CC BY
101
УДК 004.057.4 Д.И. Иовлев
Выбор модели TCP для сетей MANET.
Влияние одноуровневого принципа организации сетей
на протокол TCP
Представлены результаты эксперимента по выбору модели управления нагрузкой и результаты исследования влияния одноуровневого принципа организации беспроводных мобильных ad hoc сетей на пропускную способность соединения TCP. Выявлена зависимость между длиной маршрута и его пропускной способностью. Все результаты получены путем имитационного моделирования.
Ключевые слова: протокол TCP, беспроводные ad hoc сети.
Среди всевозможных приложений и сервисов, запускаемых на мобильных устройствах, сетевые соединения и сервисы передачи данных являются самыми часто используемыми. В основном все это осуществляется посредством неподвижных инфраструктур. Но далеко не везде есть возможность организовать сеть на подобных структурах. Данную проблему могут решить мобильные ad hoc сети [1, 2].
MANET - автономная беспроводная сетевая система специального назначения, состоящая из независимых узлов, которые могут свободно перемещаться в произвольном направлении, тем самым динамически изменяя связанность в сети. В отличие от проводных и сотовых сетей, в MANET отсутствуют фиксированная инфраструктура и центральное управление сетью [1-3]. Она может быть сформирована где угодно, в любое время, произвольным количеством узлов (от 2 и более). Уз -лы могут сообщаться либо напрямую, если они находятся в радиодиапазоне друг друга, либо посредством промежуточных узлов, и каждый из них может быть одновременно и конечной точкой передачи, и маршрутизатором [4, 5].
Сети MANET подходят для применения в боевых действиях, спасательных операциях и других ситуациях, где не является возможным использование развернутой сетевой инфраструктуры [1-5, 6].
В таких ситуациях необходима возможность передачи данных с гарантией доставки. Для современных сетей такой сервис обеспечивает протокол TCP - протокол потоковой передачи данных с пакетной коммутацией. Изначально он предназначался для работы в сетях с низким уровнем потерь и фиксированной или слабо изменяющейся топологией, что естественно для проводных сетей [7, 8].
Для исследования поведения протокола TCP в сетях MANET необходимо выбрать одну из многих его моделей управления нагрузкой.
Метод исследования. В исследовании использовалось имитационное моделирование на основе дискретно-событийного подхода, т.е. симулирование сетей MANET. Такой метод позволяет исследовать и разрабатывать собственные сетевые протоколы. NS-3 является одним из лучших событийно-дискретных симуляторов с возможностями моделирования MANET, исследования и разработки новых протоколов [9, 10].
Результаты данной статьи получены с помощью симулятора NS-3.22. Основные параметры симулируемой модели:
• узлы: мобильные;
• физический и канальный уровень:
o стандарт: 802.11a;
o модуляция: OFDM;
o пропускная способность: 54 Мбит/с, half-duplex;
o радиус зоны видимости: 250 м;
o количество повторных передач пакета на MAC уровне: 5;
o вместимость очереди MAC уровня: 600 пакетов;
• сетевой уровень: IPv4;
• маршрутизация: AODV;
• параметры TCP: o MSS: 1448 байт;
o DelAckCount: 2;
o DelAckTimeout: 200 мс;
• приложения:
o использующие UDP-протокол;
o использующие TCP-протокол:
• количество: 2, клиент и сервер;
• направление передачи: одностороннее, от клиента к серверу;
• скорость передачи: 27 Мбит/с.
Остальные параметры (количество узлов, их начальное положение, скорость, количество приложений UDP и их скорость передачи, длительность симулируемого периода) задаются в зависимости от эксперимента.
Протокол UDP позволяет создать дополнительную фиксированную нагрузку на сеть.
В каждом эксперименте производился сбор следующих данных: изменения мгновенной скорости передачи; общее количество переданных данных. При планировании и обработке результатов эксперимента использовались рекомендации, изложенные в [11].
Выбор модели управления нагрузкой. Так как модели управления нагрузкой не меняют принципов протокола TCP, то для дальнейших исследований экспериментальным путем выбран только один вариант механизма управления нагрузкой.
Был проведен эксперимент, в котором сеть состояла из 15 узлов. На 7 из них были запущены приложения, передающие данные через UDP со скоростью 1 Мбит/с. Для каждого из вариантов было произведено по 10 запусков симуляции с различным шаблоном движения узлов.
Результатом каждой симуляции является количество байт, успешно переданное от клиента к серверу. Из 10 результатов для каждой модели было получено среднее значение (рис. 1).
1.40E+0S
1.20Е+08
_
| 1,00Е+08
=t
-
I 8.00Е+07
If
&io
= 6,ООП 107
ей
и
| 4.00Е+07
§ "
М
2,00Е+07
0.00Е+00
* ^ / * ^
Рис. 1. Сравнение вариантов механизмов управления нагрузкой
Сравнивания полученные результаты можно заметить, что с помощью механизма NewReno было передано в среднем больше данных. Было определено, что основная проблема протокола TCP связана с восстановлением активности после возникновения переходящих процессов в сети. Это можно увидеть на примере моделей BIC, CUBIC, Highspeed, Illinois, Yeah моделей (рис. 2). Так как для разных моделей паузы в передаче данных наблюдаются в разные промежутки времени, можно сделать вывод, что путь от пункта отправления до пункта назначения существует на протяжении всего симулируемого периода. Меняется только его длина, что и вызывает «разрыв» в потоке данных.
Время (с)
Рис. 2. Сравнение динамики скорости передачи данных
В то же время модель NewReno показывает относительную стабильность в работе, хотя в динамике наблюдаются сильные перепады (рис. 2). Исходя из полученных результатов, данная модель будет использоваться в будущих экспериментах.
При резком изменении мгновенной скорости передачи она устанавливалась приблизительно на одних и тех же уровнях (рис. 3). Данное явление связано с изменением длины маршрута.
Рис. 3. Уровни скорости передачи данных в соединении TCP: горизонтальными линиями
обозначены уровни скорости передачи при неизменной длине маршрута
Влияние длины маршрута на пропускную способность TCP соединения. В ходе проведения эксперимента была использована симуляционная модель с неподвижными узлами, выстроенными в линию (топология «цепь»). Клиент и сервер установлены на оконечных узлах данной цепочки. Посторонний трафик в сети отсутствовал.
На рис. 4 представлена пропускная способность TCP соединения в зависимости от количества хопов в маршруте. Она уменьшается вдвое с добавлением одного промежуточного узла и стабилизируется с дальнейшим увеличением количества хопов.
Рис. 4. Пропускная способность TCP соединения в зависимости от длины пути
Время (с)
25
01_I_I_I_I_I_I_I_I_I_L
О 2 4 6 8 10
Длина маршрута (хопы)
Основной причиной происходящего являются особенности физики 802.11. Пусть имеется простая сеть, состоящая из 5 узлов, которая представлена на рис. 5. Так как беспроводное устройство не может в одно и то же время передавать и принимать, то в данной сети одновременно могут быть активными только две связи: 1-2 и 4-5. Связь 2-3 не может быть активна, так как узел 2 не способен одновременно передавать и принимать сигнал, а связь 3-4 не может быть активна, потому что сигнал 3-го узла может повлиять на работу 2-го.
------- зона радиовидимости узла
Рис. 5. Многохоповая сеть топологии «цепь»
Пропускную способность маршрута, состоящего из n хопов, можно вычислить по следующей формуле:
S \B / n,1 < n < 3;
[ B/3,n>3.
где S - пропускная способность соединения; B - пропускная способность канала в одну сторону.
Приведенная формула не является точной, так как на канальном уровне в обратном направлении одного хопа передаются подтверждения об успешном получении пакета. Для TCP соединения наблюдается еще меньшее соответствие, так как в нем на скорость передачи влияет обратный поток ACK сегментов, который занимает часть пропускной способности канала. Более подробное исследование данной проблемы представлено в статье [12].
Заключение. Установлено, что с помощью модели управления нагрузкой NewReno по протоколу TCP в среднем можно передать больший объем данных, чем с использованием других моделей, в условиях сетей MANET. Также эксперимент показал, что данные в соединении TCP передаются с нестабильной скоростью и с периодическими паузами (см. рис. 3, 4). Данное явление связано с меняющейся топологией и нестабильным каналом связи в беспроводных мобильных ad hoc сетях.
Выявлена зависимость между пропускной способностью маршрута и его длиной.
Исследование поддержано проектом 7.701.2011 (НИР 1/12 темплана ТУСУРа) по Госзаданию Министерства образования и науки.
Литература
1. Mohit K. An overview of MANET: History, Challenges and Applications / K. Mohit, M. Rashmi // Indian Journal of Computer Science and Engineering (IJCSE). - Feb.-Mar. 2012. - Vol. 3, № 1. - P. 121-125.
2. Radhika R.R. Handbook of mobile ad hoc networks for mobility models. - USA: Springer, 2011. -1169 с.
3. Basagni S. Mobile ad hoc networking / S. Basagni, M. Conti, S. Giordano, I. Stojmenovic. - Wiley-IEEE Press, 2004. - 461 p.
4. Toor Y. Vehicle ad hoc networks: applications and related technical issues / Y. Toor, P. Muhlethaler, A. Laouiti // Communications Surveys & Tutorials, IEEE. - 2008. - Vol. 10. - P. 74-88.
5. Дмитриев В.Н. Системы связи с динамической топологией сети / В.Н. Дмитриев, А. А. Сорокин, О.Н. Пищин // Инфокоммуникационные системы и технологии: проблемы и перспективы. -СПб.: Изд-во Политех. ун-та, 2007. - С. 59-118.
6. Разгуляев Л. Перспективные мобильные адаптивные сети передачи информации для СВ США // Зарубежное военное обозрение. - 2008. - № 1. - С. 35-39.
7. Gerla M. TCP performance in wireless multi-hop networks / M. Gerla, K. Tang, R. Bagrodia // Mobile Computing Systems and Applications. Proceedings of IEEE WMCSA'99. - New Orleans, LA, February 1999. - P. 41-50.
8. Devaraj S.A. Comparative analysis of random based mobility models using TCP variant in MA-NETs / S.A. Devaraj, R.H.V. Anita, J.J. Christa // Communication and Network Technologies (ICCNT), 2014 International Conference. - Sivakasi, 2014. - P. 324-329.
9. Романов С. В. Симуляторы беспроводных MANET-сетей / А.Н. Жолобов, Д.Е. Прозоров, С.В. Романов // Инфокоммуникационные технологии. - 2012. - № 3. - С. 28-33.
10. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: в 2 ч. - М.: Наука, 1992. -Ч. 1. - 336 с.
11. Кориков А.М. Эксперимент в научном исследовании // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2015. - № 2 (36). - С. 148-154.
12. Caro G.D. AntHocNet: An ant-based hybrid routing algorithm for mobile ad hoc networks / G.D. Caro, F. Ducatelle, L.M. Gambardella // Proceedings of Parallel Problem Solving from Nature VIII, LNCS 3242. - 2004. - P. 461-470.
Иовлев Денис Игоревич
Аспирант каф. автоматизированных систем ТУСУРа
Тел.: 8-923-422-92-05
Эл. почта: prodenx@t-sk.ru
Iovlev D.I.
TCP variants comparison in MANET. Influence of single-level organization of network on TCP
Results of experiment at the TCP variants comparison and research results of influence of the single-level organization principle of wireless mobile ad hoc networks on the TCP connection throughput are presented. Dependence between length of a route and its throughput is revealed. Keywords: TCP protocol, ad hoc, networks, wireless.
