Oben haben wir die grundlegenden Architekturen neuronaler Netze und die Prinzipien ihrer Erstellung, ihres Trainings und ihres Betriebs besprochen. Der Großteil der theoretischen Fortschritte in diesem Bereich ist mit solchen Architekturen verbunden. Es gibt jedoch noch zwei weitere, wenig erforschte, aber vielversprechende Bereiche – Lernalgorithmen, die keine Bereitstellung von Trainingsmustern erfordern (Selbstlernen) und Feedback-Netzwerke, die es ermöglichen, nicht nur räumliche, sondern auch zeitliche Eigenschaften von Eingangssignalen zu identifizieren.

Selbstorganisierende Netzwerke sind eine der interessantesten Richtungen auf diesem Gebiet. Solche Netzwerke sind in der Lage, Korrelationen in Eingabedaten zu erkennen und deren Zustand daran anzupassen. Selbstorganisierende Netzwerke sind in der Lage, nah beieinander liegende Eingabebilder auszuwählen, sodass sie benachbarte Neuronen in der Ausgabeschicht anregen.

Die Demo zum kompetitiven Lernen zeigt die Implementierung eines Klassifikators mithilfe selbstorganisierender Netzwerke.

Abbildung 31. Verwendung selbstorganisierender Netzwerke zur Klassifizierung

(Wettbewerbsorientiertes Lernen)

Abbildung 32. Selbstorganisierende Schicht

Das Netzwerk wird so trainiert, dass, wenn ein neuer Vektor, der sich deutlich von vorhandenen Klassen unterscheidet, in den Eingang des Netzwerks eingespeist wird, eine neue Klasse im Netzwerk erstellt wird. Liegt der Vektor nahe an einer der vorhandenen Klassen, werden die Gewichte geändert, um ihn an die neuen Daten anzupassen. Es ist klar, dass bei dieser Art von Netzwerk die Anzahl der Klassen, die es identifizieren kann, der Anzahl der Neuronen in der konkurrierenden Schicht entspricht. Das Netzwerk wird mit der newc-Funktion erstellt:

net = newc(, 2);

Dabei ist das erste Argument der Wertebereich der Eingangssignale und das zweite die Anzahl der Neuronen in der Schicht.

Das Netzwerk wird mithilfe der Kohonen-Lernregel (learnk) trainiert:

wobei i der Index des gewinnenden Neurons ist (die i-te Zeile der Gewichtsmatrix wird trainiert)

Eine der Einschränkungen selbstlernender Netzwerke besteht darin, dass nicht alle Neuronen an der Erkennung beteiligt sein können. Wenn die Gewichte eines Neurons zunächst weit von den Eingabevektoren entfernt sind, wird ein solches Neuron niemals die Konkurrenz gewinnen und dementsprechend nicht trainiert. Um diese Einschränkung zu umgehen, werden Offsets verwendet. Eine positive Vorspannung, die zu einer negativen Distanz hinzugefügt wird, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Neuron gewinnt. Somit nehmen während des Trainings die Verschiebungen der erfolgreichsten Neuronen ab und die weniger erfolgreichen zu, was zu einer gleichmäßigen Verteilung der erkannten Signale unter den Neuronen führt. Diese Art von Training wird mit der Learncon-Funktion durchgeführt.

Eine weitere Art selbstlernender Netzwerke, die gegenüber den betrachteten Netzwerken einige Vorteile bietet, sind die sogenannten selbstlernenden Karten. Die Architektur dieser Netzwerke ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abbildung 33. Selbstorganisierende Karte

Dabei wird nicht nur das Neuron selbst, das den Wettbewerb gewonnen hat, trainiert, sondern auch seine nächsten Nachbarn, was dazu führt, dass eng im Netzwerk liegende Neuronen lernen, nahe Bilder zu erkennen, d.h. Das Netzwerk merkt sich die Signaltopologie. Die Lernregel für solche Netzwerke ist unten angegeben:

Selbstorganisierende Karten können unterschiedliche Topologien haben (rechteckige Zellen, sechseckige Zellen, zufällige Platzierung von Gewichten) und den Abstand zwischen Neuronen unterschiedlich definieren.

KAPITEL 26. Selbstorganisierende SON-Netzwerke

Einer der Ansätze zur Klassifizierung drahtloser Kommunikationsnetze besteht darin, sie in zentralisierte und selbstorganisierende Infrastrukturen zu unterteilen. Eine Besonderheit selbstorganisierender SON-Netzwerke (Selbstorganisation) ist die Fähigkeit, ohne zentrale Infrastruktur Daten mit jedem Netzwerkknotenpaar auszutauschen, das sich im Funkabdeckungsbereich befindet. Knoten in SON können sowohl Endhosts als auch Router sein. Die Verbindung über große Entfernungen wird mithilfe spezieller Routing-Protokolle in zwischengeschalteten Router-Knoten organisiert. Eine solche Verbindung wird als „mehrstufig oder mehrstufig“ (Multihop) bezeichnet. Die Stufe ist die Beteiligung eines Knotens an dieser Verbindung – des Routers. Die folgenden Netzwerke werden in der SON-Klasse dieses Kapitels behandelt:

· Ad-hoc-Netzwerke für mobile Zielgruppen – Wireless Mobile Ad-hoc Network (MANET);

· drahtlose Sensornetzwerke – Wireless Sensor Network (WSN);

· Drahtlose Mesh-Netzwerke Wireless Mesh Network (WMN). Diese Netzwerke werden auch Mesh-Netzwerke genannt.

· Automobil-Drahtlosnetzwerke Fahrzeug-Ad-hoc-Netzwerk (VANET).

Die Knoten dieser Netzwerke haben die Fähigkeit, einander zu finden und ein Netzwerk zu bilden, und wenn ein Knoten ausfällt, können sie neue Routen für die Übertragung von Nachrichten einrichten. Kapitel 24 enthält eine kurze Beschreibung des Aufbaus selbstorganisierender Netzwerke: MANET, 802.11s-Mesh-Netzwerk, WiMAX-Mesh-Netzwerk (Kapitel 25). In diesem Kapitel wird der Informationssicherheit selbstorganisierender Netzwerke große Aufmerksamkeit gewidmet, und zwar im Hinblick auf die Analyse von DoS-Bedrohungen (Angriffen) als Folge absichtlicher Aktionen eines Angreifers, um den Betrieb von Routing-Protokollen zu stören.

Funktionen selbstorganisierender Netzwerke und ihre Einsatzgebiete

Die Struktur eines Mobile Ad Hoc Network (MANET) wird in Kapitel 24 beschrieben. MANETs sind ein verteiltes System bestehend aus mobilen Endgeräten, die mit Transceivern ausgestattet sind. Sie können temporäre Netzwerktechnologien zur Informationsübertragung organisieren. Im MANET-Netzwerk übernehmen mobile Geräte nicht nur die Funktionen von Endstationen, sondern auch die Funktionen von Netzwerkknoten (Router). Dabei werden häufig unlizenzierte Frequenzbänder genutzt. Hier sind einige Anwendungsbereiche von MANET-Netzwerken.

Ausländischen Arbeiten zufolge wird davon ausgegangen, dass Ad-hoc-Mobilfunknetze am weitesten verbreitet sind, um die Kommunikation während Kampfhandlungen herzustellen. Gleichzeitig wird die Herstellung einer Kommunikation zwischen Soldaten am Boden, im Boden- und Lufttransport berücksichtigt. Die meisten Kommunikationsknoten bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Kommunikationsnetze mit fester Infrastruktur können unter solch schnellen und unvorhersehbaren Umständen keine zuverlässige Kommunikation gewährleisten. Der Systemadministrator hat wenig Zeit, zu reagieren und Netzwerke neu zu konfigurieren. Normalerweise erfordern MANETs keine Verwaltung. Ein temporäres Ad-hoc-Netzwerk kann eingesetzt werden, wenn die Schaffung einer Infrastruktur unmöglich oder ineffektiv ist. Beispielsweise kann ein solches Netzwerk als Übergangslösung auf Konferenzen eingesetzt werden, aber auch in unbewohnten Gebieten, in denen es sehr schwierig ist, eine Infrastruktur zu schaffen. Die kurze Zeit, die zum Aufbau eines Ad-hoc-Netzwerks benötigt wird, macht es für Rettungseinsätze nach Katastrophen oder Naturkatastrophen unverzichtbar.

Sensornetzwerke (WSN)

Ein WSN-Sensornetzwerk ist ein verteiltes Netzwerk unbeaufsichtigter Miniaturknoten, die Daten über Umgebungsparameter sammeln und diese durch Weiterleitung von Knoten zu Knoten mithilfe drahtloser Kommunikation an eine Basisstation übertragen. Ein Netzwerkknoten, Sensor genannt, enthält einen Sensor, der Daten von der externen Umgebung empfängt (den Sensor selbst), einen Mikrocontroller, einen Speicher, einen Funksender, eine autonome Stromquelle und manchmal Aktoren. Es ist auch möglich, Steueraktionen von Netzwerkknoten an die externe Umgebung zu übertragen. Sensornetzwerke basieren auf den Protokollen IEEE 802.15.4, ZigBee und DigiMesh. Mit Hilfe der Funkkommunikation zwischen Netzwerkknoten auf Basis des ZigBee-Standards entstehen selbstorganisierende und selbstheilende Netzwerke. Viele Sensornetzwerke zeichnen sich durch die Mobilität nicht jedes Knotens einzeln aus (wie es bei MANET der Fall ist), sondern durch die Mobilität einer separaten Gruppe von Knoten. Die Hauptanforderung an Sensornetzwerkprotokolle ist ein geringer Energieverbrauch. In Sensornetzwerken hängt ihre Lebensdauer direkt von der Lösung der Energieverbrauchsprobleme der Netzwerkknoten ab.
Sensornetzwerke werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, von der Terrorismusbekämpfung bis zum Umweltschutz. Es gibt viele Anwendungen, für die verschiedene Hersteller unterschiedliche Sensornetzwerkknoten produzieren. Basierend auf ihrem Anwendungsbereich können Sensornetzwerkanwendungen in Kategorien eingeteilt werden:

· Wetter, Umwelt;

· Telemedizin;

· Notfallsituationen (Brände, Katastrophen usw.);

· Militäreinsätze usw.

Mesh-Netzwerke (WMN)

Kapitel 24 beschreibt die Architektur eines Mesh-Netzwerks basierend auf dem 802.11s-Protokoll, das zur 802.11-Protokollfamilie gehört. Wie oben erwähnt, können Mesh-Netzwerke auf der Grundlage von Protokollen anderer Standards aufgebaut werden – 802.16 und LTE. In Abb. Abbildung 26.1 zeigt die allgemeine Architektur eines Mesh-Netzwerks. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, besteht ein Mesh-Netzwerk aus einem drahtlosen Kernnetzwerk (Wireless Mesh Backbone) und dem Internet, Wi-Fi-Netzwerken, Mobilfunknetzen und damit verbundenen Endbenutzern. Die durchgezogene Linie zeigt den kabelgebundenen Kanal und die gepunktete Linie den kabellosen Kanal an.

Das Wireless Mesh Backbone umfasst die folgenden Router:

1. Mesh-Router ohne Gateway (Mesh Router).

2. Mesh-Router mit Gateway (Mesh Router with Gateway), der mit dem Internet und anderen Arten von Mesh-Routern interagiert.

3. Mesh-Router mit Gateway und Bridge (Mesh Router with Gateway/Bridge), der mit allen Mesh-Routern des Kernnetzwerks sowie einem WiMAX-Netzwerkzugangspunkt, Basisstationen des Mobilfunknetzes und dem WiMAX-Netzwerk interagiert. ein Se(Sink Node), direkt mit Teilnehmern über einen drahtgebundenen oder drahtlosen Kanal.

Reis. 26.1. Mesh-Netzwerkarchitektur

Die Arbeit stellt eine weitere Mesh-Netzwerkarchitektur vor, die es Teilnehmern ermöglicht, zusätzlich nicht nur Zugang zum Internet, sondern auch untereinander innerhalb des Kernnetzwerks zu kommunizieren. Im Vergleich zu MANET und Sensornetzwerken erfüllen drahtlose Mesh-Netzwerke die Funktion eines Transitnetzwerks und unterscheiden sich in den folgenden vier Merkmalen:

· Router in Mesh-Netzwerken können mehr Datenverkehr übertragen und unterliegen weniger Leistungseinschränkungen.

· Router-Netzwerke können die Datenübertragung über größere Entfernungen ermöglichen.

· Router-Netzwerke können als Integrator von Netzwerken wie dem Internet, Mobilfunknetzen und drahtlosen lokalen Netzwerken verwendet werden.

· In Mesh-Netzwerken verfügt jeder Router über mindestens zwei Funkkanäle: einen für die Verbindung von Clients und einen für die Kommunikation mit anderen Routern.

Nahezu jede der oben diskutierten Anwendungen mobiler Ad-hoc-Netzwerke kann in drahtlosen Mesh-Netzwerken implementiert werden. Der Hauptvorteil von Mesh-Netzwerken ist die Möglichkeit, große Datenmengen über große Entfernungen zu übertragen und einen Breitbandzugang bereitzustellen.

Drahtlose Fahrzeugnetzwerke (VANET)

Durch die Schaffung von drahtlosen, selbstorganisierenden Automobilnetzwerken (VANET) soll die Effizienz und Sicherheit des Straßenverkehrs verbessert werden. Derzeit werden mit Unterstützung von Industrie, Regierung und akademischen Institutionen weltweit mehrere Forschungsprojekte durchgeführt, die darauf abzielen, Standards für solche Fahrzeugnetzwerke zu entwickeln und zu übernehmen. Die Hauptzwecke der Verwendung von VANET lassen sich in drei Gruppen einteilen:

· Fahrerassistenz (Navigation, Kollisionsvermeidung und Spurwechsel);

· Informieren (über Geschwindigkeitsbegrenzungen oder Reparaturarbeitszonen);

· Warnung (nach einem Unfall, vor Hindernissen oder Straßenverhältnissen).

Verwandte Informationen.

Im Zeitalter von Kommunikationsgeräten, sozialen Netzwerken und anderen Diensten scheinen Fernkommunikation und sofortiger Informationsaustausch eine Selbstverständlichkeit zu sein. Besonders wichtig ist jedoch die Fähigkeit, gerade in den Momenten, in denen die Kommunikationsinfrastruktur gestört ist, in Verbindung zu bleiben. In Haiti beispielsweise erwiesen sich nach dem jüngsten katastrophalen Erdbeben Satellitentelefone als Hauptkommunikationsmittel, die von Hilfsdiensten bereitgestellt wurden. Aber es sind nicht nur große Naturkatastrophen, die die Mobilfunkinfrastruktur lahmlegen können; auch ein einfacher Stromausfall kann unsere Mobilgeräte in nutzlose Spielzeuge verwandeln.
In solchen Fällen wird die Schaffung eines drahtlosen, selbstorganisierenden (oder dynamischen oder Ad-hoc-)Netzwerks immer attraktiver. Eine solche Struktur bildet sich immer dann, wenn sich speziell programmierte Mobiltelefone oder andere Kommunikationsgeräte im direkten Zugriff befinden. Jeder von ihnen erfüllt sowohl die Funktion eines Senders als auch eines Empfängers in einem dynamischen Netzwerk und dient, was sehr wichtig ist, auch als Relaispunkt für alle Geräte in der Nähe. Geräte, deren Abstand größer als die direkte Kommunikationsreichweite ist, können miteinander kommunizieren, wenn andere Geräte zwischen ihnen bereit sind, ihnen zu helfen und Nachrichten entlang der Kette weiterzuleiten, wie Eimer im Feuer. Mit anderen Worten: Jeder Knoten im Netzwerk dient sowohl als Kommunikator für seine eigenen Nachrichten als auch als Element der Infrastruktur für Nachrichten von anderen Knoten.
Katastrophenhilfe ist nur eine mögliche Funktion selbstorganisierender Netzwerke. Sie werden überall dort nützlich sein, wo die Errichtung einer dauerhaften Basis zu zeitaufwändig, schwierig oder teuer wäre. Das Militär hat viel Geld in die Entwicklung selbstorganisierender Systeme für den Einsatz auf dem Schlachtfeld investiert. Dynamische Netzwerke in Ihrem Zuhause ermöglichen es Geräten, einander zu finden und miteinander zu kommunizieren, sodass keine Kabel mehr ins Schlafzimmer oder Büro verlegt werden müssen. Entlegene Siedlungen und einkommensschwache Nachbarn könnten über drahtlose Ad-hoc-Netzwerke einen Breitband-Internetzugang erhalten. Wissenschaftler, die ökologische Mikrohabitate in Baumwipfeln oder hydrothermalen Quellen auf dem Meeresboden untersuchen, könnten Sensoren an interessanten Orten platzieren, ohne sich Gedanken darüber machen zu müssen, ob sie sich gegenseitig „hören“ könnten oder wie die Informationen in ihren Computer gelangen würden.
Die Entwicklung solcher Netzwerke schreitet seit mehr als drei Jahrzehnten voran, doch erst in den letzten Jahren führten Fortschritte in der Netzwerktheorie zur Schaffung der ersten funktionierenden Großsysteme. In San Francisco hat ein neues Unternehmen, Meraki Network, 400.000 Stadtbewohner über sein Free the Net-System, das auf drahtloser Ad-hoc-Netzwerktechnologie basiert, mit dem Internet verbunden. Bluetooth-Komponenten in Mobiltelefonen, Computerspielsystemen und Laptops kommunizieren ohne Kabelverbindungen oder spezielle Konfiguration mithilfe dynamischer Netzwerktechnologien miteinander. Selbstorganisierende Netzwerke werden an zahlreichen abgelegenen oder unwirtlichen Orten eingesetzt, um Informationen von drahtlosen Sensoren mit geringem Stromverbrauch zu sammeln. Für die Verbreitung solcher Netzwerke sind noch einige technische Durchbrüche erforderlich, an mehreren Fronten wurden jedoch bereits Fortschritte erzielt.

Mobilfunk
Drahtlose selbstorganisierende Netzwerke sind noch selten. Um den Grund für ihre langsame Einführung zu verstehen, ist es hilfreich, einen Blick auf die Unterschiede zwischen neuen Technologien wie Mobiltelefonen und WLAN zu werfen. Wenn Sie einen Freund über Ihr Mobiltelefon anrufen, betrifft die drahtlose Kommunikation nur jedes der verbundenen Telefone und den nächstgelegenen Mobilfunkmast (Basisstation). Die Türme sind stationär und durch ein ausgedehntes Netzwerk aus Drähten und Kabeln miteinander verbunden. Wireless LANs, insbesondere Wi-Fi, nutzen ebenfalls feste Antennen und Kabelverbindungen.
Dieser Ansatz hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Zur Übertragung von Informationen wird Energie benötigt, die in klassischen drahtlosen Netzwerken in den Akkus mobiler Geräte (z. B. Telefone und Laptops) gespeichert wird und der größtmögliche Teil der Kommunikationslast auf die stationäre Infrastruktur gelegt wird, die über diese mit Strom versorgt wird Netz. Auch die WLAN-Bandbreite ist eine feste und begrenzte Ressource. In herkömmlichen drahtlosen Netzwerken wird Bandbreite gespart, indem die meisten Informationen über kabelgebundene Verbindungen übertragen werden. Durch den Einsatz einer festen Infrastruktur können Sie in den Bereichen, in denen der Bedarf am größten ist, größere und zuverlässigere Telefon- und WLAN-Kommunikationsressourcen schaffen.
Allerdings macht die Nutzung einer festen Infrastruktur diese Netze angreifbar: Bei Stromausfällen und anderen Ausfällen wird ihr Betrieb gestört, selbst wenn einzelne Telefone und andere mobile Geräte innerhalb der Netzabdeckung ordnungsgemäß funktionieren. Die Zuverlässigkeit dynamischer Netzwerke ist viel höher. Wenn ein Mobilgerät offline geht, modifizieren die anderen das Netzwerk so, dass das verlorene Element so weit wie möglich kompensiert wird. Wenn Geräte verbunden und getrennt werden, passt sich das Netzwerk an und „heilt“ sich selbst.
Aber eine solche Neukonfiguration ist nicht umsonst. Das Netzwerk muss Informationen so übermitteln, dass die Nachricht auch dann rekonstruiert werden kann, wenn während der Übertragung der Nachricht einige Glieder in der Kommunikationskette zwischen Sender und Empfänger nicht mehr funktionieren. Das System muss den optimalen Pfad für die Zustellung einer Nachricht an den Empfänger ermitteln, auch wenn das sendende Gerät den Standort des Empfängers nicht ermitteln kann. Darüber hinaus muss das Netzwerk mit dem unvermeidlichen Rauschen umgehen, das durch die gleichzeitige Übertragung von Nachrichten durch viele Geräte entsteht.

Drahtlose selbstorganisierende Netzwerke (MANET-Mobile Ad-Hoc Networks) stellen die Architektur von Mobilfunknetzen dar, die das Fehlen einer festen Netzwerkinfrastruktur (Basisstationen) und einer zentralen Verwaltung voraussetzt. Besonders attraktiv wurden diese Netzwerke mit dem Aufkommen drahtloser Standards und Netzwerktechnologien (Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX). Basierend auf den bereits bestehenden Standards 802.11 und 802.16 ist es möglich, drahtlose selbstorganisierende Netzwerke im städtischen Maßstab aufzubauen, die sich durch eine große Abdeckungsfläche (mehrere Quadratkilometer) auszeichnen.

Ein drahtloses selbstorganisierendes Netzwerk (WSN) zeichnet sich durch dynamische Änderungen der Topologie, begrenzte Bandbreite, begrenzte Batterieleistung in Knoten, Heterogenität der Knotenressourcen, begrenzte Sicherheit usw. aus. In letzter Zeit werden WSN-Netzwerke jedoch zunehmend in intelligenten Transportsystemen eingesetzt und für zu Hause (HANET – Home AdHoc Network), für Netzwerke kleiner Büros, zum gemeinsamen Rechnen von Computern auf kleinem Raum. Selbstorganisierende Netzwerke (Ad-hoc-Netzwerke) können nach ihrer Anwendung klassifiziert werden: - mobile drahtlose selbstorganisierende Netzwerke (Mobile Ad-hoc Networks, MANET); - Drahtlose Mesh-Netzwerke (WMN);

Ein mobiles drahtloses Ad-hoc-Netzwerk (MANET), manchmal auch mobiles Mesh-Netzwerk genannt, ist ein selbstkonfigurierendes Netzwerk, das aus mobilen Geräten besteht. Alle Knoten nutzen drahtlose Verbindungen zur Kommunikation (Abb. 1.8).

Reis. 1.8. Beispiel einer WSN-Netzwerkarchitektur

Alle Geräte in einem WSN-Netzwerk sind ständig in Bewegung und daher ändern sich die Verbindungen im Netzwerk ständig. Jeder Knoten muss die Funktionen eines Routers erfüllen und an der Weiterleitung von Datenpaketen teilnehmen. Die Hauptaufgabe beim Aufbau eines solchen Netzwerks besteht darin, sicherzustellen, dass alle Geräte ständig über aktuelle Informationen für die korrekte Weiterleitung des Datenverkehrs verfügen. Ein WSN-Netzwerk kann auch in mehrere Klassen unterteilt werden:

Vehicular Ad Hoc Network (VANET) ist ein Ad-hoc-Netzwerk, das zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Straßengeräten verwendet wird.

Das intelligente Fahrzeug-Ad-hoc-Netzwerk (InVANET) ist eine Art künstliche Intelligenz, die dabei hilft, ein Auto in verschiedenen unvorhergesehenen Situationen zu steuern.

Das Internet Based Mobile Ad hoc Network (iMANET) ist ein WSN-Netzwerk, das mobile Knoten mit festen Internet-Gateways verbindet.

Drahtlose Mesh-Netzwerke ist eine spezielle Art von Ad-hoc-Netzwerk mit einer eher geplanten Konfiguration. Mesh-Netzwerke bestehen aus Clients, Routern und Gateways (Abbildung 1.9). Der Hauptunterschied besteht darin, dass sich drahtlose Knoten während des Betriebs nicht im Raum bewegen. Der Hauptunterschied zwischen MANET- und Mesh-Netzwerken besteht darin, dass sich MANET in der Regel auf ein Terminalnetzwerk bezieht, d. h. zu einem Netzwerk ohne Transitfunktionen und ein Mesh-Netzwerk zu einem Transitnetzwerk, wobei diese Aufteilung zwar sehr willkürlich ist, aber derzeit akzeptiert wird. Entsprechend den komplexeren Funktionen eines Mesh-Netzwerks wird beim Aufbau auch zwischen übergeordneten und untergeordneten Internetnetzwerken unterschieden.

Reis. 1.9. Beispiel eines drahtlosen Mesh-Netzwerks

Derzeit besteht ein enormes wissenschaftliches und angewandtes Interesse an der Schaffung selbstorganisierender, selbstheilender Netzwerke.

Wie oben erwähnt, gelten drahtlose selbstorganisierende Netzwerke als einer der relevantesten Kandidaten für die Implementierung kognitiver drahtloser Netzwerke.

Ramming argumentiert, dass ein WSN-Netzwerk eine neue Art von Netzwerktechnologie namens kognitive Technologie erfordert. Er argumentiert, dass ein solches Netzwerk die Aufgaben der Anwendung verstehen muss und die Anwendung jederzeit in der Lage ist, die Fähigkeiten des Netzwerks zu verstehen. Dies würde es dem Netzwerk ermöglichen, durch das Erlernen der grundlegenden Anforderungen der Anwendung neue Funktionen zu nutzen und dynamisch Netzwerkprotokolle auszuwählen, die diese Anforderungen erfüllen.

Als Hauptgrundsatz der kognitiven Theorie wird die kognitive Schleife in Netzwerken zur Mustererkennung angewendet. Der Grad, in dem ein Knoten Muster erkennen kann, hängt von seiner logischen Position und Standortebene im Netzwerk ab. Auf dieser Grundlage kann ein kognitives Netzwerk wie ein WSN-Netzwerk als dynamisch integrierendes Netzwerk betrachtet werden. Daher ist es möglich, kognitive Technologie in WSNs anzuwenden, was folglich zur Entwicklung von WSNs führt.

Ein kognitives drahtloses selbstorganisierendes Netzwerk ist der natürliche Endpunkt für die Entwicklung eines modernen WSN-Netzwerks. Allerdings reagieren kognitive Netzwerke viel schneller als selbstorganisierende Netzwerke, da sie lern- und planen können müssen und daher ein größerer Bedarf an Selbstbeobachtung besteht. Man könnte argumentieren, dass ein voll funktionsfähiges kognitives Netzwerk eine natürliche Entwicklung eines WSN-Netzwerks ist.

Betrachten wir das einfachste Beispiel der Routing-Steuerung in einem kognitiven, drahtlosen, selbstorganisierenden Netzwerk. Als Beispiel für die Notwendigkeit einer Anpassung des Gesamtsystems wird eine Datenübertragungssitzung in einem selbstorganisierenden Netzwerk zwischen dem Ausgangsknoten S1 und dem Zielknoten D1 betrachtet, wie in Abb. 1.10. Der Ursprungsknoten S1 verfügt nicht über genügend Leistung, um Daten direkt an D1 zu übertragen. Daher darf er Daten nur über Zwischenknoten wie R1 und R2 an den Zielknoten übertragen.

Reis. 1.10. Routing-Steuerung im kognitiven Ad-Nos-Netzwerk

Es wird davon ausgegangen, dass die Übertragung von der Quelle zum Ziel mit hoher Wahrscheinlichkeit erfolgreich ist. Die Routing-Schicht bestimmt Routen basierend auf einer Mindestanzahl von Zwischenknoten, die in diesem Fall entweder R1 oder R2 umfassen. Knoten S1 führt eine Anpassung der Verbindungsschicht durch, um R1 oder R2 basierend auf dem Signal-Rausch-Verhältnis und der geringsten Wahrscheinlichkeit eines Kommunikationsfehlers auszuwählen. Aus Sicht der Verbindungsschicht am Knoten S1 bietet dies die höchste Wahrscheinlichkeit, dass übertragene Pakete korrekt bei den Relay-Knoten ankommen. Ohne zusätzliche Informationen garantiert diese Wahl jedoch nicht die Wahrscheinlichkeit der Zustellung der übertragenen Daten von S1 an D1.

Im Gegensatz zur Anpassung einzelner Netzwerkelemente verwendet das kognitive Netzwerk Informationen von allen Knoten, um die Gesamtwahrscheinlichkeit eines Kommunikationsfehlers auf dem Pfad von Knoten S1 nach D1 über die Knoten R1 und R2 zu berechnen. Dies zeigt den Vorteil eines globaleren Ansatzes, aber das kognitive Netzwerk hat auch einen weiteren Vorteil: seine Lernfähigkeit. Angenommen, die Erkennungsmaschine misst den Durchsatz von der Quelle zum Ziel, um die Wirksamkeit früherer Entscheidungen zu bewerten, und die Knoten S1 und S2 leiten ihren Datenverkehr in beide Richtungen über den Knoten R2, da dies die Anforderung einer minimalen Wahrscheinlichkeit eines Kommunikationsfehlers erfüllt. Es wird nun davon ausgegangen, dass R2 aufgrund des hohen Verkehrsaufkommens von S2 voll wird. Dies wird deutlich, wenn man den Durchsatz anhand der Nachrichten der Knoten S1 und S2 untersucht. Der Lernmechanismus erkennt, dass die bisherige Lösung nicht mehr optimal ist und der kognitive Prozess ist auf die Generierung einer anderen Lösung ausgerichtet. Das kognitive Netzwerk weiß offensichtlich nicht, dass am Knoten R2 ein Überlauf vorliegt, da wir diese Informationen nicht als Beobachtung einbezogen haben. Das Netzwerk kann jedoch daraus schließen, dass möglicherweise Probleme aufgrund des verringerten Durchsatzes vorliegen, und dann auf die Überlastung reagieren, möglicherweise durch Umleitung des Datenverkehrs über die Knoten R1 und/oder R3. Dieses Beispiel verdeutlicht das Potenzial kognitiver Netzwerke zur Optimierung des kontinuierlichen Betriebs und der Fähigkeit, auf unvorhergesehene Umstände zu reagieren. Das kognitive Netzwerk-Routing-Protokoll basiert nicht auf einem rein algorithmischen Ansatz und ist in der Lage, auch in unerwarteten Situationen einen effizienten Betriebsmodus auszuwählen.

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Drahtlose selbstorganisierende Netzwerke (andere Namen: drahtlose Ad-hoc-Netzwerke, drahtlose dynamische Netzwerke) sind dezentrale drahtlose Netzwerke, die keine dauerhafte Struktur haben. Client-Geräte verbinden sich im Handumdrehen und bilden ein Netzwerk. Jeder Netzwerkknoten versucht, Daten, die für andere Knoten bestimmt sind, weiterzuleiten. In diesem Fall erfolgt die Bestimmung, an welchen Knoten Daten gesendet werden sollen, dynamisch auf Grundlage der Netzwerkkonnektivität. Dies steht im Gegensatz zu kabelgebundenen Netzwerken und verwalteten drahtlosen Netzwerken, bei denen die Aufgabe der Steuerung des Datenflusses von Routern (in kabelgebundenen Netzwerken) oder Zugangspunkten (in verwalteten drahtlosen Netzwerken) übernommen wird.

Die ersten drahtlosen selbstorganisierenden Netzwerke waren ab den 1970er Jahren „Paketfunk“-Netzwerke, die nach dem ALOHAnet-Projekt von der DARPA finanziert wurden.

Anwendung: Minimale Konfiguration und schnelle Bereitstellung ermöglichen den Einsatz selbstorganisierender Netzwerke in Notsituationen wie Naturkatastrophen und militärischen Konflikten.

Abhängig von der Anwendung können drahtlose selbstorganisierende Netzwerke unterteilt werden in:

mobile selbstorganisierende Netzwerke

drahtlose Mesh-Netzwerke

drahtlose Sensor Netzwerke

Grundprinzipien drahtloser Ad-hoc-Netzwerke:

• - Drahtlose Netzwerke werden in zwei Kategorien unterteilt: Netzwerke vom Infrastrukturtyp (Infrastruktur) und Netzwerke vom Ad-hoc-Typ (spezialisiert). Um mehrere Computer zu einem Infrastrukturnetzwerk zu verbinden, werden Router oder Gruppenzugriffspunkte verwendet. Ein Ad-hoc-Netzwerk verwendet keine Router oder Gruppenzugriffspunkte. Es besteht aus Computern, die Daten direkt miteinander austauschen.
• - Ad-hoc-Netzwerke sind eine Reihe drahtloser mobiler Kommunikationsknoten (Stationen, Benutzer), die mithilfe einer vollständig mobilen Infrastruktur ein dynamisches autonomes Netzwerk bilden. Die Knoten kommunizieren miteinander, ohne dass zentrale Zugangspunkte oder Basisstationen eingreifen müssen, sodass jeder Knoten sowohl als Router als auch als Endbenutzer fungiert.
• - Ein Beispiel wäre die drahtlose Verbindung mehrerer Computer ohne Zugangspunkt. Diese Anschlussart wird häufig bei Ausstellungen und Konferenzräumen eingesetzt.
• - Im Internet gehören Router in zentralen Bereichen des Netzwerks bekannten Betreibern und daher wird ein gewisses Maß an Vertrauen vorausgesetzt. Diese Annahme gilt jedoch nicht mehr für Ad-hoc-Netzwerke, weil Von allen Knoten im Netzwerk wird erwartet, dass sie am Routing teilnehmen.

IBSS-Modus:- Der IBSS-Modus, auch Ad-hoc-Modus genannt, ist für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen vorgesehen. Es gibt eigentlich zwei Arten von Ad-hoc-Modi. Einer davon ist der IBSS-Modus, auch Ad-hoc-Modus oder IEEE-Ad-hoc-Modus genannt. Dieser Modus ist durch die Standards IEEE 802.11 definiert. Der zweite Modus wird Demo-Ad-hoc-Modus oder Lucent-Ad-hoc-Modus (oder, manchmal fälschlicherweise, Ad-hoc-Modus) genannt. Dies ist ein alter Ad-hoc-Modus vor 802.11 und sollte nur für ältere Netzwerke verwendet werden.

Verschlüsselung:- Die Verschlüsselung in einem drahtlosen Netzwerk ist wichtig, da Sie das Netzwerk nicht mehr auf einen gut gesicherten Bereich beschränken können. Die Daten Ihres WLAN-Netzwerks werden im gesamten Gebiet verbreitet, so dass jeder Interessierte sie lesen kann. Hier kommt die Verschlüsselung ins Spiel. Indem Sie drahtlos gesendete Daten verschlüsseln, wird es für jedermann deutlich schwieriger, sie direkt abzufangen.

• - Die beiden am häufigsten verwendeten Methoden zur Verschlüsselung von Daten zwischen Ihrem Client und dem Zugangspunkt sind WEP und IP-Sec:
• - WEP. WEP ist die Abkürzung für Wired Equivalency Protocol. WEP ist ein Versuch, drahtlose Netzwerke genauso zuverlässig und sicher zu machen wie kabelgebundene Netzwerke.
• - IP-sec. IP-Sec ist ein wesentlich zuverlässigeres und leistungsfähigeres Mittel zur Verschlüsselung von Daten in einem Netzwerk. Diese Methode ist definitiv die bevorzugte Methode zur Verschlüsselung von Daten in einem drahtlosen Netzwerk.

Dienstprogramme:- Es gibt mehrere Dienstprogramme, die zum Konfigurieren und Debuggen eines drahtlosen Netzwerks verwendet werden können:

bsd-airtools-Paket

• - Das bsd-airtools-Paket ist ein kompletter Satz an Tools, einschließlich Tools zum Testen des drahtlosen Netzwerks auf WEP-Schlüsselknacken, Punkterkennung usw.
• - bsd-airtools-Dienstprogramme können über den net/bsd-airtools-Port installiert werden .

Dienstprogramme wicontrol, ancontrol und raycontrol

Hierbei handelt es sich um Tools, mit denen das Verhalten eines WLAN-Adapters in einem Netzwerk gesteuert werden kann. Wicontrol wird ausgewählt, wenn der drahtlose Netzwerkadapter die Wi0-Schnittstelle ist. Wenn ein drahtloses Cisco-Zugangsgerät installiert ist, ist diese Schnittstelle eine 0 und dann wird eine Steuerung verwendet

Unterstützte Adapter: Zugangspunkte

Die einzigen Adapter, die derzeit im BSS-Modus (als Access Point) unterstützt werden, sind solche, die auf dem Prism 2-, 2.5- oder 3-Chipsatz basieren.

802.11a- und 802.11g-Clients

• - Leider gibt es immer noch viele Hersteller, die der Open-Source-Community keine schematischen Diagramme ihrer Treiber zur Verfügung stellen, da diese Informationen als Geschäftsgeheimnis gelten. Daher bleiben Betriebssystementwicklern zwei Möglichkeiten: Treiber durch einen langen und komplexen Reverse-Engineering-Prozess zu entwickeln oder vorhandene Treiber für Microsoft® Windows-Plattformen zu verwenden.
• – Dank der Bemühungen von Bill Paul (wpaul) gibt es „transparente“ Unterstützung für die Network Driver Interface Specification (NDIS). FreeBSD NDISulator (auch bekannt als Project Evil) konvertiert den Windows-Binärtreiber, sodass er genauso funktioniert wie unter Windows. Diese Funktion ist noch relativ neu, funktioniert aber in den meisten Tests ausreichend.

Die grundlegende Infrastruktur des modernen Internets wird bekanntermaßen von Dutzenden von Organisationen verwaltet und gewartet, von denen einige von der US-Regierung kontrolliert werden. Da dies nicht jedem gefällt, diskutieren IT-Spezialisten seit einigen Jahren über alternative Möglichkeiten zur Organisation globaler Informationsnetzwerke.

Es gibt zwei Hauptbedrohungen für den sicheren Informationsaustausch in elektronischen Netzwerken: unbefugter Zugriff auf private Daten und Eingriffe in den Betrieb von Geräten und Geräten, um deren Aktivität zu stören oder sogar zu deaktivieren.

Eine mögliche Reaktion auf diese Bedrohungen liegt in der Verbreitung einer neuen Art der Telekommunikation – unabhängiger, dezentraler Netzwerke, in denen jedes Gerät vollwertiger Teilnehmer ist und seinen Teil der Verantwortung für das Funktionieren des Netzwerks trägt. Diese Art von Informationsnetzwerken wird als AHN (Ad-hoc-Netzwerk) bezeichnet.

Das Hauptproblem, das bisher den Einsatz solcher Netzwerke auf globaler Ebene verhinderte, lag in der geringen Leistung der Geräte und „engen“ Kommunikationskanälen: Das Routing und die Übertragung der für den Betrieb eines Ad-hoc-Netzwerks erforderlichen Daten beanspruchen Systemressourcen und stellen hohe Anforderungen Anforderungen an die Bandbreite des Kanals, der die Geräte untereinander verbindet. Heutzutage weisen viele Geräte diese Mängel nicht auf, sodass in den kommenden Jahren mit der Entstehung experimenteller Ad-hoc-Netzwerke aus Tausenden von Geräten zu rechnen ist.

Und in ein paar Jahrzehnten könnten drahtlose oder mobile Ad-hoc-Netzwerke (MANETs, ​​​​Mobile Ad-hoc-Netzwerke) durchaus eine Voraussetzung für den sicheren Betrieb zukünftiger Transportsysteme werden, die eine große Anzahl von Roboterautos, -flugzeugen und -zügen verbinden werden . Jedes Fahrzeug in einem solchen System erhält Navigations- und andere Informationen direkt von seinen Nachbarn: Dies kann eine zuverlässige und kontinuierliche Kommunikation für autonome Fahrzeuge gewährleisten.