معماری سرویس گرا برای شبکه های بیسیم حسگر (قسمت اول)

در آینده، افزایش در کوچک شدن مولفه های الکترونیکی و پیشرفت در فن آوری ارتباطی، توسعه  سیستم های سیار و شبکه ای مختار را امکان پذیر می سازند. در 15سال آینده، اگر مشکلات تحقیقات  بیان شده در این کار حل شوند، شبکه های بی سیم حسگر پتانسیل تجاری عظیمی را خواهند داشت. » بقیه در ادامه مطلب

1-مقدمه

در آینده، افزایش در کوچک شدن مولفه های الکترونیکی و پیشرفت در فن آوری ارتباطی، توسعه  سیستم های سیار و شبکه ای مختار را امکان پذیر می سازند. در 15سال آینده، اگر مشکلات تحقیقات  بیان شده در این کار حل شوند، شبکه های بی سیم حسگر پتانسیل تجاری عظیمی را خواهند داشت.

شبکه های حسگر تعداد زیادی از گره های حسگر کوچک را شامل می شوند، که این گره ها به صورت بی سیم با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند.این گره های حسگر میتوانند در نواحی که به سختی قابل دسترسی هستند،پخش شوند .

یک گره حسگر دارای توانایی هایی برای محاسبه، ارتباط و حس کردن می باشد. هدف قرار دادن همه ویژگیهای اشاره شده در یک راه حل واحد می باشد. همچنین کنترل کردن یک محرک امکان پذیر می باشد . شکل یک ساختار یک گره حسگر را نشان میدهد.

 

عوامل زیر بر توسعه گره های حسگر تاثیر گذار می باشند:

·          افزایش پیچیدگی دستگاه روی ریز تراشه

·          کارآیی بالا در فن آوری های ارتباطی حسگر

·          ترکیب پردازش سیگنال دیجیتال و  داده های حسی بدست آمده

·          پیشرفت در توسعه سیستم های ریز الکترومکانیکی

·          دسترس پذیر بودن ابزارهای توسعه با کارآیی بالا

در گره های حسگر، استفاده از مولفه ها و رویه هایی که از انرژی به صورت موثری استفاده می کنند، برای طول عمر گره های شبکه حیاتی می باشند.

کارآیی پردازنده، محدوده تبادل،  حساسیت رادیویی، مصرف انرژی، وزن و اندازه بر استفاده از گره های حسگر تاثیرگذار می باشند. تعدادی از موارد کاربرد شبکه های حسگر در نظارت پزشکی بر روی پارامترهای حیاتی مختلف، نظارت محیطی و کنترل ماشینها و دستگاههای صنعتی می باشند.

 

2-  نیازمندی های شبکه های حسگر

علاوه بر وظایف یک گره که در هر کاربرد متفاوت می باشد، کل شبکه نیاز به پیروی از نیازمندی های پویای سیستم دارد. این توسعه بر روی تغییرات از یک نتیجه برای یک گره حسگر تا نتیجه کلی برای شبکه تمرکز می کند. در نتیجه نیازمندی های زیر برای فرآیند طراحی و پیاده سازی شبکه های حسگر تاثیرگذارند:

شبکه های حسگر باید دارای خاصیت خودسازماندهی باشند.

گره های حسی باید وظایف نگهداری شبکه را انجام دهند.

پردازش وظایف باید منجر به نتایج دقیق تر و کاربردهای جدید شوند.

شبکه های حسگر نیاز به مکانیزمهای امنیتی دارند که براساس شرایط محیطی وفق پذیر می باشند.

همه الگوریتمها و پروتکلها باید در مصرف انرژی بهینه هازی شده باشند.

1-3-  خودسازماندهی

تعداد زیادی از گره ها در شبکه های حسگر نیاز به راه حل های پیچیده ای برای سازماندهی خودکار شبکه دارند. فرآیند راه اندازی دستی توسط مدیر تقریبا غیرممکن می باشد.در نتیجه نرم افزار این گره باید با استفاده از تعامل با گره های همسایه یک زیر ساخت شبکه را به طور خودکار راه اندازی کند.

برای شبکه ها ی خودسازمان دهنده ، آگاهی از محیط دارای اهمیت می باشد.در حین مرحله سازماندهی آگاهی از زیر ساختار(آگاهی از پهنای باند و قابلیت اطمینان شبکه) و دامنه(ارتباط بین اجزای شبکه)  دارای اهمیت فراوان می باشد.

آگاهی از داده هایی که در سیستم موجود می باشند برای کارکردن مناسب یک گره حسی لازم می باشد. این زمینه می تواند به دلیل سیار بودن گره ها به صورت دائم تغییر نماید در نتیجه باید مکانیزمهایی را برای به روز رسانی مورد بحث قرار دهد.

 

 2-3-   عملکرد شبکه

توسعه نرم افزار برای شبکه های حسگر بی سیم نیاز به تکنولوژی ها و نگرشهای خلاقانه ای در برنامه نویسی دارد.اصول قراردادی ارتباطات به دلیل همبندی پویا و نیاز برای پردازش وظایف در شبکه های حسگرعمدتاً غیر قابل استفاده می باشند.

شبکه های سیمی قدیمی معمولا برمبنای اصل سرویس دهنده مشتری می باشند.

با این وجود ارتباط در شبکه های حسگر باید برمبنای رخدادها میباشد: عبور از یک مقدار آستانه در یک گره خاص رخدادی را به سمت چاهک های داده روانه میکند.

برخلاف روش ارتباطی متدوال توسط درخواست-پاسخ در این روش میتوان از اسراف انرژی جلوگیری نمود.

روش آدرس دهی گره ها در شبکه های بیسیم با شبکه های سیمی متفاوت است.نظر به اینکه توزیع تصادفی و تحرک گره ها مانع از انتساب آدرس گره ها به مکان خاصی می شود،برای شبکه های حسگر آدرس دهی صریح گره ها از طریق ID یا IP نامطلوب است.از آنجائیکه به برقراری ارتباط با گره بخصوصی نیاز نداریم آنرا از طریق آدرسش توصیف می کنیم،ما از یک مکانیزم آدرس دهی که "نامگذاری بر اساس ویژگی" نامیده می شود استفاده می کنیم. یک درخواست پردازش رضایت به موقعیت و محتوای گره ها نیاز دارد."درجه دما در نقطه X,Y))چقدر است؟"مثالی برای یک درخواست شبکه است.

در شبکه های حسگر بزرگ بسته های اطلاعاتی باید بواسطه ی گره های میانی از منبع داده ها به سوی چاهک داده ها مسیر دهی شوند(بسته های اطلاعاتی به منظور رسیدن از منابع داده ها به چاهک های داده ها مجبورند از سرتاسرگره های میانی عبور کنند.) ،علاوه بر وظیفه ی اندازه گیری (سنجش) تمام گره ها مجبورند برای حفظ یکپارچگی شبکه یکسری کارهای اضافی انجام دهند.این کارهای اضافی می توانند تأثیر قابل توجهی در طول عمر و عملکرد یک گره حسگر داشته باشند.برای پیاده سازی نرم افزار شبکه حسگر،تکنیکهای ویژه ای باید استفاده شوند تا میان پردازش،عملکرد(کارایی)شبکه و طول عمر گره ها توازن پیدا شود(ایجاد کنند).

یک روش بالقوه می تواند یک استراتژی اجتناب ارتباطی resp باشد،به عنوان  مثال،مسیر دهی وابسته به مفهوم یک نقصان ارتباطی است.برای شبکه های ایستا یک الگوریتم مسیریابی فعالانه قابل اجراست،. مسیرها بخوبی(بطور پیشگیرانه) بدون درخواست برای مسیری خاص(معین) کشف شده اند. از آنجائیکه در شبکه ی دارای گره های متحرک(سیار)،مسیرها دائما دستخوش تغییرات هستند به الگوریتم های متفاوت نیاز دارد.از اینرو پروتکل های فعال سازی مجدد برای توپولوژی های شبکه پویا بکار می رود.مسیرها فقط در صورت نیاز کشف می شوند(پیدا می شوند).یک الگوریتم مسیریابی بهینه برای شبکه های حسگر،باید استراتژی خود را با توجه به تحرک(سیار بودن)گره ها منطبق کند.

 

3-3-  الگوریتم های همکاری

یکی از مزایای شبکه های بیسیم در مقایسه با میکروسنسورهای شبکه بندی شده،امکان استفاده از الگوریتم های همکاری است.کاهش ترافیک شبکه  توسط پردازش و تجمع داده ها یک پتانسیل کاربرد این الگوریتم هاست.برای یک برنامه کاربردی حسگر مهم نیست که تجمع داده ها درون خود گره انجام شده است یا توسط گره های مجاور.ارتباطات هدایت شده به چاهک های داده ها باید به حداقل برسند،هرچند چاهک های داده ها معمولا در محل دوری واقع شده اند.تعیین موقعیت مثلثی یک مثال از الگوریتم همکاری است.این الگوریتم حداقل به اندازه گیری سه گره متفاوت نیاز دارد.سپس موقعیت های محاسبه شده می تواند برای آدرس دهی یا مسیریابی استفاده شوند.

4-3-  مکانیزم های امنیتی

انتخاب مکانیزم امنیتی مناسب برای شبکه های حسگر بیسیم به کاربرد و شرایط محیطی آن بستگی دارد.علاوه بر این،منابع گره های حسگر(کارایی پردازشگر،ظرفیت حافظه و انرژی)باید به صرفه باشند.(باید به حساب آورده شوند).علاوه بر نیازمندی های استاندارد امنیتی،مانندقابلیت در دسترس بودن،محرمانه بودن،یکپارچگی،احراز هویت(سندیت) و غیر قابل انکار بودن، نیازمندیهای  خاص امنیتی مانند تازگی پیام،ردیابی(کشف)ورود بدون اجازه (نفوذ)،تحمل نفوذ،یا محدود کردن برای شبکه های حسگر وجود دارد.

برای برآوردن خواسته های ایمنی فوق الذکر،مکانیزم های امنیتی سازگار با شبکه های بیسیم توسط چندین تیم تحقیقاتی توسعه داده شده و تست شده اند. وظیفه ی میان افزار انتخاب و مدیریت مکانیزم های امنیتی وابسته به ساستهای امنیتی تعریف شده توسط اپراتور شبکه حسگر است.

5-3-  رویکرد کم قدرت

گره های حسگر معمولا باتری محور هستند(با باتری کار می کنند)،اگر چه باتری های آنها چه کوچک و چه بزرگ باشند باید تعویض یا شارژ مجدد شوند.علاوه براین،شبکه های میکروسنسور غالبا  در دوردست یا محیط خطرناک قرار گرفته اند.از اینرو افزایش طول عمر گره های حسگر چالش اصلی طراحی و پیاده سازی است.

سخت افزار میکروکنترلر بکار رفته  برای گره های حسگرتکنیک های صرفه جویی در مصرف انرژی را فراهم می کند.یکی از این تکنیک ها مدیریت توان پویا(DPM) است. DPMخاموش کردن مؤلفه هایی از سخت افزار که به آنها نیاز نداریم با استفاده از مقیاس گذاری ساعت است.

یک سیستم عامل برای گره های حسگر باید رویکرد کم توان و زمانبندی وظایف را پیاده سازی کند.برای مثال یک الگوریتم زمانبندی می تواند از مزیت اثرات باتری غیرخطی در کاهش مصرف انرژی استفاده کند. گذشته از این،انتخاب پروتکل های ارتباطی مناسب کاهش مصرف انرژی را افزایش می دهد.امکان ذخیره سازی در لایه های فیزیکی،پیوند و لایه شبکه بیشترین احتمال را دارد.