Primena QoS protokola u MANET mrežama Application of the QoS Protocol in MANET networks

Transcription

1 Primena QoS protokola u MANET mrežama Application of the QoS Protocol in MANET networks Boban Pavlović 1, Jovan Bajčetić 1, 1 Univerzitet odbrane u Beogradu, Vojna akademija Sadržaj U radu su prikazani osnovni problemi u vezi primene QoS protokola u mobilnim ad hoc mrežama. Takođe su navedena otvorena pitanja koja se odnose na formiranje QoS protokola rutiranja u ad hoc mrežama. Razmatrani su fleksibilni QoS model za MANET mreže i INSIGNIA signalizacioni protokol. Posebno je analiziran AODV protokol rutiranja sa QoS ekstenzijom preko parametara maksimalno kašnjenje i minimalno dostupan propusni opseg. Abstract This paper presents the main problems concerning the implementation of QoS protocol in mobile ad hoc networks. The outstanding issues relating to the establishment of QoS routing protocols in ad hoc networks are also listed. A flexible QoS model for MANET networks and INSIGNIA signaling protocol are considered in this paper. It is particularly analyzed AODV routing protocol with QoS extension through maximum delay and minimum of available bandwidth. 1. UVOD Mobilne ad hoc mreže (MANET) karakterišu velika mobilnost i pojava čestih otkaza usled kojih se smanjuje propusnost linka i povećava kašnjenje u komunikaciji. MANET mreže su samo-konfigurišuće mreže mobilnih rutera koje formiraju proizvoljnu topologiju. Dinamična i brzo promenljiva topologija, samo-organizovanost, čvorovi sa funkcijom rutera, nepostojanje bazne stanice, brzo uspostavljanje komunikacije i ograničeni resursi su osnovne odlike MANET mreža [1]. Upotreba MANET mreža za prenos multimedijalnih aplikacija uslovljava strožije QoS zahteve koji moraju biti ispunjeni. Osnovni cilj obezbeđenja QoS je postizanje determinističkog ponašanja mreže kako bi se ostvario prenos informacija kroz mrežu bez gubitaka i postigla iskorišćenost mrežnih resursa na zahtevanom nivou. QoS ruitranje ne podrazumeva postupak pronalaženja bilo kakve putanje od izvora do odredišta, već samo putanje koja ispunjava strogo postavljene QoS zahteve po pitanju propusnog opsega ili kašnjenja uz maksimalno iskorišćenje mrežnih resursa. Osnovne karakteristike QoS rutiranja su: a) pronalazak putanje od izvora do odredišta koja ispunjava zahteve korisnika; b) optimizacija upotrebe mrežnih resursa i c) praćenje mrežnih performansi u slučaju pojave neželjenih događaja kao što su zagušenja na linkovima ili prekid putanje [2]. Sa druge strane, obezbeđivanje QoS dovodi do porasta troškova, odn. porasta vremena za uspostavljanje konekcije i obrade većeg broja informacija. 2. OSNOVNI PROBLEMI U VEZI SA IMPLEMENTACIJOM QoS U MANET MREŽAMA Nepouzdani bežični kanali Bežični kanal karakteriše veliki uticaj smetnji od drugih transmisionih kanala, termičkog šuma i efekata višeputnog fedinga. Usled toga javlja se velika bitska greška, odn. zbog velikih paketskih gubitaka, veoma je teško obezbediti pouzdan, a istovremeno i dugotrajni prenos podataka. Mobilnost čvora S obzirom na nezavisnost i slučajnost u promeni pozicije mobilnog čvora, moraju se veoma često ažurirati informacije o mrežnoj topologiji kako bi se obezbedilo pravovremeno rerutiranje podataka preko novih, dostupnih putanja. Za svaki upotrebljivi algoritam rutiranja važi osnovno pravilo: brzina promene mrežne topologije ne može biti veća od brzine prenosa informacija o stanju u mreži. Jedino se pri tome može na adekvatan način odgovoriti ovakvim promenama. Nepostojanje centralizovanog upravljanja Glavna prednost MANET mreža sastoji se u spontanom uspostavljanju mreže, bez prethodnog planiranja uz mogućnost dinamičkih promena položaja čvorova. Algoritmi rutiranja koji koriste samo lokalno dostupne informacije o stanju mreže su poželjni, što sa druge strane dovodi do povećanja mrežnog opterećenja i složenosti, kao i potrebe za efikasnim prenosom informacija o QoS stanju. Istovremeno, dinamičko mrežno okruženje i promena karakteristika medijuma prostiranja čini upravljanje i održavanje rutom veoma teško. Ograničeni mrežni resursi Mobilni čvorovi imaju manju procesorsku snagu i manji memorijski kapacitet u poređenju sa čvorovima u fiksnim mrežama. Obezbeđenje zahtevanog nivoa QoS u MANET mrežama usled ograničenog kapaciteta memorije dovodi do problema smeštaja velikog broja dodatnih informacija u poređenju sa best-effort rutiranjem. Ograničeni energetski resursi Mobilne čvorove u odnosu na mrežne čvorove u fiksnoj infrastrukturi karakteriše generalno ograničeno napajanje. Potreba za obezbeđenjem zahtevanog QoS u toku rada (faze pronalaženja putanja i preusmeravanja saobraćaja) može dovesti do dodatnog porasta utroška energije. 380

2 3. OTVORENA PITANJA KOD FORMIRANJA QoS PROTOKOLA RUTIRANJA Način otkrivanja rute i prenos informacija o stanju Ako se otkrivanje rute i prenos informacija izvode proaktivno (table driven), tada se značajno smanjuje vreme uspostavljanja sesije. Sa druge strane, ovaj pristup postaje neefikasan u slučaju uključenja većeg broja čvorova u mrežu kada je potrebno čuvati i ažurirati veliku količinu informacija o putanjama, posebno u veoma pokretljivim scenarijima. Sa druge strane, reaktivni (on demand) algoritmi su prihvatljivi u situacijama kada se definiše veliki broj različitih QoS metrika. U tom slučaju, omogućeno je da se rute pronalaze na bazi svih prisutnih metrika, odn. bez potrebe za razdvajanjem procesa otkrivanja putanje za svaku metriku pojedinačno. Reaktivno rutiranje onemogućava potencijalno gubljenje kapaciteta i energije na otkrivanje rute i prenos QoS stanja koji trenutno nisu zahtevani. Hibridno otkrivanje rute podrazumeva definisanje zona u okolini svakog čvora u kojoj se primen juje proativno otkrivanje rute. Između zona se primenjuju reaktivni protokoli rutiranja eliminišući problem skalabilnosti koji postoji kod proaktivnog rutiranja uz blagovremeno formiranje rute unutar definisane zone. Moguće je uspostaviti i hibridne postupke otkrivanja rute i prenosa QoS stanja. Jedna od mogućnosti je proaktivno otkrivanje rute, dok se informacije o QoS stanju zahtevaju tek pošto se uspostavi prenos podataka sa QoS ograničenjima. Druga mogućnost je potpuno mešoviti pristup gde otkrivanje QoS stanja prati navedenu proaktivno /reaktivnu prirodu otkrivanja rute. Potreban kapacitet i dozvoljeno kašnjenje Ako kašnjenje ne predstavlja ograničenje u mreži, izvorni čvor može podeliti pakete i poslati ka većem broju susednih čvorova. Ovi čvorovi d alje usmeravaju pakete ka odredištu pri čemu se poboljšava propusnost mreže, ali sa druge strane raste i ukupno kašnjenje u mreži. QoS rutiranje, informacija o QoS stanju zahteva češće ažuriranje kako bi se omogućilo donošenje preciznih odluka o rutiranju na bazi zahtevanog QoS. Upravljanje predajnom snagom Primena upravljanja predajnom snagom, TPC (Transmission Power Control) ima za cilj definisanje potrebnog broja skokova pri prenosu paketa do odredišta. Na ovaj način se formiraju usmereni linkovi. Na primer, ako čvor A može prenositi pakete ka čvoru B, a obrnuto ne može, čvor B će upotrebiti nižu predajnu snagu sve dok ne spozna rastojanje do A kada će proračunati potrebnu predajnu snagu da dostigne čvor A. Globalni ciljevi ili pojedinačni zahtevi Sa strane mrežnog projektanta, osnovni cilj je zadovovoljenje što većeg broja korisnika obezbeđenjem adekvatnog QoS primenjivog za sve njih. Sa druge strane, svaki pojedinačni korisnik ima svoje specifične zahteve, i da bi se oni zadovoljili, mreža mora odgovoriti na svaki od njih. U složenijim scenarijima, aplikacija može sadržati veliki broj ograničenja (na primer mali paketski gubici i malo kašnjenje). U ovom slučaju, poželjan je protokol rutiranja koji pronalazi stabilnu putanju sa malim saobraćajnim opterećenjem. Sa stanovišta održivosti mreže, najbolje rešenje je putanja sa najmanjom cenom (po pitanju potrošnje energije). U ovom slučaju, postoji konflikt između različitih zahteva na koje mora dati zadovoljavajuće kompromisno rešenje odgovarajući protokol [3]. 4. QoS MODEL ZA MANET MREŽE QoS u ad hoc mreže, uvodi se preko tri sloja, kako je prikazano na slici 1[4]. Porastom redundantnosti dolazi do smanjenja kašnjenja, ali se smanjuje efikasnost iskorišćenja mreže. Ako se više kopija paketa usmerava kroz mrežu preko različitih putanja, tada je smanjena srednja vrednost kašnjenja. Međutim, sa druge strane poteban je veći mrežni kapacitet za slanje kopija paketa, a takođe je smanjena i efikasnost algoritma rutiranja. Dozvoljeni gubici i kapacitet mreže Slanjem kopija paketa raste verovatnoća da paket, odn. kopija dođe do odredišta (smanjuju se gubici u prenosu), ali se takođe smanjuje i iskorišćenost mrežnog kapaciteta. Ovo je primenjivo u senzorskim mrežama gde se podaci veoma često difuzno šalju bez primene nekog pouzdanog protokola obrade na MAC sloju. Rutiranje je efikasno ukoliko je brzina otkrivanja suseda dovoljno velika da odgovori na česte topološke promene. Ako se razmatra Slika 1. Troslojni QoS model na MAC sloju ( QoS MAC) uvodjenjem QoS funkcionalnosti u cilju pružanja garancija, na sloju rutiranja (QoS Routing) izborom prikladnih ruta u skladu sa postavljenim različitim kriterijumima, na signalizacionom sloju (QoS Signaling) odgovoran za usaglašavanje sa ostalim QoS slojevima, sa mehanizmima rezervacije resursa, kontrolom pristupa i planiranjem. 381

3 Kao što je prethodno navedeno, obezbeđivanje zahtevanog nivoa QoS u ad hoc mrežama je mnogo teže u poređenju sa drugim mrežama. U ad hoc mrežama dostupni propusni opseg se deli između bliskih čvorova, dok se mrežna topologija menja sa kretanjem čvorova. Ovo zahteva jedan visok nivo saradnje između čvorova, kako u pogledu uspostavljanja rute, tako i za obezbeđenje neophodnih resursa za održavanje QoS. Najvažnije metrike za ocenu QoS koje se koriste za rutiranje su: kašnjenje D (Delay), propusni opseg BW (BandWidth) i troškovi C ( Cost). Ovde se pod troškovima podrazumeva više parametara (broj hopova, iskorišćenost linka, zahtevani resursi za svaki čvor i dr.). Navedene metrike se mogu definisati na putanji P koju čine deonice i j k,...l,...p q preko pojedinačnih deonica, na sledeći način: D P D i, j D j, k... D p, q min,,,,...,,,,..., BW P BW i j BW j k BW p q (1) C P C i j C j k C p q 5. FLEKSIBILNI QoS MODEL ZA MANET MREŽE (FQMM) FQMM (Flexible QoS Model for MANets) predstavlja prvi QoS model predviđen za MANET mreže koji je nastao na bazi istraživanja QoS u žičnim mrežama uzimanjem u obzir svih karakteristika MANET mreža [5]. Zasniva se na kombinaciji IntServ modela QoS (posmatranje pojedinačnog toka podataka) i DiffServ modela (agregacija u skupove tokova podataka). Model je baziran na pretpostavci da svi pojedinačni paketi u mreži nemaju zahtev za najvećim prioritetom, već se formiraju klase prioriteta koje su definisane za različite skupove prenosa. FQQM model definiše tri vrste čvorova, kao kod DiffServ modela: a) ulazne, b) jezgrene i c) izlazne. Osnovna razlika je što kod FQMM modela vrsta čvora nema nikakve veze sa njegovom fizičkom lokacijom u mreži, budući da je to irelevantno mrežama sa dinamičkom topologijom. Čvor je ulazni ukoliko predaje podatke, jezgreni (centralni) ako ih prosleđuje kroz mrežu i izlazni ukoliko prima podatke. b) Slika 2. Različite uloge čvorova u MANET mreži zavisno od trenutne pozicije 6. INSIGNIA SIGNALIZACIONI PROTOKOL INSIGNIA (In-band Signaling Support for QoS in MANET) je prvi signalizacioni protokol projektovan isključivo za MANET mreže. Obezbeđuje brzu rezervaciju toka, ponovno uspostavljanje i adaptacione algoritme rutiranja koji su definisani radi isporuke servisa u realnom vremenu u MANET okruženjima [6]. Upravljački signali se smeštaju u IP opciono polje svakog IP paketa (INSIGNIA option), kako je prikazano na slici 3. Mod rezervacije je jednobitno polje koje označava da li paket zahteva rezervaciju (REQ) ili je paket već rezervisao resurse (RES). U slučaju REQ moda, sadržaj se usmerava ka INSIGNIA modulu na dalju obradu. Polje tip servisa može dodeliti resurse (vrednost RT ( Real Time)) ili zabraniti dodelu resursa (vrednost BE (Best Effort)). Polje propusni opseg je 16-bitno i označava minimalno i maksimalno zahtevani propusni opseg u slučaju izbora RT. Indikator propusnog opsega je jednobitno polje koje odredište koristi da potvrdi da li je zadovoljen zahtev za maksimalnom vrednošću (MAX vrednost) ili bar jedan čvor od izvora do odredišta ne ispunjava uslov za maksimalnim propusnim opsegom. Slika 3. INSIGNIA IP Option polje a) Slika 4. Uspostavljanje toka i upotreba indikatora propusnog opsega Slika 4 prikazuje slučaj uskog grla u toku zahteva za rezervacijom. Ovde INSIGNIA opciono polje menja vrednost sa (RT/MAX) na vredno st (RT/MIN). U slučaju 382

4 da čvor broj 3 ne može da ispuni zahtevani kriterijum, sadržaj IP opcionog polja na izlazu može imati vrednost (BE/MIN). INSIGNIA predstavlja samo signalizacioni protokol tako da se zahteva upotreba protokola rutiranja ( AODV, DSR ili TORA) koji će pratiti promene u ad hoc topologiji i ažurirati tabelu rutiranja na svakom čvoru. Takođe se zahteva i upravljački modul koji će dodeliti zahtevani propusni opseg nakon potvrde da su potrebni resursi raspoloživi, kao i modul za prosleđivanje paketa. Glavni nedostatak INSIGNIA protokola je potreba za čuvanjem informacija o stanju u mobilnim čv orovima što dovodi do problema sa skalabilnošću u slučaju porasta broja čvorova. Takođe, INSIGNIA je projektovana da razlikuje samo dve klase saobraćaja, rad u realnom vremenu (RT) i Best Effort (BE). 7. AODV PROTOKOL RUTIRANJA SA QoS Princip AODV protokola sa QoS proširenjem Implementacija QoS rutiranja u MANET mrežama ima za cilj da informiše izvorišni čvor o propusnom opsegu i dostupnom QoS ka odredišnom čvoru. Na ovaj način je omogućeno uspostavljanje QoS konekcije kroz mrežu i podrška multimedijalnom saobraćaju u realnom vremenu. AODV je protokol rutiranja po zahtevu ( on-demand) baziran na ideji DSDV i DSR protokola rutiranja. AODV minimizira potreban broj difuznih slanja poruka formiranjem putanja po zahtevu ( što je suprotno zahtevu za čuvanjem k ompletnih lista putanja kod DSDV protokola, a svojstveno DSR algoritmu rutiranja). Kada izvorišni čvor želi da pošalje poruku odredišnom, proces otkrivanja putanje se inicira difuznim slanjem RREQ (Route Request) poruke ka svim susednim čvorovima. Proces se nastavlja ka daljim susedima sve dok se ne locira odredište ili neki unutrašnji čvor sa ažuriranom rutom do odredišta. Čvor koji primi RREQ poruku sa QoS ekstenzijom može difuzno poslati RREQ (ukoliko nema ažuriranu rutu u memoriji, odn. ne ispunjava QoS zahteve), ili poslati RREP (Route Reply) poruku u jednom smeru ka izvoru (pozitivna potvrda zahteva). Ukoliko, nakon uspostavljanja putanje, bilo koji čvor duž putanje detektuje da se zahtevani QoS parametri više ne mogu održavati, taj čvor formira ICMP QOS_LOST poruku koju će poslati ka izvoru koji je prvobitno postavio zahtev za QoS. Osnovna AODV tabela rutiranja sadrži sledeća polja: Broj sekvence odredišta, Interfejs, Brojač hopova, Sledeći hop i Listu prethodnih čvorova. Pored navedenih elemenata, QoS za AODV definiše 4 dodatna elementa koji se dodaju svakoj pojedinačnoj ruti: Maksimalno kašnjenje Minimalno dostupan propusni opseg Spisak čvorova koji zahtevaju garantovano kašnjenje Spisak čvorova koji zahtevaju garantovani propusni opseg. Maksimalno kašnjenje Maksimalmo kašnjenje se definiše kao maksimalno dozvoljeno vreme za prenos od izvora do odredišta (RREQ paket). Svaki put kada čvor primi RREQ paket raste vrednost NODE_TRAVERSAL_TIME koje predstavlja ukupno vreme zahtevano od strane čvora za obradu RREQ paketa. Uobičajena vrednost NODE_ TRAVERSAL_TIME iznosi 40 ms, ali može biti postavljena i druga vrednost, zavisno od procesorske snage na čvoru. Pre daljeg prosleđivanja RREQ paketa, čvor mora uporediti NODE_TRAVERSAL_TIME sa preostalim vremenom kašnjenja u RREQ paketu. Ako je vrednost kašnjenja manja od NODE_TRAVERSAL_ TIME, čvor odbacuje RREQ paket. U suprotnom, čvor oduzima NODE_TRAVERSAL_TIME od vrednosti kašnjenja i nastavlja sa obradom RREQ paketa. Na slici 5 prikazano je kako RREQ1 može biti usmeren ka unutrašnjem ruteru u toku procesa otkrivanja rute. Kada krajnji čvor D pošalje RREP poruku kao odgovor na prethodnu RREQ poruku, polje kašnjenje će imati vrednost 0. Svaki sledeći čvor dodaje vrednost NODE_ TRAVERSAL_TIME i smešta u polje kašnjenje RREP paketa u tabeli rutiranja za druge RREQ pakete. Ažuriranje vrednosti kašnjenja omogućava trivijalno otkrivanje rute. Na primer, sledeći RREQ2 koji pošalje čvor A biće odbačen od strane čvora B budući da se zahtevano kašnjenje (10ms) ne može ostvariti (iznosi 80ms). Slika 5. Primer usmeravanja ili odbacivanja RREQ poruke na bazi zahtevanog kašnjenja Ako se NODE_TRAVERSAL_TIME poveća sa 50ms na 100ms na čvoru C usled pove ćanog opterećenja, ovo će uticati na sve zavisne čvorove (čvorovi B i A). Zbog toga će čvor C proslediti ICMP QOS_LOST poruku svim potencijalnim čvorovima pogođenim QoS parametrom. Iz ovog razloga, svaki čvor sadrži podatke o zavisnim čvorovima, u tzv. Spisku čvorova koji zahtevaju garantovano kašnjenje. ICMP QOS_LOST je kratka poruka i šalje se svim zavisnim čvorovima. Minimalno dostupan propusni opseg U RREQ poruci ovo polje predstavlja minimalno zahtevani propusni opseg dostupan na određenom linku. Svaki put kada čvor primi RREQ poruku, vrši se poređenje dostupnog kapaciteta linka sa zahtevanim kapacitetom iz poruke RREQ. Ako zahtevani kapacitet nije dostupan, tada čvor odbacuje RREQ i dalje ga ne obrađuje. Ukoliko je 383

5 propusni opseg dostupan, tada se zahtev obrađuje sve dok ne stigne do odredišnog čvora D. Kada čvor D odgovori sa RREP porukom, u polju propusni opseg se postavlja beskonačna vrednost. Svaki naredni čvor koji prenosi RREP poruku upoređuje polje propusni opseg sa kapacitetom linka i zadržava manju vrednost u polju propusnog opsega RREP poruke. Ova vrednost se registruje u tabeli rutiranja za sledeće RREQ i predstavlja dostupan propusni opseg do odredišta. Na ovaj način omogućeno je da čvorovi odgovore na nove RREQ poruke upoređivanjem zahtevanog minimalnog propusnog opsega i dostupnog propusnog opsega u tabeli rutiranja. Sa slike 6, uočava se da zahtev RREQ2 (predstavlja poruku za otkrivanje rute od A do D) ne može biti ispunjen jer zahtev za kapacitetom od 80kb/s prevazilazi dostupnih 50 kb/s koji je smešten sada u čvoru B i stoga će biti odbačen od strane čvora B. 8. ZAKLJUČAK Neophodnost primene QoS modela u MANET mrežama proističe iz upotrebe mobilnih ad hoc mreža za prenos multimedijalnih sadržaja koji imaju velike zahteve po pitanju QoS. Prenos informacija sa prihvatljivim gubicima i kašnjenjem čini imperativ u savremeni mobilnim mrežama. Sa druge strane, upotreba QoS modela zahteva dodatne troškove po pitanju korišćenja veoma ograničenih mrežnih resursa. Da bi se podržao QoS u MANET mrežama, informacije o stanju na linku, kao što su kašnjenje, propusni opseg, cena, gubici i greške u prenosu, moraju biti pravovremeno dostupni. Sa druge strane, prikupljanje i prenos ovih informacija u mrežama koje karakteriše brzo promenljiva topologija, je veoma težak zadatak. Na bazi prethodnih razmatranja, izbor odgovarajućeg QoS modela u određenoj MANET mreži, mora da prati jedna sveobuhvatna analiza koja će da uključi sve specifičnosti posmatrane mreže. 9. LITERATURA Slika 6. Prosleđenje ili odbacivanje RREQ na osnovu zahtevanog propusnog opsega Kao i u slučaju kašnjenja, čvor može odbaciti zahtev za linkom formiranjem ICMP QOS_LOST poruke i slanjem svim čvorovima na koje utiče QoS parametar. Spisak čvorova na koje utiče ova promena nalazi se u Spisku čvorova koji zahtevaju garantovani propusni opseg. 8 [1] C. E. Perkins, Ad Hoc Networking, Addison Wesley, ISBN [2] C. Wu, F. Zhang, H. Yang, A Novel Qos Multipath Path Routing in MANET International Journal of Digital Content Technology and its Application, Vol.4, No.3, June [3] L, Hanzo II, R. Tafazolli, A Survey of QoS Routing Solutions for Mobile Ad Hoc Networks, IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2 ND Quarter 2007, Vol.5, No.2, page Slika 7. Format ICMP QoS_LOST poruke ICMP QoS_LOST poruka se generiše u dva slučaja: 1) kada na nekom čvoru dođe do porasta vrednosti NODE_TRAVERSAL_TIME i 2) kada dođe do smanjenja kapaciteta linka. Format poruke prikazan je na slici 7. IP adresa odredišta se odnosi na link na kome je došlo do promena u QoS parametrima. Ova poruka se šalje svim potencijalnim čvorovima na koje utiče promena QoS parametara, odn. ka čvorovima kojima je prethodno upućena RREP poruka. Lista ovih čvorova je smeštena u tabeli rutiranja. [4] S. Lohier, S. M. Senouci, Y.G. Doudane, G. Pujolle, QoS Routing in ad hoc networks, Laboratorie LIP6 Université de Paris VI [5] L. Y. Demetrios, A Glance at Quality of Service in Mobile Ad Hoc Networks, Department of Computer Science, University of California. [6] G. Santhi, A. Nachiappan, A Survey of QoS Routing Protocols for Mobile Ad Hoc Networks, International Journal of Computer Science & Information Technology (IJCSIT), Vol.2, No4, August