CC BY
95
12 декабря 2011 г. 0:18
ТЕХНОЛОГИИ
Методы повышения производительности беспроводных mesh-сетей специального назначения
Кточ—ш слова
meslxen* специального иазночв»*«я,
Ш 802.11* Wtfi
4 технологией беспроводного доступа, которая повсеместно применяется для передачи большого количества трофиса различного вида, является сттцдорг бестровадмых локальных сетей 1ЕЕЕ 802.11. Одним из самых перспективных направлений развития технологии \M-fi стали тмЬ-сети, описываемые в стандарте 1ЕЕЕ
802.111. Рассмотрена возможность применения датого стандарта для сил (печального назначения и работа некоторых известных алгоритмов назначения каналов в сетях 1ЕЕЕ 802.1 IV
Легко» К.Е.,
Научный сотрудник СвеероКовкаэского филиала МТУ СИ, cons4@moJ.rv
MesK-свти — перспективный класс ш^хжо ПОЛОСНЫХ 6есПровО»ЫХ сетей передачи муЛЬ ммединой информации, которые являются одним из направление развития технолоон W-Fi [1] и описываются в стандарте IEEE
802.11 s[2J. Одним из главных принципов построения mesh-сети является пр**ядип самоорганизации архитектуры, обеспечивающий тсжис возможности, как реализацию топологии сети "каждой с каждым"; устойчивость сети при отказе отдельных компонентов; масштабируемость сети; дитамичесхую маршрутизацию трафиса' контроль состояния сети и тд Mesh-технология становится особежо необходимой при отсутствии провод ной инфраструктуры для соединения станци!
Эти положительные качества неуклонно приводят к вопросу о применении таких техно лисий для обеспечеюв управления в сигюеых структурах при выполне»«*1 специальных задач . Благодаря низким ценам на оборудование W-R, а также легкости в установке, возможно его массовое примсноне и в организациях специального назначения. Гра**щу аетоматн зации, как общеприсятого способа повышения эффекпвности функционирования любой системы. можно д овести до отдельного сотрудни ка. 1сжой процесс д авно происход ит в армиях и организациях специального назначения ведущих государств м»ф>а, в частности в QUA. В комплект оснащений для каждого сотрудника могут входить вычислительны* комплекс, набор датчиков, видео- и иифрскрасные камеры, шлем со встроежым монитором отображаю щим цифровую карту и местонахождение своих и чужих подразделений, и устройство беспроводной связи Технология передачи мульти
медийных донных в условиях ЄДПЮГО информационного пространства мест проведения операций должна функц ионировать по особым правилам
Останавливаясь на тезК-сетях ІЕЕЕ 802.115 (21 необходимо отметить» что д анная спецификация рекомендует применять станин* (узлы), содержащие несколько радиоинтерфейсов Эго позволяет одновреме*«ю использовать несжатою частотных каналов д ля передоим информации Общаясь с каждым из своих соседей, узел использует конкретный інтерфейс (интерфейсы). Каждый интерфейс использует определенный канал. Механизмы назначения каналов (и другие механизмы функционирования) влияет на производительность сети. которая к тому же зсвисит от особенностей трафика. В системах управления спец иального назначения особенности трафиса проявляются в его направлении, приоритетах, гт/гьсации и др. С достаточной степеныо достоверности можно предположить, что преобладающим трафисам будет вертикальный
Останавливаясь на тезЬ-сетях ІЕЕЕ 802.11» (31 необходимо отметить» что донная спецификация рекомендует применять станцт (узлы), содержащие несколько радооинтер-фейсов Эго позволяет одновременно использовать несколько частотных каналов для пере-до>м информации Общаясь с каждым из своих соседей, узел использует конкретный *<тер-фейс (интерфейсы). Каждый интерфейс использует определенный катал. Механизмы назначения коталов (и другие механизмы функционирования) влияот на производительность сети которая к тому же зависит от особенностей трофиса В системах управления специального назначения особенности трафиса проявляются в его направлении, приоритетах, пугъсации и др С достаточной степеныо достоверности можно предположить» что преобладающим трофисом будет вертугальный Для такого случая целесообразно использовать сдон из наиболее известных алгоритмов назначения кона
лов в сетях 1ЕЕЕ 802.11 $ — алгоритм Нуаап41 с централизованным способом иаэначе**1я каналов (3, 4). Рассмотрим типичную тезЬ-сетъ» в которой кажд ый из узлов может од новременно работать как точка доступа, так и в качестве тезЬ-стсмции (3). Некоторые устройства могут быть еще и шлюзами во внешнюю сеть Каждое из теаЬ-устройств содержит в себе нескогъко радиоинтерфейсов, каждый из которых настроен на огредвлен»ы* канал на относительно долгое время (мигуты, часы, дни)- Задача назначения предполагает определить во-первых, с помощью какого интерфейса узел общается с каждым из своих соседей а во-вторых, какой канал испогъзует каждый из интерфейсов.
Пред полагается, что каждый узел имеет соединение со всеми станциями, находящимися в его области устойчивого приема Стоит заметить что алгоритм маршрутизации зависит от пропускной способности каждого соединения которые, в свою очередь, зависят от способа назначения каналов, а способ назначен»*) каналов зависит от ожидаемой нагрузки на соединение, которая зависит от маршрутизся*1и Таким образом получается круговая зависимость Для ее разреше*«1я было решено начать с оценки ожидаемой нагрузки без учета пропускной способности (см рис. 1), а затем итеративно повторять процесс назначе»*1я каналов и маршрутизации ДО момента, когд а пропускные способности каждой из соединений будут мак сималыю близки к предполагаемой нагрузке. Вначале на вход алгоритма назначения каналов поступает оценка нагрузки на соедитетя. Выходом является фопускная способность соединений Алгоритм маршрутизации использует их для вычисления путей, которые используются для вычисления ожидоемой нагрузки
Если в конце итерации оказалось, что ожидаемая нагрузка больше пролуосной способности, го процесс повторяется и заканчивается если дальнейиего улучшения не происходит. Алгоритм предлагает дра способа начальной оценки ожидаемой нагрузки на соединения.
46
Т-Соппт #3-2011
Траффмк
Начальная оценка загрузки
Загрузка
Каналы
Определение пропускной способности соединений
Пролусвные способности
Маршрутизация
Ожидаемая нагрузка
Для всех соединений Тропусжмая слое >*ожид натрут Нет
Каналы«маршрутизация
Рис 1. Алгоритм С-НуобгА
Во-первых, можно предположить, что все станіни в облости интерференции равномерно разделяют пропускную способность канала. Пропускная способность соед инения I вычисляется учитывая только число д оступных каналов, пропускную способность отдельного канала и число соед инение внутри области интерференции рассматриваемого соединения. Далее пропускные способности поступает на вход алгоритма маршрутизации, после чего на выходе будет ожидаемая нагрузка на сое/*не-тя. Более точная оценка ожидаемой нагрузки на соедик»чя вычисляется через такие параметры, как количество путей между узлами, количество путей между этими же узлами прохо д яцих через соединение I и ожидаемый трофн* между узлами.
Соединения рассматр*еоотся в порядке убывания ожидаемой на них нагрузки. При рассмотрении соединения канал назначается следующим образом (в предположении, что у каждого узла я интерфейсов);
Если число использованных каналов обоих узлов соединения ме**ше <} то соединению назначается неиспользуемый канал с наименьшей степенью интерференции
Если узел 1 использует 9 каналов, а узел 2
— меньше q каналов, то выбирается один из уже используемых каналов узла 1 с наименьшей степенью интерференции.
Пусть оба узла уже используют q каналов, те. все их интерфейсы зодэйствованы. Если узлы используют общ ие каналы, то из них выбирается канал с линнималыной степеныо интер ференции Если общих каналов нет, то выбирается по одному каналу от каждого из узлов, и они заменяются на общий канал так, чтобы степень и*лерферені*н была минимальна.
Под степенью иелерференнии понимается сумма ожидаемых нагруэсж на соедиенення внутри области интерференции Для вычисления пропускной способности соедиения используется следующая формула
Алгоритм маршрутизации может быть использован любой. По сравнению с аднока-нсиъшм решением даже с использованием всего друх интерфейсов пропускная способность сети возрастает в 6-8 раз.
Алгоритм СоМТаС представленный в 2008 г., позволяет использовать сразу несколько путей для передачи д анных от одной станции до другой Сеть представляется в виде графа ЧЕ), где V — множество узлов (тезЬ-стан-і*м), а Е — Алюжество возможных соединений между этими узлами. Логически на каждом из узлов выд еляется так называемый с^аїЛ интерфейс (интерфейс по умолчанию). В дальнейшем, все интерфейсы, отличные от интерфейсов по умолчанию, будем назвать поо-сЫаиН-интерфейсамн На первом этапе вся сеть разбивается на кластеры, затем происход ит назначению каналов
Для разбиения на кластеры используется следующая процедура. На вход алгоритма поступает граф С{ У,Е) (причем каждый из узлов знает расстояние до шлюза), а также множество всех шлозов. Изначально каждый из шлюзов назначается лидером своего кластера а все узлы, подсоединенные к данному лидеру, автоматически становятся частью клостера. Из-за ограниченного числа шлюзов созданные кластеры могутбыть слишком большими поэтому процедура построения кластеров повтор* ется до тех пор, пока не будут получены кластеры нужных размеров. Для построения нового кластера узел, наиболее удаленный от лидера кластера, выбирается в качестве нового лидера кластера. Кластер строится вокруг вновь выбранного лидера из узлов, д ля которых расстояние до нового гаїдфа меньше чем до текуїде-
го лидера.
Чтобы сохранить связность сети внутри каждого клостера сЫаи1|-интерфейсу всех узлов, составляющих кластер, назначается один из каналов (defauh-канал). Для межкластерного взенмодействия пограничные узлы выделяют еще один интерфейс (им назначается debut* канал соседнего кластера с наименьшим идентификатором).
Преимуществом такого разделения являет ся мииимиэсн**я числа узлов, которым необходимо делать рассылку широковещатеп+ых пакетов сразу с нескольких интерфейсов.
Далее алгоритм пытается построить множественные пути между узлами с задействованием noo-defcmll-интерфейсов. Для этого из изначального графа выделяется подграф такой, что д ля любых д вух вершин оставлены только те пути между НИ1МИ, “ценю" которых нне превосходит больше чем в f раз длиимальной "цены" между этими узлами.
После того, как выбраны соседи дгк» каждого из узлов, необход имо каждому соед инению назначить интерфейсы на обеих станциях. Из-за того, что количество интерфейсов ограниченно, при переключении какого-либо интерфейса на другой канал мажет потребоваться измените каналы на цепочке станций, причем эта цепочка может достаточно большой. Для предотвращения таких ситусадй необходимо ввести следующие ограничения:
• МаосЫскА-ннтерфейс, связываиащнй узлы из разных кластеров, не должен быть использован для связи с узлами из того же самого кластера.
• Noivdefaull-интерфейс служащий для связи с более близкими к лидеру кластера узлами, не должен быть использован для связи с узлами, находлци*мися дальше от лидера нежели чем рассматриваемый узел
Далее каждому из интерфейсов необходимо назначить канал, Процедуре назнначения канала предиествует процесс установления степени интерференции с целью установления "цены" испо/ъзования каждого из каналов и возможности выбора "наилучшего" канала. Предполагается, что лидер кластера обладает полной информацией об узлах своего кластера и их соседях.
Вначале назначаются каналы для defaufc-интерфейсов каждого из кластеров. Один из интерфейсов, не являюинйся defaulf интерфейсом, каждого из узлов сконфигурирован таким образом что он периодически (каждые ТЕ еда-мид времени) слушает среду определенное время на каждом из каналов. Принятые тасим образом пакеты служат для определения нагрузки на канал. I Ьскольку число принятых па-
T-Comm #3-2011
47
кетов может быть низким и» за ПЛОХОГО СОСТОЯНИЙ канала ввиду интерференции, то также используется параметр качества канала Качество канала может быть вычислено на основе FER (Frame error rate, вероятность потери кадра), силы принятого стала и тл. Вся собранная узло-ми информсх*1я передается лидеру кластера Загруженность и качество канала иаюльзуется в качестве метрмс для выбора наиболее подхо дящего канала для default интерфейса
Для назначения каналов для non-defaufe-ин-терфейсов также необходимо учитывать интер-ференц>*о. Для этого предлагается использовать размер очереди узла (больший размер очередаи говорит о большей степени интерференции) Периодически каждой из узлов передает информацио о канале и размере очере-до лидеру кластера Вначале происходит назначение граничных узлов, затем каналы назначаются в поряд ке удаления от лидера кластера
Предложенная схема назначения каналов позволяет повысить производительность сети в
2 раза по сравнению со схемой D-Hyodntk Это объясняется прежде всего использованием дгюжественных пулей а также уменьшением
накладных расходов п/тем уменьшения числа станций, которым необходимо делать шфоко-вещотельные рассылки на всех своих родиюин терфейсах.
Несмотря на большое количество предложенных механизмов, все они используют в качестве основы некоторые эвристжи, поэтому нет уверенности в том, что назначение каналов является оптимальным что оставляет большое пространство для дальнейшего исследования. Кроме того, механизмы назначения каналов носят универсальный хсрактер без учета сцв-нариг использования тезЬ-сети, что приводит к высокой сложности алгоритма Это, в свою очередь, влечет низкую эффективность при его ре апизсм*!
Необходимо добавить что большинство работ по реше»**о данной задачи натравлено на разработку универсальных схем назначения каналов, что грюодит к высокой сложности алгоритмов, усложняет их практическую ре-ализаиио и снижает их эффективность Более эффективными являотся подходы, ориентированные на конкретный сценарий использования тезЬ-сети
Литература
1 IEEE Sid 80211-2007, Revision of IEEE Std 802.11-1999. IEEE Std 802.11-2007, IEEE Standard
fa Information Tecbnology-Telecommunktiions and irrfomxiion exchange between systems-locd and met-rcpoftcn area nefwork-Speafic requMernents-Pari 11: Wireless LAN Medium Access Conlrol (MAC) and Physical layer (PHY) specifications. IEEE Computer Society, June 2007.
2 Ш P80211 s/D20. Draft STANDARD for Information Technology — Telecommunications and information exchange between systems — local and me*opoliton area networks — Specific requirements — Part 11 Wireless LAN Medium Access Cortid (MAC) and Physical layer (PHY) specifications Amendment Mesh Nefwcxking (Electronic resource! / IEEE Standards Activates Departmen!.-(USA]: IEEE, 2008.
3 RawMab A, Gopalan K., Chiueh T. Centralized channel assignment and routing algorithms for mufc-channel wireless mesh networks ACM Mobile Computing and Communications Review, 2004, vol. 8, pp 5065
А Легкое ICE, Данченко AA Беспроводные Mesh<ein специального назначение.// Телекомму-ни«ш1 и траклорт. - №3, 2009. — С. 36-37.
Methods of increase of productivity of wireless mesh-networks of a special purpose
Legkov ICE
Now the most widespread technology of wireless occess which is everywhere opplied to transfer of a considerable quantity of the traffic of a various kind, the standard of wireless locd networks IEEE 802.1 1 is. The mesh-networks described in standard IEEE 802.11 s became one of the most perspective drec-lions of development of technology Wi-Fi. Possibility of application of the given skvtdcrd for forces of a special purpose and work of some known algorithms of appoinlmen* of channels in networks IEEE 802.11 s is considered.
mesh-networks, IEEE802.1 f* WffiL
References
1. IEEE S*d 802.11-2007, Revision of IKE Std 802.11-1999 IEEE Std 80211-2007, IEEE Standard for Informalcn Techndogy-Tetecommunications and information exchange between sytfems-locd and metropolian area network-Spedfic requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical layer (PHY) specifications- IEEE Computer Society. June 2007.
2 IEEE P802.11 s/D2.0 Drcrft STANDARD for Information technology — Tetecommuncations and information exchange beKvoen systems — Locd and nvetropolHan area networks — Specific requtfemenfc — Part 11 Wireless LAN Medum Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) spedficdtansAniendrner* Mesh Networking [Electronic resource] / (EEE Standards Activities Department.-(USA): IEEE, 2008.
3 Raniwala A, Gapalcn K., Chiueh T. Certrafaed channel assicpmert and routing algcrihms for mcfc-charmel wireless mesh networks, ACM Mobile Computing and Communications Review, 2004, vol 8, pp 50-65.
4. lecjcov K.E., Danchenko AA Besprcwodnuye Me^vseti specialnogo naznacheniya // T-Comm, №3, 2009, R 36-37.
48
T-Comm #3-2011
