وضوع پایان نامه: قابلیت اطمینان در شبکه های حسگربی سیم (Reliability in WSNs)

رشته­کامپیوتر-گرایش­نرم­افزار

موضوع­پروژه:

قابلیت­اطمینان در شبکه­های­حسگربی­سیم (Reliability in WSNs)

چکیده:  

پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بی‌سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک،قیمت­مناسب و کاربری‌های­گوناگون داده­است.این حسگرهای­کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی براساس نوع حسگر،پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند،موجب پیدایش ایده‌ای برای ایجاد و گسترش شبکه‌های موسوم به شبکه‌های­حسگر بی‌سیم ( WSn) شده‌اند.

طراحی­یک­ شبکه­حسگربی­سیم­ تحت ­­تأثیر فاکتورهای ­متعددی­است.این­فاکتورها عبارتنداز:تحمل­خرابی، قابلیت­گسترش، قابلیت­اطمینان، هزینه تولید، محیط کار، توپولوژی شبکه حسگری، محدودیت‌های سخت‌افزاری، محیط انتقال و مصرف توان وغیره که ما دراین مقاله به یکی از این فاکتورها یعنی قابلیت اطمینان (Reliability) می‌پردازیم.

تعریف (Reliability): هرگره ممکن­است خراب­شود یا در اثر رویدادهای­محیطی مثل تصادف یا انفجار به­کلی نابودشود یا در اثر تمام­شده منبع­انرژی از کاربیفتد.منظور از تحمل­پذیری یا قابلیت اطمینان این­است که خرابی­گره­ها نباید عملکردکلی شبکه را تحت­تاثیر قراردهد.درواقع می­خواهیم با استفاده از اجزای­غیرقابل­اطمینان یک شبکه قابل­اطمینان بسازیم.برای گره k با نرخ­خرابی lk  قابلیت اطمینان با فرمول(1)مدل­می­شود.که درواقع احتمال عدم­خرابی است در زمانt بشرط این­که گره دربازة زمانی(0,t)خرابی­نداشته­باشد.به­این­ترتیب هرچه زمان­می­گذرد احتمال­خرابی­گره­بیشترمی­شود.

این­مقاله دارای4فصل­بوده­که فصل­اول آن به­بررسی­قابلیت­اطمینان­اطلاعات،فصل­دوم آن به بررسی­تحلیلی قابلیت­اطمینان و فصل­سوم وچهارم آن به افزایش­قابلیت­اطمینان و رویدادهای­آگاه برای آن اشاره­دارد.

فهرست مطالب   

 عنوان                                                                                                     صفحه

فصل­اول............................................................................................................................................................1

     1-1مقدمه..............................................................................................................................................2

     2-1انتقال اطلاعات­معتبر....................................................................................................................3

    3-1ارسال بسته­ی­مجزا.........................................................................................................................5

    4-1انتقال دسته­ای ازپاکت­ها.............................................................................................................11

    5-1انتقال جریان پاکت......................................................................................................................16

    6-1نتیجه­گیری....................................................................................................................................20

  فصل­دوم......................................................................................................................................................21

     1-2مقدمه...........................................................................................................................................22

     2-2ترکیب چندحسگره وتحمل­پذیری­خطا.................................................................................23

     3-2مدلسازی یدک­هایی ازیک نوع...............................................................................................26

      4-2مدلساز یدک­های ادغام­شده...................................................................................................27

       5-2قابلیت­اطمینان دربرابرهزینه................................................................................................31

       6-2شبکه­های­حسگرچندترکیبی................................................................................................32

        7-2نتیجه­گیری.............................................................................................................................34

     فصل­سوم...............................................................................................................................................36

          1-3مقدمه..................................................................................................................................37

           2-3ایجادوب­مطمئن...............................................................................................................38

            3-3تجمیع­داده­ای­مطمئن­باپروتکلREDA......................................................................39

             4-3تحمل­پذیری­خطا­ باپروتکلREDA..........................................................................41

              1-4-3شماره­گذاری­گره­ها...................................................................................................42

              2-4-3مکانیزم جایگزینی گره­خراب.................................................................................43

               5-3ارزیابی­کارایی................................................................................................................45

               6-3نتیجه­گیری...................................................................................................................48

        فصل­چهارم.......................................................................................................................................49

               1-4مقدمه............................................................................................................................50

               2-4مدل­شبکه­ای وهدف­آن...............................................................................................51

               1-2-4مدل­شبکه­ای............................................................................................................52

                2-2-4هدف­طراحی...........................................................................................................53

                3-4چارچوب­گزارش­کردن یک حادثه­قابل­اطمینان....................................................55

                 4-4ارزیابی­عملکرد...........................................................................................................56

                 5-4قابلیت­اطمینان­گزارش­کردن­یک­رویداد.................................................................57

                 6-4نتیجه­گیری................................................................................................................59

        منابع­و­مآخذ......................................................................................................................................61

                                                           فصل اول

  قابلیت اطمینان اطلاعات در شبکه­های­حسگربی­سیم بررسی مسایل و راه­حل­ها

چکیده:

انتقال­اطلاعات معتبر جنبه­مهمی از وابستگی کیفیت خلاق در شبکه­های حسگر بی­سیم است. این تحقیق مقدمه­ای بر مشکل انتقال­اطلاعات معتبر می­باشد و پروتکل­ها و رویکردهایی را برای این پروتکل­ها بررسی می­کند که اغلب برای کاربردهای خاصی که برای انعکاس نیازمندی­های وابسته مخصوص کاربر می­باشند، به وجود می­آیند.یک مشخصه­ی پیوسته بسیاری از پروتکل­های بحث شده،این است که آن­ها مکانیسم­هایی را از چندین لایه بررسی­می­کنند تا به هدف قابل اعتمادشان برسند. در حالی­که از نظر انرژی نیز بهینه هستند.

1-1مقدمه:

کاربردها، نیازمندی­ها و تکنیک­های خاص شبکه های­حسگربی­سیم در میان بقیه ویژگی­ها،تعداد بالای گره­ها،منابع انرژی محدود،شبکه­ی­مرکزی اطلاعات و فرآیند داخل­شبکه­ای،اینک­دیگر همگی در ادبیات متداول هستند.چیزی که کمتر مورد توجه قرار گرفته است مفهوم مناسب قابلیت اعتماد است.

آیا هیچ شانسی برای بررسی­عملی پدیده­ای که انتظارمی­رود تا شبکه­ای را بررسی­کند وجود دارد؟ آیا حسگرهای کافی با کیفیت درست وجود دارند؟ آیا این مساله به قدرکافی توسط­گروه های حسگری تحت­پوشش قرار می­گیرد؟ این موضوع مساله­ی پوشش و گسترش است.حسگرها ارزان هستند و بنابراین خواندن آن­ها می­تواند پر سروصدا باشد و منجر به ایجاد مساله درستی­اطلاعات شود. رویکرد استاندارد، فراوانی است یعنی تحویل حسگرهای چندگانه­ای که می­خوانند و باعث بهبود سیگنال­های صدایی که احتمالا از­طریق ترکیب آن­هاست می­شود.حتی زمانی­که یک اتفاق بااطمینان بررسی­می­شود اطلاعات می­بایست از طریق چندین مسیر بعدی به سمت ایستگا ه­های رایانه­ای در مسیر دروازه عبور یا مقصدهای­خاصی منتقل شوند. این یک نمونه از مسیر انتقال و اطلاعات معتبر است.

این تحقیق برروی مشکل انتقال­اطلاعات معتبر تمرکزمی­کند و برای بحث­مساله­ی پوشش،ماخواننده را به بخش­های{2}-{3}-{4}-{5}و{6}ارجاع می­دهیم. مشکل صحت اطلاعات،آن­سوی حیطه­ی این تحقیق است. برعکس آنچه که در اینترنت وجود دارد، قابلیت اطمینان،غالباً توسط سیستم­های نهایی و بااستفاده از پروتکل­های انتقال بدست­نمی­آید بلکه بررسی­های داخلی بین قابلیت اعتبار، کیفیت اطلاعات فراهم آمده و انرژی محدود نیازمند راه­حل­های بین لایه­ای است. برای مثال استفاده از  tcpبرای رسیدن به قابلیت­اعتبار،باعث می­شود که چندین عدم مطابقت بین  tcpو شبکه­حسگر بی­سیم{wsn}مختل­شود.آدرس­های نقطه­ای منحصربه فرد درمقابل مرکزاطلاعات، مشکلاتی را برای حمایت از فرآیند درون­شبکه­ای ایجاد می­کند. زمانی­که از اتصالات tcp آدرس داده شده برای ترمینال­مقصد استفاده می­شود،تکرار بیهوده و منفعل tcp از همه­ی پاکت­ها زمانی­که بعضی­از فقدان­ها ،احتمالا قابل تحمل هستند،per-packetاغلب با فشار هیدر بالاتر می­رود و مشکلات عمومی  tcp، هنگامی­که از طریق اتصالات­بی­سیم جلو می­روند. Tcpاحتمالا برای تصویر مکانیسم­های {7}و{8} مناسب­ترباشد و پیچیدگی،که از سوی­دیگر به نظر مشکل نهایی نمی­آید.{9}-{10}-{11}-{12} این تحقیق به صورت زیر سازمان­بندی شده است.

مقدمه­ای بر مشکل انتقال­اطلاعات معتبر بعداًٌٌ در بخش{2}ارایه می­شود.تحویل پاکت مجزا، مجموعه ای از پاکت­ها و یا جریان نامحدودی از پاکت­ها به ترتیب در بخش­های 3-4-5 بحث می­شود و این  تحقیق دربخش 6 تمام­می­شود.

2-1 انتقال­اطلاعات معتبر:

مشکل بدست­آوردن انتقال­معتبر بین گره­های­دور درطول چندین­مسیر باوجودخطاهای­کانال و تصادف یا ازدحام،حداقل ابعاد زیر را دارد:

پاکت­مجزا درمقابل مجموعه­ای از پاکت­ها یا درمقابل سیلی از پاکت­ها است:موارد ارسال،تنها ارسال یک پاکت مجزا از یک­سو و یا ارسال یک­تعداد و یا جریان نامحدودی از پاکت­ها از سوی­دیگردرمکانیسم پروتکل قابل­استفاده در هرمورد،متفاوت است.ارسال معتبر از پاکت­های مجزا می­تواند برای مثال،برای اطلاعاتی که به شدت به­ هم پیوسته­اند یا ارسال معتبر بسته­ها برای کاربرد­هایی مثل منتشرکردن کدجدید یا بررسی­های­جدید درداخل­شبکه موردنیاز باشد. {re-tasking،نگاه­کنیدبه{13} گزارش­کلیدی­ازاطلاعات­است­که،نمونه­ی­اولیه­ی­جریان­هایی­­از پاکت­ها می­باشد. }

ارسال تضمین­شده درمقابل ارسال­تصادفی:برخی کاربردها نیازمند تحویل ضمانت هستند. مثال­ها عبارتند از:

1-گزارش وقایعی بسیارمهمی از حسگرها به یک sink node.

2-پخش کدجدید یا بررسی sink node به حسگرها.

3-اجرای حالت نهایی درکاربرد بعدی بین گره­های نزدیک به خط مسیر نهایی{برای مثال 14و15 را ببنید}.

موقعیت­های­دیگراحتمالادرجات­خاصی­ از فقدان را به­خوبی­تحمل­می­کنند.برای­مثال­زمانی­که حسگرهای زیادی با قدرت­های حسگری مرتبط­ به­هم را انتقال­می­دهند،فقدان­مقطعی قابل­تحمل است.یک مسیر، برای مشخص­کردن میزان قابل­توجهی از فقدان،تجویز یک احتمال انتقال است.به طورکلی هرچه احتمال ارسال­مطلوب بالاباشد میزان هزینه­های انرژی مورد نیاز برای رسیدن به این مطلوب نیز بالاتر خواهد بود.

حسگرها به­سمتsinkها و درمقابل sinkها به حسگرها،درمقابل حسگرمحلی به حسگرها: برخلاف انواع­دیگر ارتباطات­شبکه­ای،در شبکه­های­حسگربین گره­ها،ساختگی رخ نمی­دهد اما از گر­ه­ها یا حسگرها به­سمت یک  nodeو یا عده­ی کمی­از node ها و یا گره­های sink از یک  sink به گروهی از حسگرها و یا به­طور محلی بین گروه­هایی از حسگرها هنگامی­که آن­ها،الگوریتم­های پردازش مرتبط به­هم مجزایی را،اجرا­می­کنند.هیچ پروتکل­مجزایی همه­ی نقاط را دراین فضای­خالی تحت­پوشش قرارنمی­دهد{حتی tco هم این­کار را انجام نمی­دهد}اما راه­حل­های متفاوتی برای نقاط مجزا و یا دسته­های نقطه­ای کوچک ایجاد شده­اند.

3-1 ارسال بسته­ی مجزا:

ارسال­بسته­مجزابرای­مثال،زمانی مهم­است که یک گره­حسگری می­خواهد تا اطلاعات متمرکز را به یک گره  sinkمنقل کند.شبیه کارهای انجام شده برروی مواردی از ضمانت نامه­های متغییرمتمرکزشده ودرنتیجه مهم­ترین ارزیابی­عملکرد،احتمال ارسال پاکت می­باشد{pdp}

A . رویکردهایی از استفاده از یک مسیر مجزا:

بااستفاده از همه مکانیسم­های لایه­فیزیکی تک­­مسیری مثل fecبه صورت رایگان،مکانیسم­های­اولیه برای ارزیابی قابلیت­اعتماد و انتقال­مجدد و استفاده از پاکت­ها،متعدد هستند. اجازه دهید با انتقال مجدد شروع کنیم.سه مساله بایستی ابتدا حل شوند.

1-چه کسی فقدان­ها را شناسایی می­کند و نشانگرهای استفاده شده چه چیزی هستند.؟

2-چه کسی انتقال مجدد را می­خواهد.؟

3-چه کسی انتقال مجددرا انجام می­دهد.؟

 درارسال­پاکت­مجزاپاکت­اطلاعات­می­تواندگم­شودوگره­های­انتقال بایستی­از زمانگر{timer}و انتقال­مجدد استفاده­کنند. گیرنده­از اطلاعات ­استفاده­می­کندو انعطاف­بیشتری ­درمورد انتقال­بسته ­باجریان­آن­ وجوددارد. برای­مثال احتمال این­که به گیرنده­اجازه داده­شودکه فقدان­هارا بررسی­کند و درخواست انتقال­مجددپاکت­های­گم­شده­راازطریق­استفاده­­ازپاکت­های­اطلاعات­منفی{nack}کند،وجوددارد.همچنین­درصورتی­کهnack ها به­عنوان وسیله­ی حمل اطلاعات­ضمنی باشنددراین­صورت هیچ ضرورتی برای ارسال اطلاعات منفی برای هر پاکت وجود ندارد و بنابراین انرژی­زیادی ذخیره­می­شود.

 برای ارسال­مسیر مجزا دو رویکرد مثبت استاندارد به­صورت زیروجوددارد:

انتقال­مجدد لایه­یnack:زمانی­که یک گره در مسیر به سمت بسته­ی­اطلاعات می­رود انتظار می­رود که دانش­لایه­ای nackرا دریافت­کند.چیدن زمان­نماها آسان­است زیرا تنها یک تاخیر گسترده­شده درطول یک مسیرمجزا و زمان­های­پردازش پاکت،بایستی درنظر گرفته­شوند.به طورکلی انتقال­دهنده،تعدادمحدودی از اثرات را برای حرکت موفق پاکت انجام می­دهد و آن را بعد از این­که عدد حاصله بی­معنی­شده و از رده­خارج شد، حذف می­کند. با این­حال برای بسته­های­اطلاعاتی کوچک،دانش­ها که پیشرفت ­­معنی­داری­را ایجاد­می­کنند،حتی­درکانال­­­هایی که به­خوبی از آن­ها انتظارمی­رود بدون هیچ تمایزی پخش می­شوند.انتقال انتها­به­انتها:نیازداردکه ازیک پاکت تا زمانی­که یک دانش از یک گره sink فراهم می­آید،استفاده­کند.دوباره تعدادی­از بررسی­های انجام­شده توسط گره­منبع عموما بسته می­شوند. بااین­حال تنظیم timerدراین­موردکمی سخت­تر است.زیرا گمان­های­منطقی،نیاز به دانش درمورد تعدادی ازمسیرها،تاخیر به­ازای هرمسیر و ترافیک مسیرموجود،را دارند.انتقال­مجدد انتها­به­انتها،می­تواند با انتقال­مجدد لایه­ی nack ترکیب شود.به­لحاظ­نظری زمانی­که تعدادانتقال­های­مجدد لایه­یnac بالاباشد،گره­منبع می­تواند به­محض­این­که پاکت با موفقیت به مسیربعد ارسال­شد استفاده­اش را آزاد نماید. باکنارگذاشتن مشکلات تنظیم timerها،پر انرژی­ترین انتخاب بین این طرح­ها بستگی به شرایط خطا دارد.

         شکل 1

برای­شروع این مساله ما در شکل1هزینه­های انرژی­ موردانتظار برای مساله انتقال­مجدد انتها­به­انتهای خالص با طرح­هایی که انتقال­مجدد لایه­ی nackو انتها­به­انتها را با آزمایش k ترکیب­می­کنندرا،مقایسه­می­کنیم. ما مسیرهای بامشخصات n=10 بین­منبع و  sinkو یک مدل­خطای کانال­ساده،انتخاب کردیم که همه­ی ضربه­ها به­طور جداازهم با احتمالp رخ­می­دهند.{نرخ­خطای ضربه{فصل 1و13}}مدل­مصرف­انرژی­چنین­است­که انتقال و دریافت­پاکت­هاموجب­همان­هزینه­های­انرژی­می­شوند.درتمام­اوقات­دیگرگره­هادرحال­استراحت هستندو هیچ انرژی­را مصرف­نمی­کنند.تنهااطلاعات و پاکت­های­دانش محاسبه­می­شوند.مسایل زیر نیز ارزش توجه دارند.برای­بسیاری­ازکانال­های­خوب{با نرخ خطای ضربه پایین}بهترین­کار،انجام­دادن آن بدون داشتن لایه  nacاست.بااین­حال تایک نقطه­ی­خاصی طرح انتها­به­انتهای­خالص،بیش از حد بی­نتیجه و اتلاف­کننده­است.یک­نتیجه­­مشابه­زمانی به­دست­می­آیدکه نرخ­خطای­­ذره­ثابت ­نگه­داشته شود.{یعنی در }و تعداد n تاازگره­ها متفاوت­اند.برای تعدادکوچکی از گره­ها بهتراست­که ازدانش­لایه­ی nacاستفاده­شود.برای­ایجادکاربرد­مطلوب از منابع­انرژی،طرح­انتخاب­شده واقعی بایدکاملا پویا باشد.و . . .تعداد صفحات:72