Введение к работе
Актуальность темы. Наблюдаемый в последнее время повышенный интерес к беспроводным вычислительным сетям использующих радио или инфракрасные каналы привело к тому, что такие технологии передачи данных стали одним из наиболее быстро прогрессирующих направлений телекоммуникационного рынка. Таким образом, они начали постепенно вытеснять проводные сети как региональные, так и локальные. При этом одним из наиболее востребованных сегодня направлений является использование т.н. сетей MANET (Mobile Ad Hoc Network, мобильная сеть для изменяющихся ситуаций]. Это самостоятельно адаптирующаяся беспроводная сеть для динамически изменяющихся ситуаций, и сеть, обладающая возможностью автоконфигурации мобильных маршрутизаторов (и связанных хостов], использующая в работе соединения по радиоканалу, объединенные в топологию произвольной формы. Они позволяют создавать децентрализованные телекоммуникационные сети произвольной топологии с элементами искусственного интеллекта. Сети MANET не используют фиксированную инфраструктуру и выбирают оптимальный маршрут для передачи трафика в условиях меняющейся конфигурации, благодаря чему их надежность очень высока. Алгоритмы, разработанные специально для решения этой задачи, получили название алгоритмов маршрутизации. Под маршрутизацией понимаем процесс определения в коммуникационной сети пути, по которому вызов, либо блок данных может достигнуть адресата. В процессе работы с такими сетями мобильные маршрутизаторы автоматически настраиваются на доступные ресурсы. Модули сети анализируют структуру трафика и адаптируют топологию системы под текущие нужды. С их помощью можно обеспечить движущуюся наземную и воздушную технику средствами связи дальнего радиуса действия, динамически подключать старые радиокомплексы. Узлы MANET самостоятельно объединяются в сеть, как только включается их питание. Кроме того, пользователи смогут динамически настраивать ширину канала связи, дальность действия сети и зону покрытия.
Проектируемые виртуальные сообщества призваны решать проблемы, возникающие в масштабных операциях спасения и восстановления после крупных бедствий, в ходе военных действий. Предназначены для создания сенсорных сетей (распределенных самоконфигурируемых беспроводных сетей, состоящих из малогабаритных интеллектуальных сенсорных устройств), резервных систем связи и для многих других областей.
В отличие от классических проводных телекоммуникационных сетей, где топология изменяется очень редко, маршрутизация в мобильных сетях
имеет свои трудности. Неустойчивая природа MANET не дает возможности применять «проверенные» способы поддержки маршрутной информации, сводя их эффективность к нулю. Так как, маршрутизация является основой функционирования всей сети и должна работать максимально надежно, с самого зарождения MANET начались активные поиски новых, специализированных алгоритмов маршрутизации. Такие алгоритмы должны обладать на порядок большей интеллектуальностью, а подчас и просто основываться на кардинально иных принципах работы. На сегодняшний день актуальным считается проблема создания эффективных методов маршрутизации в сетях MANET.
Объектом исследования данной работы являются высокодинамичные сети передачи данных - мобильные и сенсорные сети, в которых изменение топологии происходит с большой интенсивностью.
Предметом исследования являются алгоритмы маршрутизации для высокодинамичных сетей с переменной топологией.
Целью данной работы является повышение адаптивности и устойчивости работы алгоритмов маршрутизации в критических режимах функционирования сетей с переменной топологией.
Реализация этой цели выполняется решением следующих задач:
изучение и анализ условий целевой среды и специализированных алгоритмов маршрутизации;
выявление критических режимов функционирования целевых сетей;
формализация модели функционирования каналов передачи данных в сетевой среде;
обнаружение проблемных параметров, препятствующих эффективному решению задачи маршрутизации в критических режимах функционирования;
выработка предложений для совершенствования алгоритмов маршрутизации;
программная реализация и экспериментальное обоснование выдвинутых предложений.
Методы исследования. Для получения достоверных результатов в работе были применены методы теории множеств, теории графов, теории вероятности, математической статистики, теории алгоритмов. Все результаты были подтверждены имитационным моделированием, которое осуществлялось на высокопроизводительном кластере.
Научная новизна
1. Разработана математическая модель структурных особенностей сети для специфического класса телекоммуникационных сетей с ограниченной мобильностью.
2. На основе разработанной модели создан принципиально новый гибридный проактивно-реактивный алгоритм маршрутизации для сетей с ограниченной мобильностью, работоспособность и эффективность которого подтверждена численными экспериментами.
Практическая значимость работы состоит в непосредственной пригодности разработанных алгоритмов для использования в управляющем программном обеспечении узлов, специализированных ограниченно-мобильных беспроводных телекоммуникационных сетей с отключаемыми узлами с целью эффективного использования их ресурсов. Создан прототип программного обеспечения для узлов стационарной беспроводной сети, позволяющий улучшить работу сети в случае приобретения узлами локальной мобильности.
Наиболее перспективным видится применение разработанных алгоритмов в зарождающихся сенсорных сетях с подвижными узлами, практическое внедрение которых в различные сферы жизнедеятельности ожидается в ближайшее время.
Кроме того, непосредственное применение предложенных алгоритмов возможно практически в любых мобильных сетях телекоммуникации, действующих на ограниченной территории, например, в сетевом оборудовании офисных зданий.
Реализация и внедрение результатов
Исследования и практические разработки, выполненные в диссертационной работе, являются частью научно-исследовательских работ, выполненных при участии автора в рамках научно-технических программ, выполняемых по заданию министерства образования и науки Российской Федерации.
Результаты исследований были внедрены в следующих организациях:
Владимирский государственный университет.
ОООмИНРЭКО ЛАН ФИРМА".
Личный вклад автора
Выносимые на защиту положения предложены и реализованы автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ. Практическая реализация методов и моделирование на ЭВМ проводились при личном участии автора коллективом исследователей.
Достоверность полученных результатов подтверждается полнотой и корректностью теоретических обоснований и результатами проведенных экспериментов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и экспонировались на следующих научно-технических совещаниях и конференциях:
Научно-практическая конференция «Перспективы развития телекоммуникационных систем и информационные технологии», Санкт-Петербург, 2009г.
XVII Международная конференция «Математика. Образование», Чебоксары, 24-31 мая 2009 г.
II Всероссийская научно-практическая конференция «Инновации и информационные технологии в образовании», Липецк, 2009 г.
XVI Всероссийская научно-методическая конференция "Телематика'2009", Санкт-Петербург, 22-25.06.2009 г.
Девятая международная конференция-семинар "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах", Владимир, 2-3.11.2009 г.
На защиту выносятся следующие положения:
Метод, позволяющий использовать структурные особенности мобильной телекоммуникационной сети - характер движения или смены состояний узлов, либо их групп - в целях повышения эффективности маршрутизации трафика.
Математическая модель структурных особенностей сети.
Алгоритм маршрутизации с использованием структурных особенностей на основе статических таблиц.
Публикации
Основные результаты работы представлены в 10 публикациях, в том числе в 2 статьях журналов из перечня ВАК, а также в научно-технических отчетах НИР, выполненных по заданию Рособразования и Роснауки.
Объем и структура диссертации
