Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE PROTOKOLLE UND DIENSTE DER MOBILKOMMUNIKATION

1. Eigenschaften & Aufbau

AD-HOC-NETZ VS. INFRASTRUKTURNETZ I Ad-hoc-Netz

Drahtloses Infrastrukturnetz

?

Ad-hocNetz B

Ad-hoc-Netz A

Internet KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

Sommersemester 2016

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1

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

1. Eigenschaften & Aufbau

AD-HOC-NETZ VS. INFRASTRUKTURNETZ II Ad-hoc-Netz

Drahtloses Infrastrukturnetz

 Drahtlose Kommunikation zwischen den mobilen

 Drahtlose Kommunikation immer zwischen mobilem

 Dynamische Netztopologie

 Basisstationen miteinander über Festnetz vernetzt

Knoten direkt

Endgerät und Basisstation / Access Point  Verbindung mehrerer Zellen zu einem logischen Netz

 Keine vorausgehende Planung nötig / möglich  Hohe Flexibilität

 Komplexe Endsysteme, die alle Funktionen selbst

erbringen müssen

 Dezentrale Verwaltung  Selbstorganisation

 Vorausgehende Planung notwendig

 Infrastruktur für weiteres Diensteangebot und

Dienstgütegarantien  Komplexe Basisstationen, aber einfache Endgeräte  Zentralisierte Verwaltung

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

95

Sommersemester 2016

96

2. Einsatzgebiete

KATASTROPHENSZENARIO  Infrastruktur durch Katastrophe zerstört  Kommunikation nicht mehr möglich, aber äußerst wichtig: 

Abstimmung der Einsatzkräfte



Lokalisierung von Katastrophenopfern

 Automatisches Bilden von Ad-hoc-Netzen 

Nur lokale Abdeckung möglich



Unter Umständen Zerfall in mehrere nicht verbundene Ad-hoc-Netze

? ? ?

Internet

 Endsysteme müssen darauf vorbereitet sein

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

2

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Sommersemester 2016

2. Einsatzgebiete

INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS (ITS)  Kommunikation zwischen Verkehrsteilnehmern: Car2Car (Vehicular Ad-hoc Networks VANETs) Car2Infrastructure („Road Side Units“)  Car2Pedestrian  …  

RSU

 Anwendungsgebiete: Sicherheit (Unfallvermeidung, Gefahrenwarnung, …) Verkehrssteuerung (adaptive Geschwindigkeitsbegrenzung, smarte Ampelschaltung, …)  Informationsverteilung (freie Parkplätze, aktuelle Sonderangebote, …) 



 Herausforderungen: Hohe Mobilität Sehr viele Teilnehmer  Heterogenität  

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

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2. Einsatzgebiete

INTERNET OF THINGS (IOT)  Alle Geräte haben die Möglichkeit zu kommunizieren  Herausforderungen: 

Heterogene Endgeräte



Viele Teilnehmer



Diensterkennung

 Anwendungsgebiete: 

Industrie 4.0



Smart Home



Activity Tracker (  ANT+, …)

Internet

 Problem: Sicherheit KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

Sommersemester 2016

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3

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

2. Einsatzgebiete

DEVICE-2-DEVICE KOMMUNIKATION FÜR 4G / 5G  Ergänzung des Infrastrukturmodus um direkte

Kommunikation zwischen Endgeräten 

Kürzere Kommunikationswege



Weniger Energieverbrauch



Entlastung der Infrastruktur



Höhere Netzstabilität

Zellbasierte Kommunikation über Infrastruktur

 Anwendungsfälle: 

„Proximity Services“ für soziale Netze



Werbung für Passanten



Öffentliche Sicherheit

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

99

3. Technologien

IEEE 802.15.1 / BLUETOOTH

 Industriestandard der Bluetooth Special Interest

Group auf Basis von IEEE 802.15.1

Slave 2

Slave 3

 Kurzdistanz-Funkübertragung auf lizenzfreiem

ISM-Band bei 2,4 GHz

Master

 Piconetz: ein Master und bis zu sieben Slaves  Aktueller Standard: Bluetooth 4.2 und

Bluetooth Low Energy (BLE)

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

Slave 1

Slave 4 Piconetz

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4

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3. Technologien

WI-FI / IEEE 802.11

 Funkschnittstelle basierend auf IEEE 802.11

für Infrastruktur- und Ad-hoc-Netze

 Funkübertragung auf ISM-Band (2,4 GHz, 5 GHz)  Übertragungsraten von ursprünglich

2 Mbit/s bis 6,9 Gbit/s

 Weiterentwicklungen im Ad-hoc-Bereich: 

IEEE 802.11p für Intelligent Transport Systems im Frequenzband von 5,85 bis 5,925 GHz



IEEE 802.11s für Mesh-Netze

Independent Basic Service Set

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

101

3. Technologien

ZIGBEE / IEEE 802.15.4

 Industriestandard für drahtlose Sensornetze

nach dem IEEE-Standard 802.15.4  Geräte mit verschiedenen Fähigkeiten

Endgerät (Sensor)

(Endgerät, Router, Koordinator)

Router

 Drahtlose Kommunikation mit möglichst

geringer Leistungsaufnahme  Verwendete ISM-Frequenzen 868/915 MHz

und 2,4 GHz KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

Endgerät (Sensor)

Koordinator

Router

Endgerät (Sensor)

Endgerät (Sensor) Cluster Tree

Sommersemester 2016

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5

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

4. HERAUSFORDERUNGEN  Funkkommunikation

 Selbstorganisation

 Geteiltes physikalisches Medium

 Hidden Terminal / ExposedTerminal  Nachbarerkennung

 Adressvergabe  Diensteverfügbarkeit  Topologie-Erkennung bei mobilen Knoten

 Ressourceneffizienz

 Wegewahl

 Zuverlässigkeit  Sicherheit  Quality of Service (QoS)  Heterogenität

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

103

4. Herausforderungen – Funkkommunikation

HIDDEN-TERMINAL-PROBLEM

 A möchte zu B senden

 C sendet bereits auf dem selben Kanal zu B Mobiles Terminal A

Mobiles Terminal B

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

Mobiles Terminal C

 Kollisionen treten in B auf  A und C können Kollisionen nicht detektieren

Sommersemester 2016

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6

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

4. Herausforderungen – Funkkommunikation

EXPOSED-TERMINAL-PROBLEM

 B sendet zu A  C möchte zu D senden

 C kann den von B verwendeten Kanal nicht Mobiles Terminal A

Mobiles Mobiles Terminal B Terminal C

nutzen

Mobiles Terminal D

 freie Kapazitäten bleiben ungenutzt

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

105

4. Herausforderungen – Funkkommunikation

NACHBAR- UND TOPOLOGIEERKENNUNG  ME4 ist neu in der Umgebung und sendet Hello-

Nachricht

ME2 ME1

ME3

 Nachbarn antworten z. B. mit eigener Hello-

Nachricht (unter Angabe der eigenen Nachbarn)

 Identifikation des Ad-hoc-Netzes notwendig ME6 ME4 ME5

Request for Comments 6130 KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

 Knoten verwalten lokale „Neighbor

Information Base“

 Hello-Nachrichten müssen periodisch gesendet

werden  Entdeckung von Änderungen  Gefahr von Kollisionen

Sommersemester 2016

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7

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

4. Herausforderungen – Funkkommunikation

RESSOURCENEFFIZIENZ  Periodische Funkkommunikation notwendig  Nachbarschaftserkennung  Topologieerkennung

 Limitierte Ressourcen  Bandbreite der Funkkanäle  Batterielaufzeit

 Optimierung notwendig  Schlafperioden  Zwischenspeichern von Paketen, deren Empfänger gerade nicht erreichbar sind  Periodizitätsintervalle KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

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5. AD-HOC-ROUTING

Erfüllung aller Anforderungen =

+

+ +

+

= eierlegende Wollmilchsau

Widerspruch: Funktionalität-Last-Energieeffizienz verschiedene Protokolle für unterschiedliche Wegewahlkriterien:   

  KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze



Lastverteilung Minimale Zahl der Hops QoS-Parameter (Bitrate, Laufzeit, ...) Sicherheit Gebühren …

Sommersemester 2016

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8

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

5. AD-HOC-ROUTING  Herausforderungen  Sich ständig ändernde Topologie  Ressourceneffizienz  Zusätzliche Belastung durch Austausch von Routinginformationen  Zuverlässigkeit der Paketzustellung  Berücksichtigung der Anforderungen der Anwendungen

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

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5. AD-HOC-ROUTING Routingprotokolle in Ad-hoc-Netzen Beispiele

Reaktiv Proaktiv

AODV DSR OLSR DSDV

Hybrid

ZRP

Positionsabhängig

GPSR

Mehrwege-Routing

AOMDV

Hierarchisch

HSR

Multicast

DCMP

Geocast

DGR

Energiebewusst

DEAR

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

Nach Boukerche et al., 2011 Sommersemester 2016

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9

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

5.1 PROAKTIVES ROUTING  Proaktiver Austausch von Routinginformationen, auch wenn kein Sendewunsch vorliegt  Periodischer Austausch immer, ohne dass sich eine offensichtliche Änderung ergeben hat  Ereignisgesteuerter Austausch, wenn sich die Topologie geändert hat  Vorteile 

Immer aktuelle Wegewahltabelle vorhanden



Keine initiale Verzögerung, wenn ein Paket geschickt werden soll

 Nachteile 

Hohe Belastung des Netzes, insbesondere bei hochmobilen Knoten



Routinginformationen werden immer ausgetauscht, auch wenn sie nicht benötigt werden

 Beispiel 

Optimized Link State Routing (OLSR)

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

111

5.1 Proaktives Routing

OPTIMIZED LINK STATE ROUTING  Zwei Nachrichtentypen für Topologieerkennung 

HELLO-Nachricht: Erkennung von Nachbarknoten, die 1 oder 2 Hops entfernt sind



Topology Control TC-Nachricht: Verteilung der Routinginformation im ganzen Netz

ME2

ME1

ME3

 Bestimmung von Multipoint Relays für jeden

Knoten K 

K erreicht über die Multipoint Relays alle 2 Hop entfernten Nachbarknoten



Multipoint Relays für die Verteilung von BroadcastNachrichten und der TC-Nachrichten

ME6 ME4

ME5 KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

Multipoint Relay für ME5 Sommersemester 2016

112

10

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

5.2 REAKTIVES ROUTING  Austausch von Routinginformationen nur dann, wenn ein Sendewunsch vorliegt  Information wird dann ebenfalls in einer Tabelle gehalten  Vorteile 

Kein unnötiger Austausch von Routinginformation



Hohe Mobilität der Knoten ohne Auswirkung, wenn kein Sendewunsch vorliegt



Findet kürzesten Weg

 Nachteile 

Anfängliche Verzögerung, bis der Weg zum Ziel gefunden wird



Gespeicherte Pfade könnten veraltet sein

 Beispiel 

Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV)

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

113

Sommersemester 2016

5.2 Reaktives Routing

AD HOC ON-DEMAND DISTANCE VECTOR (AODV) ROUTING  Drei wesentliche Nachrichtentypen für

Routenfindung   

Ziel

Route Request RREQ-Nachricht: Broadcast-Anfrage nach einer Route zur angegebenen Adresse

ME2

Route Reply RREP-Nachricht: Unicast-Antwort zur Übermittlung einer Route an den Anfragenden Route Error RERR-Nachricht: Fehlernachricht mit den nicht mehr erreichbaren Nachbarn

ME1

RREQ RREP

Auch Zwischenknoten können RREQ-Nachricht beantworten, wenn der Routingeintrag noch aktuell ist (Sequenznummer)

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

ME3

RREQ

RREQ

 Route wird in Routingtabelle gespeichert 

RREQ RREP

RREQ RREP

RREQ

RREQ

RREQ

ME6

ME4

Sender

ME5 Sommersemester 2016

114

11

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

5.3 HYBRIDES ROUTING  Verwendung mehrerer Routingprotokolle in unterschiedlichen Bereichen  Idee: Beste Ausnutzung der einzelnen Vorteile und Minderung der Nachteile („Best of both worlds“)

 Vorteile 

Optimierung des Routingaufwands bei gleichzeitiger Bereitstellung aktueller Pfadinformationen



Berücksichtigung der Nachbarschaft der Knoten

 Nachteile 

Gleichzeitige Verwendung mehrerer Routingprotokolle  Komplexität der Knoten

 Beispiel 

Zone Routing Protocol (ZRP)

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

115

5.3 Hybrides Routing

ZONE ROUTING PROTOCOL  Routing Zone: Alle Knoten, die bis zu einer

gegebenen Anzahl von Hops („Zone Radius“) vom Sender entfernt sind.

Ziel

Routing Zone

 Intra-Zone Routing Protocol: Proaktives

ME2

Routingprotokoll für die Routing Zone

ME1

 Neighbor Discovery Protocol: Erkennen von

ME3

Nachbarn durch periodische „Hello“Nachrichten  Interzone Routing Protocol: Reaktives

Routingprotokoll für Knoten außerhalb der Routing Zone – „Bordercasting“

ME6 ME4

Sender KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

ME5 Sommersemester 2016

116

12

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Sommersemester 2016

5.4 GEOGRAPHISCHES ROUTING  Knoten kennen ihre Position (z. B. mittels GPS)  Schätzung der erwarteten Region des Empfängers, wobei dessen Bewegung berücksichtigt werden muss  Pakete enthalten neben der Empfängeradresse zusätzlich die erwartete Region  Pakete werden nur an Nachbarn weitergeleitet, die näher am Empfänger sind  Ist der Knoten nicht mehr in der geschätzten Region, muss diese sukzessive vergrößert werden  Beispiel: Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR)  Weitere Verfahrensweise: Geocast 

Pakete werden an alle Knoten in einer gegebenen Region ausgeliefert

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

117

5.4 Geographisches Routing

GREEDY PERIMETER STATELESS ROUTING (GPSR)

Ziel

 Zieladresse sind die Koordinaten der

Knotenposition

Distanz 1 = 113m ME2

 Positionsbekanntgabe der Knoten erfolgt

durch Beaconing

ME1

ME3

 Der Nachbarknoten, der am dichtesten zum

Ziel ist, bekommt das Paket  Bei „Sackgasse“ erfolgt die Weiterleitung nach

„rechter Hand“-Regel

ME6 ME4

Sender KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

ME5 Sommersemester 2016

118

13

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

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6. Dienstgüteunterstützung

AD-HOC-NETZE UND QOS  Quality of Service (QoS)  „… ist die Garantie für den Teilnehmer über eine gewisse Netzqualität“

 QoS-Parameter:  Bitrate (konstant, variabel, maximal usw.)  Verzögerung,Verzögerungsschwankung  max. Bitfehlerrate  Transportkosten  …

 Problem: Aufrechterhaltung einer Dienstgüte bei sich ständig ändernder Netztopologie! KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

119

Sommersemester 2016

120

6. Dienstgüteunterstützung

QOS UND ECHTZEITANWENDUNGEN  QoS ist die Voraussetzung für Echtzeitanwendungen 

Video-Streaming



Audio



Prozesssteuerung (Industrie 4.0)



…

 QoS wird in den Anwendungen gefordert und muss im Netz bereit gestellt werden 

Ressourcenreservierung notwendig

 Ablauf: 

Route mit genügend Ressourcen finden



Reservierung der Ressourcen



Aufrechterhaltung und Kontrolle der QoS

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

14

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Sommersemester 2016

6. Dienstgüteunterstützung

PROBLEME MIT QOS IN AD-HOC-NETZEN  beschränkte Reichweite und Energie (Batterieproblem)  begrenzte Verfügbarkeit von Kanälen bzw. Bitrate (geteiltes Medium)  Störungen der Funkstrecken unberechenbar  vertikaler und horizontaler Handover

Knoten kann QoS-Parameter nicht erfüllen

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

121

6. Dienstgüteunterstützung

QOS UND HANDOVER  Voraussetzungen für einen erfolgreichen Handover: 

Genügend schnelle Topologie-Updates



Alternative(r) Nachbarknoten



Ausreichende Ressourcen

 Aufrechterhaltung der QoS durch Redundanz

Parallele Routen

gleichzeitige Nutzung

eingerichtet und reserviert

nur ausgewählt

QoS-Parameter unmöglich: Übertragung mit „best effort” oder Kommunikationsabbruch KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

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Sommersemester 2016

122

15

Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

7. KOPPLUNG VON AD-HOC NETZEN  Ad-hoc-Netze haben begrenzte Reichweite  Mehrere kleine Ad-hoc-Netze existieren parallel  Keine Kommunikation zwischen Ad-hoc-Netzen

möglich  Idee: 

Ad-hocNetz B

Physischer Datentransport durch mobiles Gerät (Store, Carry & Forward, Nachrichtenvermittlung) 

Spezielle Datenfähren „Ferries“  gesteuerte Mobilität



Jedes sich bewegende Gerät



„Delay Tolerant Network“ (DTN)



Spezielle Routingverfahren notwendig

Ad-hoc-Netz A

KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Sommersemester 2016

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7. Kopplung von Ad-hoc-Netzen

KURZER ÜBERBLICK ÜBER DTN-ROUTING  Komplettes Wissen über die Knoten  Bewegung der Knoten bekannt  Weiterleitungsentscheidung optimal (aber nicht praxisrelevant…)

 Bewegung der Knoten unbekannt  Fluten  Epidemic Routing: Weiterleiten der Pakete an alle Knoten, zu denen ein Kontakt aufgebaut werden kann  Begrenzung der Paketkopien durch „Spray and Wait“

 Probabilistisches Routing  Abschätzen der Wahrscheinlichkeit, dass der andere Knoten das Ziel trifft  Historie der Kontakte, Bewegungsmuster  Beispiel: Probabilistic Routing Protocol using History of Encounters and Transitivity PRoPHET (RFC 6693)

 Gesteuerte Fähren KAPITEL 3: AD-HOC-NETZE

Fachgebiet Kommunikationsnetze

Sommersemester 2016

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Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation

Sommersemester 2016

LITERATUR 

      

Basagni, Stefano; Conti, Marco; Giordano, Silvia; Stojmenovic, Ivan (Hg.) (2013): Mobile Ad Hoc Networking. 2nd edition. Piscataway, NJ, USA: IEEE Press / Wiley. Boukerche, Azzedine; Turgut, Bergumhan; Aydin, Nevin; Ahmad, Mohammad Z.; Bölöni, Ladislau; Turgut, Damla (2011): Routing Protocols in Ad Hoc Networks: A Survey. In: Computer Networks 55 (13), S. 3032–3080. Clausen, Thomas Heide; Jacquet, Philippe (2003): Optimized Link State Routing Protocol (OLSR). IETF Network Working Group (Request for Comments, 3626). Clausen, Thomas Heide; Dearlove, Christopher; Dean, Justin W. (2011): Mobile Ad Hoc Network (MANET) Neighborhood Discovery Protocol (NHDP). IETF Network Working Group (Request for Comments, 6130). Parkins, Charles, E.; Belding-Royer, Elizabeth M.; Das, Samir R. (2003): Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing. IETF Network Working Group (Request for Comments, 3561). Samar, Prince; Pearlman, Marc R.; Haas, Zygmunt J. (2004): Independent Zone Routing: An Adaptive Hybrid Routing Framework for Ad Hoc Networks. In: IEEE/ACM Transactions on Networking 12 (4), S. 595–608. Roth, Jörg (2005): Mobile Computing. Grundlagen, Technik, Konzepte. 2., aktualisierte Auflage. Heidelberg: dpunkt-Verlag (dpunkt.Lehrbuch). Zhang, Zhansheng (2006): Routing in Intermittently Connected Mobile Ad Hoc Networks and Delay Tolerant Networks: Overview and Challenges. In: IEEE Communications Surveys & Tutorials 8 (1), S. 24–37.

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Fachgebiet Kommunikationsnetze

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