دانلود پروژه آماده قابلیت اطمینان روش های انتقال داده در شبکه های حسگر بی سیم در رشته فناوری اطلاعات(فایل ورد)

شبکه های حسگر بی سیم

از موضوعات جدید و بسیار مهم در دانش روز پردازش و فناوری اطلاعات محسوب می شود که این شبکه ها گزینه مناسبی برای حالتی است که ما به محیط هدایت شده دسترسی نداشته باشیم. این شبکه ها مستقل و خود گردان بوده و بدون دخالت انسان کار می کنند [کهیانی، 1931 ].

شبکه های حسگر بی سیم

شبکه هایی هستند که معمولاً برای نظارت و کنترل محیط های اطراف مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از معروف ترین پروتکل های مسیریابی مطرح شده در این زمینه ، پروتکل انتشار مستقیم می باشد ]آکایاو همکاران، 2003[ شبکه حسگر بی سیم، یک سیستم توزیع شده ، خود مختار و خود سازمانده است که از تعداد زیادی گره های حسگر کوچک با عملیاتی که به انرژی کمی نیاز دارند تشکیل شده است ]وادا، 2013[ گره های حسگر دارای محدودیت در منابع انرژی، پردازش و محاسباتی هستند.

این شبکه ها در مواردی مانند نظارت بر شرایط محیطی، جمع آوری داده هایی نظیر دما و فشار، کاربردهای نظامی کاربرد دارند ] برومند زاده و همکاران، 2013[،  سپس داده های جمع آوری شده توسط این حسگرها به ایستگاه پایه یا سینک ارسال می شوند. برای اداره کردن این شبکه های متراکم و توزیع شده باید چالش هایی نظیر مقیاس پذیری، تحمل خرابی، استحکام و ارایه راه حل های کارآمد از نظر انرژی مورد توجه قرار گیرد ]کارنوس و همکاران، 2007[شبکه های حسگر بی سیم نیز از نظر تهدیدات و حمالت مخرب بسیار آسیب پذیر هستند و طراحی ساده سخت افزار از این ابزار های الکترونیکی، مانع از بکارگیری مکانیسم های دفاعی مرسوم شبکه ها می شود.
شبکه های حسگر بی سیم در بسیاری از حوزه ها شامل ماشینی سازی یا اتوماسیون صنعتی، امنیت، تحلیل شرایط آب و هوا، دامنه وسیعی از سناریو های نظامی کاربرد دارند ]کرباسی، 1931[ .

یکی از مهمترین مسائل قابل بحث در شبکه‌های حسگر بیسیم، چگونگی انتقال اطلاعات از گره‌های داخل شبکه به ایستگاه پایه و انتخاب بهترین مسیر ممکن برای انتقال این اطلاعات می‌باشد. انتخاب بهترین مسیر میتواند بر اساس فاکتورهای مختلفی مانند انرژی مصرفی، سرعت در پاسخگویی و میزان تاخیر، دقت در انتقال داده و .... تحت تاثیر قرار بگیرد.
پیشرفت‌های اخیر در زمینه الكترونیك و مخابرات بی‌سیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی را با توان مصرفی پایین، اندازه كوچك، قیمت مناسب و كاربری‌های گوناگون داده است. این حسگرهای كوچك كه توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی، بر اساس نوع حسگر، پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده‌ای برای ایجاد و گسترش شبكه‌های موسوم به شبكه‌های بی‌سیم حسگر WSN (Wireless Sensor Network) شده‌اند.

ارتباط رادیویی
بین گره های این شبکه چون الیاف پارچه نمدین، در هم تنیده اند و فضای خیالی نرم افزارهای کامپیوتری را به جهان واقعی بسط داده اند.

برای ایجاد و حفظ پوشایی این شبکه در هم پیچیده ارتباطات از گره های کوچک حسگر که یک مدار الکترونیکی شامل سه واحد حسگر، پردازنده و رادیو است استفاده می شود، این گره ها با ارتباطی که به وسیله بخش رادیویی خود با یکدیگر برقرار می کنندپیوستگی این پارچه نمدین را حفظ می کنند.
این پوشش در بسیاری از کاربردهایش، کمیت های محیطی مثل دما، فشار، رطوبت و نور که توسط بخش حسگر گره های خود اندازه گیری می کند را در طول الیاف ارتباطات خود هدایت می کند تا به یک یا چند گره تعبیه شده  خاص که چاهک نامیده می شود، انتقال یابند؛ چاهک ها ارتباطی که با جایگاه مرکزی دارند این داده ها را به آن ها تحویل می دهند؛
جایگاه مرکزی داده های محیطی از شبکه حسگر دریافت کرده است را برای اهدافی چون کنترل،نظارت بر رفتار، پیش بینی رفتار محیط در پایگاه داده خود یا رسانه ذخیره سازی ذخیره می کند یا برای ایجاد فرمان های کنترلی جهت اعمال به محرک ها مورد استفاده قرار می دهد]کایس و همکاران،2000[ .

تعداد زیاد گره های حسگر که برای پوشش کال و ایجاد پیوستگی در شبکه تعبیه شده اند و ارتباطات رادیویی زیادی که با یکدیگر دارند تمامی مسائلی که در شبکه های کامپیوتری مطرح هستند را به نحو دیگر و از زاویه دیگر در شبکه حسگر مطرح می کند از جمله مباحثی که در مسیریابی، امنیت شبکه، پروتکل های شبکه، نامگذاری گره های شبکه، کشف داده، مکان یابی گره ها، تضمین کیفیت و صدها مسئله دیگر که در شبکه های کامپیوتری مطرح هستند، در  مورد شبکه های حسگر بی سیم نیز مطرح می شوند.
این مشکلات معمول از یک سو و از سوی دیگر محدودیت هایی چون محدودیت انرژی، محدودیت حافظه، محدودت پردازش و محدودیت های پهنای باند، طراحان شبکه حسگر بی سیم را ملزم می کند تا در طراحی خود به هر شکل ممکن الگوریتم هایی ارائه کنند که هم بر مشکلات معمول شبکه ها فائق آید و هم در نظر گیرنده محدودیت های شبکه حسگر.

عامل قدرت شبکه حسگر بی سیم

این است که تعداد زیادی گره کوچک حسگر به صورت خودکار باهم ارتباط برقرار کرده، شبکه را پیکربندی و برپا می کنند. هر گره هدف خود را می داند و برای دستیابی به هدفش ابزار نرم افزاری و سخت افزاری کافی در اختیار دارد.
می تواند به صورت پویا و با ارتباطی که با جایگاه مرکزی دارد هدف خود را که در نظر گیرنده امکاناتش است تغییر دهد، امکانات نرن افزاری تعبیه شده در گره قابل تغییر است و در طول زمان ماموریت شبکه حسگر ممکن است بارها تغییر شکل دهد.
با دید وسیع تر هر گره بخشی از هدف کلی شبکه حسگر بی سیم که جمع آوری اطلاعات از محیط تحت پوشش جهت نظارت، پردازش، تحلیل و کنترل محیط است را بر عهده دارد.

حوزه وسیعی از کاربردها را برای شبکه حسگر بی سیم می توان در نظر گرفت از جمله نظارت بر رفتار محیط، تعقیب اتفاقات و اشیاء، کنترل محرک ها و توسعه محیط کنترلی از فضای کامپیوتری به جهان بیرونی و بسیاری کاربرده دیگر که روز بهه روز بر کاربردهای شبکه حسگر بی سیم افزوده می گردد.

چیزی که عامه در مورد شبکه های بی سیم تصور می کنند چیزی شبیه شبکه تلفن های سلولی یا شبکه های PAD است ولی در واقع این نوع شبکه با شبکه حسگر بی سیم تفاوت های زیادی دارند.
مثلاً در شبکه های سلولی وقتی تعداد گره های موجود در یک سلول زیاد شود ارائه سرویس به همه گره های موجود در سلول با کیفیت مناسب امکانپذیر نیست و حتی به بعضی از آن ها سرویسی ارائه نمی شود، در حالی که یکی از معیارهای کیفیت سرویس در شبکه حسگر بی سیم وجود تعداد زیادی گره در منطقه تحت نظارت است به نحوی که در نزدیکی تمام نقاط محیط گره حسگری موجود باشد و علاوه بر این همبندی شبکه برقرار شود. به علاوه گره های شبکه حسگر بر خلاف شبکه های سلولی به طور مستقیم با یکدیگر در ارتباطند و با این ارتباط شان داده خود را به چاهک یا جایگاه مرکزی منتقل می کنند؛
در حالی که گره های شبکه سلولی نیاز به وجود یک جایگاه مرکزی دارند و ارتباط گره ها با یکدیگر از طریق جایگاه مرکزی یا چندین جایگاه مرکزی صورت می گیرد.

بیان مسئله

شبکه های حسگر بی سیم در اصل برای جمع آوری اطلاعات از محیط های غیرقابل اعتماد به وجود آمده اند. تقریبا همه ی پروتکل های امنیتی برای WSN معتقدند که دشمن یا نفوذگر می تواند از طریق ارتباط مستقیم، کنترل کامل یک نود حسگر را  در دست گیرد. ظهور شبکه های حسکر به عنوان یکی از تکنولوژی های اصلی آینده، چالش های متعددی را پیش روی محققان قرار می دهد.
شبکه های حسگر بی سیم از تعداد زیادی نودهای کوچک تشکیل شده است که به صورت جداگانه در حال کار کردن هستند و در موارد متعدد، بدون دسترسی به منابع انرژی تجدید شدنی به کارشان ادامه می دهند که در نهایت، اهمیت به سزایی در پذیرش و استفاده از شبکه های حسگر، در کاربردهای متعدد دارد.

شبکه های حسگر بی سیم

به منظور بررسی و حفظ شرایط فیزیکی و یا محیطی از قبیل دما، صدا و فشار و امثال آن به کار می روند، و از آن ها برای ارسال اطلاعات از طریق شبکه به مکان( ایستگاه) اصلی استفاده می شود.
شبکه های بی سیم دو طرفه هستند که این امر به کنترل و حفظ فعالیت های حسگر کمک می کند. از شبکه های حسگر بی سیم در بسیاری از حملات امنیتی یا تزریق اطلاعات نادرست، جعل اطلاعات، و استراق سمع استفاده می شود.
این حملات منتهی به تزریق اطلاعات نادرست در شبکه حسگر بی سیم می گردد. در یک شبکه حسگر بی سیم بزرگ، تشخیص گزارش های ارسال شده به شبکه به وسیله حسگرهای سالم اصلی یک معضل تحقیقاتی بزرگ محسوب می شود. اگر گره های حسگر به صورت مشترک کار کنند، تمامی اطلاعات امنیتی جمع آوری شده توسط گره ها در دسترس هکرها قرار کی گیرند.

تعیین صلاحیت انتشار یک مکانیزم ضروری و با اهمیت امنیتی در شبکه حسگرهای بی سیم است، چرا که انتشار داده یک روش طبیعی ارتباطی برای محیط های بی سیم محسوب می شود. هنگامیکه ایستگاه های مادر نیاز به ارسال فرمان ها به هزاران گره حسگر دارند، انتشار داده ها به روشی کارآمدتر مورد نیاز می باشد. تعیین صلاحیت انتشار داده ها یک سرویس امنیتی در شبکه های حسگر بی سیم است که کاربران متحرک از شبکه های حسگر بی سیم اجازه می دهد تا به چندین حسگر به روشی امن پیام ارسال نمایند.

فرآیند تعیین صلاحیت و حفظ امنیت در شبکه های بی سیم به موارد زیر کمک می کند

•برای دستیابی به روش پهنای باند بسیار کارآمد برای کاهش دادن حملات بوسیله تزریق داده های غلط به شبکه

• برای افزایش صلاحیت شبکه حسگر برای غلبه بر مشکل تزریق داده های نادرست به شبکه

•برای حفظ سیستم با صلاحیت بالا بدون هرگونه تزریق داده های غلط

گره حسگر بی سیم

از قسمت های اصلی زیر تشکیل شده که در طراحی های مختلف آن با توجه به نوع کاربرد، انتخاب درست هریک از این قسمت ها اهمیت پیدا می کند. این اجزا عبارتند از : منبع تغذیه، واحد پردازش، واحد حسگر، واحد انتقال. یکی از مواردی که رعایت آن در طراحی اکثر گره های حسگر بی سیم اهمیت دارد، کوچک بودن اندازه و کم بودن توان مصرفی است.
برای تامین مورد اول لازم است که در تهیه اجزا دقت شود که کوچکترین اندازه ممکن با قابلیت های یکسان انتخاب شود، در مورد دوم نیز منبع تغذیه مورد استفاده و چگونگی به کارگیری آن در کاهش توان مصرفی نقش به سزایی دارد.
در تحقیق حاضر می کوشیم تا ضمن بررسی راهکارهای موجود برای حفظ صلاحیت و سطح امنیت در شبکه های حسگر بی سیم، راهکارهایی را برای افزایش سطح امنیت و صلاحیت شبکه های حسگر بی سیم ارائه نماییم.

 ضرورت و اهمیت

 امروزه فناوری های بی سیم در زندگی روزانه بشر بیشتر ظهور و بروز پیدا کرده است. دستیاری های رقمی اجازه دسترسی انفرادی را به وب و پست الکترونیکی و شبکه های اجتماعی و ... می دهد. برخی از فناوری ها مجهز به خدمات تعیین موقعیت جهانی بوده و مکان وسیله را در سراسر جهان نشان می دهد. تعداد کثیری از موسسات در نواحی مختلف عمومی، بخش های خصوصی و کاربرهای خانگی از فناوری های ارتباطی بی سیم استفاده می کنند. از ویژگی های مفید این فناوری می توان به قابلیت سیار، انعطاف پذیری، پایین بودن هزینه نصب و سوددهی افزایشی آن اشاره کرد.
این فناوری محدوده وسیعی را پوشش می دهد به طوری که می توان رایانه را از ناحیه ای به ناحیه دیگری بدون از دست دادن اتصال و بدون نیاز به سیم کشی جابجا کرد. سیم کشی کمتر و در نتیجه انعطاف پذیری بیشتر و به تبع آن هزینه کمتر، از جمله مزایای دیگر این شبکه ها است.

به عنوان مثال

شبکه های ارتباطی بلوتوث اجازه ارسال داده و همگام سازی را ازا طریق دستگاه های شبکه و به اشتراک گذاری بین تجهیزات مختلف می دهد. همچنین با این فناوری کابل کشی چاپگر، اسکنر، پلاتر و دیگر وسایل محیطی حذف شده است. تجهیزات دستی همانند تلفن های همراه اجازه می دهند که کاربر به خدمات شبکه همانند اینترنت دسترسی داشته باشند؛
اما با وجود این که فناوری ها قابلیت های متنوع جدیدی را به همراه دارند، آسیب پذیری های بیشتری نسبت به شبکه های سیمی دارند. برخی از آسیب پذیری ها مشابه آسیب پذیری های شبکه های سیمی و برخی دیگر مختص شبکه های بی سیم است.
مخدوش ساختن محرمانگی، جامعیت و تهدید منع خدمات همواره ارتباطات بی سیم را تهدید می کنند. ممکن است کاربران غیرمجاز به شبکه ارتباطی دسترسی داشته باشند و داده پهنای باند را تسخیر کنند و کارکرد شبکه را کاهش داده و حمله ای را ترتیب دهند که مانع از دسترسی کاربران مجاز به شبکه شوند و یا از منابع برای راه اندازی حمله به دیگر شبکه های ارتباطی استفاده کنند.
لذا ممانعت از دسترسی غیرمجاز، حفاظت از حریم خصوصی کاربر،  استفاده از سازکارهای عدم انکار و پاسخگو بودن سیستم و همچنین مدیریت کلید جزو دغدغه های پژوهشگران در خصوص شبکه های بی سیم است.

جنبه های اصلی امنیتی شبکه های حسگر بی سیم را به چهار دسته اصلی تقسیم کرده اند

1-موانع امنیتی شبکه ی حسگر که برای ایجاد امنیت کاربرد دارند.

2-نیازمندی های یک شبکه ی حسگر بی سیم امن یا کارهای لازم برای ارتقاء امنیت

3- حملات ( آفندی)

4-اقدامات دفاعی ( پدافندی)

بنابراین، شناخت آسیب پذیری ها، تهدیدات و همچنین طرح های مقابله با مخاطرات این شبکه ضروری است تا در صورت راه اندازی و یا استفاده از این شبکه ها، از طرح های پیشنهادی برای کاهش مخاطرات استفاده شود.

هدف اصلی  این پژوهش بررسی راه های پیاده سازی قابلیت اطمینان در شبکه های حسگر بی سیم  می باشد.

سواالات مطرح شده در این پژوهش

روش های پیاده سازی قابلیت اطمیننان در شبکه های حسگر بی سیم چیست؟

شبکه های حسگر بی سیم چگونه عمل می کنند؟

انتقال داده در شبکه های حسگر بی سیم با بیشترین قابلیت اطمینان به چه صورت امکاان پذیر است؟

 ادبیات تحقیق

فناوری به کار رفته در این شبکه‌ها برگرفته از تحقیقات انجام شده در فناوری حس کردن، ارتباطات و محاسبات ( شامل سخت افزار، نرم افزار و الگوریتم ها) است. از این رو، معایب و مزایای برخاسته از این فناوریها، تحقیقات و پیشرفت فناوری شبکه‌های حسگر را تحت تاثیر قرار خواهد داد. از جمله شبکه‌هایی که اخیراُ در دنیا استفاده شده می توان شبکه‌های راداری استفاده شده در کنترل ترافیک هوایی و شبکه‌های توزیع نیروی برق را نام برد. این شبکه‌ها قبل از این که از شبکه‌های حسگر در ساختار خود استفاده کنند از رایانه‌ها و امکانات مخابراتی مخصوصی استفاده می‌کردند.

مشابه اغلب فناوریهای دیگر، کاربردهای نظامی محرک اصلی برای تحقیقات و توسعه در زمینه شبکه‌های حسگر بوده است. تاریخچه پیدایش شبکه‌های حسگر بی‌سیم(WSN) را می‌توان به صورت چهار فاز جدا در نظر گرفت. این چهار فاز به صورت مختصر در زیر آمده‌اند[چانگ و همکاران، 2003[.

فاز اول، شبکه‌های حسگر نظامی دوران جنگ سرد است. در دوران جنگ سرد سیستم ارزیابی صوتی (SOSUS)، سیستمی متشکل از حسگرهای صوتی در زیر اقیانوسها برای آشکارسازی و ردیابی زیردریایی‌های کشور شوروی به کار گرفته شد. پس از آن سالها نیز، همچنان شبکه‌های پیچیده صوتی برای کنترل و ردگیری زیردریایی‌ها استفاده می‌شد.
سیستم SOSUS، هم اکنون نیز برای سازمانهایی که در زمینه اقیانوس‌شناسی و مدیریت هوایی فعالیت دارند، برای کنترل فعالیتهای زمین لرزه‌ای در داخل اقیانوسها و یا بررسی رفتار موجودات داخل آنها به کار گرفته می‌شوند.
همچنین در طول جنگ سرد، شبکه‌های مربوط به رادارهای دفاع هوایی بهینه‌سازی شده و برای دفاع از ایالات متحده و کانادا استفاده شدند. شبکه‌هایی با ساختار سلسله مراتبی (پردازش در سطوح متوالی و انتقال اطلاعات از عامل به وجود آورنده آن به دست کاربر ) رشد کردند و در بیشتر موارد، عامل انسانی نقش اساسی و کلیدی در سیستم‌ها ایفا می‌کرد(پردازش سیگنالهای صوتی، تغییر اطلاعات و ترکیب آنها).

فاز دوم، ابتکارات مرکز پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (DARPA)بود. انگیزه اصلی برای تحقیق پیشرفته بر روی شبکه‌های حسگر، در اوائل سال 1980 و به وسیله برنامه‌هایی که به وسیله DARPA، حمایت شدند به‌وجود آمد. در این زمان، آرپانت (نسل اولیه اینترنت فعلی) با دویست میزبان در دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی استفاده می‌شد و آرکان (بنیانگذار پروتکل TCP/IP) مدیر سازمان فنون پردازش اطلاعات در DARPA بود.
او می‌خواست بداند که آیا میتوان روش آرپانت را به شبکه‌های حسگر کشاند. در آن زمان چنین ایده‌ای با نبودن کامپیوترهای شخصی و ایستگاههای کاری، پردازش ضعیف و انتقال اطلاعات با سرعت پایین یک فکر جاه‌طلبانه به شمار می‌آمد. در واقع یکی از برنامه‌هایDARPA ، در آن زمان آن بود که شبکه‌های حسگر توزیع شده را به صورت گره‌های حسگر توزیع شده‌ای که بسیار کم هزینه هستند و می‌توانند در یک حالت اشتراکی و به صورت خودگردان کار کنند به‌ کار گیرند. در حقیقت این اهداف تقریباً همان چیزهایی بود که امروزه برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم انتظار داریم.

تجهیزات برای شبکه حسگر پخش شده در سال 1978 معرفی شدند. این تجهیزات شامل حس کننده‌ها ( اغلب صوتی)، ارتباطی، روشهای پردازش و الگوریتمها ( شامل الگوریتمهای مکان‌یابی برای حس کننده‌ها) و نرم افزارهای پخش شده (قابل تغییر به طور دینامیکی بر روی سیستمها و زبانهای برنامه‌نویسی) بودند. به دلیل آن که در آن زمان، DARPA قویترین حمایت کننده تحقیقات هوش مصنوعی  بود، بازار فروش محصولات بیشتر در این زمینه فعال بود (آشکارسازی سیگنال و روشهای حل مسائل به صورت گسترده) .

به دلیل فقر امکانات و فناوری، برنامه شبکه‌های حسگر پخش شده مجبور شد با کمک روش محاسبات گسترده، پردازش سیگنال، ردگیری و محل آزمایش موجود حل شود.