1.3 Mesh-сети
Применение в мобильной робототехнике вносит специфические требования к создаваемой информационной сети. Прежде всего это связано с непостоянным количеством роботов, находящихся в сети. Так как роботы подвижны, кто-то из них может переместиться за зону покрытия сети или наоборот, присоединиться к ней в любой момент. Отсюда вытекают такие требования как масштабируемость и устойчивость сети к потере связи с отдельными узлами. Соединяться в сеть для совместного решения общей задачи роботы должны самостоятельно, без непосредственного участия человека. Следовательно, топология сети должна обеспечивать автоматическое создание сети и распределения трафика по оптимальным маршрутам. Среди всех известных топологий для беспроводных сетей существует одна, оптимально удовлетворяющая поставленным условиям. Это топология ячеистой сети (mesh-сети).
Беспроводная ячеистая сеть (Wireless Mesh Network — WMN) образуется на основе множества соединений «точка–точка» узлов, находящихся в области радиопокрытия друг друга (mesh peertopeer, multi-hop). Ключевое свойство самоорганизации ячеистых сетей заключается в том, что, во-первых, соединения между узлами устанавливаются автоматически; во-вторых, любой узел может выполнять функции транзитной передачи пакетов (маршрутизации) для других участников сети.
Подобно Интернету, оперирующему как гигантская ячеистая сеть, WMN также надежна и масштабируема. Это может показаться парадоксальным, но именно сложность соединений позволяет упростить ее реализацию и функционирование. Правда, для этого разработчикам необходимо приложить значительные усилия и сделать WMN настолько самоуправляемой, насколько это возможно. Фактически многие преимущества беспроводных ячеистых сетей вытекают из четырех особенностей самоуправления. Прежде всего это автоматическое конфигурирование и реконфигурирование – новые узлы становятся полноправными буквально через минуту после загрузки. Вдобавок перемещение узлов с подсоединенными к ним Ethernet-устройствами (рабочими станциями, серверами, камерами наблюдения, шлюзами или маршрутизаторами, если таковые имеются) происходит незамедлительно.
Автоматическое само/реконфигурирование делает WMN и самонастраивающейся, позволяя динамически перенаправить трафик по оптимальному пути. Если параметр и критерий оптимизации выбраны, то за дело принимается таблица маршрутизации, которая направляет трафик, скажем, по кратчайшему, самому быстрому или наименее перегруженному пути.
Из первых двух особенностей вытекает третья – самовосстановление. Множество избыточных путей увеличивает надежность, и при правильном размещении узлов отсутствуют единая точка отказа и возможные заторы внутри сети. Если какой-нибудь канал перегружен или узел вышел из строя, сеть автоматически перенаправляет трафик по альтернативному маршруту. Ну и четвертая особенность является очевидным результатом трех предыдущих – ячеистая сеть осуществляет собственный мониторинг.
Большинство производителей WMN предоставляют также некую консоль для централизованного управления, но сеть может быть развернута и работать без таковой. Правда, консоль обеспечивает общую картину сети, что может оказаться полезным для определения необходимого количества узлов и их наилучшего расположения. Однако с централизованной консолью или без нее WMN – простейшая топология с точки зрения разворачивания и функционирования.
Одним из дополнительных преимуществ WMN является возможность масштабировать производительность, поскольку сеть способна легко расширяться, в том числе и инкрементно. Агрегированная полоса пропускания от одного края сети к другому зависит от топологии и природы входящего и выходящего трафика. Теоретически, чем больше узлов, тем выше общая производительность и надежность ячеистой сети, но чтобы их максимизировать, каждый узел должен иметь по крайней мере двух соседей.
Рисунок 1.3 – Ячеистая (mesh) топология
Одноранговые mesh-сети способны стихийно возникать в тех местах, где необходимо взаимодействие между пользователями, и исчезать, когда эта потребность отпадает. Такие сети могут быть построены на основе только клиентского беспроводного оборудования. Однако большинство существующих mesh-технологий в беспроводных сетях используются на уровне устройств доступа к сети (инфраструктурные сети).
Область применения ячеистой топологии.
Ячеистая топология для экономичных низкоскоростных сетей успешно реализована в технологии ZigBee. Низкое энергопотребление позволяет использовать эту технологию в беспроводных сетях датчиков (Wireless Sensor Network) и различных бытовых устройств в рамках концепции цифрового дома (Digital Home), в компьютерных устройствах беспроводных персональных сетей WPAN, не предъявляющих высоких требований к скорости каналов связи (пульты управления, джойстики, мыши и т. д.). Низкая пропускная способность (до 250 кбит/c) ограничивает применение ZigBee для передачи больших объемов данных и мультимедиа-трафика.
Wireless Mesh: моделирование коммуникаций в ЧС. Поскольку Wireless Mesh позволяет организовать надежное и защищенное покрытие в определенной локальной зоне, эта технология считается эффективным решением для обеспечения мобильных высокоскоростных коммуникаций в кризисных ситуациях. Сеть Mesh — «самовосстанавливающаяся», то есть автоматически реконфигурируется в случае отключения некоторых точек доступа. Она продолжает функционировать, даже если некоторые устройства сети выходят из строя. Такое свойство сети позволяет ее восстановить или быстро расширить для обеспечения покрытия в зоне бедствия или чрезвычайного происшествия. Такая сеть может быть развернута с нуля в считанные часы, в крайнем случае, в течение одного дня с начала кризисной ситуации или стихийного бедствия.
Нередко в городах и мегаполисах экстренные службы используют собственные, закрытые коммуникационные системы, работающие на разных радиочастотах, в результате при стихийном бедствии эти радиосистемы не позволяют сотрудникам таких служб связываться друг с другом. Но если на территории города функционирует Wireless Mesh, сотрудники всех экстренных служб смогут подключать к данной единой сети свои коммуникационные устройства. Для обеспечения безопасности при доступе к сети будет необходимо ввести пароль. После успешной авторизации вся информация передается в полностью защищенном и зашифрованном виде. При работе в сети Mesh сведения также туннелируются, то есть отделяются от информации других пользователей, не относящейся к экстренным службам, что исключает несанкционированный доступ к данным или нарушения конфиденциальности.
Вопросы использования ячеистой топологии в беспроводных глобальных (WWAN) и городских (WMAN) сетях также активно изучаются. Например, в рамках рабочей группы IEEE 802.16, которая занимается стандартизацией технологии WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), ведутся исследования mesh-технологий.
Ячеистая топология в беспроводных локальных сетях(WLAN) используется для объединения точек доступа в беспроводную систему распределения сообщений (Wireless Distribution System — WDS). WDS предназначена для замены проводных каналов взаимодействия устройств доступа к сети на беспроводные.
Таблица 1.2. — Традиционные WLAN и Wireless Mesh
Очевидно, что для представленной организации сети необходимы изменения в протоколах физического, канального уровней и маршрутизации. Беспроводные ячеистые сети имеют определенные особенности, связанные с применением как беспроводной среды передачи, так и ячеистой топологии.
Использование беспроводной системы распределения увеличивает трафик, передаваемый по каналам, что повышает требования к физическому уровню. Одним из путей решения данной проблемы для существующих протоколов радиопередачи является разделение взаимодействия точек доступа между собой (5 ГГц IEEE 802.11a) и точек доступа с клиентами (2,4 МГц IEEE 802.11g/b), что и сделано в большинстве реализаций. Альтернативный подход заключается в использовании одного частотного диапазона для всех коммуникаций, что требует от разработчиков протоколов физического уровня усовершенствования и оптимизации технологий модуляции, кодирования и передачи (Multiple Input Multiple Output — MIMO, многоканальные и многоантенные системы и т. д.).
Классический протокол 802.11 MAC также имеет ограничения для применения в mesh-сети. Во-первых, данный протокол ориентирован на одно соединение, а ячеистая топология подразумевает множество одновременных соединений с соседними узлами. Во-вторых, 802.11 MAC описывает только передачу данных между двумя узлами (onehope), и транзитная доставка сторонним узлам (multi-hop) выходит за рамки его применения.
Рисунок 1.4 — Инфраструктура mesh-сети
Решение последней задачи (схожей с маршрутизацией в обычных сетях) возможно как на сетевом, так и на канальном уровнях. При этом протокол транзитной доставки должен эффективно использовать множество возможных маршрутов, иметь интеллектуальный механизм выбора оптимального пути, быть надежным и отказоустойчивым, в то же время быть масштабируемым и совместимым с различными технологиями радиопередачи.
Маршрутизация на сетевом уровне обладает высокой совместимостью и расширяемостью в силу независимости от нижележащих протоколов. На сетевом уровне работает протокол PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), разработанный компанией Tropos Networks. PWRP во многом аналогичен известному протоколу маршрутизации для проводных сетей OSPF (Open Shortest Path First). Другими протоколами маршрутизации для mesh-сетей являются TBRPF (Topology Broadcast Reverse Path Forwarding) компании Firetide Networks, LQSR (Link Quality Source Routing) от Microsoft, AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector) и др.
Однако максимальная эффективность достижима при тесном взаимодействии с используемыми технологиями радиопередачи, что возможно на канальном уровне. Примером может служить AWPP (Adaptive Wireless Path Protocol) компании Cisco Systems.
В настоящее время решения разных производителей несовместимы друг с другом. Однако работы по стандартизации ведутся в рамках рабочей группы IEEE 802.11s (ESS Mesh Networking Task Group). Областью исследования этой группы является разработка расширенного набора служб (Extended Service Set — ESS) для mesh-топологии в беспроводной системе распределения сообщений на базе протоколов IEEE 802.11 для физического и канального уровней.
Очевидно, что функциональность, связанная с реализацией ячеистой топологии, породит новые уязвимости и возможности для атак. Поэтому защищенность протоколов транзитной доставки пакетов является актуальной темой для исследований.
В то же время для централизованно управляемых, корпоративных mesh-сетей применимы концепции надежно защищенной сети (Robust Security Network — RSN), описываемые в стандарте IEEE 802.11i. Концепция RSN основана на существовании только надежно защищенных сетевых соединений (RSN Association — RSNA) между всеми участ никами сетевых взаимодействий в беспроводной среде на уровне доступа к сети.
RSNA использует защищенную аутентификацию, принцип контроля доступа по порту и управление криптографическими ключами (протокол аутентификации IEEE 802.1X). Конфиденциальность и целостность передаваемой информации обеспечивают протоколы TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) или CCMP (Counter Mode with CBC-MAC).