Die drahtlose Übertragung von digitalen Daten ist zum festen Bestandteil des modernen Alltags geworden. Vom Mobilfunk über das WLAN-Surfen bis zur Radioübertragung von Staudaten an Automobil-Navigationssysteme findet man überall Systeme, die mit Hilfe der mobilen Kommunikation den Lebensstandard erhöhen.
Die meisten Systeme erfordern eine vorhandene Infrastruktur in Form von Sendemasten, Access-Points und Rundfunksendern, deren Bereitstellung teuer und zeitaufwändig ist und deren Ausfall zum Zusammenbruch der Kommunikation führt.
In Situationen, in denen man sich nicht auf die vorhandene Infrastruktur verlassen kann oder wenn diese ausgefallen ist, beispielsweise beim Einsatz in Katastrophen- und Krisengebieten, besteht aber genauso ein Kommunikationsbedarf wie in Bereichen, wo keine Kommunikationsleitungen vorhanden sind oder nicht aufgebaut werden können, z.B. in denkmalgeschützten Gebäuden.
Die steigende Verbreitung von mobilen Computern mit drahtloser Konnektivität und deren voranschreitende Miniaturisierung werden es in naher Zukunft erlauben, allein mit solchen Geräten automatisch Netzwerke aufzuspannen und den Benutzern die Kommunikation untereinander oder über Netzwerkgrenzen hinweg zu erlauben.
Gerade in Katastrophensituationen, in denen die Einsatzkräfte mit einheitlichen Geräten zu ihrer Unterstützung ausgestattet sind, ist der Aufbau solcher mobiler Ad-Hoc-Netze deutlich leichter realisierbar und würde die Koordination der Arbeiten signifikant erleichtern.
Für die Verwendung eines solchen Netzwerks für Sprach- oder Video-Übertragung, die eine intuitivere Kommunikation und bessere Übersicht erlauben würde, ist die reine Paketvermittlung allerdings nicht ausreichend. Dort müssen Bandbreiten für Datenströme garantiert werden können und die Garantien eingehalten bzw. das Scheitern schnellstmöglich signalisiert werden.
Um dies zu ermöglichen, müssen die Endgeräte der Helfer in der Lage sein, ein autonomes digitales Netzwerk untereinander aufzuspannen. Dieses Netzwerk wird den Teilnehmern als Grundlage für Datenkommunikation mit Gütegarantien (Quality Of Service) zur Verfügung gestellt. Die Geräte müssen Änderungen in der Konnektivität, die durch veränderte Teilnehmerposition oder Hindernisse bei der Signalausbreitung entstehen, selbständig erkennen und alternative Pfade finden, um die Kommunikation nicht zusammenbrechen zu lassen.
Drahtlose Ad-Hoc-Netzwerke erlauben es ihren Teilnehmern nur mit der direkten Nachbarschaft zu kommunizieren. Durch Verwendung geeigneter Routing-Protokolle lässt sich diese Einschränkung überwinden. Es existiert eine Vielzahl von Lösungen hierfür, wobei allerdings die Bereitstellung von Dienstgütegarantien nur ungenügend betrachtet wird.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung eines Routing-Protokolls für mobile Ad-Hoc-Netzwerke. Dieses Routing-Protokoll soll es den an einem solchen Netz teilnehmenden Knoten ermöglichen, Daten an beliebige andere Teilnehmer zu versenden. Es sollen zwei Klassen von Daten berücksichtigt werden: Best-Effort und Quality of Service (QoS).
Das Best-Effort-Protokoll soll Daten über mehrere Zwischenstationen ausliefern können, wobei keinerlei Garantien bezüglich der Zuverlässigkeit oder der Auslieferungszeit gegeben werden. Das QoS-Routing dient dazu, die Bandbreiten- und Latenzanforderungen der Applikation zu erfüllen. Besteht dazu keine Möglichkeit, soll die Anwendung über das Scheitern informiert werden.
Als Grundlage für das Routing-Protokoll ist das an der Arbeitsgruppe ,,Echtzeitsysteme und Kommunikation'' entwickelte Clustering-Schema zu verwenden. Dieses Verfahren sorgt für eine Gruppierung der Knoten mit gegenseitigem Funkkontakt und regelt den Medienzugriff innerhalb der von ihm gebildeten Cluster.
Das entwickelte Protokoll ist in C++ zu implementieren und mit geeigneten Mitteln zu evaluieren.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden Routing-Protokolle für Best-Effort- und QoS-Anforderungen entwickelt. Dazu wurden zunächst vorhandene Lösungen und Konzepte analysiert und miteinander verglichen.
Aus dieser Analyse wurde die Notwendigkeit einer Propagation der Netzwerktopologie ersichtlich. Deswegen wurde in der ersten Phase ein Verfahren entwickelt und implementiert, welches alle Knoten mit Informationen über die Netzwerkstruktur ausstattet und dazu ungenutzte Zeitschlitze des Clustering-Verfahrens verwendet.
Darauf aufbauend wurde ein Routing-Modul entwickelt, das Pakete von lokalen Anwendungen entgegennimmt, entsprechend den Topologiedaten Routen berechnet und die Datenpakete auf diesen Routen an seine Nachbarn verschickt, welche die Pakete weiterleiten.
Dieses Verfahren ohne Zustellungsgarantien wurde dann verwendet, um ein Reservierungsschema für Verbindungen zu entwickeln. Das sich daraus ergebende QoS-Protokoll bietet den Anwendungsprogrammen die Möglichkeit, Anforderungen an die Bandbreite und die maximale Länge der Pfade zu stellen. Die einzuhaltenden Latenzzeiten können implizit über die Pfadlänge festgelegt werden.
Der Verbindungsbau erfolgt nach einem optimistischen reaktiven Suchverfahren zuerst über die kürzeste Verbindung zum Ziel. Kann auf dieser Strecke die geforderte Bandbreite nicht zugesichert werden, so werden mit einer verteilten Backtracking-Suche nach und nach die nächstlängeren Pfade ausprobiert, bis die Anforderungen erfüllt werden können.
Dieses Reservierungsschema wurde zusammen mit einer Überwachungskomponente für bestehende Verbindungen in Form eines QoS-Moduls implementiert, das Best-Effort-Nachrichten zur Signalisierung verwendet.
Abschließend wurde die Funktionsfähigkeit der Topologie-Propagation, des Best-Effort-Routings und der Verbindungsreservierung mit Garantien in Simulationsexperimenten belegt. Es wurde gezeigt, dass die Übertragung der Topologie-Daten selbst unter hoher Netzwerklast und bei Knotenmobilität funktioniert und dass die Zustellung von Datenpaketen sowohl ohne Garantien (Best-Effort) als auch mit zugesicherten Eigenschaften (QoS) in unterschiedlichen Szenarien gelingt.
Die vorliegende Diplomarbeit gliedert sich wie Folgt:
Im zweiten Kapitel dieser Arbeit werden die Grundlagen für die Entwicklung eines QoS-Routing-Protokolls vorgestellt. Dazu wird die Funktionsweise mobiler Ad-Hoc-Netzwerke analysiert, existierende Routing- und QoS-Protokolle vorgestellt und schließlich das zu verwendende Clustering-Schema erläutert.
Kapitel 3 stellt die Entwicklung eines Propagationsschemas für Topologiedaten und eines darauf aufbauenden Routing-Verfahrens vor. Das hier entwickelte Routing-Verfahren bietet keine Garantien für die Paketübertragung, wird jedoch als Grundlage für ein Reservierungsschema benötigt.
Im vierten Kapitel wird unter Verwendung des Weltmodells und des Best-Effort-Verfahrens aus Kapitel 3 ein QoS-Routing-Protokoll aufgebaut, welches die Reservierung von Verbindungen erlaubt und die Einhaltung der Garantien überwacht.
Kapitel 5 gibt die Evaluierung der entwickelten Protokolle in einer Simulationsumgebung wieder. Den Abschluss bilden eine Zusammenfassung der Ergebnisse und ein Ausblick in Kapitel 6.