СРАВНЕНИЕ И АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ СИНХРОНИЗАЦИИ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ

В настоящее время беспроводные технологии вытесняют проводные везде, где могут обеспечить приемлемую скорость и качество связи. Они пришли в нашу жизнь и прочно закрепились в различных областях: как при организации небольших локальных сетей, так и при построении сетей масштаба региона.

Управление в беспроводных сетях возможно как централизованное, так и распределенное:

1.                   Централизованное управление в сети организовывается на канальном уровне с помощью устройства-координатора. В таких сетях под синхронизацией понимается синхронизация внутренних часов устройства-координатора с часами остальных устройств сети. Минус данного типа управления в том, что координатор – это самое уязвимое устройство сети, и его выход из строя делает работу всей сети невозможной. Примеры такого управления – стандарты IEEE 802.11 (Wi-Fi) и IEEE 802.15.1 (Bluetooth).

2.                   Распределенное управление в сети на канальном уровне имеет другую концепцию работы: все устройства сети равноправны и подчиняются одним и тем же правилам работы, благодаря чему сеть лучше масштабируется, по сравнению с сетью с централизованным управлением, и поддерживает режим энергосбережения и мобильность устройств. Примеры такого управления – IEEE 802.11s (Wi-Fi Mesh) и 802.15.5     (High Rate WPAN Mesh). Распределенное управление делает сеть более отказоустойчивой, так как выход из строя одного или нескольких устройств не влияет на непрерывность работы оставшихся устройств.

Исходя из преимуществ распределенного управления в сети на канальном уровне, многие люди во всем мире проявляют большой интерес к такому типу управления.

Однако в сети с распределенным управлением сложнее координировать работу устройств, так как в механизмы синхронизации заложено больше функциональности, чем в механизмы синхронизации централизованного управления. Например, механизмы синхронизации распределенного управления обеспечивают согласованное принятие решений устройствами при резервировании канала, присоединении к сети новых устройств, отключении устройств от сети, смене рабочей частоты, при разрешении конфликтов между устройствами, изменении топологии сети и т.д.

В данной работе рассмотрим несколько механизмов синхронизации в распределенных беспроводных сетях, где под синхронизацией в сети понимается обмен между устройствами сети специальными синхрокадрами «биконами» для координации их распределенной работы, и проанализируем их. Биконы – это контейнеры, в которые механизмы сети вкладывают свою сигнальную информацию.

Механизмы синхронизации:

1.                   Стандарт WiMedia. Время работы сети делится на суперкадры (рисунок 1), у каждого из которых в начале располагается бикон-период, содержащий слоты для передачи биконов.

За последним занятым слотом HOBS (Highest Occupied Beacon Slot) следуют R слотов, которые называются окном присоединения устройств. На текущую длину бикон-периода влияет количество устройств в сети, но она не может превышать максимально возможного числа бикон-слотов MaxBP.

Для подключения к сети устройство с равной вероятностью выбирает бикон-слот из R(M) слотов окна и посылает свой бикон в выбранный слот в следующем суперкадре. Если при случайном выборе слотов биконы нескольких устройств оказались в одном и том же слоте, то возникает коллизия биконов. Для ее разрешения устройства заново выбирают слоты в окне, отсчитываемого от нового значения HOBS, если они получают сигналы от других устройств о том, что их биконы оказались в коллизии в течение U суперкадров. Для того чтобы получить информацию от соседних устройств, все устройства сканируют текущий бикон- период.

1.                   Стандарт IEEE 802.11 режим «ad hoc». Главное назначение биконов – синхронизация часов станций и информирование о режимах работы точки доступа. Биконы содержат поле Timestamp, в котором записано время, когда первый бит бикона оказывается переданным через радиоинтерфейс. Timestamp используется при синхронизации часов всех станций. Это важно для физического и канального уровней: в режиме модуляции с расширением спектра методов частотных скачков (FHSS) необходимо гарантировать, что переключение всех станций на новую частоту происходит одновременно; синхронизация важна для энергосбережения.

Станция, организующая сеть ad hoc, задает серию моментов времени – ожидаемым временем передачи бикона (Target Beacon Transmission Time, TBTT). Последовательные моменты TBTT отделены друг от друга равными интервалами времени – бикон-интервалами. В каждый момент TBTT начинается ATIM-окно (Announcement Traffic Indication Message – сообщение уведомления о трафике), в котором можно передавать только биконы или ATIM-кадры (используются механизмом энергосбережения).

Передача бикона основана на механизме конкурентного доступа с контролем несущей. В момент TBTT каждая из станций замораживает счетчик времени отсрочки передачи данных и инициализирует таймер передачи бикона случайно выбранным числом слотов (единица дискретного времени в сети 802.11), равномерно распределенным в интервале от нуля до константы (2·aCWmin). Если среда передачи не занята в течение слота, станция декрементирует счетчик таймера. Если одна из станций начинает передачу, другие станции замораживают свои таймеры на время передачи плюс интервал DIFS. При коллизии вместо DIFS используется более длинный интервал EIFS. Станция начинает передачу бикона, когда значение ее таймера становится равным нулю. При получении бикона от любой из станций все остальные станции отменяют передачу своих биконов.

2.                   Стандарт IEEE 802.11s. Все устройства работают по единому времени, привязанному к ожидаемому времени передачи бикона. Узлы mesh-сети (МР – Mesh Point) могут, но не обязаны поддерживать глобальную синхронизацию в сети. Соответственно, они подразделяются на синхронные и асинхронные МР. Синхронные МР передают биконы по тому же алгоритму, что и в сетях ad hoc, за исключением того, если МР получило бикон от соседнего устройства mesh-сети, оно может отменить запланированную передачу собственного бикона, но не обязано это делать, как в ad hoc сети. В mesh-сети одного бикона от случайно выбранного МР может оказаться недостаточно.

По сравнению с сетями ad hoc, mesh-сети поддерживают дополнительные mesh-сервисы, где биконы ответственны за их поддержку. Например, механизм детерминированного доступа MDA использует биконы для передачи в них специального информационного элемента MDAOP Advertisements с рекламой MDA- резервирований. Этот и другие дополнительные информационные элементы делают биконы в mesh-сети индивидуальными, по сравнению с биконами в cетях ad hoc, которые разнятся только значением временной метки. Потому важно, чтобы каждое МР отправляло свой бикон как можно чаще.

В mesh-сети глобальная синхронизация требует больших издержек: размер ATIM-окна должен быть увеличен по сравнению с сетями ad hoc, чтобы уместить возможно большее число биконов МР, поэтому вместо поддержки глобальной синхронизации МР могут лишь поддерживать синхронизацию попарно. При этом МР рассылают биконы независимо, без привязки к единому времени TBTT и единому ATIM-окну.

Описание работы стандартов и анализ работы механизмов синхронизации:

1.                   Стандарт WiMedia. Устройства могут находиться достаточно далеко друг от друга, и тогда передача кадра между устройствами А и В возможна только через промежуточные устройства, но не непосредственно. Из анализа работы механизма синхронизации становится видны две проблемы:

а) блокирование сети, которое возникает, когда одно из устройств занимает самый старший слот в бикон-периоде, и бикон-период считается переполненным. Следовательно, другие устройства не могут присоединиться к сети или выбрать новый слот, разрешая коллизию, пока самый старший слот не будет освобожден.

б) зависание сети, которое может произойти в следующей ситуации: некоторое устройство А занимает предпоследний слот MaxBP-1, в то время как устройства B и С находятся в коллизии, то покидая сеть, то вновь присоединяясь к ней, не давая устройству А сдвинуть свой бикон в младший слот.

2.                   Стандарт IEEE 802.11 режим «ad hoc». Сети ad hoc, не требующие инфраструктуры, являются одноранговыми сетями, в которых каждая станция находится в зоне непосредственного радиоприема всех остальных. Однако появились задачи, которые требуют расширения зоны покрытия сети и обеспечения бесперебойной работы движущихся станций. Из анализа работы механизма синхронизации становится видна проблема – при получении бикона от любой из станций в сети ad hoc все остальные станции отменяют передачу своих биконов.

3.                   Стандарт IEEE 802.11s. Синхронные устройства в mesh-сети передают биконы по тому же алгоритму, что и станции в сетях ad hoc, но не отменяют собственную передачу, если получили бикон от соседнего устройства mesh-сети. Алгоритмы работы mesh-сети предотвращают коллизии. Одним из главных принципов построения mesh-сети является принцип самоорганизации архитектуры, обеспечивающий реализацию топологии сети "каждый с каждым"; устойчивость сети при отказе отдельных компонентов; масштабируемость сети; динамическую маршрутизацию трафика, контроль состояния сети и т.д. Mesh-сети могут быть стационарными или мобильными. В последнем случае все или часть узлов со временем могут менять свое местоположение. В мобильных сетях в качестве узлов могут использоваться карманные ПК, мобильные телефоны и другие персональные устройства.

Далее можно сделать выводы:

-     стандарт WiMedia подходит для небольшой сети со стабильно работающими устройствами определенного количества, не превышающего установленные стандартом размеры. Например, можно соединить компьютер и периферийные устройства без проводов;

-   стандарт IEEE 802.11 в режим «ad hoc» позволяет создавать небольшие сети без сложностей при конфигурировании и с высокой скоростью, а также позволяет устройствам быстро подключаться к сети и отключаться от нее;

-    стандарт IEEE 802.11s позволяет создать отказоустойчивую сеть, где отключение участника от сети не сломает непрерывную работу других устройств; позволяет масштабировать сеть и избежать коллизий. Подходит для крупных организаций.

Список литературы

http://iitp.ru/upload/news/98/SafonovAA.pdf

http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_381_131.pdf