Ячеистые сети, принципы

Говоря о ячеистых сетях необходимо понимать, что практически все беспроводные сети передачи данных могут работать с подобной топологией. Т.е. почти любая беспроводная сеть может может быть использована в качестве основы. При этом необходимо понимать, чем они отличаются от традиционных сетей, для чего они предназначены, какие задачи решают и соответственно почему были созданы.Однако, сразу стоит отметить, что для этого в большинстве случаев требуются те или иные изменения (доработки). Т.к. зачастую, когда появлялись стандарты беспроводной передачи данных об этом не задумывались. В то же время существуют стандарты, которые уже начиная с самого основания были ориентированы на работу с данной топологией.
В качестве примера можно привезти широко известный Wi-Fi. Поддержка ячеистых сетей появилась в стандарте начиная со спецификации IEEE 802.11s (появился в 2011), в то время как первоначальная версия стандарта была выпущена  в 1997 году, первые устройства вышли на рынок ещё раньше в 1991, а предварительные разработки начались в середине 80 годов.
Такие стандартны, как ZigBee и 6LoWPAN имеют ячеистую структуру в своей основе с момента разработки.

Рассмотрим более подробно принцип действия ячеистых сетей на примере Wi-Fi 802.11s.

Wi-Fi.mesh.2
Возьмём группу конечных клиентов (станций STA) распределённых в некотором пространстве каждой из которых требуется доступ к внешней сети. Считаем, что доступ к внешней сети осуществляется через проводную сеть (Wired Infrastructure). Традиционно каждая точка доступа (AP) образует свою собственную сеть топологии звезда с уникальным SSID. К точкам доступа в свою очередь подключаются станции. Однако, радиус действия каждой точки доступа ограничен, поэтому невозможно подключить все станции к одной точке доступа, поэтому необходимо устанавливать несколько точек доступа для обеспечения равномерного и полного покрытия. Но, тут возникают другие проблемы:

  • ручное распределение STA по AP долго и неудобно, т.к. требуется определить наиболее подходящую для подключения пару STA/AP по ряду факторов (качество сигнала, пропускная способность, распределение нагрузки и др.),
  • кроме того конфигурация сети может измениться (могут появиться дополнительные точки доступа и/или станции, также как число участников сети может и уменьшится, или же STA/AP могут поменять своё расположение в пространстве), что потребует дополнительной переконфигурации сети,
  • при этом каждая точка доступа образует свою собственную сеть с уникальным идентификатором и адресным пространством, что ещё больше усложняет ручное конфигурирование сети и передачу данных между узлами.
  • AP не могут иметь один SSID, т.к. будут мешать друг другу.

Поэтому и был разработан стандарт IEEE802.11s устраняющий описанные недостатки. Станции подключаются к точкам доступа (соединения обозначены красным пунктиром), в дальнейшем точки доступа организуют ячеистую сеть между собой (синий пунктир) с общим идентификатором ESS. Система автоматически определяет путь передачи данных (осуществляется маршрутизация)  среди узлов сети (802.11s работает на 2 уровне модели OSI/ISO). При необходимости одна или несколько точек доступа могут быть подключены к проводной сети. При подключении/отключении тех или иных узлов происходит перестроение топологии сети и соответственно определение новых оптимальных маршрутов. Управление сетью обеспечивается посредством точек доступа, в некоторых реализациях mesh-сетей для этого используются дополнительные устройства типа координатора/роутера, которые занимаются управлением на более высоком уровне.

В рамках других типов ячеистых сетей определённые участники сети могут иметь отличающиеся названия, но принцип остаётся в общем случае таким же.
Например, в ZigBee есть следующие компоненты:

Координатор запускает сеть и управляет ею. Он формирует сеть, выполняет функции центра управления сетью и доверительного центра (trust-центра) – устанавливает политику безопасности, задает настройки в процессе присоединения устройств к сети, управляет ключами безопасности.

Маршрутизатор передаёт пакеты, осуществляет динамическую маршрутизацию, восстанавливает маршруты при перегрузках в сети или отказе какого-либо устройства. Маршрутизаторы при формировании сети присоединяются к координатору и/или другим маршрутизаторам, и могут подключать дочерние устройства – маршрутизаторы и конечные устройства. Маршрутизаторы работают в непрерывном режиме, имеют стационарное питание и могут обслуживать «спящие» устройства. Маршрутизатор может обслуживать до 32 спящих устройств.

Конечное устройство может принимать и отправлять пакеты, но не занимается их трансляцией и маршрутизацией. Конечные устройства могут подключаться к координатору или маршрутизатору, но не могут иметь дочерних устройств. Конечные устройства могут переводиться в спящий режим для экономии заряда аккумуляторов. Именно конечные устройства имеют дело с датчиками, локальными контроллерами и исполнительными механизмами.

Вопрос «спящих устройств» в ячеистой сети является одним из наиболее важных, особенно для интернета вещей. Традиционно в спящем режиме могут находиться только конечные устройства. Это обосновывается принципами работы сети, в частности автоматическим конфигурированием сети и маршрутов посредством точек доступа (маршрутизаторов). Однако, существуют альтернативные реализации, которые позволяют переводить в режим сна не только конечные узлы, но и маршрутизаторы. Примером такой сети можно назвать 6LoWPAN. Режим «спящих роутеров» в ней реализован с применением технологии Radio Duty Cycling. В ней ней используется  принцип периодического пробуждения роутеров и проверки наличия передачи. Большую часть времени роутер (в данном случае приёмник) находится в режиме сна, но периодически пробуждается для проверки наличия в радиоэфире передачи. Если за отведённый интервал времени окно приёма (выделено голубым на рисунке ниже) приёмник не нашёл в радиоэфире передачи, то он снова переходит в режим сна. Если же им была получена некая посылка (чёрный блок D), то он отвечает, что получил её, отправив передатчику подтверждающую посылку  (чёрный блок A). В 6LoWPAN реализована технология фиксации фазы передачи (Transmission phase-lock) позволяющая после определения удачной передачи первой посылки в дальнейшем передавать данные только в те интервалы, когда приёмник пробуждается. Это позволяет значительно снизить энергопотребление. Наглядно механизм работы представлен на рисунке ниже.
Wi-Fi.mesh.3

Материал создан при использовании следующих материалов:

  1. 802.11s Tutorial by IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee
  2. The ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol by SICT

Ячеистые сети, принципы: 3 комментария

  1. Уведомление: 6LoWPAN vs. ZigBee — FD00.RU

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s