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ExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routingfor Wireless Networks

Technische Universität BerlinFakultät IV: Elektrotechnik und Informatik

Fachgebiet INET

Seminar „Network Architectures: Internet Routing“Wintersemester 2007/2008Christian Deutschmann

Überblick

• Einleitung

• Funktionsweise von ExOR

• Beispiel ExOR

• Messergebnisse

• Fazit

05.03.2008 2ExOR: Extreme Opportunistic Routing

EinleitungExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks

05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 3

Einleitung

• Warum benötigen wir neue Routing‐Protokolle für drahtlose Netzwerke?

• Traditionelle Protokolle...– wurden für drahtlose Netzwerke konzipiert

– gehen von reinen Punkt‐zu‐Punkt‐Verbindungen aus...

05.03.2008 4ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Motivation

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

• Punkt‐zu‐Punkt‐Verbindungen zwischen den Knoten

• Kollisionen nur beim Senden/Empfangen auf der selben Verbindung

• Alle Knoten sind mit einer Wahrscheinlichkeit größer Null miteinander verbunden

• Kollisionen sobald zwei Knoten in Funkreichweite gleichzeitig senden

05.03.2008 5ExOR: Extreme Opportunistic Routing

LAN vs. WLAN

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen

2. Knoten B sendet an Knoten A

3. Knoten A hat das Paket erfolgreich empfangen und sendet es an Knoten D

4. Knoten D hat das Paket erfolgfreich empfangen

05.03.2008 6ExOR: Extreme Opportunistic Routing

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen

2. Knoten B sendet direkt an Knoten D

3. Knoten D hat das Paket erfolgreich empfangen

LAN vs. WLAN

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

05.03.2008 7ExOR: Extreme Opportunistic Routing

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen

2. Knoten B sendet direkt an Knoten D

3. Knoten D hat das Paket erfolgreich empfangen

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen

2. Knoten B sendet an Knoten A

3. Knoten A hat das Paket erfolgreich empfangen und sendet es an Knoten D

4. Knoten D hat das Paket erfolgfreich empfangen

LAN vs. WLAN

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

05.03.2008 8ExOR: Extreme Opportunistic Routing

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen

2. Knoten B sendet direkt an Knoten D

3. Knoten D hat das Paket erfolgreich empfangen

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen

2. Knoten B sendet an Knoten A

3. Knoten A hat das Paket erfolgreich empfangen und sendet es an Knoten D

4. Knoten D hat das Paket erfolgfreich empfangen

LAN vs. WLAN

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

05.03.2008 9ExOR: Extreme Opportunistic Routing

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen

2. Knoten B sendet direkt an Knoten D

3. Knoten D hat das Paket erfolgreich empfangen

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen

2. Knoten B sendet an Knoten A

3. Knoten A hat das Paket erfolgreich empfangen und sendet es an Knoten D

4. Knoten D hat das Paket erfolgfreich empfangen

LAN vs. WLAN

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

05.03.2008 10ExOR: Extreme Opportunistic Routing

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen, und Knoten C an Knoten E

2. Knoten B sendet direkt an Knoten D, und Knoten C sendet direkt an Knoten E

3. Ohne CSMA/CA kommt es zur Kollision

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen, und Knoten C and Knoten E

2. Knoten B sendet an Knoten A, und Knoten C sendet an Knoten E

3. Knoten A hat das Paket erfolgreich empfangen und sendet es an Knoten D

4. Knoten D hat das Paket erfolgfreich empfangen CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

LAN vs. WLAN

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

05.03.2008 11ExOR: Extreme Opportunistic Routing

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen, und Knoten C an Knoten E

2. Knoten B sendet direkt an Knoten D, und Knoten C sendet direkt an Knoten E

3. Ohne CSMA/CA kommt es zur Kollision

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen, und Knoten C and Knoten E

2. Knoten B sendet an Knoten A, und Knoten C sendet an Knoten E

3. Knoten A hat das Paket erfolgreich empfangen und sendet es an Knoten D

4. Knoten D hat das Paket erfolgfreich empfangen CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

LAN vs. WLAN

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

05.03.2008 12ExOR: Extreme Opportunistic Routing

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen, und Knoten C an Knoten E

2. Knoten B sendet direkt an Knoten D, und Knoten C sendet direkt an Knoten E

3. Ohne CSMA/CA kommt es zur Kollision

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen, und Knoten C and Knoten E

2. Knoten B sendet an Knoten A, und Knoten C sendet an Knoten E

3. Knoten A hat das Paket erfolgreich empfangen und sendet es an Knoten D

4. Knoten D hat das Paket erfolgfreich empfangen CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

LAN vs. WLAN

Einleitung

A

D

C E

B A

D

C E

B

05.03.2008 13ExOR: Extreme Opportunistic Routing

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen, und Knoten C an Knoten E

2. Knoten B sendet direkt an Knoten D, und Knoten C sendet direkt an Knoten E

3. Ohne CSMA/CA kommt es zur Kollision

1. Knoten B möchte ein Paket an Knoten D übertragen, und Knoten C and Knoten E

2. Knoten B sendet an Knoten A, und Knoten C sendet an Knoten E

3. Knoten A hat das Paket erfolgreich empfangen und sendet es an Knoten D

4. Knoten D hat das Paket erfolgfreich empfangen CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

LAN vs. WLAN

Einleitung

• Sanjit Biswas und Robert MorrisM.I.T. Computer Science and Artifical Intelligence Laboratory

• ExOR ist ein opportunistisches Routingprotokoll, basierend auf dem „Cooperative Diversity Scheme“

• Nutzung der Vorteile von Broadcast in drahtlosen Netzwerken

• Pakete können über mehrere Routen übertragen werden

• Höherer Durchsatz gegenüber traditionellen Protokollen

05.03.2008 14ExOR: Extreme Opportunistic Routing

ExOR

Funktionsweise von ExORExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks

05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 15

Funktionsweise von ExOR

A DC EB

• Traditionelle Protokolle senden über die selbe Sequenz von Knoten

• ExOR kann von zufälligen Gelengeheiten profitieren

05.03.2008 16ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Broadcast 1

src dst

Funktionsweise von ExOR

A DC EB

• Traditionelle Protokolle senden über die selbe Sequenz von Knoten

• ExOR kann von zufälligen Gelegenheiten profitieren

05.03.2008 17ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Broadcast 1

src dst

Funktionsweise von ExOR

A DC EB

• Traditionelle Protokolle senden über die selbe Sequenz von Knoten

• ExOR kann von zufälligen Gelegenheiten profitieren

05.03.2008 18ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Broadcast 1

src dst

Funktionsweise von ExOR

1

3

100

2

• Traditionelle Protokolle senden über die selbe Sequenz von Knoten

• ExOR kann von zufälligen Gelegenheiten profitieren

05.03.2008 19ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Broadcast 2

src dst

10%

10%

10%

10%

100%

100%

100%

100%

Funktionsweise von ExOR

1

3

100

2

• Traditionelle Protokolle senden über die selbe Sequenz von Knoten

• ExOR kann von zufälligen Gelegenheiten profitieren

05.03.2008 20ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Broadcast 2

src dst

10%

10%

10%

10%

100%

100%

100%

100%

ExOR Design: Anforderungen

• Agreement‐Protokoll darf nur einen geringen Overhead haben.

• Kosten für die Übertragung sollen so gering wie möglich sein.– Der Knoten, welcher dem Zielknoten am nächsten ist, soll das Paket 

weiterleiten.

– Metrik für die Kosten der Übertragung wird benötigt.

– Auswahl der nützlichsten Knoten für die Übertragung.

• Anzahl der Kollision soll so gering wie möglich sein

05.03.2008 21ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Broadcast 2

ExOR Design: Umsetzung

• Jeder Knoten verwaltet einen „Batch“, in dem alle Pakete gespeichert werden

• Die „Batch‐Map“ gibt an, welcher Knoten höherer Priorität die Pakete empfangen hat

• Der Quellknoten erstellt eine „Forwarder List“ in der alle teilnehmenden Knoten nach Priorität geordnet sind

05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 22

ExOR Paket

ExOR Design: Umsetzung

• Jeder Knoten hat einen „Forwarding Timer“ der Angibt, wann ein Knoten senden darf

• Ein „Transmission Tracker“ hört den Datenverkehr ab und setzt den „Forwarding Timer“ in Abhängigkeit des Datenverkehrs.

05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 23

Beispiel ExORExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks

05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 24

Funktionsweise von ExOR

1. Knoten SRC möchte an Knoten DST senden

2. Knoten SRC sammelt alle Pakete in einem „Batch“, erstellt eine „Forwarder‐Liste“ und sendet den „Batch“ via Broadcast

3. Knoten A, B und DST empfangen einen Teil des „Batches“ und aktualisieren ihre „Batch Map“

4. Knoten DST sendet seine „Batch Map“

05.03.2008 25ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

A

B

dst

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

Funktionsweise von ExOR

1. Knoten SRC möchte an den Knoten DST senden.

2. Knoten SRC sammelt alle Pakete in einem „Batch“, erstellt eine „Forwarder‐Liste“ und sendet den „Batch“ via Broadcast.

3. Knoten A, B und DST empfangen einen Teil des „Batches“ und aktualisieren ihre „Batch Map“.

4. Knoten DST sendet seine „Batch Map“.

05.03.2008 26ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

srcsrcsrcsrc

src

A

B

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 27ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

srcsrcsrcsrc

src

A

B

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

1. Knoten SRC möchte an den Knoten DST senden

2. Knoten SRC sammelt alle Pakete in einem „Batch“, erstellt eine „Forwarder‐Liste“ und sendet den „Batch“ via Broadcast

3. Knoten A, B und DST empfangen einen Teil des „Batches“ und aktualisieren ihre „Batch Map“

4. Knoten DST sendet seine „Batch Map“

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 28ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

srcsrcsrcsrc

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcBB

Bsrc

srcsrcdstsrc

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

2. Knoten SRC sammelt alle Pakete in einem „Batch“, erstellt eine „Forwarder‐Liste“ und sendet den „Batch“ via Broadcast

3. Knoten A, B und DST empfangen einen Teil des „Batches“ und aktualisieren ihre „Batch Map“

4. Knoten DST hat die höchste Priorität und sendet seine „Batch Map“

5. Knoten B empfängt diese und aktualisiert seine „Batch Map“

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 29ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

srcsrcsrcsrc

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcBB

Bsrc

srcsrcdstsrc

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

2. Knoten SRC sammelt alle Pakete in einem „Batch“, erstellt eine „Forwarder‐Liste“ und sendet den „Batch“ via Broadcast

3. Knoten A, B und DST empfangen einen Teil des „Batches“ und aktualisieren ihre „Batch Map“

4. Knoten DST hat die höchste Priorität und sendet seine „Batch Map“

5. Knoten B empfängt diese und aktualisiert seine „Batch Map“

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 30ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

srcsrcsrcsrc

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcBB

Bsrc

srcsrcdstsrc

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

3. Knoten A, B und DST empfangen einen Teil des „Batches“ und aktualisieren ihre „Batch Map“

4. Knoten DST hat die höchste Priorität und sendet seine „Batch Map“.

5. Knoten B empfängt diese und aktualisiert seine „Batch Map“

6. Knoten B sendet als nächstes sein „Fragment“

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 31ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

srcsrcsrcsrc

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcdstB

Bsrc

srcsrcdstsrc

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

4. Knoten DST hat die höchste Priorität und sendet seine „Batch Map“.

5. Knoten B empfängt diese und aktualisiert seine „Batch Map“

6. Knoten B sendet als nächstes sein „Fragment“

7. Knoten DST und SRC empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 32ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

srcsrcsrcsrc

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcdstB

Bsrc

srcsrcdstsrc

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

4. Knoten DST hat die höchste Priorität und sendet seine „Batch Map“ 

5. Knoten B empfängt diese und aktualisiert seine „Batch Map“

6. Knoten B sendet als nächstes sein „Fragment“

7. Knoten DST und SRC empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 33ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

srcsrcsrcsrc

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcdstB

Bsrc

srcsrcdstsrc

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

5. Knoten B empfängt diese und aktualisiert seine „Batch Map“

6. Knoten B sendet als nächstes sein „Fragment“

7. Knoten DST und SRC empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

8. Der „Forwarding Timer“ von Knoten A läuft ab, und Knoten Asendet sein „Fragment“

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 34ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

BsrcdstB

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcdstB

Bsrc

dstsrcdstdst

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

6. Knoten B sendet als nächstes sein „Fragment“

7. Knoten DST und SRC empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

8. Der „Forwarding Timer“ von Knoten A läuft ab, und Knoten Asendet sein „Fragment“

9. Knoten SRC, B und DST empfangen diese Pakete

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 35ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

BsrcdstB

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcdstB

Bsrc

dstsrcdstdst

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

6. Knoten B sendet als nächstes sein „Fragment“

7. Knoten DST und SRC empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

8. Der „Forwarding Timer“ von Knoten A läuft ab, und Knoten Asendet sein „Fragment“

9. Knoten SRC, B und DST empfangen diese Pakete

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 36ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

BsrcdstB

src

src

AAsrcsrc

A

src

BsrcdstB

Bsrc

dstsrcdstdst

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

7. Knoten DST und SRC empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

8. Der „Forwarding Timer“ von Knoten A läuft ab, und Knoten Asendet sein „Fragment“

9. Knoten SRC, B und DST empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 37ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

BAdstB

src

src

AAsrcsrc

A

src

BBdstB

Bsrc

dstdstdstdst

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

8. Der „Forwarding Timer“ von Knoten A läuft ab, und Knoten Asendet sein „Fragment“

9. Knoten SRC, B und DST empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

10. Knoten SRC hat bereits 90% des „Batches“ gesendet. Das letzte Paketsendet Knoten SRC mit traditionellen Protokollen

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 38ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

BAdstB

src

src

AAsrcsrc

A

src

BBdstB

Bsrc

dstdstdstdst

dst

dst B A src

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

8. Der „Forwarding Timer“ von Knoten A läuft ab, und Knoten Asendet sein „Fragment“

9. Knoten SRC, B und DST empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

10. Knoten SRC hat bereits 90% des „Batches“ gesendet. Das letzte Paketsendet Knoten SRC mit traditionellen Protokollen

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 39ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

BAdstB

src

src

AAsrcsrc

A

src

BBdstB

Bsrc

dstdstdstdst

dst

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

9. Knoten SRC, B und DST empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

10. Knoten SRC hat bereits 90% des „Batches“ gesendet. Das letzte Paketsendet Knoten SRC mit traditionellen Protokollen

11. Knoten DSC hat alle Pakete empfangen

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 40ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

BAdstB

src

src

AAsrcsrc

A

src

BBdstB

src

dstdstdstdst

dst

B

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

9. Knoten SRC, B und DST empfangen diese Pakete. Knoten SRC aktualisiertseine „Batch Map“

10. Knoten SRC hat bereits 90% des „Batches“ gesendet. Das letzte Paketsendet Knoten SRC mit traditionellen Protokollen

11. Knoten DSC hat alle Pakete empfangen

Funktionsweise von ExOR

05.03.2008 41ExOR: Extreme Opportunistic Routing

Beispiel

src

BAdstB

src

src

AAsrcsrc

A

src

BBdstB

src

dstdstdstdst

dst

B

Quelle:Seungyeop Han and Toan Dinh Tran

Korea Advanced Institute of Science and Technology

10. Knoten SRC hat bereits 90% des „Batches“ gesendet. Das letzte Paketsendet Knoten SRC mit traditionellen Protokollen

11. Knoten DSC hat alle Pakete empfangen

MessergebnisseExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks

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Messergebnisse

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FazitExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks

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Fazit

• Mit ExOR lässt sich der Durchsatz in statischen drahtlosen Netzwerken steigern

• In dynamischen Netzwerken ist ExOR jedoch noch den traditionellen Protokollen mit hoher Aktualisierungs‐Rate der Routingtabelle unterlegen

• Eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit von ExOR ist durch einen gemischen Ansatz von ExOR und der Verwendung von mehreren Kanälen auf einem „Transceiver“ möglich

• In der Zukunft werden opportunistische Protokolle wie ExOR immer wichtiger werden und die tradiotionellen Protokolle ersetzen

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Fragen?ExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks

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Fragen?

[1]S. Biswas and R. Morris. ExOR: Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks. SIGCOMM‘05, August 21‐26, 2005

[3] D. De Couto, D. Aguayo, J. Bicket and R. Morris. A High‐Throughput Metric for Multi‐Hop Wireless Routing.MobiCom`03, September 14‐19, 2003

[5] A. Zubow, M. Kurth and J. Redlich. Multi‐Channel Opportunistic Routing in Multi‐Hop Wireless Networks. Humboldt Universität Berlin

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Referenzen

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