Classification of manet routing protocols Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

о >

0

01

ОС ш

ОС ZD О о

ПРЕГЛЕДНИ ЧЛАНЦИ

REVIEW PAPERS ОБОЗОРНЫЕ СТАТЬИ

KLASIFIKACIJA MANET PROTOKOLA RUTIRANJA

_ Dejan M. Tepsic, Mladen ß. Veinovic

о Univerzitet Singidunum, Beograd,

e-mail: [email protected]; [email protected]

H DOI: 10.5937/vojtehg63-5706

>- OBLAST: telekomunikacije

< VRSTA CLANKA: pregledni clanak

JEZIK CLANKA: srpski

Sazetak:

Mobilne ad hoc mreze (MANET) jesu samokonfigurisuce mreze ¡3 cvorova povezanih bezicnim vezama bez bilo kakvog oblika centralizo-

2 vanog upravljanja. Trenutno su jedan od najvaznijih istrazivackih pred-

y meta zbog velikog broja razlicitih primena (vojna, spasilacka itd.). U

MANET mrezama svaki cvor istovremeno je terminal i ruter. Stoga sva-ki cvor mora biti sposoban da prosleduje pakete do ostalih cvorova. ° Usled mobilnosti cvorova topologije kod ovih mreza sklone su cestim

g promenama. Tradicionalni protokoli rutiranja razvijeni za kablovske

> mreze ne mogu efikasno da rade u MANET mrezama, pa su za njih

razvijeni posebni protokoli rutiranja.

Cilj ovog rada je istrazivanje trenutnog stanja postojecih protokola rutiranja u MANET mrezama i poredenje razlicitih pristupa u njihovoj iz-vedbi. Protokoli rutiranja svrstani su prema nacinu prosledivanja paketa u tacka-tacka, tacka - vise tacaka i emisione protokole rutiranja. Postoje tri glavne kategorije tacka-tacka protokola rutiranja za MANET mreze: proaktivni, reaktivni i hibridni.

Kljucne reci: mobilne ad hoc mreze, bezicne mreze, MANET, protokoli rutiranja.

ZAHVALNICA: Rad je podrzalo Ministarstvo za nauku i tehnoloski razvoj Republike Srbije kroz projekte TR32054 i ON174008.

84

Uvod

Mobilna ad hoc mreza (MANET) jeste dinamicna mreza koja omogucu-je bezicno umrezavanje u pokretu bez potrebe za prethodno izgradenom mreznom infrastrukturom (slika 1). Sastoji se od pokretnih cvorova, pri cemu cvor moze biti covek koji nosi rucni racunar opremljen odgovarajucim ureda-jem za bezicnu komunikaciju, laptop racunar, robot bez posade, odnosno svako ko je opremljen odgovarajucom opremom za bezicnu komunikaciju (Kumar, et al., 2013). MANET mreze funkcionisu bez centralizovane admini-stracije, a cvorovi medusobno saraduju kako bi obezbedili povezivanje.

i

oo

C cp

ro

o o

(3 cp I— LU

Z <

o ro

ro

■o

><n p

<u

Slika 1 - Mobilna ad hoc mreza koju cine uredaji povezani bezicnim putem Figure 1 - Mobile ad hoc network composed of devices connected wirelessly

U mobilnim ad hoc mrezama bezicni uredaji detektuju prisustvo drugih uredaja radi formiranja funkcionalne mreze. Bezicni uredaji mogu komunicirati sa drugim uredajima u okviru MAN ET mreze u samoorganizujucem obliku. Da bi podrzali takve komunikacije, bezicni uredaji u mobilnim ad hoc mrezama funkcionisu istovremeno i kao terminali i kao ruteri, sto znaci da mogu pro-sledivati pakete podataka od izvora do odredista. Komunikacija se obavlja preko bezicnih veza pomocu bezicnih omnidirekcionih radio-interfejsa.

MANET mreze su veoma dinamicne jer se mogu formirati na spontan i privremen nacin. Cvorovi se mogu nasumicno pridruziti i napustiti mrezu, i mogu biti pokretni. Zbog dinamicne prirode mreze ne postoji centralizovano upravljanje, vec svi cvorovi samostalno i podjednako sa-raduju na distribuirani nacin. Na taj nacin formira se mreza sa vise skoko-va (engl. multihop). To podrazumeva da cvor ima ulogu terminala u ko-

munikaciji s kraja na kraj (engl. end-to-end) i istovremeno ulogu rutera za prosledivanje paketa podataka do drugih terminala koji nisu u opsegu di-rektnog prenosa svojih izvornih cvorova. MANET mreza moze raditi kao samostalna mreza, ili se moze integrisati sa spoljnim mrezama, kao sto je globalna internet mreza preko gejtveja (engl. gateway).

Cvorovi u takvoj mrezi mogu biti vrlo pokretni, sto uzrokuje stvaranje i raskidanje veza medu njima. S obzirom na to da su cvorovi neprestano u pokretu, topologija mreze je promenljiva. MANET mreza je sposobna da izlaskom nekog cvora ili vise njih iz mreze ne izgubi poslate pakete, vec da sama pronade novu rutu do odredisnog cvora.

MANET mreze omogucavaju mreznu povezanost koja se moze rela-tivno brzo postaviti u proizvoljnom komunikacionom okruzenju. Upotreba mobilnih ad hoc bezicnih mreza moze se naci na prostorima gde se stan-dardna mrezna infrastruktura tesko moze razviti, kao sto su vojna borbe-na polja, scenariji katastrofa i spasilackih operacija. S obzirom na to da se bezicne tehnologije neprestano razvijaju, primena mobilnih ad hoc mreza postaje moguca i u civilnom okruzenju komunikacije sa licnim ure-dajima, kao sto su PDA uredaji, mobilni telefoni i prenosni racunari.

Pregled postojecih radova

Cilj ovog istrazivanja jeste klasifikovanje postojecih protokola rutira-nja u okviru bezicnih MANET mreza i poredenje razlicitih pristupa u njiho-voj izvedbi. Postojeci radovi u ovoj oblasti delimicno su to i ucinili.

U istrazivanju (Pathak, et al., 2013) predstavljeni su tacka-tacka (engl. unicast), tacka - vise tacaka (engl. multicast) i emisioni (engl. broadcast) protokoli rutiranja namenjeni za primenu u MANET mrezama. Komparativ-nom analizom razlicitih protokola rutiranja autori su dosli do zakljucka da razliciti protokoli rutiranja imaju razlicite prednosti i nedostatke. Stoga, nije-dan protokol rutiranja ne moze biti adekvatan za primenu u svim mogucim scenarijima i tipovima prenosenog saobracaja u MANET mrezama.

U radu (Sondi, et al., 2010) autori su pokazali da mobilna ad hoc mrezna arhitektura omogucuje jeftino i jednostavno ostvarivanje mreznih usluga goto-vo bilo gde i bilo kada. Pored pristupa internetu, krajnji korisnici najcesce traze i upotrebljavaju multimedijalne aplikacije. Medutim, one namecu stroga ogra-nicenja kvaliteta servisa u vidu propusnog opsega, kasnjenja i gubitka paketa.

U radu (Kaur, et al., 2012) data je komparativna analiza razlicitih tac-ka-tacka protokola rutiranja. Autori su sproveli eksperimentalna merenja na osnovu kojih su prezentovali prednosti i nedostatke razlicitih pristupa. Pokazano je da je naucna oblast istrazivanja protokola rutiranja u mobil-nim ad hoc mrezama aktuelna tema brojnih naucnih radova, te da se mo-gu ocekivati novi naucni doprinosi u ovoj oblasti.

Protokoli rutiranja u MANET mrezama

Prilikom uspostavljanja komunikacije putem bezicne mreze, ako dva cvora nisu direktno povezana putem komunikacionog linka, njihove medu-sobne poruke treba da budu prosledene putem tranzitnih cvorova. Rutira-nje je razmena informacija (paketa) od jednog cvora ka drugom. U tradicio-nalnim racunarskim mrezama cvorovi sa namenom rutiranja paketa zovu se ruteri. Aplikacije na terminalima komuniciraju sa serverima, a paketi po-dataka prosleduju se putem rutera ka svojim destinacijama. Za razliku od tradicionalnih racunarskih mreza, MANET mreze ne prave razliku izmedu terminala, servera i rutera. Bezicne ad hoc mreze takode se razlikuju od tradicionalnih bezicnih mreza sa baznim stanicama, kao sto su mobilni telefonski sistemi, u kojima se poruke izmedu terminala prenose putem ba-znih stanica. U bezicnim ad hoc mrezama cvorovi su ne samo terminali, vec funkcionisu i kao ruteri koji prosleduju poruke ka drugim cvorovima. Cvorovi formiraju samoorganizujucu mrezu bez centralizovane administra-cije i upravljanja. Dakle, bezicne ad hoc mreze su distribuirani sistemi.

Ad hoc protokol rutiranja je konvencija, ili standard, koji kontrolise na koji nacin cvorovi odlucuju kako ce prosledivati pakete podataka izmedu ostalih cvorova u MANET mrezi (Wang, 2011). Efikasni mehanizmi za protokole rutiranja u okviru MANET mreza predmet su brojnih istraziva-nja, od kojih su samo neki postali opsteprihvaceni standard.

U mobilnim ad hoc mrezama cvorovi nisu upoznati sa topologijom njihove mreze. Umesto toga, moraju je samostalno otkriti. Osnovna ideja je da svaki novi cvor objavi svoje prisustvo, a zatim osluskuje emisione odgovore koje emituju njegovi susedi. Svaki cvor uci o cvorovima u svojoj neposrednoj blizini i o nacinu kako da ih dosegne.

Protokol rutiranja ima dve osnovne funkcije:

- pronalazenje rute za paketni prenos podataka od izvornog cvora ka odredisnom cvoru,

- identifikovanje i razmenu tabele rutiranja, potrebne za uspostavlja-nje ruta, otkrivanje prekida u rutama, ponovno uspostavljanje ili popravku ruta i optimizaciju iskoriscenosti propusnog opsega.

Cvorovi u mobilnoj ad hoc mrezi funkcionisu kao ruteri koji otkrivaju i odrzavaju rute ka drugim cvorovima u mrezi. Odsustvo namenskih rutera otezava ostvarivanje bezbednosti u ad hoc bezicnim mrezama. Ovaj za-datak je jos tezi usled mobilnosti cvorova, ogranicene procesorske snage i ogranicene dostupnosti resursa, kao sto su napajanje i propusni opseg.

Protokoli rutiranja namenjeni za upotrebu u tradicionalnim kablovskim mrezama ne mogu se koristiti u MANET mrezama. Specificne karakteristi-ke ovih mreza zahtevaju posebne protokole rutiranja koji se bave resava-njem identifikovanih izazova u ovim mrezama (Ranjan, et al., 2011). Takvi protokoli rutiranja treba da poseduju karakteristike navedene na slici 2.

o >

0

01

0¿ ÜÜ

0£ ZD

o

o <

o

X O LU

I—

>-

Q1 <

Slika 2 - Karakteristike protokola rutiranja u mobilnim ad hoc mrezama Figure 2 - Routing protocol characteristics in mobile ad hoc networks

Distribuiranost

ÍO <

-j

CD >Q

x

LU I—

O

O >

Protokol rutiranja treba da bude u potpunosti distribuirán, jer centrali-zovano rutiranje podrazumeva visok stepen kontrole radi poboljsanja po-uzdanosti. Posto su svi cvorovi mobilni, centralizovani protokol rutiranja je neprihvatljiv. Svaki cvor treba da vrsi rutiranje koristeci podatke priku-pljene od drugih cvorova.

Dinamicnost

Pored pretpostavke da se saobracaj ravnomerno distribuira u okviru mreze, i da se odrzava rutiranje izmedu svih cvorova u mrezi, protokol rutiranja mora biti prilagodljiv konstantnim promenama topologije izazvanim mobilnoscu cvorova. Topologija ad hoc bezicne mreze je veoma dinamicna zbog mobilnosti cvorova, tako da se oni mogu kretati unutar i van dometa jedni od drugih. Stoga, da bi rute sa vise skokova bile odrzive kroz celokup-nu mrezu, protokol rutiranja mora reagovati na promene topologije.

Nepostojanje petlji u rutama

Tokom konvergencije MANET mreze moze nastati nekonzistentno stanje tabela rutiranja, sto moze izazvati petlje pri rutiranju (engl. routing loops). Dobar protokol rutiranja treba da bude bez petlji u rutama kako bi se izbeglo gubljenje paketa u komunikaciji.

Komunikacija sa vise skokova

Da bi se ostvarila komunikacija sa vise skokova efikasan protokol ru-tiranja mora se izvrsavati na svakom cvoru. Zbog decentralizovane priro-de mreze svaki cvor je odgovoran za pronalazenje najbolje rute do odre-dista za pakete podataka koje dobija.

Ocuvanje energije

Cvorovi u MANET mrezama poseduju ogranicenu kolicinu energije u vidu baterijskog napajanja, tako da protokol rutiranja treba da bude viso-ko optimizovan radi ocuvanja ovog resursa.

Bezbednost

Protokoli rutiranja u mobilnim ad hoc mrezama podlozni su brojnim napadima (Tepsic, et al., 2013), kao sto su lazno predstavljanje, prislu-skivanje mreznog saobracaja, presretanje i preusmeravanje poruka i sl. Stoga postoji potreba za uvodenjem preventivnih mera bezbednosti. Si-frovanje saobracaja i autentifikacija mogu pomoci u resavanju pitanja bezbednosti i spreciti vecinu takvih napada.

Ravnomerna distribucija opterecenja

Kako broj cvorova koji postoje u odredenoj geografskoj zoni varira, tako se menja i opterecenost bezicnog kanala. Dakle, ako broj cvorova raste, raste i opterecenost kanala. Dobar protokol rutiranja moze savla-dati ove probleme putem ugradenih mehanizama za ravnomernu distri-buciju opterecenja preko celokupne mreze.

Kvalitet servisa

Protokol rutiranja treba da obezbedi odredeni nivo kvaliteta usluga u realnom vremenu kako bi podrzao trenutni saobracaj.

Propusni opseg

S obzirom na to da je propusni opseg u ad hoc bezicnim mrezama ogranicen, propusnost svake bezicne veze zasniva se na opsluzenom saobracaju i broju cvorova. Dakle, dobar protokol rutiranja treba da sve-de korisceni propusni opseg na minimum.

Klasifikacija postojecih MANET protokola rutiranja

Glavni ciljevi protokola rutiranja jesu pronalazenje i odrzavanje ruta iz-medu cvorova u dinamicnoj topologiji uz koriscenje minimalnih resursa. Pro-tokol je skup standarda ili pravila za razmenu podataka izmedu dva uredaja. Protokoli rutiranja svrstani su prema nacinu prosledivanja paketa u tacka-tacka, tacka - vise tacaka i emisione protokole rutiranja (slike 3 i 4).

a) Tacka-tacka b) Tacka - vise tacaka c) Emisioni

Slika 3 - Klasifikacija MANET protokola rutiranja zasnovana na nacinu prosledivanja paketa Figure 3 - Clasification of MANEt routing protocols based on the method of forwarding packets

Tacka-tacka (engl. unicast) prosledivanje znaci komunikaciju jedan na jedan, odnosno jedan izvor prenosi pakete podataka na jedno odredi-ste. To je najveca klasa protokola rutiranja u mobilnim ad hoc mrezama.

Tacka - vise tacaka (engl. multicast) protokoli rutiranja koriste se ka-da jedan cvor treba da posalje istu poruku, ili tok podataka, na vise desti-nacija. Tacka - vise tacaka je prenos podataka od jednog cvora do n pri-jemnika, sto znaci da ce samo jedna kopija poruke biti dostavljena svim prijemnicima. Time ce komunikacioni troskovi biti smanjeni u odnosu na slucaj kada bi jedinstvenu poruku tacka-tacka mehanizmom trebalo do-staviti visestrukim prijemnicima. Zbog svojih karakteristika, tacka - vise tacaka neretko je pogodniji mehanizam komunikacije (Kant, et al., 2010). Ipak, najbolji rezultati ostvaruju se primenom odgovarajuce klase protokola rutiranja za njima odgovarajuce namene.

Emisioni protokol (engl. broadcast) jeste emitovanje od jednog ka svim ostalim cvorovima u mrezi. Emisija (engl. broadcast) jeste osnovni rezim rada na bezicnom kanalu. Naime, svaka poruka koja se prenosi na bezicnom kanalu primljena je na svim susedima koji se nalaze na rasto-janju od jednog skoka (engl. hop) od posiljaoca.

<9T)

P rotolool i rutiranja и mobilriim ad hoc

truktura stabla

raina strukt

Hibndna struktura

Struktura baz uspastavlj anj a sta nj a

Prastoma struktura

poznavanja susada

rupn a st ш ktu

P roba bi listiika struktura

Slika 4 - Klasifikacija MANET protokola rutiranja Figure 4 - Clasification of MANEt routing protocols

Pored toga, protokoli rutiranja mogu se klasifikovati prema tome da li je adresna topologija ravna ili hijerarhijska, ili na osnovu koriscenja odre-denih resursa. Ove kategorije nisu medusobno iskljucive, jer pojedini protokoli rutiranja mogu biti svrstani u vise grupa. Istrazivanja u ovom radu odnose se prvenstveno na klasifikaciju tacka-tacka protokola rutiranja, zasnovanu na mehanizmu azuriranja informacija o rutama.

Tacka-tacka protokoli rutiranja

Rutiranje je najosnovnija funkcija u mrezama za ostvarivanje komu-nikacije i prenosa paketa. Da bi MANET mreza bila prakticno upot-rebljiva, funkcionalan i efikasan tacka-tacka protokol rutiranja je neopho-dan (Mani, et al., 2013). Tacka-tacka protokoli rutiranja kreirani za upo-trebu u mobilnim ad hoc bezicnim mrezama mogu se klasifikovati po mehanizmu azuriranja informacija o rutama u tri kategorije:

- proaktivne (periodicne),

- reaktivne (na zahtev) i

- hibridne.

dD

o

X

o >

LO

o (N

0¿ ÜÜ

0£ ZD O

o <

o

X

o

LU

I— >-

Q1 <

I—

CO <

-J

O ■O

x

LU I— O

O >

Proaktivni protokoli rutiranja

Kod proaktivnih (periodicnih) protokola rutiranja svaki cvor odrzava jednu ili vise tabela kako bi sacuvao mreznu topologiju i informacije o ruta-ma. Ove tabele cesto se azuriraju periodicnom razmenom informacija o ru-tama, koje se uopsteno emituju kroz celu mrezu. Proaktivni protokoli rutiranja medusobno se razlikuju po nacinu otkrivanja i azuriranja informacija o rutama, kao i po vrstama informacija koje se cuvaju u tabelama rutiranja.

Proaktivni protokoli rutiranja odrzavaju aktuelnim tabele rutiranja kroz periodicne kontrolne poruke. Stoga, proaktivni protokoli rutiranja uvek ima-ju kompletnu tabelu rutiranja i spremni su da razmenjuju pakete u bilo kom trenutku. Svaki cvor odrzava jednu ili vise tabela za skladistenje informacija o rutama. Cvorovi reaguju na promene u topologiji mreze propagiranjem ispravki kroz mrezu, radi odrzanja konzistentnosti. Oblasti u kojima se raz-liciti protokoli rutiranja razlikuju jesu broj potrebnih tabela vezanih za rutira-nje i tehnike kojima cvorovi emituju promene u mreznoj strukturi.

Ovaj tip protokola odrzava sveze liste destinacija i njihovih ruta peri-odicnim distribuiranjem tabela rutiranja kroz mrezu. Glavni nedostaci ovih algoritama su velika kolicina aktivnih ruta za odrzavanje i spora reakcija na restrukturiranje i otkaze.

Reaktivni protokoli rutiranja

Reaktivni protokoli rutiranja, poznati i kao protokoli rutiranja na zahtev, predlozeni su iskljucivo za mobilne ad hoc bezicne mreze. Osnovna karak-teristika ovih mreza je njihova dinamicna topologija. S obzirom na to da protokoli rutiranja prate promenu topologije, redovno azuriranje globalne topologije je neophodno na svakom cvoru. Ponekad dobijene informacije o rutama mogu isteci pre nego sto se za njima ukaze potreba, sto dodatno komplikuje stvari i utice na rasipanje propusnog opsega. Koncept reaktiv-nih (na zahtev) protokola rutiranja osmisljen je kako bi se smanjila kolicina nepotrebnih ispravki ruta, a samim tim i iskoriscenost kapaciteta veza.

Reaktivni protokoli rutiranja, za razliku od proaktivnih, ne odrzavaju informacije o mreznoj topologiji i ruti do svakog cvora unutar mreze. Rute se pronalaze kada se za to ukaze potreba (na zahtev) koriscenjem procesa otkrivanja ruta. Generalno, kada je ruta potrebna sa izvora A propagira se zahtev unutar mreze kako bi se pronasla ruta do zeljenog odredista B. Kada cvor B primi zahtev za rutom (engl. Route Request, RREQ) on salje odgovor za rutom (engl. Route Response, RREP) nazad ka cvoru A. Kada se RREQ zahtev posalje putem dvosmerne veze, RREP se salje nazad kroz isti link. Kod reaktivnih protokola rutiranja koriste se osnovne metode za otkrivanje ruta i njihovo odrzavanje. Jednom otkrivena ruta odrzava se dokle god je od-rediste dostupno duz svake rute od izvora ili dokle god je ruta potrebna.

Reaktivni protokoli rutiranja mogu se kategorizovati prema nacinu prenosenja ruta kao:

- navodenje tacne rute i

- od tacke do tacke.

Kod protokola rutiranja sa navodenjem tacne rute (engl. source routing) svi paketi podataka nose kompletne adrese duz rute od izvornog do odredisnog cvora. Dakle, paket podataka se na osnovu svog zaglavlja upucuje ka odredistu duz ranije uspostavljene rute. Prednosti koriscenja ove vrste protokola su nepostojanje potrebe za odrzavanjem aktivne rute ka odredistu na cvorovima koji se nalaze duz date rute.

Kod protokola rutiranja „skok po skok" (engl. hop-by-hop) u paketu podataka treba navesti samo destinaciju i adresu sledeceg skoka. Cvoro-vi se tako koriste za prosledivanje paketa ka odredistu duz rute. Korisce-nje tabele rutiranja na svakom cvoru u mrezi obezbeduje prednost proto-kolu rutiranja „skok po skok", jer dinamicko azuriranje mrezne topologije osigurava da cvorovi dobijaju najnovije informacije o topologiji i samim tim mogu da prosleduju pakete podataka duz najboljih ruta.

Reaktivni protokoli rutiranja mogu se brzo prilagoditi promenama ruta. Takode, ne zahtevaju prekomerno iskoriscenje resursa usled periodic-nih kontrolnih poruka ukoliko su rute sacuvane u okviru tabele rutiranja ili ukoliko se mreza nalazi u stanju mirovanja. Medutim, otkrivanje novih ruta na zahtev stvara prekomerno plavljenje mreze koje moze dovesti do zagusenja, a neretko su lose rute otkrivene. Kao rezultat, javlja se gubi-tak paketa prilikom prenosa i veliko kasnjenje prilikom uspostavljanja novih ruta.

Hibridni protokoli rutiranja pokusavaju da iskombinuju najbolje karak-teristike proaktivnih i reaktivnih protokola rutiranja. Cesto se sastoje od dva klasicna protokola rutiranja:

- proaktivnog (periodicnog), i

- reaktivnog (na zahtev).

Hibridni protokoli rutiranja dele mrezu u oblasti koje se nazivaju zone, koje mogu biti preklapajuce ili nepreklapajuce, u zavisnosti od algorit-ma koji se koristi kod odredenog hibridnog protokola rutiranja. Zona rutiranja odredenog cvora moze se definisati kao udaljenost od tog cvora ili kao deo odredenog geografskog podrucja. Proaktivni protokol rutiranja funkcionise unutar zona i odgovoran je za uspostavljanje i odrzavanje ruta do odredista koja se nalaze unutar zona. S druge strane, reaktivni protokol rutiranja odgovoran je za uspostavljanje i odrzavanje ruta ka odredi-stima koja se nalaze izvan zona.

o

7

oo

C cp

ro

m o o o cp I— LU

Z <

ro (3

\n

J5

T3

d

■o

><n p

<u I—

Hibridni protokoli rutiranja

o

X

o >

LO

o <N

C¿

ÜÜ

0£ ZD O O

_l <

o

X

o

LU

I— >-

Q1 <

I—

OT <

-J

O ■O

x

LU I— O

O >

Tacka - vise tacaka protokoli rutiranja

Tacka - vise tacaka protokoli rutiranja mogu se klasifikovati prema nacinu kreiranja ruta u cetiri kategorije (Junhai, et al., 2009):

- struktura stabla,

- mrezna struktura,

- hibridna struktura i

- struktura bez uspostavljanja stanja.

Struktura stabla

Ova katagorija protokola potice iz kablovskih mreza. Cvorovi u okviru jedne mreze formiraju zajednicko tacka - vise tacaka stablo (engl. multicast tree). Kada posiljalac salje paket podataka, prijemnik prima paket od svog uz-vodnog cvora u stablu i prosleduje ga nizvodno duz veze u stablu. S obzirom na to da samo clanovi stabla ucestvuju u prenosu paketa podataka, propusni opseg veza racionalnije se koristi u poredenju sa emisionim protokolima.

Mrezna struktura

Ova grupa protokola koristi strukturu mreze umesto strukture stabla za prenosenje paketa podataka. Mrezna struktura omogucuje redundant-ne veze izmedu clanova grupe. U poredenju sa protokolima koji se zasni-vaju na strukturi stabla, ovi protokoli rutiranja u vecoj meri koriste propu-snu moc veza. Medutim, otporniji su na dinamicnost MANET mreze.

Hibridna struktura

Kod hibridnog pristupa protokoli rutiranja kombinuju strukturu stabla i mreznu strukturu kako bi poboljsali performanse MANET mreza. Medu-tim, sa visokim stepenom mobilnosti cvorova unutar MANET mreze dola-zi do degradacije performansi i zagusenja veza.

Struktura bez uspostavljanja stanja

Kod strukture bez uspostavljanja stanja, protokoli rutiranja ne stvara-ju strukturu stabla ili mreze kako bi uspostavili komunikaciju u okviru MANET mreze. Umesto toga, adrese svih sredisnjih cvorova u komunikaciji od izvornog do odredisnog cvora sadrzane su u zaglavlju paketa. Infor-macije o rutama cuvaju se samo na cvoru koji je posiljalac poruke. Ovaj pristup pogodan je za male grupe cvorova. Degradacije performansi ra-stu sa stepenom mobilnosti cvorova unutar mreze.

Emisioni protokoli rutiranja

Emisioni protokoli rutiranja mogu se svrstati u sledece kategorije (Williams, et al., 2002):

- struktura brojaca,

- prostorna struktura,

- struktura poznavanja suseda,

- grupna struktura i

- probabilisticka struktura.

Struktura brojaca

Kod tehnike strukture brojaca, cvor koji primi emitovani paket inicira period kasnjenja i broji primljene duplikate istovetnog paketa. Kada istek-ne ovaj period, cvor reemituje paket samo ako broj dupliciranih paketa ne prelazi granicnu vrednost. Ako brojac prelazi granicnu vrednost, cvor pretpostavlja da su svi njegovi susedi vec primili paket i sprecava dalje emitovanje istovetnog paketa. Predefinisana granicna vrednost kljucni je parametar u funkcionisanju ove tehnike.

Prostorna struktura

Metoda prostorne strukture omogucuje cvoru da prosledi emitovani paket samo u okviru svoje zone pokrivanja. Zona pokrivanja odreduje se dinamicki, na osnovu razdaljine ili lokacije.

Struktura poznavanja suseda

Struktura poznavanja suseda odrzava informacije o susednim cvoro-vima putem periodicne razmene pozdravnih poruka (engl. Hello). Ove informacije zatim se koriste u odluci za reemitovanjem paketa. Cilj ovog mehanizma jeste formiranje malog podskupa cvorova za emitovanje paketa, tako da se omoguci da svaki cvor u mrezi primi originalni paket.

Grupna struktura

Kod grupne strukture mreza je podeljena u nekoliko klastera koji formira-ju kicmu mreze (engl. backbone). Svaki klaster ima jedan vodeci cvor (glava klastera) koji dominira nad ostalim clanovima u klasteru, npr. odgovoran je za prosledivanje paketa unutar klastera. Klasteri koji se medusobno preklapaju povezani su putem cvorova koji se nazivaju gejtveji (engl. gateway). Grupisa-nje cvorova u okviru MANET mreze jeste pozeljno, iako proces formiranja i odrzavanja klastera u vecini slucajeva nije trivijalan zadatak.

Probabilisticka struktura

Probabilisticki metod jedan je od najjednostavnijih i najefikasnijih metoda emitovanja. Kod ovog pristupa svaki sredisnji cvor reemituje pri-mljene pakete prema unapred definisanoj verovatnoci prosledivanja. Ve-rovatnoca prosledivanja paketa sa odredenog cvora u okviru MANET mreze odreduje se na osnovu parametara mrezne topologije.

Poredenje tacka-tacka protokola rutiranja

Proaktivni protokoli rutiranja oslanjaju se na mehanizam azuriranja ta-bele rutiranja koji podrazumeva stalno propagiranje informacija o rutama, bez obzira na to da li se i koliko cesto ove rute koriste. S druge strane, kod proak-tivnih protokola rutiranja sve informacije o rutama uvek su na raspolaganju u tabeli rutiranja svakog cvora. Ova karakteristika, iako korisna, generise zna-cajnu kolicinu kontrolnog saobracaja unutar mreze i znatnu potrosnju energi-je. Posto su propusni opseg i baterijsko napajanje ograniceni resursi unutar MANET mreze, to postaje ozbiljno ogranicenje (Stefanovic, et al., 2013).

Prednost proaktivnih protokola rutiranja ogleda se u cinjenici da se ruta do odredista moze odmah odrediti, bez odlaganja. Nedostaci su ge-nerisanje vece kolicine kontrolnog saobracaja i samim tim veceg korisce-nja propusnog opsega, cak i kada se mreza nalazi u stanju mirovanja, sto moze dovesti do zagusenja mreze. Pored toga, proaktivni protokoli rutiranja sporije reaguju na topoloske promene unutar mreze. Stoga, pro-aktivni protokoli rutiranja preporucuju se za upotrebu u mobilnim ad hoc mrezama sa umerenom dinamikom.

Nasuprot njima, kod reaktivnih protokola rutiranja znatno niza vred-nost propusnog opsega koristi se za odrzavanje tabele rutiranja. Takode, energetski su efikasniji. Medutim, kod reaktivnih protokola rutiranja cvor koji zeli ostvariti komunikaciju sa udaljenim cvorom do kojeg ne poznaje rutu morace sacekati dok takva ruta ne bude otkrivena, cime se ostvaruje znatno vece kasnjenje pri uspostavljanju komunikacije. Reaktivni protokoli rutiranja preporucuju se za upotrebu u mobilnim ad hoc mrezama kod kojih cvorovi imaju visok stepen mobilnosti.

Reaktivni protokoli rutiranja suocavaju se sa problemom skaliranja, kada u mrezi postoji veliki broj cvorova. Obim ovog problema zavisi od toga koji reaktivni protokol rutiranja se koristi i od posmatranog scenarija.

Hibridni protokoli rutiranja teoretski su napredniji od cisto proaktivnih i reaktivnih protokola rutiranja. Medutim, preterana kompleksnost u njiho-voj prakticnoj realizaciji, kao i cinjenica da njihova efikasnost u velikoj meri zavisi od broja cvorova koji iniciraju saobracaj ka odredisnim cvoro-vima, kao i zone u okviru koje se nalaze, cine hibridne protokole rutiranja manje zastupljenim.

Izbor tacka-tacka protokola rutiranja u MANET mrezi

Kada je rec o izboru protokola rutiranja unutar MANET mreze, reak-tivni pristup ostvaruje bolje rezultate kada je mobilnost cvorova visoka i kada je kolicina saobracaja koja se prenosi izmedu cvorova mala. S dru-ge strane, proaktivni protokoli rutiranja preporucljivi su kada je mreza ge-neralno staticna i kada je kolicina generisanog saobracaja izmedu Cvorova visoka. Ako je potrebno ostvariti balans izmedu razlicitih modela mo-bilnosti Cvorova i razlicitih kolicina generisanog saobracaja medu Cvorovi-ma unutar jedne mreze, preporucuje se upotreba hibridnih protokola rutiranja koji kombinuju obe klase protokola - proaktivne i reaktivne.

Sumarne karakteristike proaktivnih, reaktivnih i hibridnih tacka-tacka protokola rutiranja prikazane su u tabeli 1 (Gill, et al., 2012).

Tabela 1 - Sumarne karakteristike proaktivnih, reaktivnih i hibridnih tacka-tacka protokola rutiranja

Table 1 - Summary characteristics of proactive, reactive and hybrid unicast routing protocols

Karakteristika Proaktivni (periodicni) Reaktivni (na zahtev) Hibridni

Organizacija mreze Ravna/hijerarhijska Ravna Hijerarhijska

Sirenje topoloskih informacija Periodicno Na zahtev Oba metoda

Dostupnost ruta i kasnjenje Uvek su dostupne, bez kasnjenja Dostupne su po potrebi. Postoji kasnjenje Oba metoda

Suocavanje sa mobilnoscu cvorova Periodicne isprav-ke Odrzavanje ruta Oba metoda

Kolicina generisanih kontrolnih poruka Visoka Niska Srednja

Zakljucak

Topologija mobilnih ad hoc mreza moze biti dinamicna i nepredvidlji-va. Tradicionalni protokoli rutiranja koji se koriste kod kablovskih mreza ne mogu biti direktno primenjeni na mobilne ad hoc bezicne mreze, jer brojne usvojene pretpostavke ne vaze u mobilnom bezicnom okruzenju. Tako, na primer, jedna od pretpostavki je da cvor moze primiti bilo koju emitovanu poruku od drugih cvorova unutar iste podmreze (engl. subnet). Medutim, to nije slucaj kod cvorova u bezicnoj MANET mrezi, usled cinjenice da je propusni opseg kod ove vrste mreza ogranicen. Dakle, model MANET mreza uvodi brojne izazove za protokole rutiranja.

U ovom radu predstavljeni su i klasifikovani postojeci protokoli rutiranja koji se koriste u okviru MANET mreza. Razmotrene su razlicite kategorije protokola rutiranja. Uoceno je da se svaki model protokola rutiranja ponaosob bo-

o

X

o >

LO

o <N

yy

û£ ZD O

o <

o

X

o

LU

I— >-

Q1 <

I—

OT <

-J

CD >Q

x

LU I— O

O >

Ije ponasa u odredenom okruzenju. Nijedan od njih nije savrsen za primenu u svim opsezima mobilnosti cvorova, kolicine generisanog saobracaja, broja cvorova i sl. Zbog svojih karakteristika, tradicional protokoli rutiranja koji se ko-riste za kablovske mreze ne preporucuju se za upotrebu u MANET mrezama.

Tri glavne grupe tacka-tacka protokola rutiranja su proaktivni, reak-tivni i hibridni protokoli rutiranja.

Osnovna karakteristika proaktivnih protokola rutiranja jeste cinjenica da svaki cvor odrzava rute do svih drugih cvorova u mrezi. Cvorovi po-vremeno azuriraju ove informacije, bez obzira na to da li se date rute ko-riste. S druge strane, kod reaktivnih protokola rutiranja cvorovi pronalaze rute samo izmedu onih cvorova koji zele ostvariti komunikaciju. Ova vrsta protokola rutiranja efikasnije koristi propusni opseg bezicnih veza i ogra-nicene resurse mobilnih cvorova.

Kod proaktivnog pristupa osnovni problem je visok stepen iskoriscenja resursa i protoka kada to nije neophodno. Kod reaktivnog pristupa glavni problem je kasnjenje prilikom uspostavljanja novih ruta. Kod oba proaktivna i reaktivna pristupa javlja se problem skalabilnosti. Radi ublazavanja ovih problema nastala je nova hibridna vrsta tacka-tacka protokola rutiranja. Hibridni protokoli rutiranja kombinuju proaktivni i reaktivni pristup kako bi postigli bo-lje performanse. Medutim, nijedan od postojecih protokola rutiranja nije po-godan za mobilne ad hoc mreze sa velikim brojem cvorova, ukoliko svaki od cvorova ima razlicitu brzinu kretanja i kolicinu generisanog saobracaja.

Konacno, cinjenica da je priroda protokola rutiranja proaktivna ili reaktivna ima dalekosezne posledice na performanse protokola rutiranja u razlicitim scenarijima. Glavne razlike ogledaju se prvenstveno u nacinu otkrivanja i odrzavanja ruta, sto diktira dalje ponasanje protokola rutiranja. Generalno, proaktivni protokoli rutiranja pogodni su za primenu u mrezama sa visokim kapacitetom veza, dok reaktivni protokoli rutiranja bolje funkcionisu u mrezama niskih kapaciteta.

Literatura

Gill, A., Diwaker, C., 2012, Comparative Analysis of Routing in MANET, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, 2(7), pp.309-314.

Junhai, L., Danxia, Y., Liu, X., Mingyu, F., 2009, A Survey of Multicast Routing Protocols for Mobile Ad-Hoc Networks, IEEE Communications Surveys & Tutorials, 11(1), pp.78-91.

Kant, K., Awasthi, L. K., 2010, Unicast and Multicast Routing Protocols for MA-NETs: A Comparative Survey, International Journal of IT & Knowledge Management (IJITKM), Special issue.

Kaur, R., Rai, M. K., 2012, A Novel Review on Routing Protocols in MANETs, Undergraduate Academic Research Journal (UARJ), 1(1), pp.103-108.

Kumar, A., Sharma, D., Kumar, S., Shukla, S., 2013, Performance Valuation of Reactive Routing Protocols, International Journal of Research in Computer Applications and Robotics, 1(6), pp.39-44.

Mani, U., 2013, Chandrasekaran, R., Dhulipala, S., Study and Analysis of Routing Protocols in Mobile Ad-hoc Network, Journal of Computer Science, 9(11), pp.1519-1525.

Pathak, S., Jain, S., 2013, A Survey: On Unicast Routing Protocols for Mobile Ad Hoc Network, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 3(1), pp.204-210.

Ranjan, P., Ahirwar, K. K., 2011, Comparative Study of VANET and MANET Routing Protocols, Proceedings of the International Conference on Advanced Computing and Communication Technologies, pp.517-523.

Sondi, P., Gantsou, D., Lecomte, S., 2010, Performance Evaluation of Multimedia Applications Over an OLSR-Based Mobile Ad Hoc Network Using OPNET, Proceedings of the 12th International Conference on Computer Modelling and Simulation, pp. 567-572.

Stefanovic, R., Pavlovic, B., 2013, Sigurnost protokola rutiranja u ad hoc mrezama i moguci napadi u mrezi, Vojnotehnicki glasnik/Military Technical Courier, 61(2), pp.200-217.

Tepsic, D., Veinovic, M., 2013, Napadi na IEEE 802.11 bezicne mreze, Vojnotehnicki glasnik/Military Technical Courier, 61(2), pp.242-271.

Wang, X., 2011, Mobile Ad-Hoc Networks: Protocol Design, InTech, 656 pp.

Williams, B., Camp, T., 2002, Comparison of Broadcasting Techniques for Mobile Ad Hoc Networks, Proceedings of the 3rd ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc), pp.194-205.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОТОКОЛОВ МАРШРУТИЗАЦИИ «MANET»

ОБЛАСТЬ: телекоммуникации ВИД СТАТЬИ: обзорная статья ЯЗЫК СТАТЬИ: сербский

Резюме:

Беспроводные самоорганизующиеся ad hoc сети (MANET) -децентрализованные беспроводные сети, не имеющие постоянной структуры. Сети данного вида на сегодняшний день являются главным объектом исследований, так как их применение широко распространено в самых различных областях деятельности (военная, спасательная и т.д.).

Сети с высокой подвижностью узлов подлежат частому изменению в топологии. Так как традиционные протоколы маршрутизации, разработанные для проводных сетей, плохо работают в сетях MANET, для беспроводных сетей MANET разработаны специальные протоколы маршрутизации. Целью данной работы является исследование текущего состояния существующих протоколов маршрутизации в MANET сетях и сравнительный анализ различных вариантов их применения. Протоколы маршрутизации мобильных самоорганизующихся сетей подразделяются на следующие основные группы: протоколы с проактивной маршрутизацией, протоколы с реактивной маршрутизацией, гибридные протоколы.

Ключевые слова: мобильные самоорганизующиеся ad hoc сети; беспроводные сети, MANET; протокол маршрутизации.

о

7

■■¡г оо

С cp

Д

го

о о о

CP

I—

ш <

д

(3

<л

J5

тз

d

■о ;<л CP

<u I—

CLASSIFICATION OF MANET ROUTING PROTOCOLS

FIELD: Telecommunications ARTICLE TYPE: Review Paper ARTICLE LANGUAGE: Serbian

Summary:

Mobile ad hoc networks (MANETs) are self-configuring networks of nodes connected via wireless without any form of centralized administration. This kind of networks is currently one of the most important research subjects due to a huge variety of applications (military, emergency, etc.). In MANETs, each node acts both as a host and as a router, thus it must be capable of forwarding packets to other nodes. Because of the node mobility, topologies of these networks change frequently. Traditional routing protocols used in wired networks cannot work efficiently in MANETs. Therefore, special routing protocols for MANETs are needed. The objective of this paper is to research the current state of the art of existing routing protocols for MANETs, and to compare different approaches. Routing protocols are classified according to the method of forwarding packets into unicast, multicast and broadcast. There are three main classes of unicast routing protocols for MANETs: proactive, reactive and hybrid.

Introduction

A mobile ad hoc network (MANET) is a dynamic network that allows wireless networking on the go, without the need for pre-built network infrastructure. It consists of mobile nodes, where a node can be a man carrying a handheld computer equipped with appropriate devices for wireless communications, a laptop computer, a robot, or anyone who is equipped with the appropriate equipment for wireless communication. MANET networks operate without centralized infrastructure, while the nodes mutually cooperate to ensure connectivity.

MANET routing protocols

When establishing communication over the wireless network, if two nodes are not directly connected through a communication link, messages must be forwarded through transit nodes. Finding the routes between two nodes that send messages within the communication network is called routing. Routing protocols designed for use in traditional fixed networks cannot be used in MANET networks. The specific characteristics of these networks require special routing protocols that deal with solving the specific challenges.

Classification of the existing MANET routing protocols

Unicast routing protocols designed for use in mobile ad hoc wireless networks can be classified according to the mechanism of updating information on routes into three categories:

- proactive (periodic) routing protocols - each node maintains one or more tables in order to preserve the network topology and the information about the routes,

(m)

- reactive (on-demand) routing protocols - routes are found only when needed,

- hybrid routing protocols - combines features of proactive and reactive routing protocol.

Multicast routing protocols

Multicast routing protocols can be classified into four categories according to the route construction method: tree based, mesh based, hybrid, and stateless routing protocols.

Broadcast routing protocols

Broadcast routing protocols can be classified into the following categories: counter-based, area-based, neighbor-based, cluster-based and probabilistic-based methods.

The choice of unicast routing protocol in MANETs

When it comes to choosing a unicast routing protocol within the MANET network, the reactive approach achieves better results when node mobility is high and when the amount of traffic transmitted between the nodes is small. On the other hand, proactive routing protocols are recommended when the network is generally static, and when the amount of generated traffic between nodes is high. When a balance between the different models of the mobility of nodes and different amounts of generated traffic between nodes within a network is needed, it is recommended to use a hybrid routing protocol which combines both classes of protocols, a proactive one and a reactive one.

Conclusion

The topology of mobile ad hoc networks can be dynamic and unpredictable. Traditional routing protocols used in cable networks cannot be directly applied to mobile ad hoc wireless networks.

Three major classes of unicast routing protocols are proactive, reactive and hybrid.

Key words: Mobile ad hoc networks, Wireless networks, MANET, Routing protocols.

Datum prijema clanka/Paper received on: 16. 03. 2014.

Datum dostavljanja ispravki rukopisa/Manuscript corrections submitted on: 17. 04. 2014. Datum konacnog prihvatanja clanka za objavljivanje/ Paper accepted for publishing on: 19. 04. 2014.

7

4

oo

.p p nj

a

al ol

k o t

ro pr

I— LU

z <

aj ci

is la

d

d

■o ><n

p e

I—