d3.2 komunikacijska arhitektura za flotu usv-ova...sva komunikacija prelazi preko jednog fizičkog...

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.



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.


brzine TCP/IP prijenosa je 6.70Mbita/sek, uz česte propade u brzini prijenosa.


10


Slika 11. Rezultati testa TCP/IPprijenosa za eksperiment 2

11

Kašnjenje







dolaska (jitter)

1.747ms




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.



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.


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.



13


Kašnjenje







dolaska (jitter)

1.715ms




14

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.



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.


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.


15



16

Kašnjenje







dolaska (jitter)

7.104ms




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

d3.2 komunikacijska arhitektura za flotu usv-ova...sva komunikacija prelazi preko jednog fizičkog...

Documents