Netzwerks errechnet werden 25

26 AODV Ad-hoc On-Demand Distance Vector Reaktives Routingprotokoll Spezifiziert in RFC (Request for Comments) 3561 Ausgelegt für IPv4-Netze Beliebige Anzahl von Knoten im Netzwerk Wichtige Eigenschaften Knoten kennen nur den nächsten Teilnehmer einer Route und die Länge der Route Einfachpfad-Algorithmus Definiert zwei Routingmechanismen Route Discovery Route Maintenance 26

27 AODV Route Discovery Zwei Routingnachrichtentypen zum Routenaufbau - Route-Request-Nachricht (RREQ) per Broadcast in Richtung Ziel (an die Adresse bei IP) - Route Reply-Nachricht (RREP) per Unicast zurück zur Quelle Bei bidirektionalen Verbindungen zwischen den Knoten wird auch eine bidirektionale Route aufgebaut Route Maintenance Route-Error-Nachricht (RRER) wird losgeschickt, wenn eine gebrochenen Route entdeckt wird, z.b. durch einen Fehler auf der Sicherungsschicht (MAC-Schicht) RRER-Nachricht wird an Nachbarn geschickt 27

28 AODV 28

29 DSR Dynamic Source Routing Reaktives Routingprotokoll Spezifiziert in RFC (Request for Comments) 4728 Ausgelegt für IPv4-Netze Höchstanzahl der Zwischenknoten u.a. festgelegt durch vorhandenen Platz im IP-Header (<10) Wichtige Eigenschaften Quelle kennt die komplette Route Route wird im Datenpaket mitgeschickt Definiert zwei Routingmechanismen Route Discovery Route Maintenance 29

30 DSR Route Discovery Nur wenn wirklich ein Weg zum Senden von Daten zu einem bestimmten Ziel benötigt wird und noch keiner vorhanden ist Aussenden eines Broadcast-Pakets mit Zieladresse und Sequenznummer Bei Empfang eines Broadcast-Pakets - falls Empfänger, dann Rücksendung eines Route Replys an Absender - falls Paket bereits früher erhalten (Sequenznummer), verwerfen - sonst eigene Adresse anhängen und als Broadcast weiterleiten Das Ziel kann den Weg auslesen und auf diesem antworten (symmetrische Pfade!) oder startet das gleiche Verfahren in Gegenrichtung Sender erhält Paket mit aktuellem Weg (Adressliste) zurück 30

31 DSR 31

32 DSR Route Maintenance Nach dem Senden - Warten auf die Quittung auf Sicherungsschicht - Mithören auf dem Medium, ob Paket weitergeleitet wird - Anforderung einer expliziten Bestätigung Falls Probleme erkannt werden, kann der Sender informiert oder lokal ein neuer Weg gesucht werden nur während ein Weg aktuell benutzt wird, muss dafür gesorgt werden, dass er weiterhin funktioniert 32

33 Hierarchische Protokolle... sehen unterschiedliche Rollen für die Knoten vor 33

34 CGSR Clusterhead-Gateway Switch Routing Eigenschaften - Das Netzwerk wird in sich überlappende Cluster aufgeteilt - Für jedes Cluster wird ein sogenannter Clusterhead ausgewählt - Ein Knoten, der zu zwei Clustern gehört, wird Gateway genannt 34

35 CGSR CGSR benutzt ein Distanzvektor-Protokoll Jeder Knoten speichert zwei Routingtabellen - Eine Distanzvektor-Routingtabelle, die zusätzlich zu den normalen Routingeinträgen einen Routingeintrag mit der Route zum Clusterhead für jedes Cluster beinhaltet - Eine Cluster Member -Tabelle, die für jeden Knoten den Clusterhead speichert CGSR reduziert die Größe der Routingtabelle signifikant im Hinblick auf klassische Distanzvektorprotokollen 35

36 Bio-inspirierte Routing-Protokolle... ahmen das Verhalten der Natur nach, z.b. Bienen-Schwärme (z.b. BeeAdHoc) Ameisenkolonien (z.b. AntHocNet) 36

37 AntHocNet Agenten-basierter Algorithmus Multipfad-Algorithmus Basiert auf den Ant Colony Optimization (ACO) Prinzipien Ameisen haben folgende Eigenschaften - Futtergebiete können erkundet werden ohne globale Sicht auf die Oberfläche - Können Futter finden und dieses zum Hügel zurückbringen - Werden den kürzesten Pfad benutzen Ameisen arbeiten im Team - Indem sie Pheromone hinterlassen - Pheromone dienen zur Kommunikation mit den anderen Ameisen 37

38 AntHocNet (2) Wenn eine Datenübertragung an Knoten S mit Senke D startet, wird überprüftt, ob aktuelle Routinginformationen vorhanden sind. Falls nicht werden Ameisen-ähnliche Agenten, die Forward Ants losgeschickt, um eine Route zu D zu finden. Diese Ameisen sammeln Informationen über die Qualität der von ihnen benutzten Route. Am Ziel werden sie zu Backward Ants, die den Pfad zurückgehen und an den besuchten Knoten die Routingtabelle erneuern. 38

39 AntHocNet (3) Wenn die Routen aufgebaut sind und die Datenübertragung läuft, sendet S proaktive Forward Ants zum Knoten D. Diese folgenden der Pheromonspur genauso wie die Datenpakete und haben zusätzlich die Fähigkeit alternative Routen zu erkunden. Im Falle von Verbindungsproblemen versuchen die Knoten die Route lokal zu erneuern oder schicken Warnmittelungen an ihre Nachbarknoten 39

41 Sicherheit in MANETs Kommunikationspartner sind per Definition nicht vertrauenswürdig, weil Offenes Medium Teilnehmende Geräte können leicht in falsche Hände geraten Keine zentrale Instanz Dynamische Topologie 41

42 Sicherheit in MANETs (2) Adhoc-Routingprotokoll-Spezifikationen sind oft nicht auf Sicherheit eingestellt, z.b. : Currently, OLSR does not specify any special security measures. As a proactive routing protocol, OLSR makes a target for various attacks. Vertraulichkeit der Daten: Informationen können mitgelesen werden Integrität der Daten: Verfälschte Kontrollnachrichten 42

43 Angriffsszenarien Selfishness Kontrollpakete nicht weiterleiten Kontrollpakete zum eigenen Vorteil ändern Black-Hole-Angriff Datenpakete nicht weiterleiten Möglichst viele Routen über sich selbst leiten 43

44 Angriffsszenarien (2) Denial of Service (DoS) Funkverbindung stören Unnötige Pakete schicken Spoofing Weitergeleitete Pakete mitlesen 44

45 SAODV Grundgedanke: Kontrollnachrichten schützen Normale Datenpakete können verschlüsselt werden SAODV basiert auf AODV (Secure...) Schützt feste und flexible Bereiche der Kontrollnachrichten Route Request Route Reply 45

46 SAODV (2) Digitale Signatur für nicht veränderbare Felder Hash Chains schützen den Hop Count Bei jedem RREQ wird ein Seed-Wert erzeugt und ein Max_Hop_Count auf die TTL des AODV gesetzt. Max_Hop_Count und Top_Hash sind durch Signaturen geschützt: Hash = seed Top_Hash = hmax_hop_count(seed) Beim Empfangen eines RREQ wird der Hop_Count geprüft... Top_Hash == hmax_hop_count Hop_Count(Hash)? und vor dem Losschicken wird die Hash-Funktion einmal auf den aktuellen Hash-Wert angewendet Hash = h(hash) Hinweis zur Notation: h22(x) bedeutet h(h(x)) 46

48 Zusammenfassung Ad-Hoc-Netzwerke sind für ubiquitäre Systeme wichtig mobile Knoten dynamische Topologieänderungen Ad-Hoc-Routing-Protokolle berücksichtigen die speziellen Anforderungen Proaktive Protokolle verbreiten permanent Routing-Infos im Netz - Kontinuierlicher Ressourcenverbrauch (Bandbreite, Energie, ) - Schneller Verbindungsaufbau Reaktive Protokolle ermitteln Routen auf Anforderung - Kommen besser mit hoher Dynamik klar Wichtige weitere Ansätze - Hierarchische Verfahren: Reduzieren den Overhead - Bio-inspirierte Verfahren: Sind sehr flexibel Bei der Sicherheit gibt es prinzipielle Probleme Man kann niemandem trauen! 48

49 Referenzen Jochen Schiller, Mobilkommunikation, Addison-Wesley Dazu: Folienmaterial von der TU Berlin Gianni Di Caro, AntHocNet: an Ant-Based HybridRouting Algorithm for Mobile Ad Hoc Networks Alexander Berner, Sicherheitsaspekte beim Routing in MANETs Anouck Schlesser, Ad-hoc Workshop 2004, AODV, OLSR D. Johnson, RFC 4728, The Dynamic Source Routing Protocol (DSR) for Mobile Ad hoc Networks for IPv4 49

50 Referenzen Christophe Ronkar, Ad-Hoc Workshop 2004, Reactive Routing, DSR Serge Kaiser, Ad-Hoc Workshop 2004, DSDV S. Corson, RFC 2501, Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations C. Perkins, RFC 3561, Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing Manel Guerrero Zapata, Secure Ad hoc On-Demand Distance Vector (SAODV) Routing Michael Beigl, Universität Karlsruhe, Ubiquitäre Informationstechnologien Prof. Dr. Otto Spaniol, Dr. rer. nat. Dirk Thißen, Lehrstuhl für Informatik IV, RWTH Aachen, Mobilkommunikation 50

51 Referenzen Johannes Faigle, Ad-hoc Routing Protocols Gupta, WMU, Department of Computer Science, Wireless Communications & Networks, Scalable Routing Protocols for Mobile Ad Hoc Networks 51