CC BY
43
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 004.75 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-149-154
РАСПРЕДЕЛЁННАЯ МАРШРУТИЗАЦИЯ ТРАФИКА В БЕСПРОВОДНЫХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СЕТЯХ СВЯЗИ
А.С. Новиков, М.С. Пестин
В настоящее время в основе организации беспроводных децентрализованных сетей связи лежат распределённые алгоритмы маршрутизации, которые различаются по уровню использования информации о топологии сети для определения маршрутов к узлам назначения. В представленной статье предложена классификация методов распределенной маршрутизации трафика в зависимости от представления топологии сети, а также рассмотрены известные протоколы связи, основанные на указанных методах. Для сценария мобильной децентрализованной сети проведено исследование описанных протоколов и даны рекомендации по практическому использованию методов маршрутизации.
Ключевые слова: распределённая маршрутизация трафика, протокол маршрутизации, беспроводная децентрализованная самоорганизующаяся сеть, представление топологии сети.
Беспроводные децентрализованные самоорганизующиеся сети (БДСС) или беспроводные ad-hoc сети являются одним из актуальных направлений развития сферы телекоммуникаций [1]. В отличие от классических сетей, данная технология не предполагает наличия какой-либо сетевой инфраструктуры, а узлы функционально идентичны относительно друг друга. Абоненты одновременно являются отправителями, получателями и ретрансляторами данных, то есть совмещают в себе функции конечных точек и маршрутизаторов.
Особенностью беспроводных ad-hoc сетей является отсутствие статичности топологии - она может меняться в течение всего времени функционирования сети из-за перемещения узлов в пространстве, возникновения помех и ряда других факторов. Маршрутизация трафика в таковых сетях осуществляется при помощи специальных протоколов маршрутизации в ad-hoc сетях (ad-hoc routing protocol). При помощи данных протоколов осуществляется построение и поддержание маршрутов между конечными точками.
Распределённая маршрутизация. Распределённые методы маршрутизации противопоставляются централизованным [2]. Особенностью распределённой маршрутизации является распределение функций построения маршрута по расположенным между отправителем и получателем данных транзитным узлам. Её основное преимущество заключается в параллельной обработке нескольких маршрутов, что снижает общее время поиска, повышает гибкость при построении маршрутов и масштабируемость.
Учитывая особенности беспроводных децентрализованных сетей [1], для их организации распределённые алгоритмы маршрутизации являются наиболее подходящими. Поскольку узлы должны быть функционально идентичными, использование центров маршрутизации противоречит идеологии беспроводных ad-hoc сетей.
При этом существующие протоколы связи, основанные на алгоритмах распределённой маршрутизации, различаются степени присутствия у каждого абонентов глобальных состояний - представления топологии сети, а именно, насколько каждый абонент должен знать о связях между другими абонентами для построения маршрутов. Исходя из этого, данные алгоритмы и протоколы мы предлагаем разделить на 3 группы:
с полным представлением топологии сети (ППТС);
с частичным представлением топологии сети (ЧПТС);
с минимальным представлением топологии сети (МПТС).
1) В алгоритмах с ППТС определение маршрута производится на основе информации о топологии сети, а именно, для вычисления маршрута необходимо знать текущий граф сети. Для его определения требуется информационный обмен между всеми узлами, что влечёт за собой высокие накладные расходы.
Непосредственно маршрут к узлу назначения может быть найден при помощи алгоритмов поиска пути на графе. При этом могут быть использованы как классические методы поиска (алгоритмы Дейкстры, Белмана-Форда) так и интеллектуальные методы (например, муравьиный алгоритм).
К протоколам, использующие алгоритмы с ППТС, можно отнести проактивные протоколы маршрутизации ad-hoc сетей. Проактивными (или табличными) называются такие протоколы, в которых информация о маршрутах накапливаются в маршрутных таблицах, и эта информация обновляется с определённым периодом путём опроса других узлов сети. Возможность оперативного определения маршрута по известному графу сети является преимуществом данных протоколов. Главный недостаток заключается в высоких накладных расходах, необходимые для поддержания графа сети актуальном состоянии.
Типичным представителем данной группы протоколов является OLSR. OLSR (Optimized Link-State Routing - оптимизация маршрутов на основе состояния связей). Для построения графа сети используются два типа сообщений: HELLO и TC (Topology Control). При помощи сообщений HELLO производится обмен информацией о соседях. Такой обмен позволяет устанавливать связи между соседними узлами, а абоненты могут знать своих соседей 1-го и 2-го уровня. Информация о соседях 1-го уровня рассылается широковещательно по всей сети в сообщении TC. Таким образом, используя сообщения TC и HELLO, узлы могут строить граф сети, а по нему определять маршрут к заданной цели. Схема отправки сообщений представлена на рис. 1.
узел-источник сосед 1-го уровня сосед 2-го уровня связь HELLO ТС
Рис. 1. Схема отправки сообщений протокола OLSR
2) Методы маршрутизации с ЧПТТ предполагают использование информации о связях между узлами, которая непосредственно может быть задействована для определения маршрутов к узлам назначения. Такой подход позволяет сократить накладные расходы на обнаружение путей между абонентами.
К протоколам с ЧПТТ можно отнести группу реактивных протоколов маршрутизации, основанных на алгоритме поиска от источника. При таком подходе поиск маршрута осуществляет узел, который является источником передаваемых данных. Служебные сообщения обнаружения маршрутов в своём заголовке содержат полную информацию о пути продвижения сообщения. Поэтому транзитным узлам достаточно осуществлять пересылку без дополнительной обработки и внесения записей в таблицу маршрутизации. Преимущество данного подхода заключается в сокращении накладных расходов на обнаружение маршрутов между узлами. Однако присутствует проблема масштабируемости: с увеличением узлов сети возрастает и объём трафика.
К текущей группе можно отнести протокол DSR (Dynamic Source Routing - динамическая маршрутизация от источника). При потребности маршрута до конечного узла в сеть отправляет широковещательно сообщение, ретранслируемое между узлами. При ретрансляции абоненты добавляют свои адреса в заголовок сообщения, таким образом формируя маршрут. При достижении запросом целевого узла или узла с активным маршрутом до целевого, маршрут считается сформированным, после чего отправляется ответ узлу-инициатору поиска. Схема поиска маршрута DSR представлена на рис. 2.
3) Особенностью группы протоколов с МПТС является отсутствие потребности в знании топологии сети, за исключением собственных связей абонента с соседними узлами. Маршруты не хранятся в явном виде в таблицах маршрутизации и, по сути, являются распределёнными. Каждому абоненту известно, куда можно перенаправить данные (какому из соседних узлов их нужно передать), чтобы они достигли узла назначения. Недостатком алгоритмов поиска с МПТС является сложность построения параллельных маршрутов. Однако ввиду низких накладных расходов на построение и поддержание распределённых маршрутов, текущие алгоритмы могут быть использованы в сетях, к которым предъявляются требования высокой масштабируемости.
К протоколам с МПТС можно отнести AODV (Ad-hoc On-Demand Distance Vector - маршрутизация по требованию по вектору расстояний в самоорганизующихся сетях). Согласно алгоритму его работы, в случае отсутствия актуального маршрута к узлу назначения в таблице маршрутизации, соседним узлам отправляется сообщение RREQ, содержащее порядковый номер. Оно ретранслируется промежуточными абонентам, пока не достигнет целевого узла, который в случае его обнаружения отправляет ответ RREP. При прохождении RREQ через транзитные сетевые устройства на них сохраняется информация об узлах, с которых поступил запрос. Данная информация используется для построения обратного маршрута. Схема маршрутизации представлена на рис. 2.
AODV
RREQ
RRES
Route _р Route
Request Reply
Рис. 2. Схемы поиска маршрутов в DSR и AODV
Сценарий исследования протоколов связи. Широкое применение на сегодняшний день приобрели сети MANET или мобильные ad-hoc сети [3]. Ключевой осо-бостью данных сетей является высокая мобильность (подвижность) абонентов ad-hoc
сети. Примерами таких сетей могут служить ad-hoc сети роботов (ANR), автомобильные сети (VANET), сети беспилотных летательных аппаратов (FANET). В сети отсутствует фиксированная инфраструктура, и поскольку узлы могут свободно перемещаться, топология сети может динамически меняться в непредсказуемом направлении.
В экспериментальном исследовании, проведённом в рамках текущей работы, было произведено сравнение показателей качества работы MANET сети, в которой используется распределённая маршрутизация трафика. Для сравнения были выбраны протоколы, относящиеся к разным группам представления топологии сети, которые были ранее рассмотрены в рамках работы: AODV, DSR, OLSR.
Для экспериментального исследования использовалась система дискретно-событийного моделирования OMNET++ [4] с использованием библиотеки сетевых моделей Inet Framework. В таблице представлены параметры экспериментального исследования.
Параметры проведения экспериментов
Параметр Значение
Количество узлов 10, 20, 30, 40
Приложение PingApp
Траффик 1024 байт в секунду
Радиус радиопередачи 250 метров
Скорость радиоканала 2 мегабита в секунду
Средняя скорость перемещения узлов 6 метров в секунду
Размер карты 800 х 800 метров
Ограничение по виртуальному времени моделирования 1200 секунд
Экспериментальное исследование. В ходе работы были получены зависимости сквозной задержки передачи данных [5] T (end-to-end delay) и коэффициента доставки данных K (data delivery ratio) от количества узлов сети N (10, 20, 30, 40). Результаты экспериментов представлены на рис. 3.
Рис. 3. Результаты экспериментального исследования
Результаты исследования демонстрируют, что в MANET сетях наиболее эффективной является распределённая маршрутизация с МПТС. Это связано с тем, что такой подход к поиску маршрутов имеет наибольшую гибкость. Накладные расходы протокола на построение маршрутов в AODV относительно невелики. К тому же, реализованы механизмы восстановления маршрутов без задействования узла отправителя данных. Это обеспечивает масштабируемость сетей, в которых используются методы поиска с МПТС. Неудивительно, что алгоритмы, заложенные в AODV, получили развития во многих других протоколах связи [6].
Схема маршрутизации с ППТС наиболее эффективна при небольших размерах сети. Алгоритмы с ЧПТС являются компромиссными между двумя другими подходами.
Заключение. В результате проделанной работы предложена классификация методов распределённой маршрутизации по степени представления топологии сети. Наиболее перспективной является схема с минимальным представлением топологии сети, поскольку она обеспечивают хорошую масштабируемость в MANET сетях, что продемонстрировало демонстрирует экспериментальное исследование. Алгоритмы с частичным представлением топологии сети могут быть задействованы в сетях, где требуется построение параллельных маршрутов. Распределённые алгоритмы маршрутизации с полным представлением топологии сети целесообразно использовать, когда количество абонентов в MANET относительно невелико, при этом абоненты имеют относительно низкую подвижность, или трафик равномерно распределён между всеми узлами сети.
Список литературы
1. Mobile Ad Hoc Networks: Current Status and Future Trends / Edited by Loo J.; Lloret Mauri J., Ortiz J. Boca Raton, FL: CRC Press, 2012. 538 p.
2. Кучерявый Е. А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. - Спб.: Наука и Техника, 2004. 336 с.
3. Bai F., Helmy A. A Survey of Mobility Models in Wireless Adhoc Networks // Wireless Ad Hoc and Sensor Networks. Kluwer Academic Publishers, 2004. P. 1—29
4. Думов М.И. Хабаров С.П. Использование OMNET++ для моделирования беспроводных Wi-Fi сетей. // Информационные системы и технологии: теория и практика. Сборник научных трудов конференции. Санкт-Петербург. 2018. С. 44 - 53.
5. Dugaev D., Zinov S., Siemens E. and Shuvalov V. A survey and performance evaluation of ad-hoc multi-hop routing protocols for static outdoor networks // 2015 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). 2015. P. 1—11.
6. Yun-Wei L., Yuh-Shyan C.L., Sing-Ling L. Routing Protocols in Vehicular Ad Hoc Networks: A Survey and Future Perspectives // Journal of Information Science and Engineering, May, 2010, P. 911 - 932.
Новиков Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пестин Максим Сергеевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
DISTRIBUTED TRAFFIC ROUTING IN WIRELESS DECENTRALIZED SELF-ORGANIZED
COMMUNICATION NETWORKS
A.S. Novikov, M.S. Pestin
At present, the organization of wireless decentralized communication networks is based on distributed routing algorithms, which differ in the level of use of information about the network topology to determine routes to destination nodes.This article proposes a classification of distributed traffic routing methods depending on the representation of the network topology, as well as the known communication protocols based on the indicated methods are considered. For the scenario of a mobile decentralized network, a study of the described protocols was carried out and recommendations on the practical use of routing methods were given.
Key words: distributed traffic routing, ad-hoc routing protocol, wireless decentralized self-organizing network, network topology representation.
Novikov Alexander Sergeevich, candidate of technical science, docent of computer engineering department, thesis-tsu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pestin Maxim Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 656.043; 004 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-154-163
МОДЕЛИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПРАВЕДЛИВОЙ ЦЕНЫ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ЦЕПОЧКАМИ ПОСТАВОК КРУПНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ХОЛДИНГАХ
К.Ж. Кудайберген
Целью работы является повышение эффективности транспортно-логистических процессов на основе определения индивидуальной ответственности и достоверного контроля участников цепочки поставок за срывы сроков, а также обоснование уровня справедливой цены в системах управления цепочками поставок крупных промышленных холдингах. Предлагаемое использование смарт-контрактов на базе технологии «блокчейн» для определения статуса поставки, существенно сократят возможности непрозрачных схем, повысят качество поставок и снизят их стоимость. Практическая реализация предлагаемой модели позволила сформировать оптимальные решения в виде системы бонусов и штрафов.
Ключевые слова: транспортно-логистический оператор; управление цепочкой поставок; модель справедливой цены; сроки поставок; модель организации бизнес-процессов.
Введение. Обоснование актуальности исследования. Эффективное, качественное и экономичное исполнение любого бизнес-процесса, в качестве которого рассматривается управление цепочками поставок в крупном промышленном холдинге, обеспечивается двумя важными условиями: во-первых, наличием необходимого уровня мотивации каждого участника, соответствующей общей мотивации процесса и во-вторых, контролем и учетом данных для справедливого определения ответственности за достижения или сбои в рамках реализации процесса поставки. Очень часто при дискуссиях о мотивации говорится о каких-то ментальных условиях, которые лежат в зоне сознания участников бизнес-процессов, корпоративной культуры, вовлеченности, самомотивации и пр. Всё это важно и может являться достаточным в тех или иных ситуациях. Однако, обозначенные условия, конечно, являются необходимыми, но недостаточными. Существует еще масса прочих условий, которые требуются для обеспечения эффективности, но именно эти два условия являются базовыми. Отсутствие исполнения любого из этих условий может перечеркнуть усилия по обеспечению прочих системных и более ресурсоемких условий. В этой связи, создание и практическое внедрение тиражируемой для различных условий модели управления поставками крупных промышленных холдингов может обеспечить выполнение вышеуказанных условий эффективности и является актуальной научной и практической задачей.
Если сравнить мотивацию участников сложной схемы поставок, в которой присутствует производитель, складские, транспортные и таможенные операторы с мотивацией участников какой-либо коммерческой цепочки, то можно увидеть кардинальные отличия. При детальном анализе становится очевидно, что в торгово-коммерческой деятельности любые ошибки, сбои или наоборот достижения прямым образом влияют
