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アドホックネットワークの概要と技術動向

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アドホックネットワークの概要と技術動向. 2005 年 2 月 26 日 千葉大学大学院 阪田 史郎 sakata@faculty.chiba-u.jp. アドホックネットワークの定義. David B. Johnson ( DSR の提案者)ら:

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

アドホックネットワークの概要と技術動向

2005年2月26日

千葉大学大学院

阪田 史郎

sakata@faculty.chiba-u.jp

slide2

アドホックネットワークの定義

David B. Johnson (DSRの提案者)ら:

“An ad hoc network is a collection of wireless mobile hosts forming a temporary network without the aid of any established infrastructure or centralized administration.”

・アドホックネットワーク

- ‘アドホック(その場限りの)’な通信を行うネットワーク。

- 実ネットワークではなくネットワークの‘形態’を表す。

・センサネットワーク

- 複数のセンサを接続し、センサによる中継、センサ間の通信も行う‘実ネットワーク’

を表す。

- センサネットワークがアドホックな形態で通信することもある。

センサ

ネットワーク

アドホック(な通信を行う)

ネットワーク

slide3

アドホックネットワークとセンサネットワークアドホックネットワークとセンサネットワーク

  • インターネットも携帯電話(セルラー網)も固定的なインフラをもつため、アド
  • ホックネットワークではない
  • センサネットワークでは、センサの電池切れによる消滅などでネットワーク
  • トポロジの変化がありうるため、アドホックネットワークに含めることもある
slide4

アドホックネットワークの制約

・動的ネットワーク構成

    -ノードの移動 ← 高信頼化

・通信帯域

    -無線 ← プロトコル効率化

・消費電力

    -電力供給は難 ← 制御メッセージ数削減

・セキュリティ

slide5

アドホックネットワークの研究

・DARPA研究プログラム(米国)

- Packet Radio Networks (PRNET): 1972 - 1983

- Survivable Adaptive Networks (SURAN): 1983 - 1992

- Global Mobile Information Systems(GLOMO): 1995 - 2000

・IETF Mobile Ad hoc NETworks (MANET) WG

- ルーティングプロトコルの研究、標準化: 1997 - (RFC 2501)

4つのプロトコルをRFC化: 2003 - 2004

マルチキャストプロトコルも研究中: 1999年頃 -

slide6

アドホックネットワークの応用

・軍事利用

    -兵士、戦車、戦艦、戦闘機

・災害時の利用

    -地震、津波、洪水、台風、竜巻

    -警察や消防による捜索、救出、緊急通報、避難誘導 

・PANによる各種サービス

    -商品倉庫管理、建設工事現場、農場、ショッピングモール、

      テーマパーク、イベント会場、スタジアム等における(P2P)

情報配信(広告配信・ナビゲーション等)、端末間通信

    -携帯電話、PDA、ノートPC、ウェアラブル端末

・ITS (テレマティクス)

-車車間通信による混雑状況通知、路車間通信によるサービ

      スエリアのサービス情報配信

slide8

アドホックネットワークの製品例

・MeshLAN: 米Mesh Networks

・PacketHop: 米SRI International

・SONBuddy: 米Greenpacket

・Moteran: 独Detecon & 三菱商事

・DECENTRA: 日スカイリーネットワークス

slide9

アドホックネットワークの主要研究課題

・省電力、高信頼ユニキャスト/マルチキャスト・プロトコル

・簡易な端末でも実装可能な通信プロトコル

・極めて多数の端末をネットワーク上で協調・制御する技術

・センサー等が自律的にネットワークを構成する技術

・リアルタイムな応答が可能な高速認証技術

・端末が協調・連携してセキュリティを確保する技術

・ユーザの状況に応じて最適なサービス環境を提供する技術

・様々な規格のIDとネットワークアドレスの関連づける名前解決技術

・分散ネットワーク・データベース技術

slide10

IETFMANET WG

・1997年以降7年の議論の末、4つのルーティングプロトコルを

RFC化

    -Reactive型 

        ・AODV --- RFC 3561(2003年7月)

        ・DSR--- RFC(2004年)

    -Proactive型

        ・OLSR--- RFC 3626 (2003年10月)

        ・TBRPF --- RFC 3684 (2004年2月) 

・「どのプロトコルが一番性能がよいか」という比較はできない

 「どのような環境でどのプロトコルが一番性能がよいか」が重要

 なポイント

slide11

IETFMANET WGでの標準化が長くかかった理由

・膨大な数のルーティングプロトコルが提案

    -殆どが米国の大学、研究機関から(仏INRIAからのOLSRは例外的)

・実環境での評価が困難

    -現在間伝無線デバイスでは実環境を構成できない

-アプリケーションが見えず利用要求が少ないため、実際の評価環境が

      想定できず

-殆どの論文はシミュレーションのみ

今後、IEEE802.11s(メッシュネットワーク)における検討により、4プロトコル

以外のプロトコルが有力になる可能性もある。

slide12

ルーティングプロトコルの設計

・通信環境            ・評価項目

-帯域                  -通信速度

-非対称リンクの有無        -経路が確立するまでの時間

-トラフィック特性 -到達時間(遅延)                  

         -データパケット対制御パケットの比

-データパケット送信前の制御パケット数

-パケット長

・ノードの環境-エンド・エンド到達完了率

-ノード数 -パケット再送頻度

-ノードの密度 -迂回路探索頻度

-ノードの移動パタン         -迂回路探索に要する時間

     (速度、方向等) -ホップ数

-ホップ当りの通信距離          

-到着パケット順序反転頻度 

slide13

アドホックネットワークにおける通信の様子

・経路が動的に変化 → アドホック 

・リレー式に転送 → マルチホップ

ノード

通信エリア

slide14

アドホックネットワークにおける配信経路の例アドホックネットワークにおける配信経路の例

1秒後

コンテンツ

配信元

コンテンツ

配信元

・トポロジーの変化に対応するための高信頼通信

・各ノードの微小軽量、低処理能力に対応するための省電力

(メッセージ数削減等)通信が重要

slide15

アドホックネットワーク向けルーティング制御プロトコルの分類アドホックネットワーク向けルーティング制御プロトコルの分類

階層型

位置情報補助型

フラット型

CGSRLANMAR

ZRP HSR

LARGPSR

DREAMGeoCast

Reactive

(On-Demand)型

Proactive

(Table-Driven)型

OLSRFSR

TBRPFDSDV

LANMAR IARP

GSR CGSR

DSRTORA

AODVABR

IERPDLAR

複数経路型

ハイブリッド型

ZRP BRP

CBRP

太字: RFC化されたプロトコル

slide17

MANET WGで検討中の主なフラット型の

    ルーティング制御プロトコル

・DSR (Dynamic Source Routing)

・AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector algorithm)

・IERP (IntErzone Routing Protocol)

・DLAR (Dynamic Load-Aware Routing)

Reactive型

(On-Demand)

・OLSR (Optimized Link State Routing protocol)

・TBRPF (Topology Broadcast based on Reverse Path Forwarding routing

protocol)

・FSR (Fisheye State Routing protocol)

・LANMAR (LANd MARk routing protocol)

・IARP (IntrAzone Routing Protocol)

・DSDV (Destination Sequenced Distance Vector routing)

・GSR (Global State Routing)

・CGSR (Clustered Gateway Switch Routing)

Proactive型

(Table-Driven)

・ZRP (Zone Routing Protocol)

・BRP (Bordercast Resolution Protocol)

・CBRP (Cluster-based Routing Protocol)

Hybrid型

slide18

Reactive型とProactive型の比較

・インターネットのルーティングプロトコル(RIP, OSPF)はProactive型

・MACレイヤなのでルーティングとはいえないが、CSMA/CAはReactive型

・Proactive型では、トポロジーの変更頻度に応じて更新間隔を調整する必要がある

   -更新間隔が長すぎると経路情報が古くなり、短すぎるとトラフィックのオーバヘッドが

     大きくなる

-いかにトポロジー更新情報を効率よく(少ないオーバヘッドで)伝達するかが重要

・Proactive型では、トポロジーからDijkstraアルゴリズムにより最短経路を決定 

slide19

Reactive型とProactive型の適用領域

Proactive protocol

通信頻度

Reactive protocol

端末移動度

slide20

フラッディングの様子

送信元

1

2

J

E

I

S

2

1

1

2

2

C

A

K

G

2

2

2

H

F

B

番号は、送信元からフラッディングする時に、ノード間の通信時間を同じと

仮定した場合のタイミングを示す。

slide21

フラッディングの利点と欠点

F 

・フラッディングは、データ(送りたいコンテンツ)ではなく制御情報の通信に用いる

 (トポロジーの変化に対応するため、定期的に制御情報を送る必要がある)

・様々な制限つきフラッディングの方法が検討されている(OLSRにおけるMPRも

 その一つ)

slide22

Reactive Protocol

  • AODVとDSRの比較 -
slide24

AODVの特徴

  ・ルーティングテーブル(経路表)を各ノードが保持する

      -インターネットのルーティングと類似

  ・経路情報をパケットに含まない

      -ヘッダを小さくしてオーバヘッドを低減

・経路情報の管理にシーケンス番号を利用

      -ループ回避、古いシーケンス番号のルートは利用しない

  ・Charles Perkins (IBM→Sun→Nokia. MobileIPの標 

   準化を推進)らにより提案 (RFC3261, 2003.7)

slide25

AODVで交信されるメッセージの種類

  ・経路要求(RREQ: Route Request)

  ・経路応答(RREP: Route Reply)

  ・経路エラー(RERR: Route Error)

  ・経路確認肯定応答(RREP-ACK)

-RREPに対する肯定応答、一方向リンクへの対応

AODVで利用されるルーティングテーブル

宛先ノード毎に以下の情報を保持

   ・宛先ノードアドレス

   ・宛先ノードシーケンス番号

   ・次ホップのノードアドレス

   ・有効期間

   ・precursorリスト

       -自経路を利用する近隣ノードのリスト

slide26

AODVプロトコルによるルート探索の様子

宛先

ノード

宛先

ノード

A

A

D

D

B

B

送信元

ノード

送信元

ノード

S

S

G

G

F

F

C

C

E

E

: RREQパケット

: RREPパケット

(a)

(b)

slide27

RREQ,RREPのルーティングテーブルとの関係

1.RREQ

A

B

C

D

次ホップ  宛先

AA

次ホップ  宛先

BA

次ホップ  宛先

CA

2.RREP

A

B

C

D

次ホップ  宛先

CA

次ホップ  宛先

BD

前ホップ 次ホップ 宛先

DBA

B D D

前ホップ 次ホップ 宛先

CAA

A C D

RREP受信時にprecursorリストが書き加えられる

  ・宛先ノード(D)のリストに前ホップのアドレスが追加(下段のA, B)

  ・送信元ノード(A)のリストに次ホップのアドレスが追加(B)

slide28

AODVにおける経路エラー

CがDとの通信経路が断になっていることを検出

次ホップ 宛先

ED

F

前ホップ 次ホップ 宛先

FCD

E

エラー

×

C

D

B

前ホップ 次ホップ 宛先

B, E D D

A

前ホップ 次ホップ 宛先

A C D

次ホップ  宛先

BD

slide29

AODVにおける経路エラー

次ホップ 宛先

ED

F

前ホップ 次ホップ 宛先

FCD

RERR

E

RERR

エラー

×

RERR

C

D

RERR

B

前ホップ 次ホップ 宛先

B, E D D

A

前ホップ 次ホップ 宛先

A C D

次ホップ 宛先

BD

Cは、Dとの通信が断になったという情報(RERR)をデータ送信元Aと、

宛先Dへの経路のprecursorリストのノードEに送信

  -RERRを受信したノードは、該当経路情報を無効にし、precursorリストに登録

    されたノードにもRERRを送信

slide31

DSRの特徴

  ・送信データに経路情報を含ませるソースルーティング

  ・2種類の機能

      -経路発見(Route Discovery)と経路管理(Route

Maintenance)

・1994年にDavid B. Johnson(Rice大、CMU)提案さ 

   れた最も古いプロトコル(2004年にRFC化)

slide32

(1)DSRの経路発見機能

・経路要求(Route Request)

    -送信元から宛先へRREQをフラッディング

    -RREQにはシーケンス番号がつけられ、一度受信したシーケンス番号

      のRREQは無視

・経路応答(Route Reply)

    -宛先はRREQに付加された経路の逆を辿り、RREPをソースルーティン

グで送信元まで送信

    -RREPの送信元への到着により、送信元は宛先までの経路(ノードの

列)を記憶

・経路のキャッシュとキャッシュからの経路応答

・経路応答のストーム回避

・経路要求のホップ制限

slide33

ソースルーティングにおける転送例

S-A-B-D

送信元ノード

S

F

C

G

A

S-A-B-D

E

H

B

S-A-B-D

D

I

宛先ノード

slide34

DSRにおける経路のキャッシュ

・各ノードは、通信処理中に得ることができる新しい経路情報を

 積極的にキャッシュ(格納)する

・キャッシュにより経路発見の速度が向上

   -RREQを中継するノードは、宛先までの経路をキャッシュしている場合、

RREQを受取った時にRREPを送信

    (GがDへの経路発見を要求するRREQをフラッディング)

Cache[C,F,J,D]

D

S

C

Cache[F,J,D]

F

A

Cache[J,D]

J

B

D

[G]

G

P

E

K

フラッディング

H

slide35

DSRにおけるキャッシュからの経路応答

FはDへの経路をキャッシュしているため、GにRREPを応答

Cache[C,F,J,D]

D

S

C

Cache[F,J,D]

F

A

Cache[J,D]

J

B

D

RREP[G,FJ,D]

G

P

[G]

E

K

H

slide36

(2)DSRの経路管理機能

・経路エラー(Route Error)

・経路エラーパケットの回収と修復

・自動的な経路短縮

経路管理機能は、キャッシュされた経路の有効性を管理したり、最適化したり

する役割を果たす

アドホックネットワークでは、ノードの移動、消滅により経路が利用できなくなる

可能性があるため、キャッシュされた経路は今後保証されたものではない

slide37

Proactive Protocol

  • OLSRとTBRPFの比較 -
slide39

OLSRの特徴

  ・フラッディングの効率化

   - 必要最小限の数のフラッディングノードの集まり(MPR:

MultiPoint Relay集合)

・INRIA(Sophia Antipolis, 仏)のThomas Clausen

らにより提案

slide40

a

a

b

c

c

d

e

e

MPR集合

(a, c, e)

冗長な再送信

ノード群

(a, b, c, d, e)

MPR集合による再送信ノードの削減

MPR集合のノードのみがフラッディングする

: 再送信ノード群

: ノード間が隣接し1ホップの通信が可能(電波が届く範囲)

slide41

OLSRにおけるMPR集合の選択

・ノードをNとN2の集合に分ける

N:  1ホップで通信可能なノード群 (A, B, C, D)

N2: 2ホップで通信可能なノード群 (E, F, G, H, I)

S

N

A

B

D

C

N2

F

E

I

G

H

J

定期的な隣接ノード情報のHelloメッセージにより各ノードは2ホップまでの構成を知る

slide42

OLSRにおけるMPR集合の選択

Sにおける各ノードの属性

BとCが

SのMPR集合

(FとIが重複)

S

BとCからのパケットは、B, C

のMPR集合のノードが中継

N

A

B

D

C

F

E

I

N2

G

H

J

slide43

OLSRにおけるWillingness

・各ノードはWillingnessという0~7の範囲の値を持ち、この値が

 大きい程MPRとして選ばれやすくなる

・例えば、電源供給を備えた固定ノードは、WILL_ALWAYS (7)

に設定しておく

slide44

OLSRにおける

Topology Control Table と Routing Tableの作成

Topology Control Table (MPR集合を格納)

   ・各ノードが定期的に送信するHelloメッセージにはMPR集合のリストが含まれる

    (Sの送信するHelloメッセージはB, Cを含む)

   ・MPR集合に指定されたノードはTC(Topology Control)メッセージを定期的にMPR

    フラッディングする

TCメッセージには、自ノードをMPRに指定したノードのリストを含む

    (B, CのTCメッセージはSを含む) 

Routing Table

  ・TCメッセージのフラッディングにより、すべてのノードはすべてのノードのMPR集合を

   知る

   (あるノードのMPR集合がわかる=そのノードまでの最後の1ホップの経路がわかる)

  ・TCテーブルからルーティングテーブルを作成

   (TCテーブルにより任意の2ノードの経路がわかる)

  ・Dijkstraのアルゴリズムにより最短経路を求める

slide46

TBRPFの特徴

  ・ノードの消滅・移動によるトポロジーの変化に比較的

   強い

      - 安定したリンクを選択

      - 差分情報を積極的に利用した最小限のトポロジー情報    

        を交換

  ・SRI Internationalから提案

slide47

TBRPFプロトコルの2つのモジュール

送信

受信

送信

受信

HELLO

メッセージ

TOPOLOGY UPDATE

メッセージ

ルーティングモジュール

 隣接ノード探索ジュール

作成

作成

トポロジテーブル、

ルーティングテーブル等

隣接ノードテーブル

slide48

隣接ノード探索モジュール

・Helloメッセージにより、1ホップのノードを探す(推奨1秒間隔)

・Helloメッセージが互いに一定回数以上届く 「比較的安定してい

 る」 リンクを利用

・すべての隣接ノードの情報を隣接ノードテーブルに保持

隣接ノードテーブル

slide49

ルーティングモジュール

・トポロジーテーブルの作成

   -すべてのノードは自分をソースノードとする、現時点で到達可能なすべてのノード

     のソースツリーを作成

   -作成したソースツリーの必要最小限の一部(報告部分木: reported subtree)を

     トポロジー更新メッセージとして隣接ノードに通知

   -これらの情報を受取ることにより、ネットワーク全体の構造をトポロジーテーブル

     として保持できる

Sのソースツリー

Eのソースツリー

S

E

A

1

1

2

4

3

1

B

1

B

C

1

1

S

B

D

A

1

E

1

1

5

1

1

2

A

S

D

2

C

E

C

1

D

slide50

Sのソースツリー

S

1

B

1

1

A

E

2

C

1

D

ルーティングモジュール

・ルーティングテーブルの作成

   -ソースツリーの情報からルーティングテーブルを作成

   -すべてのノードに対して次ホップのノードがわかる

Eのソースツリー

E

1

2

B

C

1

1

1

A

S

D

slide51

各ルーティング制御プロトコルの特徴

提案機関

・大学

プロトコル

特 徴

・ソースルーティング

- パケット内に中継ノード列を挿入、各ノードはルーティングテ

-ブルはもたない

・経路のキャッシング

- 経路探索回数(トラフィック)低減、ルーティング高速化、電池

の消費を節約

Rice大、

CMU

DSR

Reactive型

(On-Demand)

・ルーティングテーブルに基づいて転送

- パケット内に中継ノード列は挿入されない

・シーケンス番号を使ってループを回避

Nokia

AODV

・MPR集合の設定によりフラッディングを効率化

OLSR

INRIA

・必要最小限の差分情報のみを利用

- メッセージサイズを小さくし短時間で経路情報を交換

Proactive型

(Table-Driven)

TBRPF

SRI

・大規模ネットワーク向き

- 近くのノードとのみ頻繁に交信

FSR

UCLA

・ゾーン内はProactive型、ゾーン外はReactive型を

 利用(DECENTRAではゾーン内はFSR、ゾーン外はDSRを使用)

ZRP

Hybrid型

Cornell大

slide52

FSRプロトコルのイメージ

ゾーン内の近いノード

と頻繁に交信

slide53

マルチキャストプロトコル

多くのプロトコルが提案されている。MANETのユニキャストプロトコルの評価によって、絞ら

れていくと考えられる。

slide54

参考文献

(1) C. K. Toh (構造計画研究所訳): 「ワイヤレスユビキタスネットワーク」 共立出版、2002.

(2) 阪田: 「ユビキタスシステムの現状と展望」 EMCフォーラム講演資料、2003.7.

(3) 阪田: 「ユビキタスシステム技術の動向 – ワイヤレスネットワーク、セキュリティ技術を中心として」

  計測自動制御学会・センサネットワーク研究会、2004.1.

(4) 阪田: 「ユビキタスコミュニケーションにおけるモバイルセキュリティ」 電子情報通信学会誌、2004.5.

(5) S. Sakata: “Ubiquitous System Technology” Proc. Asian-Pacific NOMS,Oct. 2003.

(6) 阪田: 「無線LANホットスポットのビジネスモデルと技術課題 」 INTAPジャーナル,2004.1.

(7) 阪田編著: 「ユビキタス技術 無線LAN」 オーム社、2004.6.

(8) 阪田編著: 「ワイヤレス・ユビキタス」 秀和システム、2004.7.

(9) 田村、戸辺: 「無線アドホックネットワークの動向」 計測自動制御学会誌、2004.7.

(10) 間瀬、小牧、松江、守倉: 「無線LANとアドホックネットワーク技術」 丸善、2004.2.

(11) 阪田、田村: 「ユビキタスセンサネットワーク」 インプレス、2004.10.

(12) 阪田:「ワイヤレスブロードバンド・ユビキタスネットワーク」 電子情報通信学会・モバイルマルチメディア研究会、2004.10.

(13) 阪田: 「デジタル情報機器が拓くユビキタス情報システム -未来情報家電ネットワーク」 INTAPジャーナル、2004.11.

(14) 阪田編著: 「ユビキタス情報家電プロトコル -SIP, UPnP, もの-もの通信によるディジタルホームシステム」 秀和システム、2005.2.

(15) 間瀬、松本: 「無線アドホックネットワーク」 電子情報通信学会講演会、2005.2.

(16) 阪田: 「アドホックセンサネットワーク」 電子情報通信学会、テレコミュニケーションマネジメント研究会、2005.3.

(17) 阪田: 「ユビキタスネットワークの動向と今後の展開」 アドホックネットワーキングフォーラム講演会、2005.3.