Обеспечение доступности абонентов VANET Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.72

Providing VANET users with uninterrupted accessibility

Kruchinin Sergei Vladimirovich, candidate of political sciences, chief research scientist, «Wellborn» Lie. (Voronezh), siblis@yandex.ru

Abstract. The article researches network systems known as VANET - vehicular ad hoc networks. This problem is not been researched in Russian science. Authors research VANET in the Russian periodic for the first time. Authors propose users' level selforganization. The following results are been achieved: terminology and characteristics of 1-st and 2-nd level ad hoc networks are been given; algorithms for users' uninterrupted accessibility during their movement between vehicles are been proposed.

Keywords: vehicle, VANET, ad hoc, DNS, e-mail, XMPP, SMTP, POP3.

Обеспечение доступности абонентов VANET

Кручинин Сергей Владимирович, кандидат политических наук, главный научный сотрудник ООО «ВЭЛБОРН» (г. Воронеж), siblis@vandex.ru;

Аннотация. В статье исследуется проблематика сетей связи , именуемых в зарубежной научной литературе VANET - vehicular ad hoc networks, т.е. ad hoc сетей транспортных средств (ТС). В отечественной науке данная тема проработана не в достаточной мере. Сети VANET исследуются автором в отечественной науке впервые. Предлагается реализация самонастройки на уровне абонентов. Достигнуты следующие результаты: даны определения и раскрыты особенности систем связи ТС, введены определения ad hoc системы связи ТС первого (по IP) и второго уровня (по DNS). Предложены механизмы надежного обеспечения доступности абонентов при переходе из одного ТС в другой, сохранения корреспонденции, получаемой во время перехода и доставки ее абоненту при регистрации абонента в СС на новом ТС.

Ключевые слова: транспортные средства, сети транспортных средств, АСУ, VANET, ad hoc, DNS, электронная почта, XMPP, SMTP, РОРЗ.

Актуальность. В зарубежной научно-технической практике и литературе довольно широко исследована проблематика сетей, именуемых «VANET» - vehicular ad hoc networks, т.е. ad hoc сетей транспортных средств. При этом в отечественной науке и технике данная проблематика не проработана. Маркерами данному явлению является отсутствие соответствующей статьи в Википедии на момент обращения, поиск по elibrary.ru (НЭБ) на момент написания статьи также дает ссылки на зарубежные исследования и незначительное число статей из нашего библиографического списка.

Более того существуют попытки создания сетей VANET без целостной проработки проблематики и разработки соответствующей методологии. Это приводит к тому, что автоматизированные системы управления, построенные на базе транспортных средств функционируют на базе сетей, которые не являются VANET, но которые по назначению задачи, должны таковыми являться.

Вышесказанное обусловлено отсутствием целостного видения программного обеспечения сети в совокупности на всех уровнях модели OSI/ISO. Так, при реализации ad hoc маршрутизации, сеть формально является самонастраиваемой, но переход абонента из одного транспортного средства (ТС, также используются сокращения программно-технический комплекс - ПТК, аппаратно-программный комплекс - АПК, в другое ТС), приводит к его недоступности для системы связи после совершения соответствующего перемещения. В таких случаях абонентам приходится воздержаться от перехода между ТС, что невозможно гарантировать в условиях применения таковых сетей (по определению базирующихся на vehicles, т.е. транспортных средствах), либо при переходе пользоваться чужими пользовательскими именами, что является не корректным с точки зрения безопасности системы связи, либо необходим постоянный штат для перенастройки сети, что снижает гибкость и мобильность системы.

В рамках статьи мы будем рассматривать практически не разработанные в отечественной науке децентрализованные мобильные сети транспортных средств (мобильных единиц) - ДМСТС. Данный термин (без учета динамичности - МСТС) был введен в [1] как аналог зарубежного термина VANET, хотя отмеченные автором реализации подобных сетей в отечественной науке и технике может иметь существенные отличия. На этом мы остановимся в разделе статьи, посвященном изученности проблемы.

Отметим, что особенностью сетей VANET/ДМСТС часто является максимальная децентрализация, когда в сети отсутствует выделенный сервер, и вся инфраструктура распределяется по узлам связи. Даже если на более высоком уровне модели OSI/ISO и присутствует сервер, часто на уровне прикладных и транспортных протоколов структура оказывается одноранговой и децентрализованной.

Кроме того, особенностью рассматриваемых сетей является возможностью появления новых узлов, абонентов, и перестройка их взаимосвязей в кратчайшие сроки, что требует автоматической перестройки сети, что исключает длительную и дорогую процедуру перенастройки административными методами.

Научно-техническая новизна исследования обусловлена тем, что VANET сети исследуется в отечественной науке впервые, также, предлагается способ обеспечения доступности абонентов при переходе из одного ТС в другое. Область применения исследо-

вания - VANET, т.е. системы связи транспортных средств (vehicles) и аналогичные им системы связи.

Степень изученности: в зарубежной науке проблематика VANET исследуется и широко представлена в научной литературе (см., напр. [2-5]). В тоже время в российской науке и применительно к специфике используемым в российской технике задачам данная проблематика практически не представлена. Впервые попытка исследовать мобильные сети транспортных средств предпринята Кручининым С. В. в 2011 г., в частности предложен термин «мобильные сети транспортных средств» [1].

Определения.

Ключевую роль в нашем исследовании играет транспортное средство (ТС), англ. vehicle, будучи оснащенным устройствами телекоммуникаций (ТКУ), образующим локальные сети внутри транспортных средств, которые мы будем обозначать как автономные телекоммуникационные сети (АТКС). ТС вместе с расположенными в ней ТКУ, соединенными в АТКС, мы будем также обозначать как аппаратно-программный комплекс (АПК).

Под сетью связи (СС) транспортных средств (ТС) будем понимать систему связи между аппаратно-программными комплексами (АПК), созданными на базе транспортных средств (vehicle) и оснащенных устройствами телекоммуникаций. В случае если такая сеть является самоорганизующейся, то обозначим ее как ad hoc сеть транспортных средств, что является аналогом принятого в зарубежной науке термина VANET - vehicular ad hoc network (См. Рис.1). К особенностям СС ТС является отсутствие опорной стационарной сети, так как сфера применения таких сетей может быть самой разнообразной (тундра, тайга, болота, степь, пустыня, крайний север, Арктика, Антарктика, воздушное и космическое пространство и т.д., где техническая возможность размещать базовые станции операторов сотовой связи может отсутствовать на протяжении многих километров). И даже если опорная сеть присутствует, СС может функционировать и без нее, используя ad hoc маршрутизацию.

Также мы отметим, что несмотря на возможность присутствия выделенных ТС, что в целом, клиентами связи, и базовыми станциями, и серверами, предоставляющими услуги связи в данном случае, являются сами аппаратно-программные комплексы, созданные на базе используемых в сети транспортных средств.

Рассмотрим теперь варианты организации сетей связи транспортных средств.

ч$

Рис.1. Пример VANET - Vehicular Ad Hoc Network - ad hoc сети транспортных средств

Если не предусмотрено средств самонастройки, то такие сети обладают ограниченными возможностями в силу того, что в подобных сетях становится невозможной работа новых пользователей, не может быть осуществлен переход пользователей из одного транспортного средства в другое с сохранением его работоспособности в сети (а такое возможно, например, при потере или гибели транспортного средства).

Рассмотрим вариант самоорганизующейся сети с применением ad hoc маршрутизации (например, AODV). Если используются алгоритмы ad hoc маршрутизации (такой, как AODV), то формально сеть является самоорганизующейся (например, утилиты ping и traceroute операционной системы Linux или ping и tracert Windows продиагностируют полносвязность сети при перемещении ее узлов). То есть каждый узел окажется формально доступным. Но если самоорганизация реализована только на уровне IP, то, несмотря на техническую доступность, сеть пользователей (но не устройств) не может считаться самоорганизующейся сетью!

Итак, такие сети телекоммуникационных устройств, при изменении которых благодаря алгоритмам маршрутизации ad hoc

(например AODV) сохраняют связность, но абоненты таких сетей при перемещении последних не сохраняют связность сети, мы обозначим как ad hoc сети транспортных средств первого уровня. Их самоорганизация реализована только на сетевом уровне, маршрутизируются только IP-адреса, (см. Рис. 2).

Щ

/if.it. г J

¡0.0. t.]

ны:ю

-¿Ш я

1ЛЛ3.1

19Л2.1

Уп>тг ffUt.l.J Та i<L0.i.t

стл№

10.0.1.1

1&вЛ1

¡тот: 10,0.1.1 Та ¡0.0.3.1 Рис. 2. Ad hoc сети первого уровня (IP адрес всегда доступен)

Рассмотрим же теперь случай, если к тому же предусмотрена инвариантная адресация абонентов относительно занимаемых ими АПК. В этом случае абоненты должны оставаться доступны, даже если переходят из одного АПК в другое. Подобное решение можно реализовать, если использовать для именования должностных лиц имена в соответствии со стандартами RFC: почтовое имя согласно RFC2822, доменное имя согласно RFC1034. Для этого можно использовать даже телефонный номер абонента, но использовать его и в качестве имени пользователя и в качестве имени домена, например для 3399 - 3399@3399. Точка в конце имени нужна для отличия от IP-адреса, как в примере «3399.» вместо «3339», что верно понимается службами DNS (стандартное имя DNS заканчивается точкой, обозначающей корневой сервер).

Обозначим подобные сети как ad hoc сети транспортных средств второго уровня. Их самоорганизация строится на основе

121

динамического поиска IP адреса для запрошенного имени DNS, либо на основе обмена между DNS-серверами, т.е. на сеансовом уровне: прежде чем установить сеанс связи, необходимо разрешить IP-адрес для доменного имени.

На рис. 3 нами показан пример Ad Нос сети второго уровня.

БЫЛО

jfc

ш

3A6.U А.

10,0.2.1

From: Mil.rfii'Mtl.ti. Tr>: chiefи thief.

W.Qj.t

ctficj*« trhUf.

fliFisi. IX А 16.6.13 aw,fet IXMXl&tJ.l chirf. IX A 10.0.1,1 ehirf. ¡X MX 1&A2.1

CfA.ro

10.0.1. i

¡0.0.3.1 ¿л \

Front: entitle aii.hr. To: dtif jfi' chief.

assist /.Y.I 10.0.1.1 an hi. l.\ MX 10.6.1.1 chief. I.\.i 10.0.1.1 chief. IX MX 10.0.3.1

Рис. 3. Ad hoc сети второго уровня (абонент всегда доступен по уникальному имени)

Соответственно, предлагается использовать имя формата пате@пате. При этом пате - уникальный идентификатор должностного лица. Первая половина имени - почтовое имя согласно КБС2822, служит для идентификации пользователя, как получателя на сервере (в почтовой службе или системе обмена мгновенными сообщениями), правая часть - доменное имя согласно ИБС 1034, служит для вычисления адреса сервера, за которым работает абонент в момент отправки.

Пример использования (в соответствии с рис. 3): chief@chief. или officer@officer. или 3399@3399. Мы видим, что при перемещении должностного лица меняются таблицы DNS, и программа получает для пользователя IP адрес его текущего нахождения благодаря выполнению операции gefflostByName().

Важную роль в ТС и АТКС будет играть телекоммуникационный модуль сопряжения (ТКМС) - телекоммуникационное устройство (сервер), выступающее шлюзом между внутренней сетью (АТКС) и внешней сетью (МСТС). ТКМС должен содержать программное обеспечение DNS-сервера, почтового сервера (стандартного SMTP/POP3 либо вариации на основе иных протоколов, таких как ХМРР, ПО СТ [7] и т.д.)

Возможен простой механизм обмена сообщениями между DNS-серверами. Если абонент регистрируется в сети АТКС нового ТС, ТКМС этого ТС отправляет уведомление для ТКМС прежнего ТС, и на все запросы в адрес прежнего ТС его ТКМС будет отправлять информацию о новом положении искомого абонента. Реализация подобного DNS, обозначенная нами как Ad hoc DNS - ANDS, описана в [6].

Заметим, что на случай выхода из строя, потери или уничтожения ТС необходимо также предусмотреть возможность для каждого адреса указывать как минимум два IP-адреса: основной, адрес ТКМС того ТС, где в данный момент работает пользователь, и резервный - адрес ТКМС доверенного ТС (один или несколько), которому известно месторасположение пользователя в сети транспортных средств.

Рассмотрим теперь механизм сохранения корреспонденции, получаемой в момент перехода должностного лица между ТС и доставки ее абоненту при регистрации абонента в АТКС на новом ТС.

Шаг 1. Рассмотрим два корреспондента. Первый корреспондент - пользователь 1 находится в транспортном средстве 1 (ТС1), работает в его автономной телекоммуникационной сети (АТКС1) за рабочим местом (АРМ), в роли которого выступает ЭВМ (стационарная, установленная в ТС, или носимая, например, планшет, ноутбук или другое мобильное устройство).

Предположим, что пользователь имеет наименование Userl и уникальное имя отправителя-получателя Userl @Userl. (в соответствие с предложенным механизмом в статье [6] и освещенном выше).

Второй корреспондент - пользователь 2 в сети ТС2, также работающим на ЭВМ, имеющий наименование User2 и уникальное

имя и8ег2@Ц8ег2. Пользователь изег2 отправляет корреспонденцию пользователю Шег!. На каждом из ТС установлен ТКМС, в состав которого входят сервис АЭ^ [6], и почтовый сервер. Почта, отправленная по адресу и8ег1@изег1. приходит на почтовый сервер в составе ТКМС1 с 1Р-адресом 10.0.0.1.

Рис. 4. Процесс отправки электронной корреспонденции от пользователя Шей (находится в

ТС2) в адрес ивег1 (находится в ТС1)

Шаг 2. Пользователь Шег! покидает ТС1 и направляется в ТС2 (в этот момент для простоты будем считать, что он не доступен, хотя эта отдельная задача также должна быть решена, и в целом, имеет решение, на чем мы планируем остановится в наших дальнейших исследованиях).

В это время абонент изег2 продолжает отправлять на адрес и8ег1@изег1. Сообщения. При этом, в соответствие с указанным нами условием, абонент Шег! не имея доступа к ЭВМ (либо не имея связи с мобильного устройства, но только в рамках данной за-124

дачи) не может получить корреспонденцию, но она накапливается в папке Userl почтового сервера ТКСМ1 в ТС1 (см. рис.5).

Рис. 5. Пользователь покинул TC1 и переходит в ТСЗ. В это время электронная корреспонденция накапливается в папке на сервере ТС1

Именно этим и объясняется наименования вида name@name., а не name@server или name@10.0.0.1. Доменная часть имени (после символа @) указывает на сервер, который привязан в данный момент времени к пользователю name, а эта привязка может меняться. Но даже если привязка поменялась, но корреспонденция пришла по старому адресу, то благодаря имени пользователя (до символа @) корреспонденция будет сохранена в пользовательскую папку, откуда может быть получена адресатом с любого другого сервера (рис.6).

Рис.6. Пользователь Userl перешел в ТСЗ и теперь может забрать корреспонденцию, хранящуюся на сервере в ТС1 по протоколу РОРЗ, таким образом корреспонденция не теряется даже во время отсутствия абонента в сети.

Шаг 3. Пользователь, перейдя в ТСЗ, и авторизовавшись на ЭВМ в ТСЗ (исходно размещенном в ТСЗ или носимом с собой и подключенной к сети ТСЗ), авторизуется на ТКМСЗ в АТКСЗ. Помимо этого, ADNS-сервер в составе ТКМСЗ, после подключения пользователя уведомляет другие сервера о новом месторасположении пользователя Userl.

При этом IP-адрес доменной записи Userl. меняется с 10.0.0.1 на 10.0.0.3. После этого он может забрать корреспонденцию, накопленную за время его отсутствия почтовым сервером ТКМС1 (например, по протоколу РОРЗ). Но авторизоваться он по клиентскому протоколу (РОРЗ или иному) должен уже по адресу

и8ег1@10.0.0.1 потому что Ц8ег1@и8ег1 будет уже указывать на его новое положение.

Шаг 4. После того, как Б^-записи обновились, отправка пользователем Шег2 пользователю изег1 по адресу Ц8ег1@и8ег1. Фактически происходит на ТКСМЗ с 1Р-адресом 10.0.0.3, так как 1Р-адрес Шег! поменялся с 1Р-адреса ТКМС1 на ТКМСЗ (См. рис. 7).

Рис 7. Пользователь Userl зарегистрирован в АТКСЗ и получает корреспонеднцию, также адресованную к Userl@Userl., но уже доставляемую на ТКМСЗ.

Обратим внимание на то, что пользователю желательно идентифицироваться не только с помощью логина и пароля, но использовать двухфакторную авторизацию, например иметь носимое личное устройство идентификации (например, выполненное в виде брелока с USB-интерфейсом и встроенной flash-памятью). Оно может хранить электронную цифровую подпись пользователя, перечень IP-адресов ТКМС, через которые он работал, зашифрованную папку с рабочими файлами. Тем не менее, рассмотрение этой проблематики выходит за рамки данной статьи. Отметим только, что подобное устройство упростило определение предыдущих ТС работы пользователя, и не придется вычислять эти адреса через сеть с использованием сервиса ADNS.

Стоит отметить, что реализация DNS для сетей транспортных средств будет отличаться от используемой в сети Интернет. Хотя

протоколы доступа к серверам DNS остаются прежними, и, при условии использования вышеуказанной системы именования пользователей, могут использоваться стандартные SMTP и РОРЗ-сервера, меняется обмен между DNS-серверами.

Предложения по внедрению.

Возможна техническая реализация данного решения. Для этого необходимо предусмотреть внедрение телекоммуникационного модуля сопряжения абонентской и транспортной сетей (ТКМС), схема которого приведена на рисунках 8 и 9. ТКМС предназначен для связывания на уровне каждого транспортного средства локальную сеть транспортного средства и внешние сети между транспортными средствами. Схема базовой комплектации блока показана на рисунке 8. Основная техническая составляющая ТКМС - вычислитель, включающий помимо IP-маршрутизатор, сервер имен, сервер регистрации абонентов и сервер разрешения IP-адресов.

Кроме выше указанного сервер может включать сервер электронной почты (иллюстрация принципов работы показана на рис. 4-7), сервер передачи сообщений: ПО СТ [17] или ХМРР, сервер автоматизированного управления и контроля телекоммуникационной сети (САУКТ).

Рис. 8. Устройство телекоммуникационного модуля

Вариант комплектации устройства показан также на рисунке 9, где помимо самого устройства рассматриваются коммутаторы внешней и внутренней сетей. Коммутаторы могут быть как встроенными, так и внешними по отношению к устройству.

Рис. 8. Вариант комплектации телекоммуникационного модуля

На данное устройство автором получен патент на полезную модель [8]. Порядок разработки, настройки и установки программного обеспечения на примере ЩЬБЫ8 мы описали в [9] и [10].

Выводы. Использование предложенной методологии позволит развивать проблематику мобильных сетей транспортных средств в отечественной науке и технике. Для обеспечения доступности абонентов мобильных систем транспортных средств (МСТС) или, в западной терминологии, УАКЕТ при перемещении должностных лиц между транспортными средствами необходимо использовать модернизированную архитектуру построения сети, по сравнению с используемой в стационарных сетях, но с использованием опробованных и надежных средств, таких как Щ1йЖ8, при этом дорабатывая их для использования в сетях транспортных средств, но, не нарушая стиль качественной и хорошо написанной архитектуры. Внедрение предложенных методов позволит реализовать непрерывную работу должностных лиц в отечественных системах связи.

В дальнейшем можно расширить проблематику СС ТС, расширив ее до сети связи мобильных единиц (СС МЕ), ведь помимо ТС, сеть может объединять пользователей, снабженных коммуникаторами или аналогичными носимыми ЭВМ, испытывающими потребность в связи в отсутствие внешней сети, таким образом, рассмотрев задачу, решением которой в рамках данного исследования мы пренебрегли (считая, что у перемещающегося между транспортными средствами абонента связи нет).

Библиографический указатель:

1. Кручинин С.В. К вопросу о терминологии в области мобильных сетей транспортных средств // Теория и техника радиосвязи. 2011.- №1. - С. 117-120.

2. Wischhof L. Self-Organizing Comunication in Vehicular Ad Hoc Networks / Lars Wischhof // Doktor-Inegeneiur (Dr.-Ing), Disser-tatyion. Braunschweug, 2007.

3. Azimi R., Bhatia G., Rajkumar R., Mudalige P. Vehicular Networks for Collision Avoidance at Intersections" /R.Azimi, G. Bhatia, R. Rajkumar, P. Mudalige, Society for Automotive Engineers (SAE) World Congress,April,2011, Detroit, MI, USA. [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: http://users.ece.cmu.edu/~sazimi/SAE2011.pdf

4. Eichler S., Ostermaier В., Schroth Ch., Kosch T. Simulation of Car-to-Car Messaging: Analyzing the Impact on Road Traffic. / Stephan Eichler, Benedikt Ostermaier, Christoph Schroth, Timo Kosch//Proceedings of the 13th Annual Meeting of the IEEE International Symposium on Modeling, Analysis, and Simulation of Computer and Telecommunication Systems (MASCOTS) : IEEE Computer Society, 2005.- 13th Annual Meeting of the IEEE International Symposium on Modeling, Analysis, and Simulation of Computer and Telecommunication Systems (MASCOTS).- Atlanta, USA, p. 4.- [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: https://www.alexandria.unisg.ch/Publikationen/30961 https://www.alexandria.unisg.ch/export/DL/40603.pdf

5. Gozalvez J., Sepulcre M., Bauza R. IEEE 802.lip Vehicle to Infrastructure Communications in Urban Environments / J. Gozalvez, M. Sepulcre and R. Bauza //IEEE Communications Magazine, vol. 50, no. 5, pp. 176-183, May 2012.- [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: http://www.uwicore.umh.es/V2I-measurement-campaign/

6. Кручинин С.В. Особенности построения системы доменных имен (DNS) в мобильных Ad Нос сетях // Теория и техника радиосвязи. 2011. - №2. - С. 79-83.

7. Пономарев М.П. Сервер системных телекоммуникаций // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2007613864. - Москва, 2007 - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

8. Кручинин С.В. 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. - Москва. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

9. Кручинин C.B., Вишняков A.B. Реализация службы имен в децентрализованных телекоммуникационных сетях // Научно-исследовательские публикации. 2013. №2. С. 132-147.

10. Кручинин C.B. Роуминг как необходимое свойство AD НОС сетей транспортных средств // Научно-исследовательские публикации. 2013. № 1. С. 66-86.