CC BY
326
xva W\\
'АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
doi: 10.24411/2409-5419-2018-10267
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОТОКОЛОВ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ В СРЕДЕ MATLAB
ДОРОГОВ
Александр Юрьевич1
ПОТАПОВ Илья Андреевич2
ТУТЕНЕ
Андрей Степанович3
Сведения об авторах:
1д.т.н., доцент, главный научный сотрудник публичного акционерного общества «Информационные телекоммуникационные технологии («Интелтех»)» г. Санкт-Петербург, Россия, vaksa2006@yandex.ru
2инженер-программист публичного акционерного общества «Информационные телекоммуникационные технологии («Интелтех»)» г. Санкт-Петербург, Россия, pia-98@mail.ru
3инженер-программист публичного акционерного общества «Информационные телекоммуникационные технологии («Интелтех»)» г. Санкт-Петербург, Россия, fat-complex@mail.ru
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены имитационные модели протоколов маршрутизации и транспорта данных для использования в беспроводных сетях MANET с динамически изменяемой топологией. Классическими областями применения подобных радиосетей являются боевые действия, чрезвычайные ситуации, мобильные роботы, сенсорная телеметрия, мобильные конференции и т. п. Каждый узел в MANET сети работает одновременно как терминальный узел и как маршрутизатор. Ключевой задачей в MANET сетях является задача маршрутизации. В данной работе представлены методы и результаты исследования трех протоколов маршрутизации FSR, вБ^зондового и транспортного датаграммного протокола передачи данных. Моделирование проводилось для сети, состоящей из 32 узлов. При моделировании предполагалось, что все каналы связи имеют задержки, определяемые скоростью передачи данных и длиной передаваемых пакетов. В работе описаны принципы построения имитационной модели в программной среде МАТЛАБ. Показано, что создание имитационных моделей протоколов маршрутизации в среде МАТЛАБ может быть основано на принципе «календаря событий». Общая очередь календаря событий обрабатывается во временной шкале по дисциплине «первый пришел-первый обработан». Представлены результаты моделирования сети для различных вариантов параметров протоколов FSR, GSR для скоростей передачи данных от 1200 до 19200 бит/сек. В результате моделирования определены объемы служебного трафика, средние и пиковые нагрузки, размеры очередей маршрутизаторов, средние размеры служебных пакетов. Показана необходимость оптимального выбора параметров настройки протоколов для уменьшения времени сходимости алгоритмов. Исследованы особенности работы зондового протокола. Исследованы вероятностно-временные характеристики транспортного датаграмного протокола. Разработанные модели позволяет оценить динамику протокола, время сходимости алгоритма маршрутизации, служебный трафик, и выбрать оптимальные настроечные параметры алгоритма.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: маршрутизация; протокол; имитационная модель; беспроводные сети; MANET.
Для цитирования: Дорогов А.Ю., Потапов И.А., Тутене А.С. Моделирование протоколов беспроводных сетей в среде MatLab // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. Т. 11. № 2. С. 32-50. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10267
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
¿¿У
! Iff/ 114 //"
3-2019, H&ES RESEARC
Введение
Перспективным подклассом беспроводных мобильных телекоммуникационных сетей являются ad hoc сети (MANET — Mobile Ad hoc NETworks) — самоорганизующиеся сети с динамически изменяющейся топологией. Классическими областями применения подобных радиосетей являются боевые действия, чрезвычайные ситуации, мобильные роботы, сенсорная телеметрия, мобильные конференции и т. п. Особенностями мобильных сетей являются: динамичная топология; ненадежность и динамичность радиоресурса, коллективный характер его использования; ограниченность и неоднородность ресурсов узлов (энергоемкость батарей, производительность процессоров, объем памяти и т.д.); ограниченная безопасность и др. [1, 9-14]. Каждый узел в ad hoc сети работает одновременно как терминальный узел и как маршрутизатор. Поэтому ключевой задачей в MANET сетях является задача маршрутизации.
Маршрутизация принадлежит сетевому уровню относительно семиуровневой ISO/OSI модели. Протоколы маршрутизации используются для обеспечения узлов информацией, необходимой для отправки пакетов следующему узлу на пути от источника до получателя по всем маршрутам.
Основными требованиями к протоколам маршрутизации мобильных сетей являются: децентрализованное функционирование; минимальная загрузка сети служебной информацией; отсутствие зацикливания маршрутов; быстрая сходимость; построение маршрута заданного качества; поддержка однонаправленных каналов и др. В данной работе представлены методы и результаты трех протоколов маршрутизации. Моделирование проводилось для сети, состоящей из 32 узлов. Топология сети и распределение степеней
связанности вершин показаны на рис. 1. При моделировании предполагалось, что все каналы связи имеют задержки, определяемые скоростью передачи данных и длиной передаваемых пакетов. Разработанные модели позволяет оценить динамику протокола, время сходимости алгоритма маршрутизации, служебный трафик, средние и пиковые нагрузки в сети, размеры очередей маршрутизаторов и выбрать оптимальные настроечные параметры алгоритма.
Методы моделирования
Оценку характеристик протоколов осуществляют как правило средствами имитационного моделирования. На рынке представлены достаточно много специализированных платформ имитационного моделирования для телекоммуникационных сетей, к ним относятся: Prophesy, Modeler, NetMarker XA, SES/Stratigizer, Arena, NS-3 и др. Данные средства содержат встроенные библиотеки стандартных протоколов семиуровневой модели ISO/OSI и используются для моделирования различных вариантов типовых сетей. Модели сетей создаются достаточно быстро, как правило, с помощью визуального проектирования и имеют развитые возможности по отображению результатов. Однако для моделирования новых протоколов в рамках данных платформ требуются значительные усилия, связанные с расширением библиотек алгоритмов. В этой ситуации универсальные моделирующие средства такие как MatLab обладают преимуществом по оперативности разработки частных моделей.
Создание имитационных моделей протоколов маршрутизации в среде MatLab может быть основано на принципе «календаря событий». Календарь представляет собой общую очередь в которой размещаются служебные пакеты,
a)
Степень вершины
б)
Рис. 1. Топология тестовой сети и распределение степеней связанности вершин
'АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
поступающие от всех узлов сети. Протоколы маршрутизации осуществляют пересылку служебных пакетов между смежными узлами, которые содержат информацию о топологии сети. В моделирующей программе каждый пакет содержит адресную часть, служебную информацию и метку времени, определяющую время наступления события связанного с началом обработки пакета на целевом узле. Метка времени в порождаемом пакете определяется скоростью распространения пакета через сегмент сети, а также моментом завершения передачи последнего пакета выходной очереди маршрутизатора на том же сегменте. Общая очередь календаря событий обрабатывается во временной шкале по дисциплине «первый пришел-первый обработан».
Моделирование FSR протокола
FSR (Fisheye State Routing) — иерархичный проак-тивный протокол маршрутизации [2], целью создания которого была попытка уменьшить объем рассылаемой по сети служебной информации за счет использования биологической концепции «рыбьего глаза». При реализации данной концепции каждый узел сети осуществляет периодические широковещательные рассылки ко всем своим ближайшим соседям, причем для сокращения служебного трафика топологическая информация об узлах сети, известная текущему узлу, включается в рассылку только частично, в зависимости от удаленности узлов. Чем дальше находится узел от текущего узла, тем реже информация о нем включается в обновляющую рассылку.
Топологическая информация текущего узла представляет собой таблицу, где каждому известному узлу сети соответствует одна строка, содержащая актуальный список его ближайших соседей, время последнего обновления и порядковый номер обновления. Порядковые номера используются при заменах записей. В момент широковещательной рассылки топологической информации, узел сначала проверяет по таймауту записи в своей топологической таблице, и если топологическая информация об узле не обновлялась в течении интервала таймаута, то она уничтожается, это правило позволяет отслеживать изменения топологии сети. Временной интервал таймаута устанавливается трехкратным по отношению к интервалу обновления. Широковещательное обновляющее сообщение к ближайшим узлам представляет собой набор записей, выделенных из топологической таблицы текущего узла.
Когда узел получает обновляющее сообщение, он сначала проверяет узел отправителя на принадлежность к своему списку состояний связей. Если передающий узел является новым ближайшим соседом, он будет добавлен в этот список. В противном случае он будет обновлен по метке времени в списке соседей. Узел затем обрабатывает информацию о связях, содержащуюся в сообщении обновления по следующему правилу:
1. Если это новый узел, ранее неизвестный текущему узлу то будет создана новая запись в топологической таблице и заполнена соответствующей информацией.
2. В противном случае только самое последнее назначение копируется к топологической таблице. Т.е. если какая-нибудь запись во входном сообщении имеет больший порядковый номер, относящийся к узлу j по сравнению с номером, сохраняемым в топологической таблице текущего узла, локальная запись будет заменена входящей записью.
3. Для входящей записи не попадающего в два описанных случая, т. е. если ее порядковый номер меньше чем предварительный порядковый номер сохраняемой записи в текущей топологической таблиц узла, эта запись должна быть послана при следующем обновлении.
Принятый пакет после извлечения информации уничтожается. Во всех случаях, когда топологическая запись добавляется или корректируется, в топологической таблице фиксируется текущее время обновления. После того как все входящие записи проверены, таблица маршрутов вычисляется заново, но только в том случае если обнаружены какие-либо изменения в топологической таблице. Для расчета маршрутов используется алгоритм Дейкстры, мерой расстояния может служить либо минимальное число сегментов сети на маршруте между узлами, либо минимальная временная задержка пересылки пакета по многосегментному маршруту. По степени удаленности от текущего узла все узлы разделяются на FSR-зоны. Топологическая информация об узлах, принадлежащих FSR-зоне i включается в пакеты рассылки текущего узла с одинаковой частотой. Критерием сходимости алгоритма маршрутизации в модели могут служить тождественность восстановленных на каждом узле топологий сети к априорно известной топологии.
Характеристики работы алгоритма FSR-маршру-тизации определяются настраиваемыми временными параметрами. Методик расчета этих параметров в настоящее время не существует. Рекомендуемые значения далеки от оптимальных, что приводит к необходимости моделирования протокола для конкретной топологии сети.
Результаты моделирования FSR протокола
Нормативный документ по FSR протоколу [3, 5-8] рекомендует использовать в сети две FSR зоны: ближнею и дальнею с параметрами протокола представленными в колонке «Рекомендация» табл. 1.
Документ [3] рекомендует также использовать для передачи топологической информации IP пакеты. Заголовочная часть IP пакета содержит 32 разрядные адреса узлов источника и получателя, полную длину пакета в байтах, контрольную сумму и другие поля, необходимые для поддержки IP-протокола, часть этих полей опциональна. Минимальная длина заголовка 20 байт.
Уо! 11 N0 3-2019, Н&ЕБ РР ТБСНМЮЮСУ АШ СОММУМ
Таблица 1
Параметры моделирования протокола FSR
Параметр Обозначение параметра Рекомендация сек. Эксперимент сек.
Интервал рассылки для узлов ближней зоны 1п1га8соре_Шегуа1 5 1
Интервал рассылки сообщений для удаленных узлов 1п1ге8соре_Шегуа1 15 3
Таймаут хранения топологической информации NEIGHBOR_TIMEOUT 15 3
Информационная часть пакета определена документом [3] и представлена в табл. 2.
Числа в скобках указывают размер полей в битах. Пакет состоит из записей, где каждая запись содержит адреса ближайших соседей для узла сети, порядковый номер обновления и число соседних узлов. Представленный выше формат не содержит адресные заголовки пакета и управляющие поля 1Р пакета. По топологии сети показанной на рис. 1а не сложно рассчитать максимальный размер пакета топологической информации для моделируемой сети, при 32 разрядных адресах с учетом 20 байтного заголовка 1Р пакета он будет равен 744 байта.
На рис. 2 показана динамика трафика служебных пакетов протокола маршрутизации при скорости в каналах 1200 бит/сек. Ступенчатые линии соответствуют накопленному трафику порождаемых пакетов. Длина ступени определяется параметром 1пЦ^соре_1Ше1та1 — интервалом рассылки сообщений в ближней зоне. Вертикальные стробы на графике соответствуют накопленному трафику удаляемых пакетов.
Интервал рассылки сообщений для дальней зоны (IntreScope_Interval) в три раза больше чем для ближней зоны, поэтому каждая третья ступень графиков выше двух
предыдущих, и соответственно гуще будут стробы удаляемых пакетов (см. рис. 2б). Получив пакеты обновления, узлы осуществляют восстановление топологии сети и расчет дистанций ко всем узлам сети по алгоритму Дейкстры. На основе данных расчетов строится маршрутно-адресная таблица, определяющая оптимальное продвижение информационных пакетов по сети. Пример таблицы для узла 3 показан на рис. 3.
Критериями сходимости алгоритма маршрутизации в модели служит тождественность топологий сети построенных на каждом узле с априорно известной топологией сети. Моделирование проводилось для двух вариантов параметров (столбцы «Рекомендация», «Эксперимент» в табл. 1). При расчете длины обновляющего сообщения использовался формат, представленный в табл. 2 с добавкой 20 байтного заголовка 1Р пакета. В табл. 3 приведены результаты моделирования по двум вариантам значений параметров. Значения служебной нагрузки на сеть указанные в таблице вычисляются на интервале сходимости алгоритма маршрутизации и нормируются к пропускной способности сети. Расчетная пропускная способность данной сети равна 177600 бит/сек.
Рис. 2 демонстрирует два крайних случая выбора настроечных параметров протокола маршрутизации.
Таблица 2
Формат информационной части пакета FSR-протокола
Длина пакета(16) Резерв(16)
Адрес узла1(32)
Порядковый номер обновления узла 1(24) №-число соседних узлов(8)
Адрес соседнего узла 1(32)
Адрес соседнего узла N1(32)
Адрес узла 2(32)
Порядковый номер обновления узла 2(24) N2 -число соседей узла 2(8)
Адрес соседнего узла 1(32)
Адрес соседнего узла N2(32)
Рис. 2. Динамика служебного трафика FSR-маршрутизации
Рис. 3. Маршрутно-адресная таблица
Таблица 2
Результаты моделирования протокола FSR
б
а
Вариант модели Время сходимости сек. Служебный трафик бит. Средний размер пакета байт Нагрузка на сеть Пиковая нагрузка Мах. размер очереди
Рекомендуемые параметры
FSR 1Р 1200 бит/сек 50,8 3193344 239 0,354 0,406 2
FSR 1Р 2400 бит/сек 47,9 3087904 237 0,182 0,139 2
FSR 1Р 4800 бит/сек 46,4 3093696 237 0,093 0,099 2
FSR 1Р 9600 бит/сек 45,7 3093696 237 0,047 0,050 2
FSR 1Р 19200 бит/сек 45,4 3093696 237 0,024 0,025 2
Экспериментальные параметры
FSR 1Р 1200 бит/сек 21,1 3259616 200 0,872 1,87 14
FSR 1Р 2400 бит/сек 11,9 2664320 220 0,631 0,989 4
FSR 1Р 4800 бит/сек 10,4 3134144 236 0,422 0,501 2
FSR 1Р 9600 бит/сек 9,72 3087904 237 0,224 0,249 2
FSR 1Р 19200 бит/сек 9,36 3093696 237 0,116 0,124 2
! Iff/ !i ч Hi'
3-2019, H&ES RESEARC
На рис. 2а время обработки служебных пакетов занимает малую долю интервала рассылки. Поэтому без ущерба работы протокола настроечные параметры могут быть уменьшены, что позволит уменьшить время сходимости алгоритма. Время обработки пакетов включает в себя и время доставки на соседний узел, с увеличением скорости передачи данных время доставки уменьшается поэтому степень уменьшения значений параметров может быть больше. На рис. 2б показан противоположный случай, когда параметры выбраны слишком малыми и при низкой канальной скорости (1200 бит/сек) на интервале рассылки не хватает времени для обработки пакетов, в результате образуются очереди на обработку и время сходимости алгоритма увеличивается.
Результаты моделирования GSR протокола
Протокол GSR (Global State Routing) является вариантом FSR протокола с единственной FSR-зоной. В этом случае не существует различий между узлами дальней и ближней зоны. Обновление топологической информации со смежными узлами в этом случае определяется константами представленными в табл. 4.
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
Моделирование выполнялось для двух наборов параметров «Рекомендация» и «Эксперимент». Результаты моделирования представлены в табл. 5.
Моделирование зондового протокола
Суть метода зондовой маршрутизации [4, 15] заключается в следующем: с любого узла начинается рассылка к смежным узлам коротких пакетов, называемыми зондами, которые накапливают в себе информацию о состоянии сети. Каждый зонд содержит битовую карту, длина которой равна максимально-возможному числу узлов сети. При прохождении узла в битовой карте зонда устанавливается единица в позиции, определяемой номером узла. При получении зонда узел анализирует информацию, содержащуюся в битовой карте, и по результатам анализа добавляет записи в собственную маршрутно-адресную таблицу. После чего узел проверяет ряд условий для принятия решения о репликации или уничтожении зонда. В случае репликации в зонд добавляется информация о прохождении текущего узла и зонд рассылается по всем исходящим ветвям текущего узла.
Таблица 4
Параметры моделирования протокола FSR
Параметр Обозначение параметра Рекомендация сек. Эксперимент сек.
Интервал рассылки для узлов ближней зоны IntraScope_Interval 5 1
Таймаут хранения топологической информации NEIGHBOR_TIMEOUT 15 3
Таблица 5
Результаты моделирования протокола GSR
Вариант модели Время сходимости сек. Служебный трафик бит. Средний размер пакета байт Нагрузка на сеть Пиковая нагрузка Мах. размер очереди
Рекомендуемые параметры
GSR IP 1200 бит/сек 30.8 2611744 422 0.477 0.783 2
GSR IP 2400 бит/сек 22.9 2153472 422 0.285 0.402 1
GSR IP 4800 бит/сек 21.5 2153472 422 0.141 0.201 1
GSR IP 9600 бит/сек 20.7 2153472 422 0.073 0.101 1
GSR IP 19200 бит/сек 20.4 2153472 422 0.037 0.05 1
Экспериментальные параметры
GSR 1Р 1200 бит/сек 51.0 8384328 372 0.926 3.00 36
GSR 1Р 2400 бит/сек 11.25 2965152 349 0.742 1.55 6
GSR 1Р 4800 бит/сек 6.5 2704448 441 0.586 1.06 3
GSR 1Р 9600 бит/сек 4.7 2153472 422 0.321 0.503 1
FSR 1Р 19200 бит/сек 4.4 2153472 422 0.174 0.251 1
чж \\\\
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т
'АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Ыо(1е-2 Ыек1е-3
1 2 3 1 1 -1
г 1 2 4 2 -1
3 4 4 3 3 -1
4 3 1 2 4 -1
Рис. 4. Матрица маршрутизации
Маршрутно-адресные таблицы (матрицы маршрутизации) строятся на каждом узле сети. Число столбцов в матрице равно числу целевых узлов в сети (номер текущего узла из списка целевых узлов исключается, но столбец текущего узла формально присутствует в матрице). Каждый элемент матрицы маршрутизации содержит номер порта текущего узла, указывающего направление через которое следует передавать пакет для целевого узла. При зондовом протоколе матрица маршрутизации содержит столько строк сколько портов имеет текущий узел. Строки упорядочены по приоритетам. В первой строке содержатся направления высшего приоритета, обеспечивающего наиболее быструю доставку пакета к целевым узлам. Во второй строке содержаться направления, обеспечивающие более медленную доставку пакета по сравнению с первой и т.д., таким образом приоритет направлений снижается при увеличении номера строки матриц маршрутизации. Пример построенной матрицы маршрутизации для узла 5 показан на рис. 4.
В начале цикла маршрутизации маршрутно-адресная таблица узла заполнена нулями за исключением столбца, соответствующего текущему узлу, который заполнен значением (-1). Если зонд прибыл в узел первым, то заполняется первая строка матрицы маршрутизации, следуя правилу:
в элементы строки с номерами узлов, через которые прошел зонд, заносится номер порта, через который зонд был получен на текущем узле. Поступление последующих зондов на текущий узел приводит к заполнению нулевых элементов первой строки, которые не были заполнены ранее, а в случае их занятости последовательно заполняются нулевые элементы второй и последующих строк. Если в момент поступления зонда все элементы матрицы маршрутизации узла заполнены, то зонд уничтожается. Зонд будет также уничтожен, если информация на узле уже содержит информацию, доставленную зондом. В остальных случаях зонд добавляет в свою битовую карту текущий узел и реплицируется по всем исходящим направлениям. В случае обнаружения цикла, т. е. когда информация, доставленная зондом уже содержит номер текущего узла зонд рассылается по всем направлениям кроме того по которому он был получен (для стартового узла это ограничение не действует). Критерием сходимости алгоритма маршрутизации в модели могут служить исчерпание очереди календаря событий.
Результаты моделирования зондового протокола
Моделирование проводилось для сети, показанной на рис. 1а. При моделировании предполагалось, что все каналы связи имеют одинаковые задержки. На рис. 5 показана динамика трафика служебных пакетов при скорости в каналах 1200 бит/сек. Размер зонда выбран равным 12 байт. На приведенных графиках единица относительного времени соответствует длительности пересылки зонда по каналу связи. В качестве стартового узла использовался первый узел. В результате моделирования получено:
• Полный служебный трафик зондов составил 3710 пакетов, при размере каждого зондового пакета 12 байт.
аб Рис. 5. Динамика служебного трафика зондового протокола маршрутизации: а — динамика трафика; б — накопленный трафик
! Iff/ !i ч Hi'
3-2019, H&ES RESEARC
• Время сходимости алгоритма маршрутизации 5,04 сек при скорости передачи данных 1200 бит/сек.
• Средняя нагрузка на сеть на интервале сходимости 0,398 от пропускной способности сети.
• Пиковая нагрузка на момент максимума трафика равна 1,27 от пропускной способности сети.
• Поскольку пиковая нагрузка превышает пропускную способность возникают очереди на выходе маршрутизаторов. Максимальная длина выходной очереди при данных условиях эксперимента составила 29 пакетов.
Для зондового протокола время сходимости алгоритма маршрутизации, и нагрузка сети зависят от стартового
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
узла распространения зондов. На рис. 6а показана скорость сходимости алгоритма маршрутизации в зависимости от выбора стартового узла.
Максимальное время равно 14,16 сек. (узел 22), минимальное время равно 5,04 сек (узел 17). На рис. 6б показаны степени вершин исследуемой сети. Сравнение двух графиков показывает, что существует явная зависимость времени сходимости алгоритма от степени стартового узла, чем выше степень стартового узла, тем больше время сходимости алгоритма маршрутизации.
На рис. 7а представлена зависимость средней нагрузки создаваемой служебным трафиком в зависимости
Рис. 6. Эффект влияния стартового узла на время сходимости алгоритма
б
a
Рис. 7. Средняя нагрузка на сеть и время сходимости алгоритма зондовой маршрутизации
чж \\\\
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
от стартового узла. По оси ординат отложена нагрузка, нормированная к пропускной способности сети. Объем трафика для стартового узла 17 составил 362976 бит (3781 пакет), для стартового узла 22: 472224 бит (4919 пакетов).
Максимальная степень загрузки сети служебным трафиком 0,406 (узел 17) а минимальная 0,188 (узел 22). Из приведенных графиков видно, что чем выше степень загрузки сети служебным трафиком, тем меньше время сходимости алгоритма маршрутизации. Учитывая зависимость времени сходимости алгоритма от степени вершины можно заключить что, степень загрузки служебным трафиком тем выше, чем меньше степень стартовой вершины.
С увеличением скорости передачи данных время сходимости алгоритма маршрутизации линейно уменьшается. Характер зависимости для стартовых узлов 17 и 22 показан на рис 7б). На скорости 9600 бит/сек время сходимости для стартового узла 22 составляет 1,77 сек, а для узла 17 составляет 0,63 сек. Пропускная способность сети линейно увеличивается с увеличением скорости, при этом нормированная нагрузка сети по служебному трафику не изменяется.
Дефекты матриц маршрутизации
В идеальном варианте работы алгоритма зондовой маршрутизации предполагается, что в процессе распространения зондов по сети все элементы матриц маршрутизации будут полностью заполнены. Так и происходит для сетей с малым количеством узлов. Однако результаты моделирования для тестовой сети с 32 узлами показывают, что по завершению алгоритма маршрутизации полного заполнения матриц не происходит — в матрицах маршрутизации остаются не заполненные элементы (дефекты). Число дефектов в матрицах маршрутизации зависит от стартового узла. На рис. 8 показаны количественные оценки суммарных дефектов матриц маршрутизации в зависимости от стартового узла. При расчете оценок, суммирование дефектов выполнялось по всем узлам и нормировалось в процентах к общему объему заполняемых элементов. Из графика видно, что объем дефектов в худшем случае не превосходит 0,5%. Сравнение графика оценки со степенями вершин показывает, что минимальный процент дефек-
тов достигается для стартового узла с максимальным числом портов (максимальной степенью вершины). Дефекты в матрицах маршрутизации концентрируется в строках с наименьшим приоритетом направлений. При практической реализации алгоритма маршрутизации не заполненные позиции матриц, могут быть без ущерба заполнены значениями строки с более высоким приоритетом.
Моделирование транспортного протокола
Датаграмный протокол транспортного уровня обеспечивает передачу сообщений от узла отправителя к узлу получателя. При передаче сообщения разделяются на пакеты, размеры пакетов зависят от помеховой обстановки и условий распространения радиоволн. Информационные пакеты имеют формат, показанный на рис. 9. Общий заголовок содержит сетевые адреса оконечных узлов. Специальный заголовок содержит информацию о типе передаваемых данных, типе протокола, идентификаторе сообщения используемой кодировки, и другой информации которая зависит от используемого протокола. При моделировании выбирался максимальный размер специального заголовка равный 15 байт.
Дефекты матриц маршрутизации а процентах
0.5
0.46
0.4
со 0.35
ё
<и 0.3
§
а: 0.25
<и
1 0 2
с
0.15
0.1
0.05
0
( »
> >< ) <
( 1 I 1 < < >__
< ) < < 1 ) 1 < 1
< > < ) < п 1 а л_
< > } 5 I > ( > <
( 1 < 1 С ! ( 1 < 1
т ?
ю 15 го 25 Номер стартового узла
Рис. 8. Дефекты в матрицах маршрутизации
Сетевой адрес оконечного узла получателя Сетевой адрес оконечного узла отправит ели СП НДОаЛЬ Н1111 ЗаГОЛОВОК Данные
16 Бит 1 б опт 1Л5 байт 1-256 байт
Общин заголовок
Рис. 9. Формат радиопакета
Пакеты пересылаются по целевым адресам, следуя по маршрутам определяемым периодически выполняемым протоколом маршрутизации. Подтверждение приема пакетов в датаграммном протоколе не производится. В реальной сети подтверждение принятых сообщений квитанциями выполняется на уровне приложений.
Задачей моделирования является оценка вероятностно-временных характеристик (ВВХ) передачи сообщений. С целью упрощения модели введены следующие ограничения (за счет удаления элементов транспортного протокола либо не влияющих на характеристики передачи, либо реализующих принцип наихудшего случая при передаче данных):
1. Передача пакетов квитанциями не подтверждается.
2. Передача сообщений подтверждается положительными или отрицательными квитанциями.
3. Если пакет принят с ошибкой формируется отрицательная квитанция на все сообщение.
4. Повторение сообщения при наличии ошибочных пакетов не поддерживаются моделью.
5. При отрицательной квитанции фиксируется ошибка сообщения на передающей стороне.
6. Случайность выбора радионаправления осуществляется по равномерному законом распределения для пар источник-приемник сообщения.
7. Источником сообщений является пуассоновский поток.
8. При проведении экспериментов в модели Ма1ЬаЬ используется статическая маршрутизация.
9. Интервалы таймаута при доставке пакетов и сообщений не отрабатываются.
Через интерфейс пользователя модели задаются следующие параметры:
1. Топология сети.
2. Скорость передачи данных в каналах связи.
3. Длина сообщения и категория срочности.
4. Размер пакета.
5. Интенсивность потока сообщений в процентах от пропускной способности.
6. Вероятность приема ошибочного пакета.
В процессе моделирования оценивались следующие характеристики:
1. Вероятность доставки пакета в нормативное время.
2. Максимальное время доставки пакета.
3. Среднее время доставки пакета.
4. Вероятность доставки сообщения в нормативное время.
5. Максимальное время доставки сообщения.
6. Среднее время доставки сообщения.
7. Вероятность доступа к услуге передачи данных в пределах нормативного интервала.
S/zK
t , /// nil [if/
3-2019, H&ES RESEARCH^
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Уо!
Nc
Оценка ВВХ производится для нагруженной сети. Нагрузка на сеть генерируется в виде пуассоновского потока сообщений. Категория срочности, размер сообщения и размер информационной части пакетов выбирается в процессе проведения эксперимента. Нагрузка устанавливается в процентах от максимальной пропускной способности сети. Пропускная способность сети равна сумме пропускных способностей дуплексных каналов связи:
с = ,
г =1
где К—число каналов связи в сети, Ъ.—скорость передачи данных в I — ом канале бит/сек. Максимальная интенсивность информационного потока сообщений определяется из соотношения:
с
Х = — Г1/сек1, М и 1
где М — полная длина сообщений с учетом заголовков пакетов. При моделировании нагрузка на сеть устанавливалась в процентах от максимальной интенсивности.
Оценка числа имитационных экспериментов
Оценка вычисляется исходя из доверительной вероятности а = 0,95 для интервала определяемого точностью задания нормативного уровня. При оценке вероятностей эксперименты соответствуют схеме независимых испытаний Бернули, где вероятность успеха (попадания во временной интервал) равна р, а не успеха q = 1 - р. Случайной величиной является количество успехов, удовлетворяющих биноминальному закону распределения. Согласно центральной предельной теореме при достаточно больших п (больше нескольких сотен) оценка вероятности для схемы Бернули имеет распределение, близкое к нормальному с математическим ожиданием т = р и дисперсией с2 = pq/n. Для нормированного отклонения оценки от своего математического ожидания можно использовать выражение:
Ф(г ) = P
< L
где Ф(/) функция нормального распределения с нулевым значением математического ожидания и единичной дисперсии, ^ — квантиль, соответствующая уровню достоверности а. Для а = 0,95, значение ta = 1,96. Расчетная формула числа экспериментов в этом случае будет иметь вид:
и = 12 pq = 3,8416 p-. е е
(1)
АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
В табл. 6 приведены расчетные значения числа экспериментов для оценки вероятностных характеристик. Оценки получены на основе нормативных требований к сети специальной радиосвязи.
Результаты экспериментов
Результаты имитационных экспериментов приведены в табл. 7.
Заключение
Имитационное моделирование является базовым средством разработки телекоммуникационных сетей, позволяющим оценить характеристики и выбрать настроечные параметры протоколов маршрутизации и передачи данных для беспроводных мобильных сетей.
Выбор настроечных параметров протокола FSR зависит от топологии и скорости передачи данных в лини-
Таблица 6
Число имитационных экспериментов
Оцениваемая характеристика Число экспериментов
Вероятность доставки пакета в нормативное время (3 сек.) 140
Вероятность доставки сообщения в нормативное время (10 сек.-10 мин.) - норматив зависит от категории срочности сообщения 15000-76000
Вероятность доступа к услуге передачи данных в нормативном интервале (5 сек.) 31000
Таблица 7
Время и вероятности доставки пакетов и сообщений для датаграмного транспортного протокола
ях связи. Критерием оптимальной настройки алгоритма по времени сходимости может служить наполненность интервалов рассылки процессами обработки пакетов. Эксперименты показывают, что для сети с данной топологией рекомендуемые параметры могут быть уменьшены в 3-4 раза без нарушения работы протокола. В результате, время сходимости алгоритма маршрутизации можно уменьшить более чем в 4 раза. Для окончательного выбора параметров протокола FSR для сети MANET необходимо выполнить моделирование для всех потенциально возможных вариантов «максимальной топологии» сети.
Протокол зондовой маршрутизации является распределенным, работает в асинхронном режиме и обладает исключительно простой алгоритмической реализацией. Благодаря этим особенностям обеспечивается высокая скорость сходимости алгоритма. Причем время сходимости, в отличии от алгоритма FSR, уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи данных. Метод зондовой маршрутизации позволяет построить несколько вариантов маршрутов и упорядочить их по предпочтительности. Протокол маршрутизации учитывает фактические задержки в каналах связи и поэтому может адаптироваться к степени загрузки каналов сети. Протокол обладает очевидной зависимостью времени сходимости алгоритма и степени служебной нагрузки на сеть от выбора стартового узла, что позволяет найти оптимальное решение для конкретной топологии сети.
Выбор транспортного протокола для низкоскоростных беспроводных сетей обусловлен необходимостью максимального снижения накладных расходов на служебный трафик при поддержании приемлемой достоверности и своевременности передачи информационных данных. Датаграмный протокол обеспечивает минимальный служебный трафик за счет отказа от квитирования информационных пакетов. Повышение достоверности передачи сообщений выполняется на уровне приложений в тех ситуациях где это действительно необходимо. Результаты моделирования позволяют рациональным образом выбрать параметрическую область решений, удовлетворяющую нормативным требованиям.
Литература
1. Миночкин А. И., Романюк В. А. Маршрутизация в мобильных радиосетях — проблема и пути ее решения // Зв'язок. 2006. № 3. 15 с. URL: http://www.viti.edu.ua/files/ rom/2006/1_2006.pdf (дата обращения 15.10.2018).
2. Pei G., Gerla M., Chen T.-W. Fisheye State Routing in Mobile Ad Hoc Networks // Proceedings of Workshop on Wireless Networks and Mobile Computing, Taipei, Taiwan, April 2000. Pp. 1-3.
3. Geria M., Pei G., HongX., Chen T. Fisheye State Routing Protocol (FSR) for Ad Hoc Networks. 2002. URL:
https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-manet-fsr-03 (дата обращения 15.10.2018).
4.Аванесов М. Ю. Метод зондового управления потоками данных в мультисервисных сетях с быстро меняющейся структурой // Информация и космос. 2007. № 3. С. 35-40.
5. Kleinrock L., Stevens K. A. Fisheye: A Lenslike Computer Display Transformation. Technical report, UCLA, Computer Science Department. 1971.
6. Bagrodia R. L., Meyer R. A., Takai M., Chen Y.-A., ZengX., Martin J., Yoon Song H. PARSEC: A parallel simulation environment for complex systems // Computer. 1998. No. 31(10). Pp. 77-85. DOI: 10.1109/2.722293
7.Iwata A., Chiang Ch., Pei G., Gerla M., Chen T. Scalable Routing Strategies for Ad hoc Wireless Networks // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 1970. No. 179(8). DOI: 10.1109/49.779920
8.Murthy S., Garcia-Luna-Aceves J.J. An Efficient Routing Protocol for Wireless Networks // Mobile Networks and Applications. 1970. No. 1(2). DOI: 10.1007/BF01193336
9. Григорьев В. А., Лагутенко О. И., Распаев Ю. А.Сети и системы радиодоступа. М.: Эко-Трендз, 2005. 384 с.
10. Hsu J., Bhatia S., Tang K., Bagrodia R., Acriche M.J. Performance of mobile ad hoc networking routing protocols in large scale scenarios // Proceedings Conference: Military Communications Conference (MILCOM) Monterey, CA, 31 October—03 November, 2004. IEEE. 2004. Vol. 1. Pp. 21-27. DOI: 10.1109/MILTOM.2004.1493241
11. Corson S., Macker J. Mobile Ad Hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations. IETF RFC2501. 1999. URL: https:// tools.ietf.org/html/rfc2501 (дата обращения 15.10.2018).
12.Royer E. M., Melliar-Smith P.M., Moser L. E. An anl-ysis of the optimum node density for ad hoc mobile networks // Proc. of IEEE International Conference on Communications. ICC Helsinki, Finland, 11-14 June 2001. IEEE, 2001. Pp. 857-861.
13. Novatnack J., GreenwaldL., Arora H. Evaluating Ad hoc Routing Protocols with Respect to Quality of Service // Proceedings IEEE International Conference on Wireless And Mobile Computing, Networking And Communications — WiMob'2005. (Montreal, Canada, August 22-14, 2005). IEEE, 2005. Vol. 3. Pp. 205-212. URL: https://citeseerx.ist.psu.edu/ viewdoc/download?doi= 10.1.1.120.2511&rep=rep1&type=pdf (дата обращения 15.10.2018).
14. Нетес В. А. Качество обслуживания в сетях связи. Обзор рекомендаций МСЭ-Т // Сети и системы связи. 1999. № 3. С. 66-71.
15. Clacev G., Chizhik D., Goransson B., Howard S., Huang H., Kogiantis A., Molisch A. F., Moustakas A. L., Reed D., Xu H. A Wideband Spatial Channel Model for System-Wide Simulations // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2007. Vol. 56. No. 2. Pp. 389-403.
'АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
//
MODELING OF WIRELESS NETWORK PROTOCOLS IN THE ENVIRONMENT OF MATLAB
ALEKSANDER YU. DOROGOV KEYWORDS: routing; Protocol; simulation model; wireless net-
Saint Petersburg, Russia, vaksa2006@yandex.ru works; MANET.
ILIYA A. POTAPOV
Saint Petersburg, Russia, pia-98@mail.ru
ANDREY C. TUTENE
Saint Petersburg, Russia, fat-complex@mail.ru
ABSTRACT
Simulation models of routing and data transport protocols for use in MANET wireless networks with dynamically changing topology are considered. Classic applications of such radio networks are combat operations, emergencies, mobile robots, sensor telemetry, mobile conferences, etc. Each node in the MANET network operates simultaneously as a terminal node and as a router. A key problem in MANET networks is the routing problem. This paper presents the methods and results of the study of three routing protocols FSR, FSR and probe protocol and also datagram protocol for data transport. The simulation was carried out for a network consisting of 32 nodes. In the simulation, it was assumed that all communication channels have delays determined by the data rate and the length of transmitted packets. The paper describes the principles of building a simulation model in the MATLAB software environment. It is shown that the creation of simulation models of routing protocols in the MATLAB environment can be based on the principle of "calendar of events". The total queue of the event calendar is processed in the timeline for the discipline "first come-first processed". The results of simulation FSR and GSR protocols for different parameters data transmission speeds in range from 1200 to 19200 bits/sec are represented. The simulation is used to determine the level of service of traffic, medium load and peak load, the queue lengths of routers, the average size of official packages. The necessity of optimal choice of protocol settings to reduce the convergence time of algorithms is shown. The features of the probe protocol are investigated. Probabilistic-time characteristics of the transport protocol are investigated. The developed models allow to evaluate the dynamics of the protocol, the convergence time of the routing algorithm, service traffic, and select the optimal tuning parameters of the algorithm.
REFERENCES
1. Minockkin A. I., Romaniuk B. A. Routing in mobile radio networks-the problem and ways to solve it. Zviazok [Connectivity]. 2006. No. 3. 15 p. URL: http://www.viti.edu.ua/files/rom/2006/1_2006.pdf (date of access 15.10.2018). (In Russian)
2. Pei G., Gerla M., Chen T.-W. Fisheye State Routing in Mobile Ad Hoc Networks. Proceedings of Workshop on Wireless Networks and Mobile Computing,Taipei, Taiwan, April 2000. Pp. 1-3.
3. Geria M., Pei G., Hong X., Chen T. Fisheye State Routing Protocol (FSR) for Ad Hoc Networks. 2002. URL: https://tools.ietf.org/html/ draft-ietf-manet-fsr-03 (дата обращения 15.10.2018).
4. Avanesov M. Yu. The method of probe control of data flows in multi-service networks with a rapidly changing structure. Information and Space. 2007. No. 3. Pp. 35-40. (In Russian)
5. Kleinrock L., Stevens K. A. Fisheye: A Lenslike Computer Display Transformation. Technical report, UCLA, Computer Science Department. 1971.
6. Bagrodia R. L., Meyer R. A., Takai M., Chen Y.-A., Zeng X., Martin J., Yoon Song H. PARSEC: A parallel simulation environment for complex systems. Computer. 1998. No. 31(10). Pp. 77-85. DOI: 10.1109/2.722293
7. Iwata A., Chiang Ch., Pei G., Gerla M., Chen T. Scalable Routing Strategies for Ad hoc Wireless Networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 1970. No. 179(8). DOI: 10.1109/49.779920
8. Murthy S., Garcia-Luna-Aceves J. J. An Efficient Routing Protocol for Wireless Networks. Mobile Networks and Applications. 1970. No. 1(2). DOI: 10.1007/BF01193336
9. Grigor'ev V.A., Lagutenko O. I., Raspaev Yu. A. Seti i sistemy radio-dostupa [Radio access networks and systems]. Moscow: Jeko-Trendz, 2005. 384 p. (In Russian)
10. Hsu J., Bhatia S., Tang K., Bagrodia R., Acriche M. J. Performance of mobile ad hoc networking routing protocols in large scale scenarios. Proceedings Conference: Military Communications Conference (MILCOM), Monterey, CA, 31 October - 03 November, 2004. IEEE, 2004. Vol. 1. Pp. 21-27. DOI: 10.1109/MILCOM.2004.1493241
11. Corson S., Macker J. Mobile Ad Hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations. IETF RFC2501. 1999. URL: https://tools.ietf.org/html/rfc2501 (date of access 15.10.2018).
12. Royer E. M., Melliar-Smith P.M., Moser L. E. An anlysis of the optimum node density for ad hoc mobile networks. Proc. of IEEE International Conference on Communications. ICC Helsinki, Finland, 11-14 June 2001. IEEE, 2001. Pp. 857-861.
13. Novatnack J., Greenwald L., Arora H. Evaluating Ad hoc Routing Protocols with Respect to Quality of Service. Proceedings IEEE International Conference on Wireless And Mobile Computing, Networking And Communications - WiMob'2005, Montreal, Canada, August 22-14, 2005. IEEE, 2005. Vol. 3. Pp. 205-212. URL: https://citeseerx.
ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.120.2511&rep=rep1&-type=pdf (date of access 15.10.2018).
14. Netes V. A. Kachestvo obsluzhivaniya v setyakh svyazi. Obzor re-komendatsij MSJe-T [Quality of service in communication networks. Review of ITU-T recommendations]. Seti i sistemy svyazi [Networks and communication systems]. 1999. No. 3. Pp. 66-71. (In Russian)
15. Clacev G., Chizhik D., Goransson B., Howard S., Huang H., Ko-giantis A., Molisch A. F., Moustakas A. L., Reed D., Xu H. A Wideband Spatial Channel Model for System-Wide Simulations. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2007. Vol. 56. No. 2. Pp. 389-403.
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Dorogov A. Yu., PhD, Docent, Chief researcher of the JSC "Information and telecommunication technologies ("Inteltech")"; Potapov I.A., engineer-programmer of the JSC "Information and telecommunication technologies ("Inteltech")";
Tutene A.C. engineer-programmer of the JSC "Information and telecommunication technologies ("Inteltech")".
For citation: Dorogov A. Yu., Potapov I.A., Tutene A.C. Modeling of wireless network protocols in the environment of MatLab. H&ES Research. 2019. Vol. 11. No. 3. Pp. 32-45. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10267 (In Russian)
