CC BY
175
АРХИТЕКТУРА И ГИБРИДНЫЙ ПРОТОКОЛ МАРШРУТИЗАЦИИ ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ ЯЧЕИСТЫХ СЕТЕЙ НА БАЗЕ СТАНДАРТА IEEE
802.11S
Дугаев Дмитрий Александрович
аспирант Сибирского Государственного Университета Телекоммуникаций и
Информатики, г. Новосибирск E-mail: dugdmitry@yandex.ru
ARCHITECTURE AND HYBRID ROUTING PROTOCOL FOR WIRELESS MESH NETWORKS BASED ON IEEE 802.11S
Dmitry Dugaev
graduate student Siberian State University of Telecommunications and Information
Sciences, Novosibirsk
АННОТАЦИЯ
В последнее время все большую популярность приобретает концепция беспроводных ячеистых сетей (WMN — Wireless Mesh Networks). В рамках статьи будет произведен обзор стандарта 802.11s, позволяющего формировать беспроводные ячеистые сети на основе Wi-Fi устройств. Данная работа представляет собой обобщенное описание архитектуры сети, особенностей функционирования и принципов маршрутизации в 802.11s, выполненное на основе изучения российских [4] и зарубежных работ [1—3] по данной тематике.
ABSTRACT
Recently, the concept of Wireless Mesh Networks (WMN) is getting more and more popular. In this paper, the author will provide a survey of IEEE standard 802.11s, which allows forming a Wireless Mesh Network structure based on Wi-Fi compatible devices. The article represents a general description of network architecture, functioning aspects and routing techniques in 802.11s, which is performed based on investigating Russian [4] and foreign works [1—3] on the corresponding topic.
Ключевые слова: беспроводные ячеистые сети (WMN); стандарт 802.11s; реактивный и проактивный режимы маршрутизации; протокол HWMP.
Keywords: wireless mesh networks (WMN); 802.11s standard; reactive and proactive routing modes; HWMP protocol.
Стандарт 802.11s. Основные цели и задачи.
Стандарт IEEE 802.11s нацелен, прежде всего, на оптимизацию маршрутов в сетях с беспроводной ячеистой топологией, а также на интегрирование возможностей WMN в существующие сети 802.11 на MAC уровне [4]. Поэтому, основными целями стандарта 802.11s являются:
• создание беспроводной системы распределения (wireless distribution system) с автоматическим обновлением топологии и конфигурацией пути/маршрута;
• создание сетей небольших размеров (около 32 узлов);
• осуществление динамической маршрутизации с возможностью передачи данных по одному, или множеству маршрутов (broadcast и unicast пакеты);
• обеспечение последующей расширяемости сети;
• обеспечение совместимости с протоколами более высокого уровня.
Рисунок 1. Архитектура WMN сети на базе 802.11s
Структура сети WMN на базе стандарта 802.11s изображена на рисунке 1. Она состоит из четырех классов устройств [2]: 1. Mesh Point (MP):
Узел ячеистой сети, выполняющий функции маршрутизации и передачи пакетов по ячеистой топологии.
2. Mesh Access Point (MAP):
Узел ячеистой сети с функцией точки доступа (AP), что позволяет различным беспроводным устройствам, поддерживающим стандарт 802.11, подключаться к WMN.
3. Mesh Portal (MPP):
Граничный узел сети (шлюз), который позволяет связать ячеистую сеть с внешней проводной или беспроводной сетью (External Network).
4. Stations (STA):
Беспроводные устройства с поддержкой стандарта 802.11, которые подключаются к MAP.
Маршрутизация в сетях 802.11s.
Существуют три основных типа протоколов маршрутизации, которые могут быть использованы в WMN: реактивные, проактивные и гибридные [4]. Основное различие между ними заключается во времени установления пути/маршрута между двумя узлами. В протоколах с реактивным режимом маршрутизации, путь до узла назначения устанавливается в момент необходимости передачи данных, тогда как в проактивных протоколах, маршруты практически до всех узлов уже заложены и есть в маршрутной таблице. Гибридные протоколы, такие как HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol — о нем подробнее будет сказано ниже) умеют работать в обоих режимах — реактивном и проактивном.
Очевидно, что эти режимы имеют свои достоинства и недостатки. Проактивные протоколы могут обеспечить минимальное время установления маршрута, но требуют наличия определённых вычислительных ресурсов и, кроме того, могут нагружать всю сеть служебными пакетами. Реактивные протоколы могут быть использованы в сетях с динамической топологией. Они используют меньше вычислительных ресурсов, но требуют больше времени на установление маршрута.
Поэтому, в сетях WMN с относительно стабильной топологией по сравнению с классическими ad-hoc сетями, более привлекательно выглядят проактивные (RA-OLSR) и гибридные (HWMP) протоколы маршрутизации [1].
Метрики и профили.
В стандарте используется механизм профилей. Он необходим для обеспечения совместимости устройств с различными технологиями от различных производителей. Формат профиля имеет следующий вид: {идентификатор профиля; идентификатор протокола маршрутизации; идентификатор метрики}. Обязательным является использование протокола маршрутизации HWMP и метрики Airtime Link Metric [1]. Однако стандарт даёт возможность производителям использовать другие протоколы и метрики, или разрабатывать свои проприетарные протоколы маршрутизации.
В качестве Airtime Link Metric используется время передачи пакета до соседнего узла, которое вычисляется по формуле [1]:
где: О — константа, определяющая время доступа к каналу в зависимости от физической реализации (802.11а, 802.11Ь);
Бг — число битов в тестовом пакете (8192); г — скорость передачи данных в канале (Мбит/с);
— вероятность возникновения ошибки в тестовом пакете (измеряется экспериментально на пакетах длиной Вг ) [4].
При условии, что ошибки в пакете возникают независимо друг от друга, то вероятность возникновения ошибки е£ можно вычислить следующим образом:
(1)
ef=\-{\-pj *пр(
o
где: po — вероятность возникновения битовой ошибки при передаче;
n — число передаваемых бит в пакете.
Эта метрика представляет собой оценку времени передачи (в секундах) пробного пакета длиной Bt с учётом возможных ретрансляций при потерях в канале. Способ определения параметров г и ef в стандарте не приводится, однако можно предположить, что для этого должна использоваться периодическая рассылка пробных пакетов длиной Bt = 8192 бит [4].
Протокол маршрутизации HWMP.
Протокол HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) является гибридным протоколом, так как может работать как в реактивном, так и в проактивном режимах маршрутизации.
а) б)
^- Установленный <---► Проактивный путь
р. маршрут , > Установленный путь
Рисунок 2. Пример построения маршрута от узла 4 до узла 9 в реактивном
(а) и проактивном (б) режимах
В реактивном режиме, маршрутные таблицы создаются в mesh-узлах непосредственно перед передачей (по запросу RREQ). Перед началом передачи, узел-отправитель формирует широковещательный запрос Path Request (RREQ) ко всем соседним узлам, которые, в свою очередь вносят необходимые изменение в поле метрики, и посылают данный запрос далее. Узел-получатель принимает пакет RREQ с уже сформировавшейся информацией о метрике всего пути, и формирует пакет подтверждения Path Reply (RREP), который отсылает
отправителю. Отправитель, приняв пакет RREP, считывает информацию о метрики пути и принимает решение о начале процесса передачи (рисунок 2а).
В отличие от реактивного режима, где таблица маршрутизации создаётся в момент необходимости передачи информации, проактивный режим предусматривает наличие корневого mesh-узла. Данный корневой узел рассылает широковещательные RREQ запросы, тем самым формируя дерево путей с вершиной в корневом узле. Таким образом, на момент необходимости передачи информации, mesh-узлы уже имеют таблицу маршрутизации, что позволяет быстрее установить соединение с узлом назначения (рисунок 2б). Заключение.
Концепция беспроводной ячеистой сети является перспективным направлением в развитии беспроводных сетей, так как она позволяет на практике реализовать преимущества именно ячеистой топологии (высокая надёжность, гибкость, расширяемость). Основные преимущества WMN, прежде всего, заключаются в их быстром и дешёвом развёртывании, обеспечении высокой пропускной способностью, мобильности конечного пользователя, а также в совместимости с действующими стандартами WLAN 802.11.
Список литературы:
1. IEEE 802.11s Multihop MAC: A Tutorial Ricardo C. Carrano, Luiz C.S. Magalhaes, Debora C. Muchaluat Saade and Celio V.N. Albuquerque, IEEE Communications Surveys and Tutorials Volume 13, Number 1, First Quarter 2011.
2. IEEE 802.11s: The WLAN Mesh Standard Guido Hiertz, Dee Denteneer, Sebastian Max, Rakesh Taori, Javier Cardona, Lars Berlemann, Bernhard Walke, IEEE Wireless Communications, — vol. 17, № 1, — pp. 104—111, — 2010.
3. IEEE P802.11s/D1.00. Amendment: Mesh Networking. IEEE, 2006.
4. Вишневский В., Д. Лаконцев, А. Сафонов, С.Шпилев, mesh-сети стандарта IEEE 802.11s: протоколы маршрутизации, Первая миля, — 2008, — № 2— 3, — с. 26—31.
