CC BY
87
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПРОТОКОЛ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА В МОБИЛЬНЫХ AD-HOC СЕТЯХ
© Галенко В.К.*
Национальный исследовательский университет
«Московский институт электронной техники», г. Москва
Мобильные Ad-Hoc сети, также известные как MANET (Mobile Ad hoc Network), представляют собой одноранговые самоорганизующиеся сети на основе мобильных устройств. Отсутствие иерархии и постоянно меняющаяся топология в таких сетях, накладывает определенные трудности на работу протоколов множественного доступа (MAC). Для обеспечения эффективного распределения доступа в мобильных Ad-Hoc сетях, разработчики применяют специальные решения. В данной статье, рассмотрены существующие специальные протоколы и решения рассмотренные в них, а также предложены требования к универсальному алгоритму доступа к среде передаче данных для MANET сетей.
Ключевые слова мобильные Ad-Hoc сети, MAC протокол, MANET.
Основные параметры, характеризующие мобильную Ad-Hoc сеть, сводятся к параметрам подвижности узлов, плотности их расположения в пространстве и к требованиям по обеспечению качества услуг связи. Дополнительные факторы, такие как запас батареи абонентских устройств и способность получать топологическую информацию посредством системы глобального позиционирования, также играют важную роль. Все вышеперечисленные параметры являются отличительными для любой Ad-Hoc сети, и разработчики стараются учитывать их при создании новых протоколов.
В качестве примера решения для Ad-Hoc сетей с низкой мобильностью и высокой плотностью узлов в пространстве можно привести работу С.В. Романова [1], где предложен модифицированный метод множественного доступа с локальным разделением по времени P-LTDMA (Pseudo Local Time Division Multiple Access). В основе метода лежит принцип кластеризации узлов, разработанный для увеличения производительности Ad-Hoc сетей [2]. Принцип кластеризации самоорганизующихся сетей заключается в объединении на этапе инициации локальной группы узлов в иерархический кластер с присваиванием функционального статуса абонентам. Задача разграничения доступа при такой организации ложится на абонента, имеющего статус узла «вершины» (dusterhead). При этом при выборе статуса узлов учитывается высокая подвижность, их местоположение и уровень заряда батареи. Внутри кластера работает временное разделение каналов со случайным разделением тайм-слотов. В данной работе приводится доказательство эффективности
* Студент кафедры Телекоммуникационных систем.
данного решения при большой загруженности сети по сравнению с привычным для подобных сетей методом, основанным на контроле несущей CSMA.
Кластеризации в MANET сети эффективна только при невысокой подвижности узлов. Для сетей с повышенной мобильностью применяют комбинированные методы доступа. К примеру, в статье [3] авторам предлагается MAC протокол SITA (Sync-less Impromptu Time-Divided Access), ориентированный на обеспечение связи в режиме реального времени для Ad-Hoc сетей с повышенной (до 10м/с) подвижностью. Данный протокол предлагает использовать комбинации методов контроля несущей с предотвращением коллизий CSMA/CA и временного разделения TDMA. В отличие от инфраструктурных сетей, SITA не пытается решать проблемы синхронизации и распределения тайм-слотов, вместо этого он обходит необходимость в этих процессах: получая запрос на передачу от вышестоящих уровней, SITA устанавливает соединение методом прослушивания несущей (применяемым в стандарте 802.11), а затем преобразует полученный канал в периодические во времени дробные части от общей пропускной способности. Если первоначальное соединение установлено успешно, оно будет использоваться для передачи готовых пакетов данных. Для контроля соединения приемные, передающие и «мешающие» узлы используют только свои, локальные часы, которые не должны быть синхронизированы друг с другом (рис. 1).
Рис. 1. Локальные часы для резервирования без синхронизации
Как утверждает автор, протокол SITA прост в реализации и может быть выполнен в виде программной накладки на широко распространённый метод доступа применяемый в стандарте 802.11. Для оценки эффективности SITA, автор внедрил данный протокол в готовую реализацию стандарта IEEE 802.11, используя симулятор NS-2.
При моделировании нагрузки, обеспечивающей связь в режиме реального времени, SITA показал увеличение пропускной способности на 300 % и уменьшение задержек более чем на порядок, в сравнении с «чистым» протоколом доступа стандарта 802.11. Эксперимент показал, что при размере пакета в 500 байт и скорости передачи до 11 Мбит/с, размер задержки и джиттера оставался приемлемым для мультимедийных приложений реального времени, даже при значительной (до 10 м/с) мобильности узлов.
Тем не менее, подобные решения также имеют свои ограничения и не могут быть универсальными для всех MANET сетей.
При скорости движения узлов выше 10м/с возникают проблемы поддержания соединения на уровне маршрутизации. В статье [4] авторы предлагают протокол, реализующий новый метод множественного доступа, основанный на улучшенном механизме RTS/CTS стандарта 802.11 DCF, и адаптированный для многошаговой передачи в Ad-Hoc сетях. Одной из основных проблем в MANET сетях с высокой (более 10м/с) мобильностью является неэффективность работы сетевых протоколов, создающих избыточное количество служебного трафика при многошаговой ретрансляции. Для компенсации недостатков сетевых протоколов авторы предложили метод, работающий на уровне контроля доступа, но выполняющий функцию маршрутизации для частных случаев. Он называется методом оценки доступности канала на всех интервалах передачи или MCCA (Multihop Clear Channel Assessment). Для расширения существующего алгоритма 802.11 DCF в него добавили дополнительные кадры управления, а также расширили функции кадров RTS/CTS (рис. 2).
SI : Case 1 : RTS(1,4) : to response smce 34 out of range
S3 : Ca»- Э : RTF(2,1) : S2 offers to forward
51 : Case 1 : CTF(1,2) : SI agrees to 1st 52 forward
52 : Case 3 : RTS(2,4) : no response since S4out of range
53 : Case 3 : RTF(3,2) : S3 offers to forward
52 : Case 4 : CTF(3,2) : S2 agrees to let S3 forward
53 : Case 3 : RTS(3,4) : S4 is m range of S3
S3 : Case 5 :CTS(3'2) : Return the CTS response
S2 : Case 5 :CTS(2,1) : Return the final CTS response, end-end path
51 : Case 1 : FrameC 1,2): Send Frame lo next hop
52 : Case 1 : Frame(2,3) : SendFrame lo next hop
SJ : Case 1 : Frame(3,4) : Send Frame to next hop, (destination)
SI : Ack returned using same CTS return path.
Рис. 2. Алгоритм установления сеанса связи протокола MCCA
К основной функции RTS добавляется роль запроса маршрута (аналогичной RREQ (Route Request) в пакетах третьего уровня), а к функции CTS роль пакета ответа на маршрут (аналогично RREP (Route Reply Packet) в пакетах третьего уровня). Также в соответствии с протоколом MCCA были
добавлены новые управляющие кадры RTF (Ready to Forward) и CTF (Clear to Forward). RTF отправляется промежуточным узлом в ответ на запрос ретрансляции с целью предложить отправку фрейма данных до узла назначения (или до следующего промежуточного узла). Если предыдущий узел (источник или участник ретрансляции) готов к передаче, он отвечает CTF, чтобы указать на промежуточный узел, который будет передавать от его имени (таких узлов может оказаться несколько). Далее промежуточный узел будет пытаться отправить RTS к узлу назначения. Отправитель получит извещение CTS, после чего квитирование считается оконченным. После передачи данных, узлом назначения отправляется кадр ACK. Если подтверждение ACK не получено, следующий в очереди промежуточный узел, отправивший RTF, получит CTF разрешение на ретрансляцию.
Добавление адреса источника в кадр CTS позволяет промежуточным узлам определять следующий шаг ретрансляции, а в кадре CTF - адрес предыдущего узла. Благодаря этому с каждым новым шагом ретрансляции, мы получаем дополнительное время отсрочки NAV (Network Allocation Vector), которое не дает другим узлам конфликтовать с передачей. Данный метод может устранить необходимость в маршрутизации на третьем уровне и является оппортунистическим протоколом маршрутизации OR (Opportunistic Routing), работающим без технологических нововведений и дополнительных пакетов приветствия (Hello), но решающим задачи маршрутизации внутри сети.
Для проверки эффективности данного протокола, авторы провели моделирование в программе симуляции NS-3. В качестве параметров модели, был выбран сценарий движения со скоростью от 1 до 20 м/с для 30 узлов с начальным расстоянием между узлами в 650 метров. В качестве стандарта связи, авторы выбрали 802.11b при скорости 11 Мбит/с с включенным механизмом RTS/CTS для всех однонаправленных пакетов. Пакет размером 1000 байт передавался с интервалом в 1 секунду.
Для сравнения была промоделирована работа протоколов маршрутизации OLSR и AODV В результате MCCA показал существенно меньшее среднее значение задержек при ретрансляции через 15 и более промежуточных узлов. На основании исходных данных, протокол MCCA добился уменьшения среднего времени задержек на 56 % в сравнении с OLSR и на 76 % в сравнении с AODV Фактически сравнительное значение задержек уменьшалось всякий раз при увеличении числа ретрансляций. Также протокол MCCA привел к значительному приросту средних показателей успешной доставки пакетов: 73 % против 15 % у OLSR и 12,9 % у AODV
Такое увеличение производительности объясняется тем, что MCCA работает близко к физическому уровню и позволяет избегать дополнительных задержек при определении маршрута и оценке занятости канала, в то время
как при использовании сетевых методов маршрутизации, приходится переопределять занятость канала на каждом этапе ретрансляции и установлении соединения.
Из рассмотренных работ можно представить себе идеализированную модель протокола множественного доступа для MANET сетей. Предположим, что подобный протокол должен адаптироваться к изменению характеристик, что в перспективе позволит не только использовать его в любой сети, но и обеспечит масштабируемость каждой такой системы в отдельности. Используя опыт разработчиков, чьи предложения мы рассмотрели до этого, можно перечислить основные рекомендации и продумать методы, посредством которых мы сможем достигнуть таких технических свойств.
Кластеризация. При взгляде на MANET сеть со значительным количеством близкорасположенных узлов, можно логически объединить некоторые из них в группы с распределенными обязанностями, такими как распределение доступа. Однако его преимущества, становятся явными только при определенных параметрах сети. Например, если один из узлов имеет низкую подвижность и оптимальное расположение до всех узлов внутри кластера, он может стать узлом «вершиной» и заниматься распределением множественного доступа, используя почти любой классический метод.
Подобный алгоритм управления, можно опционально включать в тех случаях, когда параметры сети предрасполагают к его работе. И, напротив, в случаях, когда кластеризация не будет эффективна в условиях низкой плотности устройств, либо при отсутствии подходящего узла «вершины», данный алгоритм должен уступать управление следующему принципу, оптимизирующему множественный доступ.
Комбинирование методов доступа. Это ответ на потребность в обеспечении повышенных требований к качеству услуг связи в Ad-Hoc сетях с повышенной мобильностью. Для преодоления трудностей разделения множественного доступа авторы предлагают использовать принципы временного и кодового разделения с предварительным согласованием по средствам метода прослушивания несущей CSMA/CA.
В отличие от кластеризации, комбинированные методы обособляют каждый узел в пределах зоны действия своего радиопередатчика и организуют связь с соседними узлами не через арбитраж доступа, как в методе распределенной координации, а по согласованным ранее условиям.
Подобные алгоритмы показали высокую эффективность при средней плотности узлов и средней подвижности. По этой причине в идеализированной модели протокола множественного доступа должен быть предусмотрен механизм входа сети в гибридный режим работы, способный распределять доступ на временной или кодовой основе в случаях, когда требуется обеспечить, к примеру, высоконагруженный сеанс связи. Для обеспечения таких услуг может понадобиться увеличение скорости передачи дан-
ных, что должно сказаться на дальности эффективной передачи. Поэтому при обеспечении услуг связи в сетях с низкой плотностью узлов, высокой подвижностью и активно меняющейся топологией, требуется переключение протокола доступа в специальный режим работы, принимающий на себя часть функций протокола маршрутизации.
Принцип специальной маршрутизации. При высокой подвижности узлов, часть функций сетевого уровня должна перекладываться на уровень контроля доступа. Так как топология сети стремительно меняется, организация маршрутизации канальным протоколом, позволяет не тратить дополнительное время на определение маршрута до узла назначения, и увеличивает шанс того, что маршрут будет действительным в момент придачи полезных данных.
Идеализированный протокол доступа должен опционально применять все вышеуказанные принципы, исходя из плотности расположения устройств в пространстве, а также их подвижности. Для этого необходимо, чтобы в сети присутствовал механизм мониторинга состояния загруженности. При низкой подвижности и небольшом пространственном разнесении, эту функцию может выполнять механизм прослушивания несущей, а с увеличением скорости движения и расстояния между узлами, данная ответственность, может перейти к системам глобально позиционирования (GPS, ГЛОНАСС).
Для полноты исследования методов множественного доступа в мобильных Ad-Hoc сетях стоит провести сравнительное моделирование ранее рассмотренных протоколов. К сожалению их разработка ведется в частном порядке, без публикации подробных материалов, что является значительным препятствием в их дальнейшем развитии и усложняет создание новых протоколов.
За перспективу развития исследований в области методов доступа для MANET сетей, я вижу разработку собственных протоколов MAC уровня, используя открытые методы моделирования, такие как NS-3.
Список литературы:
1. Романов С.В., Прозоров Д.Е. Множественный доступ с псевдослучайным разделением времени в MANET-сетях с кластеризацией узлов // Телекоммуникации. - 2014. - № 3. - С. 14-17.
2. 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. - Р. 1369-1379.
3. Jakllari, R. Ramanathan «A Sync-less time-divided MAC protocol for mobile ad-hoc networks» // Military Communications Conference. - 2009. - Р. 1-7.
4. Learmonth G, Holliday J. NS3 simulation and analysis of MCCA: Multi-hop Clear Channel Assessment in 802.11 DCF // (CCNC). - 2011 IEEE. -С. 198-202.
