شبکه های موردی سیار: کاربردها و چالش ها An Overview of Mobile Ad Hoc Networks: Applications and Challenges

حوزه ارتباطات سیار و بی سیم، رشد بی سابقه ای را در طی دهه های گذشته تجربه کرده است. سیستم های سلولی نسل دوم کنونی به نسبت نفوز بالایی رسیده، و ارتباطات سیار جهانی را امکان پذیر ساخته است. کاربران موبایل می توانند از تلفن همراه خود برای چک کردن ایمیل شان و جستجو در اینترنت استفاده کنند. اخیرا تعداد زیادی از نقاط حساس شبکه محلی بی سیم (LAN) آشکار شده است، که این امکان را به کامپیوترهای قابل حمل مسافران می دهد تا به جستجو در اینترنت در ارتباط با فرودگاه ها، راه آهن، هتل ها و مکان های عمومی دیگر بپردازند. دسترسی به اینترنت پهنای باند به عنوان راه حل شبکه محلی بی سیم در خانه و دسترسی مشترک بین کامپیوترها می باشد. در عین حال، شبکه های سلولی نسل دوم در حال تبدیل شدن به شبکه های نسل سوم می باشند، که نسبت داده بالاتر، اطلاعات مستند و خدمات شخصی یا مبتنی بر محل را ارائه می دهد.

به هر حال، تمام این شبکه ها به صورت شبکه های بی سیم قراردادی ، بر این مبنا می باشند که به عنوان پیش نیاز، زیرساخت شبکه ثابت با مدیریت متمرکر برای فعالیت هایشان مورد نیاز بوده، و به طور بلقوه ای پول و زمان زیادی برای راه اندازی و نگهداری از آن ها مورد نیاز می باشد. جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید. دستیار دیجیتال شخصی (PDAs)، کامپیوترهای جیبی، کامپیوترهای تبلت، تلفن های هوشمند، ام پی تری پلیرها، دوربین های دیجیتال و غیره مجهز به رابط های بی سیم کوتاه برد می باشند. علاوه بر این چنین تجهیزاتی در حال کوچکتر شدن، ارزان تر شدن و کاربرپسندتر و قوی تر می باشند. این پیشرفت، مسیرهای جایگزین جدیدی را برای ارتباطات سیار ایجاد کرده که تجهیزات سیار، باعث شکل گیری خودسازی، خودسامانب، و خود اجرایی تحت عنوان شبکه موردی سیار شده است. این مقاله به بحث در مورد کاربردهای احتمالی، و چالش های پوشش شبکه این نوع از شبکه های نویدهنده شده است.

پیشینه و تعریف شبکه های موردی سیار

در برابر شبکه های بی سیم زیرساخت، که هر کاربر مستقیما با یک نقطه دسترسی یا ایستگاه مرکزی در ارتباط می باشد، شبکه موردی سیار، یا MANET ، متکی به زیرساخت ثابت برای فعالیتش نمی باشد (شکل 1). این شبکه پیوند انتقالی مستقلی از گره های سیار می باشد که با یکدیگر توسط پیوندهای بی سیم ارتباط بررقرار می کنند. گره هایی که در محدوده ارسال یکدیگر قرار دارند می توانند مستقیما ارتباط برقرار کرده و مسئول کشف یکدیگر به صورت پویا می باشند. به منظور فعالسازی ارتباط بین گره هایی که مستقیما در محدوده ارسال یکدیگر نیم باشند، گره های میانجی به عنوان روترهایی عمل می کنند که بسته های ایجاد شده توسط گره های دیگر را به سمت مقصدشان مرتبط می سازند.

شکل 1. شبکه های سلولی در برابر شبکه های موردی بی سیم

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

این گره ها اغلب تجهیزاتی با محدودیت انرژی- یعنی توان باتری- با تنوع بالا در قابلیت شان می باشند. علاوه بر این، تجهیزات به منظور پیوستن یا ترک شبکه آزاد بوده و می توانند به صورت تصادفی جا به جا شوند، که احتمالا منجر به تغییرات توپولوژی سریع و غیرقابل پیش بینی می گردند. در این محیط با انرژی محدود، پویا و چند هاپ توزیع شده، گره ها می بایست به صورت پویا سازماندی شوند تا کارکرد شبکه ضروری را در نبود زیرساخت های ثابت یا مدیریت مرکزی ایجاد کنند.

پیچیدگی ها و خصوصیات ویژه، که در جدول 1 به طور خلاصه آورده شده است، چالش های طراحی زیادی را به پروتکل های شبکه تحمیل می کند. علاوه بر این چنین شبکه هایی با مشکلات سنتی مخصوص به ارتباطات بی سیم همانند اطمینان پایین تراز رسانه های بی سیم، امنیت فیزیکی محدود، تداخل و غیره مواجه هستند.

با وجود بسیاری از محدودیت های طراحی، شبکه های موردی سیار، مزایای زیادی را ارائه می دهند و اول از همه، این نوع از شبکه در سطح بالایی متناسب با استفاده در شرایطی می باشد که زیرساخت ثابت موجود نبوده، قابل اعتمناد نمی باشد، بسیار گران و نامعتبر می باشد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

مستقل و بدون زیرساخت

مسیریابی چند هاپ

توپولوژی شبکه پویا

ناهمگنی تجهیزات

عملیات محدود شده انرژی

پیوندهای ظرفیت متغیر محدود شده پهنای باند

امنیت فیزیکی محدود

مقیاس پذیری شبکه

خودسازی، خودسامانی و خوداجرایی

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

همچنین نیازی نیست که شبکه های موردی به روش مستقل فعالیت کنند، اما می توانند به اینترنت متصل شده، و به این ترتیب به ادغام تجهیزات مختلف زیادی پرداخته و خدمات شان را در دسترس کاربران دیگر قرار دهند. علاوه بر این، ظرفیت، دامنه، و بحث انرژی باعث گسترش کاربردشان به همراه زیرساخت های سلولی موجود شده، به صورتی که آن ها می توانند پوشش و ارتباط بینابین را توسعه دهند. در نتیجه، پیش بینی می شود که شبکه های موردی سیار به عنوان بخش مهمی از معماری نسل چهارم آینده شده، که هدف آن فراهم کردن محیط کامپیوتری فراگیر بوده که به پشتیبانی از کاربران در اجرای فعالیت هایشان، دسترسی به اطلاعات، و ارتباط در هر زمان، هر مکان، و از هر وسیله ای می پردازد. جدول 2، مروری را در ارتباط با برنامه های کاربردی MANET ( شبکه موردی سیار، بعضا بر مبنای مرجع 2 می پردازد.

جدول 2. کاربردهای شبکه موردی سیار

کاربرد- خدمات/ سناریوهای احتمالی

شبکه های تاکتیکی = عملیات و ارتباطات نظامی، میدان نبرد خودکار

خدمات اضطراری= عملیات نجات و جستجو، جبران تلفات، جایگزین کردن زیرساخت ثابت در موارد فجایع محیطی، پلیس و آتش نشانی، حمایت از پزشکان و پرستاران در بیمارستان ها

محیط های مدنی و تجاری= تجارت الکترونیک: پرداخت الکترونیک در هر زمان و هر مکان، کسب و کار: دسترسی به پایگاه داده پویا، دفاتر سیار، حدمات حمل و نقل: راهنمای تصادف و جاده، مخابره در مورد جاده و شرایط آب و هوایی، شبکه تاکسیرانی، شبکه های بین وسایل نقلیه، استادیوم های ورزشی، نمایشگاه تجاری، پاساژ، شبکه های بازدیدکنندگان در فرودگاه ها

شبکه سازماین و خانگی= شبکه بی سیم اداری/خانگی، کنفرانس، اتاق های اجلاس، شبکه های حوزه شخصی (PAN)، شبکه های شخصی (PN)، شبکه ها در بخش های ساخت و ساز

آموزش= دانشگاه ها و تنظیمات محوطه، کلاس های مجازی، ارتباطات موردی در طی اجلاس ها یا سخنرانی ها

سرگرمی= بازی های چند کاربره، شبکه های نظیر به نظیر بی سیم، دسترسی اینترنتی فضای باز، حیوانات خانگی رباتیک،پارک های آموزشی

گسترش پوشش= گسترش دسترسی شبکه سلولی، پیوند با اینترنت و اینترانت

مفهوم شبکه موردی سیار جدید نبوده و اصل آن به پروژه شبکه رادیویی بسته DARPA در سال 1972 برمی گردد. سپس مزایایی همانند انعطاف پذیری، تحرک، قابلیت ارتجاع و استقلال زیرساخت ثابت، منجر به منافع بلافاصل در میان سازمان های نجات و پلیس و نظامی در استفاده از چنین شبکه هایی تحت محیط های غیرسازمانی و خصمانه می گردد. برای مدت های مدید، پژوهش های شبکه موردی واقع در قلمرو نظامی، و تنها در اوسط دهه 90، با ظهور فناوری رادیویی تجاری، و جوامع پژوهشی بی سیم از مزایا و پتانسیل های شبکه های موردی سیار خارج از محدوده نظامی آگاه شده، که شاهد آن کارگروه شبکه موردی سیار در IETF بوده است. در حال حاضر، پژوهش های شبکه موردی سیار به عنوان حوزه فعال و بسیار پرتحرک بوده و تلاش جوامع پژوهشی همراه با MANET آینده و حال، فناوری های رادیویی را فعال کرده، که در جدول 3 به طور خلاصه آورده شده است، که مطمئنا مسیر را برای MANET بادوام تجاری و کاربردهای جدید و مهیج ، به همراه بعضی از راه حل های تجاری محور که قبلا ظاهر شده اند، هموار می کند ( برای نمونه MeshNetworks† و SPANworks).

چالش های فناوری

همان طور که قبلا گفته شد، ویژگی های خاص MANET ها، چالش های زیادی را در ارتباط با طرح های پروتکل بر روی تمام لایه های انباشته پروتکل ایجاد می کند. لایه فیزیکی می بایست در ارتباط با نغییرات سریع در مشخصه های پیوندها باشد.

لابه کنترل دسترسی رسانه (MAC)، می بایست امکان دسترسی به کانال بی طرفانه را امکان پذیر کرده، برخورد بسته ها را به حداقل رسانده و در ارتباط با ترمینال های مخفی و آشکار می باشد. در لایه شبکه، نیاز است که گره ها به منظور محاسبه مسیرها همکاری داشته باشند. لایه انتقالی می بایست قادر به مدیریت اتلاف بسته و خصوصیات تاخیر بپردازند که بسیار متفاوت از شبکه های کابلی می باشند. برنامه های کاربردی می بایست قادر به مدیریت قطع ارتباط و ارتباط مجدد باشند. علاوه بر این، نیاز است که تمام توسعه پروتکل های شبکه بطور یکنواخت با شبکه های سنتی ادغام شده و مسائل امنیتی احتمالی را در نظر بگیرند. در بخش های زیر، چالش های فناوری و راه حل های احتمالی مربوط به مسیریابی یونیکست، کشف خدمات و منابع، آدرس دهی و ارتباط اینترنتی، امنیت و همکاری گره ها با جزییات بیشتری به بحث گذاشته می شود.

مسیریابی

از آنجایی که شبکه های موردی سیار توسط توپولوژی شبکه چندهاپ مد نظر قرار می گیرند که می تواند بسامد را به دلیل تحرک تغییر دهد، پروتکل های مسیریابی موثری مورد نیاز می باشد تا مسیرهای ارتباطی را بین گروه ها را، بدون منجر شدن به سربار ترافیک کنترل پرهزینه یا هزینه های محاسباتی بر روی تجهیزات با توان محدودف ایجاد کند. راه حل های زیادی قبلا مطرح شده است، بعضی از آن ها در ارتباط با استانداردسازی درون IETF می باشند. تعدادی از راه حل های مطرح شده تلاش می کند که تا مسیر بروز شده ای را برای تمام گره های دیگر در تمام زمان ها داشته باشد. به این منظور، این پروتکل ها به تبادل اطلاعات کنترل مسیریابی به صورت دوره ای و با تغییرات توپولوژی می پردازد. این پروتکل ها که به نام پروتکل های مسیریابی کنشگرایانه می باشد، معمولا به عنوان معمولا به عنوان نسخه های اصلاح شده حالت پیوند قراردادی یا پروتکل های مسیریابی مسافت مورد نظر در شبکه های کابلی بوده، که متناسب با نیازهای خاص محیط شبکه موردی سیار پویا می باشد. اغلب موارد، ضروری نمی باشد که مسیر بروز شده ای در ارتباط با تمام گره های دیگر داشته باشیم. بنابراین پروتکل های مسیریابی واکنش پذیر تنها مسیرهایی را به سمت گره هایی تنظیم می کنند که با ان ها در ارتباط بوده و این مسیرها تا زمانی که مورد نیاز باشند، فعال می مانند. ادغام پروتکل های کنشگرا و واکنش پذیر، که مسیرهای نزدیک به آن ( برای نمونه، حداکثر دو هاپ) به طور کنشگرایانه ای بروز نگه داشته شده، درحالیکه مسیرهای دور به صورت کنشگرایانه ای تنظیم شده، که محتمل بوده و در دسته پروتکل های مسیریابی هیبریدی قرار می گیرند. رویکرد کاملا متفاوتی توسط پروتکل های مسیریابی مبتنی بر محل مد نظر قرار می گیرد، که ارسال بسته ها بر مبنای شرکای ارتباطی گره می باشند. خدمات اطلاعات محلی، گره هایی را با محل های دیگر ایجاد کرده، به این ترتیب بسته ها می توانند به مسیر مقصد ارسال گردند.

جدول 3. فناوری های فعالسازی شبکه موردی سیار

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.