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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
05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 42
Messergebnisse
05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 43
FazitExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks
05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 44
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
05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 45
Fragen?ExOR: Extreme Opportunistic Multi‐Hop Routing for Wireless Networks
05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 46
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
05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 47
Referenzen
05.03.2008 ExOR: Extreme Opportunistic Routing 48