الشبكات المخصصة (Ad-Hoc): البنية، البروتوكولات، التحديات، والآفاق المستقبلية

مدخل عام

تُعَدُّ الشبكات المخصصة Ad-Hoc من أكثر المجالات حيويةً في هندسة الاتصالات اللاسلكية، إذ تُمكِّن الأجهزة من التواصل المباشر دون حاجة إلى بُنية تحتية مركزية كالمُوجِّهات أو نقاط الوصول الثابتة. ظهرت هذه الشبكات لتلبية احتياجات المواقف الطارئة والبيئات التي يتعذّر فيها نشر تجهيزات دائمة، ثم تحوّلت لاحقًا إلى محور رئيسي في إنترنت الأشياء، والتطبيقات العسكرية، وشبكات الاستشعار، والحوسبة المتنقلة. هذه الدراسة الموسَّعة تغوص في الجوانب التقنية والبحثية للشبكات المخصَّصة، بدءًا من الأسس النظرية وانتهاءً بالاتجاهات المُستقبلية.

1. الجذور التاريخية وتطور المفهوم

• حقبة السبعينيات: بدأت فكرة الاتصال المباشر بين الحواسيب المحمولة في مشاريع عسكرية أمريكية مثل PRNET و SURAN، حيث كان الهدف هو توفير وسيلة اتصالات resilient في ساحات القتال.
• التسعينيات: شكّل ظهور معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) 802.11 نقطة تحوّلية بدعم وضع IBSS (Independent Basic Service Set) الذي يسمح بتكوين شبكة عابرة بلا نقطة وصول.
• الألفية الثالثة: تضاعفت البحوث الموجّهة نحو توجيه الحزم، إدارة الطاقة، وأمن الطبقات، لتشمل شبكات المركبات، وشبكات الاستشعار، والشبكات الاجتماعية المتنقلة.

2. التعريف والبنية العامة

تعني “Ad-Hoc” حرفيًا “للغرض الراهن”، أي أنها تُنشأ تلقائيًا بحسب الحاجة. يكوّن كل جهاز عقدة (Node) تلعب دور المرسل، المستقبل، والمُوجِّه في آنٍ معًا، مما يؤدي إلى بنية شبكية لا-مركزية وديناميكية تتغيّر طوبولوجياها باستمرار جرّاء حركة العقد أو انضمامها وخروجها.

2.1 العناصر الرئيسية

3. الخصائص التقنية المميزة

1. الاستقلال عن البنية التحتية: تُنشئ الشبكة ذاتيًا دون تثبيت مُوجِّهات ثابتة.
2. التوجيه المتعدد القفزات: قد تمر الحزمة عبر عدة عقد للوصول إلى هدفها.
3. قابلية التوسع الأفقي: تُضاف عقد جديدة دون إعادة ضبط هيكل مركزي.
4. ديناميكية القناة والطوبولوجيا: تتغير الروابط باللحظة نتيجة حركة العقد والتداخل اللاسلكي.
5. حساسية الطاقة: تعتمد غالبية العقد على البطاريات، ما يستلزم خوارزميات توفير الطاقة.

4. التصنيفات الرئيسة للشبكات المخصصة

4.1 شبكات MANET

الشبكات المتحرّكة اللاسلكية (Mobile Ad-Hoc Networks) تُستخدم في البيئات المدنية والعسكرية، حيث تتحرك العقد باستمرار.

4.2 شبكات VANET

امتداد لـ MANET داخل المركبات الذكية، تهدف إلى دعم السلامة المرورية وخدمات المعلومات.

4.3 شبكات الاستشعار WSN

عقد صغيرة مُقَلَّصة الموارد تستشعر بيانات بيئية (حرارة، رطوبة) وتنقلها بشكل تعاوني.

4.4 شبكات كوسيط بين البشر والأجهزة BAN

تعمل حول جسم الإنسان لربط المستشعرات الطبية أو أجهزة “الواقع المُعزَّز”.

5. النماذج الطبقية والتكدسات البروتوكولية

تعتمد معظم الأبحاث على تكدس OSI أو تكدس TCP/IP مُعدَّل، مع بروتوكولات خاصة بكل طبقة:

6. بروتوكولات التوجيه: تحليل معمّق

6.1 البروتوكولات التفاعلية (Reactive)

• AODV: يكتشف المسار عند الحاجة، يُقلِّل من استهلاك النطاق ولكن يزيد زمن البداية.
• DSR: يحمل المسار داخل رأس الحزمة، مناسب للشبكات الصغيرة ذات الحركة الواسعة.

6.2 البروتوكولات الاستباقية (Proactive)

• OLSR: يُحدّث جداول المسار دوريًا، يقلّل تأخير الإرسال لكن يستهلك طاقة أكبر.

6.3 الهجينة (Hybrid)

• ZRP: يدمج بين استباقي داخل “المنطقة” وتفاعلي خارجها، لتحقيق توازن بين الأداء واستهلاك الموارد.

7. إدارة الموارد والجودة

7.1 استهلاك الطاقة

استراتيجيات الخمول العميق (Deep Sleep)، وجدولة الإرسال، ومستويات القدرة المتكيّفة.

7.2 عرض النطاق وصدام القنوات

استعمال خوارزميات CSMA/CA محسَّنة، أو TDMA في البيئات الكثيفة.

7.3 جودة الخدمة QoS

التمييز بين الحزم وفق أولوية التطبيق (مثل الحزم الصوتية في مؤتمرات الطوارئ) وتخصيص مسارات منخفضة التأخير.

8. الأمن في الشبكات المخصصة

1. هجمات حجب الخدمة (DoS): تَلْبِيس القناة أو استنزاف البطارية.
2. الهجمات الداخلية (الذئب في جلد الخروف): عقد مخادعة تعلن مسارات قصيرة لاستدراج المرور (Black Hole).
3. آليات الحماية: توقيع رقمي للحزم، شبكات الثقة الموزعة، اكتشاف التطفل التعاوني، مفاتيح جلسات عابرة.

9. تطبيقات عملية

• الاستجابة للكوارث: ربط فرق الإنقاذ بعد الزلازل حيث تنهار الأبراج الخلوية.
• المعارك الميدانية: تبادل الخرائط اللحظيّة ومواضع القوات.
• المهرجانات والفعاليات: مشاركة الوسائط بين الأجهزة دون اتصال خلوي موثوق.
• الشبكات الريفية: توصيل الإنترنت إلى القرى النائية عبر قفزات متعددة.
• إنترنت الأشياء الصناعي: مزامنة الحساسات في المصانع عندما تتعذّر البنية السلكية.

10. مقارنة مع البنى الشبكية الأخرى

11. التحديات مفتوحة البحث

• التحكّم بالطاقة في البيئات كثيفة العقد.
• إيجاد خوارزميات توجيه تتحمّل اختفاء الروابط المتكرر دون تأخير زائد.
• تحقيق خصوصية عالية مع الإبقاء على الأداء اللحظي.
• التكامل مع شبكات 5G و 6G لضمان انتقال سلس للحزم عبر النُظم الهجينة.
• أتمتة الإدارة الذاتية Self-Configuration بذكاء اصطناعي لتقليل تدخّل البشر.

12. الآفاق المستقبلية

1. الشبكات التعاونية مع الأقمار منخفضة المدار (LEO): توفير قفزات أرض-قمر-أرض عند انقطاع الاتصال المحلي.
2. دمج بلوكشين في طبقات التسيير: لإدارة الهوية وتوثيق المعاملات بشكل مُوزَّع ومقاوم للتلاعب.
3. التعلم الآلي للتوجيه التنبؤي: استخدام نماذج حركة العقد لتوقّع انقطاع الروابط واختيار مسارات بديلة مسبقًا.
4. الحوسبة الطرفية Edge Computing داخل العقد: تمكين تحليل البيانات محليًا لتقليل الاعتماد على السحابة.
5. التوسع إلى ترددات المليمتر (mmWave): لرفع سعة القناة مع تحديات توجيه جديدة بسبب الحساسية لخط البصر LOS.

المزيد من المعلومات

شبكات لا سلكية تؤدي دور حلقة الوصل بين مجموعة من الأنظمة والشبكات لغايات تحقق هدف ما أو حل مشكلة معينة، ويشيع استخدامها بشكلٍ خاص داخل نطاق معين لا يسمح باستخدامه سوى للمخوليّن بالوصول إليه، أي أن أنه عندما يتم تعيين مهمة الشبكات المخصصة Ad-Hoc لغرض ما؛ فإنه يستحيل لها أن تؤدي وظيفة غير التي جاءت لأجلها، ومن أبرز الأمثلة التي توضح ماهيتها هي إنشاء مجموعة مؤلفة من عناصر تشترك فيما بينها بالخصائص والأهداف.

وقد جيء بها في ظروفٍ استثنائية بأسلوبٍ يشابه تشكيل وحدة عسكرية أُنشئت في ظلِ ظروف خاصة مثلًا.

يشار إلى أن الحروف Ad Hoc مستوحاة من اللغة اللاتينية، ويقصد بها في اللغة الإنجليزية بـ “لهذا”، أي أنها أسِست للقيام بغرض محدد، وبشكلٍ أدق فإنها وسيلة لإحداث تغييرات في بعض المسارات بأسلوبٍ يحقق أهدافها بكل كفاءة، وبناءً على ما تقدم؛ فإن الشبكات المخصصة Ad-Hoc هي عبارة عن مجموعة من الشبكات المحلية التي تفتح الأفق أمام الأجهزة المستخدمة لتراسل البيانات فيما بينها بشكلٍ مباشر دون وجود نقطة مركزية فيما بينها تعبر إليها البيانات خلال انتقالها من جهاز إلى آخر.1

مبدأ عمل الشبكات المخصصة Ad-Hoc

تكمن الفكرة في عمل الشبكات المخصصة Ad-Hoc في تراسل البيانات بين مجموعة من الأجهزة الفردية بواسطة شبكة لا سلكية. وبالرغم من اعتبار أن هذه الفكرة مازالت مجهولة نسبيًا بالنسبة إلى فئة كبير من المستخدمين النهائيين؛ إلا أنها قد بدأت في الأونة الأخيرة تتجلى شيئًا فشيئًا بعد انتشار استخدامها، ويشار إلى أنها قد تحولت إلى الاعتماد على أنواع مستحدثة من الشبكات اللاسلكية، ومن أبرز الأمثلة وضوحًا على مثل هذا النوع هو أجهزة الهواتف الذكية المحمولة التي يمكن تحقيق التواصل بين المستخدمين عبرها دون وجود حاسوب أو خادم مركزي يجمع بينها، ولكن يجب التنويه إلى أن هذه الشبكات قد جاءت لخدمة الشبكات المحلية الصغيرة نظرًا لسهولة التحكم بها دون وجود بنية تحتية، بينما يصعب ذلك على الأعداد الكبيرة من الأجهزة.

أنواع الشبكات المخصصة Ad-Hoc

يصنف هذا النوع من الشبكات ضمن قائمة الشبكات اللاسلكية من طراز الشبكات المحلية وتحديدًا تحت بند النظير للنظير (Peer to Peer)، حيث تتصل مع بعضها البعد دون الحاجة لوجود جهاز WAP الذي يشكل دور المحطة الأساسية في تسيير البيانات خلال تدفقها بين الأجهزة، وتنقسم أنواع الشبكات المخصصة Ad- Hoc إلى عدةِ أنواع تبعًا لنوع الأجهزة المستخدمة، وهي:

1- الشبكات المخصصة للأجهزة المتنقلة ( Mobile ad hoc networks)

ويشار لها اختصارًا بـ MANET، وهي عبارة عن شبكة مخصصة لتحقيق الاتصال بين الأجهزة المحمولة دون الحاجة لبنية تحتية.

2- شبكة عروية لا سلكية (Wireless mesh networks)

ويشار لها اختصارًا بـ WMN، شبكة لاسلكية متخصصة تعتمد على تنظيم طوبولوجي في ربط أجهزة الكمبيوتر المحمولة مع بعضها البعض دون الاعتماد على الشبكات المتشابكة، وإنما يتم الاعتماد بشكلٍ مباشرة على الموجهات لتراسل البيانات داخل الشبكة وليس عبر الشبكة العنكبوتية.

3- شبكات استشعار لا سلكية (Wireless Sensor networks)

وتختصر بـ WSN، يعتمد هذا النوع على أجهزة الاستشعار بشكلٍ رئيسي لفرض الرقابة على المكونات والإعدادات المادية المستخدمة في بيئة الاتصال كالصوت ودرجة الضغط وغيرها، ويشيع استخدامها غالبًا في التحكم بحركات المرور والكشف عن المركبات وضبطها.

خاتمة

تمثّل الشبكات المخصّصة Ad-Hoc حلًا جذابًا لسيناريوهات الاتصالات التي تتطلب مرونة، سرعة نشر، واستقلالًا عن البنية التحتية الثابتة. ورغم ما تحمله من تحديات متعلّقة بالطاقة، الأمن، وجودة الخدمة، فإن التطورات المستمرة في خوارزميات التوجيه، تقنيات الطبقات الفيزيائية، وتكامل الذكاء الاصطناعي تجعلها ميدانًا واعدًا للبحث والتطوير خلال العقد القادم.

المصادر والمراجع

1. Perkins, C. E., & Royer, E. M. “Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing.” IEEE WMCSA, 1999.
2. Clausen, T., & Jacquet, P. “Optimized Link State Routing Protocol (OLSR).” RFC 3626, 2003.
3. Corson, S., & Macker, J. “Mobile Ad-Hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations.” RFC 2501, 1999.
4. Conti, M., & Giordano, S. “Mobile Ad-hoc Networking: Milestones, Challenges, and New Research Directions.” IEEE Communications Magazine, 2014.
5. Campolo, C., Molinaro, A., & Scopigno, R. “Vehicular Ad-Hoc Networks.” Springer, 2015.
6. Sun, Y., et al. “Security in Mobile Ad-Hoc Networks.” IEEE Wireless Communications, 2018.
7. Boukerche, A. (Ed.). Algorithms and Protocols for Wireless and Mobile Ad Hoc Networks. Wiley, 2009.