Самоорганизующиеся (ad hoc) сети. Что это и зачем это нужно? Беспроводные самоорганизующиеся сети Средства связи мобильных самоорганизующиеся сети тактического назначения

Беспроводные самоорганизующиеся сети (другие названия: беспроводные ad hoc сети, беспроводные динамические сети) -- децентрализованные беспроводные сети, не имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются на лету, образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети. Это является отличием от проводных сетей и управляемых беспроводных сетей, в которых задачу управления потоками данных выполняют маршрутизаторы (в проводных сетях) или точки доступа (в управляемых беспроводных сетях).

Первыми беспроводными самоорганизующимися сетями были сети «packet radio» начиная с 1970-ых годов, финансируемые DARPA после проекта ALOHAnet.

Применение: Минимальное конфигурирование и быстрое развёртывание позволяет применять самоорганизующиеся сети в чрезвычайных ситуациях таких как природные катастрофы и военные конфликты.

В зависимости от применения беспроводные самоорганизующиеся сети могут быть разделены на:

мобильные самоорганизующиеся сети

беспроводные ячеистые сети

беспроводные сенсорные сети

Основные принципы беспроводных Ad-hoc сетей :

• - Беспроводные сети делятся на две категории -- сети типа Infrastructure (инфраструктурные) и сети типа ad-hoc (специализированные). Для объединения нескольких компьютеров в инфраструктурную сеть используются маршрутизаторы или групповые пункты доступа. В сети ad-hoc не используются маршрутизаторы и групповые пункты доступа. Она состоит из компьютеров, которые осуществляют обмен данными непосредственно друг с другом.
• - Ad-hoc сети - это множество беспроводных мобильных узлов связи (станций, пользователей), образующих динамическую автономную сеть при помощи полностью мобильной инфраструктуры. Узлы общаются друг с другом без вмешательства централизованных точек доступа или базовых станций, поэтому каждый узел действует и как маршрутизатор, и как конечный пользователь.
• - Примером может служить соединение нескольких компьютеров беспроводным способом без точки доступа. Нередко такой способ соединения используется на выставках, в конференц-залах.
• - В Интернете маршрутизаторами в пределах центральных областей сети владеют хорошо известные операторы, и поэтому предполагается некоторая степень доверия к ним. Но это предположение больше не справедливо для Ad-hoc сетей, т.к. ожидается, что все узлы, входящие в сеть, принимают участие в маршрутизации.

Режим IBSS : - Режим IBSS, также называемый ad-hoc, предназначен для соединений точка-точка. На самом деле существуют два типа режима ad-hoc. Один из них является режимом IBSS, называемый также режимом ad-hoc или IEEE ad-hoc. Этот режим определён стандартами IEEE 802.11. Второй режим называется демонстрационным режимом ad-hoc, или Lucent ad-hoc (или, иногда неправильно, режимом ad-hoc). Это старый, существовавший до появления 802.11, режим ad-hoc, и он должен использоваться только для старых сетей.

Шифрование: - Шифрование в беспроводной сети имеет важное значение, потому что у вас нет больше возможности ограничить сеть хорошо защищённой областью. Данные вашей беспроводной сети вещаются по всей окрестности, так что любой заинтересовавшийся может их считать. Вот здесь используется шифрование. Шифруя данные, посылаемые в эфир, вы делаете их прямой перехват гораздо более сложным для всех любопытных.

• - Двумя наиболее широко применяемыми способами шифрования данных между вашим клиентом и точкой доступа являются WEP и ip-sec:
• - WEP. WEP является сокращением от Wired Equivalency Protocol (Протокол Соответствия Проводной сети). WEP является попыткой сделать беспроводные сети такими же надёжными и безопасными, как проводные.
• - IP-sec. ip-sec является гораздо более надёжным и мощным средством шифрования данных в сети. Этот метод определённо является предпочтительным для шифрования данных в беспроводной сети.

Утилиты: - Имеется несколько утилит, которые можно использовать для настройки и отладки беспроводной сети:

Пакет bsd-airtools

• - Пакет bsd-airtools представляет собой полный набор инструментов, включая инструменты для проверки беспроводной сети на предмет взлома WEP-ключа, обнаружения точки и т.д.
• - Утилиты bsd-airtools можно установить из порта net/bsd-airtools.

Утилиты wicontrol, ancontrol и raycontrol

Это инструменты, которые могут быть использованы для управления поведением адаптера беспроводной связи в сети. Wicontrol выбирается, тогда когда адаптером беспроводной сети является интерфейс wi0. Если установлено устройство беспроводного доступа от Cisco, этим интерфейсом будет an0, и тогда будет использоваться ancontrol

Поддерживаемые адаптеры: Точки доступа

Единственными адаптерами, которые на данный момент поддерживаются в режиме BSS (как точка доступа), являются те устройства, что сделаны на основе набора микросхем Prism 2, 2.5 или 3).

Клиенты 802.11a и 802.11g

• - К сожалению, все еще много производителей, не предоставляющих схематику своих драйверов сообществу open source, поскольку эта информация считается торговым секретом. Следовательно, у разработчиков операционных систем остается два варианта: разработать драйверы долгим и сложным методом обратного инжиниринга, или использовать существующие драйверы для платформ Microsoft® Windows.
• - Благодаря усилиям Билла Пола (wpaul),существует »прозрачная» поддержка Network Driver Interface Specification (NDIS). FreeBSD NDISulator (известный также как Project Evil) преобразует бинарный драйвер Windows так, что он работает так же как и в Windows. Эта возможность всё ещё относительно нова, но в большинстве тестов она работает адекватно.

Базовая инфраструктура современного Интернета, как известно, управляется и поддерживается десятком организаций, часть из которых подконтрольны правительству США. Далеко не всем по нраву такое положение вещей, и потому уже в течение нескольких лет IT-специалисты обсуждают альтернативные способы организации глобальных информационных сетей.

Существует две основных угрозы для безопасного информационного обмена в электронных сетях: это несанкционированный доступ к приватных данным и вмешательство в работу оборудования и устройств с целью нарушить их активность и даже вывести их из строя.

Возможный ответ на эти угрозы заключается в распространении нового типа телекоммуникаций - независимых, децентрализованных сетей, каждое устройство в которых является полноправным участником и несет свою долю ответственности за функционирование сети. Такой тип информационных сетей называется AHN (ad hoc network).

Главная проблема, которая раньше препятствовала развертыванию подобных сетей в глобальном масштабе, происходила из низкой производительности устройств и «узких» каналов связи: маршрутизация и передача необходимой для работы ad hoc-сети данных отнимает системные ресурсы и предъявляет высокие требования к пропускной способности канала, связывающего устройства между собой. Сегодня множество устройств лишены этих недостатков, а значит в ближайшие годы следует ожидать появления экспериментальных ad hoс-сетей, состоящих из тысяч устройств.

А через пару десятилетий беспроводные, или мобильные ad hoc-сети (MANETs, Mobile ad hoc networks) вполне могут стать необходимым условием для безопасной работы будущих транспортных систем, которым предстоит объединить огромное число роботизированных автомобилей, самолетов и поездов. Каждое транспортное средство в такой системе будет получать навигационную и другую информацию напрямую от своих соседей: так можно обеспечить надежность и непрерывность связи для автономного транспорта.

Если в случае «традиционной» беспроводной сети мы должны разворачивать зачастую дорогостоящую инфраструктуру базовых станций, то в случае самоорганизующихся сетей достаточно одной или нескольких точек доступа.

Суть самоорганизующихся сетей — предоставление абоненту возможности доступа к различным сетевым услугам посредством передачи и приема «своего» трафика через соседних абонентов.

Самоорганизующиеся сети связи — сети с изменяемой децентрализованной инфраструктурой. В общем случае данные сети имеют такие преимущества, как широкое покрытие и теоретически широкая абонентская база без большого количества дорогостоящих базовых станций и увеличения мощности излучаемого сигнала.

Если говорить простыми словами, структура простейшей самоорганизующейся сети представляет из себя большое количество абонентов на некоторой площади, которую упрощенно можно назвать площадью покрытия сети, и одну или несколько точек доступа к внешним сетям. Каждое из абонентских устройств, в зависимости от его мощности, обладает своим радиусом действия. Если абонент, находясь «на периферии» посылает пакет абоненту, находящемуся в центре сети или на точку доступа, происходит так называемый многоскачковый процесс передачи пакета через узлы, находящиеся на пути заранее проложенного маршрута. Таким образом можно сказать, что каждый новый абонент за счет своих ресурсов увеличивает радиус действия сети. Следовательно, мощность каждого отдельного устройства может быть минимальной. А это предполагает как меньшие стоимости абонентских устройств, так и лучшие показатели безопасности и электромагнитной совместимости.

На данный момент широким фронтом идут исследования и применения самоорганизующихся сетей в следующих сферах:

Военная связь;

Интеллектуальные транспортные системы;

Локальные сети;

Сенсорные сети;

Обо всех этих направлениях — в следующих статьях.

В настоящее время существует несколько «базовых» технологий для самоорганизующихся сетей:

1. Bluetooth

Самоорганизующиеся на основе Bluetooth состоят из ведущих и ведомых устройств (эти роли могут совмещаться), способных передавать данные как в синхронном, так и в асинхронном режимах. Синхронный режим передачи предполагает прямую связь между ведущим и ведомым устройствами с закрепленным каналом и временными слотами доступа. Данный режим используется в случае ограниченных по времени передач. Асинхронный режим предполагает обмен данными между ведущим и несколькими ведомыми устройствами с использованием пакетной передачи данных. Используется для организации пикосетей. Одно устройство (как ведущее, так и ведомое) может поддерживать до 3-х синхронных соединений.

В синхронном режиме максимальная скорость передачи данных равна 64 кбит/с. Максимальная скорость передачи в асинхронном режиме составляем 720 кбит/с.

Достоинства сетей на базе Bluetooth:

возможность быстрого развертывания;

сравнительно малое энергопотребление абонентских устройств;

широкий спектр поддерживающих эту технологию устройств.

Недостатки сети:

небольшой радиус действия (радиус действия одного абонентского устройства составляет 0.1 — 100 м);

малые скорости передачи данных (для сравнения: в сетях WiFi этот показатель составляет 11 — 108 Мбит/с);

нехватка частотного ресурса.

Возможно, последняя проблема будет решена с выходом устройств Bluetooth 3.0, где предполагается возможность использовать альтернативные протоколы уровней MAC и физического с целью ускоренной передачи данных профилей Bluetooth (AMP). В частности могут быть использованы протоколы стандарта 802.11.

Исходя из вышеприведенного, можно заключить, что сети на основе Bluetooth применимы лишь в местах большого скопления людей (например, в центрах городов, небольших офисах, магазинах). Например подобная сеть может служить для организации видеонаблюдения на небольшом объекте.

Сети стандарта 802.11 изначально были задуманы как способ замены проводных сетей. Однако, относительно высокие скорости передачи (до 108 Мбит/с) делают перспективным возможное применение в тех самоорганизующихся сетях, в которых необходимо передавать большие объемы информации в реальном времени (например, видеосигнала).

2007 году впервые была выпущена черновая версия стандарта 802.11s, определяющего основные характеристики самоорганизующихся сетей на основе WiFi.

В отличии от традиционных сетей WiFi, в которых существует только два типа устройств - «точка доступа» и «терминал», стандарт 802.11s предполагает наличие так называемых «узлов сети» и «порталов сети». Узлы могут взаимодействовать друг с другом и поддерживать различные службы. Узлы могут быть совмещены с точками доступа, порталы же служат для соединения с внешними сетями.

На основе уже существующих стандартов 802.11 можно строить MANET-сети (мобильные самоорганизующиеся сети), отличительной чертой которых можно назвать большую зону покрытия (несколько квадратных километров).

Проблемы, требующие особого внимания при дальнейшем развитии самоорганизующихся сетей на базе WiFi можно разделить на следующие классы:

Проблемы пропускной способности;

Проблемы масштабируемости сетей.

3. ZigBee

Стандарт 802.15.4 (ZigBee) описывает низкоскоростные сети связи малого радиуса действия с маломощными передающими устройствами. Предусмотрено использование трех диапазонов частот: 868-868.6 МГц, 902-928 МГц, 2.4-2.4835 ГГц.

В качестве метода доступа к каналу используется DSSS с различными длинами последовательности для диапазонов 868/915 и 2450 МГц .

Скорости передачи данных варьируются от 20 до 250 кбит/с.

Согласно стандарту сеть ZigBee поддерживает работу с топологиями типа «звезда» и «каждый с каждым».

Существуют два варианта приемопередающих устройств: полнофункциональные (FFD) и неполнофункциональные (RFD). Коренное отличие этих устройств состоит в том, что FFD могут устанавливать прямую связь с любыми устройствами, а RFD — только с FFD.

Сеть ZigBee может состоять из нескольких кластеров, образованных устройствами FFD.

Сети стандарта ZigBee могут работать в режиме mesh. При этом предполагается, что каждый узел сети (узел сети образует устройство FFD, RFD работают в качестве т.н. сенсоров) постоянно следит за состоянием соседних узлов, обновляя при необходимости свои маршрутные таблицы.

В отличии от всех предыдущих вариантов сетей ad hoc, ZigBee рассчитана на низкие скорости передачи данных и проблемы возможности увеличения таковых не существует.

Беспроводные самоорганизующиеся сети (другие названия: беспроводные ad hoc сети , беспроводные динамические сети ) - децентрализованные беспроводные сети , не имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются на лету, образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети. Это является отличием от проводных сетей и управляемых беспроводных сетей, в которых задачу управления потоками данных выполняют маршрутизаторы (в проводных сетях) или точки доступа (в управляемых беспроводных сетях).

Первыми беспроводными самоорганизующимися сетями были сети «packet radio » начиная с 1970-ых годов, финансируемые DARPA после проекта ALOHAnet.

Применение

Минимальное конфигурирование и быстрое развёртывание позволяет применять самоорганизующиеся сети в чрезвычайных ситуациях таких как природные катастрофы и военные конфликты.

В зависимости от применения беспроводные самоорганизующиеся сети могут быть разделены на:

• мобильные самоорганизующиеся сети
• беспроводные ячеистые сети

Безопасность в беспроводных самоорганизующихся сетях

Из-за динамически меняющейся топологии сети и отсутствия централизованного управления, данный вид сетей уязвим для ряда атак. Поэтому аспект безопасности является очень важным в таких сетях.

Технологии, используемые при построении беспроводных самоорганизующихся сетей

• Bluetooth (IEEE 802.15)
• WiFi (IEEE 802.11)
• ZigBee (IEEE 802.15.4)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Беспроводные самоорганизующиеся сети" в других словарях:

Эту страницу предлагается переименовать в Беспроводная самоорганизующаяся сеть. Пояснение причин и обсуждение на странице Википедия:К переименованию/1 декабря 2012. Возможно, её текущее название не соответствует нормам современного… … Википедия

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставить интервики в рамках проекта Интервики. Безопасность в беспроводных самоорга … Википедия

JTRS перспективная военная радиосистема связи американской армии. Программа JTRS (Joint Tactical Radio System) появилась в середине 90х. Изначально система была предназначена для замены 25 30 разных типов военных радиосистем (многие из которых не … Википедия

- (англ. Mobile Ad hoc Network) беспроводные децентрализованные самоорганизующиеся сети, состоящие из мобильных устройств. Каждое такое устройство может независимо передвигаться в любых направлениях, и, как следствие, часто разрывать и… … Википедия

В век коммуникационных устройств, социальных сетей и прочих сервисов сообщение на расстоянии и мгновенный обмен информацией кажутся чем-то само собой разумеющимися. Однако возможность оставаться на связи именно в те моменты, когда коммуникационная инфраструктура оказывается нарушенной, приобретает особое значение. Например, на Гаити после недавнего катастрофического землетрясения главным средством связи оказались спутниковые телефоны, предоставленные службами помощи. Но парализовать инфраструктуру сотовой связи могут не только масштабные природные катаклизмы — даже банальное отключение электропитания способны превратить наши мобильные устройства в бесполезные игрушки.
В подобных случаях все более привлекательным вариантом становится создание беспроводной самоорганизующейся (или динамической, или ad hoc) сети. Такая структура формирует сама себя всякий раз, когда специально запрограммированные мобильные телефоны или иные устройства связи оказываются в пределах прямого доступа. Каждое из них выполняет в динамической сети функции и передатчика, и приемника, а также, что очень важно, служит ретрансляционным пунктом для всех ближайших приспособлений. Устройства, расстояние между которыми превышает дальность прямой связи, могут поддерживать связь между собой, если им готовы помочь другие приспособления, находящиеся между ними, передавая сообщения по цепочке, как ведра при пожаре. Иными словами, каждый узел в сети служит и коммуникатором для собственных сообщений, и элементом инфраструктуры для сообщений других узлов.
Помощь при бедствиях — лишь одна из возможных функций самоорганизующихся сетей. Они будут полезны везде, где создание стационарной базы будет слишком долгим, трудным или дорогим. Военные вложили большие деньги в разработку самоорганизующихся систем для применения на поле боя. Динамические сети в вашем доме позволят бытовым приборам находить друг друга и устанавливать связи между собой, избавив от необходимости протягивать провода в спальню или кабинет. Удаленные поселения и малообеспеченные соседи могли бы через беспроводные ad hoc сети получить широкополосный доступ в Интернет. Ученые, исследующие экологические микросреды на верхушках деревьев или гидротермальные источники на дне океана, смогли бы размещать датчики в исследуемых точках, не заботясь о том, будут ли они «слышать» друг друга, или о том, как информация попадет в их компьютер.
Разработка таких сетей ведется уже больше трех десятилетий, но лишь в последние годы успехи теории сетей привели к созданию первых рабочих крупномасштабных систем. В Сан-Франциско новая компания Meraki Network подключила 400 тыс. жителей города к Интернету через свою систему Free the Net, созданную на основе технологии беспроводных самоорганизующихся сетей. Компоненты Bluetooth в сотовых телефонах, компьютерные игровые системы и ноутбуки обеспечивают связь между собой без проводных соединений или специального конфигурирования при помощи технологий динамических сетей. Самоорганизующиеся сети развернуты в ряде удаленных или неблагоприятных мест для сбора информации от маломощных беспроводных датчиков. Для того чтобы подобные сети получили широкое распространение, требуется еще ряд технических прорывов, но на нескольких направлениях успехи уже достигнуты.

Сотовая сеть
Беспроводные самоорганизующиеся сети пока еще редко встречаются. Чтобы понять причину их медленного внедрения, полезно рассмотреть различия между такими новыми технологиями, как сотовые телефоны и Wi-Fi. Когда вы звоните другу по мобильнику, в беспроводной связи задействован только каждый из соединяемых телефонов и ближайшая к нему вышка сотовой связи (базовая станция). Вышки неподвижны и связаны между собой обширной сетью проводов и кабелей. В беспроводных локальных сетях, в частности Wi-Fi, также используются неподвижные антенны и проводные соединения.
Такой подход имеет как достоинства, так и недостатки. Для передачи информации необходима энергия, и в классических беспроводных сетях она запасается в аккумуляторах мобильных устройств (например, телефонов и ноутбуков), а максимально возможная часть коммуникационной нагрузки возлагается на стационарную инфраструктуру, питаемую от электросети. Ширина беспроводной полосы — также фиксированный и ограниченный ресурс. В традиционных беспроводных сетях ширина полосы экономится за счет передачи большей части информации по проводным каналам. Использование стационарной инфраструктуры позволяет создавать большие и наиболее надежные телефонные и WiFi-коммуникационные ресурсы в областях, где потребность в них наиболее велика.
Однако использование фиксированной инфраструктуры делает эти сети уязвимыми: их работа нарушается в случае отключения электропитания и других сбоев даже при исправности отдельных телефонов и других мобильных устройств в зоне действия сети. Надежность динамических сетей намного выше. Если один мобильный прибор отключается, остальные видоизменяют сеть таким образом, чтобы в возможно большей степени компенсировать выбывший элемент. С подключением и отключением устройств сеть подстраивается и «вылечивается» сама.
Но такая перенастройка не дается даром. Сеть должна передавать информацию таким образом, чтобы сообщение могло быть реконструировано даже в том случае, если в ходе передачи послания какие-то звенья цепи связи между отправителем и адресатом прекратят работу. Система должна определять оптимальный путь доставки сообщения адресату даже при условии, что отправляющее устройство не имеет возможности определить местонахождение адресата. Кроме того, сеть должна справляться с неизбежными шумами от множества устройств, одновременно передающих сообщения.

Выше мы рассмотрели основные архитектуры нейронных сетей и принципы их создания, обучения и функционирования. Основная часть теоретических достижений в этой области связана именно с такими архитектурами. Однако существует еще два малоисследованных, но перспективных направления – это алгоритмы обучения, не требующие предоставления обучающих образцов (самообучение) и сети с обратными связями, позволяющие выделять не только пространственные, но и временные характеристики входных сигналов.

Самоорганизующиеся сети являются одним из наиболее интересных направлений в области. Такие сети способны выделять корреляции во входных данных и приводить свое состояние в соответствие с ними. Самоорганизующиеся сети способны выделять близкие входные образы так, что они вызывают возбуждение близких нейронов выходного слоя.

Демонстрационный пример «Competitive learning» показывает реализацию классификатора с использованием самоорганизующихся сетей.

Рисунок 31. Использование самоорганизующихся сетей для классификации

(Competitive learning)

Рисунок 32. Самоорганизующйся слой

Обучение сети происходит так, что при подаче на вход сети нового вектора, значительно отличающегося от существующих классов, в сети создается новый класс. Если же вектор близок к одному из существующих классов, то веса изменяются для приведения его в соответствие с новыми данными. Понятно, что для такого рода сети число классов, которые она способна выделять равно числу нейронов соревнующегося слоя. Создание сети осуществляется с помощью функции newc:

net = newc(, 2);

где первый аргумент – диапазоны значений входных сигналов, а второй – число нейронов в слое.

Обучается сеть с помощью правила обучения Кохонена (learnk):

где i –индекс выигравшего нейрона (обучению подвергается i-й ряд весовой матрицы)

Одно из ограничений самообучающихся сетей – это то, что не все нейроны могут быть задействованы в распознавании. Если изначально веса нейрона далеки от входных векторов, то такой нейрон никогда не выиграет в соревновании, и, соответственно, не будет подвергаться обучению. Чтобы обойти это ограничение, используются смещения. Положительное смещение, прибавленное к отрицательному расстоянию, делает вероятность выигрыша для нейрона выше. Таким образом, при обучении, смещения наиболее успешных нейронов уменьшаются, а менее успешных – увеличиваются, что приводит к равномерному распределению распознаваемых сигналов по нейронам. Такого рода обучение осуществляется с помощью функции learncon.

Другой тип самообучающихся сетей, имеющих некоторые преимущества перед рассмотренными – это так называемые самообучающиеся карты. Архитектура этих сетей приведена на следующем рисунке:

Рисунок 33. Самоорганизующаяся карта

В них обучение производится не только над самим нейроном, выигравшем соревнование, но и над его ближайшими соседями, что приводит к тому, что близко расположенные в сети нейроны учатся распознавать близкие образы, т.е. сеть запоминает топологию сигналов. Правило обучения для таких сетей приведено ниже:

Самоорганизующиеся карты могут иметь различную топологию (прямоугольные ячейки, шестиугольные ячейки, случайное расположение весов) и по-разному определять расстояние между нейронами.