Исследование эффекта масштабируемости в беспроводных ad*hoc сетях

17 декабря 2011 r. 19:39

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Исследование эффекта масштабируемости в беспроводных ad-hoc сетях

Бурное развитие беспроводных технологий привело к массовому использованию беспроводных сетей в науке, промышленности бизнесе и быту. Одним из наиболее перспективных направлений развития беспроводных сетей являются самоорганизующиеся беспроводные сети (или ad-hoc сети).

Исследуется масштабируемость беспроводной ad-hoc сети, построенной с использованием устройств стандарта IEEE 802.11, использующей распространенные протоколы маршрутизации для ad-hoc сетей AODV, DSDV, DSR.

Припутин В.С, аспирант МТУСИ

Жанкевич А.О., аспирант ЮФУ

Введение

В настоящее время, беспроводные ad-hoc сети (также их иногда называют беспроводные самоорганизующиеся сети) находятся в центре внимания, как научно-исследовательских институтов, так и производственных предприятий. Это обусловлено тем, что такие сети предоставляют возможности для построения беспроводных сенсорных сетей. В подавляющем большинстве работ по данной тематике, беспроводные ad-hoc сети определяются, как децентрализованные сети, не имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства(узлы сети) соединяются между собой на лету, поддерживая таким образом функционирование сети. При этом, каждый из узел такой сети, может выступать также в роли ретранслятора, обеспечивая доставку данных от удаленных узлов. Одновременно с развитием таких сетей, начали разрабатываться и протоколы маршрутизации для них. От правильного выбора протокола зависят такие важные характеристики беспроводной сети, как энергопотребление и скорость доставки данных до шлюза, поэтому очень важно понимать особенности каждого из них.

Настоящая статья ставит своей целью исследование работы ad-hoc протоколов маршрутизации в статических беспроводных ad-hoc сетях.

Все ad-hoc протоколы маршрутизации можно разделить на две большие группы:

• Протоколы маршрутизации на основе таблиц. Характерной особенностью данного класса протоколов является наличие у каждого узла таблицы маршрутизации, в которой содержатся все пути до каждой потенциальной точки назначения.

• Протоколы маршрутизации по требованию. Данный класс протоколов производит поиск маршрута до получателя только когда это необходимо. Для обнаружения маршрутов инициируется специальный механизм поиска маршрутов.

В последнее время было разработано множество различных ad-hoc протоколов маршрутизации. Из них, как правило выделяют следующие четыре протокола:

• Протокол динамической маршрутизации по источнику (Destination-Sequenced Distance-Vector, DSR);

• Протокол назначения вектора последовательных состояний (Destination-Sequenced Distance-Vector, DSDV);

• Протокол дистанционно-векторной маршрутизации по требованию (Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing, AODV);

• Протокол маршрутизации с временным порядком (Temporary Ordered Routing Algorithm, TORA).

Протокол DSDV является протоколом маршрутизации на основе таблиц, в то время как DSR, AODV, TORA являются протоколами маршрутизации по требованию. Следует отметить,

что протокол TORA [4] разрабатывался специально для высокоподвижных беспроводных сетей. В данной работе исследуется работа статических беспроводных сетей, поэтому протокол TORA был исключен из рассмотрения.

Описание исследуемых протоколов маршрутизации

Протокол динамической маршрутизации

по источнику

Ключевым отличительным признаком данного протокола[2] является использование механизма прямой маршрутизации по источнику. Таким образом, отправитель полностью знает маршрут скачков пакетов до адресата. Все известные маршруты хранятся в специальном кэше узла. Пакеты данных содержат в своем заголовке полный маршрут до получателя. Для того, чтобы определять маршруты доставки, узлы используют специальный механизм обнаружения маршрута. Такой механизм основан на использовании принципа лавинной paccbmKn(flooding) пакетов типа "запрос маршрутизации"^ЕО). Каждый узел, получив RREQ-пакет, рассылает его своим непосредственным соседям, пока его не получат либо узел назначения, либо узел, которому известен искомый путь. В ответ на RREQ-пакет, отправителю посылается пакет типа "ответ на запрос маршрутизации"^ЕР), в котором содержится полный маршрут до точки назначения. Пакеты типов RREP и RREQ также маршрутизируются по источнику. Полученный в пакете RREP маршрут сохраняется в кэше отправителя для использования в будущем.

Если какой-либо маршрут будет нарушен, то отправитель будет уведомлен об этом при помощи пакета "ошибка маршрутизации" (RREP). При этом, отправитель удаляет испорченный путь из своего кэша и инициализирует заново процесс обнаружения маршрута. Также, каждый узел, участвующий в пересылке пакетов, сохраняет маршрут до отправителя для возможного использования в будущем.

Как видно, протокол DSR интенсивно использует механизмы маршрутизации по источнику и кэширование маршрутов.

Протокол назначения вектора последовательных

состояний

Данный протокол является одним из первых проактивных протоколов маршрутизации для специальных (ad-hoc) сетей. Он был разработан Перкинсоном в 1994 году. Данный протокол не стандартизован, однако до сих пор часто упоминается в западных публикациях.

Работа DSDV15] основывается на алгоритме Беллмона-Форда, который первоначально был разработан для решения задач поиска по графу. В DSDV, каждый беспроводной узел использует таблицу маршрутизации, которая содержит все возможные узлы назначения, число прыжков каждого из них и номер последовательности, привязанный каждому узлу назначения. Номер последовательности

T-Comm, #11-2010

23

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

используется для различения более новых маршрутов до адресата, что позволяет избегать формирования петель при прокладке пути. Все узлы сети периодически обмениваются таблицами маршрутизо-ции со своими непосредственными соседями. Обмен таблицами осуществляется и в том случае, если выявлены существенные изменения в топологии сети.

Протокол дистанционно-векторной маршрутизации

по требованию

Как и протокол ЭБЯ, АОйУ [3] инициализирует процесс маршрутизации только при необходимости. Сам процесс поиска новых маршрутов немного похож на аналогичный в 0$!?. Однако для получения информации о требуемых маршрутах используется принципиально другой механизм. Он основан на традиционных таблицах маршрутизации, в которых содержится по одной записи на каждый известный путь. Поля тоблицы помогают передавать 1№ЕР-пакеты к отправителю, и соответственно пакеты данных адресату. Для определения свежести маршрута и предотвращения образования петель используются специальные числовые последовательности, уникальные для каждого получателя. Они содержатся в каждом пересылаемом пакете данных.

Важная особенность протокола АООУ — это наличие специального таймера для каждого их полей таблицы маршрутизации. Если давно не было обращения к какой-либо записи таблицы, то она считается недействительной. В таблице маршрутизации хранится информация о всех соседях, которые использовали каждый из доступных путей. Поэтому, если следующий прыжок невозможен (например, вышел из строя узел, участвующий в пересылке пакетов), то узел, который обнаружил отказ, уведомляет об этом предыдущие, путем рассылки (^Р-пакетов Каждый предыдущий узел, получив такой пакет, передает его еще ниже Таким образом, происходит быстрое стирание из памяти узлов разрушенных маршрутов. Пакеты РЕ1№ отличаются от аналогичных по назначению в ЭБЯ тем, что используются д ля информирования об отказе всех узлов, участвующих в передаче. Распространение пакетов 1№ЕР можно представить в виде дерева, корнем которого является точка отказа, а листья — все узлы, использующие разрушенный маршрут.

Медаль сети для исследования качества работы протоколов

Исследование качества работы протоколов маршрутизации было выполнено с использованием средства моделирования N5-2(1]. В качестве приемопередатчика узла использовалась модель устройства стандарта 1ЕЕЕ 802.11, по своим характеристикам схожая с коммерческим устройством 1исеп1Ч \Л/ауе1ап. Модель имеет номинальную битовую скорость передачи 2 Мбит/с и дальностью связи 250 м.

Для отправки пакетов данных использовался буфер в 64 пакета. В данном буфере хранятся пакеты данных, ожидающие завершение процессов определения путей доставки. Для того, чтобы предотвратить переполнение буфера, из него удаляются пакеты, ожидающие более 30 сек. Все пакеты (и пакеты данных и пакеты маршрутизации), посылаемые уровнем маршрутизации, ставятся в очередь отправки радиоинтерфейса. Ожидание длится до тех пор, пока МАС-уровень не выполнит их передачу. Очередь отправки радиоинтерфейса имеет размер в 50 пакетов.

Для исследования качества работы протоколов маршрутизации использовалась статическая модель беспроводной сети. Узлы сети располагались по сетке, имеющей одинаковый шаг по вертикали (сУв) и горизонтали (<^г). Число узлов в сетке по горизонтали совпадало с числом узлов по горизонтали. Точка стока пакетов (шлюз) располагается на периметре сети. На рисунке ниже показан пример топологии исследуемой сети для слу-

чая 3x2. Следует отметить, что шаг по решетке был выбран так, чтобы каждый узел мог связываться со своими непосредственными соседями как по горизонтали и вертикали, так и по диагонали, т.е. максимальное число возможных соседей для каждого узла равно восьми. Далее, каждый узел исследуемой модели имел автономное питание, а шлюз — внешнее.

Данные на каждом из узлов генерировались непрерывно. Перед отправкой, отсчеты паковались в пакет заданной длины. Характеристики источника данных узла показаны ниже:

• скорость генерации данных 6 Кбит/с;

• размер пакетов данных 100 байт.

Для качественного анализа энергопотребления, использовалась следующая модель источника автономного питания:

• максимальный запас энергии: 10000Вт;

• энергия, затрачиваемая на передачу пакета: 5мВт;

• энергия, затрачиваемая на прием сообщения 5мВт.

При моделировании сети варьировалось число узлов. Время моделирования составляло 60 секунд.

О

уэел

О

уэел

G-

уэел

О

уэел

О

уэел

©-

узел

о

Точка стока пакетов

Рис 1. Пример исследуемой топологии ad-hoc сети

Метрики качества работы протоколов маршрутизации

Для анализа качества работы протоколов маршрутизации использовались следующие метрики:

• процент доставленных пакетов — это отношение числа доставленных пакетов к числу отправленных источником данных пакетов;

• среднее время доставки пакетов данных — это среднее время доставки одного пакета в исследуемой сети. Включает в себя все возможные задержки, связанные с буферизацией во время процесса обнаружения маршрута, постановкой в очередь отправки радиоинтерфейса, повторными передачами на уровне MAC, временем передачи данных.

• Нормированное число пакетов маршрутизации — это среднее количество пакетов маршрутизации, приходящихся на один доставленный пакет данных.

• Энергопотребление сети — это энергия источников питания узлов, затраченная на поддержание работы сети.

Анализ результатов моделирования

На рис. 2, 3 представлены метрики качества работы исследуемых протоколов в зависимости от размера беспроводной

24

Т-Comm, # 11 -2010