1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
•

••

TỐNG ĐỨC THUẬN

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DẨY VỚI HỖ TRỢ 6LOWPAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

•

••

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hà Nội - 2013


2

TỐNG ĐỨC THUẬN

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

Wireless Sensor Network

ID

Identifycation

DIS

DAG Information Solicitation

DIO

DAG Information Object

DAO

Destination Advertisment Object

ICMP

Internet Control Message Protocol

PDR

Packet Delivery Ratio

PDC

Packet Delivery Cost


Radio Duty Cycling

ROLL

Routing Over Low Power and Lossy Network

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
•


5

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các
công nghệ trong lĩnh vực mạng cảm biến cũng không ngừng phát triển và ngày
càng đòi hỏi những yêu cầu cao hơn, nhằm phục vụ những mục đích nghiên cứu
khoa học, y tế, giáo dục, quân sự, dân sự,.... Trong cuộc sống hiện đại, những
ứng dụng sử dụng mạng cảm biến không dây ngày càng trở nên gần gũi và có ý
nghĩa trong cuộc sống.
Trong mạng cảm biến không dây, định tuyến là một yếu tố rất quan trọng
ảnh hưởng đến kết nối và thực hiện trao đổi thông tin. Hiệu quả hoạt động chung
của mạng cảm biến không dây là phụ thuộc vào sự lựa chọn của giao thức định
tuyến và chất lượng thực hiện của nó. Mạng tổn hao năng lượng thấp bị hạn chế
về tài nguyên do kiểm soát đường truyền, thời gian, tiêu thụ năng lượng, độ trễ
và tỷ lệ phân phối gói tin (PDR) đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của
các giao thức định tuyến. Giao thức định tuyến RPL cần phải được tối ưu hóa
cho các ứng dụng sensornet khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu và sử dụng
các nguồn lực hiệu quả hơn.
Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL - Routing

dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kêch vô tuyến. Các thành phần của
node cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm
biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến
này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về
môi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học
và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, .. .để từ đó phân tích,
xử lý và đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu
trữ số liệu.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,
giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến. đã tạo ra
những con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu
thụ năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến
không dây.
Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:
• Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop.
•

Được triển khai với mật độ sensor lớn.


7

•

Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc vào fadinh và hư hỏng
ở các node.

•


в Các bút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng
bộ
nhớ.
в Các node cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (Global
identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một
số lượng lớn các node cảm biến.
Chính vì các lý do trên, mà cấu trúc của mạng mới đòi
hỏi phải: в Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng


8

định tuyến
в Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
в Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
в Chia sẽ nhiệm vụ giữa các node lân cận.
1.2.1.

Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây

Các node cảm biến được phân bố trong một trường sensor như hình 1.1.
Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như
hình dưới. các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (task manager
node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể
bên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng
có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng
cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn
hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài

biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải
nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao,
hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường...
Môi trường hoạt động: các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần
hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm
việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên
trong các máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm.


1
0

Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các node trong
mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương
tiện quang học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn
thế giới để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này.
Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn
node được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng
hàng chục feet của mỗi node. Mật độ các node lên tới 20 node/m3. Do số lượng
các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định.
Sự tiêu thụ năng lượng: các node cảm biến không dây, có thể coi là một
thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (
•

Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

•

Bộ nguồn (power unit)
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng

dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power
generator) và bộ phận di động (mobilizer).
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự - số. 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.

Hình 1.2: Cấu tạo node cảm biến
Đơn vị xử lý thượng được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết
định các thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ
định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng.
Một trong các phần quan trọng nhất của một node mạng cảm biến là bộ
nguồn. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng


1
2

lượng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng
ứng dụng. Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng
đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải


Lớp mạng: lớp mạng của cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:
Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng.

•

Mạng cảm biến chủ yếu tập trung dữ liệu.

•

Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có
hiệu quả của các node cảm biến.
Lớp truyền tải: chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông

qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp ứng dụng: tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng
khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.2.4.
1.2.4.1.

Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến
Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architectute) (hình 1.4): tất cả các node đều
ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các node giao tiếp với
sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ tiếp sóng.

Hình 1.4: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến [2]
Với phạm vi truyền cố định, các node 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

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với
cấu trúc phẳng, vì một số lý do sau:
-

Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho 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 node chỉ cần một lượng tài
nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ.

-

Mạng cấu trúc tầng có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần
phải tính toán nhiều thì một 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 khoảng thới gian dài, các node 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 node
yêu cầu thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông. Với mạng
cấu trúc phẳng, khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi node
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 node ở cấp thấp hơn tạo thành
một cụm xung quanh trạm gốc. Trong trường hợp này, dung lượng của
mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp

mạng cảm biến không dây:
•

Contiki được chia thành nhiều modul hoạt động độc lập. Nhờ đó các ứng
dụng có thể sử dụng các modul một cách linh động và chỉ load những
modul cần thiết.

•

Cơ chế hoạt động điều khiển sự kiện làm giảm năng lượng tiêu hao và
hạn chế dung lượng bộ nhớ cần sử dụng.

•

Có thể sử dụng IP trong mạng cảm biến thông qua ulP stack được xây
dựng dựa trên nền TCP/IP.

•

Có những modul cho phép ước lượng và quản lý năng lượng một cách
hiệu quả.

•

Các giao thức tương tác giữa các lớp và các node trong mạng dễ dàng
hơn.

•

Sử dụng RIME stack phục vụ các giao thức dành cho mạng năng lượng

Hình 1.7: Phương thức sử dụng bộ nhớ của Multithreads và Events [10]


1
8

Hình 1.8: Các luồng điều khiển trong Threads và events [10]
Nhờ sự kết hợp các đặc tính của hai cơ chế Multithread và event - driven,
Protothread có khả năng cung cấp cơ chế điều khiển kiểu event - driven, cung
cấp các luồng điều khiển liên tục, đồng thời sử dụng dung lượng bộ nhớ nhỏ với
một ngăn nhớ duy nhất.
Trong API của Contiki bao gồm 4 loại Protothreads cơ bản:


1
9

•

PT_INIT (pt): khởi tạo một Protothread.

•

PT_BEGIN (pt): bắt đầu một Protothread.

•

PT_WAIT_UNTIL (pt, điều kiện): điều khiển đợi một sự kiện.

•

dựa trên nền ulP (hình 1.10).


2
0

Hình 1.10: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki
Sơ đồ hoạt động của các ứng dụng trong Contiki được chỉ ra trong hình 1.11

Hình 1.11: Sơ đồ
hoạt động các ứng
dụng trong
Contiki.

1.4.2.1. uIP
STACK


2
1

Ngày nay, cùng với sự thành công của Internet, giao thức TCP/IP đã trở
thành tiêu chuẩn toàn cầu trong truyền thông. TCP/IP là giao thức cơ bản được
sử dụng cho những mục đích truyền tải các trang Web, gửi - nhận email, gửi file
và những mạng Peer - to - peer thông qua mạng Internet. Đối với các hệ thống
nhúng, nếu sử dụngđược TCP/IP sẽ có khả năng kết nối những hệ thống trực tiếp
đến một mạng nội bộ, hoặc thậm chí là một mạng toàn cầu. Những thiết bị nhúng
có khả năng đáp ứng được đầy đủ những đặc tính của TCP/IP sẽ là những thiết bị
có tính ưu việt, có khả năng giao tiếp một cách đầy đủ với tất cả các thiết bị khác
trong mạng. Tuy nhiên, sự triển khai giao thức TCP/IP truyền thống đòi hỏi quá

•

Bao gồm nhiều ví dụ về các ứng dụng như web server, web client, e mail sender (SMTP client), Telnet server, DNS hostname resolver...

•

Hỗ trợ đồng thời tối đa các kết nối TCP tích cực. Số kết nối tối đa

•

được cấu hình tại thời điểm biên dịch.
Hỗ trợ tối đa các kết nối TCP thụ động (Server).

•

Hoàn toàn miễn phí cả trong thương mại và phi thương mại.

•

Tương thích với các RFC về triển khai giao thức TCP/IP, bao gồm
điều khiển luồng, tái kết hợp mảnh và ước lượng thời gian truyền lại
gói.

điểm dịch.


2
3

I.4.2.2.


•

Sử dụng kênh tần số cố định cho từng kiểu giao tiếp.

Ví dụ: unicast ^ unicast trên kênh 155,...

Packet
buffer

•

Sử dụng các hàm callback để thực hiện các hàm xử lý khi nhận được

•

gói tin, bộ định thời hết hạn, kết nối lỗi,...
Kết nối phải được khởi tạo trước khi sử dụng.

•

Sử dụng một bộ đệm gói cho tất cả các gói đến và gửiđi (hình

application

MAC
’Sr-/

Utr
radio