СПОСОБ СЛОТОВОЙ МАРШРУТИЗАЦИИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ ZIGBEE
METHOD OF SLOT ROUTING IN ZIGBEE WIRELESS NETWORKS

Изобретение относится к области беспроводной связи и может быть использовано при реализации сетей мониторинга территориально-распределенных объектов.
Беспроводная технология ZigBee предназначена для применения в системах контроля и управления, которые передают небольшие объемы данных, т.е. ориентирована на использование в качестве средства связи между автономными приборами и оборудованием управления. ZigBee относится к спецификации IEEE 802.15.4 [1].
В беспроводных MESH-сетях широко применяется маршрутизация на основе МАС-адресов [2]. При этом передаваемые пакеты содержат три МАС-адреса:
1) адрес узла - начального отправителя;
2) адрес узла - конечного получателя;
3) адрес узла, к которому следует непосредственно направить пакет, для достижения адреса конечного получателя.
Наиболее близким по технической сущности является способ маршрутизации в проводных сетях, основанный на построении минимального связующего дерева (протоколы STP (Spanning Tree Protocol), RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)) [3].
При реализации указанного способа используются двухадресные протокольные блоки (пакеты), а для достижения адреса конечного получателя, узел всегда направляет протокольный блок в тот порт, через который ранее был получен блок с адресом данного конечного получателя.
Процесс построения минимального связующего дерева используется также при реализации предлагаемого способа маршрутизации.
В предлагаемом способе, так же, как и в протоколах STP и RSTP, используются специальные фреймы PDU (Protocol Data Units), которые коммутатор начинает посылать при включении. При выборе пути достижения главного коммутатора используется правило наименьшего значения стоимости до главного коммутатора.
При построении минимального связующего дерева (Spanning Tree) производится блокирование некоторых портов коммутаторов.
Недостатком радиосетей является отсутствие возможности блокировки портов, как это происходит в проводных сетях, работающих по протоколам STP и RSTP. Поэтому использование в радиосетях двухадресных протокольных блоков, для способов маршрутизации, основанных на протоколах STP и RSTP, становится невозможным.
С целью устранения указанного недостатка предлагается связи между коммутаторами сети устанавливать в течение определенных временных слотов.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что роль портов, соединяющих коммутаторы в проводных сетях, в сетях ZigBee выполняют временные слоты, в течение которых осуществляется соединение коммутаторов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности осуществления маршрутизации на основе временных слотов.
На фиг. 1 показан фрагмент сети, с построенным минимальным связующим деревом, где имеются следующие обозначения:
1 - главный корневой узел, К;
2 - связь, входящая в дерево;
3 - корневой узел кластера (У1-У12);
4 - оконечные узлы кластера;
5 - физические связи.
Так же, как в проводных сетях STP и RSTP, началу работы в штатном режиме, предшествует процесс выбора главного корневого коммутатора (1) и процесс построения минимального связующего дерева (2) [3]. Наличие связующего дерева исключает появление петель и образование «шторма» трафика в сети.
В окрестности каждого из коммутаторов (3) (корневые узлы кластеров У1-У12) расположены конечные пользователи (4), образующие кластер. Конечные пользователи кластера могут взаимодействовать только через корневой узел кластера.
Помимо связей (2), образующих ветви дерева, между корневыми узлами кластеров имеются непосредственные физические радиосвязи (5) (показаны пунктиром). В проводных сетях подобные связи осуществляются с помощью соединительных линий, подключенных к соответствующим портам коммутаторов. При формировании связующего дерева в проводных сетях, порты соединительных линий, образующих связи, не принадлежащие дереву, ставятся в заблокированное состояние, в результате чего указанные связи разрываются. Таким образом, между двумя узлами всегда оказывается одна, единственная связь, являющаяся ветвью дерева.
В отличие от проводных сетей, в рассматриваемых радиосетях отсутствуют соединительные порты, и непосредственный разрыв радиосвязей невозможен.
Предлагается для каждой связи, входящей в состав дерева, выделить по одному временному слоту, в течение которого осуществляется связь между двумя узлами. Связь осуществляется благодаря тому, что оба узла работают в течение одного и того же слота. Если же узлы осуществляют приемопередачу в различные временные слоты, то связь между ними отсутствует.
При распределении временных слотов, в которых происходит активная работа приемопередатчика, необходимо предусмотреть, чтобы, в течение данного слота, образующего связь между двумя узлами, отсутствовала связь этих узлов с остальными окружающими узлами.
Простейший алгоритм выбора слотов - это присвоение всем связям дерева различных временных слотов, однако, такое распределение не является эффективным.
При распределении слотов следует использовать алгоритмы, минимизирующие число различных слотов. Так, на фиг. 1 пронумерованы все номера слотов, образующие связи. Из фиг. 1 следует, что слоты №1 и №2 используются дважды (между узлами К-У1, У6-У11, а также К-У2, У7-У12, соответственно).
Распределение интервалов активной работы по временным слотам требует жесткой синхронизации работы всех узлов сети.
Сети, организованные на базе технологии ZigBee, позволяют осуществить такую синхронизацию, поскольку поддерживают «суперфреймовую» структуру. Суперфрейм начинается с передачи главным корневым узлом (1) сети специального фрейма - «сетевого маркера» (Network Beacon), который предназначен для синхронизации и управления работой всех активных в сети устройств. «Сетевой маркер» позволяет разделить весь период активной работы на 16 равных временных слотов, которые и используются при организации процесса маршрутизации [1]. Узел, получивший пакет в течение определенного слота, копирует адрес начального отправителя пакета, фиксирует номер слота, в котором получен пакет, и дополняет свою таблицу МАС-адресов строчкой, в которой бывший адрес начального отправителя обозначается как МАС-адрес конечного получателя
МАС-адрес конечного получателя - Номер зафиксированного слота.
При необходимости направить пакет в адрес определенного конечного получателя, любой узел вставляет в пакет МАС-адрес конечного получателя, а в поле начального отправителя проставляет собственный МАС-адрес.
Узел проверяет, имеется ли в его таблице требуемый для отправки МАС-адрес конечного получателя. Если МАС-адрес конечного получателя имеется, то узел отправляет пакет в закрепленном за этим адресом слоте. Если отсутствует, то узел отправляет пакет во всех слотах, кроме того, через который он этот пакет получил. Пакеты достигнут адреса конечного получателя, оставляя, по пути, строчки, с адресом своего начального отправителя и закрепленными за ним номерами слотов.
Из выше изложенного следует, что в предлагаемом способе временные слоты как бы выполняют функции портов, через которые осуществляется связь между двумя узлами.
Достоинством предлагаемого способа является то, что в результате использования временных слотов, в сетях ZigBee, становится возможным осуществить полноценную маршрутизацию при двухадресных пакетах, по аналогии тому, как это происходит в сетях, с протоколами STP и RSTP.
Литература
1. Варгаузин В. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 // ТелеМультиМедиа. 2005, №6, С. 23-27.
2. Вишневский В.М., Лаконцев Д.В., Сафонов А.А., Шпилев С.А. Маршрутизация в широкополосных беспроводных mesh-сетях стандарта IEEE 802.11s // Электроника. 2008, №6, С. 64-69.
3. Общие сведения о протоколе быстрого связующего дерева (802.1w) [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.cisco.com/cisco/web/support/RU/9/92/92067_146.html