Содержание к диссертации
Введение
1 Мобильные эпизодические сети и методы маршрутизации в них 8
1.1 Основные определения и разновидности эпизодических сетей 8
1.2 Проблема связности в сети, обусловленная мобильностью узлов 17
1.3 Проблема связности в рамках обеспечения качества обслуживания 24
1.4 Маршрутизации в эпизодических сетях как задача управления связностью.27
1.5 Примеры протоколов маршрутизации 35
1.6 Распространение сигнала и управление мощностью 40
1.7 Выводы и постановка задачи 41
2 Анализ взаимодействия формализованных узлов в сети с точки зрения управления связностью 43
2.1 Уточнение понятия связности для эпизодических сетей 43
2.2 Расчет дальности связи точка-точка с учетом произвольного перемещения 44
2.3 Расчет дальности связи в движении с учетом ретрансляции 49
2.4 Моделирование перемещений узлов сети в городских условиях 52
2.5 Анализ зон обслуживания 54
2.6 Оценка затрат мощности на ретрансляцию 57
2.7 Расчет трафика в сети 59
2.8 Выводы 65
3 Анализ особенностей доступа к среде и моделирование эпизодических сетей 66
3.1 Оценки для выбора метода доступа к среде в эпизодических сетях 66
3.2 Специфика моделирования мобильных сетей 68
3.3 Исходные параметры для моделирования 71
3.4 Сравнение известных протоколов маршрутизации и анализ их недостатков 72
3.5 Выводы 80
4 Разработкаусовершенствованного алгоритма маршрутизации 82
4.1 Формулировка, требований к алгоритму с точки зрения обеспечения связности : 82
4.2 Вариант классификации методов маршрутизации в приложении к мобильным эпизодическим сетям 86
4.3 Самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации (САМ) 87
4.4 Интерпретация особенностей алгоритма в рамках ВОС 93
4.5 Анализ эффективности усовершенствованного алгоритма 102
4.6 Выводы 106
5 Экспериментальное исследование предложенных решений 108
5.1 Организационные и протокольные мероприятия по обеспечению достоверности работы сети 108
5.2 Алгоритм расчета местоположения узлов в локальных координатах 113
5.3 Тестирование алгоритма САМ в помещении с использованием стандарта IEEE 802.1 lg 119
5.4 Тестирование передачи видеопотока с ретрансляцией в городской застройке с использованием стандарта IEEE 802.16 125
5.5 Выводы 132
Заключение 134
Список использованных источников
- Проблема связности в рамках обеспечения качества обслуживания
- Распространение сигнала и управление мощностью
- Специфика моделирования мобильных сетей
- Самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации (САМ)
Введение к работе
В диссертации разрабатывается и исследуется комплекс методов, повышающих связность мобильных эпизодических сетей, включая создание усовершенствованного алгоритма маршрутизации, с обеспечением ряда характеристик, водящих в понятие качества обслуживания. Самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации (САМ) базируется на переносе функции принятия решения о возможности ретрансляции узлом данных (т.е. участии данного узла в построении маршрута, восстановлении его при необходимости) на сам узел. В основе алгоритма лежит метод построения маршрута по требованию. Проводится сравнительный анализ существующих алгоритмов маршрутизации с алгоритмом САМ. Исследуются другие методы, повышающие связность и качество обслуживания в мобильных беспроводных эпизодических сетях.
Актуальность исследования
Ранее активно развивались статические (компьютерные) сети. Высокая мобильность современных средств связи, активная переменчивость топологии локальных и иных сетей требуют развития новых подходов к их анализу, созданию новых средств проектирования и новых алгоритмов устойчивой работы. Интеграция свойств абонентских терминалов - приемопередатчик и маршрутизатор в одном узле, - а также ограниченность ресурсов (батарейное питание) привносят дополнительные сложности как с точки зрения проектирования эпизодических сетей, так и с точки зрения гарантированной доставки трафика, обеспечения заданного времени вхождения в связь, т.е. качества обслуживания.
Эпизодическими (ad hoc) сетями называют обычно беспроводные локальные (городские или персональные) сети, в которых узлы (мобильные абоненты) имеют одинаковый статус (одноранговые) и имеют возможность свободно обмениваться сообщениями с другими абонентами сети в пределах зоны досягаемости, радиовидимости. Поскольку при перемещениях «сообщающиеся» узлы могут выходить за пределы радиовидимости, в сетях используется возможность ретрансляции пакетов к получателю через других абонентов сети (многоскачковая передача). В соответствии с таким подходом каждый мобильный аппарат (МА) эпизодической сети действует как передатчик, приемник и ретранслятор сообщений. Функция ретранслятора
подразумевает прием радиосигнал, усиление его и передачу дальше, в эпизодической сети к этим функциям МА добавляется еще и функция маршрутизации. Локальный характер сети обусловлен только ограничениями на распространение сигнала в пределах прямой видимости и энергетическими ограничениями на ретрансляцию.
Основной проблемой сети с подвижными абонентами является поддержание «связности», «соединимости», «доступности» абонентов в едином сетевом пространстве. Из-за подвижности абонентов маршрут передачи информации постоянно изменяется и трудно предсказуем. Проблема выбора адекватного алгоритма маршрутизации - одна из самых важных для построения эффективных эпизодических сетей.
Основной вопрос при проектировании подобной сети: как организовать работу сети так, чтобы в условиях непредсказуемого перемещения узлов гарантировать доставку сообщения адресату в любом направлении, т.е. обеспечить связность сети с учетом ретрансляции. Эта задача решается в работе путем моделирования и оценок радиовидимости узлов при трансформации сети, разработки более эффективного алгоритма маршрутизации, выработки рекомендаций по управлению сетью для обеспечения качества обслуживания (QoS, Quality of Service).
Объектом исследования являются мобильные беспроводные эпизодические сети передачи данных, голоса, видео.
Предметом исследования являются разнообразные варианты беспроводных мобильных (эпизодических) сетей связи, алгоритмы их маршрутизации, задачи обеспечения связности и качества обслуживания в них.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью работы является повышение связности и качества обслуживания в мобильной эпизодической сети с батарейным питанием. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
Определить наиболее эффективные пути повышения связности в мобильных эпизодических сетях;
Разработать модели для оценки параметров связности (время связи, число ретрансляций, потребная мощность и т.д.) с учетом ретрансляции в сети;
Разработать эффективный алгоритм маршрутизации в эпизодической сети с элементами самоадаптации и самоконфигурирования в условиях непредсказуемой мобильности узлов;
Доказать путем моделирования и экспериментального исследования реализуемость и высокие характеристики предлагаемых алгоритмических решений.
Методы исследования
При выполнении работы использованы методы: теории телетрафика, линейной алгебры и тригонометрии, теории распространения радиоволн и событийного моделирования. При моделировании и разработке программ использовались следующие языки программирования и программные продукты: MATLAB, MATCAD, OPNETModeler, Visual C++ 2008.
Научная новизна диссертации
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
Предложена методика управления связностью в мобильных эпизодических сетях, которая состоит из четырех основных этапов: моделирование перемещений узлов на основе выбранной модели мобильности, расчет дальности связи с учетом ретрансляции, разработка метода управления мощностью для поддержания связности, адаптация алгоритмов маршрутизации под задачи управления связностью. Показано, что управление связностью является неотъемлемым атрибутом задачи обеспечения качества обслуживания в эпизодических сетях.
Предложен усовершенствованный алгоритм маршрутизации в эпизодических сетях (самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации, САМ), отличительными особенностями которого являются: снижение избыточности потока управляющих сигналов в сети за счет передачи функции выбора (продолжения) маршрута всем узлам ретрансляции; быстрая адаптация и самовосстановление сети по альтернативному маршруту при выходе из строя активных узлов ретрансляции. Путем моделирования по программе OPNET Modeler показано, что предложенный алгоритм по совокупности параметров имеет лучшие характеристики по сравнению с известными алгоритмами.
Разработана модель для оценок времени связи в режимах «точка-точка» и с ретрансляцией. Показано, что в некоторых случаях при ретрансляции сигнала по сравнению с прямой передачей между удаленными узлами достигается экономия мощности, пропорциональная числу связей в степени (а-1), где а-показатель затухания в модели распространения сигнала.
Экспериментально для оборудования, поддерживающего технологии Wi-Fi и WiMAX, подтверждены основные положения работы, включая особенности передачи сообщений в сетях с ретрансляцией для речевых и видео потоков.
Практическая значимость работы
Разработанные в диссертации методики, модели и технические решения позволяют улучшить характеристики эпизодических сетей в условиях неизвестности расположения участников сетевого взаимодействия. Результаты работы могут использоваться для эпизодических сетей из пешеходных и бортовых мобильных абонентов.
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертационной работы
подтверждена использованием апробированного математического аппарата, включая стандартный пакет Matlab, результатами моделирования в среде OPNET Modeler, а также рядом экспериментов (в рамках международных стандартов) для голосового и видео потоков.
Личный вклад автора
Все основные результаты диссертационной работы, включая положения, выносимые на защиту, получены лично автором диссертации.
Внедрение результатов
Результаты диссертационной работы внедрены в ряде НИР и ОКР МИЭТ, а также в разработках ГУП НПЦ «СПУРТ». Полученные результаты используются в учебном процессе при чтении курсов лекций и при выполнении курсовых, дипломных и магистерских работ.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложен метод управления связностью в мобильных эпизодических сетях, состоящий из нескольких основных этапов: прогнозирования перемещения узлов, управления мощностью приемопередатчиком для поддержания связности, адаптации алгоритма маршрутизации под условия работы сети и обеспечивающий заданные
условия связности и качества обслуживания. Оценки времени связи с учетом ретрансляции, время ожидания пакетов, загруженность узлов и другие параметры рассчитываются по изложенным моделям.
2. Разработанный модифицированный самоадаптирующийся
алгоритм маршрутизации (САМ), основанный на локальном
восстановление маршрута, отвечает требованиям
самоконфигурирования и самовосстановления сети (связности в сети).
По совокупности параметров алгоритм САМ превосходит известные
алгоритмы маршрутизации в приложении к эпизодическим сетям.
3. Предложены протокольные мероприятия, которые
способствуют значительному повышению связности мобильных сетей,
но при этом изменение однорангового статуса узлов решается
программным, а не аппаратным путем. К ним относятся: введение прав
старшего абонента (Координатора сети); введение управляемых агентов
(перемещаемых в заданное место абонентов по заданию Координатора)
для обеспечения связи с особо удаленными узлами; использование
топопривязки (на основе локальной навигации) с целью более
эффективного управления маршрутной информацией.
Апробация работы
Основные результаты работы обсуждены на 9 научно-технических конференциях: Международная школа-конференция «Информационно-телекоммуникационные системы» (г.Москва, 2005), 13,15,16-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2006, 2008, 2009» (г.Москва, 2006, 2008, 2009), Международный форум информатизации, конференция «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МТУСИ (г. Москва, 2005 и 2006 гг.), Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных» (г. Москва, 2006), Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс - конференция «Электроника 2006» (г. Москва, 2006).
Публикации
Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 работах. Из них 1 статья в журнале из перечня ВАК: «Естественные и технические науки»; 5 статей в других журналах и трудах, 9 тезисов докладов в трудах перечисленных выше конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и четырех приложений. Она содержит 177 страницы текста, включая 87 рисунков, 17 таблиц, 15 страниц списка использованных источников из 140 наименований, 4 приложений, включая 2 акта о внедрении ее результатов.
Проблема связности в рамках обеспечения качества обслуживания
Задача построения связной, а для критических приложений -«выживающей» сети, может решаться, как традиционными для эпизодической сети средствами, например, путем разработки более эффективных и робастных алгоритмов маршрутизации для сбережения энергии, так и нетрадиционными способами: управление мощностью для увеличения дальности связи; регистрация новых абонентов; использование техники «мобильных агентов» для восстановления связей в сети; назначение «координатора» сети с более широким набором полномочий, чем у других абонентов.
Живучесть можно определить как спланированный набор характеристик сети и процедур управления с целью минимизации влияния динамичности сети на сетевые услуги. Другое определение живучести {survivability) сети [22] связано с емкостью (производительностью) этой системы для выполнения ее функций при наличии отказов в узлах и переменчивости топологии. Живучесть можно также описать как способность системы реализовывать необходимые службы (сервисы) при отказах, сбоях, атаках. Одним из наиболее популярных подходов для обеспечения живучести эпизодической сети является создание новых протоколов маршрутизации. Следует различать живучесть {persistence) связи и живучесть маршрута. Предлагается под живучестью понимать, например, устойчивость системы связи против действия причинг лежащих вне системы и приводящих к повреждению элементов стихийными факторами и преднамеренными воздействиями противника.
Живучесть следует отличать от близкого понятия «надежность», которое означает свойство обеспечивать связь, сохраняя во времени значения установленных показателей качества.
Выполнение сетью ее функций с точки зрения живучести требует реализации следующих условий: установление связи между любыми (зарегистрированными) узлами сети в любой момент времени, гарантирование сохранности соединении в течение передачи-приема любого оформленного блока информации (пакета и т.д.).
Из-за высокой мобильности эпизодические сети должны обладать функциями самоорганизации и адаптации. Следует различать адаптацию по: числу узлов в сети, расположению узлов, подвижности узлов, потребному трафику. Черты самостоятельности эпизодической сети сводятся к следующим свойствам: самоконфигурируемость (децентрализованная структура, отсутствие базовых станций, многофункциональность узлов - передача, прием, ретрансляция); самооптимизация (оптимальное использование ресурсов сети, адаптация к динамике сети); самовосстановление (учет особенностей местности, выход из строя узлов, погодные условия и условия распространения, управление мощностью); самозащита (низкая вероятность перехвата и обнаружения, устойчивость к наведеным помехам, аутентификация и т.д.).
Из-за переменчивости топологии и ограниченности дальности радиовидимости связи между абонентами (в том числе, используемыми в качестве ретрансляторов) могут образовываться и исчезать. Стабильность связи, длительность ее «времени жизни» играют важную роль в надежности функционирования эпизодической сети, в обеспечении качества обслуживания (QoS, Quality of Service).
Под качеством обслуживания обычно понимают набор требований по обслуживанию, которым должна отвечать сеть в процессе транспортировки пакета сообщений от источника к пункту назначения. Обзор QoS в MANET сетях представлен в [23], [24], [25]. Исследования на существующих протоколах маршрутизации - [26], [27] и т.д., показали, каким образом интегрируется QoS в метрику маршрута в рамках протокола маршрутизации [28], [29], [30]. В других работах рассмотрены протоколы, поддерживающие QoS в маршрутизации с групповым вещанием - [31], [32].
Пропускная способность и латентность для потоков с различными требованиями QoS были известной проблемой, еще в проводных сетях [33].
Схемы обеспечения QoS должны быть осуществлены на всем протяжении маршрута между инициатором и адресатом, а также контролироваться на протяжении всего маршрута. Приложение, которому необходимо QoS, должно запросить маршрут с постоянными характеристиками, отвечающими требованиям приложения. Информация о QoS должна храниться на каждом узле маршрута и для каждого маршрута. Бесконтрольная передача информации с QoS может ухудшить качество передачи или привести к разрыву маршрутов.
Качество обслуживания апеллирует следующими понятиями: «Насколько критично, чтобы все сообщения достигли адресатов?», «Насколько критично, чтобы сообщения поступили к адресату за такое-то время?». Качество обслуживания часто относится к понятиям систем «реального времени». Оно также соотносится с понятиями надежности и безопасности.
Предоставление QoS различных уровней обслуживания в постоянно меняющихся условиях будет непросто. Стохастические процессы, присутствующие в эпизодических сетях, затрудняют фиксированные гарантии на QoS, предоставляемые в сети. Адаптивная QoS требует резервирования ресурсов для поддержки мультимедийных услуг [34].
Распространение сигнала и управление мощностью
Рассмотрим поведение фрагмента эпизодической сети из 4-х узлов. В исходном состоянии узлы (Д С, D) находятся в пределах радиовидимости узла А (рис.2.4,а). С ними может осуществляться обмен сообщениями. Но из-за мобильности (показаны вектора движения узлов относительно узла А) топология сети меняется, и через некоторое время (рис.2.4,б) узел В выходит из зоны видимости А. О
Связь с ним (для узла А) на некоторое время прерывается. Это продолжается до тех пор, пока В не попадет в зону радиовидимости узла С, который, в свою очередь, будет служить ретранслятором для узла А. Заметим, что в течение рассматриваемого времени узлы могут менять направление и скорость перемещения. Теперь связь между А и В осуществляется через ретранслятор С в «два перескока» (рис.2.4,в). Возможна ситуация, когда узел С не может больше служить ретранслятором (например, разрядилась батарея приемопередатчика). В этом случае алгоритм, адаптируясь к новым условиям, создает иной маршрут - через ретранслятор D (рис.2.4,г). В таком случае можно говорить о «доступности» связи между А и В через D. A-B
Если теперь отобразить указанную последовательность событий на схеме (рис.2.5), то наглядно увидим нарушение связности между узлами А и В на отрезках i-j и к-1.
При передаче длительных сообщений это может привести к потерям информации, если не предпринимать специальных мер. Такими мерами могут быть: 1. дробление сообщения на пакеты и отправка пакетов только после подтверждения наличия связи и прогноза на ее поддержание в течение времени пересылки одного пакета. Для гарантии пересылки у узла-отправителя должна существовать (предусматриваться) возможность «расширения» зоны радиовидимости за счет, увеличения мощности, т.е. А «не отпускает» В течение передачи хотя бы 1-го пакета, 2. предусмотреть наличие «резервных» маршрутов, которые автоматически включаются (мягкая эстафетная передача) при прерывании основного, 3. архитектурные и алгоритмические изменения, в том числе, нарушающие принцип одноранговой сети. Эти меры будут обсуждаться в последующих разделах. Непременным условием принципа «связности» для протоколов в таких мобильных сетях является требование, что для попарно не менее двух узлов должны находиться в пределах радиовидимости.
Для поддержания связности без использования ретрансляции в ряде случаев можно использовать увеличение мощности приемопередатчика (рис 2.6). Повышения степени связности можно добиться при использовании алгоритмов локального восстановления маршрута на основе расчета координат узлов в локальных координатах (гл. 5).
Для оценок времени достижения абонентами границ выбранной области в пределах города воспользуемся простой моделью перемещения узлов только по ортогональным улицам. Расчет пошагового перемещения абонентов ведем с помощью генератора случайных чисел с разбиением перемещений на девять групп. Используемый подход основан на модели работы [101]. В отличие от нее, предлагаемая модель подразумевает произвольный выбор направления движения в каждом узле графа. Движение осуществляется с постоянной скоростью. В качестве примера было смоделировано движение 20 абонентов в плане условного города. Площадь моделирования представляет собой прямоугольный участок.
Количество шагов для достижения границ моделирования Для городской застройки выбор направления движения будет зависеть от наличия препятствий и неодинаковой длины улиц. Узел может принять решение о движении в любом направлении, либо отказаться от действий и отложить их до момента освобождения маршрута для беспрепятственного движения. Время нахождения узла в зоне радиосвязи зависит от радиуса действия передатчика узла и вектора движения узлов относительно друг друга. Для моделирования движения узлов в городских условиях, используется граф, стоимость ребра которого определяется радиовидимостью и незанятостью маршрута. Узлы первоначально размещаются в случайном порядке на вершинах графа. По мере моделирования движения узлов можно определить связность сети по характеру их движения и траекториям.
Для моделирования условий распространения используется среднее значение радиовидимости 0,3 км. Граф позволяет определять возможные пути распространения радиосигнала с учетом препятствия для радиоволн. Сигналы с низкой частотой огибают препятствия и могут «затекать» за препятствия, а сигналы с высокой частотой быстро затухают [102]. Для упрощения моделирования будем считать, что волны не затекают за углы и не отражаются от препятствий, а полностью затухают.
При оценке потенциальных зон обслуживания использовалась следующая методика: 1. Рассчитывалась зона радиовидимости при распространении в свободном пространстве при определенных параметрах {Pf=\ Вт, GR-Gf=\,f= 3500 МГц), полученная в этом случае зависимость Рт от расстояния г показана нарис.2.8 (прямая (1)). 2. Затем учитывались дополнительные потери в городе, которые зависят от основных факторов: условия распространения, высоты антенн и длины волны. Данные потерь в этих условиях получены эмпирическим путем различными научными коллективами и представлены в литературе [102],[103], а также приводятся в стандарте в виде эмпирических формул или графиков. В результате учета этих эмпирических данных построена зависимость (2) рис.2.9 3. Для параметров аппаратуры Р=400 мВт, GR+Gr=30 дБ построена зависимость (3) (рис.2.9).
Точка пересечения прямой (3) с прямой уровня чувствительности приемника, показывает максимальную дальность потенциальной зоны обслуживания (рис.2.9).
Оценка зон обслуживания показала, что при выбранных параметрах оборудования Р=400 мВт, GR+Gr=3Q дБ, /=3500 МГц, зона обслуживания в условия городской застройки при чувствительности приемного устройства -70 дБм составляет 400 м, при чувствительности приемного устройства-92 дБм составляет 1,8 км.
Рассмотрим одномерную цепочку приемопередатчиков iP=rj; Е=г2) (рис.2.10,а). Для фиксированной мощности на входе приемника в модели свободного пространства Рпер г2 и при г}=г2справедливо неравенство (г і)2+(г2)2 (гі+Г2)2. Для упрощения расположим передатчики на одинаковом расстоянии г. Тогда получаем (при фиксированной мощности приемника), что мощность передатчика «из конца в конец» пропорциональна (Nr)2, а при равномерной ретрансляции пропорциональна N (г) . Выигрыш по мощности при ретрансляции может составить N. В более общем случае, когда функция затухания в канале имеет степенной показатель а 2, энергия приемопередатчиков с использованием ретрансляции сокращается в Л раз. Здесь N+J - число узлов в сети, aN- число звеньев (связей). Данный метод имеет ограничение и эффективен только при определенных углах между узлом ретранслятора и прямой трассой распространения без ретрансляции. Для проверки данного утверждения построим графики со следующими параметрами. Расстояние между первым и вторым узлами равно половине расстояния между первым и третьим (рис.2.10,а). Расстояние между первым и вторым узлами меньше расстояния между вторым и третьим (рис.2.10,6).
Специфика моделирования мобильных сетей
При моделировании стационарных сетей с точки зрения связности необходимо учитывать всего несколько параметров, таких как время жизни узла, загрузка сети и загрузка отдельного узла. Данные параметры позволяют полностью оценить работоспособность протоколов маршрутизации и проанализировать его влияние на связность в стационарной сети.
Модели мобильности разработаны для изучения поведения мобильных узлов: положения, скорости и ускорения, изменяющихся со временем, - и изучения их влияния на связность в сети. Графическое отображение поведения узлов позволяет оценивать связность сети и производительность протокола маршрутизации. Модель мобильности должна позволять имитировать и отражать реальное поведение узлов. Таким образом, при оценке связности в эпизодических сетях, необходимо выбрать модель мобильности, удовлетворяющую перечисленным выше требованиям [106].
Первым методом будет конструирование моделей мобильности на основе маршрутов, в которых может быть предоставлена точная информация о траекториях передвижения пользователей. Однако получение реальных маршрутов передвижения становится основной проблемой, поскольку области применения эпизодических сетей весьма разнообразны. Большая часть текущих исследований направлена на так называемые синтетические модели мобильности [107], в основу которых ложится информация не о реальных маршрутах, а маршрутах искусственно сгенерированных на основе математических моделей.
Если в сотовой сети исследователи в основном обращают внимание на передвижение пользователей относительно определенной области (сота), то есть скорость смены, сота и особенности эстафетной передачи абонента между базовыми станциями, то в эпизодической сети наибольший.интерес представляет передвижение отдельных узлов. Передвижение включает в себя положение и скорость узла по отношению к другим узлам, эти параметры также определяют связность узлов.в. сети. Характер событий и задержки при формировании и разрыве соединения позволяют оценить временные параметры связности узлов в сети с помощью традиционных средств событийного моделирования, таких как программа OPNETModeler [108].
Для моделирования протоколов маршрутизации созданы равные условии функционирования сети, в данной модели мы оцениваем работу только протоколов маршрутизации и их влияние на нагрузку сети.
Моделируемая сеть состоит из мобильных узлов в количестве 25 штук на территории 3000 на 3000 метров (рис.3.5). Беспроводным протоколом связи выступал IEEE 802.1 lg с максимальной скоростью передачи 54 Мбит/с. Движение узлов происходит по случайным траекториям со скоростью не более 5 м/с, которая определялась по равномерному закону. Стандартными протоколами маршрутизации выступали OLSR и DSR с настройками по умолчанию. Реальное время моделирования - 1 час. Моделирование проводилось при передачи голосовых данных, кодированных по стандарту G.111.
Для сравнения моделирование проводится как в стационарной, так и в мобильной беспроводной сети. Каждая пара узлов поддерживала связь не более 20 секунд (максимальное время соответствовало экспоненциальному закону) с перерывами в 100 секунд (максимальное время перерыва также определялось экспоненциальным законом). Узлы в сети перемещались согласно модели Random Waypoint Mobility. 3 км
Для проведения исследования были выбраны два алгоритма маршрутизации, принадлежащие к разным методам построения маршрутов: со сбором информации о топологии OLSR и без сбора информации DSR. Моделирование сетей проводится с помощью САПР OPNET Modeler [108].
Для проведения моделирования определяют параметры и конфигурацию сети. На рис.3.5 показана топология сети для моделирования указанных алгоритмов. Протоколы моделируются в соответствии с беспроводным стандартом связи IEEE-802.1 lg.
Первая модель имитирует нагрузку на сеть служебного трафика, инициализируемого алгоритмами DSR и OLSR. В первом варианте для получения нагрузки на сеть служебным трафиком созданы идеальные условия, когда узлы не генерируют пользовательский трафик. 150 250 350 450 550 650
На основе полученных данных (рис.3.6) можно заключить, что (в идеальных условиях) протокол DSR не использует специальный маршрутный трафик и, следовательно, экономит энергию, в отличие от протокола OLSR, который постоянно генерирует служебный трафик.
Результаты моделирования во втором случае (рис.3.7) показывают влияние передачи пользовательской информации на количество требуемой служебной. В данной задаче используется топология рис.3.5 Узлы А и Б ведут передачу пользовательских данных через сеть.
Из представленных результатов (рис.3.9) следует, что протоколы по запросу в идеальных условиях расходуют меньше энергии, чем непрерывные. С точки зрения количества служебного трафика, «непрерывные» протоколы хуже, чем протоколы «по требованию». Непрерывные протоколы на момент передачи пользовательской информации уже имеют представление о топологии сети и могут сразу передавать данные, как только найден маршрут, в отличие от протоколов по требованию, которым необходимо собрать информацию о топологии. Простой анализ демонстрирует эффективность протоколов по требованию в стационарных сетях над непрерывными протоколами (рис.3.10). 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 Количество служебных пакетов U.4 пз 0.3м Ки-2в 2о.1S3 о Рисунок 3.10 - Зависимость потребляемой энергии от количества переданных пакетов Маршрутизация в мобильной сети
Второй этап моделирования проводился для мобильной сети с топологией рис.3.5 и первоначальными установками для стационарной сети. Направление движения узлов выбирается случайно, скорость узлов изменяется от 0 до 10 м/с. 40
Служебный трафик в мобильной сети Из полученных результатов (рис.3.11) следует увлечение служебного трафика для протокола OLSR, что связано с необходимостью перестройки таблиц маршрутизации при изменении местоположения узлов, в особенности для непрерывных протоколов. Напротив, DSR протокол ведет себя так же, как и в стационарной сети. В момент передачи пользовательской информации между узлами А и Б (рис.3.5) OLSR протокол не увеличивает долю служебного трафика, a DSR начинает незначительно увеличивать служебный трафик (рис.3.12). Пользовательский трафик увеличивается значительно (рис.3.13).
Самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации (САМ)
Другим вариантом обеспечения связности является метод локального восстановления маршрута. На пути распространения информации по выбранному маршруту всегда находятся узлы, которые не учувствуют в данном маршруте, но слышат информацию от соседних узлов. Ближайшие узлы слушают и обрабатывают полученные пакеты. На основе полученных данных вычисляется информация, необходимая для поддержания маршрута. При разрыве маршрута ближайшие узлы восстанавливают разрушенный маршрут.
На участке разрыва алгоритм начинает строить новый маршрут как раз из точки разрыва. Восстановление маршрута происходит на основе основного алгоритма со своим ID, маршрут строится с использованием данных о предыдущем маршруте.
Запрос построения маршрута вызывает широковещательную рассылку пакетов. Адресат принимает пакеты со всех маршрутов и выбирает основной и дополнительные маршруты. По основному маршруту передаются данные, а по запасным передаются пакеты поддержания маршрута.
Алгоритм САМ для обеспечения связности решает также задачи, адаптирующие его к изменяющимся условиям: 1. Изменение числа узлов. Число узлов влияет только на пропускную способность сети и загруженность. Алгоритм построен таким образом, чтобы не привязываться к количеству узлов. 2. Нагрузка на сеть, потеря пакетов. Алгоритм маршрутизации пытается равномерно распределить нагрузку по сети. Для этого используется различные состояния узла, позволяющие оценить возможность узла. Доставка пакета до следующего узла отслеживается за счет свойств среды передачи данных (антенна диполь).
Сеть, построенная в соответствии с протоколом САМ, в случае необходимости отправки пакетов нескольким узлам формирует различные сессии с уникальным ID , позволяющим разделять информацию от разных узлов. В случае передачи информации от группы узлов одному узлу, идентификатор соединения позволяет принимаемому узлу разделять информацию. Алгоритм САМ для обеспечения QoS и связности в сети, устраняет следующие недостатки протоколов маршрутизации, присущие известным алгоритмам. (Ниже перечисляются: недостаток и способы устранения)
1. Перегруженность сети из-за постоянной передачи данных. Для подтверждения пакетов отсылаются квитанции подтверждения, что приводит к удвоению количества пакетов в эфире. В алгоритме для подтверждения используется свойство диполъных антенн распространять сигналы во все стороны, что позволяет отказаться от пакетов квитанций или уменьшить количество таких пакетов.
2. Очень низкая скрытность, надежность, защита, т.к. данные распространяются в радиосреде. В алгоритме САМ эти проблемы пока не рассматривались, т.к. скрытность обеспечивается на физическом уровне, а защита данных может обеспечиваться самим приложением.
3. Каждый узел самостоятельно решает - участвовать или нет в маршруте, а также принимать/рассылать пакеты по нескольким маршрутам. Это приводит к чрезмерным задержкам. В алгоритме САМ после построения маршрута узлы производят только сравнения необходимых полей и не производят расчетов, что позволяет сократить время обработки и принятия решения об участие в маршруте. Принятие решения об участие в маршруте происходит на этапе построения маршрута, и производится по текущему состоянию узла, и в процессе работы маршрута не меняется. В САМ методе не применяется адресная передача данных. Проверяется только информация - ретранслирует узел пакет или нет.
4. Каждый узел «должен открыть большой пакет», что требует больше времени, чем при открытии маленьких, служебных. Для обработки пакета не нужно изучать пакет целиком, достаточно только просмотреть определенные поля и сравнить их с другими значениями. Отличие маленьких и больших пакетов состоит в занимаемой памяти и времени распространения по эфиру. За время, пока принимается последний бит пакета, может быть принято решение о ретрансляции. В расчёте времени составления маршрута учитывается количество узлов, время распространения различных типов пакетов, время обработки и т.д. Рассмотрим исходные данные:
Рассмотрим особенности предложенного метода маршрутизации в эпизодические сетях в терминологии модели ВОС (рис. 4.9-4.11). Для реализации указанных выше особенностей протокола маршрутизации потребовалось ввести ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ (2,5) уровень в открытую модель. На диаграммах поясняются особенности функционирования алгоритма САМ при передаче данных и восстановлении маршрута (рис. 4.12-4.15).
Для обеспечения связности, с точки зрения мобильности, в алгоритме САМ применяется несколько методов. Использование того или иного метода зависит от требований к сети по скорости, времени доставки данных, типа сети и т.д. Среди них следует выделить:
Общая пропускная способность для указанных методов маршрутизации, приведена на рис.4.25. Данная иллюстрация показывает, что из-за отсутствия служебных пакетов пропускная способность соединения при использовании метода САМ значительно превышает пропускную способность сети, в которой используются другие методы маршрутизации. Уменьшение числа пакетов приводит к уменьшению времени задержки доступа к среде, что, как следствие, влечет за собой увеличение общей пропускной способности. Как следует из результатов моделирования (рис. 4.26), новый алгоритм не уступает известным и по такому параметру, как задержка доступа к среде.
