Исследование методов маршрутизации в сетях стандарта 802. 15. 4 (ZigBee) Студент: Ступин А. А. Кокорева Е. В



страница1/4
Дата11.12.2016
Размер0.61 Mb.
Просмотров1040
Скачиваний4
ТипИсследование
  1   2   3   4
Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательноее учреждение высшего образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(СибГУТИ)


Кафедра Систем мобильной связи

Выпускная квалификационная работа бакалавра

Исследование методов маршрутизации в сетях стандарта 802.15.4 (ZigBee)


Студент: Ступин А.А.

Руководитель: Кокорева Е.В.

Новосибирск 2016



Содержание


Введение……………………………………………………………………...

4

Глава 1

Общие сведения о технологии ZigBee…………………………..

5

Глава 2

Маршрутизация в беспроводных сетях………………………....

10




2.1 Задача маршрутизации…………………………………….....

10




2.2 Маршрутизация в сетях MANET………………………….....

11

Глава 3

Обзор основных протоколов маршрутизации………………......

17




3.1 Протокол DSDV……………………………………………....

17




3.2 Протокол OLSR…………………………………………….....

17




3.3 Протокол FSR………………………………………………...

20




3.4 Протокол AODV………………………………………………

20




3.5 Протокол AOMDV……………………………………………

23




3.6 Протокол DSR………………………………………………...

25




3.7 Протокол ZRP............................................................................

27




3.8 Выбор протоколов маршрутизации для исследования.........

28

Глава 4

Выбор программного продукта для моделирования...................

29




4.1 Обзор существующих решений...............................................

29




4.2 OPNET Modeler.........................................................................

29




4.3 OMNet ++...................................................................................

30




4.4 NS-2…........................................................................................

31




4.5 NS-3............................................................................................

32




4.6 COMNET III...............................................................................

33




4.7 BONes Designer….....................................................................

34




4.8 QualNet.......................................................................................

35




4.9 Сравнение сетевых симуляторов.............................................

37

Глава 5

Результаты моделирования............................................................

38




5.1 Описание разработанной модели............................................

38




5.2 Рабочие характеристики...........................................................

40




5.3 Анализ полученных результатов для CBR-трафика..............

41




5.3.1 Задержки при передаче от источника к получателю..........

41




5.3.2 Вероятность потери пакетов.................................................

42




5.3.3 Производительность канала..................................................

43




5.4 Анализ полученных результатов для Pareto-трафика............

44




5.4.1 Задержки при передаче от источника к получателю..........

44




5.4.2 Вероятность потери пакетов.................................................

45




5.4.3 Производительность канала..................................................

46




5.5 Анализ полученных результатов для Exponential-трафика..

47




5.5.1 Задержки при передаче от источника к получателю..........

47




5.5.2 Вероятность потери пакетов.................................................

48




5.5.3 Производительность канала..................................................

49

Глава 6

Безопасность жизнедеятельности..................................................

50




6.1 Характеристика опасных и вредных факторов......................

50




6.2 Организация рабочего места....................................................

51




6.3 Меры по снижению шума........................................................

52




6.4 Вентиляция................................................................................

53




6.5 Микроклимат.............................................................................

54




6.6 Требования по электробезопасности......................................

55




6.7 Электромагнитное излучение..................................................

57




6.8 Освещение рабочего места.......................................................

58




6.9 Пожарная безопасность............................................................

58

Заключение......................................................................................................

60

Приложение А.................................................................................................

61

Приложение Б..................................................................................................

64

Библиографический список............................................................................

72


Введение
В последние несколько лет широкое распространение получили сети MANET (Mobile Ad-hoc Network), в частности сети ZigBee, главной чертой которых является самоорганизация. Мобильные узлы могут присоединяться к сети, покидать ее, а также менять свое положение в ней, так что топология будет изменяться постоянно непредсказуемым образом. Каждый узел сети является не только оконечным пользовательским терминалом, но и ретранслятором-маршрутизатором, передавая пакеты других абонентов и непосредственно участвуя в процессе маршрутизации. Данные особенности сетей ZigBee делают невозможным применение в них существующих протоколов маршрутизации для проводных сетей.

На сегодняшний день существует множество различных протоколов маршрутизации для беспроводных персональных сетей. В данной работе будут рассмотрены наиболее популярные из них, а также произведено сравнение данных протоколов для основных параметров QoS: задержек, вероятности потери пакетов и производительности канала.



Глава 1 Общие сведения о технологии ZigBee
В 2001 году Институт инженеров электротехники и электроники IEEE разработал новый стандарт 802.15.4 семейства беспроводных персональных сетей WPAN (Wireless personal area network). В 2002 году был образован альянс ZigBee. Альянс ZigBee — это консорциум поставщиков полупроводниковых компонентов, производителей готовых решений (в общей сложности более 90 компаний), который осуществляет разработку глобальной спецификации программного стека протоколов ZigBee. [1]

Основными областями применения ZigBee/IEEE 802.15.4 являются передача информации от движущихся и вращающихся частей механизмов (конвейеров, роботов), промышленные системы управления и мониторинга, беспроводные сети датчиков, отслеживание маршрутов движения и местоположения имущества и инвентаря, "интеллектуальное" сельское хозяйство, системы охраны.

В отличие от других беспроводных технологий, где ставится задача обеспечить высокую скорость передачи, большую дальность или высокое качество обслуживания, ZigBee/IEEE 802.15.4 создавался изначально по критериям малой дальности действия, низкой цены, низкой потребляемой мощности, низкой скорости передачи и малых габаритов. Эти свойства идеально соответствуют требованиям к большинству промышленных датчиков. Поэтому ZigBee часто отождествляют с промышленными беспроводными сенсорными сетями WSN (Wireless Sensor Network). Устройства ZigBee применяются в тех случаях, когда Bluetooth оказывается слишком дорогим, и не требуется высокая скорость передачи. [2]

ZigBee, как и Bluetooth, использует нелицензируемый диапазон 2,4 ГГц. Стандарт предусматривает также использование частот 868 МГц в Европе и 915 МГц в США. Максимальная скорость передачи составляет 250 кбит/с в


диапазоне 2,4 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц разделен на 11...26 каналов шириной по 5 МГц каждый.

Несмотря на то, что вся идеология стандарта IEEE 802.15.4 построена в предположении, что типовая связь будет осуществляться на расстоянии около 10 м, стандарт не устанавливает требований к мощности передатчика. Этот параметр регулируется нормативными документами в области радиосвязи, специфическими для каждого государства. Наибольшее распространение на рынке имеют передатчики с мощностью 1 мВт, которые обеспечивают связь на расстоянии до 10 м в помещении, а также передатчики с мощностью 10 мВт, увеличивающие это расстояние до 80 м в помещении и до 1 км в условиях прямой видимости. Дальность связи можно увеличить применением антенн специальной конструкции.

Соответствие между моделью построения стандарта ZigBee и многоуровневой архитектурой модели OSI представлено в таблице 1.1. Модель ZigBee включает в себя физический уровень (PHY), канальный уровень, состоящий из подуровня доступа к среде передачи MAC и LLC, которые определяются стандартом IEEE 802.15.4, а также сетевой уровень NWK (NetWorK) и уровень приложений APL, состоящий из подуровня поддержки приложений (APplication Support sub-layer - APS), подуровня объектов устройств ZigBee (ZigBee Device Object - ZDO) и объектов Application Objects, определяемых изготовителем ZigBee-устройств. [1]

Таблица 1.1 – Уровни модели OSI сети ZigBee/IEEE 802.15.4



Номер уровня

OSI модель

Сеть

Функции

7

Прикладной

APL (APS, ZDO и Application Objects) ZigBee

Передача сообщений, обнаружение устройств, определение роли устройств

6

Уровень представления

-

-

5

Сеансовый

-

-

4

Транспортный

-

-

3

Сетевой

NWK ZigBee

Безопасность, маршрутизация

2

Канальный

LLC IEEE 802.15.4

CSMA/CA, передача маячков, синхронизация

SSCS IEEE 802.15.4

MAC IEEE 802.15.4

1

Физический

PHY IEEE 802.15.4

Радиоканал 2,4 ГГц

Подуровень MAC управляет доступом к радиоканалу, используя метод CSMA/CA. Он также отвечает за передачу маячковых фреймов, синхронизацию и обеспечение надежных методов передачи информации. Подуровень SSCS (Service Specific Convergence Sublayer - "подуровень сближения специфических сервисов") выполняет роль интерфейса между подуровнями LLC и MAC. Подуровень LLC выполняет связь сетевого уровня с уровнем MAC.

Уровень NWK использует методы, обеспечивающие:


  • регистрацию в сети нового устройства и исключение его из сети;

  • обеспечение безопасности при передаче фреймов;

  • указание маршрута фрейма к месту назначения;

  • прокладку маршрутов между устройствами в сети;

  • обнаружение в сети ближайших соседей;

  • запоминание необходимой информации о соседних узлах.

В ZigBee имеются три типа устройств:

  • координатор - формирует топологию сети и может устанавливать мосты с другими сетями. В каждой ZigBee сети имеется только один координатор;

  • маршрутизатор - работает как промежуточное звено, передавая в нужном направлении данные от других устройств;

  • конечное устройство - передает данные координатору или маршрутизатору и не может связываться с аналогичными ему устройствами.

Уровень NWK координатора отвечает за организацию новой сети, когда это нужно и назначение адресов новым устройствам, подключаемым к сети.

Подуровень APS уровня приложений обеспечивает:



  • обслуживание таблиц для связывания устройств сети на основе информации о необходимости и возможности связывания;

  • передачу сообщений между связанными устройствами;

  • определение группового адреса устройств, удаление и фильтрацию сообщений с групповыми адресами;

  • отображение 64-битного адреса в 16-битный;

  • фрагментацию, перекомпоновку и транспортировку данных.

Подуровень ZDO обеспечивает:

  • определение роли устройств в сети (координатор, маршрутизатор или оконечное устройство);

  • инициирование или ответ на запрос соединения;

  • защиту информации;

  • обнаружение устройств в сети и определение, какой сервис они предоставляют.

Топология ZigBee-сети поддерживается уровнем NWK и может иметь форму звезды, дерева, ячеистой сети (mesh) и др.

поддерживаемые топологии сенсорной сети.

Рисунок 1.1 – Поддерживаемые топологии сети ZigBee


В топологии типа звезды сеть контролируется координатором. Координатор отвечает за инициализацию и обслуживание сетевых устройств и всех конечных устройств, непосредственно взаимодействующих с координатором. В ячеистой и древовидной структуре сети координатор отвечает за организацию сети и выбор некоторых ключевых параметров, но сеть может быть расширена с помощью ZigBee маршрутизаторов. В сети с древовидной топологией маршрутизаторы перемещают данные и управляющие сообщения по сети, используя иерархическую стратегию маршрутизации. Древовидные сети могут использовать маячковую стратегию маршрутизации.

Глава 2 Маршрутизация в беспроводных сетях
2.1 Задача маршрутизации
Задача маршрутизации включает в себя две подзадачи:

  • определение маршрута;

  • оповещение сети о выбранном маршруте.

Определить маршрут означает выбрать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату. Определение маршрута – сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих интерфейсов существует множество путей. Чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном по некоторому критерию маршруте. В качестве критериев оптимальности могут выступать, например, номинальная пропускная способность и загруженность каналов связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуточных транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов. Но даже в том случае, когда между конечными узлами существует только один путь, при сложной топологии сети его нахождение может представлять собой нетривиальную задачу.

После определения маршрута, необходимо оповестить о нем все устройства сети. Сообщение о маршруте должно нести каждому транзитному устройству примерно такую информацию: «каждый раз, когда в устройство поступят данные, относящиеся к потоку n, их следует передать для дальнейшего продвижения на интерфейс F». Каждое подобное сообщение о маршруте, обрабатывается устройством в результате создается новая запись в таблице маршрутизации. В этой таблице локальному или глобальному признаку потока (например, метке, номеру входного интерфейса или адресу назначения) ставится в соответствие номер интерфейса, на который устройство должно передавать данные, относящиеся к этому потоку. [3]


Таблица 2.1 – Фрагмент таблицы маршрутизации

Признаки потока

Направление передачи данных (номер интерфейса и/или адрес следующего узла)





n

F




Однако поскольку топология и состав информационных потоков могут меняться (отказы узлов или появление новых промежуточных узлов, изменение адресов или определение новых потоков), гибкое решение задач определения и задания маршрутов предполагает постоянный анализ

состояния сети и обновление маршрутов и таблиц маршрутизации. В таких случаях задачи прокладки маршрутов, как правило, не могут быть решены без достаточно сложных программных и аппаратных средств.
2.2 Маршрутизация в сетях MANET
Сети MANET (Mobile Ad-hoc NETworks), представителем которых является технология ZigBee – это радиосети со случайными мобильными абонентами, реализующие полностью децентрализованное управление при отсутствии базовых станций или опорных узлов. Топология MANET динамична и соединение узлов является случайным. Беспроводные сети, построенные на базе мобильных устройств, обладают рядом особенностей:


  • мобильность узлов ведет к дополнительному повышению динамичности топологии сети, поскольку, вследствие помех или включения/выключения узла, к возможности обрыва связи добавляется вероятность перемещения узлов;

  • запас источников питания мобильных узлов может быть ограничен, в связи, с чем при проектировании аппаратных средств и протоколов необходимо учитывать энергопотребление (особенно для сенсорных сетей).

Самоорганизующиеся сети MANET обладают следующими преимуществами над беспроводными сетями традиционной архитектуры:

  • возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика;

  • устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети;

  • возможность быстрой реконфигурации в условиях неблагоприятной помеховой обстановки;

  • простота и высокая скорость развертывания.

В сетях MANET каждый узел может независимо перемещаться в произвольном направлении вследствие чего изменения в топологии сети должны быть переданы другим узлам для поддержания правильной маршрутизации. Например, когда узел MH2 (Рисунок 2.1) вследствие перемещения изменяет своё соединение с MH3 на соединение с узлом MH4, другие узлы сети должны получить информацию о новом маршруте от источника до пункта назначения через промежуточные узлы для пересылки пакетов между MH2 и МН3. [4]

Рисунок 2.1 – MANET сеть


Таким образом, требования к маршрутизации в MANET сетях существенно отличаются от требований к маршрутизации в инфраструктурных сетях, из-за влияния дополнительных факторов: непрерывное изменение топологии сети из-за перемещения узлов или условий распространения сигнала, ограничения зоны радиовидимости и полосы пропускания радиоканала, лимитированный ресурс источников питания беспроводных узлов и т.д. С учётом этого протоколы маршрутизации для MANET сетей должны обладать следующими свойствами:

  • малым временем построения маршрута в условиях постоянно изменяющейся топологии сети;

  • высокой надёжностью доставки пакетов в условиях постоянно изменяющихся межузловых связей;

  • минимальным объёмом передаваемой служебной информации;

  • не допускать формирования петель в маршрутах и иметь механизмы оперативного обнаружения и восстановления разорванных маршрутов;

  • обеспечивать высокую масштабируемость сети при сохранении заданной производительности;

  • поддерживать требуемый уровень качества обслуживания (QoS).

В соответствие с механизмами формирования таблиц маршрутизации в известных протоколах маршрутизации для Ad-hoc-сетей могут быть выделены три типа протоколов: проактивные (табличные), реактивные (по требованию) и гибридные (комбинированные), (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Классификация протоколов маршрутизации

Проактивные или табличные (proactive, table-driven) протоколы строят маршруты на основе периодически рассылаемых во всех направлениях служебных сообщений с информацией о текущей топологии сети, в соответствии с которой каждый узел выбирает маршруты до всех остальных узлов и сохраняет их в таблице маршрутизации. Проактивные протоколы отличаются минимальной задержкой отправки пакетов узлами, так как используют имеющиеся таблицы маршрутизации, но загружают значительную часть пропускной способности сети для поддержания текущей маршрутной информации.

Реактивные или работающие по требованию (reactive, on-demand) протоколы формируют маршруты, используя механизм рассылки узлами-отправителями широковещательных запросов, приняв которые узлы-адресаты передают сообщения-подтверждения, на основе которых узел-отправитель строит требуемый маршрут, одновременно сохраняя его в своей таблице маршрутизации для повторных передач пакетов данному адресату. В случае обнаружения разрыва маршрута запускается процедура поиска маршрута до требуемого адресата. Реактивные требуют существенно меньшей пропускной способности сети, чем проактивные, но вносят значительную задержку на стадии определения маршрутов между конкретными узлами.

В гибридных (hybrid) протоколах комбинируются механизмы формирования таблиц маршрутизации, свойственные проактивным и реактивным протоколам. В частности, в сети выделяется ряд подсетей, в пределах которых используется один из типов проактивных протоколов, а маршрутизация между подсетями производится на основе реактивных протоколов. Такой подход сокращает размеры таблиц маршрутизации узлов внутри соответствующих подсетей и уменьшает объёмы текущей служебной информации, так как основная её часть циркулирует в пределах подсетей.

Динамический характер MANET-сетей определяет частое изменение топологии сети в связи с чем для поиска и поддержания маршрутов требуется значительный объём управляющей информации в общем трафике обмена данными между узлами сети. В основе выбора оптимального маршрута следования пакетов к адресату в большинстве современных протоколов маршрутизации лежат следующие критерии и механизмы: [5]



  • наименьшее число ретрансляций пакета (хопов) между отправителем и адресатом (протоколы выбора вектора расстояния);

  • комплексная оценка маршрутов по нескольким параметрам, например, минимальное число хопов, задержка на доставку пакетов, пропускная способность канала и др. (протоколы со сложной метрикой);

  • информация о географических координатах и расположении всех узлов сети, получаемая, например, с помощью глобальной системы позиционирования GPS (протоколы географической маршрутизации).




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал