В данной статье приведен обзор компьютерных ad hoc-сетей с подробным описанием структуры, принципов построения и их области применения.
Ключевые слова: компьютерные ad hoc-сети, радиопередатчики, ориентированные графы, мобильная распределенная компьютерная сеть, узел сети, электромагнитный шум, пеленгатор, область развертки.
Компьютерные ad hoc-сети — это беспроводные децентрализованные сети с узлами, расположенными в некоторой ограниченной или неограниченной области S. Каждый узел характеризуется своими координатами в области расположения сети и мощностью передатчика сигналов.
Данные сети играют важную роль при необходимости выполнения масштабных работ в местностях с плохо развитой или разрушенной вследствие стихийных бедствий инфраструктурой. В условиях чрезвычайной ситуации такие сети развертываются в области происшествия для обеспечения информационного взаимодействия между участниками ликвидации последствий ЧС.
Радиопередатчики, являющиеся основными участниками этой сети, имеют ограниченный радиус приема и передачи сообщений, поэтому важными характеристиками таких сетей является связность сети, или возможность передачи сообщения между узлами с использованием других участников данной системы.
Для ориентированных графов имеется три уровня связности, орграф:
– сильно связный, если все его вершины взаимно достижимы (т. е. существует маршрут с учетом направления дуг из одной вершины в другую);
– односторонне связный, если для любых двух вершин, по крайней мере, одна достижима из другой;
– слабо связный, если при игнорировании направления дуг получается связный (мульти)граф.
В противном случае граф несвязный. [1, с.70–75]
Однако, сеть ad hoc может быть не связной в отдельный момент времени. Узлы данной сети непрерывно перемещаются в пространстве с уникальными скоростью и направлением. Таким образом, передача сигналов между узлами сети возможна даже при отсутствии связности сети. Такие сети зачастую называют оппортунистическими, поскольку передача сигнала производится при возникновении таковой возможности. В таком случае принято говорить о динамической связности сети. Если распределение узлов сети, а также алгоритмы их движения не предусматривают постоянную несвязность мобильной сети, то сообщение в результате перемещения узлов в сети будет передано конечному получателю. На рисунке 1 приведен пример расположения узлов сети.
Рис.1. Пример расположения узлов мобильной сети
Узлы B и C, C и D являются сильно связными между собой, так как попарно попадают в радиусы передачи сигнала друг друга. Узлы A и B несвязны, так как попарно не находятся в радиусах передачи сигнала. Узлы D и E слабо связны, так как лишь узел D попадает в радиус действия узла E, а не наоборот.
Таким образом, в каждый момент времени сеть ad hoc может представлять собой множество компонент связности. Компонента связности — множество вершин, в котором для каждых двух вершин существует путь из одной в другую. При этом данные компоненты могут быть как сильно связными, когда для каждого пути из вершины A в вершину B существует такой же путь из вершины B в вершину A (другими словами, все связи между узлами двусторонние), так и слабо связными при существовании односторонних соединений между узлами сети. Поскольку распад связной сети на несколько компонент возможен в любой момент времени, важными условиями функционирования сети являются постоянное перемещение узлов сети, изменение направления их движения и буферизация передаваемых сигналов.
Таким образом, для данных сетей считается допустимым разбиение множества узлов на несколько связных компонент с учетом вероятности будущих связей узлов.
К основным параметрам, идентифицирующим развертку сети, относят:
а) размеры обрасти развертки сети;
б) количество узлов мобильной сети;
в) радиус приема и передачи сообщений для узлов (также зависит от области в силу различных препятствий прохождению сигнала);
г) уровень электромагнитного шума в области развертки мобильной сети;
д) расстояние между мобильной сетью и пеленгатором.
Для анализа угрозы раскрытия существования мобильной транспортной сети используется генерация случайно распределенной сети, отражающая положение узлов сети в некоторый момент времени. Область распределения представляет собой круг, внутри которого располагаются приемопередатчики. Радиус данной области равен 5, в дальнейшем данное значение может масштабироваться для рассмотрения реальных областей.
Количество вершин в мобильной распределенной компьютерной сети является одним из важнейших параметров, от которого зависит плотность распределения узлов для конкретной области. Рассмотрим этот параметр в интервале от 5 до 50 с шагом в 5 вершин. Таким образом будут рассмотрены сильно распределенные сети и достаточно плотные, претендующие на сильную связность. [2, с.456]
Передача сигнала между узлами имеет зависимость от нескольких параметров и имеет вид k*R-α, где k — коэффициент пропорциональности, отражающий проходимость сигнала, R — расстояние между участниками передачи, α — коэффициент пропорциональности затухания сигнала.
В данном случае, коэффициент пропорциональности k — параметр, совмещающий в себе множество различных параметров области и сети, таких как мощность передатчиков, их чувствительность к приему сообщения, общий уровень проходимости сигнала в данной области. В результате предварительных испытаний было выявлено, что данный коэффициент наиболее полно отражает свое влияние на значениях от 1 до 50 с шагом 5.
Параметр α в данном случае является общим параметром, отражающим затухание сигнала, зависящее от конкретной области, частоты передаваемых сигналов и препятствий на пути его передачи. С удалением от источника сигнала электромагнитное поле, излучаемое им, ослабляется, и данный коэффициент является степенью при расстоянии от источника сигнала. Данный параметр изменяется от 2 (слабое затухание) до 6 (сильное затухание).
Параметр ω характеризует общий электромагнитный шум, то есть сумму естественного электромагнитного шума данной области и иных факторов, создающих электромагнитный фон для передачи сигналов сети. Электромагнитный шум и коэффициенты пропорциональности, влияющие на передачу сообщения, являются параметрами, уникальными для области развертки.
Значение данной зависимости описывает взаимодействие между узлами сети. Для двух случайных узлов мобильной сети R — расстояние между ними, значения параметров k и α задаются при моделировании сети. Если значение уровня сигнала превышает общий электромагнитный шум в точке нахождения приемника сигнала, то приемник получает сигнал от первого узла. В противном случае, узел не слышит источник сообщения.
Радиус передачи — расстояние от источника сигнала до точки, где уровень сигнала приемопередатчика совпадает с уровнем электромагнитного шума. Таким образом, вокруг каждого приемопередатчика образуется круг, характеризующий его возможность передачи сообщения.
Пеленгатор в данной модели — приемник сообщений. Однако, если при передаче сообщений между вершинами имеет значение конкретный уровень сигнала вершины-передатчика, то при пеленгации сигналов узлов имеет значение сумма значений уровней сигналов от всех вершин, то есть значение функции U(x, y), отражающей значение создаваемого компьютерной сетью электромагнитного поля. Это значение также сравнивается со значением общего электромагнитного шума, определенного на области, и при превышении уровнем сигнала мобильной сети этого значения считается, что пеленгатор обнаружил существование мобильной распределенной компьютерной сети.
Пеленгатор размещается на некотором расстоянии от начала координат, в котором располагается центр области распределения узлов мобильной сети. На основании предварительных замеров, наиболее важными значениями смещения пеленгатора являются значения в промежутке от 4 до 8 с шагом 0.5.
Пример распределения вершин на области и местоположения пеленгатора предполагаемого противника представлен на Рисунке 2. Значение Rp — смещение пеленгатора относительно центра области распределения узлов мобильной распределенной компьютерной сети.
Рис. 2. Пример расположения узлов сети и пеленгатора предполагаемого противника относительно нее
Так как данные сети децентрализованы, при передаче сообщения нет единого центра, являющегося посредником при передаче — посредниками являются другие узлы системы, сохраняющие данное сообщение (буферизирующие) для дальнейшей передачи в случае возникновения подходящей ситуации.
Основываясь на этом, каждая ad hoc сеть должна обеспечивать передачу сигнала даже в условиях постоянного перемещения узлов. Таким образом, при развертке данных сетей стремятся использовать максимально возможное количество приемопередатчиков с мощными передатчиками сигналов.
Узлы данной сети, ввиду постоянной передачи сообщений и поиска соседей, которым можно передать сигнал, создают вокруг себя круговое электромагнитное поле, радиус которого есть радиус уверенной передачи сигнала. Таким образом, работоспособная сеть характеризуется электромагнитным полем передаваемых между узлами сигналов на области своего расположения. При помощи отслеживания интенсивности данного поля, или пеленгации сигналов узлов, возможно раскрытие существования данной сети.
Данная ситуация отражает одну из проблем таких сетей — при стремлении к максимальной работоспособности возможна избыточность, отражающаяся в чрезмерном электромагнитном фоне, генерируемом данной сетью, что может помешать работоспособности других сетей или привести к раскрытию существования сети в случае присутствия пеленгатора предполагаемого противника. [3, с.495]
В данном случае важными характеристиками таких сетей являются не только связность сети, количество компонент связности, средние длины маршрутов, но и уровень электромагнитного поля, которое генерирует мобильная сеть ad hoc во время своей работы.
В связи с активным развитием мобильных систем проблема высокого уровня электромагнитных сигналов, воспринимаемых как шум, является особо острой и вынуждает операторов связи и администраторов мобильных сетей искать новые пути передачи и переходить на незанятые частоты сети.
Литература:
- Миков А. И. Связность автономных беспроводных компьютерных сетей в местностях с плохой инфраструктурой.// Экологический вестник научных центров ЧЭС. — 2014. — No 1.
- Зыков А. А. Основы теории графов. // М.: Наука, 1986.
- Azzedine Boukerche. Algorithms and protocols for wireless, mobile ad hoc networks. — New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2009.
