Метод обработки широковещательного трафика MANET Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Метод обработки широковещательного трафика MANET

Ключевые аюва самооранизующаяся сеть, Предложен метод рассылки и обработки HELLO-пакетов в иерархических протоколах

мобильная сеть, маршрутизация; MANET. MaNET с кластеризацией узлов. Показано, что предложенный метод позволяет сократить

время получения информации об изменениях топологии кластеров сети.

Романов С.В.,

первый заместитель генерального директора по научной работе ОАО"Научно-исследовательский институт средств вычислительной техники, г. Киров, [email protected]

Прозоров Д.Е.,

дт.н., профессор, ФГБОУ "Вятский государственный университет", кафедра радиоэлектронных средств, профессор, [email protected]

Коэффициент связности узлов

Будем полагать, что широковещательный трафик MANET описывается пуассоновским распределением с интенсивностью Хв в течение интервала времени THELLO-

Допустим также, что процесс перемещения узлов -эргодический и описывается моделью случайных блужданий.

Среднее количество узлов, находящихся в зоне радиовидимости узла:

Nnb=pnR2, (1)

Введение

Мобильные самоорганизующиеся сети (MANET) характеризуются рядом параметров, наиболее важными из которых являются: коэффициент доставки пакетов, время задержки пакетов, коэффициент накладных расходов на поддержку протокола маршрутизации (зависящий от соотношения служебного трафика и трафика данных).

Для снижения коэффициента накладных расходов на сетях большого размера с количеством узлов AL ~ Ю3

применяют иерархические протоколы маршрутизации [1]. Примером такого протокола, в котором узлы объединяются в логические кластеры, а функциональность узла зависит от его «положения» в логической иерархии служит протокол HSR [2].

В иерархических протоколах могут применяются разные схемы маршрутизации между обычными узлами кластеров (внутрикластерная маршрутизация) и вершинами кластеров (межкластерная маршрутизация). При этом эффективность протокола маршрутизации существенно зависит от способности протокола реагировать на изменения топологии сети в реальном масштабе времени и, следовательно, от скорости распространения информации об изменениях топологии сети внутри и между кластерами.

Информация о топологии сети в локальных окрестностях узлов обычно распространяется т. н. широковещательными HELLO-пакетами. Целью данной работы является исследование скорости распространения информации о локальных изменениях топологии сети в зависимости от применяемой протоколом внутрикластерной маршрутизации стратегии обработки широковещательного трафика.

где р - плотность распределения узлов кластера, /? - радиус зоны радиопокрытия узла.

Полагая, что распределение узлов на площади сети равномерное, оценка плотности распределения узлов:

p = N/A, (2)

где М- количество узлов кластера, А - площадь кластера.

В проактивных протоколах все узлы, находящиеся в зоне взаимной радиовидимости обмениваются широковещательными пакетами (рис. 1).

Рис. 1. Прием широковещательных пакетов

В этом случае можно предположить, что коэффициент связности узлов сети равен среднему количеству узлов в зоне радиовидимости отдельно взятого узла.

Суммарный трафик, создаваемый соседними узлами (рис.1)

(3)

Pe=X2A^NnbXBA = NXBA

kR2

(4)

Минимальное количество ретрансляций HELLO-пакетов на дистанции т равно

h =

m + U A

0.9J—7

R V TiR

+ 1<

(5)

Множественный доступ с контролем коллизий

Протокол канального уровня 802.11 DCF MAC использует метод множественного доступа CSMA/CA, в соответствии с которым широковещательные (broadcast) и адресуемые (unicast) пакеты имеют различные процедуру и время обработки [3].

Для передачи адресуемого пакета используется следующий механизм. Если перед первой попыткой передачи пакета радиоканал оказывается свободен в течение интервала времени, превышающего определенное протоколом значение DIFS (Distributed Inter-Frame Space), узел инициализирует специальный таймер. Начальное значение таймера равномерно распределено в некотором диапазоне (0,PFmin]- Счетчик таймера декрементируется в

течение времени, пока радиоканал свободен и приостанавливается, когда канал становится занят (принимаются данные). Пакет отправляется когда счетчик таймера становится равен нулю, после чего ожидается подтверждение приема (АСК). Если подтверждение не было получено, значение W удваивается. Попытки передачи повторяются до достижения предельного значения tVm. ■

Для данной работы существенно, что при передаче широковещательного пакета узел не использует механизм повторных передач и не требует подтверждения приема. Совпадает только первый этап тестирования канала в течении случайного интервала времени (0, lVmi ] перед

отправкой пакета.

Среднее время распространения информации

в кластере

Рассмотрим две стратегии распространения информации о структуре кластера.

В «стратегии 1» информация о топологии активных связей соседних узлов извлекается из принятых широковещательных HELLO-пакетов. При этом узлы кластера не производят ретрансляцию широковещательных пакетов. Примером такой стратегии является протокол OLSR.

Вероятность коллизии (ошибки) при передаче широковещательного пакета по протоколу канального уровня CSMA/CA с включенным механизмом функции распределенного управления DCF (Distributed Coordination Function) равна

где Я - радиус зоны радиовидимости узла, [ • ] - целая часть выражения.

Вероятность распространения информации внутри кластера на дистанции т без ошибок равна

Среднее время распространения информации между двумя узлами кластера широковещательными пакетами в «стратегии 1» равно

ТХ = THELLOh ■

(6)

Тогда, среднее время распространения информации о топологии кластера при наличии коллизий [6]

(7)

(1-Р.)* (1 -Ла,ДУ!)'

[0.9/у]+1

где V)/ —\JtiR2 IА ■ Безразмерная величина у2 равна отношению площади зоны радиовидимости узла к средней площади кластера.

В «стратегии 2» каждый промежуточный узел кластера является источником широковещательного трафика интенсивностью Хв и, кроме того, является ретранслятором

широковещательного трафика других узлов кластера.

Будем полагать, что среднее значение коэффициента связности узлов кластера равно, как и в предыдущем случае, М„ь=рпК2 = Ну2-

В стационарном режиме работы сети, когда количество коллизий является постоянной во времени величиной, каждый из МпЬ соседних узлов создает поток своего

широковещательного трафика \ и (в наихудшем случае)

поток ретранслированного широковещательного трафика остальных (дг - 2) узлов кластера. Тогда, суммарный

широковещательный трафик, поступающий на текущий узел равен

К = НпьК + N* (N -2)ХВ = Nnh(N-1) V

Отсюда

Pe=\,A = Nnb(N- 1)Х,Д.

где Д = 20 мкс - временной слот, в течение которого сетевой интерфейс узла занят (при приеме НЕЕЕО-пакетов). Формула (4) основана на результатах, полученных в работе [3].

Если кластер имеет вид окружности, его географический диаметр равен £) = 2у/А/к ■ В работе [5] показано, что средняя длина маршрута, проложенного по кратчайшему пути внутри кластера такой формы приближенно равна т « 0.450.

Т h

тс _ 1 br"

~ „чА

Гж([0.9/У] + 1)

(S)

(9)

(10)

0-^)' (l-W(W-l)Mr)

, \[0.9/ч>]+1

где

— время обработки и ретрансляции

широковещательного пакета на промежуточном узле.

Анализ результатов

На рис. 2 приведены результаты расчета скорости распространения информации об изменениях локальной топологии сети внутри кластера.

При расчете использованы следующие значения

параметров сети: Т.

HELLO

= 1 С, я.. =1, TBR =2 МС.

Т. с

-2,

00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 0 V

Рис. 2. Время распространения информации об изменении топологии кластера

Цифрами обозначены кривые: 1 - использование

«стратегии 1» {Ы = 200 узлов); 2 - использование

«стратегии 2» (Ы = 250 узлов); 3 - использование

«стратегии 2» (N = 200 узлов).

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. «Стратегия 2» обработки широковещательных пакетов обеспечивает меньшее время распространения информации об изменениях топологии при относительно небольших размерах

кластеров сети: iV — 102 и отношении средней площади зоны радиовидимости узла к площади кластера v|/ « 1 •

2. При приближении средней площади зоны радиовидимости узла к площади кластера и высокой плотности узлов может наблюдаться явление «широковещательного шторма» (рис. 2, кривая 2), описанное в работе [4], при котором коэффициент накладных расходов на маршрутизацию стремиться к бесконечности. Работа узлов сети при этом блокируется.

3. «Стратегия 1» проигрывает «Стратегии 2» при уменьшении зоны радиовидимости узлов, но обеспечивает функционирование узлов кластера в более широком диапазоне вариации параметров протокола.

Литература

1. Hong, X. Scalable routing protocols for mobile ad hoc networks / X. Hong etal.//IEEE Network, 2002.-Vol. 16, №4.-P. 11-21.

2. Iwata, A. Scalable routing strategies for ad hoc wireless networks / A. Iwata [et al.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1999. - Vol. 17 , Is. 8. - P. 1369-1379.

3. Hui Xu. A unified analysis of routing protocols in MANETs / Hui Xu, Xianren Wu, Hamid R. Sadjadpour, J J. Garcia-Luna-Aceves // IEEE Transactions on Communications, 2010. - Vol. 58, Is. 3. - P. 911-922.

4. S.-Y. Ni. The broadcast storm problem in a mobile ad hoc network / S.-Y. Ni, Y.-C. Tseng, Y.-S. Chen, and J.-P. Sheu // In ACM Mobicom, 1999, NY. - P. 151-162.

5. Романов С.В. Анализ иерархического протокола маршрутизации MANET-сетей / Романов С.В. Прозоров Д.Е., Трубин И.С. // Перспективы науки, 2012. - №4. — С. 86-89.

6. Прозоров Д.Е. Статистические характеристики широковещательного трафика MANET / Прозоров Д.Е., Похилюк М.О., Шарапова О.И. // Материалы Всероссийской НТК «Общество, наука, инновации» (НТК-2013). - Киров, 2013. - Секция «Методы и средства передачи и обработки сигналов», ст. 13.

The method of processing broadcast traffic MANET

Romanov S.V., Kirov, Russia, [email protected] Prozorov D.E., Kirov, Russia, [email protected]

Abstract

We propose a method of mailing and handling HELLO- packets in MANET protocols hierarchical clustered nodes. Mobile self-organizing network (MANET) are characterized by a number of parameters, the most important of which are: packet delivery ratio, packet delay time, the ratio of overhead to support the routing protocol (depending on the ratio of the service and data traffic). In hierarchical protocols may use different routing schemes between conventional clus-ter nodes (intracluster routing) and vertices clusters (intercluster routing). The efficiency of the routing protocol essentially depends on the ability to respond to changes in the protocol of network topology in real time and hence the velocity of propagation of information about changes in network topology, and between clusters. It is shown that the proposed method can reduce the time information about the network topology changes clusters.

Keywords: self-organizing network, mobile network, routing, MANET.

References

1. Hong, X. Scalable routing protocols for mobile ad hoc networks / IEEE Network, 2002. Vol. 16, №4. P. 11-21.

2. Iwata, A Scalable routing strategies for ad hoc wireless networks / IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1999. Vol. 17, Is. 8. P. 1369-379.

3. Hui Xu, Xianren Wu, Hamid R. Sadjadpour, JJ. Garcia-Luna-Aceves. A unified analysis of routing protocols in MANETs/ IEEE Transactions on Communications, 2010.

Vol. 58, Is. 3. P. 911-922.

4. S.-Y. Ni, Y.-C. Tseng, Y.-S. Chen, and J.-P Sheu. The broadcast storm problem in a mobile ad hoc network / In ACM Mobicom, 1999, NY. P 151-162.

5. Romanov, S.V, Prozorov, D.E., Trubin, I.S. The analysis of the hierarchical routing protocol MANET-Networks/ Perspectives of Science, 2012. № 4. P. 86-89.

6. Prozorov, D.E., Pohilyuk, M.O., Sharapova, O.I. Statistical characteristics of broadcast traffic MANET/ Materials of the Russian STC "Society, Science, Innovaiion"

(STC 2013). Kirov, 2013. 1 electron. wholesale. Disc (CD-ROM). (Section "Methods and means of transmission and signal processing", p. 13).