بخشی از مقاله
مروری بر الگوریتم های مسیریابی در شبکه های تحمل پذیر تاخیر
چکیده
شبکه های تحمل پذیر تاخیرا نوعی از شبکه های بی سیم هستند که اتصال دائمی بین گره ها به علت تراکم کم و پراکندگی آنها وجود ندارد. در شبکه های سنتی TCP / IP فرض بر این است که بین هر جفت گره مبدا و مقصد مسیری انتها به انتها وجود دارد. هر سناریویی که این فرض را برهم زند به عنوان کاربردی برای شبکه های تحمل پذیر تاخیر در نظر گرفته می شود. برای مقابله با این وضعیت گره ها از رویکرد ذخیره، حمل و انتقال " استفاده می کنند. به این معنی که هر گره بسته دریافت شده را در حافظه خود نگهداری می کند تا در فرصت زمانی مناسب تر گره ای که نقش مفیدی در رسیدن بسته به مقصد داشته باشد را بیابد. تحقیقات زیادی برای غلبه بر مسائل چالش بر انگیز مسیریابی در DTN ها انجام شده است و الگوریتم های مسیریابی متفاوتی مطرح شده اند. این الگوریتم ها را می توان به دو دسته الگوریتم های مسیریابی تصادفی و قطعی تقسیم کرد. با توجه به افزایش روز به روز تعداد الگوریتم های مسیریابی نیاز است تا مزایا و معایب هر کدام از این الگوریتم ها بررسی شود تا مشخص شود که هر یک برای چه کاربردی مناسب می باشد. در این مقاله به بررسی مهمترین الگوریتم های مسیریابی در شبکه های تحمل پذیر تاخیر و روش هر یک در مدیریت حافظه گره ها می پردازیم.
کلمات کلیدی
شبکه های تحمل پذیر تاخیر، مسیریابی، کارایی
۱- مقدمه
شبکه های تحمل پذیر تاخیر نمونه ای از شبکه های چالش برانگیز هستند که در آنها اتصال همزمان بین تمام گره های شبکه وجود ندارد. اتصالات موجود در این شبکه ها به صورت پی در پی قطع و وصل می شوند. به همین دلیل پروتکل های مسیریابی سنتی در این شبکه ها کارایی ندارند. زیرا تمامی این پروتکل ها فرض می کنند که بین هر دو گره در شبکه مسیری انتها به انتها وجود دارد در صورتی که عدم وجود چنین مسیرهایی از ویژگی های شبکه های تحمل پذیر تاخیر است. در صورتی که گره های موجود در این شبکه ها حرکت کنند اوضاع وخیم تر می شود. زیرا در صورتی که الگوی حرکتی گره ها نامعین باشد نمی توان از مکان گره ها اطلاع داشت.
علاوه بر این گره هایی که در محیط های چالش انگیز فعالیت می کنند از نظر منابعی از قبیل قدرت پردازش، ظرفیت شبکه و حافظه بسیار محدود هستند. [۱] [۲] [۳]، [۴] |
همان طور که پیش از این بیان شد شبکه های تحمل پذیر تاخیر نمونه ای از شبکه های چالش برانگیز هستند. شبکه های چالش برانگیز ممکن است از یک یا چند فرض شبکه های سنتی تخلف کنند در نتیجه مدل TCP / IP برای چنین شبکه های مناسب نیست. مثال هایی از شبکه های چالش برانگیز عبارتند از: [۵]
۱) شبکه های موبایل زمینی: از آنجایی که گره های موجود در این شبکه ها اغلب توسط وسایل نقلیه تغییر مکان می دهند، شبکه به راحتی گسسته می شود. علاوه بر این تداخلات رادیویی موجود نیز می تواند باعث گسسته شده شبکه شود.
۲) شبکه هایی با رسانه های مرموز : این شبکه ها برای محیط هایی که در آنها فواصل بین گره ها بسیار زیاد است و یا محیط هایی که برای ارسال داده از فرکانس های نوری و یا صوتی استفاده می کنند طراحی شده اند. در این شبکه ها با گسستگی طولانی مدت لینک ها مواجه هستیم. به عنوان نمونه ای از این شبکه ها می توان به ارتباط با زیر دریایی ها یا ماهواره های نزدیک به زمین اشاره کرد.
3) شبکه های مبتنی بر حسگر: این شبکه ها شامل تعداد زیادی گره می باشند که از نظر منابع پردازشی، حافظه و توان باطری محدود هستند. در این شبکه ها گره ها به منظور استفاده بهینه از باطری خود به صورت زمانبندی شده با هم ارتباط برقرار می کنند.
در هریک از حیطه های کاری ذکر شده هدف کار کردن شبکه تحت محدودیت های پر دغدغه با تنظیمات شبکه های سنتی است. معماری DTN در واقع نماد تلاش برای توسعه کارایی و توانایی شبکه هاست. تلاش در شبکه های DTN برای برقراری ارتباط بین نمونه هایی از شبکه های چالش برانگیز و فراهم کردن ارتباط بین استاندارد های متناقص و ناهم جور، حتی در صورت عدم وجود زیر ساخت ارتباطی مناسب است. در واقع هدف اصلی DTN فراهم کردن ابزاری برای انتقال پیام در محیط های چالش برانگیز است.|
یکی از مسائل اساسی در طراحی شبکه هایی که در آنها گسستگی وجود دارد مسئله مسیریابی می باشد. قبل از این شبکه ایی قابل استفاده باشد باید امکان انتقال داده از منبع به مقصد وجود داشته باشد. در این مقاله سعی شده است که الگوریتم های مختلف مسیریابی در شبکه های تحمل پذیر تاخیر بررسی شود.
٢- ویژگی های شبکه های تحمل پذیر تاخیر شبکه های DTN دارای خصوصیاتی می باشد که در ادامه به بررسی تعدادی از این خصوصیات می پردازیم: [۶]، [۷]
- اتصال متناوب: اگر بین منبع و مقصد مسیری وجود نداشته باشد استفاده از پروتکل های TCP/IP امکان پذیر نبوده و پروتکل های دیگری مورد نیاز است.
۲- نرخ داده نامتقارن: اگر نرخ انتقال داده نامتقارن باشد امکان استفاده از پروتکل های تعامل سنتی مانند TCP وجود ندارد.
٣ - نرخ خطای بالا: اگر نرخ خطا در لینک ها زیاد باشد داده ها نیاز به تصحیح و یا ارسال دوباره دارند که این موضوع باعث بالا رفتن ترافیک در شبکه می شود.
۴- الگوی حرکتی مبهم: با مشخص نبودن الگوی حرکتی یک گره رفتار آن در آینده نامشخص است. اغلب شبکه های DTN با این مشکل مواجه هستند.
۵- تاخير متغیر یا بلند مدت: تاخیر انتشار بالا بین گره ها علاوه بر تاخیر صف بندی در بافر گره ها همگی باعث به وجود آمدن تاخیری در مسیرهای انتها به انتها می شود که توسط پروتکل های اینترنت و کاربردهایی که به بازگشت سریع بسته های تصدیق اعتماد می کنند، قابل تحمل نیست.
در پروتکل های TCP قبل از شروع انتقال داده باید دنباله ایی از بسته های ACK بین منبع و مقصد مبادله شود. در اینترنت زمان رد و بدل شدن این بسته ها ناچیز است در صورتی که در شبکه های تحمل پذیر تاخیر این زمان بسیار زیاد بوده و امکان برقراری ارتباط وجود ندارد. حتی اگر ارتباط هم برقرار شود ممکن است یکی از طرفین در حین ارتباط به یکی از دلایل ذکر شده ناپدید شود. در این حالت طرف دیگر تمامی اطلاعات مربوط به طرف مقابل را دور می ریزد.
۳- کاربردهای شبکه های تحمل پذیر تاخیر در ادامه به معرفی برخی از کاربردهای مهم شبکه های تحمل پذیر تاخیر پرداخته و به صورت مختصر راجع به حرکت گره ها، نرخ انتقال، سطح سختی و معیارهای دیگر در این کاربردهای توضیح داده شده
است.
١- مطاله حیات وحش برای مطالعه زندگی حیوانات وحشی و مسکن طبیعی آن ها معمولا دستگاه های حسگر کوچکی که شامل میکروکنترلر ها، GPS، حافظه، واحد فرستنده - گیرنده رادیویی، باطری و غیره می باشد، به حیوانات متصل می شود.[۸] تحرک حیوانات باعث متحرک شدن گره ها می شود. معمولا گره ها اطلاعات را بین خود رد و بدل می کنند تا به همسایگی یک ایستگاه اطلاعاتی برسند. ایستگاه اطلاعاتی داده ها را از گره ها جمع آوری می کند. ایستگاه های اطلاعاتی هم می توانند به دو صورت ثابت و متحرک باشند. ایستگاه های اطلاعاتی متحرک با نزدیک شدن به سمت گره ها اطلاعات آنها را جمع آوری می کنند. معمولا حرکت ایستگاه های اطلاعاتی در این دسته کاربردها کنترل شده است. از پروژهای عملیاتی مهم در این زمینه می توان به پروژه های Zebranet [۹]، [۱۰] و پروژه SWIM [۱۱] اشاره کرد.
۲- مطالعات جنگلبانی و زیر آبی مطالعات محیطی به دلایل متعدد سالیان متمادی مورد توجه بوده است. میزان دما، فشار هوا، نور، آلودگی های شیمیایی در آب و خاک، سطح تشعشعات، اطلاعاتی هستند که اغلب توسط سنسورهایی که در محیط پراکنده می شوند اندازه گیری می شوند. در چنین مواردی با توجه به طبیعت مكان شبکه اغلب دچار گسستگی های طولانی مدت می شود. در کاربردهای جنگلبانی، گره های حسگر ممکن است به دلایل مختلفی از قبیل بارش های سنگین، بارش برف، دمای بسیار بالا و شرایط دیگر از کار بیفتند. علاوه بر آن لینک های ارتباطی ممکن است به دلایل مختلفی از قبیل تراکم درختان به درستی کار نکنند.[۱۲] مسئله مهم در کاربردهای زیر آبی رسانه های ارتباطی می باشد. در کاربردهای زیر آبی اغلب از شبکه های صوتی استفاده می شود.[۱۳] در مطالعات جنگلبانی می توان از فرستنده های رادیویی با برد بلند برای ارسال داده استفاده کرد تا به محدودیت گسستگی شبکه غلبه کرد، اما این روش باعث می شود که طول عمر باطری گره ها کاهش یابد. این روش برای کاربردهای زیر دریایی مفید نیست زیرا سیگنال های رادیویی در آب بسیار ضعیف می شوند. در کاربردهای زیر دریایی دو راه حل وجود دارد. راه حل اول این است گره ها قادر باشند به سطح آب نزدیک شوند و داده هایشان را به یک ایستگاه اطلاعاتی بفرستند. روش دوم این است که یک سری ایستگاه های رابط وجود داشته باشند که بتوانند زیر آب حرکت کنند و با نزدیک شدن به گره ها داده های آنها را جمع آوری کنند. از جمله پروژه هایی که به مطالعات زیر دریایی پرداخته اند می توان به پروژه SeaWeb اشاره کرد. [۱۴]
3- کاربردهای روستایی این کاربرد یکی از مهم ترین و محتمل ترین کاربردهای DTN است که در محیط های دور افتاده که فاقد زیر ساخت ارتباطی می باشند، به کار می رود.[۳]، [۱۵] در این حالت وسایل نقلیه همانند پیک عمل کرده و اطلاعات را بین شهر و روستا جابجا می کنند. اگرچه انتقال اطلاعات به این صورت ممکن است چند ساعت طول بکشد اما این شبکه مزایایی نیز دارد، با توجه به پیشرفت تکنولوژی میزان حافظه پیک ها را می توان تا چندین ترابایت افزایش داد که این مقدار بسیار بیشتر از پهنای باند فراهم شده از طریق شبکه های پیشرفته امروزی است.
۴- شبکه های بین سیاره ای لزوم ارتباط بين سيارات و فاصله عظیم بین آنها که عملا امکان استفاده از شبکه های سنتی را از بین می برد یکی دیگر از دلایل اهمیت سبکه های DTN است. فرض کنید دانشمندی روی زمین مسئول یک ایستگاه رباتیک هواسنجی در سیاره مریخ است. اگر این دانشمند بخواهد نرم افزار موجود را نوسازی کند ابتدا اطلاعات و فایل های مورد نیاز باید از ایستگاه کاری روی زمین به یک آنتن فضایی پیچیده فرستاده شود، سپس از این آنتن به یک ماهواره رابط و از آنجا به ایستگاه مورد نظر در سیاره مریخ ارسال شود. زمان ارسال اطلاعات در این حالت نه بر حسب ثاینه بلکه بر حسب ساعت و یا روز اندازه گیری می شود.
۵- کاربردهای نظامی تمامی کاربردهای ذکر شده می توانند به نوعی زیر چتر کاربردهای نظامی قرار گیرند. اما به هر حال وجود فاکتور مرگ و میر باعث به وجود آمدن تفاوت های اصلی بین کاربردهای نظامی و کاربردهای دیگر می شود. با توجه به دخالت انسان در این گونه محیط ها گره ها باید از سطح خودکاری بالاتری برخوردار باشند و همچنین با توجه به نرخ بالای خرابی گره ها می بایست با در نظر گرفتن افزونگی بر محدودیت اتصال غلبه کرد. [۹]
۴- چالش های شبکه های تحمل پذیر تاخیر چالش های زیادی در شبکه های تحمل پذیر تاخیر وجود دارد که در شبکه های معمولی وجود ندارد. از جمله این چالش ها عبارتند از:
١- زمانبندی اتصال یکی از مهم ترین ویژگی های شبکه های DTN زمانبندی اتصال می باشد که به شرایط کاربرد مورد نظر بستگی دارد. کاربردهای مختلف از نظر میزان پیش بینی پذیری متفاوت می باشند. مثلا در کاربرد شبکه های منظومه شمسی که قطعی اتصال بر اثر حرکت اشیای موجود در فضا رخ می دهد، گسستگی شبکه می تواند به صورت دقیق پیش بینی شود. اما در کاربردهای دیگر که با حرکات انسان سر و کار دارد میزان و زمان گسستگی به صورت دقیق قابل پیش بینی نیست. [۱۷]
