книги2 / монография 31

Беспроводные ad-hoc сети обладают важной особенностью, которая заключается в том, что узлы таких сетей соединяются между собой динамически, случайным образом. Если необходимо передать сообщение не соседнему узлу, а узлу, находящемуся на значительном расстоянии вне радиуса действия приемопередающих устройств узла-отправителя, то это сообщение передается по пути, включающему в себя несколько транзитных узлов, выполняющих функции узлов-маршрутизаторов. Другая важная особенность ad-hoc сетей состоит в том, что узлы в сети независимы друг от друга, т.е. любой узел сети может в произвольный момент времени включаться или выключаться. Это приводит к тому, что топология беспроводной сети приобретает случайный, динамический характер. С учетом этих особенностей ad-hoc сеть можно назвать самоорганизующейся беспроводной сетью.

Узлы ad-hoc сети могут исполнять роль, как хоста, так и маршрутизатора. Поэтому отказ любого узла сети не приводит к полной потере работоспособности всей сети. Это обстоятельство обуславливает высокую отказоустойчивость и масштабируемость ad-hoc сетей.

Сети ad-hoc называются сетями с произвольной структурой потому, что каждый из узлов сети может передавать данные любому другому узлу сети (рисунок 6.1). А решение о том, по какому маршруту, и какому узлу передавать данные принимается динамически, с учетом текущего состояния связности сети. Это отличает сети ad-hoc от традиционных компьютерных сетевых технологий, в которых задачи передачи данных выполняют специальные стационарные узлы (маршрутизаторы, коммуникаторы, сетевые концентраторы (хабы)).

159

Рис.6.1. Пример упрощенной архитектуры беспроводной ad-hoc мобильной сети

На базе возможностей ad-hoc сетей могут создаваться разнообразные мобильные среды, в рамках которых взаимодействуют между собой отдельные люди и различные устройства (беспилотные летательные аппараты, автомобили, самолеты), а также отдельные подразделения (военные соединения, подразделения МЧС) и т.д.

В настоящее время ad-hoc сети можно классифицировать следующим образом [54 – 56]:

­Беспроводные сенсорные сети (сети, состоящие из распределенных автономных устройств, использующих сенсоры для контроля состояния сложных технических систем или, например, состояния окружающей среды).

­Беспроводные Mesh сети (сети, построенные на основе беспроводной локальной сети и принципе ячеек, т.е. беспроводные ячеистые сети), которые включают в себя множество фиксированных беспроводных базовых станций

– маршрутизаторов.

160

­Мобильные сети произвольной структуры (MANETs), которые состоят из множества случайным образом перемещающихся в пространстве узлов.

Существуют несколько различных подходов к классификации беспроводных технологий, на основе которых строятся беспроводные сети [54].

По дальности действия можно выделить следующие классы беспроводных технологий:

­WPAN (Wireless Personal Area Networks) – беспроводные персональные сети – пример технологии: Bluetooth.

­WLAN (Wireless Local Area Networks) – беспроводные локальные сети – пример технологии: Wi-Fi.

­WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) –

беспроводные сети масштаба города – пример технологии:

WiMAX.

­WWAN (Wireless Wide Area Network) – беспроводные глобальные сети – примеры технологий: GPRS, EDGE, LTE.

­WSN (Wireless sensor network) - беспроводные сенсорные сети (например, технология ZigBee).

Классификация беспроводных сетей по их топологии:

­Точка-точка.

­Дерево

­Звезда

­Ячеистые (mesh) сети

Наиболее сложным и в тоже время наиболее интересным вариантом мобильных сетей являются одноранговые мобильные сети произвольной структуры MANET (Mobile Ad hoc NETworks или wireless ad hoc network). Такие сети состоят из множества мобильных, перемещающихся в пространстве узлов, которые могут работать изолированно или иметь шлюзы, или интерфейсы в стационарные сети. Каждый узел такой сети может играть роль, как хоста, так и маршрутизатора. Эта одноранговая сеть не имеет инфраструктуры. Она лишена базовых станций, маршрутизаторов и централизованного управления. Узлы перемещаются случайным образом и динамически подключаются друг с другом, и так же динамически отключаются друг от друга.

161

Основная особенность таких сетей заключается в том, что их топология может меняться случайным образом в непредсказуемые моменты времени из-за того, что узлы сети мобильны и перемещаются, могут появляться в сети или отключаться от нее, а также из-за того, что условия распространения радиосигнала также могут меняться.

Можно выделить следующие достоинства сетей MANET:

­относительная простота развертывания сетей данного типа,

­устойчивость сетей к изменениям в топологии,

­возможность простой масштабируемости сети,

­возможность передачи данных на большие расстояния, превышающие возможности передатчика,

­возможность реконфигурации сети при усилении помех.

При проектировании и эксплуатации сетей MANET необходимо учитывать возможные проблемы, которые обусловлены самой природой самоорганизующихся мобильных сетей:

­динамичность (изменчивость) топологии сети, связанная с мобильностью узлов, возможными обрывами связи из-за возникающих помех, включения или выключения мобильных узлов,

­ограничения, связанные с технической реализацией мобильных узлов (такие, как, например, размер оперативной и долговременной памяти, емкость батареи питания, мощность процессора).

Эффективным и широко используемым средством обеспечения доступности, сохранности и достоверности данных в современных распределенных системах являются методы репликации данных. Эти методы также широко используются и в мобильных сетях, но с учетом особенностей этих сетей.

6.2.Особенности сетей MANET, влияющие на репликацию данных в этих сетях

Элементы данных мобильной ad hoc сети (MANET) расположены в узлах этой сети. На качество связи между мобильными серверами и мобильными клиентами этой сети влияет мобильность узлов сети и ограниченная емкость энергии

162

аккумуляторов узлов сети. Для повышения доступности данных в MANET создаются реплики данных, которые размещаются на разных мобильных узлах. Репликация данных в ad hoc сетях MANET имеет свои особенности, которые отличают эти сети от традиционных компьютерных сетей [57, 58].

В дополнение к таким задачам, как непротиворечивость и доступность данных, которые решаются в традиционных распределенных базах данных, методы репликации данных баз данных MANET должны также решать несколько дополнительных проблем, связанных с особенностями архитектуры и функционирования сетей MANET.

Ограниченная емкость аккумуляторных батарей узлов-

серверов. Серверы в MANET получают электроэнергию от батарей. Потребление энергии узлами-серверами сети, которые предоставляют услуги доступа к данным потенциально многим узлам-клиентам, должно быть минимизировано. Если узел-сервер обменивается данными со многими узлами, то частые запросы к данным сервера могут быстро истощить энергию его батареи.

Емкость источников питания узлов-клиентов. Мобильные устройства клиентов (например, смартфоны, планшеты, ноутбуки) также работают от батареи. Эти устройства также могут использовать ограниченное количество электроэнергии, которое им могут предоставить встроенные батареи, прежде чем батарея потребует перезарядки. Батарея мобильного устройства может разрядиться, если клиент ждет результатов своих запросов в течение длительного времени. Поэтому технология репликации должна реплицировать элементы данных на узлах-серверах таким образом, чтобы снизить энергопотребление клиента.

Мобильность серверов. Серверы в MANET являются мобильными узлами, поэтому топология сети быстро меняется. Изза своей мобильности серверы могут иногда перемещаться в такую область, где они могут быть не доступны другим серверам или узламклиентам. Технология репликации должна избегать репликации «горячих» (наиболее часто используемых) элементов данных на изолированные сервера.

Мобильность узлов-клиентов. Узлы-клиенты также являются мобильными узлами. Как правило, для получения наиболее быстрого ответа клиенты адресуют запросы для получения необходимых

163

данных к ближайшим серверам. Решение о размещении реплики данных на том или ином узле-сервере может приниматься на анализе частоты доступа к этим данным на этом узле-сервере.

При этом узел-клиент после отправки запросов на узел-сервер для получения доступа к данным может через некоторый интервал времени переместиться на новую позицию. Тогда этот узел будет отправлять новые запросы уже к другим ближайшим узламсерверам, исходя из своего нового местоположения. Из этого следует, что частота запросов к серверам является динамической по своей природе. Поэтому и решение о репликации данных на тех или иных узлах-серверах должно быть динамическим.

Приложения в реальном времени: На базе ad hoc MANET сетей,

могут разрабатываться и эксплуатироваться прикладные системы, критичные по времени исполнения транзакций (запросов к узламсерверам на получение или изменение данных). Например, распределенные системы, автоматизирующие спасательные операции МЧС, или распределенные системы для автоматизации военных операций. Подобного рода системы являются критичными по времени. В зависимости от требований к допустимым нарушениям времени исполнения транзакций такие системы делятся на два основных класса: системы жесткого времени (hard real-time) и системы мягкого реального времени (soft real-time). Если для систем мягкого реального времени нарушение ограничений на время выполнения транзакций (deadline) не критичны и приводят главным образом к снижению показателей эффективности функционирования системы (например, превышено минимальное время отклика на запрос, увеличиваются затраты на эксплуатацию системы), то для систем жесткого реального времени такие нарушения равнозначны отказу системы. Поэтому технология репликации должна быть способна доставлять правильную информацию без нарушения ограничений на время выполнения транзакций, как жестких, так и мягких.

Частое отключение мобильных хостов. Мобильные хосты часто отключаются от сети из-за различных факторов, таких как сбой питания или их мобильность. Кроме того, некоторые пользователи мобильных устройств регулярно включают и выключают свои устройства для экономии энергии, что приводит к большему отключению сети. Серверы, на которых хранятся данные, не могут

164

предоставлять услуги, если они отключены от других мобильных хостов. Таким образом, в идеале алгоритм репликации должен иметь возможность определять, когда конкретный мобильный хост будет отключен, и, соответственно, реплицировать его элементы данных на другом сервере, чтобы улучшить доступность данных.

Нарушение связности отдельных узлов сети. Мобильность пользователей мобильной сети может привести к ситуации, когда один или несколько мобильных устройств пользователей окажутся за пределами зоны видимости ближайших узлов сети. Это приводит к тому, что такие мобильные устройства оказываются вне зоны действия мобильной сети. Пример такой ситуации показан на рисунке 6.2.

Мобильный узел 3 сменил свое местоположение и оказался вне зоны радиовидимости ближайших узлов 1,2 и 7. В результате узел 3 оказался вне зоны действия мобильной сети.

Рис.6.2. Нарушение связности отдельных узлов сети

Нарушение связности сети (разделение сети на фрагменты). Вследствие частого отключения мобильных хостов нарушение связности в сетях MANET происходит чаще, чем в других мобильных системах. И это является для сетей MANET серьезной проблемой. В ситуации, когда узел-сервер, который содержит

165

необходимые данные, оказывается в отдельном изолированном фрагменте сети, значительно снижается уровень доступности данных. Поэтому используемый в таких сетях метод репликации данных должен быть в состоянии определить момент времени, когда может произойти разбиение сети, и заранее выполнить репликацию требуемых данных на другой доступный узел.

Подмножества соседних узлов сети могут изменять свой состав с течением времени в силу динамичной топологии сети MANET. Узлы перемещаются в пространстве и могут выходить из зоны радиосвязи других узлов сети, к сети могут подключаться новые узлы и, наоборот, те или иные узлы могут выключаться. В соответствии с этими изменениями в топологии сети меняется и состав подмножеств соседних узлов.

В качестве примера рассмотрим фрагмент сети, представленный на рисунке 6.3.

Рис.6.3. Фрагмент сети. Начальная топология

На рисунке видно, что фрагмент мобильной сети состоит из двух связанных сегментов. Первый сегмент состоит из мобильных узлов 1

– 8. Второй из узлов 9 – 12. Окружностями выделены зоны радиовидимости узлов 1,8 и 12, и, соответственно множества их соседних узлов. Связь между двумя сегментами происходит через канал между узлами 8 и 9.

Предположим, что узлы 9 – 12 через некоторое время изменили свое положение. В результате топология фрагмента сети изменилась,

166

сеть разделилась на два несвязанных сегмента, и приобрела вид, показанный на рисунке 6.4.

Рис.6.4. Фрагмент сети. Топология сети из двух сегментов после перемещения узла 9

На рисунке 6.4 видно, что связь между узлами 8 и 9 разорвана, так как оба узла вышли из зон радиосвязи: 8 – из зоны радиосвязи узла 9, и узел 9 вышел из зоны радиосвязи узла 8. В итоге два сегмента сети стали изолированы друг от друга, поскольку между ними не осталось ни одного канала связи для обмена сообщениями.

6.3. Особенности маршрутизации в ad hoc сетях MANET

Вследствие динамичной структуры ad hoc сети, логично следующей из мобильности и негарантированной доступности узлов, задача выбора маршрутов доставки данных в таких сетях становится одной из сложнейших задач проектирования и создания ad hoc сетей [59–61]. Поэтому главной целью выбора метода маршрутизации в adhoc сети является обеспечение эффективной маршрутизации передаваемых блоков данных. Сложность этой задачи обусловлена динамичным, а в некоторых реализациях – и случайным, характером структуры сети. Проблема становится еще более сложной, если в качестве узлов сети используются мобильные устройства. Однако широчайшее распространение мобильных устройств – мобильных телефонов, карманных компьютеров, и т.п., оснащенных средствами беспроводной связи малого и среднего радиуса действия, делает весьма привлекательной идею использования их в основном

167

бездействующего коммуникационного ресурса для передачи данных по принципу «возьми и передай дальше».

Сложной проблемой динамических сетей на базе мобильных устройств является также и определение местоположения того или иного узла относительно других. В ситуации, когда узлы беспроводной сети могут свободно перемещаются в пространстве, задача обеспечения надежной и, в тоже время, эффективной с точки зрения затрат коммуникационного ресурса сети, маршрутизацию становится чрезвычайно сложной. В этом случае практически реализуемым решением становится лишь маршрутизация блока данных в направлении наиболее вероятного местонахождения получателя.

Специфика построения и функционирования сетей MANET предъявляет ряд важных требований к механизмам маршрутизации в таких сетях [59].

Протоколы маршрутизации должны:

­быть распределенными,

­обеспечивать доставку сообщений с высокой надежностью,

­строить маршруты в сети с динамической топологией за малое время,

­оперативно обнаруживать разрывы маршрутов и быстро их компенсировать (восстанавливать или строить альтернативный маршрут),

­по минимум загружать сеть служебной информацией,

­обладать высокой степенью масштабируемости.

Протоколы маршрутизации, используемые в мобильных сетях, можно классифицировать по нескольким признакам [59–61]. В частности, с использованием следующих признаков:

По типу данных, используемых для построения маршрутов: топологические (используют данные о топологии сети) и географические (используют данные о географическом положении узлов).

По принципу работы протоколов:

Проактивные (табличные) протоколы, которые используют для своей работы таблицы маршрутизации, хранящиеся в узлах сети и

168