اصول و مبانی شبکه های حسگر بیسیم و شبکه های موردی- در 75 صفحه-docx

دسته بندي : فنی و مهندسی » کامپیوتر و IT
 

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 آشنايي با شبكه هاي بي سيم مبتني بر بلوتوث

امروزه با پيشرفت تكنولوژي هاي ارتباطي، برقراري ارتباطات مورد نياز براي راه اندازي شبكه ها به كمك تكنيك هاي متفاوتي امكان پذير مي باشد. زماني ارتباط بين ايستگاه هاي كاري در يك شبكه، فقط توسط كابل هاي کواکسیال[1] و اتصالات BNC امكان پذير بود. سپس با پيشرفت تكنولوژي اتصالات موجود بهبود يافتند و كابلهاي جفت تابیده و بعد كابل فيبر‌نوری[2] پا به عرصه وجود گذاشتند. مزيت اصلي اين پيشرفت ها افزايش سرعت انتقال داده‌ها و بهبود امنيت ارسال و دريافت داده ها مي باشد.

در مراحل بعد، وجود برخي از مشكلات مانند عدم امكان كابل كشي جهت برقراري اتصالات مورد نياز و يا وجود هزينه بالا يا سختي عمليات كابل كشي و غير ممكن بودن يا هزينه بر بودن انجام تغييرات در زير ساخت هاي فعلي شبكه سبب شد تا مهندسان به فكر ايجاد روشي براي برقراري ارتباط بين ايستگاه هاي كاري باشند كه نياز به كابل نداشته باشد. در نتيجه تكنولوژي هاي بي سيم پا به عرصه وجود گذاشتند.
در اين تكنولوژي، انتقال اطلاعات از طريق امواج الكترومغناطيس انجام مي گيرد. به همين منظور مي توان از يكي از سه نوع موج زير استفاده نمود:
مادون قرمز : در اين روش فاصله دو نقطه زياد نيست زيرا امواج مادون قرمز برد كمي دارند و از طرفي سرعت انتقال داده‌ها توسط اين موج پايين مي‌باشد.
امواج ليزر : اين موج در خط مستقيم سير مي كند و نسبت به امواج مادون قرمز داراي برد بالاتر مي باشد. مشكل اصلي در اين موج، مخرب بودن آن مي‌باشد. « اين موج براي بينايي مضر مي باشد.
امواج راديويي : متداول ترين امواج در ارتباطات شبكه اي هستند و سرعت استاندارد آنها 11 مگابيت بر ثانيه مي باشد. تجهيزات و شبكه هاي كامپيوتري مبتني بر اين نوع موج، به دو دسته تقسيم مي شوند:

1- شبكه هاي بي سيم درون سازماني[3]

2- شبكه هاي بي سيم برون سازماني [4]

شبكه هاي نوع اول در داخل محيط يك ساختمان ايجاد مي گردند. جهت طراحي اينگونه شبكه ها مي توان يكي از دو روش زير را در نظر گرفتك

-1 شبکه های موردی

Infrastructure Network -2

در شبکه های موردی كامپيوتر ها و ساير ايستگاه هاي كاري ديگر، داراي يك كارت شبكه بي سيم مي باشند و بدون نياز به دستگاه متمركز كننده مركزي قادر به برقراري ارتباط با يكديگر خواهند بود. اينگونه شبكه سازي بيشتر در مواردي كه تعداد ايستگاه هاي كاري محدود است - در شبكه هاي كوچك - مورد استفاده قرار مي گيرند. « در ادامه مقاله در مورد اين نوع شبكه ها صحبت بيشتري خواهد شد.

در روش دوم ، براي پياده سازي شبكه بي سيم مورد نظر، از يك يا چند دستگاه متمركز كننده مركزي كه به اختصار AP ناميده مي شود، استفاده مي شود. وظيفه يك AP برقراري ارتباط در شبكه مي باشد.

شبكه هاي نوع دوم در خارج از محيط ساختمان ايجاد مي گردند. در اين روش از AP و همچنين آنتن ها جهت برقراري ارتباط استفاه مي شود. معيار اصلي در زمان ايجاد اينگونه شبكه ها، در نظر داشتن ارتفاع دو نقطه و فاصله بين آنها و به عبارت ديگر، داشتن ديد مستقيم مي باشد.

در شبكه هاي بي سيم ممكن است يكي از سه توپولوژي زير مورد استفاده قرار گيرند:

Point To
Point b- Point To Multipoint
Mesh

امواج بلوتوث داراي برد كوتاهي مي باشند و بيشتر براي راه اندازي شبكه هاي PAN كه يكي از انواع شبكه هاي موردی است، مورد استفاده قرار مي گيرند.

1-3 شبكه هاي موردی

يك شبكه موردی تشكيل شده از تجهيزات بي سيم قابل حمل كه با يكديگر به كمك تجهيزات ارتباط بي سيم و بدون بر قراري هيچگونه زير ساختي، ارتباط برقرار مي كنند.

براي شروع كار بهتر است ابتدا معني واژه موردی را بررسي نماييم. واژه موردی به مفهوم «براي يك كاربرد خاص مي باشد. اين واژه معمولا در جاهايي كاربرد دارد كه حل يك مشكل خاص يا انجام يك وظيفه ويژه مد نظر باشد و ويژگي مهم آن، عدم امكان تعميم راه حل فوق به صورت يك راه حل عمومي و به كارگيري آن در مسائل مشابه مي باشد.

به شبكه موردی ، شبكه توری نيز مي گويند. علت اين نام گذاري آن است كه تمام ايستگاه هاي موجود در محدوده تحت پوشش شبكه موردی ، از وجود يكديگر با خبر بوده و قادر به برقراري ارتباط با يكديگر مي باشند. اين امر شبيه پياده سازي يك شبكه به صورت فيزيكي بر مبناي توپولوژي توری مي باشد.

اولين شبكه موردی در سال 1970 توسط DARPA بوجود آمد. اين شبكه در آن زمان Packet Radio‌ ناميده مي شد.

از جمله مزاياي يك شبكه موردی مي توان به موارد زير اشاره نمود:

سرعت توسعه آن زياد است.
به سادگي و به صرف هزينه پايين قابل پياده سازي مي باشد.
مانند ساير شبكه هاي بي سيم، به زير ساخت نياز ندارد.
پيكر بندي خودكار
هر يك از ايستگاه ها به عنوان يك روتر نيز ايفاي نقش مي كنند.
استقلال از مديريت شبكه اصلي
انعطاف پذير بودن به عنوان مثال، دسترسي به اينترنت از نقاط مختلف موجود در محدوده تحت پوشش شبكه امكان پذير است.
دو ايستگاه موجود در شبكه مي توانند به طور مستقل از ديگر ايستگاه ها، با يكديگر ارتباط برقرار كرده و انتقال اطلاعات بپردازند.

همانطور كه در مزاياي فوق اشاره شد «شماره 4» اينگونه شبكه ها داراي پيكربندي خودكار مي باشند. يعني اگر پس از راه اندازي شبكه، يكي از ايستگاه ها بنابر دلايلي از كار بيافتد - مثلا فرض كنيم يكي از ايستگاه ها، يك دستگاه تلفن همراه باشد كه به كمك بلوتوث وارد شبكه شده باشد و اكنون با دور شدن صاحب تلفن از محدوده تحت پوشش از شبكه خارج شود - در نتيجه شكافي در ارتباط بين ايستگاه ها بوجود خواهد آمد. با بروز چنين موردي شبكه موردی به سرعت مشكل را شناسايي كرده و مجددا بصورت خودكار عمل پيكربندي و تنظيمات شبكه را بر اساس وضعيت جديد انجام خواهد داد و راه ارتباطي جديدي برقرار خواهد كرد.

در شكل قبل قسمت a نشان دهنده اين است كه ايستگاه ها در حال شناسايي يكديگر مي باشند. در قسمت b مي بينيم كه يكي از ايستگاه ها براي ارسال داده به سمت مقصد مورد نظرش از يك مسير خاص و بهينه استفاده مي كند. اما در شكل c وضعيتي نشان داده شده است كه يكي از ايستگاه هاي مياني از شبكه خارج شده و در نتيجه بعد از انجام پيكربندي مجدد، مسير ديگري بين مبدا و مقصد براي ارسال داده ها بوجود آمده است.

به شبكه هاي موردی اصطلاحا موردی سیار نيز مي گويند. علت اين نامگذاري آن است كه ايستگاه ها در اين شبكه مي توانند به صورت آزادانه حركت كنند . بطور دلخواه به سازماندهي خود بپردازند. پس توپولوژي شبكه هاي بي سيم ممكن است به سرعت و بصورت غير قابل پيش بيني تغيير كنند.

برخي از كاربردهاي شبكه هاي موردی عبارتند از:

استفاده در شبكه هاي PAN [5]
اين نوع شبكه در برگيرنده سيستم هاي بي سيم كه داراي برد و قدرت پايين هستند، مي باشد. اين نوع شبكه ها معمولا بين افراد و يا در يك دفتر كار و مكان هاي مشابه ايجاد مي گردد. استاندارد مورد استفاده در اين محدوده IEEE 802.15 مي باشد. تجهيزات مورد استفاده معمولالپ تاپ، هدفون، تلفن و غيره مي باشد.
استفاده در عمليات اورژانسي
مثلا در عمليات جستجو و نجات، اطفاء حريق يا عمليات پليسي مورد استفاده قرار مي گيرد.
استفاده در محيط هاي غير نظامي
مثلا در شبكه داخلي تاكسيراني، استاديو ورزشي و ... مورد استفاده قرار مي گيرد.
حفاظت از محيط زيست
زيست شناسان با استفاده از گردن آويزهايي كه به حسگرهاي مكان، دما و ديگر حس گرها مجهز هستند كيفيت زندگي حيوانات در خطر انقراض را كنترل مي‌نمايند.
استفاده در مصارف نظامي

به عنوان نمونه با مجهز كردن يك ميدان جنگ به دستگاه هايي كه از حسگر لرزش، سيستم موقعیت یاب و حسگر مغناطيسي برخوردارند، مي توان عبور و مرور خودروها در محل را كنترل نمود. هر يك از ابزارها پس از حس كردن موقعيت جقرافيايي خود با ارسال يك موج راديويي، ابزارهايي را كه در محدوده اي به وسعت 30 متر از آن قرار دارند را شناسايي كرده و با آن ارتباط برقرار مي كند.

برخي از محدوديت هاي شبكه هاي موردی عبارتند از:

محدوديت پهناي باند دارد.
روترچندسوییچ نياز مي باشد.
مصرف انرژي يكي از ديگر مشكلات مهم مي باشد.
حفظ امنيت در اينگونه از شبكه ها مشكل مي باشد.
در شبكه هاي بزرگتر، ارسال اطلاعات با تاخير همراه مي باشد.

1-4 ايجاد شبكه به كمك بلوتوث

تكنولوژي بلوتوث استانداردي است كه به كمك آن مي توان يك ارتباط بي سيم كوتاه برد بين تجهيزات بي سيم مجهز به بلوتوث مانند گوشي هاي تلفن همراه، لپ تاپ ها، چاپگر هاي مجهز به بلوتوث و ... برقرار نمود. به كمك بلوتوث مي توان يك شبكه PAN بوجود آورد. شبكه هاي ايجاد شده توسط بلوتوث بر مبناي شبكه هاي موردی مي باشد. شبكه هاي PAN معمولا در دفتر كار، منزل و ساير محيط هاي كوچك مشابه براي اتصال تجهيزات بي سيم استفاده مي شود.

از مزاياي بلوتوث مي توان به موارد زير اشاره نمود:

1- بلوتوث ارزان بوده و مصرف انرژي پاييني دارد.

2- تسهيل ارتباطات داده و صدا

3- حذف كابل و سيم بين دستگاه ها و ابزارهاي بي سيم

4- فراهم كردن امكان شبكه هاي موردی و همگام سازي بين ابزارهاي موجود

تكنولوژي بلوتوث از امواج محدود در باند GHZ ISM 2.4 استفاده مي كند. اين باند فركانس براي مصارف صنعتي، علمي و پزشكي رزرو شده است. اين باند در اغلب نقاط دنيا قابل دسترسي مي باشد.

1-5 چگونه ابزارهاي مجهز به بلوتوث را شبكه كنيم ؟

شبكه هاي بلوتوث بر خلاف شبكه هاي بي سيم كه از ايستگاه هاي كاري بي سيم و نقطه دسترسی تشكيل مي شود، فقط از ايستگاه هاي كاري بي سيم تشكيل مي شود. يك ایستگاه کاری مي تواند در واقع يك ابزار با قابليت بلوتوث باشد.

ابزارهايي با قابليت بلوتوث به طور خودكار يكديگر را شناسايي كرده و تشكيل شبكه مي دهند. مشابه همه شبكه هاي موردی ، توپولوژي هاي شبكه هاي بلوتوث مي توانند خودشان را بر يك ساختار موقت تصادفي مستقر سازند.

شبكه هاي بلوتوث يك ارتباط Master-Slave را بين ابزارها برقرار مي كنند. اين ارتباط يك piconet را تشكيل مي دهد. در هر piconet‌ هشت ايستگاه مجهز به بلوتوث وارد شبكه مي شوند. به اينصورت كه يكي به عنوان Master و هفت تاي ديگر به عنوان Slave در شبكه قرار مي گيرند.

ابزارهاي هر piconet‌ روي كانال يكسان كار مي كنند. اگر چه در هر Piconet فقط يك Master‌ داريم ولي Slave يك شبكه مي تواند در شبكه هاي ديگر به صورت Master عمل كند. بنابراين زنجيره اي از شبكه ها به وجود مي آيد.

مشخصات كليدي تكنولوژي بلوتوث

شرح

مشخصات

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

لايه فيزيكي

( 2.4 GHz - 2.45 GHZ ) ISM

باند فركانس

1600 hops/sec

فركانس hop

1 Mbps

نرخ انتقال داده

حدود 10 متر و به كمك تقويت كننده تا 100 متر

محدوده كاري

جدول 1-1

نوآوري هاي اخير در آنتن هاي بلوتوث به اين وسايل اجازه داده است تا از بردي كه در ابتدا براي آن طراحي شده است، بسيار فراتر قدم بگذارد. در همايش دوازدهم همايش سالانه هكرها كه در لاس وگاس برگزار مي شود»، گروهي از هكرها كه با عنوان Flexi is شناخته مي شوند، توانستند دو وسيله بلوتوث را كه حدود 800 متر از يكديگر فاصله داشتند را با موفقيت به يكديگر متصل كنند. آنها از آنتم مجهز به يك نوسان نما و يك آنتن ياگي استفاده كردند كه همه آنها به قنداق يك تفنگ متصل شده بود. كابل آنتن را به كارت بلوتوث در رايانه متصل مي كرد. بعدها آنتن را تيرانداز آبي ناميدند.

در ارتباطاتي كه توسط تكنولوژي بلوتوث برقرار مي گردند، معمولا ايستگاه هاي موجود در شبكه در هر لحظه در يكي از وضعيت هاي زير مي باشند.

[1] Coaxial

[2] FIBER OPTIC CABLE

[3] IN DOOR

[4] OUT DOOR

[5] Personal Area Network