Журавель С.П
Черкаський державний технологічний університет
Дослідження та оптимізація міських бездротових мереж за допомогою технології Mesh
Бездротові мережі передачі даних відіграють
сьогодні важливу роль в житті людини. Вони заповнюють все більше ніш в нашому житті і використовуються, насамперед, для доступу в INTERNET, також для передачі звуку та відео з камер і мікрофонів, метео-даних для прогнозування погоди, активно застосовується в охоронних системах,
платіжних терміналах,
банкоматах, використовує їх комп’ютерна телефонія. Список можна ще довго продовжувати. З розвитком інфраструктури і відповідно кількості
абонентів гостро стає питання якості та безперебійності доступу до мережі. Як забезпечити безперебійний
та стабільний зв’язок в межах міста? Виходом можуть стати бездротові мережі, основані на технології Mesh.
Mesh- мережа
– це багатокрокова мережа, пристрої якої (Mesh-станції, MP, Mesh-Points) володіють
функціями маршрутизатора і здатні використовувати різні шляхи для пересилки
пакету. Ця технологія стає особливо необхідною за відсутності дротової
інфраструктури для з’єднання станцій. В цьому випадку пакети пересилаються від
однієї Mesh-станції до іншої до досягнення шлюзу з дротовою мережею. Для
більшої надійності станція може мати більш, ніж одну сусідню Mesh-станцію. Ідея
Mesh-мереж бере свій початок з мобільних мереж (MANET), в яких функція
маршрутизатора була реалізована на рівні ІР. Протокол MANET має обмежену
продуктивність, оскільки ІР-рівню недоступна інформація про умови бездротової
передачі і сусідні вузли. Зокрема, ІР-рівню недоступна інформація про ймовірність
спотворення пакетів завадами і колізіями, а також про схему модуляції і
кодування, яка використовується в кожному із з’єднань. Mesh-мережі будуються як
сукупність кластерів. Територія покриття розділяється на кластерні зони,
кількість яких теоретично необмежена. Особливістю Mesh-мереж є використання
спеціальних протоколів, що дозволяють кожній крапці доступу створювати
таблиці абонентів мережі з контролем стану транспортного каналу і підтримкою
динамічної маршрутизації трафіку з оптимальним маршрутом між сусідніми
станціями. При відмові будь-якої з них відбувається автоматичне перенаправлення
трафіку по іншому маршруту, що гарантує отримання трафіка адресату за
мінімальний час. Кожен абонент оснащений радіоустаткуванням для зв’язку з Mesh-маршрутизатором.
Завдяки своїм особливостям Mesh-мережі можуть використовуватись в різних
сферах.
Основна
відмінність Mesh-мережі від архітектури «крапка-багатокрапка» в тому, що якщо в
останньому випадку АС може спілкуватися тільки з БС, то в Mesh-мережі можлива
взаємодія безпосередньо між АС. Оскільки мережі стандарту IEEE 802.16
орієнтовані на роботу з широкими частотними каналами, Mesh-мережі увійшли до
стандарту зовсім не з метою створення однорангових локальних мереж – для цього
є стандарти групи IEEE 802.11. Причина в іншому: необхідний інструмент побудови
широкосмугової мережі, в якій трафік може передаватися по ланцюжку з декількох
станцій, ліквідовуючи тим самим проблеми передачі за відсутності прямої
видимості. Відповідно і всі механізми управління, що у принципі дозволяють
побудувати децентралізовану розподілену мережу, орієнтовані все ж таки на
деревовидну архітектуру, з виділеною базовою станцією (кореневий вузол) і
домінуючими потоками БС-АС.
В Mesh-мережі всі станції (вузли) формально рівноправні.
Проте практично завжди обмін трафіку Mesh-мережі із зовнішнім оточенням
відбувається через один певний вузол (рисунок 2). Такий вузол називають базовою
станцією Mesh-мережі: саме на нього покладається частина необхідних для
управління Mesh-мережею функцій. При цьому управління доступом може відбуватися
або на основі механізму розподіленого управління, або централізованим способом
під управлінням БС. Можлива і комбінація цих методів.
Базове поняття в Mesh-мережі – сусіди. Під сусідами
певного вузла розуміють всі вузли, які можуть встановлювати з ним безпосереднє
з'єднання. Всі вони утворюють сусідське оточення. Вузли, пов'язані із заданим
вузлом через сусідські вузли, називають сусідами другого порядку. Можуть бути
сусіди третього порядку і т.д.
В Mesh-мережі немає поняття висхідних/низхідних каналів: весь
обмін відбувається за допомогою кадрів. Станції передають повідомлення або у
відведені їм тимчасові інтервали (відповідно до попереднього значення каналів),
або дістають доступ до каналів довільним (випадковим) чином. Кожний вузол має
унікальну 48-розрядну MAC-адресу. Крім того, для ідентифікації усередині Mesh-мережі
станціям присвоюється 16-розрядний мережний ідентифікатор. Кожний вузол
постійно зберігає список даних про всіх своїх сусідів (з вказівкою
віддаленості, сектора для направленої антени, зразкової необхідної потужності
передавача, затримки розповсюдження сигналу і т.п.) і транслює його в мережу із
заданою періодичністю. На підставі цих списків від кожного з вузлів відбувається
управління мережею.
Зовнішня мережа
Рисунок 1. Приклад Mesh-мережі
«Мережний вхід» -- це інтервал, протягом
якого новий вузол може послати повідомлення (NENT) про свій намір підключитися
до мережі. Перед цим він повинен прийняти повідомлення про конфігурацію мережі,
вибрати вузол для підключення, синхронізуватися з ним і лише потім відправляти
запит. У відповідь вузол може або відмовити в доступі або призначить новому
вузлу мережний ідентифікатор, канал і часовий інтервал для проведення процедур
аутентифікації.
Розподіл
канальних ресурсів в Mesh-мережі може бути централізованим і децентралізованим
(розподіленим). У свою чергу децентралізований розподіл буває координованим з
БС і некоординованим.
Децентралізований розподіл ресурсів має на увазі, що
розподіл, що відбувається в межах однієї групи сусідів (тобто між станціями,
здатними безпосередньо зв'язуватися між собою). При координованому
децентралізованому розподілі вузли обмінюються між собою спеціальними
повідомленнями управління розподілом (DSCH). Координованість полягає в тому, що
період видачі таких повідомлень кожною станцією визначений і відомий її
сусідам. Координовані DSCH-повідомлення передаються в субкадрах управління
черговістю доступу в обумовлених в мережному дескрипторі інтервалах,
некоординовані DSCH-повідомлення передаються в субкадрі даних.
Mesh – мережа рішення що найбільш підходить для
використання в умовах міста. Вона має високі якості надійності і доступності з’єднання,
потенціал цієї технології дає можливість швидко і недорого надавати мобільним
користувачам широкосмуговий доступ до ресурсів. Розгортання Mesh – мереж може
коштувати набагато дешевше, ніж традиційні дротяні мережі, оскільки вони не
вимагають дорогої інфраструктури і прокладки кабелів і, окрім цього, економна в
експлуатації, оскільки, як вже наголошувалося, здатна самовідновлюватись і само
адаптуватись. В ній відсутній такий недолік як ефект “шийки пляшки”, що є
досить високим мінусом інших технологій. Також до плюсів можна віднести досить
високу надійність даної мережі: у випадку виходу одного з її вузлів,
навантаження в даній ситуації розподіляється
на сусідні (при правильному проектуванні).
Подібні
рішення підходять не тільки для міст, але і для університетів. Наприклад, в
даний час компанія Nortel, що належить до числа активістів упровадження Mesh-мереж,
працює з одним з університетів США, який, використовуючи її технології, планує
запустити мережу Wireless Mesh, покликану забезпечити викладацькому складу і
студентам захищене широкосмугове підключення усередині приміщень і на вулиці.
Було розглянуто
ряд засобів, які використовуються
для створення забезпечення роботи та оптимізації роботи, та можливість
їх застосування для оптимізації мережі на основі Mesh-технології, відмічені їх переваги і недоліки.
