02 Mobile Ad Hoc Network (MANET) e...

MANET e Routing - Sistemi Mobili M 1

Sistemi Mobili M

Università di Bologna

CdS Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica

II Ciclo - A.A. 2014/2015

Corso di Sistemi Mobili M (8 cfu)

02 – Mobile Ad Hoc Network (MANET)

e Routing

Docente: Paolo Bellavista

[email protected]

http://lia.deis.unibo.it/Courses/sm1415-info/

http://lia.deis.unibo.it/Staff/PaoloBellavista/

mailto:[email protected]


Che cos’è una Rete Ad Hoc?

Rete con infrastruttura (cellulare o hot spot)

Rete Ad Hoc, anche multi-hop


Caratteristiche

Reti Wireless Ad Hoc

Create dinamicamente (on-the-fly) per soddisfare un bisogno tipicamente temporaneo

Deployment immediato e altamente riconfigurabile (NO infrastruttura fissa)

Alta “volatilità”

Mobilità, guasti/fallimenti, risorse dei nodi che variano nel tempo

Nodi hanno funzionalità differenziate (eterogeneità)

Nodi hanno energia (batteria) limitata

Ogni nodo può svolgere il ruolo potenziale di router

Comunicazione multi-hop


Sfide Tecnologiche per

Reti Ad Hoc

Raggio di trasmissione limitato

Natura broadcast del medium wireless (ad es. hidden terminal)

Perdite di pacchetti dovute a errori di trasmissione

Mobilità Modifiche al routing e ai percorsi stabiliti dovute a

mobilità

Perdite di pacchetto indotte da mobilità

Partizionamenti di rete potenzialmente frequenti

Vincoli energetici

Facilità di “snooping” delle trasmissioni wireless (problematiche di sicurezza)


Applicazioni Possibili per MANET

Una grande quantità di applicazioni possibili:

Personal Area Networking

Cell phone, laptop, wrist watch, sensoristica human body, …

Ambienti civili

Meeting room, stadi, gruppi di navi o gruppi di aerei

Ambienti militari

Scenari di guerra, realizzazioni coalizioni dinamiche sul campo,

mancanza di infrastruttura in campo nemico

Operazioni di emergenza

Search&rescue, azioni di polizia, vigili del fuoco

Reti sensori

Gruppi di sensori embedded nell’ambiente (ad es. smart home) o

“scattered” in una zona geografica ampia


Molte Varianti Possibili

Ambienti pienamente simmetrici

Tutti i nodi partecipanti hanno le medesime capacità e

responsabilità

Capacità asimmetriche

Raggi di copertura e tecniche trasmissione wireless differenziate

Differenti battery life

Differenti capacità computazionali

Differenti gradi di mobilità (velocità)

Responsabilità asimmetriche

Solo alcuni nodi possono fare routing di pacchetti

Alcuni nodi svolgono ruolo di leader per nodi vicini (ad es. cluster

head)

Caratteristiche traffico differenziate

Banda, latenza, affidabilità; unicast/broadcast/multicast/geocast


Molte Varianti Possibili

Possono coesistere e cooperare con reti basate su

infrastruttura

Pattern mobilità differenti

Persone sedute in sala d’attesa (mobilità limitata)

Taxi (alta mobilità)

Movimenti militari (in gran parte clustered?)

Personal area network (anche in questo caso, in gran parte

clustered?)

Caratteristiche mobilità

Velocità

Predicibilità (direzione, pattern, …)

Uniformità o mancanza di uniformità nella mobilità dei differenti

nodi che cooperano


Routing in MANET:

Panoramica

Primo problema: ROUTING

Perché routing in MANET è particolarmente difficile?

A voi la risposta…

3 protocolli di routing, mostrati nel seguito

Dynamic Source Routing (DSR)

Ad hoc On-demand Distance Vector routing (AODV)

Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR)


Come Effettuare Routing

in Reti Ad Hoc?

Usualmente reti ad hoc coinvolgono nodi mobili

Eccezione più rilevante: reti wireless di sensori (Wireless Sensor Networks - WSN)

Quindi principalmente Mobile Ad hoc NETwork (MANET)

Molte proposte di protocollo in letteratura Alcune specificamente progettate e pensate per MANET

Altre adattate da protocolli esistenti, proposti in precedenza per reti wired

Nessun protocollo singolo è ottimale in tutti gli ambienti e gli scenari di deployment possibili Alcuni tentativi di sviluppare anche protocolli adattativi


Perché Routing Differente

in MANET?

Mobilità degli host

Operazioni di link failure/repair dovute a mobilità possono avere

caratteristiche differenti rispetto a problemi analoghi dovuti ad

altre cause

Frequenza (rate) di operazioni di link failure/repair

può essere alta in caso di elevata mobilità

Necessità di sfruttare nuovi criteri per valutazione

performance

Stabilità dei percorsi di routing in funzione della mobilità

Consumo di energia


Protocolli di Routing

Protocolli proattivi

Mantengono route valide independentemente dal

traffico

Generalmente, minore latenza e maggiore overhead

Soluzioni di routing tradizionali come link-state e distance-vector

sono proattive

Protocolli reattivi

Mantengono route valide solo se necessario (on-demand)

Protocolli geografici

Usano la locazione della destinazione per fare forwarding

Protocolli ibridi

Quale approccio migliore? Dipende da pattern traffico e

mobilità


Soluzione Banale:

Flooding

Vantaggi

Semplicità

Più efficiente quando frequenza di trasmissioni è molto bassa

(no necessità di discovery/mantenimento cammini validi)

Maggiore affidabilità potenziale (multiple path)

Adatto per pattern di elevata mobilità

Svantaggi

Potenzialmente altissimo overhead

Potenzialmente bassa affidabilità (utilizzo di broadcast, no reliable

broadcast a basso livello)

Alcuni protocolli usano flooding di pacchetti di controllo,

magari per routing discovery (overhead ammortizzato sulla

seguente sequenza di trasmissioni dati)


Dynamic Source Routing (DSR)

(Johnson&Maltz, CMU, 1996)

Source routing: sorgente cerca di stabilire e fa embedding

dell’intero path (da sorgente a destinazione) nel pacchetto

Come fa la sorgente a scoprire il path valido in DSR?

Quando un nodo S desidera inviare un pacchetto a un nodo D, ma

non conosce una route valida verso D, S comincia una operazione

di route discovery

S fa flooding di un pacchetto di Route Request (RREQ)

Ogni node aggiunge in append il suo identificatore quando

effettua il forwarding del pacchetto RREQ


Route Discovery in DSR (1)

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Rappresenta trasmissione di RREQ

Z

Y Trasmissione broadcast

M

N

L

[S]

[X,Y] Rappresenta lista di identificatori in append a RREQ


B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Z

Y

M

I nodi J e K fanno entrambi broadcast di RREQ verso nodo D Siccome i nodi J e K potrebbero essere hidden node l’uno dell’altro, le loro trasmissioni possono entrare in collisione

N

L

[S,C,G,K]

[S,E,F,J]



B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Z

Y

Nodo D non effettua forwarding di RREQ, perché si rende conto di essere la destinazione desiderata per l’operazione di route discovery

M

N

L

[S,E,F,J,M]



Route Reply in DSR

La destinazione D, una volta ricevuto il primo pacchetto

RREQ, invia un pacchetto di risposta Route Reply

(RREP)

RREP è inviato sul percorso inverso a quello contenuto

nel pacchetto RREQ ricevuto

RREP include info sul percorso da S a D, quello

utilizzato da RREQ per giungere a D


Route Reply in DSR:

Esempio

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Z

Y

M

N

L

RREP [S,E,F,J,D]

Rappresenta messaggio di controllo RREP


Come Efettuare

Data Routing in DSR?

Il nodo S, dopo aver ricevuto RREP, fa caching del

percorso incluso nel messaggio RREP

Quando il nodo S desidera inviare un pacchetto dati a D,

l’intero percorso di routing è incluso nell’header di

pacchetto (per questo si parla di source routing)

I nodi intermedi utilizzano il percorso source route

incluso nel pacchetto dati per determinare a chi il

pacchetto debba essere girato (forwarding)


Messaggi Dati in DSR

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Z

Y

M

N

L

DATA [S,E,F,J,D]

Dimensione dell’header di pacchetto cresce con la lunghezza del percorso


Caching dei Percorsi in DSR

Caching dei percorsi (route caching) è una ottimizzazione

Ogni nodo fa caching di nuovi percorsi che viene a

scoprire, in ogni modo possibile

Vantaggi

Accelera processo di route discovery

Riduce processo di propagazione di RREQ

Aiuta lo sfruttamento di path alternativi

Svantaggi

Cache non più valide (stale cache) possono influire

negativamente sulle performance

Come invalidare le cache distribuite?


Route Error (RERR)

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Z

Y

M

N

L

RERR [J-D]

J invia un pacchetto RERR a S lungo il percorso JFES quando suo tentativo di fare forwarding di un pacchetto dati da S a D fallisce, ad es. Per mobilità di nodi (attraverso il percorso SEFJD) Nodi in ascolto del pacchetto RERR aggiornano loro cache dei percorsi e rimuovono il link JD


DSR: Vantaggi e Svantaggi

Vantaggi Cammini mantenuti solo fra nodi che hanno bisogno di comunicare

(overhead ridotto)

Caching può ridurre overhead per routing discovery

Ogni discovery può portare a cammini multipli verso destinazione

a causa di nodi intermedi che rispondono a partire da cache locali

Svantaggi Crescita header pacchetti

Flooding di RREQ

Necessari meccanismi per evitare collisioni di RREQ fra vicini

Aumento contesa canale all’invio di RREP (problema di RREP

storm; overhearing e decisione locale basata su route più corta)

RREP che utilizzano stale cache (inquinando altre cache in

cascata) Timeout statico per cache, oppure

Timeout adattivo basato su mobilità attesa, statistiche utilizzo link,

probabilità rottura link


Ad hoc On-demand

Distance Vector (AODV)

(Perkins&Royer, Sun&UCSB, 1999)

DSR può portare anche a header di grandi dimensioni e

conseguente degrado delle performance

Particolarmente quando payload tipici sono piccoli

AODV cerca di migliorare l’efficienza rispetto a DSR

mantenendo tabelle di routing snelle e adatte sui

nodi MANET

Pacchetti dati non contengono percorsi

AODV mantiene la caratteristica positiva di DSR che i

percorsi vengono memorizzati solo sui nodi che

hanno necessità di comunicare (by need)


AODV: Idea Base

Richieste di route (RREQ) sono oggetto di forwarding

in modo simile a DSR

Quando un nodo effettua re-broadcasting di un

pacchetto RREQ, inizializza e avvia un path inverso

che punti al nodo sorgente

Quando destinazione desiderata riceve RREQ, risponde

con un pacchetto di Route Reply (RREP)

RREP viaggia lungo path inverso configurato

durante catena di forwarding di RREQ e configura

conseguentemente entry tabelle di routing dei soli

nodi attraversati


B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Rappresenta la trasmissione di RREQ

Z

Y Trasmissione broadcast

M

N

L

RREQ/Reverse Path Setup

in AODV (1)


B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Rappresenta i link per path inverso Backpointer memorizzati sui nodi sul path

Z

Y

M

N

L


in AODV (2)


B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Z

Y

D non effettua forwarding di RREQ, perché è esso stesso la destinazione di RREQ

M

N

L


in AODV (3)


Route Reply in AODV

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Z

Y

Rappresenta link sul path usato da RREP

M

N

L

Link in avanti (forward link) sono configurati quando RREP passa attraverso il path inverso


Trasmissione Dati in AODV

B

A

S E

F

H

J

D

C

G

I

K

Z

Y

M

N

L

Entry delle tabelle di routing locali sono usate per fare forwarding

di pacchetti dati

Diversamente da DSR, percorso non incluso in header

DATA


Esempi di Tabelle Routing

in AODV


Timeout

Ogni entry della tabella routing che contiene un path

inverso viene ripulita dopo un timeout

Perché? Se RREQ non riesce a raggiungere destinazione, o

RREP non ritorna indietro correttamente, entry occuperebbe

memoria locale in modo inutile

Timeout devono essere sufficientemente lunghi per

consentire a RREP di tornare indietro

Ogni entry della tabella routing che contiene un path

diretto (forward path) viene ripulita se non utilizzata per

un intervallo active_route_timeout (più lungo del precedente)

Perché? Il percorso può diventare non valido in tempi brevi in

reti ad alta mobilità


Reporting di Link non più Utilizzabili

Un nodo vicino è considerato attivo per una entry della

tabella di routing se uno dei suoi pacchetti è stato

girato usando quella entry nell’ultimo intervallo

active_route_timeout

Quando il link successivo incluso nella tabella di

routing fallisce, tutti i nodi vicini attivi sono informati

Un nodo genera RERR in seguito a broken path verso

destinazione D

Quando S riceve RERR, comincia un nuovo processo di route

discovery per D


In Aggiunta:

Link Failure Detection

Messaggi di Hello: nodi vicini si scambiano

periodicamente messaggi di hello (o alive message)

Mancanza di messaggi hello viene utilizzata come

indicazione di fallimento/guasto del link

In alternativa, mancata ricezione di una serie di ACK a

livello MAC può essere usata come indicazione di link

failure (cross-layer monitoring)


Come Limitare Flooding durante

Fase di Route Discovery?

Ottimizzazione: espansione graduale della ricerca, ad

anello

RREQ sono inviati inizialmente con piccolo TTL, al fine

di limitare la loro propagazione

Anche DSR può utilizzare (e lo fa in molte versioni) una

ottimizzazione simile

Se non viene ricevuto nessun RREP, allora si riprova

con TTL maggiore

Invio di un nuovo RREQ

Quindi stiamo cercando un tradeoff più

bilanciato fra che cosa?


Due schemi per data forwarding:

Greedy forwarding: inviare dati al nodo in prossimità presunto più vicino

alla destinazione (utilizzare solo info locazione nodi vicini per data

forwarding)

Se greedy forwarding fallisce, tentare con perimeter forwarding

Greedy Perimeter Stateless Routing

(GPSR; Karp&Kung, Harvard, 2000)

Routing geografico sfrutta informazioni di locazione

per semplificare il raggiungimento della destinazione

Assunzione 1: sorgente conosce la locazione della destinazione

Assunzione 2: nodi mantengono liste per nodi vicini e loro

locazioni

Necessario includere info locazione in messaggi

hello (beacon) scambiati periodicamente


Greedy Forwarding (1)

B

A

S E

F

H

J C

G

I

K

Z

Y

M

N

L

D

E è il nodo in prossimità di S più vicino a D (“vicino” in termini di distanza Euclidea)


Greedy Forwarding (2)

B

A

S E

F

H

J C

G

I

K

Z

Y

M

N

L

D

F è il nodo in prossimità di E più vicino a D J è il nodo in prossimità di F più vicino a D


Possibile Fallimento di

Greedy Forwarding

B

A

S E

C

D

Nell’ipotesi che E non sia nel raggio di copertura di D Nessun nodo in prossimità di E è più vicino a D rispetto a E Fallimento forwarding! Ma esisterebbe un cammino utile: [S, A, B, C, D]


Perimeter (Face) Forwarding

Riesce sempre a raggiungere destinazione se esiste

un cammino utile

Route attorno ai cosiddetti “buchi” (hole)

Ogni nodo calcola Relative Neighborhood Graph (RNG)

o Gabriel Graph (GG)

RNG è grafo non-diretto definito su un insieme di punti nel piano

Euclideo connettendo due punti A e B con un arco solo se non

esiste un terzo punto C più vicino a entrambi rispetto a quanto

non lo siano l’un l’altro (G. Toussaint, 1980)

Si attraversa RNG usando regola mano destra

Essenzialmente, visita dei nodi che definiscono un perimetro

attorno a un buco


Perimeter (Face) Forwarding

Durante l’attraversamento del grafo, se il pacchetto

incontra un nodo che è più vicino alla destinazione

rispetto al nodo in cui greedy forwarding era fallito,

si effettua di nuovo switch verso greedy

forwarding

Possono verificarsi cicli (loop) quando si usa

perimeter forwarding qualora destinazione non sia

raggiungibile

GPSR è in grado di accorgersene e di distruggere il

pacchetto interessato


Esempio

B

A

S E

C

D

Switch da greedy a perimeter forwarding

Switch da perimeter a greedy forwarding (nell’ipotesi che B sia più vicino a D rispetto a E)


Consumo di energia per trasmettere un pacchetto:

Costo costante per alimentare circuiteria

Proporzionale a dimensione pacchetto

Proporzionale quadrato distanza

Multihop routing può ridurre consumo di energia (energia

utilizzata è grossolanam. proporzionale a quadrato distanza) ma

introduce ritardi

Quale distanza per-hop?

Troppo corta => domina costo energetico per circuiteria accesa

Troppo lunga => domina costo trasmissione pacchetto; riduzione

riutilizzabilità banda nello spazio; overhead per scheduling perché

aumenta numero nodi a 1-hop-distance

Routing Multi-hop vs.

Consumo Energetico


Clustering (raggruppamento) per risparmio di risorse

Dividere la rete in cluster (gruppi) ciascuno dei quali contiene numeri

“paragonabili” di nodi

Clusterhead costituiscono backbone naturale anche per fare routing

Clustering ottimale è problema NP-completo

Molto importante: comunque mobilità tende a degradare ottimalità

clusterizzazione

Utilità specifica per reti di sensori: combinare “letture di

cluster” in unico pacchetto dati (data aggregation)

Parentesi su Clustering


LEACH

Decisione locale ai nodi se fare da cluster head o no (numero random

ed elezione completamente locale)

Ogni nodo non cluster fa overhearing e sceglie cluster head più vicino

Cluster head ruotati a turno per bilanciare consumo energetico

Comunicazione prima verso cluster head poi verso membri cluster

Nessuna assicurazione di ottimalità nel clustering

HEED

Energia residua per valutare elezione cluster head

Cluster head eletti dopo protocollo iterativo:

Nodo annuncia sua intenzione e costo come cluster head

Ogni non-cluster head sceglie suo candidato a costo minore

secondo formula probabilistica, eventualmente se stesso se non

coperto

Rapidissimamente:

Esempi di Clustering


Sotto alcune ipotesi semplificative, che possono

significativamente semplificare il modo di approcciare il problema

Ancora cross-layer o assunzioni statiche possibili su

determinati ambienti di deployment

Ad es. scenario di content sharing in competizioni sportive con grande

pubblico (stadio olimpico Torino 2006) e diffusione di foto/video riprese

dagli spettatori

fornire entertainment service, ad es. piccoli contenuti

multimediali, scoperti dinamicamente, a un largo pubblico di

utenti concentrati nello spazio e nel tempo

Mantenere disponibilità contenuti nonostante

ingresso/uscita di spettatori nella località desiderata

Altre Modalità di

Routing/Clustering più Originali?


Assunzioni

Dense MANET

Ampio numero di dispositivi co-locati in un’area

relativamente piccola

Densità nodi pressoché invariante lungo intervalli di tempo

relativamente lunghi

Replicazione e repliche read-only

Requisiti non funzionali

Basso overhead Protocolli leggeri e approssimati

Alta scalabilità Decentralizzazione completa

Accuratezza sufficiente Terminazione protocollo basata

su euristiche

Assunzione di MANET Densa

e Interazione con Livello Applicativo


Idea base: disseminare repliche di risorse di interesse

comune e mantenere grado replicazione desiderato indipendentemente da mobilità dei nodi (non predicibile) dentro/fuori

area densa

Delegati ospitano repliche, rispondono a richieste di retrieval,

partecipano alla disseminazione

Manager: responsabili per mantenimento del grado replicazione

appropriato

F B

A

M E

C

L

D

G

Np

Np

Np

H

(1)

(2)

(3) (3)

(4)

(3) (4)

Resource

Name

Replication

Degree

Probable

Replica

Placement

Alberto Tomba’s

Picture1 3 D, L, A

Shared Resource Table

D

Replication in Dense MANET

(REDMAN)


Approccio a Middleware:

Gestione a Livello Applicativo


B

A

G

B

A

I Np

Np

Np

Dense MANET se e solo se #Neighbor > Threshold

Protocollo decentralizzato e leggero in cui ogni nodo decide

autonomamente sua condizione appartenenza

Dinamicità: lazy update basati su messaggi hello

Problema Identificazione

Dense MANET


Elezione Manager Ruolo va assegnato a un nodo topologicamente centrale

Soluzione leggera, no placement ottimale (evitare ricerca esaustiva)

Strategia di esplorazione basata su euristiche

Dinamicità

Risposta reattiva: nuova determinaz. nodi più lontani ogniTr

Risposta proattiva: nuova elezione ogni Tp >> Tr

B

A C

B4

A5 C3

I

G

X

I6 Np

Np

Np

Problema Elezione Manager


Soluzione ottimale trovata se e solo se:

1. currentINvalue = worstExploredValue / 2

In alternativa, euristiche:

2. currentINvalue ≤ worstExploredValue * DesiredAccuracy

3. maxConsecutiveEqualSolutions sono state explorate senza

migliorare bestValue corrente

Ovviamente DesiredAccuracy e maxConsecutiveEquals determinano

(approssimativ.) la qualità della soluzione ottenuta in modo

quantitativo

Terminazione Processo Elezione


B

A

I

G

C

X

F D

E

G

H Np

Np

Np

0

0 0

Trep

1

1

1

1 A1

D1

B2

E2

P Q

I

N

M

L

O

Identificazione Nodi più Lontani


I

X

H Np

Np

Np

1 1

1

Trep

B2

A1 C

F D

E2

G Trep

D1

F2

P Q

I

N

M

L

O



G

F2

I

X

H Np

Np

Np

Trep

C

Trep

2

2

2

Trep

B2

A1

E2

D1

G3

C3

P Q

I

N

M

L

O



F2

I

P5

X

Q5

I4

N3

M4

L4

O5

H Np

Np

Np

B2

A1

E2

D1

H3

G3

C3

5 5

5 5

Trep

X6



F2

I

P5

X6

Q5

I4

N3

M4

L4

O5

H Np

Np

Np

B2

A1

E2

D1

H3

G3

C3

Trep

Trep

Trep

6

6 Trep



F2

I

P5

X6

Q5

I4

N3

M4

L4

O5

H Np

Np

Np

B2

A1

E2

D1

H3

G3

C3

Trep Trep

Farthest

Node

Forwarder

X A



D

Rilassa il vincolo di anytime perfect consistency per il numero di

repliche disponibili

A

L

M

S Np

Np

Np

Resource

Name

Replication

Degree

Probable

Replica

Placement

AlbertoTomba

Picture1 3 D, L, A


L, A, S

Numero Repliche:

Consistenza Approssimata


D

A

L

M Np

Np

Np

Resource

Name

Replication

Degree

Probable

Replica

Placement

AlbertoTomba

Picture1 3 D, L, A


D

Numero Repliche:



D

A

L

M Np

Np

Np

Resource

Name

Replication

Degree

Probable

Replica

Placement

AlbertoTomba

Pic1 3 D, L, A


Numero Repliche:



Diverse possibili strategie:

Random distribution

Spatially uniform distribution,

…

REDMAN: distribuzione lungo

“linee diritte” (approssim.)

No positioning equipment

Linee diritte: vicini con

numero più piccolo di vicini

condivisi con predecessori

Strategie per

Disseminazione Repliche


Diverse strategie possibili per replica retrieval:

• Query flooding (QF)

• Flooding di Informazioni su Replica Placement (IRP)

• k-hop Distance IRP Dissemination (k-DID)

REDMAN utilizza Straight IRP Dissemination (SID)

Strategie per Ritrovamento Repliche


IRP distribuiti lungo le

stesse linee diritte

approssimate usate per

disseminazione di

repliche

Retrieval lungo linee

diritte (non parallele alle

linee usate per

disseminazione)

Dualità fra

distribuzione repliche

e loro ritrovamento

Strategie per Ritrovamento Repliche

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