كتب التوجيه routing

طبقة الشبكة : طبقة الشبكة هي واحده من أكثر الأبحاث تحقيقا في "wsn" ,معظم خوارزميات التوجيه والبروتوكولات تم اقتراحها من خلال تطوير "wsn".

في هذا الفصل نجد مشاكل وتحديات طبقة الشبكة في "wsn" أيضاً حلول لهذه المشاكل بالتفصيل ومحاولة تقديم مناقشة جيدة لهذه الحلول .

بروتوكولات التوجيه مقسمة إلى أربعة أقسام وهي : 1- مركزية البيانات والمعمارية المسطحة . 2-الهرمية. 3-الموقع القائم. 4-جودة الخدمة. تحديات التوجيه : • استهلاك الطاقة : في أي خوارزمية توجيه يكون استهلاك الطاقة هو المحور الأساسي وهو ما نهدف إلى تحسينه من خوارزمية لاخرى . بسبب تحديد مصادر الطاقة وعدم اتاحة طاقة لا نهائية من أجل عملية التوجيه وإلى يكون هدر للمصادر . ملاحظة : ان العديد من خوارزميات التوجيه قد لا تكون مناسبة، مثل خوارزمية المسار الأقصر. الأسباب الرئيسية لاستهلاك الطاقة في التوجيه في "wsn" هي :

1-اكتشاف الجيران:

العديد من خوارزميات التوجيه تلزم على جهاز التوجيه أن يتبادل المعلومات التي يمتلكها مع الأجهزة المتصل معها, و في حالة خوارزميات التوجيه الموقعي يتم تبادل المواقع ايضا ويستمر استهلاك الطاقة في جميع الحالات .

إذا ما الحل ؟ لتحسين كفاءة خوارزميات التوجيه ينبغي ان يكون تبادل المعلومات محلي فقط و يجب تقليل تبادل المعلومات ايضا دون التأثير على دقة المعلومات.

2-الاتصال مقابل الحساب : من الجيد أن نعلم أن الحساب رخيص جدا مقارنة بالاتصال على مقياس استهلاك الطاقة . في "wsn" الهدف هو تسليم المعلومات بدلا من الحزم الفردية، ايضا الحساب يجب ان يكون مدمجا مع التوجيه لتقليل استهلاك الطاقة.

•قابلية التوسع : عادة ما تتكون "wsn" من عدد كبير من العقد "node" و ضرورة مراقبة الظواهر الفيزيائية بالتفصيل سيحتم علينا نشر العديد من العقد .

و لأن المعلومات في الطبقات العالية أهم من الحزم الفردية من كل عقدة استشعار.

يجب ان تكون بروتوكولات التوجيه تدعم دمج عدد كبير من العقد في شبكة واحده وتلقي معلومات من عدد كبير من العقد دون التأثير على استهلاك الطاقة .

•المعالجة: العدد الكبير من العقد في الشبكة قد يمنعنا من تعيين عناوين فريدة لكل عقدة . و هذه مشكلة تواجه معظم بروتوكولات التوجيه لحلها يجب ان تصدر خوارزميات تعيين عناوين جديدة لا تعتمد على تعيين عنوان فريد لكل عقدة في الشبكة . •المتانة: "وسن" تعتمد على العقد داخل الشبكة على تسليم البيانات بطريقة متعددة القفزات . هذا قد يؤدي إلى فشل أو خلل مفاجئ في الشبكة لأن العقد من الممكن ان تصبح غير قادرة على تسليم البيانات بسبب الحمل الهائل عليها . لحل هذه المشكلة يجب صنع العقد بمتانة عالية وضد هذه الاعطال وخصوصا ضد فشل النقطة الواحدة والذي يؤدي لفقدان المعلومات في حالة فشل أحد العقد في الشبكة. ايضا نضيف إلى تحدي فشل العقد فشل العقد اللاسلكية خلال الاتصال .

يجب على بروتوكول التوجيه أن لا تعتمد كفاءته على حزمة فردية واحدة وهي من الممكن أن تفقد خلال الاتصال . حتى تحت ضغط هائل البروتوكول يجب ان يوفر تسليم البيانات بين عقدتين بطريقة سلسة وبعيدة عن الفشل . •البنية: يمكن ان يكون نشر الشبكة محددا مسبقا ويمكن ان يكون عشوائيا ويمكن استغلال هذا من اجل تصميم بروتوكولات أكثر كفاءة . المواقع النسبية لجيران العقدة والموقع للعقدة قد يؤثر على كفاءة واداء البروتوكول لهذا يجب توفير المعرفة الشخصية للعقدة بحيث ان العقدة تستطيع ان تتعلم من حولها بمفردها هذا قد يزيد من كفاءة البروتوكول. عادة ما تفرض "wsn" ان العقد تكون ثابتة و لكن يجب على خوارزميات التوجيه ان تتوافق ايضا في حالة تغيير اماكن العقد أو إضافة عقد بأماكن جديدة. •التطبيق : طبيعة التطبيق ايضا مهمة في تصميم بروتوكول التوجيه، ففي تطبيقات الرصد عادة ما توصل العقد المعلومات إلى بعضها بطريقة دورية . في حال حدوث حدث معين في أحد التطبيقات يجب انشاء واستخدام مسار لتقديم المعلومات حول هذا الحدث خلال الوقت المناسب . يجب انشاء مسار جديد لكل حدث جديد . و يمكن ان نستنتج هنا أن تقنية التوجيه ترتبط بشكل مباشر مع التطبيق , و قد نحتاج تقنيات كثيرة اخرى وجديدة لتطبيقات مختلفة .

بروتوكلات مركزية البيانات

العدد الكبير من عقد الاستشعار هو سبب اختلاف شبكات الاستشعار اللاسلكية عن غيرها ، فمن الصعب تحديد معرفات لكل عقد الاستشعار.

وبالتالي، لا يفضل استخدام بروتوكولات التوجيه المستندة إلى العناوين لشبكات الاستشعار اللاسلكية . وللتغلب على ذلك، تم اقتراح بروتوكولات توجيه مركزية.

 التوجيه المعتمد على تركز البيانات يشير إلى نوع رسالة الاستعلام التي تبدأ من خلال مستقبل المعلومات .

بدلا من معرفات العقدة، يتطلب التوجيه المرتكز على البيانات التسمية المستندة إلى السمة.

بالنسبة للتسمية المستندة إلى السمات، فإن المستخدمين أكثر اهتماما بالاستعلام عن سمة، بدلا من الاستعلام عن عقدة فردية.

1. خوارزمية الفياضانات :

أبسط خوارزميات التوجيه التي تم تطويرها لشبكات متعددة القفزات، هي تقنية الفيضانات. وبناء على ذلك، كلما تلقت العقدة رزمة، تبث هذه الرزمة إلى جميع جيرانها. ويستمر ذلك حتى تتلقى جميع العقد في الشبكة الحزمة . ونتيجة لذلك، تكون قد غمرت الحزمة الشبكة بأكملها.

يمكن التحكم في فيض البيانات من خلال الحد من إعادة البث حتى تصل الحزمة إلى الوجهة أو يتم الوصول إلى الحد الأقصى لعدد القفزات.

الفيضانات هي بروتوكول رد الفعل وتنفيذها واضح إلى حد ما. مزايا الفيضانات هي في بساطته حيث أنه لا يتطلب للعقدة معرفة المعلومات عن العقد المجاورة ، والفيضانات لا تتطلب صيانة طوبولوجيا مكلفة وخوارزميات معقدة لاكتشاف الطريق.

2. النميمة :

أحد أهم الماكل الرئيسية في خوارزمية الفيضانات هي مشكلة الانفجار، وتعود المشكلة لنسخ الحزمة نفسها أكثر من مرة في الشبكة . ويمكن تجنب ذلك من خلال خوارزمية النميمة . و هذه الخورارزمية تتجنب الانفجار من خلال اختيار عقدة واحدة لتتابع الحزمة. ونتيجة لذلك، كلما تلقت عقدة رزمة لا تبث الرزمة ولكنها تختار عقدة عشوائية بين جيرانها وترسل الحزمة إلى تلك العقدة المعينة. بمجرد تلقي العقدة المجاورة الحزمة، فإنه يختار عشوائيا عقدة استشعار أخرى.

3. بروتوكولات الاستشعار للمعلومات عن طريق التفاوض:

هي عائلة من بروتوكولات التوجيه مصممة لمعالجة أوجه القصور في الفيضانات عن طريق التفاوض وتكيف الموارد ولهذا الغرض، يتبع نهجان رئيسيان. أولا، بدلا من إرسال جميع البيانات تقوم عقد أجهزة الاستشعار التفاوض مع بعضها البعض من خلال الحزم التي تصف البيانات. وبالتالي، يتم إرسال المعلومات الملاحظة فقط إلى العقد الاستشعار المهتمة نتيجة لهذا التفاوض. ثانيا، كل عقدة تراقب مواردها للطاقة، والذي يستخدم لتنفيذ القرارات التي تدرك الطاقة.

4. الانتشار الموجه :

يتم تقديم طلب المعلومات من خلال رسائل الفائدة التي بدأها مستقبل المعلومات. ويبدأ الانتشار الموجه عندما يرسل مستقبل المعلومات رسائل الفائدة إلى جميع أجهزة الاستشعار. وتسمى هذه المرحلة انتشار الفائدة، حيث تغمر رسائل الفائدة عبر الشبكة. رسائل الفائدة تعتبر رسائل استكشافية للإشارة إلى العقد مع مطابقة البيانات لمهمة معينة.

أثناء المهمة، يستمر مستقبل في بث رسالة الفائدة بشكل دوري.

5.التقييم النوعي :

توفر بروتوكولات التوجيه التي تركز على البيانات مسارات تعتمد على التطبيق بناء على اهتمامات المستخدم.

وتستخدم آلية مركزية البيانات لتحديد نقاط النهاية في الشبكة، مما يؤدي إلى عملية دينامية. كلما تغيرت قراءات أجهزة الاستشعار، يتم تكييف مسارات الشبكة مع هذه التغييرات لتلبية طلبات المستخدم. وهذا يوفر كفاءة استخدام الطاقة نظرا لأن الطرق يتم إنشاؤها فقط عندما يكون هناك اهتمام وليس هناك حاجة للحفاظ على طوبولوجيا الشبكة العالمية. كما أن الحلول المرتكزة على البيانات تقلل من استهلاك الطاقة في الشبكة عن طريق تحديد طرق مختارة لمصلحة معينة من مستقبل المعلومات . وبناء على ذلك، فإن تلك العقد فقط التي لها معلومات مطابقة تشارك في توليد المعلومات.

ومن العيوب الرئيسية لبروتوكولات التوجيه التي تركز على البيانات أنها تستند عموما إلى طوبولوجيا مسطحة. وهذا يسبب مشاكل التدرجية وكذلك زيادة الازدحام بين العقد أقرب إلى مستقبل المعلومات .

وآليات التجميع الموزعة ضرورية لتقليل محتوى المعلومات المتدفقة في كل جزء من الشبكة. وعلاوة على ذلك، تنطبق البروتوكولات مثل الانتشار الموجه على مجموعة فرعية من التطبيقات في الشبكات الفضائية العالمية، حيث أن البلاغ يبدأ بالاستعلامات المتولدة من مستقبل البيانات . وهذا أيضا يجعل نشر الموجه ليس خيارا جيدا للتطبيقات الديناميكية، حيث التسليم المستمر للبيانات مهم. وعلاوة على ذلك، تحتاج أنواع الاستعلام فضلا عن إجراءات مطابقة الفائدة إلى تعريف لكل تطبيق. وعلاوة على ذلك، فإن النهج المرتكز على البيانات يؤدي إلى مخططات التسمية المعتمدة على التطبيق. وبناء على ذلك، ينبغي تحديد هذه المخططات مسبقا لكل تغيير في التطبيق.

وأخيرا، فإن عملية مطابقة البيانات والاستعلامات تسبب بعض النفقات العامة في أجهزة الاستشعار.

بروتوكولات هرميَّة

وتؤدي بروتوكولات مركزية البيانات على البيانات والمعمارية المسطحة إلى غالبية المعلومات المولدة في أجهزة الاستشعار التي تتركز بالقرب من مستقبل البيانات. ونتيجة لذلك، والبروتوكولات المسطحة تعاني من البيانات الزائد على مقربة من مستقبل البيانات مع زيادة الكثافة. العقد التي تقع بالقرب من مسار بالوعة مزيد من المعلومات من العقد في أجزاء أخرى من الشبكة. ونتيجة لذلك، تموت هذه العقد بشكل أسرع وتنتج انقطاعا بين مستقبل البيانات  و شبكات الاستشعار اللاسلكية. ونتيجة لذلك، تؤدي بروتوكولات المعمارية المسطحة إلى استهلاك الطاقة غير المتكافئ في جميع أنحاء الشبكة والحد من قابلية البروتوكولات.

يمكن معالجة مساوئ بروتوكولات  المسطحة من خلال تشكيل بنية هرمية حيث يتم تجميع العقد في مجموعات والتفاعلات المحلية بين أعضاء المجموعة يتم التحكم فيها من خلال رئيس الكتلة . تم تطوير العديد من بروتوكولات التوجيه الهرمي لمعالجة تحديات التوسع في الطاقة واستهلاك الطاقة من الشبكات. مجموعات شكل العقد الاستشعار حيث رؤساء العنقودية البيانات المجمعة والصمامات للحفاظ على الطاقة. ويمكن لرؤوس العنقود أيضا أن تشكل طبقة أخرى من العناقيد فيما بينها قبل الوصول إلى مستقبل البيانات . بعض البروتوكولات الهرمية المقترحة لشبكات الاستشعار هي التسلسل الهرمي للتكتل منخفض الطاقة ، والتجمع الفعال للطاقة في أنظمة معلومات الاستشعار،  وشبكة استشعار حساسة للعوامل تتكيف مع العتبات .

بروتوكولات جغرافية

تستغل معلومات الموقع لكل عقدة لتوفير كفاءة لتوجيه المسار، وبما ان المكان القصود في wsnع عادة ما يكون ثابت قانه يمكن استخدامه لتطوير قواعد لتوجيه البيانات .

بروتوكلات التوجيه الجغرافي توفر تقنيات لتوجيه البانات لتحسين استخدام الطاقة

1-MECN & SMECN

MECN (الحد الادنى للطاقة شبكة الاتصالات ) تقلل الشبكة الفرعية من استهلاك الطاقة بين اي زوج من العقد في الشبكة، من خلال استخدام الرسم البياني للشبكة G", حيث ان كل قمة تمثل عقدة والحواف تربط العقد، ومن هذا الرسم نيستمد Gمع نفس عدد الروؤس وعدد اقل من الحواف

مخططات اعادة التوجيه الجغرافي للوصلات الخاطئة:

القناة اللاسليكة عرض للاخطاء وتغير الرسم البياني للشبكة مما يستلزم تبادل الرسائل بشكل متكرر بين العقد لاعادة بناء الرسم البياني . يمكن تصنيف مخططات اعادة التوجيه المحلية الي نظامين :الإرسال عن بعد (لا تسخدم سوا معلومات المسافة) ,واعادة التوجيه المستقبلي .

ويهدف التوجيه الجغرافي الي اختيار أحد العقد لتكون النقطة الثانية لدفع الحزمة وبالتالي منع حدوث حلقات في التوجيه .

Greedy forwarding (بروتوكول اعادة التوجيه الجشع ) من ابسط بروتوكلات اعادة التوجية.

يمكن تعريف نطاق إرسال عقدة كدائرة حول العقدة، توفر هذه التقنية تسليم سريع للحزمة من خلال عدد عقد اقل.

Distance-Based Blacklisting(القائمة السوداء القائمة على المسافة )

من اجل التخفيف من اثار المسافة بين العقد، يمكن ادراج بعض العقد التي تكون على الحدود من نطاق الإرسال إلى القائمة السوداء .

2-PRADA

بروتوكلات التوجيه الجغرافية تتطلب معلومات من الجيران لتحديد القفزة التالية وجمع هذه المعلومات مكلف.

إذا كانت العقدة لديها معرفة عن الشبكة فانه يمكنها تحديد المسار الأمثل للوجهه ويمكن اختيار القفزة التالية ولكن من الناحية العليمة لا يمكن معرفة جميع المعلومات عن الشبكة . ومن ثم فان بروتوكلات التوجيه الجغرافي تهدف إلى توفير اليات صنع القرار باستخدام رأي محدود بالشبكة .

PRADA هو بروتوكول من اجل الحصول على معرفة طوبولوجية أكبر من خلال ان تزيد العقدة من نطاق ارسالها، ويستخدم نظام يسمى نقل المعرفة الطوبولوجية الجزئية (PTKF) يهدف إلى التقليل من الطاقة من خلال اختيار أقصر مسار للعقدة .

بروتوكولات مبنية على جودة الخدمة

العديد من بروتوكلات التوجيه تركز فقط على استهلاك الاقة في الشبكة وهو واحد من أهم مقاييس الاداء في WSN  لكنه ليس الوحيد، يتطلب تطوير تطبيقات جديدة مثل الانتاجية والتأخير، ومن ثم فان متطلبات جودة الخدمة (QOS) لهذه التطبيقات تحتاج ضمان .

SAR

توجيه التنازل المتسلسل (SAR) الهدف الرئيسي منه هو خلق اشجار متعددة تنشأ من عقدة الجذر وتنمو كل شجرة وتتجنب العقد ذات الخدمة المنخفضة (اي انخفاض الانتاجية التأخير العالي ).وبالتالي، يمكن انشاء مسارات متععدة تربط اي عقدة في الشبكة .

تحدد كل عقدة خاصيتين لكل مسار :

*موارد الطاقة : أكبر عدد من الحزم التي يمكن ارسالها بواسطة العقدة.

*مقياس جودة الخدمة الإضافي :وهو مرتبط بالطاقة والتأخير .

بروتوكول الادنى لتوجيه المسار :

يجمع بين خصائص التأخير والانتاجية وخصائص استهلاك الطاقة لتحديد المسار بين العقد في الشبكة .ويعين البروتوكول وظيفة التكلفة ويحدد خوارزمية الشحن الأدنى التكلفة في كل عقدة وبالتالي تدفق الحزم بالمسار الأقل تكلفة . ويتضمن مرحلتين :انشاء حقل التكلفة واعادة توجيه مسار التكلفة .

SPEED

تتصل متطلبات نوعية الخدمة في الشبكات عادة بالتأخير والانتاجية، ومع ذلك، الشبكات في WSN تتأثر بموقع العقدة، فان المسافة عامل اخر لجودة الخدمة .

بروتوكول SPEEDيستغل هذا .يتناسب التأخير الذي تتعرض له الحزمة مع المسافة بين المصدر والوجهة.

ويحتوي هذا البروتوكول على مكونات لضمان سرعة الحزم، كل عقدة تبني جدول الجيران ويخزن المعلومات حول الجيران .

التقييم النوعي :

وتنظر بروتوكولات التوجيه القائمة على جودة الخدمة في مقاييس إضافية، بالإضافة إلى استهلاك الطاقة،

هيكلة الطرق. وهذا يوفر قدرات إضافية ل WSN، حيث تطبيقات أكثر تطورا يمكن تطويرها. غير أن توفير ضمانات إضافية يزيد من التكلفة من حيث الطاقة، الاستهلاك، وبالتالي، عمر الشبكة.  وينبغي أن تكون التكاليف مصممة بعناية لمتطلبات التطبيقات.