بخشی از مقاله
مروری بر روشهای انتشار اطلاعات در شبکه های ونت
چکیده
بدون شک ویژگیها و قابلیتهای شبکهای، یکی از پارامترهای مهم خودروهای آینده است. شبکههای موردی وسایل نقلیه با استفاده از امواج رادیویی، انواع ارتباطهای خودرو به خودرو و خودرو به زیرساخت را ایجاد میکنند. مسئله انتشار اطلاعات یکی از مهمترین چالشها در این زمینه است. هدف انتشار اطلاعات به حداکثر رساندن استفاده از منابع شبکه برای تامین نیازهای دادهای همه خودروها است. در زمینهی انتشار دادهها در شبکههای موردی وسایل نقلیه ، الگوریتمهای زیادی مطرح شده است. اما از آنجاییکه این مسئله جزء مسائل خیلی مهم در شبکههای موردی وسایل نقلیه است، همچنان ابتکارهای جدیدی در این زمینه مطرح میشود. در این مقاله تعدادی از الگوریتمهای موجود در زمینه انتشار اطلاعات بررسی خواهد شد و مزایا و معایب هرکدام عنوان شده و در انتها مقایسهای بین این راهکارها انجام خواهد شد.
کلمات کلیدی:
شبکههای موردی وسایل نقلیه ، انتشار اطلاعات، گره، وسایل نقلیه، منابع شبکه.
(1 مقدمه
ارتباطات درون وســایل نقلیه، توجه چشــمگیری را از ســوی جامعهی تحقیقاتی و صــنعت خودرو به خود جلب کرده اســت، به طوریکه در تولید سیستم حمل و نقل هوشمند،1 مانند سرویسهای همیار رانندهها و مسافرین کاربرد فراوانی دارد .(Mohamed Nidhal Mejri, 2014) شبکههای ادهاک وسایل نقلیه، بعنوان گروه جدیدی از شبکههای بیسیم ارائه م ـیشود که بین وسایل نقلیهی متحرک مجهز به واسطهای ب ـیس ـیم تش ـکیل میشوند که هر یک میتوانند فناوریهای واسط رادیویی متفاوت و مشابه داشته باشند و از سیستمهای ارتباطات محدودهی کوتاه تا متوسط بهرهمند شوند. ونت حالتی از شبکه ادهاک سیار است که ارتباط میان وسایل نقلیه مجاور و همچنین ارتباط بین وسایل نقلی ـه و تجهیزات ثابت مج ـاور در ک ـنار ج ـاده را فراهم میسـازد. در واقع شبـکههای وسـایل نقلیه، مجازیسـازی سرویسهای ارتباطی مختلف را برای رانـندهها و مسافرین فراهم میکند.
ونت میتواند توسط اپراتورهای شبکه و فراهم کنندههای سرویس و یا از طریق یکپارچگی بین اپراتورها، تهیه کنندهها و مسئولین دولتی توسعه یابد .(Hassnaa Moustafa, 2008) پیشــرفتهای اخیر در زمینه تکنولوژیهای بیســیم و روند اخیر روبه رشــد در ســناریوی شــبکههای ادهاک، تعدادی از معــــماریهای توسعه را برای شبکههای وسایل نقلیه در محیطهای شهری و بزرگراهها فراهم میسازد. این معماریها باید اجازهی ارتباط میان وسایل نقلیه مجاور و همچنین ارتباط بین وســـایل نقلیه و تجهیزات کنار جاده ثابت مجاور را فراهم کند. ســـه راهکار برای فراهم ســـاختن چنین ارتباطاتی
پیشنهاد میشود :(Bai, Sadagopan , & Helmy, 2012)
· شبکه ادهاک وسیله نقلیه به وسیله نقلیه بیسیم خالص، که ارتباطات وسایل نقلیه مستقل را بدون پشتیبانی زیرساختها امکانپذیر میسازد.
· ستون فقرات سیمی با آخرین هاپهای بیسیم، که قادر است بصورت شبکههای وسایل نقلیه شبیه شبکههای گسترده جهانی2 در نظر گرفته شود.
· معماری ترکیبی وسیله نقلیه به جاده که برپایهی زیرساخت ثابت است و زمانیکه قابل دستیابی باشد میتوان از آن برای دسترسی سرویس و کارایی بهبود یافته بهره برد.
در این مورد اخیر، وســایل نقلیه میتوانند در یک هاپ و یا در حالت چندهاپی با توجه به موقعیتهای وســایل نقلیه و با در نظر گرفتن نقطه اتصــال با زیر ساخت، ارتباط برقرار کنند. در ادامه به برر سی چالشهای مهم در زمینه ونت میپردازیم. مزایا و کاربردهای ونت از دیدگاه شبکه با سرویس بالقوه ارائه می شوند.
مسائل و چالشهای مختلفی در ونت وجود دارد که محققین همواره در تلاش بودهاند راهحلهایی را در جهت رفع و بهبود این مسائل ارائه دهند. از جـمله مسائل و چالــــشهایی که در محیط ونــــت وجــــود دارد میتوان به مسئله امنیت، مسئله اقتصادی بودن، طبقهبندی مداوم شبکه، افزونگی، قابلیت پیشبینی موقعـــیت، تامین قدرت به نسبت کافی، چگونـــگی بهرهگیری موثر از پهنای باند، چگونگی حفظ و نگهداری توپولوژی، چگونگی دستیابی به حداقل تاخیر در انتقال همزمان اطلاعات در موقعیتهای گوناگون، دستیابی واحد و یکسان، انتشار داده، و غیره اشاره کرد (Mohamed Nidhal Mejri, .2014) موضوعی که در این پژوهش بر روی آن کار شده است، مسئله انتشار اطلاعات در محیط ونت است که در بخش بعد مفهوم انتشار اطلاعات در محیط ونت توضیح داده میشود و در ادامه راهکارهای مطرح شده در زمینه انتشار اطلاعات بررسی شده و مزایا و معایب هریک از روشها بیان میشود. و در انتها نتیجه گیری از مطالب بیان شده و منابع آورده شده است.
(2 الگوریتمهای انتشار اطلاعات در ونت
از انتشــار داده در ونت میتوان برای آگاهی دادن به رانندهها و خودروها از ترافیک متراکم و تکثیر هشــدارهای ضــروری بین خودروها برای جلوگیری کردن از تصادفات استفـاده کرد . با مطلع شدن راننده از شـرایط ترافیکی، در هــزینه و زمان صرفهجـویی میشود. شماری از نوآوریهای انجام شده در بخش ایمنی، آ سایش و راحتی موجب ساخت خودروها ی نو شده ا ست که تفاوت های زیادی با خودروهای گذ شته دارند. در این بخش الگوریتمهای انتشار اطلاعات در ونت مطالعه و بررسی میشوند، مزایا و معایب هر کدام مطرح شده و در نهایت یک مقایسه کلی بین الگوریتمها صورت میگیرد.
(1-2 راهکار غیر متمرکز برای انتشار اطلاعات در ونت
در الگوریتم پیشــنهادی (Medetov S et al., 2014) ، هر وســیله نقلیه بعنوان یک مورچه در نظر گرفته میشــود. زمانی که رویداد محیطی غیرعادی در جاده شنا سایی می شود، پیام امنیتی ایجاد می شود و برای مطلع سازی سایر و سایل نقلیه و واحدهای کنار جاده در طول م سیرش منت شر می شود که مشابه رفتار مورچهها است. زمانیکه مورچه منبع غذایی را مشاهده میکند، برای هدایت غیرمستقیم سایر مورچهها در مورد اطلاعات مسیر منبع غذا، ردهــــایی از فرومون برجای میگذارد. این روش نشان میدهد که ردهای فرومون مورچه فیدبکهای مثبت و منفی برای سازماندهی جستجوی غذا در سطح کلونی فراهم میسازند.
در روش انتشار اطلاعات الهام گرفته از الگوریتم کلونی مورچه پیشنهادی، ارتباط پیامهای امنیت بسته به شدت و نوع رویدادهایی تعریف میشود که در جاده روی میدهند. بعلاوه، با تبخیر فرومونها با گذر زمان، مســیرهای مورچه کمتر اســتفاده شــده به تدریج محو میشــوند. در واقع، زمانیکه غذا تمام می شود، ج ستجو کنندههای غذا از تقویت آن در بازگ شت شان خودداری میکنند، بنابراین بازخورد منفی فراهم می سازند. با در نظر گرفتن این مفهوم که فرومونها از سی ستم مورچه محو می شوند، ارتباط پیامهای امنیتی، م شابه مقادیر فرومون، در طول زمان و با فا صله تبخیر و در نهایت از سی ستم حذف می شوند. رانندهها نیز همانند مورچهها، اقدامات منا سب پی شگیرانه، با توجه به مقدار پیامهای ا ضطراری دریافت شده از ماژول انت شار اطلاعات آگاه از متن1 انجام میدهند.
این روش همانند جایگذاری فرومون توسط مورچه در طول مسیرش است. وسیله نقلیه یک پیام جدید به واحدهای کنار جاده ارســـال میکند که سایر وســــایل نقلــــیه میتوانند این اطلاعات را بگیرند. بطور مشابه، وسایل نقلیه میتوانند اطلاعات را از واحدهای کنار جاده بگیرند که توسط سایر وسایل نقلیه یا واحدهای کنار جادهها فراهم شــدهاند. در روش دوم، زمانیکه دو وســیله نقلیه پیام جدیدی برای مبادله دارند، پایگاه دانش یکدیگر را با مبادله پیامهای جدید بروز میکنند. که دقیقا شبیه ارتباطات مستقیم بین مورچهها است.
دادهها مانند مقدار مرتبط اولیه، زمان تولید، مکان رویداد و سطح جغرافیایی مربوطه که برای محا سبه ارتباط پیامهای دریافت شده ا ستفاده می شوند، در هدر هر پیام به همراه توصیف رویداد ذخیره میشوند. بعد از محاسبه مقدار مرتبط جدید، گــــرههای گیرنده، باید بسته به مقدار مرتبط، اقــــدامات منــــاسب را انجام دهــــند. بعنوان مثال، با توجه به اطلاعات، ماژول انتشار اطلاعات آگاه از متن، میتواند انتخاب جادهی جایگزین، کاهش سرعت و یا توقف فوری وسیلهی نقلیه را به رانندهها پیشنهاد کند.
اگر تعداد زیادی وسیله نقلیه در ناحیه جغرافیایی مـــربوطه وجود داشـــته باشد، پـــیامهای افزونه متعـــددی میتوانند صادر شوند. بنابراین، به منظور کاهش افزونگی، برای پیامهای تولید شده توسط مبدا یکسان، که دارای ورودی برای رویداد یکسان است، زمان تولید شان مقایسه خواهد شد، آخرین پیام تولید شده پردازش می شود، بدین ترتیب پیامهای اولیهی تولید شده حذف می شوند. این فرایند یک امر ضروری در انت شار اطلاعات ا ست، زیرا
پیامهای اضطراری بطور دوره ای تولید می شوند و اگر بازه تولید خیلی کوچک باشد، برخی گرهها میتوانند پیامهای اضافی تولید شده در اوایل سفر را در سطح ارتباطات، میان گرههای هم سایه دریافت کنند در حالیکه پیامهای جدیدتر قبلا دریافت شدهاند. با اینحال، بازه کوتاه در تولید پیام دورهای نیز در مفهوم کاربردهای امنیتی به دلیل برخی ویژگیهای خاص ونتها حائز اهمیت است.
برای پیامهای تولید شده توسط منبعهای مختلف برای رویدادهای یکسان و یا متفاوت، مقادیر ارتباط شان محاسبه می شود و بزرگترین مقدار در ابتدا منت شر می شود، پیامهایی با مقدار ارتباط کمتر، در صورتیکه مقدار ارتباط شان کمتر از حد آ ستانه م شخص با شد در صف انتظار میمانند و یا حذف میشوند.
اهمیت اطلاعات مرتبط با امنیت دریافت شده توسط وسیله نقلیه عمدتا به فاصلهی بین مکان فعلی و مکان وسیلهی نقلیه بستگی دارد. زمانیکه وسایل نقلیه در جهت رویداد حرکت میکنند، فا صله کاهش می یابد و زمانیکه و سیله نقلیه از ناحیه رویداد دور می شود، فا صله افزایش مییابد. دریافت چنین پیامی زمان نزدیک شدن به محل مورد نظر، میتواند در ت صمیمگیری و اقدامات بعدی مانند کاهش یا افزایش سرعت، یافتن م سیر جایگزین وغیره به راننده ها کمک کند، که کاملا مشابه رفتار فرومونها است، همانطور که طول عمر فرومونها با افزایش فاصله بین لانه و منابع غذا کاهش مییابد.
شبیهسازیها نشان میدهد، مزیت اصلی استفاده از الگوریتم انتشار پیشنهادی، عدم نیاز به تعریف سطح جغرافیایی از قبل است. با تشخیص خطر، پیام اضطراری به منظور مطلعسازی وسایل نقلیه اطراف تولید و منتشر میشود. وسایل نقلیه انتشار پیام را زمانی متوقف میسازند که مقدار ارتباطش کمتر از صفر یا مقدار آستانه مشخص باشد. این مقدار برای کمک به راننده در تصمیم گیری صحیح استفاده میشود .(Medetov S et al., 2014)
(2-2 انتشار اطلاعات بر مبنای توپولوژی درخت
شبکههای ونت شبکههایی ه ستند که د ستگاهها برای مبادله پیامها در حالت غیرمتمرکز، یعنی بدون زیر ساخت قبلی از آنها ا ستفاده میکنند .(Ruiz P et al., 2008) در این رابطه گروه تحقیقاتی رویز یک الگوریتم مبتنی بر مدل غیر متمرکز برای امکان مدیریت درخت توزیع شــده و ســاخت
1BODYF بر روی آن ارائه داده است. روش پیشنهادی این گروه تحقیقاتی برحسب تعداد دستگاههای بدست آمده و مصرف شبکه، عملکرد بهتری دارد
.(Ruiz P et al., 2011)
BODYF پروتکلب برای انت شار کارای طراحی شده برای شبکههای ارتباطات ادهاک با پویایی بالا مانند ونتها ا ست. این پروتکل برمبنای جنگل پوشا است. هدف اصلی این روش، خود درخت نیست، بلکه طراحی پروتکل انتشار جدیدی است که به بهترین پوشش ممکن، کمترین مصرف شبکه و حداقل هزینه با اســتفاده از اطلاعات شــبکه فراهم شــده توســط توپولوژی مبتنی بر درخت دســت مییابد. در این روش، از مدل غیرمتمرکز ســیســتمهای
برچ سبگذاری مجدد گراف آگاه از پویایی2 ا ستفاده می شود که یک مدل کاملا غیرمتمرکز برای ساخت توپولوژیهای مبتنی بر درخت در گرافهای پویا است. این مدل تنها از اط ـلاعات م ـربوط به هم ـسایههای مستقیم برای ساخت توپولوژی استفاده میکند. بنابراین اگر ونت بصورت گرافی نمایش داده شود، جایی که و سایل نقلیه، مجموعه رئوس ( ) و لینکهای بین آنها، یال های گراف ( ) با شند، در این صورت میتوان از مدل پی شنهادی برای ساخت توپولوژی درخت مورد نظر در شبکه استفاده کرد. پویایی شبکه توســـط این واقعیـــت نمایـــش داده میشود که مقادیر و میتوانند در هر زمانی تغییر کنند.
درخت موجود در گراف، یک زیرگراف بدون سیکل متصل است و جنگل بصورت مجموعهای از درختها تعریف میشود. هدف این مدل، ساخت درخت پوشا روی گراف است و معمولا به دلیل پارتیشنبندی شبکه و تحرک دستگاهها امکانپذیر نیست، بنابراین، مدل بررسی شده برای ساخت توپولوژی جنگل استفاده می شود که با بکارگیری محلی برخی قواعد ساده در هر گره انجام میگیرد. در این روش، نشان دهنده گره با نشانه است، دستگاه بدون نشانه است و به این مفهوم است که میتواند هر یک از آن دو باشد. اعداد روی یالها، برچسبهای نشان دهندهی مسیر تا نشانه هستند. نشانه هیچ اطلاعاتی در مورد درخت ندارد، تنها یک وضعیت برای گره فراهم میسازد که امکان فرایند ادغام را به درخت میدهد. فقط گره دارای نشانه قادر به ادغام درختاش با درخت دیگر ا ست. در ابتدا به تمام د ستگاهها برچ سب داده می شود، به این مفهوم که همه ی آنها، درختهای تک گرهی تشکیل میدهند. مدل پیشنهادی، سرویسها یا برنامههای کاربردی را مدلسازی نمیکند، بلکه تنها مکانیزمهای کنترل در تغییرات توپولوژی و تعامل بین دستگاهها را مدلسازی میکند. در این مدل، از اطلاعات همسایه با فاصله یک گام استفاده میشود، بنابراین یک الگوریتم محلی است.
شبیه سازی برای روش پیشنهادی نشان میدهند که الگوریتم پیشنهادی علاوه بر بهبود در پوشش عناصر شبکه، باعث افزایش کارایی و مصرف بهینه
منابع شبکه میشود .(Ruiz P et al., 2011)
(3-2 انتشار داده موثر در ونت شهری و بزرگراه
ونت فناوری جدیدی اسـت که امکان خودسـازماندهی1، بدون نیاز به زیرسـاخت دائمی را به وسـایل نقلیه میدهد. اخیرا ونتها توجه پژوهشـگران را با ارائهی کاربردهای جادهای به خود جلب نموده و پتان سیل آنها را با فراهم سازی سی ستمهای حمل و نقل هو شمند افزایش دادهاند. کاربردهای در نظر گرفته شده همانند برخی ویژگیهای ذاتی ونت، انتشار دادهها را یک س ـرویس ض ـروری و وظیفه مهم در این شبکهها بیان میکند. پروتکلهای انتشار
داده زیادی در مقالات پیشنهاد شدهاند (Hartenstein H et al., 2008)، (Uichin L et al., 2010) و .(Chen L et al., 2014) با اینحال، اکثر این پروتکلها
برای عملکرد انح صاری در سناریوهای شهری یا بزرگراه و تحت شبکههای متراکم یا پراکنده طراحی شدهاند. بعلاوه، راهحلهای موجود برای انت شار دادهها بطور موثر م سائل طوفان انت شار و پارتی شنبندی شبکه را به طور همزمان مطرح نمیکند. برای ر سیدگی به این م سائل، گروه تحقیقاتی ویلاس (Villas L et al., 2014) یک پروتکل انتشار داده جدید در شبکههای وسیله نقلیه پیشــنهاد داده است که برای تحویل پیامها تحت شبکههای متراکم و پراکنده بطور انحصاری به اطلاعات همسایه یک گامی محلی وابسته است. در سناریوهای متراکم، الگوریتم پیشنهادی وسایل نقلیهی درون نقطه مرکزی را برای انتشار مجدد پیامها به وسایل نقلــــیه دورتر انتــــخاب میکند. بعلاوه، پروتکل از تاییدهای ضمنی برای تضمین قدرت در تحویل پیام، تحت سناریوهای پراکنده استفاده میکند. روش پیشنهادی مسئله طوفان انتشار را از بین میبرد و قابلیتهای انتشار داده را در میان پارتیشنهای شبکه با تاخیرهای کوتاه و سربار کم بیشینه میسازد. نتایج شبیه سازی نشان میدهند که الگوریتم پیشنهادی، انتشار را با کارایی بهتر از سایر الگوریتمها انجام میدهد. هدف اصلی پروتکل پیشنهادی، بیان مسئله طوفان انتـشار و بیشـینه کردن قدرت انتشار داده میان پارتیشنهای شبکه با سربار کم، تاخیرهای کوتاه و پوشـــش بالا با انجام انتشـــار داده در ناحیه مورد نظر 2 اســـت. بعلاوه، برخلاف اکثر راههای موجود در مقالات، وســـایل نقلیهای که از الگوریتم پی شنهادی ا ستفاده میکنند، نیاز به جدول هم سایه ندارند. به همین منظور الگوریتم پی شنهادی از نقطه مرکزی3برای حذف م سئله طوفان انت شار و بیشینه سازی پوشش استفاده میکند.
نتایج شبیهسازی نشان میدهد که روش پیشنهادی پیامها را به تمام گیرندههای مورد نظر در حداقل زمان تحویل میدهد و در عین حال سربار موجود بر روی شبکه را کاهش میدهد .(Villas L et al., 2014)
(4-2 الگوریتم انطباقی برای انتشار اطلاعات در ونتها
ونتها بعنوان زیرمجموعهای از منتها برای ارتباطات میان و سایل نقلیه ایجاد شدند. با اینحال، ونتها ماهیت ن سبتا پویاتری در مقای سه با منتها، در توپولوژی شبکه دارند. طراحی و پیاده سازی الگوریتم کارا و مقیاسپذیر برای انت شار اطلاعات در ونتها یک چالش مهم ا ست. در واقع، در این محیط پویا، تعداد روبه افزایش انت شار پیامهای ا ضافی، م صرف منبع را افزایش میدهد که تاثیر غیرم ستقیمی روی کارایی شبکه دارد. در سالهای گذ شته، طرحهای انتشار مبتنی بر آمار متعددی مانند پروتکل مبتنی بر شمارنده، برای انتشار اطلاعات پیشــــنهاد شدند. این طــــرحها برمبنای پارامترهای متــــعددی جهت کــــمک به گــــرهها در ت صمیمگیری در مورد بازپخش یا حذف پیامهای دریافتی ه ستند .(Fiore M et al., 2007) با اینحال، در شبکههای پویا، مانند ونتها، تعیین این مقادیر آ ستانه از قبل، سخت و حتی غیرممکن ا ست. تغیـــــیر پویای این مقادیر، جهت کمینه سازی تعداد پیامهای دریافتی اضافی با حفظ تاخیر و قابلیت دسترسی خوب، در نبودن کنترل کنندههای متمرکز یا پارامترهای آستانه ثابت، بحث پیچیدهای است. نتایج شبیهسازی نشان میدهند که راهکار انطباقی پیشنهادی، کارایی بهتری نسبت به سایر راهکارهای مبتنی بر آمار دارد.
