Способ распределения информационных потоков в пакетной радиосети и управляемый модульный маршрутизатор для его осуществления
METHOD FOR DISTRIBUTING INFORMATION FLOWS IN PACKET RADIO NETWORK AND CONTROLLED MODULAR ROUTER FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к системам связи, в частности к технологиям построения самоорганизующихся радиосетей, содержащих управляемые маршрутизаторы, а также к управляемым маршрутизаторам для пакетных самоорганизующихся радиосетей, прежде всего использующих узкополосные радиоканалы.
Решаемая изобретением техническая задача заключается в следующем.
Пакетные радиосети, использующие узкополосные радиоканалы, например, диапазона ультракоротких волн (УКВ), развертываются в целях оперативного обеспечения абонентов услугами по обмену данными и речевой информацией в случаях невозможности использования традиционных сетей связи (проводных, сотовых, спутниковых).
Это могут быть труднодоступные районы с водными преградами и сильнопересеченной местностью, районы стихийных бедствий и боевых действий, в которых традиционные сети связи либо отсутствуют, либо подверглись разрушению.
Пакетная радиосеть, рассматриваемая в настоящем изобретении, развертывается в районе оперативных действий (РОД) государственными или коммерческими структурами и состоит из множества идентичных маршрутизатор, соединенных между собой узкополосными радиоканалами. Маршрутизатора представляют собой управляемые модульные маршрутизаторы (УММ) к которым подключаются абоненты и приемопередающее оборудование радиоканалов (модемы, приемники и передатчики, антенно-фидерные маршрутизатора).
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным маршрутизатором признаков.
Известен способ передачи данных по беспроводной ячеистой сети по патенту РФ №2476031, содержащий формирование первого заголовка ячейки, причем первый заголовок ячейки включает в себя множество полей, расширение первого заголовка ячейки посредством добавления к его началу второго протокольного заголовка для формирования второго заголовка ячейки, причем второй протокольный заголовок имеет формат, идентичный формату первого протокольного заголовка протокольного блока данных (PDU), и вставку второго заголовка ячейки в PDU перед первым протокольным заголовком. Данный патент описывает адресные поля заголовка ячейки (пакета) для беспроводной ячеистой (самоорганизующейся) сети, однако описываемый заголовок предназначен для высокоскоростных сетей, в которых дополнительные поля адресов внешнего источника и пункта назначения включаются как расширения заголовка пакета (ячейки), что приводит к увеличению длины заголовка пакета, что нежелательно для низкоскоростных радиосетей.
Известен способ формирования гибридной mesh-сети для рассредоточенных пользователей по патенту РФ №2504926, относящийся к технологии построения беспроводных самоорганизующихся сетей с центральной станцией. Сеть составляют из сегментов, содержащих центральную станцию и группу абонентских станций, причем каждая из станций имеет два тракта приемопередачи. Один из трактов используется для штатной работы в сети, а при помощи второго тракта приемопередачи абонентская станция прослушивает резервные частотные полосы из диапазона системы, специально выделенные для служебных или аварийных передач. При обнаружении незанятой резервной частотной полосы абонентская станция передает кадр-маяк, который используется станциями, потерявшими связь с сетью, для восстановления доступа в сеть при невозможности установления связи с центральной станцией любого из сегментов сети.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа первого независимого объекта заявленного изобретения.
Данное решение обеспечивает повышение способности сети к самовосстановлению, гибкой перестройки ее структуры и оперативному перераспределению трафика в случае неравномерности загрузки каналов связи, но применение центральной станции снижает надежность и гибкость построения радиосети.
Известен управляемый мультисервисный маршрутизатор по патенту РФ №172987, однако он относится к области построения маршрутизаторов быстрого Ethernet (протокол локальных вычислительных сетей со случайным доступом к среде передачи) и не охватывает область пакетных радиосетей.
Известен шлюз для автоматической маршрутизации сообщений между шинами по патенту РФ №2415511, включающий в себя несколько коммуникационных модулей для временного хранения и передачи сообщений по шинам и блок управления шлюзом, соединенный с коммуникационными модулями по системной шине для обмена сообщениями с возможностью получения от каждого коммуникационного модуля информации о появлении в нем предназначенного для маршрутизации сообщения, индицируемого как внешнее событие. Изобретение обеспечивает возможность создания шлюза для автоматической маршрутизации сообщений между шинами, пересылающего сообщения без влияния и независимо от загрузки центрального процессора.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа второго независимого объекта заявленного изобретения.
Задачей изобретения является создание технологии распределения информационных потоков в пакетной радиосети, повышающей надежность и гибкость построения радиосети, а также создание управляемого модульного маршрутизатора для низкоскоростных пакетных радиосетей, использующего единый формат радиопакета для датаграммного режима и режима логических соединений.
Сущность первого независимого объекта изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Согласно первому независимому объекту изобретения способ распределения информационных потоков в пакетной радиосети, характеризуется тем, что для передачи всех видов служебной и абонентской информации используют единый формат радиопакета, который адаптируют к низкоскоростным радиоканалам.
Кроме того, первый независимый объект изобретения характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- могут быть использованы два режима маршрутизации: режим отдельных независимых пакетов или режим потока взаимосвязанных пакетов по предварительно установленному наилучшему на данный момент времени маршруту;
- каждому логическому соединению (ЛС), установленному в радиосети, ставится в соответствие уникальный идентификатор, состоящий из номеров логических каналов и MAC адресов маршрутизаторов, между которыми установлено это соединение;
- для установления и разрыва логических соединений в сети используются управляющие пакеты транспортного уровня.
Сущность второго независимого объекта изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Согласно второму независимому объекту изобретения управляемый модульный маршрутизатор для осуществления вышеописанного способа распределения информационных потоков в пакетной радиосети, выполнен в виде основного и резервного неблокируемых полнодоступных матричных коммутаторов, к входам/выходам которых высокоскоростным последовательными интерфейсами подключены модули коммутации и маршрутизации, модуль контроля и управления, модули абонентских интерфейсов и модули интерфейсов радиоканалов.
Кроме того, второй независимый объект изобретения характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- маршрутизация датаграмм осуществляется в модуле коммутации и маршрутизации;
- количество модулей коммутации и маршрутизации определяется максимальными интенсивностями потоков датаграммных пакетов, поступающих в маршрутизатор от абонентов и из радиосети;
- при наличии нескольких модулей коммутации и маршрутизации модуль контроля и управления выполнен с возможностью работы либо в режиме повышенной производительности, либо в режиме повышенной надежности;
- маршрутизация радиопакетов в режиме логического соединения осуществляется модулем интерфейса радиоканала модуль и модулем абонентских интерфейсов по своим таблицам логических соединений без участия модуля коммутации и маршрутизации;
- управляемый маршрутизатор выполнен с возможностью одновременно на разных частотах принимать и передавать радиопакеты, предназначенные одному или различным узлам, находящихся в зоне электромагнитной доступности;.
- управляемый маршрутизатор, порядковый номер которого совпадает с текущим номером цикла в сверхцикле, передает на всех выделенных частотах в слоте служебного канала имеющуюся у него текущую информацию о связности маршрутизаторов в сети и номерах зарезервированных у него слотов;
- управляемый маршрутизатор, в котором радиопакеты абонентской нагрузки, а также управляющие пакеты сетевого и транспортного уровней, маршрутизируются между модулями через матричный коммутатор, а технологическое управление модулями осуществляет модулем контроля и управления через внутреннюю локальную сеть IP/Ethernet (Internet Protocol - протокол межсетевого взаимодействия).
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в увеличении пропускной способности и живучести пакетных самоорганизующихся радиосетей, а также в расширении перечня и повышения качества услуг связи, предоставляемых разнородным абонентам в районе развертывания пакетной радиосети при использовании режима логических соединений, реализуемого в управляемых модульных маршрутизаторах.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлена схема организации УКВ радиосети, на фиг. 2 - структура канального уровня в режиме множественного доступа с временным разделением радиоканала (Time Division Multiply Access - TDMA), на фиг. 3 - структурная схема управляемого модульного маршрутизатора (УММ), на фиг. 4 - схема маршрутизации потоков пакетов в УММ в режимах передачи датаграмм и логических соединений.
На чертеже обозначены:
100 - управляемый модульный маршрутизатор (УММ);
101, 102, 103 - модуль интерфейсный радиоканала (МИР);
104 - модуль контроля и управления (МКУ) основной;
105 - модуль контроля и управления (МКУ) резервный;
106 - модуль абонентских интерфейсов (МАИ) Ethernet;
107 - модуль абонентских интерфейсов С1-ФЛ-БИ (синхронный биимпульсный инерфейс физической линии);
108, 109 - модуль коммутации и маршрутизации (МКМ);
110 - интерфейс локальной вычислительной сети (ЛВС) Ethemet/IP/UDP основной (User Datagram Protocol - протокол пользовательских датаграмм);
111 - интерфейс LVDS (Low Voltage Differential Signalling) - низковольтная дифференциальная передача сигналов по интерфейсу высокоскоростной передачи данных);
112 - абонентский интерфейс Ethernet 1000 Base-FX, Ethernet 1000 Base-TX;
113 интерфейс С1-ФЛ-БИ для подключения речевых абонентских терминалов;
114 - стык RS-232 (асинхронный последовательный интерфейс) для подключения модемного оборудования радиоканалов;
115 - матричный коммутатор (МК) основной
116 - матричный коммутатор резервный;
117 - интерфейс локальной вычислительной сети (ЛВС) Ethernet IP/UDP резервный;
118 - интерфейс Ethernet IP/UDP для подключения к ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) оператора.
Заявленный способ с использованием заявленных управляемых модульных маршрутизаторов реализуют следующим образом.
На фиг. 1 показан пример построения сети такой радиосети, состоящей из пяти маршрутизаторов, которым на подуровне MAC (Media Access Control - управление доступом к среде передачи) присвоены MAC адреса: '01, '02', '03', '04', '05'.
Каждый маршрутизатор, располагаясь на местности, образует вокруг себя зону электромагнитной доступности (на фиг. 1 зоны изображены пунктирными окружностями).
1
Например, если на частоте f маршрутизатор '03' находится в зоне электромагнитной доступности маршрутизатора '01' и маршрутизатор 01' находится в зоне электромагнитной доступности маршрутизатора '03', то между ними существует двухсторонний радиоканал, если нет, то радиоканал между данными маршрутизаторами отсутствует.
На фиг. 1 показано наличие радиоканалов между маршрутизаторами с MAC адресами '01' и '02'; '01' и '03'; '02' и '03'; '03' и '04'; '03' и '05'; '05' и '04', и его отсутствие между маршрутизаторами '01' и '05'; '02' и '04'; '01' и '04'.
Радиосеть организуется таким образом, чтобы каждый маршрутизатор имел как минимум два-три смежных маршрутизатора, находящихся в его зоне электромагнитной доступности.
Число маршрутизаторов в радиосети, организуемой в РОД, является переменным, т.е. маршрутизаторы в ходе проведения оперативных действий могут подключаться и отключаться от радиосети. Максимальное количество маршрутизаторов в радиосети «М» определяется площадью РОД «S», максимально допустимым количеством переприемов в радиосети «к», которое определяет максимальное время задержки информации в радиосети, и минимально допустимым числом резервных маршрутов между любыми парами «отправитель-получатель» - «г» которое в свою очередь определяет связность маршрутизатор в радиосети.
Абонентские терминалы могут подключаться к маршрутизаторам по проводным или оптоволоконным линиям связи, а также через точки беспроводного доступа Wi-Fi (Wireless Fidelity - технология беспроводной локальной сети).
На фиг. 1 показано подключение абонентов U1, U2, U3, U4, абоненты U1 и U4 представляют собой абонентские речевые терминалы, подключающиеся к маршрутизаторам радиосети по синхронным интерфейсам С1-ФЛ-БИ; U3 и U2 - абонентские пункты передачи данных подключаются к УММ по стыку Ethernet.
Каждый маршрутизатор в радиосети является оконечным для подключенных к нему абонентов и транзитным для абонентов, подключенных к другим маршрутизаторам, т.е. в каждом маршрутизаторе производится анализ принятых пакетов из радиоканала по следующему признаку:
- если адрес получателя, указанный в заголовке радиопакета совпадает с MAC адресом данного маршрутизатора, то пакет направляется одному из абонентов, подключенному к данному маршрутизатору,
- если нет, то радиопакет маршрутизируется в радиоканал для пересылки смежным маршрутизаторам, находящихся в зоне электромагнитной доступности.
В радиосети используются два режима маршрутизации:
- отдельных независимых пакетов (датаграмм);
- потока взаимосвязанных пакетов по установленному наилучшему на данный момент маршруту (логическое соединение).
На физическом уровне радиосеть, рассматриваемая в изобретении, организуется на базе узкополосных радиоканалов с шириной полосы 6,25; 12,5; 25 и 50 кГц с использованием общеизвестных методов цифровой модуляции и помехоустойчивого кодирования в узкополосых каналах, например, FSK (Frequency Shift Keyng - частотная манипуляция), DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keyng) - дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция), сверточные и турбо-коды [3].
i
На канальном уровне осуществляется частотно-временное разделение радиоканала, сочетающее организацию работы маршрутизаторов на фиксированных частотах f (i= от 1 до I, где I - количество номиналов частот, выделенных для использования в радиосети), и кроме того, на каждой частоте организуется множественный доступ в режиме временного разделения радиоканала (TDMA), фиг. 2 [3].
D
В режиме TDMA время передачи и приема разбивается на циклы длительностью Т секунд, причем длительность цикла не должна превышать допустимое время доставки абоненту информации данного вида (речь, данные) - T.
D
Если маршрут передачи информации проходит через несколько узлов (имеет k переприемов), то Т≤T/k.
Циклы, в свою очередь состоят, из одинаковых временных слотов длительностью t секунд, T=n*t, где n - количество слотов в цикле.
Каждый маршрутизатор может принимать и передавать радиопакеты во временных слотах на выделенных частотах, причем, один маршрутизатор технически может одновременно принимать и передавать информацию на разных частотах, предназначенную одному или различным маршрутизаторам (фиг. 1).
Слоты используются как для передачи датаграмм, так и для передачи потоков пакетов в логических соединениях. В последнем случае при установлении логического соединения производится резервирование слотов на время сеанса связи.
Синхронизация временных шкал всех маршрутизаторов осуществляется высокостабильными местными генераторами, периодически подстраиваемыми по сигналам точного времени глобальных навигационных спутниковых сетей.
В рассматриваемой радиосети, в отличие от прототипа, используется распределенное управление доступом к радиоканалу без выделения отдельных узлов в качестве координаторов доступа. Для этого используется следующий алгоритм.
сц
За каждым маршрутизатором закрепляется порядковый номер m от 1 до М, где М - максимальное количество маршрутизаторов, работающих в радиосети. М циклов образуют сверхцикл, длительностью Т=М*Т секунд.
Маршрутизатор, номер которого m совпадает с текущим номером цикла в сверхцикле, в первом слоте (слот служебного канала) этого цикла передает всем маршрутизаторам, находящимся в зоне его электромагнитной доступности, имеющуюся у него текущую информацию о связности сети и номерах зарезервированных у него слотов на каждой выделенной частоте.
Таким образом, на каждой частоте в течение каждого сверхцикла все маршрутизаторы в радиосети гарантированно передадут текущую информацию о своем состоянии, которая учитывается в каждом маршрутизаторе при построении маршрутов и резервировании слотов.
сл
Считается, что количество информации, описывающей связность и номера зарезервированных слотов, передаваемой в слоте служебного канала, фиксировано и составляет L бит. Тогда длительность слота, в котором передается служебная информация:
сл
р
зи
k
t=L/V+t+t,
p
зи
k
где: V - скорость передачи информации в радиоканале, t - длительность защитного интервала, учитывающая время распространения радиосигнала на максимальное расстояние между маршрутизаторами в радиосети, t - длительность, занимаемая битами контрольной суммы блока данных, фиг. 2.
Контрольная сумма блока данных, передаваемая в слоте служебного канала, может быть вычислена, например, по алгоритму CRC-16 (Cyclic Redundancy Check - циклическая контрольная сумма с образующим полиномом 16-ой степени), используемому в протоколе HDLC (High-Level Data Link Control - протокол высокоуровневого управления каналом передачи данных) и описанному в [2].
k
В каждом цикле все маршрутизаторы, номера которых не совпадают с текущим номером сверхцикла, принимают данные в слоте служебного канала (для маршрутизаторов, находящихся вне зоны электромагнитной доступности передающего маршрутизатора, это будет шум), вычисляют контрольную сумму блока данных и сравнивают ее с данными, принятыми на интервале t.
Если контрольные суммы не совпадают, то информация, содержащаяся в данном слоте, считается искаженной (либо шумом), и она не учитывается в текущем цикле при обновлении информации о связности и номерах зарезервированных слотов, в расчете на то, что в следующем сверхцикле будет принята неискаженная информация от данного маршрутизатора.
Так как все слоты, включая служебный, имеют одинаковую длительность, можно определить количество слотов в цикле: n=T/t.
зи
Варьированием величины t обеспечивается целочисленное значение n.
Информационные слоты, в цикле, количеством n-1, распределяются следующим образом:
d≥l слотов используются для случайного доступа и служат для передачи между маршрутизаторами датаграмм, n-d-1 слотов используются для передачи радиопакетов в режиме логических соединений.
Таким образом, каждый маршрутизатор на одной частоте может использовать d слотов для передачи радиопакетов в режиме случайного доступа и обслуживать до n-d-1 логических соединений, для которых были зарезервированы слоты при установлении логических соединений.
Проблема коллизий в слотах случайного доступа решается при помощи алгоритма двоичного экспоненциального отката, используемого в протоколе Ethernet [2]. Если число логических соединений, обслуживаемых маршрутизатором в данном направлении, превышает n-d-1, то между смежными маршрутизаторами для логических соединений на время сеанса связи производится процедура резервирования слотов. Радиопакеты, содержащие запросы на резервирование слотов для логических соединений являются датаграммами и передаются в слотах случайного доступа.
Каждый информационный слот включает в себя защитный интервал и блок данных на канальном уровне, например, кадр HDLC. Формат кадра HDLC приведен на фиг. 2. В радиоканале кадр HDLC выполняет функции аналогичные кадру Ethernet для проводного канала связи. Кадр HDLC содержит заголовок длиной 3 байта, поле полезной нагрузки, длина которого определяется величиной скорости передачи информации в радиоканале и длительностью слота, и два байта контрольной суммы. Таким образом, объем служебной информации в кадре HDLC составляет всего 5 байт, против 26 байт в кадре Ethernet [2].
Поля MAC адресов получателя и отправителя заголовке кадра HDLC, длиной каждый в один байт, содержат MAC адреса смежных маршрутизаторов, между которыми организован радиоканал. Поле управления определяет тип кадра - служебный, данных, речевой. Тип кадра определяет метод его обработки на приеме и необходимость переспроса при искажении - искаженные кадры речи не переспрашиваются. Для служебных кадров и кадров, содержащих пакеты данных организуется процедура переспроса в соответствии с протоколом HDLC. Если один или несколько радиопакетов, помещаемых в поле полезной нагрузки кадра HDLC, имеют меньшую суммарную длину, чем длина поля полезной нагрузки, то после байтов контрольной суммы кадра HDLC и до конца слота помещаются байты-заполнители с кодировкой '7Е' в шестнадцатеричной системе.
Пример расчета параметров режима TDMA.
D
p
сл
Для М=30 (максимальное количество маршрутизаторов в радиосети, типичное для проведения оперативных действий), k=4 (максимальное число переприемов в радиосети), T=300 мс (допустимое время доставки речевой информации абонентам), V=64 кбит/с (скорость передачи информации в радиоканале с полосой 50 кГц) и L=100 байт (объем информации о связности и зарезервированных слотах, передаваемой маршрутизаторами в слотах служебного канала), получим:
- длительность цикла:
Т=300/4=75 мс;
- длительность сверхцикла, период обновления информации о связности логических соединениях в радиосети:
сц
Т=0,75*30=2,25с;
- длительность передачи служебной информации:
сл
t=100*8/64000=12,5 мс;
- длительность передачи двух байт контрольной суммы в слоте служебного канала:
кс
t=16/64000=0,25 мс;
зи
- длительность защитного интервала выбирается таким образом, чтобы она учитывала время задержки радиосигнала в радиоканале максимальной протяженности, организуемом в РОД. Для t=2,25мс протяженность радиоканала составит 675 км, чего вполне достаточно для всех видов РОД, где развертываются пакетные радиосети УКВ диапазона;
- длительность слота:
t=12,5+0,25+2,25=15 мс;
- число слотов в цикле:
n=75/15=5.
В структуре цикла, рассмотренной в данном примере, один слот из пяти является служебным, два слота отводятся для передачи радиопакетов в режиме случайного доступа (передачи датаграмм) и два для передачи информации по логическим соединениям.
На сетевом уровне обмен информацией между маршрутизаторами (УММ) осуществляется радиопакетами, формат которых приведен в Таблице 1.
Длина заголовка радиопакета составляет 7 байт, в отличие от заголовка пакета IP, составляющего 20 байт, что позволяет существенно снизить объем передаваемой служебной информации, объем которой критичен для низкоскоростных узкополосных радиоканалов.
Поля заголовка «Сетевой адрес узла получателя» и «Сетевой адрес узла отправителя» содержат сетевые адреса оконечных маршрутизаторов, между которыми осуществляется обмен информацией (к которым подключаются абоненты сети).
Сетевые адреса маршрутизаторов имеют следующий формат.
Первый байт - MAC адрес узла в радиосети. При этом старший бит (крайний левый) первого байта указывает режим передачи пакета (здесь используется прямой порядок следования байт слева направо). Если старший бит первого байта равен 0, то радиопакет является датаграммой. В этом случае оставшиеся 7 бит байта определяют МАС-адрес узла в радиосети. Второй по порядку байт сетевого адреса для датаграмм - содержит адрес абонентского интерфейса, который имеет следующую структуру: биты (8-5) определяют тип интерфейса, биты (4-1) порядковый номер интерфейса для подключения к УММ соответствующих абонентов.
Типы абонентских интерфейсов, подключаемых к маршрутизаторам, приведены в Таблице 2.
В таблице обозначены:
Е1(G.703) - первичный цифровой канал со скоростью 2048 Кбит/с
Ethernet100/1000 Base-TX - интерфейс локальной вычислительной сети по витой паре со скоростью 100 Мбит/с или 1000 Мбит/с
IEEE.802.11 - беспроводная локальная сеть со случайным доступом к среде передачи
С1-ФЛ-БИ - синхронный биимпульсный интерфейс физической линии (ГОСТ 27232-87)
RS-232/485/422 - последовательный интерфейс передачи данных
Каждый из типов абонентских интерфейсов может иметь до 16 интерфейсов одного вида. Если количество интерфейсов данного вида должно быть увеличено (например, иметь 32 интерфейса Ethemet100/1000 Base-TX), то используются коды зарезервированных полей (Таблица 2).
Если старший бит первого байта равен 1, то радиопакет передается в режиме логического соединения. Аналогично датаграммному режиму, оставшиеся 7 бит первого байта в этом режиме определяют МАС-адрес маршрутизатора в радиосети. Второй байт в режиме логического соединения содержит номер логического канала, закрепленного за абонентским интерфейсом узла получателя или отправителя, что представлено в таблице 3.
Четырехбитовое поле «Протокол» в заголовке радиопакета содержит кодировку типов пакетов, указанных в Таблице 4.
12-битное поле «Временная отметка» содержит значение времени в «тиках». Первые два бита определяют код цены «тика», последующие 10 бит - количество тиков, максимум 1024. Код цены «тика» устанавливается в зависимости от характеристик каналов радиосети и может иметь следующие значения:
00 - десятки миллисекунд;
01 - сотни миллисекунд;
10 - секунды.
8 - битное поле «Длина поля данных» в заголовке радиопакета определяет количество информационных байт, содержащихся в поле данных радиопакета и может изменяться от 0 до 255.
Длина поля данных радиопакета должна быть согласована с длиной поля данных полезной нагрузки кадра HDLC, которая в свою очередь определяется длительностью слота, рассчитанного из параметров TDMA. Поэтому, если длина абонентских блоков данных (сообщений), поступающих в маршрутизатор превосходит максимальную длину радиопакета, то маршрутизатор должен производить операции разбивки абонентского сообщения на радиопакеты при передаче его в радиоканал и сборки абонентских сообщений из радиопакетов, принятых из радиоканала.
В качестве датаграмм в радиосети выступают пакеты управления различных уровней, и однопакетные абонентские сообщения (тип пакета указывается в поле «Протокол» заголовка радиопакета (Таблица 4).
В этом случае решение о выборе маршрута следования датаграммных пакетов принимается самостоятельно в каждом маршрутизаторе с использованием одношаговых таблиц маршрутизации датаграмм (таблица 5), периодически обновляемых подсистемой управления маршрутизацией на основе актуальной информации о связности сети, получаемой в слоте служебного канала от всех активных маршрутизатор в радиосети.
Для получения актуальной информации о связности радиосети и построения на ее основе таблиц маршрутизации может использоваться протокол FSR (Fisheye State Routing - проактивный протокол маршрутизации, учитывающий удаленность узлов) [5].
Маршрутизация пакетов в режиме логического соединения осуществляется по установленным фиксированным маршрутам (логическим соединениям) между оконечными узлами и реализуется протоколом транспортного уровня, рассмотренным ниже.
Режим логического соединения обеспечивает стабильность характеристик передачи пакетов, том числе минимизацию среднего времени и дисперсии задержки пакетов в сети, что является существенным для передачи речевой информации.
В отличие от протокола TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей [2]), который обеспечивает сквозное соединение между оконечными узлами через датаграммную сеть IP на каналах «хорошего» качества, в предложенном протоколе логического соединения фиксируется маршрут прохождения пакетов через выделенные в процессе установления соединения маршрутизаторы и радиоканалы, и тем самым обеспечивается стабильность его временных характеристик на время сеанса обмена информацией между абонентами.
-3
Эта особенность определяется тем фактором, что узкополосные радиоканалы имеют низкую пропускную способность (в среднем 9600 бит/с) и высокий уровень ошибок BER>10 (Bit error Ratio - коэффициент ошибок по битам
на которых протоколы, использующие пакеты формат IP, в том числе TCP, являются неработоспособными [1].
Управляемый модульный маршрутизатор УММ, входящий в состав узлов рассматриваемой радиосети, представляет собой пакетный маршрутизатор для построения самоорганизующихся сетей.
На фиг. 3 УММ 100 состоит из основного 115 и резервного 116 неблокируемых полнодоступных матричных коммутаторов (МК), к входам/выходам которых высокоскоростными последовательными интерфейсами LVDS 111 подключаются функциональные модули коммутации и маршрутизации (МКМ) 108, 109, основной 104 и резервный 105 модули контроля и управления (МКУ), модули абонентских интерфейсов 106 и 107 (МАИ) и модули интерфейсов радиоканалов 101, 102, 103 (МИР).
В отличии от прототипа, где осуществляется маршрутизация сообщений между последовательными шинами, функциональные модули УММ обмениваются радиопакетами через высокоскоростные матричные коммутаторы.
Схемы неблокируемых полнодоступных матричных коммутаторов приведены, например, в [2].
Количество функциональных модулей каждого вида является переменным и определяется требованиями по пропускной способности, канальной емкости и надежности, предъявляемыми к УММ со стороны радиосети. Основным отличием от прототипа, является то, что прототип описывает модульную, масштабируемой структуру для построения маршрутизаторов локальных сетей быстрого Ethernet, обращающихся к общей шине распределения данных. УММ вместо шины использует неблокируемый матричный коммутатор, который позволяет увеличить пропускную способность маршрутизатора. Кроме того, УММ предназначен для работы в узкополосных сетях радиосвязи, в которых для всех видов передаваемой информации используется радиопакет с единым формата заголовка, рассмотренном выше. УММ в радиосети обеспечивает маршрутизацию потоков пакетов входящего (в сеть) и исходящего (из сети) трафика (фиг. 4).
При обработке входящего (в радиосеть) трафика МАИ 106, 107 принимают информацию от подключенных к ним абонентов по интерфейсам 112, 113, преобразуют их в радиопакеты и в зависимости от режима, установленного для данного вида трафика, пересылают их через МК либо в МКМ (датаграммный режим), либо в соответствующий МИР (режим виртуального соединения).
При этом в режиме виртуального соединения МАИ в соответствии со своей таблицей логических соединений (ТЛС), Таблица 3 заменяет младший байт сетевого адреса на номер логического канала.
МКМ по таблице маршрутизации датаграмм (ТМД), Таблица 5 для каждого датаграммного пакета выбирает наилучший на данный момент времени маршрут, определяет физический адрес МИР и пересылает его через МК для передачи в радиоканал.
МИР инкапсулирует пакет в канальный кадр HDLC и передает его в радиомодем. МИР реализует также множественный доступ в режиме временного разделения канала между узлами (TDMA), рассмотренный выше.
Каждый МИР интерфейсами 114 подключается к оборудованию радиоканала, работающему на одной из выделенных частот 5. Количество МИР (101, 102, 103) определяется количеством радиоканалов, подключенных к данному УММ и работающих на разных частотах.
В случае наличия в УММ нескольких МКМ (108 и 109), пакет из МАИ пересылается на свободный (наименее загруженный) МКМ на основе информации о загрузке, полученной от процессорного модуля контроля и управления (МКУ). Требуемое количество МКМ определяется максимально ожидаемыми интенсивностями потоков датаграммных пакетов, поступающих в данный УММ. При наличии нескольких МКМ, УММ может работать либо в режиме повышенной производительности (распределения нагрузки между МКМ) в случае увеличения интенсивности входящего потока пакетов, либо повышенной надежности (горячего резервирования) для обеспечения режима повышенной готовности. Переключение режимов работы (повышенная надежность или производительность) осуществляется и контролируется модулем контроля и управления по командам оператора с ПЭВМ.
Маршрутизация радиопакетов в режиме логического соединения осуществляется МИР и МАИ УММ по своим таблицам логических соединений, без участия МКМ, фиг. 4, что на 30% сокращает время обработки пакета в УММ.
Таблица 6 и Таблица 3 соответственно являются примерами таблиц МИР и МАИ для УММ '01'.
При обработке исходящего (из радиосети) трафика, МИР принимает канальный кадр из радиоканала и выделяет из него радиопакет.
Далее, в зависимости от адреса назначения и режима пересылки, указанных в заголовке, радиопакет пересылается через МК:
- в МКМ, если в заголовке радиопакета указан датаграммный режим;
- в один из МАИ в соответствии с таблицей логических соединений, (Таблица 6), если установлен режим логического соединения и сетевой адрес получателя, указанный в заголовке пакета, совпадает с сетевым адресом данного узла);
- в один из МИР в соответствии с таблицей логических соединений, (Таблица 6), возможно в тот же самый при перестановке радиопакетов в слотах на одной частоте, если установлен режим логического соединения и сетевой адрес получателя, указанный в заголовке радиопакета, не совпадает с сетевым адресом данного УММ (фиг. 4).
МКМ анализирует сетевой адрес получателя в заголовке принятого от МИР радиопакета, и если адрес получателя совпадает с адресом данного узла, в соответствии с таблицей абонентских интерфейсов (ТАИ) (Таблица 7), определяет физический адрес соответствующего ему МАИ и пересылает ему пакет через МК (фиг. 4).
Если сетевой адрес получателя не совпадает с адресом данного узла (датаграмма является транзитной), то по таблице маршрутизации датаграмм (таблица 5) определяется физический адрес МИР, в который должен быть переслан радиопакет. МИР инкапсулирует принятой сетевой пакет в канальный кадр HDLC и передает его в радиомодем по интерфейсу 114. МАИ, радиопакеты принятые от МКМ и МИР, преобразует в абонентские сообщения и пересылает их соответствующим абонентам по интерфейсам 112, 113 в соответствии с таблицей абонентских линий (ТАЛ) (Таблица 8).
Если установлен режим логического соединения, то по таблице логических соединений (Таблица 3), номер логического канала в младшем байте сетевого адреса заменяется на адрес абонентского интерфейса. МКУ 104 основной и 105 резервный осуществляют сбор информации о состоянии всех функциональных модулей УММ, включая МК, управление режимами их работы по интерфейсам 110, 117 организованной для этих целей внутренней ЛВС Ethernet по протоколу IP/UDP. Для взаимодействия с оператором, МКУ подключаются по отдельному каналу внешней ЛВС Ethernet 118 к ПЭВМ оператора. МКУ осуществляют загрузку в функциональные модули необходимой для их работы маршрутно-адресной информации, формируемой на ПЭВМ управления, распределение по МАИ запросов на организацию сеансов связи, поступающих от абонентов, подключенных к данному УММ, отключение неисправных и подключение резервных модулей (в том числе МК) при их наличии. МКУ работают в режиме горячего резервирования, обеспечивая при отказе основного МКУ 104, управление и мониторинг всех модулей УММ по резервной внутренней ЛВС Ethernet 117.
Переключение на резервный МКУ 105 и обратное переключение происходит по команде оператора с ПЭВМ. Все функциональные модули УММ - МКМ, МКУ, МИР, МИА и МК могут быть реализованы на базе СБИС «Система-на-кристалле» (СнК) FPGA Z-7020 фирмы Хilinx, или аналогичным по функциональным возможностям и производительности СнК [4]. СнК FPGA Z-7020 объединяет в себе 2-х ядерную процессорную систему Cortex-А9, используемую в качестве вычислительного ядра для всех функциональных модулей УММ и массив блоков программируемой логики для реализации всех видов интерфейсов МАИ и МИР.
Такое решение позволяет сократить количество используемых в УММ микросхем, что в свою очередь снижает массо-габаритные характеристики, потребляемую мощность и стоимость маршрутизатора.
Логические соединения (ЛС) устанавливаются в радиосети на транспортном уровне в целях ограничения максимального количества абонентских соединений (каждого вида), обслуживаемых УММ, а также для обеспечения требуемого качества обслуживания (своевременной доставки информации) по установленным маршрутам. Логические соединения устанавливаются и фиксируются в модулях абонентских интерфейсов УММ, являющихся оконечными для абонентов, организующих сеанс связи.
При установлении ЛС на каждом оконечном УММ выделяются номера логических каналов. Эти номера указываются (после успешного прохождения процедуры установления логического соединения) в младших байтах сетевых адресов получателя и отправителя в заголовках передаваемых по сети радиопакетов и вместе со старшими байтами (МАС-адресами маршрутизаторов) являются уникальными идентификаторами логических соединений в сети.
Таким образом, логическое соединение для данной пары оконечных маршрутизаторов состоит из цепочки радиоканалов между ними с зарезервированными в них слотами, входящими в данный маршрут, являющийся наиболее оптимальным по числу переприемов и пропускной способности радиоканалов на момент установления соединения. После установления логического соединения и до момента его разрыва, во всех маршрутизаторах, входящих в маршрут данного логического соединения, информационные пакеты маршрутизируются в МАИ и МИР по таблицам логических соединений (ТЛС) (Таблицы 3 и 6).
Для управления логическими соединениями используются управляющие пакеты транспортного уровня. Перечень команд и ответов управления логическими соединениями приведен в Таблице 9, при этом в заголовке радиопакета в поле «протокол» должен быть указан код 02.
Режим логического соединения состоит из 3-х фаз:
а) установление логического соединения;
б) передача данных по установленному логическому соединения с процедурами (при необходимости) ограничения входящего потока и квитирования на уровне протокольных блоков абонентских приложений
в) разрыв логического соединения.
Фаза (а): МАИ маршрутизатора принимают от МКУ заявки на организацию сеансов связи между абонентами радиосети. В заявке указываются имена абонентов получателей и отправителей, вид соединения - данные, речь, необходимую скорость передачи информации. Эта информация используется в дальнейшем при формировании команд управления логическими соединениями. Установление логического соединения инициируется командой транспортного уровня «Установить соединение», помещаемой в поле данных радиопакета и содержащий код команды, порядковый номер команды и информацию о логическом соединении (Таблица 10), состоящую из 8-битного номера выбранного логического канала узла инициатора, вида соединения (данные или речь), запрашиваемой скорости передачи информации в логическом соединении, временной отметки отправки пакета (чч.мм.сс).
Циклический номер команды (0-15) позволяет нумеровать команды и ответы в пределах логического соединения. Номер ответа должен совпадать с номером команды, на который дается ответ. 8-битные номера логических каналов закрепляются в интерфейсных модулях оконечных маршрутизаторов (отправителя и получателя) на время осуществления сеанса связи и служат в дальнейшем для идентификации (определения принадлежности) пакетов конкретным абонентам в установленном логическом соединении.
c1-и
eth
Каждый МАИ располагает отведенным ему (оператором управления УММ) количеством логических соединений для каждого типа абонентского интерфейса: m, m и т.п. Общее количество логических соединений, одновременно устанавливаемых со всех интерфейсов одного УММ не может превышать устанавливаемой оператором управления величины (по адресации - не более 256). Число логических соединений, устанавливаемых МИР по радиоканалу между смежными маршрутизаторами определяется суммарной абонентской скоростью передачи информации по этим ЛС и максимальной скоростью передачи информации в радиоканале, которая должна превышать суммарную абонентскую скорость, на величину накладных расходов на длины заголовков радиопакетов и информационных кадров. Радиопакет, содержащий команду установления логического соединения маршрутизируется и передается в радиоканале как датаграмма, фиксируя при своем прохождении через узлы маршрут в виде строки, записываемой в ТЛС МИР и МАИ (таблицы 6 и 3 соответственно). Если число установленных логических соединений данного типа, обслуживаемых МАИ, достигло максимальной величины (нет свободных номеров логических каналов), и приходит новая заявка, то сравнивается приоритет вновь поступившей заявки с приоритетами уже установленных логических соединений по таблице логических соединений данного МАИ (таблица 3). Если в ТЛС имеется логический канал с более низким приоритетом (большим числом), то данное соединение разрывается путем посылки команды «Разорвать соединение» с соответствующим уведомлением абонентов (см. процедуру разрыва логических соединений). Если приоритет вновь пришедшей заявки оказывается ниже приоритета уже установленных ЛС, по заявка ставится в очередь на ожидание освобождения номера логического канала. В случае успешного резервирования на всех участках маршрута, от МАИ маршрутизатора получателя посылается радиопакет с командой подтверждения соединения (Таблица 11).
Этот пакет направляется в сторону отправителя и маршрутизируется по формируемому маршруту.
Если на каком-либо участке маршрута процедура резервирования логического соединения не может быть выполнена (например, в радиоканале не может быть достигнута запрашиваемая скорость), то на маршрутизатор инициатор посылается пакет отказа в установлении соединения с указанием причины отказа: нет свободных каналов, запрашиваемая скорость в данном канале не может быть установлена, обнаружен встречный вызов (Таблица 12).
Десятичный код причины отказа:
- 01 - по адресу получателя (сетевой адрес XXYY) абонент отсутствует (не подключен);
- 02 - абонент занят (не готов);
- 03 - запрашиваемая абонентская скорость абонентом получателем не обеспечиваются.
- 04 - нет ответа от абонента получателя
Фаза (б): В процессе передачи информации по логическому соединению могут применяться процедуры ограничения потока, переспроса потерянных в процессе пересылки пакетов, определенные на уровне приложений. При передаче радиопакетов по логическому соединению второй байт адресов отправителя и получателя заменяется по ТЛС МАИ на установленный номер логического канала и пакеты маршрутизируются напрямую между МАИ и МИР, минуя процессоры маршрутизации датаграмм (фиг. 4). При процедурных ошибках, связанных с постоянным превышением тайм-аутов ожидания, несанкционированных потерях или дублировании пакетов, может быть проведена процедура сброса всех пакетов, находящихся в маршрутизаторах и относящихся к данному логическому соединению без его разрыва. При этом МАИ отправителя команды должно прийти подтверждение сброса от всех узлов маршрута, иначе по истечении тайм-аута логическое соединение будет разорвано. После получения подтверждения сброса, МАИ отправитель может вознобновить передачу пакетов по логическому соединению. При пропадании канала на одном или нескольких участках логического соединения (при обнаружении невозможности передачи информации) производится разрыв логического соединения (см. Фяза в) с информированием оконечных узлов о причине разрыва и попыткой повторного установления соединения (при необходимости), возможно уже по новому маршруту.
Фаза (в): По. завершении сеанса передачи данных следует процедура разрыва логического соединения по инициативе любой из сторон (Таблица 13).
Десятичный код причины разрыва соединения:
-01 - отбой абонента;
-02 - истечение таймаута ожидания данных на приеме
-03 - истечение времени сеанса
-04 - разрыв соединения оператором УММ
-05 - истечение таймаута ожидания данных от абонента на передачу
-06 - разрыв логического соединения более приоритетным абонентом
-07 - обнаружена ошибка в ТЛС
-08 - разрыв соединения МИР по причине отказа канала связи
После подтверждения разрыва логического соединения (Таблица 14), используемый в нем номер логического канала освобождается и может использоваться повторно. Все пакеты, оставшиеся в УММ и относящиеся к данному логическому соединению, должны быть стерты.
Заявленная технология распределения информационных потоков в пакетной радиосети обеспечивает увеличение пропускной способности и живучести пакетных самоорганизующихся радиосетей, а также в расширении перечня и повышения качества услуг связи, предоставляемых разнородным абонентам в районе развертывания пакетной радиосети при использовании режима логических соединений, реализуемого в управляемых модульных маршрутизаторах. Заявленная технология и управляемые модульные маршрутизаторы могут быть реализованы с использование известных технических и технологических средств.
Список литературы:
1. https://www.isode.com/whitepapers/performance-of-ip-applications-over-hf-radio.html.
2. Таненбаум Э. Компьютерные сети. Санкт-Петерург: Питер, 2002. 848 с.
3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Москва: Наука и техника, 2003. 464 с.
4. Калачев А. Многоядерная конфигурируемая вычислительная платформа Zynq-7000 // Современная электроника №1 2013 с. 22-31.
5. Глаголева М. Классификация и анализ методов в Mesh-сетях // Радиотехника Вып. 155 2008 с. 173-185.