You are not allowed to perform this action

شبکه‌های اینترنت اشیاء

IoT Networks

شماره درس: ۴۰۸۴۸ تعداد واحد: ۳
مقطع: کارشناسی ارشد نوع درس: نظری
پیش‌نیاز: – هم‌نیاز: –

اهداف درس

اینترنت اشیاء (IoT) برای نخستین بار در سال 1999 توسط یکی از محققین برجسته‌ی بریتانیایی به نام کوین اشتون معرفی گردید. این فناوری، سامانه‌ای متشکل از یک زیرساخت ارتباطی (غالباً بی‌سیم) است، که با استفاده از فناوری‌های مبتنی بر پروتکل اینترنت، بین دستگاه‌های نهفته‌ی هوشمند و شناسه‌دار (گره) که با محدودیت‌های جدی از دیدگاه قدرت و توان پردازش، انرژی مصرفی، ذخیره‌سازی و بُرد ارسال مواجه هستند ارتباط برقرار می‌کند تا بدون دخالت انسان وظیفه‌ی خود را انجام دهند. در این میان، دستگاه‌های نهفته، سامانه‌های رایانشی با عملکردی مخصوص و هدفی مشخص هستند، که اغلب دارای قیدهای رایانشی بی‌درنگ هستند. این قیود در کنار محدودیت جدی منابع انرژی (باتری و یا برداشتگر انرژی)، پردازشی، ارتباطی و ذخیره‌سازی آن‌ها، شبکه‌های اینترنت اشیاء را با چالش‌های اساسی روبرو کرده است. از طرف دیگر، از آنجایی‌که این دستگاه‌های مجهز به حسگر به‌شکل تنگاتنگ با دنیای فیزیکی (و خشِن) پیرامون خود در ارتباط هستند، باید بتوانند به‌صورت خودساخته، امن و هماهنگ در برابر تغییرات غیرقابل پیش‌بینی، اختلال و ناهمگونی موجود در این محیط‌ها مقابله کنند و در صورت بروز خرابی و یا از دست رفتن اطلاعات، عملکرد صحیحی از خود نشان دهند و نسبت به تحویل صحیح و به‌موقع بسته‌های داده در شبکه تلاش نمایند. به همین جهت است که اینترنت اشیاء به‌عنوان زیرمجموعه‌ای از خانواده‌ی بزرگترِ شبکه‌های کم‌توان و پرخطا (LLN) نیز شناخته می‌شود. در راستای حل چالش‌های موجود و بکارگیری این فناوری نوین در کاربردهایی نظیر ساختمان‌ها و شهر هوشمند، خدمات درمانی، کشاورزی، صنعت و تولید، حمل‌ونقل هوشمند، خودروهای متصل و مدیریت انرژی، لازم است تا تکنیک‌های سنتی مورد استفاده در فناوری‌های پایه نظیر سامانه‌های نهفته و شبکه‌های حسگر بی‌سیم مورد بازنگری قرار گیرد. با توجه به موارد فوق و اهمیت این حوزه فناوری، در این درس ابتدا به معرفی بلوک‌های شکل‌دهنده‌ی اینترنت اشیاء، یعنی سامانه‌های نهفته و شبکه‌های حسگر بی‌سیم پرداخته خواهد شد و سپس به بررسی ساختار و معماری این فناوری، سکوهای اینترنت اشیاء و کاربرد آن‌ها، موضوع کنترل دسترسی رسانه، مدیریت توان، اتکاپذیری، پروتکل‌های لایه‌ی شبکه و مسیریابی، پروتکل‌های لایه‌ی کاربرد، معیارهای ارزیابی کارایی شبکه‌ها، نگاشت و موقعیت‌یابی، همگام‌سازی زمانی و نیز پرداختن به مفاهیم پیشرفته جهت آشنایی با تحقیقات روز دنیا در این حوزه‌ی مهم 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. Peter Marwedel. Embedded System Design. 4th edition, Springer, 2021.
  2. Holger Karl and Andreas Willig. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. Wiley, 2007.
  3. M. Ilyas and I. Mahgoub. Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems. CRC Press, 2005.
  4. C. Siva Ram Murthy and B. S. Manoj. Ad Hoc Wireless Networks, Architectures and Protocols. Pearson/Prentice Hall, 2004.
  5. N. Bulusu and S. Jha. Wireless Sensor Networks, A Systems Perspective. Artech House, 2005.
  6. Jie Wu. Handbook on Theoretical and Algorithmic Aspects of Sensor, Ad Hoc Networks and Peer-to-Per Networks. Auerbach, 2005.
  7. Zhao, Guibas. Wireless Sensor Networks - An Information Processing Approaches. Morgan Kaufmann, 2004.
  8. Selected Papers in the context of Internet of Things Communications, and Networking.