Nghiên cứu các giải pháp để sử dụng TCP IP cho mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 1.1 Giới thiệu chung Trong những năm gần đây, WSN là một trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, đã và đang đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -***** -

ĐẶNG THỊ SƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP

CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

(WIRELESS SENSOR NETWORKS)

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -***** -

ĐẶNG THỊ SƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP

CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

(WIRELESS SENSOR NETWORKS)

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS VƯƠNG ĐẠO VY

Hà Nội - 2014

Đặng Thị Sương - K16Đ2

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI CAM ĐOAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Đặc điểm và kiến trúc giao thức mạng 3

1.2.1 Đặc điểm 3

1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng 4

1.3 Ứng dụng 6

1.3.1 Thu thập dữ liệu môi trường 6

1.3.2 Giám sát an ninh 7

1.3.3 Theo dõi đối tượng 8

1.4 Kết luận 8

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 09

2.1 Các vấn đề gặp phải khi sử dụng TCP/IP trong mạng WSN 09

2.2 Giải pháp sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây 11

2.2.1 Gán địa chỉ IP theo không gian 11

2.2.2 Nén tiêu đề 16

2.2.3 Định tuyến ứng dụng phủ 19

2.2.4 Bộ giao thức TCP/IP uIP 21

2.2.5 Lưu trữ TCP phân tán 29

2.3 Kết luận 34

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 35

3.1 Đánh giá các giải pháp đề xuất để sử dụng TCP/IP trong mạng WSN 35

3.1.1 Gán địa chỉ IP theo không gian 35

Đặng Thị Sương - K16Đ2

3.1.2 Nén tiêu đề 37

3.1.3 Bộ giao thức TCP/IP uIP 38

3.1.4 Lưu trữ TCP phân tán 39

3.2 Tìm hiểu một ứng dụng của mạng WSN sử dụng TCP/IP 44

3.2.1 Giới thiệu 44

3.2.2 Nền tảng phần cứng 44

3.2.3 Hệ điều hành 45

3.2.4 Cơ chế và giao thức mạng 45

3.2.5 Đánh giá 47

3.3 Kết luận 48

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Đặng Thị Sương - K16Đ2

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

WSN Wireless Sensor Networks

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

ROM Read-Only Memory

RAM Random Access Memory

GPS Global Positioning System

RF Radio Frequency

MAC Medium Access Control

UDP User Datagram Protocol

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

SIPA Spatial IP Assigment

SLIPA Scan-line IP Assignment

RAHC Routing-Assisted Header Compression

CNS Center at Nearest Sourc

SPT Shortest Paths Tree

GIT Greedy Incremental Tree

RTP Real-time Transport Protocol

ESB Embedded Sensor Board

uIP Micro IP

RFC Request for Comments

ICMP Internet Control Message Protocol

RTO Retransmission timeout

PDA Personal Digital Assistant

NNTP Network News Transfer Protocol

Đặng Thị Sương - K16Đ2

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Một số điểm khác biệt giữa mạng WSN và mạng IP truyền thống 09

Bảng 3.1: Tỷ lệ gán thành công với các phân bố khác nhau 37

Bảng 3.2: So sánh DTC và NON-DTC với 6 hop 40

Bảng 3.3: So sánh DTC và NON-DTC với 11 hop 41

Bảng 3.4: Cải tiến lưu lượng với DTC 43

Đặng Thị Sương - K16Đ2

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến 1

Hình 1.2: Cấu tạo của một node cảm biến 2

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 5

Hình 1.4: Tô pô dạng cây cho mạng thu thập dữ liệu môi trường 7

Hình 2.1: Sử dụng TCP/IP trong và ngoài mạng cảm biến không dây 10

Hình 2.2: Ví dụ về gán địa chỉ theo không gian và hai mạng con theo khu vực 12

Hình 2.3: Sắp xếp các node theo hướng Y 13

Hình 2.4 : Quét tất cả các node với j = 0 15

Hình 2.5: Gán địa chỉ cho các node với z = 1, SN = 0 15

Hình 2.6: Gán địa chỉ cho các node với z=2, SN=0 16

Hình2.7: Gán các node với z=0, SN=3 16

Hình 2.8: Hiển thị địa chỉ của tất cả các node 16

Hình 2.9: a, Định tuyến địa chỉ trung tâm b, Định truyến dữ liệu trung tâm 20

Hình 2.10: Vòng lặp điều khiển chính 22

Hình 2.11: Lưu trữ TCP phân tán 30

Hình 2.12: Việc truyền lại sai 32

Hình 2.13: DTC với SACK 34

Hình 3.1: Tỷ lệ gán thành công đối với các node cảm biến phân bố ngẫu nhiên 36

Hình 3.2: Tỷ lệ gán thành công đối với các node cảm biến phân bố theo chiều dọc 36

Hình 3.3: uIP gửi dữ liệu với trễ mô phỏng 10ms 39

Hình 3.4: Cấu trúc mô phỏng 40

Hình 3.5: Giảm tải DTC gần bộ gửi 41

Hình 3.6: So sánh RTT bởi bộ gửi TCP với DTC 42

Hình 3.7: RTT nội bộ gần với bộ gửi 43

Hình 3.8: RTT nội bộ gần với bộ nhận 43

Hình 3.9: Mạng với các node backbone, node cảm biến 46

Hình 3.10: Mạng cảm biến kết nối với mạng sao chép gồm các server NNTP 47

Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn lên đến hàng ngàn các cảm biến nhỏ Mỗi cảm biến có một bộ vi xử lý nhỏ với đủ năng lượng cho phép các cảm biến tự thiết lập mạng nơi tập trung thông tin cảm biến cảm nhận được Các mạng cảm biến có thể giám sát ở những nơi như các khu vực thảm họa hạt nhân hoặc miệng núi lửa mà không yêu cầu sự có mặt của con người Nhiều ứng dụng mạng cảm biến không dây không thể thực hiện độc lập mà cần kết nối để giám sát và điều khiển các thực thể

Luận văn này khảo sát một phương pháp mới để kết nối mạng cảm biến không dây với các mạng đã tồn tại bằng cách sử dụng bộ giao thức TCP/IP trong mạng cảm biến không dây Các cảm biến có thể kết nối trực tiếp với mạng ngoài mà không cần proxy server hoặc bộ chuyển đổi giao thức

Tuy nhiên, đưa bộ giao thức TCP/IP vào mạng cảm biến không dây là một nhiệm vụ đầy thử thách Đầu tiên, do giới hạn về kích thước vật lý và chi phí thấp các node cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ và năng lực xử lý Thứ hai, các ràng buộc này hạn chế khả năng thực hiện giao thức TCP/IP truyền thống trong các node cảm biến Trong luận văn này,

em sẽ thảo luận về một số giải pháp tối ưu để có thể sử dụng TCP/IP trong mạng cảm biến không dây

Nội dung của luận văn với đề tài “Nghiên cứu các giải pháp để sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây” gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Đề xuất các giải pháp để sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây Chương 3: Phân tích, đánh giá các giải pháp đề xuất

Do kiến thức và khả năng của bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi các sai sót Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nội dung luận văn được hoàn thiện hơn

Đặng Thị Sương - K16Đ2

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vương Đạo Vy – Bộ môn Hệ thống Viễn thông – Khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn về chuyên môn, phương pháp làm việc trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, gia đình và bạn bè luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận này

Hà Nội, tháng 10 năm 2014

Học viên Đặng Thị Sương

Đặng Thị Sương - K16Đ2

LỜI CAM ĐOAN

Sau thời gian dài nghiên cứu và học tập, tôi đã hoàn thành luận văn của mình với sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong khoa Tôi xin cam đoan luận văn không có sự trùng lặp với các công trình khoa học, luận văn đã công bố, đảm báo tính trung thực rõ ràng và trích dẫn đầy đủ trong phần tài liệu tham khảo

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, tháng 10 năm 2014

Học viên

Đặng Thị Sương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

(WSN)

1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, WSN là một trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, đã và đang được triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…

WSN liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng pin, có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ không ổn định )

Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) được minh họa trên hình 1.1 Mỗi node cảm biến trong mạng có khả năng thu thập số liệu, định tuyến

về bộ thu nhận (sink) để chuyển tới người dùng và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node sink đến các node cảm biến Số liệu được định tuyến về phía node sink theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh

Hình 1.2: Mô hình triển khai các node cảm biến

Cấu tạo của một node cảm biến [1] như sau:

Hình 1.2: Cấu tạo của một node cảm biến

- Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp: Bộ xử lý có nhiệm vụ xử lý thông tin cảm biến cục bộ và thông tin truyền bởi các node cảm biến khác Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về công suất nên được chạy trên các hệ điều hành có các thành phần đặc biệt như hệ điều hành TinyOS

- Bộ nhớ: Lưu trữ dưới dạng ROM và RAM cả bộ nhớ chương trình (các lệnh được thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lưu các kết quả đo chưa qua xử lý và

đã qua xử lý bởi bộ cảm biến, lưu các thông tin cục bộ khác) Bộ nhớ của thiết bị WSN thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp

- Bộ thu phát sóng vô tuyến: Các thiết bị WSN có tốc độ thấp (10100kbps) và

là thiết bị vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100m) Trong WSN thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất, do đó nó cần phải kết hợp có hiệu quả công suất giữa chế độ ngủ (sleep) và chế độ hoạt động

- Cảm biến: Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị WSN chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết

bị có một vài loại sensor trên bo mạch Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại sensor riêng: sensor nhiệt độ, sensor ánh sáng, sensor độ ẩm, sensor áp suất, sensor gia tốc, sensor từ, sensor âm thanh, hay thậm chí là sensor hình ảnh có độ phân giải thấp

- Hệ thống định vị địa lý GPS (lựa chọn): Trong nhiều ứng dụng của WSN, ứng dụng cho các phép đo sensor để đánh dấu vị trí là quan trọng nhất Cách đơn giản nhất

để định vị là cấu hình trước cho sensor ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định

- Nguồn năng lượng: Năng lượng nguồn được sử dụng để có thể triển khai hoạt động của thiết bị WSN như nguồn pin

1.2 Đặc điểm và kiến trúc giao thức mạng

1.2.1 Đặc điểm

Mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc khắt khe về tài nguyên đặc biệt là năng lượng Do đó, cấu trúc mạng cảm biến có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:

- Khả năng chịu lỗi: Một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do

thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động

- Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các node cảm

biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn node, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các node này

- Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node

cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp

- Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các node trong mạng rất nhiều nên các

node cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau: Kích thước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường

- Môi trường hoạt động: Các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc

trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

- Phương tiện truyền dẫn: Trong những mạng cảm biến đa hop, các node liên kết

với nhau bằng kết nối không dây Các kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng của các node cảm biến dựa vào thiết kế mạch

RF Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz Một cách khác mà các node trong mạng giao tiếp với

nhau là bằng hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được

- Cấu trúc mạng (network topology): Mạng cảm biến không dây thường được

triển khai trong phạm vi rộng, số lượng các node mạng lớn và được phân bố một cách ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng Do vậy, mạng WSN cần có cấu trúc mạng linh động Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu trúc mạng ở 3 pha sau:

• Pha tiền triển khai và triển khai: các node cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một

• Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu trúc phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các node cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích hợp, những sự

cố, và nhiệm vụ cụ thể

• Pha triển khai lại: Sau khi triển khai, ta vẫn có thể thêm vào các node cảm biến khác để thay thế các node gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức năng

- Sự tiêu thụ năng lượng: Các node cảm biến không dây, có thể coi là một thiết

bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời

gian sống của các node cảm biến phụ thuộc chủ yếu vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến đa hop ad hoc, mỗi một node đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài node cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng

1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến [2] được trình bày trong hình 1.3 Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các node có thể làm việc cùng nhau theo cách hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Mặt phẳng quản lý năng lượng: điều khiển việc sử dụng nguồn năng lượng của node

cảm biến Ví dụ: node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin Khi mức năng lượng của node cảm biến thấp, nó sẽ phát quảng bá tới các node cảm biến lân cận thông báo rằng nó có mức năng lượng thấp và không thể tham gia vào quá trình định tuyến

Mặt phẳng quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự chuyển động của các

node cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các node cảm biến có thể theo dõi các node cảm biến lân cận Nhờ xác định được các node cảm biến lân cận, các node cảm biến có thể cân bằng giữa giữa công suất và nhiệm vụ thực hiện

Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các node

trong một vùng quan tâm Không phải tất cả các node cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó Phần quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến

có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, định tuyến trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu,

điều chế và mã hóa tín hiệu Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân

Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung

dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi trường có tạp âm và các node cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng

bá của các node lân cận

Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến cho các dữ liệu được cung cấp bởi lớp

truyền tải và được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau :

- Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng

- Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

- Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các node cảm biến

Lớp truyền tải: Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các

node cảm biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

Lớp cao hơn (ứng dụng): Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng

khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng

Kiến trúc mạng như trên góp phần quản lý năng lượng của các nút mạng đồng thời duy trì hoạt động của toàn mạng trong thời gian dài hơn

1.3 Ứng dụng

Hầu hết các ứng dụng chủ yếu của mạng cảm biến không dây đều thuộc ba dạng ứng dụng sau [3]: thu thập dữ liệu môi trường, giám sát an ninh và theo dõi đối tượng

1.3.1 Thu thập dữ liệu môi trường

Mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho nhu cầu thu thập thông tin về môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời gian nhất định nhằm phát hiện xu hướng hoặc quy luật vận động của môi trường Bài toán này được đặc trưng bởi một số lớn các nút mạng, thường xuyên cung cấp thông số môi trường và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base station) có kết nối với trung tâm xử lý (thường là hệ thống máy tính) phân tích, xử lý, đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu Yêu cầu đặt ra đối với các mạng kiểu này là thời gian sống phải dài hay nói cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít Mạng cho ứng dụng thu thập dữ liệu môi trường thường sử dụng topology dạng cây, mỗi nút mạng có một nút cha duy nhất Trạm gốc sẽ là gốc của cây Dữ liệu từ một nút bất kỳ sẽ được gửi đến cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo (nút ông), cứ như vậy, dữ liệu sẽ được chuyển về trạm gốc

Hình 1.4: Tô pô dạng cây cho mạng thu thập dữ liệu môi trường

Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là:

- Hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck) khi số lượng nút mạng lớn

- Một vài nút mạng, vì một số lý do nào đó, không hoạt động Để mạng tiếp tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng

- Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải quyết vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút mạng tối ưu nhất

- Phần mềm nhúng phải được thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với bài toán truyền thông các thông số đo được như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng Phần mềm phải tương thích với phần cứng để hệ có khả năng hoạt động ổn định theo thời gian 1.3.2 Giám sát an sinh

Một ứng dụng thứ hai của mạng cảm biến là giám sát an ninh Các mạng giám sát an ninh được tạo bởi các nút đặt ở những vị trí cố định trong môi trường liên tục theo dõi một hay nhiều cảm biến để nhận biết sự bất thường Sự khác nhau chủ yếu giữa giám sát

an ninh và giám sát môi trường là các mạng an ninh không thu thập bất kỳ dữ liệu nào Điều này có tác động lớn đến việc tối ưu kiến trúc mạng Mỗi nút thường xuyên kiểm tra trạng thái các cảm biến của chúng nhưng chỉ truyền dữ liệu khi có sự vi phạm an ninh Việc truyền tức thời và tin cậy của thông điệp cảnh báo là yêu cầu chính của hệ thống Thêm vào đó, nó cần được xác nhận là mỗi nút vẫn hiện diện và hoạt động Nếu một nút bị lỗi, nó sẽ thể hiện một sự vi phạm an ninh cần được thông báo Đối với các ứng dụng giám sát an ninh, mạng cần được cấu hình sao cho các nút chịu trách nhiệm xác nhận trạng thái các nút khác Một cách tiếp cận là mỗi nút ngang hàng sẽ thông báo nếu một nút không hoạt động Mô hình tối ưu của một mạng giám sát an ninh sẽ hoàn toàn khác với mạng thu thập dữ liệu

Trong cây thu thập số liệu, mỗi nút phải truyền dữ liệu của tất cả con cháu Do đó, tối

ưu là cây ngắn và rộng Ngược lại, với mạng an ninh cấu hình tối ưu sẽ có mô hình mạng tuyến tính Công suất tiêu thụ của mỗi nút chỉ tỷ lệ với số các con của nó Trong mạng tuyến tính, mỗi nút chỉ có 1 con Điều này phân phối đều năng lượng tiêu thụ của mạng

Sự tiêu thụ năng lượng chủ yếu trong mạng an ninh là gặp các yêu cầu báo hiệu cảnh báo khi có sự vi phạm an ninh Mỗi khi nhận thấy, một sự vi phạm an ninh cần được truyền tới trạm gốc ngay lập tức Độ trễ của việc truyền dữ liệu qua mạng tới trạm gốc có ảnh hưởng nhất định tới hiệu quả của ứng dụng Các nút mạng cần có khả năng trả lời nhanh chóng với các yêu cầu của các nút láng giềng để chuyển tiếp dữ liệu

Trong các mạng an ninh việc giảm thời gian trễ của việc truyền cảnh báo quan trọng hơn việc giảm chi phí năng lượng khi truyền Điều này do các sự kiện cảnh báo rất hiếm khi xảy ra Đối với sự kiện xảy ra 1 lần năng lượng chủ yếu được dành cho việc truyền Giảm độ trễ truyền sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ vì các nút định tuyến phải giám sát các kênh radio thường xuyên hơn

Trong các mạng an ninh, phần lớn năng lượng tiêu thụ dành cho việc xác nhận chức năng của các nút láng giềng và chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo Việc truyền dữ liệu hiện thời sẽ tốn một phần năng lượng của mạng

1.3.3 Theo dõi đối tượng

Với các mạng cảm biến không dây, các đối tượng có thể được theo dõi đơn giản gắn chúng với một nút cảm biến nhỏ Nút cảm biến này sẽ được theo dõi khi chúng đi qua một trường các nút cảm biến được triển khai tại những vị trí đã biết Thay vì cảm nhận dữ liệu môi trường, những nút này sẽ được triển khai để cảm nhận các thông điệp RF của các nút gắn với các đối tượng Những nút này có thể được sử dụng như những thẻ để thông báo

sự có mặt của một thiết bị Một cơ sở dữ liệu có thể được sử dụng để ghi lại vị trí tương đối của đối tượng với các nút mạng, do đó có thể biết vị trí hiện thời của đối tượng

Không như mạng cảm biến hay mạng an ninh, các ứng dụng theo dõi sẽ liên tục thay đổi topology khi các nút đi qua mạng Trong khi sự kết nối giữa các nút tại các vị trí cố định tương đối ổn định, sự kết nối tới các nút di động sẽ liên tục thay đổi Thêm vào đó tập hợp các nút bị theo dõi sẽ liên tục thay đổi khi các nút gia nhập hay rời khỏi hệ thống Điều chủ yếu là mạng có khả năng nhận biết một cách hiệu quả sự có mặt của các nút mới

đi vào mạng

1.4 Kết luận

Chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP CHO

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Các vấn đề gặp phải khi sử dụng TCP/IP trong mạng WSN

Mạng cảm biến là một hệ thống thu thập thông tin dựa trên sự kết hợp của nhiều node cảm biến nhỏ Hầu hết các ứng dụng của node cảm biến là phát hiện, giám sát các hiện tượng như giám sát hiện tượng tự nhiên, môi trường trong tòa nhà Đối với các ứng dụng này, mạng cảm biến không dây không thể hoạt động độc lập một cách hoàn toàn mà phải được kết nối tới mạng ngoài để quản lý dữ liệu thu được bởi mạng cảm biến Việc truy nhập từ xa có thể thực hiện bằng cách kết nối mạng cảm biến với cơ sở hạ tầng mạng sẵn

có như mạng Internet toàn cầu, mạng nội bộ…Việc kết nối này gặp nhiều thử thách do mạng WSN có nhiều đặc điểm khác biệt so với mạng IP truyền thống Bảng 2.1 chỉ ra một số điểm khác biệt giữa hai mạng này

Bảng 2.1: Một số điểm khác biệt giữa mạng WSN và mạng IP truyền thống

Tài nguyên hạn chế Băng thông Năng lượng, bộ nhớ, năng lực

xử lý

Thời gian sống của

mạng Dài (năm, thập kỷ) Ngắn (ngày, tháng)

Hoạt động Giám sát, quản lý Độc lập, tự cấu hình

TCP/IP là bộ giao thức phổ biến được sử dụng trong các mạng và được xem là một phương pháp tiềm năng cho việc kết nối mạng cảm biến với mạng TCP/IP Bằng cách chạy trực tiếp bộ giao thức TCP/IP trong mạng cảm biến không dây có thể kết nối trực tiếp mạng cảm biến với cơ sở hạ tầng mạng có dây mà không cần gateway hoặc node trung gian đặc biệt nào Hơn nữa kết nối được thực hiện đơn giản bằng cách kết nối một hoặc nhiều node tới mạng TCP/IP Trong khi, UDP được dùng để truyền dữ liệu cảm biến tới nút sink, TCP được sử dụng cho các nhiệm vụ quản trị đòi hỏi sự tin cậy như truyền cấu hình từ máy chủ trung tâm hoặc tải chương trình tới các node cảm biến và các nhiệm

vụ quản trị khác Tuy nhiên, bộ giao thức TCP/IP được xem không phù hợp với mạng cảm biến do các yêu cầu và điều kiện kết nối khắt khe mà mạng cảm biến thực hiện Mặc

dù vậy, TCP/IP có thể áp dụng được trong mạng WSN bằng một số cơ chế tối ưu sẽ được phân kỹ hơn trong phần sau của chương này

Hình 2.1: Sử dụng TCP/IP trong và ngoài mạng cảm biến không dây

Ta phân tích một số vấn đề nảy sinh khi sử dụng TCP/IP trong mạng cảm biến như sau:

Cấu trúc địa chỉ IP: Trong mạng IP truyền thống, địa chỉ của mỗi host được gán dựa

vào cấu trúc mạng gồm hai phần: địa chỉ mạng và địa chỉ host và phải là địa chỉ duy nhất Các địa chỉ này được cấu hình bằng phương pháp tĩnh hoặc động Phương pháp gán địa chỉ tĩnh bằng tay không khả thi trong mạng cảm biến không dây vì có quá nhiều node mạng Cấu hình địa chỉ động bằng cách sử dụng cơ chế DHCP cũng không phù hợp Ta xét ví dụ khi node sink đóng vai trò DHCP server, các node không phải node lận cận với node sink rất khó khăn trong việc truy cập tới DHCP server trong mạng cảm biến phạm vi rộng vì DHCP sử dụng truyền thông đa hop khoảng cách ngắn Hơn nữa, cơ chế DHCP yêu cầu tiêu đề giao tiếp khá tốn kém

Mạng cảm biến không dây khắc phục nhược điểm này bằng sử dụng một số cơ chế gán địa chỉ theo không gian để cung cấp địa chỉ cho các node cảm biến

Chi phí tiêu đề: Các giao thức trong bộ giao thức TCP/IP có kích thước trường tiêu đề

lớn, đặc biệt là đối với các gói nhỏ Kích thước tối thiểu của trường tiêu đề UDP/IP là 28 byte và 4 byte dữ liệu được gửi sử dụng UDP/IP có 87.5% trường tiêu đề Điều này dẫn đến cần một lượng lớn năng lượng để truyền trường tiêu đề Kích thước của tiêu đề gói TCP/IP giữa 28 và 40 byte và khi gửi vài byte dữ liệu cảm biến trong một gói tin trường tiêu đề chiếm khoảng 90% mỗi gói tin Hiệu quả năng lượng là quan trọng đầu tiên đối với mạng cảm biến, gói tin với 90% trường tiêu đề là không chấp nhận được Năng lượng

là nguồn tài nguyên khan hiếm nhất trong mạng cảm biến nên hầu hết các giao thức thiết

kế cho mạng cảm biến cố gắng giữ phần tiêu đề thấp nhất có thể Cơ chế nén tiêu đề theo ngữ cảnh trong mạng WSN sẽ giúp giảm lượng lớn trường tiêu đề TCP/IP

Định tuyến địa chỉ trung tâm: Định tuyến trong mạng IP truyền thống dựa trên địa

chỉ host và mạng, mỗi gói tin được định tuyến xuyên suốt qua mạng Các tuyến dựa vào địa chỉ IP và tôpô mạng Tuy nhiên, các ứng dụng tự nhiên của mạng cảm biến cho thấy việc sử dụng cơ chế định tuyến dữ liệu trung tâm tốt hơn cơ chế định tuyến địa chỉ trung tâm Định tuyến dữ liệu trung tâm sử dụng các thuộc tính của các node và dữ liệu chứa trong các gói để định tuyến các gói tới đích Thêm vào đó, cơ chế định tuyến dữ liệu trung tâm chấp nhận sự kết hợp dữ liệu và loại bỏ dữ liệu dư thừa trong mạng Sử dụng định tuyến ứng dụng phủ là phương pháp để thực hiện định tuyến dữ liệu trung tâm và tập trung dữ liệu cho mạng cảm biến không dây TCP/IP

Giới hạn của node cảm biến: Để mạng cảm biến không dây có tính khả thi, các node

cảm biến thường bị giới hạn về bộ nhớ và năng lực xử lý Việc thực hiện TCP/IP truyền thống đòi hỏi quá nhiều nguồn tài nguyên cả về kích thước mã và bộ nhớ sử dụng đối với các hệ thống nhỏ 8 hoặc 16 bit Bộ giao thức TCP/IP hoàn chỉnh với vài trăm kilobyte kích thước mã và vài trăm kilobyte yêu cầu RAM không thể đưa vào trong hệ thống với hàng chục kilobyte RAM và ít hơn một trăm kilobyte mã

Giao thức uIP được thiết kế cho mạng WSN chỉ có một tập hợp tối thiểu tuyệt đối các tính năng sử dụng của bộ giao thức TCP/IP hoàn chỉnh và có thể chạy bộ vi điều khiển 8 bít chỉ với vài trăm byte RAM

Hiệu quả năng lượng và hiệu suất TCP: Giao thức chuỗi byte tin cậy TCP có vấn đề

về chất lượng nghiêm trọng trong mạng cảm biến cả về mặt lưu lượng và hiệu quả năng lượng Hơn nữa, báo nhận và cơ chế truyền lại end to end thực hiện bởi TCP dẫn đến việc truyền lại tốn kém dọc tuyến giữa bộ phát và bộ nhận nếu một gói tin bị mất Bởi vì mạng cảm biến thường được thiết kế theo kiểu multi-hop, việc truyền lại riêng lẻ sẽ chịu chi phí truyền nhận tại mỗi hop mà các gói được truyền qua Có thể sử dụng TCP như là giao thức vận chuyển tin cậy trong mạng cảm biến, phương pháp này phải được phát triển để nâng cao chất lượng của TCP trong sự thiết lập riêng của mạng cảm biến Cơ chế lưu trữ TCP phân tán được đề xuất để giải quyết các vấn đề này

2.2 Giải pháp sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến

2.2.1 Gán địa chỉ IP theo không gian

Đối với hầu hết mạng cảm biến, dữ liệu được tạo bởi các node cảm biến cần phối hợp với vị trí không gian nơi dữ liệu được cảm nhận Vì vậy, các phương pháp gán địa chỉ theo vị trí không gian của các node cảm biến được đề xuất Gán địa chỉ IP theo cách truyền thống dựa vào cấu trúc mạng Trong khi đó, phương pháp gán địa chỉ IP theo không gian sử dụng vị trí của node để xây dựng địa chỉ IP Trong phần này ta xem xét hai

cơ chế gán địa chỉ SIPA và SLIPA

2.2.1.1 Phương pháp gán địa chỉ SIPA

Đối với một số ứng dụng trong mạng cảm biến, địa chỉ duy nhất của mỗi node cảm biến cụ thể là không cần thiết, dữ liệu thu thập bởi các cảm biến mới là sự quan tâm chính Cơ chế gán địa chỉ IP theo không gian (SIPA – Spatial IP address Assignment) đã được đề xuất [4] để cung cấp địa chỉ semi-unique tới các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây TCP/IP Với việc gán địa chỉ IP theo không gian, mỗi node sử dụng vị trí không gian của nó với tọa độ (x,y) để xây dựng một địa chỉ IP Mỗi node thu thập và gửi thông tin xung quanh vị trí của nó về trạm cơ sở Vì vậy, giả sử rằng các node trong mạng cảm biến có cách để xác định vị trí của chúng và do đó việc gán địa chỉ không yêu cầu server trung tâm hoặc giao tiếp giữa các node

Ta xem xét ví dụ về một mạng với địa chỉ IP được gán theo không gian được mô tả trong hình 2.2 Trong mạng cụ thể này, mỗi node xây dựng địa chỉ của nó bằng cách kết

hợp tọa độ của nó với tiền tố địa chỉ của mạng Tọa độ (x,y) của node được gán cho hai

octet cuối cùng trong địa chỉ IP Tiền tố địa chỉ của mạng được cấu hình trong suốt thời gian thực thi và thường là một trong các dải địa chỉ riêng

Hình 2.2: Ví dụ về gán địa chỉ theo không gian và hai mạng con theo khu vực

Vì thông tin định vị được mã hóa trong địa chỉ IP, ta có thể định nghĩa mạng con theo miền như là một tập hợp các node cùng chia sẻ một tiền tố và thực hiện cơ chế quảng bá theo miền tương tự với quảng bá mạng con IP truyền thống

SIPA lợi dụng mối quan hệ giữa các vị trí không gian để tạo ra giao thức định tuyến Các node với địa chỉ lặp lại ở lân cận nhau giúp tránh các vấn đề định tuyến: các node cùng địa chỉ có khả năng chia sẻ phần lớn các tuyến về phía các node Tuy nhiên, nhược

điểm của phương pháp này không đảm bảo là địa chỉ duy nhất vì hai hoặc nhiều hơn các node lân cận có thể có cùng tọa độ vị trí và do đó thiết lập cùng địa chỉ

2.2.1.2 Phương pháp gán địa chỉ SLIPA

Phương pháp gán địa chỉ quét dòng (Scan-Line IP Assignment (SLIPA)) [5] khắc phục nhược điểm trên của SIPA SLIPA sẽ quét mỗi node với cùng giá trị tọa độ Y nhỏ nhất từ trái sang phải sau đó quét các node này với giá trị tọa độ Y kế tiếp Lặp lại quá trình này cho tới khi tất cả các node đều được quét và nếu hai hoặc nhiều hơn các node lân cận có cùng địa chỉ IP, SLIPA sẽ di chuyển các node lân cận này để đảm bảo mỗi địa chỉ chỉ thuộc về một node mà không ảnh hưởng đến mỗi quan hệ không gian giữa các node

Giả sử tọa độ của node Nm là (Xm, Ym) trong đó 0 ≤ Xm,Ym ≤ 255, 1 ≤ m ≤ t, t là tổng

số node và Xm, Ym không đồng thời bằng 0 hoặc 255 Địa chỉ IP của node được định nghĩa A.B.Cm.Dm Mục đích của thuật toán là xác định giá trị phù hợp cho Cm,Dm của node Nm

SLIPA hoạt động theo ba bước: sắp xếp thứ tự các node theo hướng Y, gán giá trị cho octet (C) trong địa chỉ IP và gán giá trị cho octet cuối cùng (D) trong địa chỉ IP

Sắp xếp thứ tự các node theo hướng Y:

Gán giá trị j bắt đầu từ 0 cho thứ tự các node theo hướng Y Nếu hai hoặc nhiều node

có cùng tọa độ theo hướng Y, chúng có cùng giá trị số thứ tự j Trong ví dụ 1, có 5 node được gán giá trị j=0 và node trong tọa độ Y tiếp theo được gán j=1 chứ không phải j=6

Hình 2.3: Sắp xếp các node theo hướng Y Gán giá trị cho octet C trong địa chỉ IP

Trong bước này, ta biến đổi Xm vào trong C trong khoảng từ 0 đến 255 theo phương trình (1) và gán giá trị C theo phương trình (2)

Q = ( max{ Xm } – min{ Xm } )/ 255 (1)

Cm = round( ( Xm – min{ Xm } ) / Q ) (2)

Cách này đảm bảo rằng Cm không lớn 255 hoặc nhỏ hơn 0 và mối quan hệ không gian theo hướng X được duy trì Ta có thể phân chia tất cả các node trong mạng cảm biến thành 256 vùng (zone) theo chiều ngang, mỗi vùng kí hiệu là z

Gán giá trị cho octet cuối cùng (D) trong địa chỉ IP

Đầu tiên quét mọi node với cùng giá trị tọa độ Y bé nhất, sau đó quét tất cả các node với giá trị tọa độ Y tiếp theo Gán Dm cho nút Nm sau khi quét Lặp lại quá trình cho đến khi tất cả các node được quét để tìm hai hoặc nhiều hơn các node lân cận có thể có cùng địa chỉ Điều chỉnh các node này từng cái một cho đến khi không còn node nào có cùng địa chỉ Một số thông số và hàm cần để thực hiện thuật toán này:

1, Định nghĩa thông số:

SN là số đường quét, phụ thuộc nhiều vào thời gian quét và bắt đầu từ 0

k: node thứ k trong các node thuộc vùng z với cùng giá trị SN, sắp xếp từ trái sang phải và bắt đầu từ 1

2, Định nghĩa hàm:

R(z, SN): trả về số node trong cùng một vùng với cùng giá trị SN

Scan(j): với giá trị j, hàm trả về giá trị SN tương ứng Ví dụ Scan (0) bằng 0 và thể hiện lần quét theo chiều ngang đầu tiên, Scan(1) là lần quét thứ 2…

D(k, SN): Hàm trả về octet cuối cùng trong địa chỉ IP của node thứ k trong vùng,

số đường quét SN

Cách gán octet cuối cùng D trong địa chỉ IP của mỗi node và cách xử lý giá trị SN như sau:

1, Gán D: Quét từ trái sang phải qua 256 zone với cùng số đường quét SN Gán

Dm tới node Nm sau khi quét

a, Node thứ nhất trong zone, số dòng SN:

Ta xét một ví dụ gồm có 6 node Nm cần gán các giá trị Cm và Dm cho hai octet cuối cùng trong địa chỉ IP Đầu tiên, sắp xếp các node theo hướng Y sau đó gán giá j Sau khi gán giá trị cho octet thứ hai từ cuối, chia các node vào 3 zone thay vì 256 zone cho đơn giản: một node ở zone 0, hai node ở zone 1 và 3 node ở zone 2 như trong hình vẽ Đầu tiên, ta quét tất cả các node với j=0 thu được SN = Scan(0) = 0 và có 5 node đợi được gán

Hình 2.4 : Quét tất cả các node với j = 0

Có hai node trong zone 1 có cùng số đường quét, node bên trái với k=1 không cần phải di chuyển và gán D = 0 cho octet cuối cùng (hình 2.5) Node tiếp theo với k=2 phải

di chuyển lên 1 và được gán D = 1

Hình 2.5: Gán địa chỉ cho các node với z = 1, SN = 0

Tron hình 2.6 có 3 node trong zone 2 với SN = 0 Tương tự như ở zone 1, node với k =

1 không phải di chuyển và được gán D = 0, node k=2 và k=3 di chuyển và được gán D=1

và D=2

Hình 2.6: Gán địa chỉ cho các node với z=2, SN=0

Trong hình 2.7 tất cả các node đã được quét và gán D Ta trở về và bắt đầu quét các node với j=1 Số dòng quét tiếp theo sẽ là: SN = Scan(1) = Scan(0) + max{0, 2, 3} = 3 và chỉ có một node đợi để gán Chỉ có một node trong zone 0 với SN = 3 nên giá trị D được gán bằng 3

Nén tiêu đề là một kỹ thuật giảm tiêu đề gói tin bằng cách hạn chế truyền phần tiêu đề không thay đổi giữa các gói liên tiếp nhau Nén và giải nén tiêu đề chia sẻ trạng thái các chuỗi dữ liệu đi qua chúng Trạng thái chia sẻ này gọi là ngữ cảnh nén tiêu đề Việc nén thực hiện không phải bằng việc truyền toàn bộ tiêu đề mà chỉ những giá trị của các trường tiêu đề thay đổi theo cách có thể dự đoán được Việc nén tiêu đề TCP được phát triển đối với các liên kết nối tiếp tốc độ thấp và có thể nén hầu hết các tiêu đề xuống chỉ 10% so với kích thước ban đầu

Trong mạng cảm biến, các node cảm biến được giả định kết hợp vì mục đích chung vì vậy chúng chia sẻ một ngữ cảnh chung Tất cả các node có thể chấp nhận các giá trị trường tiêu đề UDP/IP đối với gói dữ liệu cảm biến UDP Do đó, trường tiêu đề có thể được nén bằng các kỹ thuật so sánh mẫu Ví dụ, vì tất cả các node có cùng mạng con nên không cần truyền toàn bộ địa chỉ IP (địa chỉ node nguồn hoặc node đích) trong tiêu đề của gói tin Tương tự, bằng cách tối ưu một dải nhỏ các cổng UDP đối với các gói dữ liệu cảm biến, không yêu cầu truyền toàn bộ số cổng 16 bit của gói dữ liệu cảm biến

Đối với kết nối TCP, có thể dùng các kỹ thuật nén tiêu đề tiêu chuẩn thường dùng cho các liên kết đơn hop nhưng các yêu cầu đặc biệt của mạng cảm biến đa hop thay thế các thử thách truyền thống Trong khi nén tiêu đề thông thường có thể chấp nhận các điểm cuối kết nối phát hiện và truyền lại các tiêu đề giải nén bị lỗi, một mạng cảm biến đa hop phải thực hiện phát hiện và truyền lại trong mạng theo phương pháp linh hoạt hơn do việc tiêu thụ năng lượng gây bởi sự truyền lại end – to – end

Phần này phân tích kỹ thuật nén tiêu đề end to end mới cho mạng đa hop không dây [6] có thể áp dụng trong mạng cảm biến không dây Kỹ thuật nén tiêu đề hỗ trợ định tuyến (RAHC) được thực hiện kết hợp với các kỹ thuật định tuyến góp phần cải thiện chất lượng đáng kể cho mạng WSN

đa hop không dây:

- Tồn tại đa tuyến giữa các node lân cận có thể dẫn đến sắp xếp lại gói tin

- Trong mạng đa hop, dữ liệu phải nén và giải nén tại mọi router trung gian dẫn đến thêm phần xử lý vào trong mạng

- Vì tính di động của các node trong mạng, thông tin trạng thái được cập nhật khi node bị lỗi

Khi mạng mở rộng, tiêu đề xử lý ngày càng đáng kể và số lần nén và giải nén tăng lên Điều này dẫn đến trễ đáng kể tại mỗi router ảnh hưởng tốc độ dữ liệu Thuật toán nén hỗ trợ định tuyến (RAHC) xử lý các vấn đề trên để tối ưu chất lượng trong các mạng mục tiêu Kỹ thuật nén tiêu đề RAHC dựa vào thông tin được cung cấp bởi các thuật toán định tuyến Để xác định các trường có khả năng thay đổi, ta giả thiết rằng các trường tiêu đề được phân loại thành một trong các trường đó là: trường tĩnh, trường delta, trường khả suy và trường ngẫu nhiên

Trường tĩnh: Các trường này không thay đổi trong các tiêu đề của một phiên giao thức

cụ thể, bao gồm địa chỉ đích và địa chỉ nguồn Bất cứ sự thay đổi nào nghĩa là một tiêu đề đầy đủ phải được gửi để cập nhật trạng thái nén

Trường Delta: là các trường thường thay đổi nhưng sự sai khác so với trường trong tiêu đề trước đó nhỏ Một ví dụ về trường delta là chỉ số tuần tự TCP Loại này chỉ sử dụng cho các trường trong tiêu đề TCP

Trường khả suy: Các trường này được xác định dựa trên các thông tin đã biết khác Ví

dụ, trường chiều dài gói tin có thể xác định từ việc tạo frame lớp dưới

Trường ngẫu nhiên: Các trường này không có dạng chính xác và thay đổi không có tính tuần hoàn ví dụ như trường checksum

Kỹ thuật nén tiêu đề tránh gửi thông tin dư thừa trong chuỗi các gói tin thông thường

Về cơ bản, chỉ có các trường được yêu cầu để xây dựng lại tiêu đề ban đầu đã gửi đi đó là: trường delta, khả suy và ngẫu nhiên

2.2.2.2 Kỹ thuật nén

Khi một kết nối được thiết lập, bộ gửi gửi gói đầu tiên với tiêu đề không nén tới bộ nhận Bộ nhận lưu trữ các thông tin ngữ cảnh thích hợp được yêu cầu để xây dựng lại các tiêu đề nén sau Bộ gửi cập nhật các thông tin ngữ cảnh tới bộ nhận sau một khoảng thời gian nhất định để thông báo cho bộ nhận bất kỳ sự thay đổi nào trong các trường tĩnh Điều này đảm bảo bộ nhận và bộ gửi luôn đồng bộ Bất kỳ lỗi nào về đồng bộ cũng có thể dẫn đến giải nén không chính xác mà không được phát hiện ở các lớp trên trong mạng Tất các node trung gian nằm giữa nguồn và đích được cập nhật thông tin ngữ cảnh phụ thuộc vào tô pô hiện tại của mạng và tuyến được thiết lập bởi thuật toán định tuyến Khi một tuyến giữa nguồn và đích được thiết lập, gói đầu tiên mà bộ gửi gửi đi là gói tin không nén Bộ nhận lưu trữ thông tin tĩnh trong gói không nén để có thể xây dựng lại các gói tin nén sau

Vì mạng cảm biến vốn hay thay đổi, lỗi ở các node trung gian có thể dẫn đến mất đồng bộ giữa nguồn và đích Trong trường hợp này, thuật toán định tuyến theo yêu cầu được khởi tạo để phát hiện tuyến tự động Khi tuyến mới được xác định, thông tin ngữ cảnh phải được cập nhật cho tất cả các node trong tuyến Vì các giao thức định tuyến theo yêu cầu duy trì tuyến cho đến khi tất cả các node được kích hoạt, không yêu cầu làm mới thông tin ngữ cảnh

Một trong những nhiệm vụ thử thách trong bất kỳ thuật toán nén tiêu đề nào là xử lý lỗi hiệu quả để giảm ảnh hưởng của lỗi trên các lớp cao hơn trong mô hình mạng Một gói tin hỏng không chỉ dẫn đến mất gói tin mà còn ảnh hưởng đến các gói tin sau vì duy trì thông tin trạng thái Đối với các giao thức có định hướng như TCP/IP, lỗi về nhận gói tin

có thể được giải quyết bằng cách truyền lại

2.2.3 Định tuyến ứng dụng phủ

2.2.3.1 Định tuyến dữ liệu trung tâm

Mạng WSN khác với mạng IP truyền thống về mặt năng lượng bị hạn chế, dữ liệu tốc

độ thấp và tryền dữ liệu trong mạng từ nhiều nguồn dữ liệu đến một node sink (many to one) Hơn nữa, dữ liệu được thu thập bởi nhiều node cảm biến về hiện tượng chung nên

có khả năng dư thừa về dữ liệu giao tiếp từ nhiều nguồn trong mạng Tính di động của các node trong mạng WSN cũng khác với mạng IP truyền thống do hầu như các cảm biến ít khi di chuyển Cơ chế định tuyến địa chỉ trung tâm end-to-end không phù hợp với các đặc trưng trên của mạng cảm biến không dây

Định tuyến dữ liệu trung tâm thực hiện tập trung dữ liệu [7] để phân bố hiệu quả về mặt năng lượng Cơ chế này tập hợp dữ liệu đến từ các nguồn khác nhau, loại bỏ dữ liệu

dư thừa, tối thiểu số lần truyền và vì vậy tiết kiệm năng lượng

Ta xem xét một mạng WSN đơn giản, trong đó một node sink thu thập thông tin từ một số nguồn dữ liệu Đầu tiên node sink gửi một thông báo yêu cầu dữ liệu, các node có

dư liệu tương thích sẽ phản hồi

Giao thức định tuyến địa chỉ trung tâm: mỗi node nguồn gửi dữ liệu một cách độc lập theo các tuyến ngắn nhất tới node sink (định tuyến end to end)

Giao thức định tuyến dữ liệu trung tâm: Các node nguồn gửi dữ liệu đến node sink nhưng định tuyến dựa vào nội dung dữ liệu và thực hiện một số chức năng tập hợp/loại bỏ

dư thừa dữ liệu từ các nguồn

Hình 2.9 là một ví dụ cho thấy sự khác nhau giữa hai cơ chế định tuyến này Trong cơ chế định tuyến địa chỉ trung tâm, mỗi node gửi dữ liệu theo các tuyến độc lập tới node sink (nguồn 1 dữ liệu ‘1’ tới node sink qua node A, nguồn 2 gửi dữ liệu ‘2’ qua node B và node C) Đối với định tuyến dữ liệu trung tâm, dữ liệu từ 2 nguồn sẽ tập trung tại node B

và dữ liệu kết hợp ‘1+2’ sẽ được gửi từ node B tới node sink Điều này giúp giảm số lần truyền so với việc truyền từ hai nguồn theo các tuyến riêng rẽ

Hình 2.9: a, Định tuyến địa chỉ trung tâm b, Định truyến dữ liệu trung tâm

Cách tiếp cận theo địa chỉ trung tâm tập trung vào tìm tuyến ngắn nhất giữa một cặp node nguồn và node đích Trong khi đó, định tuyến dữ liệu trung tâm tìm các tuyến từ nhiều nguồn đến một đích và cho phép giảm dữ liệu dữ thừa trong mạng

Cây đường đi ngắn nhất (SPT): Mỗi node nguồn gửi thông tin tới node sink theo tuyến ngắn nhất Tập trung dữ liệu thực hiện tại các node có các tuyến trùng nhau từ các nguồn khác nhau

Cây tăng dần (GIT): Trong cơ chế này, cây tập trung được xây dựng liên tục Nhánh đầu tiên của cây chỉ là tuyến ngắn nhất giữa node sink và node nguồn gần nhất Nguồn tiếp theo gần nhất được nối tiếp vào cây

2.2.3.3 Định tuyến ứng dụng phủ

Có nhiều phương pháp để thực hiện định tuyến dữ liệu trung tâm trong mạng cảm biến không dây Định tuyến ứng dụng phủ là cơ chế định tuyến dữ liệu trung tâm hỗ trợ bởi ứng dụng mạng phủ Mạng phủ là mạng ảo bao gồm các node và các liên kết logic được xây dựng trên nền mạng vật lý Một mạng phủ dường như quá tốn kém đối với một mạng cảm biến không dây vì yêu cầu cần có sự ánh xạ giữa mạng vật lý và mạng phủ Tuy