بخشی از مقاله
کاربرد هاي شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر
چکیده
شبکه هاي تحمل پذیر تأخیر امکان انتقال داده در نواحی خلوت را فراهم می سازند، در این نواحی تأخیر طولانی و قطع و وصل شدن اتصال قابل تحمل است. در این نوع شبکه ها اتصال کامل میان گره ها در سراسر شبکه برقرار نیست. از این رو براي انتقال داده ها در شبکه، گره ها داده ها را با خود نگه داري و حمل می کنند و آن ها را در ملاقات با دیگر گره ها، به دیگران انتقال می دهند و به این ترتیب داده ها در شبکه جابجا می شوند. با شناخت خصوصیات این شبکه ها می توان کاربردهاي زیاد و مهمی براي آن یافت. با بررسی کاربردهاي متفاوت می توان نیاز هاي اساسی این شبکه ها را استخراج کرد. در این مقاله به بررسی کاربردهاي مختلف شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر پرداخته و خصوصیات هر کاربرد را به صورت جزئی بررسی خواهیم کرد.
واژههاي کلیدي:شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر، کاربرد،گره هاي حسگر، رسانه اتصال
-1 مقدمه
شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر نمونه اي از شبکه هاي چالش برانگیز هستند که در آنها اتصال همزمان بین تمام گره هاي شبکه وجود ندارد. اتصالات1 موجود در این شبکه ها به صورت پی در پی قطع و وصل می شوند. به همین دلیل پروتکل هاي مسیریابی سنتی در این شبکه ها کارایی ندارند. زیرا تمامی این پروتکل ها فرض می کنند که بین هر دو گره در شبکه مسیري انتها به انتها وجود دارد در صورتی که عدم وجود چنین مسیرهایی از ویژگی هاي شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر است. در صورتی که گره هاي موجود در این شبکه ها حرکت کنند اوضاع وخیم تر می شود. زیرا درصورتی که الگوي حرکتی گره ها نامعین باشد نمی توان از مکان گره ها اطلاع داشت.
علاوه براین گره هایی که در محیط هاي چالش انگیز فعالیت می کنند از نظر منابعی از قبیل قدرت پردازش، ظرفیت شبکه و حافظه بسیار محدود هستند. [1]، [2]، [3]، [4]
همان طور که پیش از این بیان شد شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر نمونه اي از شبکه هاي چالش برانگیز هستند. شبکه هاي چالش برانگیز ممکن است از یک یا چند فرض شبکه هاي سنتی تخلف کنند در نتیجه مدل TCP/IP براي چنین شبکه هاي مناسب نیست. مثال هایی از شبکه هاي چالش برانگیز عبارتند از: [5]
(1 شبکه هاي موبایل زمینی: از آنجایی که گره هاي 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.
(2 شبکه هایی با رسانه هاي مرموز:1 این شبکه ها براي محیط هایی که در آنها فواصل بین گره ها بسیار زیاد است و یا محیط هایی که براي ارسال داده از فرکانس هاي نوري و یا صوتی استفاده می کنند طراحی شده اند. در این شبکه ها با گسستگی طولانی مدت لینک ها مواجه هستیم. به عنوان نمونه اي از این شبکه ها می توان به ارتباط با زیر دریایی ها یا ماهواره هاي نزدیک به زمین اشاره کرد.
(3 شبکه هاي مبتنی بر حسگر: این شبکه ها شامل تعداد زیادي گره می باشند که از نظر منابع پردازشی، حافظه و توان باطري محدود هستند. در این شبکه ها گره ها به منظور استفاده بهینه از باطري خود به صورت زمانبندي شده با هم ارتباط برقرار می کنند.
در هریک از حیطه هاي کاري ذکر شده هدف کار کردن شبکه تحت محدودیت هاي پر دغدغه با تنظیمات شبکه هاي سنتی است. معماري DTN در واقع نماد تلاش براي توسعه کارایی و توانایی شبکه هاست. تلاش در شبکه هاي DTN براي برقراري ارتباط بین نمونه هایی از شبکه هاي چالش برانگیز و فراهم کردن ارتباط بین استاندارد هاي متناقص و ناهم جور، حتی در صورت عدم وجود زیر ساخت ارتباطی مناسب است. در واقع هدف اصلی DTN فراهم کردن ابزاري براي انتقال پیام در محیط هاي 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 می بایست امکان انتقال داده از منبع به مقصد وجود داشته باشد. در این مقاله سعی شده است که الگوریتم هاي مختلف مسیریابی در شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر بررسی شود.
-2 ویژگی هاي شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر
شبکه هاي DTN داراي خصوصیاتی می باشد که در ادامه به بررسی تعدادي از این خصوصیات می پردازیم: [6]، [7]
-1 اتصال متناوب: اگر بین منبع و مقصد مسیري وجود نداشته باشد استفاده از پروتکل هاي TCP/IP امکان پذیر نبوده و پروتکل هاي دیگري مورد نیاز است.
-2 نرخ داده نامتقارن: اگر نرخ انتقال داده نامتقارن باشد امکان استفاده از پروتکل هاي تعامل سنتی مانند TCP وجود ندارد.
-3 نرخ خطاي 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.
-4 الگوي حرکتی مبهم: با مشخص نبودن الگوي حرکتی یک گره رفتار آن در آینده نامشخص است. اغلب شبکه هاي DTN با این مشکل مواجه هستند.
-5 تاخیر متغیر یا بلند مدت: تاخیر انتشار بالا بین گره ها علاوه بر تاخیر صف بندي در بافر گره ها همگی باعث به وجود آمدن تاخیري در مسیرهاي انتها به انتها می شود که توسط پروتکل هاي اینترنت و کاربردهایی که به بازگشت سریع بسته هاي تصدیق اعتماد می کنند، قابل تحمل نیست.
در پروتکل هاي TCP قبل از شروع انتقال داده باید دنباله ایی از بسته هاي ACK بین منبع و مقصد مبادله شود. در اینترنت زمان رد و بدل شدن این بسته ها ناچیز است در صورتی که در شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر این زمان بسیار زیاد بوده و امکان برقراري 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.
-1 زمان انتقال پیام از یک گره به گره دیگر در شبکه هاي DTN به اجزاي زیر تقسیم می شود: [3]
-2 زمان انتظار : 1 میزان زمانی است که پیام هنگامی که به یک گره می رسد باید منتظر بماند تا ارتباط با گره بعدي برقرار شود. -3 زمان صف بندي:2 مدت زمانی است بسته باید در صف منتظر بماند تا بسته هاي با اولویت بالاتر از آن از صف خارج شوند
تا نوبت به این بسته برسد.
-4 زمان ارسال :3 مدت زمانی است که براي ارسال تمامی بیت هاي بسته صرف می شود. این زمان به نرخ ارسال داده و طول بسته محاسبه می شود.
-5 زمان انتشار:4 زمانی است که براي انتشار یک بیت در لینک صرف می شود. این مقدار زمان به تکنولوژي لینک بستگی دارد.
-3 چالش هاي شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر
چالش هاي زیادي در شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر وجود دارد که در شبکه هاي معمولی وجود ندارد. از جمله این چالش ها عبارتند از: -1 زمانبندي اتصال
یکی از مهم ترین ویژگی هاي شبکه هاي DTN زمانبندي اتصال می باشد که به شرایط کاربرد مورد نظر بستگی دارد. کاربردهاي مختلف از نظر میزان پیش بینی پذیري متفاوت می باشند. مثلا در کاربرد شبکه هاي منظومه شمسی که قطعی اتصال بر اثر حرکت اشیاي موجود در فضا رخ می دهد، گسستگی شبکه می تواند به صورت دقیق پیش بینی شود. اما در کاربردهاي دیگر که با حرکات انسان سر و کار دارد میزان و زمان گسستگی به صورت دقیق قابل پیش بینی نیست. [8]
-2 فضاي بافر
به علت گسستگی هاي طولانی مدت موجود در شبکه هاي DTN بسته هاي ارسالی می بایست براي زمان هاي طولانی در بافر روتر هاي میانی ذخیره شده و منتظر فرصت هاي ارتباطی که در آینده به وجود می آید باشند. از یک دیدگاه این بدان معنی است که فضاي بافر روترهاي میانی می بایست متناسب با کاربرد باشد. از دیدگاه دیگر باید سیاست هاي مسیریابی در تصمیم گیري هاي خود به فضاي بافر روتر ها توجه داشته باشند.
-3 قدرت پردازش
همانطور که پیش از این نیز گفته شد گره هاي تشکیل دهنده شبکه هاي DTN اغلب بسیار کوچک بوده و از نظر منابع از جمله منابع پردازشی محدود هستند. در نتیجه این گره ها قادر به اجراي الگوریتم هاي مسیریابی پیچیده نیستند.
-4 انرژي
یکی دیگر از منابع محدود گره هاي موجود در شبکه هاي DTN منبع انرژي است. الگوریتم هاي مسیریابی با اعمالی از قبیل ارسال، دریافت، ذخیره بسته ها و محاسبات انرژي زیادي مصرف می کنند. در نتیجه هر الگوریتم مسیریابی که بیت هاي کمتري ارسال و دریافت کند الگوریتم بهینه تري است.
-4 معیارهاي ارزیابی
براي مقایسه و ارزیابی کارایی الگوریتم هاي که در شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر طرح می شوند، باید معیار هایی در نظر گرفت. در این بخش به بررسی چند معیار مهم در این زمینه می پردازیم.
-1 نرخ تحویل1
مهم ترین معیار ارزیابی در شبکه هاي DTN رنخ تحویل بسته ها به مقصد است. نرخ تحویل به معناي کسري از بسته هاي تولید شده است که طی مدت زمان مشخص به مقصد می رسند.
-2 تاخیر تاخیر به معناي فاصله زمانی بین تولید بسته و دریافت آن در مقصد است. این معیار به این دلیل مهم است که اگر چه در شبکه هاي
DTN تاخیر بلند مدت قابل تحمل است اما بعضی از کاربرد ها از تاخیرهاي کوتاه مدت سود می برند. به عنوان مثال اگر یک شبکه DTN براي ارسال پیام به یک کاربر متحرك استفاده می شود این پیام قبلا از این که کاربر از محدوده شبکه خارج شود باید به دست او برسد.
-3 ارسال هر چه تعداد ارسال ها در شبکه بیشتر باشد منابع بیشتري در شبکه مصرف می شود. به همین دلیل تعداد ارسال ها نیز یکی دیگر از معیار
هاي کارایی شبکه هاي DTN محسوب می شود. به عبارت دیگر الگوریتم مسیریابی که با تعداد ارسال کمتري نرخ تحویل بالاتر و تاخیر کمتري دارد بهینه تر است.
-5 کاربردهاي برجسته شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر
در ادامه به معرفی برخی از کاربردهاي مهم شبکه هاي تحمل پذیر تاخیر پرداخته و به صورت مختصر راجع به حرکت گره ها، نرخ انتقال، سطح سختی و معیارهاي دیگر در این کاربردهاي توضیح داده شده است.
مطاله حیات وحش
براي مطالعه زندگی حیوانات وحشی و مسکن طبیعی آن ها معمولا دستگاه هاي حسگر کوچکی که شامل میکروکنترلر ها، GPS، حافظه، واحد فرستنده- گیرنده رادیویی، باطري و غیره می باشد، به حیوانات متصل می شود.[9] تحرك حیوانات باعث متحرك 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 آوري می کند. ایستگاه هاي اطلاعاتی هم می توانند به دو صورت ثابت و متحرك باشند. ایستگاه هاي اطلاعاتی متحرك با نزدیک شدن به سمت گره ها اطلاعات آنها را جمع آوري می کنند. معمولا حرکت ایستگاه هاي اطلاعاتی در این دسته کاربردها کنترل شده است. از پروژهاي عملیاتی مهم در این زمینه می توان به پروژه هايZebranet، [11,10]و پروژه [12SWIM] اشاره کرد.
-1 مطالعات جنگلبانی و زیر آبی مطالعات محیطی به دلایل متعدد سالیان متمادي مورد توجه بوده است. میزان دما، فشار هوا، نور، آلودگی هاي شیمیایی در آب و
خاك، سطح تشعشعات، اطلاعاتی هستند که اغلب توسط سنسورهایی که در محیط پراکنده می شوند اندازه گیري می شوند. در چنین مواردي با توجه به طبیعت مکان شبکه اغلب دچار گسستگی هاي طولانی مدت می شود. در کاربردهاي جنگلبانی، گره هاي حسگر ممکن است به دلایل مختلفی از قبیل بارش هاي سنگین، بارش برف، دماي بسیار بالا و شرایط دیگر از کار بیفتند. علاوه بر آن لینک هاي ارتباطی ممکن است به دلایل مختلفی از قبیل تراکم درختان به درستی کار نکنند.[13]
مسئله مهم در کاربردهاي زیر آبی رسانه هاي ارتباطی می باشد. در کاربردهاي زیر آبی اغلب از شبکه هاي صوتی استفاده می شود.[14]
در مطالعات جنگلبانی می توان از فرستنده هاي رادیویی با برد بلند براي ارسال داده استفاده کرد تا به محدودیت گسستگی شبکه غلبه کرد، اما این روش باعث می شود که طول عمر باطري گره ها کاهش یابد. این روش براي کاربردهاي زیر دریایی مفید نیست زیرا سیگنال هاي رادیویی در آب بسیار ضعیف می شوند. در کاربردهاي زیر دریایی دو راه حل وجود دارد. راه حل اول این است نود ها قادر باشند به سطح آب نزدیک شوند و داده هایشان را به یک ایستگاه اطلاعاتی بفرستند. روش دوم این است که یک سري ایستگاه هاي رابط وجود داشته باشند که بتوانند زیر آب حرکت کنند و با نزدیک شدن به گره ها داده هاي آنها را جمع آوري کنند.
از جمله پروژه هایی که به مطالعات زیر دریایی پرداخته اند می توان به پروژه SeaWeb اشاره کرد. [15] -2 کاربردهاي روستایی
این کاربرد یکی از مهم ترین و محتمل ترین کاربردهاي DTN است که در محیط هاي دور افتاده که فاقد زیر ساخت ارتباطی می باشند، به کار می رود[3].، [16] 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 تکنولوژي میزان حافظه پیک ها را می توان تا چندین ترابایت افزایش داد که این مقدار بسیار بیشتر از پهناي باند فراهم شده از طریق شبکه هاي پیشرفته امروزي است.
-3 شبکه هاي بین سیاره اي لزوم ارتباط بین سیارات و فاصله عظیم بین آنها که عملا امکان استفاده از شبکه هاي سنتی را از بین می برد یکی دیگر از دلایل اهمیت
شبکه هاي DTN است. فرض کنید دانشمندي روي زمین مسئول یک ایستگاه رباتیک هواسنجی در سیاره مریخ است. اگر این دانشمند بخواهد نرم افزار موجود را نوسازي کند ابتدا باید اطلاعات و فایل هاي مورد نیاز از ایستگاه کاري روي 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 گیري می شود.[17]
بر خلاف این محدودیت ها، این شبکه هاي فرازمینی را می توان از نظر داشتن پیک با شبکه هاي اتوبوسی در نواحی روستایی مقایسه کرد. در این کاربرد نیز پیک هایی وجود دارد که از مسیرهاي ثابتی در فواصل زمانی ثابتعبور می کنند. در این حالت مسیریابی بسیار ساده می شود زیرا هر بسته می تواند مسیرش به مقصد را از پیش تعیین کند و گره هاي میانی نیز بر اساس همین مسیر تصمیمات مسیریابی را می گیرند.
