d3.2 komunikacijska arhitektura za flotu usv-ova...sva komunikacija prelazi preko jednog fizičkog...
TRANSCRIPT
-
D3.2 Komunikacijska arhitektura za flotu
USV-ova
Sveučilište u Zagrebu, Fakultet elektrotehnike i računarstva
Laboratorij za podvodne sustave i tehnologije
31. srpnja 2018.
-
Sadržaj
Uvod 2
Komunikacijska arhitektura 3
Usmjerivački protokol 3
Mrežna topologija 4
Eksperimenti 6
Eksperiment 1 8
Eksperiment 2 10
Eksperiment 3 12
Eksperiment 4 15
Zaključak 17
1
-
Uvod
Da bi mogli izvoditi eksperimente u okruženju kao što je more, moramo paziti na
sigurnost vozila. Jedan od zahtjeva koji proizlaze iz toga je odabir komunikacijske
arhitekture koja nam omogućuje upravljanje vozilima s kopna. Za izvođenje
eksperimenata upravljanjem formacijom površinska vozila moraju kontinuirano
izmjenjivati informacije o poziciji. Stoga smo se za razmjenu informacija između
površinskih vozila odlučili za WiFi komunikaciju zbog jednostavnosti i
komunikacijskog dometa.
S obzirom na to da je sustav decentraliziran, ne bi imalo smisla upotrijebiti klasičnu
strukturu kao što je pristupna točka – klijent (engl. access point – client), jer takva
struktura nameće jednu glavnu pristupnu točku. Nedostatak ovog pristupa je taj da
sva komunikacija prelazi preko jednog fizičkog uređaja, time stvarajući usko grlo
(engl. bottleneck) protoka podataka i nepotrebna kašnjenja u komunikaciji.
Razmotrili smo alternativne opcije protokola WiFi komunikacije, od kojih WMN
(engl. Wireless Mesh Network) posjeduje najbolje karakteristike.
Također, potrebna nam je spojna točka za prijenosna računala koja će omogućiti
upravljanje i nadziranje sustava prilikom izvođenja eksperimenata.
U ovom radu definirat ćemo komunikacijsku arhitekturu za flotu površinskih vozila.
Definirat ćemo usmjerivački protokol, i mrežnu topologiju. Na kraju ćemo prikazati
rezultate provedenih eksperimenata za testiranje kvalitete komunikacije.
2
-
Komunikacijska arhitektura
WMN (engl. Wireless Mesh Network) je oblik bežične ad-hoc komunikacijske mreže (engl. wireless ad hoc network, WANET).
WANET je decentralizirani tip bežične komunikacijske mreže koja ne ovisi o
postojećoj mrežnoj infrastrukturi, kao što su pristupne točke ili usmjernici u žičanim
mrežama. Temelji se na tome da svaki čvor komunicira sa susjednim čvorovima,
sudjeluje u prosljeđivanju podataka između drugih čvorova u mreži, time postižući
usmjeravanje podataka na dinamičan način u ovisnosti o kvaliteti veze i
usmjerivačkom protokolu.
Mesh mreža nije hijerarhijskog tipa, što znači da su svi čvorovi u mreži jednaki. Stoga
u komunikacijskom sustavu nemamo najslabiju kariku o kojoj nam ovisi čitava
komunikacija. U slučaju da dođe do kvara na bilo kojem od čvorova, komunikacija u
ostatku sustava će se nastaviti jer će ostali čvorovi dinamično pronaći drugi
podatkovni put. Jedna od prednosti korištenja mesh mreže je proširivanje područja pokrivenosti u odnosu na klasični pristup korištenjem jedne pristupne točke. Zbog
prirode prosljeđivanja poruka drugih čvorova, dva čvora koja nisu susjedi mogu
međusobno razmjenjivati podatke time proširujući područje komunikacije. Klasične
mreže mogu koristiti repetitore (ponavljivače) signala za povezivanje udaljenih
komunikacijskih uređaja, ali takva infrastruktura se temelji na jednoj pristupnoj
točki o kojoj ovisi komunikacija u cijeloj mreži. Dodatno, u ovakvoj konfiguraciji
glavna pristupna točka usmjerava sve podatke u mreži te može doći do uskog grla
(engl. bottleneck). Nedostaci mesh pristupa uključuju smanjenu propusnost podataka ako komunikacija putuje putem s više skokova. Zbog potencijalne
mobilnosti čvorova u mesh mreži, usmjerivački protokol zahtjeva razmjenu informacija o topologiji mreže kako bi mogao efikasno usmjeravati pakete.
Usmjerivački protokol
Usmjerivački protokol je protokol preko kojeg usmjerivači komuniciraju međusobno,
razmjenjujući informacije o topologiji mreže koje im omogućavaju odabir puta
informacije između bilo koja dva čvora u mreži.
Autori u [ ] su usporedili performanse najčešće korištenih protokola za usmjeravanje 1
paketa u mesh mrežama. Pokazano je da protokoli imaju slične performanse gledajući brzinu prijenosa podataka, ne odudarajući znatno da bi se jedan protokol
1J. Pojda, A. Wolff, M. Sbeiti and C. Wietfeld, "Performance analysis of mesh routing protocols for
UAV swarming applications," 2011 8th International Symposium on Wireless Communication Systems, Aachen, 2011, pp. 317-321.
3
-
posebno istaknuo od drugih. Međutim, protokol “open80211s” ima uvjerljivo najbolje
karakteristike uspoređujući ih po vremenu i broju prekida u komunikaciji. Prilikom
izvođenja eksperimenata u zahtjevnom okruženju, kao što je more, važnost
pridajemo sigurnosti vozila. Nepoželjno je imati česte i dugotrajne prekide u
komunikaciji koji potencijalno mogu dovesti do havarije. Stoga ćemo koristiti
implementaciju usmjerivačkog protokola “open80211s” temeljen na IEEE 802.11s
standardu.
Mrežna topologija
Za usmjernike smo se odlučili za Ubiquiti UniFi Mesh, prikazan na slici 1. Za njega smo se odlučili jer ima podršku za dvije antene koje komuniciraju na frekvencijama
2.4GHz i 5GHz, i podržava instalaciju operacijskog sustava otvorenog koda (engl.
open source) OpenWRT za ugradbena računala kao što su komercijalno dostupni usmjernici. Instalirali smo verziju 17.01.04 operacijskog sustava OpenWRT koji nam
omogućava instalaciju raznih paketa namijenjenih za konfiguriranje mreže.
Mrežna topologija je ilustrirana na slici 2. Površinska vozila i bazna stanica
međusobno komuniciraju preko mesh sučelja na 5GHz frekvencijskom opsegu. Prijenosna računala korištena za upravljanje i nadziranje sustava trebaju se ponašati
kao klijenti u mreži. Dodatno smo na baznoj stanici konfigurirali sučelje na 2.4GHz
koje služi kao pristupna točka u mrežu prijenosnim računalima. Pristupna točka i
mesh sučelje su konfigurirane na odvojenim frekvencijskim opsezima kako ne bi
došlo do nepotrebne interferencije signala. Bazna stanica služi kao pristup
upravljačkim računalima, te kao izlaz prema internetu.
4
-
Slika 1. Ubiquiti UniFi Mesh
Slika 2. Mrežna topologija
5
-
Eksperimenti
Kako bi testirali predloženu mrežu, proveli smo eksperimente prikupljanja
informacija o kašnjenju poruka, količini izgubljenih paketa, i propusnosti. Za testove
smo koristili programski alat ping, dostupan u korištenoj distribuciji linux
operativnog sustava Ubuntu, te dodatan programski paket iperf.
Alat ping mjeri vrijeme povratka (RTT engl. Round-trip time) poslane poruke s
jednog uređaja na drugi. Ako se odgovor ne vrati pošiljaocu, time dobijamo
informaciju o količini izgubljenih paketa.
Alat iperf mjeri brzinu prijenosa podataka između servera i klijenta, gdje se
pretpostavlja da klijent šalje podatke a server ih prima. Omogućeno je korištenje
UDP i TCP/IP tipa prijenosa podataka. U eksperimentima, TCP/IP prijenos se
odvijao maksimalnom mogućom brzinom, dok je kod UDP prijenosa brzina slanja
bila 1Mbit/sek. Prilikom testiranja, klijentom se smatra vozilo koje šalje podatke, a
serverom se smatra vozilo koje prima podatka.
Testiranja smo razdvojili u četiri različita eksperimenta. U prvom eksperimentu su
sva vozila u međusobnom dometu, te mogu neposredno komunicirati jedna s
drugom. Prostorna konfiguracija eksperimenta 1 prikazana je slikom 3.
Slika 3. Prostorna konfiguracija vozila u eksperimentu 1
Prostorna konfiguracija vozila u eksperimentu 2 prikazana je slikom 4. Vozilo V2 se nalazi u neposrednoj blizini vozila V1 i V3, ali vozila V1 i V3 ne mogu neposredno
komunicirati. Prethodno spomenuti testovi su izvedeni između vozila V1 i V3, gdje je
vozilo V1 klijent a V3 server.
6
-
Prostorna konfiguracija vozila u eksperimentu 3 prikazana je slikom 4. Prostorna konfiguracija je identična kao i u eksperimentu 2, ali nakon jedne minute vozilo V2
smo ugasili, te upalili kako bi veza između vozila V1 i V3 bila privremeno prekinuta.
Slika 4. Prostorna konfiguracija vozila u eksperimentu 2 i 3
Prostorna konfiguracija vozila u eksperimentu 4 prikazana je slikom 5. Razlika u odnosu na prostornu konfiguraciju iz eksperimenta 1 je ta da smo dodali dodatno
vozilo V4 u blizini vozila V2, kako bi u sustavu postojale dva moguća puta podataka
između vozila V1 i V3. Nakon jedne minute smo ugasili i upalili vozilo V2, te nakon
još jedne minute smo ugasili i upalili vozilo V4.
Slika 5. Prostorna konfiguracija vozila u eksperimentu 4
7
-
Eksperiment 1
Rezultat testiranja kašnjenja poruka i postotka izgubljenih paketa prikazan je slikom
6. Iz kumulativne distribucije vidimo da za 90% poslanih paketa, vrijeme kašnjenja povratne informacije je unutar 10ms, a za 95% paketa unutar 20ms. Od 240 paketa,
237 paketa je uspješno primljeno. Srednja vrijednost kašnjenja paketa je 6.184ms uz
devijaciju od 22.747ms.
Slika 6. Rezultati ping testa za eksperiment 1
Rezultati testiranja UDP propusnosti su prikazani na slici 7. Srednja vrijednost
brzine slanja UDP paketa je 1Mbit/sek. Postotak izgubljenih paketa tijekom prijenosa
je 0.11%, odnosno 3 paketa od ukupnih 2746, uz varijabilnost vremena dolaska
paketa (engl. jitter) od 1.124ms.
Rezultati testiranja TCP/IP propusnosti su prikazani na slici 8. Srednja vrijednost
brzine TCP/IP prijenosa je 91.5Mbita/sek, uz pokoji propad brzine prijenosa.
Sažeti rezultati su prikazani tablicom 1.
8
-
Slika 7. Rezultati testa UDP prijenosa za eksperiment 1
Slika 8. Rezultati testa TCP/IP prijenosa za eksperiment 1
9
-
Kašnjenje
Srednja vrijednost 6.184ms
Standardna devijacija 22.747ms
Broj neprenesenih paketa 3/240 (1%)
Brzina UDP prijenosa
Srednja vrijednost 1Mbit/s
Varijabilnost vremena
dolaska (jitter)
1.124ms
Broj neprenesenih paketa 3/2746 (0.11%)
Brzina TCP/IP prijenosa Srednja vrijednost 91.5 Mbita/sek
Tablica 1. Rezultati testova iz eksperimenta 1
Eksperiment 2
Rezultat testiranja kašnjenja poruka i postotka izgubljenih paketa za eksperiment 2
prikazan je slikom 9. Iz kumulativne distribucije vidimo da su svi poslani paketi stigli unutar 14ms. Srednja vrijednost kašnjenja paketa je 2.314ms uz devijaciju od
1.158ms.
Slika 9. Rezultati ping testa za eksperiment 2
Rezultati testiranja UDP propusnosti su prikazani na slici 10. Srednja vrijednost
brzine slanja UDP paketa je 1Mbit/sek. Tijekom izvođenja eksperimenta nije bilo
izgubljenih paketa, dok su paketi dolazili uz varijabilnost vremena dolaska paketa
(engl. jitter) od 1.747ms.
Rezultati testiranja TCP/IP propusnosti su prikazani na slici 11. Srednja vrijednost
brzine TCP/IP prijenosa je 6.70Mbita/sek, uz česte propade u brzini prijenosa.
Sažeti rezultati su prikazani tablicom 2.
10
-
Slika 10. Rezultati testa UDP prijenosa za eksperiment 2
Slika 11. Rezultati testa TCP/IPprijenosa za eksperiment 2
11
-
Kašnjenje
Srednja vrijednost 2.314ms
Standardna devijacija 1.158ms
Broj neprenesenih paketa 0/240 (26%)
Brzina UDP prijenosa
Srednja vrijednost 1Mbit/s
Varijabilnost vremena
dolaska (jitter)
1.747ms
Broj neprenesenih paketa 0/2746 (3.7%)
Brzina TCP/IP prijenosa Srednja vrijednost 6.70 Mbita/sek
Tablica 2. Rezultati testova iz eksperimenta 2
Eksperiment 3
Rezultat testiranja kašnjenja poruka i postotka izgubljenih paketa za eksperiment 3
prikazani su slikom 12. Iz vremenske raspodjele kašnjenja se može vidjeti kada je došlo do prekida u komunikaciji uslijed ponovnog pokretanja vozila V2. Usmjernik
na vozilu V2 se upalio i nastavio raditi nakon 30-ak sekundi, te je nastavio
usmjeravati pakete između vozila V1 i V3. Zbog prekida u komunikaciji je uspješno
preneseno 176 od 240 paketa. Srednja vrijednost kašnjenja uspješno primljenih
paketa je 2.252ms uz devijaciju od 1.070ms.
Slika 12. Rezultati ping testa za eksperiment 3
Rezultati testiranja UDP propusnosti su prikazani na slici 13. Srednja vrijednost
brzine slanja UDP paketa je 1Mbit/sek. Iz brzine prijenosa UDP podataka na serveru
se može vidjeti kada je došlo do prekida u komunikaciji uslijed ponovnog pokretanja
vozila V2. Usmjernik na vozilu V2 se upalio i nastavio raditi nakon 30-ak sekundi, te
je nastavio usmjeravati pakete između vozila V1 i V3. Postotak izgubljenih paketa
12
-
tijekom prijenosa je 19%, odnosno 509 paketa od ukupnih 2746, uz varijabilnost
vremena dolaska paketa (engl. jitter) od 1.715ms.
Rezultati testiranja TCP/IP propusnosti su prikazani na slici 14. Srednja vrijednost
brzine TCP/IP prijenosa je 4.26Mbita/sek. Sa slike se vidi da se nastavak TCP/IP
prijenosa nastavio nakon oko 45 sekundi, što je duže nego kod UDP prijenosa.
Sažeti rezultati su prikazani tablicom 3.
Slika 13. Rezultati testa UDP prijenosa za eksperiment 3
13
-
Slika 14. Rezultati testa TCP/IP prijenosa za eksperiment 3
Kašnjenje
Srednja vrijednost 2.252ms
Standardna devijacija 1.070ms
Broj neprenesenih paketa 175/240 (26%)
Brzina UDP prijenosa
Srednja vrijednost 1Mbit/s
Varijabilnost vremena
dolaska (jitter)
1.715ms
Broj neprenesenih paketa 509/2746 (3.7%)
Brzina TCP/IP prijenosa Srednja vrijednost 4.26 Mbita/sek
Tablica 3. Rezultati testova iz eksperimenta 3
14
-
Eksperiment 4
Rezultat testiranja kašnjenja poruka i postotka izgubljenih paketa za eksperiment 4
prikazani su slikom 15. Iz kumulativne distribucije vidimo da za 90% poslanih paketa, vrijeme kašnjenja povratne informacije je unutar 10ms, a za oko 94% paketa
unutar 20ms. Zbog ponovnog paljenja vozila V2 i V4 tijekom eksperimenta,
preneseno je 344 paketa od 360. Srednja vrijednost kašnjenja uspješno primljenih paketa je 3.939ms uz devijaciju od 6.764ms.
Slika 15. Rezultati ping testa za eksperiment 4
Rezultati testiranja UDP propusnosti su prikazani na slici 16. Srednja vrijednost
brzine slanja UDP paketa je 1Mbit/sek. Postotak izgubljenih paketa tijekom prijenosa
je 3.7%, odnosno 101 paket od ukupnih 2746, uz varijabilnost vremena dolaska
paketa (engl. jitter) od 7.104ms. Povećana varijabilnost i postotak izgubljenih paketa
u odnosu na eksperiment 2 se može objasniti ponovnim pokretanjem vozila V2 i V4.
Tijekom prijenosa podataka nema znatnih prekida u komunikaciji, ali je prijenos
nestabilniji nakon gašenja vozila V4 što može značiti da se komunikacija pretežno
odvijala preko vozila V2.
Rezultati testiranja TCP/IP propusnosti su prikazani na slici 17. Srednja vrijednost
brzine TCP/IP prijenosa je 3.90Mbita/sek. Komunikacija se odvijala sporije i
nestabilnije nego u eksperimentu 2, ali nije bilo znatnih prekida u komunikaciji
nakon gašenja vozila V2 i V4. Sa slike 16 možemo vidjeti da se pri kraju prijenosa
brzina povećala u odnosu na ostatak eksperimenta, što može biti zbog boljeg odabira
rute nakon paljenja vozila V4.
Sažeti rezultati su prikazani tablicom 4.
15
-
Slika 16. Rezultati testa UDP prijenosa za eksperiment 4
Slika 17. Rezultati testa TCP/IP prijenosa za eksperiment 4
16
-
Kašnjenje
Srednja vrijednost 3.939ms
Standardna devijacija 6.764ms
Broj neprenesenih paketa 16/360 (4.4%)
Brzina UDP prijenosa
Srednja vrijednost 1Mbit/s
Varijabilnost vremena
dolaska (jitter)
7.104ms
Broj neprenesenih paketa 101/2746 (3.7%)
Brzina TCP/IP prijenosa Srednja vrijednost 3.90 Mbita/sek
Tablica 4. Rezultati testova iz eksperimenta 4
Zaključak
Cilj ovog dokumenta bio je definiranje komunikacijske arhitekture za flotu USV-ova.
Kao najbolji pristup rješenju pokazalo se korištenje mesh pristupa preko WiFi mreže. Usmjernici s konfiguriranim mesh sučeljem međusobno komuniciraju sa susjednim usmjernicima, te prosljeđuju pakete namijenjene za druge usmjernike. Zadaću
usmjeravanja paketa izvršava usmjerivački protokol. Pregledali smo najčešće
korištene mesh usmjerivačke protokole, i na temelju performansi smo se odlučili za protokol open80211s. Nadalje, predložili smo komunikacijsku topologiju predloženu u tekstu. U eksperimentima smo otkrili zadovoljavajuće performanse usmjerivačkog protokola, te komunikacijske arhitekture koja će nam omogućiti distribuirano
upravljanje formacijom na siguran način.
17