روش های مسیریابی با قابلیت اطمینان در شبکه های حسگر بی سیم

يک شبكه حسگر متشكل از تعداد زيادی گره‌های حسگری است كه در يک محيط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوری اطلاعات از محيط مي‌پردازند.

فصل اول: نگاهی به شبكه‌های بی سيم حسگر

مقدمه
پيشرفت‌هاي اخير در زمينه الكترونيك و مخابرات بي‌سيم توانايي طراحي و ساخت حسگرهايي را با توان مصرفي پايين، اندازه كوچك، قيمت مناسب و كاربري‌هاي گوناگون داده است. اين حسگرهاي كوچك كه توانايي انجام اعمالي چون دريافت اطلاعات مختلف محيطي (بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پيدايش ايده‌اي براي ايجاد و گسترش شبكه‌هاي موسوم به شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر WSN شده‌اند.
يك شبكه حسگر متشكل از تعداد زيادي گره‌هاي حسگري است كه در يك محيط به طور گسترده پخش شده و به جمع‌آوري اطلاعات از محيط مي‌پردازند. لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌هاي حسگري، از ‌قبل‌تعيين‌شده و مشخص نيست. چنين خصوصيتي اين امكان را فراهم مي‌آورد که بتوانيم آنها را در مکان‌هاي خطرناک و يا غيرقابل دسترس رها کنيم
از طرف ديگر اين بدان معني است که پروتکل‌ها و الگوريتم ‌هاي شبکه‌هاي حسگري بايد داراي توانايي‌هاي خودساماندهي باشند. ديگر خصوصيت‌هاي منحصر به فرد شبکه‌هاي حسگري، توانايي همكاري و هماهنگي بين گره‌هاي حسگري است. هر گره حسگر روي برد خود داراي يک پردازشگر است و به جاي فرستادن تمامي اطلاعات خام به مركز يا به گره‌اي که مسئول پردازش و نتيجه‌گيري اطلاعات است، ابتدا خود يك سري پردازش‌هاي اوليه و ساده را روي اطلاعاتي كه به دست آورده است، انجام مي‌دهد و سپس داده‌هاي نيمه پردازش شده را ارسال مي‌کند.
با اينكه هر حسگر به تنهايي توانايي ناچيزي دارد، تركيب صدها حسگر كوچك امكانات جديدي را عرضه مي‌كند. ‌در واقع قدرت شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر در توانايي به‌كارگيري تعداد زيادي گره كوچك است كه خود قادرند سرهم و سازماندهي شوند و در موارد متعددي چون مسيريابي هم‌زمان، نظارت بر شرايط محيطي، نظارت بر سلامت ساختارها يا تجهيزات يك سيستم به كار گرفته شوند.
گستره كاربري شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر بسيار وسيع بوده و از كاربردهاي كشاورزي، پزشكي ‌و صنعتي تا كاربردهاي نظامي را شامل مي‌شود. به عنوان مثال يكي از متداول‌ترين كاربردهاي اين تكنولوژي، نظارت بر يك محيط دور از دسترس است. مثلاً نشتي يك كارخانه شيميايي در محيط وسيع كارخانه مي‌تواند توسط صدها حسگر كه به طور خودكار يك شبكه بي‌سيم را تشكيل مي‌دهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شيميايي به سرعت به مركز اطلاع داده شود.
در اين سيستم‌ها بر خلاف سيستم‌هاي سيمي قديمي، از يك سو هزينه‌هاي پيكربندي و آرايش شبكه كاسته مي‌شود از سوي ديگر به جاي نصب هزاران متر سيم فقط بايد دستگاه‌هاي كوچكي را كه تقريباً به اندازه يك سكه هستند (شكل 1)، را در نقاط مورد نظر قرار داد. شبكه به سادگي با اضافه كردن چند گره گسترش می يابد و نيازي به طراحي پيكربندي پيچيده نيست.

فهرست مطالب

فصل اول: نگاهي به شبكه‌هاي بي‌سيم حسگر 1
1-1- مقدمه 2
1-2- تاريخچة شبكه هاي حسگر 4
1-3- ساختار كلي شبكه حسگر بي سيم 4
1-4) ويژگي ها 8
1-5- ويژگي‌هاي عمومي يك شبكه حسگر 9
1-6- ساختار ارتباطي شبکه‌هاي حسگر 11
1-7- فاکتورهاي طراحي 12
1-7-1- تحمل خرابي 12
1-7-2- قابليت گسترش 13
1-7-3- توپولوژي 13
1-7-4- تنگناهاي سخت افزاري 13
1-7-5- قابليت اطمينان 14
1-7-6- مقياس پذيري 14
1-7-7- هزينه توليد 15
1-7-8- رسانه ارتباطي 15
1-7-9- توان مصرفي گره ها 15
1-7-10- ارتباط بلادرنگ و هماهنگي 16
1-7-11- امنيت و مداخلات 16
1-7-12- عوامل پیش بینی نشده 17
1-8- نمونه ی پیاده سازی شده شبکه حسگر 18
1-8-1- ذره ی میکا 18
1-9- کاربرد شبکه های بی سیم حسگر 20
1-9-1-کشاورزی دقیق 20
1-9-2- مراقبت بهداشتی و پزشکی 21
1-9-3- کنترل محیط 21
1-9-4- كاربردهاي نظامي 21
1-10- سیستم عامل 21
فصل دوم: پروتکل های مسیریابی برای شبکه های بی سیم حسگر 24
2-1- مقدمه 25
2-2- انتشار و جمع آوری داده ها 26
2-3- رقابت بر سر مسیریابی و نتایج طراحی در شبکه های بی سیم حس گر 27
2-3-1- ویژگیهای متغیر از لحاظ زمانی و اندازه در شبکه 28
2-3-2- محدودیت منابع 28
2-3-3- مدلهای داده ای برنامه های مبتنی بر سنسور 29
2-4- استراتژیهای مسیریابی در شبکه های بی سیم 29
2-5- جوانب هدایت و مسیریابی 31
2-6- تکنیک های مسیریابی WSN 34
2-6-1- سیل آسا و انواع آن 35
2-6-2- شایعه پراکنی و هدایت تک منظوره ی مبتنی بر عامل 38
2-6-3- پروتکل های سنسور مبتنی بر مذاکره (SPIN) 40
2-6-4- خوشه سازی سلسله مراتبی کم مصرف از نظر انرژی (LEACH) 45
2-6-5- PEGASIS 48
2-6-6- انتشار مستقیم 51
2-6-7- بخش مبتنی بر بازدهی انرژی 54
2-6-8- نمونه هایی از پروتکل تک منظوره 58
2-6-9- مسیریابی تک منظوره ی چند مسیر 59
2-6-10- انتشار و روتینک چند منظوره 62
2-6-11- پروتکل های ساختار درختی مبتنی بر هسته ی توزیع شده 65
2-6-12- پروتکل های مبتنی بر مش 65
2-6-13- مسیریابی جغرافیایی 66
2-6-14- گره های سیار 72
فصل سوم: مسیر یابی امن در شبکه های بی سیم سنسور: حملات و اقدامات متقابل 76
3-1- مقدمه 77
3-1-1- ادعاهای ما 78
3-2- پیش زمینه 79
3-3- شبکه های جسگر در مقابل شبکه های بی سیم ad-hoc 82
3-4- بیان مشکل 83
3-4-1- فرضیات شبکه 84
3-4-2- انواع تهدیدات 85
3-4-3- اهداف امنیت 86
3-5- حملات روی مسیریابی شبکه های حسگر 87
3-5-1- استراق سمع، تغییر، یا تکرار اطلاعات مسیریابی 88
3-5-2- ارسال انتخابی 88
3-5-3- حملات sinkhole 89
3-5-4- حمله Sybil 90
3-5-5- Wormhole ها 91
3-5-6- حمله HELLOflood 93
3-5-7- Acknowledgement spoofing 93
3-6- حملات روی پروتکل های خاص شبکه های بی سیم حسگر 94
3-6-1- TinyOS beaconing 94
3-6-2- ارسال با حداقل هزینه 98
3-6-3- LEACH 99
3-6-4- Energy conserving topology maintenance 100
3-7- حملات خارجی و عملیات لایه پیوند 103
3-7-1- حمله Sybil 104
3-7-2-حملات HELLO flood 105
3-7-3- حملات wormhole و sinkhole 105
3-7-4- استفاده از دانش سراسری 106
3-7-5- پخش عمومی تصدیق هویت شده و flooding 107
3-8- خلاصه اقدامات متقابل 107
3-9- نتیجه گیری 108
فهرست منابع 109

فهرست منابع

1- امینی، نوید، «طراحی، پیاده سازی و ارزیابی یک پروتکل ارتباطی مطمئن برای شبکه های حسگر بی سیم»، پایان نامه کارشناسی، تیر 1386
2- علیزاده صیاد؛ «شبکه های حسگر بی سیم»، سمینار کارشناسی ارشد کامپیوتر شبستر، 1386
3- رادی مرجان و دیگران، «بهبود کیفیت خدمات در شبکه های حسگر بی سیم با استفاده از مسیریابی چندگانه»، فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی برق، سال دوم، شماره دوم، زمستان 1387

4- Amini N., S. G. Miremadi and M. Fazeli, “A Hierarchical Routing Protocol for Energy Load Balancing in Wireless Sensor Networks”, Proc. of the 20th IEEE Annual Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Vancouver, Canada, Apr. 2007, pp. 1086–1089.
5- Chen Y. and Q. Zhao, “On the Lifetime of Wireless Sensor Networks”, IEEE Communications Letters, vol. 9, no. 11, Nov. 2005, pp. 976–978.
6- Akyildiz I. F., W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci., “Wireless sensor networks: a survey”, Journal of Computer Networks, Vol. 38, March 2002, pp. 393-422.
7- Al-Karaki J. N. and A. E. Kamal, “Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey”, IEEE Journal of Wireless Communications, vol. 11, no. 6, Dec. 2004, pp. 6–28.
8- Lindsey S. and C. S. Raghavendra, “PEGASIS: Power Efficient GAthering in Sensor Information Systems,” Proc. of the IEEE Aerospace Conference, Big Sky, USA, March 2002, pp. 1125-1130.
9- LF. Akyildiz, W. su, Y. Sankarasubramaniam, E.Cayirci, “A Survey on Sensor Networks” Communications Magazine IEEE, Vol. 40, No. 8, pp. 102-114, Aug 2002.
10- J.Heidemann, R.Govindan; “An Overview of Embedded Sensor Networks”, Springer, 2004.