پایان نامه افزایش کارایی پارامتر های تامین کیفیت VoIP از طریق بهبود پروتکل‌ های مسیریابی MANET

پایان نامه

برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

شبکه­ های کامپیوتری

فصل اول
 

1         مقدمه

1-1   شبکه موردی سیار چیست؟

شبکه موردی سیار[1] شبکه‌ای است که توسط میزبان‌[2]های بی‌سیم که می‌توانند سیار هم باشند تشکیل می‌شود. در این شبکه‌ها لزوما از هیچ زیرساخت پیش‌ساخته‌ای استفاده نمی‌شود. بدین معنا که هیچ زیرساختی مانند یک ایستگاه مرکزی، مسیریاب[3]، سوئیچ[4] و یا هر چیز دیگری که در دیگر شبکه‌ها از آنها برای کمک به ساختار شبکه استفاده می‌شود، وجود ندارد. بلکه فقط تعدادی گره[5] بی‌سیم هستند که از طریق ارتباط با گره‌های همسایه به گره‌های غیرهمسایه متصل می‌گردند.

در شکل 1-1 ساختار یک شبکه موردی سیار به عنوان نمونه آورده شده است. دایر‌ه‌های کوچک نشان‌دهنده گره‌های بی‌سیم می‌باشند و هر دایره بزرگ نشان دهنده برد مفید یک گره است. بدین معنا که هر گره دیگری که در این فاصله قرار داشته باشد می‌تواند داده‌های ارسالی این گره را دریافت کرده و آنها را از نویزهای محیطی تشخیص دهد. برای راحتی کار، این شبکه را با یک گراف متناظر نشان می‌دهند و یال‌های گراف بدین معنا هستند که دو راس آن در فاصله‌ای با یکدیگر قرار دارند که می‌توانند پیام‌های یکدیگر را دریافت کنند. در واقع گره‌هایی که در فاصله برد مفید یکدیگر قرار دارند، در نمایش گرافی با یک یال به آن متصل می‌شوند

در شبکه‌های موردی، سیار بودن گره‌ها ممکن است باعث تغییر مسیر بین دو گره شود. همین امر است که باعث تمایز این شبکه‌ها از دیگر شبکه‌های بی‌سیم می‌شود. با وجود تمامی این مشکلات، از شبکه‌های موردی در موارد بسیاری استفاده می‌شود. دلیل این امر سرعت و آسانی پیاده‌سازی این شبکه و همچنین عدم وابستگی آن به ساختارهای از پیش بنا شده است. از موارد استفاده شبکه‌های موردی می‌توان به کاربردهای شخصی مانند اتصال لپتاپ‌ها به یکدیگر، کاربردهای عمومی مانند ارتباط وسائل نقلیه و تاکسی‌ها، کاربردهای نظامی مانند ارتش و ارتباط ناوگان جنگی و کاربردهای اضطراری مانند عملیات امداد و نجات اشاره کرد.

1-1-1خصوصیات شبکه‌های موردی سیار

این شبکه نیز مانند انواع شبکه­های دیگر دارای ویژگی­هایی است که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد[1]:

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

ترمینال خودمختار[6]:  در این شبکه، هر ترمینال یک گره مستقل است که ممکن است در حالت میزبان یا مسیریاب عمل نماید. به عبارت دیگر در موقع پردازش به عنوان یک میزبان عمل می­کند و همچنین هنگامی که نیاز به عملیات مسیریابی باشد نقش مسیریاب را ایفا کند.

عملیات توزیعی[7]: از آنجایی که هیچ ساختاری برای کنترل عملیات به صورت مرکزی در شبکه وجود ندارد، کنترل و مدیریت شبکه بین ترمینال­ها به صورت توزیع شده انجام می­شود. گره­ها در این شبکه باید با یکدیگر مشارکت کنند و هر گره به عنوان یک تقویت‌کننده عمل می­کند.

توپولوژی شبکه پویا[8]: از آنجایی که گره­ها سیار هستند، توپولوژی شبکه ممکن است به سرعت و به صورت غیرقابل پیش بینی تغییر کند و اتصالات میان ترمینال­ها ممکن است در یک زمان تغییر کند.

تغییر ظرفیت اتصال[9]: نرخ خطای بیتی در این شبکه بالا است. یک مسیر انتها به انتها می‌تواند توسط چندین جلسه، مشترک شود. کانالی که ترمینال­ها را متصل می­کند هدفی برای نویز، ناپدید شدن و تداخل می­باشد و پهنای‌باند کمتری از یک شبکه سیمی دارد. در تعدادی از طرح­ها مسیر بین هر جفت از کاربران می­تواند اتصالات بی­سیم متعددی را بپیماید.

ترمینال­ های سبک وزن: در بعضی حالت­ها، گره­های این شبکه، وسایل سیار با ظرفیت پردازش کم،  اندازه حافظه کوچک، قابلیت ذخیره‌سازی انرژی کم هستند. این وسایل نیاز به الگوریتم­های بهینه شده و روش­هایی که عملیات محاسباتی و ارتباطی را بهینه می­کنند، دارند.

چند گامی: به دلیل فقدان مسیریاب و دروازه­های مرکزی، میزبان­ها، خود وظایف مسیریابی را انجام می‌دهند. بنابراین، بسته­ها، مسیرهای "چند گامی" را دنبال می­کنند و قبل از اینکه به مقصدشان برسند از میان گره­های متحرک متفاوت، عبور می‌کنند. به سبب عدم اطمینان به این چنین گره­هایی، این خصوصیت یک آسیب­پذیری جدی را نمایش می­دهد.

بی­شکلی[10] : تحرک و اتصال بی­سیم گره­ها این اجازه را می­دهد که گره­ها به طور دلخواه وارد شبکه شده یا از آن خارج شوند، و بدین صورت به یک گره این امکان را می­دهد که به صورت عمدی، اتصالات را شکل دهد یا آن را بشکند. بنابراین توپولوژی شبکه هیچ شکل ثابتی نه از لحاظ اندازه و نه از لحاظ پیکربندی نخواهد داشت. هر راه حل امنیتی باید این ویژگی را نیز در نظر داشته باشد.

1-1-2مزایا

مزایای شبکه موردی سیار عبارتند از[1]:

سرعت توسعه آن زیاد است.

به سادگی و با صرف هزینه پایین قابل پیاده­سازی است.

به هیچ زیرساختی نیاز ندارد.

دارای پیکربندی خودکار است.

هر یک از ایستگاه­ها به عنوان یک مسیریاب نیز ایفای نقش می­کند.

انعطاف­پذیر است. به عنوان مثال، دسترسی به اینترنت از نقاط مختلف در محدوده تحت پوشش شبکه امکان­پذیر است.

دو ایستگاه موجود در شبکه می­توانند به طور مستقل از دیگر ایستگاه­ها، با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و انتقال اطلاعات کنند.

1-1-3معایب

صرف­نظر از کاربردهای جذاب، ویژگی­های این شبکه باعث محدودیت­هایی در استفاده از این شبکه­ها شده است، که باید بررسی شوند. یکی از چالش­های بسیار مهم در این نوع شبکه­ها، عدم وجود زیرساخت ثابت می­باشد، از اصلی­ترین مشکلات موجود در این نوع شبکه می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

مسیریابی: از آنجایی که توپولوژی شبکه به صورت مداوم در حال تغییر است، عملیات مسیریابی بسته­ها بین هر جفت از گره­ها بسیار مشکل است. بیشتر پروتکل­ها باید برمبنای مسیریابی واکنشی به جای کنشی باشند. مسیرها بین گره­ها ممکن است شامل گام­های متعدد باشند که پیچیده­تر از ارتباط تک گامی است.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

امنیت و قابلیت اطمینان: علاوه بر قابلیت رایج ارتباط بی­سیم، این نوع شبکه­ها مسائل امنیتی خاصی دارد. خصوصیت عملیات توزیع­شده نیاز به طرح­های متفاوتی برای مدیریت دارد. بعلاوه اتصالات بی­سیم به علت دامنه انتقالات بی­سیم محدود شده، طبیعت همگانی (انتشار) رسانه بی­سیم (مسئله پایانه مخفی)، گم­شدن بسته­ها و خطاهای انتقال داده مشکلات اعتمادپذیری زیادی را تولید می­کنند.

کیفیت خدمات[11]: فراهم کردن سطوح مختلفی از کیفیت خدمات در یک شبکه که به صورت مداوم در حال تغییر است یک چالش بزرگ می­باشد. ویژگی تغییر، در واقع کیفیت ارتباطات در این نوع شبکه­ها را مشکل می­کند.

مصرف انرژی: برای ترمینال­ های سیار، عملیات­های ارتباطی باید از نظر مصرف انرژی بهینه شوند.

از دیگر مشکلات و محدودیت­های موجود در این نوع شبکه­ها می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

خطاهای ناشی از انتقال و در نتیجه حذف بسته با تعداد بالا

قطع و وصل شدن­های مداوم

پهنای باند محدود

طبیعت همگانی ارتباط

مسیرها و توپولوژی­های متغیر و پویا

شارژ باتری

ظرفیت و قابلیت­ های محدود گره­ها

نیاز به کاربردهای جدید

کنترل ازدحام

محدودیت پهنای باند

تامین امنیت

تاخیر ارسال اطلاعات در شبکه­های بزرگ‌تر

1-1-4کاربردهای شبکه موردی سیار

کاربرد­های این نوع شبکه­ها عبارتند از:

کاربردهای نظامی

امداد و نجات

انجام عملیات محاسباتی توزیع شده

شبکه وسایل نقلیه

حفاظت از محیط زیست

1-2    صوت بر روی اینترنت[12]

صوت بر روی اینترنت، یک برنامه کاربردی[13] real-time است که شاید بیشترین پیشرفت را در شبکه‌های امروزی داشته است. یک وسیله ورودی صدا، مثلا یک میکروفن، در سمت فرستنده لازم است. سیگنال صوتی به شکل دیجیتال تبدیل می‌شود که این امر به وسیله یک مبدل آنالوگ به دیجیتال[14] صورت می‌پذیرد. بنا به ماهیت packet-switched بودن شبکه‌های کامپیوتری، داده‌های صوت باید قبل از انتقال، کدگذاری و بسته‌بندی[15] شوند. کدگذاری[16] و رمزگشایی[17] به وسیله کدک‌[18]هایی که نمونه‌های داده‌های صدا را به یک سطح خاص شبکه که قابل ارائه است، تبدیل نموده و برمی‌گرداند، انجام می‌پذیرد. اغلب کدک‌ها به وسیله استانداردهایITU-T[19] تعریف شده‌اند. هرکدام از آنها ویژگی‌های متفاوتی را در مورد مقدار پهنای باند مورد نیاز، ارائه می‌کنند.

پس از اینکه اطلاعات در سمت فرستنده، کدگزاری شده و بسته‌بندی می‌شوند، بسته‌های کپسوله شده داده‌های صوت[20]، می‌توانند در شبکه انتقال یابند. بسته‌های صدا در شبکه با بسته‌های برنامه‌های کاربردی دیگر که بر طبق اتصالات به اشتراک گذاشته شده، به سمت مقصدشان مسیریابی شده‌اند، در تعاملند. بسته‌ها در سمت گیرنده رمزگشایی و ‌decapsulated می‌شوند. جریان داده دیجیتال سپس دوباره به شکل آنالوگ تبدیل شده و در یک وسیله خروجی که معمولا یک اسپیکر است، ارائه می‌شود. [2]

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

1-2-1مزایای صوت بر روی اینترنت

برخی از مزایای VoIP را می توان به صورت زیر لیست نمود:

• کاهش هزینه‌های تماس راه دور

•  استفاده از امکانات اینترنتی و تجارت الکترونیکی

• یکپارچگی شبکه‌های داده و تلفن

• ارسال فکس

• اشتراک منابع و کاهش هزینه سرمایه‌گذاری

• استفاده از تلفن معمولی و یا رایانه شخصی

1-2-2مشکلات صوت بر روی اینترنت

برخی از مشکلات VoIP به قرار زیر می‌باشد:

• کیفیت صوت باید قابل مقایسه با شبکه عمومی تلفن باشد.

• از بین رفتن بسته‌های داده[21]

• عدم پذیرش بسته[22]

• تاخیر[23]، لرزش[24] و سکوت

• یکپارچگی سیستم صدور صورتحساب شبکه عمومی تلفن

2         کارهای انجام شده

2-1   طبقه­بندی پروتکل­ های مسیریابی

طبقه‌بندی پروتکل‌های مسیریابی در شبکه‌های موردی سیار می‌تواند به چندین روش انجام شود، اما بسیاری از این روش‌ها وابسته به استراتژی مسیریابی و ساختار شبکه هستند. پروتکل‌های مسیریابی می‌توانند بصورت مسیریابی مسطح، مسیریابی سلسله مراتبی و موقعیت جغرافیایی و تحت ساختار شبکه گروه‌بندی شوند. با توجه به استراتژی مسیریابی، پروتکل‌های مسیریابی می‌توانند تحت جدول[25] گروه بندی شوند. گروه بندی پروتکل‌های مسیریابی در شکل زیر نشان داده شده است. [3]

پروتکل‌های مسیریابی در شبکه‌های موردی سیار را می‌توان در دو دسته طبقه‌بندی کرد:

Proactive یا پروتکل‌های مسیریابی مبتنی بر جدول

 Reactive یا پروتکل‌های مسیریابی واکنشی

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

2-1-1پروتکل­های مسیریابی مبتنی بر جدول

پروتکل مسیریابی پیشگیرانه یا همان مبتنی بر جدول با حفظ و نگهداری مسیرهای قبلی از تاخیرهای موجود برای کشف مسیر جلوگیری می‌کند. این دسته پروتکل‌های مسیریابی تلاش دارند در شبکه سازش را برقرار کرده و به روزرسانی اطلاعات مسیریابی هر گره به گره‌های دیگر در شبکه را انجام دهد. اطلاعات مسیریابی در تعداد مختلفی از جداول نگهداری می‌شود و آن‌ها به تغییرات در توپولوژی شبکه توسط پخش جدیدترین سفارشات در شبکه برای برقراری سازگاری پاسخ می‌دهند. در ناحیه‌ای که این پروتکل‌ها متفاوت هستند از طریق اطلاعات مسیریابی به روز رسانی می‌شوند. ردیابی و نوع اطلاعات در هر جدول مسیریابی نگهداری می‌شود.

2-1-1-1               الگوریتم OLSR[26]

OLSR یک پروتکل مسیریابی مبتنی بر جدول در شبکه‌ های موردی سیار می‌باشد. همچنین این پروتکل می‌تواند در هر شبکه موردی دیگر نیز به کار گرفته شود. اخیرا نیز در شبکه‌های مش وایمکس نیز از آن استفاده شده است. OLSR ذاتا در گروه پروتکل‌های مسیریابی مبتنی بر جدول قرار می‌گیرد. هر گره در شبکه به منظور یافتن همسایگان خود از اطلاعات هم‌بندی شبکه استفاده می‌کند. این اطلاعات از "بسته‌های سلام"[27] و "پیغام‌های کنترل هم‌بندی"[28] به دست می‌آیند. البته تمام گره‌ها در شبکه، بسته‌های مسیر را پخش نمی‌کنند؛ بلکه فقط گره‌های [29]MPR هستند که این بسته‌ها را پخش می‌کنند. مسیر از مبدا به مقصد در نظر گرفته شده، قبل از اینکه استفاده شود، ساخته می‌شود. هر گره در شبکه یک جدول مسیریابی نگه می‌دارد. این مسئله باعث می‌شود تا سربار مسیریابی برای OLSR از هر پروتکل واکنشی دیگر مثل: [30]AODV یا [31]DSR بیشتر باشد. به هر حال سربار مسیریابی در پروتکل OSLR، همراه با تعداد مسیرهایی که در حال استفاده هستند، افزایش پیدا نمی‌کند. چرا که نیازی به ساخت مسیر جدیدی وجود ندارد. این امر باعث کاهش تاخیر کشف مسیر می‌شود. در OLSR گره‌ها پیغام‌های سلام را در بازه‌های زمانی از پیش تعیین شده‌ای به همسایگان خود ارسال می‌کنند. این پیغام‌ها به صورت دوره‌ای و به جهت مشخص نمودن وضعیت لینک‌ها ارسال می‌گردند. [3]

2-1-1-2               الگوریتم DSDV

الگوریتم مسیریابی بردار مسافت بر مبنای شماره ترتیب مقصد، یک پروتکل مسیریابی گام به گام است که از مکانیزم مسیریابی بلمن فورد[32] توسعه یافته استفاده می‌کند. [4] در این روش هر گره به‌روز‌رسانی‌های مسیر را همه‌پخشی[33] می‌کند و در آن آزادی حلقه‌ها تضمین می‌شود. هر گره یک جدول مسیریابی نگهداری می‌کند که شامل مقصدها، تعداد گام‌ها تا رسیدن به هر مقصد و شماره ترتیب منطبق با گره می‌باشد. این شماره ترتیب برای مشخص کردن مسیرهای قدیمی استفاده می‌شود. در واقع هر مسیری که شماره ترتیب مقصد آن بزرگتر باشد مسیر جدیدتری است و این برای اجتناب از ایجاد حلقه استفاده می‌شود. به این صورت که همیشه مسیرهایی استفاده می‌شود که شماره ترتیب بزرگتری دارد و در واقع جدیدتر است. دلیل اینکه استفاده از مسیرها ممکن است باعث ایجاد حلقه شود این است که چون گره‌ها در شبکه‌های موردی سیار همواره در حال تغییر مکان هستند، یک گره ممکن است طوری تغییر مکان دهد که در مسیر دارای حلقه قرار بگیرد. بازیابی‌های مسیر روی کل شبکه ارسال می شود.

این بازیابی‌ها بصورت دوره‌ای هر بار بعد از یک بازه زمانی خاص و نیز هر زمان که تغییری در یکی از پیوندهای شبکه و یا توپولوژی شبکه اتفاق بیافتد انجام می‌گیرد. یعنی هم time driven هستند و هم event driven. این ارسال بازیابی‌ها با افزایش مقدار شماره ترتیب همراه است. یعنی هر گره که یک زمانی را به کل شبکه ارسال می‌کند مقدار شماره ترتیب تمامی مسیرهای جدیدی را که اعلان می‌کند با مقدار ثابتی افزایش می‌دهد و گره‌هایی که در این بازیابی را دریافت می‌کنند بردار مسافت خود را به روز رسانی می‌کنند. در ضمن هر گره در جدول مسیریابی خودش گره گام‌بعدی[34] را برای مقصدهای مختلف نگهداری می‌کند تا بداند که هر گره مقصد از چه طریقی قابل دسترسی است. از آنجایی که بازیابی‌ها باید روی کل شبکه ارسال شود امکان ایجاد ترافیک بالایی وجود دارد. برای کاهش دادن این ترافیک بازیابی‌ها دو نوع بسته را به نام بسته های fulldump و incremental به کار می‌برند.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

Abstract

Voice over IP, is a real-time application that perhaps has the most progress in today’s networks. Quality of service is defined as a network’s ability in providing suitable and good service so that satisfaction of customers and users is achieved. By increasing demand for voice over mobile ad-hoc networks and transmission of voice packets, service quality has become a critical and important issue.This is due to real-time applications, unlike non real-time applicationsare highest sensitive to delay. Therefore quality of sound service is a major concern to ensure that voice packets during transmission over the network are not delayed or lost and, on the other hand, because it is expected that VoIP is an appropriate alternative for PSTN or even better than it. In this study, we are tried by increasing life time in mobile ad-hoc networks, improved parameters related to providing quality sound such as Delay and Jitter.

To achieve this purpose, DSR and PADSR routing protocols have been studied and reviewed.

Finally and with respect to the simulations performed, PADSR algorithm in network life time index and also falling time of the last link does not work always better than DSR.

In this study to improve the performance of PADSR protocol, PADSR survival protocol provided that from the viewpoint of energy through sensing of intermediate nodes energy level, overall delay between sending of rout request packet by source and receiving it at destination, will become minimal. Now with making a balance in the selection of nodes for routing operations and with consideration percentage of remaining energy in them, network life time and falling time of last link are increased.

After this matter, efficiency of the whole network has been improved and the routing delay parameters between source and destination and consequently of that, Jitter parameter also will be improved.

In this study, provided algorithm by simulator NS2 and MATLAB, is implemented and also reviewed.

Keywords: Mobile Ad-hoc Networks, Voice over IP, Delay, Jitter