Методы оценки эффективности информационных сетей реферат
Исследование методов повышения эффективности использования сетевых ресурсов в инфокоммуникационных сетях связи.
Научный руководитель: к.т.н., Молоковский Игорь Алексеевич
На сегодняшний день сети передачи данных стремительно развиваются. Исследуются новые технологии, и способы доставки информации. Проводные сети передачи данных ушли далеко вперед, по сравнению с беспроводными, и достигли скоростей передачи 100 гигабит в секунду по технологии, Ethernet и 43 терабита в секунду по оптоволокну. Беспроводные сети далеко позади со скоростью 6.9 гигабит в секунду (теоретически). На открытом пространстве с передачей информации по беспроводным сетям проблем практически нет, но в закрытых помещениях связь может обрываться.
- Но беспроводные сети имеют такие преимущества:
- 1) Возможность создания сети без создания наземной инфраструктуры.
- 2) Быстрота организации. Недостатки таких сетей:
- 1) Так как зона покрытия ограничена, то не гарантируется доступность узла на момент передачи.
- 2) Построить точную топологию сети практически невозможно.
- Целями данной работы является:
- 1) Анализ предсказуемости топологии в самоорганизующихся сетях.
- 2) Анализ параметров сети для динамически подключаемых устройств.
- 3) Разработка математической модели сети.
- Для достижения поставленных целей необходимо выполнить такие задачи:
- 1) Исследование существующих протоколов маршрутизации в самоорганизующихся сетях.
- 2) Построение имитационной модели при которой повышается устойчивость к потерям сигнала.
Существует множество стандартизированных технологий и протоколов беспроводной связи использующиеся в сетях передачи данных такие как Zigbee, Bluetooth, Wi-fi.
Технология использует небольшие приемопередатчики малого радиуса действия, либо непосредственно встроенные в устройство, либо подключаемые через свободный порт или PC-карту. Адаптеры работают в радиусе 10 метров и, в отличие от IrDA, не обязательно в зоне прямой видимости, то есть, между соединяемыми устройствами могут быть различные препятствия, или стены.
Устройства, использующие стандарт Bluetooth, функционируют в диапазоне 2,45 ГГц ISM (Industrial, Scientific, Medical — промышленный, научный и медицинский диапазон) и способны передавать данные со скоростью до 720 кбит/с на расстояние до 10 метров и передачу 3 голосовых каналов. Такие показатели достигаются при использовании мощности передачи 1 мВт и задействованном механизме переключения частоты, предотвращающем интерференцию. Если принимающее устройство определяет, что расстояние до передающего устройства менее 10 м, оно автоматически изменяет мощность передачи до уровня, необходимого при данном расположении устройств. Устройство переключается в режим экономии энергии в том случае, когда объем передаваемых данных становится мал или передача прекращается.
Технология использует FHSS — скачкообразную перестройку частоты (1600 скачков/с) с расширением спектра. При работе передатчик переходит с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму. Для полнодуплексной передачи используется дуплексный режим с временным разделением (TDD). Поддерживается изохронная и асинхронная передача данных и обеспечивается простая интеграция с TCP/IP. Временные интервалы (Time Slots) развертываются для синхронных пакетов, каждый из которых передается на своей частоте радиосигнала.
Энергопотребление устройств Bluetooth должно быть в пределах 0.1 Вт. Каждое устройство имеет уникальный 48—битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.
Диапазон 2.45 гГц является не лицензируемым и может свободно использоваться всеми желающими. Управляет им лишь Федеральная комиссия по коммуникациям (FCC — Federal Communication Commission), ограничивая часть диапазона, которую может использовать каждое устройство. Беда в том, что этих устройств стало очень много — начиная от беспроводных сетей, поддерживающих стандарты 802.11 и 802.11b и устройств Bluetooth и вплоть до микроволновых печей! Сейчас комиссия рассматривает просьбу увеличить используемый диапазон для Home RF (спецификация, используемая в аудио — и видеотехнике). Это увеличение может повлиять на другие устройства, работающие в этом диапазоне, количество которых увеличивается. При этом FCC заявила, что использование не лицензируемой частоты несет несомненный риск и не исключена возможность помех и конфликтов между устройствами. Фирмы, поддерживающие технологи беспроводных сетей, в том числе и Bluetooth, активно протестуют против увеличения диапазона Home RF.
Устройства стандарта Bluetooth способны соединяться друг с другом, формируя пикосети, в каждую из которых может входить до 256 устройств. При этом одно из устройств является ведущим (Master), еще семь — ведомыми (Slave), остальные находятся в дежурном режиме. Пикосети могут перекрываться, а к ресурсам ведомых устройств может быть организован доступ. Перекрывающиеся пикосети могут образовать распределенную сеть, по которой могут мигрировать данные.[2]
Однако стандарт не описывает всех аспектов построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по-своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения. Поэтому возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей.
По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:
Отличия в топологии Zigbee и Thread от Wifi и Bluetooth представлены на рисунке.
Рисунок 1 — Сравнение топологий ZigBee, Thread с Wi-Fi и Bluetooth
Mesh сети — радиосети ячеистой структуры, состоящие из беспроводных стационарных маршрутизаторов, которые создают беспроводную магистраль и зону обслуживания мобильных и стационарных абонентов, имеющих доступ (в пределах зоны радиосвязности) к одному из маршрутизаторов. Топология – звезда, со случайным соединением опорных узлов.[5]
Рисунок 2 — Процесс подключения удаленных устройств посредством протоколов Mesh сети(45 кадров, бесконечное повторение цикла, 26кб)
Архитектура ячеистой сети состоит из некоторого количества узлов (node), которые образуют основу (backbone) сети, и клиентских устройств. Узлы могут связываться каждый с каждым и самостоятельно создавать маршруты передачи данных. Узлы обнаруживают отключения соседних узлов и появление новых, и автоматически перестраивают маршруты. Технология ячеистых сетей не является специфической для беспроводных сетей, но в беспроводных сетях она приобретает новые свойства. При использовании беспроводных узлов топология сети может легко перестраиваться простым перемещением, удалением или добавлением узлов. Прокладка кабелей между узлами не нужна. Теоретически можно накрыть mesh-сетью любую необходимую территорию. Основной проблемой при этом является достижение необходимого количества узлов и возможность обеспечения их электропитанием. Беспроводные клиенты могут перемещаться в пределах зоны покрытия, узлы будут строить правильные маршруты и обеспечивать прозрачный роуминг. С точки зрения абонентского сервиса подобные сети уже сегодня обеспечивают полный спектр IP- приложений — Ethernet, VoIP, real time video. Узлов (node), которые образуют основу (backbone) сети, и клиентских устройств. Узлы могут связываться каждый с каждым и самостоятельно создавать маршруты передачи данных. Узлы обнаруживают отключения соседних узлов и появление новых, и автоматически перестраивают маршруты. Технология ячеистых сетей не является специфической для беспроводных сетей, но в беспроводных сетях она приобретает новые свойства. При использовании беспроводных узлов топология сети может легко перестраиваться простым перемещением, удалением или добавлением узлов. Прокладка кабелей между узлами не нужна. Теоретически можно накрыть mesh-сетью любую необходимую территорию.
Основной проблемой при этом является достижение необходимого количества узлов и возможность обеспечения их электропитанием. Беспроводные клиенты могут перемещаться в пределах зоны покрытия, узлы будут строить правильные маршруты и обеспечивать прозрачный роуминг. С точки зрения абонентского сервиса подобные сети уже сегодня обеспечивают полный спектр IP-приложений — Ethernet, VoIP, real time video.
Беспроводная архитектура mesh имеет много общего с алгоритмом работы маршрутизаторов в сети Интернет, где маршрутизаторы самостоятельно принимают решение о направлении движения пакетов, основываясь на динамических протоколах маршрутизации. В обоих случаях, определенный путь, которым пакеты пройдут через промежуточные узлы, прозрачен для клиентов. Сети mesh являются самовосстанавливающимися: сеть будет работать, даже когда в сети имеется неисправный узел или потеряно подключение. В результате такой организации получается очень надежная сетевая инфраструктура.
В беспроводной сети mesh трафик динамически перенаправляется между узлами для выбора оптимального прохождения сигнала до пограничного маршрутизатора. Для этого используются специальные алгоритмы интеллектуальной маршрутизации. На направление трафика могут влиять факторы наименьшего количества скачков (hop) между узлами, их загруженность, приоритет трафика и т.п. То есть сеть mesh сама подстраивается под конкретные ситуации и оптимизирует пути прохождения сигнала.[6]
Протоколы маршрутизации работающие в таких сетях можно разделить на:
- 1. Проактивные: периодически посылают широковещательные запросы ко всем устройствам для составления таблиц маршрутизации.
- 2. Реактивные действуют только тогда когда нужно передать информацию от одного узла к другому. Для этого от устройства-отправителя посылается широковещательный запрос до устройства отправителя, задевая промежуточные узлы. По этим промежуточным узлам и строится маршрут от отправителя до получателя.
- 3. Гибридные протоколы используют принципы и проактивных и реактивных запросов.
- К проактивным протоколам относят OLSR, TBRPF,DSDV.
OLSR основан на механизме широковещательной рассылки для обновления информации о топологии сети.
К реактивным протоколам относят:
AODV (англ. Ad hoc On-Demand Distance Vector ) — протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc-сетей (MANET) и других беспроводных сетей. Разработан совместно в исследовательском центре Nokia университета Калифорнии, Санта-Барбары и университете Цинциннати К. Перкинсом и С. Дасом. AODV пригоден для маршрутизации как unicast-, так и multicast-пакетов.
Чтобы послать ответ на запрос, у узла адресата должен быть маршрут к исходному узлу. Если бы маршрут находился в кэше, использовалась бы кешированная запись. Иначе маршрут к исходному узлу будет определен на основе сохраненного в цепочке пути пакета-запроса (для этого необходимо, чтобы все каналы в сети были симметричны). В случае удачной передачи ответа инициализируется поддержки, посредством которой пакеты оповещающие об ошибке передачи, будут учитываться узлом. В результате испорченный канал связи будет удален из кэша маршрутов узла, как и все маршруты, содержащие этот канал. Затем будет повторно инициирована фаза поиска нового жизнеспособного пути.
К гибридным протоколам относят протокол HWMP HWMP — гибридный протокол беспроводной сети , определённый в IEEE 802.11s, является базовым протоколом маршрутизации для беспроводной ячеистой сети.[12] Основан на AODV , маршрутизации на основе дерева , на протоколе управления одноранговой связью, посредством которого каждая точка Mesh обнаруживает и отслеживает соседние узлы. Этот протокол гибридный потому, что поддерживает два типа протоколов выбора пути.
Сегодня сети представляют собой многоуровневую структуру. Подсчитать точное количество соединений практически невозможно. Тем не менее при всем этом, должны быть стандарты и технологии, которые обеспечивают максимально возможное качество обслуживания, максимальную скорость передачи, и должны быть легко масштабируемыми. Хотя существует ряд проблем связанных с беспроводными сетями , таких как затухание сигнала в помещении , эта проблема является решаемой благодаря mesh сетям, которые позволяют создавать ячеистую структуру с управляющим устройством которое в зависимости от типа протокола следит за всеми устройствами и строит оптимальные маршруты благодаря встроенным алгоритмам маршрутизации (Алгоритм Дейкстры и т.д.). В дальнейшем будет проведено моделирование с целью установления оптимальных свойств которые необходимо учитывать чтобы строить оптимальный маршрут от отправителя до получателя в беспроводных сетях.