ما هي بروتوكولات المحتوى المحدود في الشبكات Limited-Contention Protocols

في “ALOHA” المشقوق يتم تقسيم القناة المشتركة إلى عدد من الفواصل الزمنية المنفصلة تسمى الفتحات وكما يمكن لأي محطة بها إطار أن تبدأ الإرسال في بداية الفتحة، ونظراً لأنّ هذا يعمل جيداً في ظل الأحمال الخفيفة فإنّ بروتوكولات التنازع المحدودة تتصرف مثل “ALOHA” المشقوق تحت الأحمال المنخفضة.

ما هي بروتوكولات المحتوى المحدود Limited-Contention Protocols

بروتوكولات المحتوى المحدود “Limited-Contention Protocols”: هي بروتوكولات التحكم في الوصول إلى الوسائط “MAC” التي تجمع بين مزايا البروتوكولات القائمة على التصادم والبروتوكولات الخالية من التصادم، كما يتصرفون مثل “ALOHA” المشقوق تحت الأحمال الخفيفة وبروتوكولات الصور النقطية تحت الأحمال الثقيلة.

• “MAC” هي اختصار لـ “Media Access Control”.

أساسيات بروتوكولات المحتوى المحدود

مع زيادة الأحمال يحدث نمو أسي في عدد التصادمات وبالتالي يتدهور أداء “ALOHA” المشقوق بسرعة ولذلك في ظل الأحمال العالية تعمل البروتوكولات الخالية من الاصطدامات، مثل بروتوكولات الصور النقطية بشكل أفضل وفي البروتوكولات الخالية من الاصطدامات، يتم حل الوصول إلى القناة في فترة التنازع وبالتالي يتم التخلص من احتمالات الاصطدام.

في بروتوكول خريطة البت يتم تجزئة فترة المحتوى المحدود إلى فتحات “N”، حيث “N” هو العدد الإجمالي للمحطات التي تتشارك في القناة، وإذا كان للمحطة إطار لإرساله فإنّها تخصص البت المقابل في الفتحة لذا قبل الإرسال تعرف كل محطة ما إذا كانت المحطات الأخرى تريد الإرسال، كما يتم تجنب الاصطدامات من خلال الاتفاق المتبادل بين المحطات المتنافسة على من يحصل على القناة، وتتصرف بروتوكولات التنازع المحدودة مثل “ALOHA” المشقوق تحت الأحمال المنخفضة.

مبدأ عمل بروتوكولات المحتوى المحدود

تعمل بروتوكولات المحتوى المحدود على تقسيم المحطات المتنافسة إلى مجموعات والتي قد تكون منفصلة عن بعضها البعض أو لا، وفي الفتحة 0 يمكن فقط للمحطات في المجموعة 0 التنافس على الوصول إلى القناة، وفي الفتحة 1 يمكن فقط للمحطات في المجموعة 1 التنافس على الوصول إلى القناة وما إلى ذلك.

وفي هذه العملية إذا نجحت المحطة في الحصول على القناة فإنّها ترسل إطار بياناتها، وفي حالة حدوث تصادم أو عدم وجود محطات تتنافس على فتحة معينة في مجموعة، يمكن لمحطات المجموعة التالية التنافس على الفتحة، ومن خلال التغيير الديناميكي لعدد المجموعات وعدد المحطات المخصصة في مجموعة وفقاً لحمل الشبكة، يتغير البروتوكول من “ALOHA” المشقوق تحت الأحمال المنخفضة إلى بروتوكول خريطة البت تحت الأحمال العالية.

وفي ظل الأحمال المنخفضة توجد مجموعة واحدة فقط تحتوي على جميع المحطات وهي حالة “ALOHA” ذات الشقوق، ومع زيادة الحمل تتم إضافة المزيد من المجموعات وتقليل حجم كل مجموعة وعندما يكون الحمل مرتفعاً جداً، يكون لكل مجموعة محطة واحدة فقط أي يمكن لمحطة واحدة فقط التنافس في فتحة وهي حالة بروتوكول خريطة البت، كما يعتمد أداء بروتوكول التنازع المحدود بشكل كبير على الخوارزمية لضبط تكوينات المجموعة ديناميكياً وفقاً للتغييرات في بيئة الشبكة.

خصائص بروتوكولات المحتوى المحدود

تعتبر البروتوكولات القائمة على التصادم “ALOHA” و”CSMA / CD” جيدة عندما يكون حمل الشبكة منخفضاً، كما تعتبر البروتوكولات الخالية من الاصطدامات أي خريطة البت والعد التنازلي الثنائي جيدة عندما يكون الحمل مرتفعاً، كما تتصرف مثل مخطط “ALOHA” تحت الحمل الخفيف وتتصرف مثل مخطط الصورة النقطية تحت الحمل الثقيل.

التقسيم الديناميكي للمحطات إلى مجموعات والحد من التنازع على كل فتحة وتحت الحمل الخفيف كل شخص يحاول لكل فتحة مثل “ALOHA”، كما يمكن لمجموعة صغيرة فقط تجربة كل فتحة ومعاملة المحطات على أنّها أوراق شجرة ثنائية، ويمكن لجميع المحطات تحت عقدة الجذر محاولة الحصول على الفتحة، وإذا لم يكن هناك تعارض وفي حالة وجود تعارض استخدم بحث العمق أولاً لاجتياز الشجرة وفقط عقد الشجرة الفرعية هي التي تحاول البحث عن الفتحة التالية.

• “CSMA / CD” هي اختصار لـ “Carrier-sense multiple access with collision detection”.

تطور عمل بروتوكولات المحتوى المحدود

يمكن تصنيف بروتوكولات “MAC” على نطاق واسع على أنّها أنظمة قائمة على الخلاف وخالية من الخلاف، كما تتمتع بروتوكولات “MAC” القائمة على التنازع بإنتاجية جيدة وأداء تأخير في ظل ظروف الحمل الخفيف، ولكن أداؤها يتدهور مع زيادة الحمل بسبب زيادة التصادمات وعمليات إعادة الإرسال وحمل رسائل التحكم.

كما تعمل بروتوكولات “MAC” الخالية من الخلاف بشكل أفضل عندما يكون الحمل مرتفعاً، حيث يمكنها الاستفادة بشكل أفضل من القناة، ومع تقليل حمل رسائل التحكم ووصول الوسائط الخالي من التصادم وعيبهم هو زيادة الكمون في ظل ظروف التحميل الخفيف بسبب سياسة الوصول المحجوزة،  حيث تهدف بروتوكولات “MAC” ذات التنافس المحدود إلى الجمع بين مزايا كل من آليتي الوصول مع التخلص من نقاط ضعفها.

يستخدم بروتوكول تنازع محدود الوصول إلى القناة القائم على الحجز كما هو الحال في البروتوكولات الخالية من الخلاف، ولكن الحجز في الغالب لا يقتصر على عقدة واحدة ممّا يسمح بمستوى خاضع للرقابة، وفي الشبكات اللاسلكية متعددة القفزات لا تتعامل العقدة مع جيرانها المباشرين فحسب بل تتعامل أيضاً مع جيرانها من القفزات بسبب مشكلة المحطة الطرفية المخفية.

كما  أنّ بروتوكولات الوصول المتعدد “CSMA” المصممة أساساً لشبكات القفزة الواحدة وتعمل بشكل ضعيف في الشبكات اللاسلكية متعددة القفزات، كما أنّ أداء بروتوكولات “CSMA” يتدهور إلى أداء بروتوكول “Aloha” في وجود محطات خفية ويستخدم بروتوكول “MAC”، والعديد من متغيراته تقنية تجنب الاصطدام ومخطط طلب إلى إرسال أو مسح للإرسال “RTS / CTS“، للتغلب على مشكلة الطرف الخفية وتقليل تكلفة الاصطدامات في “CSMA”.

يكون الحمل الزائد لتجنب الاصطدام مرتفعاً بشكل خاص عندما تكون حمولات البيانات صغيرة كما هو معتاد لتطبيقات شبكة الاستشعار، وحجم الحزمة الافتراضي هو “29 بايت” وعلاوةً على ذلك إنّ مخطط تجنب الاصطدام يمكن أن يستوعب عدداً أقل بكثير من العقد المتنافسة داخل منطقة ما في شبكة موبوءة بأطراف مخفية مقارنة بشبكة متصلة بالكامل، ممّا يثير مشكلة قابلية التوسع للشبكات الكثيفة الممتدة عبر مساحة كبيرة منطقة.

كما يتم اعتماد نهج جديد للحد من الخلاف في الشبكة مكانياً ويصل الجيران ذوو القفزات إلى القناة الخالية من الخلاف فيما بينهم وقد تتنافس العقدة مع جيرانها المباشرين فقط، ومن ثم يتم تقليل منطقة التنازع للعقدة بشكل فعال من منطقة دائرية نصف قطرها “2r” إلى منطقة نصف قطرها “r”، حيث “r” هو نصف قطر الإرسال المشترك.

يوفر مخطط الوصول إلى الوسائط “Spatially-Limited-Contention” بديلاً لنوع “RTS / CTS” من آلية المصافحة لتجنب الاصطدام في الشبكات الكبيرة متعددة القفزات ذات العقد الثابتة، ومن خلال القضاء على المحطات المخفية يمكن معالجة الخلاف بين الجيران بشكل أكثر كفاءة من خلال بروتوكول قائم على “CSMA” كما لو كان يعمل في شبكة قفزة واحدة.

تستند معظم المحاولات الأولية إلى تقنية “CSMA” أو هي اختلافات في بروتوكول “IEEE 82″، وفي محاولة لتحسين خصائص توفير الطاقة، وعن طريق إيقاف تشغيل أجهزة الإرسال والاستقبال الراديوية لعقد المستشعر أحياناً، وكما يحاول بروتوكول “T-MAC” تحسين الحفاظ على الطاقة في بروتوكول “S-MAC” باستخدام دورات التشغيل المتغيرة بدلاً من دورات العمل الثابتة والمحددة مسبقاً.

• “T-MAC” هي اختصار لـ “Tree Media Access Control”.

• “CSMA” هي اختصار لـ “Carrier Sense Multiple Access”.

• “RTS / CTS” هي اختصار لـ “Request To Send / Clear To Send”.