ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою

Зміст

Вступ

Телекомунікаційна галузь – це і галузь без вирішень якої сьогодні повноцінно не може функціонувати практично ніяка інша організація, служба або підприємство. Тобто, добробут і ефективна робота держави безпосередньо залежать від стану її телекомунікаційної і інформаційної розвиненості. Того, які послуги, з яким рівнем якості і доступності можуть забезпечити телекомунікаційні технології, що існують сьогодні.

Сьогодні ми можемо спостерігати стрімке зростання кількості мобільних пристроїв у населення і, відповідно, потенційних користувачів, охочих мати швидкий безпровідною доступ в Інтернет, причому в будь-якій крапці і без розриву всіх сеансів зв'язку.

Проте, слід зазначити, що по-перше рівень доступності послуг далеко не той, щоб задовольнити потреби всіх охочих, по-друге стан послуг, якість їх виконання також не відповідають сучасним вимогам. Тому ми повинні робити все від нас залежне, щоб максимально наблизитися до країн від яких так сильно відстаємо сьогодні.

Виходячи з цього ми можемо бачити недоліки і напрями розвитку, які виведуть стан наших можливостей на той бажаний рівень.

Одним з альтернативних підходів до задоволення наростаючих вимог є клас мереж із змінною топологією.

1. Актуальність теми

Досліджуваний в магістерській роботі тип мереж поволі, але достатньо упевнено входить в наше життя. Перед розробниками стандартів і технологій стають завдання створення таких умов функціонування, які виправдають очікувану ефективність і принесуть економічний виграш від впровадження технології, що розробляється, і запуску її у виробництво. Тому на цьому етапі, етапі проектування і розробки правил взаємодії в мережі, постає вкрай важливе завдання – визначення якнайкращих алгоритмів, наборів правил і технологій, що вже існують для побудови архітектури принципово нової мережі.

Актуальність дослідження динаміки таких мереж, зміни їх топологій у часі, підтверджується необхідністю в знанні характеристик і показників роботи даного класу мереж, з метою подальшого визначення кращих способів їх реалізації.

На сьогодні, як і раніше, все ще дуже мало опублікованих російсько- і, особливо, україномовних робіт про алгоритми маршрутизації в безпровідних мережах. Чого вже не можна сказати про зарубіжний інформаційний простір. Дана робота повинна укріпити положення досліджуваної теми на пострадянському просторі, і підвищити рівень її освіченості.

2. Мета і задачі дослідження

Метою цієї роботи є дослідження різних способів розгортання даного типу мереж, а також аналіз протоколів маршрутизації і визначення якнайкращих критеріїв і методів взаємодії в безпровідних мережах із змінною топологією.

Стають завдання визначення найбільш ефективного методу управління ресурсами безпровідної мережі, здатного зберігати свою ефективність незалежно від зміни поточних параметрів мережі (її структури, кількості вузлів і зв'язків між ними і ін.), знаходження оптимальних шляхів проходження потоків даних, що забезпечать кращі показники сумарної пропускної спроможності з урахуванням задоволення заданого рівня якості обслуговування.

3. Огляд досліджень та розробок

Для того, щоб визначити ступінь освітленості теми, необхідно визначити її складові. Тип мереж, що носить назву «Бездротові мережі зі змінною топологією» представлений декількома класами даного типу мереж зв'язку. Їх відрізняє структура побудови, призначення і елементний склад. Але Алгоритми взаємодії усередині цих мереж мають спільний початок.

3.1 MANET

MANET (mobile ad hoc network). На відміну від мереж з фіксованою інфраструктурою, в мобільних ad hoc мережах всі вузли є одночасно і кінцевими користувачами і проміжними маршрутизаторами. Можуть бути зв'язані динамічно в довільній формі. Вони беруть участь у виявленні і обслуговуванні маршрутів до інших вузлів мережі, тобто іноді будучи проміжними пристроями, що виконують чисто транспортування потоків даних від інших таких же пристроїв. Є децентралізованими, здатними до самоорганізації мережами, що складаються з мобільних пристроїв, які часто відокремлюються і підключаються до сусідів і, як наслідок, вільно змінюють свою топологію.

Безпровідні мережі, що побудовані на базі мобільних пристроїв, володіють низкою особливостей:
– Мобільність вузлів веде до додаткового підвищення динамічності топології мережі, оскільки до можливості обриву зв'язку із-за перешкод або включення/виключення вузла додається ймовірність його переміщення;
– Запас джерел живлення мобільних вузлів може бути обмежений, у зв'язку з чим при проектуванні апаратних засобів і протоколів необхідно враховувати ще і енергоспоживання (особливо це стосується сенсорних мереж).


Основні проблеми MANET:

Сьогодні можна виділити декілька класів проблем:
– Проблема забезпечення перешкодостійкості;
– Проблема забезпечення безпеки передаваних даних;
– Проблема загальної пропускної здатності мереж;
– Проблема ефективності вживаних методів маршрутизації

Для успішного застосування в Ad hoc-мережах протоколи маршрутизації повинні обладати наступними якостями:

1. Забезпечувати надійну доставку пакетів в умовах постійної топології мережі, що змінюється, коли використання класичних механізмів гарантованої доставки таких як, наприклад, на транспортному рівні в протоколі ТСР ускладнено.
2. Забезпечувати малий час побудови маршруту в умовах постійної топології мережі, що змінюється.
3. Володіти механізмами оперативного виявлення розриву маршруту і його відновлення.
4. Володіти високою масштабованістю, тобто забезпечувати високу продуктивність мережі при різних її розмірах.
5. Підтримувати QOS.

3.2 MESH

Wireless MESH (комірчасті мережі, також звані багатовузловими, mesh peer-to-peer, multi-hop, мережами) утворюються на основі безлічі з'єднань «точка-точка» вузлів що знаходяться в області радіопокриття один одного, розширює функціональність бездротового доступу в Інтернет і дозволяє реалізовувати точки доступу з охопленням на порядок вище, ніж в звичайних хот-спотів. З можливістю забезпечення захищеного бездротового покриття як усередині приміщень, так і на вулицях, в міській місцевості або в крупних населених пунктах.


Архітектура мережі

Архітектура комірчастої мережі складається з деякої кількості вузлів (node), які утворюють основу (backbone) мережі, і клієнтських пристроїв. Вузли можуть зв'язуватися кожен з кожним і самостійно створювати маршрути передачі даних. Вузли виявляють відключення сусідніх вузлів і появу нових, і автоматично перебудовують маршрути.

Технологія комірчастих мереж не є специфічною для бездротових мереж, але в цих мережах вона набуває нових властивостей. При використанні бездротових вузлів топологія мережі може легко перебудовуватися простим переміщенням вузлів, вилученням або додаванням вузлів.

Прокладка кабелів між вузлами не потрібна. Теоретично можна накрити mesh-мережею будь-яку необхідну територію. Питання тільки в кількості вузлів і можливості забезпечити їх електроживленням.

Бездротові клієнти можуть переміщуватися в межах зони покриття, вузли будуватимуть правильні маршрути і забезпечуватимуть прозорий роумінг. З погляду абонентського сервісу подібні мережі вже сьогодні забезпечують повний спектр IP-застосунків – Ethernet, VOIP, real time video.

Бездротова архітектура MESH має багато спільного з алгоритмом роботи маршрутизаторів в мережі Інтернет, де маршрутизатори самостійно ухвалюють рішення про напрям руху пакетів, грунтуючись на динамічних протоколах маршрутизації. У обох випадках, певний шлях, яким пакети пройдуть через проміжні вузли, прозорий для клієнтів.

Мережі MESH є такими, що самовідновлюються: мережа працюватиме, навіть коли в ній є несправний вузол або втрачено підключення. В результаті такої організації мережі виходить дуже надійна мережна інфраструктура. Це поняття застосовувається до відповідних безпровідних мереж, дротяних мереж, і взаємодіє на рівні програмного забезпечення.

У безпровідній мережі MESH трафік динамічно перенаправляється між вузлами для вибору оптимального проходження сигналу до прикордонного маршрутизатора. Для цього використовуються спеціальні алгоритми інтелектуальної маршрутизації. На напрям трафіку можуть впливати чинники найменшої кількості стрибків (hop) між вузлами, їх завантаженість, пріоритет трафіку і тому подібне. Тобто MESH мережа сама підлаштовується під конкретні ситуації і оптимізує шляхи проходження сигналу.

3.3 Сенсорні мережі

Безпровідні сенсорні мережі отримали великий розвиток останнім часом. Такі мережі, що складаються з безлічі мініатюрних вузлів, оснащених малопотужним прийомо-передавачем, мікропроцесором і сенсором, можуть зв'язати воєдино глобальні комп'ютерні мережі і фізичний мир.

Бездротові сенсорні мережі, зокрема, можуть використовуватися для прогнозу відмови устаткування в аерокосмічних системах і автоматизації будівель. Через свою здібність до самоорганізації, автономності і високої відмовостійкої такі мережі активно застосовуються в системах безпеки і військових застосуваннях. Успішне застосування бездротових сенсорних мереж в медицині для моніторингу здоров'я пов'язане з розробкою біологічних сенсорів сумісних з інтегральними схемами сенсорних вузлів. Але найбільше розповсюдження бездротові сенсорні мережі отримали в області моніторингу навколишнього середовища і живих істот.

Через відсутність чіткої стандартизації в сенсорних мережах, існує декілька різних платформ. Всі платформи відповідають основним базовим вимогам до сенсорних мереж: мала споживана потужність, тривалий час роботи, малопотужні прийомо-передавачі і наявність сенсорів. До основних платформ можна віднести MICAZ, TELOSB, Intel Mote2.

Основним стандартом передачі даних в сенсорних мережах є Iee802.15.4, що був спеціально розроблений для бездротових мереж з малопотужними прийомо-передавачами.

Ніяких стандартів в області програмного забезпечення в сенсорних мережах не немає. Існує декілька сотень різних протоколів обробки і передачі даних, а також систем управління вузлами. Найбільш поширеною операційною системою є система з відкритим кодом – Tinyos [5].

4. Порівняльний аналіз існуючих протоколів маршрутизації

Існуючі протоколи маршрутизації за принципом роботи можна розділити на:

1. Проактивні або табличні (англ. proactive, table-driven). Періодично розсилають по мережі службові повідомлення з інформацією про всі зміни в її топлогиі. Кожен вузол будує таблицю маршрутизації, звідки при необхідності передачі повідомлення якому-небудь вузлу прочитується маршрут до цього адресата.
2. Реактивні або працюючі за запитом (англ. reactive, on-demand). Складають маршрути до конкретних вузлів лише при виникненні
необхідності в передачі ним інформації. Для цього вузол-відправник широкомовно розсилає по мережі повідомлення-запит, яке повинне дійти до вузла-адресата.
3. Гібридні (англ. hybrid). Дані протоколи комбінують механізми проактивних і реактивних протоколів. Як правило, вони розбивають мережу на безліч підмереж, усередині яких функціонує проактивний протокол, а взаємодія між ними здійснюється реактивними методами.

4.1 Ad hoc On-demand Distance Vector

AODV (англ. Ad hoc On-demand Distance Vector) – протокол динамічної маршрутизації для мобільних ad-hoc мереж (MANET) і інших безпровідних мереж. Є реактивним протоколом маршрутизації, тобто встановлює маршрут до адресата за вимогою. Як випливає з назви, для обчислення маршрутів використовується дистанційно-векторний алгоритм маршрутизації.

4.2 Optimized Link-state Routing

OLSR (англ. Optimized Link-state Routing) – протокол маршрутизації для MANET, який також може використовуватися в інших безпровідних мережах. OLSR - проактивний протокол маршрутизації, що використовує обмін повідомленнями вітання і контролю для отримання інформації про топологію мережі.

4.3 Hybrid Wireless Mesh Protocol

Гібридний протокол маршрутизації HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) об'єднує в собі два режими побудови шляхів: реактивний і проактивний, які можуть бути використані як окремо, так і одночасно в одній мережі. При цьому використовуються широкомовні пакети. Протокол маршрутизації HWMP обов'язковий для всіх пристроїв стандарту IEEE 802.11s, як протокол за умовчанням.


Відносно існуючих розробок і досліджень в цій області, можна сказати наступне – найбільш практичне застосування знайшли mesh мережі, тоді як основний клас MANET поки що знаходиться на стадії доопрацювання. Сенсорні мережі, також, знайшли сферу свого застосування, проте для поставлених завдань в цій роботі вони не підходять.

Тема достатньо прогресивно розвивається за кордоном, про що свідчить статистика в звітах про пошук, і недостатньо розкрита в нашій країні.

5 Проектування телекомунікаційної мережі абонентського доступу на базі широкосмугової технології Wi-fi Mesh.

Все більше організацій і підприємств приходять до висновку про необхідність створення мультісервісной мережі, що дозволить використовувати весь потенціал інформаційних технологій, значно підвищити їх ефективність і швидкість роботи. При цьому, рішення мають бути економічно виправданими.

Якщо використовується радіомережа, то слід звернути увагу на те, що може виникнути обов'зковим її ліцензування, що негативно відобразиться на бюджеті проекту. Також, як вже наголошувалося, перевага віддається мультісервісності, тобто організація і надання великої кількості послуг, бажано всіх, однією лінією.

Отже, в проектуванні мережної інфраструктури використовуватиметься технологія бездротового зв'язку заснована на децентралізованной схемі організації мережі, на відміну від типових мереж 802.1 1a/b/g, яка здатна самоналагоджуватися і самовідновлюватися завдяки тому, що точки доступу не тільки надають послуги абонентського доступу, а і виконують функції маршрутизаторів/ретрансляторів для інших точок доступу тієї ж мережі. Ця технологія зветься MESH.

MESH – це мережна технологія, що дозволяє недорогим вузлам мережі рівним по статусу забезпечувати двосторонній зв'язок з іншими вузлам в цій мережі, автоматично обирати оптимальний шлях проходження пакетів. Ще однією перевагою на користь цієї технології є те, що Mesh-мережі побудовані з використанням поширеного бездротового стандарту Wi-fi. Переваги такого рішення очевидні – широкий спектр дешевих стандартних абонентських пристроїв визначає комерційну успішність проектів.


У проектованій мережі використовуватимуться наступні типи інформаційних сервісів:

– Інтернет

– Користування БД;

– Голосові виклики (за технологією VoIP);

– Відеоспостереження (Ip-surveillance)


Потенційних абонентів на об'єкті слід розділити на 4 основних категорії, які матимуть доступ до послуг які їм дозволені. Це будуть:


Категорія 1 – Персонал, що адміністративно управляє (дирекція і працівники закладу)

Категорія 2 – Охорона комплексу

Категорія 3 – Ділові абоненти (учасники)

Категорія 4 – Активні абоненти (відвідувачі)

Інформаційна модель об'єкту

Рисунок 1. Інформаційна модель об'єкту.

Стандарт IEEE 802.11n заснований на технології OFDM-MIMO. Дуже багато реалізованих в нім технічних деталей запозичено із стандарту 802.11a, проте в стандарті IEEE 802.11n передбачається використання як частотного діапазону, прийнятого для стандарту IEEE 802.11a, так і частотного діапазону, прийнятого для стандартів IEEE 802.11b/g. Збільшення швидкості передачі в стандарті IEEE 802.11n досягається, по-перше, завдяки подвоєнню ширини каналу з 20 до 40 Мгц, а по-друге за рахунок реалізації технології MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Принцип реалізаціїї технології MIMO

Рисунок 2. Принцип реалізаціїї технології MIMO

Передавач в такій системі посилає n незалежних сигналів, застосовуючи n антен. На приймальній стороні кожна з m антен отримує сигнали, які є суперпозицією n сигналів від всіх передавальних антен. Важливо відзначити, що в технології MIMO застосування декількох передавальних і приймаючих антен дозволяє підвищити пропускну спроможність каналу зв'язку за рахунок реалізації декількох просторово рознесених підканалів, при цьому дані передаються в одному і тому ж частотному діапазоні.

З'єднання клієнтських пристроїв в загальну мережу планується робити безпровідним, незалежно від того в якому місці вони знаходяться в даний момент часу. За це відповідатиме наша MESH мережа, що складається з безпровідних маршрутизаторів Mesh, встановившими повнозв'язні з'єднання між собою по радіолінку. Декілька таких точок доступу потрібно буде дротяним шляхом під'єднати до комутатора доступу. Вихід в WAN можна реалізувати різними способами. У разі розгортання міських мереж MESH зазвичай будується ядро мережі, що складається з могутніх mesh маршрутизаторів за типом MSR 4000, потім в так зване транспортне кільце радіолінком під'єднуються вже двохмодульні маршрутизатори.

Вибір MESH маршрутизаторів

Виходячи з того, що об'єкт був умовно роздільний на два вузли, один з яких знаходиться повністю на відкритому просторі, то рішення мають бути адаптовані до різних погодних умов. Тому, вибиратимемо точки доступу як внутрішнього (Indoor) так і зовнішнього (Outdoor) виконання. Використовуватимемо MSR 4000, MSR 2000 і MSR 1200. Використання 4-х незалежних радіо-модулів і многочастотної архітектури дозволяють створити бездротові мережі або mesh-канали в місцях з великою щільністю мобільних пристроїв. Природньо, з підтримкою високої швидкості передачі даних (до 600 Мбіт/с) і роботою на частотах 2.4/5/4.9 GHz. Слід зауважити, що швидкість являє собою бітову швидкість, не враховуючи трафік управління, тому корисна пропускна здатність буде набагато менша за заявлену виробниками обладнання.

Динаміка роботи побудованої бездротової мережі зі змінною топологією

Рисунок 3 – Динаміка роботи побудованої бездротової мережі зі змінною топологією
(анимация: 10 кадров, 5 циклов повторения, 160 килобайт)

Представлена вище анімація відображає процес функціонування спроектованої мережі на основі технології Wi-Fi Mesh.

Кілька точок доступу безпосередньо підключені до комутатора розподілу провідним зв'язком, і вони складають так звану опорну мережу (backbone network), також їх називають шлюзами для точок доступу, що не мають такого підключення. Комутатор, у свою чергу, підключений до прикордонного марщрутизатору даної мережі. Для підвищення надійності маршрутизатор підключений до глобальної мережі інтернет за допомогою двох Internet Source Provider (ISP), а також для розвантаження каналів зв'язку виконано дублювання ліній зв'язку на шляху від комутатора до маршрутизатора. Решта точок доступу будуть підключені тільки бездротовим зв'язком в рамках архітектури mesh, тобто з'єднанням точка-точка один з одним і точка-багатоточка з клієнтами – кінцевими бездротовими пристроями. Т.ч. виходить повнозв'язна мережа, у міру фізичної можливості встановлення бездротового зв'язку.

Тепер, припустимо один з абонентів, підключений до однієї з точок доступу вирішив втекти з цього місця, проте не хоче припиняти розпочатий ним сеанс зв'язку (будь то розмова з іншим абонентом, або передача даних пристрою або робота в інтернет, неважливо). У міру його пересування точка доступу, до якої він підключений, фіксує рівень сигналу, що приймається від нього, і вирішує завдання хендоверу – продовжувати його обслуговування або передати його іншій точці доступу. Якщо він віддалився на значну відстань відбувається перепідключення до іншої, вже ближче розташованої до нього, точці.

З часом, у міру тривалості роботи мережі, можуть траплятися різного роду зміни її топології – розрив деяких ліній зв'язку за різних причин, додавання/видалення вузлів, переміщення їх у просторі і т.і. Однак, як уже було заявлено раніше, дана мережна інфраструктура характеризується вкрай високим ступенем живучості. Тому, якщо раптом трапляється, наприклад, обрив лінії зв'язку (може хтось поруч з точкою генератор надвисокочастотний поставив або просто мікрохвильовку включив), то в мережі просто відбудеться реконфігурация і зв'язок відновиться. Так, ми можемо спостерігати як ТД, що безпосередньо підключена до шлюзу, після розриву з'єднання з ним встановила новий шлях - через сусідню точку та сеанс зв'язку з клієнтом відновився.

Потрібно також сказати, що всі точки доступу, представлені тут, є насправді не звичайними ТД, а mesh маршрутизаторами.

Висновки

Таким чином, аналіз сучасної ситуації підтвердив актуальність обраної теми, проведені дослідження і проектування показують перспективність розвитку проекту в найближчому майбутньому.

Кожен клас протоколів потенційно має свої переваги і недоліки при використанні в умовах мобільних Ad hoc-мереж. Наприклад, проактивні протоколи володіють явною перевагою перед реактивними в часі побудови маршруту. У проактивних протоколів цей процес, по суті, відбувається заздалегідь, і потрібно лише считати маршрут з таблиці, тоді як реактивним протоколам необхідно розіслати широкомовний запит і дочекатися підтвердження від адресата. Проте проактивним протоколам необхідно постійно здійснювати широкомовні розсилки, на що може витрачатися значна частка пропускної здатності мережі, особливо в умовах крупних мереж з високою мобільністю вузлів.

Виходячи з цього, подальші дослідження будуть направлені на вдосконалення існуючих алгоритмів маршрутизації і принципів взаємодії вузлів в мережі, з метою отримання кращих якісних показників.

Примітка

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: січень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Гайнулин А. Г. Управление ресурсами в беспроводных сетях с переменной топологией / Гайнулин А. Г. // – Автореф. дисс. .докт. филос. наук. НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2009
  2. Климов И. А. Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Проектирование средств и систем ТКС» Донецк 2013 г.
  3. Климов И.А., Червинская Н. В. Сравнение протоколов маршрутизации для беспроводных мобильных Ad-Hoc сетей / Климов И.А., Червинская Н. В. // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІII науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 14-17 травня 2013 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2013. – С. 76-80
  4. Определение сетей MANET [электронний ресурс], – Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/MANET
  5. Определение сенсорных сетей [электронний ресурс], – Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/95011/
  6. В.М. Винокуров, А.В. Пуговкин, А.А. Пшенников, Д.Н. Ушарова, А.С. Филатов Маршрутизация в беспроводных мобильных Ad hoc-сетях: научная статья. / В.М. Винокуров, А.В. Пуговкин, А.А. Пшенников, Д.Н. Ушарова, А.С. Филатов // Доклады ТУСУРа, № 2 (22), часть 1, декабрь 2010 – С. 288-293
  7. Терновой М. Ю. «Мобильные сети: IP маршрутизация и алгоритмы MANET маршрутизации»
  8. Вишневский В., Лаконцев Д., Сафонов А., Шпилев С. Mesh-сети стандарта IEEE 802.11s – технологии и реализация // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. – 2008. – c. 98-105.
  9. Технология MIMO [электронний ресурс], 2006 – Режим доступа:http://www.compress.ru/Article.aspx?id=16399
  10. Позняк В. О. Використання комбінованого алгоритму маршрутизації для мережі Ad hoc / Позняк В. О. // Наукові записки УНДІЗ, No 2(18), 2011. – C. 97-102
  11. AODV Description [электронний ресурс], – 2010 Режим доступа: http://moment.cs.ucsb.edu/AODV