Drahtlose Kommunikation. Infrastrukturlose Netze
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- Renate Christina Schreiber
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1 Drahtlose Kommunikation Infrastrukturlose Netze
2 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Geographische Routingprotokolle 2
3 Large Scale Wireless Networks On board powered devices Wireless communication No network infrastructure 3
4 Large Scale Wireless Networks Example: sensor networks 4
5 Large Scale Wireless Networks Example: ad hoc networks 5
6 Large Scale Wireless Networks Example: robotic networks 6
7 Large Scale Wireless Networks Limited comm. range Regulatory constraints Implied network graph 7
8 Large Scale Wireless Networks Data communication: unicast, multicast, broadcast, anycast, geocast, 8
9 Large Scale Wireless Networks Topology control: neighbor elimination, backbone construction, virtual overlays, relocation, 9
10 Localized and Non-Localized Protocol Design Request neighbors? Localized: achieve a network wide objective with local decisions only 10
11 Localized and Non-Localized Protocol Design Inform network General hope that localized protocols: save resources, support arbitrary network scale, deal better with dynamics, still work when full network view is not possible Localized: achieve a network wide objective with local decisions only Non-localized: Local change may require a network wide decision 11
12 Routing Protocol classification d-hoc Routing Protocols non-localized Topology-based Geographic localized Proactive Reactive Remark 1: Topology control is typically achieved by a localized algorithm. Remark 2: In this lecture we do not consider topology control so much; just a few examples while explaining routing. asic Greedy Partial Flooding DFS-based Stateless Energy aware 12
13 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) Optimized Link State Routing (OLSR) d-hoc On-Demand Distance Vector Routing (ODV) Dynamic Source Routing (DSR) Geographische Routingprotokolle 13
14 Topology-ased Routing Overview Topology-ased Routing Protocols Proactive (Table-driven) Reactive (Source-initiated on-demand) DSDV OLSR ODV DSR TOR 14
15 DSDV: Main Idea 15
16 DSDV: Table Maintenance? D E E E D E D D E D E D D E D E D E E E 16
17 DSDV: Shortest Paths D E F? D D E E F D E D E D E E E F E F F => or? D D E E F D E D E E E F E 17
18 DSDV: Shortest Paths F E D 0 1 E 2 D E 3 E E 1 F E D D D 1 E E 1 F D 2 E 2 F => F,? d = 2?
19 DSDV: Topology hanges inf D 2 2? 1 0 D D D 3 0 inf D 3? 2 1 D D 0 inf D inf 19
20 DSDV: Topology hanges inf D 2 D inf D D D D 0 inf D inf 3 inf D inf 2 D inf D D inf 1 20 D inf 1 2
21 DSDV: Sequence Numbers => D => D or => D? D => D 21
22 DSDV: Sequence Numbers => D, S = 42 = > D! D S = => D, S = 43 22
23 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) Optimized Link State Routing (OLSR) d-hoc On-Demand Distance Vector Routing (ODV) Dynamic Source Routing (DSR) Geographische Routingprotokolle 23
24 Proactive protocols OLSR ombine link-state protocol & topology control Optimized Link State Routing (OLSR) Topology control component: Each node selects a minimal dominating set for its two-hop neighborhood alled the multipoint relays Only these nodes are used for packet forwarding llows for efficient flooding Link-state component: Essentially a standard link-state algorithm on this reduced topology Observation: Key idea is to reduce flooding overhead (here by modifying topology) 24
25 Multipoint Relays MPR oncept Subset M of neighbors of given node S which covers all 2-hop neighbors of S Node is covered if it can receive message from S either directly or via 1-hop neighbor Nodes in subset M are called relay point Minimum-size multipoint relay is of interest for energy efficient broadcasting Reduce number of broadcast relays but over all nodes by the broadcast U Example for node S 1-hop neighbors:,,, D, E, F F X 2-hop neighbors: U, V, W, X multipoint relay: {,, D, E} S minimum-size multipoint relay: {, F} V E W Fact: Finding a minimum-size multipoint relay is NP complete pproximations required! Example greedy approximation D 25
26 Multipoint Relays Greedy approximation Repeat selecting node which maximizes set of not so far covered nodes Example (1) Maximum provided either by or F; select (2) Maximum provided then by F (3) ll nodes covered; result {, F} U F X V S E D W 26
27 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) Optimized Link State Routing (OLSR) d-hoc On-Demand Distance Vector Routing (ODV) Dynamic Source Routing (DSR) Geographische Routingprotokolle 27
28 ODV: Main Idea RREQ RREQ S RREQ D RREQ RREQ RREQ RREQ RREQ RREQ 28
29 ODV: Main Idea RREQ RREP D S 29
30 ODV: Main Idea D S 30
31 ODV: Node Mobility D RREQ S 31
32 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) Optimized Link State Routing (OLSR) d-hoc On-Demand Distance Vector Routing (ODV) Dynamic Source Routing (DSR) Geographische Routingprotokolle 32
33 DSR route discovery procedure Search for route from 1 to 5 [1] 1 [1] [1,7] 6 7 [1,7] [1,4] 4 1 [1,4,6] [1,7,2] 5 [1,7,3] [5,3,7,1] Node 5 uses route information recorded in RREQ to send back, via source routing, a route reply 33
34 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Geographische Routingprotokolle Greedy-Routing und Planar-Graph-Routing Konstruktion von planaren Graphen Lokales Multicasting eispiel MSTEM 34
35 Localized Geographic Unicast Forwarding destination node source node ssumptions: Localization system Nodes know position of Themselves Their neighbors The destination 35
36 Geographic Greedy Routing (a) E D S T (b) G F S? T F E Strategy: select from nodes closer to the destination the one which minimizes a local cost metric D Problem: greedy routing failure 36
37 Recovery based on Planar-Graph Routing destination node source node 37
38 Planar Graph Routing Example P S T F 38
39 Planar Graph Routing Example P Q S T F 39
40 Planar Graph Routing Example P S T F 40
41 Planar Graph Routing Example P S T F 41
42 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Geographische Routingprotokolle Greedy-Routing und Planar-Graph-Routing Konstruktion von planaren Graphen Lokales Multicasting eispiel MSTEM 42
43 We need a Planar Graph W U V U V V Gabriel Graph (GG) Relative Neighborhood Graph (RNG) U Delaunay Triangulation (DT) 43
44 We need a UDG or QUDG r max U V r min U Unit disk graph (UDG) Quasi unit disk graph (QUDG) UDG: Localized GG and RNG versions based on 1-hop neighbors UDG: Localized DT version based on 2-hop neighbors (and less) QUDG: Sort of localized GG (possibly the same for RNG) 44
45 Problems and Limitations Locally constructing a planar graph in arbitrary networks is impossible u y x Even worse: localized unicast routing is impossible in arbitrary graphs v Localized single path algorithms deviation from shortest paths Let k be the hop/euclidean length of the shortest path connecting s and t Localized single path algorithms may produce paths of length O(k 2 ) Some even worse but some exist which are upper bounded by O(k 2 ) s t 45
46 Localized Unicast Routing in Practice! arbitrary graph wireless network graph Wireless network graph has structure! im at localized unicast approaches with high delivery rate Method of choice: sorts of clustering 46
47 Geographic lustering 47
48 Geographic lustering 48
49 Geographic lustering 49
50 Geographic lustering 50
51 K-Hop lustering 51
52 K-Hop lustering 52
53 K-Hop lustering 53
54 K-Hop lustering 54
55 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Geographische Routingprotokolle Greedy-Routing und Planar-Graph-Routing Konstruktion von planaren Graphen Lokales Multicasting eispiel MSTEM 55
56 Localized Multicast Forwarding Problem destination node destination node destination node source node destination node ssumptions: Location system Nodes know position of Themselves Their neighbors The destinations 56
57 uilding locks T1 D S T2 T3 57
58 uilding locks Message Split T1 D S T2 T3 58
59 uilding locks Next Hop Selection T1 D S? T2 T3 59
60 uilding locks Recovery T1 D S? T2? T3 60
61 Übersicht Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Geographische Routingprotokolle Greedy-Routing und Planar-Graph-Routing Konstruktion von planaren Graphen Lokales Multicasting eispiel MSTEM 61
62 EMST ackbone ssisted Localized Routing T9 T1 T8 T7 S T1,,T9 T2 T3 T6 T5 T4 62
63 EMST ackbone ssisted Localized Routing T9 T1 T8 T7 T2 S T3 T6 T5 EMST(S,T1,,T9) T4 63
64 EMST ackbone ssisted Localized Routing T9 T1 T8 T7 D3 D1 T2 S T3 T6 T5 D2 T4 64
65 EMST ackbone ssisted Localized Routing T9 T1 T8 T7 T7,T8,T9 T2 S T4,T5,T6 T1,T2,T3 T3 T6 T5 T4 65
66 The ost over Progress Framework Which one is the better next hop node? V T1 T2 S T1,T2,T3 W T3 66
67 The ost over Progress Framework T1 V T2 S W T3 pproximate expected number of hops H(S,V) H(S,V) EMST(S,T1,T2,T3) / ( EMST(S,T1,T2,T3) - EMST(V,T1,T2,T3) ) pproximate expected cost (S,V) = cost(s,v) * H(S,V) Select node X which provides progress and minimizes (S,X) 67
68 MSTEM & MFE T6 T1 T5 F1 F2 S T2 T4 T3 68
69 MSTEM & MFE T6 T1 T5 F1 F2 S T2 T4 T3 69
70 MSTEM & MFE F1 V F2 W T3 S T1 F3 U T2 70
71 MSTEM & MFE F1 V F2 W T3 S T1 F3 U T2 71
72 MSTEM & MFE F1 V F2 W T3 S T1 F3 U T2 72
73 MSTEM & MFE S F1 V F2 T1 W p T3 F3 U T2 73
74 MSTEM & MFE F1 V F2 W S T1 F3 U T2 74
75 MSTEM & MFE F1 V F2 W S F3 U T2 75
76 Zusammenfassung Untersuchte Netzstruktur und Problemstellungen Topologie-basierte Routingprotokolle Geographische Routingprotokolle 76
77 Zusammenfassung Wir betrachteten hier: drahtlose Vernetzung ohne aufwendige (und kostenpflichtige) Infrastruktur bdeckung größerer Gebiete trotz limitierter Kommunikationsreichweite Multihop-Kommunikation Wir haben es hier somit hauptsächlich mit einem Netzwerkproblem zu tun Wesentliche Probleme: Routing und Topologiekontrolle npassung traditioneller Routing-Verfahren: Topologie-basiertes Routing Neuer Routing-nsatz auf der asis von Knotenkoordinaten Dieser nsatz erlaubt ganz neue Formen der Datenkommunikation und generell ganz neue Formen von Netzorganisation Generelles Paradigma, um mit der Dynamik solcher infrastrukturlosen Multihop- Netze umzugehen: lokale lgorithmen/verfahren Dieses Paradigma ist auch zur eherrschung von komplexen und dynamischen Internet-Overlay-Topologien anwendbar Mit den hier behandelten lokalen Verfahren wurde nur ein kleiner usschnitt eines interessanten Forschungsfeldes betrachtet Mehr in der Vorlesung Lokale Netzstrukturen 77
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