РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДВУХРАНГОВОЙ СЕТИ MANET

Волков Алексей Станиславович; Муратчаев Султансаид Султанханович; Кульпина Юлия Андреевна

УДК 621.391

Разработка имитационной модели двухранговой сети MANET

Волков А.С.,* Муратчаев С.С.**, Кульпина Ю.А.***

Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», площадь Шокина, 1, Москва, Зеленоград, 124498, Россия

*e-mail:leshvol@mail. ru **e-mail:said.muratchaev@gmail. com * * *e-mail:kulpinaulia37@gmail. com

Статья поступила 03.12.2019

Аннотация

Децентрализованные мобильные сети MANET (MobileAd-hocNetwork) -радиосети с топологией без базовых станций способные к самоорганизации. Работа посвящена исследованию улучшений характеристик сетей MANET. Главным образом рассматривается концепция двухранговой сети MANET. Предполагается, что преобразование одноранговой сети MANET к двухранговой топологии даст улучшение работы сети в части таких параметров, как пропускная способность и средняя задержка.

Разработанная имитационная модель двухранговой топологии позволяет достичь выигрыша в среднем на 15-30% по сравнению с классическим представлением сетей MANET в параметрах пропускной способности и средней задержки сети. Основываясь на результатах работы модели, можно сделать выводы о

целесообразности улучшения качества связи посредством внедрения двухранговой

топологии в сети MANET.

Ключевыеслова:MANET, протоколы маршрутизации, двухранговые сети,

adhoc.

Введение

В настоящее время стремительно развиваются мобильные сети связи, узким классом которых являются мобильные adhocсети[1]. Недостатком таких сетей является сложность масштабирования,которая возрастает пропорционально скорости и неравномерности движения узлов в сети.Известные алгоритмы маршрутизации частично решают задачу по снижению служебного трафика в рамках одного сегмента сетиMANET.

Переход к двухуровневому представлению в рамках одного сегмента сетиMANET позволит применять разные алгоритмы маршрутизации на каждом из уровне, что снизит объем служебного трафика. В данной работе рассмотрена разработка имитационной модели двухуровневой сети MANET, где на каждом из уровней применяется рекомендованный алгоритм маршрутизации.

Постановка задачи

Двухранговая сеть MANET состоит из стандартных узлов связи и станций привязки как показано на рис.1.Стандартные узлы строят маршрутвнутри сети используя реактивный протокол маршрутизации AODV. Первыйрадиоинтерфейс станций привязки используется для обмена информацией внутри подсети MANETm

основе протокола маршрутизации AODV, второй интерфейс - для общения между

подсетями с помощью OLSR, при этом мощность на передачу у радиоинтерфейсов

такого узла выше, чем у обычных узлов, имеющих только один интерфейс для связи

внутри подсети.

Узлы в двухранговой сети MANET можно классифицировать по их функционалу. Станции привязки - узлы, имеющие большие возможности, в том числе несут основную ответственность за передачу данных внутри подсети и связь между подсетями. На них развернуто два сетевых интерфейса, работающих по разным протоколам маршрутизации: AODV внутри подсетей и OLSR между станциями привязки. Обычные узлы - является основой подсетей и работают по протоколу AODV [3, 4, 5].

Разработка имитационной модели двухранговой сети MANET проводится в среде NS3 [6]. Выходные данные модели представляются в виде файлов с расширением «.flowmon» и «.pcap» [7].

Имитационная модель двухранговой сети MANET

На рис.1 приведен сегмент взаимодействия подсетей в двухранговой сети MANET.

Станция привязки

10.1.1.2

10.1.2.2

Рисунок 1 - Сегмент взаимодействия подсетей в двухранговой сети MANET Была взята сеть из шести узлов: два узла с IP-адресами 10.1.1.1 и 10.1.1.2 в первой подсети, два узла с IP-адресами 10.1.2.1 и 10.1.2.2 во второй подсети и две станции привязки с двумя интерфейсами, где интерфейс станций на протоколе OLSR имеет IP-адреса 192.168.3.1 и 192.168.3.2 соответственно, а интерфейс станций, работающих на протоколе AODV - 10.1.1.3 и 10.1.2.3 соответственно. Все узлы имеют маску 255.255.255.0.

На рис.2 - рис.4, показано, что данные проходят через станции привязки от одной подсети в другую.

1122 193.965762 10. .1. см 18.1.1.1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

1123 103.966688 08:00:08,00:00:02 (_ 882.11 14 Acknowledgement, Flags=o.......

1124 1ЭЗ.974995 10. .1, .1.2 10.1.1.1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

1125 103.975831 80:00:00_00:00:82 (_ 802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.......

1126 103.984848 10. .1. .1.2 10.1.1.1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

1127 103.984974 08:80:0в_0в:вв:82 (... 882.11 14 Acknowledgement, Flags=o.......

1128 103.990562 10 1 1.3 18.1.1.255 OLSR vl 92 OLSR (IPv4) Packet, Length: 28 Bytes

1129 103.993191 1(Г т i.i 18.1.1.1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

1130 103.994117 00:00:00,00:00:02 (_. 882.11 14 Acknowledgement, Flags-o.......

1131 104.902334 19. ,1, .1.2 10.1.1.1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

1132 104.903260 88:00:08_00:80:02 (_ 802.11 14 Acknowledgement, Flags-o.......

11133 104.003610 Я 1 1.2 18.1.1.255 A0DV 84 Route Reply, D: 10.1.1.2, 0: 10.1.1.2 Hcnt=0 DSN=0 LlfeUme=2080l

1134 104.811477 18 1 1.2 18.1.1.1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

1135 104.012403 88:80:00_00:08:82 (... 802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.......

1136 104.020620 19. .1. ,1.2 18.1.1.1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

1137 104.921546 00:00:00_00:00:02 (... 802.11 14 Acknowledgement, Flags-o.......

1138 104.929762 10, ,1, ,1.2 10.1.1.1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

1139 104.030688 00:00:00 00:80:02 (_ 802. И 14 Acknowledgement, Flags-o.......

1140 104.038905 18. .1. .1.2 18.1.1.1 U0P 576 49153 - 9 Len=512

Рисунок 2 - Передача пакетов данных в первой подсети

517 1Й1,

518 101.

519 101

520 101.

521 101,

522 101.

523 101.

900844 900854 909987 909997 919130 919146 922166

524 101.92

525 101

526 101

527 101

528 101

529 101

530 101

531 101

532 101

533 101

534 101

535 101

.92828

,937416

.937426

.946558

,946568

.955701

.955711

,964844

,964854

,973987

,973997

192.168.3.2

192.168.3.2 (ggggjgjgl

192.168.3.2 192.168.3.2 192.168.3.2 192.168.3.2 192.168.3.2

192.168.3.1

00:00:00_0О:00:08

192.168.3.1

00:00:0О_00:00:08

192.168.3.1

00:00:00.00:0Э:08

192.168.3.255

00:O0:00_00:i 192.168.3.1 00:00:О0_00:00:08 192.168.3.1 00:00:00,00:00:08 192.168.3.1 00:00:ОО_ОО:00:08 192.168.3.1 00:00:ОО_0О:00:08 192.168.3.1 00:00:00 00:00:08

UDP 576 49153 - 9 Len=5l2

802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.......

UOP 576 49153 - 9 Len=512

802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.......

UOP 576 49153 - 9 Len=512

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.......

0LSR vl 92 OLSR (IPv4) Packet, Length: 28 Bytes

ш-

>.1114 Acknowledgement, Flags=o.

UDP 576 49153 - 9 Len=512

802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.

UOP 576 49153 - 9 Len=512

802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.

UDP 576 49153 - 9 Len=512

802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.

UDP 576 49153 - 9 Len=512

802.11 14 Acknowledgement, Flags=o.

UDP 576 49153 - 9 Len=512

802.11 14 Acknowledaement, Flaas=o.

Рисунок 3 - Передача пакетов данных между станциями

669 134.813254

1070 104. 1871 104. 1072 104

1873 104,

1874 104

1875 104

1876 104

1877 104,

1878 104,

1879 104.

1880 104

1881 104.

1882 104 1083 104

1884 104.

1885 104.

1886 104.

1887 104

1888 104

1889 104.

1090 104.

1091 104.

1892 104

1893 104.

1894 104.

1895 104

1896 104

1897 104.

1898 104

1899 104

1190 104.

1191 104.

913944 914876 923987 824813 932238 933156 941373 942299 950516 951441 959658 960584 968891 969727 977944 978878 887887 988613 996236 997156 195373 166299 114516 115441 123658 124584 132891 133727 141944 142876 151687 152613

16.1.2.2 18.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2 16.1.2.2

10.1.2.1

99:00:09_ 10.1.2.1 99:60:06. 16.1.2.1 66:60:Об. 16.1.2.1 99:00:00_ 19.1.2.1 99:69:09. 19.1.2.1 66:69:66. 10.1.2.1 99:00:00. 10.1.2.1 99:00:06. 19.1.2.1 66:66:06. 16.1.2.1 99:69:09 19.1.2.1 69:00:06. 16.1.2.1 69:68:66. 16.1.2.1 66:66:06. 10.1.2.1 66:60:06 16.1.2.1 66:69:06. 16.1.2.1 69:69:00

00:00:05 00:00:05 06:80:65 00:80:05 00:00:05 06:00:05 00:90:95 06:80:05 66:60:65 00:00:05 06:60:05 06:80:65 00:00:65 00:80:05 06:80:65 06:60:05

UDP

802.11

1ЮР

802.11

UDP

802.11

UDP

802.11

UDP

882.11

UDP

802.11

UDP

802.11

UDP

802.11

UDP

802.11

UDP

802.11

U0P

802.11

UDP

892.11

UDP

802.11

UDP

802.11

UDP

802.11

UDP

802.11

84 Route Reply, D: 10.1.2.1, 0: 16.1.2.1 Hcnt=6 DSM=9 Lifetlme=26O0

576 49153 - 9 Len=512 14 Acknowledgement, Flags=o.

I 1102 104 152399 16.1.2 .3 19. .1.2. .255 OLSR VI 92 OLSR (IPv4) Packet, Length: 28 Bytes 1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1193 104 .160236 16.1.2 .2 16. .1.2, ,1 UDP 576 49153 - 9 Len=512

Рисунок 4 - Передача пакетов данных во второй подсети Как видно из приведенных выше рисунков, в сети происходит передача информации между узлами, причем с использованием протоколов AODV и OLSR. На

рис.2 представлена первая подсеть с сетевым адресом 10.1.1.0. Видно, что станция

привязки с IP-адресом 10.1.1.3 также участвует в обмене данными. На рис.3

представлена передача пакетов между станциями с сетевым адресом 192.168.3.0. Связь

между этими узлами осуществляется только по протоколу OLSR. На рис.4

представлена вторая подсеть с сетевым адресом 10.1.2.0, где происходит передача

данных аналогично первой подсети.

Из этого можно заключить, что имитационная модель двухранговой сети

MANET функционирует как задумано, обмениваясь данными между подсетями с

помощью двух протоколов на разных рангах сети.

На рис.5 представлена топология двухранговой сети MANET.

AODV jf •

Рисунок 5 - Передача пакетов данных во второй подсети

Двухранговая сеть MANET состоит из семи подсетей по пятьдесят узлов и семи

станций привязки для каждой из подсети. Станции привязки являются частью

подсетей, и их траектория движения ограничена данной подсетью.

Результаты работы имитационной модели Результатом моделирования являются сформированные файлы с расширением «.pcap» и «.flowmon» хранящие в себе статистику передаваемых пакетов данных по сети. На их основе были построены графики пропускной способности служебного и полезного трафиковна интервале времени работы сети [8].

Далее представлены графики пропускной способности для разных конфигураций сети MANET [9, 10], состоящей в сумме из 350 узлов. Время моделирования начиналось от 100 секунд до 1000 секунд. Скоростьпередачиданных [11, 12] былавзята 512 кбит/с. Размерпакетасоставлял 512 байт.

0 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000

Время моделирования, с Время моделирования, с

Рисунок 6 - Пропускная способность одноранговой сети MANET

х 104

О

g 6

1С

и

Й 5

о

с

® л

ю 4 о о с

к 3

о 3

К

й

К , И 2 о

а С

Служебный трафик

200

400

600

800

. х 105

Полезный трафик

о Ё

* 4

Л Е-

о с

К 3

ю 3 с о с с

S 2

й

К

И

о

с а С

1000

и

Время моделирования, с

200 400 600 800 1000

Время моделирования, с

Рисунок 7 - Пропускная способность двухранговой сети MANET На графике, представленном на рис.6, видно, что на интервале времени, равном 440 с, происходили провалы при передаче полезной информации. В этот же момент времени резко возрастал служебный трафик. Это обусловлено тем, что устройства отдалились друг от друга, и связь в эти моменты времени ухудшилась, а для ее восстановления устройства активно обменивались служебными данными [13]. Значения в точке минимума зависимости пропускной способности достигает 20 Мбит/с для десяти потоков. Этот факт является следствием отдаления устройств на критичные расстояния друг от друга. Возрастание пропускной способности после провала характеризуется последующим сближением устройств, что соответствует улучшению связи [14]. Для данного сценария максимально достижимая пропускная способность полезного трафика достигает значения 300 Мбит/с, при этом служебный трафик

соответствовал 137 Мбит/с.

0

Исследование результатов позволило получить следующие характеристики

сетевого взаимодействия:

- средняя задержка: 273 мс;

- пропускная способность сети: 213 Мбит/с;

- доля потерянных пакетов: 33%;

- среднее время установления маршрута: 74 мс.

На графике, представленном на рис.7, прослеживается такая же закономерность, что на интервале времени 400 секунд, происходили провалы при передаче полезной информации [15]. В этот же момент времени резко возрастал служебный трафик. Значения в точке минимума зависимости пропускной способности достигает 177 Мбит/с суммарно для десяти потоков. Для данного сценария максимально достижимая пропускная способность полезного трафика достигает значения 420 Мбит/с, при этом служебный трафик соответствовал 127 Мбит/с.

Исследование результатов позволило получить следующие характеристики сетевого взаимодействия:

- средняя задержка: 109,5 мс;

- пропускная способность сети: 276 Мбит/с;

- доля потерянных пакетов: 21%;

- среднее время установления маршрута: 49 мс.

Таким образом, пропускная способность сети возросла при использовании

двухранговой сети MANET с таким же суммарным количеством узлов, как и в одноранговой сети MANET.

Для выявления средней задержки было проведено имитационное моделирование при различных значениях параметра «DataRate» или «скорости передачи данных»[16]. Диапазон значения изменялся от 64 кбит/с до 45 Мбит/с. Для построения графика зависимости средней задержки от скорости передачи данных использовались файлы трассировки с расширением «.flowmon». На основе полученных результатов построен график представленный на рис.8.

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

" 0.35

щ 0 3

¿С

0.25

0.2

0.15

0.1

0.0625

0.125

0.25

0.5

1 2 4

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Скорость передачи данных, Мбит/с

16

32 45

Рисунок 8 - Средняя задержка одноранговой и двухранговой сети MANET На рис.8 представлена зависимость средней задержки от скорости передачи данных в сети для двух конфигураций - одноранговой и двухранговой сети MANET с одинаковыми входными параметрами. Как видно из графика задержка возрастает с

8

увеличением скорости передачи данных, однако для двухранговой сети MANET эти

значения в среднем меньше на 30%, чем для стандартной сети.

Для того, чтобы узнать процент доставки пакетов в одноранговой и двухранговой сетях MANET и отобразить результаты графически, необходимо использовать те же файлы с результатами моделирования для выявления средней задержки [17,18]. Отличие состоит в том, что необходимо работать с другими данными из «.flowmon» файла. В данном случае необходимы значения переменных txPackets и rxPackets - количество переданных и полученных пакетов соответственно. Далее на рис. 9 представлен график зависимости PDR [19,20] (процент доставки пакетов)от скорости передачи данных.

10(

£ с

fx

Е Одно' )анговая MAN анговая MAN IET-сет ET-сет гь ь

Двухр

0

0.0625 0.125

0.25 0.5 1 2 4 8

Скорость передачи данных, Мбит/с

16

32 45

Рисунок 9 - Процент доставки пакетов в одноранговой и двухранговой сетях

MANET

На рис.9 представлена зависимость коэффициента полученных пакетов от

скорости передачи данных в сети для двух конфигураций - одноранговой и двухранговой сетей MANET с одинаковыми входными параметрами. Как видно из графика коэффициент уменьшается с увеличением скорости передачи данных, однако для двухранговой сети MANET эти значения выше в среднем выше на 16%, чем для стандартной сети MANET.

Заключение

Таким образом, проводилась оценка результатов моделирования разработанной модели двухранговой сети MANET в среде NS-3. Моделирование проводилось в три этапа. Первый этап - моделирование одноранговой сети MANET, состоящей из 350 узлов. По результатам имитационного моделирования был построен график пропускной способности на интервале времени работы сети для одноранговой и двухранговой сетейМАМЕГ. Также были получены значения средней задержки, пропускной способности, доли потерянных пакетов и среднее время установления маршрута. Второй этап -моделирование двухранговой сети MANET. Третий этап -моделирование одноранговой и двухранговой сети MANET с постепенным изменением значения скорости передачи данных. Получены два графика: зависимость значения средней задержки и зависимость коэффициента доставки пакетов от скорости передачи данных.

При анализе результатов моделирования, были выявлены следующие улучшения характеристик для двухранговой сети MANET при сравнении с

одноранговой топологией: коэффициент PDR выше в среднем на 16%, пропускная

способность выше на 23%, а средняя задержка меньше на 30%.

Библиографический список

1. Mobile Ad hoc Networking (MANET): Are Not A Fundamentally Flawed Architecture, available at: https://www.cs.rutgers.edu/~rmartin/teaching/fall04/cs552/papers/012.pdf

2. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети. - СПб.: Питер, 2012. - 970 с.

3. Описание работы протокола AODV и его реализация в программе NS-3. URL: https: //www.nsnam.org/docs/model s/html/aodv.html

4. A.K. Gupta, H. Sadawarti, A.K. Verma. Performance analysis of AODV, DSR & TORA Routing Protocols // IACSIT International Journal of Engineering and Technology, April 2010, vol. 2, no.2 pp. 226 - 231.

5. Описание работы протокола OLSR и его реализация в программе NS-3. URL: https: //www.nsnam.org/docs/model s/html/olsr.html

6. Supriya Singla, Sushma Jain. Performance Comparison of Routing Protocols of MANET in Real World Scenario using NS3 // International Journal of Computer Applications, 2014, no. 99 (14), pp. 17 - 23. DOI: 10.5120/17441-8223

7. Описание структуры модели в программе NS-3. URL: https://www.nsnam.org/docs/release/3.25/tutorial/singlehtml/index.html

8. Бородин В.В., Петраков А.М., Шевцов В.А. Анализ эффективности передачи

данных в сети связи группировки беспилотных летательных аппаратов // Труды МАИ.

2015. № 81. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=57894

9. Реализация модели MANET-сети в программе NS-3. URL: https://www.nsnam.org/doxygen/manet-routing-compare 8cc source.html

10. NS-3 Network Simulator. NS-3 Manual. Release ns-3-dev. 2017, 169 p. URL: https: //www.nsnam.org/docs/manual/ns-3-manual .pdf

11. Бородин В.В., Петраков А.М., Шевцов В.А. Моделирование служебного канала передачи маршрутной информации адаптивной летающей сети связи // Электросвязь.

2016. № 11. С. 41 - 45.

12. M. Fazeli, H. Vaziri. Assessment of Throughput Performance Under OPNET Modeler Simulation Tools in Mobile Ad Hoc Networks (MANETs) // 2011 Third International Conference on Computational Intelligence, Communication Systems and Networks, Bali, 2011, pp. 328 - 331. DOI: 10.1109/CICSyN.2011.75

13. Rahman M.U., Abbas S. Simulation-based analysis of MANET routing protocols using group mobility model // 2016 International Conference on Inventive Computation Technologies (ICICT), Coimbatore, 2016. DOI: 10.1109/INVENTIVE.2016.7823290

14. Sainy S.K., Chaudhary R.R., Kumar A. Performance evaluation of routing protocols based on different models in MANET // 2016 IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics, Information & Communication Technology (RTEICT), Bangalore, 2016, pp. 1666 - 1670. DOI: 10.1109/RTEICT.2016.7808116

15. K.C.K. Naik, C. Balaswamy, P.R. Reddy. Performance Analysis of OLSR Protocol for

MANETs under Realistic Mobility Model // 2019 IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT), Coimbatore, India, 2019, vol. 8, issue 2, available at: https://www.ijrte.org/wp-content/uploads/papers/v8i2/B1938078219.pdf

16. Rath M. Group based analysis of AODV related protocols in MANET // 2016 6th International Conference - Cloud System and Big Data Engineering (Confluence), Noida, 2016, pp. 548 - 553. DOI: 10.1109/C0NFLUENCE.2016.7508180

17. Noor Alleema N, Sivakumar D. Study and analysis of opportunistic routing protocols in MANET // 2015 IEEE Technological Innovation in ICT for Agriculture and Rural Development (TIAR), Chennai, 2015, pp. 139 - 143. DOI: 10.1109/TIAR.2015.7358546

18. N. Kumari, S.K. Gupta, R. Choudhary, S.L. Agrwal, New performance analysis of AODV, DSDV and OLSR routing protocol for MANET // 2016 3rd International Conference on Computing for Sustainable Global Development (INDIACom), New Delhi, 2016, pp. 33 -35.

19. K.C.K. Naik, C. Balaswamy, P.R. Reddy. Performance Analysis of OLSR Protocol for MANETs under Realistic Mobility Model // 2019 IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT), Coimbatore, India, 2019, pp. 1-5.

20. Chaba Y., Singh Y., Joon M. Simulation based performance analysis of on-demand

routing protocols in MANETs // 2010 Second International Conference on Computer

Modeling and Simulation, Sanya, Hainan, 2010, pp. 80-83. DOI: 10.1109/ICCMS.2010.392

РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДВУХРАНГОВОЙ СЕТИ MANET Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

DEVELOPING SIMULATION MODEL OF TWO-RANK MANET NETWORK

Текст научной работы на тему «РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДВУХРАНГОВОЙ СЕТИ MANET»