CC BY
64
УДК 004.72
Использование телекоммуникационным модулем сопряжения в MESH-сетях
Кручинин Сергей Владимирович, гл.н.с., ООО «ВЭЛБОРН»
Аннотация. MESH-сети прекрасно обеспечивают бесшовную работы при изменении топологии сети на сетевом уровне, благодаря использованию таких протоколов, как AODV и OLSR. При этом сохранение сессий в сеансово-транспортных, транспортных и прикладных протоколах не обеспечивается. В частности, используемые в настоящее время протоколы, такие как HTTP, TCP, IEEE 802.11 не позволяют осуществлять бесшовное взаимодействие при изменении топологии сети, что выражается в разрывах соединений, установленных на сеансовом и прикладном уровне. Данные проблемы частично учтены в таких протоколах, как QUIC, HTTP/2, SPDY, SCTP. Тем не менее, вопрос бесшовного взаимодействия на каждом из уровней модели OSI/ISO в полной мере еще не решен. Проблема усугубляется при работе в MESH-сетях. В статье показана реализация бесшовного взаимодействия на уровне сеансовых и прикладных протоколов при использовании телекоммуникационного модуля сопряжения в MESH-сетях.
Ключевые слова: радиосеть, проводная сеть, MESH-сеть, TCP, тоннелирование.
Usage telecommunications interface module for MESH-
network
Kruchinin Sergei Vladimirovich, chief research engineer, Wellborn
LLC.
Abstract. Currently used protocols such as HTTP, TCP, IEEE 802.11 does not allow for seamless interaction with the network topology changes, resulting in rupture of connections established at the session and application level. These problems are partially addressed in such protocols as QUIC, HTTP / 2, SPDY, SCTP. Nevertheless, the question of seamless interaction at each level of OSI / ISO model has not yet been
fully resolved. The problem is exacerbated when operating in MESH-networks. The article shows the implementation of seamless cooperation at the level of session and application protocols using the telecommunications module interface in the MESH-network..
Keywords: wireless network, wire network, MESH, TCP, tunnelling.
Введение. Протоколы AODV и OLSR позволяют осуществлять бесшовное взаимодействие на сетевом уровне благодаря динамическому (AODV) и превентивному (OLSR) поиску пути.
При этом будет осуществляться сохранение сессий и на вышестоящих уровнях. С другой стороны, полноценная MESH-сеть должна предусматривать и двухуровневую топологию,
когда в качестве узла MESH-сети выступает не отдельный узел, но целая подсеть. В таком случае, при перемещении объекта из подсети в подсеть, бесшовное взаимодействие уже не обеспечивается.
Более того, даже в общем случае перемена протокола канального уровня приводит к потере TCP-сессии. Так наиболее часто используемый протокол HTTP (в т.ч. и в виде HTTPS, будучи инкапуслирован в TLS-соединение на сеансовом уровне модели OSI/ISO) обладает рядом недостатков, таких как установка множества соединений на каждый веб-ресурс (клиент получает HTML-документ на прикладном уровне, откуда извлекаются ссылки на ресурсы MIME-типов: application/javascript, text/ess, image/jpeg на уровне представления), соответственно для каждого документа создается HTTP-соединение (прикладной уровень), использующее TLS (в случае использования шифрованного соединения, на сеансовом уровне), и, соответственно ТСР-сессию. Отсюда получаем столько сессий, сколько ресурсов упомянуто в HTML. Данную проблему позволяют решить
протоколы НТТР/2 и SCTP, которые в настоящий момент не получили широкого распространения.
Другой проблемой является разрыва HTTP-соединения, RTMP-соединения при переключении с одного протокола канального уровня (например, IEEE 802.3) на другой (например, IEEE 802.11). Подобную проблему в определенной степени решает протокол SCTP.
Проблема усугубляется при использовании децентрализованных MESH-сетей, когда вся сеть построена как MESH-сеть, за исключением локальных подсетей. При этом необходимо обеспечить бесшовное взаимодействие для абонентов внутри локальных подсетей, работающих по стандартным (таким как HTTP, SMTP, RTMP) протоколам, не поддерживающим бесшовное соединение архитектурно.
Использование телекоммуникационного модуля в сетях MESH. Автором было показано, что AODV и OLSR не реализуют в МСТС-сетях полносвязности [1], для чего требуется использование таких решений, как aDNS [2; 3]. При этом проблема будет решена для таких случаев, как отправка SMTP-сообщений или HTTP-запросов, но при этом возможна потеря TCP-соединений. Подобную проблему же можно наблюдать при использовании anycast для TCP, впрочем, и решение можно использовать аналогичное (anycast-адрее используется только при отправке SYN, после получения ответа SYN-ACK предлагается использовать уже unicast-адрее). Другим вариантом будет использование для подсетей также адресов, маршрутизируемых через AODV или OLSR-протокол, что однако может стать проблемой при достаточно большом числе абонентов (1000 пользователей).
Наиболее удобным вариантом может использоваться тоннелирование, когда внутри тоннеля транспортные, сеансовые и прикладные протоколы действуют независимо от изменения конфигураций на канальном уровне и переходе с одного канального протокола на другой, в частности при переключении с проводного на беспроводное соединение и обратно.
Телекоммуникационный модуль сопряжения [4] (программно-аппаратный комплекс, также имеется ПО для настройки [5]) служит промежуточным звеном между МЕБН-сетью и внутренней пользовательской подсетью.
В состав телекоммуникационного модуля сопряжения входят:
• Маршрутизатор с поддержкой протоколов АОБУ и ОЬБЯ, подключаемый к канальному оборудованию (проводное, беспроводное)
• Шлюз, позволяющий осуществлять тоннелирование трафика через МЕ8Н-сеть (транспортный и сеансовый уровень сетевой модели 081/180)
• Коммутатор пользовательской сети (канальный уровень сетевой модели 081Д80)
См. рисунок 1.
MESH-сеть
Phone 1 Phone 2
Irf_
HPNA
Телекоммуникационный модуль сопряжени
ШШ2
в
Eth _Т
Eth
J
Ad Нос маршрутизатор I
Сеансовый шлюз
I
Сетевой коммутатор
Т
i
Пользовательская
локальная
подсеть
Локальная ЭВМ | Локальная ЭВМ | | Локальная ЭВМ | ¡Локальная ЭВМ |
Рис.1. Схема взаимодействия телекоммуникационного
модуля сопряжения
Протокол, реализованный в шлюзе [5], изначально разработан как аналог SMTP, позволяя выполнять ряд нетривиальных задач, таких как работу при достаточно больших задержках, возможность перехода с одного канала на другой [6,7] при отсутствии квитанций подтверждения, и
даже многоадресные рассылки (что невозможно в таких протоколах сеансового уровня, как TCP). Это возможно благодаря тому, что протокол реализован на базе UDP, при этом осуществляет механизмы, аналогичные троекратному рукопожатию, подтверждениям и завершению соединения протокола TCP.
Учитывая данную особенность, используемый протокол удобно использовать в качестве туннелирующего протокола, таким образом становится возможным работа через стандартные средства прикладного уровня независимо от местоположения абонента относительно MESH-сети.
Таким образом, телекоммуникационный модуль сопряжения решает следующие задачи в разрезе уровней моделей OSI/ISO:
• Обеспечение прозрачной работы прикладных протоколов (HTTP, RTMP, SMTP, ХМРР) при изменениях топологии MESH-сети;
• Осуществление вложения трафика в сеансовый уровень, реализованный в модуле шлюза телекоммуникационного модуля сопряжения, переключение каналов на уровне сеансового протокола, что позволяет сохранять сеанс при изменении топологии сети;
• Использование протокола UDP в качестве транспортного протокола для отправки в MESH-сеть (и отсутствие проблем, связанных с потерей ТСР-соединения)
• Реализация ad hoc маршрутизации на сетевом уровне (AODV, OLSR - в зависимости от характера подвижности сети и количества узлов: AODV для подвижной сети с меньшим числом узлов, OLSR - для менее подвижной сети, но с большим числом узлов)
• Выбор каналов связи (основных, дублирующих), осуществление доставки сообщений по наиболее быстрым каналам связи из доступных на данный момент.
Рассмотрим модель OSI/ISO, применительно к рассматриваемым типам сети [8-11], учитывая два контура (для
внутренней пользовательской сети и внешней MESH-сети, с туннелированием).
• Контур внутренней пользовательской локальной
сети:
о Прикладной уровень (HTTP, SMTP, RTMP, SIP); о Представительский уровень (MIME-types, кодеки, Н.264, G.722.1 и т.д.); о Сеансовый уровень (TLS); о Транспортный уровень (TCP, также UDP); о Сетевой (IP);
о Канальный (Ethernet, коммутация осуществляется коммутатором в составе модуля); о Вместо физического уровня используется тоннели-рованние шлюзом в составе модуля.
• Контур MESH-сети:
о Прикладной уровень (инкапсуляция тоннелирова-ния);
о Представительский уровень (кодировка, 7 бит, 8 бит, сетевой порядок байт);
о Сеансовый уровень (сеансовый протокол шлюза в составе модуля);
о Сетевой уровень (IP, ad-hoc маршрутизация AODV, OLSR осуществляется ad hoc-маршрутизатором в составе модуля);
о Канальный уровень (IEEE 802.3, IEEE 802.11, , ITU G.991.1, ITU G.9953);
о Физический уровень (радиоканал, оптоволокно, витая пара: 4х-парная с разъемом 8Р8С, 2х-парная с разъемом 6Р4С).
Вышеуказанные данные можно попытаться сопоставить в комбинированный стек протоколов, где протоколы верхнего уровня описываются относительно локальной подсети, в рамках туннельных соединений, а нижестоящие уровни - относительно MESH-сети
Продемонстрируем это. См. таблицы 1 и 2.
Таблица 1. Два контура протоколов телекоммуникационного модуля сопряжены для МЕ8Н-сети в разрезе двух _контуров_
Пользовательская сеть MESH-сеть
Прикладной HTTP, SMTP, RTMP
Представления MIME-типы Тоннелирование j
Сеансовый TLS Сеансовый протокол тоннелирования телекоммуникационного модуля ПОСТ [5]
Транспортный TCP (UDP) UDP
Сетевой IP IP, AODV, OLSR в составе маршрутизатора телекоммуникационного модуля
Канальный Коммутация в составе коммутатора телекоммуникационного модуля IEEE 802.11, IEEE 802.3, ITU G.991.1, ITU G.9953
Физический Заменяется тоннели-рованием —> Радиоканал, витая пара, оптоволокно
Теперь сведем полученные данные в единую таблицу: Уровни прикладной и представления рассмотрим относительно внутренней сети, уровни ниже - от сеансового до физического - относительно МЕ8Н-сети. Объединение двух контуров осуществляется телекоммуникационным модулем, основным алгоритмов которого является реализация протокола сеансового уровня с механизмами маршрутизации на указанном уровне семиуровневой модели.
Таблица 2. Сводная таблица семиуровневого стека
Протоколов.
Протоколы
Прикладной HTTP, SMTP, RTMP
Представления MIME-типы
Сеансовый Сеансовый протокол тоннелирования телекоммуникационного модуля ПОСТ [5]
Транспортный UDP
Сетевой IP, AODV, OLSR в составе маршрутизатора телекоммуникационного модуля
Канальный IEEE 802.11, IEEE 802.3, ITU G.991.1, ITU G.9953
Физический Радиоканал, витая пара, оптоволокно
Выводы. Таким образом, применение телекоммуникационного протокола сеансового уровня телекоммуникационного модуля сопряжения, с учетом реализованных механизмов переключения каналов, позволяет реализовать бесшовную работу на прикладном уровне абонентов пользовательских локальных сетей с применением стандартных общеиспользуемых протоколов прикладного уровня (HTTP, HTTPS, SIP, RTMP и т.д.). Реализация тоннелирования поверх сеансового протокола, обладающего неподдерживаемыми TCP возможностями (многоадресный сеанс, сохранение сеанса при потере соединения, переключение каналов) позволяет использовать вышеуказанные протоколы прикладного уровня в самых разнообразных конфигурациях в процессе самоорганизующейся MESH-топологии сети.
Это позволяет обойти ограничения, связанные с неэффективностью работы алгоритмов AODV и OLSR с большим числом узлов, что изначально ограничивает применение данных протоколов в качестве протоколов клиентского подключения. При использовании телекоммуникационного модуля сопряженяи становится возможным формирование крупных сетей с MESH-топологией.
Библиографический указатель:
1. Кручинин C.B. Роуминг как необходимое свойство AD НОС сетей транспортных средств // Научно-исследовательские публикации. - 2013. - № 1. - С. 66-86.
2. Кручинин C.B. Особенности построения системы доменных имен (DNS) в мобильных AD НОС сетях // Теория и техника радиосвязи. - 2011. - № 2. - С. 79-83.
3. Кручинин C.B. Маршрутизация на уровне пользовательских имен в мобильных сетях транспортных средств // Вопросы науки. - 2015. - Т. 2. - С. 106-109.
4. Кручинин C.B. Телекоммуникационный модуль сопряжения абонентской и транспортной сетей // Патент на полезную модель RU 128 052 U1 Опубликовано 10.05.2013 бюл. № 13; заявка № 2012151805/08; заявл. 03.12.2012. -М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
5. Кручинин C.B., Лазарев В.В. Программа настройки ПО CT // Свидетельство о государственной регистрации программа для ЭВМ № 2011618880 от 15.10.2011. - М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
6. Кручинин C.B. Режим ретрансляции телекоммуникационного сервера как способ повышения надежности и мобильности мобильных сетей транспортных средств // Новый университет. Серия: Технические науки. - 2013. - № 1 (11).-С. 49-52.
7. Кручинин C.B. Тестирование режима ретрансляции для абонентов телекоммуникационного модуля сопряжения // Вопросы науки. - 2015. - T. 1. - С. 102-108.
8. Кручинин C.B. Децентрализованные сети и стек протоколов TCP/IP // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики / Сборник трудов Международной научно-технической конференции, посвященный 70-летию Победы в Великой отечественной войне. 2015.-С. 285-286.
9. Кручинин C.B. Семиуровневая сетевая модель и современные телекоммуникации // Научно-исследовательские публикации. - 2015. - № 13. - С. 4-14.
10. Кручинин C.B. Семиуровневая сетевая модель OSI/ISO и стек протоколов TCP/IP: исследование взаимоотношения и интерпретации // Научно-исследовательские публикации. - 2015. - № 5(25). - С. 115-120.
11. Кручинин C.B. Стеки сетевых технологий TCP/IP и OSI/ISO // Вопросы науки. - 2015. - Т. 3. - С. 145-147.
