Ryhmälähetys mobiileissa ad hoc -verkoissa

Transkriptio

1 Teijo Venäläinen Ryhmälähetys mobiileissa ad hoc -verkoissa Tietotekniikan erikoistyö 20. tammikuuta 2006 Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos Jyväskylä

2 Tekijä: Teijo Venäläinen Yhteystiedot: Työn nimi: Ryhmälähetys mobiileissa ad hoc -verkoissa Title in English: Multicast in Mobile Ad Hoc Networks Työ: Tietotekniikan erikoistyö Sivumäärä: 55 Tiivistelmä: Ryhmälähetys on tapa lähettää dataa jollekin joukolle kuluttamatta turhaan tietoliikennekaistaa. Tämä on erityisen tärkeää mobiiliverkoissa, joissa kaistasta on aina pulaa. Mobiililaitteet voivat muodostaa keskenään ns. mobiilin ad hoc -verkon (MANET) ilman minkään ulkopuolisen laitteen ohjausta. Tällainen verkko voi toimia siis täysin ilman olemassaolevaa verkkoinfrastruktuuria. MANET:ille on olemassa monia käyttökohteita, kuten esimerkiksi pikainen verkon pystytys katastrofialueilla, erilaiset sensoriverkot tai matkapuhelinverkon kapasiteetin parantaminen. Ryhmälähetyksen ja MANET:n yhdistäminen on tällä hetkellä tärkeä tutkimusaihe. English abstract: Multicasting is a bandwidh-efficient way to send data to a specific group. This is especially important in mobile networks where bandwidht is limited. Mobile nodes may form a mobile ad hoc -network (MANET) amongst them, without any help from other equipment. This kind of network may function without any existing network infrastructure. There are many applications for MANET, like emergency networks in catastrophic areas, sensor networks or enhancing cellular network s capacity. Combining multicast and MANET is a crucial researh issue nowadays. Avainsanat: ryhmälähetys, ad hoc, protokolla Keywords: multicast, ad hoc, protokolla

3 Sisältö 1 Johdanto 1 2 Ryhmälähetys Ryhmälähetysen tarve Multicast reititys Ryhmien muodostus Multicast-puut Lähdepuut Jaetut puut Hybridimallit Mobiilit ad hoc -verkot Yleistä ja käyttökohteita Solun sisäinen dataliikenne Dataliikenne solun ulkopuolelle Reititys mobiileissa ad hoc -verkoissa Reitityksen haasteet Proaktiivinen reititys Reaktiivinen reititys Ryhmälähetys MANET:issa Yleistä Ryhmien rakenteet Protokollien perustyypit CAMP Reititysinformaatio Ryhmään liittyminen ja ryhmästä poistuminen Topologian muutokset ADMR Pakettien välittäminen Reititysinformaatio Lähettäjäksi tuleminen i

4 4.5.4 Ryhmään liittyminen ja ryhmästä poistuminen Topologian muutokset ja puun korjaustoimenpiteet MAODV Unicast-toiminto (AODV) Reititysinformaatio Pakettien lähettäminen Ryhmään liittyminen ja ryhmästä poistuminen Puun korjaus Puiden yhdistäminen ODMRP Reititysinformaatio Liittyminen ja ryhmälähetys Ryhmästä poistuminen ja topologian muutokset Ryhmälähetysprotokollien vertailua Kvalitatiivinen vertailu ADMR, MAODV ja ODMRP vertailussa Ryhmän koon vaihtelu Lähettäjien lukumäärän vaihtelu CAMP ja ODMRP vertailussa Solmujen nopeuksien vaikutus Ryhmän koon vaikutus Lähettäjien lukumäärän vaikutus Tutkimusten johtopäätöksiä Viitteet 51 ii

5 1 Johdanto Nopeiden internet-yhteyksien määrä on kasvanut viime vuosina valtavasti. Samoin markkinoille tulee yhä uusia sovelluksia, jotka vaativat nopeaa yhteyttä. Esimerkkejä näistä ovat esimerkiksi videoneuvottelu, televisio-ohjelmien katsominen ja erilaiset moninpelit. Kaikkien edellämainittujen sovellusten liikennöinti verkossa noudattaa samanlaista kaavaa: lähettäjä välittää dataa jollekin ryhmälle vastaanottajia. Tästä syystä onkin kehitetty ryhmälähetystekniikka, jolla edellä mainitun kaltainen liikennöinti saadaan toteutettua mahdollisimman vähällä vaivalla. Mobiililaitteet ovat myös nykyään kovassa huudossa, kun perinteisen internetin sovelluksista ja palveluista tehdään mobiiliversioita. Laitteille kehitetään jatkuvasti myös täysin uudentyyppisiä sovelluksia, jotka ovat tiukasti kytköksissä mobiiliuteen. Mobiili ad hoc-arkkitehtuuri on keino, jolla (yleensä) langattomat laitteet voivat muodostaa keskenään toimivan verkon. Mobiili ad hoc-verkossa (MANET) kaikki mobiililaitteet (eli solmut) ovat sekä päätelaitteita että reitittimiä. Ryhmälähetyksen toteuttamista MANET:issa ei ole tutkittu vielä kovin paljoa, pääpainon ollessa tavallisten yhdeltä yhdelle -protokollien tutkimuksessa. Ryhmälähetysprotokollia on toki kehitetty, mutta ne eivät ole vielä lähellekään valmiita. Luku 2 käsittelee ryhmälähetystä. Luvussa esitetään, miksi sitä tarvitaan ja periaatteet sen toteuttamiseksi. Luvussa 3 selvitetään, mikä on mobiili ad hoc -verkko ja miten reititys toteutetaan siinä. Luku 4 esittelee ryhmälähetyksen toteutusta mobiilissa ad hoc -verkossa. Luvussa esitetään kaksi erilaista ryhmän luomistapaa, sekä muutamia mobiileissa ad hoc -verkoissa toimivien ryhmälähetysprotokollien perustyyppejä. Luvun lopuksi tutustutaan hieman tarkemmin neljään erilaiseen ryhmälähetysprotokollaan. Viimeiseen lukuun on koottu vertailevien tutkimusten tuloksia ja niiden johtopäätöksiä luvussa 4 esitetyistä protokollista. 1

6 2 Ryhmälähetys Ryhmälähetys (engl. multicast) tarkoittaa viestintää tietylle ennaltamäärätylle joukolle, joka on yksilöity joukolle yhteisellä osoitteella. Tässä luvussa selvitetään aluksi, miksi ryhmälähetys on tietyissä tapauksissa tarpeellista. Sen jälkeen vertaillaan ryhmälähetyksen eroa normaaliin pakettien lähetystapaan internetissä. Lopuksi tutustutaan pintapuolisesti ryhmien muodostamiseen ja ryhmälähetyspuihin [2]. 2.1 Ryhmälähetysen tarve Suurin osa TCP/IP-protokollapinoa käyttävästä tietoliikenteestä on yhdeltä yhdelle (engl. unicast) liikennettä. Siinä yksi lähettäjä lähettää yhdelle vastaanottajalle paketteja. Lähettäjällä ja vastaanottajalla on molemmilla omat IP-osoitteensa, joiden perusteella paketit reititetään perille. Toinen, vähemmän käytetty tapa on lähettää dataa kaikille laitteille (engl. broadcast), erityisellä yleislähetysosoitteella varustetulla viestillä. Esimerkiksi ns. nettipeleissä, sekä videoneuvottelussa ja televisio-ohjelmien lähetyksessä internetin välityksellä yksi taho (palvelin tai tavallinen tietokone) joutuu lähettämään täsmälleen saman datan monelle vastaaottajalle. Perinteisin menetelmin lähetys voitaisiin toteuttaa siten, että sama data lähetettäisiin unicast-menetelmällä jokaiselle vastaanottajalle erikseen (kuva 2.1). Koska esimerkiksi reaaliaikaisen videokuvan välitys vaatii melko suurta tiedonsiirtokaistaa, ei tällainen monistaminen ole toivottavaa. 2

7 Kuva 2.1: Unicast-lähetys. Toinen keino olisi välittää videokuva broadcast-menetelmällä (kuva 2.2), jolloin datan lähettäjän ei tarvitse tehdä monistusta. Nyt videokuva välittyy koko verkolle. Kaikki laitteet eivät kuitenkaan välttämättä halua vastaanottaa dataa, jolloin syntyy turhaa liikennettä verkossa. Lisäksi broadcast-viestejä ei tietoturva- ja kaistansäästösyistä juurikaan päästetä aliverkkojen ulkopuolelle, joten edellä mainitut sovellukset eivät käytännössä voi lainkaan käyttää yleislähetystä. Kuva 2.2: Broadcast-lähetys. Koska edellämainitut menetelmät eivät sovi hyvin datan lähettämiselle vastaanottajajoukolle, on ollut tarpeen kehittää menetelmä juuri tätä tilannetta varten. Menetelmää kutsutaan ryhmälähetykseksi ja sen periaate muistuttaa hieman yleislähetystä. Lähettäjän tarvitsee lähettää dataa vain yhteen, ryhmän yksilöivään ryhmä- 3

8 lähetysosoitteeseen, jolloin vältetään datan monistaminen. Verkko osaa nyt välittää datan osoitteen perusteella vain sitä vastaanottaville laitteille, jolloin vältetään broadcastin aiheuttama ylimääräinen kuormitus. 2.2 Multicast reititys Internetiin yhteydessä olevat tietokoneet on jaoteltu eri kokoisiin aliverkkoihin. Tällä tavoin saadaan esimerkiksi eri maantieteellisillä alueilla ja eri organisaatioiden laitteet pidettyä loogisella tasolla erillään. Toinen tärkeä syy aliverkotukseen on rajallisen IP-osoiteavaruuden saaminen riittämään yhä kasvaville laitemäärille. Internetin arkkitehtuuri koostuukin aliverkoista ja niitä yhdistävistä reitittimistä. Reitittimien tehtävänä on hallita liikennettä verkossa siten, että periaatteessa kaikki verkkoon kytketyt laitteet pystyvät viestimään toisilleen. Reitittimet pitävät yllä enemmän tai vähemmän reaaliaikaista tietoa verkon topologiasta ja pystyvät siten ohjaamaan tietoliikennettä lähettäjiltä vastaanottajille. Kuva 2.3: Ryhmälähetys. Ryhmälähetyksessä kaistan säästöä saavutetaan muodostamalla lähettäjästä ja vastaanottajista puumaisen rakenteen omaava joukko. Puun juurena on lähettäjä (täsmällisemmin sanottuna juurisolmu on reititin, jonka liityntään lähettäjä on kytketty) ja alisolmuina ovat muut ryhmälähetykseen osallistuvat reitittimet. On tärkeää huomioida, että kaikki verkon reitittimet eivät välttämättä tue ryhmälähetystä, eivätkä siten voi olla osallisena reitityspuussa, vaikka niillä olisikin muuten yhteys ryhmälähetystä vastaanottaviin solmuihin/laitteisiin. Nämä voivat olla joko suorassa yhteydessä vastaanottajiin tai ovat yhteydessä toisiin ryhmälähetykseen osal- 4

9 listuviin reitittimiin. Solmulla voi olla yksi tai useampi alisolmu. Jokainen reititin monistaa saamiaan ryhmälähetysviestejä vain niin monta kuin sillä on suoria alisolmuja. Puumaisella rakenteella saavutetaan oleellista hyötyä: yhdelläkään reitittimien välisellä linkillä ei esiinny samaa viestiä kahta kertaa, eikä viesti voi saapua solmulle useampaa kuin yhtä reittiä. Lisäksi reitittimien reitityspäätökset yksinkertaistuvat: jos reitittimellä on alisolmuja, välitetään viesti niille aina. Kuvassa 2.3 on esitetty yksinkertainen multicast-reititystä käyttävä verkko ja siihen liittyvä reitityspuu. 2.3 Ryhmien muodostus Jotta halukkaille vastaanottajille voitaisiin lähettää dataa ryhmälähetyksenä, on niistä ensin koottava ryhmä ja annettava sille osoite. Aloitteen ryhmän luomiseksi tekee se laite, joka haluaa lähettää multicast-paketetteja. Reitittimestä, johon aloitteen tekevä laite on kytketty, tulee luotavan reitityspuun juurisolmu. Halukkaat vastaanottajat lisätään juurisolmun alisolmuiksi. Alisolmujen lisäykseen on olemassa kaksi tapaa: ns. datapohjainen (engl. data-driven) ja vastaanottajapohjainen (engl. receiverdriven). Datapohjaisessa menetelmässä juurisolmu lähettää tasaisin väliajoin ryhmälähetysviestejä ns. tulvimismenetelmällä, jolloin kaikki verkon laitteet saavat viestit. Jos laite ei halua vastaanottaa ryhmälähetystä, on sen ilmoitettava siitä erikseen lähimmälle reitittimelle (solmulle). Reititin harventaa (engl. prune) tällöin itsensä puusta, jos yksikään siihen kytketyistä laitteista ei halua vastaanottaa ryhmälähetystä. Harvennuksella estetään turhaa ryhmälähetystä laitteille, jotka eivät sitä vastaanota. Datapohjainen menetelmä on käyttökelpoinen, jos suurin osa verkon laitteista haluaa vastaanottaa ryhmälähetystä. Tällöin ryhmälähetyksen tulvinta koko verkkoon ei tuhlaa liikaa kaistaa. Vastaanottajapohjaisesti toimiessa jokaisen laitteen tulee ilmoittaa, jos se haluaa vastaanottaa ryhmälähetystä. Laitteille ei siis ohjata multicast-viestejä ennen kuin laite on halukkuudestaan erikseen ilmoittanut. Ryhmälähetyspuuta kasvatetaan solmu kerrallaan tarpeen mukaan. Puun harvennus on usein ajastimiin perustuvaa, jossa solmu poistetaan, jos siltä ei ole tullut määräajan sisällä ilmoitusta halukkuudesta vastaanottaa ryhmälähetystä. Laitteiden tuleekin lähettää toistuvasti ilmoitus, jotta se pysyy osana multicast-ryhmää. Vastaanottajapohjainen menetelmä soveltuu paremmin sellaisille verkoille, joissa ryhmälähetystä vastaanottavien reitittimien osuus on pieni. Jokaiselle ryhmälle annetaan oma ryhmälähetysosoite, jonka perusteella ryh- 5

10 mät voidaan erottaa toisistaan. Ryhmän jäsenet käyttävät tätä osoitetta lähettääkseen ryhmälähetysviestejä ja verkon reitittimet osaavat osoitteen perusteella välittää viestit jokaiselle ryhmän jäsenelle. Osoitteeksi valitaan kullekin ryhmälle jokin IP-osoiteavaruuden ryhmälähetysosoitteille varatuista IP-osoitteista. 2.4 Multicast-puut Ryhmälähetyspuu kuvaa kaikkia linkkiyhteyksiä, joita pitkin ryhmälähetysviestit kulkevat lähettäjältä kaikille vastaanottajille. Solmun (reitittimen) kannalta on sama, millainen alipuu reitittimen lapsisolmujen alla on. Reitittimelle riittää siis vain tieto, että lapsisolmu vastaanottaa ryhmälähetysviestejä, jolloin se lähettää yhden viestin kutakin lapsisolmuaan kohti. Multicast-ryhmällä voi aina olla joko yksi tai useampi lähettäjä, sekä yksi tai useampi vastaanottaja. On olemassa kaksi eri tyyppistä ratkaisua reitityspuun määrittelemiseksi: lähdepuut (engl. source-based tree) ja jaetut puut (engl. group shared trees) Lähdepuut Tässä ratkaisussa jokaiselle ryhmän lähettäjälle muodostetaan oma reitityspuunsa, jossa lähettäjä on juurena. Reitit lähettäjältä vastaanottajille ovat edullisimpia mahdollisia. Tavallisesti edullisin reitti on sellainen, jossa viestin välitys lähettäjältä kohteisiin vie vähiten aikaa. Jos multicast-ryhmässä on N kappaletta ryhmäviestejä lähettäviä laitteita, muodostuu ryhmälähetyspuita myös N kappaletta. Lähdepuumenetelmän heikkous piilee juuri tässä, koska jokainen ryhmälähetysreititin pitää yllä reititystietoja jokaisen ryhmän jokaisesta reitityspuusta. Tämän vuoksi ylläpidettävä reititystieto kasvaa helposti hyvin suureksi, joka vaikuttaa suoraan mm. muistin kulutuskseen reitittimillä. Reitittimet saattavat aika ajoin ilmoittaa isäntäsolmulleen, minkä kaikkien ryhmän lähettäjien viestejä se vastaanottaa. Tämä tietää lisää ylimääräistä liikennettä, varsinkin jos ryhmillä on useita lähettäjiä. Kuvassa 2.4 on esitetty kolme lähettäjää omaavan ryhmän lähdepuu. Solmut ovat kuvan 2.3 reitittimiä Jaetut puut Jaetussa puussa jokaista ryhmää kohti muodostetaan vain yksi reitityspuu. Verkon reitittimistä valitaan yksi reititin eräänlaiseksi keskukseksi, jonka kautta kaikki ryhmälähetysviestit kulkevat. Jaetun puun juurena on valittu keskusreititin. Jokainen 6

11 lähettäjä lähettää ensin viestinsä keskusreitittimelle, joka ohjaa viestit kaikille ryhmän vastaanottajille. Nyt jokaisen verkon reitittimen tarvitsee ylläpitää jokaista ryhmää kohti tietoa vain yhdestä reitityspuusta, koska viestit ovat lähtöisin aina samalta solmulta lähettäjästä riippumatta. Vastaanottajien ilmoittaminen isäntäsolmuille hoituu nyt pienemmällä informaatiolla kuin lähdepuumenetelmässä. Haittapuolena jaetussa puussa on reitityspuun toiminnan riippuvuus yhdestä solmusta, eli keskusreitittimestä. Verkon liikenne keskittyy yhdelle reitittimelle, jolloin sen ylikuormittuminen tai vaikkapa vikaantuminen pahimmillaan lamaannuttaa ryhmäviestien levityksen. Toinen heikkous jaetulla puulla on ei-optimaaliset reitit lähettäjiltä vastaanottajille. Esimerkiksi toistensa naapurina olevat reitittimet eivät välttämättä voi lähettää toisilleen ryhmälähetysviestejä suoraan, vaan ne kierrätettävä keskusreitittimen kautta. Tämä aiheuttaa tietenkin viivettä. Edellämainittuja haittoja voidaan minimoida huolellisella keskusreitittimen valinnalla ja määrittämällä varallaolevia keskusreitittimiä. Hyvin valittu keskusreititin takaa mahdollisimman tasapuolisen viiveen jokaiselle vastaanottajalle. Kuvassa 2.4 näkyy sama kolmen lähettäjän multicast-ryhmä toteutettuna jaetulla puulla. Solmut ovat kuvan 2.3 reitittimiä. Kuva 2.4: Lähde- ja jaettu puu Hybridimallit Jaettua puuta käyttävä malli, jossa solmujen liittäminen toteutetaan vastaanottajapohjaisesti on todettu nykyään parhaimmaksi käytännössä. Joskus ryhmälähetysliikenteen jakautuminen verkossa voi olla sellaista, että olisi edullisempaa käyttää lähdepuita. Jos esimerkiksi reititin X havaitsee, että se vastaanottaa lähes kaiken datansa samalta lähettäjältä, voidaan solmun ja lähettäjän väliin luoda lähdepuu. 7

12 Puun juurisolmuna on tällöin lähettäjä ja muina solmuina ovat solmun X ja lähettäjän välillä olevat reitittimet. Tällöin dataa ei tarvitse kierrättää keskussolmun kautta, jolloin viestityksen viive pienenee ja kaistaa säästyy. 8

13 3 Mobiilit ad hoc -verkot Termi ad hoc on peräisin latinan kielestä ja tarkoittaa tarkoituskohtaista. Tietotekniikassa termillä tarkoitetaan sellaista tietoverkkoa, jonka jäsenenä voidaan olla tarvittaessa vain väliaikaisesti [1]. Jäsenyys voi kestää esimerkiksi verkkoa tarvitsevan sovelluksen käynnissäoloajan. Langattomien laitteiden ollessa kyseessä verkon jäsenyys voi kestää niin kauan kuin laite on viestimiskantaman sisällä ad hoc -verkosta. Ad hoc -verkoille on ominaista, että sen solmut järjestäytyvät verkoksi omatoimisesti ilman minkään keskuslaitteen ohjausta. Verkkoon voidaan liittyä ja siitä voidaan poistua vaivattomasti ja nopeasti. Mobiili ad hoc -verkko (engl. Mobile Ad hoc NETwork, MANET) on mobiililaitteista koostuva ad hoc -verkko. Mobiililaitteet ovat useimmiten langattomia päätelaitteitä, mutta MANET voi sisältää myös langallisiakin laitteita, kunhan ne vain pystyvät liikkumaan. Tästä eteenpäin käsitellään nimenomaan mobiileja ad hoc -verkkoja. Ensin selvitetään MANET:in historiaa, sekä nykysiä ja tulevia käyttökohteita. Sen jälkeen tutustutaan reititykseen MANET:issa. 3.1 Yleistä ja käyttökohteita Mobiili ad hoc -verkkoarkkitehtuuri on alunperin kehitetty sotilastarkoituksiin. Yhdysvaltain puolustusministeriön organisaation DARPA:n (Defense Advanced Research Projects Agency) tuli kehittää armeijan tarpeisiin tietoverkko, joka tulee pystyä toimimaan vaativissa taistelukenttäolosuhteissa. Verkon solmut ovat tällöin joko sotilaita tai sotilasajoneuvoja. Solmujen ei voi olettaa pysyvän paikoillaan, ja solmujen väliset yhteydet saattavat mennä usein poikki. Verkon tulee myös pystyä toimimaan ilman kiinteää tietoliikenneverkon infrastruktuuria, koska sitä ei yleensä ole olemassa. DARPA:n kehittämä arkkitehtuuri on tullut sittemmin julkiseksi, joten sitä on voitu ryhtyä käyttämään myös muissa sovelluksissa, kuten esimerkiksi pikaiseen tietoliikenneverkon luomiseen katastrofialueella. Mobiililaitteiden erittäin nopea yleistyminen tuo tilanteita, joissa nopea ja helppo verkon muodostaminen laitteiden kesken on tarpeen. Joukko ihmisiä, esimerkiksi kaveriporukka, voi kohdata kaupungilla ja ryhtyä pelaaman jotain peliä mobiililaitteillansa tai heillä on jokin muu tarve vaihtaa tiedostoja keskenään. Luennolla voidaan tarvittava oppimateriaali lähettää luokan oppilaiden mobiililaitteisiin MANET:n avulla. Erilaiset sensoriverkot ovat 9

14 tärkeä käyttökohde ad hoc -verkolle. Yksittäisiä sensoreita on yleensä erittäin suuri määrä, eikä niitä kustannussyistä kannata yhdistää kiinteällä kaapelilla tai sensorien sijainti estää kaapeloinnin täysin. Verkon kykeneminen jokaisen solmunsa automaattiseen konfigurointiin on suuri etu, koska sensoriverkon manuaalinen konfigurointi olisi erittäin työlästä. Nykyisen matkapuhelinverkkojen kapasiteettia pystyttäisiin parantamaan MA- NET:in avulla. Matkapuhelinverkko koostuu useista pienemmistä soluista. Kaikki tietoliikenne solun alueella kulkee sen tukiaseman kautta, riippumatta lähettäjän ja vastaanottajan sijainnista. Ne voivat sijaita eri soluissa eri mantereilla tai samassa solussa metrin päässä toisistaan. Tukiasema muodostuu pullonkaulaksi, kun matkapuhelinten määrä ja tiedonsiirtomäärät solussa lisääntyvät. Internet-yhteyttä käyttävät sovellukset ovat lisääntyneet matkapuhelimissa viime aikoina. Ne kuluttavat matkapuhelimen tiedonsiirtokaistaa yleensä huomattavasti enemmän kuin perinteiset puhelut. Seuraavaksi havainnollistetaan kahdella esimerkillä, miten mobiilia ad hoc -verkkoa hyväksikäyttämällä voidaan soluverkkojen tukiasemien taakkaa keventää [5] Solun sisäinen dataliikenne Otetaan esimerkkinä tilanne, jossa henkilö A haluaa lähettää ottamansa valokuvan B:lle matkapuhelimellaan. Henkilöt ovat töissä samassa rakennuksessa, mutta eivät pääse tapaamaan toisiaan, jotta he voisivat suorittaa tiedonsiirron infrapunalinkillä. Niinpä A päättää lähettää kuvan sähköpostin liitetiedostona. Sähköposti siirtyy radiotietä pitkin tukiasemalle, sieltä kiinteää verkkoa pitkin internetiin A:n ja B:n sähköpostipalveluihin. Aikanaan sähköposti saapuu B:lle saman tukiaseman välityksellä (kuva 3.1). 10

15 Kuva 3.1: Perinteinen solun sisäinen datan siirto. Jos taas käytettäisiin hyväksi MANET:ia, ei tukiaseman tarvitsisi osallistua em. datan siiroon ollenkaan. A voisi ottaa B:hen yhteyden mobiililaitteiden C ja D välityksellä. Myös tavallisia solunsisäisiä puheluita voitaisiin välittää MANET:n kautta (kuva 3.2). Kuva 3.2: Datansiirto solun sisällä ad hoc -periaatteella Dataliikenne solun ulkopuolelle Jos mobiililaitteiden tietoliikenne ei kohdistu toisiinsa, vaan esimerkiksi palvelimille internetissä, on tilanne hieman erilainen. Nytkin MANET:ista voi olla hyötyä verrattuna tilanteeseen, jossa kaikki laitteet liikennöisivät tukiaseman kautta. Nyt voidaan muodostaa ad hoc -verkko, jossa osa mobiililaitteista toimii ns. pääsypisteinä 11

16 internetiin (engl. access point). Pääsypisteet toimivat eräänlaisina ylimääräisinä tukiasemina, joiden kautta osa soluverkon mobiililaitteista voisi olla yhteydessä internetiin. Tämä vähentäisi oikean tukiaseman kuormitusta. Pääsypisteillä tulee itsellään olla jokin muu yhteys internetiin kuin soluverkon tukiasema, esimerkiksi kiinteä verkkoyhteys. Kannettavat tietokoneet, joissa on langaton tukiasema voisi olla tällainen pääsypiste. 3.2 Reititys mobiileissa ad hoc -verkoissa Jotta datan lähettäminen verkon yli onnistuisi, on jokaisen reitittimen pystyttävä ohjaamaan datapaketit kohti haluttua vastaanottajaa. Tämän takaamiseksi tarvitaan jokin reititysprotokolla. Reititysprotokollan tulee pystyä suoriutumaan kahdesta tehtävästä: reitin löytämisestä ja reitin ylläpitämisestä. Aina kun verkon linkkien tila muuttuu lähettäjän ja vastaanottajan välillä, on mahdollisesti etsittävä uusi reitti. Reitin löytäminen aiheuttaa aina jonkinasteisen viiveen viestityksen alussa, ja reitin ylläpito kuormittaa tavallisesti verkkoa ylimääräisillä signalointiviesteillä. Kiinteässä verkossa, eli sellaisessa jossa solmut eivät liiku, eikä solmujen välisissä yhteyksissä tapahdu useinkaan muutoksia, reitittimet pyrkivät yleensä pitämään itsellään mahdollisimman reaaliaikaista tietoa verkon topologiasta, koska verkon kaista ei kuormitu tarvittavista signalointiviesteistä liikaa. Mobiili ad hoc -verkko on kuitenkin luonteeltaan erilainen kuin kiinteä verkko, joten edellä mainittu toimintatapa ei välttämättä ole siinä paras ratkaisu [3] Reitityksen haasteet Nopea ja satunnainen verkon topologian muuttuminen on suurin haaste reititykselle MANET:issa. Seuraavassa on lueteltu syitä topologian muutoksiin. Solmujen liikkuvuus. Suuri osa mobiilisolmuista on todennäköisesti liikkeessä, jolloin yhteyksiä naapureihin katkeaa ja samalla uusia yhteyksiä muodostuu uusiin naapureihin. Langattomien laitteiden ollessa kyseessä yhteys naapuriin katkeaa useimmiten laitteen liikuttua pois kantamalta. Solmujen liikkuvuus on vain harvoin täysin satunnaista. Tavallisesti liikkuvuus noudattaa jotain tietynlaista mallia. Reititysprotokollan olisi hyvä ottaa liikkuvuuden malli huomioon, jolloin topologiamuutoksia pystyttäisiin ennakoimaan. Solmujen rajallinen käyttöikä. Suurin osa mobiililaitteista saa virtansa akuista, joten laitteet eivät voi olla rajattomiin päällä. Laitteen sammuminen virran 12

17 loputtua irrottaa myös solmun verkosta. Langaton laite saattaa myös akkujen heikettyä siirtyä säästämään virtaa, jolloin se pienentää lähetystehoaan. Tällöin kantama pienenee ja solmun yhteys osaan naapureistaan katkeaa. Langattomien laitteiden lähettämän datan määrä vaikuttaa merkittävästi sen akkujen kestoon, koska langaton lähetys vie helposti suuren osan virrasta. Nykyisillä mobiililaitteilla lähetin ei ole välttämättä suurin tehokuluttaja normaalikäytössä, mutta MANET:issa tilanne saattaa muuttua. Laite saattaa sijaita keskeisellä paikalla verkossa, jolloin sen kautta kulkee paljon muun verkon liikennettä. Myös käytetyn reititysprotokollan reitinhaku ja -ylläpitotoimenpiteet voivat kuluttaa laitteen akkuja, etenkin solmujen liikkuvuuden ollessa voimakasta. Ympäristö ja solun maantieteellinen sijainti. Maantieteelliset esteet ja sääilmiöt aiheuttavat hankaluuksia radiotaajuiselle viestinnälle. Signaalit vaimenevat, hajoavat, sekä heijastuvat esteistä. Tämän johdosta vastaanotetun signaalin voimakkuus on lähes aina vain pieni murto-osa lähetetystä. Jo pienikin lähettäjän ja vastaanottajan suhteellinen liike saattaa aiheuttaa huomattavia vaihteluita vastaanotetun signaalin voimakkuudessa, jolloin yhteys saattaa pätkiä. Tämä ilmenee langattoman laitteen radiokantaman vaihteluina. Yhteys saattaa pätkiä myös laitteen ollessa paikallaan, jos laite sijaitsee sopivassa paikassa esimerkiksi jonkin häiriösignaaleita tuottavan laitteen lähellä. Voidaan olettaa, että suuri osa mobiileista ad hoc -verkoista sijaitsee urbaaneissa ympäristöissä. Tällainen ympäristö sisältää runsaasti esteitä ja häiriölähteitä radiosignaaleille. Asutusalueella nopeasti liikkuvat solmut ovatkin hankalia tapauksia reititysprotokollille. Solmujen vaihtuvuus. Ad hoc -verkon ominaisuuksiin kuuluu jo määritelmän perusteella, että siihen liittyminen ja siitä poistuminen on yksinkertaista. Mobiililaite saattaa liittyä verkkoon vain lähettääkseen yhden pienen tiedoston, jonka jälkeen se irroittautuu verkosta. Tällöin laitetta ei voida käyttää muun verkon liikenteen reititykseen kovin kauaa. MANET sisältää muitakin uusia haasteita reititykselle verrattuna kiinteään verkkoon: Viestien yhteentörmäykset. Langattomat mobiililaitteet lähettävät viestejä broadcast-tyylisesti, jolloin kaikki laitteet kantaman sisällä kuulevat lähetyksen. Tällöin vastaanotin ottaa viestin vastaan, vaikka se ei olisikaan osoitettu kyseiselle laitteelle. Kuvitellaan tilanne, jossa solmun kaksi naapuria (A ja B) lähet- 13

18 tää viestin yhtäaikaisesti. A osoittaa viestinsä solmulle, kun taas B ei. B:n lähetys saapuu solmulle hieman ennen A:n lähetystä, jolloin solmun vastaanotin ryhtyy vastaanottamaan B:n viestiä. Viestit ovat siis törmänneet solmun kohdalla, eikä solmu nyt kykene vastaanottamaan A:lta tullutta viestiä. Solmu havaitsee B:ltä tulleen viestin turhaksi heti kehyksen otsikon luettuaan. Mitä enemmän solmulla on naapureita, sitä yleisempiä törmäykset ovat. Tilanne on osin samanlainen kuin Ethernet-verkossa. Törmäykset ovat kuitenkin paljon haitallisempiä MANET:issa, koska siinä laitteiden tiedonsiirtokaista on hyvin rajoittunut. Suuri reittien määrä. Suuresta solmujen määrästä ja niiden broadcast-tyylisestä viestityksestä johtuen verkon solmujen välille syntyy helposti useita reittejä. Jos reititysprotokolla pitää yllä reaaliaikaista tietoa verkon topologiasta, kasvattavat ylimääräiset reitit reititystaulukoita. Ylimääräisten reittien olemassaolo voi olla myöskin etu reitityksen kannalta, koska verkko sietää nyt enemmän solmujen liikkeitä. Osa reititysprotokollista käyttääkin tätä hyväkseen. Epäsymmetriset linkkiyhteydet. Langattomissa verkoissa ei voida olettaa, että kahden viestivän osapuolen välinen yhteys olisi identtinen molempiin suuntiin. MANET:issa voi olla monia erilaisia langattomia laitteita, joilla on erivahvuiset lähetystehot. Lisäksi kahden identtisen laitteen välinen yhteys voi toimia vain toiseen suuntaan, jos jompikumpi laite on esimerkiksi jonkin häiriölähteen lähellä. Reitti kahden solmun välillä voi kulkea menosuuntaan eri solmujen kautta kuin paluusuuntaan. Useimmat olemassaolevat protokollat olettavat kuitenkin, että kaikki verkon linkkiyhteydet ovat symmetrisiä. Verkon osittuminen. Topologia saattaa verkossa muuttua siten, että verkko jakautuu useisiin pienempiin osiin, joilla ei ole toisiinsa yhteyttä. Solmut voivat liikkua esimerkiksi ryhmissä, jolloin ryhmät saattavat poistua toistensa kantamilta. Verkossa saattaa olla myös joitain tärkeitä solmuja, joiden kautta kulkee kaikki liikenne eri verkon osien välillä. Näiden solmujen pettäminen jakaa verkon. Protokollan tulee pystyä muodostamaan reitit osien välillä heti, kun niiden solmut tulevat taas toistensa kantamille Proaktiivinen reititys Kiinteissä verkoissa yleisimmin käytetty tapa reaaliaikaisen topologiatiedon hankkimiseen on, että kaikki reitittimet levittävät säännöllisesti reititystietojaan muille reitittimille. Tällaista tapaa sanotaan proaktiiviseksi reititykseksi. Topologiatiedot 14

19 saatuaan reitittimet pyrkivät yhteisymmärrykseen parhaista reiteistä jokaiselta solmulta mihin tahansa solmuun. Tätä kutsutaan verkon yhtenemiseksi (engl. convergence). Kaksi hieman toisistaan eroavaa tapaa proaktiiviseen reititykseen on kehitetty: etäisyysvektoriin (engl. distance vector) ja linkkien tilaan (engl. link state) perustuvat algoritmit. Näistä etäisyysvektoriin perustuva on vanhempi, ollen käytössä jo alkuperäisessä ARPANET:issä. Kiinteissä verkoissa nykyisin yleisessä käytössä oleva OSPF (Open Shortest Path First) reititysprotokolla käyttää link state -algoritmia. Etäisyysvektoriin perustuvassa algoritmissa solmu ylläpitää tietoja etäisyyksistä kaikkiin verkon solmuihin. Näitä tietoja solmu lähettää määräajoin kaikille naapurisolmuilleen. Etäisyydet ilmoitetaan tavallisesti hyppyjen lukumäärinä (engl. hop count). Kun viesti kulkee yhden linkkiyhteyden yli, kutsutaan sitä yhdeksi hypyksi. Jos esimerkiksi viesti kulkee lähettäjältä vastaanottajalle kahden muun solmun kautta, tulee hyppyjen lukumääräksi kolme. Reititin saa siis jokaista kohdetta kohti kaikilta naapureiltaan etäisyyden kohteelle. Kun solmu on lähettämässä viestiä kohteelle, vertaa se saamiaan etäisyystietoja toisiinsa. Solmu lähettää viestin sen naapurin kautta, joka oli ilmoittanut pienimmän etäisyyden kohteelle. Kun tämä toistetaan jokaisella solmulla, kulkee viesti lyhintä reittiä vastaanottajalle. Algoritmin heikkouksia ovat hidas verkon yhteneminen, eli algoritmi sietää huonosti muutoksia verkon topologiassa. Toinen huono puoli on silmukoiden muodostuminen reititykseen, koska valitut reitit saattavat perustua vanhentuneisiin etäisyysvektoritietoihin. Linkkien tilaan perustuvassa algoritmissa jokainen solmu pitää yllä tietoja linkkiensä tiloista naapurisolmuihin. Solmu lähettää tietonsa kaikille muille verkon solmuille määräajoin. Jokainen verkon solmu saa siten tiedon koko verkon topologiasta. Jokainen reititykseen osallistuva reititin laskee paketin saatuaan parhaan reitin kohteelle. Paketti lähetetään kohti vastaanottajaa sitä linkkiä pitkin, joka todettiin parhaaksi. Link state -reititys reagoi nopeammin verkon muutoksiin kuin edellinen tapa. Huonona puolena on suurempi laskentatehon tarve reitittimillä ja suurempi kaistan kulutus, koska jokainen solmu mainostaa linkkiensä tilaa koko verkolle. MANET:iin on kehitetty mainituin periaattein toimivia protokollia, kuten DSDV (Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance Vector Routing Protocol) ja OLSR (Optimized Link State Routing Protocol). Proaktiivinen reititys soveltuu parhaiten kiinteälle, melko vähän solmuja sisältävälle verkolle. Vähäinen solmujen määrä on parempi, koska topologiatietojen lähetysviestien lukumäärä kasvaa eksponentiaalisesti solmujen määrään nähden. MANET on taas tyypiltään lähes päinvastainen se saattaa sisältää runsaasti jatkuvassa liikkeessä olevia solmuja. On huomatta- 15

20 va, että topologiatietoja välitetään tavallisesti vakiomittaisin määräajoin. Tällöin ei ole mitään merkitystä, liikkuvatko solmut verkossa vähän vai paljon. Jos liikkuvuus on vähäistä, on osa signalointiviesteistä turhia, koska topologiassa ei ole tapahtunut muutoksia. Jos taas solmut ovat hyvin liikkuvia, eivät signalointiviestit pysy perässä topologian muutoksissa. Proaktiivisen reitityksen ehdoton vahvuus on viiveettömyys viestityksen aloittamisessa. Reitti vastaanottajalle on jo olemassa, joten solmu voi ryhtyä lähettämään dataa välittömästi. Heikkouksia ovat taas reititystaulujen muistin kulutus ja reittien laskemiseen kuluva laskentateho solmulla. Proaktiivinen reititys kuluttaa paljon kaistaa, koska jokainen solmu ilmoittaa kaikille muille solmuille reititystaulunsa tiedot. Mobiilisolmuilla on yleensä käytössä hyvinkin rajoitettu kaista, joten turhia viestejä on pyrittävä välttämään kaikin keinoin. MANET:issa suositaankin yleisesti ns. reaktiivista reititystä Reaktiivinen reititys Proaktiivinen reititys on todettu liian raskaaksi tavaksi vähänkin isommissa mobiileissa ad hoc -verkoissa. Lisäksi verkon yhteneminen ei ole riittävän nopeaa, jotta reittitiedot pysyisivät ajan tasalla vähänkin suuremmalla solmujen liikkuvuudella. Useissa reititysprotokollissa onkin luovuttu reaaliaikaisen topologiatiedon ylläpitämisestä. Reaktiivisessa reitityksessä reitti kohteelle etsitään vain tarvittaessa, eli kun jotain dataa on lähetettävänä. Lähettäjä laittaa liikkeelle reitinpyyntöviestin (engl. route request) lähettämällä sen kaikille naapureilleen. Naapurit välittävät pyyntöä edelleen omille naapureilleen, kunnes reitti kohteelle löytyy. Reitinpyyntöviestiä siis tulvitaan koko verkolle, kunnes reitti löytyy. Kohteen löydyttyä lähetetään reitin vastausviesti (engl. route reply) takaisin lähettäjälle. Nyt reitti tunnetaan ja lähettäjä voi aloittaa pakettien lähettämisen. Reittiä ylläpidetään vain niin kauan kuin sitä tarvitaan. Ylläpitäminen toteutetaan tavallisesti ajastimilla ja reitin pitämisellä muistissa (engl. route caching). Reitin ajastin nollataan aina, kun sitä pitkin kulkee viestejä. Jos ajastinta ei nollata jonkin tietyn ajan kuluttua, poistetaan reitti muistista. Jos solmujen väliset yhteydet reitillä katkeavat, on reitillä suoritettava korjaustoimenpiteitä (engl. route repair tai route re-discovery). Yhteys vastaanottajaan pyritään korjaustoimenpiteillä saamaan uudestaan siten, että uusi reitti poikkeaisi mahdollisimman vähän vanhasta. Reitinkorjaus pyritäänkin suorittamaan niiden solmujen välillä, joiden yhteys toisiinsa on poikki. Reitityksen tehokkuuteen vaikuttaa kaksi keskeistä tekijää: (1) kuinka usein uu- 16

21 sia reittejä pyydetään, ja (2) kuinka paljon reiteillä joudutaan tekemään korjaustoimenpiteitä. Jos verkon solmut lähettävät usein dataa, liikkuu verkossa paljon yhtäaikaisia reitinpyytöviestejä, koska jokainen pyyntöviesti tulvitaan koko verkon yli. Tällöin tapahtuu paljon viestien törmäämistä, jolloin reittejä ei välttämättä löydetä vastaanottajille tai reitit eivät ole hyviä. Mitä enemmän reittejä pidetään muistissa, sitä paremmin selvitään useista reittipyynnöistä. Myös reittipyyntöjen suuntaaminen kohti vastaanottajaa auttaa vähentämään tulvinnasta johtuvaa kaistan kulutusta. Reitin korjaustoimenpiteitä taas joudutaan tekemään usein, jos solmut liikkuvat paljon. Saman viestimissession aikana voi lähettäjän ja vastaanottajan välinen yhteys katketa useamman kerran. Lisääntyneet korjausviestit tuovat ylimääräistä liikennettä verkkoon. Parhaiten reaktiivinen reititys pärjää, kun uusia reittipyyntöjä tulee verkossa melko harvoin ja solmut eivät liiku paljoa. Reaktiivisen reitityksen hyviä puolia ovat pienempi kaistan kulutus proaktiiviseen menetelmään verrattuna useimmissa tapauksissa, sekä solmun muistin ja laskentatehon pienempi kulutus. Nämä ovatkin kriittisiä vaatimuksia MANET:issa. Huonona puolena voidaan pitää reitin etsimisestä aiheutuva viive viestityksen aloittamisessa. 17

22 4 Ryhmälähetys MANET:issa Kaikenlaisten mobiililaitteiden ja ryhmälähetystä tarvitsevien sovellusten yleistyessä on ollut järkevää keskittää tutkimustyötä näiden kahden yhdistämiseksi. Suurin osa nykyisistä kiinteän verkon ryhmälähetyssovelluksista voidaan lähitulevaisuudessa siirtää mobiililaitteisiin. Lisäksi mobiilius tuo aivan uusia sovellusmahdollisuuksia ryhmälähetykselle. Tutkimustyö on keskittynyt viimevuosina lähinnä MA- NET:in unicast-protokollien kehitykseen, multicastin jäädessä vähemmälle huomiolle. Unicast-protokollia ei ole suunniteltu selviämään ryhmälähetyksestä, eikä niitä kehittäessä olla juurikaan mietitty mahdollista multicast-laajennusta. Kiinteän verkon multicast-protokollia ei voida käyttää MANET:issa, koska niitä ei olla suunniteltu selviämään jatkuvista verkon topologian muutoksista. Ryhmälähetyspuut rikkoutuvat helposti ja niihin pitää tehdä usein muutoksia. Luvussa kerrotaan aluksi multicast-ryhmien muodostamisesta MANET-ympäristössä. Sen jälkeen esitetään muutamia ryhmälähetysprotokollien perustyyppejä. Luvun loppuosassa selvitetään perusteet yhteensä neljästä eri periaatteilla toimivasta protokollasta. 4.1 Yleistä Ryhmälähetys ja reititys vaativat kumpikin toimiakseen tietoliikenneprotokollan. Protokollan toiminta kuormittaa aina verkkoa ja sen laitteita. Kun mobiiliin ad hoc - verkkoon lisätään unicast-reitityksen lisäksi tuki ryhmälähetyksille, seuraa siitä väistämättä verkolle ja laitteille lisää kuormitusta. Periaate MANET:in ryhmälähetykselle on sama kuin kiinteiden verkkojen tapauksessa: muodostetaan rajattu ryhmä, jolle voidaan lähettää viestejä ryhmälähetysosoittetta käyttäen. Ryhmistä voidaan muodostaa, sekä lähdepuita että jaettuja puita (kts. 2.4). MANET on kuitenkin hyvin dynaaminen, eli verkon topologia muuttuu usein. Puumaiset rakenteet eivät siksi aina sovellu hyvin MANETympäristöön. Sen johdosta osaan protokollista onkin kehitetty toisenlainen menetelmä, jossa solmuille on olemassa useampia reittejä, joita pitkin ryhmälähetysviestit kulkevat. Tätä selvitetään tarkemmin seuraavassa. 18

23 4.2 Ryhmien rakenteet Kuten luvussa 2 mainittiin, puumainen rakenne on kaistaa säästävä ratkaisu multicast-ryhmien muodostamiseksi. Viestit kulkevat puuta pitkin siten, että viesti voi tulla solmulle vain yhtä reittiä pitkin. Mobiileissa ympäristöissä kaistasta onkin yleensä suuri pula, joten puurakenne tuntuisi periaatteessa hyvältä ratkaisulta MA- NET:iinkin. Mutta vahvuus saattaa kuitenkin helposti kääntyä heikkoudeksi, koska solmujen väliset linkkiyhteydet ovat MANET:issa epävakaita. Ryhmälähetyspuussa jokainen puun solmu on kiinnitetty johonkin tiettyyn reitittimeen. MANET ympäristössä verkon topologia on kuitenkin jatkuvassa muutoksessa, jolloin puun solmujen väliset yhteydet katkeilevat. Ryhmälähetysviestit eivät enää saavuta katkeamiskohdan jälkeisiä solmuja. Puu vaatii korjaustoimenpiteitä, joissa solmujen välille yritetään löytää uusi reitti verkosta. Korjaustoimenpiteet vaativat aina ylimääräistä viestitystä, jolloin verkko kuormittuu. Mitä dynaamisempi topologia verkolla on, sitä useammin joudutaan ryhmälähetyspuuta korjaamaan. Toisenlainen tapa on luopua kaistansäästövaatimuksista topologian muutosten sietämisen hyväksi. Ryhmät muodostetaan kokoamalla ryhmän jäsensolmuista ja tavallisista solmuista eräänlainen aliverkko (engl. mesh). Jäsensolmujen ja niiden liikennettä välittävistä solmuista käytetään myös nimitystä välitysryhmä (engl. forwarding group). Aliverkon solmuilla sallitaan useita yhteyksiä toistensa välillä, joten usein lähettäjien ja vastaanottajien välillä on useita vaihtoehtoisia reittejä. Ryhmälähetysviestit tulvitaan aliverkon sisällä, jolloin viesti kulkee jokaisen jäsensolmun kautta. Nyt solmujen välisten yhteyksien katkeamiset eivät haittaa niin paljoa, koska tulvittu viesti saapuu perille todennäköisesti jotain toista reittiä. Tulviminen tuo tietysti lisää turhaa kuormitusta verkkoon, koska yksikin ehjä reitti lähettäjältä vastaanottajalle riittäisi. MANET-ympäristön solmut lähettävät viestinsä kuitenkin joka tapauksessa broadcast-tyyppisesti, jolloin kaikki naapurit kuulevat viestin. Tulvimisesta ei siis aiheudu viestiä lähettäessä yksittäiselle solmulle ylimääräistä kuormaa, koska viestiä ei tarvitse monistaa useita kappaleita. Lisäksi ylimääräinen viestitys maksaa itseään takaisin, koska puurakenteille tyypillisiä korjaustoimenpiteitä ei yleensä tarvitse tehdä. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että puurakenteet soveltuvat paremmin melko staattisiin verkkotopologioihin, joissa ne pystyvät tuomaan kaistansäästöä. Ryhmälähetysaliverkko pääsee oikeuksiinsa vasta hyvin dynaamisissa verkoissa, joissa viestien perillemeno on epävarmempaa. Yksittäisen solmun kannalta rakenteiden tärkein ero on seuraava: mesh-rakenteessa jokainen ryhmälähetysaliverkon jäsenreititin välittää eteenpäin miltä tahansa reitittimeltä kuulemansa ryhmälähetysviestin. 19

24 Puussa viesti välitetään vain, jos se on tullut isäntäsolmulta. Kuva 4.1 esittää puuja mesh-rakennetta samanlaisissa verkoissa. Kuva 4.1: Ryhmien rakenteet. Vasemmalla on puurakenne ja oikealla mesh. Topologian muutokset voivat osittaa MANET-verkon (kts ). Osittuminen estää ryhmälähetysten perillemenon osalle vastaanottajista, koska lähettäjä voi sijaita eri osiossa. Kumpikin rakenne kärsii verkon soittumisesta yhtä paljon, koska osioiden välillä ei ole yhtään reittiä. 4.3 Protokollien perustyypit Ryhmälähetysprotokollia MANET:iin on olemassa useampia erilaisia, jotka toimivat eri periaatteiden mukaan. Edellisen kohdan kahden erilaisen ryhmänmuodostusperiaatteen lisäksi multicast-protokollan riippuvuus unicast-protokollasta vaihtelee. Ryhmälähetysprotokolla voi olla täysin itsenäinen, jolloin se tavalla tai toisella löytää reitit kaikille ryhmän jäsenille. Toisaalta prokolla voi tarvita toimiakseen apua joltain tietyltä, tietynlaiselta tai millaiselta tahansa unicast-protokollalta. Lisäksi joistain unicast-protokollista voi olla kehitetty multicast-versiot. Alla oleva unicastprotokolla voi olla joko reaktiivinen (kts ) tai proaktiivinen (kts ). Tässä tutkielmassa esitellään ja vertaillaan seuraavia protokollia: Core Assisted Mesh Protocol (CAMP) on mesh-rakenteinen protokolla, joka tarvitsee toimiakseen apua proaktiiviselta unicast-protokollalta [6]. 20

25 Adaptive Demand-Driven Multicast Routing protocol (ADMR) on puumaiseen raketeeseen perustuva protokolla, joka toimii itsenäisesti [7] [8]. Multicast Operation of the Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing (MAODV) on puurakennetta käyttävä ryhmälähetysversio AODV-protokollasta. AODV on reaktiivinen protokolla [10]. On-Demand Multicast Routing Protocol (ODMRP) on itsenäisesti toimiva mesh-rakenteinen protokolla [11]. Ylläolevat protokollat olettavat kaikkien verkon linkkiyhteyksien olevan symmetrisiä. Protokolliin on kehitelty parannuksia, jotka toimivat myös asymmetrisillä yhteyksillä. Niitä ei kuitenkaan käsitellä tässä työssä. 4.4 CAMP Core Assisted Mesh Protocol on suunniteltu toimimaan erittäin dynaamisessa verkkoympäristössä. Se käyttää aliverkkoa (kts. 4.2) ryhmälähetysviestien välittämiseen, jolloin saavutetaan parempi liikkuvuuden sieto kuin puumaisella rakenteella. CAMP tarvitsee toimiakseen apua unicast-protokollalta, joka tarjoaa sille etäisyyden jokaiseen verkon solmuun rajallisessa ajassa. Näin CAMP voi taata, että ryhmälähetysjoukko (mesh) pitää sisällään lyhimmät mahdolliset reitit ryhmälähetyksien lähettäjiltä vastaanottajille. Lyhin mahdollinen reitti tarkoittaa sellaista reittiä, jolla on pienin mahdollinen määrä välittäviä solmuja. Tällaisen reitin olemassaolo takaa solmuille mahdollisimman pienen viiveen ryhmälähetyksessä. Lyhimmän reitin takaaminen esitetään tarkemmin kohdassa Kuva 4.2 esittää multicast-viestien kulun verkossa. Solmun A lähettäessä multicast-viestejä, saavat vastaanottajasolmut B, C, D, E, F ja H lähetyksen useampia reittejä pitkin. Multicast-ryhmä pidetään koossa ankkurisolmujen (engl. anchor) avulla. Solmun s ankkuri ryhmälle g on sellainen s:n naapurisolmu, joka on seuraava hyppy (engl. next hop) lyhimmällä reitillä jollekin ryhmän g lähettäjistä. Ryhmän koossapitämiseksi riittää, että jokainen jäsensolmu pitää yllä tietoa vähintään yhdestä ankkurisolmustaan. Jokainen ryhmän jäsensolmu tietää mitä solmuja sillä on ankkurinaan ja mitkä solmut pitävät sitä ankkurinaan. Kuvassa 4.2 voidaan nähdä, että esimerkiksi solmu C pitää ankkurinaan solmua G. 21

26 Kuva 4.2: Mesh-rakenne CAMP-protokollassa Reititysinformaatio Jokainen CAMP-solmu ylläpitää protokollan toiminnan takaamiseksi reititystietoja. Tarvittavat tiedot ovat: reititystaulu (engl. routing table, RT), ryhmän ja keskuksen yhdistävä taulu (engl. core-to-group address mapping table, CAM), ankkuritaulu (engl. anchor table, AT), ryhmälähetysreititystaulu (engl. multicast routing table, MRT), sekä välitettyjen pakettien muisti (engl. packet forwarding cache). Reititystaulu kootaan alla olevan unicast-protokollan antamien tietojen pohjalta. Solmu saa etäisyyden jokaiseen kohdesolmuun verkossa ja tiedon onko reittiä siihen olemassa. Unicast-protokollan tulee siis olla proaktiivinen, koska reititystiedon tulee olla ajan tasalla. CAM sisältää osoitteen jokaisen ryhmän jokaiselle keskukselle. Solmu käyttää tietoa ryhmiin liittyäkseen. AT:sta selviää, minkä kaikkien ryhmien jäsen solmu on. Lisäksi taulussa on lueteltu, mitä naapurisolmuja kyseinen solmu käyttää ankkureinaan kullekin ryhmälle. MRT sisältää tiedon kaikista naapurisolmuista, jotka ovat jonkin ryhmän jäsensolmuja. Lisäksi ylläpidetään tietoa, mitkä näistä solmuista pitävät kyseistä solmua ankkurinaan ja ovatko ne duplex vai simplex-tyyppisiä. Solmu saa tiedon naapureidensa ryhmän jäsenyydestä kuulemalla niiden lähetyksiä. Eli aina kun solmu A lähettää multicast-viestin eteenpäin, kaikki kantamalla olevat solmut kuulevat sen. Muut solmut päivittävät MRT:nsä tiedolla, että A kuuluu multicast-ryhmään. Tätä tietoa ne voivat käyttää tarvittaessa myöhemmin ryhmään liittyäkseen (kts ). Solmu pitää muistissaan tietyn määrän lähiaikoina välitettyjen pakettien tunnistetietoja. Tällä saavutetaan kaistansäästöä, koska samaa pakettia ei lähetetä uu- 22

27 destaan. Lisäksi muistiin tallennetaan jokaiselle paketille sen lähettäneen naapurin osoite. Osoitetietoa käytetään lyhimmän reitin pitämiseksi osana ryhmälähetysaliverkkoa (kts ). Solmut ilmoittavat toisilleen muutoksista reititystiedoissaan. Ilmoitus lähetetään päivitysviestissä (engl. multicast routing update, MRU), joka lähetetään aina, kun MRT tai AT ovat muuttuneet. Tietojenvaihdon tarkoituksena on pitää multicast-ryhmän tiedot ajan tasalla. Kaistan säästämiseksi MRU:t olisi hyvä lähettää unicastprotokollan reititystietojen päivitysten yhteydessä Ryhmään liittyminen ja ryhmästä poistuminen CAMP tukee kahdenlaista tyyppiä multicast-ryhmien jäsenyydelle, simplex ja duplex. Simplex-jäsen voi ainoastaan lähettää viestejä ryhmälle tai välittää viestejä ryhmälle päin. Se ei vastaanota eikä välitä ryhmältä tulleita viestejä. Duplex-tyyppinen jäsen voi lähettää ryhmälähetysviestejä ja myös vastaanottaa niitä. Lisäksi se välittää viestejä normaalisti kumpaankin suuntaan. Multicast-ryhmään liittyminen voidaan tehdä kahdella tavalla. Jos solmulla on naapurina duplex-solmu, niin solmun riittää vain ilmoittautua ryhmän jäseneksi. CAMP olettaa, että ryhmän osoite saadaan selville jonkin muun palvelun (esim. DNS) avulla. Solmu lähettää MRU:n naapurilleen, jossa se ilmoittaa liittyvänsä ryhmään, joko duplex tai simplex-jäsenenä. Jos alla oleva unicast-protokolla takaa viestien perillemenon, naapurisolmu kuittaa liittymisilmoittautumisen takaisin liittyvälle solmulle. Jos taas viestitys ei ole luotettavaa, liittyvä solmu lähettää ilmoittautumisia useampia jaksottaisesti. Naapurit saavat tällöin todennäköisesti jossain vaiheessa tiedon uudesta jäsenestä. Liittyvä solmu asettaa naapurin omaksi ankkurikseen, ja naapurisolmu asettaa itselleen tästä tiedon. Toinen tapa käyttää hyväkseen multicast-ryhmän keskuksia (engl. core), joita voi ryhmässä olla useita. Tällainen menettely tulee kyseeseen silloin, kun liittyvällä solmulla ei ole naapureina ryhmään kuuluvia solmuja tai naapurit ovat simplextyyppisiä. CAMP olettaa, että liittyvä solmu tuntee keskusten osoitteet, jolloin alla oleva unicast-protokolla mahdollistaa liittymisviestin lähetyksen, jos vain jokin reitti keskukseen on olemassa. Liittymisviesti (engl. join request) lähetetään unicastina kohti jotain ryhmän keskuksista. Liittymisviesti saapuu ennen pitkää joko keskukselle tai jollekin ryhmän jäsensolmulle. Tällöin keskus tai jäsensolmu lähettää kuittausviestin (engl. join acknowledgement) takaisin samaa reittiä unicastina liittyvälle solmulle. Kaikki liittymis- ja kuittausviestien välittämiseen osallistuneet solmut asettavat tarvittavat ankkuritiedot ja tulevat osaksi ryhmää. Jos yhteyttä yhteenkään 23

28 keskukseen ei ole, solmu joutuu tulvimaan liittymisviestiä koko verkkoon. Tulvintamenetelmänä käytetään ns. expanded ring search (ERS) -menetelmää, jossa viestien leviämistä hallitaan rajoittamalla kunkin viestin hyppyjen lukumäärää. Ensin solmu tulvii viestin yhden hypyn päähän, eli kaikille naapureilleen. Seuraavaksi kahden hypyn päähän jne. Liittymisviesti saavuttaa näin jossain vaiheessa jonkin ryhmän jäsenen, jolloin jäsen kuittaa liittymisen kuten edellä on esitetty. Jos verkko ei tarjoa luotettavaa tiedonsiirtoa, lähetetään liittymisviestejä uudestaan aivan kuten edellisessä tavassa. Keskusten käytöllä saadaan kaistan kulutusta ryhmään liityttäessä pienennettyä, koska liittymisviestejä ei yleensä tarvitse tulvia koko verkolle. Solmu voi poistua ryhmästä vain jos mikään solmu ei käytä sitä ankkurinaan. Tällöin solmu lähettää naapureilleen poistumisilmoituksen (engl. quit notification), jolloin naapurit päivittävät reititystietonsa. Poistumisilmoitus lähetetään aina MRU:n yhteydessä, eikä vastaanottanut solmu kuittaa sitä Topologian muutokset CAMP takaa lyhimmän reitin olemassaolon ryhmälähetysaliverkossa. Lyhin reitti lähettäjiltä vastaanottajille saadaan selville unicast-protokollan antamasta reititysinformaatiosta. Lyhimmät reitit merkitään ankkureilla. Topologian muutosten vuoksi solmu saattaa ryhtyä saamaan viestejä muitakin kuin lyhintä reittiä pitkin. Vastaanottajasta katsottuna ankkurisolmun takana oleva, lähettäjän ja ankkurisolmun välinen, verkko on voinut muuttua siten, että ankkureilla merkitty reitti ei ole enää lyhin mahdollinen. Uusi lyhin reitti voi olla osana multicast-ryhmää, mutta se ei ole varmaa. Jokainen solmu pitää kirjaa, miltä naapurisolmuilta viestejä on saapunut. Kun solmu huomaa, että ankkurilla merkityltä (lyhimmältä) reitiltä on tullut liian vähän viestejä muihin reitteihin nähden, lähettää se ns. heartbeat- tai push joinviestin. Molemmat viestit lähetetään unicast-protokollalta saadun tiedon perusteella naapurille, joka on uudella lyhimmällä reitillä. Jos naapuri on ryhmän jäsensolmu, lähetetään heartbeat. Jos taas naapuri ei kuulu ryhmään, lähetetään push join. Aina kun solmu vastaanottaa heartbeatin tehdään seuraavaa: jos solmun seuraaja lyhimmällä reitillä lähettäjälle on jäsensolmu, lähetetään heartbeat. Jos ei, niin lähetetään push join. Push joinin vastaanotettuaan solmut lähettävät aina push joinin seuraajalleen. Push join pakottaa kaikki reitillä olevat solmut liittymään ryhmään, jolloin uusi lyhin reitti tulee osaksi ryhmälähetysaliverkkoa. Kuvat 4.2 a, b ja c esittävät vastaanottajasolmun R toimintaa lyhimmän reitin ylläpitämiseksi. Kuva 4.3 a esittää alkutilannetta, jossa R on ryhmän vastaanottaja. R käyttää ankkurinaan lähettäjälle S solmua 24