معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند
14,200 تومانشناسه فایل: 6823
چکیده
اینترنت اشیا (IoT) نوظهور که به طور موثر فضای فیزیکی-سایبری را برای ایجاد محیط های هوشمند ادغام می کند، بدون شک در آینده نزدیک از برنامه های کاربردی خواهد بود. در عین حال، این نیز یک فناوری کلیدی جهت ایجاد شهرهای هوشمند است که مزایای زیادی برای جامعه ما خواهد داشت. در این مقاله، چهار ساختار شبکه اینترنت اشیا (IoT) مختلف در نرم افزار های شهر هوشمند متنوع مطرح شده و شرایط مربوط به کیفیت خدمات شبکه (QoS) متناظر با آنها تعریف می شوند. علاوه بر این، به عنوان بهره بردار شهر هوشمند، ما مسئولیت مشارکت فعال در توسعه آن داشته را داریم. لذا الگوی شبکه جدید، سیستم حسی مشارکتی، به عنوان یک مورد خاص مورد بررسی قرار می گیرد تا مشخص شود که چگونه افراد ممکن است در حلقه عمل جمع آوری، انتقال و تفسیر اطلاعات دخیل باشند.
مقدمه مقاله
انتظار می رود تا سال 2050، 70 درصد از جمعیت جهان – بیش از 6 میلیارد نفر – در شهرها و حومه شهر زندگی کنند. شهر برای زنده ماندن به عنوان سکوهایی که سلامت اقتصادی، اجتماعی و محیطی را برقرار می سازد، باید هوشمند باشد، یعنی شهری که از فناوری اطلاعات و ارتباطات به طور آگاهانه، تعاملی و موثر برای ایجاد خدمات و مولفه های فراساختار اساسی شهر- مدیریت، آموزش، بهداشت، ایمنی عمومی، املاک، حمل و نقل و تجهیزات استفاده می کند. این مسئله از دیدگاه فناوری در اینترنت اشیا (IoT) نوپدید پیش بینی می گردد – تکامل اساسی اینترنت فعلی به شبکه ای از اشیا به هم متصل که نه تنه اطلاعات را از محیط جمع آوری می کند (حسی) و با جهان فیزیکی در تعامل است (فعال سازی/دستور/کنترل)، بلکه از استانداردهای اینترنت موجود برای فراهم سازی خدمات به منظور انتقال اطلاعات، تحلیل، نرم افزارها و ارتباطات استفاده می کند. چارچوب جدید یکپارچه حسگر-فعال کننده-اینترنت فناوری اساسی را تشکیل خواهد داد که شهر هوشمند پیرامون آن شکل دهی خواهد شد.
عامل انگیزشی اینترنت اشیا (IoT)، روی کار آمدن ابزارهای فناوری بی سیم آزاد از جمله بلوتوث، شناسایی فرکانس رادیویی (RFID)، ارتباطات نزدیک میدان (NFC) و نیز حسگر نهادینه و گره های فعال ساز بوده است. اینترنت اشیا (IoT) مرحله ابتدایی خود را پشت سر نهاده و در شرف متحول نمودن اینترنت استاتیک فعلی به اینترنت آتی تمام یکپارچه می باشد. اگر اینترنت در هر زمان اتصال برای هر فرد فراهم سازد، منجر به شبکه بندی اجتماعی می گردد. اینترنت اشیا (IoT) در هر زمان امکان اتصال به هر چیزی را فراهم نموده که منجر به فراوانی نرم افزارها در جهان فیزیکی سایبری می گردد.
هدف این مقاله بررسی مسائل ارتباطات و شبکه ای اینترنت اشیا (IoT) است که ابتدا ساختار شبکه را به منظور نرم افزارهای شهر هوشمند شناسایی و ساختاربندی نموده و پس از آن متریک های عملکردی متناظر را تعریف نموده و برآورده می سازد. به خاطر تنوع پروتکل های سیستم نوع سیمی، بی سیم و ترکیبی در محیط شبکه پویا، اینترنت اشیا (IoT) شرایط کیفیت خدمات (QoS) مختلفی از شبکه های همگون رایج فراهم می سازد. چون اینترنت اشیا (IoT) سیستم هوشمند انتها به انتها می باشد که حلقه کامل کسب – انتقال – تفسیر – کنش را طی می کند، پروتکل ها و الگوریتم های شبکه مطرح شده اند که نیاز به گارانتی کیفیت خدمات (QoS) تعبیه شده دارد. در واقع کیفیت خدمات یکی از مسائل شبکه ای اساسی است که توجه چشمگیری در شبکه های سیمی و بی سیم به خود جلب نموده است. فعالیت عمده نیروی کار مهندسی اینترنت (IETF) در ناحیه کیفیت خدمات (QoS) بر تعریف پروتکل های سیگنال کیفیت خدمات انتها به انتها و مکانیسم های کنترل منبع متمرکز می باشد. در شبکه های بی سیم تحقیقات تحقیقات ادامه دار عمده ای وجود دارد که بر مشارکت سطح مشترک رادیویی و مفاهیم تحمیل شده با مداخله گری ها متمرکز است.
محیط شبکه بندی اینترنت اشیا (IoT) شدیدا با ناهمگونی شبکه ها توصیف می گردد. شبکه های ناهمگون دارای ویژگی چند خدماتی اند که بیش از یک نوع خدمات یا نرم افزار مجزا فراهم می سازند. این مسئله نه تنها به مفهوم وجود ترافیک چندگانه درون شبکه می باشد، بلکه به منزله توانایی یک شبکه مجزا در پشتیبانی از تمامی این نرم افزارها می باشد بدون آنکه کیفیت خدمات (QoS) هر یک از آنها به مخاطره بیفتد. ترافیک شبکه را به طور جامع می توان به دو دسته تقسیم نمود: ترافیک ارتجاعی مقاوم دیرکرد و قابلیت عبوردهی و ترافیک (همزمان) ارجاع ناپذیر حساس به تاخیر و پهنای باند . در این مقاله شرایط کیفیت خدمات به طور ویژه در زمینه ساختار شبکه اختصاص یافته و نرم افزارهای مرتبط تعریف و بحث می شوند.
بقیه این مقاله به این شرح است. در بخش دوم، ما دو رویکرد طراحی معماری شبکه و مدل های اتصال مبتنی بر IP اینترنت اشیا (IoT) را توصیف می کنیم. بخش سوم، چهار معماری شبکه مختلف را همراه با نرم افزارهای مربوطه و الزامات کیفیت خدمات (QoS) ارائه می دهد. به منظور تشویق افراد جهت مشارکت فعال در توسعه شهر هوشمند، حس مشارکتی به عنوان الگوی شبکه نوپدید مشتمل بر افراد در حلقه بوده که به طور مجزا در بخش چهار بحث خواهد شد. در نهایت، نتیجه گیری را در بخش 5 مطرح می کنیم.
شکل 1- مدل های اتصال الف- شبکه های شی هوشمند مستقل ب) شبکه های شی هوشمند فراگیر
ABSTRACT Network architecture and QoS issues in the internet of things for a smart city
The emerging Internet of Things (IoT) that effectively integrates cyber-physical space to create smart environments will undoubtedly have a plethora of applications in the near future. Meanwhile, it is also the key technological enabler to create smart cities, which will provide great benefits to our society. In this paper, four different IoT network architectures spanning various smart city applications are presented and their corresponding network Quality of Service (QoS) requirements are defined. Furthermore, as the beneficiary of smart city, we have the responsibility to actively participate in its development as well. A new network paradigm, participatory sensing, is thus discussed as a special case to highlight the way people may be involved in the information acquisition-transmission-interpretation-action loop.
Introduction
By 2050, 70% of the world’s population – over 6 billion people – is expected to live in cities and suburbia. To survive as platforms that enable economic, social and environmental well-being, a city needs to be smart, i.e., one that “uses information and communications technologies to make the critical infrastructure components and services of a city – administration, education, healthcare, public safety, real estate, transportation and utilities – more aware, interactive and efficient” [1]. This is technologically predicated on the emerging Internet of Things (IoT) [2] – a radical evolution of the current Internet into a network of interconnected objects that not only harvests information from the environment (sensing) and interacts with the physical world (actuation/command/control), but also uses existing Internet standards to provide services for information transfer, analytics, applications and communications [3]. The new integrated Sensor-Actuator-Internet framework will form the core technology around which a smart city will be shaped.
Fuelled by the prevalence of devices enabled by open wireless technology such as Bluetooth, radio frequency identification (RFID) and near field communications (NFC) as well as embedded sensor and actuator nodes, the IoT has stepped out of its infancy and is at the verge of transforming the current static Internet into a fully integrated Future Internet. If Internet provides anytime connectivity for anyone leading to social networking, IoT provides anytime connectivity to anything leading to multitude of applications in the cyber physical world.
The paper is aimed at addressing the communications and networking issues of an IoT, by first identifying and constructing network architecture for potential smart city applications, and then defining and satisfying the corresponding performance metrics. Due to a variety of system protocols of wired, wireless and hybrid type in a dynamic networking environment, IoT presents different Quality of Service (QoS) requirements from conventional homogeneous networks. Being an end-to-end intelligent system that covers the complete acquisition-transmission-interpretation-action loop, network algorithms and/or protocols developed for IoT will need built-in QoS guarantees. Indeed, QoS is one of the fundamental networking problems that have received substantial attention in both wired and wireless networks [4].
The main Internet Engineering Task Force (IETF) activity in the QoS area has focused on the definition of end-toend QoS-signaling protocols and resource reservation control mechanisms. In wireless networks, there is substantial ongoing research focussed on the involvement of radio interface and the implications imposed by interference [5].
The IoT networking environment is strongly characterized by the heterogeneity of networks. Heterogeneous networks feature multi-service, providing more than one distinct application or service. This implies not only the existence of multiple traffic types within the network, but also the ability of a single network to support all of these applications without compromising QoS for any of them [6]. Very broadly, network traffic can be categorized into two classes: throughput and delay tolerant elastic traffic, and the bandwidth and delay sensitive inelastic (real-time) traffic, which may further be discriminated by data-related applications (e.g., high-vs.-low resolution videos) with different QoS requirements. Therefore, in this paper, QoS requirements are particularly defined and discussed in the context of dedicated network architecture and relevant applications.
The rest of this paper is organized as follows. In Section II, we describe two network architecture design approaches and IP-based connectivity models of IoT. Section III presents four different network architectures along with the related applications and QoS requirements. In order to encourage people to actively participate in the smart city development, participatory sensing as an emergent network paradigm that involves people in the loop, will be separately discussed in Section IV. Finally, we draw the conclusions in Section V.
Fig. 1. Connectivity models: (a) autonomous smart object networks. (b) ubiquitous smart object networks.
- مقاله درمورد معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند
- معماری شبکه و مسائل QoS در اینترنت چیزها برای یک شهر هوشمند
- پروژه دانشجویی معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند
- مسائل کیفیت خدمات در IOT به ازای شهر هوشمند
- پایان نامه در مورد معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند
- تحقیق درباره معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند
- مقاله دانشجویی معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند
- معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند در قالب پايان‌نامه
- پروپوزال در مورد معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند
- گزارش سمینار در مورد معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند
- گزارش کارورزی درباره معماری شبکه و مسائل کیفیت خدمات (پروتکل QoS) در اینترنت اشیا (IoT) برای شهر هوشمند