Ячеистая топология

Ячеистая топология (англ. Mesh Topology) — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако, при такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу "каждый с каждым". Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута следования трафика внутри сети — следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом.

Сетевая топология

Сетевая тополо́гия — это конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры) и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы), а рёбрам — физические или информационные связи между вершинами.

Сетевая топология может быть

• физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети.
• логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии.
• информационной — описывает направление потоков информации, передаваемых по сети.
• управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью.

Беспроводные ячеистые (Mesh) сети

Сеть беспроводных устройств, функционирующая по принципам ячеистой топологии называется Беспроводной Mesh / Ячеистой сетью.

Mesh-сети изначально разрабатывались в военных целях и, как правило, являются беспроводными. За последнее время размер устройств, стоимость, а так же их энергопотребление снизились, и стало возможным добавление нескольких радио-модулей на один узел. Вследствие чего каждая ячейка получила возможность одновременно выполнять несколько полезных функций, таких как клиентский доступ, сканирование, требуемое для высокоскоростных передач в мобильных приложениях и прочие.

Для разработки такого типа сетей полезными оказываются знания методов теории игр, которые помогают анализировать стратегии выделения ресурсов и построения маршрутов в ячеистой топологии.

Узлы первых беспроводных ячеистых сетей представляли из себя устройства, способные работать только в режиме half-duplex (см. Shared Mesh англ.).

Позднее, с развитием радио-модулей, стало естественным осуществление приема и передачи одновременно на разных частотах или CDMA каналах, что резко подтолкнуло развитие сетей с ячеистой топологией.

Общие особенности

• "Интеллектуальность" сети

Является одной из ключевых особенностей беспроводной ячеистой сети. "Интеллектуальность" означает, что при подключении каждая точка автоматически получает информацию о всех других точках доступа в сети и "выясняет" свою роль. Такое поведение исключает необходимость постоянного администрирования и способствует быстрому развертыванию.

• Самовосстановление и самоадаптация

Как можно понять из предыдущего пункта — как только сеть включена и начинает функционировать, то каждое устройство автоматически определяет состояние соседей и свою роль в общей топологии. Поэтому, при выходе из строя одного из узлов, сеть способна перенаправить данные — то есть переопределить маршруты автоматически.

• Быстрое и недорогое развертывание

Развертывание Mesh сети не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, в силу способностей к самовосстановлению и самоадаптации — данная сеть является экономной в эксплуатации.

Организация сети

Беспроводные ячеистые сети — первый шаг в направлении экономически эффективных и динамических сетей с высокой пропускной способностью. Такая топология, по сути, является сетью маршрутизаторов, лишенной проводов между узлами. Беспроводная ячеистая сеть построена на Peer radio устройствах, которые не требуют кабельного соединения, необходимого для традиционных беспроводных точек доступа. Mesh топология позволяет передавать данные на большие расстояния путём разбиения длинного маршрута на серию коротких переходов между узлами - хопов/hops. Промежуточные узлы не только усиливают сигнал, но и совместно передают его от точки A до точки B - осуществляют переадресацию, основываясь на их знании о сети в целом. Другими словами - каждый узел осуществляют маршрутизацию. Такая архитектура, при тщательной разработке и анализе, может обеспечить высокую пропускную способность, спектральную эффективность и экономическое преимущество в зоне покрытия.

Топология беспроводной ячеистой сети относительно постоянна. Только в случаях внезапного отключения или добавления новых узлов могут быть инициированы процессы изменения структуры сети. Маршрут движения трафика, будучи сформированным большим числом конечных пользователей - редко меняется. Практически весь трафик в топологии ячеистой сети либо направлен через шлюз, либо исходит из него, в то время как в беспроводных ad-hoc сетях трафик течет между произвольной парой узлов.

Данный тип топологии может быть децентрализованным или централизованным - в зависимости от присутствия в сети главного сервера, оба подхода относительно недороги, надежны и отказоустойчивы, так как задача каждого узла - передача трафика только до следующего узла сети. Каждое устройство выполняет функции маршрутизатора по передаче данных от соседних узлов к удаленным участникам сети, для достижения которых недостаточно одного перехода. В результате получена сеть, способная покрывать огромные расстояния не теряя своей устойчивости. Надежность Mesh топологии обеспечивается так же тем, что каждый узел соединен с несколькими соседями. Это значит, что при выбывании узла из топологии из-за неисправностей устройства или по каким-либо другим причинам, его соседи смогут быстро перестроить маршрут для трафика используя свои протоколы маршрутизации.

Области применения

Ячеистые сети можно применить для решения широкого спектра задач - наблюдения за полем боя, телеметрия гоночного автомобиля в реальном времени, настройка сети в условиях неблагоприятной окружающей среды и пр. В зависимости от поставленной задачи, можно настроить поведение Mesh-структуры наиболее подходящим образом. Такая гибкость обеспечивается большим количеством разнообразных возможностей и особенностей данной топологии, которые можно комбинировать произвольным способом. Например, одной из наиболее полезных для применения особенностей Mesh-сети является возможность реализации протокола VoIP поверх ячеистой топологии, используя схему QoS. Такая реализация позволяет поддерживать локальные телефонные разговоры за счет ресурсов сети. В число устройств могут входить как стационарные так и мобильные, что, опять же, обеспечивает легкость развертывания и гибкость настройки при решении конкретной задачи.

Функционирование

Принцип во многом напоминает способ перемещения пакетов в проводной сети - данные перемещаются от одного устройства к другому до тех пор, пока пакет не достигнет назначенного получателя. Это обеспечивается алгоритмами динамической маршрутизации, встроенным в каждое устройство. Для реализации таких динамических протоколов необходимо, чтобы все устройства сети регулярно обменивались маршрутной информацией между собой. После чего каждый узел определяет, что он должен сделать с полученной информацией - либо передать пакет на следующее устройство, либо сохранить его, согласно указаниям протокола. Кроме того, алгоритмы маршрутизации должны соответствовать требованию о кратчайшем маршруте - то есть строить наиболее подходящий и эффективный маршрут до узла назначения.

Коммерческие mesh-маршрутизаторы

Цифровые радиоприемники ZigBee встраиваются в некоторые устройства бытовой техники, включая те, которые функционируют от батареек. ZigBee радио-модули произвольным образом организуются в ячеистую сеть, используя AODV маршрутизацию; передача и прием синхронизированы. Это означает, что радио-модули могут быть выключены большую часть времени для экономии потребления энергии.

В начале 2007 года, фирма Meraki запустила свой проект - беспроводной мини mesh-маршрутизатор. Данная разработка - пример беспроводной ячеистой сети с заявленной скоростью обмена данными 50 Мбит/сек. Протокол беспроводной связи 802.11 был оптимизирован в устройствах Meraki для передачи данных на большие расстояния, что обеспечило покрытие на расстояния более 250 метров.

Использование

Связь в регионах с неразвитой инфраструктурой

Ноутбуки программы One Laptop Per Child используют беспроводные ячеистые сети для предоставления учащимся возможности обмениваться файлами и подключаться к сети интернет даже при отсутствии рядом каких-либо средств физического подключения, таких как кабели, мобильные телефоны и пр.

В сельском районе Каталонии, в 2004 году была разработана сеть Guifi.net - как ответ на недоступность широкополосного интернета в регионе, ввиду того, что местные интернет-провайдеры практически не предоставляли данного вида услуг. На сегодняшний день в этой сети существует более 30000 узлов и, благодаря peer to peer соглашению, данная сеть остается открытой, свободной и нейтральной с обширными возможностями резервирования.

Связь в крупных корпоративных средах

Решение проблемы "бутылочного горлышка". У беспроводных сетей, предназначенных для крупных корпоративных сред есть существенный недостаток - так называемый эффект "Бутылочного горлышка", который можно наблюдать при использовании большого количества точек доступа. Другими словами: при большом числе подключений наблюдается резкое снижение пропускной способности сети. Это объясняется особенностями точек доступа стандарта 802.11, которые предоставляют разделяемую среду, где в данный момент времени только одна из них может вести передачу данных. Таким образом, в традиционной сети все клиенты подключаются к единственной точке доступа, имеющей выход в интернет. В сети с ячеистой топологией любое устройство способно выступать как в роли маршрутизатора, так и точки доступа. Такой принцип позволяет при большой нагрузке на устройство перенаправить данные на ближайшего, менее загруженного соседа

Связь на массовых мероприятиях

3 июня 2006 года, в Кембридже, ячеистая сеть была использована на традиционном музыкальном фестивале "Strawberry Fair" для запуска мобильных сервисов live-телевидения, радио и интернета для, приблизительно, 80000 человек.

Военное дело

Беспроводные ячеистые сети на сегодняшний день используются силами армии США для обеспечения соединения компьютеров - в основном, защищенных ноутбуков, при проведении полевых операций.

Энергетика

Установленные на конечных узлах электросчетчики собирают общую информацию, передавая измеренные показания от одного к другому, а в итоге - в центральный офис для выставления счета клиенту. Такая организация позволяет исключить необходимость использование человеческого труда для снятия показаний приборов, а так же избавиться от кабелей для подключения счетчиков.

Спутниковая связь

66 спутников созвездия Иридиум функционируют как единая mesh-сеть с беспроводными соединениями между соседними спутниками. Звонок между двумя спутниковыми телефонами передается через ячеистую сеть от одного спутника до другого внутри "созвездия" без необходимости взаимодействия со станциями связи на Земле. Это обеспечивает более короткие пути следования сигнала, снижает задержку при разговоре, а также позволяет "созвездию" функционировать, используя гораздо меньшее количество земных спутниковых станций, чем потребовалось бы для 66 традиционных спутников связи.

См. также

• Беспроводные ad-hoc-сети
• Cjdns (Hyperboria)
• B.A.T.M.A.N.
• DTN
• Netsukuku
• OSPF
• IEEE 802.1aq - Shortest Path Bridging (SPB)
• ZigBee

Ссылки

• Антон Борисов,[samag.ru/archive/article/1731 Знакомимся с реализацией свободной mesh-сети] / Системный Администратор Выпуск №7 (68), 2008
• Максим Киселев, [citforum.ru/nets/wireless/mesh/ Ячеистые сети] / "Экспресс Электроника", CITForum

Отрывок, характеризующий Ячеистая топология

Княжна улыбнулась, как улыбаются люди, которые думают что знают дело больше, чем те, с кем разговаривают.
– Я тебе скажу больше, – продолжал князь Василий, хватая ее за руку, – письмо было написано, хотя и не отослано, и государь знал о нем. Вопрос только в том, уничтожено ли оно, или нет. Ежели нет, то как скоро всё кончится , – князь Василий вздохнул, давая этим понять, что он разумел под словами всё кончится , – и вскроют бумаги графа, завещание с письмом будет передано государю, и просьба его, наверно, будет уважена. Пьер, как законный сын, получит всё.
– А наша часть? – спросила княжна, иронически улыбаясь так, как будто всё, но только не это, могло случиться.
– Mais, ma pauvre Catiche, c'est clair, comme le jour. [Но, моя дорогая Катишь, это ясно, как день.] Он один тогда законный наследник всего, а вы не получите ни вот этого. Ты должна знать, моя милая, были ли написаны завещание и письмо, и уничтожены ли они. И ежели почему нибудь они забыты, то ты должна знать, где они, и найти их, потому что…
– Этого только недоставало! – перебила его княжна, сардонически улыбаясь и не изменяя выражения глаз. – Я женщина; по вашему мы все глупы; но я настолько знаю, что незаконный сын не может наследовать… Un batard, [Незаконный,] – прибавила она, полагая этим переводом окончательно показать князю его неосновательность.
– Как ты не понимаешь, наконец, Катишь! Ты так умна: как ты не понимаешь, – ежели граф написал письмо государю, в котором просит его признать сына законным, стало быть, Пьер уж будет не Пьер, а граф Безухой, и тогда он по завещанию получит всё? И ежели завещание с письмом не уничтожены, то тебе, кроме утешения, что ты была добродетельна et tout ce qui s'en suit, [и всего, что отсюда вытекает,] ничего не останется. Это верно.
– Я знаю, что завещание написано; но знаю тоже, что оно недействительно, и вы меня, кажется, считаете за совершенную дуру, mon cousin, – сказала княжна с тем выражением, с которым говорят женщины, полагающие, что они сказали нечто остроумное и оскорбительное.
– Милая ты моя княжна Катерина Семеновна, – нетерпеливо заговорил князь Василий. – Я пришел к тебе не за тем, чтобы пикироваться с тобой, а за тем, чтобы как с родной, хорошею, доброю, истинною родной, поговорить о твоих же интересах. Я тебе говорю десятый раз, что ежели письмо к государю и завещание в пользу Пьера есть в бумагах графа, то ты, моя голубушка, и с сестрами, не наследница. Ежели ты мне не веришь, то поверь людям знающим: я сейчас говорил с Дмитрием Онуфриичем (это был адвокат дома), он то же сказал.
Видимо, что то вдруг изменилось в мыслях княжны; тонкие губы побледнели (глаза остались те же), и голос, в то время как она заговорила, прорывался такими раскатами, каких она, видимо, сама не ожидала.
– Это было бы хорошо, – сказала она. – Я ничего не хотела и не хочу.
Она сбросила свою собачку с колен и оправила складки платья.
– Вот благодарность, вот признательность людям, которые всем пожертвовали для него, – сказала она. – Прекрасно! Очень хорошо! Мне ничего не нужно, князь.
– Да, но ты не одна, у тебя сестры, – ответил князь Василий.
Но княжна не слушала его.
– Да, я это давно знала, но забыла, что, кроме низости, обмана, зависти, интриг, кроме неблагодарности, самой черной неблагодарности, я ничего не могла ожидать в этом доме…
– Знаешь ли ты или не знаешь, где это завещание? – спрашивал князь Василий еще с большим, чем прежде, подергиванием щек.
– Да, я была глупа, я еще верила в людей и любила их и жертвовала собой. А успевают только те, которые подлы и гадки. Я знаю, чьи это интриги.
Княжна хотела встать, но князь удержал ее за руку. Княжна имела вид человека, вдруг разочаровавшегося во всем человеческом роде; она злобно смотрела на своего собеседника.
– Еще есть время, мой друг. Ты помни, Катишь, что всё это сделалось нечаянно, в минуту гнева, болезни, и потом забыто. Наша обязанность, моя милая, исправить его ошибку, облегчить его последние минуты тем, чтобы не допустить его сделать этой несправедливости, не дать ему умереть в мыслях, что он сделал несчастными тех людей…
– Тех людей, которые всем пожертвовали для него, – подхватила княжна, порываясь опять встать, но князь не пустил ее, – чего он никогда не умел ценить. Нет, mon cousin, – прибавила она со вздохом, – я буду помнить, что на этом свете нельзя ждать награды, что на этом свете нет ни чести, ни справедливости. На этом свете надо быть хитрою и злою.
– Ну, voyons, [послушай,] успокойся; я знаю твое прекрасное сердце.
– Нет, у меня злое сердце.
– Я знаю твое сердце, – повторил князь, – ценю твою дружбу и желал бы, чтобы ты была обо мне того же мнения. Успокойся и parlons raison, [поговорим толком,] пока есть время – может, сутки, может, час; расскажи мне всё, что ты знаешь о завещании, и, главное, где оно: ты должна знать. Мы теперь же возьмем его и покажем графу. Он, верно, забыл уже про него и захочет его уничтожить. Ты понимаешь, что мое одно желание – свято исполнить его волю; я затем только и приехал сюда. Я здесь только затем, чтобы помогать ему и вам.
– Теперь я всё поняла. Я знаю, чьи это интриги. Я знаю, – говорила княжна.
– Hе в том дело, моя душа.
– Это ваша protegee, [любимица,] ваша милая княгиня Друбецкая, Анна Михайловна, которую я не желала бы иметь горничной, эту мерзкую, гадкую женщину.
– Ne perdons point de temps. [Не будем терять время.]
– Ax, не говорите! Прошлую зиму она втерлась сюда и такие гадости, такие скверности наговорила графу на всех нас, особенно Sophie, – я повторить не могу, – что граф сделался болен и две недели не хотел нас видеть. В это время, я знаю, что он написал эту гадкую, мерзкую бумагу; но я думала, что эта бумага ничего не значит.
– Nous у voila, [В этом то и дело.] отчего же ты прежде ничего не сказала мне?
– В мозаиковом портфеле, который он держит под подушкой. Теперь я знаю, – сказала княжна, не отвечая. – Да, ежели есть за мной грех, большой грех, то это ненависть к этой мерзавке, – почти прокричала княжна, совершенно изменившись. – И зачем она втирается сюда? Но я ей выскажу всё, всё. Придет время!


В то время как такие разговоры происходили в приемной и в княжниной комнатах, карета с Пьером (за которым было послано) и с Анной Михайловной (которая нашла нужным ехать с ним) въезжала во двор графа Безухого. Когда колеса кареты мягко зазвучали по соломе, настланной под окнами, Анна Михайловна, обратившись к своему спутнику с утешительными словами, убедилась в том, что он спит в углу кареты, и разбудила его. Очнувшись, Пьер за Анною Михайловной вышел из кареты и тут только подумал о том свидании с умирающим отцом, которое его ожидало. Он заметил, что они подъехали не к парадному, а к заднему подъезду. В то время как он сходил с подножки, два человека в мещанской одежде торопливо отбежали от подъезда в тень стены. Приостановившись, Пьер разглядел в тени дома с обеих сторон еще несколько таких же людей. Но ни Анна Михайловна, ни лакей, ни кучер, которые не могли не видеть этих людей, не обратили на них внимания. Стало быть, это так нужно, решил сам с собой Пьер и прошел за Анною Михайловной. Анна Михайловна поспешными шагами шла вверх по слабо освещенной узкой каменной лестнице, подзывая отстававшего за ней Пьера, который, хотя и не понимал, для чего ему надо было вообще итти к графу, и еще меньше, зачем ему надо было итти по задней лестнице, но, судя по уверенности и поспешности Анны Михайловны, решил про себя, что это было необходимо нужно. На половине лестницы чуть не сбили их с ног какие то люди с ведрами, которые, стуча сапогами, сбегали им навстречу. Люди эти прижались к стене, чтобы пропустить Пьера с Анной Михайловной, и не показали ни малейшего удивления при виде их.
– Здесь на половину княжен? – спросила Анна Михайловна одного из них…
– Здесь, – отвечал лакей смелым, громким голосом, как будто теперь всё уже было можно, – дверь налево, матушка.
– Может быть, граф не звал меня, – сказал Пьер в то время, как он вышел на площадку, – я пошел бы к себе.
Анна Михайловна остановилась, чтобы поровняться с Пьером.
– Ah, mon ami! – сказала она с тем же жестом, как утром с сыном, дотрогиваясь до его руки: – croyez, que je souffre autant, que vous, mais soyez homme. [Поверьте, я страдаю не меньше вас, но будьте мужчиной.]
– Право, я пойду? – спросил Пьер, ласково чрез очки глядя на Анну Михайловну.
– Ah, mon ami, oubliez les torts qu'on a pu avoir envers vous, pensez que c'est votre pere… peut etre a l'agonie. – Она вздохнула. – Je vous ai tout de suite aime comme mon fils. Fiez vous a moi, Pierre. Je n'oublirai pas vos interets. [Забудьте, друг мой, в чем были против вас неправы. Вспомните, что это ваш отец… Может быть, в агонии. Я тотчас полюбила вас, как сына. Доверьтесь мне, Пьер. Я не забуду ваших интересов.]
Пьер ничего не понимал; опять ему еще сильнее показалось, что всё это так должно быть, и он покорно последовал за Анною Михайловной, уже отворявшею дверь.
Дверь выходила в переднюю заднего хода. В углу сидел старик слуга княжен и вязал чулок. Пьер никогда не был на этой половине, даже не предполагал существования таких покоев. Анна Михайловна спросила у обгонявшей их, с графином на подносе, девушки (назвав ее милой и голубушкой) о здоровье княжен и повлекла Пьера дальше по каменному коридору. Из коридора первая дверь налево вела в жилые комнаты княжен. Горничная, с графином, второпях (как и всё делалось второпях в эту минуту в этом доме) не затворила двери, и Пьер с Анною Михайловной, проходя мимо, невольно заглянули в ту комнату, где, разговаривая, сидели близко друг от друга старшая княжна с князем Васильем. Увидав проходящих, князь Василий сделал нетерпеливое движение и откинулся назад; княжна вскочила и отчаянным жестом изо всей силы хлопнула дверью, затворяя ее.
Жест этот был так не похож на всегдашнее спокойствие княжны, страх, выразившийся на лице князя Василья, был так несвойствен его важности, что Пьер, остановившись, вопросительно, через очки, посмотрел на свою руководительницу.
Анна Михайловна не выразила удивления, она только слегка улыбнулась и вздохнула, как будто показывая, что всего этого она ожидала.
– Soyez homme, mon ami, c'est moi qui veillerai a vos interets, [Будьте мужчиною, друг мой, я же стану блюсти за вашими интересами.] – сказала она в ответ на его взгляд и еще скорее пошла по коридору.
Пьер не понимал, в чем дело, и еще меньше, что значило veiller a vos interets, [блюсти ваши интересы,] но он понимал, что всё это так должно быть. Коридором они вышли в полуосвещенную залу, примыкавшую к приемной графа. Это была одна из тех холодных и роскошных комнат, которые знал Пьер с парадного крыльца. Но и в этой комнате, посередине, стояла пустая ванна и была пролита вода по ковру. Навстречу им вышли на цыпочках, не обращая на них внимания, слуга и причетник с кадилом. Они вошли в знакомую Пьеру приемную с двумя итальянскими окнами, выходом в зимний сад, с большим бюстом и во весь рост портретом Екатерины. Все те же люди, почти в тех же положениях, сидели, перешептываясь, в приемной. Все, смолкнув, оглянулись на вошедшую Анну Михайловну, с ее исплаканным, бледным лицом, и на толстого, большого Пьера, который, опустив голову, покорно следовал за нею.
На лице Анны Михайловны выразилось сознание того, что решительная минута наступила; она, с приемами деловой петербургской дамы, вошла в комнату, не отпуская от себя Пьера, еще смелее, чем утром. Она чувствовала, что так как она ведет за собою того, кого желал видеть умирающий, то прием ее был обеспечен. Быстрым взглядом оглядев всех, бывших в комнате, и заметив графова духовника, она, не то что согнувшись, но сделавшись вдруг меньше ростом, мелкою иноходью подплыла к духовнику и почтительно приняла благословение одного, потом другого духовного лица.
– Слава Богу, что успели, – сказала она духовному лицу, – мы все, родные, так боялись. Вот этот молодой человек – сын графа, – прибавила она тише. – Ужасная минута!
Проговорив эти слова, она подошла к доктору.
– Cher docteur, – сказала она ему, – ce jeune homme est le fils du comte… y a t il de l'espoir? [этот молодой человек – сын графа… Есть ли надежда?]
Доктор молча, быстрым движением возвел кверху глаза и плечи. Анна Михайловна точно таким же движением возвела плечи и глаза, почти закрыв их, вздохнула и отошла от доктора к Пьеру. Она особенно почтительно и нежно грустно обратилась к Пьеру.