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

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

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Ninh Xuân Phong - cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thântôi 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

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

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

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

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 : G iải pháp ảo h óa cấp nú t 3

Hình 2 : G iải pháp d ự a trên c ụ m m ạ ng c ả m bi ế n không d â y WS N 4

Hình 3 : G iải pháp d ự a trên m ạng ả o VSN 4

Hình 4a : Các giải p h á p d ự a trên c ụ m và phần m ề m trung ch u y ển 5

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

Hình 5 : K iến trúc nút cảm biến 8

Hình 7 : Ứ n g dụng W S N trong c ô ng nghi ệ p 10

Hình 8 : Ả o hóa WSN t heo dõi đá l ở và g iá m s át 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

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

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Internet

liệu

dụng

Engineers

Viện kỹ nghệ điện và điệntử

truyền

buộc

gần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi ởnước 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 đầytiềm năng Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có không ít cácnhà 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 tàiluận văn “NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU MỚITRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO” Với mục đích tìm hiểu về mạngcảm biến không dây, ảo hóa mạng cảm biến không dây, các giao thức định tuyến vàphương pháp thu thập dữ liệu và tiết kiệm năng lượng Trong luận văn còn thực hiệnmột số mô phỏng các giao thức mạng, các giao thức định tuyến với mục đích tìm hiểuphương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ mộtchương 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n Chương 5: Kết luận

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

3

GIỚI THIỆU CHUNG

Cùng với sự phát triển của con người, sự góp mặt của công nghệ thực sự cầnthiết 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] làthành phần cốt yếu trong sự phát triển mẫu mô hình thế giới vạn vật – Internet ofThings ( IoTs) Mạng cảm biến không dây được ứng dụng đa dạng trên mọi lĩnh vựccủa cuộc sống như : Y tế, nông nghiệp, công nghiệp, môi trường, quân đội,vv Mạngcảm biến không dây chứa một vài đến hàng nghìn nút cảm biến không dây nhỏ có khảnăng tự cảm nhận, tính toán và giao tiếp giúp con người và máy móc có thể giao tiếptrực tiếp với môi trường Những tiến bộ gần đây trong truyền thông và điện tử khôngdây ngày càng phát triển với chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, đa chức năng vàkích thước nhỏ [3]

Mỗi nút cảm biến được trang bị một bộ xử lý riêng Bên cạnh đó còn tồn tạimột số mặt hạn chế như: giao tiếp trong khoảng cách ngắn; hạn chế về khả năng kếtnối giữa các nút cảm biến, cảm biến chạy bằng pin thuận tiện cho việc phân tích dữliệu trong từng nút yêu cầu bộ nhớ lớn, chi phí cao và hạn chế năng lượng Trongtrường hợp này các nút cảm biến thường được phân tán một cách ngẫu nhiên và khôngthể điều khiển các cảm biến hoạt động Giải pháp cho những vấn đề này là Ảo hóamạng cảm biến không dây (Virtual Sensor Network - VSN) để giúp WSN có thêmnăng 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 cảmbiến không dây cung cấp bởi pin hoặc nguồn điện viết tắt là WSN-HEAP[4] và một sốphương pháp về thu thập năng lượng để sạc pin bổ sung [5], [6], nhưng chủ yếu tậptrung vào các thiết bị điều khiển trong mạng cảm biến không dây thông qua trang webdựa 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 tàinguyên ảo Một VSN được xây dựng từ một hoặc một vài WSN để làm cho WSN trởnên 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

4

Ảo hóa cấp nút cho phép nhiều tác vụ chạy đồng thời trên một nút cảm biến đểchia sẻ dữ liệu được thu thập từ WSN, để nút cảm biến có thể trở thành thiết bị đa mụcđích (Hình 1) Để đạt được mức ảo hóa cấp nút có hai cách: Thực thi tuần tự và thựcthi 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 chomạng cảm biến ảo (VSN) Một VSN được hình thành bởi một tập hợp các nút củaWSN dành riêng cho một tác vụ tại một thời điểm nhất định để đảm bảo hiệu quả tàinguyên, bởi vì các nút còn lại có sẵn cho nhiều mức khác nhau trong các tác vụ Ảohóa 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 làmột 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 VSNkhác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

5

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 triểnkhai được chia thành nhiều cụm bao gồm các nút cảm biến Mỗi cụm được dành riêngcho 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 dànhriêng 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 cảmbiến có thể có vai trò kép, tức là một nút cảm biến có thể đóng vai trò là nút chính chomột ứng dụng đồng thời nó có thể là nút thành viên cho một ứng dụng khác Vai tròcủa mỗi nút phụ thuộc vào các tác vụ ứng dụng nằm trong nút cảm biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

6

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): Lớpphủ cấp mạng được tạo để nhóm các nút WSN thực thi ứng dụng tương tự, sử dụnggiao thức cây thu thập dữ liệu (CTP) [7] Các nhóm vật lý phân tán thực thi các ứngdụng tương tự có thể được tham gia vào một mạng lớp phủ duy nhất Để cách ly giữalưu lượng truy cập từ nhiều ứng dụng khác nhau, mỗi gói ứng dụng được sửa đổi baogồm ID ứng dụng cùng với số thứ tự, địa chỉ gốc và địa chỉ đích Một ứng dụng có thểđược thực hiện bởi các nút cảm biến vật lý phân tán Liên kết các cụm phân tán nàyvào một mạng được kết nối ảo duy nhất yêu cầu giao thức hình thành lớp phủ sử dụngcấu 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 nútWSN được triển khai để thực thi đồng thời nhiều ứng dụng Các nút WSN có thể làmột phần của nhiều nhóm logic cùng một lúc Mỗi nhóm logic được dành riêng cho

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

7

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 nhómbằng cách sử dụng các mục tiêu thiết kế đã nói ở trên Tất cả các nút WSN duy trìthông tin phiên bản của các ứng dụng và triển khai nó trong nhóm làm cho các nútWSN tự nhận biết khi nào cần cập nhật mã ứng dụng Điều này tiết kiệm năng lượngbằng 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 viếttrình bày dựa trên mô phỏng cũng như kết quả thực hiện

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

8

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 ảnhhưởng 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, tăngtính linh hoạt (để dễ dàng cho quá trình triển khai và thích nghi nhanh chóng vào môitrường) và tiết kiệm năng lượng (khả năng xử lý, giao tiếp, bộ nhớ và khả năng lưutrữ)

Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộthu 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 diđộng Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 5 Bộ cảm biếnthường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổitương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó đượcchuyển 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 cácthủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảmbảo truyền thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vôtuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút cảmbiến là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc nguồn năng lượng mặt trời, cung cấpnăng lượng cho nút cảm biến Do không thể liên tục thay thế nên nguồn năng lượngcủa 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 cảmbiến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút cảmbiến 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

9

Hình 5 : Kiến trúc nút cảm biến

Tùy vào mỗi môi trường khác nhau: dưới nước, trong lòng đất, trên mặtđất,v.v… thì sẽ triển khai kiểu mạng không dây khác nhau Dưới đây là một số ứngdụng 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

thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệuđược lưu trữ,vv Ngoài ra, trong một số ứng dụng điều khiển trên diện rộng thì mạngcảm biến không dây cũng thể hiện nhiều tính năng vượt trội Đó là hệ thống điều khiểnkhông 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 bóngđèn,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 theonhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh đượcyêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo Hay việc sử dụng các mạng cảm biếnkhông dây trong các ứng dụng an toàn công nghiệp Các mạng cảm biến không dâynày có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặccác vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hởhoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêmtrọng có xảy ra (và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát) Bởi vì mạngkhông dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường địnhtuyến và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quátrình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyềnvới thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó Trong một ứngdụng khác, đó là quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trongkhông gian là một lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây

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 cácđiều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; cáccông 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 khôngkhí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũlụt; 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 trạichăn nuôi Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyếtđịnh vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi độngvật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật kýsinh 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 khắpchuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn

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 cảmbiến được triển khai dọc theo các khu vực núi Có các hệ thống tín hiệu khẩn cấp đểlàm cho người dân và động vật nhận thức được Một WSN vật lý duy nhất được triểnkhai, nhưng nó được sử dụng bởi hai VWSN Một VWSN giám sát các slide đá và mộtVWSN khác giám sát các động vật băng qua địa hình đồi núi Cả hai ứng dụng đượckết xuất bởi hai VWSN đều sử dụng cùng một nút cảm biến vật lý và chuyển tiếp dữliệu 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 vàthiết 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 bộtập trung trước khi tiếp tục đến đích Trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tậptrung 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

Ưu điểm:

Hình 9 : Cấu trúc liên kết mạng sao

- 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 đínhkèm 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 liênkết và liên kết sao Nó bao gồm các nhóm cấu hình sao để đáp ứng nhu cầu của chúng

Ưu điểm:

Hình 10: Cấu trúc liên kết mạng cây

- 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

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 khôngphân cấp với càng nhiều nút càng tốt và hợp tác với một nút khác để định tuyến hiệuquả dữ liệu đến khách hàng Tính độc lập trong một nút cho phép mọi nút tham giavào 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 côngviệc chủ động, đặc biệt trong trường hợp một vài nút bị lỗi Điều này lần lượt góp phầnvào 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 bộhay mạng cây thông thường trong đó các cầu nối hay công tắc được liên kết trực tiếpvới 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 câyđược thiết lập rất hợp lý, được tiêu chuẩn hóa cao và trung lập với nhà cung cấp tuynhiên các nhà cung cấp thiết bị mạng lưới vẫn chưa hợp nhất các tiêu chuẩn chung vàkhả năng tương tác giữa các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau vẫn chưa đượcđảm bảo

Ưu điểm:

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

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

- Một cấu trúc liên kết lưới có thể xử lý lưu lượng mạng lớn vì mỗi thiết bị bổsung 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 cóthể 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 rấtnhiều 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 cánhân (WPANs) Được thiết kế với chi phí thấp, công suất thấp và chu kỳ nhiệm vụthấp, công nghệ ZigBee rất lý tưởng cho các mạng cảm biến không dây (WSN) và cácmạng năng lượng thấp khác trải rộng khoảng cách lớn ZigBee xây dựng theo tiêuchuẩn IEEE 802.15.4, nhưng bổ sung khả năng kết nối mạng lưới với chức năng đanhiệm 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 mởrộng và phân cấp

Hình 12 : Module Xbee

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

giao thức khác Bất kỳ thiết bị nào của nhà sản xuất có hỗ trợ đầy đủ tiêu chuẩnZigBee 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 kếcho 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 tiêntiến, 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 biếncông nghiệp và chăm sóc sức khỏe Nó có tính năng tự đánh địa chỉ đầy đủ, nhiều tùychọn tiết kiệm năng lượng, tối ưu hóa hiệu quả trong các ứng dụng băng thông thấp vàcách 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 xungquanh 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 khácnhau của họ

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

1.4.2 Bluetooth (BLE)

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

ứng và mang lại giao diện người dùng phong phú Điện thoại thông minh cũng có thểtruyền 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 côngnghệ 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 cáchngắn sử dụng bước sóng vô tuyến ngắn để giảm thiểu điện năng tiêu thụ Các nhóm lợiích đặc biệt Bluetooth (SIG) sản xuất Bluetooth 4.1 cung cấp Bluetooth năng lượngthấp 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 pháttriển 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 bittruyền Ngăn xếp mạng BLE cho phép: Ở mức thấp nhất của ngăn xếp BLE đó là mộtlớp vật lý (PHY), lớp này truyền và nhận bit Trong PHY, liên kết của lớp dịch vụ baogồm truy cập trung bình, thiết lập kết nối, kiểm soát lỗi, và điều khiển lưu lượng đượccung cấp Sau đó điều khiển logic và giao thức thích ứng (L2CAP) cung cấp ghépkênh cho dữ liệu kênh, phân mảnh và tái hợp các gói lớn hơn Các lớp trên là giao thứcGeneric thuộc tính (GATT) mà cung cấp hiệu quả dữ liệu kết nối từ các cảm biến, vàGeneric 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 mạngtopo hình sao Đối với các cơ chế phát hiện, thiết bị phụ thuộc gửi các quảng cáo trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

một hoặc nhiều kênh quảng cáo chuyên dụng Để được phát hiện như là thiết bị phụthuộc, các kênh này được quét bởi các thiết bị Khi quét, ngoại trừ thời gian khi haithiết 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 tửkhông dây Sóng vô tuyến là một dạng bức xạ điện từ có tần số vô tuyến xác định nằmtrong khoảng từ 3Hz đến 300 GHz Tần số đề cập đến tốc độ dao động (của sóng vôtuyến) Truyền thông RF được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm phátsóng 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

lẻ như bộ trộn, bộ lọc và bộ khuếch đại công suất có thể được phân loại theo dải tần sốhoạt 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 dảitần số này Bản chất không được cấp phép của nó đã khiến các băng tần ISM trở thànhlựa chọn phổ biến cho nhiều công nghệ không dây, chẳng hạn như ZigBee (IEEE802.15.4), Bluetooth (IEEE 802.15.1) và Wi-Fi (802.11) Nhiều công nghệ 2.4GHzkhác 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 trongvùng và các tài nguyên bao gồm các loại nút cảm biến khác nhau [17] SInP được biểuthị thông qua loại dịch vụ mà họ cung cấp Trong số các nút cảm biến, có một số bộđịnh tuyến mạng cảm biến (SGR) [18] đóng vai trò là nút tập trung SGR được kết nốithông 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 địnhtuyến 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 VSNbằng cách chia sẻ tài nguyên mạng ảo được phân bổ để cung cấp dịch vụ người dùngứng dụng đầu cuối SVNSP [18] có thể đạt được các dịch vụ mạng từ nhiều InP Các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

tài nguyên được sử dụng bởi SVNSP có thể được các SVNSP khác sử dụng lại theocách 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 tồntại của nhiều SVNSP từ các SInP cạnh tranh cung cấp nhiều lựa chọn Đối với nhiềuứng dụng, bất kỳ người sử dụng nào từ SInP khác nhau đều có thể kết nối với nhiềumạng 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 kếthợp Các giải pháp lai kết hợp cả ảo hóa cấp độ nút và mạng Mỗi loại ảo hóa lại đượcphân 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 gianMiddleware (VM / M) Trong các giải pháp dựa trên hệ điều hành cảm biến, ảo hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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 cáctác 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 vànền 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 cầnphát triển thêm và chế độ tiết kiệm năng lượng đồng bộ băng thông thấp Chế độ băngthông thấp giữ cho các nút ở chế độ năng lượng thấp trong mọi thời điểm mà vẫn giữcho chúng được đồng bộ hóa để truyền và nhận Điều này cho phép mỗi nút 'ngủ', tiếtkiệm pin, nhưng đồng bộ khiến toàn bộ mạng khởi động và gửi thông tin của chúngcùng lúc khi cần thiết Trong khi MSP430 chạy TinyOS, phần lớn việc phát triển ứngdụng 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 trườngTinyOS NesC cung cấp một mô hình lập trình hướng sự kiện trên ngôn ngữ C, trừutượng hóa chức năng C cấp thấp thành ngôn ngữ cấp cao hơn được thiết kế cho các hệthống nhúng Như vậy, nó xử lý một cách trừu tượng các vấn đề tiềm ẩn liên quan đếncác hệ thống phân tán Ví dụ, NesC phát hiện các điều kiện hoạt động thông qua phântích mã tĩnh trước khi mạng được triển khai, ngăn chặn các mối nguy hiểm tại thờigian 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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 cáctác vụ xử lý và lịch trình với First in First Out (FIFO) [16] Mô hình đồng thời đơngiản này thường đủ cho các ứng dụng trung tâm I / O, những khó khăn của nó với cácứng dụng nặng CPU đã dẫn đến một số đề xuất để kết hợp các luồng thông tin vào hệđiều hành

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

Maté [19] là một công việc đầu tiên cung cấp thực thi tuần tự các tác vụ ứngdụng trên các nút cảm biến thế hệ đầu hạn chế nguồn Nó là một máy ảo nhỏ bao gồmmột trình thông dịch mã nhị phân dựa trên ngăn xếp và hoạt động trên TinyOS Cáctác vụ ứng dụng được chia thành các mã mã tối đa 24 lệnh và được thực hiện riêng rẽtừng cái một Một sơ đồ phân phối mã virus được sử dụng để truyền mã và lập trình tạicác nút cảm biến Vì có sự kết hợp chặt chẽ giữa mã ứng dụng và TinyOS nên việc càiđặt 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 lậpvới nền tảng vì nó chỉ hoạt động trên TinyOS nhưng nó giải quyết vấn đề không đồngnhất với nhau

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

bản cài đặt Contiki đầy đủ bao gồm các tính năng như: nhân đa nhiệm, đa luồng ưutiên, chống trùng lặp, mạng TCP / IP, IPv6, giao diện người dùng đồ họa, trình duyệtweb, 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 luồngđược ưu tiên cũng được cung cấp dưới dạng tùy chọn, dưới dạng thư viện và được hiểnthị dưới dạng API để các ứng dụng bổ sung các chức năng cần thiết Ưu tiên được thựchiện 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 phầncứng Người ta thấy rằng kích thước mã của các ứng dụng tương tự trong Contiki lớnhơn trong TinyOS nhưng nhỏ hơn trong MANTIS.Như thể hiện trong bảng 1 là cácđặc điểm của ảo hóa cấp độ nút

HTTP, COAP, Chỉ dùng trong

ứng dụnghướng 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 dựatrên mạng ảo và giải pháp dựa trên cụm Các giải pháp dựa trên mạng ảo sử dụng kháiniệm 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 trêncụm, các nút trong mạng vật lý được nhóm để làm việc cùng nhau trong các nhómđược kết nối trong cụm Không giống như mạng ảo / lớp phủ, phân cụm giống nhưphân vùng vật lý của mạng - nơi một phần của mạng được sử dụng bởi một ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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 thườngcác 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 hiệntượng động Các nút cảm biến trong mỗi tác vụ thực hiện nhiều chức năng Nghĩa làmột nút cảm biến có thể là một phần của nhiều cụm Với mỗi cụm dành riêng cho mộtứng dụng, WSN có thể được sử dụng đồng thời với nhiều ứng dụng, từ đó thực hiện ảohóa cấp mạng Bên cạnh đó cũng tồn tại một số quá trình thực hiện kém chất lượng vềcác chi tiết kỹ thuật (ví dụ: cách các nút riêng lẻ thực hiện các tác vụ ứng dụng) Hơnnữa, chưa có đề xuất nào về mức độ ưu tiên của ứng dụng, tính không đồng nhất vàtính độc lập cơ sở chưa được giải quyết Vấn đề này đã được làm rõ trong [21] để tạođiều kiện cho việc tạo, vận hành và bảo trì các cụm để đạt được ảo hóa cấp mạng Khimột vấn đề được phát hiện, các nút cảm biến được nhóm thành một cụm động bằngcách 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 nhiềunhiệm vụ cùng một lúc Mỗi nhiệm vụ sử dụng một tập hợp con chuyên dụng của cácnút cảm biến không được chia sẻ với các nhiệm vụ khác Việc phân công nhiệm vụđược mô hình hóa như một biểu đồ lưỡng cực có trọng số để giảm tối ưu các nút cảmbiến trong các nhiệm vụ Khi đạt được một nhiệm vụ sẽ tạo ra nhiều lợi nhuận, vì vậy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

mục tiêu là tối đa hóa lợi nhuận bằng cách đạt được càng nhiều nhiệm vụ càng tốt Cảhai giải pháp tập trung và phân tán đều được đề xuất, sử dụng các kết quả thực thi vàthuật toán nhận biết năng lượng Giải pháp này không đề cập đến bất kỳ miền ứngdụng 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 cảmbiến 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 Cácgiải pháp kết hợp được phân nhóm theo ba loại: giải pháp trung gian và giải pháp dựatrên cụm; giải pháp trung gian và mạng ảo / lớp phủ ảo; máy ảo và giải pháp dựa trênnhóm 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 tầngvật lý Cùng với chiến lược giảm chi phí, các nhà khai thác mạng cảm biến đang liêntục 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 làmtăng sự phức tạp của bất kỳ ứng dụng nào Mặt khác nó rất tốn kém và khó khăn khitriển 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 vàtăng chi phí phát sinh Các nhà cung cấp mạng cảm biến có thể triển khai ảo hóa mạngcảm 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 nghệVWSN trong miền riêng của mình, tổ chức đó cần xây dựng các mạng riêng cho cácdịch 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

tầng và do đó có thể hưởng lợi từ các kỹ thuật ảo hóa cảm biến để tận dụng tốt hơn cáckhoản 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 triểnkhai 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 đảmbảo các vấn đề linh hoạt và khả năng mở rộng trong mạng cảm biến Nó có thể dễdàng làm cho nhiều mạng cảm biến không đồng nhất có thể cùng tồn tại, giải quyết cácvấn 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 mạngnhư cảm biến âm thanh, nhiệt độ, chuyển động, quan sát đối tượng, giám sát môitrường, v.v, yêu cầu các mạng cảm biến mục đích cụ thể riêng lẻ và lặp lại không cầnthiết Vì vậy, VWSN cung cấp một kiến trúc không đồng nhất đơn giản hóa của mạngcảm biến

 Tăng lợi nhuận

Ảo hóa trong các mạng cảm biến mở ra tiềm năng tăng lợi nhuận Thông quakhái niệm VWSN, cơ sở hạ tầng cảm biến tương tự có thể được chia sẻ bởi các nhàcung cấp dịch vụ ảo khác nhau, dẫn đến tăng lợi nhuận Mức độ lợi nhuận tăng lên khimức độ dịch vụ tăng về mặt mạng cảm biến như một dịch vụ và phần mềm như mộtdịch 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 lượngcủa mạng cảm biến không dây giống như một nút cổ chai Do các cảm biến có kíchthước nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìn cảm biến trong mạng, vìvậy ta không thể nối dây từ các cảm biến này đến nguồn năng lượng Đồng thời để cóthể vận hành tự động thì các cảm biến cần phải có nguồn pin Vì năng lượng có sẵn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

trong mỗi cảm biến chỉ giới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhận đượckhi 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 vớiviệc truyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệukhoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việctruyền thông tin nên không thể đồng bộ hóa được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

Hình 19: Giải pháp ảo hóa kết hợp.

a) phần mềm trung gian và giải pháp dựa trên cụm b) phần mềm trung gian và

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 xétcác 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 tánvật lý thực thi cùng một ứng dụng có thể được nhóm thành một mạng lớp phủ duynhất 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 vìchỉ 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 vàmạng Việc thực thi đồng thời các tác vụ ứng dụng đạt được bằng cách thực hiện cáccải 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 cácnút cảm biến Đối với ảo hóa cấp mạng, nó sử dụng kỹ thuật phân nhóm động của cácnút cảm biến Một nút cảm biến có thể là một phần của nhiều nhóm logic cùng mộtlúc Cấu trúc liên kết mạng được hỗ trợ là một đồ thị được kết nối Melete không hỗtrợ ưu tiên ứng dụng và không độc lập với nền tảng Nó chỉ hỗ trợ một bộ ứng dụnghạn 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 nhưmột tác nhân và nhiều tác nhân có thể nằm trên một nút cảm biến Các đại lý được gửi

Tách biệt

Cơ chế

(năm) & nhiệm dụng thời thực thi lập trình thức thành

trên thịtrường

nesC

Bộ sưuShenShare

(CTP)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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 chophép giao tiếp giữa các thực thể mạng khác nhau

chủ đề

sự kiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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 nhànghiên cứu mạng để mô tả các hoạt động trên mạng riêng ảo, mạng lớp phủ và mạnghoạt động hoặc lập trình Trong phần này,tôi sẽ tóm tắt các đặc điểm chính của mộtloạt các kiến trúc mạng ảo và các dự án liên quan (ví dụ: mạng chồng chéo, mạng lậptrình hoặc thiết kế lấy cảm hứng từ mạng riêng ảo) Mạng riêng ảo (VPN) là mạngtruyền thông chuyên dụng của một hoặc nhiều doanh nghiệp được phân phối trênnhiều trang web và được kết nối qua các đường hầm trên các mạng truyền thông côngcộng như Internet

2.1 Đặc điểm

Do không có một thuật ngữ naò được thiết lập cho việc ảo hóa mạng, một nhómnghiên 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 xâydựng 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 nềntảng mạng cụ thể bằng bộ đặc tính độc quyền của nó Ví dụ: kiến trúc ảo hóa dựa trêncác mạng có dây (ví dụ: X-Bone) có khả năng mở rộng hơn và khả thi về mặt băngthông 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 ngănxếp 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 ngănxếp 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 lựachọn thiết kế được thực hiện khi xây dựng các kiến trúc và dịch vụ có thể được cung