اصول و مبانی شبکه های حسگر بی سیم و شبکه های موردی

 اصول و مبانی شبکه های حسگر بی سیم و شبکه های موردی

تعداد صفحات : 75 با فرمت ورد و قابل ویرایش

دلایل استفاده از شبکه را می توان موارد ذیل عنوان کرد:

استفاده مشترک از منابع :استفاده مشترک از یک منبع اطلاعاتی یا امکانات جانبی رایانه ، بدون توجه به محل جغرافیایی هریک از منابع را استفاده از منابع مشترک گویند.
کاهش هزینه :متمرکز نمودن منابع واستفاده مشترک از آنها وپرهیز از پخش آنها در واحدهای مختلف واستفاده اختصاصی هر کاربر در یک سازمان کاهش هزینه را در پی خواهد داشت .
قابلیت اطمینان :این ویژگی در شبکه ها بوجود سرویس دهنده های پشتیبان در شبکه اشاره می کند ، یعنی به این معنا که می توان از منابع گوناگون اطلاعاتی وسیستم ها در شبکه نسخه های دوم وپشتیبان تهیه کرد ودر صورت عدم دسترسی به یک از منابع اطلاعاتی در شبکه " بعلت از کارافتادن سیستم " از نسخه های پشتیبان استفاده کرد. پشتیبان از سرویس دهنده ها در شبکه کارآیی،، فعالیت وآمادگی دایمی سیستم را افزایش می دهد.
کاهش زمان : یکی دیگر از اهداف ایجاد شبکه های رایانه ای ، ایجاد ارتباط قوی بین کاربران از راه دور است ؛ یعنی بدون محدودیت جغرافیایی تبادل اطلاعات وجود داشته باشد. به این ترتیب زمان تبادل اطلاعات و استفاده از منابع خود بخود کاهش می یابد.
قابلیت توسعه :یک شبکه محلی می تواند بدون تغییر در ساختار سیستم توسعه یابد وتبدیل به یک شبکه بزرگتر شود. در اینجا هزینه توسعه سیستم هزینه امکانات وتجهیزات مورد نیاز برای گسترش شبکه مد نظر است.
ارتباطات:کاربران می توانند از طریق نوآوریهای موجود مانند پست الکترونیکی ویا دیگر سیستم های اطلاع رسانی پیغام هایشان را مبادله کنند ؛ حتی امکان انتقال فایل نیز وجود دارد.

بخش اول

شبکه های موردی سیار  

فصل اول : شبکه های موردی

1-1 شبکه های موردی سیار چیست؟

1-2 آشنایی با شبکه های بی سیم مبتنی بر بلوتوث

امروزه با پیشرفت تکنولوژی های ارتباطی، برقراری ارتباطات مورد نیاز برای راه اندازی شبکه ها به کمک تکنیک های متفاوتی امکان پذیر می باشد. زمانی ارتباط بین ایستگاه های کاری در یک شبکه، فقط توسط کابل های کواکسیال[1] و اتصالات BNC امکان پذیر بود. سپس با پیشرفت تکنولوژی اتصالات موجود بهبود یافتند و کابلهای جفت تابیده و بعد کابل فیبر‌نوری[2] پا به عرصه وجود گذاشتند. مزیت اصلی این پیشرفت ها افزایش سرعت انتقال داده‌ها و بهبود امنیت ارسال و دریافت داده ها می باشد.

در مراحل بعد، وجود برخی از مشکلات مانند عدم امکان کابل کشی جهت برقراری اتصالات مورد نیاز و یا وجود هزینه بالا یا سختی عملیات کابل کشی و غیر ممکن بودن یا هزینه بر بودن انجام تغییرات در زیر ساخت های فعلی شبکه سبب شد تا مهندسان به فکر ایجاد روشی برای برقراری ارتباط بین ایستگاه های کاری باشند که نیاز به کابل نداشته باشد. در نتیجه تکنولوژی های بی سیم پا به عرصه وجود گذاشتند.
در این تکنولوژی، انتقال اطلاعات از طریق امواج الکترومغناطیس انجام می گیرد. به همین منظور می توان از یکی از سه نوع موج زیر استفاده نمود:
مادون قرمز : در این روش فاصله دو نقطه زیاد نیست زیرا امواج مادون قرمز برد کمی دارند و از طرفی سرعت انتقال داده‌ها توسط این موج پایین می‌باشد.
امواج لیزر : این موج در خط مستقیم سیر می کند و نسبت به امواج مادون قرمز دارای برد بالاتر می باشد. مشکل اصلی در این موج، مخرب بودن آن می‌باشد. « این موج برای بینایی مضر می باشد.
امواج رادیویی : متداول ترین امواج در ارتباطات شبکه ای هستند و سرعت استاندارد آنها 11 مگابیت بر ثانیه می باشد. تجهیزات و شبکه های کامپیوتری مبتنی بر این نوع موج، به دو دسته تقسیم می شوند:

1- شبکه های بی سیم درون سازمانی[3]

2- شبکه های بی سیم برون سازمانی [4]

شبکه های نوع اول در داخل محیط یک ساختمان ایجاد می گردند. جهت طراحی اینگونه شبکه ها می توان یکی از دو روش زیر را در نظر گرفتک

-1 شبکه های موردی

Infrastructure Network -2

در شبکه های موردی کامپیوتر ها و سایر ایستگاه های کاری دیگر، دارای یک کارت شبکه بی سیم می باشند و بدون نیاز به دستگاه متمرکز کننده مرکزی قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر خواهند بود. اینگونه شبکه سازی بیشتر در مواردی که تعداد ایستگاه های کاری محدود است - در شبکه های کوچک - مورد استفاده قرار می گیرند. « در ادامه مقاله در مورد این نوع شبکه ها صحبت بیشتری خواهد شد.

در روش دوم ، برای پیاده سازی شبکه بی سیم مورد نظر، از یک یا چند دستگاه متمرکز کننده مرکزی که به اختصار AP نامیده می شود، استفاده می شود. وظیفه یک AP برقراری ارتباط در شبکه می باشد.

شبکه های نوع دوم در خارج از محیط ساختمان ایجاد می گردند. در این روش از AP و همچنین آنتن ها جهت برقراری ارتباط استفاه می شود. معیار اصلی در زمان ایجاد اینگونه شبکه ها، در نظر داشتن ارتفاع دو نقطه و فاصله بین آنها و به عبارت دیگر، داشتن دید مستقیم می باشد.

در شبکه های بی سیم ممکن است یکی از سه توپولوژی زیر مورد استفاده قرار گیرند:

Point To
Point b- Point To Multipoint
Mesh

امواج بلوتوث دارای برد کوتاهی می باشند و بیشتر برای راه اندازی شبکه های PAN که یکی از انواع شبکه های موردی است، مورد استفاده قرار می گیرند.

1-3 شبکه های موردی

یک شبکه موردی تشکیل شده از تجهیزات بی سیم قابل حمل که با یکدیگر به کمک تجهیزات ارتباط بی سیم و بدون بر قراری هیچگونه زیر ساختی، ارتباط برقرار می کنند.

برای شروع کار بهتر است ابتدا معنی واژه موردی را بررسی نماییم. واژه موردی به مفهوم «برای یک کاربرد خاص می باشد. این واژه معمولا در جاهایی کاربرد دارد که حل یک مشکل خاص یا انجام یک وظیفه ویژه مد نظر باشد و ویژگی مهم آن، عدم امکان تعمیم راه حل فوق به صورت یک راه حل عمومی و به کارگیری آن در مسائل مشابه می باشد.

به شبکه موردی ، شبکه توری نیز می گویند. علت این نام گذاری آن است که تمام ایستگاه های موجود در محدوده تحت پوشش شبکه موردی ، از وجود یکدیگر با خبر بوده و قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر می باشند. این امر شبیه پیاده سازی یک شبکه به صورت فیزیکی بر مبنای توپولوژی توری می باشد.

اولین شبکه موردی در سال 1970 توسط DARPA بوجود آمد. این شبکه در آن زمان Packet Radio‌ نامیده می شد.

از جمله مزایای یک شبکه موردی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

سرعت توسعه آن زیاد است.
به سادگی و به صرف هزینه پایین قابل پیاده سازی می باشد.
مانند سایر شبکه های بی سیم، به زیر ساخت نیاز ندارد.
پیکر بندی خودکار
هر یک از ایستگاه ها به عنوان یک روتر نیز ایفای نقش می کنند.
استقلال از مدیریت شبکه اصلی
انعطاف پذیر بودن به عنوان مثال، دسترسی به اینترنت از نقاط مختلف موجود در محدوده تحت پوشش شبکه امکان پذیر است.
دو ایستگاه موجود در شبکه می توانند به طور مستقل از دیگر ایستگاه ها، با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و انتقال اطلاعات بپردازند.

همانطور که در مزایای فوق اشاره شد «شماره 4» اینگونه شبکه ها دارای پیکربندی خودکار می باشند. یعنی اگر پس از راه اندازی شبکه، یکی از ایستگاه ها بنابر دلایلی از کار بیافتد - مثلا فرض کنیم یکی از ایستگاه ها، یک دستگاه تلفن همراه باشد که به کمک بلوتوث وارد شبکه شده باشد و اکنون با دور شدن صاحب تلفن از محدوده تحت پوشش از شبکه خارج شود - در نتیجه شکافی در ارتباط بین ایستگاه ها بوجود خواهد آمد. با بروز چنین موردی شبکه موردی به سرعت مشکل را شناسایی کرده و مجددا بصورت خودکار عمل پیکربندی و تنظیمات شبکه را بر اساس وضعیت جدید انجام خواهد داد و راه ارتباطی جدیدی برقرار خواهد کرد.

در شکل قبل قسمت a نشان دهنده این است که ایستگاه ها در حال شناسایی یکدیگر می باشند. در قسمت b می بینیم که یکی از ایستگاه ها برای ارسال داده به سمت مقصد مورد نظرش از یک مسیر خاص و بهینه استفاده می کند. اما در شکل c وضعیتی نشان داده شده است که یکی از ایستگاه های میانی از شبکه خارج شده و در نتیجه بعد از انجام پیکربندی مجدد، مسیر دیگری بین مبدا و مقصد برای ارسال داده ها بوجود آمده است.

به شبکه های موردی اصطلاحا موردی سیار نیز می گویند. علت این نامگذاری آن است که ایستگاه ها در این شبکه می توانند به صورت آزادانه حرکت کنند . بطور دلخواه به سازماندهی خود بپردازند. پس توپولوژی شبکه های بی سیم ممکن است به سرعت و بصورت غیر قابل پیش بینی تغییر کنند.

برخی از کاربردهای شبکه های موردی عبارتند از:

استفاده در شبکه های PAN [5]
این نوع شبکه در برگیرنده سیستم های بی سیم که دارای برد و قدرت پایین هستند، می باشد. این نوع شبکه ها معمولا بین افراد و یا در یک دفتر کار و مکان های مشابه ایجاد می گردد. استاندارد مورد استفاده در این محدوده IEEE 802.15 می باشد. تجهیزات مورد استفاده معمولالپ تاپ، هدفون، تلفن و غیره می باشد.
استفاده در عملیات اورژانسی
مثلا در عملیات جستجو و نجات، اطفاء حریق یا عملیات پلیسی مورد استفاده قرار می گیرد.
استفاده در محیط های غیر نظامی
مثلا در شبکه داخلی تاکسیرانی، استادیو ورزشی و ... مورد استفاده قرار می گیرد.
حفاظت از محیط زیست
زیست شناسان با استفاده از گردن آویزهایی که به حسگرهای مکان، دما و دیگر حس گرها مجهز هستند کیفیت زندگی حیوانات در خطر انقراض را کنترل می‌نمایند.
استفاده در مصارف نظامی

به عنوان نمونه با مجهز کردن یک میدان جنگ به دستگاه هایی که از حسگر لرزش، سیستم موقعیت یاب و حسگر مغناطیسی برخوردارند، می توان عبور و مرور خودروها در محل را کنترل نمود. هر یک از ابزارها پس از حس کردن موقعیت جقرافیایی خود با ارسال یک موج رادیویی، ابزارهایی را که در محدوده ای به وسعت 30 متر از آن قرار دارند را شناسایی کرده و با آن ارتباط برقرار می کند.

برخی از محدودیت های شبکه های موردی عبارتند از:

محدودیت پهنای باند دارد.
روترچندسوییچ نیاز می باشد.
مصرف انرژی یکی از دیگر مشکلات مهم می باشد.
حفظ امنیت در اینگونه از شبکه ها مشکل می باشد.
در شبکه های بزرگتر، ارسال اطلاعات با تاخیر همراه می باشد.

1-4 ایجاد شبکه به کمک بلوتوث

تکنولوژی بلوتوث استانداردی است که به کمک آن می توان یک ارتباط بی سیم کوتاه برد بین تجهیزات بی سیم مجهز به بلوتوث مانند گوشی های تلفن همراه، لپ تاپ ها، چاپگر های مجهز به بلوتوث و ... برقرار نمود. به کمک بلوتوث می توان یک شبکه PAN بوجود آورد. شبکه های ایجاد شده توسط بلوتوث بر مبنای شبکه های موردی می باشد. شبکه های PAN معمولا در دفتر کار، منزل و سایر محیط های کوچک مشابه برای اتصال تجهیزات بی سیم استفاده می شود.

از مزایای بلوتوث می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1- بلوتوث ارزان بوده و مصرف انرژی پایینی دارد.

2- تسهیل ارتباطات داده و صدا

3- حذف کابل و سیم بین دستگاه ها و ابزارهای بی سیم

4- فراهم کردن امکان شبکه های موردی و همگام سازی بین ابزارهای موجود

تکنولوژی بلوتوث از امواج محدود در باند GHZ ISM 2.4 استفاده می کند. این باند فرکانس برای مصارف صنعتی، علمی و پزشکی رزرو شده است. این باند در اغلب نقاط دنیا قابل دسترسی می باشد.

1-5 چگونه ابزارهای مجهز به بلوتوث را شبکه کنیم ؟

شبکه های بلوتوث بر خلاف شبکه های بی سیم که از ایستگاه های کاری بی سیم و نقطه دسترسی تشکیل می شود، فقط از ایستگاه های کاری بی سیم تشکیل می شود. یک ایستگاه کاری می تواند در واقع یک ابزار با قابلیت بلوتوث باشد.

ابزارهایی با قابلیت بلوتوث به طور خودکار یکدیگر را شناسایی کرده و تشکیل شبکه می دهند. مشابه همه شبکه های موردی ، توپولوژی های شبکه های بلوتوث می توانند خودشان را بر یک ساختار موقت تصادفی مستقر سازند.

شبکه های بلوتوث یک ارتباط Master-Slave را بین ابزارها برقرار می کنند. این ارتباط یک piconet را تشکیل می دهد. در هر piconet‌ هشت ایستگاه مجهز به بلوتوث وارد شبکه می شوند. به اینصورت که یکی به عنوان Master و هفت تای دیگر به عنوان Slave در شبکه قرار می گیرند.

ابزارهای هر piconet‌ روی کانال یکسان کار می کنند. اگر چه در هر Piconet فقط یک Master‌ داریم ولی Slave یک شبکه می تواند در شبکه های دیگر به صورت Master عمل کند. بنابراین زنجیره ای از شبکه ها به وجود می آید.