پژوهش ایرانداک user8203- دانلود پژوهش

Please enter banners and links.

2-2-5- ملاحظات عملی23
2-2-6- مزایای کدگذاری شبکه چیست؟25
2-2-7- مثال26
2-2-8- موارد استفاده کدگذاری شبکه27
2-3- پهنای باند30
2-4-توزیع تکی 30
2-5-توزیع همگانی31
2-6- توزیع چندگانه31
2-7- توزیع قابل اعتماد32
فصل سوم: توزیع قابل اعتماد کد محور در شبکههای بیسیم
مقدمه35
3-1- تاریخچه36
3-2- طرحهای توزیع کد محور39
3-2-1- محدودیتهای عمل کدگذاری XOR40
3-2-2- طرح جامع کدمحور استاتیک43
3-2-2-1- اندازه میدان46
3-2-2-2- پیچیدگیهای محاسباتی46
3-2-3- طرح جامع کدمحور پویا47
3-2-3-1- اندازه میدان49
3-2-3-2- پیچیدگی محاسباتی50
عنوان صفحه
3-3- تحلیل اجرا51
3-3-1- تحلیل طرح SGC51
3-3-1-1- پهنای باند انتقال51
3-3-1-2- تاخیر انتقال مجدد56
3-3-2- تحلیل طرح DGC58
3-3-2-1- پهنای باند انتقال58
3-3-2-2- تاخیر انتقال مجدد59
3-4- نتایج عددی60
3-4-1- محیط شبیه سازی60
3-4-2- پهنای باند انتقال60
3-4-3- تاخیر انتقال مجدد63
3-5- نتیجه گیری64
فهرست منابع و مأخذ65
پیوست
– واژه نامه فارسی به انگلیسی68
– واژه نامه انگلیسی به فارسی72
فصل اول
195834022288500
مقدمه
امروزه با پیشرفت تکنولوژی اطلاعات نیاز به استفاده از امکانات روز جهت تبادل دادهها با سرعت و دقت بالا و رهایی از محدودیتهای محیطی بیشتر احساس میشود بنابراین لازم است از امکانات و تجهیزاتی که بتواند به سادگی و آسانی راهاندازی شود استفاده نمود.
یکی از راحتترین، سادهترین و کم هزینهترین روشها استفاده از شبکههای کامپیوتری بخصوص شبکههای کامپیوتری بیسیم است.
با توجه به نیاز به اشتراک گذاشتن به موقع دادهها ایده ایجاد شبکه شکل گرفت. کامپیوترهای شخصی ابزارهایی جالب برای تولید انواعی از اطلاعات هستند، اما به شما این اجازه را نمیدهند که به سرعت دادههای تولیدی خود را به اشتراک بگذارید. بدون شبکه، اسناد باید چاپ شوند تا دیگران بتوانند آنها را ویرایش کنند یا مورد استفاده قرار دهند. در بهترین حالت میتوانید فایل مربوطه را در اختیار آنها قرار دهید تا در کامپیوتر خود ذخیره کنند. اگر دیگران در آنها تغییراتی ایجاد کنند هیچ راهی برای ترکیب تغییرات وجود ندارد. اگر چند کامپیوتر و یا حتی وسایل دیگری مانند چاپگر و … به یکدیگر متصل شوند، یک شبکه ایجاد میشود که میتوانند اطلاعات را بین یکدیگر به اشتراک گذارند.
در بخش 1 این فصل به بررسی مفهوم شبکه پرداخته و اجزای شبکه را مورد بررسی قرار خواهیم داد. در بخش دوم به بررسی شبکههای کامپیوتری میپردازیم. در بخش سوم شبکههای بیسیم مورد مطالعه قرار خواهند گرفت و بخش 4 به معرفی شبکههای ad-hoc سیار میپردازد.
شبکه
یک شبکه از اتصال تعداد بسیاری گره که جریانی مطلوب در آن وجود دارد به وجود میآید. گرهها نقاطی هستند که در آنها بیش از دو شاخه یا خط ارتباطی که جریان از طریق آنها عبور میکند، یکدیگر را ملاقات میکنند. شکلی که در ادامه میآید یک شبکه با پنج گره A ، B ،C، D وE را نشان میدهد. این گرهها با خطوط ارتباطی یا شاخههای گوناگونی مانند LAB ، LBC،LCD ،LBD و… با هم مرتبط شدهاند.

شکل 1-1- ساختار شبکه
در مهندسی برق یک مثال ساده از شبکه، یک شبکه الکتریکی است که خطوط ارتباطی آن اجزای الکتریکی مانند مقاومت، خازنها، القاکنندهها و اجزای فعال هستند که جریان از طریق این شاخهها عبور و گرههای بسیاری را ملاقات میکند. جریان عبوری از طریق تعدادی از شاخهها به یک گره میرسد و از طریق تعدادی شاخه دیگر از گره خارج میشوند.
در شبکههای حمل و نقل جادهای جادههای مختلف در تقاطعها و یا چهارراهها، که میتوان از آنها به عنوان یک گره یاد کرد، با یکدیگر برخورد میکنند. جادهها مانند خطوط ارتباطی عمل میکنند و وسایل نقلیه در آنها جریان دارند. دریک تقاطع یک وسیله نقلیه از یک جاده میآید و به جاده دیگری که در نظر دارد میرود. به صورت مشابه شبکههای ریلی و خطوط هوایی را داریم. شبکههای پستی شبکههایی هستند که در آنها پیام از مبدأ به مقصد فرستاده میشود. امروزه با ابداع ارتباطات الکترونیکی به شبکههای تلفنی، اطلاعاتی و رادیویی تلویزیونی دسترسی داریم.
سازماندهی شبکههای ارتباطی به صورت گام به گام مورد بحث قرار میگیرند. یک شبکه از گرهها و شاخهها به منظور تسهیل جابهجاییهای فیزیکی تشکیل شده است. جریان از طریق یک گره وارد شبکه میشود و از یک گره به نام گره مقصد از شبکه خارج میشود که این گره به گره مصرفکننده معروف است. هر گرهای میتواند به عنوان یک گره مبدأ و یا مصرفکننده باشد.
مولفههای شبکههای ارتباطی
گره
در یک شبکه ارتباطی یک گره نقطهای است که در آن بیش از دو شاخه یکدیگر را ملاقات میکنند ممکن است یک شبکه ارتباطی دارای تعداد بسیار زیادی گره باشد که یک گره لزوما به تمام گرهها مرتبط نیست. کار یک گره از شبکه، اتصال مسیر وارد شونده به مسیر خارج شونده است، از این رو سیگنالها میتوانند مسیر خود را به مسیر مطلوبشان برای انتقال پیش رو تغییر دهند. به صورت متعارف در یک شبکه تلفنی، مراکز تلفنی و یا تلفن خانهها نقش گره را بازی میکنند. در یک شبکه اطلاعاتی یک گره یک بسته سوییچ است که به آن مسیریاب گفته میشود. برخی از گرهها به خصوص گرههای تغییر پیام یا بسته، دارای بافر و حافظه برای پیامها هستند. چنین گرههایی همانند سوییچهای ذخیره و ارسال کار میکنند. گرهها اعمال دیگری چون یکسان سازی پیامهای دریافتی، آزمایش کردن خروجیها و … را نیز انجام میدهند.
شاخه
شاخه شبکههای ارتباطی اساسا یک رسانگر انتقال است که یک سیم یا یک کانال رادیویی است. رسانگر انتقالات سیمی میتواند به هر یک از شکلهای جفت سیمهای مسی، کابلهای چند جفتی، کابلهای هممحور و یا فیبر نوری باشند. این سیمها سیگنالها را از یک گره به گره دیگر میبرند. یک کانال بیسیم یک طیف الکترومغناطیسی از فرکانسهای بسیار پایین تا فرکانسهای بسیار بالا شامل موجهای میلیمتری و نوری گسترده شدهاند. پهنای باند کانالهای سیمی یا بیسیم دارای برد عرضی بالایی است میتواند نسبت دادههای عبوری را از چند بیت در ثانیه تا چند گیگا – پنتا بیت در ثانیه پوشش دهد. طول این خطوط انتقال با توجه به دلایل متنوعی مانند پراکنش محدود است. در یک شبکه ارتباطی چند منظوره لزومی ندارد که تمام خطوط ارتباطی از یک نوع باشد، بعضی میتوانند خطوط سیمی و بعضی خطوط بیسیم باشند.
هم اکنون یک شبکه ارتباطی را میتوان به صورت گردایهای از گرهها که توسط خطوط ارتباطی با یکدیگر مرتبط هستند تعریف کرد که اطلاعات را از طریق سیگنالها به شکل الکتریکی یا نوری منتقل میکنند. بنابراین گرهها، خطوط ارتباطی و انتقال اطلاعات ویژگی اساسی هر شبکهای هستند. برخی از معمولترین و شناخته شدهترین و عریضترین شبکههای پیامی، شبکههای پستی، شبکههای تلگرافی، شبکههای تلفنی (ثابت، معمولی و سیار)، شبکههای کامپیوتری و
شبکههای سرگرمی (پخش کنندههای تلویزیون یا صوتی) میباشند.
مثالهایی از شبکه
یک شبکه با توجه به کاربردی که دارد طراحی و به کار گرفته میشود. گونههای بسیاری از شبکه موجود است. شبکه تلگرافی برای ارسال تلگرافها از یک مکان به مکان دیگر مورد استفاده قرار میگیرند. در آنها از سوییچهای پیام به عنوان گره استفاده میشود و اساسا سرویسی با سرعت بسیار پایین ارائه میدهد. از سویی دیگر شبکههای تلکس مانند شبکههای تلفنی کار میکنند و کاربران میتوانند مستقیما پیامهای متنی خود را بدون کمک اپراتور به مقصد مورد نظر ارسال نمایند. شبکه تلفنی برای ارتباطات صوتی بین دو کاربر مورد استفاده قرار میگیرد. یک شبکه کامپیوتری به کاربران این اجازه را میدهد که با استفاده از شبکه کامپیوتری با هم ارتباط برقرار کنند. دادههای صوتی و تصویری میتوانند از طریق شبکه پخش به طور همزمان از یک مبدأ به تعداد زیادی از استفادهکنندهها ارسال شود.
به منظور بیشتر مشخص شدن مفهوم شبکه، شبکه کامپیوتری را مورد بحث قرار میدهیم.
1-2- شبکه کامپیوتری
با توجه به استفاده گسترده از کامپیوترها، دیگر استفاده از آنها به یک مکان خاص محدود نمیشود و نیاز به اینکه کامپیوترها در مکانهای مختلف با یکدیگر مرتبط شوند احساس میشود. یک شبکه کامپیوتر که اغلب از آن به عنوان شبکه یاد میشود، از گروهی از کامپیوترها و وسیلهها تشکیل شده است که توسط کانالهای ارتباطی با یکدیگر مرتبط هستند و ارتباط بین کاربران را آسان میسازد. یک شبکه به کاربران این اجازه را میدهد که از منابع و اطلاعات به صورت مشترک استفاده کنند. بر اساس پراکندگی جغرافیایی کامپیوترها اساسا سه نوع شبکه موجود است که در ادامه به آنها اشاره میکنیم [7].
شبکههای محلی (LAN)
در این نوع شبکه، کامپیوترها و دیگر وسایل ارتباطی در یک محیط کوچک به یکدیگر مرتبط هستند. محیط میتواند یک ساختمان یا مجموعهای از ساختمانها در یک محوطه باشد. نمونهای از شبکه محلی، شبکه کتابخانهای است که مورد استفاده قرار میگیرد[7].
شبکههای شهری (MAN)
اساسا یک شبکه شهری بزرگتر از شبکههای محلی است و عموما از ساختاری مشابه استفاده میکنند که میتواند گروهی از دفاتر مجاور و یا در یک شهر را پوشش دهد و میتواند خصوصی و یا عمومی باشد [7].
شبکههای گسترده (WAN)
در این شبکه کامپیوترها میتوانند از یکدیگر دورتر باشند و شهرها، کشورها و یا حتی قارهها را پوشش دهند. کامپیوترها میتوانند از طریق خطوط تلفن، امواج رادیویی و فیبر نوری به یکدیگر متصل شوند [7].
شبکهها به دوگروه کلی تقسیم میشوند که عبارتند از شبکههای نظیر به نظیر و شبکههای سرویس دهنده محور.
تفاوت بین شبکههای نظیر به نظیر و سرویسدهنده محور بسیار مهم است، زیرا هر یک دارای قابلیتهای متفاوت هستند. نوع شبکهای که شما آن را اجرا میکنید به عوامل بسیاری از جمله اندازه سازمان، سطح امنیت، نوع کار، سطح مدیریت شبکه، حجم ترافیک شبکه و بودجه شبکه وابسته است.
شبکههای نظیر به نظیر
تعریفهای مختلفی از سیستم نظیر به نظیر ارائه شده است که به طور کلی آن را سیستمی میدانند برای اشتراک منابع و سرویسهای کامپیوتر با انجام تبادل مستقیم بین آنها و در محیطی که اتصالات پایدار و آدرس هایIP قابل پیشبینی وجود ندارد و سیستم نمیتواند متکی به یک سرویس دهنده متمرکز باشد استفاده میشود.
در یک شبکه نظیر به نظیر هیچ سرویس دهندهای وجود ندارد و یا بین کامپیوترها درجهبندی صورت نمیگیرد. تمام کامپیوترها یکسان هستند و از این رو نظیر یکدیگر میباشند. عموما هر کامپیوتر به عنوان یک سرویس گیرنده و یک سرویس دهنده عمل میکند و هیچ یک مسئول اداره کردن کل شبکه نمیباشند. در این نوع شبکهها کاربر هر کامپیوتر مشخص میکند که چه دادههایی در کامپیوترش در شبکه به اشتراک گذاشته شود و کاربران مسئول کامپیوتر خود و امنیت آن میباشند.
شبکه نظیر به نظیر یک نوع شبکه ساده است و از آنجایی که هر کامپیوتر خودش به عنوان یک سرویس گیرنده و یک سرویس دهنده کار میکند، دیگر نیازی به یک سرویس دهنده مرکزی و قدرتمند نیست و در نتیجه شبکههای نظیر به نظیر نسبت به شبکههای سرویس دهنده محور ارزانتر هستند.
شبکه نظیر به نظیر میتواند خالص یا ترکیبی باشد. در مدل خالص هیچ سرویس دهنده متمرکزی وجود ندارد. در مدل ترکیبی، هر گره از طریق یک سرویس دهنده به سیستم وارد میشود که این سرویس دهنده میتواند برای شناسایی گره و اطلاعات دارای مجوز ورود بکار رود. بعد از ورود به سیستم جفتها بطور مستقیم و بدون دخالت سرویس دهنده با هم ارتباط برقرار
میکنند.
شبکههای نظیر به نظیر هنگامی مورد استفاده قرار میگیرند که :
تعداد کامپیوترها از 10 کمتر باشد.
تمام کاربران در یک مکان قرار گرفته باشند.
امنیت شبکه مهم نباشد.
در آینده نیازی به توسعه شبکه نباشد.
در ادامه نمونهای از شبکههای نظیر به نظیر نشان داده شده است [18، 26].

شکل 1-2- نمونهای از شبکههای نظیر به نظیر
انتخاب یک روش نظیر به نظیر معمولا به دلیل یک یا چند مورد از اهداف زیر صورت میگیرد.
تقسیم و کاهش هزینه
راهاندازی یک سیستم متمرکز که بتواند از سرویس گیرندههای زیادی پشتیبانی کند، هزینه زیادی را به سرویس دهنده تحمیل خواهد کرد. معماری نظیر به نظیر میتواند کمک کند تا این هزینه بین تمام گرهها تقسیم شود.
افزایش قابلیت اعتماد
بدلیل عدم وجود یک منبع قدرتمند مرکزی، قابلیت اعتماد در سیستم یکی از اهداف مهم به شمار میآید و بنابراین باعث نوآوریهای الگوریتمی در این زمینه میشود.
افزایش خودمختاری
در بسیاری از موارد کاربران در یک شبکه توزیع مایل نیستند که متکی به یک سرویس دهنده متمرکز باشند چون متکی بودن به یک سرویس دهنده متمرکز باعث محدود بودن آنها میشود. مثلا در مورد کاربرد اشتراک فایل، کاربران میتوانند بطور مستقیم فایلهای یکدیگر را دریافت کنند بدون آنکه متکی به یک سرویس دهنده متمرکز باشند که ممکن است مجوز دریافت فایل را به آنها ندهد.
گمنامی
این واژه وابسته به همان خودمختاری میشود. کاربران ممکن است مایل نباشند که هیچ کاربر دیگری یا سرویس دهندهای اطلاعاتی در مورد سیستم آنها داشته باشد. با استفاده از یک سرویس دهنده مرکزی نمیتوان از گمنامی مطمئن بود، چون حداقل سرویس دهنده باید بگونهای بتواند سرویسگیرنده را شناسایی کند، مثلا با استفاده از آدرس اینترنتی آن. با استفاده از معماری نظیر به نظیر چون پردازشها به صورت محلی انجام میشود، کاربران میتوانند از دادن اطلاعاتی در مورد خودشان به دیگران اجتناب کنند.
پویایی
فرض اولیه سیستمهای نظیر به نظیر این است که در یک محیط کاملا پویا قرار داریم. منابع و گرهها میتوانند آزادانه به سیستم وارد و از آن خارج شود.
شبکههای سرویس دهنده محور
در محیطی که تعداد کامپیوترها زیاد باشد شبکههای نظیر به نظیر مناسب نمیباشد و از این رو شبکهها باید دارای سرویس دهنده مشخصی باشند. سرویس دهنده تنها به عنوان سرویس دهنده عمل میکند و نیاز اجزای شبکه را سریعا برآورده میکند و امنیت فایلهای شبکه را بر عهده دارد.
هنگامی که اندازه و ترافیک شبکه افزایش مییابد بیش از یک سرویس دهنده در شبکه مورد نیاز است. تقسیم کارها بین سرویس دهندهها تضمین کننده اجرای هر کار به بهترین روش ممکن در شبکه است. نمونهای از شبکههای سرویس دهنده محور در شکل 1-3 نشان داده شده است [18].

شکل 1-3- نمونهای از شبکههای سرورمحور
1-2-1- ساختار شبکه
ساختار شبکه به شکل شبکه اشاره دارد. چگونگی اتصال گرههای مختلف در یک شبکه به یکدیگر و انتقالات بین آنها با ساختار شبکه معین میگردد. چهار نوع معمول از ساختار شبکه موجود است که در ادامه به آن اشاره میکنیم.
1-2-1-1- ساختار گذر
در این ساختار تمام وسیلهها به یک کابل مرکزی به نام گذر یا ستون فقرات متصل هستند. سادگی، کم هزینه بودن و توسعه آسان این شبکه از نقاط قوت آن است و نقطه ضعف عمده این شبکه آن است که اگر کابل اصلی که به عنوان پل ارتباطی بین کامپیوترهای شبکه است، قطع شود، کل شبکه از کار خواهد افتاد [18].

شکل 1-4- ساختار گذر
1-2-1-2- ساختار ستارهای
در این ساختار تمام وسیلهها به یک هاب مرکزی متصل هستند. گرهها با عبور دادهها از هاب با یکدیگر ارتباط دارند. نقطه ضعف این شبکه این است که عملیات کل شبکه به هاب وابسته است و اگر هاب از کار بیافتد کل شبکه از کار خواهد افتاد.
نقاط قوت شبکه ستارهای عبارتند از:
نصب شبکه با این ساختار ساده است.
توسعه شبکه با این ساختار به راحتی انجام میشود.
اگر یکی از خطوط متصل به هاب قطع شود فقط یک کامپیوتر از شبکه خارج میشود [18].

شکل 1-5- ساختار ستارهای
1-2-1-3- ساختار حلقوی
در این ساختار تمام وسیلهها به شکل یک حلقه بسته به یکدیگر متصل هستند بنابراین هر وسیله مستقیما به دو وسیله دیگر در ارتباط است که در دو طرف آن قرار دارند.
نقطه ضعف شبکههای حلقوی این است که به سخت افزار پیچیده نیاز دارد. (کارت شبکه آن گران قیمت است)
و نقاط قوت شبکههای حلقوی عبارتند از:
نصب شبکه با این ساختار ساده است.
توسعه شبکه با این ساختار به راحتی انجام میشود [18].

شکل 1-6- ساختار حلقوی
1-2-1-4- ساختار مش
در این ساختار وسیلهها از طریق ارتباطات فراوان بین گرهها به یکدیگر متصل هستند. در یک شبکه مش هر گره با تمام گرهها ارتباط دارد. مزیت این نوع شبکه این است که هر کامپیوتر با سایر کامپیوترها ارتباطی مجزا دارد که دارای بالاترین درجه پایداری و اطمینان است. اگر یک کابل از شبکه ارتباطی در ساختار مش قطع شود شبکه همچنان فعال باقی خواهد ماند. ضعف اساسی شبکههای مش آن است که از تعداد زیادی خطوط ارتباطی استفاده میکند، به خصوص هنگامی که تعداد ایستگاهها افزایش مییابد، به همین دلیل این ساختار از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

شکل 1-7- ساختار مش
1-2-2- اجزای شبکه
اجزای اساسی شبکه عبارتند از سخت افزار شبکه ، رسانههای انتقال و نرم افزار شبکه.
1-2-2-1- سخت افزار شبکه
جزء اصلی یک شبکه کامپیوتری سخت افزار شبکه است. کامپیوترها در یک شبکه به دو گروه سرویس دهنده و سرویس گیرنده تقسیم میشود. کامپیوتر سرویس دهنده کامپیوتری است که دارای قدرت و سرعت بالاتری است، سرویس گیرندهها به سرویس دهنده متصل هستند و در شبکههای نظیر به نظیر هیچ سرویس دهندهای وجود ندارد.
1-2-2-2- رسانههای انتقال
انتقال دادهها و عبور سیگنالها از انتقال دهنده به گیرندهها از طریق یک مسیر صورت میگیرد که این مسیر رسانه نام دارد.
رسانههای هدایت شده
در این گونه رسانهها دادهها از طریق مسیرهای فیزیکی انتقال مییابند، گونههای متفاوتی از کابلها در این رسانهها مورد استفاده قرار میگیرند که با توجه به ساختار شبکه انتخاب میشوند، که گونههایی از آنها عبارتند از کابلهای هممحور، زوج سیمهای به هم تابیده شده مسی و کابل فیبرنوری.
رسانههای هدایت نشده
در این رسانهها هیچ سیمی وجود ندارد و اطلاعات از طریق امواج رادیویی یا مایکروویو انتقال مییابند.
1-2-2-3- نرم افزار شبکه
نرم افزار شبکه مجموعهای از نرم افزارهاست که به کامپیوترهایی که با هم در ارتباط هستند اجازه میدهد که به صورتی راحت و کم هزینه از نرم افزارها استفاده کنند. نرم افزار شبکه عملکرد هر سیستم شبکه را کنترل مینماید، به عنوان مثال کنترل میکند که چه کسانی اجازه استفاده از شبکه را دارند، چه زمانی میتوان از شبکه استفاده کرد، کاربران اجازه انجام چه کارهایی را دارند و چه منابعی برای شبکه در دسترس میباشد.
کارت شبکه (NIC)
هر کامپیوتر به یک کارت شبکه نیاز دارد، که به هر ایستگاه اجازه میدهد تا با سایر ایستگاهها تبادل اطلاعات کنند.
سوییچ
سوییچها اساسا پلهای ارتباطی هستند که چندین قسمت دارند و قسمتهای مختلف شبکه را به یکدیگر متصل میکنند.
هاب
یک هاب برای متصل کردن چندین کامپیوتر و وسیله از طریق کابلهای خاص استفاده میشود. هابها ارزان هستند و اتصالها آسان صورت میگیرد[18].
مسیریاب
در محیطی که قسمتهای مختلفی از شبکه وجود دارد، ممکن است یک پل ارتباطی به منظور اطمینان از ارتباطات سریع میان قسمتهای مختلف، کافی نباشد. در چنین محیطی وسیلهای لازم است که نه تنها آدرس هر قسمت از شبکه را بداند بلکه بتواند بهترین مسیر را برای ارسال دادهها به قسمتهای مختلف تعیین کند، به چنین وسیلهای مسیریاب گویند. مسیریابها نسبت به پلهای ارتباطی اجازه دسترسی به اطلاعات بیشتری را دارند و از این اطلاعات به منظور مدیریت بهتر ترافیک در شبکه استفاده میکنند. مسیریابها گاهی مدخل نیز نامیده میشوند [18].
1-2-3- چگونه شبکهها دادهها را ارسال میکنند؟
معمولا دادهها به صورت فایلهایی با اندازههای بزرگ میباشند. اگر کامپیوترها همزمان تعداد زیادی داده را در شبکه قرار دهند، شبکه نمیتواند به درستی کار کند و سرعت شبکه کاهش مییابد. مقادیر زیاد داده به عنوان یک واحد بزرگ عملکرد شبکه را مختل مینماید و ارتباطات را امکانناپذیر میسازد، زیرا کامپیوترها کابلها را توسط دادهها پر کردهاند. از آنجایی که کاربران مایل هستند دادهها را به سرعت و به آسانی در شبکه عبور دهند، دادهها باید به قسمتهای کوچک و قابل اداره شکسته شوند، که به این قسمتها بسته گفته میشود.
بستهها واحدهای اساسی شبکههای ارتباطی هستند. با تقسیم دادهها به بستهها، انتقالات مجزا به سرعت صورت میپذیرد و از این رو هر کامپیوتر در شبکه شانس بیشتری برای انتقال و دریافت اطلاعات دارد. در کامپیوتر گیرنده، بستهها جمعآوری میشوند و به منظور بدست آوردن داده اصلی با ترتیبی مناسب سرهمبندی میشوند.
هنگامی که کامپیوتر فرستنده، دادهها را به بستهها میشکند، اطلاعات کنترلی خاصی را در هر یک از بستهها قرار میدهد که از طریق آن :
داده اصلی از طریق قسمتهای کوچک غیر جفت شده ارسال میگردد.
دادهها به ترتیب صحیح در مقصد با هم جفت میشوند.
دادهها برای بررسی خطا بعد از جفت شدن بررسی میشوند.
بستهها میتوانند شامل انواع بسیاری از اطلاعات شامل پیامها، فایلها و یا دادههای کنترلی خاص کامپیوتری باشند. مولفههای بسته عبارتند از:
یک آدرس مبدا که نشانگر کامپیوتر فرستنده است.
دادهای که میخواهیم آن را انتقال دهیم.
یک آدرس مقصد که نشانگر گیرنده است.
دستوری که به اجزای شبکه میگوید که چگونه دادهها را انتقال دهند.
اطلاعاتی که به کامپیوتر گیرنده میگوید که چگونه به منظور داشتن داده کامل، بستهها را به یکدیگر مرتبط کند.
اطلاعات بررسی کردن خطا که تضمین میکند دادهها بدون نقص دریافت شدهاند [18].

شکل1-8- بسته دادهها
1-3- شبکههای بیسیم
منظور از شبکههای بیسیم اتصال دو یا چند کامپیوتر و ایجاد یک شبکه محلی با استفاده از امواج رادیویی جهت ارسال و دریافت اطلاعات و دادهها و یا اصطلاحا سرویس انتقال میباشد. کامپیوترها در شبکه بیسیم توسط امواج رادیویی دادهها را منتقل مینمایند که این امر باعث میشود بتوان فایلها، چاپگر و دسترسی به اینترنت را با هر کامپیوتر موجود در شبکه به اشتراک گذاشت.
شبکههای بیسیم ، که سریعا در حال رشد و توسعهاند. این نوع شبکه دارای تجهیزات ساده بوده و نصب تجهیزات آن آسان است و قابل حمل میباشد. در شبکههای بیسیم نیازی به سیمکشیهای طویل و دراز نیست.
اگر سازمانی از یک شبکه بیسیم استفاده کند، کاربران قادر خواهند بود هر جا به صورت آنلاین با سایر کامپیوترها و چاپگرها ارتباط پیدا کنند. با استفاده از شبکههای بیسیم میتوان عملیات زیادی انجام داد که در شبکههای سیمی امکان آنها وجود ندارد، یعنی سایر تکنولوژیهای شبکه دارای انعطاف و قابلیت شبکه بیسیم نیستند. به همین دلیل استفادهکنندگان از شبکههای بیسیم روز به روز افزایش مییابند. اگر شخصی متصل به شبکههای بیسیم باشد، محدودیتی از نظر مکان ندارد، یعنی شخص میتواند در هتل، فرودگاه، مرکز همایش و حتی کافیشاپ و یا سایر محلها در صورت وجود پوشش، بدون هیچ محدودیتی با سرعت خیلی بالا به شبکه بیسیم متصل شده و قابلیت استفاده از آن را داشته باشد [31].
1-3-1- قابلیت شبکههای بیسیم
شبکههای بیسیم دارای قابلیتهای زیرند:
امکان ارتباطات موقت در شبکه.
پشتیبانی از شبکه موجود.
فراهم آوردن درجهای معین از قابلیت حمل.
گسترش دادن شبکه فراتر از محدودیتهای کابلهای مسی یا حتی فیبر نوری [18].
1-3-2- کاربردهای شبکه بیسیم
بکار بردن مشکل کابلها در شبکه باعث میشود که شبکههای بیسیم بسیار مورد قبول واقع شوند. شبکههای بیسیم در موارد زیر بسیار مورد استفاده قرار میگیرند:
محیطهای شلوغ مانند راهروها و محیطهای پذیرش.
ساختمانها و محیطهای منفرد.
بخشهایی که گاهی محیط فیزیکی آنها تغییر میکند.
ساختارهایی مانند ساختمانهای تاریخی که سیم کشی در آنها مشکل میباشد و … [18].
1-3-3- شبکههای بیسیم محلی ( WLAN)یک شبکه بیسیم معمولی به جز در رسانگر مانند شبکههای سیمی عمل میکنند. در این نوع شبکهها به یک نقطه دسترسی (AP) و یک کارت شبکه WLAN نیاز خواهد بود [18].
نقطه دسترسی
نقطه دسترسی دستگاهی برای برقراری ارتباط بین دستگاههای بیسیم و سیمی به یکدیگر است
که کار انتشار و دریافت سیگنالها را از کامپیوترهای اطراف برعهده دارد.
استفاده از نقاط دسترسی روش بسیار مفیدی جهت توسعه شبکههای بیسیم میباشد. در این حالت امکان اتصال به شبکههای سیمی یا اشتراک گذاری مودم پهن باند نیز وجود دارد.
در کل دو نوع نقطه دسترسی وجود دارد:
نقاط دسترسیهایی که به عنوان یک پل بین شبکه بیسیم و شبکههای سیمی بکار میرود.
نقاط دسترسیهایی که در آنها مسیریاب نیز تعبیه شده است و این مسیریاب باعث میشود که تمام کامپیوترهای موجود در شبکه به صورت اشتراکی به اینترنت دسترسی داشته باشند [18].
کارت شبکه
هر یک از دستگاههای موجود در یک شبکه بیسیم به یک کارت شبکه بیسیم نیاز خواهند داشت.
1-3-4- تکنیکهای انتقال
شبکههای بیسیم محلی از چهار تکنیک به منظور انتقال دادهها استفاده میکنند:
مادون قرمز
لیزر
امواج رادیویی پهن باند
امواج Spread-spectrum ( تقسیم دادههای مورد نظر به بخشهای کوچکتر جهت ارسال با استفاده از فرکانسهای گسسته و قابل دستیابی در هر زمان) [18].
1-4- شبکههای ad-hoc سیار(MANET)یک شبکه ad-hoc سیار که گاهی اوقات شبکه مش سیار نامیده میشود، خود یک شبکه متشکل از لوازم سیار (متحرک) است که توسط خطوط بیسیم با هم مرتبط هستند. هر وسیله در یک MANET آزاد است که به صورت مستقل و در هر جهتی حرکت کند و از این رو گاهی خطوط ارتباطی خود را با سایر وسیلهها تغییر دهد. بنابراین ساختار شبکه به صورت تصادفی و بسیار سریع در زمانهای غیرقابل پیشبینی تغییر میکند. از آنجایی که هر گره دارای برد انتقالی محدودی است تمام پیامها نمیتوانند به تمام گرههای مورد نظر برسند. برای حفظ ارتباط در کل شبکه در یک مسیر از مبدا به مقصد مسیر از چندین گره همسایه میانی میگذرد. هر یک از وسیلهها باید جریان را بدون درنظر گرفتن استفاده خود بفرستد و از این رو یک مسیریاب هستند. اولین ادعا در ساخت یک MANET مجهز کردن هر وسیله به نگهداری پیوسته اطلاعات مورد نیاز برای راه عبور مناسب است. چنین شبکههایی میتوانند خودشان به تنهایی کار کنند یا ممکن است به شبکه بزرگتری منتقل شوند.
هدف MANET ها این است که سیار بودن را در حیطه خود گسترش دهند. کاربرد وسیع از تکنولوژی MANET در محیطهایی است که تغییر ساختار به صورت پویا مورد نیاز است و شبکه بیسیم در دسترس نیست. به عنوان مثال در میدانهای جنگ، جستجوهای اضطراری، موقعیتهای امداد و نجات و ….
افزایش لپ تاپها و شبکههای بیسیم Wi-Fi باعث شده است که MANET از سالهای 1990 تا 1995 به موضوع پژوهشی مورد پسندی تبدیل شود[10].
فصل دوم

184404025019000
کدگذاری شبکه
مقدمه
هدف شبکههای ارتباطی انتقال اطلاعات بین گرههای مبدا و مقصد است. اولین سوالی که در طرحریزی شبکه پیش میآید این است که چگونه میتوان اطلاعات انتقال یافته در شبکه را افزایش داد. اخیرا نشان داده شده است که توانایی شبکه در انتقال اطلاعات میتواند به صورت چشمگیری بهبود یابد، این کار با استفاده از کدگذاری شبکه صورت میگیرد. کدگذاری شبکه حیطه پژوهشی جدیدی است که کاربردهای بسیار جالبی در سیستمهای شبکه کاربردی دارد. با استفاده از کدگذاری شبکه، گرههای میانی به جای ارسال ساده اطلاعات، جریانی از اطلاعات را ارسال مینماید که ممکن است پیچیدهتر از اطلاعات دریافتی پیشین باشد، به عنوان مثال گرههای میانی میتوانند ترکیبات خطی از اطلاعاتی را که پیش از این دریافت کردهاند، ارسال کنند. این شیوه ارسال اطلاعات کلید افزایش بازده بالقوه و قوای با درجه بالاتر میباشد که در اینجا قوا به معنای کاهش برگشت بستهها و آسانکردن پیادهسازی الگوریتمهای توزیع است [11،4].
در بخش 1 این فصل به بررسی عمل ساده XOR میپردازیم و در بخش 2 کدگذاری شبکه را مورد مطالعه قرار میدهیم سپس در بخش 3 پهنای باند و در بخشهای 4 و5 و6 به ترتیب توزیعهای تکی، همگانی و چندگانه را بررسی میکنیم و در ادامه در بخش 7 توزیع قابل اعتماد را مورد بحث قرار میدهیم.
2-1- عملXOR
عمل منطقی ترکیب مجزا (ناسازگار) که گاهی یای ناسازگار نیز نامیده میشود و با نمادهای ⨁,Eor,E Xor,XOR) یا ⋁) نمایش داده میشود، یک ترکیب فصلی روی دو عملوند است که نتیجه آن تنها هنگامی درست است که دقیقا یکی از عملوندها درست باشند ( این یا دیگری ولی نه هر دو).
جدول زیر ترکیب دو عملوند A وB را تحت عملXOR نشان میدهد.
جدول 2-1- ترکیب دو عملوند A وB تحت عمل XOR
INPUT OUTPUT
A B A XOR B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

A⨁B A⨁B⨁Cیک سیستم با استفاده از یای مجزا یا (⋁ و{F وT} ) یک گروه آبلی است. ترکیب عملگرهای Λ و⋁ روی مولفههای {F وT} میدان F2 را تولید میکند. اگر سه داده ورودی داشته باشیم، نتیجه هنگامی درست است که دقیقا یکی ازاین دادهها درست باشد. اگر تعداد زیادی داده ورودی داشته باشیم، نتیجه هنگامی درست است که تعداد فرد از دادهها درست باشد.
A⨁B=A⋀!B⋁!A⋀B=(A⋁B)⋀(!A∨!B)

2-2- کدگذاری شبکه
امروزه شبکههای ارتباطی در اساس عمل مشترک هستند، خواه بستهها در اینترنت یا سیگنالها در شبکههای تلفنی باشند، اطلاعات مانند عبور اتومبیلها در بزرگراه یا انتقال جریان در لولهها انتقال مییابند. یعنی جریان دادههای مستقل ممکن است در منابع اشتراک داشته باشند، اما اطلاعات خودشان مجزا باشد. مسیریابی، ذخیره سازی دادهها و به طور کلی تمام اعمال شبکه بر فرض ارسال ساده اطلاعات استوار است. کدگذاری شبکه حیطه جدیدی است که این فرض را میشکند و به جای ارسال ساده اطلاعات، گرهها میتوانند چند بسته ورودی را با هم ترکیب کنند و به صورت یک یا چند بسته خروجی درآورند. مثالی ساده در زمینه شبکههای بیسیم ساختاری با سه گره است که در شکل 2-1 نشان داده شده است.کدگذاری خطی شبکه در حالت کلی مشابه این مثال است با این تفاوت که در آن عمل XOR جای خود را به ترکیبات خطی میدهد.
T–itional MethodA a S BA S b BA a S a BA b S b BNetwork codingA a S BA S b BA a xor b S a xor b Bشکل 2-1مثالی ساده از کدگذاری شبکه.
گره های A و B میخواهند بستهها را از طریق گره میانی S رد و بدل کنند. گره A بسته a و گره B بسته b را میفرستد و در ادامه a xor b به جای a و b توزیع میگردد و A وB میتوانند بستههای مورد نظر خود را احیا کنند و در این حالت تعداد انتقالات کاهش مییابد.
کدگذاری شبکه در حیطههایی که تنها اطلاعات جزیی و یا غیر قطعی برای تصمیم گیری در دسترس است، بسیار مناسب میباشد. دریافت موفقیتآمیز اطلاعات، به دریافت حجم مشخصی از بستهها وابسته نیست بلکه به دریافت تعداد کافی از بستههای مستقل وابسته است[4].
2-2-1- کدگذاری خطی شبکه
سیستمی را در نظر بگیرید که مانند یک مسیریاب یا یک گره در یک شبکه توزیع نظیر به نظیر به ارسال اطلاعات میپردازد. در روشهای سنتی هنگامی که بستههای اطلاعاتی به تعدادی از گرهها میرسیدند، آن گرهها نیز به آسانی همین کار را تکرار میکردند. با استفاده از کدگذاری شبکه، به گره این اجازه را میدهیم که تعدادی از بستههایی که دریافت کرده است را با هم ترکیب کند و به یک یا چند بسته خروجی تبدیل نماید. فرض کنید که هر بسته شامل L بیت باشد. هنگامی که بستههایی که میخواهند با هم ترکیب شوند دارای اندازه یکسان نباشند، بستههایی با اندازه کمتر با دنبالهای از صفرها افزوده میشوند. میتوانیم S بیت متوالی از یک بسته را به صورت نمادی روی میدان F2s معرفی کنیم و هر بسته شامل یک بردار با L/S مولفه میباشد. با استفاده ازکدگذاری خطی شبکه، بستههای خارج شده ترکیب خطی از بستههای اصلی هستند، جاییکه جمع و ضرب روی میدان F2s انجام میشود. دلیل انتخاب چارچوب خطی این است که الگوریتمها برای کدگذاری و از کد خارج کردن بسیار قابل فهم هستند.
ترکیبات خطی سلسلهوار نیستند، اگر ما بستههایی به طول L را با هم ترکیب کنیم، بسته کدگذاری بدست آمده دارای طول L است. یک بسته کدگذاری شده عموما شامل اطلاعاتی در مورد چندین بسته اصلی است[4].
2-2-2- کدگذاری
فرض کنید که تعدادی بسته اصلیM1,…,Mn ، توسط یک یا چند منبع تولید شدهاند. در کدگذاری خطی شبکه هر بسته در شبکه به دنبالهای از ضرایب g1,…,gn درF2s مرتبط است و X=i=1ngiMi ، این مجموع برای هر مولفه استفاده میشود، یعنی Xk=i=1ngiMki جاییکه Mki وXk به ترتیب k امین مولفه X,Mi هستند. به منظور ساده سازی فرض میکنیم که هر بسته شامل ضرایب g=(g1,…,gn) که بردار کدگذاری نامیده میشود و داده کدگذاری شده X=i=1ngiMi که بردار اطلاعات نامیده میشود، است. بردارهای کدگذاری به منظور از کد خارج کردن دادهها توسط گیرندهها استفاده میشود. به عنوان مثال، بردار کدگذاری ei=(0,…,0,1,0,…,0)، جاییکه 1 مولفه i ام است، به این معناست که بردار اطلاعات برابر Mi است. کدگذاری میتواند به صورت بازگشتی انجام گیرد. گرهای را در نظر بگیرید که مجموعه g1,X1,…,(gm,Xm) از بستههای کدگذاری شده را دریافت و ذخیره کرده است. جاییکه gj بردار کدگذاری jامین بسته و Xj بردار اطلاعاتj امین بسته است. این گره میتواند بسته کدگذاری شده جدید (g,X) را با انتخاب یک مجموعه از ضرایب h1,…,hm را تولید و ترکیب خطی X=j=1mhjXj را محاسبه نماید[4].
2-2-3- از کد درآوردن
فرض کنید که یک گره مجموعه g1,X1,…,(gm,Xm) را دریافت کرده است. به منظور بازیابی بستههای اصلی لازم است که دستگاه {Xj=i=1ngijMi} را حل کنیم. (جاییکه Mi ها مجهول هستند.) این دستگاه خطی دارای m معادله و n مجهول است. به منظور داشتن شانس احیای تمام دادهها باید داشته باشیم m≥n ، یعنی تعداد بستههای دریافت شده باید حداقل به بزرگی اندازه بستههای اصلی باشد. برعکس شرط m≥n شرط کافی نیست، چون برخی از ترکیبها باید مستقل خطی باشند[4].
2-2-4- چگونه ترکیبات خطی را انتخاب کنیم؟
مساله کدگذاری شبکه این است که هر گره شبکه چه ترکیب خطی را انجام دهد. یک الگوریتم ساده این است که هر گره در شبکه به طور یکنواخت و به صورت تصادفی ضرایب را روی میدان F2s به روشی کاملا مستقل و غیر متمرکز، انتخاب کند. با کدگذاری تصادفی شبکه، احتمالات قطعی از انتخاب ترکیبات مستقل خطی موجود است. این احتمالات به اندازه میدان F2s مربوط است. نتایج شبیه سازی شده حاکی از آن است که برای میدانهایی با اندازه کوچک (مثلا S=8 ) احتمالات ناچیز و اندک است. الگوریتمهایی نیز موجودند که میتوان با استفاده از آنها کدهای شبکه را طراحی کرد. این الگوریتمها مشخص میکنند که هر گره در شبکه چه ترکیبات خطی را روی بستهها پیاده کند و از آنجایی که هر گره از ضرایب خطی ثابتی استفاده میکند، لازم است که بستهها تنها بردار اطلاعات را با خود حمل کنند [4].
2-2-5- ملاحظات عملی
در این بخش ابتدا به مبحث از کد خارج کردن اشاره میکنیم. از کد درآوردن نیازمند حل یک مجموعه از معادلات خطی است که در عمل به صورت زیر انجام میشود.
یک گره بردارهای کدگذاری را که دریافت کرده است، همانند بستههای اصلی خودش، سطر به سطر در ماتریسی که به آن ماتریس از کد درآوردن گویند، ذخیره میکند، که در ابتدا تنها شامل بستههای غیر کدگذاری شده است که توسط این گره به همراه بردارهای کدگذاری مورد نظر منتشر میشود. هنگامی که یک بسته کدگذاری شده دریافت میشود به عنوان سطر آخر وارد ماتریس از کد خارج کردن میشود. ماتریس ضرایب با استفاده از روش حذفی گاوس به یک ماتریس مثلثی تبدیل میگردد. بسته دریافت شده را تغییریافته نامند اگر رتبه ماتریس را افزایش دهد. اگر یک بسته تغییریافته نباشد به سطری از صفرها توسط روش حذفی گاوس کاهش مییابد. به محض اینکه ماتریس شامل یک سطر به شکل (ei,X) باشد، گره میداند که بسته اصلی Mi برابر X است. این حالت هنگامی رخ میدهد که n بردار کدگذاری مستقل خطی دریافت شود. توجه کنید که لازم نیست از کد خارج کردن برای تمام گرهها انجام شود، تنها گرههای گیرنده این عمل را انجام میدهند[4].
دورهها
برای تمام اهداف عملی باید اندازه ماتریسها برای کدگذاری شبکه محدود باشد. این مساله برای کدگذاری جبری شبکهها مستقیما بدست میآید. اما در صورت کدگذاری تصادفی شبکهها این امر بسیار مشکل میباشد. در مورد آخر معمولا بستهها به دورههایی گروهبندی میشوند و تنها بستههایی که در یک دوره یکسان قرار دارند میتوانند با هم ترکیب شوند. اندازه و ترکیب دورهها میتواند تاثیر مهمی روی اجرای کدگذاری شبکه داشته باشد. ملاحضاتی مشابه نیز برای اندازه میدان متناهی برقرار است. هر دو پارامتر باعث کاهش حافظه مورد نیاز و پیچیدگیهای مثلثاتی میشود [4].
تاخیر
تاخیر یک مشخصه اجرایی مهم در شبکههای کامپیوتری است. تاخیر در یک شبکه عبارت است از مدت زمانی که به طول میانجامد تا یک بیت از دادهها در شبکه از یک گره به گره دیگر برود که معمولا به صورت مضربی از ثانیهها یا کسری از ثانیه اندازهگیری میشود. کاربران تنها به تاخیر کلی شبکه توجه میکنند، اما مهندسان میانگین تاخیر و ماکزیمم تاخیر را مورد توجه قرار میدهند و تاخیر را به قسمتهای مختلفی تقسیمبندی میکنند که عبارتند از:
تاخیر پردازش: زمانی که به طول میانجامد تا مسیریاب بستهها را پردازش کند.
تاخیر به صف کردن: زمانی که به صف کردن دادهها اختصاص مییابد.
تاخیر انتقال: زمانی که به طول میانجامد تا بیتهای بستهها در خط ارتباطی قرار گیرند.
تاخیر انتشار: زمان مورد نیاز برای رسیدن یک سیگنال به مقصد.
بستههایی که نیاز به از کد درآوردن دارند تاثیرات اندکی در تاخیر دارند. معمولا لازم نیست که تمام بستههای کدگذاری شده قبل از اینکه تعدادی از بستهها بتوانند از کد خارج شوند، دریافت شوند. (یعنی هرگاه قاعده حذفی گاوس منجر به ایجاد یک سطر به شکل (ei,Mi) شود.) در مجموع با کاهش انتقالات مورد نیاز، تاخیرات کلی در شبکههای کدگذاری شده بزرگتر از تاخیرات در شبکههای عادی نیست [4].
2-2-6- مزایای کدگذاری شبکه چیست؟
بازده مورد نظر در محیط استاتیک
اولین نتایجی که در کدگذاری شبکه درخشید این است که کدگذاری شبکه قادر است ظرفیت شبکه را برای جریان در توزیع با چند گیرنده افزایش دهد. شبکهای را در نظر بگیرید که به صورت یک گراف جهتدار نشان داده میشود ( عموما این شبکه سیمی است). رئوس گراف نظیر ترمینالها و یالهای گراف نظیر کانالها هستند. فرض کنید Mمنبع داشته باشیم که هر یک اطلاعات را به نسبت مشخص ارسال میکنند و N گیرنده داریم. تمام گیرندهها تمایل دارند که تمام منابع را دریافت کنند.
قضیه 1. اگر نسبتهای منبع به گونهای باشد که بدون کدگذاری شبکه، شبکه بتواند هر گیرنده را به تنهایی حمایت کند. (یعنی هر گیرنده میتواند تمام منابع را هنگامی که تنها یک گیرنده در شبکه موجود باشد، از کد خارج کند.) در این صورت با انتخاب مناسب از ضرایب کدگذاری خطی شبکه قادر است تمام گیرندهها را همزمان حمایت کند [4].
به عبارت دیگر هنگامی که N گیرنده در منابع شبکه مشترک هستند هر یک از آنها میتواند ماکزیمم نسبتی را که امید به دریافت آن داشته است دریافت کند. حتی اگر تمام منابع شبکه را خودش استفاده کند. از این رو کدگذاری شبکه میتواند به اشتراک بهتر منابع شبکه در دسترس کمک کند.
قدرتمندی و انطباقپذیری
مهمترین مزیت کدگذاری شبکه، قدرتمندی و انطباقپذیری آن است. به صورت شهودی فکر میکنیم که کدکذاری شبکه مشابه کدگذاری سنتی، بستههای اطلاعات را دریافت میکند و بستههای کدگذاری شده را تولید مینماید، جاییکه هر بسته کدگذاری شده به یک میزان اهمیت دارند، مشروط به اینکه تعداد کافی از بستههای کدگذاری شده را دریافت کرده باشیم (مهم نیست کدام بسته دریافت شده باشد) میتوانیم آنها را از کد درآوریم. شکل جدیدی که کدگذاری شبکه فراهم میآورد این است که ترکیبات خطی به صورتی مصلحت اندیشانه و نه تنها روی گره منبع انجام میشوند، بنابراین کدگذاری شبکه در مواردی که گرهها تنها اطلاعات ناکافی در مورد موقعیت کلی شبکه دارند بسیار مناسب میباشد.
مجددا مثال شکل 2-1 را در نظر بگیرید و فرض کنید که A و B به صورت تصادفی و بدون توجه به موقعیت S فعال نباشند (یا ممکن است از محدوده خارج شده باشند)، اگرS ، a یا b را توزیع کند، از آنجایی که گیرنده مورد نظر ممکن است قادر به دریافت بستهها نباشد، انتقالات کاملا بیفایده خواهد بود. در حالی که اگرS ، a xor b یا به صورت کلیتر ترکیب خطی تصادفی از بستههای اطلاعات را توزیع کند، انتقال میتواند اطلاعاتی جدید را به گرههای فعال منتقل کند[4].
2-2-7- مثال
در این قسمت شبکه پروانهای را مورد بررسی قرار میدهیم. در شبکه پروانهای ( شکل 2-2 ) دو منبع داریم (در بالای تصویر) که یکی دارای داده A و دیگری دارای داده B است. دو گره مقصد نیز موجود است (در پایین تصویر) که هر یک مایلند A و B را دریافت کنند. هر یال تنها قادر به انتقال یک مقدار است. اگر از روشهای عادی برای انتقال دادهها استفاده کنیم یال مرکزی تنها قادر به انتقال A یا B است و نمیتواند هر دو را انتقال دهد. حال فرض کنید A را از طریق یال مرکزی عبور دهیم. مقصد سمت چپ A را دو بار دریافت میکند در حالی که B را اصلا دریافت نمیکند. مسالهای مشابه در حالتی که تنها B را از یال مرکزی عبور دهیم نیز رخ میدهد. حال با استفاده از یک کد ساده میتوانیم A وB را همزمان به هر دو مقصد ارسال کنیم. با فرستادن داده A+B از یال مرکزی مقصد سمت چپ با دریافت A و A+B قادر است B را نیز تولید کند و مقصد سمت راست با دریافت B و A+B ، A را تولید میکند. این کدگذاری یک کدگذاری خطی است، زیرا اعمال کدگذاری و از کد خارج کردن هر دو خطی میباشند.

شکل 2-2- شبکه پروانهای
2-2-8- موارد استفاده از کدگذاری شبکه.
در زیر تعدادی از کاربردهای کدگذاری شبکه را مورد بررسی قرار میدهیم.
توزیع فایل P2P
احتمالا شناخته شدهترین استفاده از کدگذاری شبکهها درAvalanche است.Avalanche به توزیعی در شبکه نظیر به نظیر گفته میشود که توسط پابلو رودریگز و کریستس گانتسیدیس در مایکروسافت طراحی شد که در آن پهنای باند نسبت به سیستم نظیر به نظیر معمولی بهبود یافته است. Avalanche برای توزیعهای با حجم زیاد در شبکههای نظیر به نظیر استفاده میشود و در آن کدگذاری شبکه به کار گرفته میشود. در اینگونه شبکه توزیع P2P سرویس دهنده، یک فایل بزرگ را به تعدادی بلوک میشکند. گرههای همتراز سعی میکنند که فایل اصلی را با دانلود بلوکها از سرویس دهنده بازیابی کنند و بلوکهای دانلود شده را بین خودشان توزیع کنند. بدین منظور گرههای همتراز ارتباط خود را با تعداد محدودی از گرههای همتراز همسایه خود حفظ میکنند که این گرههای همسایه به صورت تصادفی از بین مجموعه گرههای همتراز انتخاب میشوند. در Avalanche بلوکهایی که توسط سرویس دهنده فرستاده میشوند به صورت ترکیب خطی تصادفی از بلوکهای اصلی هستند. به صورت مشابه گرههای همتراز، ترکیبات خطی تصادفی از تمام بلوکهایی که در دسترس دارند را ارسال میکنند. یک گره میتواند تعیین کند که چه تعداد بلوک تغییریافته را میتواند به یکی از همسایگانش ارسال کند. این کار با مقایسه ماتریس ضرایب از کد درآوردن خود و همسایهاش انجام میگردد، یا اینکه به آسانی بلوکهای کد شده را ارسال میکند تا هنگامی که همسایهاش اولین بلوک تغییرنیافته را دریافت کند، سپس گره انتقالاتش را به این همسایه قطع میکند تا هنگامی که بلوکهای تغییریافته بیشتری را از دیگر گرهها دریافت کند. ضرایب کدگذاری به همراه بلوکها انتقال مییابند. اما از آنجایی که معمولا بلوکها دارای اندازهای در حدود هزاران کیلو بایت هستند، این اضافات اندک و نا چیز است. در Avalanche اطلاعات به سرعت به تمام کاربران در شبکه میرسد. یک گره جدید میتواند در طول مدت زمانی که عملیات توزیع در شبکه صورت میگیرد به شبکه افزوده شود. کاربر جدید ابتدا به سرویس دهنده مرکزی متصل میگردد و سپس با گرههایی که در همسایگیاش قرار دارند به تبادل جریان میپردازد.
کدگذاری شبکه از جهات بسیاری به مسالههای زیر کمک میکند:
زمان دانلود را مینیمم میکند. در یک سیستم توزیع P2P با اندازه بزرگ طرح ریزی بهینه بستهها بسیار پیچیده است، به خصوص اگر کاربران اطلاعات بسیار محدودی در مورد ساختار شبکه داشته باشند. با استفاده از کدگذاری شبکه، عملکرد سیستم بسیار کمتر به ساختار شبکه وابسته میگردد. در نتیجه مکانیزم بسیار سادهای که یک پوشش تصادفی را میسازد مورد استفاده قرار میگیرد.
با توجه به عدم تشابه یا تفاوت بلوکهای کد شده، جواب بر پایه کدگذاری شبکه در حالتی که سرور کارش را قبل از اینکه تمام جفتها دانلودشان را تمام کرده باشند یا در رویارویی با نسبت به شدت بالا ( هنگامی که گرهها تنها برای مدت زمان کوتاهی با هم مرتبط باشند یا اینکه سریعا بعد از اتمام دانلودشان ارتباط آنها قطع شود .)، قطع کند، دارای قدرت بالاتری میباشد.
کدگذاری شبکه به گرههای شبکه این اجازه را میدهد که به کدگذاری بپردازند و این امر باعث ماکزیمم شدن بازده شبکه میگردد.
برخلاف ارسال پروتکلهای اصلی، پروتکل کدگذاری شبکه تنها خطای کوچکی را متحمل میشوند [4، 29].
شبکههای بیسیم
جریان دو طرفه در شبکههای بیسیم
همانگونه که در مثال شکل 2-1 دیدیم، متوجه شدیم که کدگذاری شبکه میتواند هنگامی که دو گره با ارتباط بیسیم تحت یک ایستگاه پایهای با هم ارتباط دارند، بازده را افزایش دهد. این حالت را میتوان به حالت multi-hop-routing در یک شبکه بیسیم گسترش داد، جاییکه جریان بین دو گره انتهایی دو طرفه است و هر دو گره تعداد یکسانی بسته برای تغییر دارند. اگر برنامهای داشته باشیم که مسیریابهای مجاور با هم مبادله داشته باشند بعد از چند گام اولیه، تمام مسیریابهای میانی بستههایی را برای انتقال دو طرفه در مسیر در حافظه خود ذخیره کردهاند. هرگاه فرصت انتقال افزایش یابد یک مسیریاب دو بسته را هر یک برای یک جهت با عمل ساده XOR با هم ترکیب و به همسایگانش توزیع میکند. هر دو مسیریاب گیرنده یکی ازبستههایی که در توزیع کدگذاری شده است را میشناسند، در حالی که بسته دیگر برای آنها جدید است. بنابراین هر توزیع به دو گیرنده اجازه میدهد که یک بسته جدید را دریافت کند که این کار ظرفیت مسیر را به طور موثری افزایش میدهد.
شبکههای بیسیم مش محلی
حتی اگر کدگذاری شبکه تنها از عمل محدود XOR برای ترکیب بستهها استفاده کند، میتواند به طور موثری کارایی شبکههای بیسیم مش را افزایش دهد. تمام انتقالها توزیع و توسط همسایگان دریافت میشوند. بستهها با خلاصهای از اطلاعات در مورد تمام بستههای دیگری که یک گره تاکنون دریافت شده است حاشیهنگاری میشود. بدین طریق اطلاعات در مورد اینکه کدام گرهها کدام بستهها را در یک همسایگی توزیع میکنند نگهداری میشوند. یک گره میتواند چندین بسته را تحت عمل XOR برای همسایگان متفاوت کدگذاری کند و آنها را تحت یک انتقال ارسال نماید، مشروط بر اینکه هر همسایه هنوز اطلاعاتی برای از کد درآوردن اطلاعات داشته باشد [4].
امنیت شبکه
در هر شبکه امنیت اطلاعات باید مد نظر قرار گیرد.
امنیت در برابر شنود که تلاش به احیاسازی بخش دادهها دارد. امنیت در برابر مهاجمان بدخواه که تلاش برای محروم کردن گیرندهها از اطلاعات با کاهش بستهها دارد و امنیت در برابر هجوم پارازیت.
کدگذاری شبکه، محافظت در برابر شنود را بسیار آسان میکند، زیرا اطلاعات بیشتر گسترش مییابند و شنیدن آنها مشکل است. مبدا، دادههای اصلی را با اطلاعات تصادفی ترکیب میکند و یک کد شبکه را به طریقی که تنها گیرندهها قادر به از کد خارج کردن بستهها باشند، تولید میکند. علاوه بر این اطلاعات مشترک بین بستههایی که توسط شنود کننده دریافت میشود و بستههای اصلی صفر است. نوع ضعیفتری از امنیت بر این حقیقت استوار است که تنها گرههایی میتوانند بستهها را از کد درآورند که به تعداد کافی بردارهای مستقل خطی دریافت کرده باشند کاری که شنود کنندهها نمیتوانند انجام دهند. کدگذاری شبکه حفاظت در برابر کاهش بستهها در شبکه را نیز آسان میکنند. در یک شبکه بدون هیچ حفاظت اضافی، مهاجمان میانی میتوانند به دلخواه در بستهای تقلیل ایجاد کنند. در حالتی که از کدگذاری شبکه استفاده شده باشد، مهاجم نمیتواند به عمل از کد درآوردن بستهها در مقصد بدون داشتن تمام بستههای کدگذاری شده که توسط مقصد دریافت شدهاند، غلبه کند. بستهها از طریق مسیرهای متفاوت جریان پیدا میکنند و این کار مهاجم را مشکل میسازد. از سویی دیگر به نظر میآید که کدگذاری شبکه امنیت شبکه در برابر هجوم پارازیت را ارتقا میبخشد. پارازیت میتواند عملکرد شبکه را مختل گرداند. در شبکهای که پارازیت ایجاد میشود، گرههایی وجود دارند که بستههای نامعتبر و خراب را منتشر میکنند. هنگامی که این بستههای خراب توسط گیرندهها دریافت میشوند، گیرندهها توانایی بازخوانی و از کد درآوردن آنها را ندارند، از این رو شبکه دچار اختلال میگردد. چون در یک شبکه سرویس دهنده بسته دادهها را ارسال میکند، این بستهها معتبر و درست هستند در حالی که در شبکهای که پارازیت وجود دارد گرههای میانی نیز موجودند که به ارسال بستههای خراب و نامعتبر میپردازند. اگر از کدگذاری در شبکه استفاده کنیم که در آن بردارهای کدگذاری به صورت تصادفی انتخاب شدهاند، از آنجایی که گرههای میانی که عمل کدگذاری را انجام میدهند ممکن است پیش از این بستههای خراب را نیز دریافت کرده باشند، بستههای کد شده جدید نیز نامعتبر خواهند بود و از این رو تعداد بستههای نامعتبر در شبکه افزایش مییابد. در اینگونه شبکهها از کدگذاریی استفاده میشود که در آن با استفاده از یک تابع به نام تابع هش عمل کدگذاری صورت میگیرد و یک گره قبل از اینکه بستهای را دریافت کند، بررسی میکند که آیا این بسته معتبر است یا نه و در صورت معتبر بودن این بسته وارد ترکیب کدگذاری میگردد. از آنجایی که بررسی معتبر بودن بستهها عملی وقتگیر است، هنگامی که یک گره یک بسته نامعتبر را میشناسد به سایر گرههای همسایه اطلاع میدهد که این بسته نامعتبر است تا آنها نیز آن را دریافت نکنند و در نهایت این امر باعث میگردد تا گرهها از پذیرش بستههای نامعتبر خودداری کنند[3، 4].

2-3- پهنای باند
در ارتباطات، تفاوت بین بالاترین و پایینترین فرکانسها را پهنای باند گویند.
در یک شبکه تلفنی پهنای باند3000 هرتز است که از تفاوت بین پایینترین فرکانس ارسالی ممکن که 300 هرتز است و بالاترین فرکانس ممکن که 3300 هرتز میباشد به وجود میآید. در شبکههای کامپیوتری بزرگترین پهنای باند به سریعترین یا بزرگترین ظرفیت انتقال داده دلالت دارد [18].
2-4- توزیع تکی
توزیع تکی اصطلاحی است که به ارتباطی گفته میشود که در آن اطلاعات از نقطهای به نقطه دیگر انتقال مییابد. در این حالت تنها یک فرستنده و یک گیرنده داریم و اطلاعات از یک فرستنده به یک گیرنده خاص فرستاده میشود. هنوز توزیع تکی به عنوان بیشترین نوع انتقالات در شبکههای LAN و اینترنت کاربرد دارد. شکل 2-3 نمونهای از توزیع تکی را نشان میدهد.

شکل 2-3- توزیع تکی
2-5- توزیع همگانی
توزیع همگانی به ارتباطی گفته میشود که در آن اطلاعات از یک نقطه به تمام نقاط فرستاده میشود. در این حالت تنها یک فرستنده وجود دارد، اما اطلاعات به تمام گیرندههای مرتبط فرستاده میشود. از توزیع همگانی میتوان برای ارسال یک پیام یکسان به تمام کامپیوترها در یک شبکه LAN استفاده کرد. شکل 2-4 نمونهای از توزیع همگانی را نشان میدهد.

شکل 2-4- توزیع همگانی
2-6- توزیع چندگانه
توزیع چندگانه به ارتباطی گفته میشود که در آن اطلاعات از یک نقطه به مجموعهای از نقاط فرستاده میشود در این حالت یک و یا شاید چند فرستنده داشته باشیم که اطلاعات را به گروهی از گیرندهها میفرستند. (تعداد گیرندهها میتواند یک یا بیشتر باشد) نمونهای از کاربرد توزیع چندگانه در کنفرانسهای تلفنی و ارسال ویدیو یا صدا به گروه خاصی از گیرندههاست.
شکل 2-5 نمونهای از توزیع چندگانه را نشان میدهد [23].

شکل 2-5- توزیع چندگانه
2-7- توزیع قابل اعتماد
ما نیاز به تعریف دقیقی از توزیع قابل اعتماد داریم. تعریفهای متعددی در این زمینه موجود است. تعریفی کلی در سال 2002 توسط لی ارائه شد که در آن سه سطح از توزیع قابل اعتماد بسته دادهها مشخص شده است که در ادامه آمدهاند:
تمام بستههای دادهها رسانده شوند.
تمام ترتیبها بین بستهها نگهداری شود.
ترتیب کلی رساندن بستهها حفظ شود.
تمام تعریفها نیاز دارند که فرستنده یک بسته داده را ارسال کند و تمام گیرندههای موجود در توزیع چندگانه آن را دریافت کنند. در صورتی که چند بسته داده ارسال شود که گیرندههای آنها مشابه یا متمایز باشند، هیچ تضمینی وجود ندارد که ترتیب خاصی برای دریافت بستهها حفظ شود. به عنوان مثال اگر فرستنده S دو بستهM2, M1 را ارسال کند، گیرنده R1 مایل است که M1 را قبل ازM2 دریافت کند در حالی که R2 ممکن است تمایل داشته باشد با ترتیب عکس بستهها را دریافت کند (یعنیM2 را قبل از M1 دریافت کند). حال آنکه رساندن تمام بستهها میتواند به عنوان کمترین نیاز هر مکانیزم توزیع قابل اعتماد در نظر گرفته شود، در برخی موارد شرطهای دقیقتر و سختگیرانهتری مورد نظر میباشد، به عنوان مثال ممکن است ترتیبی که بستهها دریافت میشوند به عنوان شرط مورد نیاز در توزیع قابل اعتماد باشد برای نمونه میتوان به گونهای از توزیع چندگانه اشاره کرد که در آن بستهها، اعمال روی دادهها را به روز رسانی میکنند. اگر دو گیرنده این بستههای به روز رسانی را با ترتیبهای متفاوت دریافت کنند، نتایج متفاوت خواهند بود. به عنوان مثال فرض کنید که یک متغیر صحیح A با مقدار اولیه 10 داریم. اگر بسته M1 به گیرنده بگوید که مقدار A را دو برابر کند و بستهM2 از گیرنده بخواهد که 5 واحد به A اضافه کند، مقدار نهاییR1 بعد از اینکه ابتدا M1و سپسM2 را دریافت کند، 25 خواهد بود، به صورت مشابه مقدار نهایی گیرنده R2 که ابتداM2 و سپس M1را دریافت کرده است 30 خواهد بود، زیراR2 ابتدا 5 واحد به A اضافه کرد و بعد از آن مقدار آن را دو برابر نمود.
تفاوت بین تعریفهای دوم و سوم توزیع قابل اعتماد در قید پذیرش بستههای متفاوت است. جدیترین تعریف، تعریف سوم است که ترتیب بین تمام بستههای توزیع چندگانه تعریف میشود (که میتوانند از فرستندههای یکسان یا متفاوت فرستاده شده باشند) و اجبار میکند که تمام گیرندهها تمام بستهها را دقیقا به ترتیب دریافت کنند. ترتیبی که در آن بستههای توزیع چندگانه به تمام گیرندهها فرستاده میشوند، ترتیب کلی نامیده میشود.
تعریف دوم کمی ضعیفتر است و ترتیبی را اجرا میکند که به آن ترتیب جزئی روی بستههای توزیع چندگانه رسانده شده گفته میشود که درآن روی تمام بستهها قید ترتیب نداریم. به صورت بسیار مختصر، این تعریف میگوید که اگر M1بتواند روی M2 تاثیر بگذارد، تمام گیرندهها باید M1را پیش از M2 دریافت کنند، در صورتی که M1 هیچ تاثیری روی M2 نداشته باشد گیرندهها میتوانند بدون ترتیب خاصی بستههای M1و M2 را دریافت کنند. بسته M1 میتواند روی بسته M2 این چنین تاثیر بگذارد:

Related posts: