شبکه های خودرویی — معرفی کامل و جامع شبکه های بین خودرویی VANET

مقدمه شبکه های خودرویی

ایمنی در حرکت وسایل نقلیه همواره به‌عنوان محرکی برای ایده‌ها و طرح‌های جدید ترافیکی مطرح است. در سال‌های اخیر با توجه به پیشرفت‌های حاصل درزمینه تکنولوژی به‌ویژه در بعد دبجبتال، کنترل ترافیکی برای افزایش ایمنی هم به این سمت حرکت کرده است. سیستم مانیتورینگ ترافیکی که در حال حاضر هم از آن استفاده می‌شود، دارای معایبی ازجمله تأخیر در رسیدگی و عدم انتقال اطلاعات به سایر رانندگان است. لذا در همین راستا ایده‌های جدیدتری در سال‌های اخیر در حال پیگیری است که از آن جمله شبکه خودرویی است که بانام VANET شناخته می‌شود.

به‌طورکلی شمار زیادی از تصادفات به علت خطاهای انسانی و عدم آگاهی راننده از وضعیت شرایط جاده در پیش رو ناشی می‌شود. حال‌آنکه با کمک این شبکه می‌توان کنترل وسایل نقلیه را به سمت سیستم‌های کنترل اتوماتیک سوق داد و نیز با انتقال اطلاعات میان وسایل نقلیه در مقطع مشخصی از راه می‌توان درصد قابل‌توجهی از تصادفات را کم کرد. به‌طور مثال خودروهایی که در جاده جلوترند می‌توانند سایر رانندگان را با انتقال اطلاعاتی راجع به لغزندگی جاده، وجود یخبندان، نقاط کور و یا رخداد تصادف آگاه کنند تا فرصت بیشتری برای انجام عکس‌العمل مناسب و یا تغییر مسیر برای آن‌ها وجود داشته باشد.

با توجه به اینکه سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS) و فرستنده/گیرنده‌های شبکه‌های محلی از سال ۱۹۹۰ میلادی با هزینه‌ای کم بکار گرفته‌شده است، پژوهش در حوزه‌ی ارتباطات بین خودرویی، با شتاب عمده‌ای روبرو بوده است. هدف اصلی چنین فعالیت‌هایی، افزایش ایمنی جاده و بهره‌وری حمل‌ونقل و همچنین کاهش تأثیر حمل‌ونقل بر روی محیط هست. به دلیل اهمیت این اهداف برای خود فرد و کشور، پروژه‌های مختلفی در این زمینه در حال اجرا بوده و یا اخیران تکمیل‌شده است و چندین نوع همکاری نیز به‌منظور کشف قابلیت‌های این شبکه‌ها صورت گرفته است.

این پروژه‌ها، شامل چندین صنعت، اعم از صنعت خودرو، اپراتورهای جاده‌ای، آژانس‌های دریافت عوارض و سایر سرویس‌دهندگان هست. این پروژه‌ها به میزان عمده‌ای از سوی دولت مورد پشتیبانی قرارگرفته است. شبکه‌های خودرویی فنّاوری جدیدی هستند که هدف‌شان یکپارچه کردن توانایی و امکانات نسل جدید شبکه‌های بی‌سیم خودروها هست. انتظار می‌رود که شبکه‌های خودرویی در آینده از جایگاه وسیع‌تری برخوردار شده و موردتوجه بسیاری قرار گیرند.

• پاورپوینت شبکه های خودرویی Vanet — کلیک کنید

این شبکه‌ها به خودروها اجازه ارتباط بین یکدیگر و همچنین با زیرساخت‌های شبکه خودرویی را می‌دهند. در شبکه‌های خودرویی از زیرساخت کنار جاده‌ای ثابت استفاده می‌شود. علت استفاده از چنین زیرساختی کاربردهای گوناگونی از قبیل اجتناب از تصادم، زمان‌بندی ترافیک با مقیاس بزرگ و برنامه‌ریزی آن و همچنین کاربردهایی مانند دسترسی به اینترنت هست.

معرفی شبکه های خودرویی

شبکه های خودرویی یا ونت (Vehicular ad hoc network) یک تکنولوژی است که در آن از وسایل نقلیه متحرک به عنوان گره (شبکه) در یک شبکه برای ساختن یک شبکه موبایل استفاده می‌شود. ونت هر ماشینی را به یک روتر بی سیم یا گره (شبکه) افراز می‌کند و به آنها در فواصل ۱۰۰ تا ۳۰۰ متر امکان ارتباط با یکدیگر را می‌دهد و در عوض یک شبکه با ابعاد گسترده تشکیل می‌دهد.

در شبکه‌های بین خودرویی، خودرو‌ها گره‌های متحرک هستند و با یکدیگر ارتباط دارند که این ارتباط می‌تواند به دو صورت، ارتباط خودرو به خودرو و ارتباط با زیرساخت کنار جاده‌ای باشد. به خاطر تحرک بالای خودروها و محیط خاص این شبکه‌ها، ارتباطات بین‌خودوریی در این شبکه‌ها متفاوت از دیگر انواع ارتباطات بی‌سیم هستند.

تاریخچه شبکه های خودرویی

قبل از پرداختن به آموزش VANET یا شبکه های ادهاک خودرویی ، شاید بهتر باشد ابتدا تاریخچه ای از شبکه های خودرویی بیان کنیم. ارتباط میان خودروها با دنیای خارج و ارتباط میان خودروها در هنگام حرکت، رؤیای قدیمی بشر بوده است. تاریخچه نخستین تلاش‌ها برای تحقق رؤیای ارتباط میان خودروها در هنگام حرکت،  به بیش از چهل سال پیش بر می‌گردد. در آن زمان با نصب یک آنتن روی خودروهای خاصی مانند خودروهای پلیس یا اورژانس و تنظیم‌کردن آنتن‌ها روی یک فرکانس خاص در یک محدوده جغرافیایی، سعی می‌کردند یک ارتباط رادیویی و شبه تلفنی را ایجاد کنند.

در سال ۱۹۹۹ کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات‌متحده (FCC) با تصویب استانداردها و پهنای باند لازم برای ارتباط خودروها با تجهیزات ثابت کنار جاده، عملاً فاز جدیدی از شبکه‌های ادهاک بین خودرویی را ایجاد کرد. این حرکت با تصویب استاندارد DSRC (سرنام Dedicated Short Range Communications) در سال ‌۲۰۰۳ تکمیل شد. در این استاندارد پهنای باند ۵,۹ گیگاهرتز به ارتباطات بین خودرویی اختصاص یافته است و روی این فرکانس بین هفت تا ده کانال (۵,۸۵۰ گیگاهرتز تا ۵,۹۲۶ گیگاهرتز) تعریف می‌شود.

از میان این کانال ها، یک کانال به صورت ویژه به افزایش ضریب امنیت خودروها و سایر کانال‌ها به کاربردهای خاص، اختصاص یافته است. پس از این رخدادها، انواع ارتباطات میان خودروها براساس فناوری‌ها و زیرساخت‌های متفاوت مطرح شده و هریک مسیری جداگانه برای توسعه و مجهز‌کردن خودروها به امکانات شبکه‌ای در پیش‌گرفتند.

• پاورپوینت کاربرد هوش مصنوعی در صنعت خودروسازی — کلیک کنید

تجهیزات مورد نیاز خودروها در شبکه خودرویی

برای ارتباط مستقیم بین خودروها می‌بایست تجهیزاتی در آن وجود داشته باشد که در شکل زیر  مشاهده می‌کنید و برخی از موارد مهم آن عبارتند از:

سیستم ارتباطی بی‌سیم

شامل انتقال دهنده‌های رادیویی می‌باشد و با توجه به اینکه انتقال دهنده‌های رادیویی در حال کوچکتر و ارزان‌تر شدن هستند. امکان استفاده از این دریافت کننده‌های رادیویی در ارتباطات بین خودروها فراهم آمده است.

سیستم مکان‌یابی

به منظور به دست آوردن موقعیت جغرافیایی خودروها GPS در خودروهای جدید امروزی فراهم شده است.

پردازشگر حافظه

به منظور تحلیل، ذخیره و پردازش داده‌های دریافتی و جمع‌آوری شده به کار می‌رود.

• پاورپوینت فناوری LTE — کلیک کنید

کاربرد های شبکه های خودرویی

به این منظور یک وسیله الکترونیکی در هر وسیله نقلیه نصب می شود. اتصال به شبکه Ad hoc را برای مسافران فراهم می آورد، به این ترتیب هر وسیله نقلیه ای که با تجهیزات vanet مجهز شده است بعنوان یک نود در شبکه Ad hoc ادهاک عمل می کند و می تواند پیغام های دیگران را از طریق شبکه بی سیم دریافت و یا به نودهای دیگر پیغام ارسال نماید، این پیغام ها بیشتر برای اهداف امنیتی و کنترل ترافیک به کار می روند از جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود :

• هشدار تصادف
• اعلان علائم جاده ای
• مشاهده ترافیک
• پرداخت عوارض راهداری
• پرداخت هزینه پارکینگ
• تفریحات و سرگرمی
• سایر موارد

ویژگی های شبکه خودرویی

1. تحرک بالا: محیط در شبکه خودرویی بسیار پویا عمل است. بدلیل تحرک بسیار بالایی که در چنین شبکه‌هایی وجود دارد، همسایگان هر خودرو ثابت نیستند.
2. شبکه جزبندی شده: شبکه‌های خودرویی بارها جزبندی می شوند. طبیعت پویای ترافیک ممکن است چنین شکاف‌های بزرگ بین خودرویی را ایجاد کند و حاصل کلاسترهایی از نودها خواهد بود که از هم جدا هستند.
3. توپولوژی جغرافیایی محدود شده: برخلاف شبکه‌های سیار موردی که در آنها پیشگویی تحرک گره‌ها سخت است، گره‌ها به طور نرمال با توپولوژی ثابت در سراسر جاده حرکت می‌کنند. با داشتن سرعت متوسط، سرعت جاری و خط سیر جاده مکان آینده خودروها را می‌توان پیش‌گویی کرد و رفتار راننده را نیز می‌توان شبیه‌سازی کرد.
4. مقیاس بزرگ: با وجود جزبندی‌های مکرر، شبکه‌های خودرویی ممکن است در مناطق بزرگی گسترده شوند و نیز شامل تعداد زیادی گره باشند؛ چون تعداد خودروها در جاده بسیار زیاد است پس باید شبکه خودرویی تمام خودروها را تحت پوشش داشته باشد. بنابراین مقیاس بزرگی را در بر می‌گیرد.
5. مبتنی بر زیرساخت : شبکه‌های خودرویی دارای واحد کنارجاده‌ای هستند. این واحدهای کنار جاده‌ای معمولاً در مکان‌هایی خاص قرار داده شده‌اند که سرویس‌هایی را برای خودروها فراهم می‌کنند، با این واحدهای کنار جاده‌ای به اینترنت متصل می‌شوند. شبکه خودرویی می‌تواند سرویس ارتباطی، دسترسی منابع on-line، ارتباط با مردم دیگر و سرویس‌های دسترسی محلی که روی خودروها وجود ندارد را نیز فراهم کند.
6. زمان اتصال کوتاه: به‌دلیل تحرک زیاد خودروها زمان اتصال برای یک لینک ارتباطی بسیار کوتاه و بی‌ثبات است. خودروها می‌توانند با سرعت بالای ۱۸۰ کیلومتر بر ساعت حرکت کنند، که این مسأله وقتی خودروها در مسیر مقابل حرکت می‌کنند، نگهداری یک اتصال ارتباطی طولانی برای ارتباطات خودرو به خودرو و خودرو با زیر ساختار را مشکل می‌کند.
7. تحرک قابل پیشگویی: حرکت خودروها در جاده ها قابل پیش‌گویی است. خودروها باید روی جاده حرکت کنند و به طور تصادفی نمی¬توانند حرکت کنند.
8. بدون محدودیت توان: مسأله توان در شبکه‌های خودرویی مسأله بزرگی نیست. برخلاف شبکه موردی سیار یا کامپیوتر قابل حمل، توان برای واحدهای روی برد می‌تواند از طریق باتری‌های on-board و قابل شارژ از طریق سوخت در طی حرکت تامین شود.
9. توانایی بالای محاسبه: کامپیوترهای خودروها می‌توانند با ابزارهای محاسباتی سنگین و بزرگ‌تر مجهز شوند. بنابراین آنها می‌توانند توانایی محاسباتی بالاتری را فراهم کنند و سایز حافظه بزرگتری نیز داشته باشند. به علاوه با تکنولوژی ارتباط بی‌سیم خودرویی می‌تواند نرخ داده بالاتری نسبت به شبکه‌های موردی سیار فراهم کنند.
10. اطلاعات اضافی برای بهینه‌سازی پروتکل: تجهیزاتی مانند GPS یا یک نقشه دیجیتالی جاده می‌تواند به سیستم ارتباطی گنجانده شود. چون توان محدود نیست، فضای کافی نیز در دسترس است و هزینه این ابزارها در مقایسه با هزینه خودروها بسیار کمتر است.

• انتشار اطلاعات با معماری ستون فقرات شهری در شبکه های خودرویی — کلیک کنید

انواع اطلاعات مورد انتشار در شبکه‌های خودرویی

انواع اطلاعاتی که نیازمند رد و بدل و به اشتراک گذاشته شدن در VANET هستند، به طور کلی می‌توانند به صورت زیر طبقه‌بندی شوند.

• اطلاعات امنیتی
• هشدار سرعت در پیچ‌ها
• هشدار علائم رانندگی
• هشدار چراغ ترمز ناگهانی
• هشدار قبل از تصادف
• دستیار گردش به چپ
• هشدار تغییر باند
• دستیار علامت ایست
• سیستم اخطار مشارکتی تصادم

ارتباطات در شبکه‌های خودرویی

یک خودرو با خودرو های دیگر به طور مستقیم در ارتباط است. که به نام ارتباطات خودرو (V2V) استو یا یک خودرو با یک زیرساخت به عنوان یک با خودرو یک واحد کنار جاده به نام ارتباطات خودرو به زیرساخت (V2I) ارتباط برقرار می کند. شکل زیر یک سناریو VANET را نشان می دهد. موضوع کلیدی در طراحی شبکه های VANET در یک شبکه ارتباطی، مسیریابی درست بسته به روش موثر است.

• مدل سازی شبکه های خودرویی (سمینار کارشناسی ارشد در حوزه شبکه) — کلیک کنید

پروتکل های مسیریابی در شبکه های خودرویی

مهمترین بخش هر شبکه‌ای پروتکل مسیریابی آن می‌باشد. یک پروتکل مسیریابی، مسیرهای نقل و انتقال داده را مدیریت می‌کند، پروتکل مسیریابی شامل رویه‌ای برای برقراری ارتباط، تصمیم‌گیری برای ارسال و اقدامات لازم جهت نگهداری مسیر می‌باشد. همچنین پروتکل مسیریابی باید قادر به ترمیم مسیرهای دچار خطا باشد. تعدادی از پروتکل‌های مسیریابی در اصل برای شبکه های MANET معرفی شده‌اند ولی قابل استفاده برای VANET نیز می‌باشند. البته برای اینکار باید این پروتکل‌ها را برای شبکه‌های خودرویی تطبیق داد. شکل زیر یک طبقه‌بندی کلی از پروتکل‌های مسیریابی در شبکه‌های خودرویی را نشان می‌دهد.

امنیت در شبکه‌های خودرویی

امنیت شبکه فرآیندی است که طی آن یک شبکه در مقابل انواع مختلف تهدیدات داخلی و خارجی امن می‌شود. پس از تعیین دارایی‌های شبکه و عوامل تهدیدکننده آن‌ها، باید خطرات مختلف را ارزیابی کرد. در بهترین حالت باید بتوان از شبکه در مقابل تمامی انواع خطا محافظت کرد، اما امنیت ارزان به دست نمی‌آید بنابراین باید ارزیابی مناسبی را بر روی انواع خطرات انجام داد تا مهم‌ترین آن‌ها را تشخیص دهیم و از دیگر منابعی که باید در مقابل این خطرات محافظت شوند نیز شناسایی شوند. دو فاکتور اصلی در تحلیل خطر عبارت‌اند از:

1. احتمال انجام حمله
2. خسارت وارده به شبکه در صورت انجام حمله موفق

وقتی اطلاعات در بین اشخاص ناشناس جمع‌آوری و تقسیم می‌شوند؛ نگرانی‌ها در خصوص موثق و قابل‌اعتماد بودن اطلاعات یک سیستم افزایش می‌یابد، برای مثال یک فرستنده می‌تواند در بیان مشاهدات به خاطر نفع خود سوءاستفاده کند؛ یک ارتباط قابل‌اعتماد عموماً باید دو خصوصیت داشته باشد:

1. فرستنده درنهایت به‌عنوان یک منبع قابل‌اعتماد پذیرفته شود.
2. پیام فرستنده در حین انتقال دست‌کاری نشود.

یک چالش مهم در امنیت VANET فراهم آوردن اعتبارسنجی فرستنده در ارتباطات هست.

• مسیریابی در شبکه های Vanet – معرفی ۶ نوع طبقه بندی پروتکل های مسیریابی در شبکه های خودرویی

انواع حملات در شبکه‌های بین خودرویی

هدف اصلی امنیت در شبکه‌های بین خودرویی نگهداری اطلاعات و منابع در برابر حملات است. شبکه‌های بین خودرویی می‌بایست امکانات امنیتی را که در حوزه اطمینان از محرمانگی اطلاعات ، پنهان‌سازی اطلاعات شخصی ، تصدیق و اعتبار دستگاه‌ها ، اعتبار داده ، در دسترس بودن شبکه در طول ارتباطات و مقوله انکارناپذیری مهیا سازد.

حملات متعددی وجود دارد که می‌تواند عملکرد عملیات در VANET را تحت تأثیر قرار دهد. برخی از این حملات داخلی هستند (از وسایل نقلیه مجاز داخلی که وسایل نقلیه مخرب یا خطرناک هستند) اتفاق می‌افتد و برخی دیگر حملات خارجی هستند (از وسایل نقلیه خارجی که متعلق به یک VANET خاص نیستند رخ‌داده است).

در یک دسته‌بندی حمله‌ها به حملات منفعل و حملات فعال طبقه‌بندی می‌شود. حمله منفعل ترافیک رمزگذاری نشده را نشان می‌دهد و به دنبال رمز عبور مشخص متن و اطلاعات حساس است که می‌تواند در انواع دیگر حملات مورد استفاده قرار گیرد. حملات منفعل عبارت‌اند از: تجزیه‌وتحلیل ترافیک، نظارت بر ارتباطات محافظت نشده و غیره.

حملات منفعل حاصل افشای اطلاعات و یا فایل داده‌ها به یک مهاجم، بدون رضایت یا آگاهی کاربر است. در حمله فعال مهاجم سعی در دور زدن و یا شکستن سیستم‌های امنیتی دارد. حملات فعال شامل تلاش برای دور زدن یا شکستن ویژگی‌های حفاظت، معرفی کدهای مخرب و به سرقت بردن و یا تغییر اطلاعات است. حملات فعال درنتیجه افشا یا انتشار فایل داده‌ها و اصلاح داده‌ها است. برخی حملاتی را که می‌تواند با VANET ها روبرو باشد، عبارت‌اند از:

• محرمانه بودن پیام (Message spoofing): خودروی استراق سمع کننده پیام‌های دروغین را به وسایل نقلیه دیگر ارسال می‌کند تا آن‌ها را فریب دهد و اطلاعات اشتباهی را منتشر کند.
• حمله جواب پیام (Message replay attack): خودرو‌های مخرب، پیام‌های گذشته را به‌منظور شلوغ کردن ترافیک ارسال می‌کنند.
• حمله‌ی یکپارچه (Integrity attack): وسیله نقلیه ناسازگار می‌تواند درزمینه‌ی‌ پیام‌هایی که توسط خودروهای قانونی ارسال می‌شود تغییر ایجاد کنند یا خودشان را از دانستن داده‌های اصلی یا فرستنده واقعی این اطلاعات گمراه کنند.
• حمله انتحاری (Impersonation Attack): خودروی استراق سمع کننده ادعا می‌کند که یک وسیله قانونی برای ارسال پیام‌های دروغین به سایر وسایل نقلیه و گره‌های راه دور است.
• حمله انکار سرویس ( DoS): وسیله نقلیه ناسازگار پیام‌های نامناسب یا غیر مهم را برای ذخیره پهنای باند وسیع کانال ارتباطی و مصرف منابع بیشتری از وسایل نقلیه دیگر ارسال می‌کند.
• ردیابی حرکت (Movement tracking): وسیله نقلیه ناسازگار می‌تواند به برخی از اطلاعات دیگر وسایل نقلیه دسترسی پیدا کند که به دنبال موقعیت و سرعت آن است. ازاین‌رو، می‌تواند رفتار آینده این وسایل را تشخیص دهد و بر عملکرد انتقال آن‌ها تأثیر بگذارد.
• حملات در لایه های شبکه – طبقه‌بندی حملات در لایه های مختلف شبکه های بین خودرویی

کیفیت سرویس در شبکه های خودرویی

کیفیت سرویس QoS به‌صورت مجموعه‌ای از الزامات که باید توسط شبکه در طول انتقال بسته از مبدأ آن به مقصد تکمیل و انجام شود تعریف می‌شود.

توصیه‌نامه E.800 کمیته مشورتی سازمان ملل متحد برای تلفن و تلگرافی بین‌المللی (CCITT) QoS را به این صورت تعریف می‌کند: تأثیر جمعی کارایی سرویس که میزان رضایت کاربر این سرویس را تعیین می‌کند.

در سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم، معیارهای کارایی QoS ممکن است به QoS سطح بیت،QoS سطح بسته و QoS سطح فراخوانی طبقه‌بندی شوند. برنامه‌های مختلف VANET به‌طورمعمول و معمولاً نیاز به سطوح مختلف QoS دارند.

به‌عنوان‌مثال، برنامه‌های کاربردی زمان واقعی (مانند کنفرانس صوتی) به‌طورکلی حساس به تأخیر هستند؛ بنابراین، بسته‌ها باید در یک محدودیت زمان با کمترین هدر رفت بسته منتقل شوند، بااین‌حال این برنامه‌ها تحمل‌پذیری خطای کمی دارند. در مقابل، برنامه‌های کاربردی مربوط به داده‌ها مانند به اشتراک‌گذاری فایل به‌طورکلی تحمل‌پذیر خطا هستند اما نیاز به‌دقت بسته بالایی دارند.are broadcasting techniques in VANET گذاشته شده است. این مقاله بصورت جامع در مورد روش های انتشار آگاه از QoS در شبکه های خودرویی بررسی انجام داده است.

• کیفیت سرویس در شبکه های خودرویی (Qos in Vanet)

سخن آخر در مورد شبکه های خودرویی

در این پست به معرفی کلی شبکه های خودرویی پرداختیم و کاربردهای آن را مورد بررسی قرار دادیم. سپس ویژگی‌های شبکه‌های خودرویی را شرح داده شد. در ادامه به پروتکل‌های مسیریابی در شبکه‌های خودرویی پرداخته شد و در نهایت در مورد امنیت و QoS صحبت شد. در خلال معرفی برخی از مفاهیم، لینک‌های دانلود مرتبط با موضوع برای شما عزیزان قرار داده‌ایم که می‌توانید با پرداخت هزینه‌ای ناچیز این منابع را دانلود کنید و به‌صورت تخصصی تر با مسئله برخورد کنید. در پایان منتظر نظرات و پیشنهادات شما عزیزان هستیم. موفق و پیروز باشید.

معماری ترکیبی IEEE 802.11pو LTE مبتنی بر خوشه بندی چند گامی برای انتشار اطلاعات ایمنی در VANET

معماری ترکیبی IEEE 802.11pو LTE مبتنی بر خوشه بندی چند گامی برای انتشار اطلاعات ایمنی در VANET

کلیک کنید