ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме

Содержание

Введение

Телекоммуникационная отрасль – это та отрасль без решений которой сегодня полноценно не может функционировать практически никакая другая организация, служба или предприятие. То есть, благосостояние и эффективная работа государства напрямую зависят от состояния ее телекоммуникационной и информационной развитости. Того, какие услуги, с каким уровнем качества и доступности могут обеспечить существующие сегодня телекоммуникационные технологии.

Сегодня мы можем наблюдать стремительный рост количества мобильных устройств у населения и, соответственно, потенциальных пользователей, желающих иметь быстрый беспроводной доступ в Интернет, причем в любой точке и без разрыва всех сеансов связи.

Однако, следует отметить, что во-первых уровень доступности услуг далеко не тот, чтобы удовлетворить потребности всех желающих, во-вторых состояние услуг, качество их исполнения также не отвечают современным требованиям. Поэтому мы должны делать все от нас зависящее, чтобы максимально приблизиться к странам от которых так сильно отстаем сегодня. Исходя из этого мы можем видеть недостатки и направления развития, которые выведут состояние наших возможностей на тот желаемый уровень.

Одним из альтернативных подходов к удовлетворению нарастающих требований является класс сетей с переменной топологией.

1. Актуальность темы

Исследуемый в магистерской работе тип сетей медленно, но достаточно уверенно входит в нашу жизнь. Перед разработчиками стандартов и технологий стоят задачи создания таких условий функционирования, которые оправдают ожидаемую эффективность и принесут экономический выигрыш от внедрения разрабатываемой технологии и запуска ее в производство. Поэтому на этом этапе, этапе проектирования и разработки правил взаимодействия в сети, стоит крайне важная задача – определение наилучших алгоритмов, наборов правил и имеющихся уже технологий, на которых будет основываться новая архитектура сети.

Актуальность исследования динамики таких сетей, изменения их топологий во времени, подтверждается необходимостью в знании характеристик и показателей работы данного класса сетей, с целью дальнейшего определения лучших способов их реализации.

В настоящее время по-прежнему все еще очень мало опубликованных русско- и, особенно, украиноязычных работ об алгоритмах маршрутизации в беспроводных сетях. Чего уже нельзя сказать о зарубежном информационном пространстве. Данная работа должна укрепить положение исследуемой темы на постсоветском пространстве, и повысить уровень ее освещенности.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью настоящей работы является исследование различных способов развертывания данного типа сетей, а также анализ протоколов маршрутизации и определение наилучших критериев и методов взаимодействия в беспроводных сетях с переменной топологией.

Стоят задачи определения наиболее эффективного метода управления ресурсами беспроводной сети, способного сохранять свою эффективность независимо от изменения текущих параметров сети (ее структуры, количества узлов и связей между ними и др.), нахождение оптимальных путей прохождения потоков данных, обеспечивающих лучшие показатели суммарной пропускной способности с учетом удовлетворения заданному качеству обслуживания.

3. Обзор исследований и разработок

Для того, чтобы определить степень освещенности темы, необходимо определить ее составляющие. Тип сетей, носящих название «беспроводные сети с переменной топологией» представляет собой несколько классов данного типа сетей связи. Их отличает структура построения, предназначение и элементный состав. Алгоритмы взаимодействия внутри этих сетей имеют общее начало.

3.1 MANET

MANET (mobile ad hoc network). В отличие от сетей с фиксированной инфраструктурой, в мобильных ad hoc сетях все узлы являются одновременно и оконечными пользователями и промежуточными маршрутизаторами. Могут быть связаны динамически в произвольной форме. Они принимают участие в обнаружении и обслуживании маршрутов к другим узлам сети, т.е. иногда являясь промежуточными устройствами, выполняющими чисто транспортировку потоков данных от других таких же устройств. Являются децентрализованными, самоорганизующимися сетями, которые состоят из мобильных устройств, которые часто разъединяются и подключаются к соседям и, как следствие, свободно меняют свою топологию.


Беспроводные сети, построенные на базе мобильных устройств, обладают рядом особенностей:
– Мобильность узлов ведет к дополнительному повышению динамичности топологии сети, так как к возможности обрыва связи из-за помех или включения/выключения узла добавляется вероятность его перемещения;
– Запас источников питания мобильных узлов может быть ограничен, в связи с чем при проектировании аппаратных средств и протоколов необходимо учитывать еще и энергопотребления (особенно это касается сенсорных сетей).


Основные проблемы MANET:

Сегодня можно выделить несколько классов проблем:
– Проблема обеспечения помехоустойчивости;
– Проблема обеспечения безопасности передаваемых данных;
– Проблема общей пропускной способности сетей;
– Проблема эффективности применяемых методов маршрутизации

Для успешного применения в Ad hoc-сетях протоколы маршрутизации должны обладать следующими качествами:

1. Обеспечивать надежную доставку пакетов в условиях постоянно изменяющейся топологии сети, когда использование классических механизмов гарантированной доставки таких как, например, на транспортном уровне в протоколе ТСР затруднено.
2. Обеспечивать малое время построения маршрута в условиях постоянно изменяющейся топологии сети.
3. Обладать механизмами оперативного обнаружения разрыва маршрута и его восстановления.
4. Обладать высокой масштабируемостью, т.е. обеспечивать высокую производительность сети при различных ее размерах.
5. Поддерживать QoS.

3.2 Mesh

Wireless MESH (ячеистые сети, также называемые многоузловыми, mesh peer-to-peer, multi-hop, сетями) образуются на основе множества соединений «точка-точка» узлов находящихся в области радиопокрытия друг друга, расширяет функциональность беспроводного доступа в Интернет и позволяет реализовывать точки доступа с охватом на порядок выше, чем у обычных хот-спотов. С возможностью обеспечения защищенного беспроводного покрытия как внутри помещений, так и на улицах, в городской местности или в крупных населенных пунктах.


Архитектура сети

Архитектура ячеистой сети состоит из некоторого количества узлов (node), которые образуют основу (backbone) сети, и клиентских устройств. Узлы могут связываться каждый с каждым и самостоятельно создавать маршруты передачи данных. Узлы обнаруживают отключения соседних узлов и появление новых, и автоматически перестраивают маршруты. Технология ячеистых сетей не является специфической для беспроводных сетей, но в беспроводных сетях она приобретает новые свойства. При использовании беспроводных узлов топология сети может легко перестраиваться простым перемещением узлов, удалением или добавлением узлов. Прокладка кабелей между узлами не нужна. Теоретически можно накрыть mesh-сетью любую необходимую территорию. Вопрос только в количестве узлов и возможности обеспечить их электропитанием. Беспроводные клиенты могут перемещаться в пределах зоны покрытия, узлы будут строить правильные маршруты и обеспечивать прозрачный роуминг. С точки зрения абонентского сервиса подобные сети уже сегодня обеспечивают полный спектр IP-приложений - Ethernet, VoIP, real time video.

Беспроводная архитектура MESH имеет много общего с алгоритмом работы маршрутизаторов в сети Интернет, где маршрутизаторы самостоятельно принимают решение о направлении движения пакетов, основываясь на динамических Протоколах Маршрутизации. В обоих случаях, определенный путь, которым пакеты пройдут через промежуточные узлы, прозрачен для клиентов.

Сети MESH являются самовосстанавливающимися: сеть будет работать, даже когда в сети имеется неисправный узел или потеряно подключение. В результате такой организации сети получается очень надежная сетевая инфраструктура. Это понятие применимо к соответствующим беспроводным сетям, проводным сетям, и взаимодействует на уровне программного обеспечения.

В беспроводной сети MESH трафик динамически перенаправляется между узлами для выбора оптимального прохождения сигнала до пограничного маршрутизатора. Для этого используются специальные алгоритмы интеллектуальной маршрутизации. На направление трафика могут влиять факторы наименьшего количества скачков (hop) между узлами, их загруженность, приоритет трафика и т.п. То есть MESH сеть сама подстраивается под конкретные ситуации и оптимизирует пути прохождения сигнала.

3.3 Сенсорные сети

Беспроводные сенсорные сети получили большое развитие в последнее время. Такие сети, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором и сенсором, могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир.

Беспроводные сенсорные сети, в частности, могут использоваться для предсказания отказа оборудования в аэрокосмических системах и автоматизации зданий. Из-за своей способности к самоорганизации, автономности и высокой отказоустойчивости такие сети активно применяются в системах безопасности и военных приложениях. Успешное применение беспроводных сенсорных сетей в медицине для мониторинга здоровья связано с разработкой биологических сенсоров совместимых с интегральными схемами сенсорных узлов. Но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ. Из-за отсутствия четкой стандартизации в сенсорных сетях, существует несколько различных платформ. Все платформы отвечают основным базовым требованиям к сенсорным сетям: малая потребляемая мощность, длительное время работы, маломощные приемо-передатчики и наличие сенсоров. К основным платформам можно отнести MicaZ, TelosB, Intel Mote2.

Основным стандартом передачи данных в сенсорных сетях является IEE 802.15.4, который специально был разработан для беспроводных сетей с маломощными приемо-передатчиками.

Никаких стандартов в области программного обеспечения в сенсорных сетях нет. Существует несколько сотен различных протоколов обработки и передачи данных, а также систем управления узлами. Наиболее распространенной операционной системой является система с открытым кодом – TinyOs [5].

4. Сравнительный анализ существующих протоколов маршрутизации

Существующие протоколы маршрутизации по принципу работы можно разделить на:
1. Проактивные или табличные (англ. proactive, table-driven). Периодически рассылают по сети служебные сообщения с информацией обо всех изменениях в ее топлогии. Каждый узел строит таблицу маршрутизации, откуда при необходимости передачи сообщения какому-либо узлу считывается маршрут к этому адресату.
2. Реактивные или работающие по запросу (англ. reactive, on-demand). Составляют маршруты до конкретных узлов лишь при возникновении необходимости в передаче им информации. Для этого узел-отправитель широковещательно рассылает по сети сообщение-запрос, которое должно дойти до узла-адресата.
3. Гибридные (англ. hybrid). Данные протоколы комбинируют механизмы проактивных и реактивных протоколов. Как правило, они разбивают сеть на множество подсетей, внутри которых функционирует проактивный протокол, а взаимодействие между ними осуществляется реактивными методами.

4.1 Ad hoc On-Demand Distance Vector

AODV (англ. Ad hoc On-Demand Distance Vector) – протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей (MANET) и других беспроводных сетей. Является реактивным протоколом маршрутизации, т.е. устанавливает маршрут к адресату по требованию. Как следует из названия, для вычисления маршрутов используется дистанционно-векторный алгоритм маршрутизации.

4.2 Optimized Link-State Routing

OLSR (англ. Optimized Link-State Routing) – протокол маршрутизации для MANET, который также может использоваться в других беспроводных сетях. OLSR - проактивный протокол маршрутизации, использующий обмен сообщениями приветствия и контроля для получения информации о топологии сети.

4.3 Hybrid Wireless Mesh Protocol

Гибридный протокол маршрутизации HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) объединяет в себе два режима построения путей: реактивный и проактивный, которые могут быть использованы как отдельно, так и одновременно в одной сети. При этом используются широковещательные пакеты. Протокол маршрутизации HWMP обязателен для всех устройств стандарта IEEE 802.11s, как протокол по умолчанию.


Касательно существующих разработок и исследований в этой области, можно сказать следующее – наибольшее практическое применение нашли mesh сети, в то время как основной класс MANET пока что находится на стадии доработки. Сенсорные сети, также, нашли сферу своего применения, однако для поставленных задач они не подходят. Тема достаточно прогрессивно развивается за рубежом, о чем свидетельствует статистика в отчетах о поиске, и недостаточно раскрыта в нашей стране.

5 Проектирование телекоммуникационной сети абонентского доступа на базе широкополосной технологии Wi-Fi Mesh.

Все больше организаций и предприятий приходят к выводу о необходимости создания мультисервисной сети, что позволит использовать весь потенциал информационных технологий, значительно повысить их эффективность и скорость работы. При этом, решения должны быть экономически оправданными.

Если используется радиосеть, то следует обратить внимание на то, что возможно ее обязательно нужно будет лицензировать, что негативно отразится на бюджете проекта. Также, как уже отмечалось, предпочтение отдается мультисервисности, т.е. организация и предоставление большого количества услуг, желательно всех, одной линией.

Итак, в проектировании сетевой инфраструктуры будет использоваться технология беспроводной связи, основанная на децентрализованной схеме организации сети, в отличие от типичных сетей 802.1 1a/b/g. Которая способна самонастраиваться и самовосстанавливаться благодаря тому, что точки доступа не только предоставляют услуги абонентского доступа, а и выполняют функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других точек доступа той же сети. Эта технология называется MESH.

MESH – это сетевая технология, которая позволяет недорогим узлам сети равным по статусу обеспечивать двустороннюю связь с другими узлам в этой сети автоматически выбирать оптимальный путь прохождения пакетов. Еще одним преимуществом в пользу этой технологии является и то, что Mesh-сети построены с использованием распространенного беспроводного стандарта Wi-Fi. Преимущества такого решения очевидны – широкий спектр дешевых стандартных абонентских устройств определяет коммерческую успешность проектов, очень лоялльные условия полученя лицензии на предоставление услуг.


В проектируемой сети будут использоваться следующие типы информационных сервисов:
– Интернет
– Пользование БД;
– Голосовые вызовы (по технологии VoIP);
– Видеонаблюдения (IP-surveillance)

Потенциальных абонентов на объекте следует разделить на 4 основных категории, которые будут иметь доступ к услугам которые им разрешены. Это будут:
Категория 1 – Административно-управляющий персонал (дирекция и работники заведения)
Категория 2 – Охрана комплекса
Категория 3 – Деловые абоненты (участники)
Категория 4 – активные абоненты (посетители)

Информационная модель объекта

Рисунок 1. Информационная модель объекта.

Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень много реализованных в нем технических деталей заимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предполагается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11 b/g. Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГц, а во-вторых за счет реализации технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Принцип реализации технологи MIMO

Рисунок 2. Принцип реализации технологи MIMO

Передатчик в такой системе посылает n независимых сигналов, применяя n антенн. На приемной стороне каждая из m антенн получает сигналы, которые являются суперпозицией n сигналов от всех передающих антенн. Важно отметить, что в технологии MIMO применение нескольких передающих и принимающих антенн позволяет повысить пропускную способность канала связи за счет реализации нескольких пространственно разнесенных подканалов, при этом данные передаются в одном и том же частотном диапазоне.

Соединение клиентских устройств в общую сеть планируется делать беспроводным, независимо от того в какой точке они находятся в данный момент времени. За это будет отвечать наша MESH сеть, состоящая из беспроводных Mesh маршрутизаторов, установив полносвязные соединения между собой по радиолинку. Несколько таких точек доступа нужно будет проводным путем подсоединить к коммутатору доступа. Выход в WAN можно реализовать различными способами. В случае развертывания городских MESH сетей обычно строится ядро сети, состоящей из мощных mesh маршрутизаторов по типу MSR 4000, затем в так называемое транспортное кольцо радиолинком подсоединяются уже двухмодульные маршрутизаторы.



Выбор MESH маршрутизаторов

Исходя из того, что объект был условно разделен на два узла, один из которых находится полностью на открытом пространстве, то решения должны быть адаптированы к различным погодным условиям. Поэтому, выбирать точки доступа как внутреннего (Indoor) так и внешнего (Outdoor) исполнения.

Будем использовать MSR 4000, MSR 2000 и MSR 1200 Использование 4-х независимых радио-модулей и многочастотного архитектуры позволяют создать беспроводные сети или mesh-каналы в местах с большой плотностью мобильных устройств. Естественно, с поддержкой высокой скорости передачи данных (до 600 Мбит/с) и работой на частотах 2.4/5/4.9 GHz. Следует заметить, что скорость представляет собой битовую скорость, не учитывая трафик управления, поэтому полезная пропускная способность будет намного меньше заявленной производителями оборудования.

Динамика работы беспроводной mesh сети

Рисунок 3 – Динамика работы построенной беспроводной сети с переменной топологией
(анимация: 5 кадров, 5 циклов повторения, 109 килобайт)

Представленная выше анимация отображает процесс функционирования спроектированной сети на основе технологии Wi-Fi Mesh.

Несколько точек доступа непосредственно подключены к коммутатору распределения проводной связью, и они составляют так называемую опорную сеть (backbone network), также их называют шлюзами для точек доступа, не имеющих такого подключения. Коммутатор, в свою очередь, подключен к пограничному марщрутизатору данной сети. Для повышения надежности маршрутизатор подключен к глобальной сети интернет c помощью двух Internet Source Provider (ISP), а также для разгрузки каналов связи выполнено дублирование линий связи на пути от коммутатора к маршрутизатору. Остальные точки доступа будут подключены только беспроводной связью в рамках архитектуры mesh, т.е. соединением точка-точка друг с другом и точка-многоточка с клиентами – оконечными беспроводными устройствами. Т.о. получается полносвязная сеть, по мере физической возможности установления беспроводной связи.

Теперь, предположим один из абонентов, подключенный к одной из точек доступа решил убежать из этого места, однако не хочет прекращать начатый им сеанс связи (будь то разговор с другим абонентом, или передача данных устройству или работа в интернет, неважно). По мере его передвижения точка доступа, к которой он подключен, фиксирует уровень сигнала, принимаемый от него, и решает задачу хендовера – продолжать его обслуживание или передать его другой точке доступа. Если он удалился на значительно расстояние происходит переподключение к другой, уже ближе расположенной к нему, точке.

Затем, по мере продолжительности работы сети могут случаться разного рода изменения ее топологии – разрыв некоторых линий связи из-за разных причин, добавление/удаление узлов, перемещение их в пространстве и т.д. Однако, как уже было заявлено ранее, данная сетевая инфраструктура обладает крайне высокой степенью живучести. Поэтому, если вдруг случается, например, обрыв линии свзяи (может быть кто-то рядом с точкой генератор сверхвысокочастотный поставил или просто микроволновку включил), то в сети просто произойдет реконфигурация и связь восстановится. Так, мы можем наблюдать как ТД, непосредственно подключенная к шлюзу, после разрыва соединения с ним установила новый путь – через соседнюю точку и сеанс связи с клиентом возобновился.

Нужно также сказать, что все точки доступа, представленные здесь, являются на самом деле не обычными ТД, а mesh маршрутизаторами.

Выводы

Таким образом, анализ современной обстановки подтвердил актуальность выбранной темы, проведенные исследования и проектирование показывают перспективность развития проекта в ближайшем будущем.

Каждый класс протоколов потенциально имеет свои преимущества и недостатки при использовании в условиях мобильных Ad hoc-сетей. Например, проактивные протоколы обладают явным преимуществом перед реактивными во времени построения маршрута. У проактивных протоколов этот процесс, по сути, происходит заранее, и требуется лишь считать маршрут из таблицы, тогда как реактивным протоколам необходимо разослать широковещательный запрос и дождаться подтверждения от адресата. Однако проактивным протоколам необходимо постоянно осуществлять широковещательные рассылки, на что может расходоваться значительная доля пропускной способности сети, особенно в условиях крупных сетей с высокой мобильностью узлов.

Исходя из этого, дальнейшие исследования будут направлены на усовершенствование существующих алгоритмов маршрутизации и принципов взаимодействия узлов в сети, с целью получения лучших качественных показателей.

Примечание

На момент написания данного реферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: январь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  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