Hauptseminar: Ad-hoc-Netzwerke

Hauptseminar
Ad-hoc-Netzwerke
Christian Bornträger
03.07.2001
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
1. Mobile Infrastruktur - Netzwerke
2. Mobile Ad-hoc-Netzwerke
2. Schicht 2: Medienzugangsprobleme
1. Hidden Terminal Problem
2. Exposed Terminal Problem
3. Neue MAC-Methoden
3. Schicht 3: Routing Protokolle
1. Übersicht
2. wünschenswerte Eigenschaften von Routing-Protokollen
1. Schleifenfreiheit
2. Multicast - Fähigkeit
3. An Bedarf anpassend für nicht gleich verteilte Netzlast
4. Stromverbrauch, Gewicht, Reichweite
5. Geringer Overhead
6. Sicherheit
7. Quality of Service (QoS)
8. Unterstützung von unidirektionalen Verbindungen
3. Tabellenbasierte Routing-Protokolle (table driven)
1. Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV)
2. Clusterhead Gateway Switch Routing (CGSR)
3. The Wireless Routing Protocol (WRP)
4. Source-initiated On-demand Driven Routing Protocols
1. Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV)
2. Dynamic Source Routing (DSR)
3. Temporally -Ordered Routing Algorithm (TORA)
4. Associativity-Based Routing (ABR)
5. Signal Stability Routing (SSR)
5. Weitere Routing-Algorithmen
1. Spine Routing
2. Lightweight Mobile Routing (LMR)
3. Core Extraction Distributed Ad hoc Routing (CEDAR)
4. A Bandwidth-efficient Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks
(RDMAR)
6. Vergleich einiger Routing Verfahren
4. Ausblick
5. Literatur

1. Einführung
In der heutigen Zeit spielt die Vernetzung von Computern und Systemen eine immer größere
Rolle. In der Vergangenheit waren Datennetze überwiegend drahtgebunden bzw. basierten auf
Lichtwellenleiter. Auch heute und in Zukunft werden die Lichtwellenleiter vor allem im
Backbone-Bereich weiterhin dominieren, während drahtgebundene Netze in der LAN-
Verkabelung eingesetzt werden. Allerdings finden sich immer mehr Anwendungen, die eine
feste Verkabelung nicht sinnvoll erscheinen lassen oder ihr widersprechen. So ist die Anzahl
der Mobiltelefone in Deutschland inzwischen größer, als die der Festnetztelefone. Und in
immer mehr Bereichen soll die Funktionalität durch Funkübertragung und spontane
Kommunikation erhöht werden. Drahtlose Netze gewinnen also immer mehr an Bedeutung.
Sie werden dabei in zwei verschiedenen Arten unterteilt, die Infrastrukturnetze und die Adhoc-Netze.
1.1 Mobile Infrastruktur - Netzwerke
Mobile Infrastruktur - Netzwerke sind Netzwerke, in denen wichtige Netzteile Bestandteil
eines fest verkabelten Netzes sind. Es existieren Basisstationen, die eine zentrale Bedeutung
haben. Eine Kommunikation zwischen mobilen Teilnehmer ohne Basisstation ist nicht
vorgesehen. Es handelt sich also um Single-Hop-Netzwerke. Die Basisstationen sind
untereinander verbunden evtl. auch über eine Funkstrecke. Die mobilen Teilnehmer melden
sich dabei an einer Basisstation an.
Beispiele für Infrastrukturnetzwerke sind IEEE 802.11 WLAN , GSM, Bluetooth oder auch
DECT. Infrastrukturnetze sind inzwischen weit verbreitet und basieren auf meist ausgereiften
Technologien.
1.2 Mobile Ad-hoc-Netzwerke
Mobile Ad-hoc-Netzwerke besitzen keine festen Basisstationen. Alle Teilnehmer dieser
Netzwerke sind mobil und fungieren sowohl als Endstation als auch als Router. Grundlage der
meisten Ad-hoc-Netzwerke ist der beaconing - Mechanismus (Leuchtfeuer). Jeder Teilnehmer
(Node) sendet in regelmäßigen Abständen ein beacon - Signal. Dies ist notwendig, damit jeder
Teilnehmer seine Nachbarn kennt, die er direkt erreichen kann. Alle Teilnehmer nutzen beim
Senden dieselbe Frequenz, was natürlich die Kapazität des Netzes begrenzt.
Die gesamte Netzstruktur entsteht dynamisch durch Selbstorganisation und
Selbstverwaltung.Es gibt also keine zentrale Stelle, die das Routing oder die Netzstruktur
festlegt, das Management in Ad-hoc-Netzwerken ist somit verteilt. Aufgrund der Mobilität
der Teilnehmer ist die Netzstruktur zeitvariant. Der Eintritt in ein Ad-hoc-Netzwerk erfolgt
durch Interaktion mit anderen Teilnehmern. Natürlich kann ein Teilnehmer eines Ad-Hoc-
Netzwerkes auch Schnittstelle zu einem festen Netzwerk sein.
Die Verbindungen zwischen den einzelnen Nodes erfolgt peer-to-peer. Es handelt sich dabei
oft um Multi-Hop-Verbindungen. Daten können also nicht nur über direkte Verbindungen
transportiert werden, sondern gelangen auch zu entfernten Stationen.

Typische Anwendungsgebiete sind Koordinierung von Rettungsaktionen in Krisengebieten
oder Einsatz in militärischen Kampfgebieten. Ein weitere Bereich ist die Verkehrstelematik.
Verschiede mobile Ad-Hoc-Netzwerk-Verfahren befinden sich derzeitig in der Diskussion.
Federführend ist MANET, eine Untergruppe der Internet Engineering Task Force. Die RFC
2501 "Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and
Evaluation Considerations" wurde bereits veröffentlicht. Auf der Homepage von MANET
gibt ausserdem Links zu diversen nicht offiziellen Veröffentlichungen. Ad-hoc-Netzwerke
sind ebenfalls schon länger bekannt. Sie sind als Option auch in Bluetooth und IEEE 802.11
vorhanden. Allerdings hat dies Form des Netzaufbaus aufgrund von technologischen
Einschränkungen noch keine weite Verbreitung gefunden. Es besteht weiterhin großer
Forschungsbedarf, um Einschränkungen zu beseitigen. Diese Arbeit geht insbesondere auf das
Routing in Ad-hoc-Netzwerken ein.
2. Schicht 2: Medienzugangsprobleme
Ken Tang beschreibt unter [3] einige Probleme, die mit der klassischen Medium Access
Methode CSMA/CD bei Funknetzen auftreten. Wie bereits erwähnt, nutzen alle Nodes in Ad-
Hoc-Netzwerken die gleichen Frequenzen. Diese MAC-Probleme existieren demzufolge auch
bei Ad-hoc-Netzwerken.
2.1 Hidden Terminal Problem
Wenn das Medium in der Nähe des Transmitters frei ist, besteht trotzdem die Möglichkeit,
dass das Medium beim Empfänger belegt ist.
Das Hidden Terminal Problem entsteht in diesem Beispiel dadurch, dass sich die Station A
nicht im Empfangsbereich der Station B befindet und umgekehrt. Deshalb kann ein
klassischer Carrier Sense Mechanismus hier nicht funktionieren, beide Messages kollidieren
in der Station C.
2.2 Exposed Terminal Problem
Ebenso kann es vorkommen, dass das Medium beim Sender besetzt ist aber beim Empfänger
ist es frei.

Das Exposed Terminal Problem stellt ebenfalls ein Carrier Sense Problem dar. Hier sei
Station B am Senden. C erkennt, dass B sendet und betrachtet das Medium als besetzt,
obwohl C in Richtung D übertragen könnte.
2.3 Neue MAC-Methoden
Es ist klar das CSMA/CD nicht für Drahtlose Netze geeignet ist. In [3] werden diverse
Alternativen genannt, unter anderem packet sense (ohne Carrier sense), carrier sense with
collision avoidance (CSMA/CA), RTS/CTS, ACKs. Diverse Kombinationen dieser Methoden
wurden umgesetzt, unter anderem in MACA (RTS/CTS), FAMA (CSMA/RTS/CTS), MACAW
(RTS/CTS/ACKs, control frames) und IEEE 802.11 (CSMA/CA/RTS/CTS/ACK).
In seinen Untersuchungen stellte Ken Tang fest, dass die Kombination aus
CSMA/CA,RTS/CTS und ACK die beste Lösung ist. Diese Verfahren wurde auch in IEEE
802.11 umgesetzt.
Es existieren weitere Verfahren wie PAMAS[23], welche andere Zielsetzungen wie
Stromsparfähigkeit betonen. Hierbei wird, basierend auf MACA, ein separater
Signalisierungskanal verwendet.
3. Schicht 3: Routing-Protokolle
3.1 Übersicht
Übersichten über Routing-Protokolle in Ad-hoc-Netzwerken finden sich unter [2],
Hier wird unterschieden zwischen tabellenbasierten (proaktiv) und source-initiated ondemand
driven (reaktiv) Protokollen. Bei tabellenbasierten Protokollen speichert jeder Node
Routinginformationen für das ganze Netz, die global state-Informationen. Beim sourceinitiated
on-demand driven routing werden nur Informationen über die lokalen Nachbarn
gespeichert, die local state-Informationen.
Weiterhin kann man zwischen flachen und hierarchischen Protokollen unterscheiden. Flache
Protokolle bieten sich für kleinere Netze an, während hierarchische Protokolle in großen
Netzen von Vorteil sind. Hierarchische Netze werden in so genannte Cluster aufgeteilt, der
Pfad wird entlang der Cluster bestimmt und nicht mehr entlang einzelner Nodes. Eine weitere
Form der Hierarchie sind virtuelle Backbones. Unterteilung ist deshalb wichtig, weil die
Routenbestimmung eine hohe Komplexität besitzt, mobile Endgeräte aber nur über
beschränkte Rechenleistung verfügen.
3.2 wünschenswerte Eigenschaften von Routing-Protokollen

Schleifenfreiheit
Es ist klar, dass die Routing-Protokolle Mechanismen enthalten sollten, die Schleifenbildung
verhindern. Diese Forderung wird von den meisten Protokollen erfüllt.
Multicast - Fähigkeit
Es gibt klassische Ansätze, die auf Unicast aufbauen, um Multicast zu gewährleisten. Hierbei
werden die Datenströme in einem Router bzw. Zwischennode vervielfältigt. Das kann zu
unnötiger Redundanz führen. In [16] wird der "ST-WIM"-Algorithmus vorgestellt. Dieser ist
unabhängig vom darunter liegenden Routing-Protokoll. Hierbei wird an einem Rendezvous-
Punkt ein dynamischer, verteilter Baum aufgespannt. Bei verstärkter Mobilität muss dieses
Protokoll jedoch verstärkt Performance-Einbußen hinnehmen.
Neue Ansätze, die Kanaleigenschaften nutzen, wurden in [17] propagiert. Dabei will man die
natürliche Broadcast-Eigenschaft der Funkwellen ausnutzen. In einem theoretischen Ansatz
wird ein Verfahren vorgestellt, welches auf einem reduzierten flooding- Verfahren namens
hyper-flooding beruht. Einmal gesendete Daten können von mehreren Teilnehmern
empfangen werden. Mit dieser Kenntnis kann Redundanz verringert werden. Diese Reduktion
der gesendeten Pakete kann aber zur Folge haben, dass einige Mitglieder der Gruppe Daten
nicht empfangen. Dieses Problem tritt insbesondere bei Topologieänderungen in Kombination
mit Paketwiederholungen auf. Deshalb muss ein Kompromiss zwischen Effizienz und
Robustheit gefunden werden.
Eine besonders große Herausforderung ist die Integration der verschiedenen Multicast -
Strategien in festen Infrastrukturnetzwerken, mobilen Infrastrukturnetzwerken und Ad-hoc-
Netzwerken. Optimalerweise sollte es egal sein, ob sich ein Gruppenmitglied in mobilen oder
festen Netzwerken befindet. Multicastfähigkeit ist ein Gebiet, auf dem weiterhin großer
Forschungsbedarf besteht.
An Bedarf anpassend für nicht gleich verteilte Netzlast
Ein Ad-hoc-Netzwerk sollte seine Struktur nicht nur starr anhand von Verbindungen
aufbauen, sondern sollte seine Topologie auch an den Bandbreitenbedarf der einzelnen
Verbindungen anpassen. So könnten selbst größere Umwege eines Paketes stark frequentierte
Bereiche des Netzes entlasten und somit zu einer höheren Geschwindigkeit führen. Allerdings
ist diese Forderung stark an QoS-Fähigkeit gebunden.
Stromverbrauch, Gewicht, Reichweite
Mobile Geräte haben oft Einschränkungen hinsichtlich Größe und Gewicht. Dies hat
Auswirkungen auf Energievorrat und Reichweite, was von den Protokollen berücksichtigt
werden sollte. Die Datenmenge und die Sendehäufigkeit sollte so gering wie möglich sein.
Ebenso sollten für die Berechnung der Route effiziente Algorithmen verfügbar sein.
Geringer Overhead
Die Forderung ergibt sich auch aus der Vorherigen. Die Bandbreite von mobilen
Funkstrecken ist außerdem bedeutend kleiner als die Bandbreite von Kabelnetzen. Deshalb
sollten Routing-Protokolle in Ad-hoc-Netzen bandbreiteschonend sein.

Sicherheit
Funkwellen sind sehr einfach abzuhören und zu stören. Deshalb müssen Maßnahmen
ergriffen werden, die Eingriffe von außen verhindern. Eine mögliche Lösung wäre
Verschlüsselung.
Quality of Service (QoS)
Quality of Service gewinnt immer mehr an Bedeutung. Im klassischen Internet war QoS nicht
vorgesehen. Die Datenübertragung auf IP - Basis verläuft verbindungs- und zustandslos. Die
Router wissen also nichts über evtl. Ströme zwischen einer Quelle und Senke. RFC 2386
beschreibt neuere QoS - Aspekte im klassischen Internet. QoS ist nur sinnvoll, wenn
Datenströme fließen und zwischen zwei Nodes eine Art Verbindung besteht. In RFC 2386
wird QoS als "A set of service requirements to be met by the network while transporting a
flow" klassifiziert. Anforderungen an das Netzwerk gibt es zum Beispiel hinsichtlich Jitter,
Verzögerung und verfügbarer Bandbreite. Der Begriff QoS bedeutet also immer eine
festgelegte anwendungsspezifische Auswahl von Kriterien, die garantiert werden soll.
Interessant in Ad-hoc-Netzen sind vor allem die Verzögerungszeit und das
Bandbreitenmanagement. Dafür sollten effektive Algorithmen zur Verfügung stehen.
Mobile Netze besitzen Einschränkungen, die eine Gewährleistung der QoS besonders
schwierig machen. Nodes haben oftmals begrenzte Energie und Reichweite. Außerdem
kommen Störungen der Funkstrecken oft vor und sind unberechenbar. Prinzipbedingt gibt es
keine zentrale Managementstation. Die Zugriffs- und Routing-Techniken müssen für die
Einhaltung der QoS sorgen, indem die Routen so gewählt werden, dass die Anforderungen
erfüllt werden.
Ein Netz heißt combinatorial stable, wenn die Topologieveränderung langsam genug
vonstatten gehen, um immer konsistente Routen in allen Nodes zu haben. Dies ist ein
wichtige Vorraussetzung, um Quality of Service zu gewährleisten (notwendige Bedingung).
Wenn ein Netz die Quality of Service unabhängig von möglichen Topologie-Wechseln
garantieren kann, heißt es QoS - robust. Eine abgeschwächte Form ist QoS - preserving. Hier
wird nur das Beibehalten der Quality of Service im Zeitrahmen von einem erfolgreichen
Topologie-Wechsel bis zum nächsten garantiert.
Der Fall, dass ein Node, z.B. durch Funkstörungen, komplett die Verbindung zum Netz
verliert, wird nicht in die Quality of Service Betrachtung mit einbezogen, da das Netz darauf
keinen Einfluss haben kann. Topologie - Updates treten vor allem auf, wenn neue Nodes dem
Netz beitreten oder vorhandene Nodes das Netz (absichtlich) verlassen. Dies sollte die Quality
of Service für den nicht von Änderungen betroffen Teil des Netzes nicht beeinflussen. Die
Funkstrecke ist ein Shared-Medium-Netz. Je größer die Anzahl der Nodes ist, desto größer
kann die Verzögerungszeit werden. Deshalb ist eine genügend große Kanal -
Kapazitätsreserve nötig, um einen Höchstwert für die Verzögerung garantieren zu können.
QoS - Routing besteht aus 2 Teilabschnitten. Die erste Aufgabe ist das Finden einer Route,
die die geforderten Qualitätsbedingungen erfüllt. Der zweite Schritt ist das Reservieren dieser
Route für einen Datenfluss. Natürlich müssen danach die Metriken und Bandbreiten für die
anderen Nodes neu berechnet werden.

Die optimale Routenbestimmung zur Erfüllung aller QoS - Parameter ist ein aufwendigen
Verfahren mit zum Teil NP - vollständiger Komplexität. Deshalb werden oftmals
approximierende Filterregeln angewandt, die eine semioptimale Suche gestatten. Es werden
mehrere Routen bestimmt, die ein wichtiges Kriterium gut bzw. optimal erfüllen. Danach
wird diese Liste anhand des nächsten Kriteriums untersucht. Dies geht so weiter bis zur
letzten QoS - Anforderung.
Sollten mehrere Routen übrig bleiben, wird eine per Zufall ausgewählt.
Die Auswahl der Route hängt von einer möglichst genauen Kenntnis des Netzwerkzustandes
ab. Es gibt local state und global state Information. Die local state Informationen sind
Informationen über den Node selber. Sie beinhalten verbleibende CPU - Leistung sowie
diverse Informationen über alle direkten Verbindungen zu den Nachbarn. Sie ist in jedem
Node sofort verfügbar und entspricht dem Stand des Netzes. Die Gesamtheit aller local states
wird als global state bezeichnet. Sie wird bei tabellenbasierten Routingverfahren ebenfalls in
jedem Node gespeichert. Diese Information muss aber erst durch Austausch von
Informationen gewonnen werden. Diese Topologie - Updates geschehen in regelmäßigen
Abständen. Es wird dabei unterschieden zwischen link-state und distance-vector Protokollen.
Dabei werden entweder die lokalen Zustände oder passende Distanz-Vektoren übertragen. In
großen Netzen ist es ratsam, das Netz hierarchisch zu partitionieren. Dort werden nur die
Zustände der einzelnen Cluster ausgetauscht.
Es gibt verschiedene Verfahren zur Festlegung einer Route. Beim source routing legt die
Quelle einen mögliche Pfad mittels gespeichertem global state fest und teilt allen Nodes in
diesem Pfad Vorgänger und Nachfolger mit. Das destination routing ist vergleichbar, hierbei
ist jedoch das Ziel für die Route verantwortlich.
Das zweite Verfahren ist das distributed oder hop-by-hop routing. Hierbei sind mehrere
Nodes am Festlegen des nächsten passenden Hops beteiligt. Die letzte Form ist das
hierarchical routing. Hierbei werden die global states der einzelnen Cluster zur Bestimmung
der Route herangezogen. In [4] werden zwei Routing-Mechanismen beschrieben. Ein
Algorithmus nutzt nur die local state Informationen, während der andere auch global state
Informationen voraussetzt [1]. Beide Algorithmen suchen bei Verlust einer Route nach einer
neuen Route, die ebenfalls die QoS erfüllt. Bis zum Bestehen der neuen Route werden Pakete
bestmöglich verschickt.
Um eine die Quality of Service dauerhaft zu gewährleisten, sollten Kontrollpakete höhere
Priorität haben als Nutzdatenpakete. Ebenso sollten Pakete mit höhere Priorität Vorrang vor
Paketen mit niedriger Priorität besitzen. Dies kann in Hochlastsituationen dazu führen, das für
niederpriorisierte Pakete die QoS nicht mehr garantiert werden kann.
Beim Ausfall einer Route passiert in den Nodes folgendes: Abhängig vom Aufbau des Netzes
kann der Router, der an dem Ausfall beteiligt ist, entweder selbst eine Ersatzroute aufbauen
oder er teilt der Vorgängerstation bzw. dem Sender mit, dass die Route nicht mehr verfügbar
ist. In diesem Fall muss die Quelle eine neue Route bestimmen.
Alternativ kann der Ausfall der Route für die Quelle ebenfalls sichtbar werden, durch
Ausbleiben von regelmäßigen rückwärts gerichteten Refresher - Paketen.
Um die Gefahr einer QoS - Verletzung zu verringern, bietet sich die Nutzung von
redundanten Routen an. Es gibt 3 verschieden Stufen der Redundanz. Die sicherste Stufe der

Redundanz ist die Reservierung mehrerer paralleler Routen - fällt eine Route aus wird
automatisch die zweite genutzt. Die zweite Möglichkeit ist das Speichern von
Alternativrouten, ohne diese zu reservieren. Erst bei Ausfall der ersten Route wird die
Ersatzroute reserviert. Unter Umständen ist die Route dann allerdings nicht mehr verfügbar
oder bereits anderweitig vergeben. Die einfachste und unsicherste Variante ist die Neusuche
beim Ausfall der Route.
Unterstützung von unidirektionalen Verbindungen
Viele Routingprotokolle gehen davon aus, bidirektionale Verbindungen zu nutzen. Oftmals
wird der Rückweg benutzt, um funktionierende Routen zu melden. Leider kann es passieren,
dass Funkstrecken nur unidirektional arbeiten. Diese Funkstrecken werden von vielen
Protokollen als fehlerhaft angesehen und nicht genutzt. Das Ziel von intelligenten
Routingprotokollen sollte sein, diese unidirektionalen Routen mit zu nutzen. Allerdings wird
in [18] gezeigt, dass bei Distance-Vector-Protokollen die Menge der zu übertragenen
Informationen mit O(n²) statt mit O(n) steigt. Deshalb widerspricht die Nutzung von
unidirektionalen Verbindungen anderen Kriterien wie Bandbreiteneffizienz und
Energiesparsamkeit.
3.3 Tabellenbasierte Routing-Protokolle (table driven)
Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) [9]
DSDV ist ein flaches Routing-Protokoll. Jeder Node hat eine Tabelle, die die Route zu allen
bekannten Nodes enthält. Das Verfahren ist ähnlich zu Bellman-Ford. Die Tabelle enthält
dabei mögliche Ziele und Anzahl der Hops. Im Gegensatz zu Bellman-Ford wird
Schleifenfreiheit durch Sequenznummern gewährleistet. Mittels dieser Sequenznummern
werden unterbrochene Routen von neuen Routen unterschieden. Um über das aktuelle Netz
informiert zu sein, sind regelmäßige Updates nötig, was zusätzlich Bandbreite benötigt. Es
gibt zwei Arten von Update - Nachrichten. Ein vollständiges Update enthält alle Information,
es werden evtl. mehrere Datenpakete benötigt. Die zweite Möglichkeit ist das Verschicken
von Änderungen. Diese Updates passen in der Regel in eine network data unit.
Zum Routing wird immer die Route mit der aktuellsten Sequenznummer wird genutzt. Falls
zwei Updates mit der selben Sequenznummer einen Node erreichen, wird die Route mit der
kleineren Metrik genutzt.
Clusterhead Gateway Switch Routing (CGSR) [15]
CGSR ist ein hierarchischen Protokoll, welches auf DSDV aufsetzt. Es benutzt zusätzlich
diverse Heuristiken, um das Routing festzulegen. Mehrere Nodes werden zu Clustern
zusammengefasst. Ein Node übernimmt die Rolle des cluster heads. Dafür gibt es einen
Cluster-head-selection-Algorithmus. Bei sehr mobilen Teilnehmern kommt es oft zu
aufwendigen Wechseln des Cluster-heads. Deshalb wird ein Least Cluster Change
Algorithmus verwendet, der den cluster head nur ändert, wenn zwei cluster heads in direkten
Kontakt geraten oder ein Node keinen Kontakt mehr zu irgendeinem cluster head bekommt.
Das Routing geht von der Quelle über Ihren cluster head zu einem gateway node und von dort
aus zu einem anderen cluster head. Dieser routet das Pakt dann weiter.

Gatway nodes sind Teilnehmer, die in Kontakt mit 2 oder mehreren cluster heads sind. Für
dieses Protokoll sind je Node zwei Tabellen notwenig, die cluster member table und die
routing table.
The Wireless Routing Protocol (WRP) [10]
Dies ist ein Routing-Protokoll, welches das Ziel hat, dass alle Nodes die nötigen Routing-
Informationen besitzen. Jeder Node hält vier Tabellen: Die distance table, die routing table,
die link-cost table and die message retransmission list (MRL).
Auch hier werden zwischen direkten Nachbarn Update Messages ausgetauscht, wobei
festgelegt werden kann, welche Updates zu bestätigen sind. Dabei speichert die MRL, welche
Updates nochmals verschickt werden müssen bzw. welche Bestätigungen noch ausstehen.
Neue Nodes erfahren von ihren Nachbarn durch Empfangen von Update Messages. Wenn ein
Node keine Messages zu verschicken hat, benutzt er Hello-Messages. Wenn innerhalb eines
Timeouts keine Message empfangen wird, gilt die Verbindung als gestört. Neuen Nodes
werden Kopien der eigenen Routing-Tabellen geschickt. Die Besonderheit liegt in einem
Verfahren, welches Schleifenfreiheit gewährleistet. Das count-to-infinity-Problem wird
vermieden, indem alle Nodes einen Konsistenzcheck aller Informationen der Nachbarn
machen.
3.4 Source-initiated On-demand Driven Routing Protocols
Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) [11]
AODV ist ein Routing-Protokoll, welches auf dem DSDV-Algorithmus beruht. Es minimiert
aber die Anzahl der benötigten Broadcasts, indem die Routen nur bei Bedarf bestimmt
werden. Es werden also keine kompletten Routing-Tabellen erstellt. Nodes, die sich nicht im
Pfad befinden, aktualisieren auch nicht ihre Routing-Informationen und tauschen auch keine
Routing-Informationen aus.
Wenn ein Node Daten senden will, ohne die Route zum Ziel zu kennen, wird ein path
discovery process gestartet. Dabei werden route request (RREQ) broadcasts geflutet, bis das
Ziel oder ein Node mit einer Route zum Ziel erreicht worden ist. Dieser Node schickt in
Richtung Vorgänger ein route reply (RREP) Nachricht zurück. Dieser schickt dieses zu
seinem Vorgänger und speichert die Route zum Zielhost. Bei AODV werden
Sequenznummern eingesetzt. Jeder Node erhöht seine Sequenznummer mit jedem
gesendetem RREQ. Zusammen mit der Adresse des Nodes sind die RREQs damit einzigartig.
Falls ein RREQ doppelt ankommt, wird er verworfen. Wenn sich Teilnehmer bewegen, ist
eine Neuberechnung der Route notwendig. Bewegt sich die Quelle, kann sie die Berechnung
neu anstoßen. Wenn eine andere Station sich bewegt, erkennt das die Vorgängerstation und
schickt eine link failure message zu ihrem Vorgänger. Diese wird bis zur Quelle
weitergereicht, die eine Neuberechnung veranlassen kann.
Dynamic Source Routing (DSR) [12]
Wenn sich der Zielhost nicht im Cache befindet, wird wie eine route request broadcast
message mit einer ID, Ziel- und Quelladresse verschickt. Jeder Node, der diese Message
erhält, fügt seine Adresse zu einer Liste hinzu. Erhält ein Node ein Paket, dessen ID er bereits
kennt oder in dessen Route er bereits steht, verwirft er diese Message. Kennt ein Empfänger
eine funktionierende Route zum Ziel oder erreicht die Message den Empfänger, wird die

Route vervollständigt und zurück geschickt. Dabei kann der route reply Huckepack in einem
neuen route request zurück geschickt werden. Hin- und Rückweg können sich also
unterscheiden. Dies erlaubt die Nutzung von unidirektionalen Verbindungen. Wenn eine
Verbindung unterbrochen wird, wird diese Verbindung aus dem Cache gelöscht und route
error messages werden verschickt. Alle Stationen, die diese Meldungen empfangen,
schneiden Ihre Routen an der entsprechenden Stelle ab. Weiterhin werden acknowlegdements
benutzt, um korrekte Verbindungen anzuzeigen. Dazu gehören auch passive ACKs, d.h.
Mithören, dass weitergesendet wurde.
Temporally -Ordered Routing Algorithm (TORA) [8]
TORA ist ein verteiltes Routing-Verfahren, welches auf link reversal beruht. Das Ziel von
TORA ist die Konzentration der Kontrollmessages auf die nähere Umgebung von
Topologieveränderungen. Die Nodes müssen Routing-Informationen nur für alle angrenzende
Nodes speichern. Routen werden dabei über direkte azyklische Graphen mit der Höhe als
Metrik bestimmt. Dabei werden den Links Richtungen zugewiesen. Daten werden nur
Downstream von "höhere" Nodes an "niedrigere" Nodes weitergeleitet. TORA ist ähnlich zu
LMR. Topologieveränderungen bewirken dabei eine Umkehrung der Richtung von
angrenzenden Verbindungen.
TORA setzt eine gleichmäßige Zeitbasis auf allen Nodes voraus, z.B. durch GPS, da die
Kontrollmessages auch eine Zeit beinhalten. Dies soll eine schnellere Konvergenz der Routen
ermöglichen.
Associativity-Based Routing (ABR) [13]
ABR definiert eine neue Metrik für Ad-hoc-Netzwerke: degree of association stability.
Anhand dieser Metrik werden die Routen festgelegt. Jeder Node schickt dabei in
regelmäßigen Abständen ein beaconing Signal. Für jedes empfangene beaconing Signal
erhöht eine Node den associativity tic (Assoziativitätszähler) für den Sender. Der
Assoziativitätszähler wird zurück gesetzt, wenn die Nachbarn oder der Node selber sich aus
der Reichweite bewegen. Das Ziel dieses Verfahrens ist die Nutzung lang bestehender stabiler
Routen.
Bei der Routensuche werden die Assoziativitätszähler für die Route mit übertragen und in
einer Liste gespeichert. Das Ziel kann dann aus mehreren Routen die beste wählen und
schickt den REPLY auf dem selben Weg zurück. Die Nodes, die den REPLY weiterleiten,
markieren die Route als gültig. Routenwartung wird ebenfalls über Kontrollpakete mit
Assoziativitätszähler gelöst.
Signal Stability Routing (SSR) [14]
SSR nutzt als Metriken die Signalstärke und Mobilität von Teilnehmern. Das Ziel ist die
Nutzung von Routen mit großen Signalstärken. Dieses Protokoll ist unterteilt in das Dynamic
Routing Protokoll (DRP) und das Static Routing Protocol (SRP). Das DRP verwaltet die
Signal Stability Table und die Routing Table. Deshalb nimmt DRP alle empfangenen Pakete
entgegen und passt alle Tabellen entsprechend an. Danach werden die Pakete an das SRP
weitergereicht. SRP leitet die Pakete weiter oder legt sie in den Stack. Falls keine Route zum
Weiterleiten vorhanden ist, wird ein Route Request geschickt. Dieser wird nur weitergeleitet,
wenn er über ein starkes Signal empfangen wird. Der Zielnode schickt die Antwort auf
demselben Weg zurück. Erreicht die Quelle keine Antwort, schickt sie nach einem Timeout

einen neuen Request mit abgesenker Anforderung an die Signalstärke. Bei einem Fehler wird
die Quelle benachrichtigt, die ihrerseits über eine erase-message alle beteiligten Nodes
informiert.
3.5 Weitere Routing-Algorithmen
Spine Routing [19]
Spine Routing ist weder ein reines On-Demand-Routing-Verfahren, noch ein ein
tabellenbasiertes Verfahren. Hierbei wird eine Struktur namens Spine (Wirbelsäule) genutzt.
Das Spine besteht aus einem kleinen, relativ stabilen Subnetz, welches zur Routenbildung
genutzt wird. Es fungiert als virtuelles Backbone. Es soll nicht dazu dienen, die Informationen
zu transportieren. Dies geschieht nur, wenn andere Routen nicht verfügbar sind. Allerdings
wird das Spine als Multicast-Backbone genutzt. Per Definition ist ein Node entweder selbst
Teil des Spines oder ist zumindest Nachbar eines entsprechenden Nodes. Dadurch wird ein
geringer Wartungsaufwand erreicht, da die Anzahl der Spine Nodes geringer ist als die
Gesamtzahl der Nodes und jeder Node Kontakt zum Spine hat. In [19] werden zwei Varianten
beschrieben: (a) Optimal Spine Routing OSR, welches ein komplettes und aktuelles Wissen
über die Toplogie voraussetzt und (b) Partialknowledge Spine Routing PSR, welches nicht die
komplette Topologie kennen muss.
Die Suche nach einem optimalen Spine erfolgt mittels einem minumum connected dominating
set (MCDS). Dies ist ein NP-vollständiges Problem. Deshalb müssen dafür
Approximationsalgorithmen verwendet werden.
Lightweight Mobile Routing (LMR) [22]
Die Routenbestimmung in LMR ist ähnlich zu TORA ein Link-Reversal-Mechanismus, bei
dem fehlerhafte Verbindungen die Richtung der upstream-Verbindungen umkehren, bis die
Topologie wieder eine komplette Downstream-Verbindung von der Quelle zum Ziel hat.
LMR setzt dabei keine gemeinsame Zeitbasis voraus. Die hat den Nachteil, dass bei Link-
Fehlern die Gefahr besteht, dass LMR temporär falsche Routen bildet, die das Netz in zwei
Teile spalten.
Core Extraction Distributed Ad hoc Routing (CEDAR)
CEDAR [20] ist ein Routing-Verfahren, welches sich für QoS-Anforderungen eignet. Hier
wird ebenfalls ein Subset des Netzes erzeugt, welches als Core bezeichnet wird. Die Zustände
der Verbindungen werden weiter verbreitet (links state propagation). Dabei ist das Ziel, dass

stabile bandbreitenstarke Verbindungen auch entfernten Nodes bekannt sind, während
schwache, dynamische Verbindungen nur lokal gepeichert werden.
Bei der Routenberechnung wird zuerst eine Core-Verbindung von der Quellendomäne bis zur
Zieldomäne gesucht. Dabei wird iterativ ein Weg von der Quelle zur am weitesten möglichen
Zwischenstation des Cores gesucht. Der Weg muss dabei die Bandbreiteanforderungen
erfüllen. Diese Zwischenstation wird dann die neue Quelle und sucht weiter, bis die
Zieldomäne erreicht ist.
A Bandwidth-efficient Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (RDMAR)
RDMAR [21] ist ein reaktives Routing-Protokoll, welches konzipiert wurde, um Bandbreite
zu sparen.
3.6 Vergleich einiger Routing-Verfahren
Verfahren Routenbestimmung QoS Schleifen-
frei
DSDV proaktiv ja flach
Flach/
hierarchisch
CGSR proaktiv ja Hierarchisch
cluster
WRP proaktiv ja flach
AODV reaktiv ja flach ja
DSR reaktiv ja flach
Multicast- fähig
Mit Aufsatz[5]
TORA reaktiv ja flach Mit Aufsatz[6]
ABR reaktiv ja ja flach
SSR reaktiv ja flach
CEDAR reaktiv ja ja Hierarchisch
Spine
Routing
Backbone
reaktiv ja Hierarchisch
RDMAR reaktiv ja flach
(virtueller)
Backbone
Weitere Vergleiche hinsichtlich Komplexität und Speicherbedarf wurden in [2]
vorgenommen.
4. Ausblick
ja

Es existieren noch viele weitere Routing-Protokolle, die einige der oben genannten Prinzipien
kombiniert oder auch neue Methoden zur Lösung benutzen. Insbesondere Multicast und QoS-
Aspekte verdienen noch weitere Betrachtung. Allerdings ist Routing nur ein Teil des Netzes.
Viele Eigenschaften der Routing-Protokolle können erst genutzt werden, wenn die
Sicherungsschicht bestimmte Eigenschaften erfüllt. Ein weiterer Forschungsaspekt sollte also
die Integration der verschiedenen Schichten sein. Hier bieten sich Performance-Tests und
Qualitätsuntersuchungen an. Weitere Forschungsgebiete sind Anwendungsmöglichkeiten. In
[24] wird z.B. die Umsetzung von TCP in Ad-hoc Netzen mittels ATCP betrachtet, was einen
großen Spieraum für Anwendungen gibt.
5. Literaturliste
1. S. Chakrabarti, A. Mishra, "QoS Issues in Ad Hoc Wireless Networks", IEEE
Communications Magazine, Vol. 39, No. 2, pp. 142-148, Feb. 2001
2. E. M. Royer, C-K Toh, "A Review of Current Routing Protocols for Ad-Hoc Mobile
Wireless Networks",
http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/G.Aggelou/PAPERS/Adhoc_Review. pdf
3. K. Tang, M. Correa, M. Gerla, "Isolation of Wireless Ad Hoc Medium Access
Mechanism under TCP", http://pcl.cs.ucla.edu/slides/workshop99/Kenpw99/sld001.htm
4. S. Chen, "Routing Support For Providing Guaranteed End-To-End Quality of
Service", Ph.D. Thesis, Univ. Of IL at Urbana-Champaign,
http://cairo.cs.uiuc.edu/papers/SCthesis.ps
5. C.-C.Chiang, H.K. Wu, W.Liu, M. Gerla, "Routing in Clustered Multihop, Mobile
Wireless Networks", ACM/Baltzer Wireless Networks Journal, Vol. 1, No. 1, pp. 197-
211, Feb. 1995
6. L. Ji and M. S. Corson, "A Lightweight Adaptive Multicast Algorithm", Proceedings
of GLOBECOM '98, pp. 1036-1042, Nov. 1998
7. M.S. Corson and A. Ephremides, "A Distributed Routing Algorithm for Mobile
Wireless Networks", ACM/Baltzer Wireless Networks Journal, Vol. 1, No. 1, pp. 61-
81
8. V.D. Park, M.S.Corson, "Temporally-Ordered Routing Algorithm (TORA) Version 1
Functional Specification", http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-manet-toraspec-03.
txt (expired)
9. C. E. Perkins, P. Bhagwat, "Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-
Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers", Computer Communications Review,
pp. 234-244, Oct. 1994
10. S. Murphy, J. J. Garcia-Luna-Aceves, "An Efficient Routing Protocol for Wireless
Networks", ACM Mobile Networks and Applications Journal, Special Issue on
Routing in Mobile Communication Networks, pp. 183-197, Oct. 1996
11. C.E.Perkins, E.M. Royer, "Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing",
http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-manet-aodv-08.txt
12. D.B.Johnson, D.A.Maltz,Yih-Chun Hu, J. G. Jetcheva, "The Dynamic Source
Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks", http://www.ietf.org/internetdrafts/draft-ietf-manet-dsr-05.txt
13. C-K. Toh, "A Novel Distributed Routing Protocol To Suppoert Ad-hoc Mobile
Computing", Proceedings of the 1996 IEEE Fifteenth Annual International Phoenix
Conference on Computers and Communications, pp. 480-486, Mar. 1996
14. R. Dube, C. D. Rais, K.-Y. Wang, S.K. Tripathi, "Signal Stability based Adaptive
Routing for Ad-Hoc Mobile Networks", IEEE Personal Communications, pp. 36-45,
Feb. 1997

15. C.-C. Chiang, H.K. Wu, W.Liu, M. Gerla, "Routing in Clustered Multihop, Mobile
Wireless Networks with Fading Channel", Proceedings of IEEE SICON'97, pp. 197-
211, Apr. 1997
16. C.-C. Chiang, M. Gerla, L.Zhang, "Shared Tree Wireless Network Multicast",
Proceedings of the IEEE 6th International Conference on Computer Communications
and Networks, Apr. 1997, http://www.ics.uci.edu/~atm/adhoc/paper-collection/gerlashared-tr
ee-ic3n97.pdf
17. K. Obraczka, G. Tsudik, "Multicast Routing Issues in Ad Hoc Networks",
http://www.ics.uci.edu/~atm/adhoc/paper-collection/obraczka-multic ast-issues.pdf
18. R. Prakash, "Unidirectional links prove costly in Wireless Ad-Hoc Networks ",
Proceedings of the Discrete Algorithms and Methods for Mobile Computing and
Communications - Dial M '99, Seattle, WA, Aug.
1998,http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/G.Aggelou/PAPERS/dial.pdf
19. R. Sivakumar, B. Das, V. Bharghavan, "Spine Routing in Ad hoc Networks ",
ACM/Baltzer Publications Cluster Computing Journal, Special Issue on Mobile
Computing, 1998.
http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/G.Aggelou/PAPERS/baltzer.pdf
20. R. Sivakumar, P. Sinha, V. Bharghavan, "CEDAR: Core Extraction Distributed Ad
hoc Routing ", IEEE Journal on Selected Areas in Communication, Special Issue on
Ad hoc Networks, Vol. 17, No. 8, 1999
http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/G.Aggelou/PAPERS/jsac.pdf
21. G. Aggelou, R. Tafazolli, "RDMAR: A Bandwidth-efficient Routing Protocol for
Mobile Ad Hoc Networks", In Proceedings of The Second ACM International
Workshop on Wireless Mobile Multimedia (WoWMoM), Seattle, Washington, Aug.
1999. http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/G.Aggelou/PAPERS/rdmar.pdf
22. T. Osaki, "Lightweight Mobile Routing (LMR)",
http://www.ics.uci.edu/~ozaki/Research/lmr.htm
23. S. Singh, C.S. Raghavendra, "PAMAS - Power Aware Multi-Access protocol with
Signalling for Ad Hoc Networks", http://www.cs.pdx.edu/~singh /ftp/pamas.ps.gz
24. J.Liu, S. Singh, "ATCP: TCP for Mobile Ad Hoc Networks", Nov. 2000,
http://www.cs.pdx.edu/~singh/ft p/atcp.pdf