Численная оценка производительности беспроводной Wi-Fi сети с ячеистой топологией, использующей протокол маршрутизации B.A.T.M.A.N.
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ
БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ 7
1.1 Классификация технологий беспроводных сетей 7
1.2 Беспроводные персональные сети 9
1.3 Беспроводные глобальные сети 10
1.4 Беспроводные локальные сети 10
1.5 Режимы работы WLAN сетей 11
1.6 Виды самоорганизующихся сетей 14
1.6.1 Классификация по структуре 15
1.6.2 Классификация по области применения 16
1.7 Сложности организации безопасности в самоорганизующихся сетях. . 19
1.8 Модель угроз в самоорганизующихся сетях 20
1.9 Методы повышения безопасности 22
2 МАРШРУТИЗАЦИЯ В СЕТЯХ AD-HOC 24
2.1 Классификация и обзор протоколов маршрутизации 24
2.2 Краткий обзор существующих протоколов маршрутизации 27
2.3 Протокол маршрутизации B.A.T.M.A.N 28
2.4 Принцип работы и особенности протокола 29
2.5 Формат сообщений OGM 29
3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. АНАЛИЗ ПРОТОКОЛА МРШРУТИЗАЦИИ
B.A.T.M.A.N 34
3.1 Статическая сеть на основе протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N. . 34
3.1.1 Кабель Ethernet как среда передачи 34
3.2 Динамическая сеть на основе протокола B.A.T.M.A.N 37
3.2.1 Технология Wi-Fi как среда передачи 37
3.2.2 Измерение сходимости топологии сети 39
3.2.3 Измерение пропускной способности в зависимости от расстояния
между соседними устройствами 43
3.3 Написание программного кода на языке командного интерпретатора
Bash 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 47
ПРИЛОЖЕНИЕ А 49
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ
БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ 7
1.1 Классификация технологий беспроводных сетей 7
1.2 Беспроводные персональные сети 9
1.3 Беспроводные глобальные сети 10
1.4 Беспроводные локальные сети 10
1.5 Режимы работы WLAN сетей 11
1.6 Виды самоорганизующихся сетей 14
1.6.1 Классификация по структуре 15
1.6.2 Классификация по области применения 16
1.7 Сложности организации безопасности в самоорганизующихся сетях. . 19
1.8 Модель угроз в самоорганизующихся сетях 20
1.9 Методы повышения безопасности 22
2 МАРШРУТИЗАЦИЯ В СЕТЯХ AD-HOC 24
2.1 Классификация и обзор протоколов маршрутизации 24
2.2 Краткий обзор существующих протоколов маршрутизации 27
2.3 Протокол маршрутизации B.A.T.M.A.N 28
2.4 Принцип работы и особенности протокола 29
2.5 Формат сообщений OGM 29
3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. АНАЛИЗ ПРОТОКОЛА МРШРУТИЗАЦИИ
B.A.T.M.A.N 34
3.1 Статическая сеть на основе протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N. . 34
3.1.1 Кабель Ethernet как среда передачи 34
3.2 Динамическая сеть на основе протокола B.A.T.M.A.N 37
3.2.1 Технология Wi-Fi как среда передачи 37
3.2.2 Измерение сходимости топологии сети 39
3.2.3 Измерение пропускной способности в зависимости от расстояния
между соседними устройствами 43
3.3 Написание программного кода на языке командного интерпретатора
Bash 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 47
ПРИЛОЖЕНИЕ А 49
В современном мире наблюдается стремительный рост количества мобильных устройств у населения и, соответственно, потенциальных пользователей, желающих иметь быстрый доступ к сети, без разрывов сеансов связи в любой точке. Именно поэтому растет потребность в беспроводных соединениях. Такие технологии обеспечивают большую свободу для пользователей и обладают немалым количеством преимуществ по сравнению с традиционными проводными сетями. К ним относится быстрота проектирования, простота развертывания и реализации, гибкость архитектуры сети, которая подразумевает под собой динамическое изменение топологии сети при подключении, отключении или передвижении пользователей.
Беспроводная связь используется для осуществления передачи информации между компьютерными устройствами. К ним относятся ноутбуки, персональные компьютеры, серверы, мобильные телефоны, различные цифровые помощники, принтеры и др. Современные технологии также позволяют иметь малым устройствам сетевые адаптеры и достаточную вычислительную мощность для подключения к беспроводной сети. Это говорит о том, что в ближайшем будущем большинство электронных устройств, таких как головные гарнитуры, ip-камеры, датчики и сенсоры будут иметь возможность выходить в сеть и обмениваться информацией. Она может быть представлена в виде различных сообщений, записей баз данных, голосовых сообщений или потокового видео.
Беспроводные сети в настоящее время имеют и свои слабые стороны. В первую очередь это зависимость радиуса действия и скорости соединения от наличия преград и от расстояния между приёмником и передатчиком. Одним из способов, который позволяет нивелировать эти недостатки является создание распределённых сетей на основе нескольких точек беспроводного доступа. При создании таких сетей появляется возможность организовать единую беспроводную зону и увеличить скорость соединения вне зависимости от расстояния и преград. Во-вторых, для успешной передачи пакетов информации самого различного рода, необходимо чтобы алгоритм маршрутизации производил поиск оптимального решения и перестройку топологии при минимальных энерго- и ресурсозатратах. Маршрутизация - это один из важнейших механизмов передачи пакетов по компьютерным сетям. Маршрутизация необходима для решения как минимум двух основных задач: поиска кратчайших путей для передачи пакетов и борьба с перегрузками узлов сети. Основные факторы, которые влияют на выбор маршрутизатором пути - это неисправности (явление при котором узел или канал связи выходят из строя) и перегрузки, когда узел или канал связи не справляется с потоком передаваемой информации.
Распределенные сети - это следующий шаг в развитии беспроводных сетей. Это связано с тем, что такие сети позволяют устранить недостатки, которые имеют централизованно управляемые беспроводные сети. Поэтому, целью данной выпускной квалификационной работы является исследование протокола маршрутизации Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking (B.A.T.M.A.N.) для распределенной беспроводной сети и его особенностей. Достижение поставленной цели потребовало решение следующих задач:
1) Изучения технологий, принципов построения и
функционирования беспроводных компьютерных сетей;
2) Построения модели угроз для беспроводных распределенных сетей;
3) Изучения особенностей работы протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N.;
4) Исследования работы протокола для ряда проводных и беспроводных работоспособных топологий сети с использованием протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N.;
5) Измерения скорости сходимости при изменении топологии беспроводной сети с использованием протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N.;
6) Измерения пропускной способности беспроводной сети с использованием протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N. в зависимости от расстояния между узлами.
Беспроводная связь используется для осуществления передачи информации между компьютерными устройствами. К ним относятся ноутбуки, персональные компьютеры, серверы, мобильные телефоны, различные цифровые помощники, принтеры и др. Современные технологии также позволяют иметь малым устройствам сетевые адаптеры и достаточную вычислительную мощность для подключения к беспроводной сети. Это говорит о том, что в ближайшем будущем большинство электронных устройств, таких как головные гарнитуры, ip-камеры, датчики и сенсоры будут иметь возможность выходить в сеть и обмениваться информацией. Она может быть представлена в виде различных сообщений, записей баз данных, голосовых сообщений или потокового видео.
Беспроводные сети в настоящее время имеют и свои слабые стороны. В первую очередь это зависимость радиуса действия и скорости соединения от наличия преград и от расстояния между приёмником и передатчиком. Одним из способов, который позволяет нивелировать эти недостатки является создание распределённых сетей на основе нескольких точек беспроводного доступа. При создании таких сетей появляется возможность организовать единую беспроводную зону и увеличить скорость соединения вне зависимости от расстояния и преград. Во-вторых, для успешной передачи пакетов информации самого различного рода, необходимо чтобы алгоритм маршрутизации производил поиск оптимального решения и перестройку топологии при минимальных энерго- и ресурсозатратах. Маршрутизация - это один из важнейших механизмов передачи пакетов по компьютерным сетям. Маршрутизация необходима для решения как минимум двух основных задач: поиска кратчайших путей для передачи пакетов и борьба с перегрузками узлов сети. Основные факторы, которые влияют на выбор маршрутизатором пути - это неисправности (явление при котором узел или канал связи выходят из строя) и перегрузки, когда узел или канал связи не справляется с потоком передаваемой информации.
Распределенные сети - это следующий шаг в развитии беспроводных сетей. Это связано с тем, что такие сети позволяют устранить недостатки, которые имеют централизованно управляемые беспроводные сети. Поэтому, целью данной выпускной квалификационной работы является исследование протокола маршрутизации Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking (B.A.T.M.A.N.) для распределенной беспроводной сети и его особенностей. Достижение поставленной цели потребовало решение следующих задач:
1) Изучения технологий, принципов построения и
функционирования беспроводных компьютерных сетей;
2) Построения модели угроз для беспроводных распределенных сетей;
3) Изучения особенностей работы протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N.;
4) Исследования работы протокола для ряда проводных и беспроводных работоспособных топологий сети с использованием протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N.;
5) Измерения скорости сходимости при изменении топологии беспроводной сети с использованием протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N.;
6) Измерения пропускной способности беспроводной сети с использованием протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N. в зависимости от расстояния между узлами.
1) В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были изучены принципы построения и функционирования беспроводных сетей. Рассмотрены их достоинства и недостатки распределенных сетей. Такие сети являются перспективными для решения задач гражданского и военного применения. Но для повсеместного распространения распределенных сетей остается ряд задач, которым будут посвящены дальнейшие исследования;
2) . Рассмотрен вопрос безопасности в беспроводных распределенных сетях. Выявлены источники уязвимости и разработана модель угроз. Можно отметить, что распределенные сети уязвимы к классическим типам атак аналогично всем беспроводным сетям, но имеют свои особенности связанные с высокой мобильностью устройств;
3) Приведена классификация протоколов маршрутизации используемых в распределенных сетях. Описаны особенности работы протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N;
4) В ходе выполнения практической части было собрано две экспериментальные установки (проводная и беспроводная) на основе ноутбуков под управлением ОС Linux Ubuntu 16, Проведена настройка сети, работающая под управлением протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N. которая потребовала навыков и знаний в области построения и функционирования беспроводных компьютерных сетей. Дополнительно был реализован программный код на языке программного интерпретатора Bash, позволяющий автоматизировать настройку сети;
5) Была измерена средняя скорость сходимости протокола маршрутизации при перемещении узла (при изменении топологии сети), которая составила 12 секунд. Протоколы маршрутизации могут быть оценены на основе скорости сходимости, которая включает в себя скорость распространения маршрутной информации и вычисления оптимального пути, чем быстрее сходимость, тем более эффективен протокол маршрутизации;
6) Исследована зависимость между пропускной способностью сети и расстоянием между узлами. При увеличении расстояния между узлами, пропускная способность сети сильно падает. В связи с этим, в сетях с высокой плотностью устройств и большим числом пользовательских потоков скорость передачи выше. При этом, использование реактивных протоколов, таких как B.A.T.M.A.N. более эффективно. Это связано с меньшим объемом передаваемой по сети служебной информации.
2) . Рассмотрен вопрос безопасности в беспроводных распределенных сетях. Выявлены источники уязвимости и разработана модель угроз. Можно отметить, что распределенные сети уязвимы к классическим типам атак аналогично всем беспроводным сетям, но имеют свои особенности связанные с высокой мобильностью устройств;
3) Приведена классификация протоколов маршрутизации используемых в распределенных сетях. Описаны особенности работы протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N;
4) В ходе выполнения практической части было собрано две экспериментальные установки (проводная и беспроводная) на основе ноутбуков под управлением ОС Linux Ubuntu 16, Проведена настройка сети, работающая под управлением протокола маршрутизации B.A.T.M.A.N. которая потребовала навыков и знаний в области построения и функционирования беспроводных компьютерных сетей. Дополнительно был реализован программный код на языке программного интерпретатора Bash, позволяющий автоматизировать настройку сети;
5) Была измерена средняя скорость сходимости протокола маршрутизации при перемещении узла (при изменении топологии сети), которая составила 12 секунд. Протоколы маршрутизации могут быть оценены на основе скорости сходимости, которая включает в себя скорость распространения маршрутной информации и вычисления оптимального пути, чем быстрее сходимость, тем более эффективен протокол маршрутизации;
6) Исследована зависимость между пропускной способностью сети и расстоянием между узлами. При увеличении расстояния между узлами, пропускная способность сети сильно падает. В связи с этим, в сетях с высокой плотностью устройств и большим числом пользовательских потоков скорость передачи выше. При этом, использование реактивных протоколов, таких как B.A.T.M.A.N. более эффективно. Это связано с меньшим объемом передаваемой по сети служебной информации.