دانشکده مهندسی کامپیوتر

دانشگاه صنعتی شریف

ابزار کاربر

ابزار سایت

محل شما: فهرست » سرفصل دروس » سیستم‌های نهفته تحت شبکه

نوار کناری

فهرست مطالب


گروه‌های آموزشی

درس:۴۰۸۷۷.۱

سیستم‌های نهفته تحت شبکه

Networked Embedded Systems

شماره درس: ۴۰۸۷۷.۱ تعداد واحد: ۳
مقطع: کارشناسی ارشد نوع درس: نظری
پیش‌نیاز: – هم‌نیاز: –

اهداف درس

سیستم‌های نهفته تحت شبکه، سیستم‌های محاسباتی فراگیری هستند که از ارتباط (غالباً بی‌سیم) بین سیستم‌های نهفته مجزا و مجهز به حسگرهای هوشمند و محرک‌های تعبیه‌شده در محیط‌های فیزیکی ایجاد می‌شوند. این سیستم‌ها خانواده‌ی جدیدی از فناوری‌های محاسباتی توزیع‌شده را پدید آورده‌اند، که طیف وسیعی از کاربردهای نوین در اینترنت اشیاء، شبکه‌های حسگر بی‌سیم و سامانه‌های رایافیزیکی را پوشش می‌دهد. در این میان، سیستم‌های نهفته، سیستم‌های رایانشی با عملکردی مخصوص و هدفی مشخص هستند که در داخل یک سیستم مکانیکی یا الکتریکی بزرگ‌تر قرار می‌گیرند و اغلب دارای قیدهای رایانشی بی‌درنگ هستند. این قیود در کنار محدودیت جدی منابع انرژی، پردازشی، ارتباطی و ذخیره‌سازی سیستم‌های بکارگرفته شده در این شبکه‌ها چالش‌های فراوانی را ایجاده کرده است. از طرف دیگر، از آنجایی‌که این سیستم‌ها به‌شکل تنگاتنگ با دنیای فیزیکی پیرامون خود در ارتباط هستند، باید بتوانند به‌صورت خودساخته و هماهنگ در برابر تغییرات غیرقابل پیش‌بینی، اختلال و ناهمگونی موجود در این محیط‌ها مقابله کنند و در صورت بروز خرابی و از دست رفتن اطلاعات، عملکرد صحیحی از خود نشان دهند. در راستای حل این چالش‌ها و بکارگیری آن در فناوری‌های نوین نظیر اینترنت اشیاء، لازم است تا نگرش به تکنیک‌های موجود در فناوری‌هایی نظیر سیستم‌های نهفته و شبکه‌های حسگر بی‌سیم مورد بازنگری قرار گیرد. در این درس، ضمن آشنایی با مفاهیم بنیادی‌ سیستم‌های نهفته تحت شبکه، با محور قرار دادن اینترنت اشیاء، به‌عنوان یکی از بارزتزین نمونه‌های این شبکه‌ها، به بررسی ساختار و معماری اینترنت اشیاء، پلتفرم‌ها و کاربردهای نوظهور، کنترل دسترسی رسانه، مدیریت توان، اتکاپذیری، پروتکل‌های لایه‌ی شبکه و مسیریابی، پروتکل‌های لایه کاربرد، معیارهای ارزیابی کارایی، نگاشت و موقعیت‌یابی، همگام‌سازی زمانی و نیز پرداختن به مفاهیم پیشرفته جهت آشنایی با تحقیقات روز دنیا پرداخته خواهد شد.

ریز مواد

  1. سیستم‌های نهفته (۳ جلسه)
    • معرفی سیستم‌های نهفته، فرصت‌ها، چالش‌ها، ساختار نرم‌افزاری، سخت‌افزاری و ارتباطی دستگاه‌ها
    • دسته‌بندی سیستم‌های نهفته و بررسی سیستم‌های نهفته بی‌درنگ، معرفی پارامترهای مهم در موضوع واسپاری در محاسبات مه
    • سیستم‌های نهفته واکنش‌گرا و برنامه‌ریزی مبتنی بر اتوماتا
    • دسته‌بندی کارهای پردازشی در سیستم‌های نهفته
    • معرفی مفهوم حسگر و محرک و نقش آن در سیستم‌های نهفته تحت شبکه، معرفی مدولاسیون PWM و اهمیت آن در کنترل محرک‌ها
    • چالش‌های طراحی نظیر کارایی، توان مصرفی، قابلیت‌اطمینان، زمان عرضه به بازار، ابعاد محصول و اهمیت برقراری موازنه بین آن‌ها
  2. شبکه‌های حسگر بی‌سیم (۲ جلسه)
    • معرفی، تاریخچه و تکامل شبکه‌های حسگر بی‌سیم، بررسی انواع شبکه‌های حسگر بی سیم از دیدگاه وجود یا عدم وجود زیرساخت
    • ساختار گره‌های ارتباطی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم، بررسی عملکرد گره‌های برگ و چاهک (Sink)، بررسی جامع عملکرد Tranceiver
    • شبکه‌های تک‌پرشی و چندپرشی
    • بررسی مفهوم پردازش درون-شبکه‌ای (In-network processing) و شبکه‌های داده‌گرا (Data Centric Networking)
    • روش‌های پیاده‌سازی شبکه‌های داده‌گرا، ازجمله شبکه‌های پوششی (Overlay Networks) و جداول DHT، مدل انتشار/اشتراک
  3. اینترنت اشیاء: ساختار و زیست بوم (۴ جلسه)
    • معماری‌های ارائه‌شده و زیست‌بوم اینترنت اشیاء
    • چالش‌های طراحی زیرساخت‎های ارتباطی در اینترنت اشیاء ازجمله امنیت، حریم‌خصوصی، استانداردسازی پروتکل‌ها، مفهوم Vendor Lock-in، تنظیم مقررات ارتباطی و قانون‌گذاری و بررسی نگرش‌های موجود پیرامون اینترنت اشیاء
    • فناوری‌های دخیل در ایجاد اینترنت اشیاء نظیر ارتباطات M2M، RFID و NFC
    • معرفی و بررسی مهم ترین پلتفورم‌های محاسباتی اینترنت اشیاء، محاسبات لبه، محاسبات مه، Cloudlet Computing
  4. مدیریت توان و انرژی مصرفی گره‌ها (۴ جلسه)
    • انواع منابع انرژی در گره‌های اینترنت اشیاء از جمله برق شهر، باتری‌ها و برداشتگرهای انرژی،
    • عوامل مصرف‌کننده‌ انرژی، مدل مصرف انرژی در یک گره و بررسی انواع حالت‌های فعالیتی گره‌ها در شبکه برای ارسال و دریافت داده
    • مدل اندازه‌گیری میزان انرژی مصرف شده در گره‌های شبکه، بررسی انواع معیارها جهت سنجش کارآمد بودن انرژی مصرفی در شبکه
    • تکنیک‌های کلاسیک مدیریت توان و بکارگیری تکنیک‌های نوین نظیر محاسبات تخمینی، یادگیری ماشین و خوشه‌بندی شبکه
    • نقش سیستم عامل در مدیریت منابع، بررسی موردی TinyOS
  5. قابلیت‌اطمینان ارتباطات بی‌سیم (۳ جلسه)
    • معرفی اتکاپذیری و جلوه‌های آن در شبکه‌های حسگر بی‌سیم
    • تشخیص تلفات و ارسال مجدد
    • ارتباط اجرای وظایف و قابلیت‌اطمینان در گره‌ها
    • آشنایی با مدل مارکوف جهت محاسبه‌ی قابلیت‌اطمینان
  6. کنترل دسترسی رسانه (۳ جلسه)
    • دسته‌بندی روش‌های کنترل دسترسی رسانه، ازجمله روش‌های متمرکز، توزیع‌شده، تقابل‌گرا، زمان‌بندی‌شده
    • بررسی چالش‌های کنترل دسترسی رسانه نظیر Idle Listening، Exposed Terminal و Hidden Terminal
    • بررسی CSMA، ALOHA، MACA، RTS، CTS، STEM
    • بررسی مهم‌ترین تکنیک‌های دسترسی رسانه در شبکه‌های اینترنت اشیاء و حسگر بی‌سیم: S-MAC، T-MAC، Mediation Device، Preamble Sampling، B-MAC، PAMAS، S-MAC و IEEE 802.15.4
    • مرور ContikiMAC و پروتکل چرخه وظایف رادیویی (RDC)
  7. پروتکل‌های لایه‌شبکه (۳ جلسه)
    • اهداف و وظایف لایه‌ی شبکه در معماری اینترنت اشیاء
    • بررسی معیارهای قابل استفاده در پروتکل‌های مسیریابی و بحث پیرامون معیارهای نوین قابل استفاده در این لایه
    • معرفی انواع تکنیک‌های مسیریابی در اینترنت اشیاء و دسته‌بندی روش‌های موجود
    • مفاهیم پایه IPv6، کشف همسایه (Neighbor Discovery) و پیکربندی خودکار آدرس‌های بدون حالت (Stateless Address Autoconfiguration)
    • بررسی عملکردهای بنیادین 6LoWPAN
    • ارتباط میان پروتکل استاندارد RPL و 6LoWPAN و نقش الگوریتم Trickle Timer در کارایی RPL
  8. پروتکل‌های لایه کاربرد (۱ جلسه)
    • معرفی پروتکل Constraint Application Protocol (CoAP)
    • معرفی پروتکل MQTT
  9. معیارهای ارزیابی عملکرد و کارایی شبکه (۱ جلسه)
    • معرفی مدل صف در بافرهای گره‌های ارتباطی
    • معرفی معیارهای عمومی
    • معیارهای ارزیابی عملکرد شبکه‌های اینترنت اشیاء
    • بررسی عوامل موثر در تأخیر ارسال بسته‌ و معرفی ابزار Traceroute
  10. نگاشت و مکان‌یابی گره‌ها (۱ جلسه)
    • مرور تکنیک‌های تشخیص موقعیت گره‌ها در شبکه
    • تخمین فاصله و زاویه
  11. فناوری‌های نوین مبتنی بر اینترنت اشیاء (۱ جلسه)
    • معرفی اجمالی فناوری‌های نوین نظیر محاسبات مه و شبکه‌های نرم‌افزار محور و جایگاه آن در اینترنت اشیاء

ارزیابی

  • فعالیت‌های کلاسی و تمرین (۱۰٪)
  • آزمون میان‌ترم (۲۵٪)
  • آزمون پایان‌ترم (۴۰٪)
  • پروژه تحقیقاتی پایانی (۲۵٪)

مراجع

  1. Embedded System Design, By Peter Marwedel, Springer 2006.
  2. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, By Holger Karl and Andreas Willig, Wiley, 2007.
  3. Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems, Edited by Ilyas and Mahgoub, CRC Press, 2005.
  4. Ad Hoc Wireless Networks, Architectures and Protocolsm By Murthy and Manoj, Pearson/Prenticie Hall, 2004.
  5. Wireless Sensor Networks, A Systems Perspective, Edited by Bulusu and Jha, Artech House, 2005.
  6. Handbook on Theoretical and Algorithmic Aspects of Sensor, Ad Hoc Networks and Peer-to-Per Networks, Edited by Jie Wu, Auerbach, 2005.
  7. Wireless Sensor Networks - An Information Processing Approachm By Zhao, Guibas, Morgan Kaufmann, 2004.
  8. Selected Papers Regarding Internet of Things Communication, and Networking Techniques.
درس/۴۰۸۷۷.۱.txt · آخرین ویرایش: 2023/03/13 19:42 توسط مرتضی امینی

کلیه‌ی حقوق این سایت متعلق به دانشکده‌ی مهندسی کامپیوتر است.