Branch v0.6.6
[olsrd.git] / README-Olsr-Extensions
1 =====================================================
2       OLSRd (version 0.6.0) protocol extensions
3 =====================================================
4
5 1.) Credits
6 2.) Link quality algorithms
7 3.) Fisheye
8 4.) NIIT (ipv4 over ipv6 traffic)
9 5.) Smart gateways (asymmetric gateway tunnels)
10 6.) NatThreshold
11
12 NIIT and Smart gateways are only supported for Linux at the moment.
13
14     1.) Credits:
15 ********************
16
17 The concept of ETX (Expected Transmission Count) has been developed by
18 Douglas S. J. De Couto at the Massachusetts Institute of Technology
19 (see http://en.wikipedia.org/wiki/Expected_Transmission_Count).
20
21 The original ETX design has been done by the Berlin Freifunk Network
22 (see www.freifunk.net and www.c-base.org), the code and message format
23 was coded by Thomas Lopatic.
24
25 Fisheye was implemented by Thomas Lopatic in 2005.
26
27 The LQ-Plugin rewrite was done by Henning Rogge in 2008.
28
29 The NIIT kernel module was written by lynxis in 2009.
30
31 The asymmetric gateway tunnel functionality was written by Markus Kittenberger
32 and Henning Rogge, but the concept was used by B.A.T.M.A.N before OLSRd.
33
34
35
36     2.) Link quality algorithm
37 **********************************
38
39 Concept:
40 --------
41
42 OLSRd (since version 0.5.6) uses a dimension-less integer value as a
43 representation of the 'cost' of each link. This is often called Link Quality
44 (LQ for short). There are multiple LQ plugins, each of them calculating a cost
45 for the links of the router. At the moment (version 0.6.0) all LQ plugins are
46 using an ETX-metric (Expected Transmission Count) but other metrics would be
47 possible and imaginable, such as MIC [0], etc.
48
49
50 Each link is described by an LQ/NLQ (Link Quality/Neighbor Link Quality) value
51 pair, which describe the quality towards the router (LQ) and towards the
52 neighbor (NLQ). Both LQ and NLQ can be values between 0 and 1. The total cost
53 of the link is calculated as ETX = 1.0/(LQ * NLQ). The ETX value of a link can
54 be seen as the number of retransmissions necessary to deliver the packet to the
55 target. ETX 1.0 mean a perfect link without packet loss.
56
57        A                  B
58      +---+              +---+
59      |   |  <--- LQ --- |   |
60      |   |  ---- NLQ -->|   |
61      +---+              +---+
62
63 Note that the LQ and NLQ are always as seen from one nodes' perspective: the LQ
64 of node B towards A is the percentage of packets that B can transmit to A.
65 Hence, in the OLSR ETX implementation, B has to tell A it's LQ.
66
67 OLSRd chooses the path towards a target by selecting the path segments with the
68 smallest sum of link costs. In other words:
69
70    best_path(A,B) = minimum_sum({set of all paths between A and B})
71
72
73 Configuration:
74 --------------
75
76 The link quality system is activated by setting the configuration variable
77 "LinkQualityLevel" to 2.
78
79 You can use the "LinkQualityAlgorithm" parameter to choose the current
80 link quality algorithm in the configuration file. Some embedded OLSRd versions
81 are only compiled with one plugin (mostly etx_ff), so don't use the
82 configuration option with these agents.
83
84 There are four different link quality algorithms in OLSRd 0.6.0, two
85 current Funkfeuer/Freifunk ETX implementations and two legacy implementations.
86
87 LinkQuality-Algorithm "etx_ff":
88 -------------------------------
89
90 "Etx_ff" (ETX Funkfeuer/Freifunk) is the current default LQ algorithm for OLSRd.
91 It uses the sequence number of the OLSR packets (which are link specific)
92 to determine the current packet loss rate. Etx_ff includes a hysteresis
93 mechanism to suppress small fluctuations of the LQ and NLQ values. If
94 no packets are received from a certain neighbor at all, a timer begins
95 to lower the calculated LQ value until the next packet is received or
96 the link is dropped.
97 Etx_ff uses only integer arithmetic, so it performs well on embedded
98 hardware having no FPU.
99
100 The message format of etx_ff is compatible with etx_fpm and etx_float.
101
102
103 LinkQuality-Algorithm "etx_ffeth"
104 --------------------------------
105
106 "Etx_ffeth" is an experimental and INCOMPATIBLE extension of etx_ff (meaning it
107 is not interoperable with etx_ff nodes).  The problem with etx_ff, etx_float
108 and etx_fpm is that they calculate Ethernet links with the same cost as a
109 wireless link without packet loss (ETX=1.0) because the encoding of etx_ff
110 cannot encode link costs lower than 1.0. This means OLSRd prefers a single
111 wireless link with some loss (e.g. ETX=1.5) over a two hop route with one
112 Ethernet link (ETX=1.0) and one perfect wireless link (ETX=1.0) *even though*
113 the 2 hop path would be better!
114
115 "Etx_ffeth" tries to work around this problem by introducing a special
116 LQ encoding value ETX=0.1, which is only used for Ethernet
117 links without packet loss. Because of the different encoding, etx_ffeth
118 is not compatible with etx_ff, etx_fpm or etx_float. These three
119 implementations detect etx_ffeth nodes with LQ 0 (ETX infinite).
120
121 etx_ffeth uses only integer arithmetic, so it performs well on embedded
122 hardware.
123
124 All Ethernet interfaces must be marked with "mode ether"
125 (see olsrd.conf.default.full) in their interface configuration to get any
126 useful advantage of etxff_eth.
127
128 At the time of this writing, etx_ffeth is the preferred metric for building new
129 mesh networks which include links over LAN cables (such as daisy chained
130 Linksys routers).
131
132
133 Legacy LinkQuality-Algorithm "etx_float"
134 ----------------------------------------
135
136 "Etx_float" calculates the ETX value by using exponential aging (with
137 a configurable aging parameter) on the incoming (or lost) Hellos.
138 It is easier to understand than etx_ff, but the results are not as
139 good as with etx_ff, since it cannot use the TC messages for link
140 quality calculation.
141 Etx_float uses floating point math, so it might use more CPU on embedded
142 hardware.
143
144 The message format of etx_float is compatible with etx_fpm and etx_ff.
145
146
147 Legacy LinkQuality-Algorithm "etx_fpm"
148 --------------------------------------
149
150 "Etx_fpm" is a fixed point math implementation of etx_float. It
151 calculates the same link qualities as etx_float, but is much faster
152 on embedded hardware.
153
154 The message format of etx_fpm is compatible with etx_float and etx_ff.
155
156
157 Building your own LinkQuality Algorithm
158 ----------------------------------------
159
160 With the supplied samples OLSRd can be easily extended to support different
161 metrics. Please take a look at src/lq_plugin*.[ch] for inspiration and get in
162 contact with us on the OLSR development mailing list in case you plan to
163 implement a new metric.
164
165
166
167     3.) Fisheye
168 *******************
169
170 Normally OLSR floods all topology control (TC) messages to all
171 routes in the mesh, which can create a lot of overhead for large
172 meshes with hundreds of routers. Reducing the rate of TCs can reduce
173 this overhead, but delay route changes and correction of errors
174 in the routing tables.
175
176 The Fisheye (sometimes called Hazy Sighted Link State Routing [1])
177 mechanism implements a strategy to reach a compromise between
178 these two problems. When activated only every 8th TC is send
179 to all mesh nodes. Most TCs are given a reduced TTL (time to live)
180 and are only transmitted to the neighborhood of the router.
181
182 The current sequence of TTLs with active Fisheye mechanism is
183 2, 8, 2, 16, 2, 8, 2 and 255 (maximum TTL).
184
185 The problem with Fisheye is that it introduces artificial borders
186 for flooding TCs, which can theoretically lead to inconsistent routes
187 and routing loops at the border of the Fisheye circles. In practice
188 Fisheye seems to work well enough that it is a mandatory feature
189 for most larger Funkfeuer/Freifunk meshes.
190
191
192     4.) NIIT (ipv4 over ipv6 traffic)
193 *****************************************
194 (see https://dev.dd19.de/cgi-bin/gitweb.cgi?p=niit.git;a=summary)
195
196 NIIT is a special Linux kernel device that allows easy transmission of IPv4
197 unicast traffic through an IPv6 network. Since version 0.6.0 OLSRd has
198 integrated support for NIIT in the routing daemon. So setting up IPv4 traffic
199 over IPv6 OLSR meshes is very easy. Instead of creating routes and tunnels by
200 hand all the administrator of a router needs to do is to, is to set up his own
201 IPv4 targets as "IPv4-mapped" IPv6 HNAs.
202
203 Example configurations:
204 - connect a local 192.168.1.0/8 net to the mesh
205
206 HNA6 {
207   0::ffff:C0A8:01:00 120
208 }
209
210 - announce an IPv4 Internet gateway
211
212 HNA6 {
213   0::ffff:0:0 96
214 }
215
216
217 More information on NIIT can be found at: http://wiki.freifunk.net/Niit
218 (German)
219
220
221     5.) Smart gateways (asymmetric gateway tunnels)
222 *******************************************************
223
224     5.1) Introduction
225
226 The smart gateway mechanism was written by Markus Kittenberger and
227 Henning Rogge to allow an OLSR user to directly choose their default
228 Internet gateway instead of relying on the hop by hop decisions on
229 the way to the gateway. OLSRd 0.6.0 can create an IPIP tunnel
230 to the gateway's OLSRd address to side-step the same nasty effects
231 described in the NAT-Threshold section.
232
233 The smart gateway code can be split into two sections, one is
234 responsible for announcing the existence of a smart gateway uplink
235 and one (on the client nodes) to choose an uplink and create the
236 tunnel to the gateway. The announcing code uses a modified (but
237 backward compatible) special HNA to signal the gateways to the
238 clients. The clients can use a plugin (or the integrated default
239 code) to choose one of the available gateways and change it if
240 necessary.
241
242 The smart gateway system is setup by several configuration parameters,
243 most of them with a sane default setting. The whole system can be
244 switched on/off by the following parameter:
245
246 SmartGateway <yes/no>
247
248 All other parameters will be ignored if SmartGateway is set to "no"
249 (the default is "no").
250
251
252     5.2) Client Side
253
254 1- SmartGatewayUseCount controls the maximum number of gateways that can be
255    in use at any given time. This setting is used to mitigate the effects of
256    breaking connections (due to the selection of a new gateway) on a dynamic
257    network.
258    The default setting is 1.
259 2- SmartGatewayPolicyRoutingScript controles the policy routing script that is
260    executed during startup and shutdown of olsrd. The script is only executed
261    when SmartGatewayUseCount is set to a value larger than 1. The script must
262    setup policy routing rules such that multi-gateway mode works. A sample
263    script is included.
264    The default setting is 'not set'.
265 3- SmartGatewayEgressInterfaces determines the egress interfaces that are part
266    of the multi-gateway setup and therefore only relevant when
267    SmartGatewayUseCount is larger than 1 (in which case it must be explicitly
268    set).
269    The default setting is 'not set'.
270 4- SmartGatewayMarkOffsetEgress and SmartGatewayMarkOffsetTunnels determine
271    the ranges of policy routing rule markings that are used in a multi-gateway
272    setup. The ranges are not allowed to overlap. Both settings are only
273    relevant when a multi-gateway setup is used.
274    The default settings are 91 and 101 respectively.
275 5- SmartGatewayAllowNAT controls whether you want to allow the selection
276    of an outgoing ipv4 gateway with NAT (Network Address Translation).
277    The default setting is "yes".
278 6- SmartGatewayPeriod determines the period (in milliseconds) on which
279    a new smart gateway selection is performed.
280    The default setting is 10000 milliseconds.
281 7- SmartGatewayStableCount determines the number of times the link state
282    database must be stable before a new smart gateway is selected.
283    The default setting is 6.
284 8- SmartGatewayThreshold controls whether you want to allow re-selection
285    of a new outgoing gateway if its routing cost is lower or equal to the
286    configured percentage of the routing cost of the current gateway.
287    The default setting is 0, which disables it.
288 9- SmartGatewayWeightExitLinkUp, SmartGatewayWeightExitLinkDown,
289    SmartGatewayWeightEtx and SmartGatewayDividerEtx control the weighing
290    of gateway bandwidth and ETX costs.
291
292    If SmartGatewayDividerEtx is zero then no weighing is performed (classical
293    behaviour). Classical behaviour only takes ETX costs into account when
294    choosing a gateway (select the 'nearest' gateway).
295
296    The weighing also takes the gateway bandwidths into account (select the
297    'nearest fat pipe' gateway).
298
299    Gateways that have zero bandwidth for either their uplink or downlink are
300    ignored.
301
302    * The Weighing Process
303    ======================
304
305      ** Configuration Parameters
306      ===========================
307      SmartGatewayWeightExitLinkUp   = gateway exit link uplink weight
308      SmartGatewayWeightExitLinkDown = gateway exit link downlink weight
309      SmartGatewayWeightEtx          = ETX path cost weight
310      SmartGatewayDividerEtx         = ETX path cost divider
311
312      ** Gateway Parameters
313      ===========================
314      gw->uplink   (Mbps)            = gateway exit link uplink  , in Mbps
315      gw->downlink (Mbps)            = gateway exit link downlink, in Mbps
316
317      ** Weighing Formula
318      ===================
319                           SmartGatewayWeightExitLinkUp
320      path_cost_weighed =  ---------------------------- +
321                                 gw->uplink (Mbps)
322
323                           SmartGatewayWeightExitLinkDown
324                           ------------------------------ +
325                                 gw->downlink (Mbps)
326
327                            SmartGatewayWeightEtx
328                           ---------------------- * path_cost
329                           SmartGatewayDividerEtx
330
331      ** Recommended Configuration Parameter Settings
332      ===============================================
333      SmartGatewayWeightExitLinkUp   = 1 (default is 1)
334      SmartGatewayWeightExitLinkDown = 1 (default is 1)
335      SmartGatewayWeightEtx          = 1 (default is 1)
336      SmartGatewayDividerEtx         = 4 (default is 0)
337
338
339     5.3) Uplink Side
340
341 1- SmartGatewayUplink defines which kind of uplink is exported to the
342    other mesh nodes. The existence of the uplink is detected by looking
343    for a local HNA of 0.0.0.0/0, ::ffff:0:0/96 or 2000::/3. The default
344    setting is "both".
345 2- SmartGatewayUplinkNAT defines if the ipv4 part of the uplink uses NAT.
346    The default of this setting is "yes".
347 3- SmartGatewaySpeed sets the uplink and downlink speed of the gateway,
348    which could be used by a plugin to choose the right gateway for a
349    client. The default is 128/1024 kbit/s.
350 4- SmartGatewayPrefix can be used to signal the external IPv6 prefix of
351    the uplink to the clients. This might allow a client to change it's
352    local IPv6 address to use the IPv6 gateway without any kind of address
353    translation. The maximum prefix length is 64 bits,
354    the default is ::/0 (no prefix).
355 5- SmartGatewayAlwaysRemoveServerTunnel can be used to signal that the
356    server tunnel must always be removed on shutdown, irrespective of the
357    interface up/down state during startup.
358
359
360     5.4) Architecture & Notes
361
362 On the smart gateway server (the OLSR instance announcing 'Internet here!' via
363 HNA 0/0 or similar) the implicit tunl0 interface is used to forward incoming
364 packets originating on smart gateway clients to the Internet route. This may be
365 protected by the sysctl rp_filter setting. Note, that at least with RedHat
366 kernel 2.6.18, the net.ipv4.conf.tunl0.rp_filter sysctl file is not present
367 after loading the "ipip" kernel module, which prevents OLSRd from switching off
368 the filter. As a workaround, add an "ip addr add 0.0.0.0/32 dev tunl0" after
369 the "modprobe ipip" line in your OLSRd startup script.
370
371 While the smart gateway function does a fine job on stand-alone PCs, system
372 builders should keep in mind the following facts when setting up routing,
373 firewalls and gateways:
374
375 a) The smart gateway tunnel communicates asymmetrically. An IP packet destined
376    for an Internet server is sent via the IPIP tunnel but returned via the
377    standard OLSRd host route.
378
379 b) On the smart gateway server, you should double check your firewall rules and
380    rp_filter defaults. While it's normally not possible to simply encapsulate
381    (for example) a "telnet 127.0.0.1" into IPIP and sent that to the smart
382    gateway server, your specific configuration may open up such attack vectors
383    for an intruder.
384
385 c) Do not forget to open up the firewall for tunl0->Internet traffic and (if
386    required to NAT/MASQUERADE) this communication path.
387
388 d) While the smart gateway server does not use special routing, the smart
389    gateway client inserts policy routing rules for it's function. By using the
390    default configuration, the OLSRd standard default route is maintained in
391    table 223 and the OLSRd smart gateway default route in table 224. Both
392    tables are examined only, if you do not have a default route in the main
393    table (visible with "ip route ls"). Use "ip route ls table 223" or
394    "ip route ls table 224" for debugging/monitoring. You may also activate the
395    txtinfo plugin and do a "wget -O - http://localhost:2006/gateway".
396
397 e) For a standalone client (a notebook user running OLSRd in order to browse)
398    the lowered IPIP tunnel MTU is no problem. If you do proxy routing, e.g. for
399    attached LAN clients without OLSRd, you may want MSS-clamping for the tunnel
400    interface created by OLSRd. Because OLSRd uses an arbitrary name for the
401    tunnel interface (e.g. tnl_7c41c668) you may want to include a wildcard
402    iptables rule. Example:
403      iptables -A FORWARD -o tnl_+ -p tcp --tcp-flags SYN,RST SYN \
404               -j TCPMSS --clamp-mss-to-pmtu
405
406 Furthermore (or alternatively) you might consider (on your gateway nodes)
407 clamping all traffic leaving your mesh to your ipip mtu (regardless if the
408 traffic comes out of the smart gateway tunnel or not!). Example:
409   iptables -A FORWARD -o [your_gateway_interface] -p tcp \
410            --tcp-flags SYN,RST SYN -j TCPMSS --set-mss 1480
411
412 Especially as during OLSRd startup, before an smart gateway is chosen (which is
413 delayed), new connections would use a larger MSS than the smart gateway tunnel
414 can handle. So the approach to clamp on the gateways should give better results.
415
416 But if you don't NAT on your gateways (but want to use smart gateway for some
417 special reason), you would have to do this on ALL gateways (even on gateways
418 that do not provide the smart gateway functionality!).
419
420
421     6.) NatThreshold
422 ************************
423
424 The NatThreshold option was introduced by Sven Ola to suppress a very annoying
425 problem with OLSRd, switching default gateways. If a router is located between
426 two Internet gateways with similar path costs the default route (0.0.0.0/0)
427 will constantly switch between the two gateways due to normal fluctuations of
428 the link metrics. Whenever OLSRd decides that the other NAT gateway is
429 "better", then switching to this new gateway will result in termination of all
430 connected sessions (TCP and HTTP).
431 The user experience will be rather painful and users will experience hanging
432 SSH and HTTP sessions (or anything using TCP).
433
434 NatThreshold tries to help by introducing a hysteresis factor for
435 choosing the route to the default gateway. Only if the new gateway has
436 a lower cost than the current gateways path cost multiplied by
437 NatThreshold the node will switch the gateway.
438 In short:
439
440   if (cost(new_gateway) < cost(current_gw)*NatThreshold)) {
441         switch_gateway();
442   }
443
444
445 Practical experience shows that this leads to much better quality of default
446 gateway selection, even if (in theory) a small NatThreshold together with
447 Fisheye can lead to  persistent routing loops.
448 Please note that even with NatThreshold enabled, some users will still
449 experience gateway switching. However, most users will not.
450
451 Smart Gateways can replace NatThreshold all together because they allow sending
452 traffic directly to a gateway circumventing the problems described above which
453 stem from a hop-by-hop routing approach
454
455
456
457      7.) References
458 ************************
459 [0] MIC Metric: "Designing Routing Metrics for Mesh Networks",
460         Yaling Yang, Jun Wang, Robin Kravets
461         http://www.cs.ucdavis.edu/~prasant/WIMESH/p6.pdf
462
463 [1] "Making link-state routing scale for ad hoc networks",
464         Cesar A. Santivanez, Ram Ramanathan, Ioannis Stavrakakis
465         http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.16.5940