CC BY
590
С<И1ИК КЦЧНЫХ ЩДМ 2011
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СЕТЕЙ ТИПА AD-HOC И ВОЗМОЖНЫЕ ПОДХОДЫ К ОРГАНИЗАЦИИ ОДНОРАНГОВЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
v v V *
СЕТЕЙ НА БАЗЕ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ МАЛОГО РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ М.Г. Шишаев, С.А. Потаман
Введение
Одной из перспективных современных технологий передачи данных являются беспроводные сети типа «ad-hoc». Отличительной особенностью беспроводных сетей ad-hoc (от лат. ad hoc — «для этого»), или самоорганизующихся динамических сетей является то, что узлы сети соединяются «на лету». Если при этом сеть является телекоммуникационной, то есть предназначенной для передачи данных на значительные расстояния, превосходящие радиус действия используемых приемопередающих устройств, то для передачи данных необходимо использовать принцип «возьми и передай дальше». Важным обстоятельством является то, что узлы такой сети независимы друг от друга и могут включаться и выключаться из нее в любой момент, что предопределяет случайный характер структуры сети. Кроме того, узлы сети типа ad-hoc полностью или частично функционально идентичны, то есть могут выступать как в роли хоста, так и в роли шлюза, пользуясь терминологией IP-сетей. Последняя особенность позволяет отнести ad-hoc сети к разновидности одноранговых (peer-to-peer) коммуникационных систем.
Привлекательность технологий ad-hoc сетей обусловливается многими факторами. Во-первых, подобные сети позволяют эффективно использовать бездействующий большую часть времени коммуникационный ресурс вычислительных систем, оснащенных интерфейсами беспроводной связи, аналогично тому, как это делается в отношении вычислительного ресурса в grid-системах [1]. Кроме того, одноранговый принцип организации динамических сетей обусловливает их высокую отказоустойчивость за счет исключения проблемы уязвимости центрального звена, характерной для систем с асимметричной функциональностью. В случае коммуникационных сетей таким звеном являются шлюзы или маршрутизаторы. Поскольку в ad-hoc сети каждый узел обязан выполнять роль маршрутизатора, то отказ любого из них не является критичным для работоспособности сети в целом. Кроме того, симметричность функциональности узлов сети создает предпосылки для придания ей свойства самоорганизации, что делает сеть не только отказоустойчивой, но и хорошо масштабируемой и наращиваемой. Минимальное конфигурирование и быстрое развёртывание позволяет применять самоорганизующиеся сети в чрезвычайных ситуациях, таких как природные катастрофы и военные
конфликты. Данные преимущества заставляют современных разработчиков активно развивать технологии ad-hoc сетей, несмотря на относительно высокую, в общем случае, сложность их реализации.
Основной проблемой организации ad-hoc сети является обеспечение эффективной маршрутизации передаваемых блоков данных. Сложность этой задачи обусловлена динамичным, а в некоторых реализациях - и случайным, характером структуры сети. Проблема становится еще более сложной, если в качестве узлов сети используются мобильные устройства. Однако, широчайшее распространение мобильных устройств - мобильных телефонов, карманных компьютеров, и т.п., оснащенных средствами беспроводной связи малого и среднего радиуса действия, делает весьма привлекательной идею использования их в основном бездействующего коммуникационного ресурса для передачи данных по принципу «возьми и передай дальше». Ключевой проблемой динамических сетей на базе мобильных устройств становится определение местоположения того или иного узла относительно других. В ситуации, когда узлы беспроводной сети могут свободно перемещаться в пространстве обеспечить надежную и, вместе с тем, эффективную с точки зрения затрат коммуникационного ресурса маршрутизацию блоков данных не представляется возможным. В этом случае практически реализуемым решением становится лишь маршрутизация блока данных в направлении наиболее вероятного местонахождения получателя.
В данной работе рассмотрены современные технологии и примеры реализации ad-hoc сетей, а также предложены возможные варианты решения проблемы маршрутизации блоков данных для динамических телекоммуникационных сетей на базе мобильных устройств.
Современные технологии сетей ad-hoc
Сегодня существует довольно значительное количество технологий и практических реализаций сетей, которые могут быть отнесены к категории ad-hoc. Наиболее распространены сети, использующие в качестве технологии передачи данных протоколы Wi-Fi (стандарт IEEE 802.11). Отдельную, довольно крупную и активно развивающуюся группу технологий динамических сетей, базирующихся на Wi-Fi, составляют так называемые mesh-сети.
Наиболее общее определение для Mesh-сети звучит как: «Mesh - сетевая топология, в которой устройства объединяются многочисленными (часто избыточными) соединениями, вводимыми по стратегическим соображениям» [2]. Несмотря на созвучие наименования технологии с полносвязной топологией сетей (mesh-топологией), Mesh-сети не обязательно являются полносвязными. Сеть можно представить в виде узлов, которые не только предоставляют возможность связи с сетью, но и выполняют функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других узлов этой же сети. Благодаря этому появляется возможность создания самоустанавливающейся и само-восстанавливающейся сети. Mesh-сети строятся как совокупность кластеров. Территория покрытия разделяется на зоны, число которых теоретически не ограничено. В зависимости от конкретного решения узлы сети могут выступать в роли ретранслятора (транспортный канал) либо ретранслятора и абонентской точки доступа.
Если рассматривать существующие реализации Mesh-сетей, то можно заключить, что отличительной особенностью технологии Mesh от других технологий динамических сетей является пространственная стационарность узлов сети. Это существенно упрощает решение задачи маршрутизации потоков данных, поскольку динамика структуры сети проявляется лишь в том, что узлы могут выходить из состава сети, что приводит к терминированию проходящих через них маршрутов. Статичность узлов Mesh-сети обусловливает ограниченное для отдельно взятого узла число соседей и, тем самым, позволяет формировать и хранить на узлах полную топологию сети или ее отдельные фрагменты. Это обстоятельство позволяет реализовывать в Mesh-сетях довольно изощренные алгоритмы маршрутизации, в том числе - использование для передачи данных нескольких параллельных маршрутов одновременно [3]. В некоторых реализациях Mesh-сетей используются специальные протоколы, позволяющие каждому узлу создавать таблицы абонентов сети с контролем состояния транспортного канала и поддержкой динамической маршрутизации трафика по оптимальному маршруту. При отказе какого-либо из узлов, происходит автоматическое перенаправление трафика по другому маршруту, что гарантирует не просто доставку трафика адресату, а доставку за минимальное время.
Следует отметить, что большинство реализаций Mesh-сетей предполагают разделение узлов на две категории: хост (или абонентские) узлы и узлы-ретрансляторы. Последние, как правило, совмещают функции узлов обоих типов. Такое разделение функций в определенной степени дистанцирует Mesh-сети от полностью одноранговых коммуникационных систем. Узлы, выполняющие роль ретрансляторов, образуют своеобразное ядро сети, от которого полностью зависит работоспособность коммуникационной среды в целом.
В отличие от Mesh-сетей, мобильные ad-hoc сети, которые принято относить к категории MANET (mobile ad-hoc network), строятся на базе перемещающихся в пространстве узлов. Каждый узел такой сети должен играть роль как хоста, так и маршрутизатора. При этом, вследствие динамичности структуры сети, следующей из мобильности и негарантированной доступности узлов, вопрос выбора маршрутов доставки данных в таких сетях становится первостепенным.
Одним из наиболее активно развивающихся направлений применения сетей класса MANET являются сети на базе движущихся транспортных средств. Такие сети получили название «Vehicular Ad Hoc Networks» или «VANET». VANET объединяет в единую сеть множество перемещающихся автомобилей или иных транспортных средств. Каждое участвующее в сети транспортное средство играет роль как хоста, так и маршрутизатора, обеспечивающего подключение к сети других узлов, находящихся в радиусе 100-300 метров. Транспортные средства могут свободно выходить из сети (в том числе - из за перемещения за пределы радиуса действия приемопередающих устройств), но за счет постоянного появления новых узлов и их высокой плотности на территории (как правило - это некоторая транспортная магистраль) сеть не теряет связности. Первыми применениями сетей VANET были сети полицейских и пожарных автотранспортных средств, взаимодействующих друг с другом во время чрезвычайных ситуаций [4].
Разновидностью сетей VANET являются интеллектуальные ad-hoc сети на базе мобильных узлов -Intelligent vehicular ad hoc networks. Такие сети используются для определение взаимного территориального расположения транспортных средств, на основании которого появляется возможность, например, более эффективно планировать и регулировать дорожный трафик [5].
В качестве примера сети MANET общего назначения можно привести проект шведской компании TerraNet AB. Технология TerraNet предназначена для формирования распределенных сетей мобильной связи на территориях, находящихся вне зон покрытия базовых станций традиционных мобильных сетей. TerraNet реализует полностью одноранговую архитектуру сети: все узлы имеют аналогичную функциональность. Появляясь в зоне действия сети TerraNet, мобильное устройство (телефон) автоматически подключается к сети. Данные (речевой трафик) могут передаваться напрямую от телефона к телефону, минуя базовую станцию. Если взаимодействующие устройства находятся на дистанции, превышающей радиус действия их приемо-передающих устройств, то передача осуществляется по принципу «возьми и передай дальше» с числом ретрансляций не превышающим семи [6]. Поскольку все узлы сети TerraNet имеют одинаковую функциональность, достаточно лишь пары узлов для того, чтобы сеть начала функционировать.
Возможные подходы к организации мобильных сетей ad-hoc
Как отмечалось ранее, основной проблемой организации динамической самоорганизующейся сети на базе мобильных устройств является определения маршрута передачи данных. Поскольку топология сети и, более того - местонахождение ее узлов непостоянны, определить направление, в котором находится узел-получатель становится весьма затруднительно. Для решения этой проблемы можно предложить несколько подходов, отличающихся сложностью реализации с одной стороны, и эффективностью доставки данных - с другой. Далее рассмотрены следующие подходы к передаче данных, адресованных статичному и мобильному узлу:
1) статичному узлу при помощи устройств не поддерживающих GPS;
2) статичному узлу при помощи устройств, имеющих модуль GPS;
3) статичному узлу основываясь на статистических данных об относительном местоположении узлов сети;
4) динамическому узлу при помощи устройств не поддерживающих GPS;
a. с использованием дополнительного канала для передачи координат конечного узла;
b. с использованием статистической информации;
5) динамическому узлу при помощи устройств, имеющих модуль GPS;
a. с использованием дополнительного канала для передачи координат конечного узла;
b. с использованием статистической информации об относительном местоположении узлов сети;
6) широковещательная передача.
Эффективность этих подходов была проверена
экспериментально с помощью натурного эксперимента: программное обеспечение, реализующее передачу блока данных, инсталлировалось на несколько мобильных телефонов и карманных ПК, принадлежащих пользователям, живущим в одном небольшом городе (в данном случае - г. Апатиты Мурманской области). В ходе экспериментов на физическое время доставки блока данных передачи (БДП) не накладывалось ограничений, однако длина цепочки промежуточных устройств, задействованных в передаче блока данных от отправителя к получателю, ограничивалась параметром «время жизни», декрементируемом при каждой ретрансляции. По аналогии с принятым способом классификации операционных систем с точки зрения их реактивности, рассматриваемые результаты соответствуют случаю «пакетного режима» работы сети, то есть скорость передачи не имеет решающего значения: задача состоит в передаче данных «рано или поздно». Несмотря на нетипичность такого подхода к организации передачи данных с точки зрения традиционных критериев эффективности работы коммуникационных сетей, «пакетный режим» может быть востребо-
ванным для некоторых приложений, например - для файлообменных систем.
Наиболее простым для реализации среди обозначенных подходов является широковещательная передача (в том числе - и в ходе ретрансляции) блока данных всем узлам сети, находящимся в зоне досягаемости данного. Основным достоинством данного подхода, кроме простоты реализации, является то, что он без изменений подходит для случаев как статичного, так и мобильного узла-адресата.
Проблемы данного подхода:
1. Большое количество передаваемой избыточной информации.
2. Сложность в выборе “времени жизни” БДП (большое число позволит плодить избыточные копии, малое снизит шанс доставки файла узлу).
Передача статичному узлу с ориентированием по базовым станциям сети сотовой связи. Метод основан на возможности передачи каждому устройству, подключенному к сети стандарта GSM, набора параметров текущей сети, в том числе - идентификатора сотовой сети, базовой станции и gsm-репитера (ретранслятора). Зная территориальное расположение базовых станций и репитеров сотовых сетей, развернутых в области действия сети ad-hoc, мы можем, таким образом, позиционировать мобильное устройство стандарта GSM в пространстве, определяемом сетью базовых станций и ретрансляторов. Теоретическая зона покрытия базовой станции составляет порядка 120 км и каждая станция способна поддерживать до 12 передатчиков, каждый из которых способен обеспечивать связь с 8 активными (общающимися) абонентами. В зоне городов плотность базовых станций значительно больше, в связи с большей плотностью пользователей GSM сетей. Радиус зоны покрытия городской базовой станции с мощностью порядка 10 Ватт (+40дБмВт) на сектор равен примерно 2 км. С учетом «площади перекрытия», обеспечивающей неразрывную связь в момент перехода из зоны действия одной базовой станции к другой, возможная точность определения местоположения устройства составляет, таким образом, около 1 км. Возможным способом увеличения точности определения местоположения узла, может быть измерение уровня сигнала, однако в рамках описываемых здесь экспериментов данный способ не реализовывался.
Таким образом, сохраняя в памяти «историю» позиций мобильного устройства, мы получаем возможность определять направление перемещения устройства в текущий момент времени и делать предположения о его будущем направлении. Если при этом передача данных осуществляется в адрес статичного узла, позиция которого относительно базовых станций известна, начальная передача и ретрансляция БДП осуществляется в адрес узлов, направление передвижения которых наиболее близко к направлению местонахождения узла-адресата.
Преимущества данного подхода:
1. Доступность данного способа передачи для большинства устройств.
2. Потенциально более высокая эффективность с точки зрения доли полезных передач в общем объеме трафика.
Проблемы данного подхода:
1. Низкая точность позиционирования узлов.
2. «Плавающие» точки перехода от одной станции к другой (наличие зданий на пути сигнала, погода, помехи иного рода).
3. Сложность в выборе времени жизни БДП (большое число позволит плодить избыточные копии, малое снизит вероятность успешной доставки).
4. Необходимость наличия на территории развертывания сети (-ей) стандарта GSM.
5. Для работы сети необходима информация о базовых станциях и ретрансляциях сети GSM.
В случае, когда узел-адресат может перемещаться в пространстве, для того, чтобы избежать широковещания необходимо каким-либо образом определить местоположение адресата до начала передачи. Это возможно при существовании некоторого вспомогательного канала связи. Такой подход оправдан в тех случаях, когда использовать вспомогательный канал в качестве основного нецелесообразно по экономическим причинами или же по причине его высокой загрузки. В качестве вспомогательного канала для определения местоположения узла-адресата может использоваться, например, SMS-сообщение. В этом случае, узел-источник предваряет передачу БДП запросом местоположения узла-адресата. По получению данных об этом местоположении передача ведется аналогично рассмотренному выше случаю, в предположении, что за время передачи БДП местоположение адресата существенно не меняется. Для того, чтобы повысить вероятность достоверности этого предположения можно распространить процедуру предварительного запроса и на процесс ретрансляции блока данных, однако в этом случае возрастает нагрузка на вспомогательный канал передачи данных.
Достоинства и недостатки данного подхода те же, что и в предыдущем случае. Кроме того, к недостаткам добавляется требование существования альтернативного канала передачи данных.
Передача с ориентированием при помощи GPS-приемника обеспечивает более высокую точность позиционирования мобильных устройств в пространстве и, за счет этого - более высокую эффективность передачи с точки зрения доли полезного трафика в общем объеме передаваемых данных, а также, потенциально, и с точки зрения скорости доставки данных адресату. В проведенных экспериментах использовался следующий алгоритм: при попадании устройства-приемника в область действия передающего устройства, принимающее устройство передавало направление движения (азимут) за последние 2 минуты. Такой период выбран исходя из необходимости отсева «флуктуаций» в направлении движения мобильного узла: случайных поворотов, обхода человеком препятствий, а также погрешно-
стей измерений, обусловленных неточностью GPS-приемника. Получая азимут и имея в наличии собственные координаты и координаты конечного узла, передающая сторона имеет возможность определить наиболее эффективное направление передачи.
Основным ограничением данного подхода является необходимость наличия GPS-приемника на каждом узле мобильной динамической сети. Однако, в противовес этому, наибольшая точность позиционирования открывает возможности для наиболее эффективной передачи блока данных узлу-адресату.
Передача данных статичному и мобильному узлу, основываясь на статистических данных. Еще один возможный способ определения вероятного местонахождения получателя блока данных опирается на предположение о том, что маршруты передвижения мобильных устройств, входящих в сеть, относительно однообразны. Из этого предположения следует, что устройство, неоднократно попадавшее в зону действия приемо-передающей аппаратуры некоторого узла, с высокой вероятностью попадет в эту зону снова. Таким образом, данное предположение позволяет построить помеченный граф, отражающий возможное местоположение устройств. Вершины графа соответствуют узлам сети, а их метки представляют собой множества пар (идентификатор узла; показатель частоты вхождения в зону покрытия). Располагая данной информацией, мы получаем возможность организовать маршрутизацию потоков данных по вектору расстояния (distant-vector), при этом в качестве метрики маршрутов используется показатель частоты вхождения узла в зону покрытия.
К достоинствам данного подхода следует отнести, прежде всего, то, что для его реализации узлу не требуется никаких дополнительных коммуникационных возможностей, а также то, что он без изменений может использоваться для работы как со статичными, так и с мобильными узлами. Кроме того, маршрутизация по вектору расстояния, несмотря на известные недостатки, является хорошо проверенным довольно эффективным методом определения направления передачи данных [7]. К недостаткам подхода, кроме известных проблем маршрутизации по вектору расстояния (большой объем служебного трафика и проблема бесконечного счета), следует отнести то, что он работоспособен лишь при достаточно высокой территориальной плотности мобильных устройств.
Результаты экспериментальной оценки работоспособности предложенных подходов и выводы
Для первичного оценивания эффективности рассмотренных подходов к реализации маршрутизации потоков данных в динамических телекоммуникационных сетях на базе мобильных устройств малого радиуса действия была проведена серия натурных экспериментов. Для этого была написана специализированная программа, реализующая как функции изначальной генерации передаваемого блока данных,
так и функции его передачи и ретрансляции. Данные статичного конечного узла были «вшиты» в программу изначально, тогда как идентификатор мобильного конечного узла генерировался устройством вместе с блоком передаваемых данных. Программа была установлена на 20 смарт-фонов, каждая копия программы генерировала 8 БДП и передавала каждый из них тем или иным методом. Также вместе с
Таким образом, все из представленных в данной работе методов решения проблемы маршрутизации потоков данных в динамических телекоммуникационных сетях на базе мобильных устройств малого радиуса действия продемонстрировали свою работоспособность. Наиболее эффективным с точки зрения доли успешно доставленных блоков данных является, как и ожидалось, подход на основе широковещательной передачи. Однако существенным ограничением данного подхода является чрезвычайно большой объем избыточно передаваемых данных. Следует также отметить, что проведенные эксперименты осуществлялись в идеализированных условиях малого суммарного количества устройств, использующих исследуемую технологию. В случае большего количества устройств одновременно использующих широковещательную передачу неизбежно возникает проблема разделения канала связи, естественным образом отражающаяся на эффективности передачи данных в сети.
В этой связи представляются более перспективными подходы, исключающие широковещание. Первичная оценка эффективности таких подходов показывает их принципиальную работоспособность и открывает перспективы для дальнейших исследований и разработок в данной области, направленных на улучшение качественных показателей функционирования динамических самоорганизующихся сетей, использующих различные способы маршрутизации потоков данных.
блоком данных протокола передавался и идентификатор типа метода, дабы узлы-ретрансляторы использовали заданный метод для передачи.
Результаты экспериментов, в виде относительной доли успешно доставленных блоков данных при использовании различных методов передачи представлены в таблице.
Литература
1. Путилов, В.А. Функционально-целевая техно ло-гия подготовки задач к развертыванию в GRID-среде / В.А. Путилов, М.Г. Шишаев // Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий: Материалы междунар. конф. 25-26 ноября 2003 г. СПб: Центр печати «Север-Росс», 2003. - С.17-19.
2. Сайт организации Z-Wave Russia.
Режим доступа:http://www.z-wave .ru/o-tehnologii-z-wave/mesh-seti.html
3. Ляхов, А.И. Многоканальные mesh-сети: анализ
подходов и оценка производительности / А.И. Ляхов, И.А. Пустогаров, С.А. Шпилев // Информационные процессы. -2008. -Т.8, №3. -
С.173-192.
4. « The Theory of Vehicular Ad-Hoc Network ». TechViewz.Org. 2008-02-12. - Режим доступа: http://techviewz.org/2008/02/theory-of-vehicular-ad-hoc-network.html
5. Thangavelu, А. Location Identification and Vehicular Tracking for Vehicular Ad-Hoc Wireless Networks /
A. Thangavelu, S. Sivanandam // IEEE Explorer. -2007. - № 1 (2). - P. 112-116.
6. Сайт проекта TerraNet AB. Режим доступа: http://www.terranet.se/
7. Столингс, В. Современные компьютерные сети /
B. Столингс. - СПб.: Питер, 2003. -783 с.
Результаты оценки эффективности различных подходов к организации динамической сети мобильных устройств
Метод позиционирования Статичный адресат Мобильный адресат
Позиционирование по статистике вхождений в зону покрытия Позиционирование с использованием дополнительного канала
На основе статистики 45% н/д н/д
По базовым станциям 65% 50% 75%
С помощью GPS 90% 65% 40%
Широковещательная передача 100%
