Анализ гидроакустических сетей

Подтверждения могут быть обработаны двумя возможными способами. В первом подходе, который называется “положительное подтверждение”, в случае приема пакета, не содержащего ошибок, узел адресата пошлет квитанцию исходному узлу. Если источник не получает квитанцию исходному узлу. Если источник не получает квитанцию за заданный промежуток времени, то он повторно передаст этот пакет данных. В случае отрицательного подтверждения, адресат посылает квитанцию, если получает поврежденный пакет или не получает его вообще. Отрицательное подтверждение может помогать сохранять энергию, устраняя потребность посылать квитанции каждый раз и повторно высылать пакеты данных в случае потери квитанции. Когда объединяют MACA протокол и отрицательную схему подтверждения, обеспечивается высокая надежность связи между узлами источника и получателя в процессе обмена RTS-CTS.

2.8 Пример разработки: сеть SeaWeb

Примером реализации подводной акустической сети служит Telesonar - программа американского флота и SeaWeb.

Telesonar соединяет распределенные подводные узлы, объединяет их в один ресурс, обрабатывает информацию и передает ее в подводное боевое пространство. SeaWeb обеспечивает передачу команд, управление, связь и навигационную инфраструктуру для координирования автономных узлов с целью выполнения поставленных задач в любой точке подводной среды. Организация сети SeaWeb подходит для океанографической телеметрии, подводного управления транспортными средствами и других целей.

Telesonar и SeaWeb экспериментально исследует многие аспекты проблем распространения, передачи сигналов, преобразования, организации сети и защиты передачи. Были проведены испытания SeaWeb 98, 99 и 2000.

2.9 Цели эксперимента и подход

Telesonar формирует цифровую сеть с использованием стационарных и подвижных узлов. Соединения telesonar-а должны быть ситуационно адаптивными в условиях двунаправленной асимметрии. SeaWeb опирается на сеть, состоящую из автономных стационарных узлов (например, датчиков, повторителей, управляющих узлов). Управляющие узлы собирают данные с узлов датчиков и отправляют на шлюзы и наоборот. Внешние устройства SeaWeb включают подвижные станции. Шлюзы SeaWeb соединяются с погруженными командными центрами и могут быть расположены на плаву, на берегу, на поверхности, организуя доступ к наземным, бортовым и другим внешним сетям. Точно так же субмарины могут обращаться к внешним системам и осуществлять передачу сигналов в систему telesonar. Сервер SeaWeb постоянно находится в командных центрах и обеспечивает интерфейс к подводной сети.

Развитие SeaWeb осуществляется за счет накопления опыта в длительных океанских экспериментах. Ежегодные эксперименты в системе SeaWeb необходимы, чтобы развивать критические области технологии, чтобы улучшить функциональные возможности и качество службы. Цель экспериментов SeaWeb состоит в том, чтобы проверять telesonar соединения, работу в сети, ее конфигурациях, использование различных видов и алгоритмов организации сети.

В долгосрочной перспективе, цель состоит в том, чтобы обеспечить сеть возможностью самостоятельно конфигурироваться с соединениями между узлами, адаптирующимися в изменяющейся среде посредством автоматического выбора оптимума параметров передачи.

Область развертывания сетей SeaWeb 98, 99 и 2000 -это воды залива Buzzards, штата Массачусетс.

Развитие системы SeaWeb требует обратить внимание на основные проблемы, возникающие в канале передачи, асинхронной организации сети, эффективности и стоимости. Знание фундаментальных ограничений технологии telesonar приводит к разработке все более и более сложных модемов. Система SeaWeb использует MACA протокол установления связи, замечательно подходящий для радио полудуплексной организации сети. Процесс процедуры установления связи позволяет осуществлять адресацию, определять расположение абонента, оценивать канал, управлять мощностью передачи.

2.10 Инициализация и маршрутизация

Алгоритм инициализации в рассматриваемой сети необходим, чтобы установить предварительные подключения. Этот алгоритм основан на опросе, он гарантирует обеспечение связи со всеми узлами, акустически достижимыми, по крайней мере, одним из близких к нему узлов. В течение инициализации узлы создают таблицы соседей. Эти таблицы содержат список соседей каждого узла и качественной меры их соединения, которая может быть получена путем передачи тестового пакета от соответствующего соседа. Эти таблицы собираются главным узлом, и в нем производится формирование дерева маршрутизации.

Оптимальные маршруты определяются с помощью протокола маршрутизации на основе алгоритма. Протокол маршрутизации пробует максимизировать срок службы питающейся от батареи сети, путем минимизации полного потребления энергии сетью. Минимальная энергия, требуемая чтобы установить надежную связь между двумя узлами, используемая как метрическое расстояние между узлом-отправителем и узлом-получателем. Главный узел собирает информацию от сетевых узлов, определяет оптимальные маршруты и посылает информацию маршрутизации узлам.

Эффективность акустических соединений между узлами может ухудшаться и даже пропадать, по причине отказа узла. В таких случаях, сеть должна самостоятельно адаптировать себя к изменяющимся условиям без прерывания передачи пакета. Эта ошибкоустойчивость может быть получена путем постоянного обновления маршрутов.

В текущей разработке, главный узел создает дерево маршрутизации в зависимости от таблиц соседей, полученных от узлов. Если узел сообщает, что эффективность связи ухудшилась, или связь в каком-то направлении больше недоступна, главный узел выбирает новые маршруты, которые заменяют собой вышедшие из строя. Изменения в дереве маршрутизации сообщаются всем узлам, с которыми есть соединения. Эта процедура гарантирует, что узлы не будут пытаться использовать нерабочие соединения. Таким образом, избегаются ненужные передачи, которые увеличивают потребление батареи.

2.11 Протокол доступа

Протокол доступа системы SeaWeb основан на MACA протоколе, который использует обмен RTS-CTS-DATA. Сеть использует схему авто-повторений stop-and-wait. Если источник не может получать CTS от адресата после определенного интервала времени, то он повторно высылает RTS. Если после К попыток передать RTS, источник не получает CTS, то он принимает решение, что связь больше не доступна и возвращается в спящее состояние (отсутствие излучения). Если источник получает CTS, то он немедленно передает пакет данных. Обмен RTS/CTS используется, чтобы определить состояние канала, и в дальнейшем эта информация используется, чтобы установить параметры системы передачи типа уровня выходной мощности. Квитанция, высылаемая адресатом после получения правильного пакета данных, обеспечивает подтверждение правильного приема данных. Протокол может также обрабатывать отрицательные подтверждения в зависимости от режима операции, выбранного пользователем.

Если два узла посылают RTS друг другу, могут происходить ненужные повторения, потому что оба узла игнорируют полученную команду RTS. Каждый узел будет ожидать CTS пакет в течение определенного промежутка времени, и повторно передавать RTS пакеты. Эта проблема решается путем назначения более высокого приоритета пакетом, которые направлены к главному узлу.

3 Принципы технологии АТМ

АТМ (Asynchronous Transfer Mode) - это асинхронный метод транспортирования информации.

Технология АТМ дает возможность:

транспортировать все виды информации в виде пакетов фиксированной длины - ячеек;

выделять пользователю в каждый момент времени только того ресурса пропускной способности сети, который ему необходим;

поддерживать интерактивные (диалоговые) службы и службы распределения информации, а также службы с установлением и без установления соединения;

передавать как непрерывный, так и пачечный трафик, что за счет мультиплексирования позволяет эффективно использовать сетевые ресурсы.

Особенность технологии АТМ состоит в приспособленности к транспортировке по сети информации любой службы, независимо от скорости передачи, требований к семантической и временной прозрачности и пачечности трафика ячеек.

При осуществлении АТМ осуществляется последовательность действий:

информация в цифровом виде разделяется на блоки фиксированной длины;

формируется ячейка АТМ, состоящая из информации пользователя и заголовка;

ячейка имеет фиксированную длину - 53 байта, причем 48 байт - это информация пользователя, а 5 байт отводится под заголовок.

При выборе длины ячейки АТМ международные организации стандартизации учитывали следующие факторы [8]:

задержка при заполнении пакета информацией пользователя (задержка при пакетизации), задержка в очереди, задержка на депакетизацию и колебания этих задержек (джиттер) должны быть невелики;

эффективность использования пропускной способности цифровых трактов;

сложность реализации выбранной технологии.

От каждого пользователя формируется последовательность ячеек АТМ, причем ячейки, принадлежащие различным пользователям, могут следовать в произвольном порядке, в отличие от синхронного метода, где каждый из временных каналов должен располагаться на оси времени на определенном расстоянии от начала цикла дискретизации [6]. Сущность технологии АТМ изображена на рисунке 3.1.

На рисунке 3.1 обозначено: Яnm - n-ая ячейка m-го пользователя

Последовательность ячеек одного пользователя образует виртуальный канал (ВК), а все множество виртуальных каналов формирует виртуальный тракт (ВТ).

В АТМ можно отметить следующие особенности [8]:

отсутствие защиты от ошибок и управления потоком данных на уровне звена;

ориентация на соединение;

ограничение количества функций, которые несет заголовок пакета АТМ;

относительно небольшая длина информационной части ячейки.

Высокое качество систем передачи цифровых трактов связи и очень малые значения вероятности ошибки на бит позволяют отказаться от обнаружения и исправления ошибок в пакете на звеньевом уровне. Отсутствие на уровне звена и управление потоком данных с целью исключения перегрузок.

Но в сетях АТМ не всегда удается установить соединение. Фазе передачи информации предшествует фаза установления виртуального соединения, во время которой осуществляется проверка достаточности объема сетевых ресурсов, как для качественного обслуживания уже установленных виртуальных соединений, так и для создаваемого. Отказ в установлении соединения оконечному устройству выдается в случае недостатка сетевых ресурсов.

После завершения фазы передачи информации виртуальное соединение разрушается, а сетевые ресурсы могут использоваться для обеспечения другого виртуального соединения. Таким образом, за счет использования режима переноса информации, ориентированного на соединение, и определения размеров очередей, осуществляется контроль за величиной потерь пакетов вследствие переполнения буферных устройств коммутаторов. Вероятность потери пакета в коммутационном устройстве в сетях АТМ не превышает значений 10^-8-10^-12 [8].

Для уменьшения временной задержки пакета в узлах коммутации сети АТМ функции заголовка пакета значительно ограничены. Основной функцией заголовка является идентификация виртуального соединения с помощью идентификатора и обеспечение гарантии правильной маршрутизации. При помощи заголовка возможно мультиплексирование различных виртуальных соединений в одном цифровом тракте.

Существует явление эффекта размножения ошибок, когда один искаженный бит в заголовке может привести к утрате пакета или к его доставке не по адресу, то есть к неправильной маршрутизации. С целью уменьшения эффекта размножения ошибок из-за неправильной маршрутизации необходимо в заголовке пакета АТМ обеспечить обнаружение и исправление ошибок.

Обработка заголовка пакета АТМ - процедура достаточно простая, так как количество функций, выполняемое им, ограниченно. Поэтому процедура осуществляется на высоких скоростях, а это обеспечивает малую задержку пакетов АТМ в буферных устройствах коммутаторов АТМ. Длина информационного поля ячейки выбирается относительно небольшой для уменьшения размеров внутренних буферов в узлах коммутации и ограничения времени задержек. Малые размеры информационного поля позволяют получить небольшие значения времени задержки на пакетизацию, что по совокупности с относительно небольшими размерами буферных устройств узлов коммутации, обеспечивающих незначительные задержки и колебания задержки, характеризуют временную прозрачность сетей АТМ для служб, функционирующих в реальном времени.

Форматы ячеек определены в Рекомендации МСЭ-Т I.361 [6]. При этом в отличие от У-ЦСИО в Ш-ЦСИО кроме интерфейса “пользователь-сеть” определен также интерфейс “сеть-сеть”, который используется и между узлами коммутации одной и той же Ш-ЦСИО. Соответственно имеются два вида ячеек для этих двух интерфейсов, которые отличаются друг от друга структурой заголовка. Структура заголовков в интерфейсах “пользователь-сеть” и “сеть-сеть” приведены на рисунках 3.2 и 3.3 соответсвенно.

Заголовок ячейки в интерфейсе “пользователь-сеть” имеет следующие поля:

общего управления потоком (GFC - Generic Flow Control) - ОУП длинною 4 бита;

идентификатора виртуального пути (VPI -Virtual Path Identifier) - ИВП длинною 8 бит;

идентификатора виртуального канала (VCI - Virtual Channel Identifier) - ИВК длинною 16 бит;

типа полезной нагрузки (PT - Payload Type) - ТПН длинною 4 бита;

приоритета потери ячейки (CLP - Cell Lass Priority) - ППЯ длинною 1 бит;

контроля ошибок в заголовке (HEC - Header Error Control) - КОЗ длинною 8 бит.

Структура заголовка ячейки в сетевом интерфейсе отличается тем, что ОУП не используется, а биты ОУП отданы полю идентификатора виртуального пути, длина которого увеличена до 12 бит.

Поле общего управления потоком (ОУП) предназначено для управления нагрузкой в соединениях “пользователь-сеть” с целью защиты от перегрузок, как в двухточечных, так и в многоточечных конфигурациях доступа. Поле ОУП используется для контроля нагрузки, создаваемой оконечными устройствами пользователя, но не используется для управления потоком, порождаемого сетью.

Маршрутное поле ячейки состоит из полей идентификатора виртуального пути (ИВП) и идентификатора виртуального канала.

Поле типа полезной нагшрузки (ТПН) используется для идентификации пользовательских ячеек, ячеек эксплуатации и технического обслуживания, и управления ресурсами.

Поле приоритета потери ячейки (ППЯ) используется для указания явного приоритета потери ячейки. Если в поле приоритета потери ячейки записана 1, то данная ячейка может быть отброшена в случае возникновения перегрузок. Если в поле ППЯ записан 0, то ячейка имеет высокий приоритет и должна быть сохранена. Поле потери ячейки устанавливается пользователем или поставщиком услуг.

Поле контроля ошибок в заголовке (КОЗ) используется для обнаружения и исправления ошибок в заголовке.

В протокольной модели Ш-ЦСИО имеются два уровня, относящихся к АТМ [6]:

уровень АТМ, который является общим для всех видов сервиса и обеспечивает возможность передачи отдельных ячеек;

адаптационный уровень (AAL), зависящий от вида сервиса.

Потоки данных (в том числе и речевая информация, представленная в цифровом виде) различных классов поступают на уровень адаптации АТМ, где подвергаются обработке в соответствии с двумя функциями:

совмещения потоков данных (Convergence Subfunction - CS);

сегментации или сборки сегментов данных при поступлении их с уровня АТМ (Segmentation and Reassemble - SAR).

На уровне АТМ осуществляются генерация (изъятие) заголовка ячейки, модификация в заголовке ячейки ИВП и ИВК, мультиплексирование и демультиплексирование.

На физическом уровне реализуются следующие основные функции:

вставка и изъятие пустых ячеек для согласования скорости передачи;

проверка наличия ошибок в заголовке;

синхронизация битов при передаче по физической среде;

определяет протокол размещения ячеек для передачи через физическую среду в кадрах различных цифровых систем передачи.

Таким образом, благодаря технологии АТМ все коммутационное оборудование становится однородным, решающим для всех видов информации одну и ту же задачу быстрой коммутации фиксированных пакетов, получивших название ячеек, и асинхронного временного разделения ресурсов, при котором множество виртуальных соединений с различными скоростями асинхронно мультиплексируются в едином физическом канале связи - цифровом тракте.

4 Быстрая коммутация пакетов

Организация связи в распределенных сетях базируется на принципах коммутации и реализуется в узлах, соединяющих два или несколько входящих и исходящих каналов в требуемых направлениях [5]. Классификация видов коммутации приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Классификация видов коммутации

На рисунке два основных вида коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в узел коммутации каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. При соединении с накоплением сообщений сигналы из входящих в узел коммутации каналов сначала записываются в буферное запоминающее устройство (БЗУ), а оттуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы.

При непосредственном соединении канал предоставляется пользователю на время сеанса связи с момента установления соединения до момента завершения работы и разъединения. Коммутация каналов - процедура далеко не гибкая, так как продолжительность временного интервала однозначно определяет скорость передачи в канале связи. Если в качестве основной принимать самую высокую скорость (которая способна обеспечить потребности любой службы), то в этом случае служба, которой необходима значительно меньшая скорость, будет занимать канал с высокой скоростью на все время соединения, а это приводит к очень низкой эффективности использования сетевых ресурсов. Поэтому обычная коммутация каналов не используется в Ш-ЦСИО.

Страницы: 1, 2, 3