23 Июн

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОТОКОЛЫ МАРШРУТИЗАЦИИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

На сегодняшний день сетевые технологии развивают очень быстрыми темпами. Возрастающий объем передаваемой информации, физический рост сетей и межсетевого трафика заставляют производителей выпускать все более мощные и «умные» устройства, использующие новые (созданные с нуля или основанные на комбинации с традиционными) методы передачи и сортировки данных.

Значительную роль в работе беспроводных сетей отведена протоколам маршрутизации. Они помогают осуществлять самоорганизацию узлов и доставку пакетов оптимальными маршрутами в соответствии с алгоритмами, перечисленными в используемом в сети протоколе. С помощью протоколов маршрутизации оптимизируется использование ресурсов сети, таких как расход энергии, использование процессорного времени, памяти и др. А это значит, что применение эффективных протоколов маршрутизации позволяет максимизировать время жизни сети.

Протоколы маршрутизации, используемые для мобильных самоорганизующихся сетей, подразделяются на четыре основные группы:

  • протоколы с проактивной маршрутизацией,
  • протоколы с реактивной маршрутизацией,
  • гибридные протоколы,
  • протоколы, использующие данные о географическом положении узлов. [1]

В проактивных протоколах при изменении топологии сети инициируется широковещательная рассылка сообщений об этих изменениях.  При этом все маршруты хранятся в памяти каждого узла, и он может воспользоваться ими в любой момент. В виду того, что, фактически, каждый узел имеет граф связности сети, возможно построение кратчайшего маршрута, к примеру, по алгоритму Дейкстры. [2, С. 65]

К проактивным относятся протоколы TBRPF, FSR и OLSR. Ранее был разработан также протокол DSDV. Он относится к типу проактивных, дистанционно векторных алгоритмов. Но из-за ряда недочетов, например, регулярной передачи служебной информации по беспроводной сети для обновления своих таблиц маршрутизации, что использует заряд батареи мобильного устройства и занимает часть полосы пропускания радиоканала, даже когда сеть не используется, данный протокол не подходит для сетей с быстро изменяющейся топологией. Помимо этого, всякий раз, когда происходит трансформация топологии сети, создается новый порядковый номер для версии маршрутной информации, а при очень динамичных сетях существует вероятность переполнения данного параметра.

В реактивных протоколах маршрутизации маршруты существуют только тогда, когда они необходимы. Иными словами, они действительны лишь во время передачи данных. Если возникает необходимости передать данный узел источник начинает широковещательную рассылку сообщения – зонда. В процессе его обработки, промежуточные узлы добавляют маршрут к узлу источнику (обратный маршрут), и продолжают его широковещательную рассылку. Когда сообщение – зонд доходит до узла назначения, формируется сообщение-подтверждение, которое отправляет его по уже сформированному обратному маршруту. К протоколам с реактивной маршрутизацией относятся AODV, DSR, LMR и TORA. [3, С. 76]

Рассмотрим каждый из них.

Работа протокола DSR строится следующим образом: каждый узел при возникновении требования на передачу, выстраивает маршрут в любую точку сети через несколько промежуточных узлов. Полный и упорядоченный список узлов, через которые пройдет пакет, размещается в заголовке каждого пакета. Основные механизмы DSR включают определение маршрута и его обслуживание. Эти два механизма осуществляют свою работу совместно, определяя и/или поддерживая маршруты в любую точку сети.

При первоначальном определении маршрута пакеты отправляются по всем возможным направлениям, а в заголовок добавляется информация о пройденном узле. После того как один из пакетов достиг цели, в его заголовке отражается полностью сформированный маршрут между заданными узлами. В случае возникновения петель или повторного приема первого пакета они уничтожаются узлом.

Среди основных недостатков данного протокола — неоправданное увеличение размера пакета в случае длинных маршрутах или для больших адресов, таких как IPv6.

Протокол AODV — вариант классического дистанционно векторного протокола, основанный на DSDV и DSR. Хотя для актуализации маршрутной информации он использует совсем другой механизм: традиционные таблицы маршрутизации, по одной записи на место назначения.

Важной особенностью данного протокола является использование для каждой записи таблицы маршрутизации таймера на основе состояний в каждом узле. Протокол для каждой записи маршрута создается последовательным идентификатором, который используется для определения актуального маршрута и определение маршрутных петель. Если возникает необходимость выбора между несколькими маршрутами, то AODV выбирает маршрут с наибольшим идентификатором.

Протокол AODV, как и протокол DSR, формирует маршруты по необходимости. Тем не менее, он также использует традиционные таблицы маршрутизации. Однако в отличие от протокола DSR, в котором поддерживается несколько записей маршрута для каждого узла назначения, AODV использует одну запись на узел назначения.

Еще одна отличительная черта протокола — способность обеспечить однонаправленную, групповую и широковещательную передачу данных.

Гибридные протоколы совмещают в себе механизмы проактивных и реактивных протоколов. Как правило, они разбивают сеть на множество подсетей, внутри которых функционирует проактивный протокол, тогда как взаимодействие между ними осуществляется реактивными методами.  В крупных сетях это способствует сокращению размеров таблиц маршрутизации, которые ведут узлы сети, так как им необходимо знать точные маршруты лишь для узлов подсети, к которой они принадлежат.

Также сокращается и объем пересылаемой по сети информации служебного характера, поскольку её основная часть распространяется лишь в пределах подсетей. Один из самых известных гибридных протоколов носит название HwMP. [4, С 41]

В настоящее время разрабатывается аппаратная платформа для организации MANET сетей «МСР-Сеть», использующая протоколы AODV и DSR.

Данная система радиосвязи представляет собой мобильную одноуровневую широкополосную локальную радиосеть типа MANET. Она представляет децентрализованный тип управления мобильными абонентами (иными словами характеризуется отсутствием какой-либо фиксированной инфраструктуры для передачи служебной информации). (см. рис. 1)

Рис. 1. Стек протоколов в технологии «МСР-Сеть»

В отдельную группу протоколов маршрутизации MANET выделяются протоколы, использующие данные о местоположении абонентов сети (протоколы геомаршрутизации).

Их основные преимущества заключаются в:

  • отсутствии необходимости в хранении маршрутной информации на транзитных узлах,
  • возможностях оптимизировать маршруты, исходя из имеющейся информации о местоположении узлов.

Что касается протоколов маршрутизации MANET, то в данном случае, они должны, по возможности, свести к минимуму время, затраченное на построение маршрута, и время задержки доставки пакетов. А также максимизировать коэффициент доставки пакетов, рассылая как можно меньше служебной информации. При этом они должны успешно справляться с увеличением нагрузки при добавлении узлов.

Обеспечение данных условий требует от протоколов геомаршрутизации использования различных стратегий поиска маршрутов. Например, протокол геомаршрутизации GAF формирует виртуальную сетку покрытой области, в которой каждый узел соотносит себя с ближайшим пунктом на виртуальной сетке. [5, С. 17]

  Узлы, связанные с конкретным пунктом на сетке, считаются равнозначными с точки зрения стоимости маршрутизации. Данный подход позволяет увеличивать время жизни сети при увеличении числа узлов. При этом узлы могут изменять свое состояние и переходить от спящего к активному, чтобы балансировать нагрузки.

Существуют три состояния, в которых могут находиться узлы:

  • «состояние обнаружения», когда существует возможность определения присутствия соседей в сетке,
  • «активное состояние», при котором предполагается участие в маршрутизации,
  • «спящий режим», продолжительность которого имеет прямую зависимость от приложения. Иными словами, каждый узел в сетке оценивает свое время выхода из неё и посылает данную информацию своим соседям. Спящие соседние узлы корректируют своё время сна, чтобы сохранить актуальность маршрутной информации. И, прежде, чем наступит время, установленное для выхода узла из активного режима, один из соседних спящих узлов «просыпается» и переходит в активное состояние.

Таким образом, протокол GAF всегда сохраняет сеть связанной, поддерживая один из узлов в активном состоянии для каждой области на виртуальной сетке.

Геопротокол GPSR — использует информацию о расположении узла для определения маршрута при пересылке пакетов. [5, С. 17]

Пересылка осуществляется на основе «жадной» стратегии. (см. рис.2). Процесс ретрансляции пакетов промежуточными узлами продолжается до достижения пункта назначения. В некоторых случаях данная стратегия может привести к ошибкам. Чтобы их исключить применяется «правило правой руки»: текущий узел, в случае отсутствия такового соседнего, более близкого к узлу-приемнику, передает пакеты первому узлу, передвигаясь против часовой стрелки.

Рис. 2. Пример «жадной» пересылки (где r — это наиболее подходящий узел)

При увеличении подвижности узлов сети интервал пересылаемых служебных пакетов с геоинформацией, позволяющий держать таблицы маршрутизации в актуальном состоянии, должен быть уменьшен. Однако в действительности подобное приводит к большим накладным расходам, и чтобы их уменьшить, информация о местоположении узла должна отправляться вместе с пакетами данных.

Один из наиболее используемых протоколов географической маршрутизации — LAR. Данный протокол использует информацию о местоположении узла-источника для ограничения области (зоны запроса), где производится поиск маршрута. (см. рис.3). В итоге количество сообщений о запросе искомого маршрута сокращается. [5, С. 18]

Рис. 3. Принцип маршрутизации LAR

На сегодняшний день существует множество проблем в области создания беспроводных самоорганизующихся сетей с переменной топологией. И одной из главных является проблема маршрутизации и определение конкретного протокола маршрутизации.

Одним из дальнейших направлений развития MANET должно стать построение системы связи, предназначенной для передачи интенсивного трафика, в том числе и трафика реального времени (голосовая и видеоинформация). А ключевым фактором, который будет оказывать влияние на такие параметры как производительность сети и задержка передачи данных, — работа протокола маршрутизации.

Список литературы:

  1. Чабанный А.А. Сравнение протоколов маршрутизации беспроводных mesh сетей // Сучасн проблеми радотехнки та телекомункац_й «РТ – 2012»: Матерали 8-ої м_жнар. молод_жної наук.-техн. конф., Севастополь 23 – 27 кв_тня 2012 р, Севастополь 2012 г. URL: http://masters.donntu.edu.
  2. Протоколы маршрутизации в беспроводных сетях / А.А. Павлов, И.О. Датьев // Труды Кольского научного центра РАН. — 2014. — №5. — С. 64-75.
  3. Метелёв А.П. Протоколы маршрутизации в беспроводных самоорганизующихся сетях / А.П. Метелёв, А.В. Чистяков, А.Н. Жолобов / Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. — 2013. — № 3(1). — С.75-78.
  4. Махров С.С. Протоколы маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях: иерархические, основанные на мобильности, мультиориентированные и основанные на гетерогенности // T-Comm — Телекоммуникации и Транспорт. -2013. — №5.- С. 39-42.
  5. Прозоров Д.В. Протоколы геомаршрутизации самоорганизующихся мобильных сетей / Д.В. Прозоров // T-Comm — Телекоммуникации и Транспорт. -2012. -№ 5. -С.16-19.
    СОВРЕМЕННЫЕ ПРОТОКОЛЫ МАРШРУТИЗАЦИИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ
    В статье проанализированы основные преимущества и параметры маршрутизации в беспроводных сетях. Подробно рассмотрены особенности реактивных протоколов маршрутизации. Представлен сравнительный обзор протоколов маршрутизации в самоорганизующихся сетях.
    Written by: Воженников Александр Андреевич
    Published by: Басаранович Екатерина
    Date Published: 12/14/2016
    Edition: euroasia-science_6(27)_23.06.2016
    Available in: Ebook