Ячеистая топология

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Ячеистая топология

Ячеистая топология (англ. Mesh Topology) — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако, при такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу "каждый с каждым". Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута следования трафика внутри сети - следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом.

Беспроводные ячеистые (Mesh) сети[править | править вики-текст]

Сеть беспроводных устройств, функционирующая по принципам ячеистой топологии называется Беспроводной Mesh / Ячеистой сетью.

Mesh-сети изначально разрабатывались в военных целях и, как правило, являются беспроводными. За последнее время размер устройств, стоимость, а так же их энергопотребление снизились, и стало возможным добавление нескольких радио-модулей на один узел. Вследствие чего каждая ячейка получила возможность одновременно выполнять несколько полезных функций, таких как клиентский доступ, сканирование, требуемое для высокоскоростных передач в мобильных приложениях и прочие.

Для разработки такого типа сетей полезными оказываются знания методов теории игр, которые помогают анализировать стратегии выделения ресурсов и построения маршрутов в ячеистой топологии.

Узлы первых беспроводных ячеистых сетей представляли из себя устройства, способные работать только в режиме half-duplex(см. Shared Mesh). Позднее, с развитием радио-модулей, стало естественным осуществление приема и передачи одновременно на разных частотах или CDMA каналах, что резко подтолкнуло развитие сетей с ячеистой топологией.

Общие особенности[править | править вики-текст]

Самовосстановление и самоадаптация
  • "Интеллектуальность" сети
Является одной из ключевых особенностей беспроводной ячеистой сети. "Интеллектуальность" означает, что при подключении каждая точка автоматически получает информацию о всех других точках доступа в сети и "выясняет" свою роль. Такое поведение исключает необходимость постоянного администрирования и способствует быстрому развертыванию.
  • Самовосстановление и самоадаптация
Как можно понять из предыдущего пункта - как только сеть включена и начинает функционировать, то каждое устройство автоматически определяет состояние соседей и свою роль в общей топологии. Поэтому, при выходе из строя одного из узлов, сеть способна перенаправить данные - то есть переопределить маршруты автоматически.
  • Быстрое и недорогое развертывание
Развертывание Mesh сети не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, в силу способностей к самовосстановлению и самоадаптации - данная сеть является экономной в эксплуатации.

Организация сети[править | править вики-текст]

Беспроводные ячеистые сети - первый шаг в направлении экономически эффективных и динамических сетей с высокой пропускной способностью. Такая топология, по сути, является сетью маршрутизаторов, лишенной проводов между узлами. Беспроводная ячеистая сеть построена на Peer radio устройствах, которые не требуют кабельного соединения, необходимого для традиционных беспроводных точек доступа. Mesh топология позволяет передавать данные на большие расстояния путем разбиения длинного маршрута на серию коротких переходов между узлами - хопов/hops. Промежуточные узлы не только усиливают сигнал, но и совместно передают его от точки A до точки B - осуществляют переадресацию, основываясь на их знании о сети в целом. Другими словами - каждый узел осуществляют маршрутизацию. Такая архитектура, при тщательной разработке и анализе, может обеспечить высокую пропускную способность, спектральную эффективность и экономическое преимущество в зоне покрытия.

Топология беспроводной ячеистой сети относительно постоянна. Только в случаях внезапного отключения или добавления новых узлов могут быть инициированы процессы изменения структуры сети. Маршрут движения трафика, будучи сформированным большим числом конечных пользователей - редко меняется. Практически весь трафик в топологии ячеистой сети либо направлен через шлюз, либо исходит из него, в то время как в беспроводных ad-hoc сетях трафик течет между произвольной парой узлов.[1]

Данный тип топологии может быть децентрализованным или централизованным - в зависимости от присутствия в сети главного сервера[2], оба подхода относительно недороги, надежны и отказоустойчивы, так как задача каждого узла - передача трафика только до следующего узла сети. Каждое устройство выполняет функции маршрутизатора по передаче данных от соседних узлов к удаленным участникам сети, для достижения которых недостаточно одного перехода. В результате получена сеть, способная покрывать огромные расстояния не теряя своей устойчивости. Надежность Mesh топологии обеспечивается так же тем, что каждый узел соединен с несколькими соседями. Это значит, что при выбывании узла из топологии из-за неисправностей устройства или по каким-либо другим причинам, его соседи смогут быстро перестроить маршрут для трафика используя свои протоколы маршрутизации.

Области применения[править | править вики-текст]

Ячеистые сети можно применить для решения широкого спектра задач - наблюдения за полем боя, телеметрия гоночного автомобиля в реальном времени, настройка сети в условиях неблагоприятной окружающей среды и пр. В зависимости от поставленной задачи, можно настроить поведение Mesh-структуры наиболее подходящим образом. Такая гибкость обеспечивается большим количеством разнообразных возможностей и особенностей данной топологии, которые можно комбинировать произвольным способом. Например, одной из наиболее полезных для применения особенностей Mesh-сети является возможность реализации протокола VoIP поверх ячеистой топологии, используя схему QoS. Такая реализация позволяет поддерживать локальные телефонные разговоры за счет ресурсов сети. В число устройств могут входить как стационарные так и мобильные, что, опять же, обеспечивает легкость развертывания и гибкость настройки при решении конкретной задачи.

Функционирование[править | править вики-текст]

Принцип во многом напоминает способ перемещения пакетов в проводной сети - данные перемещаются от одного устройства к другому до тех пор, пока пакет не достигнет назначенного получателя. Это обеспечивается алгоритмами динамической маршрутизации, встроенным в каждое устройство. Для реализации таких динамических протоколов необходимо, чтобы все устройства сети регулярно обменивались маршрутной информацией между собой. После чего каждый узел определяет, что он должен сделать с полученной информацией - либо передать пакет на следующее устройство, либо сохранить его, согласно указаниям протокола. Кроме того, алгоритмы маршрутизации должны соответствовать требованию о кратчайшем маршруте - то есть строить наиболее подходящий и эффективный маршрут до узла назначения.

Примеры[править | править вики-текст]

Strawberry fair в Кембридже
  • Беспроводные ячеистые сети на сегодняшний день используются силами армии США для обеспечения соединения компьютеров - в основном, защищенных ноутбуков, при проведении полевых операций.
  • Установленные на конечных узлах электросчетчики собирают общую информацию, передавая измеренные показания от одного к другому, а в итоге - в центральный офис для выставления счета клиенту. Такая организация позволяет исключить необходимость использование человеческого труда для снятия показаний приборов, а так же избавиться от кабелей для подключения счетчиков.[3]
  • Ноутбуки программы One Laptop Per Child используют беспроводные ячеистые сети для предоставлении учащимся возможности обмениваться файлами и подключаться к сети интернет даже при отсутствии рядом каких-либо средств физического подключения, таких как кабели, мобильные телефоны и пр.
Спутник Иридиум
  • 66 спутников созвездия Иридиум функционируют как единая mesh-сеть с беспроводными соединениями между соседними спутниками. Звонок между двумя спутниковыми телефонами передается через ячеистую сеть от одного спутника до другого внутри "созвездия" без необходимости взаимодействия со станциями связи на Земле. Это обеспечивает более короткие пути следования сигнала, снижает задержку при разговоре, а так же позволяет "созвездию" функционировать, используя гораздо меньшее количество земных спутниковых станций, чем потребовалось бы для 66 традиционных спутников связи.
  • Решение проблемы "бутылочного горлышка". У беспроводных сетей, предназначенных для крупных корпоративных сред есть существенный недостаток - так называемый эффект "Бутылочного горлышка", который можно наблюдать при использовании большого количества точек доступа. Другими словами: при большом числе подключений наблюдается резкое снижение пропускной способности сети. Это объясняется особенностями точек доступа стандарта 802.11, которые предоставляют разделяемую среду, где в данный момент времени только одна из них может вести передачу данных. Таким образом, в традиционной сети все клиенты подключаются к единственной точке доступа, имеющей выход в интернет. В сети с ячеистой топологией любое устройство способно выступать как в роли маршрутизатора, так и точки доступа. Такой принцип позволяет при большой нагрузке на устройство перенаправить данные на ближайшего, менее загруженного соседа
  • В сельском районе Каталонии, в 2004 году была разработана сеть Guifi.net - как ответ на недоступность широкополосного интернета в регионе, ввиду того, что местные интернет-провайдеры практически не предоставляли данного вида услуг. На сегодняшний день в этой сети существует более 30000 узлов и, благодаря peer to peer соглашению, данная сеть остается открытой, свободной и нейтральной с обширными возможностями резервирования.
  • Цифровые радиоприемники ZigBee встраиваются в некоторые устройства бытовой техники, включая те, которые функционируют от батареек. ZigBee радио-модули произвольным образом организуются в ячеистую сеть, используя AODV маршрутизацию; передача и прием синхронизированы. Это означает, что радио-модули могут быть выключены большую часть времени для экономии потребления энергии.
  • В начале 2007 года, фирма Meraki запустила свой проект - беспроводной мини mesh-маршрутизатор.[4] Данная разработка - пример беспроводной ячеистой сети с заявленной скоростью обмена данными 50 Мбит/сек. Протокол беспроводной связи 802.11 был оптимизирован в устройствах Meraki для передачи данных на большие расстояния, что обеспечило покрытие на расстояния более 250 метров.
  • 3 июня 2006 года, в Кембридже, ячеистая сеть была использована на традиционном музыкальном фестивале "Strawberry Fair" для запуска мобильных сервисов live-телевидения, радио и интернета для, приблизительно, 80000 человек.[5]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. J. Jun, M.L. Sichitiu, "The nominal capacity of wireless mesh networks", in IEEE Wireless Communications, vol 10, 5 pp 8-14. October 2003
  2. S.M. Chen, P, Lin, D-W Huang, S-R Yang, "A study on distributed/centralized scheduling for wireless mesh network" in Proceedings of the 2006 International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing, pp 599 - 604. Vancouver, British Columbia, Canada. 2006
  3. ZigBee.org Smart Energy Overview.
  4. Meraki Mesh. meraki.com. Проверено 23 февраля 2008. Архивировано из первоисточника 19 февраля 2008.
  5. Cambridge Strawberry Fair. cambridgeshiretouristguide.com. Проверено 23 февраля 2008.

Ссылки[править | править вики-текст]