Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV)

Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV)

1_{Grupo de Teleinform´atica e Automac¸˜ao (GTA)}

Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) Rio de Janeiro – RJ – Brasil

carina@gta.ufrj.br

Abstract. A mobile ad hoc network needs dynamic routing protocols capable to operate in agreement with the specific characteristics of the network. This paper presents a study on one of the existing ad hoc routing protocols: Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV).

Resumo. Uma rede m´ovel ad hoc necessita de protocolos de roteamento dinˆamicos capazes de operar de acordo com as caracter´ısticas especificas da rede. O presente trabalho apresenta um estudo sobre um dos protocolos de roteamento ad hoc existentes: o Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV).

1. Introduc¸˜ao

Atualmente, presenciamos um acelerado crescimento nas ´area de redes locais sem-fio (WLANs - Wireless Local Area Networks). Essas redes permitem a mobilidade dos equipamentos, flexibilidade, diminuic¸˜ao de custos de infra-estrutura, instalac¸˜oes em ´areas de dif´ıcil cabeamento, maior confiabilidade e robustez, dentre outros. Todas estas carac-ter´ısticas permitem que a tecnologia m´ovel sem-fio oferec¸a aos usu´arios a possibilidade de acesso aos mesmos servic¸os a qualquer instante e de diferentes lugares.

As redes sem fio podem ser divididas em duas categorias: redes com e sem infra-estrutura. Em uma rede com infra-estrutura toda a comunicac¸˜ao entre os n´os m´oveis ocorre atrav´es de um ponto de acesso (AP). Mesmo pr´oximos uns dos outros, os n´os m´oveis n˜ao conseguem realizar qualquer tipo de comunicac¸˜ao direta. O AP representa a parte fixa da rede e serve como ponte para outras redes. As redes celulares s˜ao um exemplo de rede infra-estruturada.

Uma rede sem infra-estrutura, mais conhecida como rede ad hoc ou Mobile Ad hoc NETworks (MANET), corresponde a uma colec¸˜ao de n´os m´oveis sem-fio com a capacidade de auto-organizac¸˜ao em uma topologia arbitr´aria e tempor´aria na qual n˜ao existe um ponto de acesso que coordene a comunicac¸˜ao. Um n´o em uma rede ad hoc pode se comunicar diretamente com outros n´os que estiverem no seu alcance, ou seja, com n´os que sejam seus vizinhos. Caso a distˆancia entre a origem e o destino seja maior que o raio de cobertura, os n´os m´oveis agem como roteadores encaminhando pacotes de dados para outros n´os. Desta forma, uma rota entre esses dois n´os ´e estabelecida para que a comunicac¸˜ao fim-a-fim se torne poss´ıvel. Essas caracter´ısticas tornam as aplicac¸˜oes em redes ad hoc recomend´aveis para operac¸˜oes militares, trabalhos de emergˆencia em locais atingidos por grandes cat´astrofes, eventos que necessitam de instalac¸˜oes r´apidas, comunicac¸˜oes inter-grupos, dentre outras.

A topologia de uma rede ad hoc muda freq¨uentemente. Como os n´os m´oveis movimentam-se arbitrariamente, com diferentes velocidades e, geralmente, n˜ao con-seguem se comunicar diretamente, ´e preciso que as tabelas de roteamento sejam atu-alizadas de forma r´apida o suficiente para retratar a topologia da rede o mais pr´oximo poss´ıvel do atual. As limitac¸˜oes de banda passante e energia para que rotas entre n´os sejam descobertas e mantidas devem ser cuidadosamente controladas. Devido as suas pe-culiaridades, o roteamento em redes ad hoc n˜ao ´e realizado de maneira eficiente quando utilizados algoritmos de roteamento tradicionais de redes fisicamente conectadas.

O presente trabalho apresenta um estudo sobre um dos protocolos de roteamento para redes ad hoc mais citados na literatura: o Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV). O restante do trabalho est´a dividido da seguinte maneira. A Sec¸˜ao 2 discute a quest˜oes relativas ao roteamento em redes ad hoc. A Sec¸˜ao 3 apresenta as principais caracter´ısticas do AODV. Na Sec¸˜ao 4, 5 e 6 s˜ao discutidos os mecanismos relacionados `a descoberta e manutenc¸˜ao de rotas e ao estabelecimento do caminho reverso. Por fim, s˜ao apresentadas a conclus˜ao e a bibliografia.

2. Roteamento em Redes Ad Hoc

A func¸˜ao de um protocolo de roteamento ´e encontrar, estabelecer e manter rotas entre dois n´os que desejam se comunicar. No contexto de redes ad hoc, os protocolos de roteamento podem ser classificados como pr´o-ativos ou reativos.

Nos protocolos pr´o-ativos todo n´o da rede possui na sua tabela de roteamento as informac¸˜oes para todos os poss´ıveis destinos. A grande vantagem desses protocolos ´e o fato dos pacotes poderem ser enviados com um atraso m´ınimo j´a que os n´os con-hecem previamente as rotas. Por´em, ´e preciso que as redes possuam banda suficiente para evitar congestionamento e n˜ao possuam recursos escassos de energia, j´a que a troca de mensagens de roteamento ´e elevada para garantir o conhecimento de rotas v´alidas. O Op-timized Link State Routing (OLSR) e o Destination-Sequenced Distance-Vector (DSDV) s˜ao exemplos de protocolos pr´o-ativos.

Nos protocolos reativos uma rota s´o ´e determinada quando um n´o deseja enviar um pacote para outro n´o, ou seja, o protocolo atua sob demanda. Desta forma, os recursos como banda passante e energia podem ser utilizados de uma forma mais eficiente, pois s´o s˜ao gastos quando h´a necessidade de descoberta de rotas. A desvantagem desses pro-tocolos ´e o maior atraso no envio dos pacotes, pois se a rota do destino do pacote n˜ao for conhecida, o procedimento de descoberta de rota deve ser realizado. Como exemplos desses protocolos existem o Dynamic Source Routing (DSR) e o Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV).

3. AODV

O algoritmo de roteamento AODV foi projetado para uso em redes m´oveis ad hoc. Realiza tanto roteamento unicast, quanto roteamento multicast [1]. ´E um protocolo reativo que pode ser considerado basicamente uma combinac¸˜ao do DSR e do DSDV [2]. O AODV adota os mecanismos de descoberta e manutenc¸˜ao de rotas usados no DSR, mas ao inv´es de utilizar roteamento na origem confia no estabelecimento dinˆamico das entradas nas tabelas de roteamento dos n´os intermedi´arios [3]. Assim, ´e poss´ıvel evitar a sobrecarga da rede, principalmente em redes com muitos n´os, pois n˜ao ´e necess´ario que cada pacote

contenha todo o caminho da fonte at´e o destino. Do DSDV o AODV adota o conceito de n´umero de seq¨uˆencia do destinat´ario para manter a informac¸˜ao de roteamento mais recente entre n´os [3]. Por´em, diferente do DSDV, cada n´o ad hoc mant´em um contador de n´umero de seq¨uˆencia monotonicamente crescente que ´e usado para substituir rotas pas-sadas. O uso dessas t´ecnicas assegura um roteamento livre de loops e resolve o problema de contagem ao infinito t´ıpicos dos protocolos de vetor de distˆancia.

Como o algoritmo funciona sob demanda, s´o existe a necessidade de um n´o A conhecer uma rota para um n´o B quando a comunicac¸˜ao entre eles for necess´aria. Desta forma, evita-se o desperd´ıcio de banda e minimiza-se o uso de mem´oria e processamento nos n´os que atuam como roteadores. As rotas para destinos com os quais os n´os n˜ao estejam em comunicac¸˜ao ativa n˜ao s˜ao mantidas.

4. Descoberta de Rotas

No AODV, um processo de descoberta de rotas ´e realizado atrav´es da inundac¸˜ao de pa-cotes Route Requests (RREQ). Cada n´o possui dois contadores: um n´umero de seq¨uˆencia e um identificador de broadcast. Sempre que um n´o fonte deseja se comunicar com outro n´o para o qual ele ainda n˜ao possui uma entrada em sua tabela de roteamento, ele incre-menta o seu n´umero de seq¨uˆencia e inunda a rede com um RREQ.

O RREQ possui os seguintes campos: Enderec¸o da Fonte, N´umero de Seq¨uˆencia da Fonte, Identificador de Broadcast, Enderec¸o do Destino, N´umero de Seq¨uˆencia do Destino e Contador de Saltos (valor inicial igual `a zero). Juntos, os campos Enderec¸o da Fonte e Identificador de Broadcast identificam de forma exclusiva um RREQ. O Iden-tificador de Broadcast ´e um contador local mantido separadamente por cada n´o e incre-mentado sempre que um novo pacote RREQ ´e transmitido [5]. O N´umero de Seq¨uˆencia da Fonte ´e usado para manter as informac¸˜oes mais recentes do caminho reverso para a origem e o N´umero de Seq¨uˆencia do Destino especifica o qu˜ao recente uma rota para um destino deve estar antes de ser aceita pela origem.

Quando um n´o receber um pacote RREQ, o par (Enderec¸o de Origem, Identi-ficador de Broadcast) ´e verificado para saber se o n´o j´a havia recebido anteriormente alguma requisic¸˜ao com o mesmo Identificador de Broadcast e o mesmo enderec¸o de origem. Sendo uma duplicata, o RREQ redundante ´e descartado. Caso contr´ario, cada n´o que receber uma requisic¸˜ao pela primeira vez realiza determinadas ac¸˜oes dependendo das condic¸˜oes citadas abaixo:

• Se n˜ao for o destino e n˜ao possuir uma rota v´alida para alcanc¸ar o destino desej´avel, o n´o incrementa em uma unidade o Contador de Saltos e inunda seus vizinhos com o RREQ.

• Se for o pr´oprio destino ou se tiver armazenado em sua tabela de roteamento uma entrada ativa para o destino com o N´umero de Seq¨uˆencia do Destino maior ou igual ao N´umero de Seq¨uˆencia do Destino contido no pacote RREQ, ent˜ao o n´o envia ao vizinho que lhe enviou o RREQ (caminho reverso) um pacote Route Reply (RREP) em unicast formado pelos seguintes campos: Enderec¸o da Fonte, Enderec¸o do Destino, N´umero de Seq¨uˆencia do Destino, Contador de Saltos e Tempo de Vida da Rota.

Essa comparac¸˜ao entre os campos N´umero de Seq¨uˆencia do Destino ´e necess´aria, pois permite que o n´o fonte identifique o qu˜ao recente ´e a informac¸˜ao sobre a rota ar-mazenada na tabela de um n´o intermedi´ario. Desta forma, pode-se assegurar que as rotas mais atualizadas ser˜ao sempre as escolhidas.

Um n´o de origem pode iniciar a transmiss˜ao de dados assim que receber o primeiro RREP. Ao aprender uma rota melhor, o protocolo atualiza as informac¸˜oes de roteamento de forma transparente para a aplicac¸˜ao.

5. Caminho Reverso

Enquanto o pacote RREQ vai sendo inundado pela rede ad hoc, o caminho reverso ´e estabelecido de todos os n´os de volta para a fonte. Assim, no caso de um destino ser alcanc¸´avel, a rede tem as informac¸˜oes necess´arias para retornar a resposta at´e a fonte.

Para a formac¸˜ao do caminho reverso cada n´o que inunda a rede com um RREQ deve armazenar automaticamente o enderec¸o do vizinho de quem recebeu a primeira c´opia do RREQ, o n´umero de seq¨uˆencia da fonte e um tempo de expirac¸˜ao. Todas es-sas informac¸˜oes devem ser armazenadas em uma entrada relativa ao enderec¸o da fonte. O caminho reverso ´e mantido durante o tempo suficiente para que o RREQ atravesse a rede e produza uma resposta para o n´o fonte [3].

Todos os n´os no caminho reverso aprendem a rota para o destino como um sub-produto da descoberta de rota da origem [5]. Os n´os que n˜ao participaram do caminho reverso apagar˜ao a entrada da tabela de rotas inversas quando o tempo associado expirar.

6. Manutenc¸˜ao de Rotas

No AODV, se um n´o fonte se movimenta durante uma sess˜ao ativa, ele pode decidir entre reiniciar ou n˜ao um processo de descobrimento de rota para estabelecer um novo caminho at´e um destino [3]. Se o n´o fonte ainda tiver pacotes para transmitir ´e realizado um novo processo de descobrimento de rota. Por´em, se uma rota n˜ao ´e muito utilizada n˜ao h´a necessidade de uma inundac¸˜ao.

Quando a movimentac¸˜ao na rede ad hoc ´e realizada por n´os destinat´arios ou por n´os intermedi´arios pode ocorrer a quebra de um determinado enlace que estava sendo utilizado para realizar o roteamento de pacotes. A quebra do enlace tamb´em pode ocorrer quando um n´o ´e desativado.

Existem duas maneiras de um n´o atestar a informac¸˜ao de conectividade com seus vizinhos. A primeira forma ´e escutando pacotes broadcast que s˜ao enderec¸ados `a outros vizinhos. A segunda forma ´e enviando periodicamente por difus˜ao mensagens de hello com sua identidade, seu n´umero de seq¨uˆencia e um campo TTL (time-to-live com valor 1 para indicar que apenas os vizinhos recebem e atualizam sua informac¸˜ao de conectividade local) [1]. Todo n´o que receber uma mensagem de hello cria ou atualiza uma entrada na sua tabela de roteamento relativa ao vizinho que lhe enviou a mensagem. Se um hello n˜ao for recebido, considera-se que houve quebra de um enlace e que, portanto, houve alguma mudanc¸a na topologia da rede.

O n´o que detectou a falha tem a func¸˜ao de informar a todos os n´os que dependiam da conex˜ao sobre a quebra do enlace. Isso ´e poss´ıvel, pois os n´os predecessores s˜ao mantidos em cada entrada da tabela de roteamento, permitindo que o n´o fonte identifique

os n´os vizinhos que usam a entrada falha para rotear pacotes de dados [6]. Uma vez verificado na tabela de roteamento os destinos que utilizam o enlace, o n´o notifica a quebra do enlace enviando um pacote de erro (Route Error - RERR) aos n´os afetados. O n´o que recebe a notificac¸˜ao, por sua vez, encaminha o pacote RERR para todos os seus predecessores.

Tal procedimento age de forma efetiva fazendo com que todas as rotas que de-pendiam do enlace inativo sejam retiradas de todas as tabelas de roteamento da rede. O t´ermino desse processo ´e garantido por que o AODV mant´em somente rotas livres de loop e tamb´em devido ao n´umero de n´os nas rede ad hoc ser finito. Em contraste com o DSR, os pacotes RERR no AODV possuem a vantagem de informar a todos os n´os que usam um enlace quando uma falha ocorre [6].

7. Conclus˜ao

Em redes ad hoc de m´ultiplos saltos cada n´o age como um roteador encaminhando men-sagens para outros n´os. Um dos maiores desafios nesse tipo de rede ´e o desenvolvimento de protocolos de roteamento dinˆamicos que consigam de maneira eficiente encontrar ro-tas entre dois n´os comunicantes considerando o alto grau de mobilidade dos n´os que freq¨uentemente modifica a topologia da rede de forma dr´astica e imprevis´ıvel.

O AODV foi apresentado como um protocolo de roteamento dinˆamico para redes m´oveis ad hoc. Este protocolo caracteriza-se principalmente pela realizac¸˜ao de descoberta de rotas sob demanda, utilizac¸˜ao de tabelas de roteamento, ´unico encaminhamento de um pacote RREQ, armazenamento de uma rota por destino, utilizac¸˜ao de n´umeros de seq¨uˆencia, adoc¸˜ao de mecanismos que evitam loops e determinam as rotas mais atual-izadas.

Diversos trabalhos vˆem sendo propostos com melhorias para resolver os proble-mas do AODV, principalmente os referentes ao consumo de energia, a seguranc¸a e ao desempenho. Desta forma, o AODV ainda pode ser considerado um grande desafio na ´area de roteamento em redes m´oveis sem-fio.

8. Referˆencias

[1] Perkins, C. E.; Belding-Royer, E. M.; Das, S. R.; Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing, Request for Comments: 3561, rfc3561.txt, julho de 2003.

[2] Cordeiro, C. M.; Agrawal, D. P.; Mobile Ad hoc Networking, Tutorial/Short Course in 20 th Brazilian Symposium on Computer Networks, May 2002, pp. 125-186.

[3] Perkins, C. E.; Belding-Royer, E. M.; Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing. Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, New Orleans, LA, February 1999, pp. 90-100.

[4] AODV site, http://moment.cs.ucsb.edu/AODV/aodv.html. Acessado em 30 de julho de 2006.

[5] Tanenbaum, A. S.; Redes de Computadores. 4a Ed. Rio de Janeiro: Campus, 2003. [6] Perkins, C. E.; Belding-Royer, E. M.; Das, S. R.; Marina, M. K.; Performance Com-parison of Two On-Demand Routing Protocols for Ad Hoc Networks, IEEE Personal Communications, fevereiro de 2001.