Gezgin Ad Hoc Alar ve Yol Atama. Mobile Ad Hoc Networks and Routing ÖZET

Transkript

1 Gezgin Ad Hoc Alar ve Yol Atama Mobile Ad Hoc Networks and Routing ÖZET Gezgin ad hoc alar, sabit bir alt yapıyı gerektirmeyen, ortam koullarına hızla ve ön hazırlıksız kendi kendini uyarlayarak hizmet ettii uç birimler arasında iletiimi salayan dinamik varlıklardır. Bu özellikleri ile, bildirimizde açıklanan problemlere çözüm üreten teknolojiler gelitirildikçe, biliim pazarında daha çok uygulama alanı bulacaktır. ÖZGEÇM Müjdat Soytürk 1994 yılında Deniz Harp Okulu ndan mezun olduktan sonra 1999 yılında Boaziçi Üniversitesinde açılan Otomatik Bilgi lem Subay Temel Kursunu bitirdi..t.ü. Bilgisayar Mühendislii bölümünde 1999 yılında baladıı Yüksek Lisans eitimine halen devam etmektedir. lgi alanı telsiz bilgisayar alarıdır. ABSTRACT Ad hoc mobile networks are infrastructureless networks that can organize themselves according to dynamic environment changes to establish the communications between the end nodes without any preplanning. Because of these characteristics, new ad hoc applications are implemented eveyday as the technologies, which overcome ad hoc related problems that are discussed in this paper, evolve. Emre Harmancı 1970 yılında Paris Üniversitesinde doktora derecesini aldı..t.ü. nde 1975 yılında doçent, 1982 yılında profesör oldu..t.ü. nde çeitli idari görevlerde bulundu. Halen Bilgisayar Mühendislii Bölümü Bilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı Bakanıdır. Sanayide danımanlıkları vardır. Birçok meslek örgütü üyesidir. Uluslararası dergilerde ve uluslararası konferans kitaplarında yayınlanmı çok sayıda yayını vardır. lgi alanı bilgisayar aları ve bilgisayar mimarisidir. Erdal Çayırcı 1986 yılında Kara Harp Okulu ndan, 1989 yılında Royal Military Academy Sandhurst den mezun oldu yılında Otomatik Bilgi lem Subay Temel Kursunu bitirdikten sonra Orta Dou Teknik Üniversitesi Bilgisayar Mühendislii bölümünde balamı olduu yüksek lisans eitimini 1995 yılında tamamladı yılında Boaziçi Üniversitesi Bilgisayar Mühendislii bölümünde doktora derecesini aldı. lgi alanları telsiz bilgisayar aları, kiisel iletiim hizmetleri (PCS) ve muharebe modellemedir.

2 Gezgin Ad Hoc Alar ve Yol Atama 1. GR Gezgin kullanıcılara çoul ortam hizmetlerini sunmayı hedefleyen gezgin a teknolojileri, 1970 lerde ilk ortaya çıkılarından itibaren, biliim alanında giderek daha fazla ilgi çeken bir konu olmutur [23]. Telsiz eriimden yararlanan gezgin alar genellikle iki sınıfa ayrılarak incelenirler: sabit bir altyapıyı gerektiren hücresel alar ve sabit altyapıya ihtiyaç duymayan ad hoc alar. Hücresel alarda, gezgin uç düümleri sabit altyapıya ait bir eriim noktasına tek sekmeli (single-hop) telsiz ba (link) yoluyla eriirler [4]. Hiçbir sabit altyapının olmadıı, çok az sabit altyapının var olduu, ya da mevcut bir sabit altyapıya eriimin güçlükle yapıldıı bölgelerde, gezgin kullanıcılara, çoul ortam iletiim hizmetleri ad hoc alar sayesinde sunulabilir [1-5, 9, 13, 14, 17-20]. Ad hoc alar kendiliinden yapılanırlar, geni bir alana kolayca yayılırlar ve sabit bir altyapı kullanmazlar. Her yönde hareket edebilen ve kısıtlı imkanlara karın iletiimi sürdürmek için sürekli ibirlii yapan telsiz düümlerden oluurlar. Ad hoc alardaki düümler sabit olabildikleri gibi, çok yüksek hızla da hareket edebilirler [14]. Bu yeni a mimarisinin asıl amacı, sabit altyapılı gezgin alara göre, kullanıcılara daha fazla esneklik, hareketlilik salamak ve a yönetimini kolaylatırmaktır. Bu özellikler, hücresel alardaki bilinen fiziksel altyapı yerine, ad hoc düümler arasında dinamik iletiim omurgaları kurularak salanır. A, düümleriyle birlikte hareket eder. Düümler nereye giderse a da oraya gittii için, bir ad hoc aın kendisi de gezgindir. Uç düümler (end nodes) gerektiinde, baz istasyonu ve yönlendirici görevlerini de üstlenirler. Bu nedenlerle, bir ad hoc a, uyarlanabilir bir yönetim algoritmasına ihtiyaç duyan deiken yapılı bir varlıktır. Ad hoc aı dier gezgin mimarilerden ayıran temel özellik, düüm gezginliinin, a topolojisinin sürekli olarak yeniden yapılanmasına neden olmasıdır. Bir gezgin ad hoc a ortamında gönderim (transmission) menzili, teknik kısıtlar ve çevresel etkiler nedeniyle deiken ve sınırlıdır. Bu teknik kısıtlar ve etkiler; gönderim gücü, alıcı duyarlılıı, gürültü ve dier kanalların etkisi, yol-kaybı (path-loss), gölge yitimi (shadow fading), Raleigh yitimi (Raleigh fading), doppler kayması eklinde sıralanır. Bir ad hoc aın tasarımı için gerekenler, sabit altyapılı alara göre çok farklıdır. Düüm gezginlii, telsiz ortamda gönderimden kaynaklanan problemler ve güç tüketimi karılaılan en büyük zorluklardır. A ölçeklenebilirlii (scalability) de a tasarımında dier bir önemli sorundur. Ad hoc alarla ilgili temel özellikler u ekilde sıralanabilir: Aın denetimi, yönetimi ve yol atama için bir merkezi otorite yoktur. Tüm a elemanları bulundukları ortamda yönlerini sürekli deitirerek, hızla hareket edebilirler. Bütün iletiim (kullanıcı verisi ve denetim bilgileri) telsiz ortam üzerinden taınır. Hiçbir telli balantı yoktur. Telli ada kısıtlı olmayan enerji, bandgenilii, ilem kapasitesi ve bellek gibi özkaynaklar, ad hoc alarda kısıtlıdır ve özenle tüketilmelidir. Gezgin düümlerin her biri, gereinde yol atama gibi a fonksiyonlarını da yerine getirirler. Ad hoc alar, bazıları aaıda sıralanmı olan birçok farklı amaç için kullanılabilirler [1, 7, 8, 18]: Kurtarma görevlerinde: Sabit altyapılı aların kapsama alanlarının dıında (denizde, dada), Seferberlik gerektiren durumlarda: Sel, deprem gibi doal afetler ve sava nedeniyle mevcut iletiim altyapısının çalımadıı kriz zamanlarında, Yasal zorunluklar nedeniyle: Yasal sebeplerle sabit bir altyapının kurulmasının mümkün olmadıı yerlerde, Askeri (taktik) iletiimde: Harekat alanlarında, daha hızlı kurulabilen bir iletiim altyapısı salamak için, Ticari amaçlı olarak: Sergilerde, konferanslarda veya satı sunumlarında iletiimi salamak için, Hareketli platformlara takılı, akıllı algılayıcıları haberletirmek için. Bu bildiride, gezgin ad hoc a teknolojileri incelenecektir. kinci bölümde gezgin ad hoc alarının temel sorunları açıklandıktan sonra, üçüncü bölümde ad hoc yol atama teknikleri, dördüncü bölümde öbek-yapılı (cluster-based) yol atama teknii ele alınacaktır. Son bölüm sonuçlara ayrılmıtır. 2. AD HOC ALARDA KARILAILAN PROBLEMLER Ad hoc alardan beklenen ve yukarıda bahsedilen özellikler nedeniyle, sistem tasarımı her aamada zorlamaktadır. Fiziksel katman, MAC katmanı ve yol atama algoritmasının tasarım ve baarımıyla ilgili temel bir çeliki vardır. Kanal çatıması (interference), güç ve yol atama arasında etkili bir denge kurma problemi, sabit alt yapılı sistemlere göre daha farklı bir ekilde ad hoc aların mimari katmanlarını etkiler. Bildiride, fiziksel ve MAC katmanı ile yol atama, adresleme ve hareket yönetimini içeren a katmanının tasarımında karılaılan zorluklar ve mevcut sistem çözümleri ele alınacaktır. Fiziksel Katman Radyo alıcı-vericileri fiziksel katmanı olutururlar. Telsiz alarda iyi bir a balılıı (connectivity), belirlenen radyo alıcı-vericilerinin menziline balıdır. Telsiz alarda, bandgenilii ve güç çok kısıtlı olduu için, gönderim menzilinin belirlenmesinde, band genilii kullanımı ve gönderim gücü arasında bir uzlaı yapmak gerekir. Bir telsiz ad hoc ada, tüketilen enerjiyi azaltmak için, sinyaller düük güçte gönderilebilir. Böylece tüketilen enerji azaltıldıı gibi karıım da azalarak sistemin verimi arttırılmı olunur. Fakat bu yaklaımla sinyal menzili düer ve yol-kaybı (path-loss) gibi kanal etkileri artar. Tek sekmeyle (single hop) iletiim kuran düümler, çok sekmeli (multi hop) yollar üzerinden iletiim kurmak zorunda kalırlar. Böylece veri paketlerini göndermede toplamda daha fazla güç ve bandgenilii kullanılmı olur. Aynı zamanda ortalama yol uzunluunun artması, ba hata (link-failure) oranının artmasına neden olur [14]. Bu nedenle balılıı (connectivity) salayacak ve batarya gücünü ve bandgeniliini en uygun ekilde kullanacak bir gönderim menzili (transmission range) belirlenmelidir.

3 Fiziksel katmanda karılaılan 3 zorluk vardır. Bu zorlukların ilki olan telsiz ortam etkileri, ad hoc a sistem tasarımındaki en temel zorluktur. Anten tasarımı, iaret gönderim gücü, alıcı duyarlılıı, modülasyon yöntemleri, iaret ileme kullanımı, gönderim bandgenilii ve taıyıcı frekansı gibi kontrol edebildiimiz etkenler ve fiziksel engellerin varlıı ve düüm gezginlii gibi kontrol edemediimiz etkenler, telsiz baların kalitesine, bilgi taıma kapasitesine ve iaret menziline etki eder. aret yayılımını olumsuz etkileyen bu etkenlerin her biri, bir ad hoc düümün bilgiyi doru olarak gönderip almasında etkili olur. Buradaki zorluk, belirli bir menzil içerisinde çalıabilen sistem elemanlarının tasarımını etkili bir ekilde yapmaktır. Ad hoc a sistem tasarımındaki ikinci büyük fiziksel-katman zorluu enerji tüketimi ve batarya ömrü ile ilgilidir. Bu konular dier telsiz sistemlerde de dikkat edilmesi gereken bir tasarım etkenidir, fakat ad hoc alarda sabit bir alt yapı kullanılmadıı için daha çok dikkat edilmesi gerekir. Bu sorunu çözmek için iki türlü yaklaım vardır: birincisi daha güçlü batarya üretmek ve ikincisi de mevcut bataryaları daha etkili kullanmaktır. Bataryaları daha etkili kullanmak için protokoller, kanal eriimlerini iyiletirmeli ve gereksiz gönderimleri engelleyerek enerji tüketimlerini azaltmalıdırlar. Daha iyi bir çözüm ise, güç ekonomisine-dayalı yol atama yöntemleri gelitirmektir. Fiziksel katmanda karılaılan son zorluk da düümlerin gezginliinden kaynaklanmaktadır. Sürekli deien ortamda fiziksel katman parametreleride deiecektir. Fiziksel katman, parametrelerini deien ortama uyarlamak için, düümlerin hareket ve yer bilgilerine ihtiyaç duyar. Bu hareket ve yer bilgilerinin üst katman varlıklarına aktarılırsa, yol atama algoritmalarının daha iyi bir yol bulması salanır ve yol atama protokollerinin etkinlii artar[4, 14]. Fakat hareket ve yer bilgilerini salama, çok düümlü olan ve bütün düümleri gezgin olan bir ada zorluklar içerir. MAC Katman Bir ortak gönderim ortamındaki (shared transmission medium) en temel sorun, iletiim kanalına eriimin, adil ve etkili bir ekilde denetiminin yapılmasıdır. Ortam-eriim-denetimi (Medium-Access-Control) bu ilevi salar. Telsiz alarda bandgeniliinin çok kısıtlı olması nedeniyle özenle tüketilmesi gerektiinden, ortama eriimde çok iyi bir çoklueriim (multiple-access) teknii seçilmelidir. Telsiz alarda kullanılan çoklu eriim teknikleri çatımasız (conflict-free) ve çatımalı (contention-based) olarak iki sınıfa ayrılmaktadır. Çatımasız teknikler, gönderimlerin baka gönderimlerle karımayacaını (interfere) garanti eden tekniklerdir. Çatımasız gönderim tekniinde kanal, kullanıcılara, sabit ya da dinamik olarak tahsis edilir. Sabit çatımasız tekniklerde, kanal, herhangi bir çatımaya neden olmadan kullanıcılara; zaman tabanlı, frekans tabanlı ve kod (code) tabanlı tahsis yöntemlerinden biri seçilerek atanır. Kullanıcılar, kendilerine tahsis edilen kaynakları sisteme iade edinceye kadar baka bir kullanıcı ile paylamadan kullanırlar. Sabit çatımasız tekniklerin tersine, deiken çatımasız teknikler kaynakları kullanıcılara ihtiyaç halinde geçici süre ile atar. Böylece kaynakları sadece ihtiyacı olanlar kullanmı olur. Çatımalı tekniklerde gönderimlerin baarısız olma ihtimali vardır. Bu nedenle bu teknikler, çatıma olması halinde bunu çözümleyecek/düzeltecek ve gönderilmek istenen verinin baarıyla gönderimini salayacak bazı yöntemler içerir. Bu çözümleme yöntemlerine göre çatımalı teknikler, sabit çatımalı teknikler ve deiken çatımalı teknikler olarak ikiye ayrılır. Bir sabit çatıma çözümleme tekniinde kullanılan yöntemler, sistemin dinamikliinden etkilenmez. Çatımayı önlemek için öncelik veya olasılıksal deerler kullanır. Deiken çatıma çözümleme tekniide, sistemdeki deiiklikleri takip ederek çatımaları çözümlemeye çalıır. Günümüz gezgin iletiim sistemlerinde daha çok sabit çatımasız kanal ayırma teknikleri (Frekans Bölmeli Çoklu Eriim - FDMA, Zaman Bölmeli Çoklu Eriim - TDMA, Kod Bölmeli Çoklu Eriim - CDMA) ve kaynak ayırmaya dayalı (reservation based) deiken çatımasız kanal atama teknikleri (Paket Ayırmalı Çoklu Eriim - PRMA, Deiken-TDMA - D- TDMA, Kaynak Alımlı Çoklu Eriim - RAMA) kullanılmaktadır [4]. Sabit kanal ayırma yöntemleri, bandgeniliinin kısıtlı olması nedeniyle gezgin ad hoc alar için uygun deildir. Gezgin ad hoc alar için, bandgeniliini daha etkin kullanan ve hız ve eriim gecikmesi bakımından hizmet kalitesi (QoS) garantisi salayan dinamik kanal ayırma yöntemleri uygundur [14]. Telsiz alarda, eriim ortamının aynı anda paylaılması nedeniyle MAC katmanında karıım (interference) olayları oluur. Birincil karıım ve ikincil karıım olarak sınıflandırılan iki türlü karıım vardır. Birincil karıım, aynı düüme farklı iki göndericiden aynı anda veri gönderilmesiyle veya bir düümün aynı anda hem alma hem gönderme ilemi yapmasıyla olur. ki tip birincil karıım vardır. Birincil karıımın ilk tipini açıklamak için, A ve B eklinde birbirlerinin gönderim mesafesinde olan iki düüm olsun (ekil A). Bu durumda A ve B aynı anda birbirlerine gönderime balarlarsa, o zaman her iki düümünde aynı anda alması ve göndermesi beklenir. r a A r i : eriim menzili yarıçapı ekil A Birincil karıım -I r b B Saklı uç düüm problemi (hidden terminal problem) olarak da bilinen ikinci tip birincil karıımı, A, B ve C eklinde üç düüm ile açıklayabiliriz (ekil B). B nin hem A nın hem de r a A B r i : eriim menzili yarıçapı ekil B Birincil karıım II (saklı uç düüm problemi). C r c

4 C nin gönderim mesafesinde olduunu, fakat A ve C nin birbirlerinin gönderimlerini duymadıını varsayalım. Bu durumda A ve C, birbirlerine göre saklı uç düümlerdir. Eer A ve C aynı anda B ye gönderime balarsa, her iki düümde, kendi gönderimlerini B nin almasını bekler. Fakat B, aynı anda iki alma ilemi yapamayacaından B de çatıma oluur. A ve C, bu çatımayı önceden hissedemeyeceinden çatıma olduunu anlayana kadar gönderimlerine devam eder. kincil karıım, bir komu düümün gönderdii sinyallerin, o anda bir gönderici ve alıcı iki düüm arasında yapılmakta olan iletiimi istemeden karıtırmasıyla olur. kincil karıımı, C nin gönderimlerini alabilecek bir menzilde fakat B yi duyamayacak bir mesafede olan dördüncü bir düüm D ile açıklayabiliriz. r a r c (multi-hop) olarak yapılır. Uç-noktalar (end-points) arasındaki yollar (route), gezgin düümlerin ibirliiyle salanır. Bütün balar telsizdir ve aradaki düümler bulunduu ortamda rastgele hareket edebilir. Aynı zamanda, (düüm hareketlilii, çevresel ve fiziksel etkenler nedeniyle) kullanılan yolların bozulan kısımları onarılarak veya alternatif bir yol (route) bulunarak iletiimin devamı salanmalıdır [14]. Bu koullar altında, telsiz ad hoc ada yol atama problemi, verimlilik 1 (efficiency) ve yanıtlama 2 (responsiveness) arasında zor bir uzlaı sonrasında salanır. Ad hoc alarda sürekli olan topoloji deiiklii aırı yüke neden olur. Aynı zamanda düüm hareketlilii ve ba kalitesindeki deiiklie göre de aı hızlı bir ekilde uyarlamak gerekir. Problem bu ikisi arasındaki dengeyi salamaktır. Aırı yük, bandgeniliinin kullanımı, güç tüketimi ve gezgin düümlerin ilem ihtiyaçları ile ölçülür. Bu çatıan ihtiyaçları etkili bir ekilde dengeleyen bir strateji oluturmak, yol atama zorluunun temelini oluturur [14, 23]. A B C D 3. GEZGN AD HOC ALARDA YOL ATAMA r i : eriim menzili yarıçapı ekil C kincil karıım (örnek-1). lk örneimizde (ekil C), A ve C nin birbirlerinin gönderim mesafesinde olmadıını ve A nın B ile, C nin de D ile iletiimde olduunu varsayalım. B, hem A nın hem de C nin gönderim mesafesinde olduundan, C, B ye herhangi bir paket göndermeyecek olmasına ramen A nın gönderimleriyle B de karıacaktır. Gezgin alar için tasarlanan ilk yol atama teknikleri, sabit alarda kullanılan yol atama tekniklerinin, gezgin alara uyarlamalarıdır. Sabit alarda kullanılan yol atama algoritmaları bu ortamlar için tasarlandıından, deiken ortamlarda iyi sonuç vermez [20]. Aın deikenlii arttıkça, yol atamanın getirdii ilem yükü aırı artar. Eer bu aırı yüklenme önlenmezse, a özkaynakları hızla tükenir veya kullanılmaz hale gelir. Bu nedenlerle, bu tekniklerin yetersiz kalmasıyla, gezgin alar için yeni teknikler önerilmitir. Bu teknikleri açıklamadan önce, genelde yol atama protokollerini gözden geçirmek yararlı olacaktır. Yol atama protokollerini yapılarına göre, yatay (flat routed) yol atama ve hiyerarik yol atama olarak ikiye ayrılabilir: r a r c Yatay (Flat-Routed) Yol Atama A B ekil D kincil karıım (etki altındaki uç düüm problemi) (örnek-2). Etki altındaki uç düüm problemi (exposed terminal problem) olarak bilinen ikinci örneimizde (ekil D), B nin A ya veri göndermeye baladıını ve bu gönderim süresinde, C nin D ye gönderecek verisi olduunu varsayalım. C, B nin gönderimlerini duyacak ve D de hiçbir çatıma olmayacak olmasına ramen D ye olan gönderimlerini geciktirecektir. Bu durumda C, B ye göre etki altındaki uç düümdür. C r i : eriim menzili yarıçapı D Bir yatay yol atama algoritmasında, her düüm, adaki dier bütün düümlere giden yol bilgilerinin bulunduu bir yol atama tablosu tutar. Eer adaki düüm sayısı az ise, tablo büyüklüü kabul edilebilir düzeyde kalır, ancak adaki düüm sayısı arttıında tablolar büyür. Yol atamanın getirdii iletiim yükü ve ilem süresi önemli ölçüde artar. Tablo ilem süresi ve güncelleme, aa aırı bir yük getirir. Bu nedenle, yatay yol atama algoritmaları, büyük alar için kabul edilebilir sonuçlar vermez. Yatay yol atama tekniiyle, gezgin ad hoc alarda yol atamayı desteklemek için birçok protokol önerilmitir. Yol Atama (Routing) Bir ad hoc a, birlikte çalıan gezgin düümlerin birleimidir [19]. Bu düümler gönderim menzili, bandgenilii ve güçteki bazı kısıtlamalar altında telsiz iletiimi salarlar. Eten-ee (peer-to-peer) iletiimler, özel yönlendiriciler kullanılmadan ve tek-sekmeli (single-hop) (daha fazla güç harcamayla sinyal menzilini büyüterek) iletiim ihtiyacı domadan çok-sekmeli ekil E Bir yatay yol atamalı ad hoc a. 1 Verimlilik : a özkaynaklarını ekonomik ve etkili kullanma 2 Yanıtlama : topoloji deiikliklerine hızlı ve doru olarak tepki gösterme

5 Hiyerarik Yol atama Büyük alarda, ölçeklenebilir yöntem olarak hiyerarik yol atama kullanılır. Hiyerarik yol atamanın balıca avantajı, yol atama tablolarının büyüklüünü dolayısıyla yol atamadaki ilem yükünü önemli ölçüde azaltmasıdır. Bir a, uç düümler (end-point) ve anahtarlardan (switch) oluur. Anahtarlar (switch) yol atama ilevini gerçekletirir. Haberleen varlıklar uç düümlerdir ve gereinde her uç düüm, anahtar görevini üstlenerek, komuları için yol atama ilemini gerçekletirir. Hiyerarik ada uç düümler, protokolün en alt düzeyini olutururlar. Yakın uç düümler bir öbek (cluster) oluturur ve kendilerinden birini öbek-baı (cluster-head) olarak seçer. Öbek baları, o öbek için anahtar (switch) görevini yürütür. Öbek baları (anahtarlar) bir üst düzeyde öbek oluturarak ve kendi arasından bir öbek baı seçerek hiyerarik yapının bir üst düzeyini olutururlar (ekil F). ekil F Bir fiziksel / sanal hiyerarik ad hoc a. Her düzeydeki öbein üyeleri, sadece kendi öbeklerindeki düümlerin bilgilerini tutarlar. Dier öbeklerdeki düümlere ulama, aynı zamanda bir üst düzeydeki öbein bir elemanı olan öbek-baı üzerinden olur. Böylece yolatama tabloları küçülmü ve ada yol bulma ilem yükü azalmı olur. Ancak, bu teknikle seçilen yol her zaman optimal olmayacaktır. Ad Hoc Alar çin Yol Atama Teknikleri Sabit alt yapılı alarda kullanılan yol atama protokolleri, yol atama bilgilerini güncel tutmak ve yol atamada döngü olumasını önlemek için, düümler arası bilgi paylaımına ve / veya düüm bilgilerinin global takınlarla (flooding) tüm aa yayılmasına ihtiyaç duyar. Bu tekniklerin uygulandıı yol atama protokolleri, aın aırı yüklenmesine ve düümlerdeki ilem zamanının artmasına neden olur. Ayrıca bu teknikler, bandgeniliinin yeterli olduu ve a balarının sabit olduu ortamlar için çok uygundur. Bu tekniklerin etkinlii ad hoc aların yol atama ihtiyaçlarını karılamaz. Ad hoc alar için verimlilik (efficiency) ve yanıtlama (responsiveness) özellikleri arasında daha etkili bir denge kurabilecek yeni yol atama stratejilerine ihtiyaç duyulur [14, 23]. Ad hoc alar için gelitirilen yol atama protokolleri aaıda sınıflandırılmıtır: Tabloya-Dayalı (proactive) Yol Atama : bütün eriilebilen a varılarına (destination) sürekli olarak yol (route) salayan bir stratejidir. stekle-tetiklenen (reactive) Yol Atama : yolların (route) sadece iletiim isteinde salandıı ve korunduu bir stratejidir. Bu yaklaım yeni yollar oluturmak ve topoloji deiikliklerine göre yolları korumak için yöntemlere ihtiyaç duyar. Hibrid yol atama: önceden belirlenen kriterlere veya deien a topolojisine göre tabloya-dayalı ya da istekletetiklenen yol atama tekniklerinden birini seçerek kullanan bir stratejidir. Gelitirilen bu stratejilerin büyük bir çounluu, yatay yol atama tekniini kullanmaktadır. Yol atama protokollerinin performansını etkileyen parametreleri belirtecek olursak bunlar a büyüklüü, a balılıı (connectivity), topolojik deime sıklıı, ba kalitesi (link quality), tekyönlü baların oranı, trafik yöntemleri ve hareketliliktir. Tabloya-Dayalı Yol Atama Protokolleri Tabloya-dayalı yol atama teknikleri, genelde, sabit alt yapılı alarda kullanılan tekniklerin gezgin alara uyarlamalarıdır. Tabloya-dayalı yol atama protokolleri, yol atama bilgilerini a içerisinde periyodik olarak yayarak bütün varılara yolları (path) önceden hesaplarlar. Bütün varılara yol ihtiyacı olmasa bile veya baka bir düümün yolu üzerinde bulunulmasa bile, her düüm, bütün varılara önceden hesaplanmı bir yol atama bilgisi tutar. Bu yol atama bilgileri bir veya birkaç tabloda tutulduundan tabloya-dayalı yol atama olarak anılır. Bu tablolar, a topolojisinde bir deiiklik olduunda, periyodik olarak gönderilen mesajlar veya güncelleme mesajlarıyla güncellenir. Bu tip bir yaklaım, sabit topolojisi olan alarda yüksek kaliteli yollar salamasına ramen, çok deiken büyük alar için iyi sonuç vermez [8, 23]. Telsiz ad hoc alar için gelitirilmi olan tabloya-dayalı yol atama algoritmalarının en önemlileri aaıda sıralanmıtır: Varı-Sıralı Uzaklık-Vektörü Algoritması (Destination- Seguenced Distance-Vector Algorithm), DSDV [20]. Telsiz Yol Atama Protokolu (Wireless Routing Protocol), WRP [15]. Global Durum Yol Ataması (Global State Routing), GSR [3]. Balıkgözü Durum Yol Atama Algoritması (Fisheye State Routing Algorithm), FSR [8]. Hiyerarik Durum Yol Ataması (Hierarchical State Routing), HSR [8, 18]. Öbek Geçitleri Üzerinden Yol Atama (Cluster Gateway Switching Routing), CGSR [23]. stekle-tetiklenen Yol Atama Protokolleri Sabit alt yapılı alarda kullanılan tekniklerin çeitli ekilde uyarlaması olan tabloya-dayalı yol atama algoritmalarındaki olumsuzlukları gidermek için, istekle-tetiklenen yol atama algoritmaları gelitirilmitir. Yeni bir sınıf yol atama algoritması olan istekle-tetiklenen yol atama, verimlilik (efficiency) ve yanıtlama (responsiveness) arasında daha iyi bir denge kurmak için tasarlanmıtır. stekletetiklenen yol atama algoritmalarında, düümler ve yollar ile ilgili önceden hesaplanmı bilgiler tutulmaz. Yol atama ilemi ihtiyaç duyulduunda yapılır ve bu yol hakkındaki bilgiler de sadece yol kullanıldıı sürece tutulur. Üç kısımdan oluur; yol arama (path search), bulunan yolu koruma (route maintenance) ve yol bilgilerini silme (erasing) [10, 13, 22, 23].

6 letiim ihtiyacı olutuunda, kaynaktan varıa doru bir yol bulma ilemi balatılır. Yol bulunduunda da topoloji deiikliine karı yolu iletiim süresince korur. letiim bittiinde yol iptal edilir. Bu teknik sayesinde yol atama algoritmasının ilemleri azalır ve yol atama algoritması topoloji deiikliklerine daha hızla uyum salar. Ayrıca verilerin ilenmesinde ve gönderilmesinde daha az a özkaynakları kullanılmı olur. stekle-tetiklenen yol atama stratejisinde yollar, bir sorgu-yanıt ilemi ile salanır [13, 22]. Bu i, yönlendirilmi yayın (directed broadcast) denilen kontrollü takın (flooding) ile yapılır. Bu ilemde bir sorgu veya istek paketi, varıa doru olan birkaç yol üzerinden gönderilir. Arama ilemi kaynak düümden varıa doru bir veya birkaç yolu dinamik olarak oluturur. Bu strateji yol atama bilgilerinin tutulacaı varıların sayısını azaltır ve aynı zamanda da yol atama için gerekli olan denetim trafii de azalır. Böylece tablo küçülür ve a yükü azalır. Bu yaklaımın da olumsuz yanları vardır. Bunlar yol arama ilemi esnasındaki gecikme olasılıı, uzaktaki düümlere erimek için gereken denetim trafiinin büyüklüü ve yol kalitesinin düük olmasıdır. Ayrıca, yol arama ilemi sırasında yol sorgusu, bütün a boyunca yayılmaktadır. Son olarak da, istekle-tetiklenen birçok yol atama stratejisi, optimal yolları bulmaz ve bu strateji ile bulunan yollar, her topoloji deiikliinde daha az optimal olur. Telsiz ad hoc alar için gelitirilmi olan istekle-tetiklenen yol atama algoritmalarının en önemlileri aaıda sıralanmıtır: Gafni Bertsekas (GB) Protokolu [14]. Deiken Kaynak Yol Atama Protokolu (Dynamic Source Routing), DSR [9]. Ad Hoc stekle-tetiklenen Uzaklık Vektör Protokolu (Ad Hoc On-Demand Distance Vector), AODV [19]. Geçici Sıralı Yol Atama Algoritması (Temporarily Ordered Routing Algorithm), TORA [16]. likiye Dayalı Yol Atama (Associavity Based Routing), ABR [24]. Iaret Dengesine Dayalı Yol Atama (Signal Stability Based Routing), SSR [5]. Her iki stratejinin birbirlerine göre olumlu ve olumsuz yanları vardır. Tabloya-dayalı yol atama stratejisinin istekle-tetiklenen yol atama stratejisine göre en önemli olumlu yanı istekletetiklenen yol bulma ilemindeki aırı yük ve belirsizliklerin olmamasıdır. Tabloya-dayalı stratejide, istenilen yol, tutulan yol-atama tablolarından bakılarak bulunduundan, gecikme ve ilem younluu olmaz. stekle-tetiklenen protokoller, en iyi (optimal) yol yerine varıa giden herhangi bir yol bulur (bir çok istekle-tetiklenen protokol bulunan ilk yolu seçer) ve kullanılan yol zamanla daha az optimal olur. Buna karın tabloya-dayalı protokoller genellikle en kısa yolu bulur. Tabloya-dayalı yol atama protokollerinin de istekle-tetiklenen protokollere göre birçok olumsuz yanı vardır. stekletetiklenen yol atama protokollerinin ortaya çıkıı da bu olumsuzluklar nedeniyle olmu ve tabloya dayalı protokollere göre daha kabul edilebilir sonuçlar vermitir. Bununla beraber istekle-tetiklenen yol atama algoritmaları ile ilgili yukarıda belirttiimiz problemler giderilmelidir, çünkü etkili yol bulma ve topolojik deiikliklere olan tepkimeyi azaltma, ad hoc alarda yol atamanın etkinliini arttırmak için çok önemlidir. Bunu salt istekle-tetiklenen protokol ile baarmak çok zordur. Yol atama ileminin etkinliini arttıracak ve deiken ortamlar için yol koruma ilemini baarıyla yapabilecek daha gelimi tekniklere ihtiyaç vardır. Hibrid Yol Atama Her iki teknik de belirli koullarda olumlu yanları olmasına karın dier koullarda iyi sonuçlar vermemektedir. Hangi tekniin daha iyi olduu aın büyüklüü, düümlerin hareketlilik özellikleri, düümler arasındaki trafik daılımı, yol arama ileminin etkinlii, bozulan yolların düzeltilme hızı ve uzak eriim sorunları gibi etkenlere balıdır. Bu çatıan ve çok sayıdaki deiken etkenler nedeniyle hiçbir strateji optimal çözüm vermez ve hiçbir strateji bütün koullar için tek baına yeterli deildir. Bunun sonucunda hibrid bir yaklaım gerekmitir. Tabloya-dayalı yol atama teknii büyük ve gezgin alar için iyi sonuçlar vermediinden, bu tekniin uygulandıı alanı küçülttüümüzde, onun avantajlarından faydalanabiliriz. ki tekniin beraber kullandıımızda da, tabloya dayalı yol atama algoritmalarındaki ilem yükü ile özkaynak kullanımı ve istekle tetiklenen yolatama algoritmasında yol arama (route search) ilemindeki gecikme azalır. Salt istekle tetiklenen yolatama algoritmasına göre daha optimal bir yol bulunur. Böylece her iki tekniin olumsuzluklarını büyük ölçüde gidererek olumlu yanlarından aynı anda faydalanabiliriz. Her iki stratejide, yol bulma politikası, yol atama ölçütleri ve koruma algoritmalarıyla birbirlerinden çok farklı olmasına ramen, bu ilem, aın bölünerek, aın farklı fiziksel ve mantıksal alanlarında ve zamanın farklı dilimlerinde bu iki yol atama tekniinden biri uygulanarak yapılır. Böylece, yukarıda belirtilen etkenlerin yol atama algoritması üzerindeki olumsuz etkileri azaltılmı olunur. Ayrıca farklı zamanda, farklı alanlarda farklı yol atama algoritmalarının uygulanmasıyla, yol atama görevi bölünmü ve tek bir algoritmaya göre daha iyi bir denge salanmı olunur. 4. ÖBEK-YAPILI (CLUSTER-BASED) YOL ATAMA Buraya kadar, gezgin ad hoc alar için birçok yol atama teknii tanıtıldı. Bütün bu teknikler düüm hareketliliinden veya a büyüklüünden olumsuz olarak etkilenmekte ve ihtiyaçların hepsini karılamamaktadır. Ad hoc alar için tasarlanan tabloya dayalı yol atama tekniinin temelinde sabit alarda kullanılan yol atama teknii olduu için, bu teknik, düüm hareketliliinin az olduu küçük alarda iyi sonuçlar vermektedir. Düümlerin sayısı arttıında tutulan yol atama tablolarının büyüklüüde artacaktır. Düümlerin hareketlilii arttıında da süreklilik gösteren topoloji deiikliine karı tabloları güncellemek için gönderilen güncelleme mesajlarıyla a megul edilecek ve yapılan ilem miktarı artacaktır. Bu nedenle tabloya-dayalı yol atama teknii hareketli ve büyük alar için uygun deildir. Sadece aktif yollar için tablo tutarak ve sadece düüm hareketliliinden etkilenen aktif yollar için tablolarda güncelleme yaparak özkaynak kullanımını en aza indiren istekle-tetiklenen yol atama teknikleri gezgin ad hoc alar için daha uygundur. stekle-tetiklenen yol atama teknikleri, düüm sayısının az olduu gezgin alarda iyi sonuçlar vermesine ramen, a büyüdüünde sonuçlarda kötülemektedir. Büyük alar için uygulanacak en iyi yöntem hiyerarik yapıdır. Hiyerarik yapıyla a daha ufak görünecek ve daha küçük yol atama tabloları tutulacaktır. Hiyerarik yapılı bir ada en az iki düzey vardır. En alt düzey, gerçek düümlerden meydana gelen öbeklerden olumu olup, dier düzeyler

7 seçilen öbek balarının meydana getirdii sanal öbeklerden oluan sanal düzeylerdir. Farklı öbeklerdeki düümler arasındaki iletiimler öbek baları üzerinden sanal düzeyler kullanılarak yapılır. Hiyerarik yapı büyük alar için iyi sonuçlar vermesine karın düüm gezginliinden olumsuz etkilenmektedir. Düüm hareketliliinden dolayı düümler arasındaki baların ömrü kısalacaından, en alt düzeyde oluturulan öbeklerin üyelikleride sürekli olarak deiecektir. Bu da, hiyerarik yapının en üst düzeyine kadar giden ilemler yükünün olumasına neden olmakta ve birçok karıık hesaplamaları gerektirmektedir. Hiyerarik yapıdaki düzeyler en az sayıda tutulursa, hiyerarik yapının olumsuzlukları önemli ölçüde giderilebilir. En alt düzeyde de düümlerin karakteristiklerine göre uygun öbeklerin oluturulmasıyla, hem tabloya-dayalı / istekletetiklenenen yol atamanın hem de hiyerarik yol atamanın avantajlarından faydalanan hibrid bir yol atama teknii uygulanabilir. Böyle bir yapıda öbek-yapılı yol atamadır. Bir öbek-yapılı (cluster-based) ad hoc ada, daha dengeli ve etkili bir topoloji salamak maksadıyla, tüm a, dinamik olarak öbek (cluster) adı verilen parçalara bölünür. Böylece ad hoc alarda önemli bir etken olan ölçeklenebilirlik (scalability) problemi önemli ölçüde giderilir. Ayrıca öbekler, tabloya-dayalı ve istekle-tetiklenen yol atama arasında geçiide salayarak yol atama için avantajlar salar. Düümlerin gezginlii nedeniyle her öbein üyelii ve karakteristii zaman içinde deiebilir. Bu ilem öbek oluturma (clustering) algoritması ile salanır. Ad hoc alarda öbek oluturma, hiyerarik yol atamayı desteklemek, istekletetiklenen protokoller için yol arama ilemini daha etkin hale getirmek, farklı alanlarda (domain) ve farklı hiyerarik düzeylerde çalıan farklı yol atama stratejileri için hibrid yol atamayı desteklemek, gönderim bandgeniliine eriimde daha fazla denetim salamak için kullanılır. Sabit bir ada oluturulan öbekteki düümlerde sabit kalır. Fakat bir ad hoc ada düüm gezginlii nedeniyle balılık (connectivity) ve düümler arasındaki iliki sürekli deieceinden öbeklerde dinamik olarak oluturulmalıdır. Ad hoc alar için gelitirilen öbek-yapılı algoritmalar aaıdadır: k-öbek-yapılı Algoritması (k-cluster-based Algorithm) [12], Gezgin Telsiz Alar için Uyarlanabilir Öbek Oluturma (Adaptive Clustering for Mobile Wireless Networks) [6, 14], Minimum Balı Baskın Kümeleri Kullanarak Yol Atama (Routing Using Minimum Connected Dominating Sets (Spine)) [14], Telsiz A Sistemleri için Multimedya Destei (Multimedia Support for Wireless Network Systems), MMWN [21], Sanal Alta Yol Ataması (Virtual Subnet Routing), VSN [14], Bölge Yol Atama Protokolu (Zone Routing Protocol), ZRP [7], MANET Öbek-Yapılı Yol Atama, (MANET Cluster Based Routing), CBR [8]. Öbek oluturma ve dinamik hiyerarik yol atama çok karıık ve ad hoc aa çok yük bindiriyor gibi gözüksede hibrid yol atama sayesinde tabloya-dayalı ve istekle-tetiklenen yol atamanın avantajlarıyla etkili hale gelir. Önerilen yukarıdaki öbek-yapılı yol atama protokollerinin bazıları sadece tabloya-dayalı yol atama tekniini, bazıları da hiyerarik yada yatay yapılı hibrid teknikleri kullanmaktadır. Salt tabloya-dayalı yol atama tekniini kullanan öbek yapılı yol atama protokollerinde bu tekniin olumsuzlukları görülmektedir. Hibrid yaklaımın ve hiyerarik yapının avantajlarından faydalanmak ve tek bir yol atama tekniine göre daha iyi bir performans salamak için, öbekler içinde ve öbekler arasında farklı yol atama teknikleri uygulanmalıdır. Yol atama tekniklerinin seçimi, oluturulan öbeklerin sayısına ve öbeklerdeki düümlerin miktarlarına göre belirlenebilir. Öbekler küçük olduunda, öbeklerdeki düüm sayısı az olacak, buna karılık öbeklerin sayısı artacaktır. Böyle bir durumda, öbekler içinde tabloya dayalı yol atama tekniini, öbekler arasında da istekle-tetiklenen yol atama tekniini kullanan bir hibrid yapı kullanılmalıdır. Öbekler büyük olduunda da, öbeklerdeki düüm sayıları artacak, buna karılık öbeklerin sayısı azalacaktır. Böyle bir durumda da, öbekler içinde istekle-tetiklenen yol atama tekniini, öbekler arasında da tabloya dayalı yol atama tekniini kullanan bir hibrid yapı kullanılmalıdır. Burada ortaya çıkan sorun, öbein büyüklüünün ne kadar olacaının belirlenmesidir. Bu sorun da, öbek büyüklüünü, öbekte bulunan düümlerin hareketlilik karakteristiklerine göre dinamik olarak belirleyen uyarlanabilir bir yapıyla giderilebilir. Bugüne kadar gezgin ad hoc alar için birçok yol atama teknii gelitirilmitir. Bu tekniklerin uygulandıı protokoller, gezgin ad hoc aların karakteristikleri ve özkaynaklardaki kısıtlar nedeniyle, verimlilik (efficiency), yanıtlama (responsiveness), ölçeklenebilirlik (scalability) ve optimallik arasında çetin bir uzlaıya neden olmutur. Bu uzlaıyı mevcut protokoller ile en iyi ekilde, hibrid ve hiyerarik bir yaklaım olan öbek-yapılı yol atama stratejileri salamaktadır. Gelien teknoloji ile birlikte kullanıcı ihtiyaçlarıda çeitlenmekte ve artmaktadır. Ad hoc alarda ölçeklenebilir (scalable) bir yol atama salayan, her türlü düüm gezginliine karı verimlilik ve yanıtlama arasında iyi bir denge kurarak geni alanda kullanıcı gezginliini destekleyen uyarlanabilir bir yapıya ihtiyaç vardır. Böyle bir yapıda ad hoc a teknolojisinin gelecekteki rolünün temelidir. 5. SONUÇ Gezgin a teknolojileri iki geni kapsamlı gruba ayrılarak incelenebilir: hücresel alar ve ad hoc alar. Aslında hücresel alar ad hoc aların tek sekmeli telsiz baa dayanan bir alt sınıfı olarak da kabul edilebilir. Hücresel alarda, uç düümler önceden planlanmı ve kurulmu sabit bir omurgaya balı eriim noktasına telsiz ortam üzerinden erierek haberleirler. Ad hoc alarda, uç düümler bir eriim noktası veya bir baka uç düüme ulamak için birden fazla telsiz sekmesine (multihop) ihtiyaç hissedebilirler. Ad hoc alarda sabit bir alt yapıya ihtiyaç yoktur. Aın topolojisi deien ortam koullarına balı olarak sürekli yenilenir. Deien koullara ramen uçtan uca eriebilirlii salamak maksadıyla uç düümler ve düüm noktaları birlikte çalıırlar. Bu özellikleri ile ad hoc alar kendi kendilerini deiken koullara uyarlayabilen dinamik varlıklardır. Ad hoc alar, mevcut alarla ilikili her katmanda özgün problemler ortaya çıkartmıtır. Bu problemlere ait çözümler üzerinde son yıllarda youn olarak çalıılmaktadır. Bu

8 çalımaların neticesinde kabullenelebilir baarımlara sahip teknolojiler gelitirilmitir. Baarılı bir gezgin ad hoc a, ancak etkin bir yol atama algoritmasıyla gerçekletirilebilir. Bu nedenle ad hoc teknolojilerindeki gelimelerin en önemlileri ad hoc yol atama tekniklerinde olmutur. Düüm gezginliini destekleyen ölçeklenebilir (scalable) yol atama salamak için birçok yol atama teknii gelitirilmitir. Bu teknikler yapı ve strateji bakımından çok farklılıklar göstermektedir. Bu tekniklerden gezgin ad hoc alar için en uygun olanı öbek-yapılı yol atama tekniidir. Yapılmakta olan çalımalar ve gelien teknoloji ile birlikte ad hoc mimarileri ve yol atama teknikleri de gelimektedir. Açıklanan gelimeler neticesinde, ad hoc mimarilere dayalı ürünlerin sayıları her geçen gün daha da artmaktadır. Gelecekte de daha yaygın bir kullanım alanı bulacaktır. Kaynakça [1] J. Broch et al. A Performance Comparison of Multi-Hop Wireless Ad Hoc Routing Protocols. In Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking, Oct [2] C-C. Chiang, H-K. Wu, W. Liu, M. Gerla. Routing In Clustered Multihop, Mobile Wireless Networks With Fading Channel. Internet Draft. [3] T-W Chen and M. Gerla. Global State Routing: A New Routing Scheme for Ad-hoc Wireless Networks. In Proc. ICC, [4] E. Çayırcı. Application Of The 3G PCS Technologies To The Mobile Subsystem Of The Next Generation Tactical Communication Systems. Doktora Tezi, Boaziçi Üniversitesi, [5] R. Dube et al. Signal Stability Based Adaptive Routing (SSA) for Ad-Hoc Networks. IEEE Personal Communications, Feb [6] M. Gerla and J. Tsai. Multicluster mobile multimedia radio network. Wireless Networks, 1, Oct [7] Z. Haas. A new routing protocol for reconfigurable wireless networks. In In Proc. of IEEE International Conf. on Universal Personal Communications (ICUPC), [8] A. Iwata, C-C. Chiang, G. Pei, M. Gerla, T-W. Chen. Scalable Routing Strategies For Ad Hoc Wireless Networks. Internet Draft. [9] D. B. Johnson and D. Maltz. Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks. In T. Imielinski and eds. H. Korth, editors, Mobile Computing. Kluwer Academic Publishers, [10] D. B. Johnson. Routing in Ad Hoc Networks of Mobile Hosts. Proc. Of IEEE Workshop on Mobile Comp. Sys. And App., Dec., [11] Y-B. Ko, N. H. Vaidya. A Routing Protocol for Physically Hierarchical Ad Hoc Networks. Internet Draft. [12] P. Krishna et al. A Cluster-Based Approach for Routing in Dynamic Networks. ACM Computer Communications Review, 27(2), Apr [13] S.-J. Lee, M. Gerla, C.-K. Toh. A Simulation Study of Table- Driven And On-Demand Routing Protocols for Mobile Ad Hoc Networks. Internet Draft. [14] A.B. McDonald. A Mobility-Based Framework for Adaptive Dynamic Cluster-Based Hybrid Routing in wireless Ad Hoc Netwoks. Ph.D. Dissertion Proposal, Uni. Of Pittsburgh, [15] S. Murthy and J.J. Garcia-Lunes-Aceves. An Efficient Routing Protocol for Wireless Networks. ACM Balzer Mobile Networks and Applications Journal, Special Issue on Routing in Mobile Communications Networks, [16] V. D. Park and M. S. Corson. A Highly Adaptive Distributed Routing Algorithm for Mobile Wireless Networks. In IEEE Infocom, Apr [17] G. Pei, M. Gerla. Mobility Management in Hierarchical Multihop Wireless Networks. Internet Draft. [18] G. Pei, M. Gerla, X. Hong, C-C. Chiang. A Wireless Hierarchical Routing Protocol with Group Mobility. Internet Draft. [19] C. Perkins and E. Royer. Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing. In Proceedings 2 nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications (WMCSA 99), [20] C. R. Perkins and P. Bhagwat. Highly Dynamic Destination Sequenced Distance Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers. In ACM SIGCOMM, pages , Oct [21] R. Ramanathan and M. Steenstrup. Hierarchically-Organized, Multihop Mobile Wireless Networks for Quality-of-Service Support. Mobile Networks and Applications, 3, [22] S. Ramanathan and M. Steenstrup. A Survey of Routing Techniques for Mobile Communications Networks. ACM Baltzer Mobile Networks and Applications, 1(2), [23] E.M. Royer and C-K Toh. A Review of Current Routing Protocols for Ad-Hoc Mobile Wireless Networks. IEEE Personal Communications, Apr [24] C-K Toh. Associativity-Based Routing for Ad-Hoc Networks. Wireless Personal Communications, 4(2), Mar