Efficient address auto-configutation in ad hoc networks - protocol & algorithms

Yousef, Ausama

Mobile Ad hoc NETworks (MANETs) are an important part of mobile communications as they allow communications without the presence of an infrastructure. A MANET consists of an autonomous system of mobile devices. In contrast with infrastructure networks, MANET nodes act as hosts as well as routers. In the Internet, multi-hop communications are supported by the network layer, i.e. the Internet Protocol (IP). However, this requires the availability of a unique IP address. Due to the dynamic and decentralized nature of MANETs, and especially due to the mobility of nodes, providing and maintaining this unique IP address automatically in a decentralized way is a challenge addressed by auto-configuration protocols as part of the network layer. Several protocols to support this in fully decentralized environments as present in MANETs have been developed, e.g., the MANETConf, Buddy and Prophet protocols. However, they fail to solve the problem efficiently in scenarios where the nodes are highly mobile, e.g., as is the case with typical car-to-car applications. This thesis presents an address auto-configuration protocol that efficiently supports highly dynamic mobile ad hoc networks. This protocol, the Logical Hierarchical Addressing (LHA) protocol, focuses on the fast assigning of IP addresses to new nodes joining a MANET while minimizing the signaling overhead. Besides this, LHA introduces a solution for the merging problem ensuring, the uniqueness of IP addresses in the network when two previously independent MANETs merge. LHA is based on the idea that the address assignments can be achieved locally by the neigh-boring nodes of a requester, which in turn leads to a fast address assignment. Basically, in LHA, each configured node in a MANET is able to select, allocate and assign a unique address to a new node requesting an address that is free. By dividing the address space logically among configured nodes LHA is able to build a number of hierarchical structures of IP addresses. By this means, LHA solves efficiently the merging problem. Furthermore, the utilization of a certain assignment algorithm and specific address data structures is the key that LHA is able to solve the problem of missing IP addresses due to the departure of nodes. Because LHA is less dependent on unicast connections it reduces the signaling overhead and achieves fast address assignment. This in turn makes LHA highly suitable to the use in a wide range of scenarios, especially in those which are high mobility.

Mobile Ad-Hoc-Netzwerke (MANETs) sind ein bedeutender Teil der Mobilkommunikation, da sie Kommunikation ohne das Vorhandensein von Infrastruktur erlauben. Ein MANET besteht aus einem autonomen System von mobilen Geräten. Im Gegensatz zu Infrastruktur-Netzwerken agieren MANET-Knoten als Host, ebenso wie als Router. Im Internet werden Multi-Hop-Kommunikationen durch den Netzwerk-Layer unterstützt, z.B. das Internet Protokoll (IP). Dies verlangt jedoch die Verfügbarkeit einer eindeutigen IP-Adresse. Wegen der dynamischen und dezentralen Natur von MANETs und besonders wegen der Mobilität der Knoten, ist die automatische, dezentrale Bereitstellung und Verwaltung dieser eindeutigen IP-Adresse eine Herausforderung, die durch Autokonfigurationsprotokolle als Teil des Netzwerk-Layers gelöst werden soll. Zur Unterstützung dieser dezentralen Umgebung, die durch MANET repräsentiert werden, wurden verschiedene Protokolle entwickelt, wie MANETConf, Buddy und Prophet. Allerdings verfehlen sie eine effiziente Lösung des Problems in Szenarien mit hoch-mobilen Knoten, wie z.B. bei typischen "Auto-zu-Auto"-Anwendungen. Die vorgestellte Arbeit präsentiert ein Adressenautokonfigurationsprotokoll, das hoch dynamische mobile Ad-Hoc-Netzwerke unterstützt. Dieses Protokoll, genannt "Logical Hierarchical Addressing (LHA)", konzentriert sich auf die schnelle Zuweisung von IP-Adressen für neue Knoten, die einem MANET beitreten, und minimiert gleichzeitig den Signal-Overhead. Zusätzlich stellt LHA eine Lösung zum Vereinigungsproblem von Netzwerken vor und sichert die Eindeutigkeit von IP-Adressen, wenn sich 2 vorher unabhängige MANETs vereinigen. LHA basiert auf der Idee, dass die Adresszuweisung lokal durch jeden benachbarten Knoten eines anfragenden Knotens durchgeführt werden kann, was zusätzlich zu einer schnelleren Adresszuweisung führt. In LHA kann jeder konfigurierte Knoten in einem MANET für einen neuen Knoten eine eindeutige, freie Adresse auswählen und zuweisen. Durch die logische Aufteilung des Adressbereiches zwischen den konfigurierten Knoten kann LHA eine Anzahl hierarchischer Strukturen von IP-Adressen aufbauen, wodurch LHA das Vereinigungsproblem effektiv löst. Des Weiteren ist der Einsatz eines speziellen Zuweisungsalgorithmus und spezieller Adressdatenstrukturen der Schlüssel dafür, das LHA das Problem der durch das Verschwinden von Knoten fehlenden IP-Adressen lösen kann. Da LHA weniger abhängig von Unicast-Verbindungen ist, reduziert es den Signal-Overhead und erreicht eine schnelle Adresszuweisung. Dieser Effekt bewirkt die hohe Eignung von LHA für eine Vielzahl von Szenarien, insbesondere hoch mobile Umgebungen.

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Yousef, Ausama: Efficient address auto-configutation in ad hoc networks - protocol & algorithms. Ilmenau 2018.

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