Практические подходы к развитию технологии Mesh-сетей

16 февраля 2017

Алексей Спирков, руководитель отдела наукоемких технологий АстроСофт, поделился ходом реализованных в компании исследований, посвященных развитию актуальной сегодня технологии Mesh.

В настоящее время все более широкое распространение получили так называемые «ячеистые» или Mesh-сети, которые отличаются децентрализованной, гибкой и динамичной структурой: узлы сети не привязаны к центральной станции, любой узел может взять на себя функции координатора или ретранслятора [1,2,5]. Благодаря этой структуре Mesh-сети обладают рядом несомненных преимуществ:

• высокая надёжность: любой узел может заменить потерянный координатор или ретранслятор;
• благодаря большому числу возможных сочетаний маршрутов есть возможность «обходить» физические или искусственные «препятствия» в радиоэфире;
• Mesh-сеть может передавать информацию с использованием маломощного радиосигнала, что усложняет их пеленг и перехват.

Однако организация Mesh сопряжена с рядом проблем, в настоящее время не имеющих однозначного решения. Их условно можно разбить на две группы: «Арбитраж» и «Маршрутизация».

Арбитраж

В сети с архитектурой «Звезда» центральный узел сам распределяет радиоэфир, оптимально делит его между подчинёнными узлами. В сети Mesh узлы самостоятельно должны договариваться, своевременно уступать эфир данным с более высоким приоритетом. Набор правил и алгоритмов, по которому узлы сети получают доступ к эфиру, называют «Арбитраж».

«Звезда»	Mesh

Арбитраж необходим, когда невозможно или нецелесообразно каждому узлу выделить собственный радиоканал. Особенно критичным арбитраж становится в момент самоорганизации или изменения структуры сети, а также при ретрансляции и при рассылке критичных широковещательных сообщений. Разработка алгоритмов арбитража сопряжена со следующими проблемами:

• распознавание полезного сигнала. Для того чтобы упорядочить взаимодействие между узлами сети, необходимо, чтобы узел, готовый к передаче данных, мог распознать наличие полезного сигнала в эфире. Например, в шифрованных каналах отделить шум от полезного сигнала возможно только после получения пакета данных, пригодных к расшифровке. В таких случаях известные способы доступа к радиоэфиру, такие как DCF, становятся малоэффективными;
• «скрытый узел». Эта частая для сети Mesh ситуация, когда два узла не слышат друг друга в радиоэфире, начинают передачу данных, а третий слышит их одновременно. Третий узел, скорее всего, в образовавшемся наложении данных не распознает полезный сигнал и сам может начать передавать информацию, таким образом, сразу три узла начнут одновременную передачу на одном радиоканале;
• «незащищённый узел». Эта ситуация связана с тем, что передающие узлы могут заблокировать целые сегменты сети. Это происходит, когда один из узлов начинает передачу для одного изолированного сегмента сети и не позволяет соседнему узлу начать передачу в другой сегмент;
• комбинация двух предыдущих пунктов — проблема «мощности узла». Наличие слабых узлов усугубляют проблему «скрытого узла», сильные же передатчики усугубляют проблему «незащищённого узла».

Маршрутизация
Маршрутизация — организация маршрута передачи пакета между двумя узлами также не имеет однозначного решения. Известны два способа:

• реактивная маршрутизация — узел, получив пакет, тут же (если пакет адресован не ему) перенаправляет его обратно в эфир. Рано или поздно пакет найдёт адресата. Очевидно, этот способ плох тем, что для отправки одного пакета задействуется практически вся сеть со значимым снижением пропускной способности;
• статическая маршрутизация — каждому узлу, взявшему на себя роль «Координатора», известна структура сети. Количество возможных связей и, соответственно, необходимый объем информации пропорционально квадрату количества узлов. Ретрансляция этой информации и её перманентное обновление также перегружают сеть.

Таким образом, все перечисленные глубоко взаимосвязанные проблемы Mesh-сети побудили нас приступить к детальному и комплексному исследованию с целью поиска эффективных способов их решения. 

В процессе данного исследования нам необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать данные литературы и существующие методы организации Mesh.
2. Разработать математическую и компьютерную имитационную модели Mesh-сети.
3. Получить экспериментальное подтверждение состоятельности моделей.
4. На имитационной модели исследовать эффективность собственных подходов к организации Mesh и провести сравнительный анализ с общеизвестными подходами.
5. Экспериментально проверить состоятельность разработанных методов.

В своей работе мы использовали два экспериментальных стенда. Первый состоял из 10 автономных устройств, разработанных на базе приёмопередатчика nRF24L01+ и микроконтроллера ARM Cortex M4, функционирующих под управлением операционной системы реального времени собственной разработки — ОСРВ МАКС. Mesh-сеть реализована как надстройка над ядром ОСРВ. Задача этого стенда состояла в апробации и тестировании разработанных нами алгоритмов Mesh и сравнении с уже существующими.

Второй стенд, более сложный, был собран на основе двух SDR-модемов, разработанных на базе приёмопередатчика LimeMicro LMS6002D, ПЛИС Altera Cyclone4 и контроллера ARM9. Этот стенд предназначался для построения и экспериментальной апробации имитационной модели, учитывающей особенности функционирования SDR-модема, в частности — многообразие возможных вариантов модуляции, шифрования и параллельной передачи по нескольким радиоканалам одновременно [3,4].

Экспериментальный стенд №1. ОСРВ МАКС

Экспериментальный стенд №2. SDR

Имитационная модель разрабатывалась в среде Visual Studio, Windows. Предварительное математическое моделирование, планирование и контроль вычислительных экспериментов, а также обработка и визуализация результатов проводятся в среде MathWorks MATLAB.

Результаты многократных физических экспериментов были обобщены в физическую модель, аппроксимирующую взаимодействие узлов в радиоэфире и определяющую вероятность получения данных узлом, в том числе при одновременной передаче несколькими узлами.

Имитационная и физическая модели

Физическая модель связана с эмулятором драйвера приёмопередатчика, имитирующим время-зависимые процессы передачи данных, структурно общие для всех трансиверов. Этот драйвер имеет интерфейс, совместимый с интерфейсами драйверов реальных устройств. Следующий уровень — эмулятор ОСРВ МАКС, позволяющий имитировать многозадачные процессы в рамках разрабатываемой модели. Самый же верхний уровень — непосредственно реализация алгоритмов Mesh — аппаратно-независимое ПО, одинаково функционирующее и на модели, и на рабочем образце. Таким образом, была разработана четырёхуровневая имитационная модель, изолирующая аппаратно-зависимые процессы от работы ПО высокого уровня, которая позволила решить следующие задачи:

• эмуляция и наладка ПО для действующего образца; ПО может быть разработано и отлажено задолго то появления действующего образца;
• автоматизированное планирование, постановка и контроль вычислительных экспериментов;
• направленный поиск условий критического снижения пропускной способности;
• разработка и обоснование программы интенсивных испытаний, позволяющих на ограниченном количестве узлов продемонстрировать работу сети в экстремальных условиях;
• разработка и обоснование технического задания для аппаратуры и инфраструктуры сети.

Результаты моделирования

Состоятельность разработанной модели была обоснована рядом экспериментов. Так, количество потерянных пакетов при передаче между двумя узлами (50000 пакетов) на стенде и модели отличалось менее чем на 1% — 76% на стенде и 77% на модели. Имитационная модель, обученная на двух действующих образцах, показывала свою состоятельность при последующих экспериментах на полном наборе из 10 физических устройств.

К настоящему времени при помощи модели были налажены и испытаны известные алгоритмы организации Mesh. Особое же внимание было уделено разработкам собственных алгоритмов арбитража, позволяющих поднять полезный трафик до 95% от максимального.

Настоящее исследование ещё не завершено, однако некоторые выводы можно сделать уже сейчас.

Физический эксперимент и имитационное моделирование показали, что возможности, предоставляемые SDR-модемом (такие как переключение между каналами, параллельное использование каналов, переход с одного способа модуляции на другой) значительно расширяют возможности Mesh-сети, позволяют организовать оптимальную группировку узлов, тем самым нивелировать упомянутые ранее эффекты «скрытого», «незащищённого» и «мощного» узла.

Разработанная имитационная модель оказалась исключительно удобным инструментом, позволяющим значительно ускорить и удешевить разработку новых алгоритмов организации сетей Mesh. В частности, имитационная модель обеспечивает поиск оптимальных сочетаний настроечных параметров сети, позволяет статистически обусловлено сравнивать работу различных алгоритмов.

При проведении интенсивных испытаний, в том числе приёмо-сдаточных, имитационная модель позволяет построить оптимальный план работ и обойтись меньшим количеством физических устройств, что значительно снижает и стоимость, и сроки исследования.

Список литературы

1. Ляхов А. И., Пустогаров И. А., Шпилев С. А. Многоканальные mesh-сети: анализ подходов и оценка производительности
   // Информационные процессы. — 2008. — Т. 8, № 3. — 173-192 с.
2. Попков Г. В. Mesh–сети: перспективы развития, возможные применения//Проблемы информатики. — 2012. — №3. — 74-79 с.
3. Draves R., Padhye J., Zill B. Routing in Multi-Radio, Multi-Hop Wireless Mesh Networks // ACM Mobicom. — 2004.
4. Yu H. Mohapatra P., Liu X. Channel Assignment and Link Scheduling in Multi-Radio Multi-Channel Wireless Mesh Networks// Mobile Networks and Applications archive. —2008. — V. 13. — 169-185 p.
5. Naveed A., Salil S. Kanhere, Sanjay K. Jha. Topology Control and Channel Assignment in Multi-radio Multi-channel Wireless Mesh Networks//. Proc. of MASS. — 2007. — 1-9 p.

Теги: mesh-сети, арбитраж, архитектура звезда, маршрутизация, имитационная модель mesh-сети, осрв, sdr-модем, matlab, mesh