تغییر پذیری و مسیریابی در شبکه Ad Hoc با استفاده از الگوریتم کلونی مورچگان

Transcript

1 شبیه سازی تغییر پذیری و مسیریابی در شبکه Ad Hoc با استفاده از الگوریتم کلونی مورچگان 1 سارنگ کمشکی 2 محسن زنگنه 1 علوم و تحقیقات بوشهر ایران sarang.kameshki@yahoo.com 2 علوم و تحقیقات بوشهر ایرانm.zangeneh67@gmail.com چکیده شبکه های سیار Ad Hoc توجهات زیادی را در درنیای تحقیقات همانند یک صنعت جلب کرده است.این تکنولوژی در دنیای ارتباطات و شبکه بسیار مهم است. مسیر یابی یکی از مهم ترین و سخت ترین امر در شبکه های Ad Hoc از زمانی که توپولوژی شبکه Ad Hoc به طور مکرر تغییر کرده است می باشد. الگوریتم های رسمی مسیریابی برای عملی کردن در شبکه های دینامیک بسیار سخت است بنابراین مدل و طراحی کارآمد پروتکل مسیریابی در یک شبکه دینامیک یک امر مهم به شمار می رود. یکی از الگوریتم های فرا مکاشفه ای که از رفتار واقعی مورچه الهام گرفته شده الگوریتم کلونی مورچگان است که می تواند به طور قطع ابزار سناریو در یک محیط دینامیک باشد.در این جا مدلی را از ترکیب رفتار مورچه ها و آنالیز شبکه صف طراحی کرده ایم که یک انقالب در تاخیر بسته در یک شبکه End-to-End شبکه سیار ad hoc است. کلمات کلیدی : شبکه Ad Hoc الگوریتم های مسیر یابی الگوریتم کلونی مورچگان شبکه های سیار 1.مقدمه شبکه (MANET) ad hoc سیار یا به طور ساده شبکه ad hoc یکی از بدعت گزارترین و پرچالش ترین شبکه ی بی سیم است یکی از قراردادهایی است که به طور پیوسته در جاهایی که زندگی میکنیم نمایش داده می شود. شبکه ی ad hoc از node هایی آزاد و دینامیک که خودش آن را )به صورت خودکار( به طور اختیاری و موقت از توپولوژی شبکه بدون هیچ زیرساختی حمایت می کند تشکیل شده اند. گره ها دستگاه های محاسباتی و ارتباطی هستند که می توانند لپ تاپ گوشی موبایل یا سنسور ها باشند.شبکه ی ad hoc درجه زیادی از آزادی با هزینه کمتر از شبکه های دیگر عرضه می کند.سهولت)آسودگی( و سرعت در ساختار این شبکه ها باعث می شود که برای پوشش خط راست )مانند زلزله و سیل(نیز به کار برود.جامعه سرمایه داری اطالعات خود را در طول مالقات کنفرانس و ارتباطات نظامی در میدان جنگ به اشتراک می گذارند[ 10 ].یکی از مشکالت اصلی در شبکه ad hoc سیار این است که بهترین مسیر را بین ارتباطات end-to-end پیدا می کند که ممکن است یک گره بسیار سخت باشد.چندین الگوریتم مسیریابی در این نوشته که بعضی از آن ها مانند TORA,DSR,AODV,DSDV و چندین الگوریتم دیگر برای این مشکل پیشنهاد شده اند.هدف تمامی الگوریتم های مسیریابی مسیر مستقیم از مبدا به مقصد با عملکرد باال و هزینه کم می باشد.در این مقاله نگرشی جدید برای الگوریتم مسیریابی شبکه ad hoc که بر اساس الگوریتم کلونی مورچگان و تلفیق آن با شبکه آنالیز صف می باشد بیان شده است. ایده ی اصلی الگوریتم 1

2 کلونی مورچگان فرامکاشفه ای گرفتن رفتار جستجوی غذای یک مورچه واقعی است.زمانی که راه می رود مورچه ها فرمون را نگه داشته [2] که را جا به جای غذا از مبدا تا آشیانه )کلونی( نشانه گذاری می کنند و مورچه های جستجوگر نیز در دنباله فرمون حرکت می کنند.تجمع فرمون در مسیر واقعی اشاره به استفاده از آن راه را دارد. این دنباله ی فرمون ها به طور ساده و غیر مستقیم در ارتباطات استفاده می شوند.این پردازش تلفیقی از اطالعات منطقه ای از محلی کوچک عامل های وابستگی ارتباطی با یکدیگر ندارند که به آن stigmergy می گویند.این رفتار مورچه ها می تواند در انتخاب کوتاه ترین مسیر استفاده شود.به ویژه اجزای ایستا در این متد اجازه می دهند که توافق باالیی برای تغییر توپولوژی شبکه ad hoc سیار داشته باشد.از زمانی که شبکه ها لینک ها... گارانتی نبودند و لینک ها اغلب تغییر یافته به نظر می رسیدند.یک کلونی ساده فرا مکاشفه ای متصور می شود که چرا این نوع الگوریتم می تواند با دلیل به صورت خوبی در شبکه ad hoc سیار اجرا شود.دلیل اصلی در الگوریتم کلونی مورچگان فرامکاشفه ای بر اساس سیستم های کامل و کارهای مورچه های ویژه است[ 8 ].این نوع الگوریتم اجازه می دهد که سازش باالیی در توپولوژی جاری در شبکه صورت بگیرد.یکی از دالیل دیگر راهی برای تصمیم گیری درباره انتخاب گره بعدی است که بر اساس فرمون متمرکز شده بر روی گره فعلی است که برای هر لینک ممکنی فراهم شده است.بنابراین نگرش ما از مسیریابی چند راهی پشتیبانی می کند. در این مقاله ما جزء اصلی الگوریتم کلونی مورچگان )ACO( در چارچوبی پیوسته که شامل مدل موبایلیتی )سیار( و آنالیز شبکه صف برای ارزیابی End-to-End برای تاخیر بسته در شبکه را نمایش می دهیم. 2.کارهای قبلی اندازه زیادی از این ادبیات در ناحیه شبکه های ad hoc سیار منتشر شده است.طرح های کوتاه پیشنهادهای خوشبین برای متریک های تجاری مانند طول مسیر یا ذخیره انرژی استفاده می شود. اخیرا تالش و کوشش بیشتری به پارامترهای مخصوص شبکه پرداخته شده است. زمانی که متریک های مخصوص مسیریابی وجود دارد.موجودات نسبتا کوچک با مالحظه زیستی الهام شده که الگوریم هایی برای مسیریابی در شبکه های ارتباطاتی است.هر چند تعدادی مثال برجسته که نشان می دهند این مفاهیم می توانند عملکرد خوب با معنی حول نگرش های تجاری فراهم کنند.پاراگراف های زیر تعدادی از این الگوریتم های برجسته را در این حوزه توصیف می کنند[ 4 ] کنترل بر اساس مورچه (ABC) ABC یک الگوریتم برای شبکه هایی با کلید زنی مداری هستند که تماس های مسیریاب ها بر پایه تاثیر متقابل عامل های موبایل )سیار( است.عامل های موبایل )سیار( شبکه را می پیمایند به روز رسانی جدول های مسیریابی که هر گره بستگی به حالت فعلی جدول مسیریاب که به خوبی عمر هر بسته در آن ذکر شده است را دارد. جدول مسیریاب از احتماالت بعدی برای هر مقصد تشکیل شده است.مورچه ها در یک را ه مستقیم که تماس هایی در راه برگشت گرفته می شود حرکت می کنند[ 1 ] شبکه مورچه net) (Ant Ant net کنند.گره رسید یک الگوریتم مناسب مسیریابی که بر اساس کلونی مورچگان برای حل مشکالت مسیریابی در شبکه های سیمی کار می ant net از ورودی های احتماالتی در جدول مسیریاب نگهداری می کنند که اشاره به لینک های خروجی خوب در مقصد دارد. هر گره به صورت دوره ای بسته های مورچه ی پیشرو را برای جستجوی مسیر در مقصد تصادفی می فرستد. مورچه های پیشرو شبکه را برای راهی معقول و با هزینه کم جستجو می کند.همه گره ها را می پیماید )از آن عبور می کند(.اولین مورچه پیشرو که به مقصد به 2

3 مورچه پسرو تبدیل می شود.مورچه ی پسرو به طرف گره مبدا با مسیری برعکس برمی گردد. هر گره میانجی جدول مسیریاب را با اطالعاتی از مورچه پسرو در اختیار آن می گذارد و جدول را به روز رسانی می کند. بنابراین به صورت دسته جمعی )شریکی( مشکل بهینه سازی در مسیریابی شبکه را حل می کند[ 5 ] الگوریتم مسیر یابی بر اساس کلونی مورچگان این الگوریتم جزییات طرح مسیریابی برای MANETS را نمایش میدهد که شامل کشف مسیر و مکانیزم های نگهدارنده است.کشف مسیر توسط رسیدن مورچه پیشرو به مقصد و زمانی که لینک های معکوس به مبدا به اتمام می رسد.این مکانیزم مشابه الگوریتم هایی مانند AODV به کار برده شده است.مسیرها اصوال به وسیله بسته های داده نگهداری می شوند.به این صورت که اگر راهی از کار بیفتد به طور موقت یک بسته را ساخته و به لینک های متناوب می فرستد در غیر اینصورت به hop قبلی برای شبیه سازی بر میگردد. اگر بسته سرانجام به مبدا بازگشت کشف مسیر جدید به صورت ترتیبی به وجود آمده است. 3. الگوریتم های شبیه سازی در این قسمت ما توصیفی در چارچوب جزییات و هدفی برای الگوریتم های مسیر یابی که بر اساس الگوریتم های ACO و آنالیز تاخیر Kleinrocks برای پیدا کردن بهترین مسیر با حداقل تاخیر در بسته در شبکه ad hoc سیار خواهیم داشت.شکل 1 سناریو کامل این شبیه سازی پردازش را با هر دو الگوریتم های آنالیز تاخیر نمایش می دهد[ 7 ] مرحله ارزش دهی آغازین مدل سیار )mobility( : محیط شبیه سازی از مجموعه ای از گره های سیار )MN( با لینک های بی سیم که در محیط شبیه سازی در حال جابه حایی هستند و بر اساس یکی از دو مدل های سیار RWMو BSAM تشکیل شده است.حالت RWM شروع شبیه سازی هستند هر گره سیار یک مقصد تصادفی در منطقه را انتخاب می کند.مسیرهای متصل به مقصد با یک سرعت یکنواخت حرکت می کند سپس هر گره سیار برای دوره معینی از زمان در محلی می ماند که به آن زمان توقف می گویند.وقتی این زمان به پایان رسید هر گره سیار یک مقصد تصادفی دیگر انتخاب می کند سپس به سمت مقصد انتخابی به وسیله راه مشابه همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است خرکت می کنند.مدل RWM موقت اجازه جا به جایی بیشتری را برای گره ها در ایستگاه ها در زمان توقف قبل از حرکت به محل بعدی فراهم می کند. توپولوژی ابتدایی شبکه اولین جدول ( E(vمحاسبات هر مورچه بعد از چرخه الگوریتم جدول ( E(vمحاسبات هر مورچه بعد از چرخه پایان اگر زند پایان زند پا یان توپولوژی مدل سیار 3 پایا

4 شکل. 1 فلو چارت سناریو کامل مسیریابی در BSAM رابطه بین مسیر قبل و جابه جایی جاری θ و سرعت V بر اساس محدودیت تغییر مسیر و واحد سرعت در ساعت برای تولید بیشتر مسیرهای واقعی وجود دارد. هر دو بردار سرعت v و محدوده شبکه های سیار در هر زمان τδ بر اساس فرمول تولید توپولوژی جدید به روز رسانی می شوند.از دیگر خصوصیات مدل موبایلیتی این است که نام را به ما می دهد.منطقه مستطیلی شبیه سازی شده حلقه ای از گردش با تاثیرات گره هایی است که از منطقه شبیه سازی شده خارج شده و از قسمت دیگر وارد شده اند.بنابراین منطقه ای بودن محدوده شبیه سازی )برای مثال یک گره خارج شده و دوباره وارد شده( همانطور که در شکل 3 میبینید به وجود می آید.از تغییرات در مسیر و محدود شدن سرعت جابه جایی شدیدی در سرعت و مسیر خواهیم داشت که جابه جایی در مسیر را بیشتر واقعی می سازد.این واقع گرایی یک پافشاری می باشد اگر تجهیزات کار از نتیجه جابه جایی و خصوصیات بی پایان منطقه شبیه سازی آگاه باشد. شکل. 2 مدل RWM شکل 3.منطقه شبیه سازی مستطیلی در مدل BSAM زمانسنج ها : ما دو زمان سنج متفاوت از شروع شبیه سازی تعریف می کنیم. باشد و T ant زمان توقف بین تغییرات از یک توپولوژی شبکه به توپولوژی های دیگر است. T simul که زمانسنجی برای کل شبیه سازی می اولین جدول مسیریابی : همه ی گره های یک جدول از احتماالت hop بعدی به هر مقصد دارند.هر سطر در جدول مشابه مقصد و هر ستون مشابه همسایه در رنج انتقال جاری قرار دارند.ورودی های جدول احتماالتی از hop رسیدن به مسیر واقعی است. بعدی از گره واقعی و در نتیجه 2.3. آنالیز تاخیر Kleinrocks 4

5 ما طرح ریزی کردیم که چگونه در مدت تاخیر End-to-End شبکه بتواند به وسیله فرضیه استقالل Kleinrocks محاسبات را انجام دهد. تاخیر در کار مورد انتظار بسته ها را از مبدا گره S به مقصد گره D می فرستد و زمان کار را در تمام لینک ها و گره های طی شده در مسیر را با هم جمع می کند[ 2 ] : E[R(s,d)] = E[Rij] + E[Rn] [Rij]= E جایی که 1 µcij λ ij : تعداد بسته هایی است که به وسیله لینک i,j انتقال داده می شوند. µcij Pn=λ n/µ n و E[Sn]= µ/1 با n تاخیر جز به جز در گره های استثنا E[Rn] Pn E[Sn]+ E[Sn] 1 Pn ij نرخ رسیدن به لینک : λ ij می باشد الگوریتم مسیریابی مورچه در اینجا گزارش کار الگوریتم AntNet مختصرا به طور غیر رسمی در زیر بیان شده است : هر گره درون شبکه رکوردی از مقصد بسته را روی بسته های داده که از میان گره عبور می کند نگه می دارد.که به طور تناوبی مورد استفاده قرار می گیرد.راه انداختن مورچه های پیش رو به سمت مقصدی از مجموعه ای از مقاصد است. اولین حرکت مورچه پیشرو با استفاده از جدول اطالعات یک تصمیم احتمالی برای hop بعدی که می خواهد گره را در اختیار بگیرد را می گیرد.زمان حرکت هر مورچه ی پیشرو مورچه اطالعات در مورد زمان و اطالعات گره را در پشته ی خود جمع آوری می کند. که در آینده در جدول ازاطالعات مسیر به روز رسانی می شود. زمان حرکت برای رسیدن به گره همسایه به وسیله یک فرمول ساده محاسبه می گردد : D ij + (q ij + s a) / B ij برای رسیدن موفق به گره مقصد امتیاز سفر محاسبه می گردد و مورچه پیشرو به مورچه پسرو تبدیل می شود. مورچه پسرو با همان مسیر ضبط شده به طرف مبدا بر می گردد در عوض از صف بسته داده ها استفاده می کند. مورچه پسرو از صف های اولویت دار استفاده می کند[ 10 ]. شبیه سازی می تواند به صورت زیر خالصه شود : توپولوژی شروع را می دهد سپس زمان تاخیر محاسبه می شود. بعد از تایید الگوریتم مورچه بر روی توپولوژی جاری احتماالت روی جداول مسیریابی اعمال می شود و دوباره تاخیر محاسبه می گردد. اگر تاخیر جدید بهتر بود قطعا نقطه ی شروعی برای مورچه پیشرو که به وسیله ی چرخه انتخاب روی احتماالت بدست آمده جابه جا می شود موثر خواهد بود. سپس راه حل جدید پذیرفته می شود هر چه قدر زمان جلوتر برود راه حل بهتری مورد پذیرش قرار خواهد گرفت. این مقایسه بین تاخیر ها که نشان می دهد کدام تاخیر بهتر است.زمانی که T ant تمام شود ولی هنوز زمان شبیه سازی T simul تمام نشود توپولوژی جدید شبکه بر اساس یکی از مدل های سیار RWM و BSAM شبیه سازی شده تا زمان شبیه سازی نیز تمام شود. 4. ارزیابی 5

6 در این قسمت ما ارزیابی تاخیر End-to-End برای بسته های میان MANET در چارچوب توصیفی در قسمت پیش رو خواهیم داشت[ 8 ] شبیه سازی مدل سناریو شبیه سازی از تعدادی گره که به صورت تصادفی در محلی مستطیلی که ابعاد آن 088*1888 است قرار داده شده اند تشکیل شده است. این مدل بر اساس مدل های RWM و BSAM می باشد. در هنگام شبیه سازی به وسیله ی مدل RWM گره ها می توانند به صورت آزادانه در منطقه حرکت کنند[ 6 ].هر گره به مکانی تصادفی حرکت می کند.سپس به مدت یک ثانیه استراحت می کند. بعد از زمان استراحت گره به یک مکان تصادفی دیگر می رود. از طرفی دیگر در مدل RWM تمامی شبکه های سیار بر اساس دو پارامتر سرعت v و مسیر θ جابه جا می شوند. پردازش جابه جایی در هر دو مدل سیار RWM و BSAM تکرار شده است.تغییر توپولوژی در الیه های پایینی شبکه صورت می گیرد.بر اساس شبیه سازی تمامی رفتارها در جدول مسیریابی ذخیره شده بر اساس آنالیز تاخیر Kleinrocks ارزیابی می شود.ما کمترین تاخیر را از مبدا به گره مقصد دریافت کردیم.برنامه شبیه سازی بر روی استاندارد 358 mhz قرار دارد که کامپیوتر به نرم افزار Basic 6 احتیاج دارد.ما چند ثانیه برای اجرای این شبیه سازی نیاز خواهیم داشت[ 9 ]. visual پارامترهای مدلی که در آزمایش پیش رو مورد استفاده قرار می گیرد در جدول شماره 1 خالصه شده است : مقدار 11 و 21 و پارامتر تعداد گره ها نرخ ورود سرعت انتقال مسیر / سرعت اندازه بسته زمان توقف)زمان مورچه( پهنای باند منطقه شبیه سازی مدل های سیار )موبایلیتی( پروتکل های مسیر یابی جدول شماره 1 151Kbps 251m 55 درجه& 11m/sec 45 Byte 181Sec 1Mbps 1111*811M مدل RWM&BSAM الگوریتم مورچه+آنالیز تاخیر Kleinrocks 2.4. نتایج اولین آزمایش نشان می دهد که رابطه بین باال رفتن تعداد گره ها و تاخیر End-to-End به تعداد گره هایی که مورد استفاده قرار می گیرد ) 18 و 28 و ( زمانی که زمان توقف مقدار ثابت 38 ثانیه باشد بستگی دارد. شکل 4 نشان می دهد که با باال رفتن تعداد گره ها باال رفتن نرخ تاخیر را خواهیم داشت زیرا هر hop می تواند مقدار سهمی و ذاتی از تاخیر در ترافیک پیش رو داشته باشد. عالوه بر این گره های بیشتر تراکم بیشتر و می تواند مسیر های بیشتری را پوشش دهد. 6

7 است. شکل 5. تعداد گره ها به همراه تاخیر دومین آزمایش کشف رابطه بین افزایش زمان توقف )زمان مورچه( و تاخیر در زمان های توقف متفاوت ) 18 و 28 و ( با 08 گره شکل 5. زمان مورچه به همراه تاخیر شکل 5 نشان می دهد که افزایش زمان توقف باعث کاهش تاخیر می شود زیرا الگوریتم مورچه کمک می کند که تاخیر به پایین ترین حد خود برسد[ 4 ]. سومین آزمایش به وسیله مدل های RWM و BSAM برای سناریو 08 گره توزیع شده تصادفی و زمان توقف 08 ثانیه انجام شد. این شبیه سازی 108 ثانیه طول کشید و ما تاخیر بسته ها را در یک مقطع زمانی تقسیم کردیم. شکل. 4 نرخ تاخیر در توپولوژی شماره 1 شکل 0 تاخیر بسته برای اولین توپولوژی را نشان می دهد. شکل 7 و 0 تاخیر توپولوژی قبلی منتشر شده به وسیله مدل سیار )موبایلیتی( را نشان می دهد. که شکل زیر 55% اطمینام حاصل را نشان می دهد. 7

8 شکل 7. نرخ تاخیر در توپولوژی شماره 2 شکل. 8 نرخ تاخیر در توپولوژی شماره 3 شکل 5 شبیه سازی را با زمان 108 ثانیه برای سه توپولوژی مختلف آزمایش کرده است.به طور شفاف نشان می دهد که هیچ تاثیری بین تاخیر بین مدل RWM و BSAM وجود ندارد.بعد از تغییر توپولوژی ما عملکرد را به وسیله الگوریتم مورچگان قدم به قدم تقویت کرده و تاخیر را به کمترین حد ممکن رسانده ایم. 8

9 شکل 9. تاخیر بسته در مدت 181 ثانیه[ 3 ] 5. نتیجه گیری و کارهای آینده الگوریتم مسیر یابی برای شبکه های بیسیم Ad Hoc سیار در چارچوب شبیه سازی را نشان داده و مدل های مختلفی را مورد آزمایش قرار دادیم که رفتارهای مختلفی را از پروتکل های مسیریابی به ما نشان دادند.آزمایشات شبیه سازی شده نشان دادند که الگوریتم ها می توانند در شبکه های دینامیک عملکرد یک سیستم را تقویت کرده و همچنین نشان دادند که هیچ تاثیری روی تاخیر بین مدل های RWM و BSAM وجود ندارد. آزمایشات به وسیله سناریو دیگر )برای مثال دیگر مدل های سیار دیگر مدل های ترافیکی شامل چند مبدا و چند مقصدی( الزم است که به صورت تخصصی کار شود.مقایسه الگوریتم های مسیر یابی مختلف تمرکز اصلی روی کارهای آینده است. [1] B. Haverkort, Performance of Computer Communication Systems, A Model-Based Approach, John Wiley & Sons, Ltd., [2] D. Corne, M. Dorigo, and F. Glover (Eds.), New ideas in optimization, Maidenhead, UK: McGraw-Hill, [3] G. Di Caro, and M. Dorigo, AntNet: A mobile agents approach to adaptive routing, Technical report TR Université Libre de Bruxelles, IRIDIA, [4] G. Di Caro, and M. Dorigo, AntNet: Distributed stigmergetic control for communications networks, In Journal of Artificial Intelligence Research (JAIR) 9, 2010, pp [5] I. Chlamtac, M. Conti, and J. Liu, Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges, Ad Hoc Networks, No. 1, [6] M. Elizabeth, and T. Chai-Keong, A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks, IEEE Personal Communications, [7] M. Günes, U. Sorges, and I. Bouazizi, ARA-The Ant- Colony Based Routing Algorithm for MANETs, International Conference on Parallel Processing Workshops (ICPPW 02), IEEE Computer Society Press, 2004, pp [8] M. Heissenbüttel, and T. Braun, Ants-Based Routing in Large Scale Mobile Ad-Hoc Networks, Kommunikation in Verteilten Systemen (KiVS), [9] R. Schoonderwoerd, O. Holland, J. Bruten, and L. Rothkrantz, Ants for Load Balancing in Telecommunications Networks, Adaptive Behavior, Vol. 5, No. 2, 1997, pp [10] T. Camp, J. Boleng, and V. Davies, A Survey of Mobility Models for Ad Hoc Network Research, In Wireless Communication & Mobile Computing (WCMC), Vol. 2, No. 5, 2004, pp منابع 9

10 11