Анализ особенностей маршрутизаций самоорганизующихся сетей

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 681.3.                                         

В настоящее время фиксируется рост числа мобильных устройств, которое превысит 10 миллиардов. В этой связи беспроводные технологии, основанные на принципах самоорганизации, становятся особенно актуальными для создания сетей. Под самоорганизацией подразумевается процесс упорядочивания элементов одного уровня в системе благодаря внутренним факторам, без необходимости внешнего специфического воздействия [2]. Таким образом, самоорганизующиеся сети — это сети, которые не нуждаются в какой-либо дополнительной инфраструктуре, помимо самих узлов [3]. В таких сетях отсутствует единый центр управления узлами, и после подключения узла к сети осуществляется его автоматическая настройка. В данном случае все узлы выполняют функции управления сетью. Использование самоорганизующихся сетей предоставляет возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика и необходимости в заранее установленной инфраструктуре. Кроме того, такая сеть устойчива к изменениям в топологии и отличается простотой и высокой скоростью развертывания [4, 5].

На сегодняшний день самоорганизующиеся сети можно классифицировать на Mesh (ячеистые), ad-hoc сети и беспроводные сенсорные сети (WSN) и другие [5, 6]. Для создания таких сетей могут быть использованы уже существующие мобильные устройства. Для организации самоорганизующейся сети чаще всего применяются протоколы Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, а для маршрутизации — AODV, SAODV, ZRP, OLSR, LAR. Таким образом, самоорганизующиеся сети представляют собой сети, которые не нуждаются в дополнительной инфраструктуре, кроме самих узлов. В таких сетях отсутствует единый центр управления, и после подключения узла к сети происходит его автоматическая настройка. В этом контексте все узлы берут на себя функции управления сетью.

Применение самоорганизующихся сетей позволяет передавать данные на большие расстояния без увеличения мощности передатчика и необходимости в заранее установленной инфраструктуре. Кроме того, такая сеть устойчива к изменениям в топологии и отличается простотой и высокой скоростью развертывания. На сегодняшний день самоорганизующиеся сети можно классифицировать на Mesh (ячеистые), ad-hoc сети и беспроводные сенсорные сети (WSN) и другие. Для создания таких сетей могут быть использованы уже существующие мобильные устройства. Для организации самоорганизующейся сети чаще всего применяются протоколы Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, а для маршрутизации — AODV, SAODV, ZRP, OLSR, LAR. В связи с этим перспективными представляются исследования и разработка новых подходов к созданию самоорганизующихся сетей. Самоорганизующаяся система функционирует без явного управления со стороны внешней среды, рассеивание энергии в неустойчивых состояниях при отсутствии внешних возмущений, переходы системы в определенные стабильные состояния и так далее. В настоящее время известно множество способов применения методов самоорганизации в беспроводных сетях; достаточно подробно изучены протоколы маршрутизации на основе самоорганизации мультиагентных систем в сетях MANET (Mobile Ad hoc Networks). В связи с динамическими изменениями набора сетевых узлов и топологии традиционные методы маршрутизации плохо применимы, так как изменяющаяся топология требует постоянного обновления данных в таблицах маршрутизации. Самоорганизующуюся сеть Self-Organizing Network (SON) можно определить как адаптивную и автономную сеть, которая является масштабируемой, стабильной и достаточно гибкой для достижения желаемых целей. Понятие SON в мобильных сетях можно разделить на 3 основные категории: самоконфигурация (Self-Configuration), самооптимизация (Self-Optimisation) и самовосстановление (Self-Healing), которые обычно обозначаются совместно как функции Self-x [1].

Поскольку любая сеть не может быть абсолютно совершенной, могут возникнуть неожиданные отказы и сбои, и в сотовых сетях это не исключение. При возникновении неполадок или сбоев по разным причинам активируются механизмы самовосстановления. Эти механизмы должны уметь не только выявлять себя, но и анализировать их, а также запускать соответствующие процессы для ограничения неполадок, чтобы сеть могла вернуться к нормальной работе. В сотовых сетях самовосстановление отвечает за выявление неполадок, их классификацию неисправностей и управление компенсацией неисправностей. Существующему методу самооптимизации сотовых сетей не хватает гибкости и адаптивности, чтобы стать реальными решениями для сетей LTE и 5G [7]. Хотя операторы сотовой связи собирают большое количество данных, включая сетевые измерения, связи по контролю и управлению, а также информацию от пользователей, современные методы настройки и оптимизации сети остаются довольно примитивными. Очевидно, что для полного использования уже имеющихся данных и предоставления гибких и адаптируемых решений для сетей необходимо использовать более интеллектуальные подходы. В SON применяет методы машинного обучения (ML) для анализа различных данных, собираемых операторами.

Процесс формирования топологий самоорганизующихся сетей и их особенности.

Ячеистые сети являются наиболее часто встречающимся типом самоорганизующихся сетей. Они часто создаются с использованием технологий беспроводного доступа, таких как Wi-Fi и Bluetooth. Одной из отличительных характеристик ячеистых сетей является их структура радиосети, состоящая из взаимосвязанных узлов, образующих ячеистую сеть. Кроме того, эти сети содержат беспроводные маршрутизаторы, которые создают беспроводную магистраль и зону обслуживания для абонентов и абонентов мобильной/стационарной связи, которые могут подключиться к одному из маршрутизаторов в пределах их зоны видимости. Структура этих ячеистых сетей представляет собой звезду со случайным расположением опорных узлов [3, 4].

Самоорганизующиеся ad-hoc сети — это беспроводные сети, в которых абоненты случайным образом переключаются между собой без необходимости использования базовых станций или опорных узлов и полагаются на децентрализованное управление. Структура такой сети предопределена случайным расположением узлов. Однако в мобильных ad-hoc сетях (MANET) основными отличительными характеристиками являются динамический характер топологии сети и случайное соединение узлов. Беспроводные сенсорные сети в основном используются в качестве сетей телеметрии. Эти сети состоят из малогабаритных сенсорных узлов, их основная функция - сбор, анализ и отправка телеметрических данных по радиоканалу[1].

Следует отметить, что независимо от типа самоорганизующейся сети и ее назначения, такие сети часто характеризуются динамически изменяющейся топологией сети, ограниченными характеристиками узлов, такими как мощность передатчика, заряд батареи и другие параметры. Самоорганизующиеся сети обладают различными размерами, различной мощностью передачи и мобильностью, ограниченной безопасностью и другими факторами [3]. Следовательно, при развертыванию этих сетей крайне важно учитывать влияние этих особенностей на каждом этапе их построения.

Разработка самоорганизующихся сетей предполагает ключевую задачу — создание их топологии: установление физических взаимодействий между узлами. Кроме этого, важным этапом становится управление данной структурой и отдельными её компонентами. Особенно важен учёт распределения узлов в пространстве при формировании таких систем. В контексте беспроводных сетей стандарты обеспечивают разнообразные механизмы для отслеживания местоположения как самого устройства, так и его соседних узлов [2]. Основными подходами к определению позиций в самоорганизующихся сетях являются геолокационные методы на основе реального расположения узлов. Также популярны системы с использованием виртуальных координат и триангуляции. Дополнительным инструментом служат алгоритмы, базирующиеся на характеристиках радиосигналов: уровне

RSSI (Received Signal Strength Indicator), времени задержки ToA (Time of Arrival) и других параметров [2-4].

Одновременно применяя множественные методы геолокации — такие как системы с виртуальными координатами, триангуляцию, анализ RSSI, ToA и других параметров радиосигнала [6] удаётся существенно повысить точность определения местоположения каждого узла в самоорганизующихся сетях. Исходя из этих данных строится уникальная топологическая структура сети. Управление такими системами обладает специфическими чертами и кардинально отличается от традиционных инфраструктурных сетей. Во-первых, управление сетью должно распределяться между всеми узлами сети и быть полностью децентрализовано. Во-вторых, выработку решений для управления узлом и сетью в целом необходимо осуществлять оперативно и в жестких временных рамках [5].

Управление в самоорганизующихся сетях имеет ряд особенностей и существенно отличается от управления в инфраструктурных сетях. Управлять узлом в самоорганизующейся сети можно, используя следующие принципы: адаптивность, функциональность, распределённость, координацию взаимодействия, иерархию и автоматизацию процесса принятия решений. Вместе с тем, механизм управления сетью должен обеспечивать контроль узлов и сбор информации о состоянии сети и ее смежных узлов, а также осуществлять выработку решений по изменению топологии сети, маршрутизации и т.д. Необходимо учитывать, что при решении задач управления сетью важную роль играют управляемые параметры физического, канального и сетевого уровней. Это могут быть мощность передатчика, скорость передачи данных, вид модуляции и другие характеристики. Также необходимо принимать во внимание ряд неуправляемых параметров: динамику изменения топологии сети и ее размерность. В целях управления топологией сети существует множество различных алгоритмов. Кроме того, существующие стратегии и способы управления топологией сети имеют возможность быть однородными или неоднородными. Под однородным управлением топологией в самоорганизующихся сетях понимают управление узлами, имеющими одинаковую мощность передатчиков и установленный радиус действия. В случае неоднородных методов управления топологией предполагается, что узлы способны управлять различными характеристиками на разных уровнях модели OSI [1].

Выделяют также централизованные и децентрализованные алгоритмы неоднородного управления топологией сети. Децентрализованные методы, в свою очередь, можно классифицировать на геометрические, которые основываются на информации о размещении узлов в пространстве, и графовые, где узлы располагают лишь сведениями о своих соседях. Наиболее распространенными из таких методов являются графовые алгоритмы, такие как LMST, DLSS, FLSS. В связи со сложностью управления мобильными узлами в самоорганизующихся сетях всё большее внимание привлекают методы управления, основанные на теории игр, которые рассмотрены в работах и некоторых других источниках. На основе анализа можно заключить, что подходы к созданию самоорганизующихся сетей значительно отличаются от методов, применяемых в инфраструктурных сетях. В частности, процесс поиска и установления связей с соседними узлами в таких сетях имеет свои особенности из-за динамичного поведения узлов. Кроме того, для управления сформированной топологией существует множество подходов, которые успешно применяются при реализации протоколов маршрутизации в самоорганизующихся сетях. При этом выбор алгоритмов будет зависеть от выбранной технологии доступа.

С учетом усложнений в управлении мобильными узлами в самоорганизующихся сетях, методы управления, основанные на теории игр, становятся всё более актуальными, чему способствует ряд исследований [4,5] и другие публикации. Анализ показывает, что стратегии, применяемые для создания самоорганизующихся сетей, существенно отличаются от тех, что используются в инфраструктурных сетях. В частности, процесс поиска и установления связи с соседними узлами в таких сетях имеет свои уникальные особенности из-за изменчивости поведения узлов. Более того, существует множество методов для управления уже сформировавшейся топологией, которые успешно применяются при реализации протоколов маршрутизации в самоорганизующихся сетях. В этой связи выбор алгоритмов будет определяться используемой технологией доступа.

Обзор и анализ технологий доступа для создания беспроводных самоорганизующихся сетей . Как уже упоминалось, процесс формирования физической топологии самоорганизующейся сети часто зависит от используемых технологий доступа к среде. Большинство современных самоорганизующихся сетей основываются на уже имеющихся технологиях беспроводного доступа, таких как IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.11 (WiFi), IEEE 802.15.4 (ZigBee) и других, в зависимости от назначения сети [3-5].

На Рисунке показано сравнение некоторых технологий доступа по максимальной доступной пропускной способности [6].

й R Я И й

И к S я й а

и о а с

о я о

0,2    ^{1     1}

0,2    ¹

0,2    ¹

ANT

IEEE 802.15.4 (ZigBee)    IEEE 802.15.1

Wi-Fi (IEEE 802 a,b,g,n….)

Bluetooth (4.0), BLE

Рисунок. Максимально доступная полоса пропускания технологий беспроводного доступа

Анализируя график на Рисунке, можно заметить, что стандарт Wi-Fi обладает высокой пропускной способностью. При этом увеличение полосы пропускания приводит к повышенному потреблению энергии устройствами, которые применяются в самоорганизующихся сетях [5]. В ходе исследования технологий доступа было установлено, что беспроводные технологии, такие как Wi-Fi, Bluetooth и IEEE 802.15.4 (ZigBee), чаще всего используются в самоорганизующихся сетях. При выборе фундаментальной технологии важно учитывать предназначение сети (Mesh, MANET, WSN), задачи, которые будут решаться, а также преимущества и недостатки каждой из технологий. В настоящее время для самоорганизующихся сетей, основанных на рассмотренных технологиях доступа, ключевыми остаются задачи по формированию топологии сети, межузловому управлению и маршрутизации.

Обзор и анализ протоколов маршрутизации в самоорганизующихся сетях. Алгоритмы маршрутизации в самоорганизующихся сетей делятся на три категории: Проактивная маршрутизация – наличие постоянно обновляемых полных списков адресов назначения и маршрутов до них. Реактивная маршрутизация осуществляется по мере необходимости, т.е. когда появляется трафик для конкретного адресата, с использованием запросов к соседним узлам и методов обнаружения соседей. Гибридная маршрутизация — сочетание элементов проактивной и реактивной маршрутизации. Т.е. хранение таблицы некоторых адресатов, и последующий их опрос по требованию по мере необходимости построения иных маршрутов. Важную функцию в функционировании самоорганизующихся сетей выполняют методы управления и, в частности задачам маршрутизации. Маршрутизация — это процесс определения наиболее эффективного маршрута доставки пакета к месту назначения. Комплекс мер по решению задач маршрутизации содержится в протоколах маршрутизации, которые затем реализуются в функционировании реальных телекоммуникационных систем. Используя одно устройство, сеть может одновременно поддерживать несколько протоколов маршрутизации. Протокол маршрутизации — это сетевой протокол, который маршрутизаторы используют для определения потенциальных путей передачи данных через сеть [4].

Следует отметить, что правила протоколов маршрутизации в самоорганизующихся сетях отличаются от правил в инфраструктурных сетях, хотя алгоритмы, используемые для поиска маршрутов, часто схожи. Это связано с тем, что самоорганизующиеся сети претерпевают динамические изменения, включая сдвиги положения узлов и их атрибутов. Это связано с динамическими изменениями в самоорганизующейся сети, такими как быстрое изменение местоположения узлов и их характеристик. В связи с этим протоколы маршрутизации, которые используют в инфраструктурных сетях, оказываются неэффективными, а порой и неработоспособными в условиях беспроводных самоорганизующихся сетей. Очевидно, что решение проблемы маршрутизации в таких сетях является важной и актуальной задачей. На выбор протоколов маршрутизации для самоорганизующейся сети обычно влияет технология, используемая для доступа к беспроводной среде, масштаб сети, ее структура и другие важные факторы. Независимо от конкретных алгоритмов маршрутизации, используемых в самоорганизующихся сетях, протоколы маршрутизации должны включать механизмы, обеспечивающие эффективную и надежную связь. Включает в себя механизмы, отвечающие за решение следующих задач: обнаружение соседних станций; оценка качества канала связи между соседними станциями; распространение информации о состоянии сети; выбор маршрутов передачи данных; ретрансляция пакетов по выбранным маршрутам [5].

Кроме того, выдвинут ряд требований для решения вышеперечисленных задач в самоорганизующихся сетях, таких как: малое время построения маршрута, высокая надежность доставки пакетов, минимальный объем служебной информации, отсутствие петель, механизмы оперативного обнаружения и восстановления нарушенных маршрутов, высокая масштабируемость, поддержка необходимого уровня качества обслуживания (QoS) [6]. Важно признать, что по мере дальнейшего развития самоорганизующихся сетей неизбежно возникнут новые требования. Наибольшее распространение в самоорганизующихся сетях получили проактивные (табличные) протоколы маршрутизации. Эти протоколы периодически рассылают в сеть служебные сообщения с информацией обо всех изменениях в ее топологии. В результате каждый узел в сети, основываясь на полученной информации, строит маршруты к остальным узлам и сохраняет их в таблице маршрутизации, откуда они могут быть извлечены при необходимости передачи сообщения конкретному адресату. Основной отличительной чертой проактивных протоколов маршрутизации является выбор алгоритмов, лежащих в их основе. Большинство из них используют алгоритмы Беллмана-Форда с некоторыми модификациями, а также алгоритм

Дейкстры для нахождения наиболее оптимального маршрута. В настоящее время наиболее распространенными проактивными протоколами в самоорганизующихся сетях являются DSDV, OLSR, FSR, WRP, B.A.T.M.A.N, Babel и другие. Анализ протоколов показал, что применение проактивной маршрутизации оказывается наиболее эффективным в условиях маломобильных и небольших самоорганизующихся сетей. При возрастании подвижности (динамической топологии) и увеличении числа узлов в сети использование проактивных протоколов приводит к быстрому росту нагрузки сети служебным трафиком и неэффективному расходованию энергетических ресурсов каждого узла, что представляет собой значительный минус при организации крупных, динамичных сетей, таких как мобильные ad-hoc сети (MANET) [1]. Также достаточно популярными являются реактивные (работающие по запросу) протоколы маршрутизации. Они формируют маршруты к конкретным узлам лишь в случае возникновения необходимости передачи информации от узла к узлу. В реактивных протоколах отправляющий узел широковещательно рассылает по сети запрос на получение маршрута, который должен дойти до нужного узла. В ответ на такой запрос узел-получатель отправляет сообщение-подтверждение, из которого отправитель получает информацию о необходимом маршруте и сохраняет его в своей таблице маршрутизации. При повторной передаче данных этому получателю маршрут просто извлекается из таблицы маршрутизации. Если обнаруженный маршрут становится недоступным, инициируется процедура поиска и поддержания маршрута. Наиболее известными реактивными протоколами являются AODV, DSR, DYMO [4].

В отличие от проактивных, реактивные протоколы демонстрируют большую эффективность в условиях динамически изменяющихся сетей, таких как MANET [5], благодаря снижению объема служебной информации, передаваемой по сети, поскольку маршруты ищутся только по мере необходимости. Тем не менее, несмотря на свои преимущества по сравнению с проактивными протоколами, реактивные имеют ряд недостатков, среди которых можно выделить увеличение задержки при поиске первичного маршрута, что связано с высокой подвижностью и большим количеством узлов. Это может привести к неработоспособности в некоторых случаях. Также значительным минусом является необходимость поиска нового маршрута в реальном времени, что существенно ограничивает применение реактивных протоколов для передачи трафика, чувствительного к задержкам, такого как видео или голосовая связь.

Для устранения недостатков проактивной и реактивной маршрутизации в подвижных сетях были разработаны гибридные протоколы, объединяющие механизмы обоих типов. Обычно такие протоколы разбивают сеть на несколько подсетей, внутри которых работает проактивный протокол, а взаимодействие между подсетями осуществляется с использованием реактивных методов маршрутизации. В крупных масштабируемых сетях это позволяет уменьшить размеры таблиц маршрутизации, хранящихся на узлах, поскольку им необходимо знать только маршруты к узлам внутри подсети, к которой они принадлежат. Применение такого подхода в гибридных протоколах способствует снижению объема передаваемой служебной информации по всей сети, так как основная часть передается только внутри подсети. Среди подобных протоколов сейчас наибольшее распространение получили HWMP, ZHLS, ZRP [5, 6].

Таким образом, объединение преимуществ проактивных и реактивных протоколов дает возможность применять гибридные технологии маршрутизации в крупных и динамичных сетях, таких как ad-hoc сети (MANET). В то же время их относительная сложность при реализации, необходимость повышения производительности оборудования (узлов) и снижение эффективности маршрутизации из-за необходимости деления сети на кластеры являются недостатками. В настоящее время существует множество исследований, посвященных различным протоколам маршрутизации [4-6]. В этих работах предлагаются рекомендации по оптимизации протоколов маршрутизации с целью повышения их эффективности в условиях самоорганизующихся сетей независимо от их размеров и других характеристик. Следовательно, можно заключить, что большинство современных протоколов маршрутизации, используемых в самоорганизующихся сетях, имеют множество недостатков, которые также требуют решения. При этом важно отметить, что выбор конкретного протокола маршрутизации чаще всего зависит от назначения самоорганизующейся сети и предъявляемых к ней требований. Требования к технологиям самоорганизующихся сетей могут варьироваться. Поэтому в небольших и малоподвижных сетях наиболее целесообразно применять проактивные или реактивные протоколы маршрутизации, тогда как в более крупных сетях гибридные протоколы могут оказаться более эффективными.

Анализ проблем самоорганизующихся сетей . Поскольку самоорганизующиеся сети являются беспроводными, они наследуют и проблемы традиционных беспроводных сетей. В частности, это вопросы, касающиеся энергоэффективности, синхронизации, электромагнитной совместимости, безопасности и ряда других аспектов. Для решения этих проблем в различных технологиях доступа могут применяться помехоустойчивые виды модуляции и аппаратные, программные технологии MIMO [4]. По результатам проведенного анализа необходимо отметить, что множество проблем в самоорганизующихся сетях взаимосвязаны и требуют комплексного подхода к решению. В ходе исследования выявлено, что одной из актуальных задач остается определение местоположения узлов. Без ее решения практически невозможно сформировать полную топологию сети. В настоящее время существует множество методов для решения этой проблемы, включая методы триангуляции, которые позволяют достаточно точно определять местоположение узлов даже в условиях динамически изменяющейся топологии. Также существуют проблемы управления сетью, так как методы, используемые в самоорганизующейся сети, должны принимать во внимание ее динамику и оперативно реагировать на все изменения. Кроме того, как уже упоминалось, в таких сетях часто невозможно использовать методы управления, характерные для традиционных сетей, из-за их централизованной природы. Одним из возможных решений этой проблемы может стать использование положительных аспектов как централизованного, так и децентрализованного подходов к управлению сетью.

Итак, результаты анализа продемонстрировали, что такие сети обладают значительным потенциалом для решения множества задач в области телеметрии. Однако существует еще ряд задач, которые остаются нерешенными или требуют доработки, и им будут посвящены дальнейшие исследования.