بهینه سازی لایه MAC و احراز هویت و رمزنگاری در شبکه ادهاک پروازی (FANET) با NS2

بهینه سازی لایه MAC و احراز هویت و رمزنگاری در شبکهFANET با نرم افزار NS2

در این بخش پروژه شبیه سازی بهینه سازی لایه MAC و احراز هویت و رمزنگاری در شبکه ادهاک پروازی (FANET) با نرم افزار NS2 را به همراه گزارش کار و فیلم نحوه اجرا و خروجی گرفتن آماده کرده ایم. در ادامه به توضیحاتی در خصوص موضوع پروژه پرداخته و فیلم و تصاویر خروجی پروژه قرار داده شده است.

شبکه ادهاک پروازی (FANET)

امروزه با پیشرفت تکنولوژی در زمینه های هوایی و مخصوصا هواپیما ها و پهباد ها، باید به فکر راهکاری بود که این دستگاه ها را به نحو صحیح و حتی بدون سرنشین مدیریت کرد. مختصصان کامپیوتر پس از ابداع شبکه سیار موردی ادهاک (MANET) و شبکه بین خودرویی ونت (VANET) که خودروها با سرعت بالا می باشد، نوع جدیدی از شبکه های بی سیم را طراحی کرده اند که مخصوص هواپیما های بدون سرنشین است. این شبکه بی سیم جدید، شبکه ادهاک پروازی یا شبکه FANET نام دارد که به گره های آن UAV یا وسائل نقلیه بدون سرنشین گفته می شود.

شکل ارتباطات در یک شبکه های پرواز موقت (FANET)

این گره ها وظیفه دارند تا در فضای دو بعدی یا سه بعدی با گره های مجاور در شبکه ارتباط برقرار کنند و داده های خود را در صورت لزوم ارسال کنند. شبکه FANET به خودی خود شبکه مجزایی نمی باشد و زیر مجموعه شبکه سیار یا Ad hoc است. پس اکثر چالش هایی که در یک شبکه سیار (شبکه MANET) وجود دارد، در این شبکه نوپا نیز وجود دارد. از جمله این چالش ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

امنیت در شبکه FANET

با توجه به اینکه شبکه FANET یک شبکه بی سیم می باشد، از این رو اکثر چالش های موجود در شبکه های بی سیم را می توان در این شبکه نیز پیدا کرد. یکی از چالش های امنیتی در شبکه پروازی ادهاک، شنود گره های میانی می باشد. هنگام ارسال بسته های داده یا بسته های کشف همسایه، گره مزاحم می تواند در بین دو گره قرار بگیرد و بسته ها را شنود کند. همچنین امکان جعل یا دستکاری داده در شبکه نیز وجود دارد. از جمله راهکار های مناسبی که به منظور جلوگیری از جعل داده ها در شبکه های بی سیم بکار می رود، می توان به رمزنگاری اشاره کرد. در شبکه های بی سیم با توجه به پارامترهای شبکه و هر گره، نوع رمزنگاری می تواند متفاوت باشد.

شکل رمزنگاری و رمزگشایی

مصرف انرژی در شبکه FANET

با توجه به اینکه گره ها در این شبکه به منبع انرژی خاصی متصل نمی باشند و دارای باتری هایی با انرژی محدود هستند، لذا چالش بسیار مهمی در این شبکه می باشد که با راهکارهای مناسب مانند مسیریابی یا متوازن کردن انرژی (Energy balance) می توان به آن فائق آمد. دیگر چالش شبکه فنت بحث امنیت می باشد که در هر شبکه بی سیم یا غیر بی سیم مسئله ای حیاتی به شمار می آید. چالش بعدی طراحی لایه ها در این شبکه می باشد به طوری که به صورت بهینه عمل نمایند و یکی از مهم ترین و پرکابرد ترین لایه ها در شبکه های FANET لایه MAC می باشد که نحوه دسترسی گره به کانال ارتباطی و تخمین موقعیت گره ها را بر عهده دارد.  در صورتی که این لایه به صورت بهینه مورد بهره برداری قرار گیرد عملکرد شبکه نیز بهبود می یابد.

شکل دنباله کنترل ارتباطات با بسته های BTS در مقاله پایه

یکی از مسائلی که در مورد مصرف انرژی در این شبکه باید توجه قرار گیرد میزان انرژی گره هاست. در شبکه FANET گره های وجود دارند که محدودیت شدید تری در مصرف انرژی دارند لذا باید مکانیزم مناسبی پیشنهاد کرد که گره ها با انرژی محدود نیز ارسال داده داشته باشند. در حوزه مصرف انرژی، الگوریتم و راهکارهای مختلفی به منظور استفاده بهینه از انرژی توسط متخصصان پیشنهاد شده است. از جمله راهکار مناسب برای شبکه بی سیم، خوشه بندی گره ها، زمانبندی و استفاده از یک گره مدیر می باشد.

محدودیت دسترسی به کانال در شبکه FANET

با توجه به اینکه امکان افزایش گره ها در شبکه وجود دارد لذا باید مکانیزم مناسبی پیشنهاد شود که گره های دارای محدودیت به اهداف از پیش تعیین شده برسند. با توجه به اینکه شبکه FANET یک شبکه Ad hoc می باشد و کنترل کننده خاصی وجود ندارد، لذا پیشنهاد یک الگوریتم مناسب و کارا در لایه MAC ضروری می باشد.

مسیریابی در شبکه FANET

با توجه به اینکه منابع در شبکه FANET با محدودیت هایی مواجه است، لذا باید تلاش کرد تا بهترین مسیر را از لحاظ بهروه وری شبکه انتخاب نمود. از فاکتورهای بهروه وری می توان به مصرف انرژی در شبکه اشاره کرد.

شکل مسیریابی گروهی در شبکه FANET

راهکار پیشنهادی ما در پروژه

برای برطرف سازی چالش های مطرح شده، راهکار زیر پیشنهاد می شود:

بهبود مصرف انرژی با بهینه سازی لایه MAC

برای برطرف سازی مشکل مصرف انرژی و بهینه سازی لایه MAC با توجه به انرژی هر گره، اولویت داده هرگره، مدت زمان انتظار برای ارسال داده و فاصله تا گره همسایه می باشد که با استفاده یک تابع MIN بهترین گره را برای ارسال داده انتخاب می کنیم. چالش بعدی زمانی است که گره ها در شبکه در حال ارسال داده می باشند در همین حین یک گره مزاحم میان دو گره عادی قرار گرفته و خود را جای یکی از گره ها جا می زند.

ایمن سازی پیام ها با احراز هویت و رمزنگاری

برای ایمن سازی پیام ها بسته های ارسالی توسط گره ها از ایستگاه ها، دکل های موجود که به آنها سیستم شاهد وجود می گوییم، استفاده می کنیم. وظیفه این ایستگاه ها بررسی و تصدیق هر گره یا وسیله نقلیه پروازی (پهپادها) می باشد. در بحث رمزنگاری از کلید استفاده می کنیم. در رمزنگاری کلید رمز یا کلید، قطعه معلومات و یا پارامتری است که در الگوریتم رمز استفاده می گردد تا اطلاعات اصلی را به اطلاعات رمز شده و یا اطلاعات رمز شده را به اطلاعات اصلی تبدیل نماید. در صورتی که یک گره وارد محدوده شود باید ID خود را به این دستگاه ارسال کند و یک کلید دریافت نماید. با استفاده از این کلید، هر گره می تواند شروع به ارسال داده کند. در این صورت یک وسیله نقلیه فضایی (پهپاد) فقط از گره ای داده دریافت خواهد کرد که تصدیق احراز هویت را از ایستگاه دریافت کرده باشد. روش پیشنهادی ما دارای یک ایستگاه پایه زمینی (Base Station) می باشد که گره های پروازی (پهپادها) را مدیریت می ‌کند.

شکل ارتباط پهپادها با ایستگاه پایه زمینی (Base Station)

شبیه سازی با نرم افزار NS2

این پروژه شبکه FANET با نرم افزار NS2 شبیه سازی شده که در آن تعداد نود های شبکه FANET از 3 الی 15 نود متغیر است. مدل آنتن استفاده شده omni-antenna یا آنتن همه طرفه می باشد (آنتن های میله ای شکلی که تشعشات آنها در تمام جهت ها منتشر می شود). آنتن های دو قطبی یا Dipole یک نوع آنتن Omni-Directional می باشد. در مقاله پایه که در قسمت بعد به آن می پردازیم نیز از آنتن Dipole استفاده شده است.

شکل بخش امواج در یک آنتن همه طرفه

رنج انتقال (Transmission range) یا محدوده انتقال در این پروژه 300 است، یعنی حسگرهای این شبیه سازی تا فاصله 300 متر می توانند اطلاعات خود را ارسال نمایند. در بخش مسیریابی از پروتکل AODV یا Ad-hoc On Demand Distance Vector بهره بردیم که محبوب ترین پروتکل مسیریابی reactive است و برای شبکه های ادهاک موبایل (MANET) و سایر سایر شبکه های بی سیم طراحی شده است. پروتکل مسیریابی AODV قادر به یافتن مسیر بین گره ها بوده و توانایی انجام هر دو نوع مسیریابی unicast و multicast را دارد. در لایه MAC از پروتکل 802_11 استفاده شده است. همچنین برای توزیع حسگر های شبیه سازی، روش یکنواخت مورد استفاده قرار گرفته است. انرژی این حسگرها محدود می باشد و در هر انتقال یا دریافت داده، مقداری از انرژی حسگرها کاهش پیدا می کند.

شکل جدول پارامترهای شبیه سازی

برای مقایسه و ارزیابی سناریوهای شبیه سازی از تعداد حسگرها استفاده شده که سناریوها دارای 3 ، 5 ، 7 ، 9 ، 11 ، 13 ، 15 نود می باشند. در شبیه سازی NS2 زیر برنامه ای به NAM یا Network Animator وجود دارد که با استفاده از آن می توان شکل بصری و واقعی نودهای شبکه FANET و نحوه ارسال اطلاعات آنها را مشاهده نمود. پس از اجرای شبیه سازی، دو نوع خروجی شامل فایل nam و فایل tr می توان مشاهده کرد.

شکل محیط گرافیکی شبیه سازی (فایل nam)

همانظور که اشاره شد، فایل nam محیط گرافیکی شبیه سازی را نشان می دهد و خروجی tr نیز یک فایل متنی می باشد که با توجه به به تعداد گره ها، میزان ارسال اطلاعات و مدت زمان شبیه سازی حجم و طول آن متغیر می باشد. از این فایل tr به منظور دریافت و بررسی خروجی های شبیه سازی مانند: goodput، تاخیر، گذردهی یا توان عملیاتی، fairness و … می توان استفاده نمود.

شکل خروجی های شبیه سازی (فایل tr)

در پروژه پیش رو، ما با توجه به 7 سناریوی متفاوت، خروجی های بدست آمده را استخراج و مورد ارزیابی و مقایسه قرار دادیم. به منظور مقایسه با یک مدل خارجی از مقاله پایه با عنوان LODMAC: Location Oriented Directional MAC protocol for FANETs استفاده شده است.

فاکتورهای تاخیر، goodput و fairness این پروژه با مقاله پایه مقایسه و ارزیابی شده است که در بخش بعدی در مورد آن بحث خواهیم کرد. مقاله پایه یک لایه MAC مبتنی بر موقعیت برای شبکه FANET را پیشنهاد می دهد و برای شبیه سازی راهکار نیز از نرم افزار شبیه ساز NS2 استفاده کرده است. نتایج حاصل از شبیه سازی روش آنها حاکی از بهبود در میانگین تاخیر، Goodput و Fairness می باشد. ما با استفاده شبیه سازی دو روش شامل راهکار پیشنهادی خودمان و روش مقاله پایه را مورد ارزیابی و بررسی قرار دادیم. برای نامگذاری خروجی ها، از نام Proposed method برای راهکار پیشنهادی خود و از نام LODMAC برای راهکار مقاله پایه استفاده شده است.

تصاویر نتایج و خروجی های شبیه سازی

نمودار میانگین تاخیر در روش پیشنهادی و مقاله پایه

نمودار بالا میانگین تاخیر را در راهکار پیشنهادی و مقاله پایه نشان می دهد. تاخیر یکی از مهم ترین فاکتورها در شبکه FANET می باشد. لذا با توجه حساسیت در داده ها، باید تاخیر به حداقل برسد. تأخیر پخش مقدار زمانی است که طول می‌ کشد تا بالاترین سیگنال از فرستنده به گیرنده جا به‌ جا شود. این را می‌ توان به عنوان نسبت بین طول پیوند و سرعت انتشار در در شبکه محاسبه کرد. همانطور که در نمودار بالا مشاهده می شود، با افزایش تعداد خودروها میزان میانگین تاخیر نیز افزایش می یابد. میزان تاخیر در شکل فوق بر حسب میلی ثانیه می باشد و همانطور که در شکل نمایان است، راهکار پیشنهادی عملکرد بهتری از خود نشان می دهد.

نمودار میزان شاخص عدالت در روش پیشنهادی و مقاله پایه

نمودار بالا میزان شاخص عدالت را در شبکه راهکار پیشنهادی و راهکار مقاله پایه نشان می دهد. عدالت در شبکه به معنای تقسیم گذردهی یا توان عملیاتی می باشد، به شرطی که تمام نودهای به صورت متوازن از آن استفاده نمایند. همانطور که در شکل بالا مشخص است، شاخص عدالت در خروجی راهکار پیشنهادی بالاتر از شاخص عدالت در خروجی مقاله پایه یا LODMAC می باشد.

نمودار میزان goodput در روش پیشنهادی و مقاله پایه

نمودار بالا میزان goodput را در راهکار این پروژه و مقاله پایه را نشان می دهد. goodput میزان اطلاعات مفیدی است که در هر ثانیه به پروتکل لایه کاربرد تحویل داده شده‌است. بسته‌ های حذف شده یا بسته‌ های مجدد ارسال شده نیز به عنوان سربار پروتکل از مطالعه حذف شده اند. همانطور که در شکل فوق مشخص است، با افزیش تعداد نودها، میزان goodput شبکه نیز افزایش می یابد. این نمودار نشان می دهد که راهکار پیشنهادی در خروجی مفید یا goodput بهتر از مقاله پایه عمل کرده و با افزایش تعداد نودها نیز این بهبود افزایش می یابد.

---

---

تصاویری از خروجی