روش شناسی شبیه سازی و تحلیل کارایی پروتکل انتقال مبتنی بر کد گذاری شبکه در شبکه های داده های بزرگ بی سیم

ارتباطات چند گامی چند مسیری (MPMH) در شبکه وایرلس (بی سیم) به صورت گسترده ای، استفاده می شوند. به خصوص برای انتقالات داده های بزرگ به علت توان خروجی بالایشان، مناسب هستند. برای فراهم کردن کنترل قابلیت اطمینان انتها به انتها و تراکم، دو نوع از پروتکل های لایه انتقال، در مقالات ارائه شده اند: پروتکل های مبتنی بر TCP و پروتکل های مبتنی بر کد گذاری rateless . با این حال، اولین مورد برای کشف ظرفیت و قابلیت شبکه های MPMH بیش از حد محافظه کار بوده و مورد دوم در تکمیل (پر کردن) ظرفیت ارتباط بسیار تهاجمی است و در هنگامی بررسی تراکمات، ضعیف عمل می کند. برای غلبه بر معایبشان، یک الگوی کد گذاری شبکه جدید، با نام کد گذاری دسته ای تنظیم پذیر (ABC)، توسط ما ارائه شد، که از کد گذاری افزونگی برای غلبه بر اتلاف تصادفی استفاده کرده و انتقال های مجدد و کوچک شدن اندازه پنجره را برای کم کردن تراکم به کار می گیرد. استراتژی کنترل تراکم طبقه بندی (طبقه طبقه) شده، الگوی ABC را به خصوص برای انتقال های داده های بزرگ، مناسب می سازد. با این حال، هیچ پلتفرم شبیه سازی ای ساخته نشده است که بتواند به صورت دقیق کارایی کد گذاری شبکه مبتنی بر پروتکل های انتقال را تست کند. ما یک سیستم شبیه سازی ماژولار و به آسانی قابل سفارشی سازی را بر مبنای یک متد برنامه ریزی مبتنی بر رویداد ساختیم، که رفتارهای لایه انتقال MPMH مبتنی بر ABC را شبیه سازی کند. با استفاده از شبیه سازی ارائه شده، پارامترهای بهینه پروتکل می توانند به خوبی میزان سازی شوند، و کارایی از پروتکل های لایه انتقال دیگر تحت تنظیمات یکسان، برتر است. علاوه بر این، روش شناسی شبیه سازی ارائه شده می تواند به سادگی به سایر انواع سیستم های ارتباطی MPMH، با تنظیم پارامترهای ABC، بسط داده شود.

برنامه های کاربردی دارای داده های بزرگ، توجهات بسیاری را جلب کرده اند. آنها دارای چهار خاصیت ‘V’ هستند، یعنی حجم، شتاب، تنوع، و صحت. حجم بالا نیازمند انتقال با توان خروجی بالا، است و شتاب بالا نیازمند تأخیر انتها به انتهای پایین در کل مسیر مسیریابی است. تنوع به انواع داده های مختلف، اشاره دارد و صحت به این معناست که داده ها ممکن است ناقص یا دارای نویز باشند. اگر ما از یک شبکه بی سیم برای تحویل داده های بزرگ استفاده کنیم، آن نیازمند فراهم کردن ظرفیت بالا برای حجم زیادی از انتقال داده با قابلیت اطمینان انتها به انتهای بالا و هم چنین پشتیبانی از انواع داده/ اولویت های مختلف، است. انتقال چند مسیری، یک انتخاب خوب برای برآورده کردن تمام این ویژگی ها، است. در بسیاری از برنامه های کاربردی مبتنی بر شبکه بی سیم، مانند بازبینی محیطی [1] و مراقبت بهداشتی از راه دور [2]، گره های ارتباطی دارای تراکم بالا هستند، و می تواند چندین گره در دسترس برای هر گام به منظور ارسال (فوروارد) داده ها، وجود داشته باشد. با این حال، پروتکل های مسیریابی بی سیم عمومی، تنها یک گره رله را برای هر گام انتخاب می کنند و چندین گام را به منظور ساختن یک مسیر از منبع (مبدأ) به مقصد، همان طور که در شکل 1(a) نشان داده شده است، آبشاری می کنند. شکل 1. شبکه های بی سیم با توپولوژی مسیریابی مختلف در شکل 1(a)، مجاوران مسیر ارتباطی ممکن است بیکار بوده و بنابراین بتوانند به ارسال داده ها کمک کنند. اگر تنها یک مسیر شناخته شود، ظرفیت های ارتباطی آن گره ها، هدر می روند. بنابراین، کشف تمام گره های در دسترس برای ارسال داده ها به صورت مشترک، یک ایده طبیعی است. مسیریابی تک مسیره سنتی ممکن است به عنوان یک توپولوژی چند مسیری عرضه گردد، که به طرز چشمگیری توان خروجی را بهبود می دهد. از جنبه لایه انتقال، یکی از محبوب ترین پروتکل های انتقال چند مسیری، TCP ی چند مسیری (MPTCP) است، که توسط گروه ویژه مهندسی اینترنت (IETF) در سال 2013، استاندارد سازی شده است [3]. هر مسیر به صورت مستقل داده های اختصاص داده شده توسط گره منبع (مبدأ) را انتقال می دهد، و تمام مسیرها به صورت مشترک وظیفه انتقال را مطابق آنچه در شکل 1(b) نشان داده شده است، به اشتراک می گذارند. اخیراً، تکنولوژی های آنتن جهت دار (هدایتی) برای افزایش کیفیت لینک ارتباطی با تحویل داده ها به یک جهت خاص (معین)، استفاده می شوند. به طور خاص، آنتن های هوشمند چند- پرتوی (MBSA ها) به صورت گسترده استفاده می شوند و این به علت ظرفیت ارتباطی چند جهتی و همزمان آنها است [4-6]. یک MBSA با g پرتو می تواند به صورت مستقل با g گره در زمان یکسان، ارتباط برقرار کند. MBSA یک رویکرد کارآمد برای تحویل داده های بزرگ با حجم بالاست. اگر شبکه داده بزرگ بی سیم، از گره های تجهیز شده با MBSA تشکیل شده باشد، اتخاذ توپولوژی چند مسیری برای کشف خصوصیات انتقال داده چند- پرتویِ MBSA ها، سودمند است. اگرچه MPTCP چندین مسیر را از مبدأ به مقصد می سازد، اما این مسیرها به صورت مستقل کار می کنند. بنابراین، بیشتر گره ها باز هم در یک حالت تک ورودی، تک خروجی، به استثناء گره مبدأ و مقصد، کار خواهند کرد، که به این معنی است که قابلیت های ارتباط چند پرتوی گره های واسط، تلف شود. برای حل این مسئله، کار قبلی ما یک توپولوژی چند مسیری جدید، با نام مسیریابی دارای حفاظ یا حصار (fence)، را ارائه کرده است که برای آن، ترمینال ارتباطی و گره های رله، در یک حالت چند ورودی، چند خروجی کار می کنند، مانند آنچه در شکل 1(c) نشان داده شده است [7]. مسیریابی fence توان خروجی بالایی را برای ارتباطات بی سیم فراهم می کند، و یک انتخاب معمول برای انتقال های داده های بزرگ است. با این حال، کنترل انتقال برای چنین الگوی مسیریابی ای، بسیار چالش برانگیز است. یکی از مسائل این است که در ارتباطات (مسیر ارتباطی)، کیفیت انتقال از لینکی به لینک دیگر، و حتی از پرتوی به پرتو دیگر، متغیر است. برخی بسته ها ممکن است در برخی گره ها با صف های متراکم مواجه شوند، که این منجر به بسیار دیر رسیدن به مقصد می شود، و تأخیر انتها به انتهای کل مسیر را افزایش می دهد. برای برنامه های کاربردی داده های بزرگ با محدودیت شدید روی تأخیر انتها به انتها [8]، ما به زمان بندی انتقال های چند پرتوی بین گام ها به صورت بسیار دقیق، نیازمندیم. برای پروتکل های کنترل انتقال مبتنی بر TCP، اگر یک بسته گم شود (از دست برود)، مقصد یک تصدیق منفی (NACK) (ACK منفی) را برمی گرداند. برای توپولوژی مسیریابی fence، از آن جایی که مبدأ هیچ راهی برای دانستن اینکه تمام گره ها به علت یک پیام NACK متراکم شده اند، ندارد، آن مجبور است نرخ ارسال کل لوله (مسیر) fence را کم کند، که این به طرز چشمگیری توان خروجی را کاهش می دهد. علاوه بر این، در ارتباطات بی سیم، اتلاف بسته ممکن است به دلایل مختلفی علاوه بر تراکم شبکه، رخ دهد، مانند تحرک گره، تداخل پی در پی، ترمینال پنهان، و غیره [9]. برای اتلاف بسته ای که به علت خطاهای لینک تصادفی رخ می دهد، کاهش اندازه پنجره و کم کردن نرخ داده ممکن است ضروری نباشد [10,11]. در مقایسه با الگوی کنترل انتقال مبتنی بر TCP ی محافظه کارانه، طرح دیگر، پروتکل انتقال مبتنی بر کد rate-less است، که به ارسال بسته های کد شده تا زمانی ادامه می دهد که یک ACK مثبت (تصدیق مثبت) از طرف گره مبدآ ارسال شود [12-15]. استفاده از کد rateless برای فراهم کردن قابلیت اطمینان، از انتقال مجدد جلوگیری کرده و برای مقاومت در برابر اتلاف تصادفی، کارآمد است. با این حال، پروتکل های انتقال مبتنی بر کد rateless هیچ معیار برطرف کردن تراکم کارآمدی، ندارند. وقتی صف های برخی گره ها، بسیار پر هستند، و شروع به حذف بسته ها می کنند، ارسال بسته های کد شده بیشتر، ممکن است تراکم را بدتر کند. از این نقطه نظر، پروتکل های انتقال مبتنی بر کد rateless در هنگام کم کردن تراکم ها، تهاجمی هستند. برای غلبه بر مسائل بالا، یک متد کنترل انتقال جدید که از کد گذاری دسته ای قابل تنظیم (ABC) استفاده می کند در کار قبلی ما ارائه شد [16]، که از کد گذاری افزونگی برای مقاومت در برابر اتلاف تصادفی و از انتقال مجدد برای مقاومت در برابر تراکم، استفاده می نماید. برای ارزیابی کارایی های الگوی کنترل انتقال جدید، یک سیستم شبیه سازی جامع با تنظیم پارامتر منعطف ضروری است. با این حال، ساختن چنین شبیه ساز شبکه ای چالش برانگیز است. ابتدا، نه شبیه سازهای مبتنی بر کد گذاری rateless و نه TCP نمی توانند استفاده شوند. دوم، MBSA محدودیت انتقال/ پذیرش بسته همزمان (CPT/CPR) را داراست. بنابراین، یک الگوی همگام سازی Rx/Tx باید در شبیه ساز اجرا شود. در آخر، الگوریتم های کد گذاری ABC، تنظیم اندازه دسته ای، انتقال های مجدد، و سایر خصوصیات کنترل انتقال باید به خوبی به کار برده شوند. در حال حاضر بسیاری از الگوهای ارتباط شبکه از طریق شبیه ساز شبکه ورژن 2 (ns-2) یا ns-3، شبیه سازی می شوند. برای مثال، یک شبکه حسگر بی سیم در ns-2 در [17] طراحی شده است. Xu و همکارانش یک مدل انتقال داده چند مسیری را برای شبکه های بی سیم ناهمگن ارائه کرده و مدل را از طریق ns-2 شبیه سازی کرده اند. Sun و همکارانش [19] از ns-2 برای تحلیل کارایی مسیریابی شبکه های چند مسیری بی سیم، استفاده کرده اند. با این حال، گره های رله در این مدل ها با آنتن های هدایتی عمومی (با یک پرتو واحد در هر آنتن) تجهیز می شوند. بنابراین، آنها مزیت ظرفیت چند پرتوی و نه خصوصیات CPT/CPR، را به کار می گیرند. به علاوه، OMNet++ نیز در شبیه سازی های شبکه به صورت گسترده استفاده می شود [20,21]. با این حال، هیچ شبکه مبتنی بر MBSA ای روی OMNet++ شناسایی نمی شود. Rajaram و همکارانش یک مقایسه جامع را در میان چندین چارچوب بی سیم از جمله OMNet++، Prowler، Atarraya، PiccSIM، TrueTime، و Matlab [22] ایجاد کرده، و دریافته اند که برای یکپارچه سازی با الگوی سخت افزاری بلادرنگ ، Matlab، منعطف تر است. بنابراین، در این کار، ما از Matlab برای شبیه سازی کل فرآیند کنترل انتقال، استفاده می کنیم. به طور خاص، این کار، یک شبیه ساز لایه انتقال کاملاً جدید را برای انتقال داده بزرگ بی سیم مجهز به MBSA و مبتنی بر ABC، با 4 سهم اصلی، طراحی می کند: 1) یک شبیه ساز شبکه داده بزرگ بی سیم قابل پیکربندی و سفارشی شده ساخته شد، که کنترل لایه انتقال چند مسیری را روی شبکه های MBSA شناسایی کرده و همین طور با لایه های پایین یکپارچه می شود. 2) ما اولین گروهی هستیم که استفاده از متد کنترل انتقال ترکیب شده با انتقال مجدد افزونگی (RRC) را برای انتقال های داده بزرگ حساس به تراکم، ارائه کرده ایم. این مقاله یک مدل شبیه سازی جامع را برای شناسایی الگوی مبتنی بر RRC، فراهم می کند. 3) شبیه ساز RRC ی طراحی شده، منعطف و TCP- پسند است. آن برای توپولوژی های شبکه مختلف (شکل 1) و الگوهای کد گذاری (از جمله الگوی مستقل از کد گذاری) تطبیق پذیر است. 4) برای دستیابی به انتقال داده بزرگ موازی در سیستم RRC، یک متد شبیه سازی مبتنی بر رویداد، استفاده می شود، که به رویدادهای مختلف امکان می دهد تا در یک زمان رخ دهند. ساختار، به دقت انتقال pipe (لوله ای) با توابع (عملکردهای) کنترل انتقال مبتنی بر RRC، کد گذاری تطبیقی، تخصیص ترافیک، انتقال مجدد، و کنترل اندازه پنجره، را شبیه سازی می کند. سیستم شبیه سازی ارائه شده، در ارزیابی اثرات پارامترهای مدل روی کارایی انتقال، اثر می گذارد، از این رو به یافتن یک تنظیم کنترل RRC ی بهینه، کمک می کند. باقی مقاله به صورتی که در ادامه آمده، سازمان دهی شده است. بخش 2 به صورت مختصر الگوی ABC را معرفی می کند. بخش 3 یک سیستم شبیه سازی مبتنی بر رویداد جدید را ارائه می دهد. بخش 4 نتایج شبیه سازی را نشان داده، و خاتمه ها در بخش 5 آورده شده است.