Nesnelerin İnterneti İçin Sistem Tasarımı Ve Kablosuz Kişisel Alan Ağlarında Ağ Kodlama Uygulamaları

Abstract

Geçtiğimiz yüzyılın en önemli yeniliği olan internet ve bilgisayarlar arası ağ altyapısı, dünya tarihi boyunca yaşanan gelişmeler arasında değerlendirildiğinde, kısa bir süreçte bu denli geniş kapsamlı değişime sebep olan nadir teknolojik gelişimler arasındadır. Bilgisayarlar arası iletişime imkan tanıyan cihazların ticari uygulamalarda kullanılabilecek duruma gelmesi, farklı ihtiyaç ve uygulamalara cevap verebilecek haberleşme protokollerinin geliştirilmesinin önünü açmıştır. Bunun sonucunda, internet kullanımının yaygınlaşması ve birçok farklı sektörü etkisi altına alması kaçınılmaz olmuştur. Inter-Net, dünya üzerindeki bilgisayarların elektronik bir altyapı ile birbirlerine bağlanarak bilgi alışverişi yapmalarını sağlayan bir iletişim ağıdır. Internet'in ortaya çıkışı, Amerikan Savunma Bakanlığı'nın 1969'da bilgisayar ve askeri araştırma projelerini desteklemek için ARPANET adında paket anahtarlamalı bir ağ tasarımı projesini gerçekleştirmesine dayanmaktadır. Bu ağ, üniversiteler ve araştırma kuruluşlarının bilgisayarlarıyla birlikte genişleyerek büyümüştür. Internet, başlangıcından beri birçok belirgin aşama geçirmiştir. Bunlar başlıca şu ana başlıklar halinde sıralanabilir. 1. Aşama: Araştırma dönemi; Advanced Research Projects Agency Network (ARPANET) zamanları. Günümüzde halen kullanılmakta olan TCP/IP protokol kümesinin temelleri 1973 yılında Stanford Üniversitesi'nde başlatılan Internetworking projesiyle atılmıştır. 1973-1978 yılları arasında IPv1, IPv2 ve IPv3 versiyonları geliştirilmiştir. Stabilite sorunlarının da giderilmesiyle 1980 yılında IPv4 protokol kümesi ortaya çıkmıştır. 2. Aşama: ¸ Sirketlerin, firmaların kendileri hakkında bilgilendirme yaptığı dönem olarak adlandırılabilir. Herkesin bir alan adı alıp, ne yaptığını, nasıl yaptığını anlatarak daha geniş kitlelere tek yönlü olarak bilgi aktarma çabasında oldukları bir zaman dilimi olarak tanımlanabilir. 3. Aşama: Bu dönem de, web artık giderek statik ve durağan olmaktan çok interaktif olmaya doğru yol almakta, sunulan ürün ve servislerin satın alınma işlemlerinin gerçek zamanlı gerçekleştiği altyapı olanaklarının yaygınlaşarak geniş kitlelere sunumu sağlanmaktadır. ˙Işte tam bu zaman dilimi içerisinde eBay ve Amazon.com benzeri uygulamalar çoğalmışlardır. 4. Aşama: "Sosyal Medya, Semantik Web" kavramları yaygınlık kazanmaktadır. Kullanıcıların birbirleri ile metin, foto, video gibi medyaların paylaşımını sağlayan YouTube, Facebook, Twitter gibi şirketlerin giderek hem popüler olması hem de para kazanır duruma gelmeleri bu dönemde var olmuştur. xxi 5. Aşama: Bundan önceki aşamalarda haberleşme teknolojilerinin gelişmesi ve yaygınlaşmasıyla, "her zaman" ve "her yerde" bağlanabilirlik kavramları ortaya çıkmıştır. Nesnelerin internetiyle birlikte bu kavramlara ek olarak "her şey" kavramı da önem kazanmış ve akla gelebilecek tüm nesnelerin internete bağlanması fikri ortaya atılmıştır. ˙Internetin zaman içerisinde evrimleşmesini takiben, "Nesnelerin ˙Interneti" (Internet of Things) kavramı ilk kez 1999 yılında Kevin Ashton tarafından P&G şirketi için hazırlanan bir sunumda kullanılmıştır. Bu sunumda şirketin tedarik zincirinde RFID teknolojisi uygulamasının firmaya faydaları sıralanmakta ve kullanımı önerilmekteydi. Nesnelerin ˙Interneti, günlük yaşantımızda karşılaştığımız problemleri, yazılım uygulamalarının, günlük objelerimizi ve internetin bağlanabilirliğini kullanarak çözdüğü devrimsel bir teknoloji olarak tanımlanabilir. Yani nesnelerin interneti, hayatımızı daha güvenli, akıllı ve üretken hale getirerek yaşama ve çalışma biçimimizi değiştirecek bir teknolojidir. Nesnelerin ˙Interneti, benzersiz bir şekilde adreslenebilir şeylerin/nesnelerin kendi aralarında oluşturduğu, dünya çapında yaygın bir ağ ve bu ağdaki nesnelerin belirli bir protokol ile birbirleriyle iletişim içinde olmalarını sağlar. Nesnelerin ˙Interneti, üç ana bileşenden oluşur: _ Nesneler _ Nesneleri birbirine bağlayan iletişim ağları _ Nesnelerden nesnelere akan verileri kullanan bilgisayar sistemleri Yapılan araştırmalara göre bugün ˙Internete 25 milyar cihazın bağlı olduğu tahmin edilmekte ve bu rakamın, 2020 yılına gelindiğinde, 50 milyar cihaz seviyesine çıkması öngörülmektedir. Aynı araştırmalara göre; 2003 yılında dünyada kişi başına düşen, birbirleriyle bağlantılı cihazların oranı 0,08 iken bu oranın 2020 yılında 6,48 olması beklenmektedir. Ayrıca 2020 yılında, 20 adet tipik ev cihazının üreteceği bilgi trafiğinin, 2008 yılında üretilen tüm internet trafiğinden daha fazla olacağı tahmin edilmektedir. Bu veriler ışığında, bağlı cihaz uygulamaları arasında oluşacak veri trafiğinin daha verimli, daha güvenilir ve veri bütünlüğünü bozacak herhangi bir güvenlik açığı oluşmadan transferi gelecekte daha büyük önem arzedecektir. Yenilikçi yaklaşımların nesnelerin internetinin geleceğini belirleyeceği aşikardır. Bu tez çalışmasıyla, nesnelerin interneti konsepti için farklı disiplinlerdeki ve uygulamalardaki yenilikçi yaklaşımlar harmanlanarak daha verimli bir ekosistem oluşturulmasına katkı sağlanması amaçlanmıştır. Proje kapsamında, ˙ITÜ Telsiz Haberleşme Araştırma Laboratuvarı bünyesine bulut uygulamaları ve servisleri, mobil arayüz Android uygulamaları, sensör ve aktüator cihazları da dahil olmak üzere nesnelerin interneti alanında çalışmalara ön ayak oluşturabilecek küçük bir ekosistem kazandırılmıştır. Bu ekosistem içerisindeki çalışmaları özetlemek gerekirse: Sunucu tarafında; genişletilebilir uygulama ve katma değerli servis entegrasyonuna olanak sağlayan bir altyapı hazırlanmıştır. Nesnelerin uzaktan yönetimi ve nesneler tarafından oluşturulan büyük verinin kaydedilmesi ve işlenmesi için SQL tabanlı bir veritabanı altyapısı sağlanmış, gerekli bulut servisleri ile entegre edilmiştir. Nesneler tarafından oluşturulacak büyük veri üzerinde veri madenciliği yapılması ve bu verilerin katma değerli servisler olarak sunulması aşamasında gerekecek altyapı xxii oluşturulmuştur. Kurulan sunucu ve bulut servisler altyapısı sanal makine üzerinde çalıştırılarak, sistemin taşınabilirliği garanti edilmiştir. Böylece sunucu ve bulut servis altyapısı, makine bağımsız şekilde istenen herhangi bir hosting servis sağlayıcısıyla çalıştırılabilir kılınmıştır. Bu yapı ileriye dönük geliştirmelerde ve sistemin geniş alan ağları üzerinden test edilmek istenmesi durumunda entegrasyon açısından kolaylık sağlayacaktır. Sensör ağ kısmında; IEEE 802.15.4 standardı üzerinde çalışan ZigBee protokolü kullanan sensör ve aktüatör cihazları için, gömülü sistem tabanlı WiFi - ZigBee IP Ağ Geçidi düğümü tasarlanıp gerçeklenmiştir. Bu ağ geçidi düğümü ile sensör ve aktüatör nesneleri birbirine bağlayan kablosuz kişisel alan ağında yepyeni bir yaklaşım olan ağ kodlama tekniği ile ilgili hem teorik hem de deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında, 1 ağ geçidi düğümü, 1 sensör düğümü ve 1 aktüatör düğümü ile oluşturulan 3 düğümlü ağ üzerinde ağ kodlama tekniklerinden biri olan XOR kodlama tekniği denenmiş, sensörler arası veri trafiğinde daha az iletim döngüsü ve daha düşük güç tüketimiyle aktarım sağlanmıştır. Uygulanan bu senaryo, akıllı evlerde sensörler ve aktüatörler arası veya sensör cihazlarla data toplayıcı ağ geçidi cihazları arası veri paylaşım senaryosu için oldukça verimli bir data transferi alternatifi sunmaktadır. Teorik çalışmalar kapsamında MATLAB ortamında, kablosuz kişisel alan ağlarında rastgele ağ kodlama tekniğinin test edilebilmesine imkan sağlayan simulasyon ortamı geliştirmesi yapılmıştır. Bu geliştirmeler yapılırken farklı ağ topolojilerine ve düğüm sayılarına destek verebilmek amacıyla dinamik bir kodlama sağlanmıştır. Rastgele ağ kodlama tekniğinin başarımını test etmek için temel olarak kanalın sembol silme olasılığı ile sembol hata oranının kıyaslanması sağlanmıştır. Farklı Galois alanı boyutları için sembol hata oranı kıyaslamalı olarak test edilerek rastgele ağ kodlama başarımı doğrulanmıştır. Son olarak, ağ geçidi düğümü tasarlanırken özellikle piyasada rahatlıkla bulunabilen WiFi ve ZigBee modülleri tercih edilmiş, çalışma sonucunda ortaya çıkabilecek faydalı kullanım senaryoları ve tekniklerin kolayca kullanıma geçirilmesi ve adapte edilebilmesi hedeflenmiştir. Böylece, akademik bir çalışmanın endüstriyel alanda da yer bularak kullanıma geçirilmesi sürecine katkı sağlanmıştır. Sensörler ve aktüatörler kısmında; sıcaklık sensörü düğümü ve çok amaçlı elektriksel aç-kapa düğümü donanım ve yazılımları gerçekleştirilmiş, bu cihazlar sensör ağına dahil edilmiştir. Ayrıca XOR kodlama tekniği ile bu iki düğüm arası veri transferi gerçekleştirilerek, ev/ofis ısıtma ve soğutma senaryosu gerçeklenmiştir. Ev ve ofis ortamlarında ısıtma, soğutma ve güvenlik çözümleri için kablosuz pilli çözümlerin yaygınlaşmaya başladığı düşünülürse, bant verimli ve düşük güç tüketimli çözümlere olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Tez çalışmasında önerilen altyapı ile bu ihtiyaca da cevap vermek mümkün olacaktır.

Internet of Things (IoT) is a promising concept to meet the needs of a smarter world in near future. Through the way from development to the deployment of IoT devices, wireless technologies seem to be dominant over wired infrastructures. Plug and play nature of wireless communication makes it more preferable over other alternatives. Almost every IoT device will have at least one radio interface and they will be condensed to the same spatial location. Not only the number of wireless IoT devices increase, but also people move in more crowded multistorey buildings which causes concentration of wireless nodes in same vicinity. Therefore, efficient usage of the radio spectrum will become more important than ever for upcoming decades. As we can easily deduce, efficient usage of the radio spectrum is not only about physical layer protocols but also upper layers that generate payload for the physical layer protocols. For this reason, cross layer approaches gain importance because efficiency is generally provided by multilayer analysis and improvements in telecommunication systems. As a high capacity alternative to conventional routing techniques, network coding provides more efficient usage of radio spectrum for multicast communication between nodes. The main idea behind network coding is processing the received packets in the intermediate nodes instead of simply storing and forwarding within the scope of network layer. With the use of coding techniques, number of transmissions can be reduces for same amount of data transferred through the network. This provides not only efficient usage of radio spectrum for same amount of data but also increases data throughput in unit of time. Within the scope of this study, network coding is applied in a heterogeneous network formed by hybrid radio nodes. Low capability hardware is preferred instead of sophisticated radio nodes, to be able to adapt proposed system to the field easily.