Анализ протоколов маршрутизации. Достоинства и недостатки

Введение. Беспроводные сети связи представляют собой новый тип информационно-коммуникационной системы, предназначенные для мониторинга,    сбора информации, посредством протоколов маршрутизации, и управления исполнительными устройствами, с областью покрытия от нескольких метров до десятки километров. Основными их особенностями являются самоорганизация, относительно не высокая скорость передачи данных, простота обслуживания, наличие средств защиты данных и масштабируемость. Технологии беспроводной связи на сегодняшний день являются наиболее востребованными, благодаря чему они имеют огромные перспективы для реализации.

Сетевой уровень модели OSI - предназначен для определения пути передачи данных. Он отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших (эффективных) маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и коллизий в сети. Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю [1].

SPIN - является адаптивным протоколом, который позволяет строить маршруты передачи информации с высокой энергетической эффективностью. Используется техника лавинного распространения, которая значительно повышает эффективность маршрутизации, т.е сообщение от каждого узла распространяется по всей сети, благодаря чему можно получить информацию от любого узла по запросу.

Система работает по принципу отправки сообщений трех типов: 1.ADV –для информирования о наличии новых данных в узле, содержит их описание в виде так называемых «метаданных»;

• 2 .REQ – для запроса данных;

• 3 .DATA – для пересылки непосредственно самих данных.

Суть алгоритма заключается в следующем: именуя метаданные, узлы обмениваются информацией, которой они обладают, с остальными. Этот обмен, при котором узлы передают информацию, только когда это необходимо, позволяет не тратить энергию для ненужных передач. Исходя из доступных ресурсов, узлы могут уменьшить свою активность для продления дееспособности [2].

Direcied Diffusion – протокол, ориентированный на данные, которые генерируются узлами и обозначаются парами атрибутов, т.е комбинирует данные от различных источников на промежуточном узле, устраняя избыточность и уменьшая количество передач, таким образом, продлевая время жизни сети.

Процесс маршрутизации начинается с рассылки центральным узлом сообщений запроса (interest). Затем определяется градиент, который указывает возможное направление маршрутизации, при этом каждый градиент имеет свой вес. На основе всех данных выбирается оптимальный вес маршрута продвижения данных (рис.1) [3].

GPSR относится к классу алгоритмов, использующих географическую информацию о местоположении узла в пространстве при этом каждый узел знает о своем месте нахождения и ближайших соседей, т.е пересылка сообщения осуществляется узлом тому соседу, который находится ближе всего к адресату.

Для обхода зон отсутствия связи применяется маршрутизация по периметру, когда выбираются по правилу «правой руки» узлы, находящиеся дальше от узла-адресата, чем исходный узел. В связи применения маршрутизации по периметру маршруты становятся еще более неоптимальными и длинными, при этом требуется построение планарного графа (рис.2) [4].

Обход

ТУПИК

Рис.2. Метод GPSR

LEACH относится к классу иерархических методов маршрутизации с балансировкой энергетической нагрузки. Близлежащие узлы низшего ранга и один узел высшего ранга, находящиеся в одной зоне радиодоступа, объединяются в отдельную группу – кластер, выполняющего функции маршрутизации для всех остальных узлов кластера (рис.3). Глава кластера выбирается случайным образом и периодически сменяется так, чтобы равномерно распределить энергетическую нагрузку по всем узлам кластера[5,6].

Базовая станция о о

Рис.3. Топология LEACH

OLSR - проактивные протокол маршрутизации по состоянию канала. Имеет две технологии:

• 1.    Основан на механизме широковещательной рассылки (сообщений приветствия и контроля) для обновления информации о топологии сети и обновления маршрутной информации. Узел данной сети строит граф, который, описывает представление о построении сети для данного узла.

• 2.    Используются сообщения управления топологией. Путем отправления Hello-сообщений протокол OLSR на каждом узле обнаруживает информацию о соседях, после чего выполняется распределенный выбор многоточечных связей (MPR – MultiPoint Relay), которые будут осуществлять перенаправление рассылки обновлений маршрутизации. Узлы выбирают MPR так, чтобы существовали маршруты через него к каждому из соседей в пределах двух переходов [7].

Рис.4. Различия между широковещательной рассылкой (слева) и рассылкой с использованием MPR (справа)

Реактивный протокол DSR предназначен для маршрутизации в самоорганизующихся сетях. Основная работа протокола заключается в широковещательной рассылке пакетов RouteRequest по всей сети. Для этого происходит инициализация этого пакета, после его получения каждый узел передает его своему соседу. Для того чтобы не возникало ситуации, что приходят на один и тот же узел дублированные пакеты, каждому пакету RouteRequest присваивается порядковый номер. Как только адресат получает этот пакет, он отправляет ответ в виде пакета RouteReply, содержащего в себе маршрут, сформированный при пересылке RouteRequest [8].

Рис.5. Маршрутизация в сети DSR

Гибридный протокол маршрутизации HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) объединяет в себе два режима построения путей: реактивный и проактивный, которые могут быть использованы как отдельно, так и совместно в одной сети. При этом используются широковещательные пакеты для пересылки данных.

В реактивном режиме, маршрутные таблицы создаются в узлах непосредственно перед передачей (по запросу RREQ). Перед началом передачи, узел-отправитель формирует широковещательный запрос Path Request (RREQ) ко всем соседним узлам, которые, в свою очередь вносят необходимые изменение в поле метрики, и посылают данный запрос далее. Узел-получатель принимает пакет RREQ с уже сформировавшейся информацией о метрике всего пути, и формирует пакет подтверждения Path Reply (RREP), который отсылает отправителю. Отправитель, приняв пакет RREP, считывает информацию о метрики пути и принимает решение о начале процесса передачи (рис.6а).

В отличие от реактивного режима, где таблица маршрутизации создаётся в момент необходимости передачи информации, проактивный режим предусматривает наличие корневого узла. Данный корневой узел рассылает широковещательные RREQ запросы, тем самым формируя дерево путей с вершиной в корневом узле. Таким образом, на момент необходимости передачи информации, узлы уже имеют таблицу маршрутизации, что позволяет быстрее установить соединение с узлом назначения (рис. 6б) [9].

Рис.6. Пример построения маршрута в реактивном (а) и проактивном (б) режимах

GAF основывается на кластерном разбиении сети, использует информацию о пространственном расположении узлов.

Вся территория разбивается на фиксированные зоны, которые формируют так называемую «виртуальную сетку» (virtual grid). Эти зоны ассоциируются с кластером, в который входят узлы, находящиеся в зоне видимости другими узлами (рис. 7). Внутри кластера путем голосования происходят выборы узла - «лидера», отвечающего за поддержание взаимосвязанности сети и маршрутизацию трафика в условиях, когда все остальные узлы деактивированы и находятся в «спящем» режиме. Он также выполняет обязанности по мониторингу состояния узлов. Таким образом, устраняется избыточность ретранслирующих узлов в сети и минимизируется расход энергии [10].

Ri - радиус радио до ступа "лидера" i

Рис.7. Метод GAF

Достоинства и недостатки протоколов маршрутизации

На основе проведенного сравнительного анализа протоколов маршрутизации выявим их достоинства и недостатки по следующим параметрам:  мобильность, потребляемая мощность, согласованность, агрегация данных, локализация, QoS, сложность структуры, масштабируемость, множественность путей.

• 1.    Согласованность – все элементы в сети взаимосвязаны друг с другом;

• 2.    Агрегация данных - процесс сбора, обработки и представления информации в окончательном виде. Агрегирование данных в основном выполняется для формирования отчетов, графиков и диаграмм;

• 3.    Локализация - дальность действия сети ограничивается определенной зоной покрытия.

Таблица 1

	Мобиль^ ность	По тр еб ляемая МОЩНОСТЬ	Согла сован ность	Агрегация данных	Лока лиза ция	QoS	Сложность струк т ур ы	Масштабируемость	Множественность путей
SPIN	Возможна	Ограничена	Да	Да	Нет	Нет	Низкая	Ограничена	Да
DD	Ограничена	Ограничена	Да	Да	Да	Нет	Низкая	Ограничена	Да
GPSR	Ограничена	Ограничена	Да	Да	Да	Нет	Низкая	Ограничена	Нет
LEACH	Фиксированные БС	Максимальна	Нет	Да	Да	Нет	Главные узлы кластера	Хорошая	Нет
OLSR	Возможна	Не определена	Да	Да	Да	Нет	Средняя	Ограничена	Нет
DSR	Возможна	Не определена	Да	Да	Да	Нет	Низкая	Ограничена	Нет
HWMP	Ограничена	Ограничена	Да	Да	Да	Нет	Средняя	Ограничена	Нет
GAP	Ограничена	Ограничена	Нет	Нет	Нет	Нет	Низкая	Хорошая	Нет

Заключение.

Рассмотренные протоколы, в зависимости от выполняемых задач, структуры и организации сети имеют свои достоинства и недостатки как видно это из таблицы 1 [1].

Следует отметить, что единого универсального подхода к маршрутизации в беспроводных сетях не существует, поэтому на сегодняшний день существует множество проблем в области создания беспроводной сети. И главной является как раз таки проблема осуществления маршрутизации посредством протоколов, которые, в свою очередь, имеют ряд недостатков таких как: влияние физической среды; низкая энергетическая эффективность; низкая скорость передачи данных; отсутствует должное качество обслуживание; вероятность сбрасывания и удаления пакетов и тд.

Таким образом, в настоящее время разработка нового протокола маршрутизации, исключающего все недостатки, и совершенствование существующих с целью повышения эффективности передачи данных, является актуальной задачей.