Bezprzewodowe sieci samoorganizujące się. Kognitywne bezprzewodowe, samoorganizujące się sieci

Sieć samoorganizująca się to sieć, która nie ma określonej struktury, nie zmienia i nie rozdziela funkcji pomiędzy węzłami po podłączeniu nowego urządzenia, charakterze zmian ruchu itp.

2. Historia powstania i rozwoju

Historia nowoczesnych samoorganizujących się sieci rozpoczyna się w latach 70. XX wieku wraz z utworzeniem sieci PRNET (Packet Radio Networks), finansowanej przez Departament Obrony USA. Celem tworzenia samoorganizujących się sieci była możliwość pracy online, dostępu do Internetu w dowolnym miejscu, nawet w ruchu, bez polegania na stacjonarnej infrastrukturze sieciowej.

Wraz z rozwojem wszechobecnych sieci pojawiła się potrzeba zastosowania nowego typu sieci, pozbawionej stabilnej struktury i zdolnej do dostosowywania się do zmieniającej się charakterystyki kanałów komunikacyjnych. Zaczęto je nazywać samoorganizującymi się. Pierwsze komercyjne, samoorganizujące się sieci komórkowe zostały wdrożone w USA i Japonii w latach 2009-2010.

Sieci samoorganizujące się, w zależności od szybkości samoorganizacji i udziału osób w niej uczestniczących, dzielą się na sieci docelowe (ad hoc) i sieci mesh (mesh). W tłumaczeniu z łaciny „ad hoc” dosłownie oznacza „w tym celu, szczególnie na tę okazję”. Zasadnicza różnica pomiędzy sieciami ad hoc i mesh polega na tym, że z reguły ad hoc klasyfikowane jest jako sieci terminalowe, a Mesh jako tranzytowe, choć podział ten jest bardzo arbitralny, ale jest obecnie akceptowany.

3. Specyfikacje

Sieć samoorganizująca się ma następujące cechy:

Samokonfiguracja – rozpoznawanie i rejestracja nowych podłączonych urządzeń w sieci. Jednocześnie sąsiednie automatycznie dostosowują swoje parametry techniczne (na przykład moc promieniowania, nachylenie anteny itp.).

Samooptymalizacja – dostosowanie parametrów urządzenia przy zmianie parametrów sieci: liczby użytkowników, poziomu sygnału, poziomu zakłóceń zewnętrznych itp.

Samonaprawa - automatyczne wykrywanie i eliminowanie awarii: redystrybucja funkcji pomiędzy urządzeniami w przypadku awarii któregokolwiek węzła sieciowego, co zwiększa odporność sieci na awarie.

Algorytmy routingu dla sieci samoorganizujących się:

Proaktywne wyznaczanie tras – obecność stale aktualizowanych, pełnych list adresów docelowych i tras do nich.

Routing reaktywny – trasy budowane według potrzeb, tj. w obecności ruchu przeznaczonego dla konkretnego odbiorcy, z wykorzystaniem odpytywania sąsiednich węzłów i algorytmów wykrywania sąsiadów.

Routing hybrydowy to połączenie elementów routingu proaktywnego i reaktywnego. Te. przechowywanie tabeli niektórych odbiorców, a następnie odpytywanie ich na żądanie, gdy konieczne będzie zbudowanie innych tras.

Aby zorganizować samoorganizującą się sieć, najczęściej używanymi protokołami są Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, a do routingu - AODV, SAODV, ZRP, OLSR, LAR.

4. Przypadki zastosowania

Szybkie rozmieszczanie sieci czujników w sytuacjach awaryjnych: np. w celu poszukiwania ofiar, analizy skali katastrofy itp. W sieciach lokalnych (sieć HANET) np. przy tworzeniu systemu automatyki budynkowej, systemu automatyki domowej, lokalnych systemów pozycjonowania (RTLS).

W branży transportowej dla systemu inteligentnego transportu i inteligentnego ruchu – sieci VANET. W zatłoczonych miejscach, aby rozładować stacje bazowe i zapewnić bezpośrednią komunikację urządzeń mobilnych bez udziału stacji bazowych (MANET).

5. Przydatne linki

Źródła:

Jeśli w przypadku „tradycyjnej” sieci bezprzewodowej musimy wdrożyć często kosztowną infrastrukturę stacji bazowych, to w przypadku sieci samoorganizujących się wystarczy jeden lub kilka punktów dostępowych.

Istotą sieci samoorganizujących się jest zapewnienie abonentowi możliwości dostępu do różnych usług sieciowych poprzez przesyłanie i odbieranie „swojego” ruchu przez sąsiednich abonentów.

Samoorganizujące się sieci komunikacyjne to sieci o zmiennej, zdecentralizowanej infrastrukturze. Ogólnie rzecz biorąc, sieci te mają zalety szerokiego zasięgu i teoretycznie szerokiej bazy abonentów bez dużej liczby kosztownych stacji bazowych i zwiększonej mocy sygnału.

W uproszczeniu struktura najprostszej samoorganizującej się sieci składa się z dużej liczby abonentów na określonym obszarze, który można po prostu nazwać obszarem zasięgu sieci, oraz z jednego lub więcej punktów dostępu do sieci zewnętrznych. Każde urządzenie abonenckie, w zależności od swojej mocy, ma swój własny zakres działania. Jeżeli abonent znajdujący się „na peryferiach” wysyła pakiet do abonenta znajdującego się w centrum sieci lub do punktu dostępowego, następuje tzw. proces multi-hop polegający na transmisji pakietu przez węzły zlokalizowane na ścieżce abonenta. nastąpi wcześniej zdefiniowana trasa. Można zatem powiedzieć, że każdy nowy abonent wykorzystując swoje zasoby zwiększa zasięg sieci. Dlatego moc każdego pojedynczego urządzenia może być minimalna. A to oznacza zarówno niższe koszty urządzeń abonenckich, jak i lepsze wskaźniki bezpieczeństwa i kompatybilności elektromagnetycznej.

Obecnie istnieje szeroki zakres badań i zastosowań sieci samoorganizujących się w następujących obszarach:

Łączność wojskowa;

Inteligentne systemy transportowe;

Sieci lokalne;

Sieci czujników;

Wszystkie te obszary zostaną omówione w kolejnych artykułach.

Obecnie istnieje kilka „podstawowych” technologii dla sieci samoorganizujących się:

1.Bluetooth

Urządzenia samoorganizujące się oparte na technologii Bluetooth składają się z urządzeń master i slave (można łączyć te role), mogących przesyłać dane zarówno w trybie synchronicznym, jak i asynchronicznym. Tryb transmisji synchronicznej polega na bezpośredniej komunikacji pomiędzy urządzeniami master i slave z przydzielonym kanałem i przedziałami czasowymi dostępu. Tryb ten stosowany jest w przypadku transmisji ograniczonych czasowo. Tryb asynchroniczny polega na wymianie danych pomiędzy urządzeniem głównym i kilkoma urządzeniami podrzędnymi przy użyciu pakietowej transmisji danych. Służy do organizowania pikonetów. Jedno urządzenie (zarówno master, jak i slave) może obsługiwać do 3 połączeń synchronicznych.

W trybie synchronicznym maksymalna prędkość przesyłania danych wynosi 64 kbit/s. Maksymalna prędkość transmisji w trybie asynchronicznym wynosi 720 kbit/s.

Zalety sieci opartych na technologii Bluetooth:

możliwość szybkiego wdrożenia;

stosunkowo niski pobór mocy urządzeń abonenckich;

szeroka gama urządzeń obsługujących tę technologię.

Wady sieci:

mały zasięg działania (zasięg jednego urządzenia abonenckiego wynosi 0,1 - 100 m);

niskie prędkości transmisji danych (dla porównania: w sieciach WiFi jest to 11 – 108 Mbit/s);

brak zasobu częstotliwości.

Być może ten ostatni problem zostanie rozwiązany wraz z wypuszczeniem na rynek urządzeń Bluetooth 3.0, gdzie zakłada się, że możliwe będzie wykorzystanie alternatywnych protokołów na poziomie MAC i fizycznym w celu przyspieszonej transmisji profili Bluetooth (AMP). W szczególności można stosować standardowe protokoły 802.11.

Na podstawie powyższego możemy stwierdzić, że sieci oparte na technologii Bluetooth mają zastosowanie jedynie w zatłoczonych miejscach (np. w centrach miast, małych biurach, sklepach). Na przykład taką sieć można wykorzystać do zorganizowania monitoringu wideo w małym obiekcie.

Sieci 802.11 zostały pierwotnie pomyślane jako sposób na zastąpienie sieci przewodowych. Jednak stosunkowo duże prędkości transmisji (do 108 Mbit/s) sprawiają, że jest on obiecujący do zastosowania w sieciach samoorganizujących się, w których konieczne jest przesyłanie dużych ilości informacji w czasie rzeczywistym (np. sygnałów wideo).

W 2007 roku po raz pierwszy opublikowano wersję roboczą standardu 802.11s, definiującą główne cechy samoorganizujących się sieci opartych na Wi-Fi.

W przeciwieństwie do tradycyjnych sieci Wi-Fi, w których występują tylko dwa rodzaje urządzeń – „punkt dostępowy” i „terminal”, standard 802.11s zakłada obecność tzw. „węzłów sieciowych” i „portali sieciowych”. Węzły mogą komunikować się ze sobą i wspierać różne usługi. Węzły można łączyć z punktami dostępowymi, natomiast portale służą do łączenia się z sieciami zewnętrznymi.

W oparciu o istniejące standardy 802.11 możliwe jest budowanie sieci MANET (mobilnych samoorganizujących się sieci), których cechą charakterystyczną jest duży obszar zasięgu (kilka kilometrów kwadratowych).

Problemy wymagające szczególnej uwagi w dalszym rozwoju samoorganizujących się sieci opartych na WiFi można podzielić na następujące klasy:

Problemy z przepustowością;

Problemy ze skalowalnością sieci.

3.ZigBee

Standard 802.15.4 (ZigBee) opisuje sieci komunikacyjne o małej prędkości i krótkiego zasięgu, wyposażone w urządzenia nadawcze o małej mocy. Zapewnione jest wykorzystanie trzech zakresów częstotliwości: 868-868,6 MHz, 902-928 MHz, 2,4-2,4835 GHz.

Metoda dostępu do kanałów wykorzystuje DSSS o różnych długościach sekwencji dla pasm 868/915 i 2450 MHz.

Szybkość transmisji danych waha się od 20 do 250 kb/s.

Zgodnie ze standardem sieć ZigBee obsługuje topologię gwiazdy i każdego z każdym.

Istnieją dwa typy urządzeń nadawczo-odbiorczych: w pełni funkcjonalne (FFD) i niew pełni funkcjonalne (RFD). Podstawowa różnica między tymi urządzeniami polega na tym, że urządzenia FFD mogą komunikować się bezpośrednio z dowolnym urządzeniem, podczas gdy urządzenia RFD mogą komunikować się tylko z urządzeniami FFD.

Sieć ZigBee może składać się z kilku klastrów utworzonych przez urządzenia FFD.

Sieci ZigBee mogą działać w trybie mesh. Zakłada się, że każdy węzeł sieci (węzeł sieci tworzy urządzenie FFD, RFD działają jak tzw. czujniki) stale monitoruje stan sąsiadujących węzłów, w razie potrzeby aktualizując ich tablice routingu.

W przeciwieństwie do wszystkich poprzednich wersji sieci ad hoc, ZigBee jest zaprojektowany z myślą o niskich prędkościach przesyłania danych i nie ma problemów z możliwością ich zwiększenia.

W dobie urządzeń komunikacyjnych, sieci społecznościowych i innych usług komunikacja na odległość i natychmiastowa wymiana informacji wydają się czymś oczywistym. Jednak szczególnie ważna staje się umiejętność pozostania w kontakcie właśnie w tych momentach, gdy infrastruktura komunikacyjna jest zakłócona. Na przykład na Haiti po niedawnym katastrofalnym trzęsieniu ziemi głównym środkiem komunikacji okazały się telefony satelitarne udostępniane przez służby humanitarne. Ale nie tylko klęski żywiołowe na dużą skalę mogą sparaliżować infrastrukturę komórkową; nawet zwykła przerwa w dostawie prądu może zamienić nasze urządzenia mobilne w bezużyteczne zabawki.
W takich przypadkach tworzenie bezprzewodowej, samoorganizującej się (lub dynamicznej lub ad hoc) sieci staje się coraz bardziej atrakcyjną opcją. Taka struktura tworzy się zawsze, gdy w zasięgu bezpośredniego dostępu znajdują się specjalnie zaprogramowane telefony komórkowe lub inne urządzenia komunikacyjne. Każdy z nich pełni w dynamicznej sieci funkcję zarówno nadajnika, jak i odbiornika, a także, co bardzo ważne, pełni funkcję punktu przekaźnikowego dla wszystkich znajdujących się w pobliżu urządzeń. Urządzenia oddalone od siebie o odległość większą niż zasięg bezpośredniej komunikacji mogą się ze sobą komunikować, jeśli inne urządzenia znajdujące się pomiędzy nimi zechcą im pomóc, przekazując wiadomości wzdłuż łańcucha niczym wiadra w ogniu. Innymi słowy, każdy węzeł w sieci służy zarówno jako komunikator dla własnych komunikatów, jak i jako element infrastruktury dla komunikatów z innych węzłów.
Pomoc w przypadku klęsk żywiołowych to tylko jedna z możliwych funkcji samoorganizujących się sieci. Przydadzą się wszędzie tam, gdzie utworzenie stałej bazy byłoby zbyt czasochłonne, trudne lub kosztowne. Wojsko zainwestowało dużo pieniędzy w rozwój samoorganizujących się systemów do użytku na polu bitwy. Dynamiczne sieci w Twoim domu pozwolą urządzeniom znajdować się i komunikować ze sobą, eliminując potrzebę prowadzenia przewodów do sypialni lub biura. Odległe osiedla i sąsiedzi o niskich dochodach mogliby uzyskać szerokopasmowy dostęp do Internetu za pośrednictwem bezprzewodowych sieci ad hoc. Naukowcy badający ekologiczne mikrosiedliska w koronach drzew lub kominach hydrotermalnych na dnie oceanu mogą umieszczać czujniki w interesujących miejscach, nie martwiąc się o to, czy będą się „słyszeli” i w jaki sposób informacje dostaną się do ich komputera.
Rozwój takich sieci trwa już ponad trzydzieści lat, jednak dopiero w ostatnich latach postęp w teorii sieci doprowadził do powstania pierwszych działających systemów wielkoskalowych. W San Francisco nowa firma Meraki Network połączyła 400 000 mieszkańców miasta z Internetem za pośrednictwem systemu Free the Net, opartego na technologii bezprzewodowej sieci ad hoc. Komponenty Bluetooth w telefonach komórkowych, systemach gier komputerowych i laptopach komunikują się ze sobą bez połączeń przewodowych lub specjalnej konfiguracji przy użyciu technologii dynamicznych sieci. Samoorganizujące się sieci są wdrażane w wielu odległych lub niegościnnych lokalizacjach w celu gromadzenia informacji z czujników bezprzewodowych o małej mocy. Aby takie sieci stały się powszechne, potrzeba jeszcze szeregu przełomów technicznych, ale na kilku frontach poczyniono już postępy.

Sieć komórkowa
Bezprzewodowe, samoorganizujące się sieci są wciąż rzadkością. Aby zrozumieć przyczynę ich powolnego wdrażania, warto przyjrzeć się różnicom między nowymi technologiami, takimi jak telefony komórkowe i Wi-Fi. Kiedy dzwonisz do przyjaciela za pomocą telefonu komórkowego, komunikacja bezprzewodowa obejmuje tylko każdy z podłączonych telefonów i najbliższą mu stację bazową. Wieże są stacjonarne i połączone ze sobą rozległą siecią przewodów i kabli. Bezprzewodowe sieci LAN, zwłaszcza Wi-Fi, również wykorzystują anteny stałe i połączenia przewodowe.
To podejście ma zarówno zalety, jak i wady. Do przesyłania informacji potrzebna jest energia, która w klasycznych sieciach bezprzewodowych jest magazynowana w bateriach urządzeń mobilnych (np. telefonów i laptopów), a maksymalna możliwa część obciążenia komunikacyjnego przenoszona jest na infrastrukturę stacjonarną, zasilaną z sieci sieć elektryczna. Przepustowość sieci bezprzewodowej jest również zasobem stałym i ograniczonym. W tradycyjnych sieciach bezprzewodowych przepustowość jest oszczędzana poprzez przesyłanie większości informacji za pośrednictwem łączy przewodowych. Korzystanie z infrastruktury stacjonarnej pozwala na tworzenie większych i bardziej niezawodnych zasobów łączności telefonicznej i WiFi tam, gdzie jest to największe zapotrzebowanie.
Jednak korzystanie z infrastruktury stacjonarnej naraża te sieci na zagrożenia: ich działanie zostaje zakłócone w przypadku przerw w dostawie prądu i innych awarii, nawet jeśli poszczególne telefony i inne urządzenia mobilne znajdujące się w zasięgu sieci działają prawidłowo. Niezawodność sieci dynamicznych jest znacznie wyższa. Jeśli jedno urządzenie mobilne przejdzie w tryb offline, pozostałe modyfikują sieć w taki sposób, aby w jak największym stopniu zrekompensować utracony element. W miarę podłączania i odłączania urządzeń sieć dostosowuje się i „naprawia” sama.
Ale taka rekonfiguracja nie idzie na marne. Sieć musi przekazywać informacje w taki sposób, aby przekaz można było odtworzyć nawet wtedy, gdy w trakcie transmisji komunikatu przestaną działać niektóre ogniwa w łańcuchu komunikacyjnym pomiędzy nadawcą a adresatem. System musi określić optymalną ścieżkę dostarczenia wiadomości do odbiorcy, nawet jeśli urządzenie wysyłające nie jest w stanie określić lokalizacji odbiorcy. Ponadto sieć musi radzić sobie z nieuniknionym szumem pochodzącym od wielu urządzeń jednocześnie przesyłających wiadomości.

Bezprzewodowe sieci samoorganizujące się (inne nazwy: bezprzewodowe sieci ad hoc, bezprzewodowe sieci dynamiczne) to zdecentralizowane sieci bezprzewodowe, które nie mają stałej struktury. Urządzenia klienckie łączą się na bieżąco, tworząc sieć. Każdy węzeł sieci próbuje przekazać dane przeznaczone dla innych węzłów. W tym przypadku określenie, do którego węzła wysłać dane, odbywa się dynamicznie, w oparciu o łączność sieciową. Inaczej jest w przypadku sieci przewodowych i zarządzanych sieci bezprzewodowych, w których zadanie kontrolowania przepływu danych realizują routery (w sieciach przewodowych) lub punkty dostępowe (w zarządzanych sieciach bezprzewodowych).

Pierwszymi bezprzewodowymi, samoorganizującymi się sieciami były sieci „radia pakietowego”, które rozpoczęły się w latach 70. XX wieku i były finansowane przez DARPA po projekcie ALOHAnet.

Aplikacja: Minimalna konfiguracja i szybkie wdrożenie pozwala na wykorzystanie samoorganizujących się sieci w sytuacjach awaryjnych, takich jak klęski żywiołowe i konflikty zbrojne.

W zależności od zastosowania bezprzewodowe sieci samoorganizujące się można podzielić na:

mobilne sieci samoorganizujące się

bezprzewodowe sieci kratowe

bezprzewodowe sieci czujników

Podstawowe zasady bezprzewodowych sieci ad-hoc:

- Sieci bezprzewodowe dzielą się na dwie kategorie - sieci typu infrastrukturalnego (infrastruktura) i sieci typu ad-hoc (specjalistyczne). Do połączenia kilku komputerów w sieć infrastrukturalną wykorzystuje się routery lub grupowe punkty dostępu. Sieć ad-hoc nie korzysta z routerów ani grupowych punktów dostępu. Składa się z komputerów, które bezpośrednio wymieniają między sobą dane.
- Sieci ad-hoc to zbiór węzłów bezprzewodowej komunikacji mobilnej (stacje, użytkownicy) tworzących dynamiczną sieć autonomiczną wykorzystującą w pełni mobilną infrastrukturę. Węzły komunikują się ze sobą bez interwencji scentralizowanych punktów dostępowych lub stacji bazowych, dzięki czemu każdy węzeł działa zarówno jako router, jak i użytkownik końcowy.
- Przykładem może być bezprzewodowe połączenie kilku komputerów bez punktu dostępowego. Ten sposób łączenia jest często stosowany na wystawach i w salach konferencyjnych.
- W Internecie routery w centralnych obszarach sieci należą do znanych operatorów, dlatego zakłada się pewien stopień zaufania. Ale to założenie nie jest już ważne w przypadku sieci Ad-hoc, ponieważ Oczekuje się, że wszystkie węzły w sieci będą uczestniczyć w routingu.

Tryb IBSS:- Tryb IBSS, zwany także trybem ad-hoc, przeznaczony jest do połączeń punkt-punkt. W rzeczywistości istnieją dwa typy trybu ad-hoc. Jednym z nich jest tryb IBSS, zwany także trybem ad-hoc lub trybem ad-hoc IEEE. Ten tryb jest zdefiniowany przez standardy IEEE 802.11. Drugi tryb nazywany jest trybem demo ad-hoc lub trybem ad-hoc Lucenta (lub czasami błędnie trybem ad-hoc). Jest to stary tryb ad hoc, starszy niż 802.11 i powinien być używany tylko w starszych sieciach.

Szyfrowanie:- Szyfrowanie w sieci bezprzewodowej jest ważne, ponieważ nie ma już możliwości ograniczenia sieci do dobrze zabezpieczonego obszaru. Dane z Twojej sieci bezprzewodowej są rozsyłane po całym obszarze, dzięki czemu każdy zainteresowany może je odczytać. Tutaj w grę wchodzi szyfrowanie. Szyfrując dane przesyłane drogą bezprzewodową, znacznie utrudniasz bezpośrednie ich przechwycenie.

- Dwie najczęściej stosowane metody szyfrowania danych pomiędzy klientem a punktem dostępowym to WEP i ip-sec:
- WEP. WEP to skrót od Wired Equivalency Protocol. WEP to próba uczynienia sieci bezprzewodowych równie niezawodnymi i bezpiecznymi jak sieci przewodowe.
- IP sec. ip-sec to znacznie bardziej niezawodny i wydajny sposób szyfrowania danych w sieci. Ta metoda jest zdecydowanie preferowaną metodą szyfrowania danych w sieci bezprzewodowej.

Narzędzia:- Istnieje kilka narzędzi, których można użyć do konfiguracji i debugowania sieci bezprzewodowej:

pakiet bsd-airtools

- Pakiet bsd-airtools to kompletny zestaw narzędzi, w tym narzędzia do testowania sieci bezprzewodowej pod kątem łamania kluczy WEP, wykrywania punktów itp.
- Narzędzia bsd-airtools można zainstalować z portu net/bsd-airtools .

narzędzia wicontrol, ancontrol i raycontrol

Są to narzędzia, których można używać do kontrolowania zachowania karty bezprzewodowej w sieci. Opcja Wicontrol jest wybrana, gdy karta sieci bezprzewodowej jest interfejsem wi0. Jeśli zainstalowane jest urządzenie dostępu bezprzewodowego Cisco, interfejs ten będzie miał wartość 0, a następnie zostanie użyta kontrola

Obsługiwane adaptery: Punkty dostępu

Jedyne adaptery, które są obecnie obsługiwane w trybie BSS (jako punkt dostępu), to te oparte na chipsecie Prism 2, 2.5 lub 3).

Klienci 802.11a i 802.11g

- Niestety, nadal wielu producentów nie udostępnia społeczności open source schematów swoich sterowników, ponieważ informacje te są uważane za tajemnicę handlową. Dlatego twórcy systemów operacyjnych mają dwie możliwości: opracować sterowniki w drodze długiego i złożonego procesu inżynierii wstecznej lub wykorzystać istniejące sterowniki dla platform Microsoft® Windows.
- Dzięki wysiłkom Billa Paula (wpaul) dostępna jest „przejrzysta” obsługa specyfikacji interfejsu sterownika sieciowego (NDIS). FreeBSD NDISulator (znany również jako Project Evil) konwertuje binarny sterownik systemu Windows, dzięki czemu działa tak samo, jak w systemie Windows. Ta funkcja jest wciąż stosunkowo nowa, ale działa odpowiednio w większości testów.

Wiadomo, że podstawową infrastrukturą współczesnego Internetu zarządzają i utrzymują dziesiątki organizacji, z których część jest kontrolowana przez rząd USA. Nie każdemu podoba się taki stan rzeczy, dlatego od kilku lat specjaliści IT dyskutują o alternatywnych sposobach organizacji globalnych sieci informacyjnych.

Istnieją dwa główne zagrożenia dla bezpieczeństwa wymiany informacji w sieciach elektronicznych: nieuprawniony dostęp do prywatnych danych oraz ingerencja w pracę sprzętu i urządzeń w celu zakłócenia ich działania, a nawet uniemożliwienia.

Możliwą odpowiedzią na te zagrożenia jest upowszechnienie się nowego rodzaju telekomunikacji – niezależnych, zdecentralizowanych sieci, w których każde urządzenie jest pełnoprawnym uczestnikiem i ponosi swoją część odpowiedzialności za funkcjonowanie sieci. Ten typ sieci informacyjnych nazywa się AHN (sieć ad hoc).

Główny problem, który dotychczas uniemożliwiał wdrożenie tego typu sieci w skali globalnej, wynikał z niskiej wydajności urządzeń oraz „wąskich” kanałów komunikacji: routing i transmisja danych niezbędnych do działania sieci ad hoc pochłania zasoby systemowe i zajmuje wysokie wymagania dotyczące przepustowości kanału łączącego urządzenia między sobą. Obecnie wiele urządzeń nie posiada tych mankamentów, co oznacza, że w nadchodzących latach należy spodziewać się pojawienia się eksperymentalnych sieci ad hoc składających się z tysięcy urządzeń.

A za kilka dekad bezprzewodowe lub mobilne sieci ad hoc (MANET, mobilne sieci ad hoc) mogą stać się warunkiem wstępnym bezpiecznego działania przyszłych systemów transportowych, które połączą ogromną liczbę zrobotyzowanych samochodów, samolotów i pociągów . Każdy pojazd w takim systemie będzie otrzymywać nawigację i inne informacje bezpośrednio od swoich sąsiadów: może to zapewnić niezawodną i ciągłą komunikację pojazdów autonomicznych.

Bezprzewodowe sieci samoorganizujące się (MANET-Mobile Ad-Hoc Networks) reprezentują architekturę mobilnych sieci radiowych, która zakłada brak stałej infrastruktury sieciowej (stacje bazowe) i scentralizowane zarządzanie. Sieci te stały się szczególnie atrakcyjne wraz z pojawieniem się standardów bezprzewodowych i technologii sieciowych (Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). W oparciu o istniejące już standardy 802.11 i 802.16 możliwa jest budowa bezprzewodowych, samoorganizujących się sieci w skali miejskiej, których cechą wyróżniającą jest duży obszar zasięgu (kilka kilometrów kwadratowych).

Bezprzewodową sieć samoorganizującą się (WSN) charakteryzują dynamiczne zmiany topologii, ograniczona przepustowość, ograniczona moc baterii w węzłach, niejednorodność zasobów węzła, ograniczone bezpieczeństwo itp. Jednak od niedawna sieci WSN zaczęto stosować w inteligentnych systemach transportowych oraz dla domu (HANET – Home AdHoc Network), dla sieci małych biur, do wspólnego przetwarzania komputerów zlokalizowanych na niewielkim obszarze. Sieci samoorganizujące się (sieci Ad-Hoc) można klasyfikować ze względu na ich zastosowanie: - mobilne, bezprzewodowe sieci samoorganizujące się (Mobile Ad-hoc Networks, MANET); - Bezprzewodowe sieci kratowe (WMN);

Mobilna bezprzewodowa sieć ad hoc (MANET), czasami nazywana mobilną siecią kratową, to samokonfigurująca się sieć składająca się z urządzeń mobilnych. Wszystkie węzły wykorzystują do komunikacji połączenia bezprzewodowe (ryc. 1.8).

Ryż. 1.8. Przykład architektury sieci WSN

Wszystkie urządzenia w sieci WSN są w ciągłym ruchu, dlatego też połączenia w sieci ulegają ciągłym zmianom. Każdy węzeł musi pełnić funkcje routera i brać udział w przekazywaniu pakietów danych. Głównym zadaniem przy tworzeniu takiej sieci jest zapewnienie, że wszystkie urządzenia mogą stale utrzymywać aktualne informacje w celu prawidłowego kierowania ruchem. Sieć WSN można również podzielić na kilka klas:

Pojazdowa sieć ad hoc (VANET) to sieć ad-hoc używana do komunikacji między pojazdami a urządzeniami przydrożnymi;

Inteligentna sieć samochodowa Ad-Hoc (InVANET) to rodzaj sztucznej inteligencji, która pomaga kontrolować samochód w różnych nieprzewidzianych sytuacjach;

Internetowa mobilna sieć ad hoc (iMANET) to sieć WSN łącząca węzły mobilne ze stacjonarnymi bramami internetowymi.

Bezprzewodowe sieci kratowe to specjalny typ sieci Ad-Hoc, który ma bardziej zaplanowaną konfigurację. Sieci mesh składają się z klientów, routerów i bram (rysunek 1.9). Główna różnica polega na tym, że węzły bezprzewodowe nie poruszają się w przestrzeni podczas pracy. Główna różnica pomiędzy sieciami MANET i Mesh polega na tym, że MANET z reguły odnosi się do sieci terminalowej, tj. do sieci bez funkcji tranzytowych, a sieć Mesh do sieci tranzytowej, choć podział ten jest bardzo arbitralny, ale jest obecnie akceptowany. Zgodnie z bardziej złożonymi funkcjami sieci Mesh, przy jej budowie rozróżnia się także nadrzędne i podrzędne sieci internetowe.

Ryż. 1.9. Przykład bezprzewodowej sieci kratowej

Obecnie istnieje ogromne zainteresowanie naukowe i stosowane tworzeniem samoorganizujących się, samonaprawiających się sieci.

Jak wspomniano powyżej, za jednego z najważniejszych kandydatów do wdrożenia kognitywnych sieci bezprzewodowych uważa się bezprzewodowe, samoorganizujące się sieci.

Ramming twierdzi, że sieć WSN wymaga nowego typu technologii sieciowej zwanej technologią kognitywną. Twierdzi, że taka sieć musi rozumieć zadania aplikacji, a aplikacja jest w stanie w każdej chwili zrozumieć możliwości sieci. Pozwoliłoby to sieci, poznając podstawowe wymagania aplikacji, na wykorzystanie nowych możliwości i dynamiczny wybór protokołów sieciowych, które spełniają te wymagania.

Główną zasadą teorii poznawczej jest zastosowanie pętli poznawczej w sieciach do rozpoznawania wzorców. Stopień, w jakim węzeł potrafi rozpoznać wzorce, zależy od jego logicznej pozycji i poziomu lokalizacji w sieci. Na tej podstawie, podobnie jak sieć WSN, sieć kognitywną można uznać za dynamiczną sieć integrującą. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie technologii kognitywnej w WSN, co w konsekwencji prowadzi do rozwoju WSN.

Kognitywna bezprzewodowa, samoorganizująca się sieć jest naturalnym punktem końcowym rozwoju nowoczesnej sieci WSN. Jednak sieci kognitywne reagują znacznie szybciej niż sieci samoorganizujące się, ponieważ muszą być w stanie uczyć się i planować, dlatego istnieje większa potrzeba introspekcji. Można argumentować, że w pełni funkcjonująca sieć poznawcza jest naturalnym rozwinięciem sieci WSN.

Rozważmy najprostszy przykład kontroli routingu w samoorganizującej się sieci kognitywnej. Jako przykład konieczności dostosowania całego systemu rozważono sesję transmisji danych w sieci samoorganizującej się pomiędzy węzłem wychodzącym S1 a węzłem docelowym D1, jak pokazano na rys. 1.10. Węzeł inicjujący S1 nie ma wystarczającej mocy, aby przesłać dane bezpośrednio do D1. Dlatego musi przesyłać dane do węzła docelowego tylko przez węzły pośrednie, takie jak R1 i R2.

Ryż. 1.10. Kontrola routingu w kognitywnej sieci Ad-Nos

Zakłada się, że obwód od źródła do miejsca docelowego charakteryzuje się wysokim prawdopodobieństwem pomyślnej transmisji. Warstwa routingu określi trasy w oparciu o minimalną liczbę węzłów pośrednich, która w tym przypadku obejmuje R1 lub R2. Węzeł S1 przeprowadza adaptację warstwy łącza, aby wybrać R1 lub R2 w oparciu o stosunek sygnału do szumu i najniższe prawdopodobieństwo awarii komunikacji. Z punktu widzenia warstwy łącza w węźle S1 daje to największe prawdopodobieństwo, że transmitowane pakiety dotrą poprawnie do węzłów przekaźnikowych. Jednak bez dodatkowych informacji wybór ten nie gwarantuje prawdopodobieństwa dostarczenia przesyłanych danych z S1 do D1.

W odróżnieniu od adaptacji poszczególnych elementów sieci, sieć kognitywna wykorzystuje informacje ze wszystkich węzłów do obliczenia całkowitego prawdopodobieństwa awarii komunikacji na trasie od węzła S1 do D1 poprzez węzły R1 i R2. Pokazuje to przewagę bardziej globalnego podejścia, ale sieć poznawcza ma także inną zaletę: zdolność uczenia się. Załóżmy, że silnik poznawczy mierzy przepustowość od źródła do miejsca docelowego, aby ocenić skuteczność poprzednich decyzji, a węzły S1 i S2 kierują swój ruch w obu kierunkach przez węzeł R2, ponieważ spełnia to wymóg minimalnego prawdopodobieństwa awarii komunikacji. Obecnie zakłada się, że R2 się zapełnia ze względu na duże natężenie ruchu pochodzącego z S2. Staje się to oczywiste, gdy bada się przepustowość na podstawie komunikatów węzłów S1 i S2. Mechanizm uczenia się rozpoznaje, że poprzednie rozwiązanie nie jest już optymalne, a proces poznawczy ukierunkowany jest na wygenerowanie innego rozwiązania. Sieć poznawcza najwyraźniej nie wie, że w węźle R2 występuje przepełnienie, ponieważ nie uwzględniliśmy tej informacji jako obserwacji. Jednakże sieć jest w stanie wywnioskować, że mogą wystąpić problemy z powodu zmniejszonej przepustowości, a następnie zareagować na przeciążenie, być może przekierowując ruch przez węzły R1 i/lub R3. Przykład ten ilustruje potencjał sieci kognitywnych w optymalizacji ciągłego działania i zdolności reagowania na nieprzewidziane okoliczności. Protokół routingu sieci kognitywnej nie opiera się na podejściu czysto algorytmicznym i jest w stanie wybrać efektywny tryb pracy nawet w nieoczekiwanych sytuacjach.

Bibliografia

1- Wygliński A.M., Nekovee M., Hou Y.T. (Redaktorzy). Kognitywna komunikacja radiowa i sieci: zasady i praktyka , Prasa Akademicka | 2009, 736 stron.

2- Komashinsky V.I. Mobilne systemy radiokomunikacyjne z pakietową transmisją informacji./ V.I. Komashinsky, A.V. Maksimov // St. Petersburg: Wydawnictwo Lem, 2006. - 238 s.

3- Cordeiro C. IEEE 802.22: pierwszy światowy standard bezprzewodowy oparty na radiu kognitywnym / C Cordeiro, K. Challapali, D. Birru, Sai Shankar // Pierwsze Międzynarodowe Sympozjum IEEE nt. nowych granic w sieciach dostępu do widma dynamicznego (DySPAN 2005), listopad 2005. s. 328-337.

4- Baranov V.P. Synteza automatów mikroprogramowych. M.: Wiedza, 1997.-376 s.

5- Kucheryavyi A.E. Samoorganizujące się sieci i nowe usługi / A.E. Curly // Electrosvyaz, nr 1 2009. s. 19-23.

6- Ramming S. Sieci poznawcze. Materiały z Sympozjum Technologicznego DARPA, marzec 2004. s. 9-11.