بخشی از مقاله
چکیده
با پیدایش شبکه های اینترنت اشیا بستری مناسب برای ارتباط اشیای ناهمگن و عبور انواع محتوا از طریق اینترنت مهیا شده است . به دلیل استفاده از شبکه های اینترنت اشیا در کاربردهای گوناگون ٬ بار ترافیک ناگهانی و غیر قابل پیش بینی وارد شده به گره های بیسیم از عوامل ازدحام در شبکه و در نتیجه از دست رفتن بسته ها به شمار می آید. از طرفی با ارسال دوباره ی بسته های از دست رفته در اثر ازدحام ، انرژی مصرفی گره ها افزایش یافته، تاخیر زیاد شده و عمر شبکه کاهش می یابد. این مسئله به خصوص در شبکه های محدود از نظر منبع باعث تسریع پایان عمر گره ها و ایجاد مشکل در عملکرد شبکه می شود .
در این مقاله با استفاده از پروتکل مسیریابی RPL روشی برای کنترل ازدحام در شبکه های محدود از نظر منبع پیشنهاد شده است. سپس با اندازه گیری معیارهایی چون تعداد بسته های از دست رفته ٬توان عملیاتی و توان مصرفی گره ها میزان تاثیر این روش در افزایش کارایی شبکه سنجیده شده است. در نتیجه کارایی شبکه با توجه به معیارهای در نظر گرفته شده ارتقا یافته است و با کاهش مصرف انرژی گره ها عمر شبکه افزایش یافته است.
-1 مقدمه
از جمله پروتکل های مسیریابی مناسب برای استفاده در شبکه های سنسوری بیسیم و اینترنت اشیا پروتکل مسیریابی RPL است.پروتکل مسیریابی RPL به دلیل پشتیبانی از مکانیزم آدرس دهی IPv6، استفاده از مکانیزم تعمیر سراسری و محلی برای بازسازی توپولوژی شبکه هنگام تغییرات و قابلیت پیاده سازی انواع معیارهای کیفیت خدمات مورد نیاز، برای استفاده در شبکه های LLN از اهمیت ویژه ای برخوردار است و نیاز و اولویت کاربردهای مختلف را تحت پوشش قرار می دهد. با وجود مزایای گفته شده پروتکل مسیریابی RPL عملکرد ضعیفی در تعیین اندازه ی زیر گراف های هر گره و ایجاد توازن بار داشته است.
این مسئله باعث اتصال منابع تولید داده ی بیشتر به بعضی گره ها، ایجاد ازدحام در آنها، از دست رفتن بسته ها، مصرف انرژی بالاتر و کاهش عمر شبکه به دلیل پایان زود هنگام عمر برخی از گره ها در شبکه شده است.[1-3] با وجود استفاده از معیارهایی چون ETX و تعداد گره های میانی در تابع هدف پروتکل مسیریابی RPL پیش بینی ازدحام به گونه ای موثر برای مقابله با سرریز شدن بافر گره ها و از دست رفتن بسته ها انجام نشده است.[4] روش های گوناگونی برای کنترل ازدحام و تنظیم ترافیک تولیدی گره ها در شبکه های سنسوری بیسیم پیشنهاد شده اند.
از جمله روش های پیشنهاد شده برای کنترل ازدحام، فضای بافر در دسترس هر گره و نسبت میانگین زمان سرویس دهی به میانگین زمان بین ورود بسته ها در یک گره است.[5] این دو روش برای محاسبه و تشخیص ازدحام در نرخ ارسال پایین مناسب اند و استفاده از آنها در پیش بینی ازدحام در شبکه های محدود از نظر منبع روشی مناسب به نظر می رسد.
در این مقاله از نسبت میانگین زمان سرویس دهی به بسته ها به میانگین زمان بین ورود بسته ها برای مشخص کردن درجه ازدحام هر گره استفاده شده است. سپس با توجه به درجه ازدحام روشی برای تشخیص دقیق تر ازدحام در گره های شبکه انتخاب و کارایی آن در ایجاد شبکه ارتباطی و ارسال محتوا با استفاده از پروتکل مسیریابی RPL مورد ارزیابی قرار گرفته است. بخش بندی مقاله به صورت زیر می باشد:
در بخش 2 عملکرد پروتکل مسیریابی RPL و تابع هدف آن توضیح داده شده است. در بخش 3 مقالات مرتبط با کنترل ازدحام در شبکه های سنسوری بیسیم مرور شده اند. در بخش 4 تابع هدف پیشنهادی مدلسازی شده است. در بخش 5 نحوه شبیه سازی سناریوی ازدحام بیان شده است و آمار ها و نتایج به دست آمده بررسی شده اند. در بخش 6 نتیجه گیری انجام شده است.
-2 پروتکل مسیریابی RPL
پروتکل مسیریابی RPL با ارسال پیام های کنترلی DIO به صورت متناوب شبکه ای از گره های بیسیم را شکل می دهد که DODAG نام دارد. ارسال پیام های DIO به صورت فراپخش از سمت گره ریشه به گره های واقع در همسایگی آن آغاز می شود . گره های دریافت کننده این پیام ، گره ارسال کننده را به عنوان والد به لیست والدین خود اضافه می کنند و در صورتی که مرتبه آن از سایر گره های والد پایین تر باشد آن را به عنوان برترین والد خود انتخاب کرده و اطلاعات مرتبه خود را نیز با توجه به این گره به روز رسانی می کنند.
-3 مروری بر روش های پیشین
در سال Wang 2007 و همکارانش با با بهره گیری از معیار درجه ازدحام الگوریتمی را برای تنظیم نرخ تولید محتوا توسط گره ها در شبکه های سنسوری بیسیم ارائه دادند. در این روش ابتدا اولویت هر گره با در نظر گرفتن اولویت گره های فرزند محاسبه می شد و با تعیین درجه ازدحام از طریق اندازه گیری میانگین نرخ سرویس دهی به میانگین نرخ ورود بسته ها، نرخ تولید محتوا تنظیم می شد. در نتیجه کارایی شبکه از نظر تاخیر، تعداد بسته های از دست رفته و انرژی مصرف شده بهبود می یافت.[14]
Ghanavati و همکارانش در سال 2015 روشی را برای کنترل ازدحام در شبکه های بیسیم مربوط به حوزه ی سلامتی و بدن پیشنهاد دادند. ارتباطات چند به یک و محدودیت پهنای باند به عنوان دلایل اصلی ازدحام و از دست رفتن بسته ها در شبکه های سنسوری بیسیم معرفی شدند.روش پیشنهادی آنها از اطلاعاتی چون ظرفیت بافر، نرخ تولید محتوای هر گره و منطق فازی برای تخمین و تشخیص ازدحام با توجه به اولویت انواع محتوا استفاده می کرد. شبیه ساز OPNET و نرم افزار MATLAB برای اندازه گیری کارایی شبکه به کار رفت. در نتیجه کارایی شبکه با توجه به معیار هایی چون تاخیر و انرژی مصرفی و به دلیل در نظر گرفتن اطلاعات حیاتی بهبود یافت.[15]
Kafi و همکارانش در سال 2015 انواع معیارهای کنترل ازدحام مناسب شبکه های سنسوری بیسیم را معرفی کردند و با توجه به نیازمندی های انواع محتوا در سیستم های مدیریت سلامت پوشیدنی و نرخ ارسال داده معیارهای تعریف شده را مورد سنجش قرار دادند . معیارهای تعریف شده عبارت بودند از تعداد بسته های از دست رفته، طول صف، بار کانال و تاخیر . آنها از سیستم عامل Tiny OS برای انجام اندازه گیری های خود استفاده کردند ، همچنین از پیام های سلام ساده و پروتکل CTP برای شناسایی همسایگان در شبکه استفاده کردند.
در نتیجه معیار بار کانال و طول صف در ترکیب با هم به عنوان مناسب ترین روش برای تشخیص به هنگام ازدحام در شبکه شناخته شدند.[16] Al-Kashoash و همکارانش در سال 2016 روشی را برای کنترل ازدحام در شبکه های اینترنت اشیا ارائه دادند. آنها میزان ظرفیت خالی بافر لایه MAC را در محاسبه ی مرتبه ی گره های بیسیم در پروتکل مسیریابی RPL به کار بردند. سپس با استفاده از سیستم عامل Contiki و شبیه ساز Cooja و ایجاد سناریوی ازدحام، تابع هدف پیشنهادی خود را با سایر تابع هدف های پیشنهاد شده چون ETX ، OF0 و Energy-OF مقایسه کردند.
این روش از نظر تعداد بسته های از دست رفته، نرخ تحویل بسته و انرژی مصرفی گره ها نسبت به سایر توابع هدف پیشرفت داشت.[17] در سال Kim 2016 و همکارانش مسئله ی کنترل ازدحام و توازن بار را در شبکه های LLN با استفاده از پروتکل مسیریابی RPL مورد بررسی قرار دادند. عملکرد ضعیف این پروتکل در ایجاد توازن بار باعث ایجاد ازدحام، از دست رفتن بسته ها و افزایش انرژی مصرفی گره ها می شد . بنابراین با توجه به فضای بافر در دسترس معیاری برای تعیین وقوع ازدحام درگره والد تعریف شد که از از دست رفتن بسته ها در بافر مسیریاب ها جلوگیری می کرد. کارایی این معیار با استفاده از سخت افزار TeleosB و سیستم عامل TinyOS در سناریو های مختلف سنجیده شد.[18]
-4× روش پیشنهادی
در این روش از نسبت میانگین زمان سرویس دهی به بسته ها به میانگین زمان بین ورود بسته ها برای مشخص کردن درجه ازدحام هر گره استفاده شده است. برای محاسبه ی این نسبت، زمان سرویس دهی به بسته ها برای هر بسته از زمان ورود آن به لایه MAC تا زمان ارسال موفقیت آمیز آخرین بیت بسته محاسبه شده است و میانگین زمان ورود بین بسته های متوالی با اندازه گیری تعداد بسته های دریافتی در فاصله زمانی معین به دست آمده است. این معیار علاوه بر درنظر گرفته ازدحام در گره، ازدحام در لینک را نیز در نظر می گیرد. با استفاده از فیلتر EWMA فرمول محاسبه ی درجه ازدحام به صورت زیر - - 2 می باشد.
