مقاله کنترل ازدحام در شبکه‌های‌کم‌توان وپراتلاف : مکانیزم انتخاب والد جدید

بخشی از مقاله

چکیده

در شبکههای حسگر بیسیم، حضور ازدحام نسبت اتلاف بسته و مصرف انرژی را افزایش داده و باعث کاهش گذردهی در این شبکهها شده است. این شرایط در محیطهای اینترنت اشیاء که ترکیبی از هزاران گره ناهمگناند با پیچیدگی بیشتری مواجه است. RPL یک پروتکل مسیریابی برای شبکههای کمتوان و پراتلاف بر مبنای IPV6 است که توسط IETF1 استانداردسازی شدهاست.

در این مقاله ما راهحلی برای مشکل ازدحام در شبکههای بر مبنای RPL که به طور معمول از دستگاههایی با محدودیت انرژی و منابع تشکیل شده ارائه کردهایم. برای کاهش تاثیر ازدحام در این شبکهها یک روال تعویض والد طراحی شده است که توسط آن گره فرزند، همسایهی بعدی به سمت ریشهی خود را عوض می کند. در مقایسه با پروتکل RPL پیادهسازی شده در سیستم عامل Contiki، نتایج شبیهسازی نشان میدهد که پروتکل پیشنهادی ما توانسته گذردهی شبکه را تا دو برابر بهبود بخشد و کاهش نرخ اتلاف بسته را هم به ارمغان آورد.

.1 مقدمه

در سالهای اخیر اینترنت اشیاء به عنوان یکی از داغترین موضوعات تحقیقاتی در تمام دنیا رشد کردهاست. و بدلیل جنبههای مفید این تکنولوژی مانند کار در شبکههای بر مبنای IP و قابلیت نگهداری هزاران یا میلیون ها گره ردپای آن در قلمروهای مختلفی مانند حمل و نقل، کشاورزی، صنعت و پزشکی دیده میشود - . - kim et al ,2014 این گرهها توانایی ارتباط و همکاری با یکدیگر را برای رسیدن به هدفی خاص دارند.

با توجه به خصوصیات شبکههای اینترنت اشیاء مانند بر مبنای IP بودن، مقیاس بالا ، و آدرسدهی سراسریIETF استانداردهایی را برای شبکههای اینترنت اشیاء مشخص کردهاست - . - Kushalnagar et al,2007 یکی از کار گروه های IETF گروه مسیریابی روی شبکههای کمتوان و پراتلاف2 است که همانطور که از اسم آن پیداست تمرکز اصلی این گروه بر روی شبکههای کمتوان و پراتلاف3 مانند شبکههای اینترنت اشیاء است - . - kim et al,2015 در یک LLN گرههایی با محدودیت انرژی وجود دارند

همچنین ممکن است یک یا چند مسیریاب مرزی که به آن دروازه هم گفته میشود وجود داشته باشد. اگر یک گره نتواند به صورت مستقیم با مسیریاب مرزی ارتباط داشته باشد از گرههای دیگر بعنوان گره میانی برای برقراری ارتباط با مسیریاب مرزی استفاده می کند. این فرآیند در شبکه توسط پروتکل مسیریابی مدیریت میشود. بنابراین پروتکل مسیریابی نقشی حیاتی در ارسال داده از یک گره به گره دیگر یا مسیریابهای مرزی در شبکههای اینترنت اشیاء ایفا میکند.

پروتکل مسیریابی که توسط IETF برای شبکههای اینترنت اشیاء استانداردسازی شده RPLنام دارد - . - Winter et al,2012 پروتکل مسیریابی RPL کاربر را قادر میسازد که استراتژی مسیریابی را بر اساس ترجیحش درباره ی نیازمندیها و متریکهای شبکه تعریف کند. در شبکههای LLN مسیریابها توسط قدرت پردازش، حافظه و انرژی محدود شدهاند بنابراین ارتباط بین گرهها بطور معمول از نرخ ارسال پایین، نرخ اتلاف بالا و زمان تاخیر بالا رنج میبرد. RPL به عنوان پروتکل مسیریابی که در این شبکهها استفاده میشود یک پروتکل با توپولوژی درختی است که از ترافیکهای چند نقطه به نقطه، نقطه به نقطه و نقطه به چند نقطه پشتیبانی میکند.

این ترافیکها میتوانند در راستای کاربردهای مختلف این نوع شبکهها استفاده شوند - . - Winter et al,2012 بدلیل توپولوژی درختی این پروتکل اگر رویدادی در برگها رخ دهد همهی برگها در ناحیهی رویداد به سمت گره سینک بسته خواهند فرستاد و این ممکن است باعث بروز ازدحام در شبکه به سمت گره سینک شود. بدلیل کمبود انرژی و توان محاسباتی پایین شبکههای LLN کنترل ازدحام در این نوع از شبکه ها بسیار سختتر بدست میآید. در حال حاضر هیچ روش صریحی برای کنترل و پیشگیری از ازدحام در پروتکل RPL وجود ندارد. در واقع، پروتکل RPL از یک روش ساده انتخاب والد برای جلوگیری از انتخاب والدها با کیفیت لینک بد و تعداد گام باقیمانده تا مقصد بالا استفاده میکند

در این مقاله اساسا به دو دلیل روی توپولوژی درختی تمرکز کردهای.ماولاً ما راه حلی برای مشکل ازدحام در شبکه هایی که با پروتکل RPL کار میکنند و از توپولوژی درختی استفاده میکنند ارائه کردهایم و این میتواند در بسیاری از کاربردهای WSN و IOT استفاده شود. در شبکههای RPL اگر رویدادی در برگها رخ دهد همهی برگها در ناحیهی رویداد شروع به ارسال بسته به سمت گره سینک خواهند کرد و این ممکن است باعث بروز ازدحام در شبکه به سمت گره سینکشود. دوماً کنترل ازدحام در شبکههایی با توپولوژی درختی بسیار سختتر از سایر شبکه حاصل می شود، بنابراین هیچ تحقیقی با مکانیزمی برای کنترل ازدحام در زمینهی RPL وجود ندارد.

ما یک مکانیزم انتخاب والد جدید برای کاهش تاثیر ازدحام در این شبکه ها ارائه کردهایم. در روش ما گرههای فرزند توسط والد خود از طریق پیامهای کنترلی از بروز ازدحام مطلع میشوند. در این حالت گره فرزند دربارهی تغییر والد خود بر اساس پارامترهای مختلف تصمیمگیری میکند. بنابراین پروتکل پیشنهادی ما با تغییر والد در ازدحام بالا میتواند اثار ازدحام را کاهش دهد. ما پروتکل خود را با شبیهساز Cooja در سیستم عامل Contiki ارزیابی کردهایم - - Osterlind et al,2006 و . - Tsiftes et al,2010 - نتایج شبیهسازی نشان میدهد که پروتکل پیشنهادی ما توانسته گذردهی شبکه را تا دو برابر بهبود بخشد و کاهش نرخ اتلاف بسته را هم به ارمغان آورد.

.2 پروتکل RPL

در این قسمت ما بصورت خلاصه پروتکل RPL و ویژگیها و مولفههایش را معرفی میکنیم - . - Winter et al,2012

.1,2 انواع ارتباطات RPL

سه نوع ارتباطات در RPL وجود دارد: چندنقطه به نقطه، که از سمت گره به سمت ریشه است، نقطه به چندنقطه، که از ریشه به سمت دیگر گرهها است و نقطه به نقطه که از یک گره به گرههای دیگر در شبکه است. در حالت چندنقطه به نقطه ترافیک در جهت رو به بالا جریان دارد . این مدل از ارتباط مهمترین و پراستفادهترین نوع ارتباط در RPL است. در این مقاله تمرکز ما بر روی ارتباطات چندنقطه به نقطه است.

.2,2 انواع پیامهای کنترلی در RPL

سه نوع پیام کنترلی در RPL استفاده میشود.

.1,2,2 پیام کنترلی DIO1

این پیام توسط ریشه تولید شده و شامل اطلاعاتی درباره گراف و ساختار درخت شبکه مانند پارامترهای پیکربندی است.

.2,2,2 پیام کنترلی DIS2

این پیام زمانی تولید میشود که گرهای تقاضای DIO داشته باشد. بیشترین کابرد این پیام درخواست DIO از همسایگان است

.3,2,2 پیام کنترلی DAO3

از این پیام برای ارسال اطلاعات مسیر به سمت ریشه استفاده میشود.

نوع دیگری از پیامهای کنترلی که توسط RPL حمایت میشود هم وجود دارد که از آن نامبرده نشد و آن Destination Advertisement Object Acknowledgment - DAO-ACK - است که توسط گرهای که DAO را دریافت کرده است به عنوان تصدیقی برای پیام DAO ارسال میشود . این پیامهااساساً از دو بخش سرآیند که شامل انواع، کد و Checksum است و بخش بدنه که شامل پایه پیام و Options است تشکیل شدهاند.

.3,2 ساختمان DODAG

RPL از مفهومی به اسم گراف بدوندور جهتدار مقصدگرا 1 برای ساختن مسیرها درون شبکه استفاده میکند. در ابتدا ریشه شروع به انتشار یک پیام DIO در شبکه میکند گرهای که این پیام را دریافت میکند بر اساس پارامترهای مسیریابی که برای شبکه تعریف شدهاست تصمیم میگیرد که ریشه را بعنوان والد انتخاب کند یا خیر. هر گرهای که ریشه را به عنوان والد برگزیند شروع به انتشار مجدد یک پیام DIO در شبکه خواهد کرد.این فرآیند تا زمانی که همهی گرههای شبکه عضو درخت ساخته شده شوند ادامه پیدا میکند.

در یک شبکه ممکن است به طور همزمان DODAG های متعددی وجود داشته باشد این به این علت است که یک گره بتواند بر اساس نیازمندیهای مختلف مانند تاخیر کمتر، اتلاف بسته کمتر یا مصرف انرژی کمتر تصمیم به پیوستن به DODAG های متفاوت بگیرد. این نکته ارزش یادآوری را دارد که وقتی گره قصد پیوستن به درخت را دارد، در ابتدا از طریق یک پیام DIS تقاضای یک DIO را میکند. بعد از دریافت DIO با یک پیام DAO پاسخ میدهد و بدنبال ان والد پاسخ DAO را با DAO-Ack خواهد داد.

.3 بررسی دیدگاه های گذشته

در این مقاله ، روشهای کنترل ازدحام قبلی را به دو قسمت تقسیم کردیم: روشهای تطبیق نرخ و روشهای انتخاب مسیر جایگزین. در روش تطبیق نرخ، گرهها وقتی که ازدحام را کشف میکنند نرخ ارسال بستهی خود را کاهش میدهند تا تعداد بستههای درون شبکه را کاهش دهند. در روشهای انتخاب مسیر جایگزین اگر گره ای ازدحام را تشخیص دهد سعی میکند مسیر بهتری برای ارسال بستهها پیدا کند. ما هر دو روش را در این بخش بررسی میکنیم.

.1,3 روش های تطبیق نرخ

در پروتکل تشخیص و اجتناب از ازدحام - Wan et al,2003 - ، ازدحام توسط طول صف و بار کانال بیسیم تشخیص داده میشود. وقتی ازدحام تشیص داده شد تمام گرههای ارسال کننده که ارسالشان به حد یک آستانه مشخص برسد باید برای ارسال داده جدید منتظر دریافت تصدیق برای دادهای که ارسال کردهاند از ریشه باشند. اگر گرهای نتواند پیام تصدیق را دریافت کند نرخ ارسالش را کاهش میدهد.

در - Deering et al,2017 - ، نویسنده یک روش توازن بار و کنترل ازدحام گام به گام به نام CONSEQ ارائه کرده است. این روش از طول صف موثر - EQL - به عنوان معیاری برای اندازهی ازدحام استفاده میکند. CONSEQ بصورت پویا نرخ ارسال هر گرهای که در مجموعه ارسالش همسایهای با گام کمتر تا ریشه داشته باشد را بر اساس اندازهی ازدحام تنظیم میکند اگر ازدحام کاهش پیدا نکرد هر گره با استفاده از منطق فازی نرخ ارسالش را کاهش میدهد.

.2,3 روش های انتخاب مسیر جایگزین

در - Wan et al,2005 - نویسندگان یک روش جدید به نام Siphon ارائه دادند. یک Siphon از سینکهای مجازی توزیع شده در کل شبکه که سیگنالهای رادیویی قویتری نسبت به گرههای حسگر معمولی دارند ، استفاده میکند.

هنگامی که ازدحام شناسایی شود گرههای حسگر بستهها را به سینکهای مجازی نزدیک به خود ارسال میکند و سینکهای مجازی بستهها را به سینکهای فیزیکی واقعی به همراه باقی شبکههای رادیویی مانند Wi_Fi ارسال میکند . هرچند نیاز برای متصل بودن به شبکه رادیویی دیگر در WSN های ارزان و کمتوان نشدنی میباشد.

یک مفهوم جدید در پروتکل مسیریابی به همراه کاهش ازدحام، مسیر یابی TADR میباشد که در - Ren et al,2011 - پیشنهاد شده است. TADR الگوی ترافیک شبکه را به عنوان یک کاسه در نظر می گیرد که سینک در ته آن قرار دارد و بسته های داده به مانند آب از سطح کاسه به پایین جریان پیدا میکند.