Описание предметной области¶
В 2003 году ряд сотрудников института инженеров по электротехнике и электронике начали работу над дополнением к IEEE 802.11 — набору стандартов связи, для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 2,4; 3,6 и 5 ГГц. Дополнения носит название IEEE 802.11s. Оно описывает как устройства, имеющие средства для работы в беспроводной сети, могут сформировать самоорганизующуюся сеть с ячеистой топологией, которая называет mesh-сеть1. Данный стандарт является рамочным, что означает, что он описывает общие принципы организации mesh-сетей. Разработчики операционных систем разрабатывают и реализуют собственные алгоритмы в рамках, описанных в дополнении к стандарту.
В стандарте 802.11s устройство, работающее в mesh-сети называют mesh-станцией (mesh STA). Mesh-станция формирует связи со всеми другими станциями одна за другой, через которые могут быть проложены маршруты, используя протокол маршрутизации. Стандарт 802.11s определяет основной обязательный протокол маршрутизации - Hybrid Wireless Mesh Protocol, или HWMP), хотя и позволяет производителям использовать альтернативные протоколы. HWMP разработан как комбинация протокола AODV (RFC 3561) и протокола, основанного на построении дерева.
Рис. 1. Архитектура mesh позволяет узлам 1-4 иметь доступ к сети Интернет.
Mesh-станции — это отдельные устройства, использующие сервисы mesh для взаимодействия с другими устройствами в сети (Рис. 1). Они могут так же взаимодействовать с точками доступа 802.11 и обеспечивать доступ к mesh-сети станциям 802.11. Так же, mesh-станция может взаимодействовать с порталами 802.11, которые играют роль шлюза и предоставляют доступ к одной или нескольким не 802.11 сетям. В любом случае, стандарт 802.11s предоставляет гибкий механизм для обеспечения адресации устройств не стандарта 802, но не реализующих технологию mesh, позволяя конечным узлам быть осведомленными об их внешних адресах.
Стандарт 802.11s так же включает механизмы доступа к сети, средства управления перегрузками и обеспечения энергосбережения.
Анализ проблем и существующих решений¶
Одна из основных проблем, связанных с использование мобильных устройств (мобильных телефонов, персональных карманных компьютеров, ноутбуков и др.) - проблема небольшого времени работы от батареи. Увеличивать емкость батареи можно за счет увеличения ее размеров, но это не всегда возможно, так как устройство должно оставаться мобильным. Емкость аккумулятора тех же размеров происходит, но темпы роста ниже, чем темпы роста энергии, необходимые для работы в течении двух дней телефонов Nokia N-серии, которые связаны с использованием новых устройств и технологий (камеры с высоким разрешением, вспышки, большие яркие экраны и постоянный доступ в интернет). На Рис. 2 приведен результат исследования — прогноз по соотношению используемого объема энергии и перспектив развития аккумуляторов2.
Рис. 2. Прогнозы развития аккумуляторов и потребности в энергии у телефонов.
Поэтому другим вариантом решения этой проблемы является более аккуратное использование этих устройств и технологий. Так, например, при использовании технологии беспроводного доступа можно более экономно использовать сетевой контроллер, отправлять меньше пакетов, уходить на некоторое время в состояние сна и «просыпаться» только для того, чтобы получить сразу группу пакетов, передать пакеты и опять «уйти спать». Общие принципы энергосбережения определяются стандартом. Для беспроводных сетей, например, это описано в разделе «11.2 Power management»3. Каждая операционная система предлагает конкретное решение, удовлетворяющее стандарту. Для систем с открытым исходным кодом изучение такое реализации не является проблемой. Достаточно загрузить исходный код ядра системы с официального сайта или загрузить последнюю версию ядра из репозитория. Для ядра операционной системы Linux, которая является самой популярной системой с открытым исходным кодом, так же можно загрузить и изучить исходный код.
Анализ исходного кода ядра Linux позволяет сделать вывод, что режимы управления сохранением энергии соответствуют стандарту 802.11. Реализацией стандарта 802.11s занимается проект «open80211s». Но режимы сохранения энергии, описанные дополнением к стандарту 802.11 для mesh-сетей не реализованы.
Таким образом появляется проблема, которая до сих по не имеет решения — реализации режимов сохранения энергии в mesh-сетях.
Предполагаемый подход и ожидаемые результаты¶
Описанная к конце предыдущего раздела проблема может быть решена путем тщательного анализа стандарта 802.11s и реализацией в ядре Linux.
В рамках научной работы предполагается:- получить общее представление о стандарте 802.11 и приложении к нему 802.11s для mesh-сетей;
- тщательно разобраться в стандарте в вопросах, касающихся управления энергосбережением;
- изучить сетевой стек Linux;
- изучить архитектуру компонентов управления режимами энергосбережения в сетях 802.11s в ядре Linux;
- реализовать режимы энергосбережения для mesh-сетей в ядре Linux.
В качестве ожидаемого результата можно назвать патч к ядру Linux, добавляющий поддержку режимов энергосбережения. Патч может быть отправлен в список рассылки и, при положительных отзывах и отсутствии к тому моменту альтернатив, может быть принят в основную ветку ядра.
В соответствии с описанной проблемой и подходом к ее решению, тему научной работы можно сформулировать как «Реализация режимов энергосбережения стека IEEE 802.11s в Linux».
References¶
- IEEE P802.11sTM/D4.01. Draft STANDARD for Information Technology — Telecommunications and information exchange between systems — Local and metropolitan area networks — Specific requirements. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications. Amendment 10: Mesh Networking.
- Webinar «Mobile Internet Battery Life: Challenges/Solutions». Electronic resource: http://www.forum.nokia.com/Library/Multimedia/Webinars.xhtml.
- IEEE Standard for Information technology — Telecommunications and information exchange between systems — Local and metropolitan area networks — Specific requirements. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications.
