امنیت و مسیر یابی در شبکه های اقتضایی :
چکیده
شبکه های بیسیم کاربرد بسیاری دارند، سهولت و سرعت ساخت، ازمهمترین مزیت این نوع شبکهها است. با توجه به انتقال داده در محیط باز (از طریق هوا) و محدودیت های موجود از جمله پهنای باند محدود، انرژی محدود، دامنهی ارسال محدود و...، کنترل ازدحام و تداخل و پروتکلهای مسیریابی متفاوت از شبکههای سیمی هستند.
در این مقاله به معرفی شبکههای بیسیم توری که ترکیبی از شبکههای ad hoc و سلولی هستند، میپردازیم. با توجه به طبیعت ترکیبی، اعمال پروتکلهای مسیریابی مربوط به سایر شبکههای بیسیم به این نوع شبکه، غیرممکن است، زیرا پروتکلهای مسیریابی باید ترکیبی از مسائل مربوط به شبکههای ad hoc و سلولی را در نظر بگیرند. در ادامه برخی از پروتکلهای مسیریابی و معیارهای مورد استفاده ، بررسیمیشوند.
کلیدواژه ها:
شبکه سلولی، شبکه ad hoc، شبکه بیسیم توری، پروتکل های مسیریابی
1- مقدمه
شبکه سلولی، شامل تعداد زیادی کاربر با پایانههای سیار، ایستگاههای اصلی، و کنترل کنندهی مرکزی است که توسط خطوطی با سرعت بالا، (سیمی یا microwave) به یکدیگر یا دنیای بیرون متصل میشوند. دادههای کاربران از طریق نزدیکترین ایستگاه اصلی ارسال میشوند، در نتیجه انتقال دادهی چندگامه در محیط بیسیم اشتراکی وجود ندارد. پایانههای سیار مسئولیت بسیار کمی دارند و تمامی تصمیمات مهم مانند زمان ارسال هر پایانه، فرکانس ارسال، برش زمانی، کد مورد استفاده، انرژی موردنیاز و.. بطور مرکزی و نوعا در کنترل کنندهی شبکه اتخاذ میشود. در صورت خرابی یکی از ایستگاههای اصلی، همهی کاربران مجاور آن، ارتباط خود را با شبکه از دست میدهند.(شکل 1 -الف)
(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است)
شبکههای ad hoc برخلاف شبکه های سلولی دارای هیچ زیرساخت اضافهای، مانند ایستگاههای اصلی، کنترل کننده مرکزی و... نیستند. بنابراین عملیات شبکه، بطور توزیع شده و غیرمتمرکز انجام میشود. علاوهبراین داده در چندگام مسیریابی شده و امکان ادامه کار، پس از رخداد خطا وجود دارد.(شکل 1-ب) این نوع شبکهها، به دلیل عدم وجود زیرساخت گران نیستند. بنابراین اگر نیازهای ارتباطی با استفاده از شبکههای ad hoc رفع شود، نیازی به استفاده از توپولوژی سلولی نیست.
امکان ترکیب توپولوژی ad hoc با توپولوژی سلولی وجود دارد. مشکل زیر را در نظر بگیرید: اگر در شبکهی سلولی محض، یک کاربر سیار، دور از دسترس همه ایستگاههای اصلی باشد، دو راه حل وجود دارد:
● اگر کانالی بین کاربر و ایستگاه اصلی نباشد، تماسهای کاربر حذف خواهد شد.
● اگر کانال موجود بین کاربر و ایستگاه اصلی ضعیف باشد، انتقال پایانهی سیار با حداکثر انرژی (مصرف باتری) و انتقال ایستگاه اصلی با حداکثر انرژی (تداخل با گرههای سیار دیگر) و شاید با تخصیص پهنای باند بیشتر جبران میشود.
هیچ یک از راه حلهای پیشنهادی مناسب نیستند.
راه حل مناسب استقرار تعدادی بیسیم ثابت با کانال مناسب، به ایستگاه اصلی است. با این کار، احتمال برقراری ارتباط کاربران با ایستگاه اصلی، بطور مستقیم یا با استفاده از رله بالا میرود. شبکهی حاصل خصوصیات شبکههای سلولی (ایستگاههای اصلی و زیرساختهای گران قیمت) و شبکههای ad hoc (ارتباط چندگامه بیسیم از کاربر به ایستگاههای اصلی) را در خود جمع کرده است. این نوع شبکه، شبکهی بی سیم توری[1] (WMN)نامیده میشود.
2-معماری WMN
این شبکه شامل سه نوع مختلف از اجزای شبکه است : دروازههای شبکه، نقاط دسترسی[2] و گرههای سیار(شکل 2)
دروازههای شبکه : اجازه دسترسی به زیرساخت سیمی را میدهد. امکان استفاده از بیشتر از یک دروازه، در شبکه وجود دارد.
نقاط دسترسی :
ستون فقرات شبکه را در ناحیههای وسیعی گسترش میدهد، استفاده از آنها کمهزینه، انعطافپذیر و آسان است. این نقاط، ایستا، با احتمال خطای کم و بدون محدودیت انرژی فرض میشوند. کاربران با استفاده از ابزار بیسیم یا سیمی به این نقاط متصل میشوند. اتصالات بین این نقاط، به عنوان رله بین پایانههای سیار و دروازههای شبکه عمل میکنند.
گره های سیار :
محدودهی وسیعی از ابزارها با درجه حرکت متفاوت را دربرمیگیرد، مانند PDA، laptop یا تلفنهای سلولی. گرههای سیار در مصرف انرژی، تواناییهای محاسباتی و انتقال متفاوتند و با اتصال مستقیم به دروازه شبکه، یا با استفاده از نقاط دسترسی به عنوان رله، با زیرساخت سیمی ارتباط برقرار میکنند
در این نوع شبکه، انتقال داده از طریق ارتباطات بیسیم چندگامه انجام شده و شامل گرههای سیار، دروازههای شبکه و نقاط دسترسی میباشد. پهنای باند موجود وابسته به تکنولوژی شبکه زیرین بوده و دارای نرخ انتقال 54 مگابیت در ثانیه است. ترافیک شامل جریانهای چندرسانهای است و شبکه از هزاران گره سیار پشتیبانی میکند. علاوه بر این، دارای محدودیتهای پهنای باند بوده و نیاز به مدیریت حرکت کاربران دارد.
شبکهی بیسیم توری در موارد زیر با سایر شبکههای بیسیم تفاوت دارد:
اجزای شبکه:
نقش گرههای سیار به عنوان بخشی از WMN متفاوت از سایر شبکهها است. معماری این نوع شبکه، بین نقاط دسترسی - مانند گرههای سیار - اتصالاتی را در نظر میگیرد.
درجه حرکت:
WMNها دارای ستون فقرات بیسیم هستند و از گرههایی با عدم محدودیت انرژی و حرکت محدود (یا ثابت) تشکیل شدهاند، در حالی که در بعضی از شبکههای بیسیم چندگامه مانند MANET[3]ها بقای انرژی و حرکت کاربران مفهوم اصلی و اولیه است.
الگوی ترافیکی :
الگوی ترافیکی در WMN، شباهت جزیی به شبکههای سنسور و ad hoc دارد. مشابه شبکههای سنسور، ترافیک داده اساسا بین کاربران و دروازههای شبکه است، (تفاوت با شبکههای ad hoc). البته ترافیک میتواند بین هر جفت از گرههای کاربران نیز باشد ( شباهت با ad hoc) .
3-خصوصیات WMN از دید مسیریابی
با توجه به خصوصیات ذکر شده، پروتکلهای مسیریابی موجود باید برای تطابق با WMNها مجددا بررسی شوند. اختلافات اساسی وابسته به مسیریابی عبارتند از:
توپولوژی شبکه :
WMN دارای ستون فقرات ثابت است. بنابراین مشابهMANET ها ارتباط از طریق انتقالهای بیسیم چندگامه انجام میشود. اما برخلاف MANETها حرکت گرهها در زیرساخت ستون فقرات متناوب نیست.
الگوی ترافیک :
در شبکههای سلولی و WLANها داده بین کاربران و نقاط دسترسی مبادله می شود. در WMN انتقال داده بین گرههای سیار و دروازههای شبکه است.(کمی شباهت با شبکههای سلولی) ترافیک بین دو گره در WMN، اگرچه اهمیت کمی دارد اما باید مورد بررسی قرار گیرد.
تنوع کانالها :
WMNها از امکان معرفی کانالهای مختلف در فرایند مسیریابی سود میبرند، که در سایر شبکههای بیسیم به دلیل حرکت گرهها (MANET) یا محدودیتهای انرژی ممکن نیست. این تکنیک بطور واضح تداخل را کاهش و گذردهی را افزایش می دهد.
4-معیارهای کارایی مورد استفاده در پروتکلهای مسیریابی
وابسته به مشخصات شبکه هر یک از پروتکلهای مسیریابی روی یکی از معیارهای کارایی تمرکز کردهاند. لیست زیر برخی از معیارها را نشان می دهد:
تعداد گام :
تعداد گام ها بین مبدا و مقصد.
تعداد انتقال مورد انتظار(ETX)[4]:
بیشتر مخصوص ارتباطات بیسیم است. گم شدن داده را که به علت رقابت بر سر محیط دسترسی یا مخاطرات محیطی رخ میدهد، محاسبه کرده و تعداد ارسال مجددها را برای انتقال موفق یک بسته در لینک محاسبه میکند.
زمان انتقال مورد انتظار(ETT)[5]:
در محاسبات خود علاوه بر پارامترهای قبلی پهنای باند لینک را نیز دخالت میدهد.
مصرف انرژی :
سطح انرژی گره یک معیار مسیریابی است. اگر برخی گرههای درگیر در فرآیند مسیریابی، محدودیت انرژی داشته باشند، ممکن است به علت تمام شدن انرژی خطای مسیر رخ دهد. بیشتر در شبکههای MANET و WMNها مهم است.
دسترسی پذیری/قابلیت اطمینان مسیر :
درصد زمانی را که مسیر در دسترس است، تخمین میزند. تاثیر حرکت گره در این معیار گنجانده میشود. به خصوص برای MANETها معیار مهمی است.
5- معیارکیفیت مسیر در مسیریابی شبکههای بیسیم چندگامه
بیشتر کارهای اخیر در زمینهی پروتکلهای مسیریابی برای شبکههای بیسیم روی گرههای سیار، توپولوژی پویا و توسعهپذیری تمرکز کردهاند، و توجه کمتری به یافتن مسیرهای با کیفیت بالا، در لینکهای بیسیم شده است. معیاری که توسط اغلب پروتکلهای مسیریابی ad hoc موجود استفاده میشود، حداقلسازی تعداد گام است.
با حداقلسازی تعداد گام، فاصله طی شده با هر گام حداکثر، قدرت سیگنال حداقل و نرخ گم شدن حداکثر میشود. حتی اگر بهترین مسیر حداقل تعداد گام را داشته باشد، در یک شبکهی متراکم مسیرهای مختلفی با حداقل طول یکسان وجود دارد، که کیفیت آنها متفاوت است، انتخاب دلخواه که با معیار حداقل تعداد گام انجام شده، احتمالا بهترین انتخاب نیست.
در[3] گذردهی مسیرهایی با حداقل تعداد گام و گذردهی بهترین مسیر موجود مقایسه شدهاند. نتایج حاصل نشان داده که حداقل تعداد گام درمواردی که کوتاهترین مسیر، سریعترین مسیر نیز میباشد، خوب کار میکند. مسیرهای با حداقل تعداد گام آهسته میباشند، زیرا شامل لینکهایی با نرخ گم شدن بالا هستند که باعث میشود پهنای باند برای ارسال مجددها استفاده شود.
معیار کیفیت پیشنهادی ETX است. این معیار مسیری با کمترین تعداد مورد انتظار ارسال را برای رسیدن به مقصد انتخاب میکند (شامل ارسال مجددها نیز میشود). هدف از طراحی این معیار یافتن مسیری با گذردهی بالا، علیرغم گم شدن بستهها میباشد.
ETX یک لینک عبارتست از تعداد انتقال دادههای موردنیاز برای ارسال یک بسته از طریق لینک، که شامل ارسال مجددها نیز می شود. ETXمسیر حاصل جمع ETX لینک های موجود درمسیر است.
ETX یک لینک با استفاده از نرخهای ارسال و دریافت هر لینک محاسبه میشود. نرخ تحویل بسته ارسالی df برابر است با احتمال اینکه یک بسته داده با موفقیت به مقصد برسد، نرخ تحویل معکوس dr برابر است با احتمال اینکه بستهی ACK با موفقیت دریافت شود. احتمال اینکه ارسال با موفقیت انجام شده و تصدیق شود برابر است با df*dr. فرستنده وقتی اقدام به ارسال مجدد میکند که با موفقیت تائید نشده باشد. از آنجایی که هر تلاش برای ارسال بسته میتواند به عنوان توزیع برنولی تصور شود، تعداد ارسالهای مورد انتظار برابر است با:
این معیار تنها برای شبکه هایی با ارسال مجدد لایهی پیوند مانند 802.11b قابل درک است و فرض میکند فرکانسهای رادیویی سطح نیروی ارسال ثابتی دارند. با نیروی رادیویی مختلف، بهتر است تعداد گامها را حداقل کنیم، بنابراین تداخل کاهش پیدا کرده و انرژی مورد استفاده با هر بسته حداقل می شود. علاوهبراین از لینکهای دارای ازدحام مسیریابی نمیکند، بنابراین از نوسانی که گاهی اوقات معیارهای مسیریابی متناسب با بار را تحت تاثیر قرار می دهد، مانند تاخیر انتها به انتها رنج نمیبرد.
تاثیر این معیار در مسیریابی DSDV[6] و [7]DSR بررسی شده است[3]. قبل از بیان نتایج حاصل مروری بر پروتکلهای عمومی DSDV و DSR داشته و تغییرات اعمالی را بیان میکنیم.
5-1-عملیات DSDV
DSDV یک پروتکل بردار فاصله است که از شمارهی ترتیب برای اطمینان از عدم تکرار و یک مکانیزم تنظیم زمانی برای اجتناب از انتشارهای غیرضروری در مسیرهایی با معیارهای فرعی استفاده می کند. هر گره یک ورودی در جدول مسیریابی برای هر گره مقصدی که آن را می شناسد، دارد. بستهها به گام بعدی که توسط محتویات جاری جدول مسیریابی تعیین میشود، ارسال میشوند.
هر گره بطور دورهای یک بستهی آگهی مسیر، شامل جدول مسیریابی کامل خود، منتشر میکند. این آگهی رونوشت کامل[8] نامیده میشود.
هر گره دارای یک شماره ترتیب قابل افزایش است که در هر رونوشت کاملی که توسط گره ایجاد میشود، وجود دارد.
وقتی یک گره آگهی مسیریابی گرههای دیگر را دریافت میکند، واردههای مسیریابی خود را بروز رسانی میکند. هر واردهی مسیر دارای زمان انقضای وزن دار(WST)[9] است. WST یک واردهی مسیر، عبارتست از زمان بین اولین دریافت مسیری با آن شمارهی ترتیب و دریافت بهترین مسیر با آن شمارهی ترتیب. این زمان با دریافت مسیری با شماره ترتیب جدید، بروز رسانی میشود.
WST همراه با راه اندازهای بروز رسانی[10] برای انتشار سریع مسیرهای مناسب شبکه استفاده میشود. وقتی یک گره، واردهی مسیری را با واردهی دریافتی جدید جایگزین میکند، مسیر جدید را با ارسال راه انداز بروز رسانی که تنها شامل اطلاعات تغییر یافته است، منتشر میکند. راه اندازها، تا زمانی که دست کم 2*WST از زمان اولین دریافت شماره ترتیب جاری گذشته باشد، ارسال نمیشوند. این کار باعث میشود گرهها از آگهی مسیر جدیدی که احتمالا بعدها با مسیر بهتر جایگزین خواهد شد، اجتناب کنند. علاوهبراین، علیرغم وجود WST برای هر واردهی مسیر، راه اندازها با نرخی بیشتر از حداکثر نرخ تعیین شده، ارسال نمیشوند. راه اندازهایی که تاخیر دارند، با هم دسته شده و در زمان بعدی ارسال میشوند.
(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است)