Исследование энергоэффективных MANET-протоколов маршрутизации



В мобильных одноранговых сетях (MANET) основными узлами являются такие устройства как маршрутизатор, приемник и отправитель. Поэтому здесь очень много энергии, потребляемой узлами для работы обычной сети, так как каждый узел имеет несколько непохожих ролей. Кроме того, в MANET узлы находятся в постоянном движении. Поскольку возможности батареи этих узлов ограничена, она не обеспечивает нужной энергией. Нехватка энергии является основной проблемой MANET. В настоящее время есть некоторые исследования, проведенные на потреблении энергии MANET. Некоторые из этих исследований рекомендуют балансировать нагрузку, использовать спящий режим, контролировать мощность передачи и т. д. Мной рассмотрено много типов традиционных протоколов MANET и их вариации, которые включают в себя энергетическую эффективность.

За последние несколько лет, использование мобильных устройств и мобильных сетей резко возросло и со снижением цены за беспроводные сети, увеличился спектр приложений включенные в ноутбуки, мобильные телефоны и т. д., так вот в осуществление этого мобильные одноранговые сети (MANETs) играют жизненно важную роль, поскольку они обеспечивают связь без какой-либо фиксированной инфраструктуры. В топологии MANET нет фиксированных узлов, они полагаться на емкость батареи, которые истощаются со временем. Это и делает энергию сдерживающим фактором в MANET, в котором содержится призыв к эффективному использованию энергии. Поэтому исследования Mobile Ad-Hoc Networks выросли в последнее время [1].

Существуют три типа мобильных беспроводных сетей [2]:

– инфраструктурные сети;

– одноранговые сети;

– гибридные сети, которые сочетают в себе инфраструктурные и одноранговые аспекты.

Инфраструктурные сети состоят из беспроводных мобильных узлов и одного или нескольких соединительных мостов (так называемых базовых станций) для подключения беспроводной сети к проводной. Мобильный узел в сети ищет ближайшую базовую станцию (например, с самым высоким уровнем сигнала), подключается к ней и осуществляет связь с ним. В этом типе сети, вся связь осуществляется между беспроводным узлом и базовой станцией, а не между различными беспроводными узлы.

Рис. 1. Инфраструктурная сеть из беспроводных узлов

Когда любой мобильный узел выходит из диапазона текущей базовой станции, происходит передача обслуживания на новую базовую станцию, что позволяет абоненту беспрепятственно соединятся с новой базовой станцией. Эти беспроводные интерфейсы также позволяют устройствам непосредственно взаимодействовать друг с другом в децентрализованной «одноранговой сети». Одноранговая сеть не имеет никакой инфраструктуры. Она лишена базовых станций, маршрутизаторов и централизованного управление. Узлы могут двигаться случайным образом и подключаться динамически друг с другом. Таким образом, все узлы работают как маршрутизаторы и должны быть способны обнаруживать и поддерживать маршруты в любой другой узел в сети, а также пересылать пакеты соответствующим образом.

Мобильные одноранговые сети (MANET) представляют собой сеть связи, образованная объединением автономных мобильных узлов (компьютеры, мобильные телефоны, КПК и т. д.) и соединительных линий беспроводной связи [1]. Сеть смоделирована в виде произвольного графа связи. В ней нет фиксированной инфраструктуры (Base Станция) и поскольку узлы могут свободно перемещаться, топология сети может динамически меняться в непредсказуемом направлении. MANET децентрализована и самоорганизующаяся сеть. Функцию обнаружения топологии сети для доставки сообщения осуществляют сами узлы; в такой сети каждый узел выступает как маршрутизатор совмещая с работой обычного устройства. Организация одноранговых сетей представляет одноранговую сеть мульти-хоп, в которой информационные пакеты передаются в режиме хранения от источника до любого назначения через промежуточные узлы. Поскольку узлы являются мобильными, любые изменения в топологии сети должны быть переданы другим узлам так, чтобы информация о топологии оставалась актуальной. Это невозможно для всех мобильных узлов.

Когда любой мобильный узел выходит из диапазона текущей базовой станции, происходит передача обслуживания на новую базовую станцию, что позволит узлу беспрепятственно общаться с новой базовой станцией.

Рис. 2. Принцип самоорганизации

Эти беспроводные интерфейсы также позволяют устройствам непосредственно взаимодействовать друг с другом децентрализованным способом и самоорганизовываться в «одноранговых сетей». Одноранговые сети не имеют никакой инфраструктуры. Они лишены базовых станций, маршрутизаторов и централизованного управления. Узлы могут двигаться в случайном порядке и динамически подключаться к друг другу. Таким образом, все узлы действуют как маршрутизаторы и должны открывать и поддерживать маршруты к каждому узлу в сети, и пересылать пакеты соответствующим образом.

Маршрутизация с энергоэффективностью, в настоящее время приобрела интерес благодаря достижениям в области беспроводных вычислений. Узлы в беспроводных сетях узкоспециализированны и рассчитаны на питание от портативных источников питания, поэтому их энергия ограничена и должна использоваться как можно экономичнее. Научно-исследовательское сообщество придумало несколько различных способов решения данной проблемы. Вот три наиболее доминирующие методы: осведомление пересылки пакетов, управление топологией и ждущий режим. Энергия известная пакету будет использоваться в экономичном режиме. Управление топологией концентрируется на поиске глобально эффективных параметров (по всей сети) энергии для сигнализации диапазонов радиоустройств, и тем самым экономя энергию в сети. Наконец ждущий режим, помещает узлы в спящий режим, когда это возможно, пытаясь, таким образом, сохранить способность маршрутизации. Конечно, существуют подходы, сочетающие в себе несколько методов.

Характеристики MANET

MANET имеет следующие специфические особенности [3]:

1. Wireless: Узлы соединены беспроводным линиям связи.
2. Основывается на Ad hoc технологии: MANET представляет собой сеть, которая формируется произвольным образом путем объединения узлов и соединительных ссылок.
3. Автономность и самоорганизация: Сеть самоорганизующаяся и не зависит от какой-либо фиксированной инфраструктуры или централизованного управления. Режим работы каждого узла определяется как соединения равноправных узлов ЛВС, способных действовать в качестве независимого маршрутизатора.
4. Мульти-хоп маршрутизация: Нет выделенного маршрутизатора и каждый узел работает как самостоятельный маршрутизатор, чтобы передать пакеты на другой узел.
5. Динамическая топология: Из-за произвольного перемещения узлов при различной скорости, топология сети может меняться непредсказуемо и случайно.
6. Энергетическое ограничение: Энергосбережение является основным вопросом проектирования.
7. Ограниченная полоса пропускания: инфраструктура сети имеют меньшую емкость.
8. Угроза безопасности: Существуют более высокие шансы на физическую угрозу безопасности, такие как подслушивание, спуфинг и отказ в обслуживании (DoS).

Маршрутизация вMANET

Маршрутизация — это процесс выбора пути в сети для передачи пакетов от отправителя к получателю [4]. Это в основном включает в себя два процесса: нахождение оптимального пути и передача пакетов в объединенную сеть. Информация о маршрутизации хранится в таблице маршрутизации. Таблица маршрутизации содержит только частичную информацию о возможных направлениях. Неизвестные направления отправляются на маршрутизатор по умолчанию. Однако есть проблема данного механизма: некоторые направления могут стать недоступны. Протокол маршрутизации является программным обеспечением или аппаратной реализацией алгоритма маршрутизации. Протоколы используют метрики, чтобы выбрать путь для передачи пакета. Показатели, используемые протоколами маршрутизации, включают в себя:

– количество устройств сетевого уровня вдоль пути (количество переходов);

– пропускная способность;

– задержка;

– нагрузка;

– максимальная единица передачи (MTU);

– стоимость (с точки зрения потребления энергии и времени).

Протоколы маршрутизации в широком смысле классифицируется по двум основаниям: на основании того, какая информация используется для построения маршрутизации таблицы и на основе, когда строятся таблицы маршрутизации.

Основная информация, используемая для построения таблиц маршрутизации:

– алгоритмы, основанные на расчете кратчайшего пути;

– алгоритмы состояния канала связи.

Рис. 3. Виды протоколов маршрутизации

Исходя из того, когда строятся таблицы маршрутизации:

A. Proactive Protocols:

Даже если маршруты не нужны, они хранятся в пунктах назначения. Профилактические протоколы маршрутизации, также называются таблицы привода, стремятся поддерживать таблицы маршрутизации на каждом узле, содержащем дату маршрутной информации для каждого узла в сети. Обновление информации, которая отражает изменения в топологии сети, распространяется по всей сети, что влечет за собой много расходов. С другой стороны, если сообщение должно быть послано от одного узла другому, время отклика получается очень коротким, так как маршрут уже построен.

B. Reactive Protocols:

Маршруты сохраняются только тогда, когда это необходимо. Реактивные протоколы, которые также называются ориентированные на спрос протоколы, не стремятся поддерживать полное представление о топологии всей сети в каждом узле. Вместо этого, необходимая информация приходит, когда узел нуждается в нем, при сотрудничестве с другими узлами. Данная информация хранится в течение некоторого времени, а затем стирается.

C. Hybrid Protocols:

Для близлежащих узлов, протокол работает как proactive, а для удаленных узлов работает как reactive. Гибридные протоколы пытаются сочетать в себе лучшие черты проактивных и реактивных протоколов.

Энергоэффективная маршрутизация

Идеальная сеть та, которая может функционировать как можно дольше. С другой стороны, оптимальная маршрутизация требует предшествующей информации и, таким образом, выходит, что оптимизированная маршрутизация не жизнеспособна. Поэтому, вместо того, чтобы иметь энергетически оптимальную схему, мы имеем статистически оптимальную энергоэффективную схему, которая рассматривает только прошлое и настоящее, а не будущие знания. Для того определить срок службы сети, исследуют зоны покрытия сети [5].

Установление правильных и энергоэффективных маршрутов, в мобильных одноранговых сетях, является не только важной, но и сложной задачей. Это происходит потому, что время работы мобильных узлов является основным ограничивающим фактор. Мобильные узлы получают питание от батарей с ограниченными возможностями. Сбой питания мобильного узла влияет как на сам узел, так и на его способность распространять пакеты от имени других.

Энергоэффективная маршрутизация стремится минимизировать энергию, необходимую для передачи или приема пакетов. Также пытается минимизировать потребляемую энергию, в режиме ожидания, но продолжает слушать беспроводную среду для любых запросов связи от других узлов. Каждый протокол имеет определенные преимущества и недостатки, и подходящие для определенных ситуаций, и в итоге не ясно, какой протокол когда использовать.

Большинство исследований проводятся для разработки протоколов маршрутизации с экономией энергии. Новый энергоэффективный алгоритм маршрутизации предложен и разработан для повышения сетевой живучести. Это достигается за счет поддержания подключения к сети, чтобы увеличить длительность работы терминалов. В отличие от AODV, который оптимизирует маршрутизацию для низкой задержки, эффективные протоколы энергии обеспечивают живучесть сети, которая проверяет, что все узлы одинаково истощают мощность батареи.

Энергоэффективные протоколы

Энергоэффективные протоколы маршрутизации могут быть классифицированы на несколько типов [6]. Классификация, основанная на потребление энергии, которая может быть либо активной энергией связи, требуемая для передачи и приема пакетов или неактивной энергией потребления, когда мобильный узел бездействует, но слушает среду.

Передача управления питанием: в подходе управления мощностью передачи, активная энергия связи может быть уменьшена путем регулировки мощности узла достаточной только, чтобы достигнуть принимающего узла, но не более того. Протоколы, использующие этот подход, определяют оптимальный путь маршрутизации, который сводит к минимуму общую энергию передачи, необходимую для доставки пакетов данных до места назначения. Протоколы, которые используют этот подход, FAR [7], интернет Min-Max Routing (ОММ) [8], максимальная мощность передачи Маршрутизация (MTPR) [9], и распределенное управление питанием (DPC) [10].

– Поток усиливающий маршрутизацию (FAR) — протокол может быть применен к статическим сетям или к сетям, топология которых меняется медленно. В FAR, на всех итерациях, каждый изначальный узел вычисляет кратчайший путь к каждому из его узлов назначения. Тогда поток дополняет сумма, которая в λ раз превышает фактическое количество. После увеличения потока, происходит перерасчет кратчайшего пути, и процедура повторяется до тех пор, пока один из узлов не исчерпает свою первоначальную энергии батареи. Делая это, мы можем получить поток, который будет использоваться в каждом узле, чтобы правильно разделить входящий трафик [7].

– Интернет Max-Min Routing Protocol (ОММ) применим к скудно развернутым сетям. Этот протокол фокусируется на максимизации срока службы сети. Срок службы сети измеряется временем истечения срока службы первого узла. Этот протокол пытается оптимизировать потребление мощности путем выбора пути, с минимальным энергопотребление и путь, который максимизирует минимальную остаточную мощность узла в сети [8].

– Максимальная мощность передачи маршрутов (MTPR) — протокол минимизирует общую мощность передачи и не касается оставшегося заряда батареи. Мощность передачи для отправки пакета от источника к месту назначения прямо пропорциональна расстоянию между источником и приемником. Таким образом, передача пакета к узлу, который находится дальше потребляет больше энергии по сравнению с передачей на узел, находящийся ближе [9].

– Распределенное управление мощностью (DPC), в данном протоколе отправитель использует соответствующий уровень мощности для передачи пакетов посредством уменьшения перекрестных помех канала и потребления энергии, а конечный путь выбирается путем минимизации общей мощности, затрачиваемой в передаче от конца до конца [10].

Протоколы с распределением нагрузки: протоколы, использующие данный подход пытаются сбалансировать энергию потребление в сети при помощи менее часто используемых узлов, вместо поиска кратчайших путей. Примеры включение локальной энергии Aware Routing (LEAR) [11], Min-Max Battery маршрутизация (MMBCR) [9], условная емкость батареи (CMMBCR) [9], запрос задержки (RDRP) [12], Energy Aware AODV [13].

– Min-Max Battery Protocol Cost Routing (MMBCR): он похож на DSR за исключением нескольких модификаций, сделанные для достижения эффективности использования энергии. MMBCR пытается оптимизировать общую продолжительность жизни сети, вместо задержки от конца до конца. Он принимает во внимание оставшуюся емкость аккумулятора узлов [11].

– Energy Aware Routing: она несколько сложнее по сравнению с MMBCR. Он использует дополнительные сообщения, кроме управляющих, используемых в DSR протоколе. LEAR пытается оптимизировать срок службы сети, рассматривая готовность узла-потомка пересылать пакеты к другим узлам. Он выбирает самый короткий путь между несколькими энергетическими путями. Промежуточный решает, следует ли пересылать запрос маршрута пакета или нет в зависимости от его уровня энергии. Если его уровень оставшегося заряда больше, чем пороговое значение, он передает пакет. В противном случае, он отбрасывает пакет. Даже при том, что понятие порог также используется в MMBCR, LEAR использует динамические пороговые значения, тогда как MMBCR использует фиксированный пороговые значения [9].

– RDRP: это также DSR-ориентированный протокол маршрутизации, разработанный для достижения энергетического баланс между узлами в одноранговых сетях. Этот протокол пытается оптимизировать срок службы сети. В то же время, он использует самый короткий путь между всеми путями. Реализация этого протокола очень проста по сравнению со всеми другими протоколами, обсуждавшихся до сих пор. Работа протокола похожа на DSR за исключением того, что промежуточные узлы не обрабатывают запрос немедленно. Промежуточный узел содержит пакет запроса для некоторой продолжительности, которая обратно пропорциональна оставшемуся уровню энергии батареи узла. Каждый узел поддерживает буфер запроса, чтобы вести учет всех ожидающих запросов. Эта таблица хранит всю информацию о запросе в том числе источник и адреса назначения, порядковый номер [12].

– CMMBCR: протокол учитывает как общее потребление энергии передачи маршрутов, так и оставшуюся мощность узлов. Оставшаяся емкость батареи узлов сравнивается с предопределенным пороговым значением. Если все узлы в маршруте имеют достаточной емкости аккумулятора (т. е. выше установленного порога), маршрут считается богатым. Если есть больше, чем один путь среди доступных, выбирается путь с минимальной мощностью передачи. Таким образом, CMMBCR представляет собой сочетание MTPR и MMBCR [9].

– AODV: использует двухэтапный подход, чтобы сохранить энергию в узлах. Во-первых, протокол пытается маршрутизировать пакеты избегая узлов с низким уровнем энергии. Во-вторых, радиоинтерфейсы узлов выключены всякий раз, когда они должны находятся в режиме экономии энергии. Узлы подразделяются на три зоны в зависимости от уровня батареи. Нормальная зона состоит из узлов с уровнем энергии батареи больше 20 % от их начальной энергии. Зона предупреждения состоит из узлов с уровнем энергии батареи больше 10 % -20 % от их начальной энергии. Узлы, которые имеют менее 10 % от их начальной энергии находятся в опасной зоне. Стоимость маршрутизации пакетов через опасную зону является самым высоким, следующая стоимость маршрутизации через зоны предупреждения и самой низкой является нормальная зона. Если узел находится в опасной зоне или зоне предупреждения, и она имеет большое количество соседей, стоимость маршрутизации пакетов через этот узел, прямо пропорционально числу соседей [13].

Постановка задачи

Маршрутизация является одним из ключевых вопросов в MANET из-за высокой динамики и распределенного характера. В частности, энергоэффективная маршрутизация может быть более важным критерием проектирования для MANET, поскольку мобильные узлы питаются с ограниченными возможностями. Сбой питания мобильного узла влияет не только на сам узел, но и на его способность передавать пакеты от имени других и, таким образом, общий срок службы сети. По этой причине многие научно-исследовательские работы были посвящены разработке энергоэффективных протоколов маршрутизации. Таким образом, в такой окружающей среде существуют две основные причины обрыва связи:

– у узла кончилась энергия батареи;

– узел вышел за зону обслуживания.

Область применения для будущих исследований

Все больше энергоэффективных протоколов маршрутизации для MANET может выйти в ближайшем будущем. До сих пор, протоколы в основном сосредоточены на методах маршрутизации, а в будущем также будут направлены на низкое энергопотребление. Обеспечение таких параметров может быть затруднительно. Безопасный протокол маршрутизации, несомненно, несет больше расходов для маршрутизации, которые могли бы ухудшить уровень QoS и эффективность использования энергии. Таким образом, может быть найден оптимальный выход между этими тремя параметрами. Кроме того, необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить лучший протокол с низким энергопотреблением. Эти изучения включают в себя узлы, расположенные в трехмерном пространстве и препятствия, узлы с неравными мощностями передачи, или сети с однонаправленной связью. Одна из целей в проектировании маршрутизации алгоритмы добавляющие сообщения о перегрузке, то есть, заменяя меру производительности на счетчик переходов. В алгоритме необходимо учитывать загруженность соседних узлов.

Заключение

Эта работа резюмирует, что существует не один протокол для MANET, который может обеспечить бесперебойную и качественную работу. Преимущество протокола различается в соответствии с различием в сетевых ограничениях, как я определила, что в свойства MANET постоянно меняются. Иногда подвижность узла сети высока в то время как энергия узла является нашей главной проблемой. Таким образом протокол выполняет лучшие функции для конкретного типа сети. Вот почему мы рассмотрели так много видов традиционных протокол и их вариации, которые включают в себя энергетическую эффективность. Эффективность использования энергии является одной из основных проблем в MANET, в частности, при разработке протокола маршрутизации. Эти исследования классифицированы на традиционные и энергоэффективные. Наше главное достижение является эффективность использования энергии.

Литература:

1. Murthy, C. Siva Ram, and B. S. Manoj. Ad hoc wireless networks: Architectures and protocols. Pearson education, 2004.
2. Remondo, David. «Tutorial on wireless ad hoc networks». In International Working Conference in Performance Modelling and Evaluation of Heterogeneous Networks (HET-NET), vol. 2. 2004.
3. Goldsmith, Andrea J., and Stephen B. Wicker. «Design challenges for energy-constrained ad hoc wireless networks». Wireless Communications, IEEE 9, no. 4 (2002): 8–27.
4. Jones, Christine E., Krishna M. Sivalingam, Prathima Agrawal, and Jyh Cheng Chen. «A survey of energy efficient network protocols for wireless networks».wireless networks 7, no. 4 (2001): 343–358.
5. Zhang, Xiaoying, Thomas Kunz, Li Li, and Oliver Yang. «An energy-efficient broadcast protocol in manets: Design and evaluation». In Communication Networks and Services Research Conference (CNSR), 2010 Eighth Annual, pp. 199–206. IEEE, 2010.
6. Yu, Chansu, Ben Lee, and Hee Yong Youn. «Energy efficient routing protocols for mobile ad hoc networks». Wireless communications and mobile computing3, no. 8 (2003): 959–973.
7. Chang, Jae-Hwan, and Leandros Tassiulas. «Energy conserving routing in wireless ad-hoc networks». In INFOCOM 2000. Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE, vol. 1, pp. 22–31. IEEE, 2000.
8. Li, Qun, Javed Aslam, and Daniela Rus. «Online power-aware routing in wireless ad-hoc networks». In Proceedings of the 7th annual international conference on Mobile computing and networking, pp. 97–107. ACM, 2001.
9. Toh, Chai-Keong. «Maximum battery life routing to support ubiquitous mobile computing in wireless ad hoc networks». Communications Magazine, IEEE 39, no. 6 (2001): 138–147.
10. Bergamo, Pierpaolo, Alessandra Giovanardi, Andrea Travasoni, Daniela Maniezzo, Gianluca Mazzini, and Michele Zorzi. «Distributed power control for energy efficient routing in ad hoc networks». Wireless Networks 10, no. 1 (2004): 29–42.
11. Woo, Kyungtae, Chansu Yu, Dongman Lee, Hee Yong Youn, and Ben Lee. «Non-blocking, localized routing algorithm for balanced energy consumption in mobile ad hoc networks». In Modeling, Analysis and Simulation of Computer and Telecommunication Systems, 2001. Proceedings. Ninth International Symposium on, pp. 117–124. IEEE, 2001.
12. Yu, Wei, and Jangwon Lee. «DSR-based energy-aware routing protocols in ad hoc networks». In Proc. of the 2002 International Conference on Wireless Networks. 2002.
13. Gupta, Nishant, and Samir R. Das. «Energy-aware on-demand routing for mobile ad hoc networks». In Distributed Computing, pp. 164–173. Springer Berlin Heidelberg, 2002.