Автомобильные беспроводные сети (VANET)
ГЛАВА 26. Самоорганизующиеся сети SON
Одним из подходов классификации беспроводных сетей связи является деление на централизованные инфраструктуры и самоорганизующиеся. Отличительной особенностью самоорганизующихся сетей SON (self-organization) — это возможность в отсутствии централизованной инфраструктуры обмениваться данными любой паре находящихся в зоне радиопокрытия узлов сети. Узлы в SON могут быть одновременно конечными хостами и маршрутизаторами. Соединение организуется на длинные расстояния с помощью специализированных протоколов маршрутизации в промежуточных узлах-маршрутизаторах. Такое соединение называется «многоэтапным или многошаговым» (multihop) . Этапом является участие в этом соединении одного узла - маршрутизатора. В классе SON настоящей главы рассматриваются следующие сети:
· мобильные целевые Ad Hoc сети - Wireless Mobile Ad Hoc Network (MANET);
· беспроводные сенсорные сети - Wireless Sensor Network (WSN);
· беспроводные mesh-сетей Wireless Mesh Network (WMN). Эти сети называют также ячеистыми сетями.
· автомобильные беспроводные сети Vehicular Ad Hoc Network (VANET).
Узлы этих сетей обладают способностью сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо узла могут устанавливать новые маршруты для передачи сообщений. В главе 24 приводится краткое описание построения самоорганизующихся сетей: MANET, ячеистой сети стандарта 802.11s, ячеистой сети WiMAX (глава 25). В настоящей главе большое внимание уделяется информационной безопасности самоорганизующихся сетей в части анализа угроз (атак) DoS в результате намеренных действий злоумышленника по нарушению работы протоколов маршрутизации.
Функции самоорганизующихся сетей и область их использования
Структура мобильной сети Ad Hoc (MANET) приведена в главе 24. Сети MANET являются распределенной системой, состоящей из мобильных терминалов, снабженных приемо-передатчиками. Они могут организовывать временные сетевые технологии для передачи информации. В сети MANET мобильные устройства выполняют не только функции оконечных станций, но и функции сетевых узлов (роутеров). При этом часто используется не лицензионная полоса частот. Приведем некоторые области применения сетей MANET.
Согласно зарубежным работам [103 и др.] наиболее широко применение мобильных сетей Ad Hoc рассматривается для установления связи во время боевых действий. При этом рассматривается установление связи между солдатами, расположенными на земле, в наземном и воздушном транспорте. Большинство узлов связи движутся с различными скоростями. Сети связи с фиксированной инфраструктурой не могут обеспечить надежную связь при таких обстоятельствах высокого темпа и высокой степени непредсказуемости. У системного администратора мало времени для того, чтобы реагировать и реконфигурировать сети. Как правило, сети MANET не требуют администрирования. Временная сеть Ad Hoc может быть развернута, когда создание инфраструктуры невозможно или неэффективно. Например, такая сеть может использоваться, как временное решение на конференциях, а также в незаселенных местах, на которых очень сложно создать инфраструктуру. Небольшое время на развертку сети Ad Hoc делает их незаменимыми при спасательных операциях после катастроф или стихийных бедствий.
Сенсорные сети (WSN)
Сенсорная сеть WSN — это распределенная сеть необслуживаемых миниатюрных узлов, которые осуществляют сбор данных о параметрах внешней среды и передачу их на базовую станцию посредством ретрансляции от узла к узлу с помощью беспроводной связи. Узел сети, называемый сенсором, содержит датчик, воспринимающий данные от внешней среды (собственно сенсор), микроконтроллер, память, радиопередатчик, автономный источник питания и иногда исполнительные механизмы. Возможна также передача управляющих воздействий от узлов сети к внешней среде, Сенсорные сети строятся на основе протоколов IEEE 802.15.4, ZigBee и DigiMesh. С помощью радиосвязи, осуществляемой между узлами сети на основе стандарта ZigBee, создаются самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся сети. Для многих сенсорных сетей характерна мобильность не отдельно каждого узла (как это имеет место в MANET), а отдельной группы узлов. Основное требование к протоколам сенсорных сетей малое потребление энергоресурсов. В сенсорных сетях время их жизнедеятельности прямо зависит от решения вопросов энергопотребления узлов сети.
Сенсорные сети применяются в различных областях - от борьбы с терроризмом до охраны природы. Существует множество приложений, для которых разные производители выпускают разные узлы для создания сенсорных сетей. По области применения приложения сенсорных сетей можно разделить на категории [104]:
· погода, окружающая среда;
· телемедицина;
· чрезвычайные ситуации (пожары, катастрофы и др.);
· военные операции и др.
Ячеистые сети (WMN)
В главе 24 приводится архитектура ячеистой сети (mesh-сети), построенной на протоколе 802.11s, принадлежащем к группе протоколов стандарта 802.11. Как отмечалось выше, mesh-сети могут быть построены на базе протоколов других стандартов- 802.16 и LTE. На рис. 26.1 приведена общая архитектура mesh-сети [105]. Как видно из рисунка mesh-сеть состоит из беспроводной опорной сети (Wireless Mesh Backbone) и поключенных к ней сети Интернет, сети Wi-Fi, сотовых сетей связи, оконечных пользователей. Непрерывной линией обозначен проводный канал, а пунктирной — беспроводный канал.
Беспроводная опорная сеть (Wireless Mesh Backbone) включает следующие маршрутизаторы:
1. mesh-роутер без шлюза (Mesh Router).
2. mesh-роутер c шлюзом (Mesh Router with Gateway), взаимодействующий с Интернетом и остальными типами mesh-роутеров.
3. mesh-роутер c шлюзом и мостом (Mesh Router with Gateway/Bridge), взаимодействующим со всеми mesh-роутерами опорной сети, а также точкой доступа сети WiMAX, базовыми станциями сотовой сети связи и сети WiMAX. узлом сенсорной сети связи (Sink Node), непосредственно с абонентами по проводному или беспроводному каналу.
Рис. 26.1. Архитектура mesh-сети
В работе [105] приводится ещё одна архитектура mesh-сети, позволяющая абонентам дополнительно обеспечивать не только доступ в Интернет, но и связь между собой внутри опорной сети. Сравнивая c MANET и сенсорными сетями, ячеистые беспроводные сети выполняют функцию транзитной сети и отличаются по следующим четырем признакам:
· Роутеры в ячеистых сетях способны пропускать больше трафик и имеют меньше ограничений в плане энергозатрат.
· Сети маршутизаторов могут обеспечить передачу данных на более дальние расстояния.
· Сети маршрутизаторов могут быть использованы в качестве интегратора таких сетей, как Интернет, сотовые сети, беспроводные локальные сети.
· В ячеистых сетях любой роутер имеет, по крайней мере, два радиоканала: один для подключения клиентов, другой для связи с другими роутерами.
Почти любое применение мобильных Ad Hoc сетей, рассмотренное выше, может быть реализовано в беспроводных ячеистых сетях. Основным достоинством ячеистых сетей является способность передавать большие объемы данных на дальние расстояния и обеспечение широкополосного доступа.
Автомобильные беспроводные сети (VANET)
Cоздание автомобильных беспроводных самоорганизующихся сетей VANET предназначено для повышения эффективности и безопасности дорожного движения. В настоящее время при поддержке индустрии, государственных и академических институтов в мире выполняются несколько научно-исследовательских проектов, направленных на разработку и принятие стандартов таких автомобильных сетей. Основные цели использования VANET можно разделить на три группы [93]:
· помощь водителю (навигация, предотвращение столкновений и смена полос);
· информирование (об ограничении скорости или зоне ремонтных работ);
· предупреждение (послеаварийные, о препятствиях или состоянии дорог).