Mobiili Ad-Hoc Networks (MANETit) ratkaisevat perustavanlaatuisen taktisen ongelman: kuinka luoda dataverkko, kun infrastruktuuria ei ole käytettävissä? MANETissa jokainen solmu on samanaikaisesti viestintälaite ja reititin. Paketit kulkevat lähteestä kohteeseen hyppäämällä välisolujen kautta muodostaen itseorganisoituvan verkon, joka mukautuu solmujen liikkuessa, liittyessä tai poistuessa verkosta.
Sotilaallisille kenttäjoukkueille — joukkue- ja ryhmätason operaatioille, joissa kiinteä viestintäinfrastruktuuri ei ole käytettävissä tai se on tuhottu — MANET tarjoaa datayhteyden tilannetietoisuussovelluksille, sijaintiilmoituksille ja digitaaliselle viestinnälle ilman riippuvuutta tukiasema-alueesta. Sen ymmärtäminen, miten MANET-ohjelmisto toimii ja miten se integroidaan taktisiin sovelluksiin, on yhä välttämättömämpi taito puolustusohjelmistokehittäjille.
Miksi infrastruktuurivapaa verkko on kriittinen joukkuetasolla
Taktinen internet -konsepti — jokaisen sotilaan yhdistäminen jaettuun digitaaliseen kuvaan — vaatii yhteyden. Varustamossa ja operatiivisissa päämajassa tuo yhteys tulee matkapuhelinverkoista, sotilaallisesta satelliitista tai kiinteästä taktisesta viestintäinfrastruktuurista. Joukkue- ja ryhmätasolla hyökkäysoperaatioissa kumpikaan näistä ei välttämättä ole käytettävissä. Ryhmänjohtaja liikkuu nopeammin kuin viestintäinfrastruktuuri pystyy seuraamaan.
Vaikka radioinfrastruktuuri on olemassa, suoralla P2P-viestinnällä on taktisia etuja. Viesti, joka kulkee suoraan kahden radion välillä näköetäisyydellä, saavuttaa kohteensa millisekunteissa suurella luotettavuudella. Sama viesti reititetty TAK Serverin kautta prikaatin päämajassa kulkee kauemmas, voi kohdata QoS-rajoitteita ja on riippuvainen päämajaan johtavan linkin pysymisestä. Aikakriittiseen taktiseen tiedonvaihtoon lähietäisyydellä — sijaintijakaminen joukkueen sisällä huoneentyhjennysoperaation aikana — paikallinen MANET on sopiva kuljetus.
Reititysprotokollat: OLSR ja BATMAN
OLSR (Optimized Link State Routing, RFC 3626) on laajimmin käyttöönotettu proaktiivinen MANET-reititysprotokolla. OLSRissa jokainen solmu ylläpitää täydellistä topologiakarttaa verkosta lähettämällä säännöllisesti HELLO-viestejä (jotka mainostavat solmun yksihyppynaapureita) ja TC (Topology Control) -viestejä (jotka levittävät linkin tila-tietoja verkon läpi). MPR (Multipoint Relay) -optimointi OLSRissa vähentää lähetetylikuormaa valitsemalla osajoukon naapureista TC-viestien välittämiseen, vähentäen päällekkäisten lähetysten määrää tiheissä verkoissa.
OLSRin proaktiivinen luonne tarkoittaa, että reititystaulut ovat aina ajan tasalla — ei reitinhakuviivettä pakettia lähetettäessä. Kompromissi on jatkuva ohjausvirran liikenne (HELLO- ja TC-viestit), joka kuluttaa kaistanleveyttä vaikka dataa ei lähetetä. Kaistanleveydeltään rajoitetuissa taktisen radion ympäristöissä OLSR:n ohjausvirran ylikuorma on viritettävä käytettävissä olevan kaistanleveysbudjetin mukaan.
BATMAN (Better Approach To Mobile Adhoc Networking) ottaa erilaisen lähestymistavan: topologiakartan ylläpitämisen sijaan jokainen solmu tietää vain, mikä naapuri on paras seuraava hyppy kohti mitä tahansa kohdetta. Solmut lähettävät OGM (Originator Message) -paketteja säännöllisesti. Jokainen solmu uudelleenlähettelee vastaanottamansa OGMit vaimentaen niiden laadumittaria. Konvergenssin jälkeen jokainen solmu tietää, mikä naapuri tuotti laadukkaimman OGMin kustakin kohteesta — tuo naapuri on paras seuraava hyppy.
BATMANin keskeinen etu OLSRiin verrattuna on skaalautuvuus: hajautettu reititystieto vaatii vähemmän muistia ja vähemmän käsittelyä kuin täydellinen topologiakartta, mikä tekee BATMANista paremmin soveltuvan suuriin verkkoihin monilla solmuilla. Haittana on, että polun laatu lasketaan OGM-vastaanoton historian laadusta eikä eksplisiittisistä linkkimittareista, mikä voi tehdä siitä vähemmän reagoivan nopeasti muuttuviin linkkiolosuhteisiin.
Kaupalliset sotilaalliset MANET-radiot: ohjelmistorajapinnat
Silvus StreamCaster -radiot (SC3500, SC4200) ovat laajasti käyttöönnotettuja MANET-radioita, jotka perustuvat MN-MIMO (Mobile Networked MIMO) -aallonmuotoon. Ne esittäytyvät yhdistetyille laitteille vakio-IP-verkkoliittiminä — kun laite on yhdistetty StreamCasteriin USB:n, Ethernetin tai Wi-Fin kautta, sillä on IP-yhteys kaikkiin muihin laitteisiin StreamCaster-verkossa. Sovelluksen näkökulmasta MANET on läpinäkyvä IP-kuljetus. Sovellukset viestivät käyttämällä vakiosocketteja ilman MANET-kohtaista koodia.
Silvus tarjoaa hallintarajapinnan (HTTP REST radion hallintaliitännän yli), joka antaa sovelluksille kysyä verkon topologiaa (mitkä radiot ovat yhdistettynä, RSSI kuhunkin naapuriin, datanopeus), asettaa radioparametreja (taajuus, kaistanleveys, lähetysteho) ja seurata linkin laatua. Sovellukset, jotka tarvitsevat mukauttaa toimintaansa verkko-olosuhteisiin — synkrointitaajuuden vähentäminen kaistanleveyden ollessa matala, hälyttäminen solmun menettäessä verkkoyhteyden — käyttävät tätä hallintarajapintaa.
Persistent Systems MPU5 on toinen laajasti käyttöönotettu sotilaallinen MANET-alusta, joka käyttää mukautettua Wave Relay -aallonmuotoa, optimoitu läpäisykyvylle ja latenssille. Kuten Silvus, MPU5 esittäytyy IP-liittimenä yhdistetyille laitteille ja tarjoaa hallintarajapinnan verkon näkyvyydelle.
Sovellusintegraatio: MANET läpinäkyvänä kuljetuksena
Oikea integraatiomalli taktisille sovelluksille on käsitellä MANET läpinäkyvänä IP-kuljetuksena. Sovelluksella ei pidä olla MANET-kohtaista logiikkaa sen datatransportille — sen on käytettävä vakio-UDP- tai TCP-socketteja, ja MANET-kerroksen on käsiteltävä reititys. Tämä malli tarjoaa kaksi etua: sovellus on verkostoriippumaton (se voi käyttää matkapuhelinverkkoa, Wi-Fiä tai MANETia vaihtokelpoisesti), ja MANET-radion vaihto tai päivitys ei vaadi sovelluksen muutoksia.
Sovelluksen on kuitenkin käsiteltävä MANET-kuljetuksen erityiset QoS-ominaisuudet: vaihteleva kaistanleveys, vaihteleva latenssi ja ajoittainen pakettihäviö solmujen liikkuessa etsintä- ja siirtymisalueen rajalle. Sovellukset, jotka suoratoistavat sijaintidataa, pitäisi käyttää UDP:tä lyhyellä TTL:llä eikä TCP:n pysyviä yhteyksiä — TCP:n uudelleenlähetyskäyttäytyminen voi aiheuttaa kaskadiviiveitä kun MANET-linkki tilapäisesti katkeaa.
Kaistanleveyden hallinta: prioriteettiaikataulutus
Tyypillinen sotilaallinen MANET-radio tarjoaa 1–5 Mbps käyttökelpoista läpäisykykyä hyvissä olosuhteissa, laskien 200–500 kbps:iin vaikeissa RF-ympäristöissä. Tämän kaistanleveyden jakaminen äänen, sijaintienseurantadatan, viestinnän ja tiedostojen synkronoinnin välillä vaatii priorisointia.
Vakiomalli on DSCP (Differentiated Services Code Point) -merkintä IP-paketeissa, joita MANET-radiolaiteohjelmisto käyttää lähetysprioriteetin ajoittamiseen. Äänipaketeilla (VoIP push-to-talk -ääni) on EF (Expedited Forwarding) DSCP-merkintä — ne siirtyvät kaiken muun liikenteen ohi. Sijaintiilmoituksilla on AF41 (Assured Forwarding 4, class 1) — korkea prioriteetti mutta ei äänentasoinen syrjäytyminen. Tiedostojen synkronoinnilla ja karttatileillä on CS1 (matalampi kuin best-effort) — ne täyttävät käytettävissä olevan kaistanleveyden vaikuttamatta operatiiviseen liikenteeseen.
Keskeinen oivallus: Älä oleta MANET-yhteyden olevan vakaa. Joukkue urbaanissa ympäristössä voi mennä täydestä verkkoyhteyksestä eristettyihin solmuihin sekunneissa siirtyessään rakennukseen, jossa on paksut betoniseinät. Sovellusten on käsiteltävä äkilliset MANET-osiointitapaukset — joissa solmujen osajoukko menettää yhteyden muihin — sujuvasti ja palauduttava automaattisesti kun osiointi paranee.