پروتکل های مسیریابی MANET: فعال، واکنشی و ترکیبی

در یک شبکه ad hoc موبایل، سخت‌ترین سوال مسیریابی این نیست که چگونه یک مسیر را پیدا کنیم، بلکه این است که چه زمانی باید آن مسیر ایجاد شود و چه مدت باید حفظ شود. تغییرات توپولوژی ثابت می تواند مسیرهای از پیش محاسبه شده را کهنه کند، در حالی که کشف بر اساس تقاضا می تواند قبل از شروع ترافیک تاخیر ایجاد کند. برای یک شبکه رادیویی مش MANET، این مبادله مستقیماً بر تأخیر، سربار کنترل، استفاده از پهنای باند و بازیابی پس از خرابی پیوند تأثیر می گذارد. درک مسیریابی پیشگیرانه، واکنشی و ترکیبی به مهندسان کمک می کند تا رویکردی را انتخاب کنند که با الگوهای ترافیک، تحرک و شرایط عملیاتی واقعی چند هاپ مطابقت داشته باشد.

 

مسیریابی فعال، واکنشی و ترکیبی در یک نگاه

تفاوت اصلی زمانی است که کار مسیریابی اتفاق می افتد

مسیریابی پیشگیرانه بسیاری از کارهای خود را قبل از اینکه ترافیک برنامه نیاز به یک مسیر داشته باشد انجام می دهد. گره ها به طور مداوم یا دوره ای اطلاعات مسیریابی را مبادله می کنند و به آنها امکان می دهد مسیرها را به مقصدهای قابل دسترس از قبل حفظ کنند. هنگامی که یک دستگاه نیاز به ارسال دارد، رادیو مش MANET معمولاً می‌تواند به جای شروع جستجوی مسیر جدید در سراسر شبکه، با ورودی ارسال موجود مشورت کند.

مسیریابی واکنشی رویکردی مخالف دارد. به جای حفظ هر مسیر ممکن، زمانی که یک منبع واقعاً نیاز به رسیدن به مقصد دارد، مسیری را کشف می کند. این امر فعالیت مسیریابی غیرضروری را در زمانی که ترافیک کم است کاهش می‌دهد، اما یک جریان ارتباطی جدید ممکن است تا زمانی که مسیر قرار دارد، منتظر بماند. این دو رفتار به جای یک سوال ساده مبنی بر اینکه کدام روش به طور کلی بهتر است، یک مبادله مستقیم منبع در مقابل تاخیر ایجاد می کند.

مسیریابی ترکیبی مشکل را تقسیم می کند. یک شبکه می‌تواند مسیرهای مکرر مفید یا نزدیک را به طور فعال حفظ کند، در حالی که از کشف بر اساس تقاضا برای مقاصدی خارج از این محدوده استفاده می‌کند. هدف حذف هزینه های هر یک از مدل ها نیست، بلکه قرار دادن این هزینه ها در جایی است که بیشترین ارزش را ایجاد می کنند.

معاوضه های مهم را در MANET مقایسه کنید

جدول بیشتر به عنوان یک نقطه شروع مفید است تا به عنوان یک قانون انتخاب. رادیو مشبک MANET فعال ممکن است دسترسی سریع به مسیرهای شناخته شده را فراهم کند، اما زمان پخش با ارزشی را صرف حفظ مسیرهایی می کند که داده های کمی دارند. یک طراحی واکنشی می تواند از بخشی از بار کنترلی جلوگیری کند، اما اکتشافات مکرر ممکن است زمانی که مسیرها به طور مکرر شکسته می شوند، گران شوند. رفتار ترکیبی زمانی جذاب می شود که بخشی از شبکه به دانش مسیر دائمی نیاز داشته باشد در حالی که مقاصد دیگر فقط گاهی اوقات تماس می گیرند.

 

مسیریابی فعال: آماده نگه داشتن مسیرها قبل از رسیدن ترافیک

چگونه مسیریابی فعال نمای شبکه را حفظ می کند

یک پروتکل فعال، وضعیت مسیریابی کافی را برای گره‌ها حفظ می‌کند تا ترافیک را بدون انجام جستجوی سرتاسر انجام دهند. پیام های مسیریابی یا توپولوژی در فواصل زمانی منظم یا زمانی که تغییرات مربوطه رخ می دهد رد و بدل می شوند و هر گره نمای خود را از مقاصد قابل دسترسی به روز می کند. نتیجه یک شبکه رادیویی مش MANET است که در آن اطلاعات ارسال به طور کلی قبل از شروع یک جریان برنامه جدید آماده می شود.

DSDV یک مثال آشنای بردار فاصله است، در حالی که OLSR یک رویکرد حالت پیوند فعال را نشان می دهد. OLSR به طور منظم اطلاعات توپولوژی را مبادله می کند و از رله های چند نقطه ای یا MPR های انتخاب شده برای کاهش ارسال مجدد اضافی در طول سیل پیام کنترلی استفاده می کند. مکانیسم MPR تعداد گره‌های مورد نیاز برای هدایت ترافیک کنترل پخش را محدود می‌کند و در مقایسه با سیل معمولی، ارسال مجدد غیرضروری را کاهش می‌دهد.

وقتی ترافیک مسیریابی اضافی ارزشش را دارد

رفتار پیشگیرانه زمانی قانع کننده تر است که بخش معنی داری از مش به طور منظم ارتباط برقرار کند. اگر بسیاری از جفت گره ها داده ها را مبادله کنند، حفظ مسیرهایی که به زودی مورد استفاده قرار خواهند گرفت می تواند کارآمدتر از کشف مکرر آنها باشد. همچنین زمانی ارزش ارزیابی را دارد که یک برنامه برای تأخیر بسته اول قابل پیش بینی ارزش زیادی قائل شود و شبکه رادیویی مش MANET ظرفیت کافی برای پشتیبانی از ادامه به روز رسانی مسیریابی را داشته باشد.

با این حال، تحرک بالا به تنهایی، مسیریابی پیشگیرانه را به انتخاب بدیهی تبدیل نمی کند. تغییرات سریع توپولوژی می تواند اطلاعات مسیریابی ذخیره شده را سریعتر منسوخ کند، که ممکن است برای مفید نگه داشتن نمای شبکه، به تبادل کنترل های مکرر نیاز داشته باشد. بنابراین، یک شبکه متحرک متراکم ممکن است از مسیرهای آماده سود ببرد در حالی که به طور همزمان هزینه قابل توجهی برای حفظ جریان آن مسیرها پرداخت می کند.

 

مسیریابی واکنشی: یافتن یک مسیر فقط در صورت نیاز

از درخواست مسیر تا تعمیر مسیر

مسیریابی واکنشی ایجاد مسیر را تا زمانی که تقاضای واقعی وجود داشته باشد به تعویق می اندازد. AODV یک مثال واضح ارائه می دهد: زمانی که منبعی به مقصدی نیاز دارد که برای آن مسیر معتبری ندارد، می تواند یک درخواست مسیر یا RREQ ایجاد کند. این درخواست از طریق شبکه ad hoc منتشر می شود تا زمانی که یک گره مناسب بتواند یک Route Reply یا RREP را بازگرداند و اطلاعات ارسال را به سمت مقصد ایجاد کند.

هنگامی که مسیر وجود دارد، ترافیک عادی می تواند بدون تکرار کشف برای هر بسته از آن استفاده کند. اگر پیوندی در مسیر فعال غیرقابل استفاده شود، AODV می‌تواند یک خطای مسیر یا RERR ایجاد کند، بنابراین گره‌های آسیب‌دیده می‌توانند مسیر شکسته را باطل کنند و اقدامات اصلاحی انجام دهند. RREQ، RREP و RERR با هم کار می کنند تا از کشف مسیر، ایجاد مسیر و بازیابی پس از شکست پیوند پشتیبانی کنند.

جایی که مسیریابی بر اساس تقاضا منطقی تر است

مسیریابی واکنشی زمانی می تواند جذاب باشد که تنها بخشی از شبکه به طور فعال در حال ارتباط باشد. شبکه‌ای را تصور کنید که رادیوهای زیادی در یک منطقه وسیع مستقر شده‌اند اما در هر لحظه فقط چند جفت منبع-مقصد فعال وجود دارد. حفظ اطلاعات کامل مسیر برای هر جفت ممکن می تواند ظرفیت کانال را بدون ارائه مقدار متناسب مصرف کند. تحت چنین شرایطی، یک استراتژی MANET Mesh Radio می‌تواند تلاش مسیریابی را حول ترافیک فعال متمرکز کند.

تله متری متناوب، انتقال گاه به گاه فایل، ترافیک حسگر رویداد محور، و پیوندهای فرمان انتخابی نمونه هایی از الگوهایی هستند که ممکن است سودمند باشند. معاوضه این است که اولین بسته برای یک مقصد جدید می تواند در حین ایجاد یک مسیر، تاخیر بیشتری را تجربه کند. مسیریابی مبتنی بر تقاضا می تواند از پهنای باند و انرژی شبکه به طور موثرتری در صورت اجتناب از نگهداری غیرضروری مسیر استفاده کند، اما کشف مسیر باعث ایجاد تأخیر اضافی می شود.

Mobility محاسبات را تغییر می‌دهد زیرا مسیرها ممکن است قبل از اینکه ترافیک کافی برای توجیه هزینه اکتشاف خود ارائه دهند، معتبر نیستند. یک رادیو که به سرعت حرکت می کند، اگر ساختار کلی روابط همسایه پایدار را حفظ کند، به طور خودکار مشکل ساز نیست. برعکس، حرکت نسبتاً آهسته از طریق ساختمان‌ها، زمین، تداخل یا سایه آنتن می‌تواند مسیرها را به طور مکرر بشکند.

به همین دلیل، طول عمر مسیر اغلب یک سوال عملیاتی بهتر از سرعت وسیله نقلیه یا پلت فرم است. اگر یک رادیو مش MANET به طور مکرر مسیری را کشف کند تا لحظاتی بعد آن را گم کند، سربار واکنشی و وقفه ها می توانند به سرعت بالا بروند. بنابراین مناسب بودن مسیریابی بر اساس تقاضا به تقاضای ترافیک و مدت زمانی که مسیرهای کشف شده مفید باقی می مانند بستگی دارد.

 

مسیریابی ترکیبی: آماده نگه داشتن مسیرهای نزدیک بدون ردیابی همه چیز

چگونه مسیریابی پیشگیرانه محلی و کشف گسترده تر با هم کار می کنند

مسیریابی ترکیبی سعی می‌کند تعمیر و نگهداری مسیر را در جایی قرار دهد که بیشترین مزیت را دارد و در عین حال از تعمیر و نگهداری در سطح شبکه برای هر مقصد ممکن اجتناب می‌کند. Zone Routing Protocol یا ZRP این ایده را به وضوح نشان می دهد. هر گره به طور فعال مسیرها را در یک منطقه مسیریابی محلی حفظ می کند، در حالی که مقصدهای خارج از آن منطقه از طریق مکانیسم واکنشی پرس و جو و پاسخ به دست می آیند.

در ZRP، منطقه مسیریابی با یک شعاع قابل تنظیم که بر حسب جهش اندازه‌گیری می‌شود، تعریف می‌شود. شعاع بزرگتر به این معنی است که یک گره بیشتر از توپولوژی اطراف خود به طور فعال می داند، در دسترس بودن مسیر فوری را افزایش می دهد، اما دامنه نگهداری مسیریابی را نیز گسترش می دهد. شعاع کوچکتر بار کنترل محلی را محدود می کند در حالی که ارتباطات دورتر را به سمت کشف واکنشی سوق می دهد.

ZRP بهتر است به‌عنوان یک نمونه معماری در نظر گرفته شود تا اثباتی که هر رادیویی ترکیبی MANET Mesh از مکانیزم یکسانی استفاده می‌کند. ZRP به جای تبدیل شدن به یک استاندارد اینترنتی، یک پیش نویس اینترنت IETF باقی ماند، اما ساختار محلی-فعال و واکنش سراسری آن یک مدل مفید برای درک رفتار مسیریابی ترکیبی باقی مانده است.

جایی که یک رویکرد ترکیبی مفید می شود

مدل ترکیبی به ویژه زمانی مرتبط می شود که ترافیک به طور یکنواخت در سراسر شبکه توزیع نشده باشد. گروهی از گره های نزدیک ممکن است به طور مداوم صدا، تله متری یا داده های هماهنگی را مبادله کنند، در حالی که ارتباط با گره های دورتر فقط گاهی اوقات اتفاق می افتد. حفظ مسیرهای نزدیک می تواند تاخیر را برای ترافیک محلی رایج به حداقل برساند، در حالی که کشف بر اساس تقاضا از ردیابی مداوم هر مسیر راه دور جلوگیری می کند.

بنابراین مش‌های بزرگ‌تر یا متنوع‌تر می‌توانند ارزیابی رفتار هیبریدی را توجیه کنند. چالش به جای یک برچسب پروتکل ساده، پیکربندی است: اندازه منطقه و محدوده مسیریابی تعیین می کند که چه مقدار سربار پیشگیرانه پذیرفته می شود و هر چند وقت یکبار کشف واکنشی مورد نیاز است. یک رادیو مش ترکیبی MANET در نتیجه باید تحت فاصله گره ها و توزیع ترافیک واقع گرایانه آزمایش شود به جای اینکه فرض شود به طور خودکار از هر دو رویکرد خالص بهتر عمل می کند.

 

انتخاب یک رویکرد مسیریابی برای یک شبکه رادیویی مش واقعی MANET

با الگوی ترافیک و ثبات مسیر شروع کنید

با ترافیکی که شبکه در واقع باید حمل کند، شروع کنید. ویدئو، صدا، پیوندهای دستوری، تله متری مداوم، و مبادلات مکرر داده گره به گره، درخواست های مسیریابی متفاوتی را از گزارش های گاه به گاه حسگر یا انتقال فایل ایجاد می کند. وقتی ارتباط ثابت است و مقصد می تواند به سرعت تغییر کند، آمادگی مسیر ممکن است ارزش بیشتری داشته باشد. هنگامی که تنها چند مسیر فعال هستند، حفظ مسیرهای استفاده نشده ممکن است دشوارتر باشد.

پایداری مسیر باید جدا از سرعت تحرک خام ارزیابی شود. رادیوهای نصب شده بر روی هواپیما یا وسایل نقلیه در حال حرکت می توانند به سرعت حرکت کنند و در عین حال روابط همسایه نسبتاً پایداری را حفظ کنند. در مقابل، رادیو مشبک MANET کندتر که در پشت سازه‌ها، زمین، پوشش گیاهی یا موانع دیگر حرکت می‌کند، ممکن است علیرغم سرعت فیزیکی پایین‌تر، تغییرات مکرر پیوند را تجربه کند.

اندازه گیری مفید این است که چه مدت یک مسیر سرتاسر قابل دوام می ماند و در صورت عدم وجود ارتباط چقدر سریع بهبود می یابد. سپس الزامات برنامه تعیین می کند که آیا یک فاصله کوتاه مسیر کشف یا بازیابی قابل قبول است یا خیر.

نظریه مسیریابی را به قابلیت های رادیو مش ربط دهید

تئوری پروتکل تنها زمانی مفید می شود که به آنچه که پلتفرم رادیویی واقعاً پیاده سازی و اندازه گیری می کند متصل شود. WDS MIMOmesh Lightweight Airborne Series یک معماری بی‌سیم بی‌سیم توزیع‌شده و بدون مرکز را با مسیریابی پویا لایه 2 یا لایه 3، رله چند جهشی و حالت‌های نقطه به نقطه، نقطه به چند نقطه، چند نقطه به چند نقطه، ستاره، خط، شبکه و حالت‌های توپولوژی ترکیبی ترکیب می‌کند. این قابلیت‌ها هنگام ارزیابی اینکه چگونه یک رادیو مش MANET می‌تواند در استقرار چند هاپ سیار جا بیفتد، بدون اینکه فرض کنیم پروتکل مسیریابی کتاب درسی خاصی را پیاده‌سازی می‌کند، مرتبط هستند.

MIMOmesh سری سبک‌وزن هوابرد MANET Mesh Radio از تأخیر متوسط ​​تک‌هاپ 6 میلی‌ثانیه در شرایط 20 مگاهرتز یک‌طرفه، همراه با دسترسی به شبکه، به‌روزرسانی یا زمان تعویض زیر یک ثانیه و قابلیت شبکه‌سازی چند هاپ پشتیبانی می‌کند. این مقادیر باید به‌عنوان مشخصات عملیاتی مرتبط با شرایط تعریف‌شده در نظر گرفته شوند نه به‌عنوان شواهدی مبنی بر اینکه رادیو از AODV، DSDV، OLSR، ZRP یا الگوریتم‌های دیگر به نام استفاده می‌کند.

بنابراین یک ماتریس تصمیم مسیریابی مفید ساده است:

انتخاب نهایی هنوز باید از آزمایش نماینده باشد. رادیو مش MANET ممکن است با افزایش عمق پرش، تراکم کانال، تحرک، تداخل و افزایش ترافیک همزمان، عملکرد متفاوتی داشته باشد، حتی زمانی که استراتژی مسیریابی زیربنایی آن روی کاغذ مناسب به نظر می رسد. آزمایش باید شکل‌گیری مورد انتظار، تعداد گره‌ها، ترکیب برنامه‌ها و رویدادهای خرابی را به اندازه کافی بازتولید کند تا نشان دهد چگونه نگهداری مسیر با ترافیک محموله رقابت می‌کند.

برای سیستم‌های رادیویی مش MANET توزیع شده مانند WDS MIMOmesh، قابلیت‌هایی مانند مسیریابی پویا و رله چند جهشی نقطه شروعی را برای اعتبار سنجی فراهم می‌کنند. تیم استقرار باید تأیید کند که مسیرها با چه سرعتی تطبیق می‌یابند، چگونه توان عملیاتی طی چندین جهش تغییر می‌کند و آیا تأخیر زمانی که توپولوژی مختل می‌شود قابل قبول است یا خیر. این شواهد صرفاً به این دلیل که در مشخصات آن از عبارت MANET Mesh Radio استفاده می‌شود، ارزشمندتر از انتخاب تجهیزات است.

 

نتیجه گیری

انتخاب از میان مسیریابی فعال، واکنشی و ترکیبی به این بستگی دارد که چگونه یک شبکه آمادگی مسیر، کنترل سربار، تحرک و زمان بازیابی را متعادل می کند. بنابراین یک رادیو مش MANET باید بر اساس الگوهای ترافیک واقعی، تعداد پرش و تغییرات پیوند ارزیابی شود نه تنها با برچسب های پروتکل.

برای استقرارهایی که نیاز به اتصال چند هاپ سیار دارند، شرکت فناوری Shenzhen Sinosun، آموزشی ویبولیتین سیستم های MIMOmesh را با قابلیت مسیریابی پویا و قابلیت رله چند هاپ ارائه می دهد. این قابلیت‌ها با استفاده از آزمایش‌های میدانی واقعی، می‌توانند به تیم‌ها کمک کنند تا شبکه‌هایی بسازند که با تغییر توپولوژی و شرایط عملیاتی، ارتباطات را کارآمدتر حفظ کنند.

 

سوالات متداول

س: انواع اصلی پروتکل های مسیریابی MANET چیست؟

A: پروتکل های مسیریابی MANET معمولاً به رویکردهای فعال، واکنشی و ترکیبی گروه بندی می شوند. آنها عمدتاً در زمان ایجاد، نگهداری و به روز رسانی مسیرها با تغییر توپولوژی شبکه متفاوت هستند.

س: تفاوت بین مسیریابی MANET فعال و واکنشی چیست؟

A: مسیریابی فعال مسیرها را به طور مداوم حفظ می کند و تاخیر راه اندازی مسیر را کاهش می دهد. مسیریابی واکنشی تنها در صورت نیاز مسیرها را کشف می‌کند، که ترافیک کنترل معمولی را کاهش می‌دهد اما می‌تواند تأخیر انتقال اولیه را افزایش دهد.

س: کدام رویکرد مسیریابی در MANETهای بسیار متحرک بهتر عمل می کند؟

پاسخ: هیچ انتخاب جهانی وجود ندارد. عملکرد به جای سرعت تحرک به تنهایی به پایداری مسیر، فرکانس ترافیک، تراکم گره، تعداد پرش و نیازهای بازیابی بستگی دارد.

س: مسیریابی در شبکه رادیویی مش MANET چگونه کار می کند؟

A: یک رادیو مش MANET می تواند ترافیک را از طریق گره های همسایه ارسال کند، و به داده ها اجازه می دهد تا به مقصدهایی فراتر از محدوده مستقیم رادیویی برسند در حالی که مسیرها با تغییر اتصال سازگار می شوند.

س: آیا AODV فعال است یا واکنشی؟

پاسخ: AODV یک پروتکل مسیریابی واکنشی است. با استفاده از درخواست مسیر و پیام‌های پاسخ، مسیرهای درخواستی را کشف می‌کند، سپس در صورت از کار افتادن پیوندهای فعال، مسیرها را تعمیر یا جایگزین می‌کند.

س: چرا سربار مسیریابی در MANET مهم است؟

پاسخ: پیام‌های مسیریابی زمان پخش بی‌سیم محدودی را با ترافیک برنامه به اشتراک می‌گذارند. ترافیک کنترل بیش از حد می تواند توان عملیاتی قابل استفاده را کاهش دهد، به خصوص با افزایش تعداد گره ها، تحرک و فعالیت چند هاپ.