Povyshenie kachestva peredachi potokovykh dannykh v setyakh VPLA s pomoshch'yu PULL-PUSH-podkhoda

Full Text

Введение В настоящее время активно развивается технология мобильных беспроводных самоорганизующихся сетей (Mobile Ad hoc Networks, MANET), «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 46 Абилов А.В., Васильев Д. С. представляющая особый интерес для исследователей [1-2]. Сеть MANET может быть развернута для передачи данных в чрезвычайных ситуациях и развертывания сетей связи в труднодоступных местностях. Способность таких сетей к самоорганизации позволяет использовать их в качестве альтернативы инфраструктурным сетям. Одной из задач, которые могут быть выполнены с помощью данной технологии, является организация передачи потокового видео в сети беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Сеть БПЛА (Flying Ad Hoc Network, FANET) представляет собой частный случай сети MANET: каждый узел такой сети высокомобилен и может быть связан с другими узлами с помощью беспроводной технологии, например семейства стандартов 802.11 [3-4]. В таком случае становится возможной многошаговая передача данных в самоорганизующейся сети высокомобильных узлов. Постановка задачи Несмотря на перспективность данного подхода, существует ряд ограничений для успешной передачи потоковых данных в сетях БПЛА. Ошибки передачи могут возникнуть вследствие потери маршрута или из-за беспроводной природы среды передачи. Таким образом, важной задачей является обеспечение гарантированной доставки потоковых данных в сетях MANET [5-6]. В простейшем случае, можно представить сеть трех узлов, в которой один узел является источником потоковых данных, второй узел -адресат, а третий узел обеспечивает связь между источником и адресатом, если они покидают область действия радиосвязи, то есть играет роль промежуточного узла. В качестве протокола маршрутизации в такой сети могут быть применены специальные протоколы для сетей MANET [7-8], например AODV [9] или OLSR [10]. Протокол AODV ищет маршруты в сети реактивно, то есть по мере надобности, в свою очередь, OLSR полагается на проактивный подход, и каждый узел под его управлением старается поддерживать актуальную информацию о сетевой топологии путем периодической передачи HELLO-сообщений. В статье предлагается алгоритм на основе PULL-PUSH-подхода для доставки данных в сети БПЛА, состоящей из трех узлов под управлением протоколов AODV и OLSR. Эффективность разработанного алгоритма исследована с помощью имитационного моделирования в среде NS-3 [11]. Подходы к доставке данных в одноранговой сети Существуют разные подходы к доставке потоковых данных в сетях MANET [12]. В статье рассматривается PULL-PUSH-подход, который также применяется в одноранговых сетях. Одноранговые сети (P2P) - это децентрализованные сети с равноправными узлами [13]. Они похожи на сети MANET, а следовательно, подходы к доставке потоковых данных в одноранговых сетях могут быть применены в сетях MANET для повышения качества обслуживания. Одноранговые сети полагаются на три подхода к доставке потоковых данных: PUSH-подход, PULL-подход и гибридный подход, совмещающий два предыдущих [14]. PUSH-подходом называют традиционную трансляцию потоковых данных с источника адресату. В таком случае только источник определяет алгоритм обмена данными с адресатом. Напротив, при использовании PULL-подхода адресат сам определяет алгоритм обмена данными. Например, адресат может запрашивать данные как с источника, так и с других узлов сети. Первый подход традиционно используется для потоковой передачи данных в инфраструктурных сетях, в том числе в Internet, а второй изначально рассчитан на доставку данных в условиях частого отключения узлов. В данной статье проанализирована эффективность передачи потоковых данных в сети БПЛА при совместном использовании PUSH и PULL-подходов. Алгоритм доставки данных на основе PULL-PUSH-подхода Исходя из простейшей топологии сети БПЛА, включающей узел-источник, узел-адресат и промежуточный узел, был разработан алгоритм доставки потоковых данных на основании PULL-PUSH-подхода. Блок-схема алгоритма, работающего на каждом узле сети, показана на рис. 1. В данном случае назовем блок передаваемой информации фрагментом данных, а контентом - совокупность взаимосвязанных и упорядоченных фрагментов данных. Для начала работы алгоритма адресат отправляет запрос на источник, в котором указывает номер контента и номера запрошенных фрагментов. В дальнейшем адресат использует алгоритм для гарантированной доставки всех запрошенных фрагментов, а источник и промежуточный узел используют тот же алгоритм для ответа на запросы адресата. В ходе работы алгоритма происходит распределение контента по сети. Каждый узел сети обладает «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 Абилов А.В., Васильев Д.С. 47 базой данных, в которой хранит номера запрошенных фрагментов, и буфером, в котором хранятся уже полученные фрагменты данных. Алгоритм контролирует доставку запрошенных фрагментов, данных до адресата, в качестве которого может рассматриваться любой узел сети. Каждый узел имеет свою базу данных запрошенных фрагментов и заполняет ее по мере поступления запросов от узлов-соседей. Все узлы сети работают над единой задачей распространения контента по сети. Конечной целью каждого узла сети является получение всех запрошенных фрагментов данных. Пусть t - заранее заданный интервал времени проверки базы данных. Каждый узел сети каждые t мс проверяет свою базу данных и генерирует на основе доступной информации запросы к узлам-соседям, содержащие номер контента и номера запрошенных фрагментов данных. При получении фрагмента данных узел удаляет его номер из базы и добавляет фрагмент в буфер. При получении запроса от узла-соседа узел ищет запрошенные фрагменты в буфере, добавляет ненайденные номера фрагментов в базу данных и начинает передачу доступных фрагментов узлусоседу. Когда все запрошенные фрагменты загружены, а база данных пуста, алгоритм заканчивает свою работу. Сценарий мобильности В среде NS-3 было проведено имитационное моделирование работы сети БПЛА, состоящей из трех узлов, для оценки эффективности предложенного алгоритма (см. рис. 2). Адресат, имитирующий наземный узел, является стационарным. Источник и промежуточный узел (узлы 2 и 3, соответственно) двигаются по окружностям с радиусом 50 метров с заданными в начале каждой симуляции скоростями в диапазоне от 30 до 40 м/с, имитируя поведение БПЛА при выполнении мониторинга местности. Дальность связи по стандарту 802.11n ограничена расстоянием 250 метров с помощью модели затухания сигнала в открытом пространстве. Источник передает адресату потоковые данные по протоколу UDP со скоростью 1 Мбит/с. В данной симуляции каждая дейтаграмма инкапсулирует только один фрагмент данных размером 1400 байт. В течение симуляции источник (узел 2) теряет связь до адресата (узел 1) случайное количество раз и вы Рис. 1. Блок-схема алгоритма перезапроса фрагментов для доставки потоковых данных «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 48 Абилов А.В., Васильев Д. С. Рис. 2. Моделируемый сценарий мобильности нужден восстанавливать двухшаговый маршрут с помощью используемого протокола маршрутизации и промежуточного узла (узел 3). С помощью вычисления метрик качества обслуживания оценивается эффективность работы предложенного алгоритма в сети БПЛА под управлением AODV и OLSR. Результаты моделирования Было проведено 10 запусков моделируемого сценария. Каждая симуляция длилась 1 мин. В заголовке прикладного уровня каждой дейтаграммы, несущей полезную нагрузку, было добавлено поле с номером текущего фрагмента. На основании этого поля был проведен расчет первой метрики - коэффициента доставки фрагментов: Тх (1) где Rx - число принятых фрагментов; Tx - число переданных фрагментов. Метрика рассчитывалась для каждых 100 фрагментов, переданных источником. Важной характеристикой потоковых данных является скорость доставки полезных данных адресату. Частным случаем является передача видео. Для непрерывного воспроизведения видео на адресате скорость доставки полезных данных должна быть примерно равна скорости передачи видео источником, которая рассчитывается по формуле: 1 Sr 8 Т “^(1024)" Мбит/с, (2) где T - интервал измерения в сек; n - число принятых неповторяющихся фрагментов данных за интервал измерения; S. - размер каждого фрагмента в байтах. При расчете данной метрики исключаются повторно принятые фрагменты. Интервал измерения метрики был принят равным 5 сек. Рис. 3. Среднее значение коэффициента доставки фрагментов PDR и доверительные интервалы Была промоделирована передача потоковых данных и вычислен средний коэффициент доставки фрагментов PDR для сетей под управлением OLSR (см. рис. 3а) и AODV (см. рис. 36). Измерения были проведены для значений периода рассылки HELLO-сообщений h = 2; h = 1 и h = 0,5 сек. На рис. 3 видно, что ни одно из рассмотренных значений h не позволило улучшить значение PDRave до 1 и обеспечить гарантированную доставку потоковых данных узлу-адресату. Реактивный протокол AODV не продемонстрировал зависимости от значения h. Уменьшение значения h для проактивного протокола OLSR с 2 до 0,5 сек также не привело к улучшению значения метрики PDRave. Таким образом, необходимо применение алгоритмов доставки потоковых данных для рассматриваемой топологии сети. Симуляции были повторены с использованием разработанного алгоритма на основе PULLPUSH-подхода со значением интервала проверки базы данных равным t = 100 мс, который использует перезапрос фрагментов с узлов-соседей. На рис. 4а показаны зависимости значения метрики PDR от времени в процессе симуляции для сети под управлением протокола OLSR с использованием и без использования разработанного алгоритма и значении h = 0,5. На рис. 4б представ «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 Абилов А.В., Васильев Д.С. 49 (а) (б) Рис. 4. Зависимость значения коэффициента доставки фрагментов PDR от времени при передаче потоковых данных в сети под управлением протокола OLSR (а) и AODV (б) лены аналогичные зависимости для сети под управлением протокола AODV. Рис. 4 показывает, что использование разработанного алгоритма позволило обеспечить значение PDR равное 1 на протяжении всей симуляции. На основании результатов было определено, что разработанный алгоритм обеспечил увеличение PDR до 1, то есть на 14% при h = 2 и на 26% при h = 0,5 для OLSR. Для AODV метрика была улучшена на 26% при всех заданных h. На рис. 5 показаны значения средней скорости доставки полезных данных Rave в сети под управлением протокола OLSR (5а) и AODV (5б) без применения разработанного алгоритма и при переза-просе потерянных фрагментов с его помощью. Разработанный алгоритм на основании PULLPUSH-подхода позволил повысить среднюю скорость доставки полезных данных Rave. Для сети под управлением протокола OLSR метрика Rave была увеличена в среднем на 12%, а для AODV -на 14% для всех рассмотренных значений h. 0,5 □ Без перезапроса 1,0 2,0 ■ С перезапросом (а) (б) Рис. 5. Средняя скорость доставки полезных данных Rave и доверительные интервалы при передаче потоковых данных в сети под управлением протокола OLSR (а) и AODV (б) Алгоритм обеспечил среднюю скорость доставки примерно равную 1 Мбит/с для сети под управлением протокола OLSR. Для протокола AODV метрика Rave при использовании разработанного алгоритма была в среднем на 7% меньше, чем скорость передачи данных источником. Заключение В статье предложен алгоритм перезапроса фрагментов для доставки потоковых данных на основании PULL-PUSH-подхода и проанализирована его эффективность в сети БПЛА, состоящей из трех узлов под управлением протоколов маршрутизации OLSR и AODV, с помощью имитационного моделирования в среде NS-3. Результаты моделирования выбранной топологи сети показывают, что для рассматриваемого сценария мобильности протоколы OLSR и AODV не обеспечивают доставку потоковых данных без потерь. В свою очередь, результаты «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 50 Абилов А.В., Васильев Д. С. моделирования с использованием разработанного алгоритма демонстрируют, что его применение позволяет увеличить значение среднего ко -эффициента доставки фрагментов PDRave до 1 и повысить среднюю скорость доставки полезных данных адресату Rave на 12% и 14% для OLSR и AODV, соответственно. Таким образом, была продемонстрирована эффективность разработанного алгоритма для доставки потоковых данных в сети БПЛА под управлением протоколов маршрутизации AODV и OLSR.

About the authors

Al'bert Vinerovich Abilov

Email: albert.abilov@istu.ru

Danil Sergeevich Vasil'ev

Email: danil.s.vasilyev@istu.ru

References

Supplementary files