CC BY
249
Протоколы геомаршрутизации самоорганизующихся мобильных сетей
Ключевые слова: ОЬпаж/ОРЗ; !Рсетъ; мобильная сеть; протокол маршрутизации; самоорганизующаяся сеть.
Прозоров Д.Е.,
д.т.н., профессор,
ФГБОУ ВПО "ВятГУ", г. Киров, [email protected]
Метелев А.П.,
к.т.н., преп. ФГБОУ ВПО "ВятГУ", г. Киров, [email protected]
Чистяков А.В.,
аспирант ФГБОУ ВПО "ВятГУ", г. Киров, [email protected]
Романов С.В.,
первый заместитель генерального директора по научной работе ОАО "НИИ СВТ", г. Киров, [email protected]
Введение
В последнее время наблюдается повышенный интерес к MANET (Mobile Ad-hoc NETworks) — мобильным самоорганизующимся сетям и системам передачи данных [1 -13]. MANET имеют ряд преимуществ перед традиционными иерархическими сетями связи с выделенными управляющими центрами: децентрализованное (распределенное) управление, позволяющее сети адаптироваться к изменению топологии сети, возможность организации связи между абонентами, находящимися на значительном удалении друг от друга без увеличения мощности передатчиков, устойчивость к отказам отдельных узлов. Подобные сети могут применяться во время военных действий, в структурах МЧС, в транспортньх системах и различных силовых структурах [1, 2].
Одноранговые мобильные ad-hoc сети характеризуются динамически изменяющейся топологией и отсутствием четкой инфраструктуры, где каждый узел может выполнять функции маршрутизатора и принимать участие в ретрансляции пакетов данных. Отдельные абонентские терминалы могут передвигаться, появляться в зоне действия сети и уходить из ее влияния. Узлы сети взаимодействуют случайным
Кратко описаны протоколы геомаршрутиз* связи. Выделены основные стратегии геомаршрутизации.
образом, при этом связь между парой узлов может осуществляться через цепочку посредников. При этом на сетевые узлы возлагаются не только задачи приема и обработки данных, но и задача прокладки маршрута внутри сети к промежуточным узлам по пути к конечному адресату.
Выделенные выше особенности MANET приводят к тому, что протоколы и технические решения, используемые в классических проводных сетях, например централизованная маршрутизация с иерархией заранее назначенных маршрутизаторов, в ad-hoc сетях оказываются неэффективными и не обеспечивают нужную производительность [1,2]. Маршрутизация пакетов данных с учетом мобильности узла-отправителя, узла-приемника и транзитных узлов в таких условиях становиться чрезвычайно сложной.
Анализ, выбор и разработка эффективных (в соответствии с определенными критериями) протоколов маршрутизации MANET также осложняется малым количеством публикаций по данной тематике на русском языке, в связи с чем возникает необходимость систематизации сведений по принципам организации и протоколам маршрутизации MANET.
Протоколы маршрутизации мобильных самоорганизующихся сетей можно подразделить на протоколы с проактивной маршрутизацией, протоколы с реактивной маршрутизацией и их комбинации [1, 2].
Проактивные (превентильные) протоколы предполагают периодический обмен управляющими сообщениями для превентильного расчета таблиц маршрутизации. Использование превентильных протоколов приводит к быстрому росту загрузки сети и энергоресурсов каждого узла при увеличении подвижности и количества узлов сети.
В протоколах реактивной группы узел ищет путь к пункту назначения только при возникновении необходимости. Недостатком данной группы протоколов является рост задержек на поиск первичного маршрута при увеличении подвижности и количества узлов.
Гибридные, в том числе иерархические,
ии мобильных само-организующихся сетей повышения эффективности протоколов
протоколы сочетают в себе подходы проактивных и реактивных протоколов.
В связи с тем, что в соответствии приказом №92 Минкомсвязи России от 03.05.2011 г. оборудование беспроводной передачи данных подлежит оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/ GPS [3], в перспективную группу протоколов маршрутизации MANET можно выделить протоколы, использующие данные о местоположении абонентов сети.
К основным преимуществам протоколов геомаршрутизации можно отнести — отсутствие прямой необходимости в хранении маршрутной информации на транзитных узлах и возможность оптимизации маршрутов, исходя из имеющейся информации о местоположении узлов [4].
Независимо от класса, протоколы маршрутизации MANET должны, по возможности, минимизировать время построения маршрута и время задержки доставки пакетов, максимизировать коэффициент доставки пакетов, рассылать как можно меньший объем служебной информации, и обладать хорошей масштабируемостью.
Для обеспечения этих требований протоколы геомаршрутизации используют различные стратегии поиска маршрутов.
Стратегии геомаршрутизации MANET-сетей
В протоколах маршрутизации, использующих геоданные, можно выделить три основные стратегии: "жадная" пересылка, направленная лавинная рассылка, и иерархическая маршрутизация [4, 5].
"Жадная" пересылка: узел пытается передать пакет тому из своих соседей, который находится ближе к месту назначения. Если не существует ни одного такого соседнего узла, тогда используются различные правила в "жадных" стратегиях, чтобы найти альтернативный маршрут. Пример протоколов такой стратегии: GPSR.
Направленная лавинная рассылка: узлы пересылают пакеты всем соседям, которые
РИс. 1. Пример "жадной" пересылки
РИс. 2. Исправление ошибок при использовании "жадной" стратегии
расположены в направлении пункта назначения. Протоколы DREAM и LAR являются двумя наиболее распространенными алгоритмами маршрутизации, которые применяют этот принцип.
Иерархическая маршрутизация: Сюда можно отнести протоколы, в которых маршрутизация структурирована в двух слоях. Такие протоколы применяют разные правила для маршрутизации на длинные и короткие расстояния. Геомаршрутизация используется для длинных дистанций. Для коротких дистанций (внутри кластера узлов, или зоны) применяются другие схемы маршрутизации.
GAF
Протокол геомаршрутизации GAF (Geographic adaptive fidelity) [6] формирует виртуальную сетку покрытой области. Каждый узел ассоциирует себя с ближайшим пунктом на виртуальной сетке. Узлы, связанные с тем же самым пунктом на сетке, считаются эквивалентными с точки зрения стоимости маршрутизации. Такой подход может существенно увеличить время жизни сети при увеличении числа узлов. Узлы могут менять свое состояние от спящего к активному для балансировки нагрузки. Определены три состояния: "состояние обнаружения" для определения соседей в сетке, "активное состояние" предполагает участие в маршрутизации, а также "спящий режим".
Продолжительность спящего режима зависит от приложения. Каждый узел в сетке оценивает свое время выхода из сетки и посылает его своим соседям. Спящие соседние узлы корректируют свое время сна для того, чтобы сохранить актуальность маршрутной информации. Прежде, чем наступит время выхода узла из активного режима, один из соседних спящих узлов просыпается и становится активным. GAF всегда сохраняет сеть связанной, держа один из узлов в активном состоянии для каждой области на виртуальной сетке. Результаты моделирования показывают, что GAF работает по
крайней мере так же как другие распространенные Ad-hoc протоколы маршрутизации с точки зрения задержки и потери пакетов при одновременном увеличении срока службы сетей за счет экономии энергии [6].
GPSR
Как и другие геопротоколы, GPSR использует информацию о расположении узла для определения маршрута при пересылке пакетов [7]. Пересылка осуществляется на основе жадной стратегии (рис. 1).
Процесс ретрансляции пакетов промежуточными узлами продолжается до достижения пункта назначения. В некоторых случаях такая стратегия может приводить к ошибкам (рис. 2). На рис. 2 лучший маршрут пролегает через узел, который геометрически более далек от пункта предназначения.
Для исключения подобных ошибок может применяться "правило правой руки". Текущий узел, при отсутствии соседа, более близкого к узлу-приемнику, передает пакеты первому соседу, двигаясь против часовой стрелки.
С увеличением подвижности узлов сети интервал рассылки служебных пакетов с геоданными, позволяющими держать таблицы маршрутизации в актуальном состоянии, должен быть уменьшен; однако, это приводит к большим накладным расходам. Чтобы уменьшить накладные расходы, информация о местоположении узла отправителя передается с пакетами данных
LAR
Один из наиболее используемых протоколов географической маршрутизации — The Location-Aided Routing (LAR) [8, 9] основан на использовании маршрута узла-источника. Протокол использует информацию о местоположении для ограничения области (зоны запроса), где производится поиск маршрута. Как следствие, количество сообщений о запросе искомого маршрута сокращается. LAR обеспе-
чивает две схемы для определения зоны запроса.
Схема 1: Источник оценивает искомую область, в которой ожидается установление соединения за определенное время. Зоной запроса является наименьшая прямоугольная область, которая включает узел-приемник и узел-источник (рис. 3). Во время рассылки служебных пакетов с запросом маршрута, сообщения с ответами отправляют только узлы, находящиеся в зоне запроса.
Схема 2: Источник вычисляет расстояние до пункта назначения. Это расстояние, наряду с местоположением получателя, включается в сообщение запроса маршрута и рассылается соседям. Когда узел получает запрос, он вычисляет свое расстояние до получателя. Узел передает сообщение запроса маршрута дальше только в том случае, если его расстояние до узла назначения меньше или равно расстоянию, включенному в сообщение запроса. Прежде, чем узел передает запрос, он обновляет данные о расстоянии в сообщении запроса маршрута, записывая в него собственные данные.
Предполагается, что все узлы оснащены приемниками системы мобильного позиционирования (GPS, ГЛОНАСС) и могут определить свое географическое положение. Между мобильными объектами в сети происходит постоянный обмен информацией о местоположении друг друга.
Рис. 3. Принцип маршрутизации LAR, схема 1
DREAM
Протокол DREAM — это частично проактивный и частично реактивный протокол, в котором исходный узел посылает пакет данных в направлении пункта назначения используя лавинную рассылку [10]. Отличие от других протоколов, основанных на геоинформационных данных, заключается в том, что к следующему транзитному узлу пересылаются только пакеты данных. Узлы периодически рассылают информацию о своем местоположении своим соседям, обеспечивая актуальность геоинформации.
При этом, узлы с более высокой подвижностью производят более частую расылку, что позволяет в значительной степени уменьшить накладные расходы. Превентильная рассылка служебной информации показывают проактивный характер протокола; в то же время, поиск и передача данных в направлении узла назначения отражает реактивные свойства протокола.
Так как DREAM не нуждается в процедуре открытия маршрута, задержки связанные с открытием маршрута фактически отсутствуют. Это энергоэффективный протокол, эффективно использующий полосу пропускания, поскольку генерация управляющих сообщений оптимизирована относительно мобильности узла.
LAKER
Протокол LAKER (Location Aided Knowledge Extraction Routing) сводит к минимуму нагрузку на сеть во время процесса открытия маршрута за счет уменьшения зоны, в которую будут пе-
реадресованы пакеты запроса маршрута [11]. LAKER использует информацию о плотности распределения узлов сети и запоминает серию пунктов на пути к узлу назначения, где плотность узлов максимальна. Эти области называются "руководящими маршрутами".
LAKER использует ту же стратегию пересылки, что и реактивный протокол DSR, используя кэширование маршрутов пересылки, а также создает собственные руководящие маршруты. В то время как маршрут посылки — это серия узлов от источника до пункта назначения, руководящий маршрут содержит ряд координат точек вдоль этого маршрута, где может быть группа узлов. Хотя отдельные узлы могут перемещаться, основная топология группы в целом сохраняется в течение длительного периода времени. Таким образом, информация, найденная при первом открытии маршрута, хранится и используется во время последующих открытий маршрута. Так как LAKER — это потомок протоколов DSR и LAR, он использует механизм запросов-ответов для открытия маршрута по требованию. Рис. 4 показывает, что зона запроса в LAKER имеет меньший размер по сравнению с протоколом LAR, что позволяет уменьшить накладные расходы на открытие маршрута.
В служебном пакете ответного сообщения к источнику посылаются обнаруженный маршрут и руководящие маршруты.
MORA
Кроме информации о местоположении узлов, протокол MORA (MOvement based Routing
Algorithm) принимает во внимание направление движения соседних узлов [12, 13].
При расчете маршрута учитывается расстояние узла до линии, соединяющей источник и пункт назначения (sd), и направление его перемещения. Маршрут прокладывается таким образом, чтобы его отклонение от линии sd было минимальным.
Заключение
В заключение отметим, что выбор алгоритма маршрутизации в самоорганизующихся мобильных сетях (MANET), является сложной задачей, требующей определения комплексного показателя качества протокола. Некоторые из показателей качества протоколов маршрутизации MANET описаны в документе RFC2501 [14]. К ним относятся:
— коэффициент доставки и задержка доставки пакетов;
— время открытия маршрута (важный параметр для реактивных прото-колов);
— накладные расходы (соотношение служебного трафика к трафику данных);
— "внутренние" параметры протокола — возможность масштабирова-ния, время реакции сети на активацию/деактивацию узлов и т.п.).
Сравнение протоколов маршрутизации и анализ указанных показателей качества возможен методами статистического, либо имитационного моделирования с использованием сетевых симуляторов — NS-3, OMNET++ и подобных им.
Рис. 4. Запрашиваемая область: протокол LAKER в сравнении с LAR (S — источник, D — узел назначения, Р2 — области руководящего маршрута)
s
Рис. 5. Определение положения узлов в протоколе MORA
Литература
1. Hong, X. Scalable routing protocols for mobile ad hoc networks / X. Hong et al. // IEEE Network. —
2002. — Vol. 16, №. 4. — рр. 11-21.
2. ВМ Винокуров. Маршрутизация в беспроводных мобильных Ad hoc-сетях / В.М. Винокуров и др. // Доклады ТУСУРа. — 2010, № 2 (22), часть 1. — С. 288-292.
3. Об определении видов технических средств и систем, подлежа-щих оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS // Электронный ресурс URL: http://minsvyaz.ru/ru/doc/?id_4=618 (дата обращения 17.04.2012).
4. Boukerche, A. Algorithms and protocols for wire-ess, mobile ad hoc networks / A. Boukerche // New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2009. — 495 p.
5. Mauve, M. A Survey on Position-based Routing n Mobile Ad hoc Networks / M. Mauve, J. Widmer, and H. Hartenstein // IEEE Network Maga-z'ne. — 2001. — Vol. 15, №6. — рр. 30-39.
6. Xu, Y. Geography-informed energy conservation for ad hoc routing / Y. Xu, J. S. Heidemann, D. Estrin // In Proceedings of ACM MobiCom, 2001. — рр. 70-84.
7. Karp, B. and. GPSR: Greedy perimeter stateless routing for wireless networks / B. Karp, H. T. Kung // In Proceedings of the 6-th Annual Interna-tional Conference on Mobile Computing and Networking
(MobiCom '00). — ACM Press, New York, 2000. — рр. 243-254.
8. Ko, Y. Location-Aided Routing (LAR) in mobile ad hoc networks / Y. Ko, N. Vaidya // In Proceedings of the ACM MOBICOM. — 1998. — рр. 66-75.
9. Ko, Y. Location-Aided Routing (LAR) in mobile ad hoc networks /Y Ko, N. Vaidya, // Wireless Networks.
— 2000. — Vol.6, №4. — рр. 307-321.
10. Basagni S. A distance routing effect algorithm for mobility (DREAM) / Basagni, S. [et al.] //In Proceedings of the ACM MOBICOM. — 1998. — рр. 76-84.
11. Li, J. LAKER: Location aided knowledge extraction routing for mo-bile ad hoc networks / J. Li, and P. Mohapatra // In Proceedings of the IEEE WCNC,
2003. — рр. 1180-1184.
12. Bodlo, G. MORA: A movement-based routing algorithm for vehicle ad hoc networks / G. Boato and F Granelli //In Proceedings of the International Conference on Distributed Multimedia Systems (DMS).
— 2004. — рр. 171-174.
13. Tonghong, L A Position-Based Routing Protocol for Metropolitan Bus Networks / L. Tonghong, S.K. Hazra, W Seah // Proc. of IEEE Vehicular Technology Conference 2005. — рр. 42-50.
14. S. Corson. Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations / S. Corson., J. Macker // Электронный ресурс URL: http://tools.ietf.org/html/ rfc2501 (дата обращения 19.04.2012).
Georouting protocols of mobile networks
Prozorov D.E., [email protected] Metelev A.P., [email protected] Chistyakov A.V., [email protected] Romanov S. V., [email protected]
Abstract
Recently heightened interest in MANET (Mobile Ad-hoc NETworks) — mobile networks and systems of data transmission [1-13] is observed. MANET have a number of advantages before traditional hierarchical communication networks with the allocated operating centers: the decentralized (distributed) management allowing a network to adapt for change of topology of a network, possibility of the organization of communication between the subscribers being on considerable removal from each other without increase in capacity of transmitters, stability to refusals of separate knots. Protocols of georouting mobile communication networks are briefly described. The main strategy of increase efficiency of protocols of georouting are allocated.
Keywords: Glonass/GPS; IP network; mobile network; routing protocol.
Образовательное "облако" Северо-Восточного федерального университета запущено в эксплуатацию
Проект "Единое информационное сервисное пространство" (ЕИСП), нацеленный на повышение качества и эффективности обучения студентов, реализуется федеральным университетом вместе с "ИНЛАЙН ГРУП" и РСК при активной поддержке 1п1е!, которые совместно разработали общую концепцию образовательного решения для СВФУ на базе технологии облачных вычислений
В Северо-Восточном федеральном университете (СВФУ) им. М.К. Аммосова (г. Якутск, Республика Саха) запущена в промышленную эксплуатацию облачная образовательная платформа, благодаря которой студенты и преподаватели вуза получили доступ к учебным ресурсам и новым образовательным сервисам. Де-факто система обучения в вузе переводится на новый качественный уровень. В ходе 1-го этапа внедрения в систему внесено более 500 различных электронных материалов по 6-ти выбранным курсам. Сейчас в СВФУ начато широкомасштабное обучение функциональным возможностям и практической работе в новой образовательной системе 997 преподавателей на 1-х и 2-х курсах вуза, которые затем смогут использовать ее в реальном учебном процессе с вовлечением 4 тысяч студентов федерального университета.
Проект "Единое информационное сервисное пространство" (ЕИСП), ориентированный на повышение качества и эффективности обучения студентов, реализуется федеральным университетом вместе с крупными российскими ИТ-интег-раторами: компанией "ИНЛАЙН ГРУП" и группой компаний РСК при активной поддержке корпорации 1п1е!, которые совместно разработали общую концепцию образовательного решения для СВФУ на базе технологии облачных вычислений. "ИНЛАЙН ГРУП" выступила в роли генерального подрядчика, отвечая за разработку системного проекта ЕИСП, ставшего основой для всего решения в СВФУ, а также реализацию ЦОД и телекоммуникационной платформы проекта. Группа компаний РСК участвует в проекте как разработчик и поставщик инновационной образовательной платформы "РСК Универсум" на базе облачных вычислений для повышения качества и эффективности учебного процесса вузов, а корпорация 1Пе! сыграла роль идеолога и консультанта благодаря своему разностороннему опылу участия в подобных проектах во всем мире. В ходе широкомасштабного обучения функциональным возможностям и практической работе в новой учебной системе, эти навыки получат 997 преподавателй на 1-х и 2-х курсах вуза, которые затем смогут применить их в реальном учебном процессе с вовлечением 4 тысяч студентов федерального университета.
