ПО для организации mesh-сетей

Преимущества

• Высокая надёжность: любой узел может заменить потерянный координатор или ретранслятор.
• Отличная масштабируемость: настройка новых узлов в системе производится автоматически, что позволяет создавать сети произвольного размера, и изменять этот размер в процессе использования.
• Способность «обходить» физические или искусственные «препятствия» в радиоэфире благодаря большому числу возможных сочетаний маршрутов.
• mesh-сеть может передавать информацию с использованием маломощного радиосигнала, что усложняет пеленг и перехват данных.
• Благодаря использованию беспроводной связи узлы сети становятся самодостаточными, т.е. для развёртывания сети не требуется дополнительной инфраструктуры (прокладки кабелей, установки оборудования и т. д.).
• Децентрализованная структура сети позволяет обеспечить большое покрытие без использования мощных дорогостоящих базовых станций.

Пример решения, в котором целесообразно использование mesh, — система контроля показателей, содержащая большое количество датчиков, удаленных друг от друга в пространстве. Если при использовании централизованной топологии, типа «звезда» и производных от неё, потеря одним из датчиков сетевого соединения с центральным узлом означает потерю пакетов данных от этого датчика, то при использовании ячеистой топологии пакеты данных могут быть переданы через другие датчики, узлы mesh-сети. Использование сети ячеистой топологии значительно повышает надежность системы связи между датчиками и узлом, контролирующим или агрегирующим данные.

Решения

АстроСофт создал и продолжает совершенствовать программный комплекс для быстрой интеграции технологии mesh в конечные продукты, использующие радиоприём и передачу. Интеграция технологий mesh позволит обеспечить более высокий уровень надежности и масштабируемости конечных решений, повысить их конкурентные преимущества.

• Программный комплекс для организации mesh-сетей (алгоритмы разделения доступа к эфиру (арбитража) и маршрутизации).
• Программно-аппаратный демонстрационно-отладочный стенд mesh-сети.
• Имитационная модель.

Планы и развитие

• Реализация и испытания альтернативных алгоритмов маршрутизации и разделения доступа к эфиру с целью повышения эффективности работы mesh-сети.
• Использование для передачи данных других моделей приёмопередатчиков, в частности, созданных на основе технологии SDR.
• Добавление возможности использовать аппаратные особенности приёмопередатчика, например, распознавание полезного сигнала в эфире, использование нескольких каналов одновременно и т. д.

Программный комплекс для организации mesh-сетей — набор программных библиотек, реализующих 3 нижних уровня модели OSI (физический, канальный и сетевой). В текущей реализации программный комплекс функционирует под управлением ОСРВ МАКС, но по требованию заказчика может быть портирован в другую программную среду.

Архитектура базируется на использовании приёмопередатчиков беспроводной связи с возможностью одноранговой пакетной коммуникации. Для разделения доступа станций к эфиру в текущей реализации используется классический алгоритм арбитража – DCF (Distributed coordination function). Также реализован усовершенствованный алгоритм арбитража, позволяющий координировать устройства в смежных подсетях. Маршрутизация может осуществляться как по запросу (аналог алгоритма Path Selection из стандарта 802.11s), так и проактивно, за счёт анализа трафика и рассылки периодических служебных сообщений.

В настоящее время идёт исследование эффективности алгоритмов, на основе результатов которого будет проводится их оптимизация. Также продолжается изучение альтернативных методов арбитража и маршрутизации.

Программно-аппаратный демонстрационно-отладочный стенд mesh-cети — набор из 10 автономных устройств, выступающих в роли узлов mesh-сети. ПО устройств — приложение, работающее под управлением ОСРВ МАКС и реализующее несколько сценариев обмена данными между узлами. В качестве основного модуля радиосвязи в текущей реализации аппаратной части устройств используется приёмопередатчик nRF24L01+ (2.4ГГц, GFSK) со скоростью передачи данных до 2Мбит/с. Помимо него, конструкция устройств включает микроконтроллер (STM32F429 на ядре ARM Cortex-M4), цветной сенсорный дисплей для пользовательского интерфейса, аккумуляторную батарею и отсоединяемый модуль связи Wi-Fi.

В конфигурации для тестирования и отладки каждое устройство снабжено дополнительным Wi-Fi-модулем, с помощью которого оно устанавливает соединение с панелью управления (обычный ПК). Между собой устройства поддерживают связь через основной радиомодуль. Дополнительный канал связи (Wi-Fi) используется для удалённого управления узлами сети и сбора данных о их состоянии из панели управления без вмешательства в работу mesh-сети. В панели управления реализуется сбор статистики (количество переданных, принятых и потерянных пакетов, время передачи пакета) по передаче данных в сети для последующего анализа и получения характеристик её работы (скорость передачи между узлами, латентность ретрансляции пакетов, время поиска пути), а также предусмотрена возможность использования командных сценариев для автоматизации процесса тестирования.

В демонстрационной конфигурации устройства работают без дополнительного канала связи (Wi-Fi), что позволяет наблюдать естественное функционирование mesh-сети. Управление узлами производится непосредственно через интерфейс устройств. Там же отображаются сведения о состоянии узла, известной узлу структуре сети, а также статистика передачи данных.

Для прогнозирования работы mesh-сети с заданными параметрами в АстроСофт разработано технологическое ПО, которое позволяет имитировать mesh-сеть с задаваемыми количеством узлов (устройств) и параметрами каждого узла. Использованные алгоритмы имитации позволяют с высокой точностью прогнозировать показатели передачи данных, что, в свою очередь, дает возможность разработать оптимальную конфигурацию Mesh-сети.

Имитационная модель предназначена для различного рода вычислительных экспериментов в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и помогает решать целый ряд задач:

• Отладка ПО конечных устройств.
  В составе модели выполняется оригинальное прикладное ПО (с точностью до аппаратно-зависимых функций), которое может разрабатываться и отлаживаться ещё до появления действующего образца конечного устройства.
  
  
• Имитация трудновоспроизводимых ситуаций.
  В случае работы сети из множества устройств большую сложность может представлять воспроизведение определённых ситуаций на реальном оборудовании. Модель позволяет проверить работу устройств при любых задаваемых условиях.
  
  
• Поиск опасных состояний сети.
  Сложность реализуемых алгоритмов приводит к возникновению различного рода неустойчивых состояний, при которых может происходить значительное снижение эффективности работы сети. Имитационная модель позволяет превентивно выявлять такие состояния, определять условия их возникновения и разрабатывать способы их предотвращения.
  
  
• Получение характеристик работы сети в различных конфигурациях.
  Исследование конфигураций сети на реальном оборудовании ограничивается количеством устройств в тестовом стенде. В модели может быть сымитирована работа сети со значительно большим количеством устройств. При этом адекватность поведения модели проверяется на доступных в тестовом стенде конфигурациях.