Nghiên cứu một sô kỹ thuật định tuyến của mạng cảm biến không dây dựa trên bảng băm phân tán và ứng dụng

Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt Network Cell Hash Routting Topology based Distributed Hash Table Virtual Ring Routting Peer to peer Data Store Center Low-energy adaptive clustering

Tr-ờng đại học công nghệ thông tin và truyền thông

Tr-ờng đại học công nghệ thông tin và truyền thông

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sỹ này tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của Nhà giáo ưu tú - TS Phạm Việt Bình Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài các tài liệu đã liệt kê, tôi cam đoan không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2013

Nguyễn Thành Trung

Trước hết, tôi vô cùng biết ơn sâu sắc đến Nhà giáo ưu tú - TS Phạm Việt Bình, người thầy đã trực tiếp dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, cung cấp những thông tin, tài liệu quý báu giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm Dự án quốc tế VLIR – Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo nhiều điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này

Sau cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến người thân, cùng bạn bè, đồng nghiệp cơ quan, những người luôn cổ vũ động viên tôi hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp này

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2013

Nguyễn Thành Trung

Ở 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ 2

ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG BẢNG BĂM PHÂN TÁN 2

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây -WSN 2

1.2 Cấu trúc của WSNs 5

1.2.1 Cấu trúc một node mạng WSNs 5

1.2.2 Cấu trúc mạng cả biến không dây 7

1.3 Đặc trưng của mạng cảm biến không dây 11

1.3.1 Năng lượng tiêu thụ 11

1.3.2 Chi phí 11

1.3.3 Loại hình mạng 12

1.3.4 Tính bảo mật 12

1.3.5 Độ trễ 13

1.3.6 Tính di động 13

1.4 Những thách thức trong việc triển khai mạng cảm biến không dây 13

1.4.1 Giới hạn về năng lượng 13

1.4.2 Giới hạn về phần cứng 13

1.4.3 Ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường 14

1.4.4 Định tuyến trong WSNs 14

1.5 Tổng quan về Bảng băm phân tán 15

1.5.1 Bảng băm (Hash Table) 15

1.5.2 Bảng băm phân tán (Distributed Hash Table) 16

1.6 Định tuyến sử dụng Bảng băm phân tán 18

1.6.1.Sử dụng ý tưởng định tuyến của mạng P2P trong mạng cảm biến không dây 18

1.6.2 Ánh xạ giữa mạng ngang hàng với mạng cảm biến thông qua Bảng băm phân tán 19 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG BẢNG BĂM 22

2.1 Kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến – CSN ( Chord for Sensor

Netwworks ) 22

2.1.1 Nghiên cứu về CSN 22

2.1.2 Phương thức chuỗi (Chain method) 26

2.1.3 Phương thức lấy trung bình (Set-Average Method) 26

2.1.4 EEmode và Rmode 27

2.1.5 Lưu đồ kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến không dây 29

2.1.6 Nhận xét về kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến 30

2.2 Kỹ thuật định tuyến băm ô – CHR ( Cell Hash Routing) 31

2.2.1 Nghiên cứu về CHR 31

2.2.2 Phần bên trong của một ô 32

2.2.3 Định tuyến trong CHR 34

2.2.4 Lưu đồ kỹ thuật định tuyến băm ô 36

2.2.5 Nhận xét về CHR 37

2.3 Kỹ thuật bảng băm phân tán dựa theo cấu trúc của mạng 39

2.3.1 Nghiên cứu về T-DHT 39

2.3.2 Cấu trúc mạng cảm biến theo định hướng bảng băm 40

2.3.3 Lưu đồ kỹ thuật bảng băm phân tán dựa theocấu trúc mạng 43

2.3.4 Nhận xét về T-DHT 44

2.4 Kỹ thuật định tuyến dựa theo cấu trúc vòng ảo – VRR 45

2.4.1 Nghiên cứu về VRR 45

2.4.2 Định tuyến với VRR 47

2.4.3 Lưu đồ kỹ thuật dựa theo cấu trúc vòng ảo 48

2.4.4 Nhận xét về kỹ thuật dựa theo cấu trúc vòng ảo 49

2.5 Kỹ thuật bảng băm theo vị trí địa lý – GHT (Goegraphic Hash Table) 50 2.5.1.Nghiên cứu về kỹ thuật bảng băm theo vị trí địa lý 50

2.5.2.GPSR 53

2.5.3 Home node và Home perimetter 55

2.5.5 Lưu đồ kỹ thuật bảng băm theo vị trí địa lý 58

2.5.6 Đánh giá về kỹ thuật bảng băm theo vị trí địa lý 60

2.6 Đánh giá và so sánh tổng quan về các kỹ thuật định tuyến 60

CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN VỊ TRÍ ĐỊA LÝ 62

3.1 Các phương pháp đánh giá, thử nghiệm mạng cảm biến không dây 62

3.2 Khảo sát một số mô phỏng sử dụng cho mạng cảm biến 63

3.2.1 Tiêu chí phân loại 63

3.2.2 Phân loại các công cụ mô phỏng theo chức năng 63

3.3 Xây dựng mô phỏng theo kỹ thuật GHT 64

3.3.1 Xây dựng chương trình mô phỏng 64

3.3.2 Kết quả mô phỏng mạng cảm biến 66

KẾT LUẬN 69

Tài liệu tham khảo 70

Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

Network Cell Hash Routting Topology based Distributed Hash Table Virtual Ring Routting

Peer to peer Data Store Center Low-energy adaptive clustering hierarchy Analog to Digital Converter

Greedy Perimetter Statelees Routting

Mạng cảm biến không dây Bảng băm phân tán

Bảng băm phân tán theo vị trí địa lý

Kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến

Kỹ thuật định tuyến băm ô

Kỹ thuật định tuyến bảng băm phân tán dựa theo cấu trúc mạng

Kỹ thuật định tuyến dựa theo cấu trúc vòng ảo

Mạng ngang hàng Lưu trữ dữ liệu trung tâm Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp

Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

Định tuyến theo phương pháp tham lam và chu vi

Hình 1.1 Biểu tượng của mạng cảm biến 2

Hình 1.2 Nút cảm biến không dây của Zolertia Z1 4

Hình 1.3 Các thành phần của một nút cảm ứng 6

Hình 1.4: Cấu trúc phẳng của một mạng cảm biến 7

Hình 1.5: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây 8

Hình 1.6: Cấu trúc mạng được phân cấp theo chức năng 8

Hình 1.7: Mô tả hoạt động của bảng băm 15

Hình 1.8: Lưu trữ và tìm kiếm dữ liệu trong DHT 17

Hình 1.9: Kiến trúc bảng băm phân tán 18

Hình 1.10: Mô hình định tuyến cơ bản của DHTs 20

Hình 2.1 : Một mạng Chord với 3 nút 23

Hình 2.2: Alpha-1 và Alpha-m sẽ không thực hiện giao tiếp trực tiếp 24

Hình 2.3: Thuật toán mô phỏng phương thức chuỗi (Chain) 26

Hình 2.4: Thuật toán theo phương thức lấy trung bình 27

Hình 2.5: Sự giao thoa về xử lý giữa Rmode và EEmode 28

Hình 2.6: Phân chia không gian thành các ô với kích thước cố định 32

Hình 2.7: Định nghĩa về đồ thị của các cụm 33

Hình 2.9: Home cell và Home perimetter 34

Hình 2.10: Vị trí địa lý của các nút 41

Hình 2.11: Không gian của các nút trên hệ toạ độ ảo 41

Hình 2.12: Kết quả sau khi phân chia khu vực mỗi nút vào các hình chữ nhật và đưa thông tin toàn mạng vào bảng băm phân tán hai chiều 42

Hình 2.13: Liên kết giữa cấu trúc mạng vòng ảo và 46

Hình 2.14: Một ví dụ về GHT 52

Hình 2.15: Phương pháp chuyển tiếp tham lam 54

Hình 2.16: Một ví dụ về việc x không có hàng xóm gần nhất đến D 55

Hình 2.17: Quy tắc bàn tay phải 55

Hình 3.1: Thử nghiệm mạng cảm biến không dây trên phạm vi 100x100 m 66

Hình 3.3: Hiển thị phạm vi phủ sóng của các nút cảm biến 67 Hình 3.4: Đánh giá về việc tiêu thụ năng lượng trong toàn mạng 68 Hình 3.5: Đánh giá về độ lớn trung bình của các đường truyền định tuyến 68 Hình 3.6: Đánh giá độ chính xác ngay cả khi các nút mạng xảy ra mất liên kết hay di động 68

Nhờ có sự tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến, trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN –Wireless Sensor Network) với giá thành rẻ, mức tiêu thụ năng lượng thấp và đa chức năng đang rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin Hiện nay, việc tập trung vào nghiên cứu, ứng dụng mạng cảm biến không dây vào trong cuộc sống hàng ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày với các lĩnh vực như: môi trường, y tế, quân sự, kinh doanh, cảnh báo tự động… Tuy nhiên, việc nghiên cứu và xây dựng mạng cảm biến không dây cũng gặp nhiều những khó khăn và thách thức Và một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến không dây là vấn

đề duy trì năng lượng của các thiết bị trong mạng Với nguồn năng lượng giới hạn của WSN Hiện nay đang có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả năng, sử dụng hiệu quả năng lượng của WSNs trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nghiên cứu của nhiều tác giả đã khẳng định, nâng cao sự tồn tại (thời gian sống) của mạng, hay giảm thiểu tổn hao năng lượng trong hoạt động của mạng WSNs chính là quá trình truyền thông Do đó, việc tối ưu kỹ thuật định tuyến trong WSNs luôn là chủ đề nghiên cứu mang tính thời sự

Luận văn nghiên cứu chia làm ba phần

Chương 1: Đưa ra khái niệm tổng quan mạng cảm biến không dây Chương 2: Phân tích một số kỹ thuật định tuyến sử dụng bảng băm phân tán (DHTs – Distribute Hash Table) như: GHT, CSN, CHR, T-DHT, VRR và việc nghiên cứu, kế thừa kỹ thuật DHTs trong việc định tuyến với mạng WSNs

Chương 3: Dựa trên những kết quả phân tích đạt được, cài đặt, thử nghiệm và đánh giá kết quả kỹ thuật định tuyến

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ

ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG BẢNG BĂM PHÂN TÁN

Chương này trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, các thách thức trong triển khai mạng cảm biến Và giải pháp ứng dụng bảng băm phân tán vào việc định tuyến trong mạng cảm biến không dây nhằm giải quyết những vấn đề về năng lượng, khả năng mở rộng, tra cứu, tìm kiếm dữ liệu… Trong đó đáng quan tâm nhất là việc sử dụng năng lượng hiệu quả trong việc định tuyến

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây -WSN

Mạng cảm biến không dây là một trong những lĩnh vực công nghệ thông tin mới và đang phát triển nhanh chóng, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe… Những nghiên cứu tổng quan nhất của mạng cảm biến không dây được đề cập chi tiết tại [2] của những tài liệu

sử dụng trong luận văn

Hình 1.1 Biểu tượng của mạng cảm biến

Mạng cảm biến không dây là mạng liên kết các nút với nhau nhờ sóng radio Nhưng trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu Các nút mạng thường là các thiết bị

đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp,… và có số lượng lớn Được phân bố không

có hệ thống và triển khai trên một phạm vi rộng, nguồn năng lượng được sử dụng trong WSNs là pin nên không tránh khỏi việc hạn chế về mặt thời gian trong những hoạt động lâu dài

Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng Cellular, mạng WLAN, và mạng phạm vi nhỏ (Bluetooth) Các gói chuyển từ mạng này sang mạng khác

sẽ đươc hỗ trợ qua internet không dây Mạng Cellular đích đến là những người

sử dụng với tính di động cao Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Dopper Mặt khác,WLAN có tốc độ dữ liệu cao Bluetooth và Home RF đích đến là tại phạm vi nhỏ Tốc độ dữ liệu mong muốn cho dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp

WSNs khác với các mạng trên, nó có một số lượng lớn các nút Khoảng cách giữa các nút liền kề là ngắn hơn so với các mạng trên Do WSN hoàn toàn chỉ là các nút, chi phí cho mỗi nút là nhỏ Mức tiêu thụ năng lượng cũng thấp hơn nhiều, nhưng với số lượng lớn các nút việc thay thế pin cho mỗi nút rất vất vả, thậm chí cả khi là một tháng phải có thay thế một lần cũng là quá vất vả

Một số đặc điểm của mạng cảm biến không dây:

 Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người

 Truyền thông tin cậy, quảng bá trọng phạm vi hẹp và định tuyến

đa bước nhảy

 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến

 Cấu hình mạng có thể thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào yêu cầu và việc hư hỏng ở các nút

 Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán

Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến

Việc xây dựng boa mạch cho quá trình thu thập thông tin của các nút cảm biến là việc làm đòi hỏi nhiều kỹ năng về chuyên ngành điện tử Nhưng

có một giải pháp mà gần đây được nhiều nhà phát triển quan tâm đó là sử dụng những platform đã được xây dựng những nền tảng cơ bản sẵn có Về mặt phát triển, nó giúp cho nhà phát triển tiết kiệm khá nhiều về thời gian Về mặt

kỹ thuật, đó là những thiết bị lập trình logic Ngoài ra nó còn là nền tảng mã nguồn mở (open-source electronics prototyping platform) Giống như một chiếc máy tính để có thể giúp các nhà phát triển lập trình làm bất cứ việc gì với định hướng mà họ quan tâm Thêm vào đó là khả năng tương tác với môi trường thông qua cảm biến điện tử như: nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, chuyển động,…

Zolertia là một trong số đó, chuyên về việc phát triển các thiết bị cảm biến không dây Trong đó Z1 là một trong những sản phẩm đáng được quan tâm Với mô đun không dây công suất thấp Z1 Platform được coi như một sản phẩm chủ lực của công ty

Hình 1.2 Nút cảm biến không dây của Zolertia Z1

th

- –

1

: 2x

cơ bản Đó là: bộ cảm nhận (Sensing unit), bộ xử lý (Processing unit), bộ thu

phát (Transceiver unit) và bộ nguồn (Power unit) Ngoài ra có thể có thêm

những thành phần khác tùy vào từng ứng dụng cụ thể Như là hệ thống định vị

(Location Finding System), bộ phát nguồn (Power Generator) và bộ phận di

động (Mobilizer)

Hình 1.3 Các thành phần của một nút cảm ứng

Các bộ phận cảm ứng (Sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển

đổi tương tự sang số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa trên những

hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển

sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (Storage units), quyết

định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ

định sẵn

Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi và nhận

các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn Bộ

nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn

rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng

ánh sáng mặt trời

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu cần có độ chính xác cao về vị trí Vì vậy cần phải có các bộ định

vị Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của một vật nào đó

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động và thích ứng với môi trường

1.2.2 Cấu trúc mạng cả biến không dây

1.2.2.1 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture), (hình 1.4) tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất, có cùng hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…

Hình 1.4: Cấu trúc phẳng của một mạng cảm biến

1.2.2.2 Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng (tiered architacture), (hình 1.5 ) các cụm được tạo

ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà

ở đó mỗi nút xác định thực hiện các nhiệm vụ định sẵn

Hình 1.5: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây

Hình 1.6: Cấu trúc mạng được phân cấp theo chức năng

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6)

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau:

 Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định

vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện các nhiệm vụ Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định vào nhiệm vụ cảm biến, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định làm nhiệm vụ phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ về thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi

 Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phẳng Khi cần phải tính toán nhiều thì một số bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

 Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác đinh thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là

n

w Trong đó, w là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0

 Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng

để khắc phục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở mức thấp hơn tạo thành một

cụm xung quanh trạm gốc Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm phải tăng ít nhất phải nhanh bằng n Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trong trường hợp này dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập

Tóm lại, việc tương thích các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng Đặc biệt là người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích tìm địa chỉ Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kỳ, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của các chức năng cập nhật và tìm kiếm Hiện nay cũng có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trọng mạng cấu trúc tầng

1.2.2.3 Một số chuẩn của mạng cảm biến không dây

Do phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây là rất lớn Với những tính chất và đặc trưng của mạng phụ thuộc vào từng ứng dụng được triển khai trong từng trường hợp cụ thể Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routting, Synchronisation…), phù hợp cho từng thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên thị trường

Một số chuẩn WSN được biết đến:

ALOHA system (U Hawaii) PRNET system (U.S Defense) WINS (U of California)

PicoRadio (U of California) MicroAMPS (M.I.T)

MANET (Mobile ad-hoc Network) Zigbee: dựa trên tầng vật lý và tầng MAC của chuẩn WPAN 802.15.4

1.3 Đặc trưng của mạng cảm biến không dây

1.3.1 Năng lượng tiêu thụ

Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây thường đòi hỏi các thành phần có công suất tiêu thụ thấp hơn rất nhiều so với các công nghệ không dây hiện tại (như Bluetooth) Ví dụ như: các cảm biến dùng trong công nghiệp và y tế được cung cấp năng lượng từ những pin nhỏ, thời lượng sống của pin có thể là vài tháng hoặc vài năm Với các ứng dụng theo dõi môi trường, khi mà số lượng lớn cảm biến được rải trên diện tích rất rộng thì việc thường xuyên phải thay thế pin năng lượng cung cấp là điều không khả thi Chính vì thế trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lượng

để sử dụng một cách hiệu quả nhất cần kết hợp với các kỹ thuật định tuyến tối

ưu

1.3.2 Chi phí

Khi thiết kế một ứng dụng không dây thì giá thành cũng là một yếu tố chính cần được quan tâm Để có thể đạt được mục tiêu này thì khi thiết kế cấu hình mạng và giao thức truyền thông cần tránh sử dụng các thành phần đắt tiền và tối thiểu hoá độ phức tạp của giao thức truyền thông Trong mạng cảm biến, số lượng các nút mạng sử dụng là khá lớn và chi phí để sản xuất từng nút con được giảm đi thì giá thành của toàn bộ hệ thống giảm đi đáng kể

Ngoài các yếu tố trên thì một phần khá lớn tác động tới giá thành đó là chi phí quản trị và bảo trì hệ thống Mạng cảm biến không dây đã làm tốt hai chức năng cơ bản đó là tự cấu hình và bảo trì Tự cấu hình có nghĩa là tự động

dò tìm vị trí các nút lân cận và tổ chức thành một cấu trúc xác định Tự bảo trì

có nghĩa là tự động phát hiện và sửa lỗi phát sinh trong hệ thống (ở các nút mạng hoặc các liên kết giữa các nút) mà không cần sự tác động của con người

Với các tính năng ưu việt này thì mạng cảm biến không dây ngày càng tỏ rõ những ưu việt của mình

1.3.3 Loại hình mạng

Với một số ứng dụng đơn giản trong phạm vi hẹp thì mạng hình sao (star network) có thể đáp ứng được các yêu cầu truyền nhận và xử lý dữ liệu Trong mạng hình sao, một nút sẽ đóng vai trò nút chủ, các nút còn lại là nút con kết nối tới nút chủ Tuy nhiên khi mạng được mở rộng thì cấu hình sao đơn thuần sẽ không đáp ứng được, mạng sẽ phải có cấu hình đa chặng (multi-hop) Cấu hình này sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên bộ nhớ và xử lý tính toán hơn

do mật độ của các nút mạng tăng và diện tích của mạng được phủ trên một phạm vi lớn

1.3.4 Tính bảo mật

Trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan trọng, đặc biệt là các ứng dụng trong quân sự Không giống như các mạng có dây rất khó có thể lấy được thông tin khi truyền đi giữa hai đối tượng, khi truyền tín hiệu không dây được truyền đi trong không gian và có thể được thu lại bởi bất kỳ ai Những mối hiểm hoạ không chỉ là việc đánh cắp thông tin mà còn ở chỗ những thông tin đó có thể bị chỉnh sửa và phát lại để phía thu hoặc nhận có được thông tin không chính xác

Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hoá, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hoá các tập tin, điều chỉnh các bit thông tin, thêm các bit xác thực…

Các chức năng này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên của hệ thống về mặt năng lượng và băng thông, tuy nhiên bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong truyền tin Do vậy cần đạt được sự cân bằng giữa hai yếu tố này để đảm bảo cho hệ thống tối ưu nhất

1.3.5 Độ trễ

Các ứng dụng thông thường của mạng cảm biến không có yêu cầu cao

về thời gian thực khi truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lượng nguồn tin (trừ một số trường hợp đặc biệt như hệ thống báo cháy) Tuy nhiên trong một mạng lưới khá lớn, các thông tin của các nút con được tập hợp ở một nút chủ

để xử lý và đưa về trạm trung tâm thì yếu tố đồng bộ hoá là rất quan trọng

1.3.6 Tính di động

Nhìn chung các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di động nhiều vì khi triển khai các nút mạng thường ở các vị trí cố định Các phương thực định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn giản hơn so với các mạng ad-hoc khác (như MANET)

1.4 Những thách thức trong việc triển khai mạng cảm biến không dây

Tuy rằng mạng cảm biến không dây WSNs có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu ích, nhưng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế, khó khăn và thách thức về mặt kỹ thuật Nắm rõ những khó khăn, thách thức này sẽ giúp chúng ta có những giải pháp để khắc phục, cải tạo và tối ưu hoá những ứng dụng của mạng cảm biến hơn nữa

1.4.1 Giới hạn về năng lượng

Đây có thể coi là một trong những vấn đề được quan tâm nhiều nhất trong khi triển khai xây dựng mạng cảm biến Thông thường, các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng các nguồn năng lượng có sẵn (pin năng lượng) Khi số lượng nút mạng là rất lớn, yêu cầu sử dụng các nguồn năng lượng rất cần được tính toán Liên quan đến khoảng cách truyền lớn thì năng lượng tiêu thụ lại càng cao Chính vì vậy, các giải pháp nghiên cứu nhằm tối ưu hoá việc xử lý và truyền dữ liệu với một năng lượng ban đầu xác định của các nút nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng là rất cần thiết

1.4.2 Giới hạn về phần cứng

Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước của các nút phải nhỏ vì có một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lượng lớn các nút

trên một phạm vi hẹp Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng như không gian lưu trữ trên mỗi nút cảm biến

1.4.3 Ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường

Do trong mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền vô tuyến nên

bị ảnh hưởng bởi những can nhiễu bên ngoài, có thể bị mất mát hoặc sai lệch thông tin khi truyền từ nút về trạm gốc

1.4.4 Định tuyến trong WSNs

Định tuyến trong mạng không dây đã là đề tài nghiên cứu nóng hổi trong nhiều năm gần đây Công nghệ định tuyến khởi điểm từ ngành truyền thông dữ liệu máy tính đã được khai thác những tiềm năng ứng dụng trong mạng không dây, mang lại rất nhiều mô hình tự tổ chức và tự phục vụ trong những kế hoạch thương mại

Nguyên nhân của hoạt động này là quá trình vận hành ổn định mà chỉ cần thay đổi những điều kiện truyền dưới sự kết hợp băng thông và năng lượng đã hạn chế việc sử dụng các giao thức dựa trên IP và tạo nên những thách thức mới cho kỹ thuật định tuyến WSN Nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì các tuyến là không hề đơn giản do những giới hạn về năng lượng và những sự thay đổi trạng thái tại các điểm nút (ngừng, tắc và các trở ngại khác) thường tạo nên những thay đổi đột ngột Xây dựng và tạo nên những tuyến tự động qua mạng đòi hỏi phải có những bộ xử lý điểm nút hiệu quả, dung lượng bộ nhớ lớn và các bộ định tuyến phụ trợ, cũng như thời gian chờ của mạng đến khi hình thành tuyến thay thế

Xây dựng và duy trì các bảng định tuyến với các tuyến thay thế (để phù hợp với những thay đổi của điều kiện truyền) dựa trên những bộ xử lý chi phí thấp và tiêu tốn ít năng lượng là một khó khăn thực sự lớn Độ khó khăn của phương pháp này tỉ lệ thuận với kích cỡ và số lượng của các chặng Nhiều kỹ thuật mới và phức tạp đã được đề xuất để giải quyết vấn đề này Để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, công nghệ định tuyến ứng dụng một vài công nghệ đặc trưng riêng của WSN như phương pháp tập hợp dữ liệu, xử lý nội bộ

mạng, tạo nhóm, phân cấp chức năng cho các điểm nút khác nhau… Công nghệ định tuyến tìm kiếm sự trung hòa giữa những giải pháp đơn giản

và những giải pháp có tính phức tạp nhất định Ngay cả trong những phương pháp khá tinh vi, trong những mạng có phạm vi rộng và các tin nhắn ngắn, việc định tuyến vẫn tiêu thụ khá nhiều tài nguyên như băng thông và năng lượng, đôi khi gây tắc nghẽn đường truyền Tồi tệ hơn, khi các yếu tố này kết hợp lại có thể làm giảm hiệu suất, lưu lượng của đường truyền, và làm tăng độ trễ

1.5 Tổng quan về Bảng băm phân tán

1.5.1 Bảng băm (Hash Table)

Bảng băm là cấu trúc dữ liệu sử dụng hàm băm để truy vấn dữ liệu, các

dữ liệu được ánh xạ từ từ khóa đến các giá trị tương ứng với khóa đó Do đó bảng băm là một mảng kết hợp và các hàm băm được sử dụng để băm các giá trị khóa trong các mảng giá trị tìm kiếm Trong các hàm băm có kích thước đủ lớn thời gian trung bình cho mỗi lần tra cứu độc lập với số phần tử trong

mảng Một số bảng băm được thiết kế cho phép thêm, xóa hoặc thay thế các giá trị ứng với các khóa tương ứng

Hình 1.7: Mô tả hoạt động của bảng băm

Một bảng băm là một cấu trúc dữ liệu ánh xạ giữa khóa và giá trị Tức là

tương ứng với một khóa, bảng băm sẽ trả về một giá trị Để thực hiện việc ánh

xạ, bảng băm sử dụng hàm băm tính toán vị trí lưu giá trị dựa trên khóa Bảng băm phải đảm bảo: tránh xung đột và dễ dàng thực hiện Tránh xung đột nghĩa

là ánh xạ giữa không gian khóa và không gian địa chỉ phải đều và ngẫu nhiên đến mức có thể

Với các đầu vào dữ liệu khác nhau nhưng đầu ra sẽ là các dữ liệu với độ dài

cố định Do đó việc truy vấn sẽ trở lên thuận tiện hơn vì khung dữ liệu cố định khi băm

1.5.2 Bảng băm phân tán (Distributed Hash Table)

Bảng băm phân tán (DHT) là kỹ thuật được sử dụng trong các ứng dụng P2P DHT cho phép quản lý mạng P2P theo đúng nghĩa với độ tin cậy cao, tính khả mở, hiệu quả và có khả năng chịu lỗi

DHT là một bảng băm được cài đặt như một hệ thống phân tán Cũng như một bảng băm thông thường, DHT cung cấp ánh xạ từ khóa đến giá trị Nhưng không giống như bảng băm thông thường, các giá trị trong một DHT được lưu trên các nút khác nhau trong mạng chứ không phải lưu trong các cấu trúc dữ liệu cục bộ Thông qua một cặp khóa – giá trị tương ứng được lưu tại một nút phù hợp trên mạng hoặc được lấy về từ nút tương ứng trên mạng

Trong một DHT, khóa được tính ra từ giá trị Tất cả các khóa đều nằm trên cùng một không gian địa chỉ Các ứng dụng chia sẻ file dữ liệu thường sử dụng không gian địa chỉ 160 bit Để xác định nút nào lưu giá trị nào, mỗi nút phải có một ID trong không gian địa chỉ giống như không gian địa chỉ của khóa Các DHT đưa ra khái niệm khoảng cách giữa hai ID (một khóa có thể xem như ID của giá trị) Khi đó giá trị được lưu trên nút có ID gần với ID của giá trị đó nhất

Để lưu một giá trị trên mạng, một nút gửi thông điệp yêu cầu lưu trữ dữ liệu tới một liên hệ phù hợp được chọn ra từ bảng bảng định tuyến, trong bảng bảng định tuyến liên hệ này có ID gần với ID của dữ liệu cần lưu nhất Quá trình cứ tiếp tục như vậy, thông điệp được chuyển tiếp trên mạng cho đến khi

nó gặp nút có ID gần với ID của dữ liệu nhất và giá trị được lưu trên nút này

Để tìm một giá trị thủ tục cũng tương tự, nút cần tìm dữ liệu sẽ gửi đi thông điệp tìm kiếm dữ liệu Sau quá trình chuyển tiếp thông điệp giống như quá trình chuyển tiếp thông điệp lưu trữ dữ liệu, nút lưu trữ dữ liệu sẽ được tìm ra và nút này sẽ trả dữ liệu cho nút tìm kiếm

Hình 1.8: Lưu trữ và tìm kiếm dữ liệu trong DHT

Trong hình 1.8 là ví dụ về sự ánh xạ tên file trong DHT tới các url Các

cặp khóa- giá trị được gán cho các nút a, b ,c , d, e và mỗi nút sẽ được định tuyến đến một nút khác Có nút không cần ngăn nhớ, như nút b Nếu nút d được yêu cầu tìm ra tập tin abc.txt thì nó sẽ yêu cầu nút a , a sẽ yêu cầu e và kết quả trả về sẽ là tập tin abc.txt

DHT có các ưu điểm khác biệt so với dịch vụ hướng Client – Server truyền thống

 DHT cho phép hoạt động phân tán, không cần duy trì một server trung tâm để điều khiển hoạt động của mạng P2P Cũng

vì vậy, các ứng dụng P2P sử dụng DHT là các ứng dụng P2P thuần tuý

 Hệ thống có tính khả mở, nghĩa là hệ thống vẫn hoạt động tốt ngay cả với số lượng node và lưu lượng trên mạng lớn

 Tải được cân bằng giữa các nút trong mạng

 Hệ thống dựa trên giả định rằng mạng không tĩnh và các thay đổi xuất hiện thường xuyên với các nút tham gia vào mạng và rời bỏ khỏi mạng (còn gọi là churn)

 Việc định tuyến và lấy dữ liệu nhanh và có thể hoàn thành trong thời gian tỷ lệ loga

 Hệ thống đảm bảo mạnh mẽ, nghĩa là nó có thể đứng vững ngay cả khi bị tấn công trên diện rộng

DHT cung cấp dịch vụ lưu trữ và tìm kiếm dữ liệu thông qua hai hàm là insert và lookup

Hình 1.9: Kiến trúc bảng băm phân tán

1.6 Định tuyến sử dụng Bảng băm phân tán

1.6.1.Sử dụng ý tưởng định tuyến của mạng P2P trong mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biến không dây (WSN) có thể bao gồm con số hàng trăm hay hàng nghìn nút mạng nên mỗi xử lý, lưu trữ và khả năng giao tiếp đều rất hạn chế Mỗi nút cần phải giao tiếp với nút liền kề gần nhất của nó để tối ưu hóa năng lượng Các sensor cảm biến sẽ đo điều kiện môi trường xung quanh chúng và sau đó giao tiếp bên trong mạng với nhau hoặc giao tiếp trực tiếp đến một trạm cơ sở bên ngoài Vì vậy điều quan trọng là sử dụng hiệu quả năng lượng của các sensor trong mạng cảm biến

Trong khi đó, tiêu thụ điện năng của nút cảm biến có liên quan chặt chẽ với hoạt động của hệ thống truyền dẫn Do đó, rất nhiều nhà nghiên cứu đã và đang tìm cách tối ưu hóa các đường định tuyến, giảm tải các gói tin truyền tải

Và việc chọn lựa hệ thống cho mạng cảm biến cũng là vấn đề mà mỗi nhà nghiên cứu đều phải quan tâm Với tư tưởng của luận văn, việc lựa chọn hệ thống P2P mang lại nhiều thuận lợi cho việc phát triển và ứng dụng thực tiễn

Trong những năm qua, với số lượng phát triển rất nhanh của hệ thống Peer to Peer (P2P) Hệ thống P2P được phát triển và áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: chia sẻ, tìm kiếm, tính toán lưới, phân phối nội dung tập tin và hình ảnh Trong lịch sử phát triển không dài của mình, P2P đã qua đi qua ba chiến lược cơ bản để lưu trữ và thu thập dữ liệu trong hệ thống phân tán như là: máy chủ tập trung, tìm kiếm chiều rộng, và lập chỉ mục bảng băm phân tán (DHTs) Viết tắt của Distributed Hash Table - DHTs là giao thức P2P thế hệ thứ 3 dựa trên việc khai thác định dạng cấu trúc bao phủ (overlays) có một số lợi thế so với mô hình P2P khác

1.6.2 Ánh xạ giữa mạng ngang hàng với mạng cảm biến thông qua Bảng băm phân tán

Trong một DHT, các nút phải hợp tác để duy trì sự gắn kết với dữ liệu nhất quán Mỗi nút lưu trữ một phần hiển thị của hệ thống phân tán, tác động phân tán thông tin định tuyến Các nút sử dụng một hàm băm phù hợp để xác định nút ngang hàng, chứa một giá trị nhất định Các kỹ thuật DHTs được sử dụng trong các ứng dụng Peer to Peer hiện đại, trong đó cung cấp khả năng

mở rộng, giảm thiểu lỗi và một phương pháp hiệu quả để quản lý mạng P2P trong một P2P tiêu chuẩn Từ khi DHTs phân cấp thành côngtrên P2P, khả năng mở rộng và tự tổ chức hệ thống P2P đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu trong việc xây dựng một overlay định tuyến trên WSNs

Hình 1.10: Mô hình định tuyến cơ bản của DHTs

DHT dựa trên một mô hình định tuyến mới Các thiết kế cảm ứng bởi DHT overlay DHT có ích trong WSNs vì họ có thể sử dụng để thực hiện khả năng mở rộng mạng lưới dịch vụ Trong hình 1.10, nó sử dụng số nguyên ngâũ nhiên để xác định các nút Mỗi một nút sẽ được gán một định danh ngẫu nhiên duy nhất từ miền không gian [0, 2n] và duy trì con trỏ với overlays hàng xóm, trong đó n là tổng số các nút trong mạng vật lý Trong hình 1.10, A có hai overlays gần nhất là B và C Mỗi nút cần duy trì thiết lập với một nút vật

lý liền kề thông qua một nguồn định tuyến, thiết lập để có thể giao tiếp với nút vật lý đó Một overlay hàng xóm với một nút được chọn là cố định, đáp ứng một số mối quan hệ để nhận dạng, mối quan hệ này được quy định bởi DHT Với mục đích này, một con trỏ được duy trì trong mỗi overlay hàng xóm như một nguồn định tuyến (SR - source routting) qua mạng SR này bao gồm một tập hợp các thiết lập liên kết vật lý, định tuyến từ nút lưu trữ các con trỏ đến overlays hàng xóm Và nếu phát hiện overlays hàng xóm của nó không thể truy cập vì sự thất bại của một liên kết trên đường định tuyến, sẽ bắt đầu một thủ tục tái liên kết lại một lần nữa Lưu ý rằng tất cả các mối quan hệ là ở trạng thái mềm do đó có thể thích ứng với những thay đổi

Khi một nút rời mạng hoặc một liên kết thất bại, là một sự kiện cần thiết

để cập nhật lại miền không gian của mạng Vì vậy, tất cả các nút có con trỏ đến nút đó hoặc đi qua đường truyền sẽ sớm nhận ra thất bại của liên kết và tái lập lại liên kết tham gia vào mạng

Overlays P2P trong WSN hoặc định tuyến sử dụng DHTs có thể hữu ích trong một số giải pháp như: tra cứu dữ liệu hiệu quả, tiết kiệm về thời gian tra cứu, độc lập về vị trí,

Như chúng ta biết rằng mục đích chính của WSN là thu thập và lưu trữ

dữ liệu về những hiện tượng cần quan tâm Như vậy, báo cáo những dữ liệu cần quan tâm là một trong những hoạt động chính trong WSN, và tối ưu hóa hoạt động này là một vấn đề nghiên cứu cơ bản DHTs cung cấp dữ liệu tra cứu tối ưu có thể giúp giải quyết vấn đề tra cứu dữ liệu mang lại hiệu quả trong WSN

Ngoài ra, hoạt động tra cứu của DHTs được dựa trên các chức năng cốt lõi của overlays P2P Do đó, nó đã được sử dụng để xây dựng một loạt các ứng dụng như hệ thống tập tin, thông báo sự kiện, phân phối nội dung,

Tóm lại, việc tận dụng những ưu thế của bảng băm phân tán đã từng đạt hiệu quả cao khi trên mô hình mạng P2P là một giải pháp thuận lợi cho việc triển khai các ứng dụng trên WSN Nhằm giải quyết tốt các vấn đề thách thức

về tiết kiệm điện năng trong truyền dẫn, không gian lưu trữ dữ liệu và năng lực tính toán Những nghiên cứu trong chương sau sẽ đi sâu vào việc phân tích một số kỹ thuật định tuyến sử dụng DHT trong mạng WSN

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG BẢNG BĂM PHÂN TÁN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Mạng cảm biến không dây là mạng đáp ứng các yêu cầu về tự động hóa cao Việc sử dụng bảng băm phân tán trong WSN như một giải pháp tổng thể nhằm giải quyết các vấn đề về: Năng lượng tiêu thụ thấp, giảm độ trễ trong truyền dẫn, cùng với không gian lưu trữ là cố định sau khi băm đem lại hiệu quả cho quá trình lưu trữ và tìm kiếm Chương này sẽ trình bày một số kỹ thuật định tuyến sử dụng bảng băm phân tán trong mạng cảm biến không dây

2.1 Kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến – CSN ( Chord for Sensor

Netwworks )

2.1.1 Nghiên cứu về CSN

Chord là một trong những mạng DHT phổ biến nhất, với những đặc điểm riêng mang tính ưu thế của mình Hai trong số những đặc đểm của Chord không thể không kể đến đó là khả năng tìm kiếm dữ liệu nhanh và cân bằng tải giữa các nút

Một đặc điểm của mạng DHT dễ nhận thấy ở Chord là sự phân phát khóa tương đối đồng đều vào các nút trong mạng Đây chính là hệ quả của

việc sử dụng kỹ thuật băm phù hợp (consistent hashing) để cấp khóa cho các

nút Phương thức hình thành khóa phổ biến thường được dùng là băm giá trị của dữ liệu để tạo thành khóa Giá trị dữ liệu ở đây có thể là địa chỉ, tên tài liệu,… Mỗi loại dữ liệu có những đặc điểm khác nhau, tùy từng trường hợp

mà giá trị nào được sử dụng sao cho phù hợp với ứng dụng nhất Sự phân bổ khóa trong giao thức Chord thường đi kèm với dữ liệu, thường là một cặp (khóa, giá trị) Khóa được coi như phương thức chỉ đường có thể tìm thấy giá trị hay dữ liệu một cách nhanh nhất

Chord được mô tả dưới dạng một vòng tròn và có không gian định danh

cỡ N, với N số bit định danh của không gian Mạng Chord sẽ có thể chứa tối

đa 2N nút Một nút trong Chord có thể có một định danh ID, và các định danh

ID trong mạng Chord sẽ sắp xếp thành vòng tròn và tăng theo chiều kim đồng

hồ Chord sử dụng một hàm băm để sinh định danh cho nút và dữ liệu của nút, đầu ra của hàm băm là một giá trị N bit Để đảm bảo xác suất định danh trùng nhau thấp, N phải đủ lớn Với Chord, N thường là 160 bit Một nút trỏ tới nút tiếp theo là nút có ID lớn hơn, gọi là successor(ID), và một nút nữa có ID nhỏ hơn, được gọi là predecessor(ID) Các nút liên kết với nhau dựa vào successor

và predecessor của nó

Hình 2.1 : Một mạng Chord với 3 nút

Mỗi nút sẽ lưu một bảng định tuyến gọi là Finger Table Thay vì phải tìm kiếm tuyến tính, bảng định tuyến cho phép một nút định tuyến tới các nút

ở xa Mỗi dòng trong bảng Finger Table sẽ lưu thông tin về một nút ở xa, gọi

là 1 entry Entry thứ i sẽ lưu nút là seccessor của khóa có định danh cách định danh nút đang xét 2i theo chiều tiến của vòng Chord Vì vậy, không gian định danh có bao nhiêu bit thì Finger Table có bấy nhiêu entry

Chord ánh xạ các khóa vào các nút, thường sẽ là một cặp khóa – giá trị Một giá trị có thể là 1 địa chỉ, 1 văn bản hoặc 1 mục dữ liệu Chord có thể thực hiện chức năng này bằng cách lưu cặp khóa – giá trị ở các nút mà khóa được ánh xạ Một nút sẽ chịu trách nhiệm lưu giữ một khóa k nếu nút đó là nút

có định danh id nhỏ nhất và lớn hơn k Một nút khi lưu trữ khóa k sẽ gọi là successor(k)

Với mạng cảm biến không dây sử dụng Chord Việc làm thế nào để xác định vị trí các nút cảm biến một cách hiệu quả là vấn đề cơ bản cần phải đối mặt với các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Các kỹ thuật bảng băm phân tán được biết, sử dụng những giao thức mạng ngang hàng (P2P) Chúng cung cấp thời gian tra cứu dữ liệu gần như tối ưu cho các truy vấn được thực hiện trên mạng của các nút phân phối Muneeb Ali etal đã đề xuất một phương pháp mới, kỹ thuật Chord giành cho mạng cảm biến có sử dụng DHTs Gọi là Chord for Sensor Network – CSN [10] CSN được sử dụng để ràng buộc về thời gian tra cứu dữ liệu, theo thứ tự O(logN) thông điệp gửi đi một cách tiết kiệm năng lượng

Hình 2.2: Alpha-1 và Alpha-m sẽ không thực hiện giao tiếp trực tiếp

Không giống như cách xây dựng kỹ thuật cho các DHTs khác, CSN cung cấp những đảm bảo mạnh mẽ, đáng tin cậy và thực hiện các chức năng tra cứu của mình trong thời gian được dự đoán trước và luôn đưa ra kết quả thành công hay thất bại nhất định CSN chạy trên 2 chế độ tiết kiệm năng lượng Đó là: EEmode (energy-efficient mode) và Rmode (Robust mode) Bởi

vì các nút trong mạng cảm biến có năng lượng hạn chế Nên mỗi nút cần phải

có một vòng kết nối để giao tiếp được với nút gần nó nhất, và tìm đến những nút cảm biến gần với nó nhất về mặt địa lý (giống như việc tìm những đường

đi ngắn nhất) Để giải quyết vấn đề này, CSN sử dụng phương pháp chuỗi

(Chain method) và phương pháp thiết lập mức trung bình (SAM) Trong hình 2.2 trên, đưa ra minh họa về việc alpha 1 đầu tiên tạo ra một kết nối với alpha

m Trong thực tế, khoảng cách địa lý giữa alpha 1 và alpha m có thể là lớn hơn trên minh họa nhiều Dẫn đến việc truyền thông giữa chúng sẽ không thực hiện được Và phương pháp để giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra vòng kết nối theo chiều kim đồng hồ Trong khi hoạt động bên trong Rmode, các chức năng của CSN tương tự như Chord và có thể giải quyết việc tra cứu với

độ phức tạp giới hạn O(logN) thông điệp Nhưng để hiệu quả với những dữ liệu tra cứu được thực hiện bằng việc tiêu thụ năng lượng lớn hơn, mỗi nút trực tiếp gửi thông điệp đến một nút xa hơn từ nó Các Rmode sẽ chỉ được sử dụng nếu các yêu cầu ứng dụng không thể được đáp ứng bởi EEmode Trong EEmode, các hoạt động gửi thông điệp một cách hợp lý đến một nút được tách

ra từ việc định tuyến thực tế và định tuyến thông điệp diễn ra ở các nút giao nhau và chỉ cùng với nút gần nhất của nó EEmode là chế độ hoạt động mặc định và CSN sẽ chuyển thành Rmode khi và chỉ chi yêu cầu ứng dụng có độ trễ không thể đáp ứng bởi EEmode Bởi vì CSN sử dụng việc sao chép dữ liệu

để xử lý khi các nút liên kết gặp thất bại Nhưng mỗi nút cảm biến là một thiết

bị bị giới hạn về lưu trữ và năng lượng Do đó hạn chế khả năng lưu trữ có thể trở thành một khó khăn lớn của CSN trong khả năng mở rộng mạng lưới

Phương thức thiết lập trung bình (SAM) phù hợp hơn với Rmode, nó sẽ

cố gắng giảm thiểu khoảng cách giữa mỗi cụm, nối liền các nút với các cụm thành viên khác Phương thức này không đảm bảo xử lý được mỗi αi sẽ là nút gần với nó nhất về mặt địa lý Cả hai chế độ Rmode và EEmode hoạt động một cách chính xác bất kể khi sử dụng phương thức gì để thiết kế các cụm (cluster) Tuy nhiên nếu sử dụng Rmode cho thiết lập ban đầu thì nên chọn việc thực hiện theo phương thức trung bình (Chain method), còn nếu sử dụng chế độ EEmode thì phương thức chuỗi là điều nên lựa chọn

2.1.2 Phương thức chuỗi (Chain method)

Cho các mức độ phân cấp của cụm là: i = 0,1,…,m; tạo πi = { tất cả các cảm biến tham gia ở mức độ i} Ban đầu δi = 0, hơn nữa π0 = {tất cả các mạng cảm biến được triển khai} Cho αi = cảm biến được xem xét, β = trạm

cơ sở và cho αi successor = các xử lý theo chiều kim đồng hồ của αi trên vòng tròn các cụm Hàm min( X ) của một cảm biến với khoảng cách tối thiểu từ X, tại đó X có thể là trạm cảm biến hoặc có thể là trạm cơ sở Cho λi = số lượng lớn nhất các nút cảm biến với một cụm ở mức i, và cho ω = phần đầu của cụm

C τ = tạo bộ cảm biến bao gồm trong các cụm của C, và |τ | = số phần tử trong tập hợp τ Kỹ thuật phương thức chuỗi ở mức 0 được đưa ra ở hình 2.3

Hình 2.3: Thuật toán mô phỏng phương thức chuỗi (Chain)

với phân cấp hệ thống ở mức 0

2.1.3 Phương thức lấy trung bình (Set-Average Method)

Giao thức SAM: Ngoài những yếu tố đã được xác định trong phương thức chuỗi, cho vk = một danh sách, và , and ε = một tập hợp Hàm Min(X,M) cũng tương tự như hàm Min(X) đã được mô tả ở trên, nhưng thay vì đưa ra các tập cảm biến gần nhất, hàm sẽ đưa ra danh sách những cảm biến gần nhất

từ M đến X Thuật toán giao thức SAM ở mức 0 được đưa ra ở hình 2.4

Hình 2.4: Thuật toán theo phương thức lấy trung bình

với phân cấp hệ thống ở mức 0

2.1.4 EEmode và Rmode

Trong khi hoạt động ở Robust mode (Rmode), thì chức năng của CSN tương tự như Chord trong P2P và có thể giải quyết việc tra cứu dữ liệu với một ràng buộc về độ phức tạp O(logN) thông điệp Nhưng khi tra cứu dữ liệu được thực hiện với hoạt động tiêu thụ năng lượng lớn hơn, như việc mỗi nút gửi một thông điệp trực tiếp đến một nút với đường truyền xa từ nó Nên Rmode sẽ được sử dụng khi ứng dụng yêu cầu độ trễ không thể đáp ứng được bằng EEmode Trong EEmode các hoạt động gửi thông điệp đến một nút được tách ra từ phân tích định tuyến thực tế và định tuyến của thông điệp diễn ra chỉ với nút hàng xóm gần nhất của nó

Hình 2.5: Sự giao thoa về xử lý giữa Rmode và EEmode

Ta xem xét ví dụ thể hiện trong hình 2.5 Cách phương thức định dạng các cụm đảm bảo khoảng cách (α1 , α4) ≥ khoảng cách (α1, α2) Do đó, nếu α1quyết định gửi tin nhắn trực tiếp đến α4, diễn ra trong Rmode thì số các bước nhảy của thông điệp sẽ là tối thiểu nhưng với mức chi phí giành cho năng lượng lớn hơn cả α1, α4 Mặt khác, theo EEmode, α1 sẽ định tuyến các thông điệp đến α4 thông qua α2, α3 Số lượng các bước nhảy của thông điệp cung cấp

sẽ lớn hơn Rmode nhưng năng lượng tiêu thụ cho mỗi bước nhảy sẽ ít hơn

EEmode là chế độ mặc định của CSN và CSN sẽ chuyển sang Rmode chỉ khi yêu cầu về ứng dụng có độ trễ mà EEmode không đáp ứng được Ứng dụng cho phép độ trễ, gọi là d, được so sánh với độ trễ của giá trị ngưỡng Γd

và nếu (d ≤ Γd) Rmode hoặc EEmode.Với Rmode tất cả các thông điệp của một nút được phân phối trực tiếp đến nó Trong khi đó, trong EEmode tất cả các thông điệp đến một nút sẽ được chuyển tiếp một cách gián tiếp, bằng cách mỗi thông điệp sẽ đi qua hàng xóm gần nhất với nút gửi tin trước Một hình thức lai giữa EEmode và Rmode cũng có thể thực hiện được Trong việc lai giữa hai chế độ sẽ đưa ra quyết định giữa việc nên sử dụng Rmode hay là EEmode

2.1.5 Lưu đồ kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến không dây Lưu đồ kỹ thuật truyền tin trong CSN

Bắt đầu

Đúng Sai

Bản tin

Giao thức Chain

Giao thức SAM Chế độ EEmode

Chế độ Rmode

Xử lý bản tin tại điểm đích

Độ trễ lớn

Kết thúc

Lưu đồ liên kết mạng trong CSN

2.1.6 Nhận xét về kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến

Ưu điểm: CSN cung cấp phương tiện để định vị dữ liệu trong mạng

cảm biến không dây hiệu quả Các cảm biến của CSN hoạt động ở chế độ năng lượng thấp, trừ khi có những truy vấn từ ứng dụng được thực hiện Điều này làm tăng đáng kể tuổi thọ của mạng cảm biến, đặc biệt là khi truy vấn dữ liệu từ ứng dụng là việc ít khi xảy ra Hiệu suất Rmode của CSN là rất ấn tượng, cùng với EEmode, CSN thực hiện việc tra cứu dữ liệu với độ phức tạp O(logN) nên cung cấp một đảm bảo mạnh mẽ cho cho các ứng dụng chạy với hiệu suất rất cao CSN cũng được cho là phù hợp với mạng cảm biến quy mô lớn

Hạn chế: Với CSN việc giải quyết các vấn đề về di động của các nút là

một thách thức không nhỏ Bởi các giao thức trong CSN đòi hỏi sự sắp xếp nghiêm ngặt của các nút và các đường định tuyến Giải quyết cho vấn đề này bằng cách cập nhật nhanh các thay đổi của finger table nhằm giữ cho các finger table liên tục được cập nhật Trong CSN mỗi nút ở cấp i=0 thì việc lưu trữ các finger table không chỉ là O(logN) các nút thành viên của nhóm C mà