CC BY
33УДК 621.396
ПРОТОКОЛ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ МАРШРУТИЗАЦИИ САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ МОБИЛЬНОЙ СЕТИ Прозоров Дмитрий Евгеньевич
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры радиоэлектронных средств. ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет». E-mail: prozorov.de@gmail.com Адрес: 610000, г. Киров, ул. Московская, 36.
Романов Сергей Владимирович
первый заместитель генерального директора по научной работе, Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт средств вычислительной техники» E-mail: romanov.s@niisvt.ru. Адрес: 610025, г. Киров, ул. Мельничная, 31.
Аннотация: Выбор протокола маршрутизации мобильной самоорганизующейся сети (MANET) является в общем случае сложной задачей и зависит от требований, предъявляемых приложением: количества абонентов сети, их мобильности, необходимости поддержки передачи мультимедийных данных, показателей качества QoS и т.д. Например, при достижении размера беспроводной сети некоторого порогового значения, алгоритмы с «плоской» (реактивной или проактивной) маршрутизацией становятся неэффективными из-за быстрого роста доли служебного трафика. Техникой, позволяющей частично решить эту проблему, является кластеризация узлов сети, являющаяся отличительной особенностью методов иерархической маршрутизации (HSR, ZRP, CGSR, CBRP, DDR и др.).
В данной работе представлен протокол иерархической маршрутизации HDVG (Hierarchical Distance-Vector Georouting), использующий, по аналогии с протоколом HSR, процедуру рекурсивной кластеризации узлов. Отличительными особенностями HDVG являются: использование распределенных шлюзов между кластерами узлов, оптимизация маршрутов, проложенных между соседними кластерами и учет вектора движения и координат сетевых узлов. Показано, что разработанный метод иерархической маршрутизации имеет хорошую масштабируемость, позволяет строить беспроводные самоорганизующиеся сети емкостью порядка 300 узлов и может быть рекомендован для реализации в протоколах маршрутизации MANET с высокой подвижностью узлов.
Ключевые слова: маршрутизация, самоорганизующаяся сеть, беспроводная сеть.
Введение
MANET - мобильные самоорганизующиеся сети (Mobile Ad-hoc NETworks), использующие распределенные принципы управления с возможностью самоорганизации и самоуправления узлов сети.
MANET позволяют обеспечить передачу информации в тех случаях, когда традиционные «инфраструктурные» беспроводные сети недоступны или малоэффективны. Область применения MANET включает как гражданские (организация сетей общего доступа, распределенных компьютерных сетей, систем геомониторинга природной среды, информационного обмена в чрезвычайных ситуациях и т.п.), так и военные приложения (организация
взаимодействия тактических групп и автоматизации боевых действий) [1].
Фундаментальной особенностью MANET является функциональная эквивалентность узлов сети в отличие от беспроводных «инфраструктурных», в том числе - сотовых сетей. Отсутствие централизованного управления в подобных сетях требует от абонентских терминалов применения специализированных протоколов, использующих служебные пакеты для получения информации о топологии сети и построения маршрутных таблиц. Вследствие этого абонентские терминалы MANET являются не только приемо-передатчиками, но и «интеллектуальными» маршрутизаторами сети.
Протоколы маршрутизации MANET можно условно подразделить на группы с проактив-ной или реактивной («плоской») и гибридной (иерархической) маршрутизацией, сочетающей различные стратегии в зависимости от местонахождения и статуса адресата [1-3].
Выбор протокола маршрутизации MANET является в общем случае сложной задачей и зависит от требований, предъявляемых приложением: количества абонентов сети, их мобильности, необходимости поддержки передачи мультимедийных данных, показателей качества QoS и т.д. [1-5]. Так, на небольших сетях (менее ~102 абонентов) с небольшой относительной скоростью узлов эффективны протоколы с реактивной маршрутизацией (DSR, AODV). Минимальную задержку доставки пакетов данных обеспечивают проактивные протоколы (OLSR, TBRPF, FLAME и др.). При наличии на узлах геоинформационных данных лучшие результаты показывают протоколы геомаршрутизации (GPSR, GAF, LAR, DREAM) [6].
Однако, при достижении размера беспроводной сети некоторого порогового значения, алгоритмы с «плоской» (реактивной или про-активной) маршрутизацией становятся неэффективными из-за быстрого роста доли служебного трафика. Техникой, позволяющей частично решить эту проблему является кластеризация узлов сети, являющаяся отличительной особенностью методов иерархической маршрутизации (HSR, ZRP, CGSR, CBRP, DDR и др.) [1-3].
В данной работе представлен протокол иерархической маршрутизации HDVG (Hierarchical Distance-Vector Georouting), использующий, по аналогии с протоколом HSR, процедуру рекурсивной кластеризации узлов и ориентированный на применение в относительно больших сетях (до ~500 узлов) с высокой подвижностью абонентов.
Логическая иерархия сетевых узлов
Основные принципы кластеризации были разработаны в конце 1990-х годов специально для улучшения производительности MANET большой емкости [1].
Процедура кластеризации начинается на этапе инициализации сети. В связи с тем, что узлы MANET мобильны и могут перемещаться, появляться и уходить из зоны действия отдельных кластеров и сети в целом, кластеры не фиксированы и видоизменяются с течением времени. Поэтому процесс кластеризации поддерживается узлами на протяжении всего времени работы сети.
В процессе кластеризации узлы могут изменять свой статус, выполняя функции: вершины кластера (clusterhead), шлюза (clustergateway), обычного узла (clustermember) или узла с неопределенным статусом, который еще не вошел ни в один кластер [7]. Важным моментом этого процесса является выбор вершины кластера. В работе [8] показано, что методы выбора вершины кластера, основанные на идентификаторах (IBC - identifier-based clustering) имеют преимущество перед методами, основанными на связности узлов (CBC -connectivity-based clustering) в случае высокой подвижности узлов. Протокол HDVG использует адаптивный алгоритм наименьшего идентификатора (LID), модифицированный для корректной работы с многоуровневой ирархи-ческой структурой сети с целью балансировки среднего размера кластеров.
Обобщенная структура сети после завершения этапа инициализации представлена на рис.1 [9]. В примере показан случай двухуровневой кластеризации узлов. В общем случае количество логических уровней определяется требуемой емкостью сети. После выбора вершин в кластерах первого логического уровня (L1) начинается процесс объединения вершин уровня L1 в суперкластеры уровня L2. При этом вершины кластеров уровня L1, могут выполнять функции обычного узла или шлюза в суперкластере уровня L2. Далее процесс кластеризации продолжается рекурсивно, в зависимости от требований, предъявляемых к емкости и характеристикам сети.
Нужно отметить, что в соответствии с протоколом процесс кластеризации происходит на сетевом уровне, независимо от канального и физического уровней модели OSI сети.
- узел ^^ - вершина кластера | - шлюз
Рис.1. Структура MANET с двухуровневой логической иерархией узлов
В иерархических протоколах маршрутизации могут применяться как обычные, принадлежащие одновременно нескольким кластерам, так и распределенные шлюзы. Под распределенным шлюзом понимается пара узов, принадлежащих разным кластерам, через которые осуществляется межкластерный обмен данными [7].
Большинство методов кластеризации предусматривают возможность образования нескольких шлюзов между парой близко расположенных кластеров. В этом случае, при использовании «сосредоточенных» шлюзов -узлов, одновременно принадлежащих нескольким кластерам, может наблюдаться процесс, приводящий к значительному сокращению емкости сети - рис.2.
На рис.2 изображен процесс кластеризации узлов при сближении двух кластеров: первый кластер содержит узлы 1 и 2, второй — узлы 3, 4 и 5. После появления узла 3 в зоне радиовидимости первого кластера, узел 3 меняет свой статус на статус шлюза — рис.2,б. На этом этапе первый кластер содержит узлы 1, 2 и 3, второй — узлы 3, 4 и 5. При дальнейшем сближении кластеров количество шлюзов увеличивается — рис.2,в. В наихудшем случае все узлы обоих кластеров могут стать шлюзами. Тогда общая емкость сети остается прежней, а емкость кластеров увеличивается. Вследствие быстрого роста служебного трафика при увеличении количества узлов кластеров ухудшаются показатели эффективности протокола маршрутизации.
Для решения описанной проблемы, в отличие от протокола HSR, использована идеология «распределенных» шлюзов - рис.1.
Иерархическая адресация
На каждом уровне иерархии сетевой узел имеет уникальный идентификатор (иерархический адрес) вида Ю1 = {1Р2,/р). Здесь, Щ - физический адрес сетевого узла (уровень L1); /Р2 -адрес вершины кластера (уровень L2). В том случае, если Щ = 1Р2, узел является вершиной кластера.
Если узел выполняет функции шлюза, ему присваивается несколько идентификаторов. Например, Ю1 = (Щ,Щ) и Ю5 = (/Р4,Щ) . Первый идентификатор Ю1 является уникальным идентификатором узла. Остальные идентификаторы необходимы для описания «второй половины» распределенного шлюза - соседних узлов, принадлежащих другим кластерам. Так, в приведенном примере, узел с идентификатором Ю1 является шлюзом между кластерами с вершинами /Р2 и 1Р4.
Между парой соседних кластеров может быть несколько шлюзов. Сетевой узел может стать шлюзом, если его соседями являются узлы, принадлежащие разным кластерам (суперкластерам).
Типы служебных пакетов
В беспроводных сетях с децентрализованным управлением узлам необходимо обмениваться
служебными пакетами для сбора информации о топологии сети в локальном или глобальном масштабе, а также (при необходимости) для открытия и поддержки маршрутов.
Протокол маршрутизации HDVG использует следующие типы служебных пакетов:
— HELLO-пакеты. Необходимы для установлении связи между узлами на сетевом уровне, передачи информации о структуре кластера и реализации алгоритма кластеризации.
— RGEO-пакеты. Необходимы для поддержки работы алгоритма внутрикластерной геомаршрутизации. Для снижения доли служебного трафика RGEO-пакет отправляется узлом-источником только при изменении положения узла, превышающем значение заданного порога. При этом RGEO-пакет «заменяет» собой отправку HELLO-пакета.
— ReqID-пакеты. Являются запросами на получение иерархического идентификатора узла по его 1Р-адресу. ReqID-пакеты являются адресными и направляются по маршрутам к вершинам кластеров.
— RepID-пакеты. Являются ответами на запросы ReqID узла-источника. RepID-пакеты являются адресными и доставляются получателю кратчайшим путем в соответствии с уникальным идентификатором узла-источника запроса ReqID.
В процессе сбора и обработки информации о топологии сети каждый узел формирует таблицу маршрутизации, содержащую векторы маршрутов к узлам своего кластера (суперкластера). Если узел является вершиной кластера, он поддерживает две таких таблицы: локальную таблицу маршрутизации, содержащую сведения об узлах кластера уровня L1 и глобальную таблицу маршрутизации, содержащую сведения об узлах уровня L2 (уровня суперкластера). На уровне L2 вершина кластера является обычным узлом (или шлюзом) при двухуровневной кластеризации узлов.
Помимо векторов маршрутов, в таблицах маршрутизации содержится информация об идентификаторах узлов кластера (при наличии у узла нескольких идентификаторов, он является шлюзом), координатах и векторах скоро-
сти узлов кластера, времени актуальности геоинформации об узлах кластера, флаги доступности узлов кластера.
Протокол HDVG применяет гибридную проактивно-реактивную стратегию открытия маршрутов в зависимости от расположения адресата внутри или вне кластера узла-источника. Векторы маршрутов внутри кластеров определяются превентивно, до запроса на передачу данных в результате обработки служебных HELLO- и RGEO-пакетов. Эти служебные пакеты принимаются и ретранслируются всеми узлами в пределах кластера (суперкластера), что позволяет сократить время реакции узлов на изменения топологии сети в локальной зоне [10]. При отсутствии информации об идентификаторе адресата (адресат находится вне кластера узла), формируется ReqID-запрос. ReqID-запрос является адресным и направляется по маршрутам к вершинам кластеров сети - рис.3.
Вершина кластера, в котором находится узел-адресат, отправляет RepID-пакет узлу-источнику запроса ReqID. RepID-пакет содержит идентификатор адресата и отправляется по обратному маршруту в соответствии с алгоритмом иерархической маршрутизации.
Иерархическая маршрутизация
Для иллюстрации алгоритма иерархической маршрутизации протокола HDVG рассмотрим сеть, содержащую три кластера с вершинами «2», «6», «13» и суперкластер, содержащий указанные вершины кластеров (рис.4). Узел-источник «1» имеет идентификатор (иерархический адрес) Ю1 = (2,1). Узел назначения (адресат) «11» имеет идентификатор Юи = (13,11).
О-*» 0-
вершина кластера
Рис.4. Иллюстрация алгоритма иерархической маршрутизации
Шаг 1. Узел «1» просматривает таблицу маршрутизации и не находит среди узлов своего кластера узел с идентификатором ID11 = ^13,11^. IP-пакет отправляется по маршруту к вершине кластера (узлу «2»).
Шаг 2. Вершина кластера (узел «2») просматривает таблицу маршрутизации уровня L2 (суперкластер) и определяет вектор маршрута (узел «6») на уровне суперкластера. IP-пакет отправляется по маршруту к шлюзам «4»-«5».
Шаг 3. Узел «5», руководствуясь вектором маршрута уровня L2 и вектором маршрута уровня L1, отправляет IP-пакет к вершине кластера «6».
Шаг 4. Вершина кластера «6» просматривает таблицу маршрутизации уровня L2 и определяет вектор маршрута (узел «13») на уровне суперкластера. IP-пакет отправляется по маршруту к шлюзу «8»-«9».
Шаг 5. Узел «9» просматривает список узлов кластера с вершиной «13» и обнаруживает узел-адресат «11». IP-пакет отправляется по маршруту к адресату.
Внутрикластерная маршрутизация Протокол HDVG может адаптироваться к наличию или отсутствию информации о местоположении и скорости движения сетевых узлов. При отказе системы позиционирования GPS маршруты внутри кластеров прокладываются в соответствии с дистанционно-векторным алгоритмом. При наличии геоинформации маршруты оптимизируются с учетом местоположения и вектора скорости узлов в трехмерном пространстве. Информация о местоположении и скорости движения сетевых узлов распространяется RGEO-пакетами.
Принцип работы внутрикластерного алгоритма геомаршрутизации иллюстрирует рис.5. Для каждого узла из таблицы маршрутизации прогнозируется текущее местоположение, исходя из хранящейся информации: координатах узла, векторе скорости узла и времени актуальности геоинформации узла. В качестве вектора маршрута определяется узел, наиболее близкий у узлу-адресату «D».
Для снижения вероятности коллизий в процессе передачи IP-пакетов внутри кластера используется метод псевдослучайного локального временного разделения каналов, обеспечивающий вероятность коллизий при передаче пакетов данных не более 2% при равномерном размещении сетевых узлов.
Эксперимент
Для оценки эффективности разработанного иерархического протокола маршрутизации разработана система имитационного моделирования на основе сетевого симулятора NS-3 [11,12]. Система позволяет моделировать работу MANET при использовании протоколов различных классов: проактивных (OLSR, DSDV), реактивного (AODV, DSDV), протокола геомаршрутизации (GPSR), иерархического (HDVG).
В результате анализа количественных показателей эффективности протоколов OLSR, AODV, GPSR и HDVG определены границы применимости указанных протоколов маршрутизации при гарантированном коэффициенте доставки Кй > 20% - рис. 6.
Анализ результатов исследования показывает, что:
- протокол HDVG имеет, в среднем, лучшие показатели по коэффициенту и времени доставки пакетов по сравнению с протоколами OLSR, AODV, GPSR в следующем диапазоне изменения параметров MANET: скорость движения узлов v <е[0;32] м/с, количество узлов
сети n <е[50;300], среднее расстояние между
— при средней скорости узлов V = 1 м/с и количестве узлов п = 300 протокол HDVG имеет преимущество по коэффициенту доставки над протоколами: OLSR в 1,9 раза, AODV в 17 раз, GPSR в 2,1 раза; по среднему времени доставки пакета: OLSR в 3,4 раза, AODV в 1,1 раза, GPSR в 2,2 раза;
— при средней скорости узлов V = 32 м/с, количестве узлов п = 300 протокол HDVG имеет преимущество по коэффициенту доставки над протоколами: OLSR в 7,5 раз, AODV в 15 раз, GPSR в 2,1 раза; по среднему времени доставки пакета: AODV в 6 раз, GPSR в 4,3 раза;
— наибольшую эффективность протокол HDVG показывает при небольшой и средней плотности распределения сетевых узлов (рас-
стояние между узлами более 25 метров). При этом коэффициент доставки пакетов слабо зависит от степени мобильности узлов и находится в пределах от Кй — 80% при n — 50, до Кй - 30% при n - 300.
Вывод
Разработанный метод иерархической маршрутизации имеет хорошую масштабируемость, позволяет строить беспроводные самоорганизующиеся сети емкостью порядка 300 узлов и может быть рекомендован для реализации в протоколах маршрутизации MANET с высокой подвижностью узлов.
Литература
1. Iwata A. [et al.] Scalable routing strategies for ad hoc wireless networks / A. Iwata [et al.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1999, Vol. 17, Is. 8, pp. 1369 -1379. doi: 10.1109/49.779920
2. Hong X., Xu K., Gerla M. Scalable routing protocols for mobile ad hoc networks // IEEE Network, 2002, Vol. 16, № 4, pp. 11—21. doi: 10.1109/MNET.2002.1020231
3. Романов С.В, Прозоров Д.Е. Методы гибридной и иерархической маршрутизации MANET// Перспективы науки, 2013, № 6, с.72-76.
4. Маркин В.Г., Рыжкова А.Г. Протоколы маршрутизации в мобильных самоорганизующихся сетях// Теория и техника радиосвязи, 2013, №4, с.48-56.
5. Кирьянов А.Г., Ляхов А.И., Некрасов П.О. и др. Протокол многоадресной маршрутизации proximity-based groupcast in manet (GIM) // Информационные процессы, 2012, №3, с.213-228.
6. Прозоров Д.Е, Метелев А.П., Чистяков А.В., Романов С.В. Протоколы геомаршрутизации самоорганизующихся мобильных сетей // T-Comm, 2012, №5, с.16-19.
7. Жолобов А.Н., Лесников В.А, Романов С.В. Принципы формирования кластеров в ad-hoc сетях// Научное обозрение, 2012, №4, с. 264-273.
8. Gerla M, Tsai J. Multicluster, mobile, multimedia radio network // ACM Baltzer Journal of Wireless Networks, 1995, Vol.1. No. 3, pp. 255-265.
9. Романов С.В, Прозоров Д.Е, Трубин И.С. Анализ иерархического протокола маршрутизации MANET-сетей // Перспективы науки, 2012, №4, с. 86 - 89.
10. Романов С.В, Прозоров Д.Е. Метод обработки широковещательного трафика MANET // T-Comm, 2013, №4, С.32-34.
11. Network Simulator 3. [Электронный ресурс] // URL: http://www.nsnam.org (Дата доступа 01.02.2014).
узлами Rn <е[3;150] м/с;
I100
^ 25 g
S 12
150 200 250
Количество узлов
150 200 250 Количество узлов
Рис. 6. Область применимости протоколов маршрутизации MANET
12. Жолобов А.Н., Прозоров Д.Е., Романов С.В. коммуникационные технологии, 2012, №3, с.28-33. Симуляторы беспроводных MANET-сетей // Инфо-
Исследование проведено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1407-00086.
Поступила 14 марта 2014 г.
English
Hierarchical Routing Protocol of Mobile ad hoc Network
Dmitry Evgenyevich Prozorov - Doctor of Engineering, Professor, Department of Radio Electronic Devices federal state budgetary educational institution of higher professional education "Vyatka State University".
Address: 610000, Kirov, Moskovskaya St., 36.
Sergey Vladimirovich Romanov - the first Assistant of Chief Executive Officer in R&D JSC "Scientific Research Institute of Computer Technology".
Address: 610025, Kirov, Mel'nichnaia St., 31.
Abstract: The selection of routing protocol of mobile ad hoc network (MANET) is generally a challenging task and depends on the demands of the application: amounts of network subscribers, their mobility, necessity of transmission support of multimedia data, quality indexes QoS etc. For example, when a wireless network reaches the size of some threshold value, algorithms with flat (reactive or proactive) routing become inefficient because of rapid growth of the office traffic share. The technique which partially allow to solve this problem is clustering of network nodes that is a distinctive feature of hierarchical routing methods (HSR, ZRP, CGSR, CBRP, DDR, etc.). The paper gives the protocol of hierarchical routing HDVG (Hierarchical Distance-Vector Georouting) using on the analogy of HSR protocol the routine of the recursive clustering of nodes. The distinctive features of HDVG are the following: usage of the distributed gateways between node clusters, optimization of the routes between adjacent clusters and registration of motion vector and co-ordinates of network nodes. The paper demonstrates that the developed method of hierarchical routing has good scalability, allows to build wireless self-configuring networks with the capacity of 300 nodes and could be recommended for implementation in protocols of routing MANET with high mobility of nodes.
Key words: routing, self-configuring network, wireless network.
References
1. Iwata A. [et al.] Scalable routing strategies for ad hoc wireless networks. A. Iwata [et al.] IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1999, Vol. 17, Is. 8, pp. 1369-1379. doi: 10.1109/49.779920
2. Hong X., Xu K, Gerla M. Scalable routing protocols for mobile ad hoc networks. IEEE Network, 2002, Vol. 16, № 4, pp.11-21. doi: 10.1109/MNET.2002.1020231
3. Romanov S.V., Prozorov D.E. Methods of Hybrid and Hierarchical Routing MANET. Perspektivy nauki, 2013, № 6, p.72-76.
4. Markin V.G., Ryzhkova A.G. Routing Protocols in Mobile ad hoc Networks. Teorija i tehnika radiosvjazi, 2013, №4, p.48-56.
5. Kirjanov A.G., Ljahov A.I, Nekrasov P.O. et al. Protocol of Multiadressed Routing proximity-based group-cast in manet (GIM. Informacionnye processy, 2012, №3, p.213-228.
6. Prozorov D.E, Metelev A.P., Chistjakov A. V., Romanov S. V. Protocols of Georouting of Mobile ad hoc Networks. T-Comm, 2012, № 5, p.16-19.
7. Zholobov A.N., Lesnikov V.A., Romanov S. V. Principles of Clastering in ad hoc Networks. Nauchnoe obozre-nie, 2012, №4, p. 264-273.
8. Gerla M, Tsai J. Multicluster, mobile, multimedia radio network. ACM Baltzer Journal of Wireless Networks, 1995, Vol.1. No. 3, pp. 255-265.
9. Romanov S. V., Prozorov D.E, Trubin I.S. Analysis of Hierarchical Protocol Routing MANET. Perspektivy nauki, 2012, №4, p. 86 - 89.
10. Romanov S.V., Prozorov D.E. Processing Method of Broadcasting Traffic MANET. T-Comm, 2013, № 4, p.32-34.
11. Network Simulator 3. [Electronic Resource] URL: http://www.nsnam.org (Data dostupa 01.02.2014).
12. Zholobov A.N., Prozorov D.E, Romanov S.V. Simulators of Wireless MANETs. Infokommunikacionnye tehnologii, 2012, № 3, p.28 - 33.
