Hoàn thiện thủ tục phân tuyến AODV trong mạng cảm biến không dây và thực nghiệm trên phần mềm opnet

Vì mạng cảm biến không dây là một phần của mạng di động Ad-hoc nên có thể xem xét các giao thức định tuyến trong mạng di động Ad-hoc áp dụng vào mạng cảm biến không dây.. Hình 1.3 : Cấu

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN DANH ĐÔNG

HOÀN THIỆN THỦ TỤC PHÂN TUYẾN AODV TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ THỰC

NGHIỆM TRÊN PHẦN MỀM OPNET

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60-52-02-03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHẠM MINH TRIỂN

HÀ NỘI – 2015

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy giáo

TS Phạm Minh Triển Trong suốt thời gian làm luận văn, các thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên công trình nghiên cứu còn nhiều thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 8 năm 2015 Học viên

Nguyễn Danh Đông

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Đề tài: “Hoàn thiện thủ tục phân tuyến AODV trong mạng cảm biến không dây và thực nghiệm trên phần mềm OPNET” là công trình nghiên

cứu của bản thân Trong khóa luận có sử dụng một số tài liệu tham khảo, các tài liệu tham khảo này đã đƣợc dẫn chứng và liệt kê trong mục “Tài liệu tham khảo” ở phần cuối luận văn

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực dựa trên những nghiên cứu, triển khai và đo đánh giá thực tế Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với nội dung, các số liệu và kết quả trong luận văn này

Nguyễn Danh Đông

Trang 4

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 7

1.1 Giới thiệu 7

1.2 Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây 7

1.2.1 Cấu tạo 7

1.2.1.1 Bộ xử lý trung tâm 8

1.2.1.2 Bộ nhớ/Lưu trữ 8

1.2.1.3 Bộ thu phát sóng vô tuyến 8

1.2.1.4 Bộ cảm biến 8

1.2.1.4 Hệ thống định vị 9

1.2.1.5 Bộ nguồn 9

1.2.1.6 Bộ phận di động 9

1.2.2 Phân loại nút mạng 9

1.3 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 10

1.3.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 10

1.3.2 Khả năng di động của mạng của biến không dây 11

1.3.2.1 Phân loại 11

1.3.2.2 Lợi ích của khả năng di động 12

1.3.2.3 Thách thức đối với khả năng di động 12

1.3.2.4 Các dạng di chuyển 13

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của mạng cảm biến không dây 14

1.4 Các yêu cầu chính trong thiết kế mạng cảm biến không dây 15

1.5 Một số chuẩn của mạng cảm biến 17

Trang 5

1.6 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 18

CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ GIAO THỨC AODV 19

2.1 Các vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây 19

2.2 Phân loại các giao thức định tuyến 20

2.2.1 Các giao thức định tuyến theo bảng điều khiển 21

2.2.2 Các giao thức định tuyến theo yêu cầu 21

2.2.3 Các giao thức định tuyến lai 22

2.2.4 Các giao thức định tuyến theo nhận biết vị trí 22

2.2.5 Các giao thức định tuyến đa đường 23

2.3 Các thông số quan trọng khi giao thức hoạt động 23

2.4 Giao Thức Định Tuyến AODV 24

2.4.1 Định dạng các bản tin sử dụng trong giao thức AODV 24

2.4.1.1 Định dạng bản tin yêu cầu tìm đường (RREQ) 24

2.4.1.2 Định dạng bản tin trả lời tìm đường (RREP) 25

2.4.1.3 Định dạng bản tin lỗi tìm đường (RERR) 25

2.4.1.4 Định dạng gói tin phản hồi trả lời tìm đường (RREP-ACK) 26

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của giao thức 26

2.4.2.1 Số đếm 26

2.4.2.2 Quá trình tìm đường khởi tạo kết nối 27

2.4.2.3 Duy trì kết nối 32

2.4.2.4 Xử lý khi có lỗi xảy ra 33

2.4.2.5 Sửa cục bộ 35

CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG GIAO THỨC AODV BẰNG PHẦN MỀM OPNET 38

3.1 Giới thiệu về phần mềm OPNET 38

3.2 Mô phỏng 39

3.2.1 Mục tiêu 39

3.2.2 AODV trong OPNET 39

3.2.3 Tùy chỉnh, thay đổi các thông số của AODV 42

Trang 6

3.2.4 Thực hiện mô phỏng 47

3.2.4.1 Mô hình mạng và thông số 47

3.2.4.2 Thực hiện 48

3.2.5 Kết quả mô phỏng 52

3.2.5.1 Trường hợp 30 nút mạng 52

3.2.6 Kết luận 68

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Trang 7

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AODV Ad-hoc On Demand Distance Vector

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

IETF Internet Engineering Task Force

DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector OLSR Optimized Link State Routing

CGSR Cluster-Head Gateway Switch routing

TORA Temporally Ordered Routing Algorithm

SSBR Signal Stability-Based Adaptive Routing

RDMAR Relative Distance Micro-discovery Ad Hoc Routing SLURP Scalable Location Update-Based Routing Protocol

DREAM Distance Routing Effect Algorithm for Mobility GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing

LAKER Location Aided Knowledge Extraction Routing MORA Movement-Based Algorithm for Ad Hoc Networks

Trang 8

CHAMP Caching and Multipath routing Protocol

AOMDV Ad hoc On-Demand Multipath Distance Vector Routing

RREP-ACK Route Reply Acknowledgement

IEEE Institute Of Electrical And Electronics Engineers

Trang 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 : Định dạng bản tin RREQ 24

Bảng 2.2 : Định dạng bản tin RREP 25

Bảng 2.3 : Định dạng bản tin RERR 26

Bảng 2.4 : Định dạng bản tin RREP-ACK 26

Bảng 3.1 : So sánh các chương trình mô phỏng[28][29][30] 38

Bảng 3.2 : Các thông số mặc định của giao thức AODV 39

Bảng 3.3 : Thay đổi thông số TTL 46

Bảng 3.4 : Thay đổi thông số yêu cầu tìm đường 46

Bảng 3.5 : Các thông số mô phỏng giao thức AODV 47

Bảng 3.6 : Thời gian trễ trung bình khi các nút cố định 53

Bảng 3.7 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút cố định 53

Bảng 3.8 : Lượng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút cố định 54

Bảng 3.9 : Thời gian trễ trung bình khi các nút di chuyển 55

Bảng 3.10 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút di chuyển 55

Bảng 3.11 : Lượng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút di chuyển 56

Trang 10

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Một nút mạng cảm biến không dây 7

Hình 1.2 : Sơ đồ của một thiết bị mạng cảm biến không dây [10] 7

Hình 1.3 : Cấu trúc mạng cảm biến không dây tổng quan 10

Hình 1.4 : Cấu trúc mạng hình sao đơn chặng 11

Hình 1.5 : Cấu trúc mạng hình cây đa chặng 11

Hình 1.6 : Di chuyển ngẫu nhiên 13

Hình 1.7 : Di chuyển theo đường nhất định 13

Hình 1.8 : Di chuyển theo Gauss-Markov 14

Hình 1.9 : Di chuyển theo nhóm có hướng ngẫu nhiên 14

Hình 2.1 : Các giao thức định tuyến 21

Hình 2.2 : Định dạng bản tin RREQ[8] 24

Hình 2.3 : Định dạng bản tin RREP[8] 25

Hình 2.4 : Định dạng bản tin RERR[8] 26

Hình 2.5 : Định dạng bản tin RREP-ACK[8] 26

Hình 2.6 : Ví dụ bản tin RREQ phần 1 31

Hình 2.13 : Ví dụ bản tin RERR phần 1 34

Hình 2.18 : Ví dụ quá trình sửa cục bộ phần 1 36

Hình 3.1 : Thông số AODV mặc định 40

Hình 3.2 : Giao diện ban đầu của OPNET 44

Hình 3.3 : Giao diện mở file của OPNET 44

Hình 3.4 : Giao diện Process Model của OPNET 45

Trang 11

Hình 3.5 : Mô hình 06 nút mạng cố định 49

Hình 3.6 : Mô hình 06 nút mạng di chuyển ngẫu nhiên 49

Hình 3.13 : Kết quả thời gian trễ khi các nút cố định 52

Hình 3.14 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút cố định 53

Hình 3.15 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút cố định 54

Hình 3.16 : Kết quả thời gian trễ khi các nút di chuyển 54

Hình 3.17 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút di chuyển 55

Hình 3.18 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút di chuyển 56

Trang 12

Mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân

sự, quốc phòng, chống khủng bố, y tế và giám sát môi trường.Mạng cảm biến không dây được xây dựng bởi rất nhiều các nút cảm biến nhỏ và có chi phí nhỏ Nó có các chế độ truyền thông là đơn chặng, đa chặn và không dây.Tất cả các nút mạng này hợp tác với nhau để cảm nhận, thu thập, xử lý thông tin và cung cấp thông tin cho người sử dụng Nút cảm biến, đối tượng được theo dõi và người sử dụng là ba yếu tố xây dựng nên mạng cảm biến không dây Trong khi đó, mạng cảm biến không dây có liên kết chặt chẽ với mạng di động Ad-hoc, có thể coi mạng cảm biến không dây là một phần của mạng di động Ad-hoc

Tất cả các ứng dụng đều đòi hỏi mạng cảm biến không dây phải tiêu thụ năng lượng thấp, cấu trúc mạng nhanh, tính thời gian thực…Trong đó yêu cầu tiêu thụ ít năng lượng là quan trọng nhất.Để nâng cao hiệu suất và tăng tuổi thọ của mạng, chúng

ta cần phải làm giảm mức tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây

Các nghiên cứu về thuật toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây là đặc biệt quan trọng Việc cải thiện các thuật toán giao thức định tuyến đang tồn tại, nâng cao hiệu quả của các nút trong mạng và đảm bảo chất lượng thông tin truyền tiếp giữa các nút mạng là rất quan trọng Vì mạng cảm biến không dây là một phần của mạng di động Ad-hoc nên có thể xem xét các giao thức định tuyến trong mạng di động Ad-hoc

áp dụng vào mạng cảm biến không dây

Trong khuôn khổ luận văn “Hoàn thiện thủ tục phân tuyến AODVtrong mạng cảm biến không dây và thực nghiệm trên phần mềm OPNET” sẽ nghiên cứu đến

thủ tục phân tuyến AODV hay giao thức định tuyến AODVtrong mạng cảm biến không dây, khảo sát một số thông số và thực hiện thay đổi quy tắc định tuyến mặc định của giao thức định tuyến AODV từ ít chặng nhất đến chi phí ít nhất Và sử dụng phần mềm mô phỏng OPNET để thực hiện khảo sát, phân tích các thay đổi đó

Trang 13

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lượng lớn các thiết bị không dây có khả năng đo các thông tin môi trường Ví dụ như nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh và độ

ẩm Những cảm biến gửi các dữ liệu thông qua kênh truyền không dây Các nút mạng

là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có giá thành thấp, được phân bố trên một khu vực, sử dụng nguồn năng lượng là pin, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt[9][10] Mạng hoạt động trên nguyên lý là một nút mạng sẽ cảm nhận thông số của một môi trường cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trường không dây về trạm gốc Trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xử lý cần thiết hoặc truyền số liệu vào máy tính Bản thân nút gốc không nhất thiết phải là máy tính mà có thể được chế tạo với kích thước nhỏ, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể[9][10]

Hình 1.1 : Một nút mạng cảm biến không dây

1.2 Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây

1.2.1 Cấu tạo

Do số lượng nút trong mạng cảm biến không dây là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với một nút mạng là giá thành thấp và kích thước nhỏ gọn

Bộ nhớ

Bộ cảm biến

Hệ thống định vị

Bộ thu phát sóng

Bộ nguồn

Bộ xử lý trung tâm

Bộ phận di động

Hình 1.2 : Sơ đồ của một thiết bị mạng cảm biến không dây[10]

Trang 14

1.2.1.1 Bộ xử lýtrung tâm

Đây là một bộ xử lý nhúng năng lượng thấp.Nhiệm vụ của bộ xử lý bao gồm : xử

lý thông tin cảm biến cục bộ của chính nút mạng đó và thông tin nhận được từ các nút mạng khác Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về khả năng tính toán (Ví

dụ hiện nay có nhiều thiết bị chỉ có bộ xử lý 8 bits 16MHz), do vậy các nút mạng cảm biến thường được chạy trên các hệ điều hành chuyên biệt, như hệ điều hành TinyOS Tuy nhiên, sẽ có một số nút mạng sẽ có khả năng tính toán mạnh hơn đáng kể Hơn nữa, với định luật Moore, các thiết bị cảm biến không dây tương lai có thể có những

bộ xử lý nhúng mạnh mẽ, kết hợp các công nghệ tiên tiến nhằm tiết kiệm năng lượng[10]

1.2.1.2 Bộ nhớ/Lưu trữ

Bộ nhớ/lưu trữ dưới dạng bộ nhớ chỉ đọc và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên bao gồm

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 xử lý và đã qua xử lý bởi bộ cảm biến, lưu các thông tin cục bộ khác) Chất lượng bộ nhớ và lưu trữ trên bo mạch của thiết bị mạng cảm biến không dây thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp, tuy nhiên nó cũng được cải thiện đáng kể qua thời gian[10]

1.2.1.3 Bộ thu phát sóng vô tuyến

Thiết bị mạng cảm biến không dây có tốc độ thấp (10 → 100 kbps) và là thiết bị

vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100 mét) Trong mạng cảm biến không dây 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 các chế độ ngủ và chế độ hoạt động Đồng thời cũng phải đối mặt với các vấn đề như các hiệu ứng nhiễu, hiệu ứng bóng mờ, giao thoa…[10]

1.2.1.4 Bộ cảm biến

 Cảm biến

Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị mạng cảm biến không dây 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 cảm biến trên bo mạch chủ Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại cảm biến riêng : cảm biếnnhiệt độ, cảm biếnánh sáng, cảm biếnđộ ẩm, cảm biếnáp suất, cảm biếngia tốc, cảm biếntừ, cảm biếnâm thanh hay thậm chí là cảm biếnhình ảnh có độ phân giải thấp[10]

 Bộ chuyển đổi tương tự số

Bộ chuyển đổi tương tự số được tích hợp để có thể ghép nối với các cảm biến tương tự Với bộ chuyển đổi tương tự số được tích hợp sẵn sẽ giúp cho thuận tiện hơn trong việc sử dụng, giảm kích thước nút mạng đồng thời giảm được các nhiễu trong quá trình biến đổi tương tự số với các tín hiệu từ cảm biến[10]

Trang 15

1.2.1.4 Hệ thống định vị

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, ứng dụng cho phép đo cảm biếnđể đánh dấu vị trí là quan trọng nhất Cách đơn giản nhất để định vị là tiền cấu hình cho cảm biến ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một

số điều kiện triển khai nhất định Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngoài tòa nhà : khi một mạng được triển khai, thông tin dễ dàng thu được qua vệ tinh định vị Tuy nhiên, tại các ứng dụng, do hạn chế của môi trường và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các nút được trang bị hệ thống định vị Trong trường hợp không có hệ thống định vị, các nút khác nhau (nhưng vẫn trong cùng mạng) chỉ thu được vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị mạng[10]

1.2.1.6 Bộ phận di động

Các node cảm biến đôi khi cần phải dịch chuyển để thực hiện các nhiệm vụ ấn định Do đó nó được trang bị thêm các thành phần phụ để phục vụ cho quá trình di động

 Nút trung gian : cũng trực tiếp thu thập dữ liệu Kế đến chúng tiến hành chuyển tiếp dữ liệu thu thập được và dữ liệu nhận được từ các nút cảm nhận qua các nút trung gian khác Sau đó gửi dữ liệu về nút cơ sở[10]

 Nút cơ sở : tiếp nhận dữ liệu từ mạng và tiến hành xử lý dữ liệu[10]

Trang 16

Hình 1.3 : Cấu trúcmạng cảm biến không dây tổng quan

1.3 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

1.3.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng… Do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một cấu trúc mạng linh động (ad-hoc, lưới, sao…) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình Tùy thuộc vào mỗi ứng dụng, các thiết bị mạng cảm biến không dây có thể cùng hay không cùng mạng với nhau[10]

Mạng cảm biến không dây có thể coi như một phần trong mạng di động Ad-hoc, tuy nhiên giữa chúng cũng có những điểm tương đồng và những điểm khác biệt riêng[23]

 Điểm tương đồng:

 Đều là những mạng không dây

 Sử dụng những nút mạng trung gian trong việc định tuyến giữa hai nút mạng, gọi là đa chặng

 Đều sử dụng nguồn năng lượng là pin, việc tiết kiệm năng lượng được ưu tiên hàng đầu

 Đều là những hệ tự quản lý, tự cấu hình

 Do đều sử dụng công nghệ không dây nên dễ bị ảnh hưởng bởi các sóng không dây có cùng tần số khác

Trang 17

 Các nút trong mạng cảm biến không dây ít di động hơn mạng di động hoc

Ad- Nguồn năng lượng giới hạn, năng lượng trong mạng cảm biến không dây được quản lý, sử dụng chặt chẽ Trong mạng di động Ad-hoc, có thể ít bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do người dùng có thể thay thế nguồn cho các thiết bị

 Số lượng nút trong mạng cảm biến không dây là rất lớn, trong mạng di động Ad-hoc là ít hơn

Mạng cảm biến không dây tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn nút) thành các cụm để ổn định cấu trúc của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến, giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên giảm được năng lượng tiêu thụ, đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút mạng[10]

Trong những ứng dụng tập hợp dữ liệu cơ bản, có một nút được gọi là nút sink Tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn được truyền trực tiếp đến nó Cấu trúc mạng đơn giản nhất cho ứng dụng này là cấu trúc hình sao đơn chặng Trong cấu trúc này, tất cả các nút gửi dữ liệu trực tiếp đến nút sink[10]

Hình 1.4 : Cấu trúc mạng hình sao đơn chặng

Đối với mạng cài đặt công suất truyền thấp hay mạng triển khai trên diện rộng thì

sử dụng cấu trúc hình cây đa chặng Trong cấu trúc này, một vài nút được xem như các nút nguồn của chính chúng và định tuyến cho các nguồn khác[10]

Hình 1.5 : Cấu trúc mạng hình cây đa chặng

1.3.2 Khả năng di động của mạng của biến không dây

1.3.2.1 Phân loại

Trong mạng cảm biến không dây, tính di động có thể chia làm 03 dạng chính:

Trang 18

 Nút cảm biến di động

Các nút trong mạng cảm biến không dây có thể tự mình di động, tuy nhiên nó phụ thuộc nhiều vào các ứng dụng của mạng Ví như trong ứng dụng giám sát môi trường, các nút thường không di động, trong ứng dụng giám sát chăn nuôi ( các nút gắn liền với gia súc ) các nút mạng thường là di động

Đối mặt với việc các nút mạng di động, mạng phải tổ chức lại thường xuyên đủ

để mạng có thể hoạt động ổn định Có một sự đánh đổi giữa tần suất và tốc độ di chuyển của nút mạng với năng lượng yêu cầu để duy trì đầy đủ tính ổn định của mạng

Các giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây sẽ phải hỗ trợ thích hợp cho các dạng di động của mạng, đặc biệt là trường hợp nút mạng di động và sự kiện di động

1.3.2.2 Lợi ích của khả năng di động

 Kéo dài thời gian sống của mạng

 Dung lượng kênh truyền tăng

 Tăng cường phủ sóng và mục tiêu cảm nhận

 Cải thiện hiệu quả làm việc

 Dữ liệu tin cậy hơn

1.3.2.3 Thách thức đối với khả năng di động

 Vị trí

Đối với mạng cố định, vị trí của các nút được phát hiện ngay trong quá trình khởi tạo mạng Tuy nhiên đối với các nút mạng di động liên tục phải thu thập vị trí của nó khi nó đi qua các khu vực cảm nhận, điều này gây tốn thời gian và năng lượng

 Cấu trúc mạng động

Trong cấu trúc mạng động, dữ liệu trở nên lỗi thời một cách nhanh chóng, do đó quá trình khám phá tìm đường phải nhanh chóng được thực hiên, gây ra lẵng phí năng lượng, thời gian và băng thông Đã có những nghiên cứu trong mạng di động Ad-hoc

để khắc phục điều này

Trang 19

 Công suất tiêu thụ

Công suất tiêu thụ của mạng cảm biến không dây cố định và mạng cảm biến không dây di động là khác nhau Cả hai đều tiêu tốn năng lượng cho việc truyền thông không dây, tuy nhiên mạng cảm biến không dây di động còn có thểtiêu tốn năng lượng cho khả năng di động, do đó nó thường yêu cầu nguồn năng lượng lớn hơn, có thể có

 Theo hướng ngẫu nhiên

Trong dạng này sẽ có một khoảng thời gian dừng giữa các lần thay đổi hướng hoặc tốc độ Các nút mạng di chuyển theo một hướng ngẫu nhiên với một tốc độ ngẫu nhiên, sau đó dừng lại trong một khoảng thời gian, sau đó thay đổi hướng khác với một tốc độ khác

Hình 1.6 : Di chuyển ngẫu nhiên

 Theo đường nhất định

Trong dạng này, một đích đến được lựa chọn và nút mạng sẽ di chuyển theo một đường cố định đến đích Không giống như theo hướng ngẫu nhiên, các nút mạng di chuyển một cách tự do

Hình 1.7 : Di chuyển theo đường nhất định

Trang 20

 Theo Gauss-Markov

Tính di động của một nút có thể được hạn chế và giới hạn bởi một luật vật lý về khả năng tăng tốc, vận tốc, tốc độ thay đổi Tốc độ hiện tại của một nút di động có thể phụ thuộc vào tốc độ trước đó của nó Trong mô hình Gauss-Markov sự phụ thuộc thời gian đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định hành vi di động

Hình 1.8 : Di chuyển theo Gauss-Markov

 Theo nhóm có hướng ngẫu nhiên

Mô hình này thể hiện sự phụ thuộc vào không gian, nó bao gồm nhóm các nút mạng làm việc với nhau Mỗi nhóm có một nút chủ và các nút mạng cảm nhận thành viên Sự chuyển động của các nút chủ ảnh hưởng đến việc chuyển động của cả nhóm

Hình 1.9 : Di chuyển theo nhóm có hướng ngẫu nhiên

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của mạng cảm biến không dây

 Khả năng chịu lỗi

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 nút mạng không hoạt động Một số nút cảm ứng có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường[9]

 Khả năng mở rộng

Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây đòi hỏi mạng phải có khả năng làm việc với số lượng các nút lớn và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm biến[9]

Trang 21

 Chi phí sản xuất

Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai cảm biến theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm ứng phải luôn được giữ ở mức thấp[9]

 Phần cứng

Ngoài kích cỡ nhỏ ra thì các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất it năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp,

có thể tự hoạt động và thích ứng với môi trường[9]

 Môi trường hoạt động

Các nút 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[9]

 Phương tiện truyền dẫn

Ở những mạng cảm biến đa chặng, các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây Các đường 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 phù hợp[9]

 Sự tiêu thụ năng lượng

Các nút 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 nút cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến đa chặng ad-hoc, mỗi nút đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài nút 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 vai trò quan trọng[9]

1.4 Các yêu cầu chính trong thiết kế mạng cảm biến không dây

 Mở rộng thời gian sống

Các nút mạng cảm biến không dây hoạt động với nguồn năng lượng pin giới hạn Pin rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng thực tế để đảm bảo mạng cảm biến không dây có thể tự động sử dụng không cần thay thế trong vài năm Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết

Trang 22

kiệm pin Ví dụ với loại pin kiềm cung cấp nguồn năng lượng 50 watt/giờ, nó có thể duy trì nút mạng ở trạng thái hoạt động liên tục trong vòng 1 tháng Trong một vùng giám sát rộng lớn, việc thay thế nguồn năng lượng sẽ tiêu tốn nhiều chi phí và trở nên bất khả thi, do vậy yêu cầu tiết kiệm năng lượng là rất cấp thiết[10]

 Khả năng đáp ứng của bộ cảm biến

Giải pháp đơn giản để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển các nút cùng một loại chu kỳ hoạt động với chu kỳ chuyển mạch giữa hai chế độ : chế độ ngủvà chế độ hoạt động Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là một thử thách năng lực của mạng cảm biến không dây, thì một vấn đề lớn liên quan nữa là chu trình ngủ một cách tùy tiện có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các cảm biến.Trong một số ứng dụng, để các sự kiện trong tự nhiên được tìm thấy và tường thuật nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở mức giới hạn chính xác, ngay cả trong sự tồn tại của nghẽn mạng[10]

 Độ bền

Mục tiêu của mạng cảm biến không dây là có thể phủ sóng trên phạm vi rộng lớn Mục tiêu này sẽ thúc đẩy sự phát triển các thiết bị không đắt tiền Tuy nhiên, các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và dễ xảy ra lỗi Tốc độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắt khe và trong vùng hoạt động của

kẻ địch Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng có kỹ thuật, kỹ xảo để có thể đáp ứng được các yêu cầu đó[10]

 Hiệp lực

Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị về các mặt : xử lý nguồn, bộ nhớ lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh chóng sự chính xác của bộ cảm biến Tuy nhiên, nếu vấn đề kinh tế được đặt ra ở đây

là giá cả trên mỗi nút giảm mạnh, thì nó có thể làm cho dung năng của nút sẽ bị hạn chế ở một mức độ nhất định Đó là lý do để thiết kế các giao thức hiệp đồng, các giao thức này đảm bảo rằng hệ thống tổng thể sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng của các đơn thành phần trong nó gộp lại Các giao thức cung cấp khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy móc và các tài nguyên thông tin[10]

Mạng cảm biến không dây có khả năng mở rộng trên phạm vi vô cùng lớn, lớn hơn mười ngàn thậm chí là hàng triệu nút Tuy nhiên, có một vài hạn chế về thông lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến khả năng mở rộng của hoạt động mạng cảm biến[10]

Trang 23

những thiết bị có khả năng tính toán tốt hơn cùng với những thiết bị có khả năng tính toán thấp Chìa khóa cho vấn đề này là tìm ra sự cộng tác tốt của các thiết bị có khả năng đồng nhất để đưa vào các ứng dụng[10]

 Tự cấu hình

Do tính mở rộng và hầu hết là các ứng dụng trong thiên nhiên nên mạng cảm biến không dây là các hệ thống phân phối không cần chủ Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong thiết kế Ngay từ đầu, các nút trong mạng cảm biến không dây

có thể được cấu hình theo cấu trúc mạng của chúng, tự đồng bộ, tự kiểm tra và tự quyết định các thông số hoạt động khác[10]

 Tự tối ưu và thích nghi

Trong mạng cảm biến không dây, thường có những trường hợp không biết chắc chắn về điều kiện hoạt động trước khi triển khai Đối với những trường hợp đó, việc xây dựng những thiết bị mà có thể tự đọc dữ liệu từ cảm biến và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những thông tin đó để cải tiến hiệu năng là điều rất quan trọng.Ngoài

ra, môi trường hoạt động của mạng cảm biến không dây có thể thay đổi qua thời gian Các giao thức mạng cảm biến không dây sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môi trường hoạt động[10]

an toàn thông tin[10]

1.5 Một số chuẩn của mạng cảm biến

Do phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm thường phát triển, triển khai các giao thức riêng phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng

Một số chuẩn mạng cảm biến không dây được biết đến là[11]:

 ALOHA system ( U of Hawaii )

 PRNET system ( U.S.Defense )

Trang 24

1.6 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

 Giám sát môi trương sinh thái[10]:Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa Phát hiện ô

nhiễm, chất thải …

 Trong quân sự [10]:Giám sát và theo dõi các mục tiêu quân sự.Phát hiện mìn,

chất độc Điều khiển kích hoạt các thiết bị, vũ khí quan sự…

 Giám sát cấu trúc và động đất[10]:

Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất Những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào

 Trong gia đình[10]:

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

 Trong y tế[10]:

Hiện nay đã tồn tại những cảm biến hình ảnh rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24 giờ Trong thời gian tồn tại trong cơ thể, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào

đó để chuẩn đoán và điều trị

 Trong công nghiệp và thương mại[10]:Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng

cháy, chống rò rỉ Điều khiển tự động các thiết bị, robot …

 Trong nông nghiệp[10]:

Hàng trăm nút nằm rải rác trong cánh đồng liên kết với nhau, thiết lập một mô hình định tuyến và truyền dữ liệu cho một trung tâm Ứng dụng đòi hỏi phải thiết thực, linh động, chi phí thấp và dễ triển khai thành mạng cảm biến không dây Nếu một trong các nút lỗi, một mô hình mạng mới được lựa chọn và toàn bộ mạng vẫn tiếp tục truyền dữ liệu Nếu có thêm nút mạng, chúng chỉ tạo nên nhiều cơ hội định tuyến hơn

Trang 25

CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ GIAO THỨC AODV

2.1 Các vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Khác với các mạng có dây, mạng không dây gặp rất nhiều khó khăn trong việc định tuyến và quản lý năng lượng Các nút trong mạng đều có khả năng di chuyển nên cấu trúc mạng cũng thay đổi theo thời gian, năng lượng các nút có giới hạn nên cần hạn chế số lượng bản tin gửi đi không quá lớn và ảnh hưởng của nhiễu và môi trường đến tỷ lệ gói tin lỗi là những điều cần chú ý khi thiết kế một giao thức định tuyến[3][5]

Các giao thức định tuyến khi thiết kế đều phải chú ý cân đối giữa hiệu suất của giao thức với mức tiêu thụ năng lượng tại các nút trong mạng Các giao thức có thể tăng tốc độ hội tụ bằng cách gửi nhiều gói tin điều khiển để cập nhật thường xuyên hơn nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lượng nguồn nuôi Hơn nữa, khi mạng ít có thay đổi thì việc gửi thường xuyên các cập nhật sẽ rất lãng phí[3][5]

Mục tiêu chính trong việc thiết kế mạng cảm biến không dây là truyền tải dữ liệu trong khi vẫn duy trì năng lượng hoạt động của hệ thống mạng và ngăn chặn sự sụt giảm kết nối bằng cách sử dụng phương pháp quản lý năng lượng linh hoạt Dưới đây

là một số vấn đề có thể ảnh hưởng đến quá trình định tuyến trong mạng cảm biến không dây[23]

 Giới hạn về năng lượng

Do các nút cảm biến sử dụng pin nên chúng có những giới hạn về năng lượng Năng lượng đặt ra một thách thức lớn cho thiết kế mạng trong môi trường khắc nghiệt Hơn nữa, khi năng lượng của một nút cảm biến xuống đến một mức nào đó, nút cảm biến có thể trở nên bất ổn, không thể thực hiện chính xác chức năng của mình làm ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng

 Vị trí nút cảm biến

Một thách thức khác phải đối mặt của thiết kế giao thức định tuyến là quản lý vị trí của các cảm biến Đa số các giao thức dựa vào các thiết bị định vị để biết được vị trí của nút cảm biến

 Giới hạn về tài nguyên phần cứng

Bên cạnh giới hạn năng lượng, các nút cảm biến còn hạn chế về khả năng xử lý

và lưu trữ, do đó nó chỉ thực hiện các tính năng tính toán hạn chế Các ràng buộc về phần cứng đặt ra nhiều thách thức trong phát triển phần mềm và thiết kế giao thức định tuyến

Trang 26

 Sự phân bố các nút cảm biến

Các nút cảm biến triển khai trong mạng cảm biến không dây tùy thuộc vào ứng dụng, có thể là thủ công hay ngẫu nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của giao thức định tuyến Trong hầu hết các ứng dụng, các nút cảm biến được dải ngẫu nhiên trong một phạm vi quan tâm

 Các đặc tính mạng và môi trường không tin cậy

Một mạng cảm biến thường hoạt động trong môi trường động và không tin cậy Cấu trúc mạng được hình thành từ các nút cảm biến và liên kết truyền giữa cảm biến thay đổi thường xuyên do cảm biến được thêm vào hoặc loại ra, hết năng lượng hoặc lỗi…Hơn nữa, các nút cảm biến được liên kết với nhau bởi môi trường không dây năng lượng thấp với nhiễu và khả năng lỗi cao Vì thế, định tuyến phải phù hợp với cấu trúc mạng động do giới hạn về năng lượng, tính di động của cảm biến cũng như tăng kích thước của mạng để duy trì các yêu cầu cụ thể của ứng dụng về tính kết nối và phạm vị bao phủ

 Tổng hợp dữ liệu

Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các thông tin giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp số lượng dữ liệu cần truyền có thể giảm xuống Tổng hợp dữ liệu là việc kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dựa trên hàm gộp nhất định

 Các yêu cầu đa dạng của các ứng dụng cảm biến

Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng đa dạng Không giao thức nào có thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu của các ứng dụng

Giao thức định tuyến nên có khả năng mở rộng kích thước mạng Hơn nữa, các cảm biến có thể không nhất thiết có khả năng về năng lượng, xử lý, cảm biến và truyền thông giống nhau Do đó liên kết truyền thông giữa các cảm biến có thể không đối xứng

2.2 Phân loại các giao thức định tuyến

Mạng cảm biến không dây có một số đặc trưng cơ bản của mạng Ad-hoc Do đó

có thể xem xét các giao thức của mạng Ad-hoc áp dụng vào mạng cảm biến không dây

Giao thức định tuyến trong mạng Ad-hoc được chia làm 5 loại chính[2][6][7] Mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng phù hợp với các trường hợp ứng dụng riêng biệt Chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu kỹ từng loại giao thức

Trang 27

ZRP FSR LANMAR RDMAR A4LP

LAR DREAM GPSR LAKER MORA

CHAMP AOMDV SMR NTBR

Hình 2.1 : Các giao thức định tuyến

2.2.1 Các giao thức định tuyến theo bảng điều khiển

Các giao thức định tuyến theo bảng điều khiển luôn luôn duy trì một bảng định tuyến hay ma trận chứa thông tin cập nhật về các đường đi gồm khoảng cách (số nút phải đi qua để đến đích) và thông tin về nút kế tiếp trên đường đi đến một nút đích bất

kỳ Để cập nhật thông tin về đường đi ngắn nhất mỗi nút sẽ thường xuyên trao đổi bảng định tuyến với các nút bên cạnh nó Mỗi nút khi nhận được bảng định tuyến của nút bên cạnh, nó sẽ tự động tính toán và cập nhật bảng định tuyến của mình Quá trình gửi cập nhật lại tiếp tục được lặp lại tạinút lân cận với mục tiêu giữ các thông tin định tuyến là chính xác nhất có thể Định tuyến này có ưu điểm là đơn giản và tính toán hiệu quả do thường xuyên được cập nhật Tuy nhiên nhược điểm của nó là tốn nhiều băng thông và năng lượng do phải thực hiện gửi nhiều bản tin cập nhật Một nhược điểm nữa là mạng sẽ hội tụ chậm khi cấu trúc mạng có thay đổi và khi có lỗi xảy ra[2][3][4][6][7]

Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:

 DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector)

 OLSR (Optimized Link State Routing)

 CGSR (Cluster-Head Gateway Switch routing)

 WRP (Wireless routing Protocol)

 STAR (Source-Tree Adaptive Routing)

2.2.2 Các giao thức định tuyến theo yêu cầu

Khác với giao thức định tuyến theo bảng điều khiển, giao thức định tuyến theo yêu cầu chỉ thực hiện tìm đường khi có yêu cầu cần truyền tin đến một nút nào đó ở trong mạng Khi có yêu cầu tìm đường, nút cần truyền sẽ phát vào trong mạng một bản

Trang 28

tin quảng bá với nội dung yêu cầu thông tin về nút đích cần truyền Khi một gói tin quảng bá đến được nút đích hoặc nút trung gian có đường đi đến nút đích cần tìm, gói tin hồi đáp sẽ được tạo ra và gửi về nút nguồn Khi nút nguồn đã có đường đi tới nút đích, nó mới bắt đầu thực hiện truyền các gói tin chứa dữ liệu Giao thức này có ưu điểm là độ chính xác cao và phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi của mạng Nhưng nhược điểm của nó là thời gian trễ do tìm đường cao và khi các nút di chuyển nhanh, lưu lượng dày, các gói tin quảng bá sẽ tăng nhanh số lượng gây nghẽn Các giao thức định tuyến theo yêu cầu chỉ phù hợp với mạng không dây băng thông rộng, trễ truyền gói nhỏ và lưu lượng rất mỏng[2][3][4][6][7]

 AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector)

 DSR (Dynamic Source Routing)

 TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)

 ABR (Associativity-Based Routing)

 SSBR (Signal Stability-Based Adaptive Routing)

2.2.3 Các giao thức định tuyến lai

Giao thức định tuyến lai là kết hợp của giao thức định tuyến theo bảng điểu khiên

và giao thức định tuyến theo yêu cầu với các ưu điểm của cả hai Các định tuyến tĩnh được sử dụng ở những phần của mạng mà sự thay đổi không xảy ra thường xuyên Còn những phần có các nút thay đổi liên tục sẽ thực hiện định tuyến theo yêu cầu Qua

đó giao thức đã tạo được cầu nối giữa hai giao thức quan trọng của mạng Ad-hoc, thừa hưởng ưu điểm của cả hai, hiệu năng tổng thể do đó cũng được nâng cao đáng kể[2][3][4][6][7]

 ZRP (Zone Routing Protocol)

 FSR (Fisheye State Routing)

 LANMAR (Landmark Ad Hoc Routing)

 RDMAR (Relative Distance Micro-discovery Ad Hoc Routing)

 SLURP (Scalable Location Update-Based Routing Protocol)

2.2.4 Các giao thức định tuyến theo nhận biết vị trí

Các giao thức định tuyến theo nhận biết vị trí trong mạng Ad-hoc quy định mỗi nút trong mạng Ad-hoc đều chứa thông tin về vị trí của tất cả các nút trong mạng Cách tốt nhất và dễ dàng nhất là sử dụng hệ thống định vị toàn cầu để xác định chính xác tọa độ của các nút trong bất kỳ khu vực địa lý nào Thông tin về địa điểm sau đó được tối ưu hóa bởi giao thức định tuyến để tìm ra đường đi đúng nhất[2][3][4][6][7] Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:

 LAR (Location-Aided Routing)

Trang 29

 DREAM (Distance Routing Effect Algorithm for Mobility)

 GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)

 LAKER (Location Aided Knowledge Extraction Routing)

 MORA (Movement-Based Algorithm for Ad Hoc Networks)

2.2.5 Các giao thức định tuyến đa đường

Các giao thức định tuyến đa đường tạo nên nhiều đường đi từ nút nguồn đến nút đích Ưu điểm chính của việc tìm kiếm nhiều đường khả dụng là băng thông giữa các liên kết được sử dụng hiệu quả hơn Với cơ chế chia tải truyền dữ liệu theo nhiều đường sẽ giảm nghẽn trong mạng[2][3][4][6][7]

 CHAMP (CacHing and Multipath routing Protocol)

 AOMDV (Ad hoc On-Demand Multipath Distance Vector Routing)

 SMR (Split Multipath Routing)

2.3 Các thông số quan trọng khi giao thức hoạt động

Đối với một giao thức đinh tuyến, các thông số dưới đây thể hiện tính chất của

nó Các thông số ấy cho biết ưu điểm cũng như nhược điểm của giao thức định tuyến Cải thiện các thông số này chính là mục đích của việc cải tiến các giao thức

 Năng lượng tiêu tốn

Đây là thông số quan trọng đối với giao thức định tuyến trong mạngcảm biến không dây, vì tính chất giới hạn năng lượng của các thiết bị trong mạng Năng lượng tiêu tốn thường phụ thuộc vào quá trình yêu cầu tìm đường đến đích Quá trình này càng gửi nhiều bản tin thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng, ngoài ra tuyến đường truyền bản tin càng dài hay số chặng trung bình càng lớn cũng làm tăng năng lượng tiêu tốn của mạng Để giảm năng lượng tiêu tốn các giao thức cải tiến thường hạn chế quá trình yêu cầu tìm đường đến đích mà vẫn tìm được tuyến đường cần thiết[7]

 Độ trễ

Là thời gian để gói tin truyền từ nguồn tới đích Thời gian trễ cao sẽ làm giảm chất lượng của mạng Độ trễ phụ thuộc tuyến đường mà bản tin truyền từ nguốn tới đích vì vậy cũng phụ thuộc vào giao thức định tuyến[7]

 Số chặng trung bình

Số chặng là tổng số chặng mà bản tin phải đi qua khi truyền từ nguồn đến đích Giá trị này quyết định độ trễ và năng lượng tiêu tốn Giao thức định tuyến tốt khi tìm được đường có số chặng tối ưu nhất Nhưng thường thông số này không khác nhau nhiều giữa các giao thức định tuyến[7]

Trang 30

 Tỷ lệ truyền gói tin thành công

Thông số này thể hiện trực tiếp chất lượng của mạng, nó phụ thuộc tuyến đường

mà giao thức chọn Nếu tuyến đường tốt sẽ tăng tỷ lệ truyền gói tin thành công và ngược lại[7]

 Thời gian định tuyến

Là thời gian tính từ khi nút nguồn phát yêu cầu tìm đường đến khi nó có được thông tin định tuyến cần thiết để có thể bắt đầu truyền dữ liệu, đây có thể coi là trễ kết nối Đối với các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây thời gian này thường tính từ khi nút nguồn phát bản tin yêu cầu đến khi nhận bản tin trả lời[7]

2.4 Giao Thức Định Tuyến AODV

2.4.1 Định dạng các bản tin sử dụng trong giao thức AODV

Giao thức định tuyến AODV dùng 4 loại bản tin để định tuyến, sửa lỗi, duy trì tuyến

đường: yêu cầu tìm đường, trả lời tìm đường, lỗi tìm đường, phản hồi trả lời tìm đường[8]

2.4.1.1 Định dạng bản tin yêu cầu tìm đường (RREQ)

D Cờ Destination only; cho biết chỉ có nút đích mới hồi đáp lại gói tin RREQ này

U Cho biết rằng số đếm ở nút đích không xác định

Đếm chặng Số lượng các nút tính từ nút nguồn đến nút hiện tại đang xử lý gói tin RREQ này

Trang 31

Số ID của bản tin RREQ Số ID để xác định duy nhất một gói tin RREQ nhất định khi có trùng lặp về địa chỉ IP của nút nguồn

2.4.1.2 Định dạng bản tin trả lời tìm đường (RREP)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

Địa chỉ IP đích

Số đếm đích Địa chỉ IP nguồn Thời gian sống

Kích thước tiền tố

Nếu khác 0, 5 bit phần Prefix size sẽ chỉ ra rằng nút tiếp theo đƣợc chỉ ra sẽ đƣợc sử dụng cho tất cả các nút với cùng tiền tố (đƣợc định nghĩa bởi Prefix size) nhƣ là địa chỉ đƣợc yêu cầu

Đếm chặng

Số lƣợng các nút tính từ nút nguồn đến nút hiện tại đang xử lý

gói tin RREQ này

2.4.1.3 Định dạng bản tin lỗi tìm đường (RERR)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

Địa chỉ IP đích không thể tới

Số đếm đích không thể tới

Trang 32

Địa chỉ IP đích không thể tới được thêm (Nếu cần)

Số đếm đích không thể tới được thêm (Nếu cần)

N Cờ không xóa; được khởi tạo khi 1 nút thực hiện sửa cục bộ

cho 1 kết nối, và nốt nhận được bản tin này sẽ không xóa

tuyến đường nó biết về nút được báo lỗi

bản tin; phải có ít nhất một nút

Địa chỉ IP đích không thể tới Địa chỉ IP của nút đích không thực hiện kết nối được

Số đếm đích không thể tới Số Sequence trong bảng định tuyến của nút khởi tạo bản tin

RERR về nút đích không thể thực hiện kết nối được nêu ở trường Unreachable Destination IP address

2.4.1.4 Định dạng gói tin phản hồi trả lời tìm đường (RREP-ACK)

Mỗi bảng định tuyến tại tất cả các nút đều phải lưu giữ những thông tin mới nhất

có thể về số đếm của tất cả các nút đích mà bảng định tuyến đang duy trì một đường đi khả dụng đến đó Số đếm này được gọi là “số đếmđích” Nó được cập nhật bất cứ khi nào nút đó nhận được thông tin mới (mới xét theo mặt thông tin chứ không xét theo mặt thời gian) về số đếmtừ các bản tin RREQ, RREP, hoặc RERR mà nó nhận được có liên quan đến nút đích này Giao thức AODV phụ thuộc vào việc từng nút ở trong

Trang 33

mạng lưu và duy trì các số đếmđích trong bảng định tuyến của mình, từ đó giúp cho nó

có thể ngăn ngừa hiện tượng lặp trong mạng bằng cách kiểm tra các số đếmtrong các bản tin Một nút đích tăng số đếmcủa riêng nó trong 2 trường hợp[8]:

 Ngay lập tức trước khi nút khởi tạo một bản tin yêu cẩu RREQ, nút phải tăng số đếmcủa nó Việc này giúp ngăn chặn việc trùng lặp khi các nút khác nhận được bản tin RREQ sẽ thực hiện kiểm tra số đếmđể tạo đường ngược quay lại nút khởi tạo bản tin RREQ ban đầu[8]

 Ngay lập tức khi nút đích thực hiện khởi tạo bản tin đáp trả RREP để hồi đáp lại bản tin RREQ nhận được[8]

Số đếmđược lưu dưới dạng số nguyên không dấu Khi một nút nhận được thông tin về số đếmcủa một nút nào đó, nó sẽ kiểm tra giá trị này với số đếmcũng của nút này mà nó lưu trong bảng định tuyến Nếu số đếmthu được từ bản tin lớn hơn số được lưu trong bảng định tuyến tức là thông tin này là mới hơn, vậy nó sẽ tự động cập nhật lại bảng định tuyến của mình[8]

Chỉ duy nhất một trường hợp khác mà một nút có thể thay đổi số đếmđích trong bảng định tuyến là khi tuyến đường này đang ở trạng thái liên kết bị mất hoặc hết hạn với nút kế tiếp trong trong tuyến đường đó Khi đó, nút sẽ xác định nhữngnút đích bị ảnh hưởng bởi sự mất kết nối với nút kế tiếp này bằng cách tra bảng định tuyến Trong trường hợp này, các nút bị ảnh hưởng sẽ được nút này tăng số đếmlên 1 và đánh dấu tuyến đường này là lỗi Từ đây, nút sẽ chờ đến khi nào nó nhận được thông tin định tuyến về các nút bị ảnh hưởng đủ tươi hơn thông tin cũ (có số đếmlớn hơn hoặc bằng

số đếmnó đang lưu), khi đó nó sẽ cập nhật lại bảng định tuyến của mình với thông tin mới vừa thu được[8]

Một nút chỉ thực hiện thay đổi số đếmtrong bảng định tuyến về một nút nào đó trong các trường hợp sau đây[8]:

 Bản thân nó là nút đích, và nó chuẩn bị gửi bản tin hồi đáp RREP tới nút tạo bản tin yêu cầu RREQ về nó[8]

 Nó nhận được một bản tin AODV với thông tin về số đếmcủa nút đích mới hơn[8]

 Đường đi tới nút đích này bị gãy hoặc là bị hết hạn[8]

2.4.2.2 Quá trình tìm đường khởi tạo kết nối

Một nút khởi tạo bản tin yêu cầu RREQ khi nó xác định được rằng mình cần một tuyến đường đến nút đích nào đó và trong bảng định tuyến của nó, nó không có tuyến đường khả dụng nào đến nút này cả Điều này có thể xảy ra nếu nút muốn gửi tin chưa

hề biết thông tin gì về nút đích này cả, hoặc là tuyến đường khả dụng trước đã hết hạn hoặc được đánh dấu là lỗi Trường số đếmđích trong bản tin RREQ là số đếmmới nhấtcủa nút đích mà nút khởi tạo có và giá trị này được sao chép từ trường số đếmđích

Trang 34

trong bảng định tuyến Nếu không có số đếmđích, cờ “số đếmkhông xác định” trong bản tin RREQ được dựng là 1 Số đếmnguồn trong bản tin RREQ chính là số đếmcủa nút khởi tạo bản tin RREQ này Trường RREQ ID được tăng thêm 1 từ số RREQ ID lần cuối được sử dụng tại nút đó Mỗi nút chỉ có duy nhất một số RREQ ID Trường

Một nút không thực hiện khởi tạo nhiều hơn “RREQ_RATELIMIT” bản tin RREQ trong 1 giây Sau khi phát quảng bá 1 bản tin RREQ, nút đó sẽ đợi bản tin hồi đáp RREP (hoặc các bản tin điều khiển khác chứa thông tin về về tuyến đường tới nút đích đang được tìm kiếm) Nếu tuyến đường không nhận trong khoảng thời gian

“NET_TRAVERSAL_TIME”(ms), nút đó có thể tiếp tục phát quảng bá bản tin yêu cầu RREQ để tìm đường, số lần gửi yêu cầu lại không vượt quá “RREQ_RETRIES” lần Và với mỗi lần phát lại này, nút phải tăng số RREQ ID lên 1 trong các bản tin RREQ của mình[8]

Các gói tin dữ liệu sẽ chờ cho tuyến đường được khởi tạo thành công (đợi bản tin RREP sau khi bản tin yêu cầu RREQ được gửi đi) và được lưu vào bộ đệm Việc lưu vào bộ đệm này tuân theo quy tắc “vào trước ra trước” (First in, first out – FIFO) Nếu quá trình tìm đường đã được thực hiện “RREQ_RETRIES” lần mà không nhận được bất cứ bản tin RREP nào, tất cả bản tin dữ liệu gửi đến nút đích này đều bị bỏ khỏi hàng đợi và bản tin không tìm thấy nút yêu cầu (Destination Unreachable message) sẽ được gửi cho chương trình ở lớp cao hơn[8]

Để giảm tắc nghẽn trong mạng, việc lặp lại bản tin RREQ từ nút nguồn đến đích trong quá trình tìm đường phải thực hiện theo thuật toán phân bố nhị phân hàm mũ Khi nút nguồn phát bản tin RREQ đầu tiên, nó sẽ chờ trong một khoảng thời gian

“NET_TRAVERSAL_TIME” (ms) cho tới khi nhận được bản tin RREP Nếu nó không nhận được bản tin RREP trong thời gian đó, nó sẽ gửi một bản tin RREQ mới Sau khi gửi bản tin RREQ thứ hai, nút nguồn sẽ tính toán khoảng thời gian chờ theo thuật toán phân bố nhị phân hàm mũ Do đó thời gian chờ bản tin RREP sau khi gửi bản tin RREQ thứ hai là “2 * NET_TRAVERSAL_TIME” (ms) Nếu trong khoảng thời gian này nút nguồn vẫn không nhận được bản tin RREP thì nó sẽ gửi tiếp bản tin

Trang 35

RREQ khác cho đến khi đạt giá trị ngưỡng bản tin RREQ là “RREQ_RETRIES” Với mỗi lần gửi lại một bản tin RREQ thì thời gian chờ lại tăng lên hai lần[8]

Để ngăn chặn việc bản tin RREQ được quảng bá ra toàn mạng một cách không cần thiết, nút nguồn sử dụng một công nghệ tìm kiếm vòng mở rộng Trong công nghệ này, các nút nguồn ban đầu đặt “TTL=TTL_START” trong bản tin RREQ và thiết lập thời gian chờ cho việc nhận bản tin RREP là “RING_TRAVERSAL_TIME” (ms) Thời gian này được tính bằng công thức sau[8]:

RING_TRAVERSAL_TIME = 2 * NODE_TRAVERSAL_TIME * (TTL_VALUE + TIMEOUT_BUFFER)[8]

Nếu sau một số lần quảng bá bản tin RREQ mà không nhận được bản tin RREP thì nút nguồn ban đầu sẽ tăng giá trị TTL lên một khoảng là “TTL_INCREMENT”, điều này cứ tiếp tục cho đến khi TTL đạt đến giá trị ngưỡng “TTL_THRESHOLD”[8] Giá trị “Đếm chặng” được lưu trữ trong bảng định tuyến, chỉ ra “Đếm chặng” mới nhất đi đến nút đích Khi có một đường đi mới đến cùng một đích trong một khoảng thời gian sau đó, giá trị TTL trong bản tin RREQ được thiết lập bằng “Đếm chặng + TTL_INCREMENT” Sau đó giá trị TTL được tăng lên một khoảng là

“TTL_INCREMENT”, điều này cứ tiếp tục cho đến khi TTL đạt đến giá trị ngưỡng

“TTL_THRESHOLD” Khi TTL=NET_DIAMETER thì khi đó thời gian chờ TTL được thiết lập bằng khoảng thời gian “NET_TRAVERSAL_TIME”[8]

Khi một nút nhận được bản tin RREQ, nó sẽ tạo ra hoặc cập nhật một đường đi đến nút trước đó mà không có một số thứ tự hợp lệ, sau đó nó sẽ kiểm tra hai thông tin địa chỉ nút đích và số ID của bản tin RREQ vừa nhận đã được nhận từ trước hay chưa, nếu nút đã nhận bản tin RREQ với các thông tin giống như bản tin vừa nhận thì bản tin RREQ vừa nhận sẽ bị hủy Nếu là bản tin RREQ đầu tiên, nó sẽ tăng giá trị “Đếm chặng” thêm 1 Sau đó nút sẽ tạo và cập nhật một đường ngược về nút nguồn Khi một bản tin RREQ được nhận, giá trị thời gian sống của đường ngược về nút nguồn là giá trị lớn nhất của hai giá trị “Thời gian sống đang tồn tại” và “Thời gian sống nhỏ nhất”, trong đó[8]

Thời gian sống nhỏ nhất = (thời gian hiện tại + 2*NET_TRAVERSAL_TIME - 2*Đếm chặng*NODE_TRAVERSAL_TIME) [8]

Một nút nhận được bản tin RREQ, sẽ thực hiện gửi lại bản tin RREP khi[8]:

 Nó chính là nút đích được chỉ ra trong bản tin RREQ[8]

 Nó biết đường đi tới nút đích được chỉ ra trong bản tin RREQ, số đếm đích trong bảng định tuyến cho nút đích này là khả dụng và lớn hơn hoặc bằng số đếmđích trong bản tin RREQ[8]

Bản tin RREP sẽ được truyền đơn hướng về nút đầu tiên khởi tạo bản tin RREQ Tuyến đường sẽ được tạo dựa trên các bảng định tuyến tại các nút mà bản tin RREP đi

Trang 36

qua Các bản ghi về nút nguồn đầu tiên khởi tạo bản ghi RREQ này đã được tạo ra do các nút trung gian tạo đường ngược về nút nguồn mỗi khi nhận được bản tin RREQ Trường “Đếm chặng” sẽ tăng lên qua mỗi nút, bởi vậy khi bản tin RREP đến được nút nguồn, giá trị của trường “Đếm chặng” trong bản tin RREP sẽ biểu diễn chiều dài của tuyến đường (theo số nút) từ nút nguồn đến nút đích[8]

Để dễ hiểu, có thể biểu diễn phương thức AODV thực hiện khởi tạo kết nối bằng cách biểu diễn dưới dạng thuật toán như sau:

//S là nút nguồn, D là nút đích

//RT= bảng định tuyến

//S muốn kết nối với D

Nếu (RT của S có đường đi khả dụng tới D)

S sẽ thiết lập kết nối tới D

Ngược lại

S tạo bản tin yêu cầu RREQ và phát quảng bá nó đến các hàng xóm của mình Cho ( tất cả các nút nhận được bản tin RREQ)

Nếu (RREQ này đã xử lý từ trước)

Bỏ đi bản tin RREQ bị trùng

Kết thúc nếu

Nếu ( nó là D)

Gửi bản tin RREP tới nút ban đầu gửi đi bản tin RREQ này

Ngược lại nếu (N có một tuyến đường tới D với SeqId >= RREQ.Seq) Gửi bản tin RREP

Ngược lại

Lưu lại thông tin nút gửi bản tin RREQ này

Phát quảng bá bản tin RREQ

Kết thúc nếu

Kết thúc cho

S nhận được bản tin RREP

S cập nhật RT của nó dựa trên nút gửi bản tin RREP

S thiết lập kết nối với D

Kết thúc nếu

Trang 37

Sau đây là ví dụ mô tả cách thức tìm đường của giao thức AODV

Hình 2.9 : Ví dụ bản tin RREQ phần 4

Quá trình tiếp tục được thực hiện với nút A,H,G,F Nút C nhận được bản tin RREQ từ G và H, nhưng nó không thực hiện chuyển tiếp bản tin này vì nút C đã chuyển tiếp bản tin RREQ này một lần

Trang 38

để giữ liên kết với các nút kế tiếp được nêu ra ở dưới đây[8]:

 Nếu có thể sử dụng các báo hiệu ở lớp liên kết, như là các báo hiệu được đưa ra trong chuẩn IEEE 802.11, AODV sẽ sử dụng chúng để kiểm tra trạng thái của liên kết Mỗi khi có một bản tin được truyền đến một nút kế tiếp, nút đó sẽ đợi bản tin ACK ở lớp liên kết Nếu sau một số lần cho phép mà việc truyền lại đều không thành công, điều đó sẽ chỉ răng liên kết với nút tiếp theo đã bị gãy.[8]

 Để giữ liên kết với nút kế tiếp, AODV còn sử dụng một bản tin đó là bản tin Hello.Một nút chỉ thực hiện phát quảng bá bản tin Hello nếu nó đang nằm trong một tuyến đường đang được sử dụng để truyền tin Cứ sau một khoảng thời gian là “HELLO_INTERVAL”(ms), nút đó sẽ kiểm tra xem

Trang 39

nó đã phát quảng bá một bản tin nào chưa (bản tin RREQ hoặc một bản tin lớp 2 thích hợp) Nếu nó chưa, nó sẽ thực hiện phát quảng bá một bản tin Hello (chính là bản tin RREP với trường TTL = 1, được gọi là bản tin Hello) Các trường của bản tin Hello bao gồm[8]:

 Địa chỉ IP đích : địa chỉ IP của nút đó[8]

 Số đếm đích: số đếm hiện tại của nút đó[8]

 Đếm chặng : 0[8]

 Thời gian sống = ALLOWED_HELLO_LOSS * HELLO_INTERVAL[8]

Một nút sẽ xác định trạng thái của liên kết bằng cách lắng nghe bản tin HELLO

từ các nút lân cận Nếu trong khoảng thời gian ALLOWED_HELLO_LOSS * HELLO_INTERVAL (ms), nó không nhận được bản tin nào từ hàng xóm (bản tin Hello hoặc các bản tin khác), liên kết đó sẽ được coi là bị gãy, nút sẽ thực hiện kiểm tra điều kiện xem có thể thực hiện sửa cục bộ Nếu điều kiện thỏa mãn, nút sẽ thực hiện sửa cục bộ, còn nếu không, nó sẽ thực hiện gửi bản tin RERR về nút nguồn để báo cho nút nguồn thực hiện định tuyến lại[8]

Bất cứ khi nào nút nhận được một bản tin Hello từ hàng xóm, nút sẽ kiểm tra xem

nó có tuyến đường nào đang được sử dụng mà nút gửi bản tin Hello đóng vai trò là nút kế tiếp hay không, nếu không nó có thể tạo một bản ghi mới nếu cần thiết Nếu thực sự có tuyến đường sử dụng nút hàng xóm đó làm nút kế tiếp, nó sẽ thực hiện tăng giá trị của trường thời gian sống trong bảng định tuyến Những bản ghi trong bảng định tuyến được tạo bởi việc gửi nhận bản tin Hello mà không được dùng đến thì khi trường thời gian sống hết hạn, tức là nút hàng xóm đã di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng hay gặp trục trặc thì nút

đó sẽ xóa bản ghi đó mà không thực hiện gửi bản tin RERR nào cả[8]

2.4.2.4 Xử lý khi có lỗi xảy ra

Thông thường, việc xử lý lỗi đường hoặc gãy kết nối đòi hỏi phải thực hiện các bước sau[8]:

 Đánh dấu tuyến đường bị lỗi[8]

 Liệt kê các nút đích bị ảnh hưởng[8]

 Xác định nếu có những nút hàng xóm có thể bị ảnh hưởng[8]

 Gửi bản tin RERR phù hợp tới những nút hàng xóm này[8]

Bản tin lỗi RERR có thể được phát quảng bá (nếu có nhiều nút bị ảnh hưởng), phát đơn hướng (nếu chỉ có 1 nút bị ảnh hưởng), hoặc là phát đơn hướng lặp lại (nếu việc phát quảng bá là không phù hợp) Một nút sẽ không thực hiện tạo nhiều hơn

“RERR_RATELIMIT” bản tin RERR trong 1 giây[8]

Một nút khởi tạo bản tin RERR trong 3 trường hợp sau[8]:

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	5,15 MB