Nghiên cứu các phương pháp thu thập dữ liệu mới trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NINH XUÂN PHONG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TH

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NINH XUÂN PHONG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

THÁI NGUYÊN 2020

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Ninh Xuân Phong - cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Tuấn Minh

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Ninh Xuân Phong

Trang 3

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 7

KHÔNG DÂY WSN 7

1.1 Giới thiệu về các nút cảm biến 7

1.2 Ứng dụng 8

1.2.1 Vận tải 8

1.2.2 Giám sát và điều khiển công nghiệp 8

1.2.3 Nông nghiệp 10

1.2.4 Theo dõi sạt lở đá và giám sát động vật 11

1.3 Các cấu trúc liên kết cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo 11

1.3.1 Cấu trúc liên kết mạng dạng sao 11

1.3.2 Cấu trúc liên kết mạng dạng cây 12

1.3.3 Cấu trúc liên kết dạng lưới 13

1.4 Các giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây 14

1.4.1 ZigBee 14

1.4.2 Bluetooth (BLE) 15

1.4.3 Wifi 17

1.4.4 RF – Tín hiệu tần số vô tuyến 17

1.5 Nền tảng phần cứng 18

1.5.1 Nhà cung cấp hạ tầng cảm biến (SInP) 18

1.5.2 Nhà cung cấp dịch vụ mạng ảo hóa cảm biến (SVNSP) 18

1.5.3 Ứng dụng người dùng (ALU) 19

1.6 Công nghệ hiện đại 19

1.6.1 Ảo hóa cấp nút 19

1.6.2 Ảo hóa cấp mạng 22

1.6.3 Giải pháp ảo hóa kết hợp 24

1.7 Ưu điểm và nhược điểm của ảo hóa mạng 24

1.7.1 Ưu điểm 24

1.7.2 Nhược điểm 25

Trang 4

CHƯƠNG 2: CÁC DỰ ÁN ẢO HÓA MẠNG 30

2.1 Đặc điểm 30

2.1.1 Công nghệ mạng 30

2.1.2 Lớp ảo hóa 30

2.1.3 Miền kiến trúc 30

2.1.4 Mức độ chi tiết của ảo hóa 31

2.2 Công nghệ mạng 31

2.2.1 Mạng IP : X-Bone 31

2.2.2 Mạng ATM: Tempest 32

2.3 Lớp ảo hóa 32

2.3.1 Lớp vật lý UCLP 32

2.3.2 Lớp liên kết VNET 33

2.3.3 Lớp mạng AGAVE 33

2.3.4 Lớp ứng dụng VIOLIN 34

2.4 Miền kiến trúc 34

2.4.1 Quản lý mạng: VNRMS 34

2.4.2 Mạng hoạt động ảo: NetScript 35

2.4.3 Mạng tái sinh : Genesis 35

2.4.4 Cơ sở thí nghiệm: FEDERICA 35

2.5 Độ chi tiết của ảo hóa 36

2.5.1 Ảo hóa nút: PlanetLab 36

2.5.2 GENI 37

2.5.3 VINI 37

2.5.4 4WARD 38

2.5.5 Ảo hóa hoàn toàn: CABO 39

CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 40

3.1 Định tuyến PA tối đa 41

3.2 Định tuyến năng lượng thấp nhất (ME) 41

3.3 Định tuyến đường đi ngắn nhất (Min-Hop) 41

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 43

Trang 5

4.1 CONTIKI OS 43

4.1.1 Định nghĩa CONTIKI OS 43

4.1.2 COOJA là gì ? 43

4.1.3 Đặc tính của Contiki 43

4.1.5 Mô phỏng các giao thức mạng 51

4.2.2 Ứng dụng hệ điều hành Tiny 60

4.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của TinyOS 61

4.3 So sánh hệ điều hành CONTIKI OS và TINY OS 74

4.4 Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng 75

KẾT LUẬN 76

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Trang 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 : Giải pháp ảo hóa cấp nút 3

Hình 2 : Giải pháp dựa trên cụm mạng cảm biến không dây WSN 4

Hình 3 : Giải pháp dựa trên mạng ảo VSN 4

Hình 4a : Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển 5

Hình 4b: Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo 5

Hình 5 : Kiến trúc nút cảm biến 8

Hình 7 : Ứng dụng WSN trong công nghiệp 10

Hình 8 : Ảo hóa WSN theo dõi đá lở và giám sát động vật 11

Hình 9 : Cấu trúc liên kết mạng sao 12

Hình 10: Cấu trúc liên kết mạng cây 12

Hình 11: Cấu trúc liên kết dạng lưới 13

Hình 12 : Module Xbee 14

Hình 13: Bluetooth 16

Hình 14: Wifi 17

Hình 15: Những module RF phổ biến 18

Hình 16: Kiến trúc mạng cảm biến ảo 19

Hình 17: Ảo hóa cấp độ nút 20

Hình 18: Ảo hóa cấp mạng 23

Hình 19: Giải pháp ảo hóa kết hợp 26

Hình 20: Năng lượng có sẵn (PA) và các tuyến đường 40

Hình 21 : Giá trị định tuyến của các đường dẫn 42

Hình 22: Boot Ubuntu 45

Hình 23: Đăng nhập 46

Hình 24: Mở cửa sổ 47

Hình 25: Khởi động Cooja 47

Hình 26: Tạo mô phỏng 48

Hình 27: Cài đặt tùy chọn mô phỏng 48

Hình 28: Cửa sổ làm việc 49

Trang 7

Hình 29: Thêm mote 50

Hình 31: Ứng dụng Contiki 51

Hình 32 : Thêm mote 51

Hình 33: Mô phỏng 10 mote 52

Hình 34 : Địa chỉ IPv6 52

Hình 35 Giao thức định tuyến Contiki cho mạng năng lượng thấp và tổn thất (RPL) 53 Nếu thay đổi IP của mote lân cận thay vì IP máy chủ, bạn sẽ thấy dữ liệu truyền của mote đó 53

Hình 36: Mote dữ liệu 53

Hình 37: Mô phỏng với 50 mote 54

Hình 38: RPL - Theo dõi năng lượng 50 mote sau 3 phút 54

Hình 44: Cách biên dịch tập tin Tiny OS 60

Hình 45: Terminal Ubuntu 63

Hình 46: Cài đặt công cụ trong TinyOS 64

Hình 47: Kết thúc cài đặt 64

Hình 48: Mô phỏng Tossim 68

Hình 49: Python 68

Hình 51: Mô phỏng mạng JTossim 70

Hình 52: Project Wizard mới 70

Hình 53: Nạp Project 71

Hình 54: Mô phỏng các mote 71

Hình 55: Tin nhắn xuất ra trong Jtossim 72

Hình 56: TinyOS CTP 73

Trang 8

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Internet

liệu API Application provider interface Giao thức lập trình ứng

dụng

WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng không dây cá nhân IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers

Viện kỹ nghệ điện và điện

tử

SInP Sensor Infrastructure Provider Nhà cung cấp hạ tầng cảm

Trang 9

truyền

phương tiện

truyền vận RPL Routing Protocol for Low Power and

Lossy Networks

Giao thức định tuyến cho mạng suy hao và mạng công suất thấp

CoAP Constrained Application Protocol Giao thức ứng dụng ép

buộc

gần

Trang 10

MỞ ĐẦU

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn Song song với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau

Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nó vẫn hứa hẹn

là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này

Được sự định hướng và chỉ dẫn của thầy Nguyễn Tuấn Minh, tôi đã chọn đề tài luận văn “NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO” Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, ảo hóa mạng cảm biến không dây, các giao thức định tuyến và phương pháp thu thập

dữ liệu và tiết kiệm năng lượng Trong luận văn còn thực hiện một số mô phỏng các giao thức mạng, các giao thức định tuyến với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ một chương trình mô phỏng Nội dung của luận văn được thể hiện qua 5 chương :

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN)

Chương 2: Các dự án ảo hóa mạng

Chương 3: Các giao thức định tuyến trong thu thập dữ liệu và tiết kiệm năng lượng Chương 4: Mô phỏng các giao thức mạng và giao thức định tuyến

Chương 5: Kết luận

Trang 11

GIỚI THIỆU CHUNG

Cùng với sự phát triển của con người, sự góp mặt của công nghệ thực sự cần thiết để phát triển thế giới, cải thiện đời sống con người Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ 4.0, giao tiếp không dây ngày càng phát triển vượt bậc Đặc biệt là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSNs) [1], [2] là thành phần cốt yếu trong sự phát triển mẫu mô hình thế giới vạn vật – Internet of Things ( IoTs) Mạng cảm biến không dây được ứng dụng đa dạng trên mọi lĩnh vực của cuộc sống như : Y tế, nông nghiệp, công nghiệp, môi trường, quân đội,vv Mạng cảm biến không dây chứa một vài đến hàng nghìn nút cảm biến không dây nhỏ có khả năng tự cảm nhận, tính toán và giao tiếp giúp con người và máy móc có thể giao tiếp trực tiếp với môi trường Những tiến bộ gần đây trong truyền thông và điện tử không dây ngày càng phát triển với chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, đa chức năng và kích thước nhỏ [3]

Mỗi nút cảm biến được trang bị một bộ xử lý riêng Bên cạnh đó còn tồn tại một số mặt hạn chế như: giao tiếp trong khoảng cách ngắn; hạn chế về khả năng kết nối giữa các nút cảm biến, cảm biến chạy bằng pin thuận tiện cho việc phân tích dữ liệu trong từng nút yêu cầu bộ nhớ lớn, chi phí cao và hạn chế năng lượng Trong trường hợp này các nút cảm biến thường được phân tán một cách ngẫu nhiên và không thể điều khiển các cảm biến hoạt động Giải pháp cho những vấn đề này là Ảo hóa mạng cảm biến không dây (Virtual Sensor Network - VSN) để giúp WSN có thêm năng lượng, bộ nhớ và thời lượng pin kéo dài

Trong bài viết này, phần đầu tôi đề cập về khái niệm mạng cảm biến không dây, trong đó các nút cảm biến dựa vào nguồn năng lượng tiện dụng, được gọi là mạng cảm biến không dây cung cấp bởi pin hoặc nguồn điện viết tắt là WSN-HEAP[4] và một số phương pháp về thu thập năng lượng để sạc pin bổ sung [5], [6], nhưng chủ yếu tập trung vào các thiết bị điều khiển trong mạng cảm biến không dây thông qua trang web dựa trên dữ liệu được thu thập từ cảm biến hoặc ứng dụng trên điện thoại thông minh

Khái niệm ảo hóa cho phép người dùng chuyển đổi tài nguyên vật lý thành tài nguyên ảo Một VSN được xây dựng từ một hoặc một vài WSN để làm cho WSN trở nên linh hoạt, đa dạng và hiệu quả hơn Ảo hóa WSN có thể được phân thành ba loại:

ảo hóa cấp độ nút, ảo hóa cấp mạng và ảo hóa hỗn hợp

Trang 12

Ảo hóa cấp nút cho phép nhiều tác vụ chạy đồng thời trên một nút cảm biến để chia sẻ dữ liệu được thu thập từ WSN, để nút cảm biến có thể trở thành thiết bị đa mục đích (Hình 1) Để đạt được mức ảo hóa cấp nút có hai cách: Thực thi tuần tự và thực thi tương tự

Trong thực thi tuần tự: Thực thi lần lượt các tác vụ

- Ưu điểm: Đơn giản khi vận hành

- Nhược điểm: Các tác vụ khác phải chờ trong một thời gian dài

Trong thực thi tương tự: Thực thi nhiều tác vụ cùng một lúc

- Ưu điểm: Mất ít thời gian hơn để thực thi, những tác vụ hoạt động nhanh hơn

sẽ không bị chặn bởi các tác vụ hoạt động chậm hơn

- Nhược điểm: Vận hành phức tạp

Hình 1 : Giải pháp ảo hóa cấp nút

Ảo hóa cấp mạng trong mạng cảm biến không dây (WSN) đang tích hợp cho mạng cảm biến ảo (VSN) Một VSN được hình thành bởi một tập hợp các nút của WSN dành riêng cho một tác vụ tại một thời điểm nhất định để đảm bảo hiệu quả tài nguyên, bởi vì các nút còn lại có sẵn cho nhiều mức khác nhau trong các tác vụ Ảo hóa cấp mạng WSN có thể thực hiện theo hai cách khác nhau

- Nhiều VSN trên cơ sở một WSN đơn (Hình 2) Các nút WSN không phải là một phần của bất kỳ VSN nào có sẵn cho các ứng dụng khác Như trong hình đầu tiên, mỗi VSN sẽ thực hiện một số nhiệm vụ nhất định, nó có thể tương tác với những VSN khác

Trang 13

Hình 2 : Giải pháp dựa trên cụm mạng cảm biến không dây WSN

- Một VSN đơn trên cơ sở nhiều WSN (Hình 3) Tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giữa chúng diễn ra nhanh hơn

Hình 3 : Giải pháp dựa trên mạng ảo VSN

Ảo hóa hỗn hợp được kết hợp từ giải pháp ảo hóa cấp nút và ảo hóa cấp mạng

Nó có thể được chia thành ba loại:

- Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển (Hình 4a): WSN triển khai được chia thành nhiều cụm bao gồm các nút cảm biến Mỗi cụm được dành riêng cho một hoặc nhiều ứng dụng và được các lập trình viên coi là một thực thể duy nhất Các ứng dụng có thể trải rộng trên nhiều cụm khác bằng cách chạy các tác vụ dành riêng cho ứng dụng trong mỗi cụm Mỗi cụm bao gồm một nút cảm biến đóng vai trò

là nút chính và một số nút cảm biến còn lại đóng vai trò là nút thành viên Các nút cảm biến có thể có vai trò kép, tức là một nút cảm biến có thể đóng vai trò là nút chính cho một ứng dụng đồng thời nó có thể là nút thành viên cho một ứng dụng khác Vai trò của mỗi nút phụ thuộc vào các tác vụ ứng dụng nằm trong nút cảm biến

Trang 14

Hình 4a : Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển

- Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo / lớp phủ ảo (Hình 4b): Lớp phủ cấp mạng được tạo để nhóm các nút WSN thực thi ứng dụng tương tự, sử dụng giao thức cây thu thập dữ liệu (CTP) [7] Các nhóm vật lý phân tán thực thi các ứng dụng tương tự có thể được tham gia vào một mạng lớp phủ duy nhất Để cách ly giữa lưu lượng truy cập từ nhiều ứng dụng khác nhau, mỗi gói ứng dụng được sửa đổi bao gồm ID ứng dụng cùng với số thứ tự, địa chỉ gốc và địa chỉ đích Một ứng dụng có thể được thực hiện bởi các nút cảm biến vật lý phân tán Liên kết các cụm phân tán này vào một mạng được kết nối ảo duy nhất yêu cầu giao thức hình thành lớp phủ sử dụng cấu trúc liên kết CTP cơ bản để kết nối các cụm với nhau trong một mạng được kết nối

ảo Giao thức hoạt động bằng cách làm cho mỗi nút cảm biến định tuyến các gói của

nó đến cụm gần nhất

Hình 4b: Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo

- Máy ảo và các giải pháp dựa trên nhóm động (Hình 4c): Nhóm động của các nút WSN được triển khai để thực thi đồng thời nhiều ứng dụng Các nút WSN có thể là một phần của nhiều nhóm logic cùng một lúc Mỗi nhóm logic được dành riêng cho

Trang 15

một ứng dụng và việc triển khai hỗ trợ tối đa 16 nhóm cùng tồn tại trong WSN Một

mã ứng dụng mới được cập nhật một cách thụ động giữa các thành viên của nhóm bằng cách sử dụng các mục tiêu thiết kế đã nói ở trên Tất cả các nút WSN duy trì thông tin phiên bản của các ứng dụng và triển khai nó trong nhóm làm cho các nút WSN tự nhận biết khi nào cần cập nhật mã ứng dụng Điều này tiết kiệm năng lượng bằng cách giảm các giao tiếp không cần thiết, nhưng dễ phát sinh chi phí của độ trễ Các nút cảm biến trong một nhóm logic thực hiện một ứng dụng tại một thời điểm, do

đó mỗi ứng dụng có thể bị ảnh hưởng bởi lỗi thời gian chạy từ ứng dụng khác Bài viết trình bày dựa trên mô phỏng cũng như kết quả thực hiện

Hình 4c: Máy ảo và các giải pháp dựa trên nhóm động

Trang 16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY WSN

1.1 Giới thiệu về các nút cảm biến

Cảm nhận, xử lý và giao tiếp được diễn ra trực tiếp bên trong nút Chất lượng, kích thước và tần suất của dữ liệu nhận được có thể được phân tích từ mạng bị ảnh hưởng bởi các tài nguyên vật lý có sẵn trong nút [8]

Mục tiêu thiết kế chính của nút cảm biến là tập trung vào mặt thương mại, tăng tính linh hoạt (để dễ dàng cho quá trình triển khai và thích nghi nhanh chóng vào môi trường) và tiết kiệm năng lượng (khả năng xử lý, giao tiếp, bộ nhớ và khả năng lưu trữ)

Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và bộ nguồn Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể

có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 5 Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ

xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo truyền thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc nguồn năng lượng mặt trời, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến Do không thể liên tục thay thế nên nguồn năng lượng của nút thường bị giới hạn Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví

dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ

Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để

di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công

Trang 17

Hình 5 : Kiến trúc nút cảm biến

Tùy vào mỗi môi trường khác nhau: dưới nước, trong lòng đất, trên mặt đất,v.v… thì sẽ triển khai kiểu mạng không dây khác nhau Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống

1.2 Ứng dụng

1.2.1 Vận tải

Mạng cảm biến không dây cho phép

thu thập thông tin giao thông thời gian thực

bằng cách cài đặt mạng tại các vị trí chiến

lược xung quanh thành phố Có thể sắp xếp

nguồn cấp dữ liệu hoạt động liên quan đến tắc

nghẽn và các vấn đề giao thông mà sau đó có

thể điều tiết giao thông cho phép các phương

tiện tiếp tục di chuyển hoặc dừng lại

1.2.2 Giám sát và điều khiển công nghiệp

Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về độ tin cậy

và đáp ứng thời gian thực Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong lĩnh vực này chủ yếu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ

Hình 6 : Vận tải trong WSN

Trang 18

thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ,vv Ngoài ra, trong một số ứng dụng điều khiển trên diện rộng thì mạng cảm biến không dây cũng thể hiện nhiều tính năng vượt trội Đó là hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo

Rất nhiều chi phí trong quá trình cài đặt các bóng đèn trong một toà nhà lớn (các chuyển mạch có dây, các bóng đèn được bật/tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn,vv) Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển

từ xa có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn trong một theo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo Hay việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng an toàn công nghiệp Các mạng cảm biến không dây này có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng có xảy ra (và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát) Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó Trong một ứng dụng khác, đó là quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong không gian là một lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây

Trang 19

1.2.3 Nông nghiệp

Hình 7 : Ứng dụng WSN trong công nghiệp

Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn

Trang 20

1.2.4 Theo dõi sạt lở đá và giám sát động vật

Hình 8 : Ảo hóa WSN theo dõi đá lở và giám sát động vật

Trong các tình huống cụ thể giám sát loại sự kiện này có thể thực sự quan trọng

Có thể có những phiến đá trên núi Để bảo vệ động vật khỏi các phiến đá, các nút cảm biến được triển khai dọc theo các khu vực núi Có các hệ thống tín hiệu khẩn cấp để làm cho người dân và động vật nhận thức được Một WSN vật lý duy nhất được triển khai, nhưng nó được sử dụng bởi hai VWSN Một VWSN giám sát các slide đá và một VWSN khác giám sát các động vật băng qua địa hình đồi núi Cả hai ứng dụng được kết xuất bởi hai VWSN đều sử dụng cùng một nút cảm biến vật lý và chuyển tiếp dữ liệu đến các hệ thống tín hiệu và tới các nút thành viên

1.3 Các cấu trúc liên kết cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo

1.3.1 Cấu trúc liên kết mạng dạng sao

Cấu trúc liên kết sao [9] được thiết kế với mỗi nút ( tệp máy chủ, trạm gốc và thiết bị ngoại vi) được kết nối trực tiếp với một trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc

bộ tập trung mạng

Dữ liệu trên mạng sao được di chuyển qua trung tâm, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung trước khi tiếp tục đến đích Trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung quản lý và kiểm soát tất cả các chức năng của mạng Nó cũng hoạt động như một

bộ lặp cho luồng dữ liệu Cấu hình này là phổ biến với cáp xoắn đôi, tuy nhiên nó cũng

có thể được sử dụng với cáp đồng trục hoặc cáp quang

Trang 21

Hình 9 : Cấu trúc liên kết mạng sao

Ưu điểm:

- Dễ dàng cài đặt và đi dây

- Không bị gián đoạn mạng khi kết nối hoặc tháo thiết bị

- Dễ dàng phát hiện lỗi và loại bỏ các bộ phận

Nhược điểm:

- Yêu cầu chiều dài cáp nhiều hơn một cấu trúc liên kết tuyến tính

- Nếu trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung bị lỗi, các nút đính kèm sẽ bị tắt

- Đắt hơn cấu trúc cổng liên kết vì chi phí của các trung tâm khá cao

1.3.2 Cấu trúc liên kết mạng dạng cây

Cấu trúc liên kết mạng dạng cây [9] kết hợp các đặc điểm của cấu trúc cổng liên kết và liên kết sao Nó bao gồm các nhóm cấu hình sao để đáp ứng nhu cầu của chúng

Hình 10: Cấu trúc liên kết mạng cây

Ưu điểm:

- Đi dây từ điểm tới điểm cho từng đoạn riêng lẻ

- Được hỗ trợ bởi một số nhà phát hành phần cứng và phần mềm

Nhược điểm:

- Chiều dài tổng thể của mỗi phân đoạn bị giới hạn bởi loại cáp được sử dụng

- Khó cấu hình và đi dây hơn các cấu trúc liên kết khác

Trang 22

1.3.3 Cấu trúc liên kết dạng lưới

Mạng lưới [9] là một cấu trúc liên kết mạng cục bộ trong đó các nút cơ sở (nghĩa

là cầu, chuyển mạch và các thiết bị cơ sở khác) kết nối trực tiếp, linh hoạt và không phân cấp với càng nhiều nút càng tốt và hợp tác với một nút khác để định tuyến hiệu quả dữ liệu đến khách hàng Tính độc lập trong một nút cho phép mọi nút tham gia vào quá trình chuyển tiếp thông tin Mạng lưới có khả năng tự tổ chức và tự cấu hình,

có thể giảm chi phí cài đặt Khả năng tự cấu hình cho phép phân phối khối lượng công việc chủ động, đặc biệt trong trường hợp một vài nút bị lỗi Điều này lần lượt góp phần vào khả năng chịu lỗi và giảm chi phí bảo trì

Hình 11: Cấu trúc liên kết dạng lưới

Cấu trúc liên kết lưới có thể được xây dựng với các cấu trúc liên kết mạng cục bộ hay mạng cây thông thường trong đó các cầu nối hay công tắc được liên kết trực tiếp với chỉ một tập hợp nhỏ của các cầu nối hoặc công tắc khác và các liên kết giữa các cơ

sở hạ tầng lân cận này được phân cấp Mặc dù các cấu trúc liên kết giữa sao và cây được thiết lập rất hợp lý, được tiêu chuẩn hóa cao và trung lập với nhà cung cấp tuy nhiên các nhà cung cấp thiết bị mạng lưới vẫn chưa hợp nhất các tiêu chuẩn chung và khả năng tương tác giữa các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau vẫn chưa được đảm bảo

Ưu điểm:

- Một nút bị hỏng sẽ phá vỡ việc truyền dữ liệu trong mạng lưới Mỗi nút được kết nối với một số nút khác giúp việc chuyển tiếp dữ liệu dễ dàng hơn Một thiết bị bị hỏng sẽ bị bỏ qua bởi các tín hiệu và sau đó sẽ tự động tìm kiếm một thiết bị mới được kết nối với nút

- Các thiết bị bổ sung trong cấu trúc liên kết lưới sẽ không ảnh hưởng đến kết nối mạng của nó Do đó nó sẽ cải thiện lưu lượng trong mạng Cấu trúc liên kết lưới làm cho một trung tâm dữ liệu lớn mô phỏng thông tin hữu ích cho các nút của nó

Trang 23

- Một cấu trúc liên kết lưới có thể xử lý lưu lượng mạng lớn vì mỗi thiết bị bổ sung vào mạng được coi là một nút Các thiết bị được kết nối có thể đồng thời truyền

dữ liệu trơn tru và sẽ không làm phức tạp kết nối mạng

Nhược điểm:

- Duy trì mạng lưới có thể rất khó quản lý Nó đòi hỏi sự giám sát liên tục vì sự

dư thừa trong mạng Quản trị viên mạng có kỹ năng tốt, dày dặn kinh nghiệm mới có thể quản lý loại cấu trúc liên kết này

- Do việc xây dựng cấu trúc liên kết này đòi hỏi rất nhiều thiết bị, nó sẽ cần rất nhiều vốn để đầu tư Nó có thể rất tốn kém nhưng dịch vụ mà nó cung cấp chắc chắn

sẽ sớm hoàn lại vốn đầu tư

1.4 Các giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây

1.4.1 ZigBee

ZigBee [10] là một đặc điểm kỹ thuật để liên lạc trong các mạng không dây cá nhân (WPANs) Được thiết kế với chi phí thấp, công suất thấp và chu kỳ nhiệm vụ thấp, công nghệ ZigBee rất lý tưởng cho các mạng cảm biến không dây (WSN) và các mạng năng lượng thấp khác trải rộng khoảng cách lớn ZigBee xây dựng theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, nhưng bổ sung khả năng kết nối mạng lưới với chức năng đa nhiệm và giao thức định tuyến Mạng sao cũng như mạng ngang hàng (ví dụ: mạnglưới, mạng cây, cụm) được hỗ trợ, làm cho mạng ZigBee phổ biến , có thể mở rộng và phân cấp

Hình 12 : Module Xbee

ZigBee và XBee không giống nhau, ZigBee là một giao thức truyền thông tiêu chuẩn cho mạng lưới không dây, năng lượng thấp XBee là một thương hiệu radio hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông, bao gồm ZigBee, 802.15.4 và Wi-Fi, cùng với các

Trang 24

giao thức khác Bất kỳ thiết bị nào của nhà sản xuất có hỗ trợ đầy đủ tiêu chuẩn ZigBee đều có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị nào khác của công ty ZigBee

Công nghệ ZigBee không mang ý nghĩa cạnh tranh với các công nghệ như

Wi-Fi (IEEE 802.11) hoặc Bluetooth (IEEE 802.15.1) Thay vào đó, ZigBee được thiết kế cho các ứng dụng có tốc độ truyền dữ liệu ít quan trọng hơn là hiệu suất năng lượng, kích thước mạng và khả năng định tuyến mạng tùy biến không dây ad-hoc

ZigBee PRO hiện là ngăn xếp ZigBee phong phú nhất và mới nhất hiện có Ngoài số lượng thiết bị tối đa cao hơn (lên tới 65.560 trong một mạng), ZigBee PRO

hỗ trợ gấp ba lần so với ZigBee 2007 tiêu chuẩn và có các kỹ thuật định tuyến tiên tiến, chức năng phát đa hướng và bảo mật mạng tốt hơn [11]

Trong vài năm qua, ZigBee đã tìm được đường vào các hệ thống thương mại để

tự động hóa gia đình, hệ thống năng lượng thông minh, điện tử tiêu dùng, cảm biến công nghiệp và chăm sóc sức khỏe Nó có tính năng tự đánh địa chỉ đầy đủ, nhiều tùy chọn tiết kiệm năng lượng, tối ưu hóa hiệu quả trong các ứng dụng băng thông thấp và cách tiếp cận nhiều lớp đối với thiết kế và bảo mật truyền thông Quan trọng nhất, ZigBee tự động hình thành toàn bộ các mạng có thể tự chữa lành, định tuyến xung quanh các khu vực có vấn đề mà không cần can thiệp thủ công Nhà thiết kế, tin tặc, nhà phát minh, nghệ sĩ và kỹ sư hiện đang sử dụng giao thức không dây phổ biến này

để tạo ra các hệ thống thông báo, kích hoạt và làm hài lòng nhiều người dùng khác nhau của họ

Lớp mạng bên dưới ZigBee hỗ trợ các tính năng nâng cao của nó được gọi là IEEE 802.15.4 Đây là một bộ các tiêu chuẩn xác định quản lý năng lượng, địa chỉ, sửa lỗi, định dạng thông báo và các thông tin cụ thể điểm-điểm khác cần thiết để liên lạc đúng cách diễn ra từ đài này sang đài khác ZigBee là một tập hợp các lớp được xây dựng trên đỉnh của 802.15.4

1.4.2 Bluetooth (BLE)

Bluetooth [12] hoặc Bluetooth Low Energy (BLE) là một tiêu chuẩn cho phép kết nối các thiết bị điện năng thấp và cảm biến Nó sử dụng truyền dẫn vô tuyến bước sóng ngắn, băng tần 2.4 GHz Sử dụng Bluetooth thông minh để cho phép truyền thông hai chiều giữa các thiết bị không dây khác nhau với tuổi thọ pin cao Bluetooth kích hoạt thiết bị này cũng có thể làm việc liên tục với các thiết bị thông minh tương

Trang 25

ứng và mang lại giao diện người dùng phong phú Điện thoại thông minh cũng có thể truyền dữ liệu qua Cloud bằng cách sử dụng kết nối khác như GPRS

Công nghệ Bluetooth năng lượng thấp hoạt động ở dải tần tương tự như công nghệ Bluetooth cổ điển nhưng nó cho phép kết nối điện năng cực thấp và chuyển năng Công nghệ BLE sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị trên một khoảng cách ngắn sử dụng bước sóng vô tuyến ngắn để giảm thiểu điện năng tiêu thụ Các nhóm lợi ích đặc biệt Bluetooth (SIG) sản xuất Bluetooth 4.1 cung cấp Bluetooth năng lượng thấp cũng như tốc độ cao và kết nối IP để hỗ trợ hệ thống IoT

Hình 13: Bluetooth

BLE có thể hoạt động bởi một công suất truyền tải từ 0,01 mW đến 10 mW Với đặc điểm này, BLE được ứng dụng rất tốt cho IoT Các tiêu chuẩn BLE được phát triển nhanh chóng trên điện thoại di động và các thiết bị thông minh So với ZigBee, BLE hiệu quả hơn về tiêu thụ năng lượng và tỷ lệ truyền năng lượng với mỗi bit truyền Ngăn xếp mạng BLE cho phép: Ở mức thấp nhất của ngăn xếp BLE đó là một lớp vật lý (PHY), lớp này truyền và nhận bit Trong PHY, liên kết của lớp dịch vụ bao gồm truy cập trung bình, thiết lập kết nối, kiểm soát lỗi, và điều khiển lưu lượng được cung cấp Sau đó điều khiển logic và giao thức thích ứng (L2CAP) cung cấp ghép kênh cho dữ liệu kênh, phân mảnh và tái hợp các gói lớn hơn Các lớp trên là giao thức Generic thuộc tính (GATT) mà cung cấp hiệu quả dữ liệu kết nối từ các cảm biến, và Generic Access Profile (GAP) cho phép ứng dụng để cấu hình và hoạt động trong chế

độ khác nhau như quảng cáo hay quét, và kết nối sự bắt đầu và việc quản lý

BLE cho phép các thiết bị hoạt động và làm chủ hoặc phụ thuộc trong mạng topo hình sao Đối với các cơ chế phát hiện, thiết bị phụ thuộc gửi các quảng cáo trên

Trang 26

một hoặc nhiều kênh quảng cáo chuyên dụng Để được phát hiện như là thiết bị phụ thuộc, các kênh này được quét bởi các thiết bị Khi quét, ngoại trừ thời gian khi hai thiết bị đang trao đổi dữ liệu thì chúng ở chế độ ngủ, phần còn hoạt động

1.4.4 RF – Tín hiệu tần số vô tuyến

Tín hiệu tần số vô tuyến [15] (RF) đề cập đến tín hiệu điện từ không dây được

sử dụng như một hình thức giao tiếp, nếu người ta đang thảo luận về thiết bị điện tử không dây Sóng vô tuyến là một dạng bức xạ điện từ có tần số vô tuyến xác định nằm trong khoảng từ 3Hz đến 300 GHz Tần số đề cập đến tốc độ dao động (của sóng vô tuyến) Truyền thông RF được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm phát sóng truyền hình, hệ thống radar, mạng nền tảng máy tính và di động, điều khiển từ xa,

đo sáng hoặc giám sát từ xa và nhiều hơn nữa Mặc dù các thành phần vô tuyến riêng

Trang 27

lẻ như bộ trộn, bộ lọc và bộ khuếch đại công suất có thể được phân loại theo dải tần số hoạt động, chúng không thể được phân loại nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn không dây (ví

dụ Wi-Fi, Bluetooth, v.v.) vì các thiết bị này chỉ cung cấp lớp vật lý (PHY ) hỗ trợ [16]

Hình 15: Những module RF phổ biến

Băng tần 2,4 GHz ISM (công nghiệp, khoa học và y tế) phổ biến nhất trong dải tần số này Bản chất không được cấp phép của nó đã khiến các băng tần ISM trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều công nghệ không dây, chẳng hạn như ZigBee (IEEE 802.15.4), Bluetooth (IEEE 802.15.1) và Wi-Fi (802.11) Nhiều công nghệ 2.4GHz khác cũng tồn tại như WiMAX, GPS, điện thoại không dây, báo động ô tô và thậm chí

cả lò vi sóng hoạt động trong dải tần số này

1.5 Nền tảng phần cứng

1.5.1 Nhà cung cấp hạ tầng cảm biến (SInP)

SInP đặt chiến lược và quản lý tài nguyên mạng cảm biến không dây nền trong vùng và các tài nguyên bao gồm các loại nút cảm biến khác nhau [17] SInP được biểu thị thông qua loại dịch vụ mà họ cung cấp Trong số các nút cảm biến, có một số bộ định tuyến mạng cảm biến (SGR) [18] đóng vai trò là nút tập trung SGR được kết nối thông qua mạng không dây tốc độ cao Tất cả SGR có đủ nguồn cung cấp năng lượng

và các tài nguyên khác như bộ nhớ và khả năng tính toán SGR có thể lưu trữ bộ định tuyến mạng cảm biến ảo (VSGR) khác nhau

1.5.2 Nhà cung cấp dịch vụ mạng ảo hóa cảm biến (SVNSP)

Nhà cung cấp thuê tài nguyên từ nhiều SInP [17] để tạo và triển khai các VSN bằng cách chia sẻ tài nguyên mạng ảo được phân bổ để cung cấp dịch vụ người dùng ứng dụng đầu cuối SVNSP [18] có thể đạt được các dịch vụ mạng từ nhiều InP Các

Trang 28

tài nguyên được sử dụng bởi SVNSP có thể được các SVNSP khác sử dụng lại theo cách đệ quy

1.5.3 Ứng dụng người dùng (ALU)

ALU [17] trong kiến trúc VSN tương tự như của WSN hiện tại, ngoại trừ sự tồn tại của nhiều SVNSP từ các SInP cạnh tranh cung cấp nhiều lựa chọn Đối với nhiều ứng dụng, bất kỳ người sử dụng nào từ SInP khác nhau đều có thể kết nối với nhiều mạng cảm biến ảo VSN

Hình 16: Kiến trúc mạng cảm biến ảo

1.6 Công nghệ hiện đại

Trong phần này tôi trình bày và phân tích các công nghệ hiện đại Tôi phân loại

ảo hóa thành ba cấp độ là ảo hóa cấp độ nút, ảo hóa cấp độ mạng và các giải pháp kết hợp Các giải pháp lai kết hợp cả ảo hóa cấp độ nút và mạng Mỗi loại ảo hóa lại được phân loại thêm dựa trên các phương pháp được sử dụng

1.6.1 Ảo hóa cấp nút

Các phương pháp ảo hóa cấp nút được nhóm thành hai phần: giải pháp dựa trên

hệ điều hành cảm biến (HĐH) và giải pháp dựa trên Máy ảo / phần trung gian Middleware (VM / M) Trong các giải pháp dựa trên hệ điều hành cảm biến, ảo hóa

Trang 29

cấp nút là một phần của hệ điều hành cảm biến Trong các giải pháp dựa trên VM / M,

ảo hóa cấp nút được thực hiện bởi một thành phần chạy trên hệ điều hành cảm biến

Hình 17: Ảo hóa cấp độ nút a) Giải pháp dựa trên hệ điều hành (ví dụ: Contiki) b) Giải pháp dựa trên phần trung gian (ví dụ: Agilla) c) Giải pháp dựa trên máy ảo (ví dụ: Máy ảo Squawk)

TinyOS [15] là một hệ điều hành cảm biến đa nhiệm tiên tiến, hỗ trợ thực thi các tác vụ ứng dụng đồng thời trong các nút cảm biến bị hạn chế nguồn Nó được thiết kế

để giải quyết các vấn đề liên quan đến việc thực thi các tác vụ ứng dụng đồng thời và nền tảng phần mềm được thiết kế riêng cho các mạng cảm biến không dây Như vậy,

nó bao gồm định tuyến đa nhiệm tích hợp, thực hiện kết nối mạng lưới mà không cần phát triển thêm và chế độ tiết kiệm năng lượng đồng bộ băng thông thấp Chế độ băng thông thấp giữ cho các nút ở chế độ năng lượng thấp trong mọi thời điểm mà vẫn giữ cho chúng được đồng bộ hóa để truyền và nhận Điều này cho phép mỗi nút 'ngủ', tiết kiệm pin, nhưng đồng bộ khiến toàn bộ mạng khởi động và gửi thông tin của chúng cùng lúc khi cần thiết Trong khi MSP430 chạy TinyOS, phần lớn việc phát triển ứng dụng được thực hiện trong mạng được nhúng hệ thống ngôn ngữ C, hoặc NesC [16] NesC là ngôn ngữ lập trình được thiết kế để xây dựng các ứng dụng trong môi trường TinyOS NesC cung cấp một mô hình lập trình hướng sự kiện trên ngôn ngữ C, trừu tượng hóa chức năng C cấp thấp thành ngôn ngữ cấp cao hơn được thiết kế cho các hệ thống nhúng Như vậy, nó xử lý một cách trừu tượng các vấn đề tiềm ẩn liên quan đến các hệ thống phân tán Ví dụ, NesC phát hiện các điều kiện hoạt động thông qua phân tích mã tĩnh trước khi mạng được triển khai, ngăn chặn các mối nguy hiểm tại thời gian biên dịch thay vì thời gian hoạt động Chúng làm việc dựa trên ngăn xếp TinyOS,

vì vậy thời gian truy cập các tác vụ ngoài 100 chu kỳ là máy không đồng bộ Nó cho

Trang 30

phép lập trình viên có thể giải quyết một vấn đề phức tạp bằng cách kết hợp các trình

xử lý sự kiện lại với nhau Để giải quyết các bài tính toán lớn, TinyOS cung cấp các tác vụ xử lý và lịch trình với First in First Out (FIFO) [16] Mô hình đồng thời đơn giản này thường đủ cho các ứng dụng trung tâm I / O, những khó khăn của nó với các ứng dụng nặng CPU đã dẫn đến một số đề xuất để kết hợp các luồng thông tin vào hệ điều hành

Mantis OS MOS [17] được thiết kế để tận dụng các thuộc tính của ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn di động, trong trường hợp này là ngôn ngữ lập trình C MOS cho phép cùng một mã ứng dụng để thực thi trên nhiều nền tảng khác nhau, từ PC đến PDA cho đến các nền tảng cảm biến vi mô khác nhau Như chi tiết trong công việc trước đây, điều này cho phép triển khai từng giai đoạn các ứng dụng từ môi trường dựa trên Internet sang triển khai vật lý, tức là mã ứng dụng có thể được kiểm tra trước trên nút cảm biến ảo thực thi trên PC hoặc PDA với điều kiện API tương tự được lưu trữ trên các nút cảm biến vi mô tại chỗ Ví dụ, ngăn xếp mạng cấp độ người dùng MOS cho phép thử nghiệm thuật toán định tuyến lớp mạng trên các nút cảm biến ảo trên PC Linux trước khi được triển khai

Maté [19] là một công việc đầu tiên cung cấp thực thi tuần tự các tác vụ ứng dụng trên các nút cảm biến thế hệ đầu hạn chế nguồn Nó là một máy ảo nhỏ bao gồm một trình thông dịch mã nhị phân dựa trên ngăn xếp và hoạt động trên TinyOS Các tác vụ ứng dụng được chia thành các mã mã tối đa 24 lệnh và được thực hiện riêng rẽ từng cái một Một sơ đồ phân phối mã virus được sử dụng để truyền mã và lập trình tại các nút cảm biến Vì có sự kết hợp chặt chẽ giữa mã ứng dụng và TinyOS nên việc cài đặt mã mới đòi hỏi phải thay thế toàn bộ hệ điều hành Không hỗ trợ ưu tiên ứng dụng

và chỉ có một bộ ứng dụng giới hạn được hỗ trợ Hơn nữa, cách tiếp cận không độc lập với nền tảng vì nó chỉ hoạt động trên TinyOS nhưng nó giải quyết vấn đề không đồng nhất với nhau

Contiki [18] cho đến nay là một trong những hệ thống phổ biến nhất cho mạng cảm biến không dây và qua nhiều năm đã phát triển để trở thành một nền tảng hàng đầu cho IoT và các hệ thống nhúng năng lượng thấp Hệ điều hành này cung cấp đa nhiệm ưu tiên có thể được sử dụng theo quy trình cấp độ riêng lẻ Một cấu hình Contiki thông thường tiêu thụ 2 kilobyte trong RAM và 40 kilobyte trong ROM Một

Trang 31

bản cài đặt Contiki đầy đủ bao gồm các tính năng như: nhân đa nhiệm, đa luồng ưu tiên, chống trùng lặp, mạng TCP / IP, IPv6, giao diện người dùng đồ họa, trình duyệt web, máy chủ web cá nhân, máy con telnet đơn giản, trình bảo vệ màn hình và mạng

ảo hóa điện toán Nó có một hạt nhân dựa trên một mô hình hướng sự kiện, đa luồng được ưu tiên cũng được cung cấp dưới dạng tùy chọn, dưới dạng thư viện và được hiển thị dưới dạng API để các ứng dụng bổ sung các chức năng cần thiết Ưu tiên được thực hiện bằng cách sử dụng hẹn giờ ngắt Tất cả các chủ thể có ngăn xếp thực hiện riêng

Hệ điều hành được viết bằng ngôn ngữ C và có thể được chuyển sang nền tảng phần cứng Người ta thấy rằng kích thước mã của các ứng dụng tương tự trong Contiki lớn hơn trong TinyOS nhưng nhỏ hơn trong MANTIS.Như thể hiện trong bảng 1 là các đặc điểm của ảo hóa cấp độ nút

Giải pháp

(năm)

Mô hình thực thi

Ngôn ngữ lập trình Giao thức

Ứng dụng thời gian thực

HTTP, COAP, UDP,TCP, 6LoWPAN

Chỉ dùng trong ứng dụng hướng sự kiện

Bảng 1: Những đặc tính của giải pháp ảo hóa cấp nút

1.6.2 Ảo hóa cấp mạng

Các phương pháp ảo hóa cấp mạng được phân nhóm theo hai phần: giải pháp dựa trên mạng ảo và giải pháp dựa trên cụm Các giải pháp dựa trên mạng ảo sử dụng khái niệm mạng ảo và lớp phủ ứng dụng để đạt được ảo hóa cấp mạng Mạng ảo / lớp phủ

là các mạng logic được tạo trên nền của mạng vật lý Trong các giải pháp dựa trên cụm, các nút trong mạng vật lý được nhóm để làm việc cùng nhau trong các nhóm được kết nối trong cụm Không giống như mạng ảo / lớp phủ, phân cụm giống như phân vùng vật lý của mạng - nơi một phần của mạng được sử dụng bởi một ứng dụng

Trang 32

và một phần khác được sử dụng bởi một ứng dụng khác Các nút bên trong một cụm

có những vai trò riêng, chẳng hạn như cụm chính và cụm thành viên Thông thường các giải pháp dựa trên cụm trong WSN được sử dụng để theo dõi các sự kiện

Hình 18: Ảo hóa cấp mạng

a, Giải pháp dựa trên mạng ảo b, Giải pháp dựa trên cụm

Các nút cảm biến tạo thành các cụm để hỗ trợ các ứng dụng theo dõi các hiện tượng động Các nút cảm biến trong mỗi tác vụ thực hiện nhiều chức năng Nghĩa là một nút cảm biến có thể là một phần của nhiều cụm Với mỗi cụm dành riêng cho một ứng dụng, WSN có thể được sử dụng đồng thời với nhiều ứng dụng, từ đó thực hiện ảo hóa cấp mạng Bên cạnh đó cũng tồn tại một số quá trình thực hiện kém chất lượng về các chi tiết kỹ thuật (ví dụ: cách các nút riêng lẻ thực hiện các tác vụ ứng dụng) Hơn nữa, chưa có đề xuất nào về mức độ ưu tiên của ứng dụng, tính không đồng nhất và tính độc lập cơ sở chưa được giải quyết Vấn đề này đã được làm rõ trong [21] để tạo điều kiện cho việc tạo, vận hành và bảo trì các cụm để đạt được ảo hóa cấp mạng Khi một vấn đề được phát hiện, các nút cảm biến được nhóm thành một cụm động bằng cách trao đổi các thông điệp hình thành VSN Tuy nhiên, về các yêu cầu cấp thiết chưa

có bất kỳ nhược điểm nào trong [20] được giải quyết

Nhiệm vụ có thể liên quan đến ảo hóa cấp mạng vì WSN có thể hỗ trợ nhiều nhiệm vụ cùng một lúc Mỗi nhiệm vụ sử dụng một tập hợp con chuyên dụng của các nút cảm biến không được chia sẻ với các nhiệm vụ khác Việc phân công nhiệm vụ được mô hình hóa như một biểu đồ lưỡng cực có trọng số để giảm tối ưu các nút cảm biến trong các nhiệm vụ Khi đạt được một nhiệm vụ sẽ tạo ra nhiều lợi nhuận, vì vậy

Trang 33

mục tiêu là tối đa hóa lợi nhuận bằng cách đạt được càng nhiều nhiệm vụ càng tốt Cả hai giải pháp tập trung và phân tán đều được đề xuất, sử dụng các kết quả thực thi và thuật toán nhận biết năng lượng Giải pháp này không đề cập đến bất kỳ miền ứng dụng cụ thể nào Sự không đồng nhất được giải quyết cùng với sự độc lập nền tảng Tuy nhiên, mức độ ưu tiên của tác vụ ứng dụng chưa được giải quyết do mỗi nút cảm biến chỉ thực hiện được một tác vụ ứng dụng tại một thời điểm cụ thể

1.6.3 Giải pháp ảo hóa kết hợp

Giải pháp này lai kết hợp cả hai cơ chế ảo hóa cấp nút và ảo hóa cấp mạng Các giải pháp kết hợp được phân nhóm theo ba loại: giải pháp trung gian và giải pháp dựa trên cụm; giải pháp trung gian và mạng ảo / lớp phủ ảo; máy ảo và giải pháp dựa trên nhóm động

1.7 Ưu điểm và nhược điểm của ảo hóa mạng

1.7.1 Ưu điểm

 Chia sẻ hạ tầng vật lý

Cơ hội quan trọng nhất đằng sau ảo hóa mạng cảm biến là chia sẻ cơ sở hạ tầng vật lý Cùng với chiến lược giảm chi phí, các nhà khai thác mạng cảm biến đang liên tục khám phá việc triển khai các cơ sở hạ tầng chung để chia sẻ đầu tư vốn

 Giảm độ phức tạp và chi phí của sự tăng lớp phủ cảm biến

Rất khó để duy trì các mạng cảm biến khác nhau cho mục đích cá nhân Nó làm tăng sự phức tạp của bất kỳ ứng dụng nào Mặt khác nó rất tốn kém và khó khăn khi triển khai mạng phủ ảo trên một mạng cảm biến vật lý cụ thể Trong cả hai trường hợp, VWSN có thể cung cấp một giải pháp thay thế khả thi phù hợp về mức độ phức tạp và tăng chi phí phát sinh Các nhà cung cấp mạng cảm biến có thể triển khai ảo hóa mạng cảm biến dựa trên những vấn đề về tổ chức, thách thức quy định, bảo mật, khả năng

mở rộng và chất lượng trải nghiệm Nếu một tổ chức không triển khai công nghệ VWSN trong miền riêng của mình, tổ chức đó cần xây dựng các mạng riêng cho các dịch vụ khác nhau để duy trì các yêu cầu dịch vụ chất lượng

 Quản lý dịch vụ

Việc xã hội hóa cơ sở hạ tầng để tập trung vào kinh doanh theo định hướng dịch

vụ là cốt lõi Bên thứ ba trong bối cảnh này có thể trở thành nhà cung cấp cơ sở hạ

Trang 34

tầng và do đó có thể hưởng lợi từ các kỹ thuật ảo hóa cảm biến để tận dụng tốt hơn các khoản đầu tư của mình vào việc triển khai mạng cảm biến mới Cách tiếp cận tương tự

có thể được theo sau bởi các chính phủ hoặc các thực thể công nhằm mục đích triển khai cơ sở hạ tầng cảm biến chung, để thúc đẩy sự phát triển của xã hội kỹ thuật số

 Mang lại sự linh hoạt và khả năng mở rộng

Ảo hóa Mạng cảm biến mang đến một hướng mới về tính linh hoạt và khả năng

mở rộng cho cơ sở hạ tầng mạng Bằng cách giới thiệu khái niệm ảo hóa, có thể đảm bảo các vấn đề linh hoạt và khả năng mở rộng trong mạng cảm biến Nó có thể dễ dàng làm cho nhiều mạng cảm biến không đồng nhất có thể cùng tồn tại, giải quyết các vấn đề về khả năng mở rộng Nó cũng làm cho mạng trở nên linh hoạt hơn

 Kiến trúc đơn giản

VWSN cho phép một kiến trúc đơn giản phục vụ tất cả các ứng dụng và mạng như cảm biến âm thanh, nhiệt độ, chuyển động, quan sát đối tượng, giám sát môi trường, v.v, yêu cầu các mạng cảm biến mục đích cụ thể riêng lẻ và lặp lại không cần thiết Vì vậy, VWSN cung cấp một kiến trúc không đồng nhất đơn giản hóa của mạng cảm biến

 Tăng lợi nhuận

Ảo hóa trong các mạng cảm biến mở ra tiềm năng tăng lợi nhuận Thông qua khái niệm VWSN, cơ sở hạ tầng cảm biến tương tự có thể được chia sẻ bởi các nhà cung cấp dịch vụ ảo khác nhau, dẫn đến tăng lợi nhuận Mức độ lợi nhuận tăng lên khi mức độ dịch vụ tăng về mặt mạng cảm biến như một dịch vụ và phần mềm như một dịch vụ

1.7.2 Nhược điểm

 Giới hạn năng lượng

Khi các thiết bị tính toán tăng hiệu quả nhanh chóng thì sự tiêu thụ năng lượng của mạng cảm biến không dây giống như một nút cổ chai Do các cảm biến có kích thước nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìn cảm biến trong mạng, vì vậy ta không thể nối dây từ các cảm biến này đến nguồn năng lượng Đồng thời để có thể vận hành tự động thì các cảm biến cần phải có nguồn pin Vì năng lượng có sẵn

Trang 35

trong mỗi cảm biến chỉ giới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhận được khi duy trì đủ năng lượng để các cảm biến này hoạt động hiệu quả hơn

 Giới hạn về dải thông

Trong mạng cảm ứng, năng lượng được dùng trong xử lý dữ liệu ít hơn so với việc truyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệu khoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin nên không thể đồng bộ hóa được

Trang 36

Hình 19: Giải pháp ảo hóa kết hợp

giải pháp dựa trên vật phủ c) máy ảo và giải pháp dựa trên nhóm động

Nền tảng SenShare, hỗ trợ cả ảo hóa WSN-nút và cấp độ mạng Chúng xem xét các ứng dụng TinyOS với lớp trừu tượng phần cứng nhúng Các nguồn nút cảm biến

cơ bản sau đó được truy cập bằng cách sử dụng lớp thời gian chạy trên đầu TinyOS

Do TinyOS hỗ trợ nhiều tác vụ cùng một lúc, ảo hóa cấp nút được thực hiện Đối với

ảo hóa cấp mạng, một mạng lớp phủ sử dụng bộ sưu tập giao thức cây (CTP) được tạo

để nhóm các nút cảm biến thực hiện cùng một ứng dụng Các nút cảm biến phân tán vật lý thực thi cùng một ứng dụng có thể được nhóm thành một mạng lớp phủ duy nhất SenShare là giải pháp đầu tiên nhắm mục tiêu ảo hóa WSN toàn diện Nó hỗ trợ

ảo hóa cấp độ nút và mạng, mức độ ưu tiên của ứng dụng và tính không đồng nhất và

nó độc lập với bất kỳ miền ứng dụng nào Tuy nhiên, nó không độc lập với nền tảng vì chỉ các ứng dụng TinyOS được hỗ trợ

Melete [22] là một phần mở rộng của Maté và hỗ trợ cả ảo hóa cấp độ nút và mạng Việc thực thi đồng thời các tác vụ ứng dụng đạt được bằng cách thực hiện các cải tiến sau đây cho Maté: không gian lưu trữ và thực thi dành riêng cho các ứng dụng

để cho phép đồng thời và giao thức phổ biến mã để cho phép lập trình (chọn) lại các nút cảm biến Đối với ảo hóa cấp mạng, nó sử dụng kỹ thuật phân nhóm động của các nút cảm biến Một nút cảm biến có thể là một phần của nhiều nhóm logic cùng một lúc Cấu trúc liên kết mạng được hỗ trợ là một đồ thị được kết nối Melete không hỗ trợ ưu tiên ứng dụng và không độc lập với nền tảng Nó chỉ hỗ trợ một bộ ứng dụng hạn chế, nhưng nó giải quyết được sự thiếu đồng nhất

Sensomax sử dụng các thiết bị Java SunSpot và khai thác khả năng của chúng

để chạy các tác vụ ứng dụng đồng thời Mỗi ứng dụng người dùng được lập trình như một tác nhân và nhiều tác nhân có thể nằm trên một nút cảm biến Các đại lý được gửi

Trang 37

qua một trạm cơ sở và được truyền vào WSN bằng cách sử dụng phát sóng một bước

Ảo hóa cấp mạng sử dụng khái niệm cụm WSN được chia thành nhiều cụm, mỗi cụm

có một cụm chính riêng Các loại chế độ giao tiếp khác nhau được cung cấp để cho phép giao tiếp giữa các thực thể mạng khác nhau

Giải pháp

(năm)

Tách biệt giữa OS

& nhiệm

vụ

Ứng dụng thời gian thực

Mô hình thực thi

Ngôn ngữ lập trình

Giao thức

Cơ chế hình thành mạng

Sensomax

Các thuật toán phân

bổ nguồn lực dựa trên thị trường

Lớp phủ cấp mạng

Trang 38

Trang 39

CHƯƠNG 2: CÁC DỰ ÁN ẢO HÓA MẠNG

Từ lâu "mạng ảo" đã là cụm từ phổ biến, thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu mạng để mô tả các hoạt động trên mạng riêng ảo, mạng lớp phủ và mạng hoạt động hoặc lập trình Trong phần này,tôi sẽ tóm tắt các đặc điểm chính của một loạt các kiến trúc mạng ảo và các dự án liên quan (ví dụ: mạng chồng chéo, mạng lập trình hoặc thiết kế lấy cảm hứng từ mạng riêng ảo) Mạng riêng ảo (VPN) là mạng truyền thông chuyên dụng của một hoặc nhiều doanh nghiệp được phân phối trên nhiều trang web và được kết nối qua các đường hầm trên các mạng truyền thông công cộng như Internet

2.1 Đặc điểm

Do không có một thuật ngữ naò được thiết lập cho việc ảo hóa mạng, một nhóm nghiên cứu đã sử dụng một bộ thuật ngữ riêng để mô tả công việc của họ Tuy nhiên, một cuộc điều tra bí mật cho thấy một tập hợp các đặc tính quản lý quy định việc xây dựng các nguyên mẫu dưới đây

2.1.1 Công nghệ mạng

Xác định ngầm các thuộc tính của các mạng ảo được triển khai trên một nền tảng mạng cụ thể bằng bộ đặc tính độc quyền của nó Ví dụ: kiến trúc ảo hóa dựa trên các mạng có dây (ví dụ: X-Bone) có khả năng mở rộng hơn và khả thi về mặt băng thông hơn so với mạng dựa trên mạng không dây hoặc cảm biến

2.1.2 Lớp ảo hóa

Đề cập đến các lớp trong ngăn xếp mạng nơi ảo hóa được thực hiện Lớp ngăn xếp càng thấp thì khả năng một mạng ảo được triển khai trên nền tảng đó càng cao Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã cố gắng ảo hóa các lớp khác nhau của ngăn xếp mạng, bắt đầu từ lớp vật lý (ví dụ: UCLP) và tiếp tục đến lớp ứng dụng (ví dụ: PlanetLab)

2.1.3 Miền kiến trúc

Miền này chỉ ra mục tiêu của miền ứng dụng và miền kiến trúc, đưa ra các lựa chọn thiết kế được thực hiện khi xây dựng các kiến trúc và dịch vụ có thể được cung

Trang 40

cấp trên các nền tảng đó Ví dụ như : quản lý mạng ( VNRMS), mạng hoạt động ảo ( Net- Script) và mạng tái sản xuất (Genesis)

2.1.4 Mức độ chi tiết của ảo hóa

Mức độ chi tiết của ảo hóa đề cập đến mức độ chi tiết mà tại đó mỗi mạng ảo có thể tự quản lý Ở một đầu của phổ này, ảo hóa nút tạo ra các mạng ảo bằng cách kết nối các máy ảo trên các nút khác nhau (ví dụ: PlanetLab) Ở đầu bên kia, CABO và NouVeau đưa ra tính chính thống thực, trong đó mỗi mạng ảo có một đặc thù quy định riêng của mạng gốc

2.2 Công nghệ mạng

2.2.1 Mạng IP : X-Bone

X-Bone[25][26] lần đầu tiên được đề xuất như một hệ thống để triển khai, quản

lý nhanh chóng và tự động các mạng lớp phủ bằng cách sử dụng việc đóng gói để cho phép ảo hóa mạng Sau đó, ý tưởng này đã được mở rộng sang khái niệm về mạng ảo-Virtual Internet (VI), là một mạng IP bao gồm các liên kết ngầm giữa một tập hợp các

bộ định tuyến và máy chủ ảo với sự phát hiện, triển khai và hỗ trợ giám sát tài nguyên động

VI ảo hóa tất cả các thành phần của Internet: máy chủ, bộ định tuyến và liên kết giữa chúng Một nút mạng đơn có thể tham gia như một máy chủ ảo - Virtual host (VH), bộ định tuyến ảo - Virtual Router (VR) hoặc nhiều nút trong số chúng đồng thời trong VI Tất cả các thành phần tham gia vào VI phải hỗ trợ đa tầng vì ngay cả một máy chủ cơ sở có VH duy nhất cũng nhất thiết phải là thành viên của ít nhất hai mạng: Internet và lớp phủ VI Địa chỉ trong mỗi VI là duy nhất và có thể được sử dụng lại trong lớp phủ khác, trừ khi không có nút chung được chia sẻ trong mạng cơ bản giữa hai VI VI hoàn toàn tách rời mạng vật lý cơ bản khỏi các lớp phủ và nhiều VI có thể cùng tồn tại với nhau VI cũng hỗ trợ đệ quy điều khiển để cho phép quản lý mạng phân chia và đệ quy mạng để xếp chồng VI lên nhau

Gần đây, P2P-XBone [27] một phản ứng tổng hợp dựa trên sự liên kết ngang hàng của X-Bone, đã được đề xuất để cho phép kết nối hoặc ngắt kết nối giữa các nút tham gia từ VI Nó cũng cho phép tạo và giải phóng các đường hầm IP động, và cấu hình định tuyến tùy chỉnh

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	4,58 MB