Доклад/Технические науки

А.С. Борисенко, П.В. Галкин, Л.В. Головкина

ПРОТОКОЛЫ СетЕЙ MESH В ZigBee

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

MESH – это сетевая технология, которая позволяет недорогим узлам сети равным по статусу обеспечивать двухстороннюю связь с другими узлам и автоматически выбирать оптимальный путь для прохождения пакетов. С развитием ZigBee применение технологии, основанной на ячеистой структуре и адаптивном радиоканале, позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений, с поддержкой автономных и мобильных узлов.

ZigBee сети могут применяться для создания беспроводных сетей датчиков, систем автоматизации зданий, устройств автоматического считывания показаний счетчиков, охранных систем, систем управления в промышленности, систем «Интеллектуального дома».

В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология), где каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы, предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами, пока информация не достигнут конечного получателя.

В сети ZigBee существует четыре типа узлов: координатор, роутер (маршрутизатор), спящее устройство и мобильное устройство.

Вопрос адаптивной маршрутизации в беспроводных сетях является объектом интенсивного изучения и многих исследований. В беспроводных сетях протоколы маршрутизации должны обеспечивать децентрализацию управления трафиком и сочетания различных оптимизационных подходов. Динамичность структуры сетей технологии ZigBee определяет необходимость исследования и применения протоколов, применяемых в MESH для MANET (mobile ad hoc networks).

Разработанные протоколы (более 70-ти) могут быть разделены на три основных класса:

- табличные (проактивные – table-driven, proactive), такие как DSDV, PWRP, WRP, STAR, CGSR, OLSR, TBRPF и др.;

- реактивные (demand-driven, reactive) – AODV, DSR, TORA, DYMO, SSR и др.;

- гибридные (Hybrid) – ZRP, CBRP, CEDAR и др.

Проактивные поддерживают маршруты ко всем узлам, реагируют на каждое изменение в топологии сети. Узлы сети постоянно собирают и обновляют информацию о ее состоянии, обмениваясь ею с соседними. Осуществляется периодический обмен управляющими сообщениями для поддержки целостности и достоверности информации о структуре сети. Протоколы данного типа предполагают, что каждый узел содержит одну или несколько таблиц маршрутизации, где указаны маршруты, которые позволяют достичь любого абонента сети.

Если количество узлов и их динамика увеличиваются, то будут использоваться полный энергоресурс каждого узла и полоса пропускания канала, приводя к загрузке сети. Для улучшения пропускной способности сети необходимо уменьшить размер и число управляющих сообщений.

Так DSDV (Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) использует порядковые номера при обновлениях маршрута, что исключает возможность возникновения проблемы «счета до бесконечности.

В OLSR (Optimized Link-State Routing) для сокращения трафика используются только выбранные узлы, называемые многоточечными ретрансляторами (multipoint relay – MPR). За счет объявления многоточечных селекторов ретрансляции размер управляющих пакетов уменьшается.

В алгоритме TBRPF (Topology Broadcast Based On Reverse-Path Forwarding) широковещание при изменении состояния канала производится через деревья источников, которые обеспечивают доступ ко всем достижимым узлам. Деревья источников рассчитываются на основе частичной топологической информации с использованием модифицированного алгоритма Дийкстры.

В протоколах реактивной группы узел ищет путь к пункту назначения только при возникновении необходимости. Сообщение может идти или по уже установленным маршрутам, или по маршрутам, находящимся в стадии установления. Для этого существуют две основных операции: поиск маршрута и поддержка маршрута. Когда узел намерен установить связь и начинает устанавливать маршрут, информацию о доступных каналах он получает по запросам. Для поддержки информации о маршрутах узлы должны реагировать на изменения в топологии сети. Узел, у которого есть информация о каком-то канале, должен стремиться детектировать его отказ, если это происходит.

Если количество узлов и их динамика увеличиваются, то существенные недостатки этих протоколов в задержках на установку первичного маршрута.

DSR (Dynamic Source Routing) – протокол маршрутизации, где маршрут до требуемого узла находится путем рассылки из каждого узла специального пакета запроса маршрута во все близкие к нему узлы т.е. используется маршрутизация от источника, не полагаясь на таблицы маршрутизации на каждом промежуточном устройстве. Когда пакет запроса маршрута достигает узла назначения, инициируется посылка в обратном направлении служебного пакета подтверждения маршрута.

TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm) – протокол с временными устанавливаемыми упорядоченными маршрутами.

AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) это протокол динамической маршрутизации, основанный на построении таблиц маршрутизации на каждом узле сети для минимизации времени передачи информации между узлами. Протокол находит пути маршрутизации независимо от использования маршрутов. Первым шагом его является построение таблиц маршрутизации на каждом узле. В таблице содержится длина кратчайшего пути к каждому узлу в сети через каждый соседний узел. На каждом следующем шаге каждый узел обменивается с соседними узлами информацией о каждом известном ему кратчайшем пути к каждому узлу сети. После некоторого количества шагов, зависящего от количества узлов в сети, таблицы маршрутизации на узлах перестают изменяться, после чего начинается передача данных по кратчайшему найденному пути. При сбое узла сети из таблицы берется следующий кратчайший маршрут сетей, где узлы-пользователи могут как угодно изменять свое местоположение, тем самым постоянно изменяя топологию без создания каких-либо определенных стационарных путей передачи данных.

Неиспользуемые записи в таблицах маршрутизации через некоторое время стираются. Если связь недостаточно надёжная, то предусмотрена возможность подтверждения установки маршрута от узла-инициатора к узлу-получателю.

Наибольшая сложность, возникшая при реализации протокола, связана с необходимостью понизить количество сообщений, чтобы не использовать полностью пропускную способность сети. Например, у каждого запроса о маршруте есть порядковый номер. Узлы выбирают этот номер так, чтобы он не повторял номера уже обработанных запросов. Другим методом ограничения распространения паразитного трафика является использование времени жизни, которое ограничивает максимальное количество транзитных узлов. Кроме того, если запрос маршрута по каким-либо причинам не привёл к установке маршрута, другой запрос нельзя послать, пока не проходит вдвое больше времени, потраченного на предыдущий запрос.

Преимущество AODV состоит в том, что он не создаёт дополнительного трафика при передаче данных по установленному маршруту.

Гибридные протоколы сочетают в себе подходы проактивных и реактивных протоколов, но на разных уровнях иерархии, определяя помимо метода поиска маршрута и метод разбиения сети на иерархические структуры или домены. Данные протоколы хоть и являются более сложными в реализации, но показывают более высокие результаты, так как предлагают более гибкий вариант маршрутизации в зависимости от структуры сети.

Один из существенных недостатков протоколов данного типа процесс разбиения на иерархические структуры или домены, результаты которого сильно сказываются на оптимальности маршрутизации сети.

В ZigBee сети используется протокол AODV. Результаты анализа протоколов показывают, что для ZigBee целесообразно и в дальнейшем использовать реактивные протоколы, определяя тем самым круг взаимосвязанных задач, которые позволят улучшить работу всей сети с mesh-топологией по параметрам:

- оптимизированной (составной) метрики;

- минимизации задержки доставки;

- минимизации количества обрабатываемых маршрутов;

- минимизации количества узлов в маршруте;

- минимизации времени формирования маршрутов;

- минимизации объема передаваемой служебной информации;

- обмена таблицами маршрутизации между узлами;

- минимизации времени восстановления маршрутов в случае нарушения одной из промежуточных связей;

- оптимальному использованию пропускной способности сети, например, уменьшая объем трафика, передаваемого по сети для восстановления нарушенного маршрута;

- оптимальному использованию полосы пропускания каналов связи с учетом возможности организации множества маршрутов между абонентами;

- учета мобильности узлов и изменения окружения;

- учета энергозатрат в каждом узле при обработке данных – «время жизни» узла;

- минимизации вероятности битовой ошибки.

- учета заряда батарей узлов сети.

В результате решения поставленных задач получится очень надежная сетевая инфраструктура, а протоколы сетей MESH определят нахождение оптимизированного решения для ZigBee.