+7 (812) 494-9090
Обратная связьEnglish
Главная → Продукты → Системное ПО → ПО для организации Mesh-сетей
Полезный совет
Как быстро и легко сделать вкусный отчет из сложной таблицы в Excel? Ингредиенты: сводная таблица, пара минут времени.Подробнее
Павел Локтев, Руководитель группы продаж
Заказать звонок Задать вопрос
Версия для печати

ПО для организации Mesh-сетей

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, при этом используется, как правило, беспроводная связь.


Заказать презентацию

Преимущества
Преимущества
  • Высокая надёжность: любой узел может заменить потерянный координатор или ретранслятор.
  • Отличная масштабируемость: настройка новых узлов в системе производится автоматически, что позволяет создавать сети произвольного размера, и изменять этот размер в процессе использования.
  • Способность «обходить» физические или искусственные «препятствия» в радиоэфире благодаря большому числу возможных сочетаний маршрутов.
  • Mesh-сеть может передавать информацию с использованием маломощного радиосигнала, что усложняет пеленг и перехват данных.
  • Благодаря использованию беспроводной связи узлы сети становятся самодостаточными, т.е. для развёртывания сети не требуется дополнительной инфраструктуры (прокладки кабелей, установки оборудования и т. д.).
  • Децентрализованная структура сети позволяет обеспечить большое покрытие без использования мощных дорогостоящих базовых станций.

Пример решения, в котором целесообразно использование Mesh, — система контроля показателей, содержащая большое количество датчиков, удаленных друг от друга в пространстве. Если при использовании централизованной топологии, типа «звезда» и производных от неё, потеря одним из датчиков сетевого соединения с центральным узлом означает потерю пакетов данных от этого датчика, то при использовании ячеистой топологии пакеты данных могут быть переданы через другие датчики, узлы Mesh-сети. Использование сети ячеистой топологии значительно повышает надежность системы связи между датчиками и узлом, контролирующим или агрегирующим данные.



Решение
Решения


АстроСофт создал и продолжает совершенствовать программный комплекс для быстрой интеграции технологии Mesh в конечные продукты, использующие радиоприём и передачу. Интеграция технологий Mesh позволит обеспечить более высокий уровень надежности и масштабируемости конечных решений, повысить их конкурентные преимущества.

  • Программный комплекс для организации Mesh-сетей (алгоритмы разделения доступа к эфиру (арбитража) и маршрутизации).
  • Программно-аппаратный демонстрационно-отладочный стенд Mesh-сети.
  • Имитационная модель.


Планы и развитие
Планы и развитие
  • Реализация и испытания альтернативных алгоритмов маршрутизации и разделения доступа к эфиру с целью повышения эффективности работы Mesh-сети.
  • Использование для передачи данных других моделей приёмопередатчиков, в частности, созданных на основе технологии SDR.
  • Добавление возможности использовать аппаратные особенности приёмопередатчика, например, распознавание полезного сигнала в эфире, использование нескольких каналов одновременно и т. д.

Программный комплекс для организации Mesh-сетей — набор программных библиотек, реализующих 3 нижних уровня модели OSI (физический, канальный и сетевой). В текущей реализации программный комплекс функционирует под управлением ОСРВ МАКС, но по требованию заказчика может быть портирован в другую программную среду.

Архитектура базируется на использовании приёмопередатчиков беспроводной связи с возможностью одноранговой пакетной коммуникации. Для разделения доступа станций к эфиру в текущей реализации используется классический алгоритм арбитража – DCF (Distributed coordination function). Также реализован усовершенствованный алгоритм арбитража, позволяющий координировать устройства в смежных подсетях. Маршрутизация может осуществляться как по запросу (аналог алгоритма Path Selection из стандарта 802.11s), так и проактивно, за счёт анализа трафика и рассылки периодических служебных сообщений.

В настоящее время идёт исследование эффективности алгоритмов, на основе результатов которого будет проводится их оптимизация. Также продолжается изучение альтернативных методов арбитража и маршрутизации.

Программно-аппаратный демонстрационно-отладочный стенд Mesh-cети — набор из 10 автономных устройств, выступающих в роли узлов Mesh-сети. ПО устройств — приложение, работающее под управлением ОСРВ МАКС и реализующее несколько сценариев обмена данными между узлами. В качестве основного модуля радиосвязи в текущей реализации аппаратной части устройств используется приёмопередатчик nRF24L01+ (2.4ГГц, GFSK) со скоростью передачи данных до 2Мбит/с. Помимо него, конструкция устройств включает микроконтроллер (STM32F429 на ядре ARM Cortex-M4), цветной сенсорный дисплей для пользовательского интерфейса, аккумуляторную батарею и отсоединяемый модуль связи Wi-Fi.

В конфигурации для тестирования и отладки каждое устройство снабжено дополнительным Wi-Fi-модулем, с помощью которого оно устанавливает соединение с панелью управления (обычный ПК). Между собой устройства поддерживают связь через основной радиомодуль. Дополнительный канал связи (Wi-Fi) используется для удалённого управления узлами сети и сбора данных о их состоянии из панели управления без вмешательства в работу Mesh-сети. В панели управления реализуется сбор статистики (количество переданных, принятых и потерянных пакетов, время передачи пакета) по передаче данных в сети для последующего анализа и получения характеристик её работы (скорость передачи между узлами, латентность ретрансляции пакетов, время поиска пути), а также предусмотрена возможность использования командных сценариев для автоматизации процесса тестирования.


В конфигурации для тестирования и отладки каждое устройство снабжено дополнительным Wi-Fi-модулем




Интерфейс панели управления:

Интерфейс панели управления


В демонстрационной конфигурации устройства работают без дополнительного канала связи (Wi-Fi), что позволяет наблюдать естественное функционирование Mesh-сети. Управление узлами производится непосредственно через интерфейс устройств. Там же отображаются сведения о состоянии узла, известной узлу структуре сети, а также статистика передачи данных.


В демонстрационной конфигурации устройства работают без дополнительного канала связи (Wi-Fi)


Для прогнозирования работы Mesh-сети с заданными параметрами в АстроСофт разработано технологическое ПО, которое позволяет имитировать Mesh-сеть с задаваемыми количеством узлов (устройств) и параметрами каждого узла. Использованные алгоритмы имитации позволяют с высокой точностью прогнозировать показатели передачи данных, что, в свою очередь, дает возможность разработать оптимальную конфигурацию Mesh-сети.

Имитационная модель предназначена для различного рода вычислительных экспериментов в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и помогает решать целый ряд задач:

  • Отладка ПО конечных устройств.
    В составе модели выполняется оригинальное прикладное ПО (с точностью до аппаратно-зависимых функций), которое может разрабатываться и отлаживаться ещё до появления действующего образца конечного устройства.

  • Имитация трудновоспроизводимых ситуаций.
    В случае работы сети из множества устройств большую сложность может представлять воспроизведение определённых ситуаций на реальном оборудовании. Модель позволяет проверить работу устройств при любых задаваемых условиях.

  • Поиск опасных состояний сети.
    Сложность реализуемых алгоритмов приводит к возникновению различного рода неустойчивых состояний, при которых может происходить значительное снижение эффективности работы сети. Имитационная модель позволяет превентивно выявлять такие состояния, определять условия их возникновения и разрабатывать способы их предотвращения.

  • Получение характеристик работы сети в различных конфигурациях.
    Исследование конфигураций сети на реальном оборудовании ограничивается количеством устройств в тестовом стенде. В модели может быть сымитирована работа сети со значительно большим количеством устройств. При этом адекватность поведения модели проверяется на доступных в тестовом стенде конфигурациях.

  • Это технология, которая позволяет создать сети с ячеистой топологией. Узлы такой сети соединяются друг с другом без центрального управляющего устройства. Каждый из узлов собирает информацию о структуре сети и производит передачу данных между соседними узлами, выполняя роль маршрутизатора. При такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость: обрыв одного или нескольких соединений не нарушит функционирования сети в целом.
  • Интеграция технологий Mesh позволяет обеспечить более высокий уровень надежности и масштабируемости конечных решений, повысить их конкурентные преимущества.


  • Это зависит от возможностей физического уровня, параметров алгоритмов, конфигурации сети и других факторов.
  • Служебные сообщения, в основном, используются при подключении/отключении устройств и поиске маршрута. Когда все устройства подключились и маршруты построены, служебные сообщения используются при необходимости. Таким образом, при стабильной конфигурации сети в процессе работы служебный трафик будет низкий.


  • Это настраиваемый параметр. Его значение выбирается исходя из требований ко времени обновления конфигурации сети на узлах, к пропускной способности канала, энергопотреблению устройств и т. д.


  • От 1 байта. Зависит от типа служебного сообщения. При использовании проактивной маршрутизации (когда таблицы маршрутизации обновляются постоянно через периодические сообщения) сверху не ограничивается, т. к. некоторые сообщения содержат данные переменной длины (например, список доступных узлов). Если не использовать служебные сообщения переменной длины (маршрут строится по запросу), то максимальный размер в текущей реализации будет 38 байт.


  • Использование Mesh подразумевает наличие дополнительного служебного трафика и, как следствие, более высокое энергопотребление устройства. Но при правильной настройке параметров сети (например, интервалы или условия обновления информации о структуре сети) это увеличение будет незначительным, т. е. принципиально не повлияет на возможность использования батарейного питания для устройств.


  • Для организации Mesh-взаимодействия достаточно иметь физический уровень с возможностью одноранговой пакетной коммуникации. Если приёмопередатчики LoRaWAN могут передавать пакеты друг другу (а не только на gateway), то их можно использовать и для Mesh. Но нужно учитывать, что LoRaWAN ориентирована на топологию «звезда», поэтому оборудование может работать менее эффективно при топологии Mesh, или же быть не совместимо с ней.


  • Не обязательно. Это зависит от функционала, который будет выполнять координатор. В нашем решении координатора, как такового, может и не быть.


  • Если говорить о Mesh, только как о технологии динамической маршрутизации, то да. Подразумевается, что соответствующий механизм разделения доступа к каналу должен быть реализован во всех устройствах вне технологии Mesh.


  • В настоящий момент нет. Текущая реализация ориентирована на использование ОСРВ МАКС.
  • Мы работаем над тем, чтобы выделить алгоритмы в платформенно-независимую библиотеку. После этого можно будет использовать наше решение и с ОС Linux.