MANETとは何か、なぜWiFiはすべての通信問題の解決策ではないのか

ハブの自己組織化ネットワークのトピックに関する次の投稿を読んで、著者はこのトピックにはまだ明確性がないことに気付きました。 ほとんどの場合、自己組織化無線ネットワークは「メッシュ」、「アドホック」、「モバイルアドホック」などと呼ばれ、それらが同一であることを意味します。 そして、これは、たとえ技術的に精通していても、単純なハブロフィリピン人だけでなく、博士号を持つほとんどのエンジニアにも当てはまります。 さらに、多くの場合、このようなネットワークはあらゆる機会に対応する汎用ツールとして提示される[1]か、通信業界の発展と進化のほぼ唯一のベクトルとして提示されます[2]。 これらのネットワークの場所と役割を明確に理解していなければ、このような発言は現実的ではありませんが、少なくとも時期尚早であることを保証できます。



それでは、メッシュ、アドホック、モバイルアドホックなどのネットワークとは何か、そしてそれらの違いは何かを判断することから始めましょう。



メッシュネットワークは、ワイヤレスバックボーンとサブスクライバーサービスエリアを作成するワイヤレス固定ルーターと、ルーターの1つに（無線通信ゾーン内で）アクセスするモバイル/固定サブスクライバーで構成されるセルラー無線ネットワークです。 トポロジは、サポートノードがランダムに接続されたスターです。

アドホックネットワーク-基地局または参照ノードが存在しない場合に完全に分散化された制御を実装する、ランダムな固定加入者を持つ無線ネットワーク。 トポロジは、ノードのランダム接続で修正されます。

MANET （Mobile Ad hoc NETworks）ネットワークは、基地局または参照ノードが存在しない場合に完全に分散化された制御を実装するランダムなモバイルサブスクライバーを持つ無線ネットワークです。 トポロジーは、ノードのランダム接続により急速に変化しています。

これに追加されるのは、 WSN（ワイヤレスセンサーネットワーク）です。特定の環境パラメーターを監視し、無線チャネルを介してデータを処理および送信する機能を統合した小型センサーノードで構成されるワイヤレスセンサー（テレメトリック）ネットワークです。 タスクに応じて、メッシュ、アドホック、およびMANETトポロジとして構築できます。 自動車ネットワークVANET（Vehicle Ad hoc NETworks） -車両の通信ネットワーク。 上記のすべての種類のハイブリッド。

なぜMANETなのか？

現在、大多数の地上移動無線通信ネットワークは固定インフラストラクチャを備えており、通常は有線または無線リレーのさまざまなデータチャネルを使用して相互接続されています。 過去10年にわたって、固定インフラストラクチャを持たないモバイルパケット無線ネットワーク、つまり固定（アドホック）およびモバイル加入者（MANET）のネットワークの作成に多くの注意が払われてきました。



ノードは端末ユーザー端末であるだけでなく、他の加入者のパケットを中継し、それらへのルートの検索に参加するリレールーターでもあるため、このようなネットワークは自己組織化されます。したがって、これらのネットワークは自己組織化が可能です。 このようなネットワークは、数十、数百、数千ものノードで構成されます。 そのようなネットワークの範囲は非常に広いです。 したがって、MANETネットワークは、戦術レベルの軍事作戦の劇場、混雑した場所（会議参加者へのサービスなど）、および通信インフラストラクチャがない場所（「文明」から離れた地域への遠征など）での捜索および救助活動に役立ちます。 ） 多くの場合、これらのネットワークは大規模なモバイルネットワークの代替になる可能性があります。



階層構造と集中管理を備えたネットワークとは対照的に、インフラストラクチャのないピアツーピアネットワークは同じタイプのノードで構成されます。各ノードには、そのようなパスの存在下でソースから受信者へのデータ転送を直接整理し、それによってネットワークに負荷を分散できるソフトウェアおよびハードウェアツールのセットがあります合計ネットワーク帯域幅を増やします。 これらのノードが直接無線可視ゾーンの外にある場合でも、あるサブスクライバから別のサブスクライバへのデータ転送が発生する可能性があります。 これらの場合、これらのサブスクライバのデータパケットは、対応するサブスクライバと通信している他のネットワークノードによって中継されます。 複数のリレーを持つネットワークは、マルチホップまたはマルチホップ（マルチホップ）と呼ばれます。 このようなネットワークを開発する際の主な問題は、ソースノードからレシーバノードへのパケットルーティング、ネットワークスケーラビリティ、端末デバイスのアドレス指定、可変トポロジでの接続性の維持です。



したがって、このようなネットワークの実際的な利点は膨大です。 そのようなネットワーク内の無料通話から始まり、要素によって破壊されたエリアでのコミュニケーションの回復まで。

技術と標準について

ほとんどの科学研究および商業プロジェクト（ projects ）では、一般にWiFi、IEEE 802.15.4（ZigBee）、またはIEEE 802.15.1（Bluetooth）として知られるIEEE 802.11標準の使用が暗示されています。 これは、このトピックに関する提案された無線技術を実質的に使い果たします。 このアプローチの多様性について簡単に説明します。すでにすべてのスマートフォンにWiFiとBluetoothが搭載されているため、無線ネットワークの自己組織化のタスクにそれらを再利用するのは良くありません。 この場合、[3]のように美しい絵が描かれ、スクリプトでそれらを使用する利点が説明されます... MANET。



これは「犬が埋葬されている」場所です。 実際のところ、IEEE 802.15.4もIEEE 802.11もMANETなどのネットワーク用に開発されていません。 それらはメッシュネットワーク（上記の定義を参照）用に開発され、階層構造の原則を持っています。 同じZigBee標準は、ネットワーク上の3種類のデバイス（コーディネーター、ルーター（ルーター）、およびエンドデバイス）を意味します。 さて、あなたは何と言いますか？ しかし、実際には、テーブルの上に2台のZigBeeデバイス（ フロアランプとケトルなど）が置かれていても、ルーターを介してのみ互いに​​直接通信することはありません。 さらに、新しいデバイスは、最初に「OK」とコーディネーターからの他のパラメーターの束なしでネットワークに入ることはありません。 これにはすべて時間がかかり、その間ユーザーは単に待機します。 これは、VANETなどのトポロジが急速に変化するネットワークでは特に重要です。



同じことがBluetoothテクノロジーにも当てはまります。Bluetoothテクノロジーでは、タイムスロットを配布し、チャネルへのアクセスを制御するコーディネーターが常に1人います。 加入者は、ZigBeeと同様に、常にコーディネーターを介して通信します。 コーディネーターはスキャターネットを形成できますが、実際にはこれは機能しません（以下の理由を参照）。 Bluetooth 4.0は、Bluetooth Low Energyと呼ばれ、アプリケーションデータの長さが20バイト以下の「1時間に1回」のパケットを送信するように設計されています[4]。 そのため、高速サービスには物理的に適していません。

問題について

今、高速道路に沿って急いでいる車を想像してください。信号機と通過する車と情報を交換し、通常のWiFiネットワークに入るか、Bluetooth経由で新しいデバイスに接続するのにかかる時間と比較する必要があります。 比較しましたか？ さらに、接続は信頼性（配信確認付き）、安全（暗号化+認証）、高速（帯域幅が1 Mbps以上が望ましい）でなければなりません。



または、別の例はMANETです。 戦場にいる兵士が状況を刻々と変化させ、リアルタイムでコマンドに状況を報告し、命令を取得し、戦術マップをロードする必要があるなどを想像してください。 このような接続は、信頼性と安全性に加えて、トポロジの変更にも耐える必要があります。ルーティングは高速な収束、つまり 妥当な時間内に特定の品質のルートが見つかることを保証し、ループがないことを保証し、マルチキャストを提供します。 そして、そのような兵士が多い場合。 会社や大隊を言う？



これで、これらのネットワークがどのような問題に直面するか想像できます。



それで、上記のすべての要件に対して、IEEE 802.11規格のMANETやZigBeeまたはBluetoothのようなハイブリッドまたは完全に分散した無線ネットワークを作成することが不可能なのはなぜですか？ できます！ しかし、どのようなネットワークになるかを正直に説明しましょう。



1. MASレベル

パケット交換無線ネットワークの効果的な運用で最も重要なのは、データリンク層、より正確には、概念の複雑さとグローバルネットワークの影響のためのMACサブレイヤーです。 無線チャネルへの集合アクセスの不合理な編成は、OSI参照モデルの他のレベルの機能の品質に関係なく、ネットワーク上のパケット伝送速度を大幅に低下させたり、その動作を完全にブロックすることさえあります。



ZigBeeの場合のように、WiFiでは、キャリア制御と衝突回避を備えた多元接続プロトコル-CSMA / CAが使用されます。 彼は「一人は話す、残りは黙っている」と提案している。 同時に、隠れた加入者の問題を解決するためにRTS / CTS制御フレームが交換され、伝送媒体は伝送ステーション用に予約されます。 私はこれがどのように行われるのかという技術的な詳細に飽き飽きしません-このトピックに関する多くの情報をインターネットで見つけたい人。 CSMA / CA方式を使用して媒体をバックアップするには、線と協調制御の特定の要素の厳密な対称性が必要であり、これはMANETにとって不可能/望ましくないことです。



全体として、トポロジの変化と大量のトラフィックの高いダイナミクスにより、マルチアクセスプロトコルのパフォーマンスパラメータが低下します。





2.アドレス指定

怠laな人だけが、IPv4アドレス空間が使い果たされたことを知りません。

DHCPを上げてMANETネットワーク内でアドレスを配布することは、サーバーへのルートを見つけるのに時間がかかり、マルチホップパケットリレーで0.0.0.0のように初期アドレスをルーティングする方法だけが理由で、実行不可能なアイデアであることは明らかです。



IPv6は、将来のネットワークの基盤を形成するプロトコルであると一般に受け入れられています。 私たちはそれに同意します。 しかし、その後、ルーティング開発者による新しいプロトコルのユビキタスなサポートについて多少の戸惑いがあります。 RFC 3561、RFC 4728などの基本的なアドホックIETF文書でさえ、特定のIPv6サポートメカニズムを提供しません。 したがって、この問題は鉄のベンダーに任されており、それらのベンダーはできる限り問題を解決します。



自己組織化ネットワークのコンテキストでのWiFiのもう1つの不快な事実は、データリンクレベルでの必須のアドレス指定です。 それは些細なことのように思えますが、実践が示すように、この些細なことはネットワーク全体を置くことができます。 説明します。 IPv4ネットワークで作業する場合、ARPプロトコルを使用してチャネルフレームヘッダーが形成されます。ARPプロトコルは、定期的なポーリングにより、IPによって呼び出されたサブスクライバーのMACアドレスを決定します。 IPバージョン6には、ARPプロトコルはありません。 ICMPバージョン6に置き換えられ、MACアドレスをIPv6にバインドするための特別なメッセージ「Neighbor solicitation」-「Neighbor Advertisement」の交換が含まれます。 当然、従来のLANでは、これらの要求は1つのルーターを超えることはありません。 そこでは、すべてのユーザーが同じ共有バスに座っていることになっています。 無線ネットワークでは、ワイヤレスの性質により、すべての加入者は、特にMANETで共通のチャネルに物理的に「座って」、他のすべてを聞くことができません。 また、ARPまたはICMPv6ネットワークを要求で満たすと、サブスクライバー間の情報交換が増加し、その結果、実際の帯域幅が減少します。



ご覧のとおり、最初から、隣接するネットワークサブスクライバー間でチャネルフレームを交換する必要がありました。



3.ルーティング

ルーティングプロトコルをプロアクティブ（テーブル）、リアクティブ（プローブ）、およびそれらのハイブリッド（まだ波はありますが、それらについては別の時間に）に分割するのが一般的です。 メッシュネットワークの開発の夜明けに、彼らは標準のOSPFルーティングプロトコルを使用しようとしました。 もちろん、これは何も起こりませんでした。なぜなら、 それは完全に異なる動作条件のために開発されました。 その結果、自己組織化無線ネットワーク用の多数のルーティングプロトコルが提供されている、科学的であり非常に多くではない多くの作業が登場しました。 このトピックが興味深い人には、出版物セクションのサイトwww.ieee.orgをお勧めします。 しかし、問題は、実際に開発されたMANETネットワークルーティングプロトコルがC言語で物理的に実装されていないか、準静的なネットワーク操作条件下でネットワークリソースの最適な使用を達成することに焦点を当てていることです。 トポロジの変化が遅いか、まったく変化しない場合。 後者は、OLSR、DSDV、WRP、BATMAN、Babelなどのテーブル指向プロトコルに関連しています。



繰り返しになりますが、なぜこれほど詳細にすべてが必要なのでしょうか？ また、これらのプロトコルは、ネットワーク全体に関する情報がルーティングテーブルに一度に存在することを意味するため、必要です。 つまり、このサブスクライバーが必要かどうかに関係なく、既知のすべてのノードへのルートを常に構築します。 ネットワーク上で情報量の少ないトラフィックを生成するための2番目のニーズがありました。



などのプローブプロトコル AODV、DSR、SSR、TORAは、オンデマンドルーティングを提案していますが、完全に標準化されていません（上記のアドレス指定の問題を参照）。 さらに、非対称チャネルのため、ルーティングは、宛先から受信者へ、および反対方向の両方で複数のルートを構築するモードをサポートする必要があります。 そして、これはDSRとTORAプロトコルによってのみサポートされます。 したがって、開発者の自由な考えのための自由な分野がまだあります。 開発者は異なります...



4.輸送レベル

科学活動の性質上、彼はTCPの適応とMANETの新しいトランスポートプロトコルの実装に取り​​組む機会がありました。 このトピックについては、非常に長く退屈です。 したがって、私は私の経験から主な結論のみを提供します。 RFC 793およびRFC 5681の実装における標準TCPプロトコルは、マルチホップリレーおよびランダムアクセスではうまく機能しません。 ネットワークは過負荷または過負荷のいずれかです。これは、適切な帯域幅の不足によるものではなく、加入者間の接続のパラメータの大きな変動によるものです。遅延、ジッタ、パケット損失の割合。 特に実際の送信ルートの頻繁な変更。 さらに、そのようなネットワークの変更により適切に対応するために、TCPはネットワークとチャネルに低いレベルでアクセスできる必要があることが判明しました。 そして、クロスレイヤーの概念は、異なる賢い人々の記事にのみ存在し、誰も実際の実装に従事しませんでした。 ほとんど誰も。 それをどうしますか？ RnD以外の答えはありません。



さて、上記のすべてを考慮すると、「既製」の無線技術はすべての要件をすぐに満たし、上記の問題に対処できますか？ 答えは明らかです-なし。 結論：WiFi上のMANETのような実際の自己組織化ネットワークを作成できますが、控えめに言ってもあまりうまく機能しません。 まさに、Skype、TOR、トレント、その他多くの興味深いものが存在する有線インターネットのように、ワイヤレスp2pにこのようなブームが見られない理由です。



これは、1時間に1パケットを生成するセンサーネットワークではなく、たとえば音声送信など、動的に変化するトポロジを持つ高速分散無線ネットワークに関するものであることを強調します。

見通しについて

しかし、誇張しないでください。実際のMANETネットワークで何かが行われています。 特にhabrコミュニティのルールによって禁止されているため、広告にも関与しません。 チームは、リアクティブルーティングとプロトコルをサポートする完全に分散化されたモバイル無線ネットワークで、最大2 Mbps（アプリケーションでは約700 kbit / s）の速度でアクセスを整理できる、無線モジュールの形で組み込みシステム用のハードウェアソフトウェアソリューションを開発したと言うだけですIPv6。 現在、開発キットの開発が完了しています。これには、さまざまなセンサーやその他の情報ソースを接続できるインターフェイスカードを備えた3つの無線モジュール、デバッグボード、MANET-Ethernetゲートウェイ、ユーザーネットワーク管理および構成ソフトウェアが含まれます。 このソリューションに基づいて、USBを備えた安全なスマートフォンまたはモデムの形式でユーザー端末を実装することもできます。



この点で、ユーザーにとってどのサービスが最も興味深く有用であるかというトピックに関する小さな調査を実施したいと思います。



ご清聴ありがとうございました。フィードバックに感謝します。



[1] -www.russianelectronics.ru/leader-r/review/doc/59295

[2] -habrahabr.ru/company/infomania/blog/102814

[3] -habrahabr.ru/post/79360

[4] -e2e.ti.com/support/low_power_rf/f/538/t/71381.aspx