Исследование иерархической маршрутизации и адресации для самоорганизущихся беспроводных сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тимофеева София Владимировна

• Тимофеева София Владимировна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Тимофеева София Владимировна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

1.1 Основные теоретические положения

1.2 Обзор протоколов маршрутизации для самоорганизующихся сетей

1.3 Качество связи, которое может быть достигнуто самоорганизующихся беспроводных сетях

Выводы

Глава 2 СИСТЕМЫ АДРЕСАЦИИ И САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ МАРШРУТИЗАЦИИ В ИЕРАРХИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

2.1 Введение

2.2 Гиперболическое преобразование как основа адресации

2.3 Альтернативная система сетевой адресации

2.4 Алгоритм раздачи адресов

2.5 Оценка вычислительной сложности алгоритма

2.6 Особенности маршрутизации в иерархических сообществах

Выводы

Глава 3 МЕЖКЛАСТЕРНАЯ МАРШРУТИЗАЦИЯ КАК МЕТОД БОРЬБЫ С ПЕРЕГРУЗКАМИ ВЕРХНИХ УРОВНЕЙ

3.1 Введение

3.2 Основные положения межкластерной маршрутизации

3.3 Метод смещения вершины

3.4 Программный симулятор для анализа эффективности протоколов маршрутизации в MANET сетях

3.5 Исследования на симуляторе (экспериментальная часть)

3.6 Множество альтернативных вершин

Выводы

Глава 4 ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ НОВОГО ПРОТОКОЛА

4.1 Протокол связи и его тестирование

4.2 Описание опытной сети

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА (РИСУНКИ)

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА (ТАБЛИЦЫ)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Документы, подтверждающие внедрение основных результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование иерархической маршрутизации и адресации для самоорганизущихся беспроводных сетей»

Актуальность темы

Современные инфокоммуникационные технологии постепенно охватывают все новые сферы жизнедеятельности. Среди новых сфер применения данных технологий следует выделить Интернет вещей [1, 2], который уже не ограничен подключением бытовых устройств, а предполагает промышленное применение. Тактильный интернет [3, 4] и интернет медицина [5] развиваются в области человеческого здоровья, дистанционное образование - это яркий пример инфокоммуникационных технологий в социальной сфере. Велико воздействие инфокоммуникаций и на транспортные технологии [6]. Но новые сферы применения и лавинообразное увеличение трафика требует новых телекоммуникационных технологий.

Новые концепции в области компьютерных систем и сетей, а также стремительный рост количества мобильных устройств требуют новых подходов к организации инфокоммуникационных сетей. Среди основных требований можно выделить сверхмалые задержки, возможность самоорганизации и отказ от таблиц маршрутизации.

Бурное развитие инфокоммуникационных технологий привело к активному использованию самоорганизующихся систем там, где раньше использовали традиционные иерархические сети. Особенно это заметно в области беспроводных систем связи. С практической точки зрение это приводит к отказу от коммутаторов и базовых станций в сотовых сетях, маршрутизаторов в пакетных сетях и т.д. Конечные устройства сами смогут осуществлять маршрутизацию и доставлять данные конечным пользователям. Прообразы таких систем созданы и даже проходят тестовую эксплуатацию, так сотовые телефоны могут самоорганизовываться даже при отключении всей инфраструктуры базовых станций. Такие системы очень важны в случае чрезвычайных ситуаций [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. Однако, время доставки сообщений и прочие параметры таких сетей оставляют пока желать лучшего [13, 14]. Настоящее исследование предполагает

разработку ряда новых алгоритмов маршрутизации, созданных специально для самоорганизующихся телекоммуникационных сред. Подобные методы также могут быть востребованы в задачах междоменной маршрутизации в глобальной сети.

При организации маршрутизации необходимо наладить обмен данными между соседними узлами, а также установить последовательность узлов для построения и выбора протяженных маршрутов. Решение вопросов маршрутизации тесно связана с системой сетевой адресации. Основная проблема состоит в том, что с увеличением адресного пространства растут и размеры таблиц маршрутизации [15, 16] и, как следствие, время сетевой задержки. Таблицы маршрутизации необходимо хранить на каждом сетевом устройстве, что повышает требования к их аппаратной платформе и энергообеспеченности. Уже сейчас размеры BGP таблиц, несмотря на меры по их сжатию, представляют самую большую сложность глобальной маршрутизации [17, 18]. Рост таблиц маршрутизации приводит не только к увеличению требований по памяти и процессорному времени сетевых устройств, но и к увеличению времени на построение маршрута. Ограничение размера этих таблиц или полный отказ от них является целью многочисленных исследований по маршрутизации. Основные результаты в этой области были получены при разработке технологий самоорганизующихся беспроводных сетей. Одной из основных особенностей самоорганизующихся сетей, является то, что процесс маршрутизации опирается только на локальную информацию. Неизвестны никакие таблицы маршрутизации, которые позволяют построить граф связанности. Известна информация только о ближайших соседях, которая получается путем опроса. Поэтому разработка новых принципов сетевой маршрутизации, которые не требуют построения соответствующих таблиц, является актуальной задачей. Для решения данной задачи требуются исследования в области адресации, в том числе иерархической, введения новых метрических функций для расстояния.

Особенностью иерархической маршрутизации является малый процент использования горизонтальных связей [19], в связи с чем происходит большая нагрузка на верхние уровни иерархии, что требует поиска решений.

Степень разработанности темы исследования

В мобильных самоорганизующихся сетях (MANET) [20] можно использовать протоколы маршрутизации различных типов. Проактивные протоколы, характеризуются необходимостью хранения информации, которая требуется для построения маршрута на каждом из устройств (T. Clausen [21, 22] и P. Jacquet [22, 23], А.Г. Кирьянов, А. И. Хоров и А. А. Сафонов [24]). Реактивные протоколы используют в своей работе запросы с информацией, на основе которой выполняется построение маршрута в автоматическом режиме (E. M. Royer и C. E. Perkins [25], D. B. Johnson и D. A. Maltz [26], А.А. Бахтин и О.В. Меркушев [27]). Гибридные протоколы, позволяющие использовать в одной сети проактивные или реактивные подходы для построения маршрута (O. Younis и S. Fahmy [28], C. A. Santivanez и R. Ramanathan [29], Д. С. Васильев и А. В. Абилов [30]). Отдельной категорией стоит отметить протоколы, использующие для построения маршрута географические координаты участников сети (B. Karp и H. T. Kung [31], S. Basagni [32], R. Govindan и D. Estrin [33], А.П. Метелёв, А.В. Чистяков и А.Н. Жолобов [34], Д.Е. Прозоров [35]). Также достаточно распространены иерархические подходы при маршрутизации в самоорганизующихся беспроводных сетях (M. R. Pearlman и Z. J, Haas [36], G. Pei, M. Gerla и T.-W. Chen [37], С.В. Романов и Д.Е. Прозоров [38]), направленные на разделение сети на области и применения разных техник маршрутизации внутри и между этими областями. При этом несмотря на многообразии подходов и протоколов на практике возникают вопросы по эффективности различных методов маршрутизации и исследования в этой области продолжаются.

Одним из способов иерархической маршрутизации в самоорганизующихся сетях является построение иерархического дерева [39]. Для построения этого дерева выделяется центральный узел, относительно которого строится иерархия, которая ранжирует дочерние узлы. Сравнительно недавно сформулирована концепция гиперболического преобразования для самоорганизующихся сетей [40] и показано, что любую конфигурацию узлов можно преобразовать в односвязный граф. Для гиперболического пространства найдены определения расстояния между

узлами [41]. Это расстояние применяется для построения маршрута методом жадного продвижения [42, 43]. Но применение этой теории на практике оказалось затруднено [43], и предполагает дальнейшее развития. В 2010 году был предложен способ представления иерархических координат в виде последовательности натуральных чисел. Эти числа задают координаты сетевого узла в иерархическом дереве [44].

Кроме этого, в проводных сетях начинают активно внедряться технологии, позволяющие на основе анализа информации о ближайших соседях и информации о топологии сети решать вопрос, кому из ближайших соседей пересылать пакет с данными, например, технология MPLS [45], а также Cisco Express Forwarding [46]. Поэтому требует решения задача поиска подходов передачи данных и маршрутизации в самоорганизующихся беспроводных сетях на основе только локальной информации, в том числе с использованием данных, записанных в адресе.

Целью работы является разработка протокола обмена данными на основе метода жадного продвижения в самоорганизующихся беспроводных сетях.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка алгоритма, позволяющего присваивать иерархические адреса узлам самоорганизующиеся беспроводной сети.

2. Нахождение метрической функции для метода жадного продвижения, позволяющей описывать расстояние между узлами в адресной иерархии.

3. Разработка методов маршрутизации, позволяющих предотвратить перегрузку верхних уровней иерархии.

4. Разработка протокола связи для иерархического адресного пространства, позволяющего использовать предложенные алгоритмы и структуры.

Объект исследования - самоорганизующиеся беспроводные сети.

Предмет исследования - алгоритмы маршрутизации на основе метода жадного продвижения для создания протокола связи в самоорганизующихся сетях.

Результаты исследования соответствуют пунктам 2, 4, 18 паспорта научной специальности 2.2.15. Системы, сети и устройства телекоммуникаций.

Методы исследования

В диссертационной работе в качестве методов исследования использовались элементы теория чисел, метод математической индукции, математическое и имитационное моделирование, геометрические и топологические методы (пространство Пуанкаре).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1) Алгоритм, позволяющий присваивать иерархические адреса узлам самоорганизующейся беспроводной сети на основе разбиения на окрестности и выстраивания иерархии по числу соседей внутри каждой окрестности.

2) Метрическая функция для метода жадного продвижения, позволяющая определять расстояние между узлами на основе числа переходов по иерархическому дереву.

3 ) Метод маршрутизации, позволяющий предотвратить перегрузку узлов верхних уровней иерархии на основе сдвига центрального узла на один уровень вниз.

4) Протокол связи, позволяющий обмениваться пакетами данных устройствам сети и передавать информацию без использования таблиц маршрутизации.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

Разработан алгоритм, позволяющий присваивать иерархические адреса узлам самоорганизующейся беспроводной сети и отличающийся тем, что иерархия выстраиваются внутри каждой окрестности относительно центрального узла.

Предложена метрическая функция для метода жадного продвижения, позволяющая определять расстояние между узлами на основе числа переходов по иерархическому дереву и отличающаяся тем, что имеется возможность перехода между отдельными ветвями иерархии.

Разработан метод маршрутизации, позволяющий предотвратить перегрузку и отличающийся тем, что центральный узел иерархии смещается на один уровень вниз.

Разработан и реализован протокол связи для беспроводных самоорганизующихся сетей, позволяющий передавать информацию без использования таблиц маршрутизации и отличающийся структурой коммуникационного пакета.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в том, что разработан метод бестабличной маршрутизации, который опирается на обновленный принцип жадного продвижения в иерархическом адресном пространстве. Предложена новая метрика для расчета расстояния между узлами в иерархическом адресном пространстве.

Практическая значимость заключается в том, что возможно создание системы связи, работающей в случае чрезвычайной ситуации техногенного и природного характера, где в качестве устройства коммуникации можно использовать современные смартфоны.

Вторая область применения - это организация связи на предприятиях с иерархической структурой, так как возможно присвоение адресов по структурной иерархии. Предложенный протокол может быть легко инсталлирован для передачи данных поверх существующих цифровых каналов связи.

Достоверность и обоснованность научных результатов работы основывается на использовании положений современной геометрии и теории графов, теоретических положений теории телетрафика, и методов экспериментальных исследований с сетевыми программно-аппаратными комплексами, тестированием созданного программного протокола связи. Справедливость теоретической модели подтверждена совпадением с результатами экспериментов и моделирования.

Личный вклад автора заключается в разработке всех положений научной новизны и формулировке результатов исследований, которые приведены в соответствующих разделах диссертационного исследования.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы прошли полный цикл рецензирования и были доложены на международной конференции IEEE Local Communication Network (LCN) 2017 (Сингапур, 2017); на 25ом Телекоммуникационном форуме TELFOR 2017 (Сербия, г. Белград, 2017); на III, IV, V Международной конференции и молодежной школе «Информационные технологии и нанотехнологии» (г. Самара, 2017, 2018, 2019 годах).

Исследования, проводимые по теме диссертационной работы, были поддержаны РФФИ в рамках проекта 16-07-00218 «Разработка методов маршрутизации с малой вычислительной сложностью для самоорганизующихся телекоммуникационных сетей» и проектной частью Государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации № 2.3129.2017/ПЧ 2017 - 2019 гг.

Полученные в результате диссертационного исследования результаты использованы в ООО «Трител-Крым» для передачи видеопотоков и телеметрической информации, а также при проведении лабораторных работ по дисциплине «Современные информационные технологии» для обучающихся по направлению подготовки 09.04.01 Информатика и вычислительная техника в Физико-техническом институте ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского», что подтверждено соответствующими актами внедрения, представленными в приложении А.

Публикации

По теме диссертации опубликованы одиннадцать работ, в том числе три статьи [47, 48, 49] в научных изданиях, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации для публикации научных результатов диссертаций. Четыре работы [50, 51, 52, 53] опубликованы в продолжающихся периодических изданиях, индексируемых международной наукометрической базой «Сеть науки» (WoS), один доклад [54] опубликован в изданиях IEEE конференции, индексируемой международными наукометрическими системами WoS/Scopus. Три работы [55, 56, 57] представлены

в материалах и трудах международных конференций, индексируемых в национальной базе данных научного цитирования РИНЦ.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 115 страницах машинного текста, содержит 32 рисунок и 16 таблиц. Список использованных источников насчитывает 89 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационного исследования, описаны объект и предмет исследования, определены цель и задачи, сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Приведены методы исследования, изложены научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов. Представлена структура диссертационного исследования.

В первой главе проведен обзор существующих протоколов маршрутизации для беспроводных децентрализованных самоорганизующихся сетей типа MANET, проанализированы их достоинства и недостатки.

Во второй главе рассматриваются основные положения маршрутизации на основе жадного продвижения в гиперболическом пространстве.

В 2007 году было предложена концепция гиперболического преобразования для узлов самоорганизующихся сетей. Д. Крюков и Р. Клейнберг доказали, что можно построить древовидную иерархическую структуру связности узлов относительно центральной точки для любого набора беспроводных сетевых устройств. Они также обосновали тип гиперболического преобразования, которое переводит любую иерархическую структуру внутрь круга единичного радиуса.

В дополнение к гиперболическим координатам П. П. Воробиенко и В. И. Тихонов предложили альтернативный тип иерархических координат. Каждая координата представляет собой набор натуральных чисел m1.m2...mi, определяющих положение узла внутри иерархического дерева.

Две альтернативные системы адресации совместимы друг с другом. Соответствующие адреса можно преобразовать один в другой, используя рекуррентные формулы. Эти выражения задают соответствие между гиперболическими радиусом и углом (гп, фп) и иерархическим адресом в битовой форме. Последовательность натуральных чисел тп определяет иерархический адрес в битовой форме. Составная часть иерархического адреса в виде натурального числа тп тривиально переводится в битовую форму. Проблему представляет способ разделения составных частей, то есть надо найти правило для определения первого и последнего бита составной части иерархического адреса.

Для адресации узлов предлагается использовать комбинированный способ [53, 57]. Адрес представляет собой последовательность содержательных частей переменной длины. Длина каждой содержательной части определяется количеством составных блоков фиксированной длины. Количество варьируется от одного до четырех, а длина каждого блока может настраиваться в зависимости от потребности и количества узлов. Для стандартных конфигураций может составить три или четыре бита. Перед каждой содержательной частью адреса встраиваются два бита служебной информации, они задают длину составной части адреса, а именно количество блоков содержательной части. Так если длину блока содержательной части принять за 4 бита, то служебная комбинация «00» будет указывать, что следующая составная часть адреса имеет длину 4 бита, комбинация «01» укажет на длина составной части в 8 бит, «10» - 12 бит, «11» - 16 бит. Таким образом, минимальная длина составной содержательной части адреса будет равна шести битам, а максимальная длина будет иметь размер 18 бит.

Иерархическая маршрутизация предлагает передачу данных вверх и вниз по иерархии, кластерный метод предполагает задействование всех путей, в том числе и через дочерние узлы. Необходимо осуществить поиск таких переходов с незначительным увеличения вычислительной сложности алгоритма и времени установления соединения.

Третья глава описывает методы борьбы с перегрузкой на верхних уровнях иерархии, которые используют каналы связи, не входящие в основную иерархию [52, 56].

Существенный недостаток иерархической маршрутизации состоит в том, что иерархический граф связанности содержит гораздо меньше ребер, чем исходный (полный) граф. Иерархическое дерево не отражает все существующие связи между устройствами в пределах одного или соседних уровней иерархии. Использование принцип жадного продвижения позволяет учитывать все связи конкретного устройства с другими при выборе маршрута, но это не дает ожидаемого прироста в количестве новых маршрутов, позволяющих передавать информацию вне системы иерархии. Поэтому является целесообразным поиск новых решений по иерархической маршрутизации.

Для оценки производительности нового метода маршрутизации, названного Greedy Forwarding in Hyperbolic Space (GFHS) [54], был доработан ранее написанный симулятор. Первоначально симулятор был предложен для тестирования метода окрестностей, поэтому в нем был уже заложен алгоритм разбиения на окрестности, а также алгоритм GPSR (Greedy Perimetr Stateless Routing) [31].

Приложение написано с использованием Java 1.8, за графически интерфейс отвечает JavaFX 2, для создания окон использовался Scene Builder.

Длина маршрута рассчитывается в хопах (количество участков маршрута) для трех упомянутых методов маршрутизации. Было выбрано четыре набора начальных и конечных точек заданной конфигурации. Среднее удлинение по методу GPSR и GFHS составило 12.2%. При этом оба метода GPSR и GFHS обеспечивают 100% доставку пакетов в теоретическом приближении. Теоретическое приближение рассматривает бесконечные конфигурации. Для реальных ограниченных конфигураций метод GPSR не будет давать гарантии построения маршрута, т.к. пустота может налагаться на границу конфигурации. Метод окрестностей [47] и метод иерархической адресации [48] будут работать без ограничений и в случае конечных конфигураций.

В четвертой главе приводятся технические детали реализации нового протокола.

На основе предлагаемых алгоритмов иерархической маршрутизации предложен и реализован новый протокол [48]. Протокол определяет структуру пакетов для передачи данных и разметки. В структуру коммуникационного пакета включены адреса узла-источника и узла-получателя, служебная информация о типе адреса и часть передаваемых данных в виде полезной загрузки. Так как длина иерархического адреса является переменной величиной, то заголовок пакета содержит два дополнительных поля с размерами адресов начала и конца маршрута.

Для исследования и проверки работоспособности нового протокола была построена экспериментальная сеть. Так как на практике планируется использовать данный протокол в сетях, построенных на современных смартфонах, то при выборе оборудования для экспериментальной сети рассматривались устройства, приближенные по аппаратной части к смартфонам, но при этом с открытой операционной системой. Эти требования определили выбор одноплатных мини-компьютеров Banana Pi в качестве аппаратной платформы. А использование технологии сокетов при программной реализации протокола позволит быстро перенести код и использовать разработанный протокол на устройствах под управлением различных операционных систем.

Новый протокол, доработанный с учетом иерархической адресации, инсталлирован на мини-компьютерах Banana Pi. Для небольших конфигураций узлов протестирована методика присвоения адресов и маршрутизация на основе метода жадного продвижения в иерархическом пространстве. Маршрутизация осуществляется без использования таблиц маршрутизации на основе локальной информации.

В ходе экспериментов по тестированию работоспособности и производительности разработанного протокола связи были произведены измерения ряда сетевых параметров, таких как минимальное значение сетевой задержки, оценена максимальная доступная пропускная способность. Кроме этого,

в экспериментальной сети была проведена оценка величины потерь пакетов и предложено решение по их минимизации [49].

Возможности нового сетевого протокола демонстрируется в рамках основных экспериментов по резервированию канала и выхода в Интернет через самоорганизующуюся сеть.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационного исследования.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ

БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

1.1 Основные теоретические положения

С развитием мобильных и беспроводных технологий и проникновением их во все сферы жизни появляется необходимость в быстром разворачивание сетей переменной структуры без использования дополнительной инфраструктуры. Именно эти подходы и легли в основу самоорганизующихся беспроводных сетей [58]. В отличие от традиционных сетей, которые используют промежуточные устройства (коммутаторы, маршрутизаторы, точки доступа) для передачи данных, самоорганизующиеся сети предполагают отсутствие такой инфраструктуры и осуществляют передачу данных только с использованием самих узлов сети [59, 60]. Устройства соединяются в такую сеть автоматически и берут на себя функцию по передаче данных другим узлам. Все устройства в сети функционально равнозначны, взаимозаменяемы и могут выполнять роль как оконечного, так и промежуточного узла в зависимости от ситуации. Узлы могут быть подвижны, поэтому самоорганизующиеся беспроводные сети имеют динамическую структуру. Число устройств и связи между устройствами случайны во времени [58, 61]. Самоорганизующиеся сети динамически перенастраиваемые, функции узлов могут переопределяются при добавлении в сеть новых устройств. Узлы, которые будут участвовать в передачи трафика, определяются в зависимости от сетевого подключения и используемого алгоритма маршрутизации.

Таким образом, самоорганизующиеся беспроводные сети являются динамическими, децентрализованными, самоконфигурируемыми,

самоуправляемыми.

Преимуществами самоорганизующихся беспроводных сетей является:

1) децентрализованное управление;

2) отсутствие необходимости использовать специальную инфраструктуру для построения сети;

3) быстрое развертывание и самоконфигурирование;

4) обеспечение передачи информации в условиях неопределенности и динамически изменяющихся параметров сети (самовосстановление);

5) возможность задействования вычислительного и коммуникационного ресурса огромного количества мобильных устройств.

Описанные преимущества самоорганизующихся сетей привели к большому количеству областей применения.

Использование таких сетей оправдано в случаях чрезвычайных ситуаций, когда телекоммуникационная инфраструктура повреждена, отсутствует или по ряду причин не может быть использована: в зоне стихийного бедствия для поиска пострадавших и для организации связи спасателей, во время военного конфликта для разворачивания связи между войсками для анализа ситуации и решения гуманитарных вопросов, при решении вопросов противодействия терроризму [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14].

Применение технологий самоорганизующихся беспроводных сетей позволяют развернуть сети там, где отсутствует централизованная инфраструктура, а ее разворачивание необоснованно и по временным, и по финансовым параметрам, например, в удаленных районах, или для создания сети обмена информацией на конференциях или других массовых мероприятиях.

Развитию самоорганизующихся беспроводных сетей способствуют и новые инфокоммуникационные технологий, такие как Интернет Вещей, Тактильный интернет, дополненная реальность, телемедицина. Эти технологии требуют принципиально других подходов к построению сетей. Это привело мировое сообщество к осознанию того, что сети должны стать самоорганизующимися.

Для обеспечения связи между узлами самоорганизующихся сетей, в основном, используются технологии следующих стандартов беспроводной передачи информации: IEEE 802.11 (Wi-Fi) [153], IEEE 802.15.1 (Bluetooth) [155] и IEEE 802.15.4 (ZigBee) [154], 6LoWPAN[k], Thread[k], RPL[k], BLE[k]. В работе [] представлены в сравнении основные технические характеристики первых трех технологий, которые не требуют специальной поддержки и описываются

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тимофеева София Владимировна, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Gubbi, J. Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions / Jayavardhana Gubbi, Rajkumar Buyya, Slaven Marusic, and Marimuthu Palaniswami // Future generation computer systems. - 2013. - V. 29. - №2. 10. - PP. 16451660.

2. Росляков, А. В. Интернет вещей / А. В. Росляков, С. В. Ваняшин, А. Ю. Гребешков, М. Ю. Самсонов. - Самара: ПГУТИ, ООО «Издательство Ас Гард», 2014. - 340 с.

3. Fettweis, G. P. The tactile internet: applications and challenges / Gerhard P. Fettweis // IEEE Vehicular Technology Magazine. - 2014. - V. 9. - №. 1. - P. 64-70.

4. Кучерявый, А.Е. Тактильный Интернет. Сети связи со сверхмалыми задержками / Кучерявый А.Е., Маколкина М.А., Киричек Р.В. // Электросвязь. -2016. - №1. - С. 45-47.

5. Pirmagomedov, R. Analysis of delays in medical applications of nanonetworks / R. Pirmagomedov, I. Hudoev, R. Kirichek, A. Koucheryavy, R. Glushakov // Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), 2016 8th International Congress on. - IEEE, 2016. - С. 49-55.

6. Gohar, A. The Role of 5G Technologies in a Smart City: The Case for Intelligent Transportation System / Gohar A., Nencioni G. // Sustainability 2021, 13, 5188. https://doi.org/10.3390/su13095188

7. Huang, J. S. Challenges of emergency communication network for disaster response / Huang J. S., Lien Y. N. // 2012 IEEE International Conference on Communication Systems (ICCS). - IEEE. 2012. - P. 528 - 532.

8. Cheong, S. H. Lifeline: emergency ad hoc network / Cheong S. H. et al. //2011 Seventh International Conference on Computational Intelligence and Security. - IEEE, 2011. - P. 283-289.

8. Bang, A. O. MANET: History, challenges and applications / Bang A. O., Ramteke P. L. //International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management (IJAIEM). - 2013. - Т. 2. - №. 9. - С. 249-251.

9. Мельников, М. И. Самоорганизующаяся сеть оперативного взаимодействия для нужд населения и специальных служб / Мельников М. И., Ковтун А. С. // Доклады ТУСУР. - 2014. - №2 (32). - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/samoorganizuyuschayasya-set-operativnogo-vzaimodeystviya-dlya-nuzhd-naseleniya-i-spetsialnyh-sluzhb (дата обращения: 19.06.2022).

10. Verma, H. MANET based emergency communication system for natural disasters / H. Verma, N. Chauhan // Proceedings of International Conference «Computing, Communications & Automation (ICCCA)». - Noida, 2015. - P. 480-485.

11. Anjum, S.S. Survey on MANET Based Communication Scenarios for Search and Rescue Operations / Anjum S.S., Noor R.M., Anisi M.H. // Proc. of 5th International Conference "IT Convergence and Security (ICITCS)". - Kuala Lumpur, 2015. - P. 1-5.

12. Kulla, E. Real World Emergency Scenario Using MANET in Indoor Environment: Experimental Data / E. Kulla, R. Ozaki, A. Uejima, H. Shimada // Proceedings of 7th International Conference «Computational Intelligence and Security (CIS)». - Blumenau, 2015. - P. 336-341.

13. Konstantinov, I. Mathematical Model of Message Delivery in a Mobile Ad Hoc Network / I. Konstantinov, K. Polshchykov, S. Lazarev, О. Polshchykova // Proceedings of the 11th International Conference on Application of Information and Communication Technologies (AICT'2017). - Moscow, 2017. - P. 10-13.

14. Polshchykov, K. Multimedia Messages Transmission Modeling in a Mobile Ad Hoc Network / K.O. Polshchykov, S.A. Lazarev, A.D. Zdorovtsov // Proceedings of the 11th International Conference on Application of Information and Communication Technologies (AICT'2017). - Moscow, 2017. - P. 24-27.

15. Finn, G. G. Routing and Addressing Problems in Large Metropolitan-Scale Internetworks / G. G. Finn // ISI Research Report. - 1987.

16. Harayan, H. The impact of address allocation and routing on the structure and implementation of routing tables / H. Harayan, R. Govindan, G. Vargese // SIGCOMM '03 Proceedings of the 2003 conference on Applications, technologies, architectures, and protocols for computer communications. - 2003. - P. 125-136

17. Krioukov, D. On compact routing for the Internet / D.Krioukov, K. Fall, A. Brady // ACM SIGCOMM Computer Communication Review. - 2007. -V. 37. - №. 3. - P. 41-52

18. Bu, T. On characterizing BGP routing table growth / T. Bu, L. Gao, D. Towsley // Computer Networks. - 2004. - Vol. 45(1). - P. 45-54.

19. Chemodanov, D. REBATE: a REpulsive-BAsed Traffic Engineering for Dynamic Scale-Free Networks / D. Chemodanov, F. Esposito, H. Calyam, A. Sukhov // Future Generation Computer Systems. - 2020. - Т. 108. - С. 624-635.

20. Corson, S. Mobile ad hoc networking (MANET): Routing protocol performance issues and evaluation considerations / S. Corson, J Macker. - 1998. - RFC 2501.

21. Clausen, H. The optimized link state routing protocol, evaluation through experiments and simulation / H. Clausen, G. Hansen, L. Christensen, and G. Behrmann. // Proceedings of the IEEE conference on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC). — October 2001.

22. Clausen, T. Optimized link state routing protocol (OLSR). / Clausen T., Jacquet P. // - 2003. - №. rfc3626.

23. Jacquet, P. Optimized link state routing protocol for ad hoc networks / Jacquet P. et al. //Proceedings. IEEE International Multi Topic Conference, 2001. IEEE INMIC 2001. Technology for the 21st Century. - IEEE, 2001. - PP. 62-68.

24. Кирьянов, А. Методы исследования переходных характеристик протокола OLSR при включении/выключении узла связи / Кирьянов А., Сафонов А., Хоров Е. // Труды 33-й конференции ИППИ РАН "Информационные технологии и системы (ИТиС)". - 2010.

25. Royer, E. M. Ad-hoc on-demand distance vector routing / Royer E. M., Perkins C. E. // Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications. - 1999. - V. 2. - P. 90-100.

26. Johnson, D. B. Dynamic source routing in ad hoc wireless networks / Johnson D. B., Maltz D. A. //Mobile computing. - Springer, Boston, MA, 1996. - P. 153181.

27. Бахтин, А. А. Метод локального восстановления маршрута в эпизодических сетях / А. А. Бахтин, В. А. Меркушев // Инженерный вестник Дона.

- 2011. - № 3(17). - С. 78-83.

28. Younis O., Fahmy S. HEED: a hybrid, energy-efficient, distributed clustering approach for ad hoc sensor networks //IEEE Transactions on mobile computing. - 2004.

- Т. 3. - №. 4. - С. 366-379.

29. Santivanez, C.A. Hazy Sighted Link State (HSLS) Routing: A Scalable Link State Algorithm / Cesar A. Santivanez, Ram Ramanathan // Internetwork Research Department, BBN Technologies - August, 2001.

30. Васильев Д. С., Абилов А. В. Протоколы маршрутизации в MANET //Электросвязь. - 2014. - №. 11. - С. 52 - 54.

31. Karp, B GPSR: Greedy perimeter stateless routing for wireless networks / B. Karp, H. T. Kung // In Proceedings of the 6-th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom '00). - ACM Press, New York. - 2000. - Vol.1.

- P. 243-254.

32. Basagni, S. Distributed clustering for ad hoc networks / S. Basagni // Parallel Architectures, Algorithms, and Networks, 1999.(I-SPAN'99) Proceedings. Fourth International Symposium on. - IEEE. - 1999. - P. 310-315.

33. Yu Y., Govindan R., Estrin D. Geographical and energy aware routing: A recursive data dissemination protocol for wireless sensor networks. - 2001.

34. Метелёв А. П. Протоколы маршрутизации в беспроводных самоорганизующихся сетях / Метелёв А. П., Чистяков А. В., Жолобов А. Н. //Вестник Нижегородского университета им. НИ Лобачевского. - 2013. -№. 3-1. - С. 75-78.

35. Прозоров Д. Е. и др. Протоколы геомаршрутизации самоорганизующихся мобильных сетей //T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. - 2012. - №. 5. - С. 16-19.

36. Pearlman M. R., Haas Z. J. Determining the optimal configuration for the zone routing protocol //IEEE journal on selected areas in communications. - 1999. - Т. 17. -№. 8. - С. 1395-1414.

37. Pei, G. Fisheye State Routing: A Routing Scheme for Ad Hoc Wireless Networks/ Pei, M. Gerla, and T.-W. Chen, // Proc. ICC 2000, New Orleans, LA, June 2000.

38. Прозоров Д. Е., Романов С. В. Протокол иерархической маршрутизации самоорганизующейся мобильной сети //Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2014. - №. 3 (15). - С. 74-80.

39. Krioukov, D. On compact routing for the Internet / D. Krioukov, K. Fall, A. Brady // ACM SIGCOMM Computer Communication Review. - 2007. -V. 37. - №. 3. - P. 41-52

40. Kleinberg, R. Geographic routing using hyperbolic space / Robert Kleinberg // In INFOCOM 2007. 26th IEEE International Conference on Computer Communications. - IEEE . -2007. - P. 1902-1909.

41. Cvetkovski, A. Hyperbolic embedding and routing for dynamic graphs / Andrej Cvetkovski, Crovella Mark // In INFOCOM 2009. - IEEE. - 2009. - P. 1647-1655.

42. Papadopoulos, F. Greedy forwarding in dynamic scale-free networks embedded in hyperbolic metric spaces / F. Papadopoulos, D. Krioukov, M. Boguna, A. Vahdat // INFOCOM, 2010 Proceedings - IEEE, 2010. - P. 1-9.

43. Papadopoulos, F. Network mapping by replaying hyperbolic growth / F. Papadopoulos, C. Psomas, D. Krioukov // IEEE/ACM Transactions on Networking (TON). - 2015. - Vol. 23(1). - P. 198-211.

44. Воробиенко, П.П. Алгоритм динамической адресации объектов телекоммуникационной сети / П.П. Воробиенко, В.И. Тихонов, И.В. Смирнов, У.И. Сопина // Сборник научных трудов «Цифровые технологии». - 2010. - T. 8.

45.

46.

47. Тимофеева, С.В. Протокол связи для самоорганизующихся сетей на основе метода окрестностей / С.В. Тимофеева, Д.В. Филимонов, А.М. Сухов. -Текст: непосредственный // Телекоммуникации. - 2017. - № 5. - С. 16-20.

48. Тимофеева, С.В. Иерархическая маршрутизация для самоорганизующихся сетей / С.В. Тимофеева, Д.М. Саркисян, Д.В. Филимонов,

Е.С. Сагатов, А.М. Сухов. - Текст: непосредственный // Телекоммуникации. - 2018. - № 10. - С. 9-15.

49. Сагатов, Е.С. Передача видеопотоков в беспроводных самоорганизующихся сетях / Е.С. Сагатов, Б.А. Зоричев, Ю.Л. Попов, С.В. Тимофеева, Д. В. Филимонов. - Текст: непосредственный // Телекоммуникации. -2021. - № 7. - С. 26-33.

50. Filimonov, D.V. Data exchange protocol in self-organizing computing environments / D.V. Filimonov, S.V. Timofeeva, A.M. Sukhov. -DOI 10.1016/j.proeng.2017.09.682 // Procedia Engineering. - 2017. - Vol. 201. - P. 677683.

51. Sagatov, E.S. Data Exchange in Self-Organizing Wireless Networks with Low Latency / E.S. Sagatov, S.V. Timofeeva, D.V. Filimonov, A.M. Sukhov. - DOI 10.1109/LCN.2017.29 // 2017 IEEE 42nd Conference on Local Computer Networks (LCN). - 2017. - P. 531-534. - URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8109401 (date accessed: 14.06.2022).

52. Timofeeva, S.V. Cluster approach for network routing in hierarchical systems/ S.V. Timofeeva, D.M. Sarkisyan, N.A. Alzinskaya [et al.]. - DOI 10.1088/17426596/1096/1/012080. // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol. 1096, №. 1. - P. 012080. - URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1096/1/012080/pdf (date accessed: 14.06.2022).

53. Lovtsov, K.N. Addressing system and routing without tables in new generation networks // K.N. Lovtsov, S. Mayhoub, S.V. Timofeeva [et al.]. - DOI:10.1088/1742-6596/1368/5/052005 // Journal of Physics: Conference Series. — 2019. — Vol. 1368, № 5. - P. 052005. - URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1368/5/052005/pdf (date accessed: 14.06.2022).

54. Timofeeva, S.V. Greedy forwarding for hyperbolic space in MANET / S.V. Timofeeva, D.M. Sarkisian, A.M. Sukhov, S.A. Zuev - DOI: 10.1109/TELFOR.2017.8249291 // 25th Telecommunications Forum (TELFOR). -2017. - Vol. 2017-January. - P. 1-4. - URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8249291 (date accessed: 14.06.2022).

55. Тимофеева, С. В. Протокол обмена данными в самоорганизующихся вычислительных средах / С. В. Тимофеева, Д. В. Филимонов, А. М. Сухов // Информационные технологии и нанотехнологии (ИТНТ-2017): сборник трудов III международной конференции и молодежной школы, Самара, 25-27 апреля 2017 года / Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева. - Самара: Предприятие "Новая техника", 2017. - С. 1569-1573. -URL: http://repo.ssau.ru/handle/Informacionnye-tehnologii-i-nanotehnologii/Protokol-obmena-dannymi-v-samoorganizuushihsya-vychislitelnyh-sredah-64071 (дата обращения: 14.06.2022).

56. Тимофеева, С.В. Кластерный подход для организации маршрутизации в иерархических системах / С. В. Тимофеева, Д. М. Саркисян, Н. А. Альзинская, А. М. Сухов // Информационные технологии и нанотехнологии: Сборник трудов ИТНТ-2018, Самара, 24-27 апреля 2018 года / Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева. - Самара: Предприятие "Новая техника", 2018. - С. 2176-2181. - URL: http://repo.ssau.ru/handle/Informacionnye-tehnologii-i-nanotehnologii/Klasternyi-podhod-dlya-organizacii-marshrutizacii-v-ierarhicheskih-sistemah-69234 (дата обращения: 14.06.2022).

57. Ловцов, К.Н. Система адресации и безтабличной маршрутизации в сетях нового поколения / К. Н. Ловцов, С. Майхуб, С. В. Тимофеева [и др.] // Сборник трудов ИТНТ-2019, Самара, 21-24 мая 2019 года. - Самара: Новая техника, 2019. -С. 899-907. - URL: http://repo.ssau.ru/handle/Informacionnye-tehnologii-i-nanotehnologii/Sistema-adresacii-i-beztablichnoi%CC%86-marshrutizacii-v-setyah-novogo-pokoleniya-75740 (дата обращения: 14.06.2022).

58. Кучерявый, А. Е. Самоорганизующиеся сети / А. Е. Кучерявый, А. В. Прокопьев, Е. А. Кучерявый. — СПб., Любавич, 2011. — 312 с.

59. Проскочило, А.В. Анализ состояния и перспективы развития самоорганизующихся сетей / А.В. Проскочило, А.В. Воробьев, М.С. Зряхов, А.С. Кравчук // Научные ведомости БелГУ. Серия: Экономика. Информатика. - 2015. -№ 19. - С. 177 - 186.

60. Боронин, Н.П. Интернет Вещей как новая концепция развития сетей связи / Н.П. Боронин, А.Е. Кучерявый // Информационные технологии и телекоммуникации. - 2014. - № 3. - С. 7 - 30.

70. Bansal N., Liu Z. Capacity, delay and mobility in wireless ad-hoc networks //IEEE INFOCOM 2003. Twenty-second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (IEEE Cat. No. 03CH37428). - IEEE, 2003. - Т. 2. - С. 1553-1563.

71. Neely M. J., Modiano E. Capacity and delay tradeoffs for ad hoc mobile networks //IEEE Transactions on Information Theory. - 2005. - Т. 51. - №. 6. - С. 19171937.

72. Talooki V. N., Ziarati K. Performance comparison of routing protocols for mobile ad hoc networks //2006 Asia-Pacific Conference on Communications. - IEEE, 2006. - С. 1-5.

73. Romdhani L., Ni Q., Turletti T. Adaptive EDCF: enhanced service differentiation for IEEE 802.11 wireless ad-hoc networks //2003 IEEE Wireless Communications and Networking, 2003. WCNC 2003. - IEEE, 2003. - Т. 2. - С. 13731378.

74. Macker J. Mobile ad hoc networking (MANET): Routing protocol performance issues and evaluation considerations. - 1999.

75. Holland G., Vaidya N. Analysis of TCP performance over mobile ad hoc networks //Wireless Networks. - 2002. - Т. 8. - №. 2-3. - С. 275-288.

76. Niyato D., Hossain E., Fallahi A. Sleep and wakeup strategies in solar-powered wireless sensor/mesh networks: Performance analysis and optimization //IEEE Transactions on Mobile Computing. - 2006. - Т. 6. - №. 2. - С. 221-236.

77. Liang Z. et al. Delay performance analysis for supporting real-time traffic in a cognitive radio sensor network //IEEE Transactions on Wireless Communications. -2010. - Т. 10. - №. 1. - С. 325-335.

78. Conti M., Giordano S. Multihop ad hoc networking: The theory //IEEE Communications Magazine. - 2007. - Т. 45. - №. 4. - С. 78-86.

79. Винокуров В. М. и др. Маршрутизация в беспроводных мобильных Ad hoc-сетях //Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - №. 2-1 (22).

80.

81. Bose, P. Routing with guaranteed delivery in ad hoc wireless networks / P. Bose // Wireless networks. - 2001. - Vol. 7(6). - P. 609-616.

82. Crespelle, Ch. Efficient Neighborhood Encoding for Interval Graphs and Permutation Graphs and O(n) Breadth-First Search / Christophe Crespelle, Philippe Gambette. // IWOCA 9. - 2009 - №. 9. - P. 146-157.

83. Thaler, D. G. Distributed center-location algorithms: proposals and comparisons / David G. Thaler, Chinya V. Ravishankar // In INFOCOM 96. Proceedings IEEE. - San Francisco, CA. - 1996. - V. 1. - P. 75-84.

84. Sukhov, A. M. The neighborhoods method and routing in sensor networks / A. M. Sukhov, D. Y. Chemodanov // IEEE Wireless Sensor (ICWISE). - 2013 -P. 7-12.

85. A C# implementation of the Reingold-Tilford tree layout algorithm for HeuristicLab [Электронный ресурс] // Blog at WordPress.com. - Режим доступа: https://blacketernal.wordpress.com/2013/06/20/a-c-implementation-of-the-reingold-tilford-tree-layout-algorithm-for-heuristiclab/ - 11.12.17.

86. Hiertz G. R. et al. IEEE 802.11 s: the WLAN mesh standard // IEEE Wireless Communications. 2010. V. 17. No 1. P. 104—111.

87. Wang J.C.P., Hagelstein B., Abolhasan M. Experimental evaluation of IEEE 802.11 s path selection protocols in a mesh testbed // 2010 4th International Conference on Signal Processing and Communication Systems. IEEE. 2010. P. 1—3.

88. ITU-T Y.1540. Internet protocol data communication service - IP packet transfer and availability performance parameters [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-Y.1540-201912-I! !PDF-E&type=items.

89. ITU-T G.114. One-way transmission time [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.114-200305-I! !PDF-E&type=items.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ДОКУМЕНТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВНЕДРЕНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

о внедрении результатов диссертационной работы Тимофеевой Софии Владимировны: на тему «Исследование иерархической маршрутизации и адресации для самоорганизующихся беспроводных сетей»

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы Тимофеевой C.B. «Исследование иерархической маршрутизации и адресации для самоорганизующихся беспроводных сетей», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук но специальности 2.2.15,Системы, сети и устройства телекоммуникации используются в ООО «Трител-Крым» для передачи телеметрической информации и видеопотоков.

Устройства с поддержкой протокола, разработанного в рамках диссертационной работы, развернуты и протестированы в сети ООО «Трител-Крым» в августе 2020 года. Полученная сеть использовалась для передачи видеопотоков и потоков данных о качестве связи операторов связи, поступающих в локальную сеть организации.

Данные, передаваемые по разработанному прототипу самоорганизующейся сети, используются для мониторинга работы операторов связи, в том числе для улучшения доступности информационных ресурсов.

АКТ

Коммерческий директор

кандидат пед.наук, доцент

117 «УПШОКДЛЮ» Ьм. директора но учебио-мстоднтескпИ рабшс ФШМКО-ТСХПИЧССКОГО института

ч,гмский федеральный rn.1V И. Нериадекого» Л.Ф. Рмйас!.

АКТ

о внедрении (использовании) результатов диссертационного исследования

в учебный процесс

Результаты диссертационного исследования Тимофеевой Софии Владимировны «Исследование иерархической маршрутизации и адресации для самоорганизующихся беспроводных сетей», а именно прототип самоорганизующейся беспроводной сети, в 2021 году внедрены в учебный процесс на основании решения кафедры компьютерной инженерии и моделирования (протокол № I от 26.08.2021 г.),согласовано на Учебно-методическом совете Физико-технического института (протокол № 2 от 02.09.2021 г.).

Указанные результаты включены в курс «Сетевые информационные технологии» для студентов направления подготовки 09.04,01 «Информатика и вычислительная техника» Физико-технического института » качестве демонстрационного средства при проведении лабораторных работ.

Зав. кафедрой Соискатель ученой с гепеин

20211.