Маршрутизация в распределенных беспроводных информационных системах обеспечения безопасности в зонах аварий на основе mesh-сетей

УДК 621.396.22

Маршрутизация в распределенных беспроводных информационных системах обеспечения безопасности в зонах аварий на основе mesh-сетей

Алексей Николаевич Руднев, к.т.н., доцент, e-mail: alexrudnev@mail.ru ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва Михаил Вячеславович Комолов, аспирант, e-mail: mv_komolov@list.ru ФГУП «СНПО «Элерон»

Приведен сравнительный анализ результатов моделирования наиболее распространенных протоколов маршрутизации, применяемых в mesh-сетях; осуществлен выбор протокола для применения в беспроводных информационных системах обеспечения безопасности в зонах аварий с радиационным фактором; по итогам полевых испытаний доказано, что в данных зонах наиболее работоспособны и эффективны контроллеры на основе протокола маршрутизации HWMP.

The article gives a comparative analysis of the simulation of results of the most common routing protocols used in mesh-networks. Also it's realized the choice of protocol for use in wireless information systems security in the areas of accidents with radiation factor. On the basis of field trials the auyhors proved that in these areas the controllers, based on the routing protocol HWMP are the most workable and effective.

Ключевые слова: протоколы маршрутизации, беспроводные системы, системы обеспечения безопасности, mesh-сети.

Keywords: routing protocols, wireless systems, security systems, mesh-network.

Постановка задачи

В последнее время все больше внимания уделяется беспроводным информационным сетям, построенным на основе ячеистой архитектуры (ше8Ь-сетям). Эти сети широко применяются в системах обеспечения безопасности. Несмотря на то, что стандарт 1БББ 802.118, описывающий ше8Ь-сети, до сих пор окончательно не утвержден, уже выпущено большое количество оборудования, позволяющего их организовывать.

Целью данной работы является выбор и практическая реализация протокола маршрутизации для системы обеспечения безопасности на основе ше8Ь-сети.

Характеристика ше8Ь-сетей

Одной из ключевых задач в ше8Ь-сетях является маршрутизация данных. В стандарте 1БББ 802.118 определен способ маршрутизации пакетов с помощью механизма профилей. Под профилем понимается запись, содержащая идентификатор самого профиля, в котором указывается протокол маршрутизации и метрики этого протокола [1, 2].

Метрика - это показатель, числовое значение которого используется протоколом для выбора оптимального маршрута в сети. В качестве метрик применяют такие характеристики канала, как пропускная способность, время доставки пакета от отправителя к получателю, длина пути (число уз-

лов между отправителем и адресатом), загрузка канала, процент потерь пакетов в канале, стоимость канала и др. Согласно стандарту IEEE 802.11s для обеспечения совместимости во всех устройствах должна быть реализована поддержка метрики времени передачи в канале (Airtime Link Metric), вычисляемой по формуле [2]

Oca + Op + ~

C =- p r

1 - Ef

где Oca и Op - это константы, отражающие количество служебной информации, используемой для доступа к каналу связи и протоколом маршрутизации соответственно; Bt - размер тестового пакета в битах; r - скорость передачи данных в канале связи, Мб/с; Ef - вероятность возникновения ошибки в тестовом кадре.

В mesh-сетях в качестве стандартного протокола маршрутизации был принят гибридный беспроводной mesh-протокол маршрутизации HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol), созданный на основе распространенного протокола дистанционновекторной маршрутизации по запросу AODV. Запрос AODV применяется в стандартных беспроводных сетях, построенных не на mesh-архитектуре. Протокол HWMP фактически представляет собой AODV, адаптированный под mesh-сети, который поддерживает два режима работы: реак-

тивный и проактивный. В реактивном режиме каждый узел определяет оптимальный маршрут до получателя, посылая специальный запрос непосредственно перед передачей данных. В проактивном режиме выбирается корневой узел, который периодически посылает запросы и производит обновление маршрутной информации во всех узлах сети.

Следует отметить, что стандарт IEEE 802.11s не запрещает использование других протоколов маршрутизации, помимо HWMP. Например, многие фирмы разработали следующие собственные протоколы: AWPP (Adaptive Wireless Path Protocol) - фирма Cisco; PWRP (Predictive Wireless Route Protocol) - компания Tropos Networks; FLAME (Forwarding Layer for Meshing) - голландский институт беспроводной и мобильной связи; DSR (Dynamic Source Routing) - компания Microsoft.

Широкое распространение получил протокол динамической маршрутизации источника DSR. Этот протокол работает по тому же алгоритму, что и AODV, но, в отличие от HWMP, является чисто реактивным, т. е. использует маршрутные таблицы только источника данных.

Сравнительный анализ результатов моделирования протоколов маршрутизации

Рассмотрим результаты моделирования различных протоколов маршрутизации в среде QualNet [2 - 4, 7, 8] на примере системы обеспечения безопасности в зонах аварий, состоящей из 50 узлов, которые размещены на одинаковом расстоянии друг от друга. Имитировались VoIP-соединения со скоростью соединения каждого узла 2 Мб/с и длительностью 20 с.

На рис. 1 показана зависимость среднего времени доставки пакетов от числа узлов [3]. Как видно из графиков, при использовании протокола DSR задержка доставки пакетов в 10 - 20 раз больше по сравнению с протоколами AODV и HWMP. Это можно объяснить отсутствием четко-

го механизма выявления устаревших маршрутов в Б8Я, что приводит к использованию неоптимальных путей доставки.

На рис. 2 приведена зависимость числа пакетов, потерянных из-за отсутствия маршрута, от числа активных узлов в сети [3].

Использование маршрутной информации промежуточных узлов в протоколах АОБУ и HWMP приводит к росту числа потерянных пакетов из-за отсутствия маршрута при увеличении числа активных узлов. Протокол Б8Я, использующий маршрутную информацию источника данных, не страдает данным недостатком.

2,5

0х

2 2

5

л с 1,5

о

I

—

о ь 0,5

1=

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Число узлов

Рис. 2. Зависимость числа потерянных пакетов от числа активных узлов в сети: кривая 1 - HWMP; кривая 2 - АОБУ; кривая 3 - ББЯ

Анализ параметров протоколов маршрутизации позволяет сделать следующие выводы.

Протокол практически не допускает потерь пакетов, но «платит» за это очень большими задержками передачи данных. Следовательно, применение этого протокола ограничивается системами, имеющими низкую пропускную способность, критичными к потере информации, но нечувствительными к времени ее доставки.

Протокол АОБУ имеет преимущество перед протоколом HWMP только при небольшом числе активных узлов в сети. С увеличением числа узлов протокол АОБУ начинает терять больше пакетов, чем HWMP. Соответственно, применение АОБУ оправдано в mesh-сетях с небольшим числом абонентов.

Преимущества протокола HWMP начинают проявляться при увеличении числа узлов в сети до 20 и выше. Но и при меньшем числе узлов недостатки этого протокола не существенны, так как время доставки и потери пакетов превышают значения этих величин в протоколе АОБУ не более чем на 0,5%.

Проведенный анализ позволил рекомендовать протокол маршрутизации HWMP и его программную реализацию для радиоконтроллеров беспро-

16

°5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Число углов

Рис. 1. Зависимость времени доставки пакетов от числа узлов в сети: кривая 1 - HWMP; кривая 2 - АОБУ; кривая 3 - ББЯ

водной информационной системы обеспечения безопасности в зонах аварий.

Структура системы обеспечения безопасности в зонах аварий

Система обеспечения безопасности в зонах аварий создает условия для оперативного развертывания информационной самоорганизующейся сети, ретрансляции данных и определения местоположения элементов системы, а также для устойчивой работы в условиях пересеченной местности, плотной городской застройки и внутри зданий в сложной электромагнитной обстановке.

Общая схема функционирования подобной системы представлена на рис. 3.

Система включает в себя элементы инфраструктуры, расставляемые по периметру зоны аварии, и мобильные устройства, размещаемые на персонале. С мобильных устройств осуществляется передача телеметрической, голосовой и видеоинформации на мобильный пункт управления, которая отображается на автоматизированном рабочем месте (АРМ) оператора.

Авторами были проведены полевые испытания системы обеспечения безопасности в зонах аварий с радиационным фактором, в ходе которых была осуществлена оценка времени задержки доставки

пакетов и процента потерянных пакетов. Испытания проводились при следующих условиях: размер зоны развертывания системы - 2^2 км; число узлов сети - 50 (из них 7 - элементы инфраструктуры); пропускная способность каждого узла - 1,5 Мбит/с; с пяти мобильных устройств осуществлялась передача видео- и аудиоинформации, со всех мобильных устройств передавалась телеметрическая информация и координаты устройства; скорость перемещения мобильных устройств - до 1 м/с.

Результаты экспериментальных исследований

На рис. 4 приведена зависимость среднего времени доставки пакетов от числа узлов в системе обеспечения безопасности, полученная в ходе эксперимента, а также, для сравнения, - график, построенный по результатам моделирования (см. рис. 1, кривая 1).

Как видно из графиков, время доставки пакетов в реальной системе оказалось меньше, чем при моделировании. Это объясняется тем, что при моделировании дальность связи каждого устройства ограничена, чего не бывает в реальных условиях. Соответственно, в эксперименте число промежуточных узлов в маршруте оказалось меньше, что и привело к меньшим задержкам.

Рис. 3. Схема системы обеспечения безопасности в зоне аварии

Рис. 4. Зависимость среднего времени доставки пакетов от числа узлов в системе: кривая 1 - моделирование; кривая 2 - эксперимент

На рис. 5 приведены зависимости числа потерянных пакетов от числа активных узлов в системе обеспечения безопасности, полученные в ходе моделирования и эксперимента (см. рис. 2, кривая 1).

2,5

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Число узлов

Рис. 5. Зависимость числа потерянных пакетов от числа активных узлов в системе: кривая 1 - моделирование; кривая 2 - эксперимент

Как видно из графиков, доля потерянных пакетов при проведении испытаний больше полученной при моделировании. Это связано с тем, что при моделировании не учитывались помехи окружающей среды.

Таким образом, результаты полевых испытаний системы обеспечения безопасности в зонах аварий с радиационным фактором доказали работоспособность и эффективность радиоконтроллеров на основе протокола маршрутизации HWMP. Представленные результаты экспериментальных измерений времени доставки пакетов, а также доли потерянных пакетов совпадают с результатами имитационного моделирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. IEEE P802.11s/D1.08. Amendment: Mesh Networking. IEEE, January 2008.

2. Вишневский В., Лаконцев Д., Сафонов А., Шпилев С. Маршрутизация в широкополосных беспроводных mesh-сетях стандарта IEEE 802.11s // Электроника: НТБ. 2008. № 6. С. 64 - 69.

3. Abbasi Ubaid. Adlen Ksentini Deployment of VoIP in the IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks.

4. Perkins, Ch. E., Royer, E. M., Das Samir, R., Marina Mahesh K. Performance Comparison of Two On-Demand Routing Protocols for Ad Hoc Networks // IEEE Personal Communications. February 2001.

5. Broch, J., Johnson, D., and Maltz, D. The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks; http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietfmanet-dsr-03.txt, IETF Internet draft, Oct. 1999.

6. Di Caro, G A. Analysis of simulation environments for mobile ad hoc networks Technical Report No. IDSIA-24-03. December 2003.

7. Reddy P. Chenna, Reddy P. Chandrasekhar. Perfomance Analysis of AdHoc Network Routing Protocols. Academic Open Internet Journal ISSN 1311-4360 vol. 17. 2006.

8. Иванов Ю. А. Невструев И. А., Федоров К. Е. Структура и помехоустойчивость систем беспроводного доступа с OFDM // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2009. Т. 5. № 3. С. 25 - 29.

Поступила 06.03.2010 г.