Протоколы маршрутизации в беспроводных сетях ROUTING PROTOCOLS IN WIRELESS NETWORKS Текст научной статьи по специальности «Автоматика. Вычислительная техника»

Научная статья на тему 'Протоколы маршрутизации в беспроводных сетях' по специальности 'Автоматика. Вычислительная техника' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии
Авторы
Журнал
Выпуск № 5 (24) /
Коды
  • ГРНТИ: 50 — Автоматика. Вычислительная техника
  • ВАК РФ: 05.13.00
  • УДK: 004;621.398;681.5
  • Указанные автором: УДК 004.9

Статистика по статье
  • 1923
    читатели
  • 510
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 1
    соц.сети

Ключевые слова
  • беспроводные сети
  • протокол маршрутизации
  • управление передачей данных
  • communication control.
  • MANET
  • wireless Networks
  • routing protocols
  • MANET

Аннотация
научной статьи
по автоматике и вычислительной технике, автор научной работы — Павлов Алексей Андреевич, Датьев Игорь Олегович

Сегодня интенсивно развивается научное направление в области построения телекоммуникационных сетей с переменной топологией. Подобные сети получили название MANET (Mobile аd-hoc Networks). MANET это беспроводные децентрализованные самоорганизующиеся сети, узлами которых являются мобильные устройства. В данной статье рассмотрены существующие и разрабатываемые протоколы маршрутизации в беспроводных сетях, а также представлены отличительные особенности различных типов подобных сетей.

Abstract 2014 year, VAK speciality — 05.13.00, author — Pavlov Aleksey Andreevich, Datiev Igor Olegovich

Today intensively research scientific direction in the field of telecommunication networks with variable topology. Such networks are called MANET (Mobile Ad-hoc Networks). MANET is a wireless decentralized network, self-organizing, which consist of mobile devices. This article focuses on existing and developed routing protocols in wireless networks, and discusses the main wireless networks types and its features.

Научная статья по специальности "Автоматика. Вычислительная техника" из научного журнала "Труды Кольского научного центра РАН", Павлов Алексей Андреевич, Датьев Игорь Олегович

 
close Похожие темы научных работ
Читайте также
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по автоматике и вычислительной технике , автор научной работы — Павлов Алексей Андреевич, Датьев Игорь Олегович

Текст
научной работы
на тему "Протоколы маршрутизации в беспроводных сетях". Научная статья по специальности "Автоматика. Вычислительная техника"

УДК 004.9
А.А. Павлов1, И.О. Датьев1,2
1 Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского НЦ РАН
2 Кольский филиал Петрозаводского государственного университета
ПРОТОКОЛЫ МАРШРУТИЗАЦИИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ Аннотация
Сегодня интенсивно развивается научное направление в области построения телекоммуникационных сетей с переменной топологией. Подобные сети получили название MANET (Mobile аd-hoc Networks). MANET - это беспроводные децентрализованные самоорганизующиеся сети, узлами которых являются мобильные устройства. В данной статье рассмотрены существующие и разрабатываемые протоколы маршрутизации в беспроводных сетях, а также представлены отличительные особенности различных типов подобных сетей.
Ключевые слова:
беспроводные сети, протокол маршрутизации, MANET, управление передачей данных.
A.A. Pavlov, I.O. Datyev
ROUTING PROTOCOLS IN WIRELESS NETWORKS
Abstract
Today intensively research scientific direction in the field of telecommunication networks with variable topology. Such networks are called MANET (Mobile Ad-hoc Networks). MANET - is a wireless decentralized network, self-organizing, which consist of mobile devices. This article focuses on existing and developed routing protocols in wireless networks, and discusses the main wireless networks types and its features.
Keywords:
wireless Networks, routing protocols, MANET, communication control.
Введение
Мобильные сети являются одним из наиболее перспективных направлений развития информационно-коммуникационных сетей. К существенным преимуществам таких сетей относятся:
1) Эффективное использование незадействованного телекоммуникационного и вычислительного ресурса множества мобильных устройств, находящихся в распоряжении современных пользователей.
2) Возможность организации информационно-коммуникационных сетей без создания наземной инфраструктуры базовых станций на территориях с «очаговым» характером, как заселения, так и ведения хозяйственной деятельности, что на сегодняшний день характерно практически для всей Арктической зоны Российской Федерации.
3) Быстрота организации (развертывания) информационно-коммуникационной сети за счет автоматического подключения к участникам и самонастраивания внутри сети.
64
Основной проблемой создания самоорганизующихся мобильных сетей является правильное построение маршрута передачи данных от источника до адресата. Беспроводные соединения имеют ограниченный радиус действия, а сами устройства могут перемещаться. Поэтому доступность узла в некоторый момент времени не может быть гарантирована, и построить точную топологию сети практически невозможно.
Области применения самоорганизующихся мобильных сетей:
1. Сенсорные (телеметрические) сети различного назначения.
2. Сети связи военного назначения тактического уровня.
3. Аварийные сети, развертываемые в условиях чрезвычайных ситуаций и природных бедствий при поисковых и спасательных операциях.
4. Домашние сети («умный дом»).
5. Сети предприятия.
6. Развлекательные сети (игры со многими игроками, домашние роботы,
дроны).
7. Сети, создаваемые в удаленных районах, где отсутствует стационарная инфраструктура (сельская местность, пустыни, Арктика и Антарктика, тундра, тайга и т.д.).
Далее представлены основные отличительные особенности беспроводных сетей различных типов, а также широко используемые и находящиеся в стадии разработки алгоритмы маршрутизации.
Основные типы самоорганизующихся беспроводных сетей с переменной топологией
В большинстве случаев для обозначения самоорганизующихся радиосетей применяют термины «mesh», «ad-hoc», «mobile ad-hoc» и т.д., подразумевая равнозначность этих терминов. Однако беспроводные сети с переменной топологией следует разделить на несколько типов. Их отличает структура построения, предназначение и элементный состав.
MANET (Mobile Ad-hoc NETworks) сети [1] - радиосети со случайными мобильными абонентами, реализующие полностью децентрализованное управление при отсутствии базовых станций или опорных узлов. Топология MANET динамична и соединение узлов является случайным.
Беспроводные сети, построенные на базе мобильных устройств, обладают рядом особенностей:
1. Мобильность узлов ведет к дополнительному повышению динамичности топологии сети, поскольку, вследствие помех или вклю-чения/выключения узла, к возможности обрыва связи добавляется вероятность перемещения узлов.
2. Запас источников питания мобильных узлов может быть ограничен, в связи, с чем при проектировании аппаратных средств и протоколов необходимо учитывать энергопотребление (особенно для сенсорных сетей).
Самоорганизующиеся сети MANET обладают следующими преимуществами над беспроводными сетями традиционной архитектуры:
1. Возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика.
65
2. Устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети.
3. Возможность быстрой реконфигурации в условиях неблагоприятной помеховой обстановки.
4. Простота и высокая скорость развертывания.
Среди основных задач, поставленных перед современными разработчиками MANET, следует выделить:
1. Проблема эффективности применяемых методов маршрутизации.
2. Проблема обеспечения помехоустойчивости.
3. Проблема обеспечения безопасности передаваемых данных.
4. Проблема общей пропускной способности сетей.
Mesh [2] - радиосети ячеистой структуры, состоящие из беспроводных стационарных маршрутизаторов, которые создают беспроводную магистраль и зону обслуживания мобильных и стационарных абонентов, имеющих доступ (в пределах зоны радиосвязности) к одному из маршрутизаторов. Топология -звезда, со случайным соединением опорных узлов.
Архитектура ячеистой сети [3] состоит из некоторого количества узлов (node), которые образуют основу (backbone) сети, и клиентских устройств. Узлы могут связываться каждый с каждым и самостоятельно создавать маршруты передачи данных. Узлы обнаруживают отключения соседних узлов и появление новых, и автоматически перестраивают маршруты. Технология ячеистых сетей не является специфической для беспроводных сетей, но в беспроводных сетях она приобретает новые свойства. При использовании беспроводных узлов топология сети может легко перестраиваться простым перемещением, удалением или добавлением узлов. Прокладка кабелей между узлами не нужна. Теоретически можно накрыть mesh-сетью любую необходимую территорию. Основной проблемой при этом является достижение необходимого количества узлов и возможность обеспечения их электропитанием. Беспроводные клиенты могут перемещаться в пределах зоны покрытия, узлы будут строить правильные маршруты и обеспечивать прозрачный роуминг. С точки зрения абонентского сервиса подобные сети уже сегодня обеспечивают полный спектр IP-приложений - Ethernet, VoIP, real time video.
Беспроводная архитектура mesh имеет много общего с алгоритмом работы маршрутизаторов в сети Интернет, где маршрутизаторы самостоятельно принимают решение о направлении движения пакетов, основываясь на динамических протоколах маршрутизации. В обоих случаях, определенный путь, которым пакеты пройдут через промежуточные узлы, прозрачен для клиентов.
Сети mesh являются самовосстанавливающимися: сеть будет работать, даже когда в сети имеется неисправный узел или потеряно подключение. В результате такой организации получается очень надежная сетевая инфраструктура.
В беспроводной сети mesh трафик динамически перенаправляется между узлами для выбора оптимального прохождения сигнала до пограничного маршрутизатора. Для этого используются специальные алгоритмы интеллектуальной маршрутизации. На направление трафика могут влиять факторы наименьшего количества скачков (hop) между узлами, их загруженность, приоритет трафика и т.п. То есть сеть mesh сама подстраивается под конкретные ситуации и оптимизирует пути прохождения сигнала.
66
Следует добавить, что в некоторых работах рассматривается стандарт IEEE 802.11s, который входит в состав стандарта IEEE 802.11 и позволяет организовать иерархические беспроводные ad-hoc сети с мобильными и статическими узлами (mesh-сети). Основные особенности стандарта IEEE 802.11s и протоколы маршрутизации анализируются в публикациях Вишневского В., Лаконцева Д., Сафонова А., Шпилева С., и работе «IEEE 802.11S: the wlan mesh standard» [19, 20, 22]. В работе «Многоканальные mesh-сети: анализ подходов и оценка производительности» [21] проводится оценка производительности многоканальных беспроводных сетей mesh-стандарта IEEE 802.11s. В работе «Improving IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks for Reliable Routing in the Smart Grid Infrastructure» [23] авторы заняты усовершенствованием беспроводной mesh-сети стандарта 802.11s за счет модификации метрик, позволяющих оценить эффективность маршрута.
WSN (Wireless Sensor Networks) [4] - беспроводные сенсорные (телеметрические) сети, состоящие из малогабаритных сенсорных узлов с интегрированными функциями мониторинга определенных параметров окружающей среды, обработки и передачи данных по радиоканалам. Они могут, в зависимости от задачи, строиться как топологии mesh, ad-hoc так и MANET; автомобильные сети VANET (Vehicle Ad-hoc NETworks) - сети связи транспортных средств; и всевозможные гибриды вышеизложенного.
Беспроводные сенсорные сети, в частности, могут использоваться для предсказания отказа оборудования в аэрокосмических системах и автоматизации зданий. Из-за своей способности к самоорганизации, автономности и высокой отказоустойчивости такие сети активно применяются в системах безопасности и военных приложениях. Успешное применение беспроводных сенсорных сетей в медицине для мониторинга здоровья связано с разработкой биологических сенсоров совместимых с интегральными схемами сенсорных узлов. Но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ. Из-за отсутствия четкой стандартизации в сенсорных сетях, существует несколько различных платформ. Все платформы отвечают основным базовым требованиям к сенсорным сетям: малая потребляемая мощность, длительное время работы, маломощные приемопередатчики и наличие сенсоров. К основным платформам можно отнести MicaZ [30], TelosB [31], Intel Mote2 [32].
Основным стандартом передачи данных в сенсорных сетях является IEE 802.15.4, который специально был разработан для беспроводных сетей с маломощными приемо-передатчиками.
Никаких стандартов в области программного обеспечения в сенсорных сетях нет. Существует несколько сотен различных протоколов обработки и передачи данных, а также систем управления узлами.
Протоколы маршрутизации
В беспроводных сетях используются протоколы маршрутизации, которые по принципу работы можно разделить на [5]:
1. Проактивные или табличные (англ. proactive, table-driven). Периодически рассылают по сети служебные сообщения с информацией обо всех изменениях в ее топологии. Каждый узел строит таблицу маршрутизации,
67
откуда при необходимости передачи сообщения какому-либо узлу считывается маршрут к этому адресату.
2. Реактивные или работающие по запросу (англ. reactive, on-demand). Составляют маршруты до конкретных узлов лишь при возникновении необходимости в передаче им информации. Для этого узел-отправитель широковещательно рассылает по сети сообщение-запрос, которое должно дойти до узла-адресата.
3. Гибридные (англ. hybrid). Данные протоколы комбинируют механизмы проактивных и реактивных протоколов. Как правило, они разбивают сеть на множество подсетей, внутри которых функционирует проактивный протокол, а взаимодействие между ними осуществляется реактивными методами.
Проактивные протоколы. Один из наиболее применяемых проактивных протоколов OLSR (Optimized Link-State Routing) [6,7] основан на сборе и распространении служебной информации о состоянии сети. В результате обработки этой информации каждый узел может построить модель текущего состояния сети в виде формального описания графа, вершины которого ставятся в соответствие узлам сети, рёбра (или дуги) - линиям связи (линкам). Имея такой граф, любой узел может вычислить «длины» кратчайших путей до всех адресатов в сети и выбрать «оптимальный» маршрут, ведущий к любому конкретному узлу сети. Данный алгоритм хорошо реагирует на множество непредвиденных событий, к которым, прежде всего, следует отнести:
1. Спонтанные отказы/восстановления узлов и линий.
2. Повреждения и ремонт узлов сети.
3. Агрессивные воздействия «внешней среды», приводящие к блокировке отдельных элементов системы.
4. Подключения и отключения узлов и линий при оперативной передислокации абонентов.
Применение ресурса пропускной способности для служебного трафика протокола OLSR наиболее эффективно в сетях с высокой плотностью узлов. OLSR постоянно использует некоторый ресурс пропускной способности для служебного трафика.
В работе Чабанного А.А. [18] предлагается алгоритм построения оптимального маршрута от отправителя к получателю для беспроводных mesh-сетей на основе протокола маршрутизации OLSR. В предложенном алгоритме используется генетический алгоритм для нахождения оптимального маршрута.
Протокол DSDV [8, 9] основан на идее классического алгоритма маршрутизации Беллмана-Форда с некоторыми улучшениями. DSDV проактивный, дистанционно векторный алгоритм. Каждый узел поддерживает таблицу маршрутизации, в котором перечислены все доступные направления, количество маршрутизаторов («прыжков») до конечного пункта и номер версии. Узлы периодически передают свои таблицы маршрутизации ближайшим соседям. Узел также передает свою таблицу маршрутизации, если в ней произошло изменение с момента последнего отправленного обновления. Основная задача алгоритма в том, чтобы исключить возможность создания циклических маршрутов. Для минимизации объема трафика, протокол предусматривает обмен полными таблицами маршрутизации только при серьезных изменениях в топологии сети. В большинстве случаев отправляются более мелкие
68
дополнительные обновления. DSDV был одним из первых разработанных алгоритмов. Он вполне подходит для создания одноранговых сетей с малым количеством узлов. Было предложено много усовершенствованных вариантов этого алгоритма. Главным недостатком протоколов на базе DSDV является необходимость регулярной передачи служебной информации между узлами для обновления своих таблиц маршрутизации, что в условиях беспроводной сети ведет к увеличению расхода энергии батареи мобильного устройства и занимает часть полосы пропускания радиоканала, даже когда сеть не используется. Помимо этого, всякий раз, когда изменяется топология сети, создается новый порядковый номер для версии маршрутной информации. При очень динамичных сетях, возможно переполнение данного параметра, т.е. DSDV не подходит для сетей с быстро изменяющейся топологией.
Реактивные протоколы. Одним из первых протоколов реактивной маршрутизации для самоорганизующихся сетей является протокол DSR. DSR накапливает информацию о маршруте не в таблицах маршрутизации узлов, а непосредственно в пакете запроса. Основные механизмы DSR включают определение маршрута и его обслуживание. Эти два механизма работают совместно, чтобы определять и/или поддерживать маршруты в любую точку сети. При первоначальном определении маршрута пакеты отправляются по всем возможным направлениям и в заголовок добавляется информация о пройденном узле. В итоге по достижению цели, заголовок пакета содержит полностью сформированный маршрут между заданными узлами. В случае возникновения петель, т.е. повторного приема первого пакета, узел уничтожает данный пакет. Одним из основных недостатков данного протокола является неоправданное увеличение размера пакета при длинных маршрутах или больших адресов, таких как IPv6. На базе DSR, построено много протоколов, которые улучшают отдельные характеристики базовой версии, в том числе DSRFLOW. В данном протоколе для определения исходных маршрутов необходимо запоминать адреса каждого устройства между источником и узлом назначения во время первоначального построения маршрута. Накопленная информация о пути кэшируется промежуточными узлами, и в дальнейшем используется для маршрутизации пакетов. Для минимизации размера пакета, вместо полного маршрута в заголовок повторных пакетов помещается метка маршрута, которая используется для выбора кэшированного маршрута.
Другим вариантом классического дистанционно векторного протокола является AODV (англ. Ad-hoc On-Demand Distance Vector) [10, 11], основанный на DSDV и DSR. AODV использует другой механизм для актуализации маршрутной информации. Протокол строит таблицы маршрутизации на каждом узле сети для минимизации времени передачи информации между узлами и находит пути маршрутизации независимо от использования маршрутов. Первым шагом является построение таблиц маршрутизации на каждом узле. В таблице содержится длина кратчайшего пути к каждому узлу в сети через каждый соседний узел. На каждом следующем шаге каждый узел обменивается с соседними узлами информацией о каждом известном ему кратчайшем пути к каждому узлу сети. После некоторого количества шагов, зависящего от количества узлов в сети, таблицы маршрутизации на узлах перестают изменяться, после чего начинается передача данных по кратчайшему найденному пути. Протокол AODV, как и протокол DSR, создает маршруты по
69
необходимости. Тем не менее, AODV принимает традиционные таблицы маршрутизации. Однако используется одна запись на узел назначения, в отличие от DSR, в котором поддерживается несколько записей маршрута для каждого узла назначения. Как и DSDV, AODV предоставляет информацию о нарушении или изменении в сети и предоставляет альтернативные маршруты, но в отличие от DSDV, не требует глобальных периодических объявлений маршрутизации. Помимо уменьшения количества трансляций в результате разрыва линии связи, AODV также имеет и другие существенные особенности. Всякий раз, когда маршрут от источника к получателю доступен, дополнительные поля заголовка к пакетам не добавляются. Процесс обнаружения маршрута начинается, когда маршруты не используются и/или истекло время жизни. Еще одна отличительная черта AODV заключается в способности обеспечивать однонаправленную, групповую и широковещательную передачу данных.
В работе [27] представлено расширение протокола AODV с целью обнаружения и использования множественной связи в беспроводных mesh-сетях, т.е. связи по нескольким маршрутам одновременно. В результате экспериментов было установлено, что Multi-Link AODV (AODV-ML) обеспечивает повышение эффективности более чем на 100% по сравнению со стандартным multi-radio AODV по таким показателям как доставка пакетов, задержки и энергопотребление устройств.
В настоящее время разрабатывается аппаратная платформа для организации MANET сетей «МСР-Сеть» [12], использующая протоколы AODV и DSR.
Многофункциональная система радиосвязи МСР-Сеть представляет собой мобильную одноуровневую широкополосную локальную радиосеть типа MANET. Данная сеть реализует полностью децентрализованный тип управления мобильными абонентами (отсутствие какой-либо фиксированной инфраструктуры для передачи служебной информации).
Протоколы сетевого уровня: IPv6 (RFC 3513) (рис. 1), маршрутизация DSR (RFC 4728), AODV (RFC 3561). Метод множественного доступа канального уровня: CSMA/CA, ALOHA. Стандарт физического уровня: IEEE 802.15.4-2006/проприетарный, 2,4 ГГц ISM нелицензируемый диапазон частот, модуляция GFSK/FSK.
Рис. 1. Стек протоколов в технологии «МСР-Сеть»
70
Гибридные протоколы. Гибридный протокол маршрутизации HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) [13, 14] объединяет в себе два режима построения путей: реактивный и проактивный, которые могут быть
использованы как отдельно, так и одновременно в одной сети. При этом используются широковещательные пакеты. Протокол маршрутизации HWMP обязателен для всех устройств стандарта IEEE 802.11s, как протокол по умолчанию.
В крупных сетях это позволяет сократить размеры таблиц маршрутизации, которые ведут узлы сети, т.к. им необходимо знать точные маршруты лишь для узлов подсети, к которой они принадлежат. Также сокращается и объем рассылаемой по сети служебной информации, т.к. основная ее часть распространяется лишь в пределах подсетей. Недостатком гибридных протоколов являются относительная сложность реализации и снижение эффективности маршрутизации, связанные с необходимостью разбиения структуры сети на кластеры.
В статье «High throughput path selection for IEEE 802.11s based Wireless Mesh Networks» [28] авторы предлагают улучшить работу беспроводных mesh-сетей за счет применения другой метрики построения в протоколе маршрутизации Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP). Вместо Airtime link metric (ALM) предлагается использовать свою собственную метрику Expected Forwarding Delay (EFD), которая позволяет повысить пропускную способность сети.
В «HRP: A Hybrid Routing Protocol for Wireless Mesh Network» [29] предлагается гибридный протокол маршрутизации, который сочетает в себе преимущества реактивных и проактивных протоколов маршрутизации. В качестве основы разрабатываемого протокола используют уже существующие протоколы. Для проактивной маршрутизации предлагается использовать процедуру поиска маршрута в области действия mesh-маршрутизатора протокола Destination Sequenced Distance Vector (DSDV). В качестве реактивного протокола используется Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV), в котором имеется простая реализация механизма вычисления полного маршрута и предоставления его запрашивающему узлу.
Протоколы геомаршрутизации. В отдельную группу протоколов маршрутизации MANET можно выделить протоколы, использующие данные о местоположении абонентов сети. Следует отметить, что в соответствии с приказом №92 Минкомсвязи России от 03.05.2011 г. оборудование беспроводной передачи данных подлежит оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS [15]. К основным преимуществам протоколов геомаршрутизации можно отнести отсутствие необходимости в хранении маршрутной информации на транзитных узлах и возможность оптимизации маршрутов, исходя из имеющейся информации о местоположении узлов [16].
Протоколы маршрутизации MANET должны, по возможности, минимизировать время построения маршрута и время задержки доставки пакетов, максимизировать коэффициент доставки пакетов, рассылать как можно меньший объем служебной информации, и справляться с увеличением нагрузки при добавлении узлов.
71
Для обеспечения этих требований протоколы геомаршрутизации используют различные стратегии поиска маршрутов.
Протокол геомаршрутизации GAF (Geographic adaptive fidelity) [17] формирует виртуальную сетку покрытой области. Каждый узел ассоциирует себя с ближайшим пунктом на виртуальной сетке. Узлы, связанные с тем же самым пунктом на сетке, считаются эквивалентными с точки зрения стоимости маршрутизации. Такой подход может существенно увеличить время жизни сети при увеличении числа узлов. Узлы могут менять свое состояние от спящего к активному для балансировки нагрузки. Определены три состояния: "состояние обнаружения" для определения соседей в сетке, "активное состояние" предполагает участие в маршрутизации, а также "спящий режим". Продолжительность спящего режима зависит от приложения. Каждый узел в сетке оценивает свое время выхода из сетки и посылает его своим соседям. Спящие соседние узлы корректируют свое время сна для того, чтобы сохранить актуальность маршрутной информации. Прежде, чем наступит время выхода узла из активного режима, один из соседних спящих узлов просыпается и становится активным. GAF всегда сохраняет сеть связанной, держа один из узлов в активном состоянии для каждой области на виртуальной сетке. Результаты моделирования показывают, что GAF работает по крайней мере так же как другие распространенные Ad-hoc протоколы маршрутизации с точки зрения задержки и потери пакетов при одновременном увеличении срока службы сетей за счет экономии энергии.
Как и другие геопротоколы, GPSR использует информацию о расположении узла для определения маршрута при пересылке пакетов [24]. Пересылка осуществляется на основе жадной стратегии. Процесс ретрансляции пакетов промежуточными узлами продолжается до достижения пункта назначения. В некоторых случаях такая стратегия может приводить к ошибкам. Для исключения подобных ошибок может применяться "правило правой руки". Текущий узел, при отсутствии соседа, более близкого к узлу-приемнику, передает пакеты первому соседу, двигаясь против часовой стрелки. С увеличением подвижности узлов сети интервал рассылки служебных пакетов с геоданными, позволяющими держать таблицы маршрутизации в актуальном состоянии, должен быть уменьшен; однако, это приводит к большим накладным расходам. Чтобы уменьшить накладные расходы, информация о местоположении узла отправителя передается с пакетами данных.
Один из наиболее используемых протоколов географической маршрутизации - The Location-Aided Routing (LAR) [25, 26] основан на использовании маршрута узла-источника. Протокол использует информацию о местоположении для ограничения области (зоны запроса), где производится поиск маршрута. Как следствие, количество сообщений о запросе искомого маршрута сокращается. LAR обеспечивает две схемы для определения зоны запроса.
Схема 1. Источник оценивает искомую область, в которой ожидается установление соединения за определенное время. Зоной запроса является наименьшая прямоугольная область, которая включает узел-приемник и узелисточник. Во время рассылки служебных пакетов с запросом маршрута, сообщения с ответами отправляют только узлы, находящиеся в зоне запроса.
Схема 2. Источник вычисляет расстояние до пункта назначения. Это расстояние, наряду с местоположением получателя, включается в сообщение
72
запроса маршрута и рассылается соседям. Когда узел получает запрос, он вычисляет свое расстояние до получателя. Узел передает сообщение запроса маршрута дальше только в том случае, если его расстояние до узла назначения меньше или равно расстоянию, включенному в сообщение запроса. Прежде, чем узел передает запрос, он обновляет данные о расстоянии в сообщении запроса маршрута, записывая в него собственные данные.
Предполагается, что все узлы оснащены приемниками системы мобильного позиционирования (GPS, ГЛОНАСС) и могут определить свое географическое положение. Между мобильными объектами в сети происходит постоянный обмен информацией о местоположении друг друга.
Касательно существующих разработок и исследований в этой области, можно сказать следующее - наибольшее практическое применение нашли mesh-сети, в то время как класс MANET пока что находится на стадии доработки. Тема достаточно прогрессивно развивается за рубежом, о чем свидетельствует статистика в отчетах о поиске, и недостаточно раскрыта в нашей стране. Таким образом, на сегодняшний день эффективность организации MANET с высокой степенью мобильности узлов и относительно большим количеством участников низка относительно скорости доставки и коэффициента доставки пакетов данных.
Заключение
Таким образом, на сегодняшний день существует множество проблем в области создания беспроводных самоорганизующихся сетей с переменной топологией. Одной из главных является проблема маршрутизации.
Каждый тип протоколов маршрутизации потенциально имеет свои преимущества и недостатки при различных условиях (плотности узлов и скорости перемещения) использования в рамках мобильных Ad-hoc сетей. Например, проактивные протоколы обладают явным преимуществом перед реактивными по времени построения маршрута. У проактивных протоколов этот процесс, происходит заранее, и требуется лишь считать маршрут из таблицы, тогда как реактивным протоколам необходимо разослать широковещательный запрос и дождаться подтверждения от адресата. Однако проактивным протоколам необходимо постоянно осуществлять широковещательные рассылки, на что может расходоваться значительная доля пропускной способности сети, особенно в сетях с большим количеством и высокой мобильностью узлов. К недостаткам гибридных протоколов следует отнести относительную сложность реализации и снижение эффективности маршрутизации, связанные с необходимостью разбиения структуры сети на кластеры.
В настоящее время опубликовано немного русскоязычных работ о маршрутизации в беспроводных сетях. В то же время, существует множество работ зарубежных исследователей, посвященных данной теме. Однако следует отметить, что существующие зарубежные технологии передачи данных, такие как Wi-Fi и ZigBee, уступают разработанной отечественной системе радиосвязи МСР-Сеть, созданной специально для сетей типа MANET.
Таким образом, разработка собственных и совершенствование существующих алгоритмов маршрутизации с целью повышения эффективности передачи данных, является актуальной задачей.
73
Литература
1. MANET /Материал из Википедии - свободной энциклопедии. - Режим доступа: https: //ru .wikipedia.org/wiki/MANET
2. Ячеистая топология /Материал из Википедии - свободной энциклопедии.
- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Ячеистая топология
3. Беспроводные компьютерные сети Wi-Fi. - Режим доступа: http://www.vemex.ru/main/20060416
4. Определение сенсорных сетей.- Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/95011/
5. Казаков, М.Ф. Построение самоорганизующейся сети мобильных устройств / М.Ф. Казаков // Молодежь и наука: сборник материалов Х Юбилейной Всероссийской научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 80-летию образования Красноярского края . - Красноярск: Сиб. федер. ун-т., 2014. - С. 13-17.
6. Стандарт протокола OLSR. - Режим доступа: http://www.ietf.org/rfc/rfc3626.txt
7. OLSR / Материал из Википедии - свободной энциклопедии.
- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/OLSR
8. Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV). Материал из Википедии — свободной энциклопедии. - Режим доступа:
http: //en .wikipedia.org/wiki/Destination-Sequenced_Distance_V ector_routing
9. Perkins, C.E. Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector (DSDV) for Mobile Computers /C.E. Perkins, P. Bhagwat //Proc.ACM Conf. Communications Architectures and Protocol, London, UK, August 1994.- Р.234-244.
10. AODV Description. - Режим доступа: http://moment.cs.ucsb.edu/AODV
11. Gupta, A.K. Performance analysis of AODV, DSR & TORA Routing Protocols / A.K. Gupta, H. Sadawarti, A.K. Verma // IACSIT International Journal of Engineering and Technology, vol.2, April 2010.
12. Многофункциональная мобильная самоорганизующаяся сеть типа MANET 2,4 ГГц МСР-Сеть. - Режим доступа: http://uwbs.ru/products/manet/
13. Mesh-сети стандарта IEEE 802.11s: Протоколы маршрутизации / В.Виш-невский и др. // Первая Миля, январь, 2009.
14. Singh1, M. Non-root-based Hybrid Wireless Mesh Protocol for Wireless Mesh Networks / M. Singh1, Song-Gon Lee, HoonJae Lee // International Journal of Smart Home Vol.7, No.2, March, 2013. - P.71-83
15. Об определении видов технических средств и систем, подлежащих оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS. - Режим доступа: http://minsvyaz.ru/ru/doc/?id_4=618
16. Boukerche, A. Algorithms and protocols for wireless, mobile ad hoc networks / A. Boukerche // New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2009. - 495 p.
17. Xu, Y. Geography-informed energy conservation for ad hoc routing / Y. Xu,
J.S. Heidemann, D. Estrin // In Proceedings of ACM MobiCom, 2001. - P.70-84.
18. Чабанный, А.А. Исследование протоколов и улучшение систем маршрутизации в Wireless Mesh Networks / А.А. Чабанный // Автоматизащя техно-лопчних об’екпв та процетв. Пошук молодих. Збiрник наукових праць XII науково-техшчно! конференци асшранпв та студенпв в м. Донецьку 17-20 квггня 2012 р. - Донецьк, ДонНТУ, 2012.
74
19. Маршрутизация в широкополосных беспроводных mesh-сетях стандарта IEEE 802.11s / Вишневский В. и др. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. -2008. - C.64-69.
20. Mesh-сети стандарта IEEE 802.11s - технологии и реализация / Вишневский В. и др. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2008. - C.98-105.
21. Ляхов, А.И. Многоканальные mesh-сети: анализ подходов и оценка
производительности / А.И. Ляхов, И.А. Пустогаров, С.А. Шпилев // Информационные процессы. - 2008. -Т.8, № 3. - C.173-192.
22. Hiertz, Guido R. IEEE 802.11S: the wlan mesh standard / Guido R. Hiertz, Dee Denteneer, Sebastian Max. // IEEE Wireless Communications. - February, 2010.
- P.104-111.
23. Improving IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks for Reliable Routing in the Smart Grid Infrastructure / Ji-Sun Jung, Keun-Woo Lim, Jae-Beom Kim, Young-Bae Ko. // Science and Technology. - 2010.
24. Karp, B. GPSR: Greedy perimeter stateless routing for wireless networks / B. Karp, H. T. Kung // In Proceedings of the 6th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom '00). - ACM Press, New York, 2000.
- P.243-254.
25. Ko, Y. Aided Routing (LAR) in mobile ad-hoc networks / Y. Ko, N. Vaidya // In Proceedings of the ACM MOBICOM. - 1998. - P.66-75.
26. Ko, Y. Location-Aided Routing (LAR) in mobile ad-hoc networks / Y.Ko, N. Vaidya // Wireless Networks. - 2000. - Vol.6, №4. - P.307-321.
27. Pirzada, А.А. Multi-Linked AODV Routing Protocol for Wireless Mesh Networks /А.А. Pirzada, R. Wishart, M. Portmann //Global Telecommunications Conference, 2007. GLOBECOM '07. IEEE. -P.4925-4930.
28. Md. Shariful Islam High throughput path selection for IEEE 802.11s based Wireless Mesh Networks / Md. Shariful Islam, Muhammad Mahbub, M. Abdul Hamid // Computer communication networks: network protocols. - Kprea. - 2010.
29. Chahidi, B. Hybrid Routing Protocol for Wireless Mesh Network / Badr Chahidi, Abdallah Ezzati // International Journal of Computer Science Issues. - Vol.9, Issue 2, No 1, March, 2012. - P.490-494.
30. MICAz - Capsil Wiki. - Режим доступа: http://capsil.org/capsilwiki/index.php/MICAz
31. Telosb mote platform. - Режим доступа: http://www.memsic.com/userfiles/files/Datasheets/WSN/telosb_datasheet.pdf
32. IntelMote2 - TinyOS Wiki. - Режим доступа: http://tinyos.stanford.edu/tinyos-wiki/index.php/Imote2
Сведения об авторах
Павлов Алексей Андреевич - аспирант, стажер-исследователь,
е-mail: nuklius 1 @rambler. ru
Aleksey A. Pavlov - graduate student, research assistant
Датьев Игорь Олегович - к.т.н., научный сотрудник,
е-mail: datyev@iimm.ru
Igor O. Datyev - Ph.D. (Tech. Sci.), researcher
75

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх