02 - ΣΔΥ50 - ΟΣΣ5 - AdHoc Networks

8/17/2019 02 - ΣΔΥ50 - ΟΣΣ5 - AdHoc Networks

1/39

& Ασύρματα Δίκτυα

5η ΟΣΣ


2/39

2


3/39

Ασύρματα δίκτυα με υποδομή

() Τα τυπικά ασύρματα δίκτυα βασίζονται σε κάποιου είδους

σταθερή υποδομή Π.χ., GSM, GPRS, 3G, WiFi Σταθμοί βάσης (BS) συνδέονται σε ένα ασύρματο δίκτυο

κορμού Κινητοί σταθμοί επικοινωνούν ασύρματα με τους BS

τους BS και το ενσύρματο δίκτυο κορμού

Η κινητικότητα υποστηρίζεται μέσω μεταπομπής μεταξύBS

3

IP δίκτυο κορµού

Server Router

Gateways


4/39

Ασύρματα δίκτυα με υποδομή

Όρια; Τι γίνεται αν

Δεν υπάρχει διαθέσιμη υποδομή; π.χ. σε περιοχές στις

οποίες έχει προηγηθεί κάποια καταστροφή Είναι πολύ ακριβό ή ακατάλληλο να εγκατασταθεί; π.χ.

σε απομακρυσμένα, μεγάλα εργοτάξια

Δεν υπάρχει χρόνος για να εγκατασταθεί; π.χ. σεστρατιωτικές επιχειρήσεις

4


5/39

Πιθανές εφαρμογές δικτύων χωρίς

υποδομή Βιομηχανικήαυτοματοποίηση

a d h o c

a d h o c

• Ανάκαµψη από καταστροφές

• Επικοινωνία µεταξύ οχηµάτων

• Στρατιωτική δικτύωση: στρατιωτικά οχήματα,προσωπικό, ..

•

Εύρεση κενών θέσεων parking σε μια πόλη (με ή χωρίςερώτηση σε έναν εξυπηρετητή)• Επιχειρήσεις διάσωσης μετά από χιονοστοιβάδα • Δικτύωση προσωπικής περιοχής (ρολόι, γυαλιά, PDA,

ιατρικές συσκευές, )• 5


6/39

Λύση: (Ασύρματα) δίκτυα Δημιουργία δικτύου χωρίς υποδομή, με αξιοποίηση των

δικτυακών δυνατοτήτων των συμμετεχόντων σταθμών

Αυτό ονομάζεται αδόμητο δίκτυο ένα δίκτυοπου δημιουργείται για κάποιον ειδικό σκοπό

π ο στερο παρ ειγμα: aptops σε να συνε ριακ χώρο ενός βήματος δίκτυο

6


7/39

Βασικοί τύποι A H δικτύων Κινητά αδόμητα δίκτυα, (Mobile ad hoc networks,

MANETs)

Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless sensornetworks, WSNs)

7


8/39

Προβλήματα/προκλήσεις στα

δίκτυα Η απουσία κεντρικής υποδομής δημιουργεί εμπόδια Προβλήματα λόγω:

Έλλειψη κεντρικής οντότητας (π.χ. σταθμού βάσης) γιαοργάνωση Οι ασύρματοι κόμβοι πρέπει να οργανωθούν μόνοι τους σε ένα

δίκτυο (αυτόο άνωσ )

Σχετίζεται με (μεταξύ άλλων): Έλεγχος πρόσβασης στο κοινό μέσο κανένας BS δεν αναθέτει

επικοινωνιακούς πόρους, αυτό πρέπει να αποφασισθεί με

κατανεμημένο τρόπο

Εύρεση διαδρομών από έναν σταθμό σε έναν άλλο

Περιορισμένη επικοινωνιακή εμβέλεια Κινητικότητα κόμβων

Κόμβοι που μικρή ενεργειακή αυτονομία (τυπικάλειτουργούν με μπαταρία) 8


9/39

Περιορισμένη εμβέλεια

επικοινωνία πολλαπλών βημάτων Σε πολλά σενάρια, απαιτείται επικοινωνία με ομότιμες

οντότητες εκτός εμβέλειας

Η άμεση επικοινωνία περιορίζεται λόγω απόστασης,εμποδίων,

Λύση: επικοινωνίες/δίκτυα πολλαπλών βημάτων (

9

?


10/39

Κινητικότητα: προσαρμοστικά

πρωτόκολλα Σε πολλές (όχι όλες!) της ad hoc δικτυακές εφαρμογές,

οι κόμβοι μετακινούνται

Σε ένα κυψελωτό δίκτυο η κινητικότητα αντιμετωπίζεταιμε μεταπομπές μεταξύ σταθμών βάσης

• Σε MANETs:

10

•

H κινητικότητα μεταβάλει τιςσχέσεις γειτνίασης (άρα και τηντοπολογία)

• Π.χ. οι διαδρομές ενδέχεται ναμεταβάλλονται συχνά

• Πολυπλοκότητα λόγωκλίμακας• Μεγάλος αριθμός τέτοιων κόμβων

είναι δύσκολα διαχειρίσιμος


11/39

Συσκευές που λειτουργούν με μπαταρίες:

ενεργειακά αποδοτική λειτουργία Επιθυμητό: μακρύς χρόνος λειτουργίας για:

Κάθε μία συσκευή

Για το δίκτυο συνολικά

Ενεργειακά αποδοτικά πρωτόκολλα, π.χ.

Χ σ διαδ ο ών πολλαπλών άτων multiho αντί

αύξησης της ισχύος εκπομπής Σχεδιασμός διαδρομών που λαμβάνουν υπόψη την

υφιστάμενη ενεργειακή στάθμη των ενδιάμεσων κόμβων

Ερευνητική πρόκληση: επίλυση συγκρούσεων πουπροκύπτουν από βελτιστοποιήσεις που βασίζονται σεαντικρουόμενους στόχους

11


12/39

12


13/39

Εισαγωγή Μια μικρής εμβέλειας και χαμηλού

κόστους ασύρματη τεχνολογία

προσωπικής δικτύωσης (WPAN) Ενσωματωμένο σε μεγάλο πλήθος

συσκευών σήμερα

Σχεδιασμένο για να καλύψει ανάγκεςόπως:

Διασύνδεση Η/Υ περιφερειακών

Adhoc δικτύωση μεταξύ διαφόρωνκινητών συσκευών

Laptops, desktops, κινητά τηλέφωνα

13

Personal Ad Personal Ad--

hochocConnectivityConnectivity

ReplacementReplacement


14/39

Χαρακτηριστικά Λειτουργεί στην ελεύθερη (ISM) μπάντα των 2.4 GHz

με τυπικό ρυθμό μετάδοσης τα 720Kb/s

Χρησιμοποιεί FHSS, διαιρώντας τη μπάντα συχνοτήτωνσε έναν αριθμό καναλιών (2.402 2.480 GHz > 79κανάλια)

Οι πομποδέκτες πηδούν από το ένα κανάλι στο άλλο χρησιμοποιώντας μια ψευδοτυχαία ακολουθία πουκαθορίζεται από το master

Υποστηρίζονται έως και 8 συσκευές σε ένα piconet (1master και 7 slaves)

Δύο ή περισσότερα piconets μπορούν να σχηματίσουνscatternets

14


15/39

Τι είναι ένα ; Συλλογή συσκευών που συνδέονται

με ad hoc τρόπο

Μία μονάδα λειτουργεί ως masterκαι οι άλλες ως slaves για τηδιάρκεια σύνδεσης του piconet.

M

SS

S

SB

P

πρότυπο μεταπήδησης συχνοτήτων(hopping pattern).

Κάθε piconet έχει ένα μοναδικό

hopping pattern/ID Κάθε master μπορεί να συνδέεται με

7 ενεργούς και 200+ ανενεργούς

(parked) slaves ανά piconet 15

P

M=Master

S=Slave

P=Parked

SB=Standby


16/39

Τι είναι ένα S; Ένα Scatternet πολλαπλών

piconets μέσω της διαμοίρασης

κοινών master ή slaveσυσκευών.

Μια συσκευή μπορεί να είναι

M

SS

S

SB

P

P

.

Τα radios είναι συμμετρικά (τοίδιο radio μπορεί να είναιmaster ή slave)

Υψηλή χωρητικότητασυστήματος, κάθε piconet έχειμέγιστο ρυθμό μετάδοσης(χωρητικότητα) 720 Kbps

16

M

S

P

SB

M=Master

S=Slave

P=Parked

SB=Standby


17/39

17


18/39

Γιατί όχι συμβατικά πρωτόκολλα

δρομολόγησης; Δεν έχουν σχεδιαστεί για πολύ δυναμικά, με

χαμηλό εύρος ζώνης δίκτυα

Σχηματισμός βρόγχων κατά τη διάρκεια προσωρινώναποτυχιών κόμβων του δικτύου και διαμερίσεων

Π ωτόκολλα που σι οποιούν τε νικέ πλ ύ ε

(flooding) δημιουργούν υπερβολικήκίνηση και πληροφορία ελέγχου (control overhead)

18


19/39

Κατηγορίες πρωτοκόλλων

δρομολόγησης για δίκτυα Προληπτικά ()

πρωτόκολλα

Βασισμένα σε πίνακες(tabledriven)

Συνεχώς υπολογίζουν

Αντιδραστικά ()πρωτόκολλα

Βάσει ζήτησης (OnDemand)

Ανακάλυψη διαδρομών

διαδρομές Χωρίς καθυστέρηση

ανακάλυψης διαδρομής

Μεγάλες απαιτήσεις

μνήμης/χωρητικότητας γιασυντήρηση πληροφορίαςδρομολόγησης

Μεγάλο μέρος πληροφορίαςδε χρησιμοποιείται ποτέ!

μέσω κάποιαςκαθολικής αναζήτησης

Συμφόρησης λόγωκαθυστέρησης της

ανακάλυψης διαδρομής Μπορεί να μην είναι

κατάλληλα γιαεπικοινωνίεςπραγματικού χρόνου 19


20/39

Πρωτόκολλο D S

R (DSR) Ondemand πρωτόκολλο δρομολόγησης

Κάθε επικεφαλίδα πακέτου περιέχει μια διαδρομή, η

οποία παρουσιάζεται ως μια πλήρη ακολουθία τωνκόμβων μεταξύ ενός ζεύγους πηγήςπροορισμού

Πρωτόκολλο αποτελείται από δύο φάσεις νακ υ η ια ρομ ς

Συντήρηση διαδρομής

20


21/39

Ανακάλυψη διαδρομής στο DSR

Ο A μεταδίδει ένα ROUTE REQUEST (RREQ) μήνυμαμέσω ενός απλού πακέτου τοπικής πανεκπομπής(local broadcast)

Όλοι οι εντός εμβέλειας κόμβοι λαμβάνουν αυτό τοπακέτο

21

A B C DE

[ Α]


22/39

Ανακάλυψη διαδρομής στο DSR

Οι ενδιάμεσοι κόμβοι από τους οποίους έχει περάσειένα πακέτο ενσωματώνονται σε αυτό

Όταν ο αποδέκτης της διαδικασίας ανακάλυψηςδιαδρομής το λάβει, απαντά με ένα ROUTE REPLY(RREP) μήνυμα. Στο RREP πε ιλα άνεται σει ά των ενδιά εσων κό ων

από την αφετηρία στον προορισμό. Ο κόμβος που κίνησε τη διαδικασία, αποθηκεύει τη

διαδρομή και τη χρησιμοποιεί για μελλοντικήδρομολόγηση πακέτων

22

A B C DE

[ Α, Β]


23/39

23


24/39

Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων

( S N, SN) Αυτοοργανούμενα, αδόμητα (selforganized, adhoc)

δίκτυα στα οποία οι κόμβοιαισθητήρες (sensors)επικοινωνούν με ασύρματες ζεύξεις

Οι κόμβοι που βρίσκονται εκτός αμοιβαίας εμβέλειαςεπικοινωνούν χρησιμοποιώντας ενδιάμεσους κόμβους γιατ ν π οώθ σ των νυ άτων

Τυπικός στόχος στα WSN δίκτυα είναι η μεταφορά τοσυλλεγμένων δεδομένων σε μια κεντρική δεξαμενήδεδομένων (sink)

Τυπικά, σε ένα WSN υπάρχει ένας μοναδικός, καθολικόςστόχος, π.χ. σε μια εφαρμογή παρακολούθησης, όλοι οικόμβοι συνεργάζονται για την ανίχνευση εισβολέων Αντίθετα, στα wireless mesh networks, κάθε ζεύγος πηγής

προορισμού ενδιαφέρεται να βελτιστοποιήσει έναν ατομικό στόχο(βελτιστοποίηση μιας παραμέτρου απόδοσης) 24


25/39

Τι περιλαμβάνουν SN;

Αίσθηση

Υπολογισμός

Επικοινωνία

Βασικά χαρακτηριστικά: Μεγάλος αριθμός κόμβων, συνήθως πυκνά και τυχαία

τοποθετημένων στην περιοχή του υπό παρακολούθηση φαινομένου

Δυνατότητες συνεργατικής παρακολούθησης του φαινομένου

25


26/39

Τυπική ανάπτυξη αισθητήρων Τυχαία ανάπτυξη κόμβων σε ένα πεδίο (sensor field)

Δρομολόγηση πολλαπλών βημάτων από τους κόμβους

σε μια δεξαμενή (sink) τυπικά τοποθετημένη στηνπεριφέρεια του πεδίου

Α ιοποί σ των δεδο ένων που συλλέ ονται από

διαδικτυακές υπηρεσίες

26


27/39

Παράδειγμα εφαρμογής SN

Sink

27

Κόμβοιαισθητήρες έχουν αναπτυχθεί σε έναδάσος

Σε περίπτωση πυρκαγιάς θα προωθήσουν ένασυναγερμό προς τη δεξαμενή δεδομένων(sink).

Έτσι η φωτιά θα κατασβηστεί πρινεξαπλωθεί.

Πως μπορεί να ανιχνευθεί η πυρκαγιά;


28/39

Συνήθη πεδία εφαρμογής Στρατιωτικές εφαρμογές

Παρακολούθηση πεδίου για ενδεχόμενη εισβολή, ανίχνευσηπροσβολής από βιολογικά ή χημικά όπλα,

Περιβαλλοντικές εφαρμογές Καταγραφή θερμοκρασίας/υγρασίας, παρακολούθηση

,

εφαρμογές, μέτρηση επίπεδου ρύπανσης σε ποτάμια/αέρα,

Εφαρμογές υγείας Τηλεπαρακολούθηση φυσιολογικών δεδομένων, ανίχνευση

και παρακολούθηση ασθενών σε νοσοκομεία, Οικιακές και άλλες εμπορικές εφαρμογές

Οικιακοί αυτοματισμοί, παρακολούθηση χώρων, διαδραστικάμουσεία, αυτοματοποίηση ελέγχου αποθήκης,

παρακολούθηση και ανίχνευση οχημάτων, 28

ί ό ό β θ ή


29/39

Ανατομία ενός κόμβουαισθητήρα

( )

Location finding system Mobilizer

ProcessingunitSensing unit

29

Processor

StorageSensor ADC

Transceiver

Power unit Powergenerator


30/39

Κόμβοιαισθητήρες

WeC 99“Smart Rock”

Mica 1/02

Rene 11/00

Telos 4/04RobustLow Power250kbpsEasy to use

Μικροσκοπικές συσκευές µε αισθητήρες η οποίες έχουν τηνδυνατότητα ασύρµατης επικοινωνίας

30

Small microcontroller8 kB code512 B data

Simple, low-power radio

10 kbps ASKEEPROM (32 KB)

Simple sensors

NEST open exp. Platform

128 kB code, 4 kB data40kbps OOK/ASK radio512 kB Flash

Designed forexperimentation

-sensor boards-power boards

Dot 9/01

Demonstratescale

Spec 6/03“Mote ona chip”

Mica2 12/0238.4kbps radioFSK


31/39

Βασικές επιδιώξεις σε ένα SN

Μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης των κόμβωνώστε να επιμηκυνθεί η διαθεσιμότητα των κόμβων,

να μην υπάρξουν δικτυακές ασυνέχειες(disconnections) λόγω αποτυχίας κόμβων και ναεπι κυνθεί ω και λειτου ία του δικτύου

Δευτερεύουσες επιδιώξεις:

Η αξιόπιστη και ασφαλής μεταφορά των δεδομένων πουσυλλέγουν οι αισθητήρες προς μια κεντρική δεξαμενή

(sink)

Περιορισμός της καθυστέρησης (latency) στη μετάδοσηκαι παράδοση δεδομένων στο sink

31

Π ά άζ


32/39

Παράγοντες που επηρεάζουν το

σχεδιασμό SN Ανοχή σε σφάλματα (Fault Tolerance)

To δίκτυο πρέπει να παραμένει λειτουργικό ακόμα και αν

κάποιοι κόμβοι αποτυγχάνουν Κλιμάκωση (Scalability)

Πως επηρεάζεται η απόδοση σε σχέση με την πυκνότητα

των κόμβων ή/και την αύξηση του όγκου διακινούμενηςπληροφορίας (π.χ. καταγραφή μεγάλου όγκουπεριβαλλοντικών δεδομένων)

Περιορισμοί υλικού (Hardware Constrains)

Τι λειτουργικότητα/δυνατότητες μπορώ να ενσωματώσωσε ένα κόμβο κόστους < 1 $ ;;

32

Π ά άζ


33/39


σχεδιασμό SN Δικτυακή τοπολογία (Sensor Network Topology)

Φάσεις σχεδιασμού ανάπτυξης (predeployment),

ανάπτυξης (deployment) και ανάπτυξης επιπλέονκόμβων (postdeployment)

Περιβάλλον (Environment)

Οι κόμβοι μπορεί να τοποθετηθούν στο βυθό τηςθάλασσας, στο σώμα ενός άγριου θηλαστικού, πίσω απότις γραμμές του εχθρού, στην επιφάνεια του ωκεανούκατά τη διάρκεια ενός τυφώνα ή τσουνάμι, κλπ

Συχνά αναπτύσσονται σε περιβάλλοντα μεηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές

33

Π ά άζ


34/39


σχεδιασμό SN Μέσο μετάδοσης (Transmission Media)

Διαλειτουργικότητα επιτυγχάνεται εφόσον όλοι οι κόμβοι

διασυνδέονται στο ίδιο μέσο (π.χ. radio, infrared, opticalmedia)

Κατανάλωση ενέργειας (Power Consumption)

Ενέργεια καταναλώνεται λόγω: Παρακολούθησης και καταγραφής περιβαλλοντικών

συνθηκών (sensing)

Επικοινωνίας (μετάδοσης και λήψης)

Επεξεργασίας δεδομένων

34


35/39

Μοντελοποίηση SN

Ένα WSN μοντελοποιείται ως γράφος

Κόμβοι γράφου: κόμβοιαισθητήρες (sensors)

Ακμές γράφου: ένδειξη δυνατότητας ασύρματηςεπικοινωνίας μεταξύ κόμβων που βρίσκονται εντόςαμοιβαίας εμβέλειας

Στο γράφο αυτό, αυτό που είναι επιθυμητό είναι ναυπάρχει ένα μονοπάτι από κάθε κόμβο προς τον κόμβοπου αναπαριστά τον κόμβοδεξαμενή (sink)

Έτσι εξασφαλίζεται ότι υπάρχει ένας τουλάχιστο τρόπος

(διαδρομή) ώστε κάθε κόμβος του δικτύου να στέλνειδεδομένα μέτρησης στον κόμβοδεξαμενή

35

Σ έ δ λό


36/39

Στρατηγικές δρομολόγησης σε

ασύρματα δίκτυα αισθητήρων

36

•∆ιαδροµή µέγιστης ισχύος (PA): Route 2•∆ιαδροµή ελάχιστης κατανάλωσης ενέργειας (ME) : Route 1

•∆ιαδροµή ελάχιστων βηµάτων (MH):Route 3•∆ιαδροµή µέγιστης ελάχιστης PA: Route 3


37/39

MAC πρωτόκολλα: SMAC Προγραμματισμένος ανταγωνισμός: Οι κόμβοι ξυπνούν μαζί

περιοδικά, ανταγωνίζονται για το κανάλι και ξανακοιμούνται

Τον περισσότερο χρόνο οι κόμβοι κοιμούνται

Χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση αν η κίνηση είναι λίγη

Tradeoff: μεγάλη διάρκεια ζωής μεγάλη καθυστέρησηε άλ πε ίοδο ύπνου

37

Ο χρόνος ξυπνήματος αποτελείταιαπό SYNC (κόμβοι στέλνουν SYNCπακέτα για να συγχρονίσουν ταρολόγια τους) και RTS για εκπομπή

δεδομένων CSMA/CA για μετάδοση στο κανάλι


38/39

MAC πρωτόκολλα: B

To SMAC προδιαγράφει μια επίπεδη τοπολογία(όλοι οι κόμβοι έχουν τον ίδιο ρόλο)

Το ZigBee (περιγράφεται στο πρότυπο προτύπου ΙΕΕΕ802.15.4) είναι ιεραρχικό και προβλέπει δύο ρόλους:

συντονιστές ή Συσκευές Πλήρους Λειτουργίας (FFD)

Συσκευές Περιορισμένης Λειτουργίας (RFD) Μια RFD μπορεί να επικοινωνήσει μόνο με συσκευή

FFD

38


39/39

MAC πρωτόκολλα: B

Το ZigBee ορίζει ένα υπερπλαίσιο, το οποίο ξεκινά μετην εκπομπή ενός beacon (που μεταδίδουν οι FFD)

Οι κόμβοι ρυθμίζουν τα ρολόγια τους με βάση τοbeacon ώστε να έχουν κοινό πρόγραμμα ύπνωσης καιενεργοποίησης

Το υπερπλαίσιο χωρίζεται σε μια ενεργή και σε μιαανενεργή περίοδο (ύπνωση)

Η ενεργή περίοδος αποτελείται από:

beacon

περίοδο ανταγωνισμού (σύμφωνα με το CSMA/CA)

περίοδο χωρίς ανταγωνισμό: κάθε κόμβος μπορεί νααιτηθεί στο συντονιστή του δικτύου εγγυημένα timeslots

για την αποστολή των δεδομένων του. 39

02 - ΣΔΥ50 - ΟΣΣ5 - AdHoc Networks

Documents

Transcript of 02 - ΣΔΥ50 - ΟΣΣ5 - AdHoc Networks