Wykorzystanie inżynierii międzywarstwowej do wspomagania routingu w sieciach ad-hoc

Przedstawiono mechanizmy wykorzystania inżynierii międzywarstwowej do wspomagania routhingu w sieciach ad-hoc. Mechanizmy te ukazują, w jaki sposób można, korzystając z już istniejących rozwiązań, usprawnić działanie sieci z ukierunkowaniem jej na spełnienie wymagań gwarantowania jakości usług.

W ostatnich latach nastąpił znaczny wzrost wykorzystania sieci bezprzewodowych w bardzo wielu dziedzinach życia. Najszybciej rozwijającą się obecnie i najbardziej znaną jest
sieć oparta na standardzie 802.11 i jego odmianach (a, b, g, n, e), tzw. WiFi. Standard ten definiuje różne tryby pracy, z których najczęściej spotykanym jest tryb zarządzany, w którym
nadrzędną kontrolę nad siecią sprawuje osobne urządzenie, tzw. punkt dostępu. Sieci, w których nie ma takowego urządzenia są sieciami typu ad-hoc. Brak odgórnej koordynacji
sprawia, iż zadania zarządzania i utrzymania sieci spadają na barki poszczególnych urządzeń klienckich wchodzących w jej skład. Jest to tym trudniejsze im więcej urządzeń znajduje się
w sieci oraz im większą mobilnością one się wykazują. Co za tym idzie, problemem staje się zapewnienie odpowiedniej jakości usług (Quality of Service – QoS) dla poszczególnych
typów aplikacji (np. VoIP) działających na stacjach klienckich. Jednym z ważniejszych mechanizmów, które w znaczący sposób mogłyby poprawić zaistniałą sytuacje jest wykorzystanie odpowiednich mechanizmów routingu, które gwarantować będą wybór odpowiednich tras z uwzględnieniem wymagań dla usług wymagających odpowiedniego QoS. W klasycznych rozwiązaniach wsparcie takie jest znikome lub żadne, dlatego koniecznym staje się opracowanie nowych mechanizmów routingu ze wsparciem dla jakości usług.

Architektura sieci MANET i problem routingu

Sieci MANET są sieciami bezprzewodowymi opartymi na połączeniach typu ad-hoc pomiędzy pewnym zbiorem stacji bezprzewodowych (w większości mobilnych) rozmieszczonym na pewnym ograniczonym obszarze. Nie posiadają one stałej infrastruktury i wykazują się dużą dynamiką zmian położenia poszczególnych stacji. Brak odgórnego systemu zarządzania sprawia, iż poszczególne stacje muszą polegać na sobie wzajemnie,
a każda z nich musi pełnić funkcję swoistego routera, aby zapewnić współpracę pomiędzy różnymi podsieciami oraz stacjami oddalonymi od siebie o dystans większy niż zasięg
radiowy każdej z nich. Komunikacja pomiędzy stacjami odbywa się za pośrednictwem mechanizmu IEEE 802.11 DCF (Distributed Coordination Function) [1] z wykorzystaniem tego samego kanału radiowego.

Ze względu na brak bezpośredniej widoczności radiowej stacji wchodzących w skład przedstawianej sieci, ważnym problemem staje się routing. W przypadku sieci bezprzewodowych zastosowanie klasycznych protokołów routingu znanych z sieci Ethernet (RIP, OSPF) staje się niemożliwe ze względu na dużą dynamikę zmian medium transmisyjnego oraz mobilność stacji. Warunki te wymuszają odpowiednio częstą aktualizację tablic routingu (aby pozostały one aktualne) oraz ograniczanie do minimum narzutu dodatkowych pakietów wprowadzanego przez przekazywanie informacji routingowych w sieci. Ponadto należałoby również uwzględnić wsparcie dla gwarantowania jakości usług przez stosowany protokół routingu w tego typu sieciach.
Na rysunku 1 przedstawiona została uproszczona topologia sieci MANET wraz z zaznaczeniem omawianego powyżej problemu. Strzałki obrazują aktywne łącza pomiędzy poszczególnymi stacjami.

Istnieje wiele różnych protokołów routingu dla sieci IP.Jednakże dla sieci ad-hoc należało opracować nowe, które spełniałyby przedstawione wyżej wymagania. Obecnie jest ich już dosyć dużo [2], jednak nie wszystkie z nich są zamieszczone w standardach (RFC). Generalnie, dzielą się one na:

1) proaktywne – w których tablice routingu są okresowo uaktualniane i każda ze stacji posiada informację o wszystkich trasach dostępnych na daną chwilę w sieci; ich główną
zaletą jest szybkość przesyłania pakietów, ale okupiona jest ona przez duży narzut związany z utrzymaniem pełnych tablic routingowych oraz wolną reakcją na zmiany w topologii sieci, co w przypadku sieci wysoce mobilnych wpływa niekorzystnie na jakość usług,
2) reaktywne – które znajdują drogę dopiero kiedy zaistnieje taka konieczność; redukuje to natłok w sieci spowodowany działaniem protokołu routingu, jednak wpływa niekorzystnie
na szybkość przesyłania, gdyż należy odczekać pewien czas aż droga do celu zostanie odnaleziona;
3) hybrydowe – łączące zalety protokołów pro- i reaktywnych;
routing w tym przypadku jest inicjowany poprzez proaktywne poszukiwanie tras, a dla każdej dodatkowo dołączanej stacji stosowane są mechanizmy reaktywne; stosowanie tego typu protokołu jest sensowne jedynie w sieciach odznaczających się dużą dynamiką zmian topologii oraz wysoką mobilnością.

Znanych jest jeszcze wiele innych typów mechanizmówroutingu w sieciach ad-hoc, jednakże w artykule ograniczono się jedynie do dwóch z wyżej wymienionych. Jednym z reprezentantów protokołów proaktywnych jest protokół DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) [3]. Bazuje on na algorytmie Bellmana-Forda i został opracowany w celu rozwiązania problemu zapętleń. W ogólności, zasada jego działania jest podobna do tej podanej dla protokołów proaktywnych, z tą różnicą, iż w wymienianych tablicach zawarte są numery sekwencyjne, które są parzyste, jeśli łącze istnieje lub nieparzyste w przeciwnym wypadku. Numery te są generowane w stacjach docelowych. Wpis w tablicy zawiera również standardowe dla tego typu protokołu elementy, takie jak: cel, adres następnego skoku i wymagana liczba skoków do osiągnięcia celu. Preferowane są trasy z nowszymi numerami sekwencyjnymi; w przypadku tras z tym samym numerem wybierana jest ta z mniejszą metryką. Aby ograniczyć „zalewanie” sieci przez informacje routingowe zdefiniowano dwa typy pakietów. Pierwsze przenoszą całą dostępną informację o routingu (tzw. full dump – przesyłane rzadziej), drugie zawierają jedynie informację, która uległa zmianie od czasu ostatniego przesłania „full dump” (tzw. incremental – przesyłane częściej).

Reprezentantem protokołów reaktywnych jest protokół AODV (Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing) [4]. Zapewnia on szybką adaptację do dynamicznych warunków działania sieci ad-hoc, szybsze przetwarzanie w stacjach oraz mały narzut dodatkowych pakietów routingu krążących w sieci. Podobnie do DSDV protokół ten używa numerów sekwencyjnych do zapobiegania „zapętlaniu” sieci tak częstej w protokołach opartych na mechanizmie wektora odległości. Droga jest zestawiana na żądanie poprzez wysłanie pakietu rozgłoszeniowego RREQ (Route Request), który jest dalej przesyłany poprzez stacje pośrednie tworzące sieć ad-hoc.
Zanim prześlą one powyższy pakiet dalej tworzą u siebie ścieżkę powrotną do źródła i sprawdzają czy przypadkiem nie posiadają już wpisu o drodze do celu, którego poszukuje
źródło. Jeśli mają takową informację to odsyłają pakiet RREP (Route Reply) do źródła, w przeciwnym przypadku stacja pośrednia przesyła pakiet RREQ dalej. Jeśli żadna stacja
pośrednia nie posiada w swoich wpisach drogi do poszukiwanego celu to pakiet RREQ wędruje do tej pory przez stacje pośrednie aż znajdzie stacje docelową; wtedy stacja ta tworzy
ścieżkę powrotną i przesyła pakiet RREP do źródła, który wędrując w jego kierunku tworzy drogę do stacji docelowej. Warto zauważyć, iż protokół AODV zapewnia automatyczne
odrzucanie pakietów RREQ przez stacje pośrednie, jeśli otrzymają one kolejne duplikaty tego samego zapytania RREQ. Podobnie stacja docelowa, generuje odpowiedź RREP tylko
na pierwszy odebrany pakiet RREQ, kolejne docierające do niej tego typu pakiety są odrzucane.

Zarówno protokół AODV, jak i DSDV korzystają z tej samej metryki opartej na wyznaczaniu dróg za pomocą minimalnej liczby skoków, które należy wykonać, aby dotrzeć do stacji docelowej. Zostało dowiedzione w [5], iż aby tworzyć drogi, dla których można by zapewnić wymaganą jakość usług nie wystarczy oprzeć się na tej metryce. Niektóre usługi takie, jak VoIP, VoD potrzebują określonego zbioru parametrów gwarantowanych przez utworzoną drogę. Są to: wymagana przepustowość, maksymalne opóźnienie, zmienność opóźnienia, pewność dostarczenia do miejsca przeznaczenia i wiele innych, w zależności od wymagań realizowanej usługi. W swoich podstawowych wersjach zaprezentowane protokoły nie gwarantują wsparcia dla QoS, dlatego koniecznym staje się opracowanie nowych rozwiązań bądź też zmodyfikowanie już istniejących. Jednym ze sposobów jest wykorzystanie inżynierii międzywarstwowej do wsparcia tradycyjnych mechanizmów routingowych. Inżynieria ta pozwala między innymi na wykorzystanie informacji z warstwy fizycznej i MAC do podejmowania decyzji o wyborze odpowiedniej trasy, która zapewniłaby odpowiednią jakość wymaganą przez daną aplikację.

Definicja inżynierii międzywarstwowej

Inżynieria międzywarstwowa (Cross-Layer) jest stosowana w celu uwolnienia się od tradycyjnego bazującego na warstwach modelu komunikacyjnego OSI/ISO. Podejście warstwowe mimo swoich zalet (standaryzacja i uproszczenie) ogranicza tworzenie sieci (szczególnie bezprzewodowych), które zapewniałyby maksymalne wsparcie dla jakości usług.W sieciach teleinformatycznych routing realizowany jest według modelu OSI na poziomie warstwy trzeciej (warstwa sieci). Jednakże, jako że warstwa ta nie może się bezpośrednio komunikować z warstwami niższymi, niemożliwe staje się implementowanie bardziej złożonych metryk routingu zapewniających wsparcie dla QoS. Warstwy niższe (PHY/MAC) posiadają bowiem wiele informacji charakteryzujących jakość łącza (poziomy mocy, dostępne przepływności, opóźnienie, czasy CW, itp.). Wykorzystanie tych informacji do wspomagania działania warstw wyższych jest głównym celem stosowania inżynierii międzywarstwowej (w tym przypadku chodzi o wspomaganie procesu routingu w warstwie sieciowej). Na podstawie pozyskanych w ten sposób informacji, stacja może stosować w procesie routingu metryki uwzględniające jakość łącza i tym samym podejmować lepsze decyzje odnośnie do doboru trasy, która spełniać będzie postawione przez daną
usługę wymagania.

Rysunek 2 [9] przedstawia schematycznie model współpracy międzywarstwowej, interakcje pomiędzy warstwami i przepływ danych dla wspomagania mechanizmów routingu.

Podejście międzywarstwowe i odpowiednia jego implementacja umożliwia rozszerzenie możliwości standardowego podziału warstwowego OSI, bez niszczenia funkcjonującej do tej pory struktury komunikacji. Istotą działania takiego schematu jest udostępnianie informacji warstwom wyższym i to w dodatku w miarę szybki sposób, aby były one aktualne, a decyzje na nich oparte słuszne. Dzięki temu nie zachodzi konieczność tworzenia nowych protokołów routingu, ale wystarczy jedynie modyfikacja istniejących rozwiązań.