Bezprzewodowa sieć ad hoc — Wireless ad hoc network

Sieci bezprzewodowej ad hoc ( WANET ) lub sieć komórkowa ad hoc ( MANET ) jest zdecentralizowanym typ sieci bezprzewodowej . Sieć działa ad hoc, ponieważ nie opiera się na istniejącej infrastrukturze, takiej jak routery w sieciach przewodowych lub punkty dostępowe w sieciach bezprzewodowych. Zamiast tego każdy węzeł uczestniczy w routingu, przekazując dane do innych węzłów, więc określenie, które węzły przesyłają dane, odbywa się dynamicznie na podstawie łączności sieciowej i używanego algorytmu routingu .

W systemie operacyjnym Windows ad hoc to tryb komunikacji (ustawienie), który umożliwia komputerom bezpośrednią komunikację ze sobą bez routera. Bezprzewodowe sieci mobilne ad hoc to samokonfigurujące się, dynamiczne sieci, w których węzły mogą się swobodnie poruszać.

W takich sieciach bezprzewodowych brakuje złożoności konfiguracji i administrowania infrastrukturą, umożliwiając urządzeniom tworzenie sieci i dołączanie do nich „w locie”.

Każde urządzenie w MANET może poruszać się niezależnie w dowolnym kierunku i dlatego często zmienia swoje połączenia z innymi urządzeniami. Każdy z nich musi przekazywać ruch niezwiązany z jego własnym użytkowaniem, a zatem być routerem . Podstawowym wyzwaniem przy tworzeniu MANET jest wyposażenie każdego urządzenia w ciągłe utrzymywanie informacji wymaganych do prawidłowego kierowania ruchu. Staje się to coraz trudniejsze, gdy skala MANET rośnie ze względu na 1) chęć kierowania pakietów do/przez każdy inny węzeł, 2) procent ruchu narzutu potrzebnego do utrzymania statusu routingu w czasie rzeczywistym, 3) każdy węzeł ma swój własny potencjał aby trasa była niezależna i nieświadoma innych potrzeb, oraz 4) wszyscy muszą dzielić ograniczoną przepustowość komunikacyjną , taką jak wycinek widma radiowego. Takie sieci mogą działać samodzielnie lub mogą być połączone z większym Internetem . Mogą zawierać jeden lub wiele różnych nadajników-odbiorników między węzłami. Skutkuje to wysoce dynamiczną, autonomiczną topologią. Sieci MANET zazwyczaj mają routowalne środowisko sieciowe na szczycie sieci ad hoc warstwy łącza .

Historia w radiu pakietowym

Stanford Research Institute jest Packet Radio Van , miejsce pierwszego trójdrożnego internetworked transmisji.
Wstępne próby krótkoterminowego radia cyfrowego na dużą skalę , luty 1998 r.

Najwcześniejsza bezprzewodowa sieć danych nosiła nazwę PRNET , czyli pakietowa sieć radiowa , i była sponsorowana przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) na początku lat siedemdziesiątych. Bolt, Beranek and Newman Inc. (BBN) oraz SRI International projektowały, budowały i eksperymentowały z tymi najwcześniejszymi systemami. Eksperymentatorami byli m.in. Robert Kahn , Jerry Burchfiel i Ray Tomlinson . Podobne eksperymenty miały miejsce w społeczności radioamatorskiej z protokołem x25. Te wczesne systemy transmisji pakietowej poprzedzały Internet i rzeczywiście były częścią motywacji oryginalnego pakietu protokołów internetowych. Późniejsze eksperymenty DARPA obejmowały projekt Survivable Radio Network ( SURAN ), który miał miejsce w latach 80. XX wieku. Następca tych systemów został wystawiony w połowie lat 90. dla armii amerykańskiej, a później dla innych krajów, jako krótkoterminowe radio cyfrowe .

Kolejna trzecia fala działalności akademickiej i badawczej rozpoczęła się w połowie lat 90. wraz z pojawieniem się niedrogich kart radiowych 802.11 do komputerów osobistych . Obecne sieci bezprzewodowe ad hoc są przeznaczone głównie do użytku wojskowego. Problemy z pakietem radiowym to: (1) nieporęczne elementy, (2) niska szybkość transmisji danych, (3) niemożność utrzymania łączy, jeśli mobilność jest wysoka. Projekt nie posunął się znacznie dalej, aż do początku lat 90., kiedy narodziły się bezprzewodowe sieci ad hoc.

Wczesne prace nad MANET

Rozwój laptopów i sieci bezprzewodowych 802.11/Wi-Fi sprawiły, że MANET stał się popularnym tematem badań od połowy lat dziewięćdziesiątych. Wiele prac akademickich ocenia protokoły i ich możliwości, zakładając różne stopnie mobilności w ograniczonej przestrzeni, zwykle ze wszystkimi węzłami w odległości kilku przeskoków od siebie. Różne protokoły są następnie oceniane w oparciu o takie miary, jak szybkość odrzucania pakietów, obciążenie wprowadzane przez protokół routingu, opóźnienia pakietów od końca do końca, przepustowość sieci, możliwość skalowania itp.

Na początku lat 90. Charles Perkins z SUN Microsystems USA i Chai Keong Toh z Cambridge University oddzielnie rozpoczęli pracę nad innym Internetem, siecią bezprzewodową ad hoc. Perkins pracował nad kwestiami dynamicznego adresowania. Toh pracował nad nowym protokołem routingu, znanym jako ABR – routing oparty na asocjacji . Perkins ostatecznie zaproponował routing DSDV – Destination Sequence Distance Vector, który opierał się na rozproszonym routingu opartym na wektorze odległości. Propozycja Toha była oparta na routingu na żądanie, tzn. trasy są odkrywane w locie w czasie rzeczywistym, w razie potrzeby. ABR został przedłożony IETF jako RFC. ABR został pomyślnie zaimplementowany w systemie operacyjnym Linux na laptopach z obsługą Lucent WaveLAN 802.11a i dlatego w 1999 roku udowodniono, że jest możliwa praktyczna sieć mobilna ad hoc. Kolejny protokół routingu, znany jako AODV, został następnie wprowadzony, a następnie sprawdzony i wdrożony w 2005 roku. David Johnson i Dave Maltz zaproponowali DSR – Dynamic Source Routing .

Aplikacje

Zdecentralizowany charakter bezprzewodowych sieci ad hoc sprawia, że ​​nadają się one do różnych zastosowań, w których nie można polegać na węzłach centralnych, i mogą poprawić skalowalność sieci w porównaniu z sieciami zarządzanymi bezprzewodowo, chociaż teoretyczne i praktyczne ograniczenia ogólnej przepustowości takich sieci został zidentyfikowany. Minimalna konfiguracja i szybkie wdrażanie sprawiają, że sieci ad hoc są odpowiednie w sytuacjach awaryjnych, takich jak klęski żywiołowe lub konflikty zbrojne. Obecność dynamicznych i adaptacyjnych protokołów routingu umożliwia szybkie tworzenie sieci ad hoc. Bezprzewodowe sieci ad hoc można dalej klasyfikować według ich zastosowań:

Mobilne sieci ad hoc (MANET)

Mobilna sieć ad hoc (MANET) to stale samokonfigurująca się, samoorganizująca się, pozbawiona infrastruktury sieć urządzeń mobilnych połączonych bezprzewodowo. Czasami nazywa się to sieciami „w locie” lub „sieciami spontanicznymi”.

Sieci ad hoc pojazdów (VANET)

VANET są wykorzystywane do komunikacji między pojazdami a sprzętem drogowym. Inteligentne sieci pojazdów ad hoc (InVANET) to rodzaj sztucznej inteligencji, która pomaga pojazdom zachowywać się w inteligentny sposób podczas kolizji pojazd-pojazd, wypadków. Pojazdy wykorzystują fale radiowe do komunikowania się ze sobą, tworząc sieci komunikacyjne natychmiast w locie, podczas gdy pojazdy poruszają się po drogach. VANET musi być zabezpieczony lekkimi protokołami.

Sieci ad hoc na smartfony (SPAN)

SPAN wykorzystanie istniejących (głównie sprzętu Wi-Fi i Bluetooth ) i oprogramowania (protokołów) w dostępnych na rynku smartfonów do tworzenia sieci peer-to-peer bez konieczności korzystania z sieci komórkowych nośnych, bezprzewodowych punktów dostępowych lub tradycyjnej infrastruktury sieciowej. Sieci SPAN różnią się od tradycyjnych sieci typu hub i szprych , takich jak Wi-Fi Direct , tym, że obsługują przekaźniki wieloprzeskokowe i nie ma pojęcia lidera grupy, dzięki czemu rówieśnicy mogą dołączać i odchodzić do woli bez niszczenia sieci. Ostatnio iPhone firmy Apple z systemem iOS w wersji 8.4 lub nowszej został wyposażony w funkcję sieci mesh ad hoc typu multi-peer w telefonach iPhone, umożliwiając milionom smartfonów tworzenie sieci ad hoc bez polegania na komunikacji komórkowej. Mówi się, że to „zmieni świat”.

Bezprzewodowe sieci mesh

Główny artykuł: Bezprzewodowa sieć mesh

Sieci mesh biorą swoją nazwę od topologii powstałej sieci. W całkowicie połączonej siatce każdy węzeł jest połączony z każdym innym węzłem, tworząc „siatkę”. Natomiast siatka częściowa ma topologię, w której niektóre węzły nie są połączone z innymi, chociaż termin ten jest rzadko używany. Bezprzewodowe sieci ad hoc mogą przybierać formę sieci kratowych lub innych. Bezprzewodowa sieć ad hoc nie ma ustalonej topologii, a jej łączność między węzłami jest całkowicie zależna od zachowania urządzeń, ich wzorców mobilności, odległości od siebie itp. Dlatego bezprzewodowe sieci kratowe są szczególnym rodzajem bezprzewodowych sieci ad hoc sieci, ze szczególnym uwzględnieniem wynikowej topologii sieci. Podczas gdy niektóre bezprzewodowe sieci kratowe (szczególnie te w domu) mają stosunkowo rzadką mobilność, a tym samym rzadkie przerwy w łączu, inne bardziej mobilne sieci kratowe wymagają częstych zmian trasowania, aby uwzględnić utracone łącza.

Wojskowe taktyczne MANETY

Wojskowe lub taktyczne MANETy są używane przez jednostki wojskowe z naciskiem na szybkość transmisji danych, wymagania w czasie rzeczywistym, szybkie przekierowywanie podczas mobilności, bezpieczeństwo danych, zasięg radiowy i integrację z istniejącymi systemami. Typowe fale radiowe to JTRS SRW armii amerykańskiej i WaveRelay systemu trwałego. Komunikacja mobilna ad hoc doskonale spełnia tę potrzebę, zwłaszcza jej brak infrastruktury, szybkie wdrażanie i działanie. Wojskowe MANET są używane przez jednostki wojskowe z naciskiem na szybkie wdrażanie, bez infrastruktury, całkowicie bezprzewodowe sieci (brak stałych wież radiowych), solidność (przerywanie łącza nie stanowi problemu), bezpieczeństwo, zasięg i natychmiastowe działanie.

Sieci ad hoc sił powietrznych UAV

Latające sieci ad hoc (FANET) składają się z bezzałogowych statków powietrznych , co zapewnia dużą mobilność i zapewnia łączność z odległymi obszarami.

Bezzałogowy statek powietrzny , to samolot bez pilota na pokładzie. UAV mogą być zdalnie sterowane (tj. pilotowane przez pilota w naziemnej stacji kontroli) lub mogą latać autonomicznie na podstawie zaprogramowanych planów lotu. Cywilne wykorzystanie UAV obejmuje modelowanie terenu 3D, dostarczanie paczek ( logistyka ) itp.

UAV były również wykorzystywane przez Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych do zbierania danych i wykrywania sytuacji, bez narażania pilota w nieprzyjaznym środowisku zagranicznym. Dzięki technologii sieci bezprzewodowej ad hoc wbudowanej w UAV, wiele UAV może komunikować się ze sobą i pracować jako zespół, współpracując w celu wykonania zadania i misji. Jeśli UAV zostanie zniszczony przez wroga, jego dane mogą zostać szybko przesłane bezprzewodowo do innych sąsiednich UAV. Sieć komunikacyjna ad hoc UAV jest również czasami określana jako sieć natychmiastowego nieba UAV. Mówiąc bardziej ogólnie, lotnicze MANET w bezzałogowych statkach powietrznych są obecnie (od 2021 r.) z powodzeniem wdrożone i funkcjonują jako mini-taktyczne rozpoznawcze bezzałogowe statki powietrzne ISR, takie jak BRAMOR C4EYE ze Słowenii.


Sieci ad hoc marynarki wojennej

Statki marynarki wojennej tradycyjnie używają łączności satelitarnej i innych radiostacji morskich do komunikowania się ze sobą lub ze stacją naziemną na lądzie. Jednak taka komunikacja jest ograniczona opóźnieniami i ograniczoną przepustowością. Bezprzewodowe sieci ad hoc umożliwiają tworzenie sieci obszarów okrętowych na morzu, umożliwiając szybką komunikację bezprzewodową między statkami, usprawniając wymianę danych obrazowych i multimedialnych oraz lepszą koordynację operacji na polu bitwy. Niektóre firmy zbrojeniowe (takie jak Rockwell Collins i Rohde & Schwartz) wyprodukowały produkty, które usprawniają komunikację między statkami i ląd.

Sieci czujników bezprzewodowych

Czujniki to przydatne urządzenia, które gromadzą informacje związane z określonym parametrem, takim jak hałas, temperatura, wilgotność, ciśnienie itp. Czujniki są coraz częściej połączone bezprzewodowo, aby umożliwić gromadzenie danych z czujników na dużą skalę. Dzięki dużej próbce danych z czujników przetwarzanie analityczne można wykorzystać do nadania sensu tym danym. Łączność bezprzewodowych sieci czujników opiera się na zasadach sieci bezprzewodowych ad hoc, ponieważ czujniki można teraz wdrażać bez żadnych stałych wież radiowych i mogą teraz tworzyć sieci w locie. „Smart Dust” był jednym z pierwszych projektów zrealizowanych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, gdzie do połączenia inteligentnego pyłu używano maleńkich radiotelefonów. Ostatnio mobilne bezprzewodowe sieci czujników (MWSN) również stały się obszarem zainteresowania akademickiego.

Sieć robotów ad hoc

Roboty to systemy mechaniczne, które napędzają automatyzację i wykonują prace, które wydawałyby się trudne dla człowieka. Podjęto wysiłki w celu koordynowania i kontrolowania grupy robotów w celu podjęcia wspólnej pracy w celu wykonania zadania. Scentralizowane sterowanie często opiera się na podejściu „gwiazdy”, w którym roboty na zmianę rozmawiają ze stacją kontrolera. Jednak w przypadku bezprzewodowych sieci ad hoc roboty mogą tworzyć sieć komunikacyjną w locie, tj. roboty mogą teraz „rozmawiać” ze sobą i współpracować w sposób rozproszony. Dzięki sieci robotów roboty mogą komunikować się między sobą, udostępniać informacje lokalne i dystrybucyjnie decydować, jak rozwiązać zadanie w najbardziej efektywny i wydajny sposób.

Sieć ad hoc ratunkowa

Innym cywilnym zastosowaniem bezprzewodowej sieci ad hoc jest bezpieczeństwo publiczne. W czasie katastrof (powodzie, burze, trzęsienia ziemi, pożary itp.) niezbędna jest szybka i natychmiastowa bezprzewodowa sieć komunikacyjna. Zwłaszcza w czasie trzęsień ziemi, gdy wieże radiowe zawaliły się lub zostały zniszczone, bezprzewodowe sieci ad hoc mogą być tworzone niezależnie. Strażacy i ratownicy mogą korzystać z sieci ad hoc, aby komunikować się i ratować poszkodowanych. Na rynku dostępne są komercyjne radia o takich możliwościach.

Szpitalna sieć ad hoc

Bezprzewodowe sieci ad hoc umożliwiają bezprzewodową instalację i łączenie czujników, wideo, instrumentów i innych urządzeń w celu monitorowania pacjentów w klinice i szpitalu, powiadamiania o alertach lekarzy i pielęgniarek, a także szybkiego odczytywania takich danych w punktach łączenia, dzięki czemu można zapisane.

Monitorowanie i eksploracja danych

MANETS można wykorzystać do ułatwienia gromadzenia danych z czujników do eksploracji danych w różnych zastosowaniach, takich jak monitorowanie zanieczyszczenia powietrza, a do takich zastosowań można wykorzystać różne rodzaje architektur. Kluczową cechą takich aplikacji jest to, że pobliskie węzły czujników monitorujące cechy środowiskowe zwykle rejestrują podobne wartości. Ten rodzaj nadmiarowości danych ze względu na przestrzenną korelację między obserwacjami czujnika inspiruje techniki agregacji i eksploracji danych w sieci. Mierząc korelację przestrzenną między danymi próbkowanymi przez różne czujniki, można opracować szeroką klasę wyspecjalizowanych algorytmów w celu opracowania bardziej wydajnych algorytmów eksploracji danych przestrzennych, a także bardziej wydajnych strategii routingu. Ponadto badacze opracowali modele wydajności dla MANET, aby zastosować teorię kolejkowania .

Adaptacyjne przesyłanie strumieniowe wideo w sieciach ad hoc

Zastosowanie strategii adaptacyjnej podczas transmisji wideo może pomóc w zmniejszeniu przeciążenia sieci i utraty pakietów. Korzystając z SVC, źródło wideo jest w stanie dostosować szybkość transmisji zgodnie z dostępną przepustowością.

Wyzwania

Kilka książek i prac ujawniło wyzwania techniczne i badawcze, przed którymi stoją bezprzewodowe sieci ad hoc lub MANET. Korzyści dla użytkowników, trudności techniczne we wdrożeniu oraz skutki uboczne dla zanieczyszczenia widma radiowego można krótko podsumować poniżej:

Korzyści dla użytkowników

Oczywistym urokiem MANET jest to, że sieć jest zdecentralizowana, a węzły/urządzenia są mobilne, to znaczy nie ma stałej infrastruktury, która zapewnia możliwość wielu zastosowań w różnych obszarach, takich jak monitorowanie środowiska [1], [2], katastrofy pomoc [3]–[5] i łączność wojskowa [3]. Od początku XXI wieku zainteresowanie MANET-ami znacznie wzrosło, co po części wynika z faktu, że mobilność może poprawić przepustowość sieci, co wykazali Grossglauser i Tse wraz z wprowadzeniem nowych technologii.

Jedną z głównych zalet sieci zdecentralizowanych jest to, że są one zazwyczaj bardziej niezawodne niż sieci scentralizowane ze względu na wieloskokowy sposób przekazywania informacji. Na przykład w ustawieniach sieci komórkowej spadek zasięgu występuje, gdy stacja bazowa przestaje działać, jednak prawdopodobieństwo wystąpienia pojedynczego punktu awarii w sieci MANET jest znacznie zmniejszone, ponieważ dane mogą przyjmować wiele ścieżek. Ponieważ architektura MANET ewoluuje z czasem, ma potencjał do rozwiązywania problemów, takich jak izolacja/odłączenie od sieci. Dalsze zalety MANETS nad sieciami o stałej topologii to elastyczność (sieć ad hoc może być tworzona w dowolnym miejscu za pomocą urządzeń mobilnych), skalowalność (można łatwo dodać więcej węzłów do sieci) i niższe koszty administracyjne (nie ma potrzeby budowania infrastruktury w pierwszej kolejności ).

W podsumowaniu:

  • Wysoce wydajna sieć.
  • Nie trzeba instalować drogiej infrastruktury
  • Szybka dystrybucja informacji wokół nadawcy
  • Brak pojedynczego punktu awarii.
  • wielokrotny skok
  • skalowalność

Trudności wdrożeniowe

Z ewoluującą w czasie siecią jasne jest, że powinniśmy spodziewać się zmian w wydajności sieci ze względu na brak stałej architektury (brak stałych połączeń). Ponadto, ponieważ topologia sieci determinuje zakłócenia, a tym samym łączność, wzorzec mobilności urządzeń w sieci będzie miał wpływ na wydajność sieci, co może skutkować wielokrotnym przesyłaniem danych (zwiększone opóźnienie) i ostatecznie przydziałem zasobów sieciowych, takich jak moc pozostaje niejasne. Wreszcie, znalezienie modelu, który dokładnie odzwierciedla mobilność człowieka, a jednocześnie pozostaje matematycznie wykonalny, pozostaje otwartym problemem ze względu na szeroki zakres czynników, które na niego wpływają. Niektóre typowe używane modele obejmują losowy spacer, losowy punkt drogi i modele lotu opłaty.

W podsumowaniu:

  • Wszystkie jednostki sieciowe mogą być mobilne, dlatego potrzebna jest bardzo dynamiczna topologia.
  • Funkcje sieciowe muszą mieć wysoki stopień adaptacji.
  • Nie ma jednostek centralnych, więc operacje muszą być zarządzane w sposób całkowicie rozproszony.
  • Ograniczenia baterii

Skutki uboczne

Radia i modulacja

Bezprzewodowe sieci ad hoc mogą działać w różnych typach radiotelefonów. Wszystkie radiotelefony wykorzystują modulację do przesyłania informacji w określonym paśmie częstotliwości radiowych. Biorąc pod uwagę potrzebę szybkiego przesyłania dużych ilości informacji na duże odległości, w idealnym przypadku kanał radiowy MANET ma dużą przepustowość (np. ilość widma radiowego), niższe częstotliwości i wyższą moc. Biorąc pod uwagę chęć komunikowania się z wieloma innymi węzłami jednocześnie, potrzebnych jest wiele kanałów. Biorąc pod uwagę, że widmo radiowe jest współdzielone i regulowane , przy niższych częstotliwościach dostępna jest mniejsza szerokość pasma. Przetwarzanie wielu kanałów radiowych wymaga wielu zasobów. Biorąc pod uwagę potrzebę mobilności, bardzo ważne są małe rozmiary i mniejsze zużycie energii. Wybór radia i modulacji MANET ma wiele kompromisów; wiele z nich zaczyna od określonej częstotliwości i szerokości pasma, z których mogą korzystać.

Radia mogą być UHF (300 – 3000 MHz), SHF (3 – 30 GHz) i EHF (30 – 300 GHz). Wi-Fi ad hoc korzysta z nielicencjonowanych radiotelefonów ISM 2,4 GHz. Mogą być również używane w radiotelefonach 5,8 GHz.

Im wyższa częstotliwość, np. 300 GHz, tym większa będzie absorpcja sygnału. Wojskowe radiotelefony taktyczne zwykle wykorzystują różne radiotelefony UHF i SHF, w tym radiotelefony VHF, aby zapewnić różne tryby komunikacji. W zakresie 800, 900, 1200, 1800 MHz przeważają radia komórkowe. Niektóre radiotelefony komórkowe wykorzystują komunikację ad hoc w celu rozszerzenia zasięgu komórkowego na obszary i urządzenia nieosiągalne przez komórkową stację bazową.

Wi-Fi nowej generacji znane jako 802.11ax zapewnia niskie opóźnienie, wysoką przepustowość (do 10Gbit/s) i niski współczynnik utraty pakietów, oferując 12 strumieni – 8 strumieni przy 5 GHz i 4 strumienie przy 2,4 GHz. IEEE 802.11ax wykorzystuje kanały 8x8 MU-MIMO, OFDMA i 80 MHz. W związku z tym 802.11ax może tworzyć sieci ad hoc Wi-Fi o dużej przepustowości.

Przy 60 GHz istnieje inna forma Wi-Fi znana jako WiGi – bezprzewodowy gigabit. Ma to możliwość zaoferowania przepustowości do 7Gbit/s. Obecnie WiGi jest ukierunkowane na współpracę z sieciami komórkowymi 5G.

Około 2020 r. Ogólny konsensus stwierdza, że ​​„najlepszą” modulacją do przenoszenia informacji na falach o wyższej częstotliwości jest multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości , stosowane w 4G LTE , 5G i Wi-Fi .

Stos protokołów

Wyzwania mające wpływ na MANET obejmują różne warstwy stosu protokołów OSI . Warstwa dostępu do nośnika (MAC) musi zostać ulepszona, aby rozwiązać kolizje i ukryte problemy z terminalami. Protokół routingu warstwy sieciowej musi zostać ulepszony, aby rozwiązać dynamicznie zmieniające się topologie sieci i uszkodzone trasy. Protokół warstwy transportowej musi zostać ulepszony, aby obsłużyć utracone lub zerwane połączenia. Protokół warstwy sesji musi radzić sobie z wykrywaniem serwerów i usług.

Głównym ograniczeniem węzłów mobilnych jest ich wysoka mobilność, co powoduje częste zrywanie i ponowne ustanawianie łączy. Co więcej, przepustowość kanału bezprzewodowego jest również ograniczona, a węzły działają na ograniczonej mocy baterii, która ostatecznie zostanie wyczerpana. Czynniki te sprawiają, że projektowanie mobilnej sieci ad hoc jest wyzwaniem.

Projekt międzywarstwowy odbiega od tradycyjnego podejścia do projektowania sieci, w którym każda warstwa stosu byłaby wykonana tak, aby działała niezależnie. Zmodyfikowana moc transmisji pomoże temu węzłowi dynamicznie zmieniać jego zakres propagacji w warstwie fizycznej. Dzieje się tak, ponieważ odległość propagacji jest zawsze wprost proporcjonalna do mocy transmisji. Informacje te są przekazywane z warstwy fizycznej do warstwy sieci, aby umożliwić podejmowanie optymalnych decyzji dotyczących protokołów routingu. Główną zaletą tego protokołu jest to, że umożliwia dostęp do informacji między warstwą fizyczną a górną warstwą (warstwą MAC i siecią).

Niektóre elementy stosu oprogramowania zostały opracowane w celu umożliwienia aktualizacji kodu in situ , tj. z węzłami osadzonymi w ich środowisku fizycznym i bez konieczności przenoszenia węzłów z powrotem do laboratorium. Taka aktualizacja oprogramowania opierała się na epidemicznym trybie rozpowszechniania informacji i musiała być przeprowadzana zarówno sprawnie (niewiele transmisji sieciowych), jak i szybko.

Rozgromienie

Routing w bezprzewodowych sieciach ad hoc lub sieciach MANET generalnie dzieli się na trzy kategorie, a mianowicie: (a) routing proaktywny, (b) routing reagujący i (c) routing hybrydowy.

Proaktywny routing

Protokoły tego typu utrzymują świeże listy miejsc docelowych i ich tras poprzez okresowe rozpowszechnianie tabel routingu w całej sieci. Główne wady takich algorytmów to:

  • Odpowiednia ilość danych do konserwacji.
  • Powolna reakcja na restrukturyzację i niepowodzenia.

Przykład: zoptymalizowany protokół routingu stanu łącza (OLSR)

Routing wektora odległości

Podobnie jak w sieci stacjonarnej, węzły utrzymują tablice routingu. Protokoły odległość-wektor opierają się na obliczaniu kierunku i odległości do dowolnego łącza w sieci. „Kierunek” zwykle oznacza adres następnego przeskoku i interfejs wyjściowy. „Odległość” to miara kosztu dotarcia do określonego węzła. Najtańsza trasa między dowolnymi dwoma węzłami to trasa o minimalnej odległości. Każdy węzeł utrzymuje wektor (tablicę) minimalnej odległości od każdego węzła. Koszt dotarcia do miejsca docelowego jest obliczany na podstawie różnych wskaźników trasy. Protokół RIP wykorzystuje liczbę przeskoków miejsca docelowego, podczas gdy protokół IGRP uwzględnia inne informacje, takie jak opóźnienie węzła i dostępna przepustowość.

Routing reaktywny

Ten typ protokołu znajduje trasę w oparciu o zapotrzebowanie użytkownika i ruchu, zalewając sieć pakietami Route Request lub Discovery. Główne wady takich algorytmów to:

  • Wysoki czas opóźnienia w wyszukiwaniu trasy.
  • Nadmierne zalanie może prowadzić do zatkania sieci.

Jednak klastrowanie można wykorzystać do ograniczenia zalania. Opóźnienie powstałe podczas wykrywania tras nie jest znaczące w porównaniu z okresowymi wymianami aktualizacji tras przez wszystkie węzły w sieci.

Przykład: Ad hoc routing wektora odległości na żądanie (AODV)

Powódź

Jest prostym algorytmem routingu, w którym każdy przychodzący pakiet jest przesyłany przez każde łącze wychodzące z wyjątkiem tego, do którego dotarł. Flooding jest używany w mostowaniu oraz w systemach takich jak Usenet i udostępnianie plików peer-to-peer oraz jako część niektórych protokołów routingu, w tym OSPF , DVMRP i tych używanych w bezprzewodowych sieciach ad hoc.

Routing hybrydowy

Ten typ protokołu łączy zalety routingu proaktywnego i reaktywnego . Trasowanie jest początkowo ustalane z niektórymi proaktywnie poszukiwanymi trasami, a następnie obsługuje zapotrzebowanie z dodatkowo aktywowanych węzłów poprzez reaktywne zalewanie. Wybór jednej lub drugiej metody wymaga wcześniejszego określenia w typowych przypadkach. Główne wady takich algorytmów to:

  1. Przewaga zależy od liczby innych aktywnych węzłów.
  2. Reakcja na zapotrzebowanie ruchu zależy od gradientu natężenia ruchu.

Przykład: protokół routingu strefy (ZRP)

Routing na podstawie pozycji

Metody routingu oparte na pozycji wykorzystują informacje o dokładnej lokalizacji węzłów. Informacje te są uzyskiwane na przykład przez odbiornik GPS . Na podstawie dokładnej lokalizacji można określić najlepszą ścieżkę między węzłem źródłowym a docelowym.

Przykład: „Routing wspomagany lokalizacją w sieciach komórkowych ad hoc” ( LAR )

Wymagania techniczne dotyczące wdrożenia

Sieć ad hoc składa się z wielu „węzłów” połączonych „łączami”.

Na łącza wpływają zasoby węzła (np. moc nadajnika, moc obliczeniowa i pamięć) oraz właściwości behawioralne (np. niezawodność), a także właściwości łącza (np. długość łącza i utrata sygnału, zakłócenia i szum). Ponieważ łącza można łączyć lub rozłączać w dowolnym momencie, funkcjonująca sieć musi być w stanie poradzić sobie z tą dynamiczną restrukturyzacją, najlepiej w sposób terminowy, wydajny, niezawodny, solidny i skalowalny.

Sieć musi umożliwiać dowolnym dwóm węzłom komunikację poprzez przekazywanie informacji przez inne węzły. „Ścieżka” to seria łączy, które łączą dwa węzły. Różne metody routingu wykorzystują jedną lub dwie ścieżki między dowolnymi dwoma węzłami; metody zalewania wykorzystują wszystkie lub większość dostępnych ścieżek.

Średnia Kontrola dostępu

Główny artykuł: Kontrola dostępu do mediów

W większości bezprzewodowych sieci ad hoc węzły konkurują o dostęp do współdzielonego bezprzewodowego medium, często powodując kolizje (zakłócenia). Kolizje mogą być obsługiwane przy użyciu scentralizowanego planowania lub protokołów dostępu do rozproszonej rywalizacji. Stosowanie kooperatywnej komunikacji bezprzewodowej poprawia odporność na zakłócenia , ponieważ węzeł docelowy łączy zakłócenia własne i zakłócenia innego węzła w celu poprawy dekodowania pożądanych sygnałów.

Symulacja

Jednym z kluczowych problemów w bezprzewodowych sieciach ad hoc jest przewidywanie różnych możliwych sytuacji, które mogą wystąpić. W rezultacie modelowanie i symulacja (M&S) z wykorzystaniem rozległego przemiatania parametrów i analizy warunkowej staje się niezwykle ważnym paradygmatem do zastosowania w sieciach ad hoc. Jednym z rozwiązań jest wykorzystanie narzędzi symulacyjnych, takich jak OPNET , NetSim czy ns2 . Badanie porównawcze różnych symulatorów dla VANET ujawnia, że ​​czynniki takie jak ograniczona topologia dróg, wielościeżkowe zanikanie i przeszkody na poboczu drogi, modele przepływu ruchu, modele podróży, zmienna prędkość i mobilność pojazdów, sygnalizacja świetlna, zatory w ruchu, zachowanie kierowców itp. , należy wziąć pod uwagę w procesie symulacji, aby odzwierciedlić realistyczne warunki.

Stanowisko do testowania emulacji

W 2009 r. Laboratorium Badawcze Armii Stanów Zjednoczonych (ARL) i Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej (NRL) opracowały stanowisko testowe do emulacji Mobile Ad-Hoc Network , w którym algorytmy i aplikacje poddano reprezentatywnym warunkom sieci bezprzewodowej. Stanowisko testowe zostało oparte na wersji oprogramowania „MANE” (Mobile Ad hoc Network Emulator) pierwotnie opracowanego przez NRL.

Modele matematyczne

Tradycyjnym modelem jest losowy wykres geometryczny . Wczesne prace obejmowały symulację sieci komórkowych ad hoc w topologiach rzadkich i gęsto połączonych. Węzły są najpierw losowo rozproszone w ograniczonej przestrzeni fizycznej. Każdy węzeł ma wtedy predefiniowany stały rozmiar komórki (zakres radiowy). Mówi się, że węzeł jest połączony z innym węzłem, jeśli sąsiad znajduje się w jego zasięgu radiowym. Węzły są następnie przesuwane (migrowane) w oparciu o model losowy, przy użyciu błądzenia losowego lub ruchu Browna. Różna mobilność i liczba obecnych węzłów skutkują różną długością trasy, a tym samym różną liczbą wielu przeskoków.

Losowo skonstruowany wykres geometryczny narysowany wewnątrz kwadratu

Są to wykresy składające się z zestawu węzłów, umieszczonych zgodnie z procesem punktu w niektórych zwykle ograniczona podzbioru w płaszczyźnie n-wymiarowej , wzajemnie połączone według logicznej funkcją masy prawdopodobieństwa ich oddzielenia przestrzennego (patrz np wykresy dyskowego ). Połączenia między węzłami mogą mieć różne wagi, aby modelować różnicę w tłumieniach kanałów. Można wtedy badać obserwable sieciowe (takie jak łączność , centralność lub rozkład stopni ) z perspektywy teorii grafów . Można dalej badać protokoły sieciowe i algorytmy, aby poprawić przepustowość i uczciwość sieci.

Bezpieczeństwo

Większość bezprzewodowych sieci ad hoc nie implementuje żadnej kontroli dostępu do sieci, co naraża te sieci na ataki wykorzystujące zasoby, w których złośliwy węzeł wprowadza pakiety do sieci w celu wyczerpania zasobów węzłów przekazujących pakiety.

Aby udaremnić lub zapobiec takim atakom, konieczne było zastosowanie mechanizmów uwierzytelniania, które zapewniają, że tylko autoryzowane węzły mogą wprowadzać ruch do sieci. Nawet w przypadku uwierzytelniania sieci te są podatne na ataki polegające na upuszczaniu pakietów lub opóźnianiu, w wyniku których węzeł pośredni odrzuca pakiet lub go opóźnia, zamiast natychmiast wysyłać go do następnego przeskoku.

W środowisku multiemisji i dynamicznym ustanowienie tymczasowych bezpiecznych „sesji” 1:1 przy użyciu PKI z każdym innym węzłem nie jest wykonalne (jak ma to miejsce w przypadku HTTPS , większości VPN itp. w warstwie transportowej). Zamiast tego, powszechnym rozwiązaniem jest użycie wstępnie współdzielonych kluczy do symetrycznego, uwierzytelnionego szyfrowania w warstwie łącza, na przykład MACsec przy użyciu AES- 256- GCM . Dzięki tej metodzie każdy odebrany prawidłowo sformatowany pakiet jest uwierzytelniany, a następnie przekazywany do odszyfrowania lub odrzucany. Oznacza to również, że klucze w każdym węźle muszą być zmieniane częściej i jednocześnie (np. aby uniknąć ponownego użycia IV ).

Zarządzanie zaufaniem

Ustanowienie zaufania i zarządzanie nim w sieciach MANET napotyka wyzwania związane z ograniczeniami zasobów i złożoną współzależnością sieci. Zarządzanie zaufaniem w sieci MANET musi uwzględniać interakcje między złożonymi sieciami kognitywnymi, społecznymi, informacyjnymi i komunikacyjnymi oraz uwzględniać ograniczenia zasobów (np. moc obliczeniowa, energia, przepustowość, czas) i dynamikę (np. zmiany topologii, mobilność węzła, awaria węzła, warunki kanału propagacji).

Naukowcy zajmujący się zarządzaniem zaufaniem w MANET zasugerowali, że takie złożone interakcje wymagają złożonej metryki zaufania, która wychwytuje aspekty komunikacji i sieci społecznościowych oraz odpowiadające im pomiary zaufania, dystrybucję zaufania i schematy zarządzania zaufaniem.

Ciągłe monitorowanie każdego węzła w sieci MANET jest niezbędne dla zaufania i niezawodności, ale trudne, ponieważ z definicji jest nieciągłe, 2) wymaga danych wejściowych od samego węzła i 3) od jego „pobliskich” partnerów.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Kahn, Robert E. (styczeń 1977). „Organizacja zasobów komputerowych w pakietową sieć radiową”. Transakcje IEEE dotyczące komunikacji . COM-25 (1): 169–178. doi : 10.1109/tcom.1977.1093714 .

Zewnętrzne linki