مقاله کاهش عملکرد شبکه سنسور درحضور گره‌های بدخواه و خودخواه

بخشی از مقاله

چکیده

با پیشرفت فناوری، محبوبیت شبکههای حسگر بی سیم بیش از پیش شده است .این شبکهها کاربردهای مختلفی دارند که از جمله آنها میتوان به کاربردهای نظارتی، اتوماسیون، کشاورزی و امنیتی اشاره کرد . این گرهها دارای محدودیتهای انرژی، پهنای باند، توان پردازشی و حافظه هستند. در میان انواع روش مختلف روشهای مسیریابی در شبکه حسگر بیسیم، مسیریابی گره محور بهترین روش برای حفظ انرژی است . اما برخی گرهها هم در مسیریابی و ارسال اطلاعات مشارکت نمیکنند . و فعالیتها با قصد قبلی و عمده چون ساخت تغییر محتوا و عدم پذیرش سرویسها را انجام میدهند.در این مقاله به بیان روشهای کاهش عملکرد شبکه سنسور در حضور گرههای بدخواه و خودخواه پرداخته شده است

.1 مقدمه

فنّاوری و صنعت WLAN به اوایل دههٔ 80 میلادی باز میگردد. مانند هرفنّاوری دیگری، پیشرفت شبکههای محلی بیسیم بهکندی صورت میپذیرفت. با ارائهٔ استاندارد IEEE 802.11b، که پهنایباند نسبتاً بالایی را برای شبکههای محلی امکانپذیر میساخت، استفاده از اینفنّاوری وسعت بیشتری یافت. در حال حاضر، مقصود از WLAN تمامی پروتکلها و استانداردهای خانوادهٔ IEEE 802.11 است.

اولین شبکهٔ محلی بیسیم تجاری توسط Motorola پیادهسازی شد. این شبکه، بهعنوان یک نمونه از این شبکهها، هزینهای بالا و پهنای باندی پایین را تحمیل میکردکه ابداً مقرون بهصرفه نبود. از همان زمان به بعد، در اوایل دههٔ 90 میلادی، پروژهٔ استاندارد 802,11 در IEEE شروع شد. پس از نزدیک به 9 سال کار، در سال 1999 استانداردهای a802,11 و b 802,11 توسط IEEE نهایی شده و تولید محصولات بسیاری بر پایهٔ این استانداردها آغاز شد. نوع a، با استفاده از فرکانس حامل GHz 5، پهنای باندی تا Mbps54 را فراهم میکند . درحالیکه نوع b با استفاده از فرکانس حامل GHz2,4، تا Mbps11 پهنای باند را پشتیبانی میکند. بااینوجود تعداد کانالهای قابلاستفاده در نوع b در مقایسه با نوع a، بیشتر است. تعداد این کانالها، با توجه به کشور موردنظر، تفاوت میکند. در حالت معمول، مقصود از WLAN استاندارد b802,11 است.

استاندارد دیگری نیز بهراحتی توسط IEEE معرفیشده است که به g802,11 شناخته میشود . این استاندارد بر اساس فرکانس حامل GHz2,4 عمل میکند ولی با استفاده از روشهای نوینی میتواند پهنای باند قابلاستفاده را تا Mbps54 بالا ببرد. تولید محصولات بر اساس این استاندارد، که مدت زیادی از نهایی شدن و معرفی آن نمیگذرد، بیش از یکساله است که آغازشده و با توجه سازگاری آن با استاندارد b802,11، استفاده از آن در شبکههای بیسیم آرامآرام در حال گسترش است

.2 طبقهبندی روشهای کاهش مصرف انرژی در شبکههای حسگر

تاکنون روشهای بسیار متنوعی به منظور کاهش مصرف انرژی گرههای حسگر و در حالت کلی شبکه حسگر بیسیم به کار گرفته شدهاند. در مواردی این روشها بر اساس اینکه در کدامیک از لایههای پشته پروتکل طراحی شدهاند، طبقهبندی میشوند.

برای مثال در مرجع [7] مطالعات مروری جامعی بر پروتکلهای کاهش مصرف انرژی در لایه * MAC ، انجامگرفته است. همچنین روشهای بسیاری به کاهش ارتباطات در لایه شبکه پرداختهاند که به آنها پروتکلهای مسیریابی اطلاق میگردد. در مرجع [8] مطالعات مروری جامعی بر پروتکلهای مختلف مسیریابی و دستهبندی آنها انجام گرفته است. اما بهترین و کاملترین طبقهبندی در این خصوص در مرجع [9]، کلیه روشها را صرفنظر از لایهای که در آن کار میکنند، به سه دسته طرح کلی تقسیم میکند:

-1 طرحهای چرخه وظایف

-2 طرحهای داده گرا

-3 طرحهای مبتنی بر قابلیت تحرک

در شبکه سلسله مراتبی نودهای حسگر به شکل خوشههایی سازماندهی میشوند که درآن اعضای خوشه،دادههای خود را به سرخوشه ها ارسال کرده وسرخوشه ها به عنوان رلههایی برای انتقال دادهها به سینک عمل مینماید. میتوان از یک نود دارای انرژی پایینتر برای انجام کار حسگری و ارسال دادههای حس شده به سرخوشه خود در فاصله کوتاهی استفاده کرد، درحالیکه یک نود دارای انرژی بالاتر را میتوان به عنوان سرخوشه برای پردازش داده های حاصل از اعضای خوشه آن و ارسال دادههای پردازش شده به سینک انتخاب کرد . این فرآیند نه تنها میتواند مصرف انرژی مورد نیاز برای برقراری ارتباط را کاهش دهد .

بلکه بار ترافیکی را به تعادل رسانده و در زمان رشد ابعاد شبکه باعث ارتقای قابلیت انتقال یکسانی میشوند، لازم است خوشه بندی به صورت دورهای انجام شود تا بارترافیکی درمیان تمام نودهای حسگر به تعادل برسد . علاوه بر این برای کاهش داده های منتقل شده به سینک و ارتقای کارآیی انرژی شبکه میتوان تجمیع دادهها را در سرخوشه انجام داد مسئله اصلی در رابطه با خوشه بندی، چگونگی انتخاب سرخوشه ها و نحوه سازماندهی خوشه ها است .در این زمینه استراتژیهای خوشه بندی فراوانی وجود دارد . میتوان شبکه حسگر را مطابق بافاصله بین اعضای خوشه و سرخوشه های آنها، به دونوع معماری خوشه بندی تک پرشه و یا چندپرشه دسته بندی کرد.

.3 معماریهای شبکه حسگر بی سیم

براسناس روش جمع آوری دادهها WSN را میتوان به سنه نوع دسنته بندی کرد : شنبکه های حسگر همگون، شبکه های حسگر ناهمگون و شبکه های حسگر ترکیبی

-3-1 شبکههای حسگرهمگون

یک شنبکه حسنگرهمگون شنامل ایستگاههای پایه و نودهای حسگری است که به قابلیتهای یکسانی مجهز شدهاند، به عنوان مثال توان محاسباتی و ظرفیت حافظه یکسان دارند . جمع آوری داده دراین نوع شنبکه ها بر اساس ساختار انتشار دادههاست . توپولوژیهای تخت و سلسله مراتبی دو ساختار معروفند که برای انتشار وجمع آوری داده در شبکههای همگون به طورگستردهای مورد مطالعه قرار گرفته اند

-3-2 شبکههای حسگر نا همگون

یک شبکه حسگر ازایستگاه های پایه - ثابت ومتحرک - ، نودهای حسگر و نودهای حسگر پیچیده مجهز به قابلیتهای پردازشی وارتباطی توکار پیشرفته در مقایسه با نودهای حسگر معمولی، تشکیل شده است

-3-3 شبکههای حسگر ترکیبی

در یک شبکه حسگرترکیبی چندین ایستگاه پایه متحرک با یکدیگر همکاری میکنند تا به سرعت جمع آوری داده را به شکلی همزمان انجام دهند.

.4کارهای مرتبط در زمینه تحقیق

از مزایای مسیریابی گروهی میتوان به مواردی همچون :

-1 کاهش انرژی موردنیاز برای کاهش ارسال اطلاعات

-2 متعادلسازی ذخیرهسازی میان همه گرهها

-3 کاهش مقدار پردازش برای مسیریابی و حفاظت

- 4 دادهای زائد تکراری وداده هایی که سطح بالایی در ارتباط باهم هستند را برای اجرای متراکم ساختن حذف میشود. و موارد دیگری را نیز بیان نمود.

در مرجع [5] ارزیابی عملکرد قراردادهای مسیریابی گره محور بهکاربرده شده در شبکه حسگر بیسیم ناهمگون را ارائه دادند. در WSN مسیریابی گروهمحور یکی از روشهای مسیریابی کارآمد برای حفظ انرژی است. دستهبندی کارآمد انرژی توزیعشده - DEEC - یک قرارداد بر پایه دستهبندی بود که در WSN های ناهمگون بهکاربرده شد. DEEC گروهای ساکن را برای محاسبه طول عمر شبکه ، مصرف انرژی ، ارزیابی کرد و بر اساس این جزئیات این انرژی را متعادل میکند.

در مرجع[6] یک تکنیک برای شناسایی گرههای بدخواه در حمله و ارسال انتخابی ارائهشده است.که در این الگوریتم با توجه به پاسخ دریافتی از گره میانی در طول مسیر دادها ، از تشخیص گره بدخواه شرکت میکند. در مرجع [7] روشی برای پیشگیری از رفتار خودخواهانه کشف در شبکه موقت متحرک با بهکارگیری سیستم جلوگیری از نفوذ ، ارائه دادند.اینیک برنامه کمهزینه برای یافتن گروه خودخواه بوده است. برخی گرهها در شبکه در ارسال پیام و مسیریابی برای ذخیره در حافظهشان، پهنای باند و انرژی توسط رد کردن بستههای کوچک از دیگر گروهها مشارکت داشتند.

.5 ابزارها و روشها

در wsn ناهمگون هر گره سطح انرژیدارند و بهطور جمعی آنها را میتوان در اجرای محاسبات توزیعشده بکار برده شوند.در میان انواع مختلف روشهای مسیریابی در wsn ثابتشده است که مسیریابی گروهمحور به خاطر مصرف انرژی کمتر بهینهتر و بهترین آنهاست. هر گره در یک گروه تخصیص دادهشده است.و گرهای باقیمانده در گرههای باقیمانده در گروه اعضای گره هستند. بهطور خلاصه دو نوع ارسال در مسیریابی گروهمحور اتفاق میافتد.

ارسال میان گروهی و ارسال درونگروهی سرگروهها بر پایه پوشش هزینه آگاهی اندازهای ،مقیاسپذیری شبکه و مصرف انرژی انتخابشدهاند.در این مقاله مسیریابی گروهمحور مسیریابی گروهمحور در WSN بهکاربرده میشود که برخی گروههای بدخواه را دارد و عملکرد شبکه موردمطالعه قرار میگیرد. شبیهسازی انجامشده بر اساس جدول 1 پارامترهای زیر در نرمافزار MATLAB در الگوریتم مسیریابی LEACH صورت گرفته است.