ad hoc routing protocols

04/21/23 SNU INC LabSNU INC Lab

Ad hoc Routing ProtocolsAd hoc Routing Protocols

서울대학교 전산과학과서울대학교 전산과학과정보통신 연구실정보통신 연구실

임효준임효준


발표 내용발표 내용 Ad hoc network Ad hoc network 소개소개 Ad hoc networkAd hoc network 의 라우팅 프로토콜의 라우팅 프로토콜

AODV DSR TORA ZRP CBRP

결론결론 향후 연구 이슈 소개향후 연구 이슈 소개


Ad hoc NetworkAd hoc Network 이란이란 ?? 유선 기반망 없이 이동 단말로만 구성된 망유선 기반망 없이 이동 단말로만 구성된 망 장점장점

유선 기반망이 구축되어 있지 않은 곳에서 손쉽게 망을 구성

용도용도 긴급 구조 상황 전쟁 수행 중 Wearable computing


유의어유의어 (Mobile) Packet Radio Network(Mobile) Packet Radio Network

70-80 년대 군사적 연구 과정에서 붙여진 이름

Mobile Mesh NetworkMobile Mesh Network MANET(Mobile Ad hoc Network)MANET(Mobile Ad hoc Network)

IETF

Mobile, Multihop, Wireless NetworkMobile, Multihop, Wireless Network Wireless NetworkWireless Network


무선망의 특성무선망의 특성 MobilityMobility

망의 형상이 매우 동적으로 변하게 됨

BroadcastBroadcast 무선 신호는 공중으로 전파됨 원하지 않는 이동 단말도 데이터 수신이 가능한 경우

있음

기타 특성기타 특성 낮은 대역폭과 높은 에러율 전력 사용을 줄여야 함 낮은 보안성 단방향 링크의 존재

MACA 등의 프로토콜로 극복 가능


Ad hoc Ad hoc 망 라우팅의 필요성망 라우팅의 필요성

각 이동 단말이 라우터의 기능을 수행각 이동 단말이 라우터의 기능을 수행


Ad hoc Ad hoc 망의 라우팅 문제망의 라우팅 문제 기존망의 라우팅 프로토콜기존망의 라우팅 프로토콜

Distance Vector Link State

기존 라우팅 프로토콜의 문제점기존 라우팅 프로토콜의 문제점 주기적인 메시지 교환을 필요로 함

망의 사용가능 대역폭을 낭비함 망의 동적인 변화에 빠르게 대응하지 못함

Ad hoc 망은 각 호스트가 자유롭게 이동할 수 있으므로 망 형상의 변화가 매우 잦음

Routing loop 생성 이동 단말이 너무 많은 작업량을 필요로 함


연구 진행 상황연구 진행 상황 IETF working group MANETIETF working group MANET

Mobile Ad hoc Networks 라우팅 방법 정의 보안 문제 연구 현재 5 개의 프로토콜이 제안되어 있음

AODV, DSR, TORA, ZRP, CBRP

일정일정 97 년 8 월 : 후보 프로토콜 제출 98 년 3 월 : 제출된 프로토콜들의 개선 98 년 8 월 : 동작하는 prototype 시스템의 demonstration 99 년 3 월 : 구현 및 수정 . Internet Draft 작성 99 년 12 월 : 표준 제정


AODVAODV Charles PerkinsCharles Perkins Sun MicrosystemsSun Microsystems Ad hoc On-demand Distance Vector routing Ad hoc On-demand Distance Vector routing

protocolprotocol DSDV(Destination Sequenced Distance DSDV(Destination Sequenced Distance

Vector) routing algorithmVector) routing algorithm 의 의 On-demand On-demand 버전버전

Distance Vector Distance Vector 알고리즘의 라우팅 루프 생성 알고리즘의 라우팅 루프 생성 문제를 해결문제를 해결


AODV AODV 기본 동작기본 동작 두 개의 패킷을 사용두 개의 패킷을 사용

RREQ(Route Request) 목적지를 찾을 때까지 flooding 됨

RREP(Route Reply) 소스에게로 unicast 됨 Distance Vector 라우팅의 Distance-Vector 와 유사한 기능

hello hello 메시지메시지 RREP 의 일종

주소 : 255.255.255.255 TTL: 1 metric: 0

노드가 연결되어 있음을 주위에 알림


AODV AODV 라우팅 테이블 내용라우팅 테이블 내용 목적지 목적지 IP IP 주소주소 Hop CountHop Count Next hopNext hop LifetimeLifetime Destination Sequence NumberDestination Sequence Number

목적지에 대해 생성되는 일련 번호 라우팅 정보가 최신의 것임을 보장 라우팅 루프를 방지하는 역할


RREQ, RREP RREQ, RREP 전송과정전송과정 무한 무한 metricmetric 을 가지는 항목은 일정 시간 후에 을 가지는 항목은 일정 시간 후에

삭제 가능삭제 가능 RREQ RREQ 전송 후 일정 시간동안 전송 후 일정 시간동안 RREPRREP 를 를

기다림기다림 RREQ ForwardingRREQ Forwarding

RREQ 를 받은 노드는 최근에 같은 RREQ 를 받았으면 무시 자신의 라우팅 테이블에 해당 목적지 항목이 있고 해당

Destination Sequence Number 가 RREQ 의 값보다 작지 않으면 RREP 전송

그렇지 않으면 나중에 받게 될 RREP 를 소스로 되돌려 주기 위해 소스 방향 Reverse route 를 저장하고 RREQ 를 rebroadcast


DSRDSR David B. Johnson and David A. MaltzDavid B. Johnson and David A. Maltz Carnegie Mellon UniversityCarnegie Mellon University Dynamic Source RoutingDynamic Source Routing Monarch projectMonarch project 메시지 전송이 필요한 경우 메시지 전송이 필요한 경우 Route discoverRoute discover

y y 프로토콜을 수행프로토콜을 수행 모든 노드가 자기 자신을 모든 노드가 자기 자신을 rootroot 로 하는 로 하는 ShoSho

rtest path tree rtest path tree 유지유지


DSRDSR 의 기본 개념의 기본 개념 소스 라우팅소스 라우팅

패킷 헤더에 목적 노드까지의 경로를 명시해 전송 패킷을 받은 노드는 패킷 헤더에 표시된 다음 노드로 전달

경로 캐쉬경로 캐쉬 자신이 배운 경로를 저장 경로 캐쉬에 자신이 원하는 경로가 없으면 Route discovery

수행 Route maintenance 를 통해 경로를 올바르게 유지


Route DiscoveryRoute Discovery Route request Route request 메시지메시지

원하는 목적지 명시 < 개시자 주소 , request id> 를 통해 유일하게 식별됨 목적 노드에게 전달될 때까지 거쳐간 노드를 기록해 나감 AODV 의 RREQ 와 동일

Route requestRoute request 를 받은 호스트의 동작를 받은 호스트의 동작 Duplicate route request 이면 무시 자신의 주소가 패킷에 기록된 경로상에 있으면 무시 Route request 의 목적지가 자신이면 Route reply 전송 아니면 Route request 를 broadcast


Route MaintenaceRoute Maintenace Route error Route error 메시지메시지

패킷 전달 실패 시에 송신자에게 전달 에러가 발생한 링크의 양단 노드를 명시

ACKACK 의 형태의 형태 Hop-by-hop ACK Passive ACK

근처의 다른 hop 이 동일한 패킷을 전송하면 받은 것으로 간주

A B C


OptimizationOptimization Full use of the route cacheFull use of the route cache Piggybacking on route discoveriesPiggybacking on route discoveries Reflecting shorter routesReflecting shorter routes Improved handling of errorsImproved handling of errors


Full use of the route cacheFull use of the route cache 지나가는 패킷을 통해 새로운 경로 학습지나가는 패킷을 통해 새로운 경로 학습 Route replyRoute reply 로부터 라우팅 경로 학습로부터 라우팅 경로 학습

A DCB

FE

B-C-D


Piggybacking on route discoveriesPiggybacking on route discoveries 데이터를 데이터를 Route requestRoute request 에 에 piggybackingpiggybacking 너무 큰 데이터의 경우는 하면 안됨너무 큰 데이터의 경우는 하면 안됨 목적지가 아닌 노드가 목적지가 아닌 노드가 replyreply 하는 경우하는 경우

Piggybacking 한 데이터가 목적 노드에 전달되지 못함 Route response 를 보낸 호스트는 piggybacking 된 데이터를

담은 새로운 패킷을 생성해 목적지에 전달 원래 송신자가 보낸 것처럼 보내야 함


Reflecting shorter routesReflecting shorter routes 경로를 줄일 수 있다고 판단되면 줄임경로를 줄일 수 있다고 판단되면 줄임

B 가 C 에게 메시지 전달 D 가 B 에 근접하게 되어 메시지를 받게 되었음

Route reply 전송

B C D


Improved handling of errorsImproved handling of errors Exponential backoffExponential backoff

동일한 목적지에 대해 수행할 수 있는 경로 발견 시행률을 제한

Partition 이 생긴 경우 불필요한 route recovery 방지

Route error Route error 패킷을 엿들어 정보 갱신패킷을 엿들어 정보 갱신 Negative Negative 정보의 캐슁정보의 캐슁

에러가 발생한 노드를 지우지 않고 캐슁해 둠

A BC

D

E


ADG(Acyclic Directed Graphs)ADG(Acyclic Directed Graphs) 정의정의

Cycle 이 없는 directed graph

Destination orientedDestination oriented 모든 노드에 대해 목적 노드로 가는 경로가 존재 목적지 이외의 모든 노드가 밖으로 나가는 링크를 가짐


ADG ProblemADG Problem 정의정의

주어진 Connected destination disoriented ADG 의 일부 링크 방향을 바꿔 Destination oriented ADG 로 변경

TORA 의 motivation 이 됨 알고리즘알고리즘

Full reversal 밖으로 나가는 링크가 존재하지 않는 노드를 찾아 링크의 모든 방향을 밖으로 나가도록 변경

Partial reversal 목적지를 제외한 모든 노드가 인접 링크 중 링크 방향이 바뀐 적이 있는 노드의 리스트 유지

밖으로 나가는 링크가 존재하지 않는 노드를 찾아 리스트에 속하지 않은 링크의 방향을 바꾸고 리스트에 추가


Full Reversal AlgorithmFull Reversal Algorithm

1¹øÂ° °úÁ¤ 2¹øÂ° °úÁ¤

4¹øÂ° °úÁ¤ ÃÖÁ¾ DAG

3¹øÂ° °úÁ¤


Partial Reversal AlgorithmPartial Reversal Algorithm

1¹øÂ° °úÁ¤ 2¹øÂ° °úÁ¤

4¹øÂ° °úÁ¤ ÃÖÁ¾ DAG

3¹øÂ° °úÁ¤


Numbering SchemeNumbering Scheme 의 도입의 도입 Full reversalFull reversal

모든 노드 k 에 대해 (A(k), k) 의 height 를 할당 (A(m),m)>(A(n),n) 이면 m->n 밖으로 나가는 링크가 없는 노드 k 에 대해 A(k) 를 인접

노드의 가장 큰 A 값 +1 로 증가시킴

Partial reversalPartial reversal (A(k), B(K), k) 초기의 A(k)=0 A(k) = 인접노드의 A 의 최소값 + 1 B(k) = A(k) 와 같은 A 를 가지는 인접 노드의 B -1 같은 A 를 가지는 노드가 없으면 B(k) 는 그대로 둠

Numbering SchemeNumbering Scheme 은 은 loop-free loop-free 보장보장


General Class of AlgorithmsGeneral Class of Algorithms 정의정의

Full reversal algorithm 과 Partial reversal algorithm 을 모두 포함하는 일반적인 알고리즘

Numbering scheme 을 이용해 정의 나가는 링크가 없는 노드의 height 를 증가시켜 나가며

동작하는 알고리즘

성질성질 루프를 생성하지 않음 유한 번의 반복 이후에 DAG 그래프를 생성 목적지로 연결되는 경로가 존재하는 노드는 그 링크

방향이 유지


TORATORA Vincent D. Park and M. Scott CorsonVincent D. Park and M. Scott Corson Naval Research Lab.& University of MarylandNaval Research Lab.& University of Maryland Temporally-Ordered Routing AlgorithmTemporally-Ordered Routing Algorithm Routing optimality Routing optimality 희생희생

Multiple routes Adaptability 극대화

General class of algorithmGeneral class of algorithm 의 일종의 일종 망에 생긴 망에 생긴 partitionpartition 을 검출을 검출 모든 목적지에 대해 모든 목적지에 대해 Destination Oriented ADestination Oriented A

DGDG 를 유지를 유지


TORA TORA 기본 개념기본 개념 Node HeightNode Height

H(k) = (T(k), OID(k), R(k), D(k), k) T(k), OID(k), R(k): Reference level

T(k): Link failure 발생 시각 OID(k): Originator node ID

동시에 서로 다른 노드가 새로운 reference level 을 정의하는 경우 그들간의 순서를 만들어 줌

R(k): 1 bit. 한 reference level 의 노드들을 두 부분으로 나눔 이전 reference level 에 속하는 노드 새로운 reference level 에 속하는 노드

D(k): 하나의 reference level 에서의 delta 값 k: 노드의 ID


Initial SettingInitial Setting Node HeightNode Height

H(k) = NULL(-,-,-,-,k) 목적지의 H(k) = 0(0,0,0,0,did)

Link-statusLink-status H 가 높은 노드가 Upstream node H 가 NULL 인 이웃노드와는 Undirected H 가 NULL 인 노드는 NULL 이 아닌 노드의 Upstream


메시지 종류 및 메시지 종류 및 RR flagRR flag QRY QRY 메시지메시지

did 를 포함 목적지까지의 경로가 존재하지 않는 경우 전송 개시

UPD UPD 메시지메시지 did 와 패킷을 방송한 노드의 Height 를 포함 QRY 에 대한 응답

CLR CLR 메시지메시지 Partition 발생 시 라우팅 정보 삭제

Route required flagRoute required flag 각 노드마다 유지 RR(k) 기본값 : unset


경로 생성경로 생성 QRY QRY 전송전송

directed link 가 없고 RR(k)=0 인 노드가 목적지까지의 라우팅이 필요한 경우에 방송하고 자신의 RR(k) 를 1 로 바꿈

QRY QRY 전달전달 나가는 링크가 없고 RR(k) = 0 이면 QRY 방송 후 RR(k)=1 나가는 링크가 없고 RR(k) = 1 이면 QRY 무시 나가는 링크가 있고 H(k)=NULL 이면 H 가 가장 작은 노드 j 를

찾아 H(k) = (T(j), OID(j), R(j), D(j)+1, k) 로 갱신 후 UPD 방송 나가는 링크가 있고 H(k)!=NULL 이면 QRY 도착한 링크가

active 된 시간과 최근의 UPD 패킷 방송 시간을 비교 UPD 패킷 방송이 더 이르면 UPD 방송 아니면 QRY 무시


경로 생성경로 생성 UPD UPD 전달전달

RR(k)=1 이면 H(k) = (T(k), OID(j), R(j), D(j)+1, k) 로 하고 RR(k) = 0 으로 하며 UPD 방송

RR(k)=0 이면 링크 상태만 갱신


경로 생성 예경로 생성 예

(0,0,0,0,F)

QRY

(0,0,0,0,F)

QRY

QRY (0,0,0,0,F)

QRY

QRY

UPD

(0,0,0,1,H)

(0,0,0,0,F)

UPD

(0,0,0,1,H)

(0,0,0,1,E)

UPD

UPD

(0,0,0,2,G)

(0,0,0,2,D)

(0,0,0,0,F)

UPD

(0,0,0,1,H)

(0,0,0,1,E)

UPD

UPD

(0,0,0,2,G)

(0,0,0,2,D)(0,0,0,3,C)

(0,0,0,3,A) (0,0,0,2,B)

(0,0,0,0,F)(0,0,0,1,H)

(0,0,0,1,E)

(0,0,0,2,G)

(0,0,0,2,D)(0,0,0,3,C)

(0,0,0,3,A) (0,0,0,2,B)


경로 관리경로 관리 HH 가 가 NULLNULL 이 아니고 나가는 링크가 없는 이 아니고 나가는 링크가 없는

노드에 대해 적용노드에 대해 적용 Case 1: GenerateCase 1: Generate

링크 failure 로 인해 모든 나가는 링크가 사라진 경우 H(k) = (t, k, 0, 0, k)

Case 2: PropagateCase 2: Propagate 나가는 링크가 없고 모든 이웃 노드의 reference level 이

같지 않은 경우 Reference level 을 이웃 노드 중 가장 큰 것으로 함 Reference level 이 가장 큰 이웃 노드 중 가장 작은 D

값에서 1 을 빼서 D 값으로 정함


경로 관리경로 관리 Case 3: ReflectCase 3: Reflect

나가는 링크가 존재하지 않고 모든 이웃 노드의 reference level 이 같으며 R(k)=0 인 경우

H(k) = (T(j), OID(j), 1, 0, k)

Case 4: DetectCase 4: Detect 나가는 링크가 존재하지 않고 모든 이웃 노드의 reference

level 이 같으며 R(k)=1 이고 OID(j)==k 인 경우 H(k) = NULL

Case 5: GenerateCase 5: Generate 나가는 링크가 존재하지 않고 모든 이웃 노드의 reference

level 이 같으며 R(k)=1 이고 OID(j)!=k 인 경우 H(k) = (t, k, 0, 0, k)


경로 관리 예경로 관리 예

(0,0,0,0,F)(0,0,0,1,H)

(0,0,0,1,E)

(0,0,0,2,G)

(0,0,0,2,D)(0,0,0,3,C)

(0,0,0,3,A) (0,0,0,2,B)

(0,0,0,0,F)(0,0,0,1,H)

(0,0,0,1,E)UPD

(0,0,0,2,G)

(1,D,0,0,D)(0,0,0,3,C)

(0,0,0,3,A) (0,0,0,2,B)

(0,0,0,0,F)(0,0,0,1,H)

(0,0,0,1,E)

UPD

(0,0,0,2,G)

(1,D,0,0,D)(0,0,0,3,C)

(0,0,0,3,A) (1,D,0,-1,B)

(0,0,0,0,F)(0,0,0,1,H)

(0,0,0,1,E)

UPD

(0,0,0,2,G)

(1,D,0,0,D)(0,0,0,3,C)

(1,D,0,-2,A) (1,D,0,-1,B)

(0,0,0,0,F)(0,0,0,1,H)

(0,0,0,1,E)

(0,0,0,2,G)

(1,D,0,0,D)(0,0,0,3,C)

(1,D,0,-2,A) (1,D,0,-1,B)


경로 삭제경로 삭제 Case 4Case 4 에서 진행에서 진행 CLR CLR 패킷을 패킷을 floodingflooding Partition Partition 내의 모든 노드는 내의 모든 노드는 H=NULLH=NULL


ZRPZRP Zygmunt J. Haas, Marc R. PearlmanZygmunt J. Haas, Marc R. Pearlman Cornell UniversityCornell University Zone Routing ProtocolZone Routing Protocol HierarchicalHierarchical 작은 지역에 대해서는 작은 지역에 대해서는 proactiveproactive

항상 라우팅 테이블 유지

넓은 지역에 대해서는 넓은 지역에 대해서는 reactivereactive 필요한 경우에 라우팅 경로 요청


ZRP ZRP 개념개념 Routing zoneRouting zone

특정 노드로부터 거리가 R 이하인 노드의 집합

Peripheral nodesPeripheral nodes 거리가 R 인 노드의 집합

BordercastingBordercasting Peripheral node 들에게 IP 데이터그램을 전달하는 작업

IARP & IERPIARP & IERP IntrAzone Routing Protocol(IARP)

Routing zone 내에서의 라우팅 IntErzone Routing Protocol(IERP)

Routing zone 들간의 라우팅


Routing zone & Peripheral nodesRouting zone & Peripheral nodes AA 의 의 routing zonerouting zone 과 과 peripheral nodes(R=2)peripheral nodes(R=2)

G E

B

F

A

C

D


IERPIERP 동작동작

목적 노드가 routing zone 외부에 있는 경우에 IERP 개시 Route request 를 bordercast Route request 받은 노드들도 목적 노드가 routing zone

외부에 있는지 체크 내부에 있는 경우는 Route reply 전송


IERPIERP AA 가 가 LL 에게 전송에게 전송 R=2R=2

D C F E H

A B G I

JC K L


CBRPCBRP Mingliang Jiang, Jinyang Li, Yong Chiang TayMingliang Jiang, Jinyang Li, Yong Chiang Tay National University of S’poreNational University of S’pore Cluster Based Routing ProtocolCluster Based Routing Protocol DSRDSR 과 유사한 과 유사한 Source routingSource routing ClusterCluster 를 구성함으로써 경로 발견을 위한 를 구성함으로써 경로 발견을 위한

floodingflooding 의 비용을 줄임의 비용을 줄임


Cluster Cluster 구성구성 Cluster headCluster head

모든 이웃 노드보다 자신의 ID 가 작고 다른 cluster head 에 인접하지 않은 경우 자신을 cluster head 로 결정

Cluster memberCluster member Cluster head 에 인접한 모든 호스트는 해당 cluster 에 속함

Gateway nodeGateway node 다른 cluster member 에 인접한 노드

각 노드는 두 개의 테이블을 유지각 노드는 두 개의 테이블을 유지 Adjacent node table Adjacent cluster table HELLO 패킷을 교환해 테이블을 유지


Route DiscoveryRoute Discovery RREQ RREQ 메시지메시지

Source 노드는 RREQ 메시지를 cluster head 에게 전송 Cluster head 는 인접 cluster 의 head 에게 RREQ 전송 목적지 호스트나 목적지까지의 경로를 아는 호스트는 RREP

를 Source 에게 보냄 RREP RREP 메시지메시지

RREP 를 소스 노드에게 forward 하는 노드는 필요한 경우 경로에 대해 optimization 을 수행

Route cacheRoute cache 발견된 경로는 route cache 에 저장됨


결론결론 AODVAODV

Distance Vector 라우팅의 on-demand version Destination Sequence Number 사용

DSRDSR Source routing

TORATORA Optimality 를 희생하는 대신 망의 동적인 변화에 잘

대응하기 위한 프로토콜

ZRPZRP Hierarchical routing

CBRPCBRP Cluster 를 구성하으로써 DSR 에 비해 flooding 수를 줄임


향후 연구 과제향후 연구 과제 기존 기존 Unicast routing Unicast routing 프로토콜의 개선프로토콜의 개선

Flooding 의 개선 라우팅 방법들의 성능 분석

Multicast routingMulticast routing Multicast tree 구성 Broadcast 성질을 이용한 효과적인 라우팅 알고리즘 성능 분석

보안보안 다른 프로토콜과의 연관다른 프로토콜과의 연관

TCP on ad hoc network

유선망과의 결합유선망과의 결합

ad hoc routing protocols

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