Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không ...

Tài liệu Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây với hỗ trợ 6lowpan

.PDF
78
1047
84

Mô tả:

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TỐNG ĐỨC THUẬN NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VỚI HỖ TRỢ 6LOWPAN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2013 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TỐNG ĐỨC THUẬN NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VỚI HỖ TRỢ 6LOWPAN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH MÃ SỐ: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN VĂN TAM Hà Nội - 2013 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... 1 MỤC LỤC .................................................................................................................. 3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ 5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU ................................................... 6 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 9 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN WSN VÀ ỨNG DỤNG ............................................. 10 1.1. Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây .................................................... 10 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến ....................................................................................... 11 1.2.1. Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây ........................................................ 11 1.2.2. Cấu trúc của node cảm biến ........................................................................... 14 1.2.4. Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến ..................................................... 16 1.3. Ứng dụng mạng cảm biến không dây .................................................................... 18 1.4. Hệ điều hành Contiki ............................................................................................ 19 1.4.1. Cơ chế điều khiển sự kiện trong Contiki ........................................................ 19 1.4.2. Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki ......................................................... 21 1.4.2.1. uIP STACK ................................................................................................. 22 1.4.2.2. RIME STACK.............................................................................................. 24 1.4.3. Công cụ mô phỏng trong Contiki ................................................................... 26 1.5. Kết luận................................................................................................................ 27 CHƢƠNG 2. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN RPL VÀ IPV6................................... 28 2.1. Tổng quan về giao thức định tuyến RPL ............................................................... 29 2.1.1. Khái niệm, thuật ngữ sử dụng trong RPL ....................................................... 29 2.1.2. RPL – ICMP .................................................................................................. 32 2.1.3. Quá trình khởi tạo mạng ................................................................................ 41 2.1.4. Quá trình định tuyến upward .......................................................................... 42 2.1.5. Truyền gói ..................................................................................................... 44 2.2. Tổng quan về IPv6 ............................................................................................... 45 2.2.1. Đặc điểm ....................................................................................................... 45 2.2.2. Phân loại địa chỉ IPv6 .................................................................................... 47 2.2.3. Chuẩn IEEE 802.15.4 .................................................................................... 49 Ket-noi.com forum công nghệ, giáo dục 4 2.2.4. Giao thức 6LoWPAN .................................................................................... 50 2.3. Kết luận................................................................................................................ 54 CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ........................................ 55 3.1. Phƣơng pháp đánh giá .......................................................................................... 55 3.1.1. Mô hình đánh giá ........................................................................................... 55 3.1.2. Kết quả phân tích ........................................................................................... 55 3.1.3. Phƣơng pháp đánh giá.................................................................................... 56 3.2. Cài đặt mạng ........................................................................................................ 57 3.3. Thống kê số liệu ................................................................................................... 58 3.4. Quá trình thực hiện mô phỏng .............................................................................. 59 3.5. Phân tích số liệu ................................................................................................... 61 3.5.1. So sánh các hàm mục tiêu .............................................................................. 61 3.5.2. Đánh giá hiệu năng của giao thức RPL .......................................................... 63 3.5.2.1. Ảnh hưởng của tham số DIO Interval Minimum .......................................... 63 3.5.2.2. Ảnh hưởng của tham số DIO Interval Doubling .......................................... 65 3.5.2.3. Ảnh hưởng của tham số Duty-Cycling Interval ............................................ 68 3.5.2.4. Ảnh hưởng của tần suất thông điệp ứng dụng ............................................. 70 3.6. Đánh giá và khuyến nghị ...................................................................................... 73 3.6.1. Đánh giá ........................................................................................................ 73 3.6.2. Khuyến nghị .................................................................................................. 74 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 80 Ket-noi.com forum công nghệ, giáo dục 5 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT RPL IPv6 Routing Protocol For Low Power And Lossy Network DAG Directed Acyclic Graph WSN 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 RFC Request For Comments UDP User Datagram Protocol LLN Lower Power and Lossy Network OF Objective Functions ETX Expected Transmission Count LBR LLN Border Router UDGM Unit Disk Graph Model RDC Radio Duty Cycling ROLL Routing Over Low Power and Lossy Network 6 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến[1] ........................................................................ 12 Hình 1.2: Cấu tạo node cảm biến ............................................................................... 14 Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến ............................................................ 15 Hình 1.4: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến [2]....................................................... 16 Hình 1.5: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến [2] ......................................................... 17 Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp [2] ......................................... 17 Hình 1.7: Phƣơng thức sử dụng bộ nhớ của Multithreads và Events [10] ................... 20 Hình 1.8: Các luồng điều khiển trong Threads và events [10] .................................... 20 Hình 1.9: Ví dụ Protothreads [10] .............................................................................. 21 Hình 1.10: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki.................................................... 22 Hình 1.11: Sơ đồ hoạt động các ứng dụng trong Contiki. ........................................... 22 Hình 1.12: uIP STACK .............................................................................................. 23 Hình 1.13: RIME STACK ......................................................................................... 24 Hình 1.14: Sơ đồ module trong RIME ....................................................................... 25 Hình 1.15: Bộ đệm và Thao tác gói trong RIME ........................................................ 25 Hình 1.16: Màn hình mô phỏng Cooja. ...................................................................... 26 Hình 2.1: Mô hình RPL DAG .................................................................................... 29 Hình 2.2: RPL INSTANCE và DAG sequence number .............................................. 31 Hình 2.3: Cấu trúc bản tin điều khiển RPL................................................................. 32 Hình 2.4 : cấu trúc bản tin DIS................................................................................... 33 Hình 2.5: Cấu trúc bản tin DIO .................................................................................. 34 Hình 2.6: Cấu trúc Sub – option ................................................................................. 35 Hình 2.7: Cấu trúc DIO – Pad 1 [7]............................................................................ 35 Hình 2.8: Cấu trúc DIO – Pad N [7]........................................................................... 36 Hình 2.9: Cấu trúc DIO – metric container [7] ........................................................... 36 Hình 2.10: Cấu trúc DIO – Destination Prefix [7] ...................................................... 36 Hình 2.11: Cấu trúc DAG Configuration.................................................................... 37 Hình 2.12: Cấu trúc bản tin DAO............................................................................... 39 Hình 2.13: Không gian địa chỉ của IPv6 ..................................................................... 45 Ket-noi.com forum công nghệ, giáo dục 7 Hình 2.14: Phân cấp địa chỉ trong IPv6 [9] ................................................................ 45 Hình 2.15: Cấu trúc header của IPv6 [9] .................................................................... 46 Hình 2.16: Địa chỉ Interface trong IPv6 [9] ................................................................ 47 Hình 2.17: Địa chỉ global unicast [9] ......................................................................... 47 Hình 2.18: Địa chỉ link – local [9].............................................................................. 48 Hình 2.19: Cấu trúc site - local addresses [9] ............................................................. 48 Hình 2.20: Cấu trúc Unique Local Address [9] .......................................................... 49 Hình 2.21: Cấu trúc địa chỉ multicast [9].................................................................... 49 Bảng 2.1: Băng tần và tốc độ dữ liệu của IEEE 802.15.4 [3] ...................................... 50 Bảng 2.2: Kênh truyền và tần số trong IEEE 802.15.4 [3] .......................................... 50 Hình 2.22: Kiến trúc mạng của 6LoWPAN. ............................................................... 51 Hình 2.23: Ví dụ đánh địa chỉ trong 6LoWPAN. ....................................................... 52 Hình 2.24: Cấu trúc header của cơ chế UDP/IPv6 64bit. ............................................ 53 Hình 2.25: Cấu trúc header của cơ chế UDP/6LoWPAN ........................................... 53 Hình 2.26: Sự khác nhau về cấu trúc bản tin giữa UDP/IPv6 và UDP/6LoWPAN ..... 54 Bảng 3.1: Các tham số mô phỏng............................................................................... 58 Hình 3.1: Tiến trình thực hiện mô phỏng ................................................................... 60 Hình 3.2: So sánh độ trễ mạng ................................................................................... 61 Hình 3.3: So sánh mức tiêu thụ năng lƣợng................................................................ 62 Hình 3.4: Só sánh tỷ lệ truyển gói tin ......................................................................... 62 Hình 3.5: Thời gian thiết lập mạng với tham số DIO Interval..................................... 63 Hình 3.6: Quản lý lƣu lƣợng với tham số DIO Interval .............................................. 63 Hình 3.7: Mức độ tiêu thụ năng lƣợng với tham số DIO Interval ............................... 64 Hình 3.8: Độ trễ mạng với tham số DIO Interval Minimum ....................................... 64 Hình 3.9: Tỷ lệ truyền gói tin với tham số DIO Interval ............................................. 65 Hình 3.10: Thời gian thiết lập mạng với tham số DIO Doubling ................................ 66 Hình 3.11: Lƣu lƣợng mạng với tham số DIO Doubling ............................................ 66 Hình 3.12: Mức độ tiêu thụ năng lƣợng với tham số DIO Doubling ........................... 66 Hình 3.13: Đỗ trễ mạng với tham số DIO Doubling ................................................... 67 Hình 3.14: Tỷ lệ truyền gói tin với tham số DIO Doubling ........................................ 67 Hình 3.15: Thời gian thiết lập mạng với tham số Duty Cycling Interval..................... 68 Hình 3.16: Lƣu lƣợng mạng với tham số Duty Cycling Interval ................................. 68 8 Hình 3.17: Mức độ tiêu thụ năng lƣợng với tham số Duty Cycling Interval ............... 69 Hình 3.18: Độ trễ mạng với tham số Duty Cycling Interval ....................................... 69 Hình 3.19: Tỷ lệ truyền gói tin với tham số Duty Cycling Interval ............................. 70 Hình 3.20: Thời gian thiết lập mạng với tần suất gửi thông điệp ................................ 71 Hình 3.21: Quản lý lƣu lƣợng với tần suất gửi thông điệp .......................................... 71 Hình 3.22: Mức độ tiêu thụ năng lƣợng với tần suất gửi thông điệp ........................... 72 Hình 3.23: Độ trễ mạng với tần suất gửi thông điệp ................................................... 72 Hình 3.24: Tỷ lệ truyền gói tin với tần suất gửi thông điệp ........................................ 73 Bảng 3.2: So sánh hàm mục tiêu OF0 và ETX ........................................................... 73 Ket-noi.com forum công nghệ, giáo dục 9 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 hƣởng 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 lƣợng thực hiện của nó. Mạng tổn hao năng lƣợng thấp bị hạn chế về tài nguyên do kiểm soát đƣờng truyền, thời gian, tiêu thụ năng lƣợng, 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 đƣợc tối ƣu hóa cho các ứng dụng sensornet khác nhau để đạt đƣợc hiệu suất tối ƣu và sử dụng các nguồn lực hiệu quả hơn. Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL – Routing Protocol for Low power and Lossy Network – một giao thức định tuyến mới đang trong quá trình nghiên cứu là hết sức cần thiết. Do đó, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây với hỗ trợ 6LoWPAN”. Trong khuôn khổ luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu, tìm hiểu mở rộng mạng cảm biến không dây sử dụng IPv6, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL. Luận văn đƣợc trình bày trong 3 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, những ứng dụng của mạng cảm biến không dây; Giới thiệu hệ điều hành Contiki và công cụ mô phỏng Cooja Chƣơng 2: Trình bày giao thức định tuyến RPL và IPv6. Cấu trúc các bản tin DIO, DAO, DIS. Quá trình khởi tạo mạng và định tuyến của giao thức RPL Chƣơng 3. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng công cụ Cooja. Thống kê phân tích số liệu, đƣa ra nhƣng đánh giá và khuyến nghị. Ket-noi.com forum công nghệ, giáo dục 10 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN WSN VÀ ỨNG DỤNG 1.1. Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một mạng bao gồm một số lƣợng lớn các node cảm biến có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lƣợng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đƣa ra các thông số về môi trƣờng, hiện tƣợng và sự vật mà mạng quan sát. Các node cảm biến là các sensor có kích thƣớc nhỏ, thực hiện việc thu phát 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 thƣớc 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 trƣờng, 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 đƣa ra các phƣơng án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lƣu 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 thƣớc nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng lƣợng 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.  Đƣợc triển khai với mật độ sensor lớn.  Cấu hình mạng thƣờng xuyên thay đổi phụ thuộc vào fadinh và hƣ hỏng ở các node.  Các node trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và dung lƣợng nhớ.  Mạng cảm biến thƣờng phụ thuộc vào ứng dụng.  Vị trí các node mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác định trƣớc. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp. 11  Khả năng phối hợp giữa các node cảm biến: các node cảm biến có gắn bộ xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô tới đích thì chúng gửi dữ liệu đã qua tính toán đơn giản. 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không dùng đƣợc cho mạng cảm biến không dây, vì một số lý do sau:  Số lƣợng các node cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần trong mạng ad hoc.  Các node cảm biến dễ bị lỗi  Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thƣờng xuyên.  Các node cảm biến chủ yếu sử dụng truyển thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm.  Các bút cảm biến bị giới hạn về năng lƣợng, khả năng tính toán và bộ nhớ.  Các node cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (Global identification) (ID) vì chúng có một số lƣợng lớn mào đầu và một số lƣợng lớn các node cảm biến. Chính vì các lý do trên, mà cấu trúc của mạng mới đòi hỏi phải:  Kết hợp vấn đề năng lƣợng và khả năng định tuyến  Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.  Truyền năng lƣợng hiệu quả qua các phƣơng tiện không dây.  Chia sẽ nhiệm vụ giữa các node lân cận. 1.2.1. Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây Các node cảm biến đƣợc phân bố trong một trƣờng sensor nhƣ hình 1.1. Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu đƣợc định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm nhƣ hình dƣới. các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. 12 Sink là một thực thể, tại đó thông tin đƣợc 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 nhƣ máy tính xách tay mà tƣơng tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn nhƣ Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng. Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến[1] Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lƣợng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lƣợng rất khắc khe. Một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến nhƣ sau: Khả năng chịu lỗi: một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lƣợng, do những hƣ hỏng vật lý hoặc do ảnh hƣởng của môi trƣờng. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thƣờng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động. Khả năng mở rộng: số lƣợng các node cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, có khi lên đến hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lƣợng lớn các node này. Giá thành sản xuất: vì các mạng cảm biến bao gồm một cố lƣợng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khai sensor theo kiểu truyền thống, nhƣ vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp. 13 Dễ triển khai: là một ƣu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây. Ngƣời sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng nhƣ cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình. Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai node có thể bị ảnh hƣởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tƣợng lớn. Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này. Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lƣợng lớn các node cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thƣớc phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lƣợng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có ngƣời kiểm soát, thích nghi với môi trƣờng… Môi trường hoạt động: các node cảm biến đƣợc thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tƣợng để quan sát. Vì thế, chúng thƣờng 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 trƣờng khắc nhiệt, ô nhiễm. 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 phƣơng tiện quang học. Các phƣơng tiện truyền dẫn phải đƣợc 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 đƣợc triển khai trên trƣờng cảm biến. Chúng đƣợc triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi node. Mật độ các node lên tới 20 node/m3. Do số lƣợng 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 đƣợc trang bị nguồn năng lƣợng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2 V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lƣợng không thể thực hiện đƣợc. Vì thế khoảng thời gian sống của các node cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một node đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài node cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lƣợng đóng một vai trò quan trọng. 14 Bảo mật: các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trƣờng dƣờng nhƣ vô hại nhƣng việc giữ bí mật thông tin và rất quan trọng. Các hoạt động của một tòa nhà có thể thu thập đƣợc dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt độ và ánh sáng của tòa nhà đó. Những thông tin này có thể đƣợc sử dụng để sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật các thông tin thu thập đƣợc. Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên rất quan trọng. không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền. Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lƣợng và băng thông. Dữ liệu mã hóa và giải mã cần đƣợc truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó ảnh hƣởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lƣợng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi. 1.2.2. Cấu trúc của node cảm biến Mỗi node cảm biến đƣợc cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản (xem hình 1.2):  Đơn vị cảm biến (sensing unit)  Đơn vị xử lý (processing unit)  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 nhƣ 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 tƣơng tự - số. Dựa trên những hiện tƣợng quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi sensor đƣợc chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý. Hình 1.2: Cấu tạo node cảm biến 15 Đơn vị xử lý thƣợng đƣợc kết hợp với bộ lƣu 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 thƣờng đƣợc hỗ trợ bởi các bộ phận lọc nhƣ là tế bào năng lƣợng 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 dịch chuyển các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. 1.2.3. Kiến trúc giao thức mạng Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến đƣợc trình bày trong hình 1.3. Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các node có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Mặt phẳng quản lý công suất: quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lƣợng của nó. Mặt phẳng quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và đăng lý sự chuyển động của các node. Các node giữ việc dõi xem ai là node hàng xóm của chúng. 16 Mặt phẳng quản lý: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các node trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các node cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ liệu, cách truy nhập đƣờng truyền và điều khiển lỗi. Lớp mạng: lớp mạng của cảm biến đƣợc thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:  Hiệu quả năng lƣợng luôn luôn đƣợc coi là vấn đề quan trọng.  Mạng cảm biến chủ yếu tập trung dữ liệu.  Tích hợp dữ liệu chỉ đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. 1.2.4. Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến 1.2.4.1. 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 lƣợng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng 17 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 nhƣ thời gian, tần số. 1.2.4.2. Cấu trúc tầng Trong Cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5): các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một node định sẵn, thƣờng gọi là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các node tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi node ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. Hình 1.5: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến [2] Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp [2] Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các node. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (xem hình 1.6) 18 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 lƣợng 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 lƣợng 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 đƣợc 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 lƣợng 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 lƣợng 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 trƣờng hợp này, dung lƣợng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lƣợng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau. 1.3. Ứng dụng mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và thƣờng phát huy hiệu quả cao trong các điều kiện:  Môi trƣờng khắc nghiệt, địa hình khó khăn (ví dụ: khu vực rừng núi, vùng nhiễm phóng xạ…).  Cần giám sát các giá trị biến đổi theo thời gian (nhiệt độ, độ ẩm trong môi trƣờng…).  Khu vực rộng lớn (ví dụ: rừng, các tòa nhà….). 19 1.4. Hệ điều hành Contiki Hệ điều hành Contiki đƣợc lập trình bằng ngôn ngữ C, hoạt động dựa trên cơ chế event - driven và có những đặc điểm phù hợp với các hệ thống nhúng và mạng cảm biến không dây:  Contiki đƣợc 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 lƣợng tiêu hao và hạn chế dung lƣợng bộ nhớ cần sử dụng.  Có thể sử dụng IP trong mạng cảm biến thông qua uIP stack đƣợc xây dựng dựa trên nền TCP/IP.  Có những modul cho phép ƣớc lƣợng và quản lý năng lƣợng một cách hiệu quả.  Các giao thức tƣơng 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 lƣợng thấp một cách hiệu quả. Bên cạnh đó, Contiki còn cung cấp những công cụ hỗ trợ mô phỏng với giao diện đơn giản, dễ sử dụng và hỗ trợ tốt những thiết bị trong thực tế, phục vụ những mục đích nghiên cứu, mô phỏng và triển khai những giao thức mới. 1.4.1. Cơ chế điều khiển sự kiện trong Contiki Contiki hoạt động dựa trên cơ chế điều khiển sự kiện. Các Process hay các trình xử lý đƣợc gọi mỗi khi có một sự kiện xảy ra nhƣ các sự kiện về cảm biến, trình khởi động, trình kết thúc,… Quá trình gọi các Process hoàn toàn không bị ngăn chặn hay cản trở trong các chƣơng trình. Process hoạt động dựa trên các Protothread, tạo ra các luồng điều khiển liên tiếp theo cơ chế event -driven. Protothread là sự kết hợp giữa hai cơ chế điều khiển: “Multithreads” – điều khiển đa luồng và “event – driven” – điều khiển sự kiện. Cơ chế Multithread có khả năng thực hiện đồng thời một chuỗi các thread. Tuy nhiên, các thread đòi hỏi phải đƣợc thực hiện trên những ngăn nhớ riêng, tạo ra chuỗi các luồng điều khiển tuần tự. Multithreads đƣợc xây dựng nhƣ một thƣ viện, cung cấp cho các Process khi cần thiết. 20 Trong khi đó, cơ chế event – driven chỉ hoạt động trên một ngăn nhớ và thực hiện các luồng điều khiển tùy theo các sự kiện đến. Do đó event – driven đòi hỏi bộ nhớ ít hơn và cung cấp cơ chế điều khiển linh hoạt theo các sự kiện đến (xem hình 1.7 và 1.8). Hình 1.7: Phƣơng thức sử dụng bộ nhớ của Multithreads và Events [10] 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 lƣợng bộ nhớ nhỏ với một ngăn nhớ duy nhất. Trong API của Contiki bao gồm 4 loại Protothreads cơ bản:
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan