ГЛАВА 26. Самоорганизующиеся сети SON
Одним из подходов классификации беспроводных сетей связи является деление на централизованные инфраструктуры и самоорганизующиеся. Отличительной особенностью самоорганизующихся сетей SON (self-organization) - это возможность в отсутствии централизованной инфраструктуры обмениваться данными любой паре находящихся в зоне радиопокрытия узлов сети. Узлы в SON могут быть одновременно конечными хостами и маршрутизаторами. Соединение организуется на длинные расстояния с помощью специализированных протоколов маршрутизации в промежуточных узлах-маршрутизаторах. Такое соединение называется «многоэтапным или многошаговым» (multihop) . Этапом является участие в этом соединении одного узла - маршрутизатора. В классе SON настоящей главы рассматриваются следующие сети:
· мобильные целевые Ad Hoc сети - Wireless Mobile Ad Hoc Network (MANET);
· беспроводные сенсорные сети - Wireless Sensor Network (WSN);
· беспроводные mesh-сетей Wireless Mesh Network (WMN). Эти сети называют также ячеистыми сетями.
· автомобильные беспроводные сети Vehicular Ad Hoc Network (VANET).
Узлы этих сетей обладают способностью сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо узла могут устанавливать новые маршруты для передачи сообщений. В главе 24 приводится краткое описание построения самоорганизующихся сетей: MANET, ячеистой сети стандарта 802.11s, ячеистой сети WiMAX (глава 25). В настоящей главе большое внимание уделяется информационной безопасности самоорганизующихся сетей в части анализа угроз (атак) DoS в результате намеренных действий злоумышленника по нарушению работы протоколов маршрутизации.
Функции самоорганизующихся сетей и область их использования
Структура мобильной сети Ad Hoc (MANET) приведена в главе 24. Сети MANET являются распределенной системой, состоящей из мобильных терминалов, снабженных приемо-передатчиками. Они могут организовывать временные сетевые технологии для передачи информации. В сети MANET мобильные устройства выполняют не только функции оконечных станций, но и функции сетевых узлов (роутеров). При этом часто используется не лицензионная полоса частот. Приведем некоторые области применения сетей MANET.
Согласно зарубежным работам наиболее широко применение мобильных сетей Ad Hoc рассматривается для установления связи во время боевых действий. При этом рассматривается установление связи между солдатами, расположенными на земле, в наземном и воздушном транспорте. Большинство узлов связи движутся с различными скоростями. Сети связи с фиксированной инфраструктурой не могут обеспечить надежную связь при таких обстоятельствах высокого темпа и высокой степени непредсказуемости. У системного администратора мало времени для того, чтобы реагировать и реконфигурировать сети. Как правило, сети MANET не требуют администрирования. Временная сеть Ad Hoc может быть развернута, когда создание инфраструктуры невозможно или неэффективно. Например, такая сеть может использоваться, как временное решение на конференциях, а также в незаселенных местах, на которых очень сложно создать инфраструктуру. Небольшое время на развертку сети Ad Hoc делает их незаменимыми при спасательных операциях после катастроф или стихийных бедствий.
Сенсорные сети (WSN)
Сенсорная сеть WSN - это распределенная сеть необслуживаемых миниатюрных узлов, которые осуществляют сбор данных о параметрах внешней среды и передачу их на базовую станцию посредством ретрансляции от узла к узлу с помощью беспроводной связи. Узел сети, называемый сенсором, содержит датчик, воспринимающий данные от внешней среды (собственно сенсор), микроконтроллер, память, радиопередатчик, автономный источник питания и иногда исполнительные механизмы. Возможна также передача управляющих воздействий от узлов сети к внешней среде, Сенсорные сети строятся на основе протоколов IEEE 802.15.4, ZigBee и DigiMesh. С помощью радиосвязи, осуществляемой между узлами сети на основе стандарта ZigBee, создаются самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся сети. Для многих сенсорных сетей характерна мобильность не отдельно каждого узла (как это имеет место в MANET), а отдельной группы узлов. Основное требование к протоколам сенсорных сетей малое потребление энергоресурсов. В сенсорных сетях время их жизнедеятельности прямо зависит от решения вопросов энергопотребления узлов сети.
Сенсорные сети применяются в различных областях - от борьбы с терроризмом до охраны природы. Существует множество приложений, для которых разные производители выпускают разные узлы для создания сенсорных сетей. По области применения приложения сенсорных сетей можно разделить на категории :
· погода, окружающая среда;
· телемедицина;
· чрезвычайные ситуации (пожары, катастрофы и др.);
· военные операции и др.
Ячеистые сети (WMN)
В главе 24 приводится архитектура ячеистой сети (mesh-сети), построенной на протоколе 802.11s, принадлежащем к группе протоколов стандарта 802.11. Как отмечалось выше, mesh-сети могут быть построены на базе протоколов других стандартов- 802.16 и LTE. На рис. 26.1 приведена общая архитектура mesh-сети . Как видно из рисунка mesh-сеть состоит из беспроводной опорной сети (Wireless Mesh Backbone) и поключенных к ней сети Интернет, сети Wi-Fi, сотовых сетей связи, оконечных пользователей. Непрерывной линией обозначен проводный канал, а пунктирной - беспроводный канал.
Беспроводная опорная сеть (Wireless Mesh Backbone) включает следующие маршрутизаторы:
1. mesh-роутер без шлюза (Mesh Router).
2. mesh-роутер c шлюзом (Mesh Router with Gateway), взаимодействующий с Интернетом и остальными типами mesh-роутеров.
3. mesh-роутер c шлюзом и мостом (Mesh Router with Gateway/Bridge), взаимодействующим со всеми mesh-роутерами опорной сети, а также точкой доступа сети WiMAX, базовыми станциями сотовой сети связи и сети WiMAX. узлом сенсорной сети связи (Sink Node), непосредственно с абонентами по проводному или беспроводному каналу.
Рис. 26.1. Архитектура mesh-сети
В работе приводится ещё одна архитектура mesh-сети, позволяющая абонентам дополнительно обеспечивать не только доступ в Интернет, но и связь между собой внутри опорной сети. Сравнивая c MANET и сенсорными сетями, ячеистые беспроводные сети выполняют функцию транзитной сети и отличаются по следующим четырем признакам:
· Роутеры в ячеистых сетях способны пропускать больше трафик и имеют меньше ограничений в плане энергозатрат.
· Сети маршутизаторов могут обеспечить передачу данных на более дальние расстояния.
· Сети маршрутизаторов могут быть использованы в качестве интегратора таких сетей, как Интернет, сотовые сети, беспроводные локальные сети.
· В ячеистых сетях любой роутер имеет, по крайней мере, два радиоканала: один для подключения клиентов, другой для связи с другими роутерами.
Почти любое применение мобильных Ad Hoc сетей, рассмотренное выше, может быть реализовано в беспроводных ячеистых сетях. Основным достоинством ячеистых сетей является способность передавать большие объемы данных на дальние расстояния и обеспечение широкополосного доступа.
Автомобильные беспроводные сети (VANET)
Cоздание автомобильных беспроводных самоорганизующихся сетей VANET предназначено для повышения эффективности и безопасности дорожного движения. В настоящее время при поддержке индустрии, государственных и академических институтов в мире выполняются несколько научно-исследовательских проектов, направленных на разработку и принятие стандартов таких автомобильных сетей. Основные цели использования VANET можно разделить на три группы :
· помощь водителю (навигация, предотвращение столкновений и смена полос);
· информирование (об ограничении скорости или зоне ремонтных работ);
· предупреждение (послеаварийные, о препятствиях или состоянии дорог).
Похожая информация.
Беспроводные самоорганизующиеся сети (другие названия: беспроводные ad hoc сети , беспроводные динамические сети ) - децентрализованные беспроводные сети , не имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются на лету, образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети. Это является отличием от проводных сетей и управляемых беспроводных сетей, в которых задачу управления потоками данных выполняют маршрутизаторы (в проводных сетях) или точки доступа (в управляемых беспроводных сетях).
Первыми беспроводными самоорганизующимися сетями были сети «packet radio » начиная с 1970-ых годов, финансируемые DARPA после проекта ALOHAnet.
Применение
Минимальное конфигурирование и быстрое развёртывание позволяет применять самоорганизующиеся сети в чрезвычайных ситуациях таких как природные катастрофы и военные конфликты.
В зависимости от применения беспроводные самоорганизующиеся сети могут быть разделены на:
- мобильные самоорганизующиеся сети
- беспроводные ячеистые сети
Безопасность в беспроводных самоорганизующихся сетях
Из-за динамически меняющейся топологии сети и отсутствия централизованного управления, данный вид сетей уязвим для ряда атак. Поэтому аспект безопасности является очень важным в таких сетях.
Технологии, используемые при построении беспроводных самоорганизующихся сетей
- Bluetooth (IEEE 802.15)
- WiFi (IEEE 802.11)
- ZigBee (IEEE 802.15.4)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Беспроводные самоорганизующиеся сети" в других словарях:
Эту страницу предлагается переименовать в Беспроводная самоорганизующаяся сеть. Пояснение причин и обсуждение на странице Википедия:К переименованию/1 декабря 2012. Возможно, её текущее название не соответствует нормам современного… … Википедия
Для улучшения этой статьи желательно?: Проставить интервики в рамках проекта Интервики. Безопасность в беспроводных самоорга … Википедия
JTRS перспективная военная радиосистема связи американской армии. Программа JTRS (Joint Tactical Radio System) появилась в середине 90х. Изначально система была предназначена для замены 25 30 разных типов военных радиосистем (многие из которых не … Википедия
- (англ. Mobile Ad hoc Network) беспроводные децентрализованные самоорганизующиеся сети, состоящие из мобильных устройств. Каждое такое устройство может независимо передвигаться в любых направлениях, и, как следствие, часто разрывать и… … Википедия
Выше мы рассмотрели основные архитектуры нейронных сетей и принципы их создания, обучения и функционирования. Основная часть теоретических достижений в этой области связана именно с такими архитектурами. Однако существует еще два малоисследованных, но перспективных направления – это алгоритмы обучения, не требующие предоставления обучающих образцов (самообучение) и сети с обратными связями, позволяющие выделять не только пространственные, но и временные характеристики входных сигналов.
Самоорганизующиеся сети являются одним из наиболее интересных направлений в области. Такие сети способны выделять корреляции во входных данных и приводить свое состояние в соответствие с ними. Самоорганизующиеся сети способны выделять близкие входные образы так, что они вызывают возбуждение близких нейронов выходного слоя.
Демонстрационный пример «Competitive learning» показывает реализацию классификатора с использованием самоорганизующихся сетей.
Рисунок 31. Использование самоорганизующихся сетей для классификации
(Competitive learning)
Рисунок 32. Самоорганизующйся слой
Обучение сети происходит так, что при подаче на вход сети нового вектора, значительно отличающегося от существующих классов, в сети создается новый класс. Если же вектор близок к одному из существующих классов, то веса изменяются для приведения его в соответствие с новыми данными. Понятно, что для такого рода сети число классов, которые она способна выделять равно числу нейронов соревнующегося слоя. Создание сети осуществляется с помощью функции newc:
net = newc(, 2);
где первый аргумент – диапазоны значений входных сигналов, а второй – число нейронов в слое.
Обучается сеть с помощью правила обучения Кохонена (learnk):
где i –индекс выигравшего нейрона (обучению подвергается i-й ряд весовой матрицы)
Одно из ограничений самообучающихся сетей – это то, что не все нейроны могут быть задействованы в распознавании. Если изначально веса нейрона далеки от входных векторов, то такой нейрон никогда не выиграет в соревновании, и, соответственно, не будет подвергаться обучению. Чтобы обойти это ограничение, используются смещения. Положительное смещение, прибавленное к отрицательному расстоянию, делает вероятность выигрыша для нейрона выше. Таким образом, при обучении, смещения наиболее успешных нейронов уменьшаются, а менее успешных – увеличиваются, что приводит к равномерному распределению распознаваемых сигналов по нейронам. Такого рода обучение осуществляется с помощью функции learncon.
Другой тип самообучающихся сетей, имеющих некоторые преимущества перед рассмотренными – это так называемые самообучающиеся карты. Архитектура этих сетей приведена на следующем рисунке:
Рисунок 33. Самоорганизующаяся карта
В них обучение производится не только над самим нейроном, выигравшем соревнование, но и над его ближайшими соседями, что приводит к тому, что близко расположенные в сети нейроны учатся распознавать близкие образы, т.е. сеть запоминает топологию сигналов. Правило обучения для таких сетей приведено ниже:
Самоорганизующиеся карты могут иметь различную топологию (прямоугольные ячейки, шестиугольные ячейки, случайное расположение весов) и по-разному определять расстояние между нейронами.
Беспроводные самоорганизующиеся сети (MANET- Mobile Ad-Hoc Networks) представляют архитектуру построения мобильных радиосетей, которая предполагает отсутствие фиксированной сетевой инфраструктуры (базовых станций) и централизованного управления. Особую привлекательность эти сети приобрели с появлением беспроводных стандартов и сетевых технологий (Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). На основе уже существующих стандартов 802.11 и 802.16 можно строить беспроводные самоорганизующиеся сети городского масштаба, отличительной чертой которых можно назвать большую зону покрытия (несколько квадратных километров).
Беспроводная самоорганизующаяся сеть (БСС) характеризуется динамическими изменениями топологии, ограниченной пропускной способностью, ограниченной мощностью батарей (аккумуляторов) в узлах, неоднородностью ресурсов узлов, ограниченной безопасностью и др Однако в последнее время БСС-сети стали использовать в интеллектуальных транспортных системах и для дома (HANET - Home AdHoc Network), для сетей небольших офисов, для совместных вычислений компьютеров, расположенных на небольшой территории. Самоорганизующиеся сети (Ad-Hoc сети) могут быть классифицированы согласно их применению: - мобильные беспроводные самоорганизующиеся сети (Mobile Ad-hoc Networks, MANET); - Беспроводные mesh-сети (Wireless Mesh Networks, WMN);
Мобильная беспроводная самоорганизующаяся сеть (MANET), которую иногда называют мобильной mesh-сетью, является самонастраивающейся сетью, которая состоит из мобильных устройств. Все узлы используют для связи беспроводные соединения (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Пример архитектуры БСС-сети
Все устройства в БСС-сети постоянно перемещаются, а следовательно, в сети постоянно меняются связи. Каждый узел должен выполнять функции маршрутизатора и принимать участие в ретрансляции пакетов данных. Главная задача в создании такой сети - сделать так, чтобы все устройства могли постоянно поддерживать актуальную информацию для правильной маршрутизации трафика. БСС-сеть также можно разделить на несколько классов:
Vehicular Ad Hoc Network (VANET) - Ad-Hoc-сеть, которая используется для связи транспортных средств друг с другом, а также для их соединения с придорожным оборудованием;
Intelligent vehicular Ad-Hoc network (InVANET) - своего рода искусственный интеллект, который помогает управлять автомобилем в разных непредвиденных ситуациях;
Internet Based Mobile Ad hoc Network (iMANET) - БСС-сеть, которая соединяет мобильные узлы с фиксированными Internet-шлюзами.
Беспроводные mesh-сети - это особый вид Ad-Hoc-сетей, который имеет более спланированную конфигурацию. Mesh-сети состоят из клиентов, маршрутизаторов и шлюзов (рис. 1.9). Основное отличие состоит в том, что беспроводные узлы не перемещаются в пространстве во время работы. Основное отличие между MANET и Mesh-сетями состоит в том, что, как правило, MANET - относится к терминальной сети, т.е. к сети без транзитных функций, а Mesh-сети - к транзитной сети, хотя деление это весьма условно, но принято в настоящее время. В соответствии с более сложными функциями Mesh-сети при ее построении тоже различают родительские и дочерние сети Internet.
Рис. 1.9. Пример беспроводной mesh-сети
На данный момент наблюдается огромный научный и прикладной интерес к созданию самоорганизующихся самовосстанавливающихся сетей .
Как было упомянуто выше, одним из наиболее актуальных кандидатов для реализации когнитивных беспроводной сетей считают: беспроводные самоорганизующиеся сети.
Рамминг (Ramming) в утверждает, что для БСС-сети требуется новый тип технологии организации сети, называемый когнитивной технологией. Он в подбор утверждает, что такая сеть должна понимать задачи приложения, а приложение способно понять возможности сети в любой момент времени. Это позволило бы сети, посредством изучения основных требований приложения, использовать новые возможности и динамически выбирать удовлетворяющие этим требованиям протоколы сети.
Как основное положение когнитивной теории, когнитивный цикл применяется в сетях для распознавания образов. Степень возможности распознавания образов узлом зависит от его логического положения и уровня расположения в сети. Исходя из этого, подобно БСС-сети, когнитивная сеть может рассматриваться в качестве динамической интегрирующейся сети. Поэтому возможно применять когнитивную технологию в БСС-сетях, что, следовательно, приводит к развитию БСС-сетей.
Когнитивная беспроводная самоорганизующаяся сеть - естественная конечная точка развития современной БСС-сети. Однако когнитивные сети реагируют намного быстрее, чем самоорганизующиеся сети, поскольку они должны быть способны изучать и планировать и, следовательно, существует большая потребность в самоанализе. Можно было бы утверждать, что полностью функционирующая когнитивная сеть является естественным развитием БСС-сети.
Рассмотрим простейший пример управления маршрутизацией в когнитивной беспроводной самоорганизующейся сети. В качестве примера необходимости адаптации всей системы рассматривается сеанс передачи данных в самоорганизующейся сети между исходящим узлом S1 и узлом назначения D1, как показано на рис. 1.10. Исходящий узел S1 не имеет достаточной мощности для прямой передачи данных в D1. Поэтому он должен передать данные в узел назначения только через промежуточные узлы, такие как R1 и R2.
Рис. 1.10. Управление маршрутизацией в когнитивной Ad-Нос сети
Предполагается, что цепь из источника до назначения имеет высокую вероятность успешной передачи. Уровень маршрутизации будет определять маршруты на основе минимального количества промежуточных узлов, которые в данном случае включают в себя либо R1, либо R2. Узел S1 выполняет адаптацию канального уровня для выбора R1 или R2 на основе отношения сигнала к шуму и наименьшей вероятности нарушения связи. С точки зрения канального уровня в узле S1 это обеспечивает самую высокую вероятность того, что переданные пакеты прибудут к ретрансляционным узлам корректно. Однако без дополнительной информации этот выбор не гарантирует вероятность доставки передаваемых данных от S1 до D1 .
В отличие от адаптации отдельных элементов сети, для расчета полной вероятности нарушения связи на пути от узла S1 до D1 через узлы R1 и R2 когнитивная сеть использует информацию от всех узлов. Это показывает преимущество более глобального подхода, но у когнитивной сети есть и другое преимущество: ее способность к обучению. Предположим, что механизм познания измеряет пропускную способность от источника до пункта назначения, чтобы оценить эффективность предыдущих решений, а узлы S1 и S2 направляют свой трафик в обоих направлениях через узел R2, поскольку это удовлетворяет требованию минимальной вероятности нарушения связи. Теперь предполагается, что R2 переполняется из-за большого объема трафика, поступающего из S2. Это становится очевидным в процессе изучения пропускной способности на основании сообщений узлов S1 и S2. Механизм изучения признает, что предшествующее решение больше не оптимально, и познавательный процесс направляется на выработку другого решения. Когнитивная сеть явно не знает, что есть переполнение в узле R2, потому что мы не включали эту информацию в качестве наблюдения. Тем не менее, сеть в состоянии сделать вывод, что могут возникнуть проблемы из-за снижения пропускной способности, а затем реагировать на переполнение, возможно, перенаправлением трафика через узлы R1 и (или) R3. Этот пример иллюстрирует потенциал когнитивных сетей в оптимизации непрерывной работы и способность реагировать на непредвиденные обстоятельства. Протокол маршрутизации когнитивной сети основан не на чисто алгоритмическом подходе и способен выбрать эффективный операционный режим даже в непредвиденных ситуациях.
Библиографический список
1- Wyglinski A.M., Nekovee M., Hou Y.T. (Editors). Cognitive radio communications and networks: principles and practice, Academic Press | 2009, 736 pages.
2- Комашинский В. И. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации./ В.И. Комашинский, А.В. Максимов // СПБ.: Изд-во Лема, 2006. - 238с.
3- Cordeiro C. IEEE 802.22: the first worldwide wireless standard based on cognitive radio / С Cordeiro, K. Challapali, D. Birru, Sai Shankar // First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN 2005), Nov. 2005. P.328-337.
4- Баранов В.П. Синтез микропрограммных автоматов. М.: Нолидж, 1997.-376 с.
5- Кучерявый А. Е. Самоорганизующиеся сети и новые услуги / А.Е. Кучерявый // Электросвязь, № 1 2009. С. 19-23.
6- Ramming С. Cognitive networks. Proceedings of DARPA Tech Symposium, March 2004. pp.9-11 .
Самоорганизующаяся сеть – сеть, не имеющая определенной структуры, меняющаяся и распределяющая функции между узлами при подключении нового устройства, изменении характера трафика и т.д.
2. История создания и развитияИстория современных самоорганизующихся сетей начинается с 1970-х годов с момента создания PRNET (Packet Radio Networks), финансированные министерством обороны США. Цель создания самоорганизующихся сетей заключалась в возможности работать в сети, получать доступ к сети Интернет в любом месте, даже в движении, не полагаясь на инфраструктуру фиксированной сети.
С развитием всепроникающих сетей возникла необходимость в использовании нового типа сетей, без устойчивой структуры и способной адаптироваться к меняющимся характеристикам каналов связи. Такие стали называть самоорганизующимися. Первые коммерческие самоорганизующиеся мобильные сети были развернуты в США и Японии в 2009-2010 годах.
Самоорганизующиеся сети в зависимости от скорости самоорганизации, доли участия в ней людей делят на целевые (ad hoc) и ячеистые (mesh) сети. В переводе с латыни «ad hoc» буквально означает «для этого, специально для этого случая». Основное отличие между ad hoc и mesh сетями состоит в том, что, как правило, ad hoc относят к терминальным сетям, a Mesh - к транзитным, хотя это деление весьма условно, но принято в настоящее время.
3. Технические характеристикиСамоорганизующаяся сеть обладает следующими характеристиками:
Самоконфигурация – распознавание и регистрирование в сети новых подключенных устройств. При этом соседние автоматически корректируют свои технические параметры (например, мощность излучения, наклон антенны и т.д.).
Самооптимизация – адаптация параметров устройств при изменении параметров сети: количества пользователей, уровня сигнала, уровня внешних помех и др.
Самовосстановление – автоматическое обнаружение и устранение сбоев: перераспределение функций между устройствами при выходе из строя каких-либо узлов сети для повышения отказоустойчивости сети.
Алгоритмы маршрутизации самоорганизующихся сетей:
Проактивная маршрутизация – наличие постоянно обновляемых полных списков адресов назначения и маршрутов до них.
Реактивная маршрутизация – построенные маршрута по необходимости, т.е. при наличии трафика предназначенного определенному адресату, с помощью опросов соседних узлов и алгоритмов обнаружения соседей.
Гибридная маршрутизация – сочетание элементов проактивной и реактивной маршрутизации. Т.е. хранение таблицы некоторых адресатов, и последующий их опрос по требованию по мере необходимости построения иных маршрутов.
Для организации самоорганизующейся сети чаще всего используют протоколы Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, для маршрутизации – AODV, SAODV, ZRP, OLSR, LAR.
4. Кейсы примененияБыстрое развертывание сенсорных сетей в чрезвычайных ситуациях: например, для поиска пострадавших, анализа масштаба бедствия и т.д. В локальных сетях (сеть HANET), например, при создании системы автоматизации зданий, домов, систем локального позиционирования (RTLS).
В транспортной сфере для системы умного транспорта и умного трафика – сети VANET. В местах массового скопления людей для разгрузки базовых станций и обеспечения связи мобильных устройств напрямую без участия базовых станций (MANET).
5. Полезные ссылкиИсточники: