Автоматика и телемеханика, № 4, 2015
Логическое управление
© 2015 г. П.О. НЕКРАСОВ (nekrasov@telum.ru) (Московский физико-технический институт (государственный университет),
ЗАО "Телум", Москва), Д.Н. ФАХРИЕВ (fakhriev@telum.ru) (Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, ЗАО "Телум", Москва)
РАССЫЛКА СЕТЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ В УЗКОПОЛОСНЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СЕТЯХ
Рассылка сетевой информации в узкополосных самоорганизующихся сетях ограничена низкой скоростью передачи данных в таких сетях. Частая рассылка сетевой информации приводит к ее потере по причине коллизий, что увеличивает время оповещения станций об изменениях в сети. Редкая рассылка сетевой информации уменьшает вероятность коллизий пакетов, однако время оповещения станций об изменениях также увеличивается. Для заданного периода рассылки сообщений вероятность коллизии может быть уменьшена, если станции рассылают только изменения сетевой информации. В данной работе вводится оригинальный критерий эффективности рассылки сетевой информации, учитывающий ее актуальность, и предлагается метод аналитической оценки этого критерия. С помощью введенного критерия осуществляется эффективная настройка параметров рассылки сетевой информации, а также проводится сравнительный анализ двух подходов: рассылка полной сетевой информации и рассылка изменений сетевой информации.
1. Введение
Беспроводные самоорганизующиеся сети - предмет изучения многих исследователей. Важной особенностью таких сетей является то, что они не требуют стороннего вмешательства и станции сами подстраиваются под текущее состояние сети. В данной работе рассматривается беспроводная одношаговая узкополосная самоорганизующаяся сеть. Число станций в этой сети может меняться: станции могут появляться в сети (включаться или перемещаться в область уверенного приема других станций) или покидать сеть (выключаться или перемещаться из области уверенного приема других станций). Станции имеют уникальные 1Р-адреса и могут связываться друг с другом с помощью беспроводных интерфейсов, которые осуществляют доступ к узкополосным беспроводным каналам. Множество доступных каналов зафиксировано для каждой станции, однако оно может быть разным для разных станций (см. рис. 1).
Хосты
Узкополосные интерфейсы
(<?>) G?)) ((?))
Группа 1
Группа 2
Станция
Станция А
Станция С
Рис. 1. Устройство узкополосной сети.
Предполагается, что доступ к узкополосному каналу осуществляется следующим образом:
• голосовой поток полностью занимает канал; когда некоторый узел передает голосовой поток, другие станции не имеют возможности для передачи;
• доступ для передачи пакетов данных осуществляется согласно асинхронным алгоритмам с временным разделением (например, ALOHA [1] или
Весь пользовательский трафик генерируется на хостах (компьютеры, ноутбуки, мобильные устройства), которые подключены к станциям сети и имеют уникальные Ш-адреса (см. рис. 1). Множество хостов на станциях может меняться: хосты могут подсоединяться к станциям и отсоединяться от станций. Более того, хосты, подключенные к различным станциям, могут объединяться в группы, каждая из которых также имеет уникальный Ш-адрес. Предполагается, что пользовательский трафик состоит только из голосовых потоков, которые могут быть как одноадресными (адресованные одному хосту), так и многоадресными (адресованные группе хостов).
Для осуществления эффективной передачи пользовательских данных механизм пересылки пакетов должен работать таким образом, чтобы выбиралось минимальное число доступных интерфейсов для передачи пользовательских данных ко всем получателям. При необходимости передать пакет множеству получателей этот механизм должен решать следующие задачи:
• должен быть определен список станций, к которым эти получатели подключены;
• должен быть определен список всех каналов, через которые эти станции доступны;
• из этого списка должно быть выбрано минимальное число каналов для осуществления передачи всем узлам, к которым подключены получатели. Последняя задача может быть решена алгоритмами полного перебора и не
рассматривается в данной работе. Для решения первой и второй задач может быть применен проактивный подход [3, 4], который подразумевает периодическую рассылку станциями сообщений, содержащих информацию о подклю-
CSMA [2]).
ченных к ним хостах и группах, в которые эти хосты входят. В результате такой рассылки каждый узел содержит следующую информацию:
• из факта получения сообщений узел определяет список соседних станций, доступных через каждый из его интерфейсов;
• из содержащейся в сообщениях информации станции определяют состав хостов и групп всех соседних станций.
Проактивный подход позволяет определять правила ретрансляции пакетов .заранее, т.е. независимо от необходимости передачи трафика, что исключает задержку передачи пакетов. Существенным недостатком такого подхода является большой объем рассылаемой станциями информации, что может привести к большой вероятности коллизии сообщений друг с другом.
Одним из способов уменьшения объема рассылаемых сообщений является рассылка инкрементальных сообщений, т.е. сообщений, содержащих информацию только об изменениях в составе хостов и групп. Полный состав хостов и групп при этом рассылается только по необходимости, например, при обнаружении новой станции. Примером использования такого механизма является рассылка информации о резервированиях в протоколе MCCA, являющегося частью стандарта 802.11 WiFi Mesh [5]. Такой подход также используется для рассылки информации о соседних станциях в протоколах TBRPF [6] и OSFP-MDR [7] (протокол OSPF, адаптированный под сети MANET).
Данная работа посвящена исследованию проактивной рассылки сетевой информации в рассматриваемой узкополосной сети. Вводится оригинальный критерий эффективности проактивной рассылки сетевой информации и предлагается методика аналитической оценки этого критерия. Для проведения исследования используется протокол NBFP [8], который поддерживает два режима рассылки сетевой информации: рассылка полных сообщений и рассылка инкрементальных сообщений. С помощью введенного критерия осуществляется эффективная настройка параметров обоих режимов рассылки и проводится их сравнение в различных сценариях.
В разделе 2 описан протокол NBFP. В разделе 3 вводится критерий эффективности рассылки сетевой информации, описана аналитическая модель, позволяющая оценивать введенный критерий для различных способов рассылки сетевой информации, и проведена валидация этой модели. В разделе 4 приведена методика настройки параметров различных способов рассылки сетевой информации, а также описаны результаты сравнительного анализа различных механизмов рассылки. Выводы приведены в разделе 5.
2. Протокол NBFP
2.1. Краткое описание
Протокол NBFP является проактивным протоколом пересылки IP-пакетов, учитывающим специфику узкополосных сетей. Особенностью данного протокола является то, что узлы периодически (с периодом T) рассылают сообщения, содержащие изменения состава их хостов и групп, в которые хосты входят. Согласно принятым сообщениям узлы определяют правила пересылки пользовательских пакетов данных. Также протокол может быть настроен на стандартный проактивный режим, в котором узлы всегда рассыла-
ют полные множества своих хостов и групп. В данном разделе описаны две компоненты протокола NBFP: обнаружение соседей и генерация служебных сообщений.
2.2. Обнаружение соседей
Станция A, приняв сообщение RHA (Router's Hosts Advertisement) от станции B по каналу K, считает, что B является соседней станцией по каналу K (если она не была таковой ранее). Если станция A не получила по каналу K подряд l сообщений от станции B, то в таком случае станция B перестает считаться соседней по каналу K. Для определения того, что сообщение RHA потеряно, после получения сообщения RHA взводится таймер на время |Г; если по истечении этого времени сообщение RHA не было получено, то считается, что оно было потеряно, после чего взводится таймер на время T, по истечении которого считается, что и следующее сообщение было потеряно и т.д. Успешно принятое сообщение переустанавливает таймер. Таким образом, станция A обнаруживает, что l сообщений подряд было ею не получено от станции В через (I + после последнего успешно принятого сообщения от станции B. После того, как станция перестала считаться соседней, информация о ее составе хостов хранится в течение k ^ l.
Пример работы механизма обнаружения соседей с параметром l = 3 проиллюстрирован на рис. 2, где штрихованные линии соответствуют пропущенным сообщениям, сплошные - принятым.
(/ + 0,5)T
Сосед
Не сосед
Сосед
Рис. 2. Пример работы механизма обнаружения соседей.
/
T
2.3. Генерация служебных сообщений
Станции регулярно генерируют сообщения RHA (раз в T для каждого канала) одного из трех типов:
1) FULL - сообщение, содержащее состав всех хостов узла и групп, в которые эти хосты входят;
2) DIFF - сообщение, содержащее информацию об изменении состава хостов и групп;
3) EMPTY - сообщение, не содержащее информации о составе хостов и групп; используется для поддержания соседства.
j J
( ^ н н н н Л н н н > н н
Рч 2 ш Сц 2 ш Он 2 ш Сц 2 ш Рч 2 ш Он 2 ш Он 2 ш Рч 2 ш J э Он 2 ш
{ \ I 1 \ 1 \ { J \
"Л
I I I I I I I I I I I
r1
Изменение
I J
н \ н > н
Он 2 ш Рч 2 ш J D Ни Он 2 ш
\ 1 J 1
Появление нового соседа
Рис. 3. Рассылка сообщений RHA.
n
а
n
T
T
состава
хостов
n
T
Тип сообщения, генерируемого для данного канала, выбирается следующим образом. Сообщение типа FULL генерируется, если выполнено хотя бы одно из следующих условий:
1) с момента последней генерации очередного сообщения FULL было сгенерировано n сообщений RHA;
2) после обнаружения нового соседа, с которым было установлено соединение по данному каналу, было сгенерировано меньше f сообщений RHA типа FULL для данного канала. При этом под новым соседом понимается сосед, информация о котором не известна.
Сообщение типа DIFF генерируется, если:
1) после подключения/отключения хоста к/от данной станции было сгенерировано меньше d сообщений
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.