Position based routing algorithms for ad-hoc networks: A taxonomy

1. Position based routing algorithms for ad-hoc networks: A taxonomy Silvia Giordano, Ivan Stojmenovic Ljubica Blazevic Παρουσίαση: Λεοντιάδης Ηλίας

2. Εισαγωγή • Έχουμε ένα δίκτυο από ασύρματους κόμβους που επικοινωνούν μεταξύ τους χωρίς κάποια σταθερή υποδομή. • Για παράδειγμα δίκτυα από sensors • Κόμβοι σε ένα πεδίο μάχης • Ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα. • Οι κόμβοι μπορεί να μετακινούνται ή να αποσυνδέονται • Στόχος είναι η δρομολόγηση μηνυμάτων σε αυτούς τους κόμβους. • Το δίκτυο θα πρέπει να είναι αυτορυθμιζόμενο (δηλαδή δεν υπάρχει κάποια γενική γνώση/αρχή) • Οι αλγόριθμοι που θα δούμε χρησιμοποιούν πληροφορία σχετικά με την γεωγραφική θέση των κόμβων.

3. Unit graph model • Δύο κόμβοι είναι γείτονες αν η απόσταση τους είναι μικρότερη από Radius • Η ακτίνα R είναι η ίδια για όλους τους κόμβους του δικτύου. • Παραλλαγές • Εμπόδια • Διαφορετικές ακτίνες για κάθε κόμβο • Κατευθυντικά links

4. Unit graph model • Λόγω της περιορισμένης ακτίνας η μετάδοση ενός μηνύματος απαιτεί πολλά hops. • Η αποστολή δεν είναι απλή γιατί οι κόμβοι μετακινούνται/αλλάζουν με αποτέλεσμα να προκύπτουν απροσδόκητες αλλαγές στην τοπολογία • Ο κόμβος προορισμού είναι γνωστός μόνο από την γεωγραφική του θέση • Η απόσταση μεταξύ των γειτονικών κόμβων μπορεί να υπολογιστεί με βάση την εισερχόμενη ισχύ του σήματος. Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί GPS.

5. Position-Based RoutingProtocol Taxonomy • Ποιοτικά και ποσοτικά κριτήρια για την αξιολόγηση της απόδοσης δικτύων • Ποιοτικά μέτρα (παραδείγματα) • Distributed operation • Loop-freedom • Demand-based • Sleep period operation

6. Loop-freedom • Το αν ο αλγόριθμος αποτρέπει την λήψη ενός μηνύματος παραπάνω από μία φορά από τον ίδιο κόμβο • Πρέπει να είναι εvγένει loop-free ώστε να μην χρειάζεται να αποθηκεύουμε παλιά μηνύματα (με στόχο να μην τα ξανά-μεταδώσουμε).

7. Distributed operation • Localized routing • Τοπικοί υπολογισμοί επιτυγχάνουν τον επιθυμητό γενικό στόχο. • Κάθε κόμβος αποφασίζει σε ποιόν θα προωθήσει το μήνυμα βασιζόμενος μόνο σε τοπικές πληροφορίες • Τον παραλήπτη • Την δικιά του θέση • Την θέση των γειτόνων • Global routing • Κάθε κόμβος γνωρίζει την θέση κάθε άλλου κόμβου του δικτίου. Πρόβλημα ισοδύναμο με το shortest path. • Zone routing • Ανάμεσα στα παραπάνω δύο • Το δίκτυο χωρίζεται σε ζώνες. • Εσωτερικά της κάθε ζώνης χρησιμοποιείται το local routing • Για δρομολόγηση μεταξύ ζωνών χρησιμοποιείται το shortest path.

8. Path strategies • Single path • Η ποιο σύντομη διαδρομή χρησιμοποιείται • Μόνο ένα αντίγραφο του μηνύματος υπάρχει στο δίκτυο κάθε χρονική στιγμή • Flooding • Το δίκτυο (ή μέρος του) πλημμυρίζεται με το μήνυμα με στόχο να φτάσει κάποτε και στον τελικό αποδέκτη. • Multi-path • Αποτελείται από λίγα απλά και αναγνωρίσιμα μονοπάτια. • Συνδυασμοί παραπάνω στρατηγικών • Single-path/flooding • Single-path/multi-path

9. Metrics • Hop count • Υποθέτει ότι η καθυστέρηση είναι ανάλογη με τον αριθμό των hops που μεσολαβούν. • Power metric • Η ακτίνα επικοινωνίας αυξάνει το κόστος. Άρα ψάχνουμε διαδρομές με μικρές ακτίνες. • Προϋποθέτει ότι οι κόμβοι μπορούν να ρυθμίζουν την ενέργεια εκπομπής. • Cost metric • Στόχος η μεγιστοποίηση των routing λειτουργιών που μπορεί να επιτελέσει το δίκτυο. • Εύρεση path από κόμβους που έχουν αρκετή ενέργεια (ακόμα και αν το path είναι μεγαλύτερο)

10. Memorization • Είναι καλύτερο να αποφεύγεται η αποθήκευση του προηγούμενου traffic • Παρόλα αυτά, αυτό δεν αποτελεί πολλά resources γιατί: • Αυτό απαιτείται για μικρό χρονικό διάστημα • Πλέον η μνήμη είναι άφθονη • Απαιτείται για να βελτιωθεί το Quality of service path (QoS) • Αφού βρεθεί το μονοπάτι με το μικρότερο delay, bandwidth, το απομνημονεύουμε ώστε να ξαναχρησιμοποιηθεί.

11. Guaranteed message delivery • Delivery rate: • Ο λόγος των μηνυμάτων που φτάνουν στον προορισμό τους προς τα συνολικά που στάλθηκαν • Το καλύτερο μοντέλο είναι αυτό που εγγυάται την παράδοση όλων των μηνυμάτων.

12. Scalability • Απλό κριτήριο • Loop free • Localized • Single path

13. Robustness • Πόσο αξιόπιστος είναι ένα αλγόριθμος όταν η πληροφορία για την θέση του παραλήπτη δεν είναι ακριβής. • Το πρόβλημα της ενημέρωσης για την μετακίνηση ενός κόμβου είναι δύσκολο και δεν υπάρχει γενική λύση. • Για μικρά δίκτυα • Μικρά μηνύματα: αποστολή με flooding • Μεγάλα μηνύματα: διαδικασία αναζήτησης με το να εκπέμπουμε ένα μικρό μήνυμα. • Για μεγάλα δίκτυα • Πρέπει ο αλγόριθμος να συνεργάζεται με το δίκτυο δυναμικά • Πρέπει να υπάρχουν εναλλακτικές στρατηγικές για την εύρεση του κόμβου. • Πρέπει οι αλγόριθμοι να μπορούν να παραδώσουν μηνύματα όταν το μοντέλο διαφέρει από το unit graph • Υπάρχουν εμπόδια • Υπάρχει θόρυβος • Οι ακτίνες εκπομπής δεν είναι ίδιες

14. Κατηγορίες των υπαρχόντων routing schemes • Basic Distance, Progress and Direction Based Methods. • Partial Flooding and Multi-path Based Path Strategies. • Depth First Search Based Routing with Guaranteed Delivery. • Nearly Stateless Routing with Guaranteed Delivery. • Power and Cost Aware Routing • Hierarchical Routing

15. Basic distance, Progress, and Directional based Methods

16. Progress

17. Random progress method • Τα πακέτα προωθούνται σε οποιοδήποτε κόμβο έχει θετική πρόοδο • Έχει ως στόχο να μειώσει τα collisions (αφού τα πακέτα στέλνονται τυχαία) με κόστος το ότι δεν μεγιστοποιεί την πρόοδο.

18. MFR (most forward within radius) • Το πακέτο στέλνεται στον κόμβο που παρουσιάζει την μεγαλύτερη πρόοδο. • Είναι loop-free • Είναι ανταγωνιστικός σε ότι αφορά τον αριθμό των hops

19. Greedy scheme • Παραλλαγή της random progress method • Επιλέγει τον γείτονα που είναι πιο κοντά στον προορισμό • Αν δεν υπάρχει τέτοιος κόμβος ψάχνουμε σε όλους τους n-hop κόμβους (flooding) μέχρι να βρεθεί κάποιος κόμβος που είναι ποιο κοντά. • Simulations έχουν δείξει ότι κατά 99% των περιπτώσεων τα paths του greedy και του MFR είναι ίδια

20. GEDIR • Παραλλαγή του greedy αλγορίθμου • Το μήνυμα εγκαταλείπεται όταν η καλύτερη επιλογή για έναν κόμβο είναι να το γυρίσει πίσω στον κόμβο που του το έστειλε. • Αυξάνει τον ρυθμό παράδοσης με το να επιμηκύνει την αποτυχία. • Βελτιώση • Όσο το μήνυμα προωθείται ποίο κοντά στον προορισμό, οι πληροφορίες του για την θέση του κόμβου προορισμού γίνονται όλο και ποιο ακριβείς.

21. 2hop greedy method • Το μήνυμα στέλνεται στον καλύτερο γείτονα μεταξύ των κόμβων που απέχουν 1hop και 2hop • Η μέθοδος αυτή βρίσκει εφαρμογή σε πολλές από τις μεθόδους που θα παρουσιάσουμε.

22. Alternate greedy • To ι-οστό αντίγραφο του μηνύματος που λάβαμε προωθείται στον ι-οστό καλύτερο γείτονα. • Αν οι γείτονες είναι λιγότεροι το μήνυμα απορρίπτεται. Disjoint greedy • Στέλνει το μήνυμα στον καλύτερο γείτονα ανάμεσα σε αυτούς που δεν το έχουν λάβει ως τώρα. • Και οι δύο μειώνουν τα ποσοστά αποτυχίας (σε σχέση με τον greedy) χρησιμοποιώντας μνήμη.

23. DIR-compass method • Υπολογίζουμε την διεύθυνση (direction) του παραλήπτη. • Το μήνυμα προωθείται στον γείτονα που η διεύθυνσή του είναι κοντινότερα στην διεύθυνση του παραλήπτη (μικρότερη γωνία)

24. DIR-compass method • O DIR όπως και οποιοσδήποτε άλλος αλγόριθμος χρησιμοποιεί διευθύνσεις (directions) έχει loops. • E->F->G->H->E

25. Σύγκριση DIR/GETDIR • Το hop-count του DIR είναι μεγαλύτερο • Τα ποσοστά επιτυχίας είναι παρόμοια • Και οι δύο μέθοδοι έχουν υψηλά ποσοστά επιτυχίας σε πυκνά δίκτυα και μικρά ποσοστά σε αραιά • Λιγότερα από τα μισά μηνύματα παραδίδονται αν ο μέσος βαθμός είναι 4. • Όταν έχουμε επιτυχής παράδοση το hop-count για τους greedy και MFR είναι σχεδόν ίσο με αυτό του αλγορίθμου shortest-path.

26. Partial flooding and Multipath based path strategies

27. Flooding and partial flooding • Μετάδοση του μηνύματος σε πολλούς γείτονες που η κατεύθυνση τους είναι κοντά στην κατεύθυνση του τελικού κόμβου • Απαιτεί οι κόμβοι να απομνημονεύουν παλιότερα μηνύματα έτσι ώστε να αποφεύγονται επαναμεταδώσεις • Partial flooding • Κατευθύνεται προς συγκεκριμένο κομμάτι του δικτύου. • Σταματάει μετά από ένα αριθμό hops • Χρησιμοποιείται τόσο για την εύρεση μιας διαδρομής όσο και για την προώθηση μηνυμάτων.

28. DREAM • Το μήνυμα προωθείται σε όλους τους γείτονες που ανήκουν σε μία περιοχή που οριοθετείται ανάμεσα από τις δύο εφαπτόμενες που ορίζονται από τον κύκλο • με κέντρο τον παραλήπτη • και ακτίνα ίση με την μέγιστη δυνατή μετακίνηση του παραλήπτη.

29. LAR (location aided routing) • Η περιοχή ανάμεσα στις δύο εφαπτόμενες καθορίζεται από την αρχική πηγή και οι κόμβοι που δεν ανήκουν σε αυτή την περιοχή απλά δεν προωθούν το μήνυμα. • Ένας κόμβος προωθεί το μήνυμα σε όλους του γείτονες που είναι ποιο κοντά στον παραλήπτη.

30. V-GEDIR, CH-MFR • Το μήνυμα στέλνεται ακριβώς σε όσους γείτονεςείναι καλύτερες επιλογές για την πιθανή θέση του κόμβου • Distance (DIR methods) • Progress(MFR) • V-Gedir • Κατασκευάζει το voronoi διάγραμμα • Οι κόμβοι που βρίσκονται στις περιοχές που τέμνει ο κύκλος της πιθανής νέας θέσης του κόμβου επιλέγονται. • CH-MFR • Υπολογίζει το convex hull των κόμβων που περιέχουν τον κύκλο

31. Flooding greedy/GEDIR (f-greedy,f-gedir,f-dir)Flooding MFR (f-MFR) • Στόχος να αποφευχθεί το message dropping. • Όταν ο αρχικός αλγόριθμος θα απέρριπτε το μήνυμα (σε ένα κύλο κόμβο) • τώρα το κάνουμε flood σε όλους τους γείτονες. • Οι γείτονες δεν θα ξανά-στείλουν ποτέ το μήνυμα πίσω στον κόμβο. • Εγγυάται την παράδοση του μηνύματος αν υπάρχει σύνδεση με τον παραλήπτη. • Πειράματα έδειξαν μειωμένο flooding rates σε σχέση με τον LAR/DREAM • Προκαλεί flooding σε αραιά γραφήμτα • Πλησιάζει τον greedy αλγόριθμο σε πυκνά

32. Component routing • Βελτίωση προηγούμενου αλγορίθμου • Αντί να σταλθεί το μήνυμα σε όλους του γείτονες επιλέγεται ένας γείτονας από κάθε συνδεδεμένη συνιστώσα του υπογράφου που αποτελείται από τους γείτονες του κοίλουκόμβου. • Υπάρχουν το πολύ τρεις τέτοιοι γείτονες σε ένα unit graph model • Έτσι δημιουργούνται παράλληλα μονοπάτια

33. Multi path method • Προωθεί το μήνυμα στους C καλύτερους γείτονες όσον αφορά την απόστασή τους από τον προορισμό. • Μετά τα C αυτά αντίγραφα στέλνονται σύμφωνα με τον greedy/disjoint/alternate αλγόριθμο(c-greedy, c-disjoint, c-alternate) • Τα πειράματα έδειξαν • σημαντικό κέρδος για c = 2 • Κάποιο κέρδος για c = 3 • Μη σημαντικό κέρδος για c > 3 • Το flooding rate αυξάνεται με το c και μόνο η τιμή c=2 δικαιολογεί την χρήση περισσοτέρων resources.

34. Terminode routing • Σχεδιάστηκε με στόχο το scalability και robustness. • Συνδυασμός δύο πρωτοκόλλων • Terminode local routing (TTR) • Χρησιμοποιείται για κόμβους που είναι στην περιοχή του terminode και δεν χρησιμοποιεί την πληροφορία για την θέση για να πάρει αποφάσεις για το πού θα προωθήσει το μήνυμα. • Terminode remote routing (TRR) • Χρησιμοποιείται για να στείλει πακέτα σε απομακρισμένες περιοχές και χρησιμοποιεί γεωγραφικές πληροφορίες. • Anchored Geodesic Packet Forwarding (AGPF) • Anchored paths

35. AGPF • Anchors: Σημεία που είναι σταθερά σε μία γεωγραφική περιοχή • Τα πακέτα ακολουθούν μια «χαλαρή» διαδρομή κοντά στις anchors. • Κάθε στιγμή το πακέτο στέλνεται προς το επόμενο anchor. • Μόλις ανιχνεύσει ότι είναι εντός της λήψης μιας καινούργιας anchor αφήνει το μονοπάτι που είχε και πηγαίνει προς την καινούργια anchor. • Δύο μέθοδοι για εύρεση της επόμενης anchor.

36. Depth first search based routing with guaranteed delivery.

37. Geographic routing algorithm • Οι κόμβοι διατηρούν μερικά routing tables • Χρησιμοποιείται ο greedy αλγόριθμος • Αν ένα μήνυμα κολλήσει σε έναν κόμβο • Ξεκινάει διαδικασία αναζήτησης διαδρομής • Όταν βρεθεί η διαδρομή το πακέτο στέλνεται • Όλοι οι ενδιάμεσοι κόμβοι ενημερώνουν τα routing tables. • Για να βρει το μονοπάτι χρησιμοποιεί DFS (depth first search) • Επιστρέφει ένα μονοπάτι χωρίς κύκλους • Αλγόριθμος • Κάθε κόμβος βάζει το ID του στην λίστα του πακέτου και το προωθεί σε γείτονα που δεν είναι στην λίστα ΚΑΙ ελαχιστοποιεί το κόστος. • Αν ο κόμβος δεν μπορεί να προωθήσει άλλο το μήνυμα αφαιρεί το ID του και το γυρίζει πίσω

38. Depth first search algorithm • Δεν έχουμε routing tables, ακολουθούμε όλο το DFS μονοπάτι. • Για πυκνά γραφήματα έχει παρατηρηθεί ότι τα μονοπάτια είναι ίδια με του greedy αλγορίθμου. • Εισάγουν την έννοια quality of service (QoS) • Connection setup time • Αριθμός των hops και το bandwidth που έχουν οι συνδέσεις • Λύσεις • Ο αλγόριθμος DFS μπορεί απλά να αγνοήσει τις ακμές του γράφου με «κακούς» γείτονες. • Αν το πακέτο περάσει έναν μέγιστο αριθμό από hop counts δεν συνεχίζουμε σε αυτό το μονοπάτι αλλά γυρνάμε πίσω για την ΠΙΘΑΝΗ εύρεση ενός κοντύτερου «κλαδιού»

39. Nearly stateless Routing with Guaranteed Delivery

40. Nearly stateless Routing with Guaranteed Delivery • Χρησιμοποιείται για σχήματα όπου οι κόμβοι έχουν μόνο μερική, τοπική πληροφορία για να κάνουν το routing.

41. Face algorithm • Κατασκευάζει έναν επίπεδο συνδεδεμένο γράφοτου unit graph (ονομάζεται Gabriel sub graph). • Εφαρμόζουμε routing στις έδρες του υπογράψου που τέμνουν την γραμμή αποστολέα-παραλήπτη. • Χρησιμοποιεί τον κανόνα του δεξιού χεριού για το routing αυτό.

42. GFG • Για λόγους απόδοσης χρησιμοποιείται ο face σε συνδυασμό με τον greedy. • Το routing είναι κυρίως greedy αλλά αν κολλήσουμε σε έναν κόμβο, χρησιμοποιούμε τον face routing αλγόριθμο.

43. Robust GFG • Τα nearly stateless schemes είναι πιθανώς να αποτύχουν αν υπάρχει αστάθεια στην ακτίνα εκπομπής των hosts. • ΠΧ η ακτίνα εκπομπής δεν είναι ακριβώς ένας κυκλικός δίσκος γύρω από τον κόμβο. • Οι Barriere Fraigniaud και Narayanan Opatrny πρότειναν αυτό το μοντέλο για γενίκευση του Unit graph.

44. Power and cost aware routing

45. Power and cost metric • Power metric • Η ακτίνα επικοινωνίας αυξάνει το κόστος. Άρα ψάχνουμε διαδρομές με μικρές ακτίνες. • Προϋποθέτει ότι οι κόμβοι μπορούν να ρυθμίζουν την ενέργεια εκπομπής. • Cost metric • Στόχος η μεγιστοποίηση των routing λειτουργιών που μπορεί να επιτελέσει το δίκτυο. • Εύρεση path από κόμβους που έχουν αρκετή ενέργεια (ακόμα και αν το path είναι μεγαλύτερο)

46. Power and cost aware routing • Αν οι κόμβοι μπορούν να τροποποιήσουν την ισχύ εκπομπής, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αντί για το hop-count το power-metric • Η ισχύς που καταναλώνεται κατά την διάρκεια μιας μετάδοσης εξαρτάται από την απόσταση των δύο κόμβων. • Υποθέτουμε ότι u(d) = ada+c • d = απόσταση • α σταθερά • C σταθερά που αναπαριστά την ενέργεια που χρειάζεται για να εγκαταστήσουμε την επικοινωνία. • To c δεν είναι αμελητέα ποσότητα. Παρόλα αυτά πολλές δημοσιεύσεις υποθέτουν c = 0.

47. Localized power aware routing algorithm • Αν η απόσταση δύο κόμβων είναι D τότε • Η ενέργεια για απευθείας μετάδοση είναι u(d) = ada+c • Είναι optimal αν • Αλλιώς πρέπει να επιλεχθούν n-1 ενδιάμεσοι κόμβοι για επαναμεταδώσεις.

48. Localized power aware routing algorithm • Επιλογή γείτονα • Όσο το δυνατό πιο κοντά στον προορισμό • Όσο το δυνατό πιο κοντά στην βέλτιστη απόσταση • Έστω Β ο κόμβος που είμαστε τώρα, Α ο υποψήφιος γείτονας και D ο προορισμός • |BA|=r, |AD|=s. • Ο Β θα επιλέξει έναν γείτονα Α αν ελαχιστοποιείται το p(B,A) = u(r)+v(s) • Ο αλγόριθμος προχωρά μέχρι να βρεθεί ο τελικός κόμβος ή μέχρι κάποιον κόμβο που δεν έχει γείτονα πιο κοντά στον προορισμό.

49. Pure power consumption metric • Κάποιοι κόμβοι χρησιμοποιούνται στο routing πιο συχνά από άλλους. • Η αυξημένη αυτή κατανάλωση έχει σαν αποτέλεσμα να αποτυγχάνουν μετά από κάποιο χρονικό διάστημα • Ένα μακρύτερο μονοπάτι που περνάει από κόμβους που έχουν μεγάλα αποθέματα ενέργειας μπορεί να είναι πιο επιθυμητός αν • στόχος είναι η μεγιστοποίηση του αριθμού των routing tasks του δικτύου συνολικά • Ορίζουν την ποσότητα f(a) = απροθυμία ενός κόμβου να συμμετάσχει στο routing • F(a) = 1/g(a) ( g(a)=lifetime ανήκει στο [0,1]) • Η απροθυμία αυξάνει απότομα όταν το lifetime πλησιάζει στο 0.

50. Localized cost efficiency • Αν ο παραλήπτης είναι γείτονας στέλνει αμέσως το πακέτο. • Αλλιώς • Στέλνουμε το πακέτο στον γείτονα A που ελαχιστοποιεί το • C(A) = f(A)/(1+s/R) s = απόσταση προορισμού, R = ακτίνα