(88 امتیاز از 18 رای)
Loading...
بررسی پروتکل مسیریابی AODV
در این بخش مقاله بررسی پروتکل مسیریابی AODV و پروتکل های که از آن الهام گرفته شده را در شبکه ادهاک آماده کردیم که محتوای آن به صورت نوشتاری قرار داده شده و در قالب فایل PDF نیز قابل دانلود می باشد.
چکیده
شبکه های سیار موردی یا ادهاک (MANET) یکی از شبکه های معرف و به رشد است که از سال ها پیش پژوهش های بسیاری از جنبه های مختلف بر روی آنها انجام شده است. خصوصیات این شبکه ها مانند محدودیت در انرژی، محدودیت در پهنای باند، آسیب پذیری امنیتی و دیگر موارد موجب مورد توجه قرار گرفتن بسیاری از محققین گردده است. پروتکل مسیریابی AODV یکی از انواع پروتکل های پایه ای می باشد که در شبکه های Ad Hoc بکار می رود. پروتکل AODV مزایا و معایب خاصی دارد که از نظر کیفیت و امنیت، سعی در بهبود آن گردیده است. در این مقاله پروتکل AODV و پروتکل های الهام گرفته شده از آن همراه باویژگی آنها، مزایا و معایب هر یک مورد بررسی قرار می گیرد. برخی از این پروتکل ها با در نظر گرفتن تکنیک و مکانیسم خاصی امنیت پروتکل AODV را بهتر کرده اند و بعضی ها نیز با عوض کردن روند عملکرد پروتکل AODV کیفیت آن نظیر کاهش مصرف انرژی و سربار، افزایش نرخ تحویل بسته و توان عملیاتی را بهبنه سازی کرده اند.
شکل ۲: معماری هوشمندانه در شبکه MANET
مقدمه
شبکه MANET یک مجموعه از میزبان های متحرک بی سیم بدون ساختار ثابت شبکه و مدیر مرکزی می باشد. ارتباطات در MANET از طریق مسیرهای چند گامه انجام می گیرد. چالش های زیادی در این نوع شبکه ها به چشم می خورد: شبکه های MANET منابع متفاوتی دارد، خط دفاع آن مبهم است. نودها در رابط های بی سیم به صورت اشتراکی عمل می کنند، توپولوژی شبکه به طرز غیر قابل پیش بینی و خیلی پویا تغییر می کند، اعتماد پذیری لینک رادیویی سوال برانگیز است و شکست های ارتباطی به مراتب رخ می دهد. همینطور تراکم نودها، تعداد آنها و تحرکشان در برنامه های مختلف، متفاوت می باشد. زیرساخت مشخص وجود ندارد و هر نود به عنوان مسیریابی که بسته های داده را به جلو می راند عمل می کند. به هر حال، انتخاب پروتکل مسیریابی قوی، وفق پذیر، مناسب و موثر، مهم ترین قدم است.
در این مقاله پروتکل پایه AODV و تعدادی از پروتکل های الهام گرفته شده از آن معرفی می گردد. روند مقاله بدین شرح است: در بخش ۲ پروتکل AODV و مشخصات آن معرفی می شود. در بخش ۳ تعدادی از پروتکل های مشتق شده از آن و در بخش ۴ نتیجه گیری این مقاله انجام شده است.
شکل ۳: مثالی از نحوه عملکرد AODV
معرفی پروتکل AODV
پروتکل AODV یک پروتکل مسیریابی بدون حلقه برای شبکه های ادهاک است. این پروتکل به گونه ای طراحی شده است که در محیط های با نودهای متحرک به طور خودکار شروع به کار کند و مقاوم به انواع مختلفی از رفتارهای شبکه همچون تحرک نودها شکست لینک و از دست دادن بسته ها هست. AODV یک پروتکل واکنشی است، یعنی مسیرها فقط وقتی که به آنها نیاز باشد ساخته می شوند. این پروتکل از جداول مسیریابی سنتی استفاده می کند که به ازای هر مقصد یک مدخل وجود دارد و از شماره توالی (Sequence Number) برای تصمیم گیری این که آیا اطلاعات مسیریابی به روز هستند یا نه و همینطور برای جلوگیری از حلقه های مسیریابی، استفاده می کند. این پروتکل شناخته شده ترین پروتکل در شبکه MANET است. تقاضای پهنای باند در دسترس به طرز چشمگیری کمتر از سایر پروتکل های پیش فعال است، چراکه AODV به اعلان دورهای جهانی نیاز ندارد. این پروتکل، مسیریابی پویا، خود آغاز و چندگامه را در MANET، ممکن می سازد.
در شبکه های با تعداد زیاد نودهای متحرک، AODV به خاطر این که بر ایجاد کردن پویای مدخل های جدول مسیر در نودهای میانی وابسته است، خیلی مؤثر می باشد. پروتکل AODV هیچ وقت حلقه ایجاد نمی کند زیرا که هیچ حلق های در جدول مسیریابی هیچ نودی به خاطر مفهوم شمارنده شماره توالی نمی تواند باشد. شماره توالی به عنوان مهر زمانی (Time stamp) به کار گرفته می شود و به نردها اجازه مقایسه این که چقدر اطلاعاتشان برای نودهای دیگر شبکه تازه هستند، داده می شود. مزیت اصلی AODV، مسیر با حداقل ازدحام آن به جای کوتاه ترین مسیر است.
شکل ۴: تشخیص مسیر های موجود توسط AODV بین دو گره A و J با جداول مسیریابی
مزایا و معایب پروتکل AODV
مزیت اصلی این پروتکل این است که مسیرها برحسب تقاضا ساخته شده و شماره توالی مقصد برای پیدا کردن آخرین مسیر به مقصد استفاده می شود. عیب اصلی این پروتکل این است که یک پروتکل مسیریابی تک مسیره است بنابراین وقتی که مسیری کشف و نگهداری می شود، اگر از حالت شناخته شده در بیاید، مبدا نمی تواند به مقصد دسترسی پیدا کند.
ویژگی های پروتکل AODV
نودها فقط مسیرهایی که نیاز دارند را ذخیره می کنند و نیاز به همه پخشی، حداقل می گردد. نیازمندی های حافظه و کپی برداری های غیر ضروری را کاهش می دهد. مسیرهای بدون حلقه را به وسیله شماره توالی مقصد نگه داری می کند. قابل توسعه به تعداد زیادی نود می باشد.
فرمت بسته های پیام در پروتکل AODV
پروتکل مسیریابی AODV از سه سیگنال کنترل RREQ ، RREP و RRER استفاده می کند. وقتی که نود مبدا بخواهد پیغامی را به مقصد بفرستد، به دنبال مسیر و راهی برای یافتن مکان سایر نودها می باشد. نود مبدا یک بسته RREQ را به همسای هاش می فرستد که این درخواست به ترتیب به همسایه بعدی ارسال می شود تا وقتی که به مقصد برسد. در شکل ۵ فرمت بسته RREQ و در شکل ۶ فرمت بسته RREP در پروتکل AODV آمده است.
شکل ۵: فرمت پیام RREQ
در حین پروسه ارسال RREQ مدخل نودهای میانی در جدول مسیریابی شان که شامل آدرس همسایگانی که اولین بسته پخش شده از آنها دریافت گردیده نیز هست، وارد می گردد. اگر در بعضی موارد چندین نسخه از یک RREQ مشابه دریافت شود، بعدا این بسته ها از دور خارج می شوند.
وقتی که RREQ به مقصد رسید، نود مقصد یا میانی با ارسال بسته RREP به همسای های که اولین بار RREQ را از آن دریافت کرده بود، پاسخ می دهد. وقتی که انتقال پسته در پردازش می باشد، چندین عامل نقش اساسی در آن خواهد داشت. مشاهده شده است که ممکن است بسته در بین راه به دلیل کیفیت نامناسب لینک و نبود کانال ارتباطی مناسب بین نودهماء از دست برود. گاهی ارتباط موفق است اما عامل های باطنی همچون تأخیر انتها به انتها، مصرف انرژی، سربار مسیریابی و محدودیت گام باعث پرهزینه شدن و غیر قابل اعتماد شدن شبکه می شود.
شکل ۶: فرمت پیام RREP
پروتکل های الهام گرفته شده از AODV
در شکل ۷ دسته بندی کلی پروتکل های معرفی شده در این مقاله از لحاظ بهبود امنیتی و کیفیتی که در آنها صورت گرفته، آمده است. منظور از بهبود امنیتی دارا بودن مکانیسمی برای مقابله با حداقل یک نوع از حملات در شبکه های MANET و منظور از بهبود کیفیتی، بهبود پروتکل از نظر پارامترهایی چون تأخیر، نرخ تحویل بسته، کاهش مصرف انرژی و غیره است.
شکل ۷: دسته بندی پروتکل های مشتق شده از AODV
پروتکل SAODV
پروتکل SAODV یک بسط امنیتی از پروتکل AODV است که بر رمزنگاری کلید عمومی وابسته است. پیام های مسیریابی SAODV که عبارتاند ازRRER ، RREP ، RRE به طور دیجیتال امضا می گردند تا صحت و اعتبارشان تضمین گردد. از این رو، نودی که پیام مسیر را تولید می کند با یک کلید خصوصی آن را امضا کرده و نودی که آن را دریافت می کند با استفاده از کلید عمومی فرستنده، امضایش را بررسی می کند.
شکل ۸: مثالی از نحوه عملکرد پروتکل SAODV
برای حفظ همکاری با مکانیسم SAODV و AODV یک نوع ویژگی نمایندگی (Delegation) دارد که به نودهای میانی اجازه پاسخ دهی به پیام های RREQ را می دهد که به این روش امضای دو برایر گفته می شود. وقتی که نود A پیام RREQ را تولید می کند، علاوه بر امضای معمولی یک امضای دوم هم می کند که در پیام RREP ساختگی به سمت خود، محاسبه میشود. مزیت اصلی این روش، دارا بودن امنیت و عیب اصلی آن، وجود سربار به دلیل پردازش زیاد و زمان تأخیر در آن می باشد.
پروتکل AD-AODV
پروتکل AD-AODV در راستای کاهش مشکل تحرک نودها که باعث شکست دائمی لینک بین مبدا و مقصد می شود و باعث از دست رفتن بسته ها در طی انتقال در شبکه MANET می شود، پروتکل AD-AODV بر اساس پروتکل پایه AODV طراحی شده است. در اینجا با معرفی متریکی به نام M که تعداد آن به تعداد گام و متوسط تحرک مسیر داده شده، بستگی دارد، مکانیسم مسیریابی AODV را بهبود بخشیده اند و به AD-AODV اجازه انتخاب پایدارترین مسیر داده شده است. پروتکل AD-AODV مسیری را انتخاب می کنند که کمترین M را داشته باشد و نسبت به AODV در مسیریابی قابل اعتمادتر است.
شکل ۹: مثالی از نحوه عملکرد پروتکل AD-AODV
پروتکل AODV پیشرفته (AD-AODV) ارتقا یافته پروتکل مسیریابی AODV است و بر اساس استراتژی مدل انرژی و توازن بار طراحی شده است. وقتی که AD-AODV درخواست مسیر را اجرا می کند، باقیمانده انرژی (Residual energy) و وضعیت بار نودها را در نظر می گیرد. بر اساس نتایج شبیه سازی، پروتکل مسیریابی AD-AODV موثر بودن شبکه ادهاک و نرخ تحویل یسته را ارتقا داده، تاخیر انتها به انتهای متوسط را کمتر کرده و بار مسیریابی را کاهش می دهد.
پروتکل TAODV
پروتکل TAODV به منظور امن کردن بسته های داده در حین انتقال در شبکه از مکانیسم های رمزنگاری در پروتکل های مسیریابی استفاده می شده است. اما تکنیک های رمزنگاری باعث متحمل شدن هزینه محاسباتی بالایی می شوند و نمی توانند نودهای باهدف بدخواهانه را شناسایی کنند. بنابراین استفاده از تکنیک های رمزنگاری در MANET تقریبا بی فایده است چراکه منابع محدود است و این شبکه ها نسبت به حملات امنیتی مختلفی آسیب پذیر هستند. از مکانیسم اعتماد (Trust Mechanism) به عنوان یک جایگزین برای تکنیک رمزگذاری استفاده می شود.
شکل ۱۰: مثالی از نحوه عملکرد پروتکل TAODV
مکانیسم اعتماد با ایزوله کردن نودهای باهدف بدخواهانه و توسط ارزش اعتماد در نودها، ارسال داده را امن می کند. پروتکل TAODV از متریک های اعتماد برای تصمیم گیری بهتر مسیریایی و جریمه نودهای غیر همکار استفاده می کند. هم پروتکل AODV و هم TAODV، وقتی که پاسخ از همسایه مقصد وجود داشته باشد بعد از چند گام بسته RREP را تولید می کنند.
پروتکل A-SAODV
پروتکل A-SAODV یک الگوی تکمیلی از SAODV بوده و یک برنامه چند نخی می باشد که در آن عملیات رمزنگاری توسط یک نخ اختصاصی به منظور جلوگیری از بلوکه شدن پروسه سایر پیامها اجرا می گردد. این پروتکل برای برنامه های چند نخی (Multithread) است که شامل دو نخ می باشد. بین این دو تنخ از طریق یک صف FIFO که عمل نگهداری بسته هایی که نیاز به امضا و تائید دارند را انجام می دهد، ارتباط برقرار می کنند.
شکل ۱۱: مثالی از نحوه عملکرد پروتکل A-SAODV
پروتکل A-SAODV از مکانیسم وققی (Adaptive) و مکانیسم آستانه به منظور ارتقای SAODV استفاده می کند. نتایج شبیه سازی نشان داد که این پروتکل میتواند تأخیر انتها به انتها را کم کند، توان عملیاتی را افزایش دهد و امنیت پروتکل A-SAODV را بهبود بخشد که در این روش، عملکرد به همراه مسیریابی ایمن بهبود می یاید.
پروتکل RAODV
پروتکل R-AODV به انرژی نود کمتری برای انتقال داده نیاز دارد. پروتکل AODV برعکس یک پروتکل مسیریابی بهبود یافته AODV است که از متدولوژی کشف مسیر برعکس در راستای جلوگیری از گم شدن بسته های RREP استفاده می کند. R-AODV از مقدار زیادی انتقال مجدد بسته های RREP جلوگیری می کند که تراکم در شبکه را کاهش میدهد و نسبت تحویل را ارتقا میدهد. فرمت بسته RREQ در AODV و R-AODV یکسان است. وقتی که نود مقصد اولین بسته RREQ را دریافت می کند، یک بسته درخواست مسیر برعکس (R-RREQ) شروع می شود و به همه نودهای همسایه در رنج انتقال همه پخش می شود.
شکل ۱۲: مثالی از نحوه عملکرد پروتکل R-AODV
نود مبدا انتقال بسته را بعد از دریافت اولین پیام R-RREQ شروع می کند و آخرین پسته R-RREQ رسیده برای استفاده آتی حفظ می شود، اگر که نودی که بسته R-RREQ را دریافت کرده، نود مبدا نباشد، یک مدخل مسیر روبه جلو ساخته می شود. سپس R-RREQ به نودهای همسایه خود همه پخش می شود. بعد از دریافت بسته، به یک مسیر جدید با گام متفاوت با به همان گام بعدی اضافه می شود. این امر کاملا به شماره توالی که بزرگتر یا کوچکتر می باشد بستگی دارد. پروتکل R-AODV توان عملیاتی، نسیت تحویل بسته و زمان زندگی شبکه را بهبود داده و میزان مصرف انرژی و تاخیر را کاهش میدهد.
پروتکل SR-AODV
پروتکل SR-AODV به منظور افزایش استحکام انتقال داده از ثبات لینک استفاده می شود. نودهای شبکه ادھاک (AD Hoc) بر استفاده نود از ملاحظه خودش در طی پروسه مسیریابی تکیه دارند تا بتوانند پارامتری داشته باشند که پایداری پروتکل مسیریابی را حدس بزنند. SR-AODV در بسیاری از متریک ها همچون نرخ تحویل بسته، تاخیر انتها به انتها و مصرف انرژی عملکرد AODV را بهبود می بخشد.
شکل ۱۳: بسته های R-RREQ در AODV
در AODV یا R-AODV وقتی که لینک ارتباطی می شکند مقدار زیادی از تلاش های کشف مسیر از دست میرود و نود مبدا مجبور خواهد بود که یکبار دیگر عملیات کشف مسیر را انجام دهد ولی در SR-AODV که ثبات لینک را در بسته های R-RREQ اعمال کرده اند، در تعداد تلاش کمتری نسبت به AODV و R-AODV به موفقیت رسیده است.
پروتکل AOMDV
پروتکل AOMDV از پروتکل تک مسیره AODV سرچشمه گرفته است. مفهوم اصلی AOMDV مسیرهای بدون حلقه چندگانه در هر مرحله کشف مسیر است. با مسیرهای اضافی چندگانه در دسترس، هر وقت که مسیر اولی شکست بخورد پروتکل به مسیر بعدی سوییچ می کند و از این رو از پروسه کشف مسیر جدید جلوگیری میشود. کشف مسیر فقط وقتی که همه مسیرها به مقصد شکست بخورد، پایه ریزی می شود. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که با افزایش تعداد نودها، نسبت تحویل بسته زیاد شده ولی زمان زندگی شبکه و زمان زندگی سیستم کاهش می یابد. افزایش نرخ انتقال باعث کاهش عملکرد شبکه می شود. در بعضی موارد AOMDV عملکرد بهتر و در بعضی مواقع AODV عملکرد بهتری داشته است.
شکل ۱۴: مثالی از نحوه عملکرد پروتکل AOMDV
در AOMDV تاخیر انتها به انتها با استفاده از چندین مسیر موازی کاهش می یابد. این الگوریتم سعی در استفاده تا حد ممکن از تعداد زیادی مسیر پرت (Disjoint) و بدون حلقه دارد تا قابل اعتماد بودن نود را زیاد کند و منابع اشتراکی را کاهش دهد، همین طور افزایش پهنای باند و کاهش تاخیر از نود دیگر را در بر داشته باشد. الگوریتم AOMDV عملکرد بهتری دارد زیرا استفاده از مسیرهای با نود پرت را ترجیح می دهد. در این حالت مسیرها کاملا مستقل اند و هیچ نودی در بین دو مسیر پیوسته نیست و هیچ منبع اشتراکی هم ندارند.
پروتکل AODVSEC
پروتکل AODVESC یک نسخه بهبود یافته از پروتکل SAODV است که بر اساس توسعه مکانیسم معرفی شده در AODV انجام می گیرد که در آن PKI به عنوان لنگر اعتماد استفاده می شود. از این رو لازم است که هر نود در شبکه یک جفت کلید تصدیق دارا باشد. علاوه بر این، هر نود نیاز دارد که گواهی کنونی مرجع گواهینامه (CA) را داشته باشد تا قادر به تائید گواهی های ناشناخته قبلی از سایر نودها باشد. در مقاله مرجع شماره ۱۴ دستاوردی برای AODVESC با اضافه کردن گواهی های مخصوص خود به پسته های ایجاد مسیر ارائه شده است. در AODVESC نوع کوچک تر گواهی به نام MCET معرفی می شود که مخصوصا مناسب سناریو های متحرکی که از ارتباطات WLAN استفاده می کنند، می باشد. عیب اصلی این روش، تابع رمزنگاری و تاخیر محاسباتی در آن است.
شکل ۱۵: مثالی از نحوه عملکرد پروتکل AODVESC
پروتکل AODV-SEC سعی در امن کردن همه جنبه های ممکن پروسه کشف مسیر می کند، که این امر شامل احراز هویت دو نود پایانی و پروسه کشف مسیر هست. در نهایت نودهای غیر قابل اعتماد را از مسیرهای کشف شده خارج می کند. طول مسیر کشف شده در حالتی که نودهای میانی نتوانند مسیر کوتاه تری را به جای آنهایی که موجودند تبلیغ کنند، حفاظت شده است.
نتیجه گیری
بهبود عملکرد شبکه MANET سال ها مورد توجه محققین بوده و هنوز هم بر روی آنها فعالیت های پژوهشی صورت می گیرد. این بهبود در زمینه های مختلفی همچون کاهش پارامترهای تاخیر، سریار، تعداد بسته های از دست رفته و مصرف انرژی و افزایش پارامترهایی چون ترخ تحویل بسته، توان عملیاتی، بهبود زمان زنده ماندن در شبکه و افزایش امنیت بوده است. در این مقاله پروتکل های مختلف مشتق شده از AODV و جنبه های مختلف آنها بررسی شد. از مقایسه این پروتکل ها مشخص شد که پارامتر کاهش تأخیر در پروتکل های R-AODV ، A-SAODV ، AD-AODV ، SR-AODV و AOMDV به چشم می خورد. پارامتر کاهش سریار در پروتکل های AD-AODV ، SR-AODV ، R-AODV ، TAODV است. پارامتر کاهش میزان مصرف انرژی در پروتکل های R-AODV ، SR-AODV و AOMDV دیده می شود.
افزایش نرخ تحویل بسته در روش های SR-AODV ، AD-AODV ، R-AODV ، AOMDV به دست آمده است. افزایش توان عملیاتی در پروتکل های A-SAODV ، R-AODV AOMDV بوده است. پارامتر بهیود زمان زنده ماندن در شبکه در پروتکل R-AODV ایجاد گشته و افزایش میزان امنیت در TAODV ، SAODV و AODVSEC بوده است. البته قابل ذکر است که هنوز هر کدام از این روش ها نقاط ضعف خود را دارند و از این رو هنوز هم محققین بسیاری سعی در بهبود آنها می کنند. با بررسی این پروتکل ها مشخص می شود که اگر بر روی مسائل معرفی شده مانور داده و اقدام در جهت ارتقای آنها انجام شود چه بسا بتوان به روش ها و الگوریتم های جدیدتر هم دست یافت.
شبیه سازی شبکه های کامپیوتری و مخابراتی
مشاهده ویدئو در این باره