آگوست 6

مسیریابی، MAC، شبکه‌های، پروتکل‌های، WMNها

دلیل وجود دو عامل است؛ یکی پیچیدگی و قیمت گسترش یک MAC توزیع شده‌ی TDMA و یا CDMA، و دیگری دشواری قابلیت تطبیق لایه دسترسی TDMA MACویا (CDMA) با پروتکل‌های MAC موجود است[23]. برای مثال، در استاندارد IEEE 802.16، پروتکل MAC اصلی، یک طرحِ TDMA مرکزیت یافته بوده و MAC توزیع شده TDMA برای مش IEEE 802.16 هنوز در دست تحقیق بوده[a74] و بعنوان[a75] یک چالش بشمار[a76] می‌رود. در WMNهای مبتنی بر IEEE 802.11، چگونگی طرح یک پروتکل MAC توزیع شده‌ی TDMA با تکیه بر CSMA/CA یک مسئله پویا و بحث[a77] برانگیز است. برای پروتکل‌های MAC توزیع شده‌ی TDMA و یا CDMA، خود سازمان دهی شبکه برمبنای کنترل شکل هندسی و یا کنترل توان نیز باید مدنظر باشد.
MAC چندکاناله
یک MAC چند کاناله به یکی از دسته بندی‌های زیر تعلق دارد[a78] [27،23]:
MAC چندکاناله با فرستنده – گیرنده منفرد61: اگر قیمت و قابلیت تطبیق مدنظر باشد، یک فرستنده – گیرنده برروی یک رادیو، سطح سخت افزاری مناسبی است. از آن جا که تنها یک فرستنده-گیرنده در دسترس است، در یک لحظه، تنها یک کانال درهرگره‌ی شبکه فعال است. بااین حال، گره‌های مختلف برای افزایش ظرفیت می‌توانند به صورت هم زمان برروی کانال‌های مختلف فعالیت نمایند. برای ایجاد هماهنگی و همکاری موثر در ارسال‌های بین گره‌ها تحت این شرایط، پروتکل‌هایی مانند طرح SSCH62 مورد نیاز است. SSCH در واقع یک پروتکل MAC مجازی است؛ چراکه در بالای MAC IEEE 802.11 عمل کرده و به تغییر در آن نیازی ندارد.
MAC چند کاناله با چند فرستنده- گیرنده63: در این قسمت یک رادیو شامل چندین چیپ انتهایی64 RF موازی و مدول‌های پردازش باند پایه برای ایجاد چندین کانال همزمان است. بربالای لایه ی فیزیکی، تنها یک لایه ی MAC برای هماهنگی عملکرد کانال‌های چندگانه وجود دارد. با این حال چگونگی طراحی یک MAC کارآمد برای این نوع لایه‌ی فیزیکی هنوز یک موضوع تحقیقاتی بازاست [22].
MAC با چند رادیو: دراین قسمت هرگره شبکه، چندین رادیو، هرکدام با لایه‌های MAC و فیزیکی مختص خود را داراست. مخابرات در این رادیوها مستقل اند و بنابراین یک پروتکل MAC مجازی مانند MUP[a79]65 در بالای MAC، برای هماهنگی مخابرات در همه‌ی کانال‌ها مورد نیاز است. در واقع یک رادیو می‌تواند چندین کانال داشته باشد. بااین حال برای سهولت در طراحی و کاربرد، از یک کانال واحد در هررادیو استفاده می‌شود.
برای نشان دادن مسائل معمول موجود در پروتکل‌های MAC چند کاناله، در این جا دو پروتکل را با جزئیات بیشتر توضیح می‌دهیم:
MAC چند کاناله (MMAC).
پروتکل واحدسازی چند رادیویی (MUP).
الف- MAC چند کاناله (MMAC)
سه عمل اصلی در MMAC وجود دارد[22]:
نگهداری از ساختار اطلاعات همه‌ی کانال‌ها در هرگره.
مذاکره کردن کانال‌ها در طول پنجره ی ATIM66. مذاکرات از طریق یک کانال از پیش شناخته شده برای همه‌ی گره‌ها صورت می‌گیرد.
انتخاب یک کانال. معیار این عمل استفاده از یک کانال باکمترین تعداد جفت‌های منبع-مقصدی است که آن کانال را انتخاب کرده اند.
هنوز مسائل متعددی وجود دارند که در MMAC حل نشده اند:
فرض شده است که RTS/CTS همواره در IEEE 802.11 DCF فعال است. لیکن[a80] در حقیقت RTS/CTS یک کارکرد اختیاری در DCF است.
رسیدن به همزمانی سراسری در یک شبکه اقتضائی باتعداد گره‌ها و پرش‌های زیاد، بسیار مشکل است.
ممکن است زمان عوض کردن کانال67 بسیار بزرگ باشد.
معیار انتخاب کانال برمبنای کمترین تعداد جفت‌های منبع-مقصد برای هرکانال، همیشه معیار مناسبی نیست. استفاده از بسته‌های درحال انتظار به عنوان یک معیار برای انتخاب کانال، عملکرد بهتری به دست می‌دهد.
ب – پروتکل واحدسازی چند رادیویی (MUP)
در MUP، درهرگره چندین NIC بی‌سیم وجود دارد. کانال‌های هر NIC ثابت و متعامدند. اعمال اصلی MUP به صورت زیر می‌باشند[22]:
کشف همسایه‌ها. بعد از عملیات اکتشاف، همسایه‌ها به دو دسته‌ی MUP فعال و بقیه‌ی گره‌ها تقسیم می‌شوند.
انتخاب یک NIC برمبنای اندازه گیری‌های زمان 68RTTیک[a81] پرشی. MUP، NIC با کمترین RTT بین یک گره و همسایه‌هایش را انتخاب می‌کند.
استفاده از NIC انتخابی برای دوره‌ی زمانی طولانی. این دوره توسط یک فرایند تصادفی محاسبه شده و در حدود 20-10 ثانیه است.
عوض کردن کانال‌ها. بعد از بازه‌‎ی زمانی تصادفی،RTT در[a82] هرNIC دوباره از طریق پیام‌های آزمایشی تک پرشی اندازه گیری می‌شوند. اگر یک NIC مقدار مشخصی بهبود کیفیت نسبت به NIC موجود داشته باشد، برای ارسال بسته‌های اطلاعاتی انتخاب می‌شود.
هنوز مسائل متعدد دیگری[a83] موجودند که نیاز به مطالعه و بررسی بیشتر دارند، از قبیل[a84] :
موضوع گره‌های مخفی به صورت موثری حل نشده است. اندازه گیری کیفیت کانال بر مبنای RTT یک پرشی است. بااین حال اندازه گیری‌های برمبنای کوتاه ترین RTT، تضمین نمی‌کند که هیج گره‌ی مخفی‌ای وجود نداشته باشد. برای مثال، فرض کنید گره‌های A و C از یکدیگر پنهان بوده و گره‌ی B همسایه‌ی هردوی آن‌هاست. در نتیجه یک کانال می‌تواند توسط هردو گره‌ی A و C انتخاب شود. عملیات RTS/CTS را می‌توان برای کاهش احتمال وقوع ازدحام در این شرایط به کار برد، اما این امر به اطلاعات کنترلی جانبی و هزینه‌ی عملیاتی بسیار[a85] نیاز دارد.
لایه شبکه
وظیفه لایه شبکه این است که با توجه به شرایط شبکه مسیر بهینه ای میان مبدا و مقصد پیدا کند. الگوریتم‌های مسیریابی عموما تعداد گام را به عنوان معیار[a86] مسیریابی[a87] انتخاب می‌کنند. یعنی مسیر بهینه مسیری است که کوتاه تر است و با تعداد گام کمتری به مقصد می‌رسد. ولی این[a88] کوتاه‌ترین مسیر در WMNها از لحاظ پارامترهایی نظیر گذردهی و تأخیر و نرخ خطای لینک لزوما بهینه نیست. برای مثال مسیر دو گامی ‌با کیفیت لینک بالا بهتر از مسیری است که از یک گام تشکیل شده و از کیفیت لینک ضعیفی برخوردار است.
در سال‌های اخیر تحقیقات زیادی در WMNها در زمینه معیارهای مسیریابی که کیفیت لینک را در نظر می‌گیرند، صورت گرفته است. معیار ETX توسط Couto et al [28] مطرح شده است که بر مبنای میانگین تعداد ارسال یک بسته است. چون از روی تعداد ارسال مجدد (که به خاطر ضعیف بودن کیفیت سیگنال و تصادم69 رخ می‌دهد) می‌توان وضعیت کیفیت لینک را مشخص کرد. معیار جدید دیگری توسط Draves et al [29]به نام WCETT70 معرفی شد. این معیار هم طول مسیر و هم کیفیت لینک را در نظر می‌گیرد و کیفیت لینک بر اساس سنجش میان تأخیر و گذردهی انجام می‌پذیرد. با مسیریابی بر اساس این دو معیار به عملکرد کاملا بهتری نسبت به مسیریابی بر اساس کوتاه ترین مسیر در WMNها دست می‌یابیم[2].
در حال حاضر پروتکل‌های مسیریابی موجود برای WMNها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند. دسته اول پروتکل‌هایی هستند که براساس مسیریابی سنتی برای شبکه‌های سیمی‌(مانند مسیریابی RIP و OSPF) بنا شده اند. چون این مسیریابی‌ها قادر به درنظرگرفتن[a89] گره‌های متحرک نیستند، برای مسیریابی گره‌های زیرساخت که نسبتا ثابت هستند، مناسب است. دسته دوم براساس پروتکل‌های مسیریابی شبکه‌های Ad-hoc (مانند AODV71 و DSDV) بنا شده اند. این پروتکل‌ها برای شبکه‌هایی که گره‌های متحرک دارند مناسب است.
در حال حاضر پروتکل مسیریابی که خاص[a90] WMNهای‌هایبرید (که شامل گره‌های ثابت و متحرک هستند) طراحی شده باشد، به مرحله ارائه نرسیده است. پروتکل‌های مسیریابی موجود WMN تفاوت عمده ای میان گره‌ها نمی‌گذارند. مسیریاب‌های مش و کاربردهای مش از جنبه‌های مختلفی می‌توانند با هم تفاوت داشته باشند. همان طور که در بخش‌های قبل ملاحظه گردید، کاربرهای مش مجهز به واسط‌های تک رادیویی، عموما متحرک بوده[a91] و با محدودیت مصرف توان مواجه هستند. در مقابل مسیریاب‌های مش عمدتا ثابت بوده[a92] و محدودیتی در مصرف توان ندارند. همچنین این گره‌ها مجهز به آنتن‌هایی با بهره‌های بالا و واسط‌های چند رادیویی (در شبکه‌های چند رادیویی) هستند. برای مثال در موارد اضطراری که شبکه‌های[a93] IAN72 توسط شبکه WMN‌هایبرید پیاده سازی می‌شود، بسیار مهم است که مسیریابی تا آن جا که ممکن است توسط مسیریاب‌های مش انجام شود تا هم ذخیره توان در باتری کاربرها در انتهای مسیر انجام پذیرد و هم ارتباطی با QoS و گذردهی بالا برقرار شود[22].
هم اکنون تحقیقات زیادی در زمینه مسیریابی AODV صورت گرفته است تا با تغییر معیار آن و با در نظر گرفتن کیفیت لینک، گذردهی شبکه افزایش یابد. همچنین بعضی از محققین بحث مکانیزم میان لایه ای را مطرح کرده اند که پتانسیل زیادی در بهبود عملکرد پروتکل‌های مسیریابی WMNها دارد. البته این تعامل میان لایه ای الگوی تفکیک عملکرد لایه‌های شبکه را نقض می‌کند و تا حدی بحث برانگیز است. برای مثال برای پروتکل‌های مسیریابی بسیار سودمند است که به اطلاعاتی درباره کیفیت لینک درلایه‌های فیزیکی و MAC دسترسی داشته باشند[22].
با وجود اینکه تعداد زیادی پروتکل مسیریابی برای شبکه‌های Ad-hoc طراحی شده است، با این حال پروتکل‌های جدید منطبق با نیازهای WMNها یک زمینه تحقیقاتی پویا به شمار می‌رود. موارد زیر را می‌توان به طور خلاصه به عنوان خصوصیات عمده لایه شبکه در WMN برشمرد[22و23]:
معیار‌های مسیریابی متفاوت73: الگوریتم‌های مسیریابی عموما تعداد گام را به عنوان معیار مسیریابی انتخاب می‌کنند. این معیار در بسیاری از موارد کارآمد به نظر نمی‌رسد.
مقیاس پذیری: الگوریتم مسیریابی باید طوری طراحی شود که عملکرد آن با توسعه شبکه کاهش نیابد.
استحکام74: الگوریتم ارائه شده باید در مقابل خرابی لینک و تداخل مقاوم باشد. هم چنین این الگوریتم باید بار را به طور یکنواخت روی مسیریاب‌ها پخش کند.
مسیریابی چند مسیره: در این روش بین مبدا و مقصد چند مسیر در نظر گرفته می‌شود. این کار دو مزیت دارد: اول این که در صورت خرابی یک مسیر، سرویس قطع نمی‌شود و از مسیر دیگری استفاده می‌شود. دوم این که پخش متعادل بار روی شبکه بهتر انجام می‌گیرد. هدف اصلی استفاده از این روش تعادل بار75 بهتر در شبکه و مقاومت بالا در مقابل خرابی است. اشکال این روش پیچیدگی آن است که باید حل شود.
مسیریابی سلسله مراتبی: در این روش سعی می‌شود گره‌ها در گروه‌[a94] ها و یا دسته‌های مختلف قرار گیرند و هر دسته یک یا چند سر گروه داشته باشند. برای اتصال شبکه ، بعضی گره‌ها باید بتوانند به عنوان دروازه با سرگروه[a95] ارتباط داشته باشند. این روش هنگامی‌که چگالی گره‌ها زیاد است، بسیار کارآمد است. ولی نگهداری این مسیریابی پیچیده است و نیاز به بهبود[a96] دارد.
مسیریابی جغرافیایی: در این روش سعی می‌شود مسیریابی وابسته به ساختار شبکه نباشد. بسته‌ها در این روش در هر مسیریاب با توجه به موقعیت و مکان گره‌های همسایه و موقعیت مقصد ارسال می‌شوند. ضعف این گونه الگوریتم‌ها آن است که تحویل بسته را به گیرنده تضمین نمی‌کنند. البته الگوریتم‌هایی در [30 ] ارائه شده که این مشکل را تا حدی کم می‌کند، ولی سربار این روش زیاد است.
به طور کلی می‌توان موارد زیر را به عنوان زمینه‌های تحقیقاتی در لایه مسیریابی WMNها برشمرد:
مقیاس پذیری: همان طور که گفته شد مسیریابی سلسله مراتبی پیچیده است. مسیریابی جغرافیایی نیز احتیاج به سخت افزار سیستم مکان یابی جهانی (GPS) دارد و هزینه‌ها را بالا می‌برد. بنابراین نیاز به الگوریتم‌های جدید که این مشکل‌ها را نداشته باشد، کاملا حس می‌شود.
معیارهای برای عملکرد بهتر: معیار‌های مناسب تری برای مسیریابی در WMN باید طراحی شود. این معیارها باید پارمترهای مختلف نظیر تعداد گام، کیفیت لینک و … را در نظر بگیرند.
مسیریابی کارآمد مش: بهتر است الگوریتم مسیریابی در مسیریاب‌های مش و کاربرها متفاوت باشند و هرکدام متناسب با نیاز و خاصیت گره طراحی شوند.
لایه انتقال
تاکنون پروتکلی مناسب برای لایه انتقال متناسب با نیازهای WMNها ارائه نشده است. با این حال پروتکل‌های انتقال زیادی برای شبکه‌های Ad-hoc پیشنهاد شده که مطالعه[a97] آن‌ها می‌تواند[a98] در ارائه پروتکل مناسب برای WMN‌ها مناسب باشد. مشکلاتی که در TCPهای جدید باید در نظر گرفته شود را می‌توان موارد زیر دانست[22و23]:
از بین رفتن بسته‌هایی که ناشی از ازدحام نیستند: TCP‌های کلاسیک بین اتلاف[a99] بسته‌ها در حالتی که ناشی از ازدحام بوده[a100] و اتلافی که ناشی از ازدحام نمی‌باشد[a101] تفاوتی[a102] قائل نمی‌شوند. این مسئله باعث خطای مدیریتی و در نتیجه افت بهره شبکه می‌شود. همچنین در TCPها وقتی شبکه به حالت عادی خود باز می‌گردد، TCP به سرعت خود را باز نمی‌یابد. یک مکانیزم پسخور(فیدبک[a103]) می‌تواند تفاوت بین چگونگی از بین رفتن بسته‌ها را مشخص کند.
قطع شدن ارتباطات لینک‌ها: با این که تحرک در شبکه‌های مش کمتر از شبکه‌های Ad-hoc است ولی با این حال قطع شدن ارتباطات لینک‌ها ناشی از حرکت کاربران[a104] باید در TCP در نظر گرفته شود.
عدم تقارن شبکه: در بعضی موارد ممکن است مسیرهای رفت و برگشت تفاوت‌های عمده ای از لحاظ تأخیر، عرض باند و … داشته باشند. با توجه به این که TCP کاملا به تاییدیه (ACK) وابسته است، عملکرد شبکه با عدم تقارن به سرعت افت می‌کند. الگوریتم‌هایی نظیر فیلترکردن ACK و یا کنترل برخورد ACK برای حل این مشکل ارائه شده اند، ولی کاربرد آن‌ها در WMNها باید مورد بررسی قرار گیرد.
تغییرات زیاد زمان رفت و برگشت (RTT76): تغییرات کیفیت لینک‌ها و تحرک گره‌ها می‌تواند تغییرات زیادی در RTT ایجاد کند. با توجه به این که عملکرد TCP به اندازه گیری کند RTT ‌وابسته است، عملکرد TCP در صورت تغییرات سریع RTT افت می‌کند. الگوریتم‌های TCP جدیدی برای شبکه‌های Ad-hoc ارائه شده اند که عملکرد بسیار خوبی هم نشان داده اند. ولی یک الگوریتم کاملا جدید برای WMNها مناسب به نظر نمی‌رسد. چرا که این الگوریتم‌ها (به خاطر تعامل بین WMNها، اینترنت و سایر شبکه‌های بی‌سیم) باید با شبکه‌های دیگر سازگار باشند.
تحویل بلادرنگ77: برای حمایت از ترافیک بلادرنگ یک پروتکل کنترل نرخ (78RCP) باید با UDP کار کند. الگوریتم‌های RCP زیادی برای شبکه‌های سیمی‌ارائه شده اند، ولی راه کارهای مناسب برای WMN‌ها در دسترس نیست. در‌[31] یک TCP وفقی برای شبکه‌های متحرک موبایل ارائه شده است. با این حال دقت این روش برای تحویل هم زمان مناسب نیست[a105]. به علاوه تلف‌هایی[a106] غیر از ازدحام که از مشکلات مختلفی سرچشمه می‌گیرد، با یک روش پردازش می‌شود و این می‌تواند عملکرد بهینه را کاهش دهد.
علاوه بر موارد ذکر شده می‌توان زمینه‌های تحقیقاتی زیر را برای TCP در WMN در نظر گرفت:
راه حل میان لایه ای برای عدم تقارن شبکه: تمام مشکلات TCP تقریبا از لایه‌های پایین ناشی می‌شود. بنابراین تعامل TCP با لایه‌های پایین می‌تواند عملکرد شبکه را به طور قابل ملاحظه ای افزایش دهد. از جمله می‌توان تعیین مسیر بهینه در لایه شبکه، هم برای داده و هم برای ACK آن را به عنوان وظیفه لایه مسیریابی در قبال لایه انتقال برای جلوگیری از عدم تقارن شبکه دانست. عملکرد لایه پیوند داده هم به طور مستقیم بر نرخ از بین رفتن بسته‌ها تاثیر می‌گذارد.
TC وفقی79: با توجه به این که WMN‌ها قرار است با سایر تکنولوژی‌های بی‌سیم یکپارچه شوند، لذا یک پروتکل واحد برای تمامی‌این شبکه‌ها کاملا ناکارآمد خواهد بود. بکارگیری پروتکل‌های مختلف در شبکه‌های مختلف نیز بسیار پیچیده و گران خواهد بود. بهترین راه ارائه یک پروتکل وفقی برای لایه انتقال در WMNها می‌باشد.
لایه کاربرد
سرویس‌هایی که توسط WMN باید پشتیبانی شوند را می‌توان به موارد زیر تقسیم بندی کرد [22]:
دسترسی به اینترنت: درحال حاضر معمول ترین روش‌های دسترسی به اینترنت از طریق مودم، ADSL و یا نقاط دسترسی80 (Ap) IEEE802.11 هستند. ولی WMNدر این مقوله به دلیل ویژگی‌های سرعت بالا، قیمت کم تر و نصب آسان تر برتری خواهند داشت.
نگهداری و اشتراک داده‌های توزیع شده: دراین کاربرد دسترسی به اینترنت مطرح نیست، بلکه کاربرها از طریق WMN با هم ارتباط برقرار می‌کنند. مثلا فایل‌های خود را در کامپیوتر افراد دیگر ذخیره می‌کنند و یا فایلی را از کاربرهای مختلف در کامپیوتر خود ذخیره می‌کنند. حتی ممکن است کاربرها بخواهند باهم از طریق تلفن تصویری صحبت کنند و غیره.
تبادل اطلاعات بین چند شبکه بی‌سیم: ممکن است یک تلفن همراه سلولی بخواهد با یک تلفن همراه Wi-Fi از طریق WMN تماس برقرار کند و یا یک کاربر WMN بخواهد وضعیت حسگرها را در یک شبکه بی‌سیم بررسی کند.
به طور کلی می‌توان زمینه‌های تحقیقاتی زیر را در لایه کاربرد برای WMNها ذکر کرد:
توسعه پروتکل‌های لایه انتقال موجود: در شبکه‌های بی‌سیم پروتکل‌های لایه پایین نمی‌توانند حامی‌خوبی برای لایه کاربرد باشند.اهمیت[a107] این قضیه در مورد WMNها که شبکه‌های چندگامی‌هستند بیشتر[a108] است.
ارائه پروتکل‌های جدید لایه انتقال برای اشتراک داده‌های توزیع شده: در حال حاضر پروتکل‌های نفر به نفر زیادی برای اشتراک اطلاعات روی اینترنت در دسترس هستند. ولی به دلیل تفاوت اساسی خصوصیات WMN با اینترنت، این الگوریتم‌ها برای WMNها مناسب نیستند.
ارائه کاربردهای جدید برای WMNها: این کاربردها باید منفعت‌های زیادی برای کاربران WMN به همراه داشته باشند و هم چنین باید کاربری81 آن‌ها در شبکه‌های غیر از WMN



همه حقوق محفوظ است

Posted آگوست 6, 2018 by 92 in category "مقالات

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *