معمولا پیام ها به تاخیر حساس هستند.
در بحث امنیت، شبکه های نظامی با محدودیت های بسیار روبرو هست.
کارکرد شبکه های اقتضایی در سیستم های نظامی
یک فناوری که ممکن است نیازمندیهای شبکه بالا را جوابگو باشد و بر محدودیت ها و مشکلات آن غلبه کند، شبکه های اقتضایی متحرک ^[۹] است [۱]. یک شبکه MANET مجموعه ای از مسیریاب^[۱۰] است که با گیرنده و فرستنده بی سیم مجهز شده اند. این گیرنده و فرستنده آزاد هستند که به هرجایی که خواستند حرکت کنند و به طور پویا تشکیل یک شبکه موقت - بدون هیچگونه زیر ساختی و یا کاربر مرکزی جهت فرماندهی- دهند. وضعیت لینک‌های ارتباطی در هر لحظه از زمان تابعی از عوامل مختلف است. در نتیجه توپولوژی شبکه به سرعت تغییر می کند [۵].
ویژگی‌های شبکه‌های اقتضایی متحرک^[۱۱] که آن را برای کاربرد در شبکه‌های نظامی مناسب می کند [۶]، به شرح زیر است:

نیازی به زیرساخت ندارد: در میدان های نبرد به وجود آوردن زیر ساخت ممکن نیست. شبکه باید قابلیت پیاده سازی سریع داشته باشد [۲].
داشتن توپولوژی پویا (غیر ایستا)^[۱۲]: در شبکه های نظامی کاربرها متحرک هستند و وضعیت لینک ها متغیر است، در نتیجه توپولوژی شبکه دایم در حال تغییر است.
شبکه خود سازمانده ^[۱۳]: نیاز به مرکز خاصی جهت مدیریت و فرماندهی ندارد.
قابلیت خود درمانی ^[۱۴] دارد.
قابلیت خود ابقایی ^[۱۵] دارد( شبکه های نظامی باید دارای امکان بازسازی سریع ^[۱۶] و بازیابی شبکه ^[۱۷] باشد [۴].)
داشتن روابط مساوی در میان کاربرها
با در نظر گرفتن این ویژگی ها متوجه می شویم که شبکه اقتضایی یک تکنولوژی مناسب برای شبکه های نظامی با تحرک بالا هستند [۲]. همچنین از آنجا که در شبکه های اقتضایی امکان بازپخش ^[۱۸] اطلاعات وجود دارد، در نتیجه می توان بر محدودیت های جغرافیایی غلبه کرد و با بهره گرفتن از بازپخش های پی در پی ناحیه تحت پوشش را گسترش داد.
شکل ‏۱‑۱: نمایی از یک شبکه مخابراتی نظامی در محیط نبرد
ساختار پایان نامه
در این پایان نامه قرار است مسیریابی را به عنوان چالش برانگیزترین ویژگی شبکه های اقتضایی نظامی را مورد بررسی قرار دهیم. با توجه به کاربرد نظامی در نظر گرفته شده برای شبکه، ابتدا به معرفی شبکه های اقتضایی می پردازیم. سپس کاربرد ها و مسائل این شبکه ها را با تاکید بر مساله مسیریابی و کارکرد نظامی این شبکه ها، توضیح می دهیم. سپس مروری بر پروتکل های مسیریابی موجود داریم و از میان آنها، پروتکل های مناسب برای شبکه های نظامی را به طور کامل تر بررسی می کنیم، مقایسه ای در میان این پروتکل ها انجام می دهیم و معایب و کمبود های آنها را توضیح می دهیم. سپس برای برطرف کردن این معایب پروتکل پیشنهادی خود را معرفی می کنیم و با کمک نرم افزار شبیه سازی NS2، که معتبرترین نرم افزار شبیه سازی شبکه های اقتضایی می باشد، پروتکل پیشنهادی را ارزیابی می کنیم. در نهایت نتایج حاصل از شبیه سازی ها را جهت مقایسه با سایر کارهای موجود ارائه می دهیم .
فصل دوم: شبکه های اقتضایی متحرک
مقدمه
قرن جدید، قرن انفجار اطلاعات می باشد. امروزه به کارگیری شبکه های بی سیم آنچنان گسترش و عمومیت یافته که تصور زندگی بدون جنبه ها و مظاهر آنها ممکن نمی باشد. اما این شبکه ها به علت بروز مفاهیمی چون سهولت پیاده سازی، راحتی به کارگیری، قابلیت استفاده درهمه‌جا و رهایی از نقاط اداره کننده مرکزی (نظیر BTS ) با چالش‌هایی روبرو هستند. جهت رفع این چالش‌ها، نسل جدیدی از شبکه‌ها با عنوان شبکه‌های بی سیم اقتضایی متحرک معرفی شده‌اند.
یک شبکه‌ی اقتضایی ^[۱۹] مجموعه‌ای از گره‌ها می باشد که بدون داشتن هیچگونه زیر ساختی با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. در اینگونه شبکه‌ها اگر از یک ساختار ثابت استفاده شود، آن را شبکه مش می نامند. در شبکه‌های اقتضایی از هاپ ^[۲۰] ( پرش کوتاه) جهت ایجاد ارتباط بین گره ها استفاده می شود. شبکه‌های بی سیم اقتضایی نسبت به سایر شبکه‌ها دارای مزایای زیر می باشد:
پیاده سازی سریع و آسان: در این نوع شبکه، چون هیچ نیازی به هیچ زیر ساختی نظیر ایستگاه مرکزی یا آنتن و یا … ندارد، پیاده سازی آن می تواند بسیار سریع باشد .
قابلیت تحرک و انعطاف‌پذیری: بدلیل اینکه همه گره ها متحرک هستند، قابلیت انعطاف پذیری شبکه بالا می‌باشد. برچیدن این شبکه‌ها نیز می تواند سریع باشد .
قابلیت انتقال اطلاعات در مکان‌هایی که دید مستقیم وجود ندارد‌: در مکان‌هایی که شرایط طبیعی مساعدی وجود ندارد و گره ها با یکدیگر نمی توانند به طور مستقیم در ارتباط باشند (مانند وجود یک کوه درمیان شبکه)، شبکه‌های اقتضایی با بهره گرفتن از خاصیت مسیریابی و بازپخش اطلاعات می توانند ارتباط را برقرار کند.
اقتصادی بودن این نوع شبکه ها: به علت نیاز نداشتن به یک ساختار ثابت و توان مصرفی کم از نظر اقتصادی بهینه هستند .
با توجه به نیازهای امروز و آینده، توجیه فراوانی برای استفاده از شبکه‌های اقتضایی وجود دارد. اغلب این نیازها هنگامی مطرح می شوند که ایجاد زیرساخت به منظور تشکیل شبکه‌هایی از نوع شبکه‌های کنونی ممکن نیست و یا صرفه اقتصادی یا زمانی ندارد. در کنار این جنبه‌های زیبا از شبکه های اقتضایی، مسائلی نیز وجود دارد که شبکه را با چالش های فراوانی روبرو می کند. مهم ترین این مسائل مسیریابی می باشد. در این فصل نگاهی اجمالی به شبکه‌های اقتضایی، مفاهیم، تاریخچه، کاربردها و چالش های موجود در این شبکه ها داریم.
تعریف شبکه‌های اقتضایی
شبکه‌ی اقتضایی مجموعه ای از گره‌های متحرک است که مستقل از هرگونه زیر ساخت و از طریق امواج رادیویی با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. هر کدام از این گره‌ها می توانند نقش بازپخش کننده ^[۲۱] اطلاعات را برای پیام‌هایی که مقصد دیگری دارند، ایفا کنند و پیام را به سمت گره مقصد دوباره ارسال می کنند .
در شبکه اقتضایی، توپولوژی قابل تغییر می باشد و گره‌ها می توانند آزادانه حرکت کنند. در این شبکه‌ها هیچ نهادی برای تعین توپولوژی شبکه وجود ندارد، به همین علت شبکه‌ی اقتضایی را خود پیکر بندی شده ^[۲۲] می نامند [۷]. هر گره در این شبکه می تواند با گره‌های دیگری که در یک محدوده مجاز رادیویی از پیش تعریف شده قرار دارند، به طور مستقیم و بلاواسطه ارتباط برقرار کند. این گره‌ها، همسایه‌های بلافصل گره اول محسوب می شوند. اما یک گره مبدا به منظور برقراری ارتباط با یک گره مقصد که همسایه او محسوب نمی شود، نیاز مند به یک یا چند گره واسط میانی می باشد. این گره‌های واسط وظیفه پیش راندن بسته‌های داده رسیده از گره مبدا به سمت گره مقصد را بر عهده دارند [۸].
این شبکه‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا بتوانند بدون نیاز داشتن به یک اداره کننده مرکزی در حین حرکت، با یکدیگر ارتباط بی سیم داشته باشند. به همین دلیل شبکه‌های اقتضایی را خود سازماندهی شده ^[۲۳] می نامند. در این شبکه‌ها اگر دو گره در برد رادیویی همدیگر باشند، به طور مستقیم با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند در غیر این صورت از طریق گره‌های میانی و بازپخش اطلاعات با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. در نتیجه هر گره در این شبکه نه تنها می تواند نظیر سایر شبکه‌ها، فرستنده و یا گیرنده باشد، بلکه با بازپخش داده‌ها برای سایر گره‌ها نقش مسیریاب ^[۲۴] را نیز ایفا کند. به کارگیری چنین شیوه‌ای، این شبکه‌ها را از وابستگی به نقاط مرکزی (که می تواند بسیار آسیب پذیر باشد )رها ساخته و پیاده سازی این شبکه‌ها را بسیار ساده کرده است. از این منظر، این شبکه‌ها را فاقد زیر ساخت ^[۲۵]می نامند و آنها را برای کاربرد هایی که نیاز به پیاده سازی سریع و یا بدون زیرساخت دارند، همچنین برای کاربرد های نظامی که در آن گره ها ممکن است مورد حمله قرار گیرند، مناسب می کند [۹].
شکل ‏۲‑۱: مثالی از ساختار شبکه های اقتضایی
شبکه‌های اقتضایی متحرک ^[۲۶] یا MANET یک زیر شاخه از شبکه‌های اقتضایی می باشند که در آن گره‌ها می توانند حرکت کنند. در ادامه این فصل آشنایی کلی با شبکه‌های اقتضایی بدست می آوریم .
تاریخچه شبکه‌های اقتضایی
بیش از ۳۰ سال است که تحقیقات بر روی شبکه‌های چند هاپ ^[۲۷] در حال انجام است. در سال‌های اخیر این رشته تحقیقی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. علت این توجه در این است که کارت‌های بی سیم ارزان قیمت بسیاری به وجود آمده‌اند و علاقه عموم مردم به سمت شبکه‌های متحرک حرکت کرده است [۱۰]. شبکه MANET یک شبکه بی سیم چند هاپ خود سازماندهی شده و خود پیکربندی می باشد.
سیستم مخابراتی سویچینگ بسته ^[۲۸] را اولین سیستم از نسل شبکه‌های مخابراتی می توان دانست که در انتها منجر به معرفی و بکارگیری شبکه های اقتضایی بی سیم شده است. این سیستم توسط ARPANET در سال ۱۹۶۰ بکار گرفته شد. برتری این شبکه نسبت به سایر شبکه‌های مخابراتی هم دوره خود، در این بود که پهنای باند را به طور پویا بین گره‌ها تقسیم می کرد. وزارت دفاع آمریکا به سرعت به قابلیت رادیوی سوییچینگ بسته جهت متصل کردن گره‌های متحرک در میدان‌های نبرد پی برد. دو پروتکل مسیریابی مشهور بردار فاصله ^[۲۹] و وضعیت لینک ^[۳۰] اولین بار برای این شبکه‌ها مطرح شدند.
شبکه MANET از شبکه رادیو بسته متعلق به DARPA نشأت گرفته است. اولین شبکه اقتضایی را می توان شبکه رادیو بسته ^[۳۱] یا PRNet نامید. DARPAتحقیقات بر روی شبکه رادیو بسته را از سال ۱۹۷۲ آغاز کرد. شبکه رادیو بسته این توانایی را داشت که کانال همه پخشی رادیویی را بین چندین رادیو به اشتراک بگذارد. از شبکه رادیو بسته برای انتقال اطلاعات دیجیتال از طریق محیط بی‌سیم استفاده می شد [۱۱]. این شبکه جهت دسترسی به محیط ^[۳۲] از ترکیبی از پروتکل‌های ALOHA و CSMA استفاده کرد.
در شکل زیر مثالی از PRNet را مشاهده می کنید:
شکل ‏۲‑۲: شبکه رادیو بسته [۸]
در این شبکه از گره‌های ثابت و متحرک استفاده می شد و به طور کامل بدون زیر ساخت نبود. مزایای این شبکه در این بود که تکرارکننده‌ها ^[۳۳] و ترمینال‌ها متحرک بودند و یک سری ایستگاه ثابت برای مسیریابی وجود داشت. در این ساختار از شبکه سیمی استفاده نمی شد. امکان پیاده‌سازی سریع و پشتیبانی کردن از گره‌های متحرک نیز وجود داشت. مشکل این سیستم در این بود که به خاطر توپولوژی پویا و محیط ارتباطی‌اش از پیچیدگی بالایی برخوردار بود. ساختار ارتباطی آن نیمه دو طرفه^[۳۴] بود و در بین ایستگاه‌های مسیریاب ثابت، الگوریتم مسیریابی Bellmam-ford (بردار فاصله ^[۳۵]) پیاده سازی شده بود.
نسل بعد از شبکه رادیو بسته، شبکه رادیوی وفقی با دوام ^[۳۶] یا SURAN قرار داشت که در اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی به کار گرفته شد. هدف از این فناوری در این بود که فناوری سوییچ بسته را در میدان‌های نبرد متحرک و بدون زیرساخت به کارگیرد. شبکه رادیوی وفقی، رادیوها را به طور قابل ملاحظه ای بهبود بخشید، آنها را کوچکتر، ارزانتر و از نظر مصرف باطری بهبود بخشید. شبکه رادیوی وفقی از مسیریابی وضعیت لینک سلسله مراتبی ^[۳۷] استفاده می کرد و مشکل مقیاس پذیری را بهبود بخشید، همچنین این شبکه را در برابر حملات الکترونیکی مقاوم‌تر کرد .
در اوایل دهه ۱۹۹۰ موج جدیدی از فناوری‌ها به میدان آمدند، کامپیوتر‌های note-book بسیار گسترش یافتند، نرم افزار‌های کد باز ^[۳۸]، محبوبیت زیادی کسب کردند و ارتباط قابل اطمینان از طریق RF و مادون قرمز ^[۳۹]شکل گرفت و در همین زمان بود که ایده شبکه بدون زیر ساخت در دو مقاله بیان شد [۱۲]و[۱۳]. نهایتا کمیته IEEE 802.11 نام Ad hoc را به این شبکه‌ها اختصاص داد و این آغازی بود بر گسترش و بکارگیری شبکه‌های بدون زیر ساخت.
شکل ‏۲‑۳: روند پیشرفت شبکه های مخابراتی بدون زیرساخت
ساختار لایه‌ها در شبکه‌های اقتضایی
همانند انواع شبکه‌ها، شبکه‌های اقتضایی نیز از لایه‌هایی تشکیل شده اند. همانطور که در شکل ۲-۳ نمایش داده شده است، شبکه‌های اقتضایی از پنج لایه فیزیکی ^[۴۰]، پیوند داده ^[۴۱]، شبکه ^[۴۲]، انتقال ^[۴۳] و کاربرد ^[۴۴] تشکیل شده اند.
شکل ‏۲‑۴: ساختار لایه های شبکه های اقتضایی [۱۴]
جهت طراحی یک روش مسیریابی لازم است با نحوه عملکرد این لایه ها در شبکه های اقتضایی بی سیم متحرک آشنا شویم. در ادامه توضیح مختصری راجع به وظایف این لایه ها داده می شود.
لایه فیزیکی انتقال بیت‌ها را از طریق کانال مخابراتی به عهده دارد. زمانی برای برقرای ارتباط بین ایستگاه‌های کاری در یک شبکه تنها از کابل‌های کواکسیال ^[۴۵] و اتصالات BNC ^[۴۶] استفاده می شد. به مرور زمان و با پیشرفت فناوری ارتباطات، کابل‌های زوج به هم تابیده ^[۴۷] بوجود آمدند. پس از این نسل فیبرهای نوری ^[۴۸] پا به عرصه وجود گذاشتند. مزیت اصلی این پیشرفت‌ها در افزایش سرعت انتقال داده، بهبود امنیت ارسال و دریافت داده ها می باشد. اما وجود برخی از مشکلات مانند عدم امکان کابل‌کشی جهت برقراری اتصالات مورد نیاز، هزینه بالا یا سختی کابل کشی و غیر ممکن بودن یا هزینه بر بودن انجام تغییرات در زیر ساخت‌های فعلی شبکه سبب شد تا مهندسان به فکر ایجاد روشی جهت برقراری ارتباط بین ایستگاه‌های شبکه باشند که نیازی به کابل‌کشی نداشته باشد. سرانجام فناوری بی سیم پا به عرصه وجود گذاشت. تا سال ۱۹۹۰ شبکه‌های بی سیم محلی ^[۴۹] برای اهداف تجاری، علمی و پزشکی به طور جداگانه وجود داشت. هر کدام از این شبکه ها در فرکانس‌های مختلفی کار می کردند. تا اینکه در این سال انجمن IEEE یک استاندارد بین المللی را برای کار شبکه‌های بی سیم معرفی کرد که IEEE 802.11 نام دارد [۱۵]. در سال ۱۹۹۸ به عنوان یک پیشرفت و گسترش در استاندارد IEEE 802.11، لایه فیزیکی قادر به انتقال ۱۱ Mb/s شد[۱۶]. در این فناوری، جهت انتقال اطلاعات از امواج الکترومغناطیس استفاده می شود. این امواج الکتورمغناطیس می توانند از نوع مادون قرمز ^[۵۰] یا ریز موج ^[۵۱] و یا امواج رادیویی ساده باشند .
لایه پیوند داده که زیر لایه MAC جزوی از آن می باشد، وظایف زیر را بعهده دارد :
رفع خطای فیزیکی
فریم بندی داده ها
هماهنگی بین سرعت گیرنده و فرستنده (سنکرون کردن فرستنده و گیرنده)
کنترل دسترسی به کانال مشترک (MAC)