Wireless Mesh Networks. Andreas Bossard Daniel Dönni Daniel Rickert

Wireless Mesh Networks Andreas Bossard Daniel Dönni Daniel Rickert

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

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

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

Einleitung Definition Wireless Mesh Network Ein Praxisbeispiel Einleitung Folie 5

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

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

Beispiel St. Gallen Pilotphase von Dez 06 Februar 07 3 Access Points, 20 Router 10 Mbit Zugang (100 Mbit) Hoffnung auf Eigeninitiative der Bevölkerung http://sg.openwireless.ch/ Tempe, Arizona. 100 km 2 http://www.strixsystems.com/ Einleitung Folie 10

Beispiel St. Gallen http://sg.openwireless.ch/manetstate/map Einleitung Folie 11

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

Metriken Definition Metrik Gängige Metriken Metriken Folie 13

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Herausforderungen Skalierbarkeit Performance Energieverwaltung Sicherheit Standardisierung Herausforderungen Folie 63

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

Performance (1) Verschiedene Funktechnologien Direktionale Antennen Intelligente Antennen MIMO Systeme Fortgeschrittene Funktechniken Skalierbarkeit Netzwerkgrösse Performance Datenrate auf 802.11b nach 4 Hops 1Mbps (2003) Herausforderungen Folie 67

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

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

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

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

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

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

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

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

Standardisierung (3) Arbeitsstand IEEE 802.11s 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 802.11s im Vergleich mit 802.15: WPAN 802.16: WiMAX 802.20: MBWA Herausforderungen Folie 77

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

Zusammenfassung Günstige Alternative zu einer reinen Hotspot- Architektur Allerdings einige Probleme, die zu bewältigen sind Protokoll-Wahl abhängig von Szenario 802.11s Folie 79

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

Fragen Fragen Folie 81

Coffee Break Coffee Break Folie 82

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

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

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

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

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

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