Referências. Roteamento em Redes Ad Hoc (MANETS) Redes Ad hoc: Principais Características. Roteiro

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1 Referências Roteamento em Redes Ad Hoc (MANETS) J. Schiller, seção 9.3 Johnson, Malz: Dynamic Source Routing in ad hoc wireless networks, Mobile Computing, (Ed. Imielinski/Koth), Kluwer, Perkins, Bhagwat, Highly dynamic Destination- Sequenced Distance Vector Routing for mobile computers, Proc. SIGCOMM, Principais Características Aplicações Principais Desafios Roteamento Principais Problemas Roteiro Redes Ad hoc: Principais Características Qualquer nó pode fazer o papel de cliente, servidor, ou intermediário (p.ex. roteador) para os demais nós Cada nó possivelmente tem conectividade com mais de um nó O serviço anunciado/prestado por um nó no instante T pode não estar disponível em T+δ Recurso energia é um aspecto central! Segurança é um problema intrínseco!

2 Uma rede Ad-Hoc simples Aplicações Formação instantânea e espontânea de uma rede, sem necessidade de administração & configuração. Por exemplo: Para conferências, reuniões, aulas compartilhamento de anotações, chat, whiteboard, compartilhamento de arquivos, P2P, etc Para serviços de emergência, busca & resgate localização, coordenação de equipes, difusão da informação sobre estado da ação, messaging Para veículos carros poderiam formar uma rede ad hoc enquanto estão em movimento D. Johnson and D. Maltz Problema: A só consegue se communicar com C através de B Nós podem ora participar de uma rede ad hoc, ora se conectar em uma rede infra-estruturada. Exemplo de Aplicações Acesso a recursos, dados e serviços por dispositivos móveis. Exemplos: controle de apresentação PPT a partir de PDA Notebook sem fio envia arquivo para uma impressora próxima Coordenação de tarefas entre robôs sem fio Aplicações dependentes da localização. Exemplos: Disseminação de mapas Rastreamento de objetos e/ou pessoas Computação de dados coletados em redes de sensores Colaboração espontânea Exemplo: Troca P2P de dados entre usuários com dispostivos sem fio Principais desafios Roteamento ciente da energia (power-aware) Roteamento baseado na posição (Location-Aided Routing) Controle de acesso ao meio compartilhado Multicast Suporte para QoS Gerenciamento de grupos de dispositivos Segurança Descoberta de serviços/recursos e auto-configuração

3 Roteamento: Principal Problema Diferença com relação ao roteamento em redes estáticas Prefix Routing do IP associação entre endereço IP e localização na rede roteadores encaminham datagrama de acordo com a identificação do prefixo mais longo Protocolos de roteamento criam e mantém informação sobre rotas, que variam pouco... mas em MANETS rotas se tornam rapidamente obsoletas Problemas de algoritmos tradicionais Topologia dinâmica Mudanças frequentes na alcançabilidade dos nós variações na qualidade dos enlaces Nós com diferentes capacidades (energia, velocidade, etc.) Limitação de recursos em redes móveis Atualizações periódicas em tabelas de roteamento demandam energia e não contribuem diretamente para uma transmissão mais eficiente A largura de banda limitada é reduzida ainda mais devido à necessidade de troca de informações de roteamento Enlaces podem ser assimétricos (N1 pode mandar, mas não receber dados de N2) Principal Problema Protocolos de roteamento foram projetados para redes cabeadas, onde mudanças são pouco frequentes e enlaces são simétricos N 1 Exemplo de Roteamento N N 1 2 N 3 N N 2 3 Classificação de Protocolos de Roteamento Em MANETs, o roteamento precisa ser dinâmico e descentralizado, mas pode ser: N 4 N 5 time = t good link 1 time = t 2 weak link Seja uma comunicação Request-Reply entre N1 e N3, e assuma que todos os nós tenham conhecimento da conectividade global da rede. Em t1: Request poderia ser encaminhado via N2 e Reply via N5;N4 Em t2: Request pode ser encaminhado via N2, mas Reply não pode ser encaminhado para N1 N 4 N 5 Pró-ativo (Table-driven) x Reativo (On demand) Single-path x Multiple-path Plano x Hierarquico Source-routing x Router-inteligente Intra-domínio x Inter-domínio Usando (ou não) informações de localização (p.ex. GPS)

4 Taxonomia de Protocolos de Roteamento Métodos baseados em Tabela (Table driven) Table Driven DSDV WRP Destination Sequence Wireless Routing Distance Vector Protocol CGSR Clusterhead Gateway Switch Routing Ad-Hoc Routing Protocols Source-Initiated On-Demand Driven AODC DSR LMR Ad-Hoc On-Demand Dynamic Source Lightweight Distance Vector Routing Mobile Routing TORA Temporally-Ordered Routing Algorithm ABR Associativity Based Routing SSR Signal Stability Routing Tentativa de manter informação de roteamento (de qualquer nó para qualquer outro nó) consistente e atualizada Ideal para tráfego independente de conexões onde pode ocorrer tráfego de qualquer nó a qualquer momento. Objetivo: reagir à mudanças na rede, propagando as atualizações pela rede, a fim de obter uma visão consistente das distâncias/custos de roteamento na rede. Algoritmos Table Driven: uma Taxonomia DSDV Destination Sequence Distance Vector CGSR Clusterhead Gateway Switch Routing Table Driven WRP Wireless Routing Protocol DSDV é uma extensão do Distance Vector Routing (para redes cabeadas) Distance Vector Routing - Revisão Também chamado de Algoritmo Bellman-Ford ou Ford- Fulkerson Cada roteador é responsável por manter e informar seus vizinhos sobre a distancia para cada possível destino (subdomínios) Cada roteador calcula a sua distância a um destino a partir da distância (ao destino) obtida de cada vizinho, e escolhe a menor distância Cada roteador tem uma ID e conhece o custo de cada enlace para os seus vizinhos Troca de informacão através do RIP (UDP) Na inicializacão, roteador R1 envia RouteRequest para cada uma de suas interfaces Como resposta a esta requisicão, outro roteador, R2, manda RoutingAdvertisement toda a informacão que tem, incrementando em 1 o número de hops Ao receber a resposta, roteador atualiza a sua tabela de roteamento

5 DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) Principais diferenças: Usa números de sequencia para todas as atualizações de rota Garante a execução das atualizações em ordem correta evita loops e inconsistências Diminui a frequência de atualizações (a fim manter informação estável, mesmo com variações de conectividade de curta duração) Armazena o tempo entre o primeiro anúncio de uma rota e o anúncio da melhor rota Inibe atualizações que parecem ser instáveis (comparação dos valores de instante de tempo armazenadas) DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing É uma adaptação do Routing Information Protocol (RIP) para redes ad hoc Cada nó mantém uma tabela de roteamento com o registro de todos os possíveis destinos e o número de hops para cada um destes destinos Além disso, cada entrada na tabela contém um número de sequência, que é usado para distinguir rotas antigas de rotas novas. t DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing Periodicamente, os nós enviam Routing Advertisements (com suas tabelas de roteamento) para todos os seus vizinhos, aos poucos difundindo assim na rede as mudanças de conectividade. Advertisements podem ser de 2 tipos: full dump : envio de toda a tabela de roteamento -> gera muito tráfego, pois a tabela geralmente é maior do que a unidade de dados de protocolo (PDU) Incremental: atualizações contém apenas as mudanças desde o último full dump Cada roteador espera um certo tempo antes de atualizar as entradas antigas por entradas mais recentes (a fim de confirmar se a mudança de topologia realmente ocorreu) DSDV Uma difusão Nova Rota contém: Endereço do destino (um nó, e não um domínio) Número de hops para alcançar o destino Um número de sequência desta informação (sobre o destino) Exemplo: para um novo nó descoberto N, este valor será 1 Um número de sequência da difusão Exemplo: nó roteador pode anunciar alcançabilidade de N na difusão K Usa-se sempre a rota marcada com o número de sequência (da difusão) mais recente Se dois eventos tem o mesmo número de sequência, usa-se a rota com a menor métrica (== menor rota) Os nós também mantém o tempo médio que demora até que a informação sobre a melhor rota (para cada destino) chega

6 Exemplo Suponha que as mensagens NovaRota tenham seguinte formato: (SeqNr, Destino; #hops) 1:N:2 N;2 N:1 1:N:2 1:N:1 # da difusão garante FIFO 2:N:1 1:N:1 Achei N Novo T= t Achei N Novo T= t+δ Clusterhead Gateway Switch Routing (CGSR) A rede é dividida em clusters, onde cada cluster tem um nó especial, o cluster-head (que contém a tabela de roteamento para outros clusters) Nós encaminham pacotes para o cluster-head de seu cluster Cada cluster-head encaminha para outros cluster-head através de nós gateways Em algum momento, o cluster-head encaminha para o nó destino Exemplo: Bluetooth Gateway Cluster Head Algoritmos iniciados na fonte (Source initiated) Uma rota somente é criada quando o nó fonte precisa: Quando um nó precisa de uma rota, inicia o processo de descoberta de rota. Este processo termina quando a rota é descoberta, ou quando todas os possíveis caminhos tiveram sido analisados. Uma vez que a rota é criada, esta é mantida por um protocolo de manutenção Não há necessidade de atualizações periódicas! É adequado para redes com demanda de comunicação seletiva (apenas entre alguns pares de nós) e mais ou menos estável A taxonomia de Algoritmos iniciados na fonte AODC Ad-Hoc On-Demand Distance Vector DSR Dynamic Source Routing Source-Initiated On-Demand Driven LMR Lightweight Mobile Routing TORA Temporally-Ordered Routing Algorithm ABR Associativity Based Routing SSR Signal Stability Routing

7 Princípios Gerais Descoberta de Rotas Difunde um Route Request (RREQ) com endereço destino e identificação única ID Quando um nó recebe este broadcast: Se o nó é o destinatário então envia ao remetente uma resposta RREP (contendo a rota registrada em RREQ) Se RREQ já foi recebido anteriormente (detecção através do ID) então simplesmente descarta o pacote Senão, adiciona o próprio endereço na lista de hops (no pacote) e também difunde RREQ O Remetente em algum momento recebe RREP contendo a rota descoberta Otimizações Se o diâmetro da rede é conhecida, pode-se limitar o número de difusões (TTL) Cada nó coloca em sem cache a lista de endereços de pacotes que passam pelo nó Usa-se a informação no cache para a descoberta de caminhos (caminhos próprios, ou para outros nós) Princípios Gerais Manutenção de rotas Ao enviar um pacote RREQ ou RREP o nó pode: Esperar por um Ack da camada de enlace (quando disponível) Escutar o meio para detectar se outros nós estão reencaminhando este pacote Solicitar explicitamente um Ack Se o nó detectar problemas, pode: informar o nó de quem recebeu o pacote, e/ou tentar descobrir outra rota ack ack RREQ RREQ RREQ Exemplo de Descoberta de Rota de N1 para N3 Ad-Hoc On Demand Distance Vector (AODV) N 1 N 4 N 2 N 5 N 3 N1: broadcast ((N1),ID,N3), recebida por N2 e N4 N2: broadcast ((N1,N2), ID, N3), recebida por N1, N3 e N5 N4: broadcast ((N1,N4), ID, N3), recebida por N1, N2, N5, que descartam o pacote N5: broadcast ((N1,N2,N5), ID, N3), recebido por N3 e N4 N3: reconhece que é o destinatário e escolhe o caminho (N1,N2) por ser mais curto N3: envia a resposta para N1 informando a rota (N1,N2,N3) Baseado em DSDV, mas cria rotas sob demanda Nó que deseja enviar um pacote para nó D (e desconhece qualquer rota para D), inicia o processo de descoberta Faz difusão/ flooding de um Route Request (RREQ) Em algum momento, ou o próprio D, ou um nó intermediário com uma rota suficientemente recente em seu cache é alcançado por RREQ, e envia um RREP Cada nó mantém um número de sequência, e um broadcast ID O Broadcast ID é incrementado para cada RREQ A combinação: ID do nó requisitante + broadcast ID identifica unicamente um RREQ

8 AODV O RREQ contém o mais recente número de sequencia para o destino Nós intermediários só respondem se eles possuem uma informação de rota mais recente. Isto evita que a resposta contenha uma informação desatualizada Quando RREQ chega ao destinatário (ou intermediário), um pacote Route Reply (RREP) é enviado de volta pelo caminho inverso ao seguido por RREQ Todos nos nós neste caminho registram rotas para D Assume que enlaces são simétricos! Mobilidade no AODV Quando um nó fonte se move, pode iniciar a descoberta de uma nova rota Se um nó intermediário ao longo de uma rota se move, o seu vizinho anterior (no caminho) percebe isto e propaga uma mensagem link failure notification para cada um de seus vizinhos anteriores, Esta propagação prossegue até atingir o nó fonte Nós periodicamente difundem mensagens Hello para monitorar conectividade local com os vizinhos DSR: Dynamic Source Routing Algoritmos iniciados na fonte Manutenção de rotas feito através de Pacotes de Erro de Rota Estes pacotes são gerados por um nó quando a camada de enlace detecta uma erro de transmissão (fatal transmission) São usadas para remover uma rota do cache Manutenção de Rota: ativa: uso de um MAC-level ACK (como em ), ou de ACKs da camada de transporte ou aplicação passiva: uso de modo de recepção promíscuo para monitorar o reencaminhamento (p.exemplo: A escuta B enviando para C) Quando um problema com um enlace é detectado, uma rota alternativa deve ser descoberta Otimizações: uso do modo promíscuo para monitorar todas as rotas sendo usadas e, caso ache uma melhor, faz a substituição em seu cache Problema: no modo promíscuo há um maior consumo de energia Resumo: Roteamento iniciado na fonte usa a largura de banda de forma mais eficiente Tem problemas quando: a topologia é altamente dinâmica os enlaces não são bi-direcionais Funciona bem somente se demanda pouco frequente por comunicação e a para redes pequenas

9 Métricas Alternativas O número de hops é somente uma das possíveis métricas para determinar a rota Geralmente, é aconselhável levar em conta também a qualidade dos enlaces Poderia-se usar um critério que tentasse minimizar o # de hops e maximizar a qualidade média dos enlaces O fato é que em redes sem fio, a qualidade do enlace é fortemente determinada pela possibilidade de interferência portanto, o quanto menor for o número de vizinhos diretos, melhor A métrica de menor interferência é usada no algoritmo Least Interference Routing (LIR) S 1 S 2 C3 Interferência vizinhos N 7 LIR: um Exemplo N 1 N 5 N 3 C2 N 8 C1 N 6 N2 N4 N 9 R 2 R 1 Custo de cada nó = número de seus vizinhos Custo da rota = Σ custo dos nós C1 = custo(s1,n3, N4, R1) = 16 C2 = custo(s1, N3, N2, R1) = 15 C3 = custo(s1,n1,n2, R1) = 12 Exemplos de Algoritmos que levam em conta interferência Least Interference Routing (LIR) Custo de um nó= # de vizinhos que podem receber o pacote Custo do caminho = soma do custo de seus nós Implementação simples: basta descobrir/manter atualizado o número de vizinhos Max-Min Residual Capacity Routing (MMRCR) Custo do caminho baseado em uma função da probabilidade de uma transmissão bem-sucedida e interferência Least Resistance Routing (LRR) Custo do caminho baseado em estimativa de interferência, sobrecarga de nós (gargalos) e outras transmissões Alguns Outros Protocolos de Roteamento Pro-ativos FSLS Fuzzy Sighted Link State FSR Fisheye State Routing OLSR Optimised Link State Routing Protocol TBRPF Topology Broadcast Based on Reverse Path Forwarding Reativos AODV Ad hoc On demand Distance Vector DSR Dynamic Source Routing Estrutura Hierarquica CGSR Clusterhead-Gateway Switch Routing HSR Hierarchical State Routing LANMAR Landmark Ad Hoc Routing ZRP Zone Routing Protocol Com auxílio de informação de localização DREAM Distance Routing Effect Algorithm for Mobility GeoCast Geographic Addressing and Routing GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing LAR Location-Aided Routing