NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN CÔNG CỤ NS2

Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công nghệ thông tin UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------- SOUKSAN SOUTHIVONG NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN CÔNG CỤ NS2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN CÔNG CỤ NS2 Sinh viên thực hiện SOUKSAN SOUTHIVONG MSSV: 2114011045 CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Khóa học: 2014 – 2018 Cán bộ hướng dẫn ThS. LÊ THỊ THANH BÌNH MSCB:……… Quảng Nam, tháng 05 năm 2018 LỜI CẢM ƠN Được sự phân công của khoa công nghệ thông tin trường đại học Quảng Nam, và được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn ThS. Lê Thị Thanh Bình em đã thực hiện đề tài“ Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến trên công cụ NS2” Để hoàn thành được khóa luận này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về mặt kiến thức cũng như kinh nghiệm của các thầy giáo. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Cô giáo: ThS. Lê Thị Thanh Bình, người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận. Mặc dù đã nỗ lực cố gắng, song với thời gian hạn chế, khóa luận chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý của quý thầy cô giáo và các bạn để khóa luận hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC PHẦN 1. MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1 1.1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................... 2 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. .............................................................. 2 1.4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................. 2 1.5. Đóng góp của đề tài ..................................................................................... 2 1.6. Cấu trúc đề tài .............................................................................................. 2 PHẦN 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................ 3 CHƯƠNG 1........................................................................................................... 3 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN .................................................................... 3 1.1.GIỚI THIỀU VỀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ................................ 3 1.2. CÁC LOẠI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN.................................................. 4 1.2.1. Giao thức trung tâm dữ liệu .................................................................. 4 1.1.2. Giao thức phân cấp ............................................................................... 8 2.1.3. Giao thức dựa vào ví trí ...................................................................... 17 CHƯƠNG 2......................................................................................................... 23 TỔNG QUAN VỀ NS2....................................................................................... 23 2.1.PHẦN MỀM NS2....................................................................................... 23 2.1.1. Giới thiệu ............................................................................................ 23 2.1.2. Kiến trúc.............................................................................................. 24 2.1.3. Các phần mềm dùng kết hợp với NS2 ................................................ 27 2.2. CÀI ĐẶT NS2 TRÊN UBUNTU .............................................................. 30 CHƯƠNG 3......................................................................................................... 37 MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN NS-2............................... 37 3.1. CHẠY MỘT SỐ VÍ DỤ ............................................................................ 37 3.1.1. Mục đích mô phỏng ........................................................................... 37 3.1.2. Kịch bản mô phỏng ............................................................................. 37 3.1.3. Quá trình mô phỏng ............................................................................ 38 3.1.4. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 40 PHẦN 3. KẾT LUẬN ......................................................................................... 41 PHẦN 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1: Truyền gói trong Flooding .................................................................... 4 Hình 1. 2: Hoạt động của SPIN .............................................................................. 6 Hình 1. 3: Mô hình Leach ...................................................................................... 9 Hình 1. 4: Giai đoạn cài đặt của Leach-C ............................................................ 11 Hình 1. 5: Can thiệp của nhóm khác .................................................................... 12 Hình 1. 6: Thể hiện được đáng kế các nhóm can thiệp khi giao tiếp với các cluster-head .......................................................................................................... 13 Hình 1. 7: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy ....................................... 15 Hình 1. 8: Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS ............................................. 16 Hình 1. 9: Hoạt động của GAF ............................................................................ 17 Hình 1. 10: Hoạt động của GEAR ....................................................................... 20 Hình 1. 11: Chuyển tiếp địa lý đệ quy ................................................................. 22 Hình 2. 1: Tổng quan về NS-2 dưới góc độ người dùng ..................................... 24 Hình 2. 2: Luồng các sự kiện fille Tcl chạy trong NS ......................................... 25 Hình 2. 3: Cơ cấu tổ chức thu mục NS ................................................................ 26 Hình 2. 4: File download công cụ ns-allinone-2.35.tar.gz ................................... 31 Hình 2. 5: Extract file .tar.gz thành Folder .......................................................... 31 Hình 2. 6: Chuyển thư mục NS2 vào Home ........................................................ 32 Hình 2. 7: Cài đặt biên dịch ................................................................................. 32 Hình 2. 8: Sửa file trong thư mục Makefile.in ..................................................... 33 Hình 2. 9: Sửa file CC = gcc-4.8 .......................................................................... 33 Hình 2. 10: Cài đặt NS2 trong thư mục ns-aillinone-2.35 ................................... 34 Hình 2. 11: Gõ lệnh gedit ~.bashrc trong thư mục terminal ............................... 34 Hình 2. 12: Đổi tên chủ máy ................................................................................ 35 Hình 2. 13: Kết thúc cài đặt, thành công .............................................................. 36 Hình 3. 1: Kịch bản mô phỏng ............................................................................. 37 Hình 3. 2: Quá trình mô phỏng ............................................................................ 38 Hình 3. 3: Quá trình mô phỏng ............................................................................ 40 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt SPIN Sensor Protocol for Information via Negotiation Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierachy Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia thời gian WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information System Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã GAF Geographic Adaptive Fidelity Chính xác tương thích địa lý GEAR Geographic and Energy Aware Routing Định tuyến dựa theo sự nhận biết về địa lý và năng lượng NS Network Simulator Mô phỏng mạng WAN Wide Area Network Mạng diện rộng LAN Local Area Network Mạng cức bộ NAM Network Animator Mịnh họa mạng UDP User Datagram Protocal Giao thức gói người dùng TCP Transmission Control Protocal Giao thức điều khiển truyền tải 1 PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, công nghệ và truyền thông đã đạt được những bước phát triển ấn tượng và đang đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống của con người. Chính sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã làm cho hoạt động trao đổi thông tin trở thành một đặc trưng của xã hội hiện đại. Tuy nhiên, xã hội càng tiến bộ thì những nhu cầu của con người ngày càng phong phú và khắt khe hơn. Để đáp ứng được tốt yêu cầu đó, đòi hỏi những người trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học phải không ngừng sáng tạo để tìm ra những giải pháp công nghệ mới, không những chỉ đáp ứng tốt nhu cầu hiện tại của xã hội, mà còn định hướng cho những ứng dụng mới trong tương lai. Mặc dù có những ưu thế vượt trội như khả năng ứng dụng phong phú, chi phí triển khai thấp do các nút mạng có giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng nhưng vẫn đảm bảo khả năng cảm biến và truyền thông tốt. Tuy nhiên, bất cứ một hệ thống nào có tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi cũng đều phải đối mặt với rất nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất đó chính là nguồn năng lượng của các nút cảm biến bị giới hạn và không thể nạp lại. Để giải quyết vấn đề đó, hiện nay, rất nhiều hướng nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm ra giải pháp để cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng đó nhưng đáng chú ý nhất là phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phù hợp. Kết quả là rất nhiều giao thức định tuyến đã được đưa ra, trong đó, những giao thức định tuyến phân cấp được đánh giá là rất hiệu quả. Để nắm bắt được một công nghệ mới là một việc rất khó khăn, chính vì lẽ đó mà em không nghiên cứu toàn bộ các giao thức định tuyến phân cấp mà tập trung vào “Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến trên công cụ NS2” với sự hướng dẫn của ThS.Lê Thị Thanh Bình. Em đặc biệt chú trọng vào những ưu điểm nổi trội của giao thức định tuyến trên công cụ NS2, đồng cũng chỉ ra những nhược điểm còn tồn tại, từ đó, đề xuất những giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của giao thức định tuyến này. 2 1.2. Mục tiêu của đề tài - Các giao thức định tuyến. - Tổng quan về NS2 ( Network Simulator 2). - Mô phỏng giao thức định tuyến trên NS2. 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Đề tài tập trung tìm hiểu về giao thức định tuyến, sử dụng công cụ mô phỏng NS2. 1.4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu về lý thiết định tuyến và NS2 - Mô phỏng thực nghiệm. 1.5. Đóng góp của đề tài Nhằm tìm hiểu và nghiên cứu về kiến trúc, các phần mềm dùng kết hợp với NS2, cách cài đặt NS2 và một số ví dụ. 1.6. Cấu trúc đề tài Đề tài gồm có III chương như sau : Chương I: Các giao thức định tuyến Chương II: Tổng quan về NS2 (Network Simulator) Chương III: Mô phỏng giao thức định truyến trên NS2 (Network Simulator) 3 PHẦN 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 1.1. GIỚI THIỀU VỀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN Trước khi đi sâu vào bài khoá luận lần này, em đã tự đặt cho mình một câu hỏi: Tại sao cần giao thức định tuyến. Sau khi nghiên cứu thì bản thân đã rút ra được câu trả lời như sau: Trong một mạng rất lớn có rất nhiều router như mạng Internet, việc cập nhật bảng định tuyến bằng tay là không thể, vì vậy cần phải có giao thức định tuyến, giao thức định tuyến thực hiện các công việc sau: - Chọn đường dẫn tốt nhất cho các gói tin - Cung cấp các tiến trình để chia sẻ thông tin định tuyến - Cho phép Router liên lạc với các router khác để update và duy trì bảng định tuyến + Phân lớp các giao thức định tuyến Có hai họ giao thức định tuyến là: - IGP: Trao đổi các tuyến đường bên trong một hệ thống mạng tự trị. - EGP: Trao đổi các tuyến đường giữa các hệ thống mạng tự trị. Trong giao thức IGP người ta lại chia thành hai lớp giao thức Distance vector và Link state, sẽ được trình bày ở phần sau. Giao thức định tuyến Distance- vector (RIP, IGRP, EIGRP): - Xác định topo mạng theo các liên kết với các router hàng xóm. - Thêm các vector khoảng cách từ router này đến router kia. - Cập nhật các bảng định tuyến theo địn kỳ. - Gửi các copy của bảng định tuyến đến các router hàng xóm. Các giao thức trạng thái liên kết Link State (OSPF, IS-IS): - Xác định toàn bộ topo của mạng - Tính toán đường dẫn ngắn nhất tới các router khác - Cập nhật được bật tắt theo các biến cố mạng, đáp ứng nhanh sự thay dổi của mạng 4 - Gửi các thông báo về trạng thái liên kết, để làm tươi các trang thái liên kết đến các router khác. 1.2. CÁC LOẠI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 1.2.1. Giao thức trung tâm dữ liệu a. Flooding và Gossiping Flooding là kỹ thuật chung thường được sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong mạng ad hoc vô tuyến và hữu tuyến. Chiến lược định tuyến này rất đơn giản và không phụ thuộc vào cấu hình mạng và các giải thuật định tuyến phúc tạp. Flood sử dụng phương pháp reactive nhờ đó mỗi nút nhận dữ liệu hoặc điệu khiển dữ liệu để gửi các gói tới các nút lân cận. Sau khi truyền, một gói sẽ được truyền trên tất cả các đường có thể. Trừ khi mạng bị ngắt không thì các gói sẽ truyền đến đích. Hình 1. 1: Truyền gói trong Flooding Hơn nữa khi cấu hình mạng thay đổi các gói sẽ truyền theo những tuyến mới giải thuật này sẽ tạo ra vô hạn các bản sao của mỗi gói khi đi qua các nút. Giải thuật này có 3 nhược điểm lớn như sau: + Thứ nhất là hiện tượng bản tin kép, tức là các gói dữ liệu giống nhau được gửi đến cùng nút. + Thứ hai là hiện tượng chồng chéo, tức là các nút cùng cảm biến một vùng không gian và do đó tạo ra các gói tương tự nhau gửi dữ liệu đến các nút lân cận. 5 + Thứ ba đó là thuật toán này không hề quan tâm đến vấn đề năng lượng của các nút, các nút sẽ nhanh chóng thiêu hao năng lượng và làm giảm thời gian sống của mạng. Một sự cải tiến của giao thức này là Gossiping, thuật toán này cải tiến ở chỗ mỗi nút sẽ ngẫu nhiên gửi gói mà nó nhận được đến một trong các nút lân cận của nó. Thuật toán này làm giảm số lượng các gói lan truyền trong mạng, tránh hiện tượng bản tin kép tuy nhiên có nhược điểm là có thể gói sẽ không bao giờ đến được đích. b. Giao thức tự lượng SPIN SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức trung tâm dữ liệu đầu tiên, dựa trên sự thỏa thuận về dữ liệu được quan tâm trước khi chuyển tiếp dữ liệu nhằm giảm sự dư thừa và tiết kiệm năng lượng. Mục tiêu chính của giao thức này là tập trung quan sát môi trường một cách hiệu quả vào một số nút cảm biến riêng biệt trên toàn bộ mạng. Nguyên lý của giao thức này là dựa trên sự thích ứng về tài nguyên và sắp xếp dữ liệu. Trong SPIN, tất cả các loại dữ liệu khác nhau đều được đánh dấu bằng một bộ miêu tả dữ liệu hay còn gọi là meta- data. Khi một nút cảm biến nhận được một một gói tin dữ liệu mới, nó phát quảng bá meta- data của bản tin dữ liệu đó tới các nút lân cận (chứ không chuyển tiếp ngay gói dữ liệu) và chờ phản hồi từ các nút này. Khi nhận được bản tin request từ nút lân cận nào thì gửi gói data cho nút đó. Các nút lân cận khi nhận được một bản tin quảng bá có chứa meta-data từ n út hàng xóm, nó sẽ quyết định xem có cần loại dữ liệu đó không, nếu cần thì gửi trả lại bản tin request. Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) là các nút trong giao thức SPIN sẽ biết về loại dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào được truyền trong mạng . Nơi nhận dữ liệu bày tỏ mối quan tâm đến nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu đang được quảng bá. Điều này tạo ra sự giàn xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm loại dữ liệu này. 6 Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng. Việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ nguy cơ chồng chất vì các nút có thể giới hạn số lượng loại dữ liệu mà chúng quan tâm đến. Mỗi nút theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có thể giảm số lượng dữ liệu mà nó quan tâm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền meta- data hoặc các gói. Chính khả năng thay đổi để thích nghi với nguồn năng lượng hiện có của các nút đã làm tăng thời gian sống của toàn mạng. Hình 1. 2: Hoạt động của SPIN + Hoạt động của SPIN có 6 bước gồm: - Bước 1: ADV để thông báo dữ liệu mới tới các nút. - Bước 2: REQ để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm. Sau khi nhận được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu. - Bước 3: bản tin DATA bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu. - Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu (metadata). - Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu. - Bước 6: là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này. 7 Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích. Giao thức SPIN được chia thành các loại: - SPIN - PP: Giao thức này được thiết kế cho truyền thông điểm, giá sử như 2 nút có thể giao tiếp với nhau mà không ảnh hưởng tới truyền thông của các nút khác. Khi nút có dữ liệu để gửi nó sẽ gửi ADV tới nút hàng xóm, nếu nút nào muốn nhận thông tin đó nó sẽ trả lợi bằng thông tin REG. Khi đó nút vừa gửi bản tin ADV sẽ gửi gói dữ liệu tới nút vừa gửi bản tin REG. Và quá trình cứ tiếp diễn như vậy. - SPIN – EC: Giao thức này là sự bổ xung thêm thủ tục xác định năng lượng so với giao thức trước. Một nút chi tham gia quá trình nếu như nó có thể thực hiện các giai đoạn của giao thức mà năng lượng không xuống dưới ngưỡng cho phép. - SPIN – BC: Giao thức này dùng cho kênh quảng bá, ưu điểm của giao thức này là mọi nút hàng xóm đều nhận được bản tin quảng bá còn nhược điểm của nó là các nút sẽ ngừng truyền nếu như kênh đó đã được sử dụng. Một điểm khác c ủa giao thức này với các giao thức trước đó là các nút sẽ không lập tức gửi bản tin trả lời REQ ngày sau khi nhận được gói tin ADV, mỗi nút sẽ sử dụng mội thời gian trễ ngẫu nhiên rồi mới gửi gói tin REQ đi c. Giao thức chuyển tiếp giá tối thiểu (MCFA) MCFA là thuật toán được lựa chọn trong phần thực nghiệm truyền nhận nhiệt,do vậy phần này sẽ tìm hiểu chi tiết hơn các thuật toán khác. Đây là thuật toán đầu tiên được tìm ra trong nhóm giao thức định tuyến công bằng trong mạng tích cực, Thuật toán này dựa trên thực tế chiều của luồng dữ liệu trong mạng là đơn hướng luôn hướng về trạm cơ sở, do vậy nó không đòi hỏi các nút phải xây dựng và duy trì bảng định tuyến để truyền tiếp. Thay vào đó mỗi nút sẽ xác định giá tối thiều từ nó tới trạm cơ sở. d. Giao thức gán tuyến liên tiếp SAR (Sequential Assignment Routing) Giao thức gán tuyến xem xét năng lượng và chất lượng dịch vụ trên mỗi tuyến và mức độ ưu tiên của gói tin để quyết định. Mỗi nút sẽ duy trì nhiều tuyến 8 tới trạm cơ sơ cùng một lúc để tránh tình trạng quá tải hoặc một tuyến liên kết bị lỗi. Số tuyến này được xây dựng bằng cách xây dựng cây mạng tại các nút kế trạm cơ sơ, cây được mở rộng bằng cách thêm vào các nút lá hoặc nút nhánh kế tiếp và bỏ qua những nút có chất lượng dịch vụ hoặc năng lượng thấp. Như vậy mỗi nút sẽ kết hợp 2 thông số, chất lượng dịch vụ và năng lượng trong mỗi tuyến, trong đó năng lượng được xác định bằng sổ gói tối đa có thể định tuyến mà không cần thay thế năng lượng nếu như vẫn sử dụng tuyến đó. Giao thức SAR tính toán thông số chất lượng dịch vụ , năng lượng tiêu tụ và mức ưu tiên của gói tin, Một thủ tục xây dựng lại tuyến được khởi phát bởi nút cơ sơ để kịp thích ứng khi topo mạng thay đổi, việc phục hồi lại lỗi được thực hiện bằng thủ tục bắt tay giữa các nút hàng xóm với nhau. 1.1.2. Giao thức phân cấp a. Giao thức LEACH LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierachy) là một giao thức sử dụng năng lượng rất hiệu quả trong mạng cảm biến. tác giả của phương pháp này khẳng định nó nâng thời gian sống của mạng lên tới 8 lần so với một số phương pháp định tuyến khác. Để đạt được mục tiêu này LEACH đã thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ. Nút chủ gánh lấy trọng tránh thực hiện nhiều tác vụ. Đầu tiên là thu lượm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệu nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu tương quan nhau. Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trược tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến các trạm cơ sở. Việc truyền này có thể thực hiện theo kiểu single hop. Nhiệm vụ thứ ba là LEACH sẽ tạo ra một mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA, mỗi nút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sử dụng để truyền tin. Một thuật toán được sử dụng để chọn ra nút chính, ban đầu mỗi nút từ xác định xem nó có thể làm nút chính hay không(dựa vào đánh giá năng lượng của chính nó), nếu nó quyết định trở thành nút chính nó sẽ thông báo cho các nút hàng xóm của nó, các nút không trở thành nút chính sẽ tham gia vào một nhóm dựa trên thông báo mà nó nhận được. 9 LEACH là giao thức được dùng trong mạng cảm biến mà các nút là cố định có vai trò bình đẳng, dựa trên giả thiết các nút luôn có dữ liệu để gửi, các nút thu thập dữ liệu môi trường liên tiếp do đó tốc độ dữ liệu là cố định. Do các nút chính được thây đổi liên tục nên nhình chung năng luongj tiêu thụ trên các nút là khá cân bằng. Hình 1. 3: Mô hình Leach LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp, đây là giao thức tập hợp và phân phát dữ liệu tới các bộ thu nhận đặc biệt là các trạm cơ sở. Mục tiêu chính của LEACH là: + Mở rộng thời gian sống của mạng. + Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng. + Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng. LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ. Nút chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ, trong đó nhiệm vụ đầu tiên là thu thập dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình nhận dữ liệu, nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa do có nhiều dữ liệu giống nhau. Nhiệm vụ thứ hai của nút chủ là trực tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến trạm gốc, quá trình truyền dữ liệu này có thể được thực hiện theo kiểu single-hop hoặc mutil- hop. Nhiệm vụ thứ ba là các nút chủ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mỗi nút trong cụm được gán một khe thời gian nhất định, dùng để định 10 thời hoạt động, thu thập và gửi dữ liệu về nút chủ. Giao thức định tuyến LEACH sẽ được trình bày rõ hơn trong phần sau. - Ưu điểm: Giao thức LEACH lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các nút chủ,do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với nút gốc được trải đều cho tất các nút cảm biến trong mạng. Giao thức LEACH giúp kéo dài thời gian sống của mạng bằng cách tối thiểu hóa năng lượng sử dụng của mỗi nút cảm biến nhờ vào việc kết hợp số liệu. - Nhược điểm: Các kết quả mô phỏng giao thức LEACH của mạng WSN cho thấy đây là một phương pháp chọn đường phân cấp có khả năng tiết kiệm được công suất sử dụng và kéo dài thời gian sống của mang cảm biến. Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của giao thức LEACH là lựa chọn số liệu được tập trung và thực hiện theo chu kỳ. Do đó, giao thức này chỉ thích hợp với yêu cầu giám sát liên tục bởi mạng cảm biến. Với ứng dụng mà người sử dụng không cần tất cả số liệu ngày lập tức thì việc truyền số liệu theo chu kỳ là không cần thiết và có thể làm tiêu tốn năng lượng vô ích. Giao thức LEACH cần tiếp tục được cải tiến để khắc phục hạn chế này. Việc giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đến trạm cơ sở thông qua một bước nhảy là không thực tế, và vị dự trữ năng lượng và khả năng của các nút thay đổi theo thời gian từ nút này đến nút khác. Hơn nữa khoảng chu kỳ ổn định trạng thái là vấn đề then chốt để đạt được giảm năng lượng cần thiết để bù đắp lượng mảo đầu gây ra bởi xử lý lựa chọn cụm.Chu kỳ ngắn sẽ làm tăng lượng mảo đầu,chu kỳ dài sẽ nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút chủ. b. Leach-C Trong mục trước LEACH đã được mô tả chi tiết. Trong khi có những thuận lợi để sử dụng Leach đã hình thành thuật toán phân phối cụm, nơi mà mỗi nút tự quyết định giải quyết kết quả trong tất cả các nút đang được đặt vào cụm,điều này cung cấp các giao thức không có đảm bảo về số lượng các nút cluster-head. Kể từ cụm tương ứng, việc thu được một cụm kém thiết lập trong 11 thời gian một vòng sẽ không ảnh hưởng đến rất nhiều hiệu suất tổng thể của Leach. Tuy nhiên, trung tâm kiếm soát bằng cách sử dụng một thuật toán để tạo thành các cụm có thành quả tốt hơn bằng cách giải tán các nút cluster-head trên toàn mạng. Đây là cơ sở cho LEACH-C(LEACH- Centralized), một giao thức mà sử dụng một thuật toán cụm tập trung và ổn định cùng một giao thức như LEACH(các nút gửi dữ liệu của họ vào các cluster-head, và các cluster- head tập hợp dữ liệu và gửi các tín hiệu tổng hợp cho các trạm cơ sở). Hình 1. 4: Giai đoạn cài đặt của Leach-C Trong quá trình thiết lập các giai đoạn LEACH- C, mỗi nút gửi thông tin về vị trí hiện tại của nó và năng lực cho trạm cơ sở. Các trạm cơ sở chạy một thuật toán tối ưu hóa để xác định các cụm. Các cụm thành lập bởi các trạm cơ sở nói chung được tốt hơn so với những hình thành bằng cách sử dụng các thuật toán phân phối. Tuy nhiên, LEACH-C đòi hỏi mỗi nút truyền tải thông tin về vị trí của nó đến trạm cơ sở tại đầu của mỗi vòng. Thông tin này có thể được lấy bằng cách sử dụng một hệ thông định vị toàn cầu (GPS) nhận được kích hoạt vào lúc bắt đầu mỗi vòng, để lấy vị trí hiện tại của các nút. Sau khi tối ưu hóa cluster- head cụm có liên được tìm thấy, các trạm cơ sở truyền thông tin này lại cho tất cả các nút trong mạng. Điều này được thực hiện phát sóng của một tin nhắn có chứa ID các cluster-head cho mỗi nút. Nếu ID của cluster-head phù hợp với ID của một nút trên cluster-head đó, nút đó đảm nhiệm vai trò cluster-head; cách khác nút xác định khe TDMA cho truyền dữ liệu và đi 12 ngủ cho đến thời gian để truyền dữ liệu đến các cluster- head thì thực dậy. Sự ổn định trạng thái,giao đoạn của Leach-C là giống nhau cho các Leach. c. Leach-F Các nút trên cụm thích ứng và phụ thuộc vào nút cluster- head cho một vòng là thuận lợi bởi vì nó đảm bảo rằng các nút giao tiếp với nút cluster-head mà yêu cầu mức thấp nhất của truyền tải điện năng. Ngoài việc giảm sự uống phí năng lượng, điều này đảm bảo tối thiểu việc can thiệp của các nhóm khác, như là sức mạnh của một tin nhắn sẽ được can thiệp ít hơn(nhiều nhất hoặc bằng) sức mạnh của tin nhắn các cluster- head đang nhận được (xem Hình 1.5) Trong hình vẽ này nút A chọn tham gia vào nhóm C vì nó đòi hỏi phải truyền tải điện năng ít hơn để giao tiếp với nút C hơn nút B,các lựa chọn cho các cluster-head. Hình 1. 5: Can thiệp của nhóm khác Nếu, mặt khác, các cụm đã được cố định và chỉ những nút cluster-head là luân phiên, một nút có thể đã sử dụng một số lượng lớn điện năng để giao tiếp với cac cluster-head khi có một cụm của cluster- head gần kề. Ví dụ, trong Hình 1.5, nút A có nhu cầu truyền tài tới nút B phải sử dụng một số lượng lớn điện năng để giao tiếp với cluster-head của nút B. Từ đầu cluster- head C là nắm gần nút A, nút A sẽ truyền hỏng bất kỳ thông tin gì đến cluster- head C. Do đó, bằng cách sử dụng cụm cố định và luân phiên các nút cluster- head trong nhóm có thể yêu cầu xem thêm truyền tải điện năng từ các nút, tăng tiêu hao năng lượng nút non- cluster-head và tăng cường sự can thiệp của các nhóm khác. 13 Hình 1. 6: Thể hiện được đáng kế các nhóm can thiệp khi giao tiếp với các cluster-head Lợi ích của cụm cố định là một khi được thành lập cụm, không mất phí thiết lập tại đầu của mỗi vòng. Tùy thuộc vào các chi phí cho thành lập cụm thích ứng,một cách tiếp cận nơi các cụm được thành lập một lần và cố định và các cluster-head luân phiên vị trí giữa các nút trong nhóm có thể được thêm năng lượng hiệu quả hơn LEACH. Đây là cơ bản cho LEACH-F. Trong LEACH-F, cụm được tạo ra bằng cách sử dụng các cụm tập trung hình thành phát triển thuật toán cho LCH-C.Việc sử dụng mô phỏng các trạm cơ sở để xác định tối ưu và cụm broadcasts các cụm thông tin cho các nút.Điều này bao gồm các tin nhắn quảng bá các nhóm ID cho mỗi nút, mà từ đó các nút có thể xác định lập lịch TDMA và theo thứ tự luân phiên vị trí cluster-head. Nút đầu tiên được liệt kê trong nhóm sẽ trở thành cluster- head cho vòng đầu, các nút thứ hai được liệt kê trong nhóm sẽ trở thành cluster-head cho vòng thứ hai,và cho nút n- 1. Sự ổn định trạng thái,giai đoạn của LEACH-F là giống nhau cho LEACH. LEACH- F sẽ không được thực hành trong bất kỳ loại chức năng nào của hệ thống. Tính chất cố định của giao thức này không cho phép các nút mới được thêm vào hệ thống và hiện không điều chinh hành vi của nó dựa trên các nút chết. Hơn nữa,LEACH- F hiện không xử lý các nút di động. Vì vậy,trong khi đây là một giao thức tốt so sánh để xác định giá trị lợi thế kinh phí không có một phương pháp tiếp cận, nó có thể không có một giao thức hữu ích cho các kiến trúc của hệ thống thực sự MTE. Đối với định tuyến MTE, tuyến đường từ mỗi nút đến các trạm cơ sở đã được lựa chọn như vậy mà mỗi nút next-hop(truyền kế tiếp)là nút hàng xóm gần nhất 14 có nghĩa là theo hướng của các trạm cơ sở.Khi một nút chết, mà tất cả các nút hàng xóm theo hương ngước lại của họ bắt đầu chuyển dữ liệu đến nút next-hop của người hàng xóm, Bằng cách này,tuyến đường mới không cần phải được tính bất cứ khi nào một nút chết. Điều chỉnh điện năng của các nút đến mức yêu cầu tối nhiều để tiếp cận hàng xóm truyền kế tiếp. Điều này giảm can thiệp với cách truyền đi và làm giảm năng lượng tiêu hao của các nút. Giao tiếp với hàng xóm truyền kế tiếp xảy ra bằng cách sử dụng một giao thức CSMA. Và khi xảy ra xung đột,dữ liệu được loại bỏ. Khi một nút nhận được dữ liêu từ một trong các utstream hàng xóm,nó như các dữ liêu cho các trang hàng xóm truyền kế tiếp. Điều này tiếp tục cho đến khi đạt đến các trạm cơ sở dữ liệu. d. Giao thức stat-cluster Giao thức STAT- CLUSTER: cho phép triển khai các thử nghiệm giống như giao thức LEACH ngoại trừ các cụm được chọn một priori và cố định. Các cụm được hình thành bằng cách sử dụng các thuật toán mô phỏng như trong Leach-C. Các nút sử dụng một lịch trình TDMA để gửi dữ liệu đến các cluster-head, và các cluster- head tập hợp dữ liệu trước khi chuyển đến trạm cơ sở.Cách tiếp cận này có ít phí, nhưng khi các nút cluster- head hết năng lượng,các nút trong nhóm bị mất khả năng giao tiếp với các trạm cơ sở. Các nút cluster- head trong statcluster sử dụng năng lượng hạn chế của họ một cách nhanh chóng,kết thúc những thông tin liên lạc của tất cả các nút trong cụm. Tuy nhiê,phương pháp tiếp cận này không trả tiền cho thời gian và năng ...

UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

UBND TỈNH QUẢNG NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của khoa công nghệ thông tin trường đại học Quảng Nam, và được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn ThS Lê Thị Thanh Bình em

đã thực hiện đề tài“Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến trên công cụ NS2”

Để hoàn thành được khóa luận này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về mặt kiến thức cũng như kinh nghiệm của các thầy giáo Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Cô giáo: ThS Lê Thị Thanh Bình, người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận

Mặc dù đã nỗ lực cố gắng, song với thời gian hạn chế, khóa luận chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý của quý thầy cô giáo và các bạn để khóa luận hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.1.GIỚI THIỀU VỀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 3

1.2 CÁC LOẠI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 4

1.2.1 Giao thức trung tâm dữ liệu 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Truyền gói trong Flooding 4

Hình 1 2: Hoạt động của SPIN 6

Hình 1 3: Mô hình Leach 9

Hình 1 4: Giai đoạn cài đặt của Leach-C 11

Hình 1 5: Can thiệp của nhóm khác 12

Hình 1 6: Thể hiện được đáng kế các nhóm can thiệp khi giao tiếp với các cluster-head 13

Hình 1 7: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy 15

Hình 1 8: Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS 16

Hình 1 9: Hoạt động của GAF 17

Hình 1 10: Hoạt động của GEAR 20

Hình 1 11: Chuyển tiếp địa lý đệ quy 22

Hình 2 1: Tổng quan về NS-2 dưới góc độ người dùng 24

Hình 2 2: Luồng các sự kiện fille Tcl chạy trong NS 25

Hình 2 3: Cơ cấu tổ chức thu mục NS 26

Hình 2 4: File download công cụ ns-allinone-2.35.tar.gz 31

Hình 2 5: Extract file tar.gz thành Folder 31

Hình 2 6: Chuyển thư mục NS2 vào Home 32

Hình 2 7: Cài đặt biên dịch 32

Hình 2 8: Sửa file trong thư mục Makefile.in 33

Hình 2 9: Sửa file CC = gcc-4.8 33

Hình 2 10: Cài đặt NS2 trong thư mục ns-aillinone-2.35 34

Hình 2 11: Gõ lệnh gedit ~/.bashrc trong thư mục terminal 34

Hình 2 12: Đổi tên chủ máy 35

Hình 2 13: Kết thúc cài đặt, thành công 36

Hình 3 1: Kịch bản mô phỏng 37

Hình 3 2: Quá trình mô phỏng 38

Hình 3 3: Quá trình mô phỏng 40

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

SPIN Sensor Protocol for Information via Negotiation

Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm thông tin cảm biến CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

TCP Transmission Control Protocal Giao thức điều khiển truyền tải

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ và truyền thông đã đạt được những bước phát triển ấn tượng và đang đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống của con người Chính sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã làm cho hoạt động trao đổi thông tin trở thành một đặc trưng của xã hội hiện đại Tuy nhiên, xã hội càng tiến bộ thì những nhu cầu của con người ngày càng phong phú và khắt khe hơn Để đáp ứng được tốt yêu cầu đó, đòi hỏi những người trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học phải không ngừng sáng tạo để tìm ra những giải pháp công nghệ mới, không những chỉ đáp ứng tốt nhu cầu hiện tại của xã hội, mà còn định hướng cho những ứng dụng mới trong tương lai

Mặc dù có những ưu thế vượt trội như khả năng ứng dụng phong phú, chi phí triển khai thấp do các nút mạng có giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng nhưng vẫn đảm bảo khả năng cảm biến và truyền thông tốt Tuy nhiên, bất cứ một hệ thống nào có tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi cũng đều phải đối mặt với rất nhiều thách thức Một trong những thách thức lớn nhất đó chính là nguồn năng lượng của các nút cảm biến bị giới hạn và không thể nạp lại Để giải quyết vấn đề đó, hiện nay, rất nhiều hướng nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm ra giải pháp để cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng đó nhưng đáng chú ý nhất là phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phù hợp Kết quả là rất nhiều giao thức định tuyến đã được đưa ra, trong đó, những giao thức định tuyến phân cấp được đánh giá là rất hiệu quả

Để nắm bắt được một công nghệ mới là một việc rất khó khăn, chính vì lẽ đó mà em không nghiên cứu toàn bộ các giao thức định tuyến phân cấp mà tập

trung vào “Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến trên công cụ NS2” với sự hướng dẫn của ThS.Lê Thị Thanh Bình Em đặc biệt chú trọng vào những

ưu điểm nổi trội của giao thức định tuyến trên công cụ NS2, đồng cũng chỉ ra những nhược điểm còn tồn tại, từ đó, đề xuất những giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của giao thức định tuyến này

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Các giao thức định tuyến

- Tổng quan về NS2 ( Network Simulator 2) - Mô phỏng giao thức định tuyến trên NS2

Đề tài tập trung tìm hiểu về giao thức định tuyến, sử dụng công cụ mô phỏng NS2

- Nghiên cứu về lý thiết định tuyến và NS2

Đề tài gồm có III chương như sau : Chương I: Các giao thức định tuyến

Chương II: Tổng quan về NS2 (Network Simulator)

Chương III: Mô phỏng giao thức định truyến trên NS2 (Network Simulator)

PHẦN 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1

CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

1.1 GIỚI THIỀU VỀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

Trước khi đi sâu vào bài khoá luận lần này, em đã tự đặt cho mình một câu hỏi: Tại sao cần giao thức định tuyến Sau khi nghiên cứu thì bản thân đã rút ra được câu trả lời như sau:

Trong một mạng rất lớn có rất nhiều router như mạng Internet, việc cập nhật bảng định tuyến bằng tay là không thể, vì vậy cần phải có giao thức định tuyến, giao thức định tuyến thực hiện các công việc sau:

- Chọn đường dẫn tốt nhất cho các gói tin

- Cung cấp các tiến trình để chia sẻ thông tin định tuyến

- Cho phép Router liên lạc với các router khác để update và duy trì bảng định tuyến

+ Phân lớp các giao thức định tuyến Có hai họ giao thức định tuyến là:

- IGP: Trao đổi các tuyến đường bên trong một hệ thống mạng tự trị - EGP: Trao đổi các tuyến đường giữa các hệ thống mạng tự trị

Trong giao thức IGP người ta lại chia thành hai lớp giao thức Distance vector và Link state, sẽ được trình bày ở phần sau

Giao thức định tuyến Distance- vector (RIP, IGRP, EIGRP): - Xác định topo mạng theo các liên kết với các router hàng xóm - Thêm các vector khoảng cách từ router này đến router kia - Cập nhật các bảng định tuyến theo địn kỳ

- Gửi các copy của bảng định tuyến đến các router hàng xóm Các giao thức trạng thái liên kết Link State (OSPF, IS-IS): - Xác định toàn bộ topo của mạng

- Tính toán đường dẫn ngắn nhất tới các router khác

- Cập nhật được bật tắt theo các biến cố mạng, đáp ứng nhanh sự thay dổi của mạng

- Gửi các thông báo về trạng thái liên kết, để làm tươi các trang thái liên kết đến các router khác

1.2 CÁC LOẠI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 1.2.1 Giao thức trung tâm dữ liệu

a Flooding và Gossiping

Flooding là kỹ thuật chung thường được sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong mạng ad hoc vô tuyến và hữu tuyến

Chiến lược định tuyến này rất đơn giản và không phụ thuộc vào cấu hình mạng và các giải thuật định tuyến phúc tạp Flood sử dụng phương pháp reactive nhờ đó mỗi nút nhận dữ liệu hoặc điệu khiển dữ liệu để gửi các gói tới các nút lân cận Sau khi truyền, một gói sẽ được truyền trên tất cả các đường có thể Trừ khi mạng bị ngắt không thì các gói sẽ truyền đến đích

Hơn nữa khi cấu hình mạng thay đổi các gói sẽ truyền theo những tuyến mới giải thuật này sẽ tạo ra vô hạn các bản sao của mỗi gói khi đi qua các nút Giải thuật này có 3 nhược điểm lớn như sau:

+ Thứ nhất là hiện tượng bản tin kép, tức là các gói dữ liệu giống nhau được gửi đến cùng nút

+ Thứ hai là hiện tượng chồng chéo, tức là các nút cùng cảm biến một vùng không gian và do đó tạo ra các gói tương tự nhau gửi dữ liệu đến các nút lân cận

+ Thứ ba đó là thuật toán này không hề quan tâm đến vấn đề năng lượng của các nút, các nút sẽ nhanh chóng thiêu hao năng lượng và làm giảm thời gian sống của mạng

Một sự cải tiến của giao thức này là Gossiping, thuật toán này cải tiến ở chỗ mỗi nút sẽ ngẫu nhiên gửi gói mà nó nhận được đến một trong các nút lân cận của nó Thuật toán này làm giảm số lượng các gói lan truyền trong mạng, tránh hiện tượng bản tin kép tuy nhiên có nhược điểm là có thể gói sẽ không bao giờ đến được đích

b Giao thức tự lượng SPIN

SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức trung tâm dữ liệu đầu tiên, dựa trên sự thỏa thuận về dữ liệu được quan tâm trước khi chuyển tiếp dữ liệu nhằm giảm sự dư thừa và tiết kiệm năng lượng Mục tiêu chính của giao thức này là tập trung quan sát môi trường một cách hiệu quả vào một số nút cảm biến riêng biệt trên toàn bộ mạng

Nguyên lý của giao thức này là dựa trên sự thích ứng về tài nguyên và sắp xếp dữ liệu Trong SPIN, tất cả các loại dữ liệu khác nhau đều được đánh dấu bằng một bộ miêu tả dữ liệu hay còn gọi là meta-data Khi một nút cảm biến nhận được một một gói tin dữ liệu mới, nó phát quảng bá meta-data của bản tin dữ liệu đó tới các nút lân cận (chứ không chuyển tiếp ngay gói dữ liệu) và chờ phản hồi từ các nút này Khi nhận được bản tin request từ nút lân cận nào thì gửi gói data cho nút đó

Các nút lân cận khi nhận được một bản tin quảng bá có chứa meta-data từ nút hàng xóm, nó sẽ quyết định xem có cần loại dữ liệu đó không, nếu cần thì gửi trả lại bản tin request

Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) là các nút trong giao thức SPIN sẽ biết về loại dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào được truyền trong mạng Nơi nhận dữ liệu bày tỏ mối quan tâm đến nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu đang được quảng bá Điều này tạo ra sự giàn xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm loại dữ liệu này

Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng

Việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ nguy cơ chồng chất vì các nút có thể giới hạn số lượng loại dữ liệu mà chúng quan tâm đến Mỗi nút theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có thể giảm số lượng dữ liệu mà nó quan tâm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền meta-data hoặc các gói Chính khả năng thay đổi để thích nghi với nguồn năng lượng hiện có của các nút đã làm tăng thời gian sống của toàn mạng

+ Hoạt động của SPIN có 6 bước gồm:

- Bước 1: ADV để thông báo dữ liệu mới tới các nút

- Bước 2: REQ để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm Sau khi nhận được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu

- Bước 3: bản tin DATA bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu

- Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu (metadata)

- Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu - Bước 6: là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này

Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích

Giao thức SPIN được chia thành các loại:

- SPIN - PP: Giao thức này được thiết kế cho truyền thông điểm, giá sử như 2 nút có thể giao tiếp với nhau mà không ảnh hưởng tới truyền thông của các nút khác Khi nút có dữ liệu để gửi nó sẽ gửi ADV tới nút hàng xóm, nếu nút nào muốn nhận thông tin đó nó sẽ trả lợi bằng thông tin REG Khi đó nút vừa gửi bản tin ADV sẽ gửi gói dữ liệu tới nút vừa gửi bản tin REG Và quá trình cứ tiếp diễn như vậy

- SPIN – EC: Giao thức này là sự bổ xung thêm thủ tục xác định năng lượng so với giao thức trước Một nút chi tham gia quá trình nếu như nó có thể thực hiện các giai đoạn của giao thức mà năng lượng không xuống dưới ngưỡng cho phép

- SPIN – BC: Giao thức này dùng cho kênh quảng bá, ưu điểm của giao thức này là mọi nút hàng xóm đều nhận được bản tin quảng bá còn nhược điểm của nó là các nút sẽ ngừng truyền nếu như kênh đó đã được sử dụng Một điểm khác của giao thức này với các giao thức trước đó là các nút sẽ không lập tức gửi bản tin trả lời REQ ngày sau khi nhận được gói tin ADV, mỗi nút sẽ sử dụng mội thời gian trễ ngẫu nhiên rồi mới gửi gói tin REQ đi

c Giao thức chuyển tiếp giá tối thiểu (MCFA)

MCFA là thuật toán được lựa chọn trong phần thực nghiệm truyền nhận

nhiệt,do vậy phần này sẽ tìm hiểu chi tiết hơn các thuật toán khác Đây là thuật toán đầu tiên được tìm ra trong nhóm giao thức định tuyến công bằng trong mạng tích cực, Thuật toán này dựa trên thực tế chiều của luồng dữ liệu trong mạng là đơn hướng luôn hướng về trạm cơ sở, do vậy nó không đòi hỏi các nút phải xây dựng và duy trì bảng định tuyến để truyền tiếp Thay vào đó mỗi nút sẽ xác định giá tối thiều từ nó tới trạm cơ sở

d Giao thức gán tuyến liên tiếp SAR (Sequential Assignment Routing)

Giao thức gán tuyến xem xét năng lượng và chất lượng dịch vụ trên mỗi tuyến và mức độ ưu tiên của gói tin để quyết định Mỗi nút sẽ duy trì nhiều tuyến

tới trạm cơ sơ cùng một lúc để tránh tình trạng quá tải hoặc một tuyến liên kết bị lỗi Số tuyến này được xây dựng bằng cách xây dựng cây mạng tại các nút kế trạm cơ sơ, cây được mở rộng bằng cách thêm vào các nút lá hoặc nút nhánh kế tiếp và bỏ qua những nút có chất lượng dịch vụ hoặc năng lượng thấp Như vậy mỗi nút sẽ kết hợp 2 thông số, chất lượng dịch vụ và năng lượng trong mỗi tuyến, trong đó năng lượng được xác định bằng sổ gói tối đa có thể định tuyến mà không cần thay thế năng lượng nếu như vẫn sử dụng tuyến đó

Giao thức SAR tính toán thông số chất lượng dịch vụ , năng lượng tiêu tụ và mức ưu tiên của gói tin, Một thủ tục xây dựng lại tuyến được khởi phát bởi nút cơ sơ để kịp thích ứng khi topo mạng thay đổi, việc phục hồi lại lỗi được thực hiện bằng thủ tục bắt tay giữa các nút hàng xóm với nhau

1.1.2 Giao thức phân cấp

a Giao thức LEACH

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierachy) là một giao thức sử dụng năng lượng rất hiệu quả trong mạng cảm biến tác giả của phương pháp này khẳng định nó nâng thời gian sống của mạng lên tới 8 lần so với một số phương pháp định tuyến khác Để đạt được mục tiêu này LEACH đã thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ Nút chủ gánh lấy trọng tránh thực hiện nhiều tác vụ Đầu tiên là thu lượm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệu nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu tương quan nhau Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trược tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến các trạm cơ sở Việc truyền này có thể thực hiện theo kiểu single hop Nhiệm vụ thứ ba là LEACH sẽ tạo ra một mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA, mỗi nút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sử dụng để truyền tin

Một thuật toán được sử dụng để chọn ra nút chính, ban đầu mỗi nút từ xác định xem nó có thể làm nút chính hay không(dựa vào đánh giá năng lượng của chính nó), nếu nó quyết định trở thành nút chính nó sẽ thông báo cho các nút hàng xóm của nó, các nút không trở thành nút chính sẽ tham gia vào một nhóm dựa trên thông báo mà nó nhận được

LEACH là giao thức được dùng trong mạng cảm biến mà các nút là cố định có vai trò bình đẳng, dựa trên giả thiết các nút luôn có dữ liệu để gửi, các nút thu thập dữ liệu môi trường liên tiếp do đó tốc độ dữ liệu là cố định Do các nút chính được thây đổi liên tục nên nhình chung năng luongj tiêu thụ trên các nút là khá cân bằng

LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp, đây là giao thức tập hợp và phân phát dữ liệu tới các bộ thu nhận đặc biệt là các trạm cơ sở Mục tiêu chính của LEACH là:

+ Mở rộng thời gian sống của mạng

+ Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

+ Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng

LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ Nút chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ, trong đó nhiệm vụ đầu tiên là thu thập dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình nhận dữ liệu, nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa do có nhiều dữ liệu giống nhau Nhiệm vụ thứ hai của nút chủ là trực tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến trạm gốc, quá trình truyền dữ liệu này có thể được thực hiện theo kiểu single-hop hoặc mutil-hop Nhiệm vụ thứ ba là các nút chủ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mỗi nút trong cụm được gán một khe thời gian nhất định, dùng để định

thời hoạt động, thu thập và gửi dữ liệu về nút chủ Giao thức định tuyến LEACH sẽ được trình bày rõ hơn trong phần sau

- Ưu điểm:

Giao thức LEACH lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các nút chủ,do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với nút gốc được trải đều cho tất các nút cảm biến trong mạng

Giao thức LEACH giúp kéo dài thời gian sống của mạng bằng cách tối thiểu hóa năng lượng sử dụng của mỗi nút cảm biến nhờ vào việc kết hợp số liệu

- Nhược điểm:

Các kết quả mô phỏng giao thức LEACH của mạng WSN cho thấy đây là một phương pháp chọn đường phân cấp có khả năng tiết kiệm được công suất sử dụng và kéo dài thời gian sống của mang cảm biến Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của giao thức LEACH là lựa chọn số liệu được tập trung và thực hiện theo chu kỳ Do đó, giao thức này chỉ thích hợp với yêu cầu giám sát liên tục bởi mạng cảm biến Với ứng dụng mà người sử dụng không cần tất cả số liệu ngày lập tức thì việc truyền số liệu theo chu kỳ là không cần thiết và có thể làm tiêu tốn năng lượng vô ích Giao thức LEACH cần tiếp tục được cải tiến để khắc phục hạn chế này

Việc giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đến trạm cơ sở thông qua một bước nhảy là không thực tế, và vị dự trữ năng lượng và khả năng của các nút thay đổi theo thời gian từ nút này đến nút khác Hơn nữa khoảng chu kỳ ổn định trạng thái là vấn đề then chốt để đạt được giảm năng lượng cần thiết để bù đắp lượng mảo đầu gây ra bởi xử lý lựa chọn cụm.Chu kỳ ngắn sẽ làm tăng lượng mảo đầu,chu kỳ dài sẽ nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút chủ

b Leach-C

Trong mục trước LEACH đã được mô tả chi tiết Trong khi có những thuận lợi để sử dụng Leach đã hình thành thuật toán phân phối cụm, nơi mà mỗi nút tự quyết định giải quyết kết quả trong tất cả các nút đang được đặt vào cụm,điều này cung cấp các giao thức không có đảm bảo về số lượng các nút cluster-head Kể từ cụm tương ứng, việc thu được một cụm kém thiết lập trong

thời gian một vòng sẽ không ảnh hưởng đến rất nhiều hiệu suất tổng thể của Leach Tuy nhiên, trung tâm kiếm soát bằng cách sử dụng một thuật toán để tạo thành các cụm có thành quả tốt hơn bằng cách giải tán các nút cluster-head trên toàn mạng Đây là cơ sở cho LEACH-C(LEACH-Centralized), một giao thức mà sử dụng một thuật toán cụm tập trung và ổn định cùng một giao thức như LEACH(các nút gửi dữ liệu của họ vào các cluster-head, và các cluster-head tập hợp dữ liệu và gửi các tín hiệu tổng hợp cho các trạm cơ sở)

Trong quá trình thiết lập các giai đoạn LEACH-C, mỗi nút gửi thông tin về vị trí hiện tại của nó và năng lực cho trạm cơ sở Các trạm cơ sở chạy một thuật toán tối ưu hóa để xác định các cụm Các cụm thành lập bởi các trạm cơ sở nói chung được tốt hơn so với những hình thành bằng cách sử dụng các thuật toán phân phối Tuy nhiên, LEACH-C đòi hỏi mỗi nút truyền tải thông tin về vị trí của nó đến trạm cơ sở tại đầu của mỗi vòng Thông tin này có thể được lấy bằng cách sử dụng một hệ thông định vị toàn cầu (GPS) nhận được kích hoạt vào lúc bắt đầu mỗi vòng, để lấy vị trí hiện tại của các nút

Sau khi tối ưu hóa cluster-head cụm có liên được tìm thấy, các trạm cơ sở truyền thông tin này lại cho tất cả các nút trong mạng Điều này được thực hiện phát sóng của một tin nhắn có chứa ID các cluster-head cho mỗi nút Nếu ID của cluster-head phù hợp với ID của một nút trên cluster-head đó, nút đó đảm nhiệm vai trò cluster-head; cách khác nút xác định khe TDMA cho truyền dữ liệu và đi

ngủ cho đến thời gian để truyền dữ liệu đến các cluster-head thì thực dậy Sự ổn định trạng thái,giao đoạn của Leach-C là giống nhau cho các Leach

c Leach-F

Các nút trên cụm thích ứng và phụ thuộc vào nút cluster-head cho một vòng là thuận lợi bởi vì nó đảm bảo rằng các nút giao tiếp với nút cluster-head mà yêu cầu mức thấp nhất của truyền tải điện năng Ngoài việc giảm sự uống phí năng lượng, điều này đảm bảo tối thiểu việc can thiệp của các nhóm khác, như là sức mạnh của một tin nhắn sẽ được can thiệp ít hơn(nhiều nhất hoặc bằng) sức mạnh của tin nhắn các cluster-head đang nhận được (xem Hình 1.5) Trong hình vẽ này nút A chọn tham gia vào nhóm C vì nó đòi hỏi phải truyền tải điện năng ít hơn để giao tiếp với nút C hơn nút B,các lựa chọn cho các cluster-head

Nếu, mặt khác, các cụm đã được cố định và chỉ những nút cluster-head là luân phiên, một nút có thể đã sử dụng một số lượng lớn điện năng để giao tiếp với cac cluster-head khi có một cụm của cluster-head gần kề Ví dụ, trong Hình 1.5, nút A có nhu cầu truyền tài tới nút B phải sử dụng một số lượng lớn điện năng để giao tiếp với cluster-head của nút B Từ đầu cluster-head C là nắm gần nút A, nút A sẽ truyền hỏng bất kỳ thông tin gì đến cluster-head C Do đó, bằng cách sử dụng cụm cố định và luân phiên các nút cluster-head trong nhóm có thể yêu cầu xem thêm truyền tải điện năng từ các nút, tăng tiêu hao năng lượng nút non- cluster-head và tăng cường sự can thiệp của các nhóm khác

Hình 1 6: Thể hiện được đáng kế các nhóm can thiệp khi giao tiếp với các cluster-head

Lợi ích của cụm cố định là một khi được thành lập cụm, không mất phí thiết lập tại đầu của mỗi vòng Tùy thuộc vào các chi phí cho thành lập cụm thích ứng,một cách tiếp cận nơi các cụm được thành lập một lần và cố định và các cluster-head luân phiên vị trí giữa các nút trong nhóm có thể được thêm năng lượng hiệu quả hơn LEACH Đây là cơ bản cho LEACH-F Trong LEACH-F, cụm được tạo ra bằng cách sử dụng các cụm tập trung hình thành phát triển thuật toán cho LCH-C.Việc sử dụng mô phỏng các trạm cơ sở để xác định tối ưu và cụm broadcasts các cụm thông tin cho các nút.Điều này bao gồm các tin nhắn quảng bá các nhóm ID cho mỗi nút, mà từ đó các nút có thể xác định lập lịch TDMA và theo thứ tự luân phiên vị trí cluster-head Nút đầu tiên được liệt kê trong nhóm sẽ trở thành cluster-head cho vòng đầu, các nút thứ hai được liệt kê trong nhóm sẽ trở thành cluster-head cho vòng thứ hai,và cho nút n-1 Sự ổn định trạng thái,giai đoạn của LEACH-F là giống nhau cho LEACH

LEACH-F sẽ không được thực hành trong bất kỳ loại chức năng nào của hệ thống Tính chất cố định của giao thức này không cho phép các nút mới được thêm vào hệ thống và hiện không điều chinh hành vi của nó dựa trên các nút chết Hơn nữa,LEACH-F hiện không xử lý các nút di động Vì vậy,trong khi đây là một giao thức tốt so sánh để xác định giá trị lợi thế kinh phí không có một phương pháp tiếp cận, nó có thể không có một giao thức hữu ích cho các kiến trúc của hệ thống thực sự MTE

Đối với định tuyến MTE, tuyến đường từ mỗi nút đến các trạm cơ sở đã được lựa chọn như vậy mà mỗi nút next-hop(truyền kế tiếp)là nút hàng xóm gần nhất

có nghĩa là theo hướng của các trạm cơ sở.Khi một nút chết, mà tất cả các nút hàng xóm theo hương ngước lại của họ bắt đầu chuyển dữ liệu đến nút next-hop của người hàng xóm, Bằng cách này,tuyến đường mới không cần phải được tính bất cứ khi nào một nút chết

Điều chỉnh điện năng của các nút đến mức yêu cầu tối nhiều để tiếp cận hàng xóm truyền kế tiếp Điều này giảm can thiệp với cách truyền đi và làm giảm năng lượng tiêu hao của các nút Giao tiếp với hàng xóm truyền kế tiếp xảy ra bằng cách sử dụng một giao thức CSMA Và khi xảy ra xung đột,dữ liệu được loại bỏ Khi một nút nhận được dữ liêu từ một trong các utstream hàng xóm,nó như các dữ liêu cho các trang hàng xóm truyền kế tiếp Điều này tiếp tục cho đến khi đạt đến các trạm cơ sở dữ liệu

d Giao thức stat-cluster

Giao thức STAT-CLUSTER: cho phép triển khai các thử nghiệm giống như giao thức LEACH ngoại trừ các cụm được chọn một priori và cố định

Các cụm được hình thành bằng cách sử dụng các thuật toán mô phỏng như trong Leach-C Các nút sử dụng một lịch trình TDMA để gửi dữ liệu đến các cluster-head, và các cluster-head tập hợp dữ liệu trước khi chuyển đến trạm cơ sở.Cách tiếp cận này có ít phí, nhưng khi các nút cluster-head hết năng lượng,các nút trong nhóm bị mất khả năng giao tiếp với các trạm cơ sở Các nút cluster-head trong stat_cluster sử dụng năng lượng hạn chế của họ một cách nhanh chóng,kết thúc những thông tin liên lạc của tất cả các nút trong cụm Tuy nhiê,phương pháp tiếp cận này không trả tiền cho thời gian và năng lượng cho các nhóm hình thành một lần nữa

e PEGASIS(Power-Efficent Gathering in Sensor Information Systems)

PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems -Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến) là một giao thức định tuyến phân cấp PEGASIS thực hiện 2 nhiệm vụ:

- Kéo dài thời gian sống cho mạng

- Đồng bộ năng luợng tại tất cả các nút mạng và giảm độ trễ của gói dữ liệu

PEGASIS áp dụng trên mô hình mạng bao gồm tập hợp các nút được phân bố đồng nhất trên một vùng địa lý Trong đó mỗi nút đều biết được thông tin về vị trí các nút khác trong toàn mạng Bên cạnh đó chúng cũng có khả năng điều khiển công suất và bao phủ một vùng tùy ý Các nút này được trang bị bộ thu phát sóng sử dụng công nghệ CDMA

Nhiệm vụ của nút cảm biến là thu thập và truyền dữ liệu đến sink, thông thường là các trạm gốc Mục đích chính của giao thức là phát triển một cấu trúc định tuyến và một sơ đồ tập trung dữ liệu nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, đồng thời, dữ liệu được tập trung và truyền đến trạm cơ sở với trễ truyền dẫn nhỏ nhất, trong khi vẫn cân bằng sự tiêu thụ năng lượng giữa các nút trong mạng

Hoạt động của pegasis gồm 3 bước: Xây dựng chuỗi, chọn nút chủ, truyền

dữ liệu, xử lý lỗi khi nút chết

- Xây dựng chuỗi: Mục đích là tạo ra một chuỗi các nút cảm biến – mỗi nút có thể nhận và truyền dữ liệu tới nút bên cạnh Quá trình thêm nút vào chuỗi được thực hiện tuân theo thuật toán Greedy Bắt đầu với nút xa sink nhất để đảm bảo rằng tất cả nút cảm biến ở xa đều có nút lân cận gần nó vì trong thuật toán greedy khoảng cách giữa các nút sẽ tăng dần và nút nằm trong chuỗi sẽ không được thăm lại, nút mạng được thêm dần vào chuỗi làm cho chuỗi lớn dần, kể từ nút hàng xóm gần nhất

Để xác định được nút lân cận gần nhất, mỗi nút sử dụng cường độ tín hiệu để đo khoảng cách tới các nút lân cận của nó Sau khi xác định xong, nó sẽ điều chỉnh cường độ tín hiệu sao cho chỉ có nút lân cận gần nhất nghe được

Hình 1 7: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy

- Chọn nút chủ: Sau khi chuỗi được thành lập, bước tiếp theo là chọn nút chủ Trong một chuỗi chỉ có một nút được chọn làm nút chủ, trách nhiệm của nút chủ là truyền dữ liệu tập hợp được tới trạm cơ sở Vai trò nút chủ sẽ được thay đổi trong chuỗi theo vị trí sau mỗi vòng Việc quay vòng nút chủ trong chuỗi nhằm đảm bảo sự cân bằng trong tiêu thụ năng lượng giữa các nút mạng Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, việc thay đổi có thể làm khoảng cách giữa nút chủ và trạm gốc lớn, khi đó nút này lại yêu cầu công suất cao để truyền dữ liệu đến trạm cơ sở

Nút chủ được chọn theo cách sau: ở vòng thứ i thì nút thứ i mod N (N là số nút trong mạng) sẽ làm chủ

- Truyền dữ liệu: Quá trình tập hợp dữ liệu trong mạng được tiến hành dọc theo chuỗi Trong một vòng, mỗi nút nhận dữ liệu từ nút hàng xóm và kết hợp với dữ liệu mà nó thu nhận được rồi chuyển tiếp đến nút hàng xóm kế tiếp trong chuỗi

Trong một vòng, PEGASIS sử dụng cơ chế điều khiển token passing được khởi tạo bởi nút chủ để bắt đầu truyền dữ liệu từ hai đầu của chuỗi Chi phí cho các bản tin điều khiển này là rất nhỏ vì kích thước thẻ bài nhỏ Đầu tiên nút chủ sẽ gửi một thẻ bài tới nút cuối cùng bên phải của chuỗi Khi nhận được tín hiệu này nút cuối sẽ gởi dữ liệu nó cảm biến được đến nút lân cận theo chiều xuôi trong chuỗi, nút hàng xóm này tiến hành tập hợp dữ liệu và tiếp tục chuyển tiếp đến nút lân cận gần nó nhất, cứ như vậy cho đến khi dữ liệu được gửi đến nút chủ Sau đó, nút chủ tập hợp dữ liệu và gửi đến sink

Hình 1 8: Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS

2.1.3 Giao thức dựa vào ví trí

a Giải thuật chính xác theo địa lý(GAF: Geographic Adaptive Fidelity)

GAF (Geographic Adaptive Fidelity) là một thuật toán định tuyến xuất phát từ mạng Ad hoc di động nhưng có thể áp dụng cho mạng cảm biến, mục tiêu của GAF là tiết kiệm năng lượng cho các nút dựa trên cơ sở khoanh vùng nút theo vị trí

Theo giao thức này, toàn bộ vùng bao phủ của mạng được chia thành nhiều phân vùng nhỏ và cố định nhờ cơ chế thiết lập nên các lưới ảo Mỗi phân vùng trong GAF là một khu vực hình vuông, có kích thước bằng nhau, phụ thuộc vào công suất truyền yêu cầu và hướng truyền thông Nút cảm biến xác định phân vùng mà nó thuộc về thông qua xác định vị trí chính xác của nó nhờ thông tin từ hệ thông định vị toàn cầu GPS (Global Poisitioning System) và so sánh với thông tin của lưới ảo được thiết lập trước đó.Tất cả nút cảm biến trong cùng một phân vùng được đánh giá ngang cấp khi xác định giá định tuyến

Lưới ảo được xây dựng theo cách thức nhất định nhằm đảm bảo rằng, với hai vùng lân cận G1 và G2 bất kỳ, thì một nút ở vùng G1 phải có khả năng truyền thông với tất cả nút ở vùng G2, nhờ đó mà tất cả nút trong cùng một vùng là ngang hàng nhau khi định tuyến Giả sử rằng bán kính vùng phủ vô tuyến tối đa

của nút mạng là như nhau và bằng R, độ dài một cạnh của phân vùng hình vuông theo các lưới ảo bằng nhau và bằng l, theo nguyên tắc thiết lập lưới ảo, khoảng cách xa nhất có thể giữa hai nút thuộc hai phân vùng liền kề bất kỳ phải nhỏ hơn R Từ đó, suy ra:

GAF đảm bảo tính tương đương của tất cả nút trong cùng một phân vùng bằng cách giữ ít nhất một nút trong mỗi phân vùng ở trạng thái hoạt động trong suốt một chu kỳ thời gian và thiết lập tất cả nút còn lại trong phân vùng đó ở trạng thái nghỉ Nút cảm biến trong cùng một phân vùng có thể tương tác với nhau để quyết định xem nút nào sẽ nghỉ và trong thời gian là bao lâu Cách thiết lập này không làm ảnh hưởng tới kết nối của toàn mạng và tính chính xác của thuật toán định tuyến, trong khi đó lại cải thiện được nút hiệu năng sử dụng năng lượng của các nút mạng bằng cách tắt các nút lân cận của nút được lựa chọn Nút ở trạng thái hoạt động sẽ đảm nhận vai trò thu thập dữ liệu trong vùng của nó, truyền và chuyển tiếp dữ liệu về trạm gốc hoặc tới các nút đang hoạt động khác

Như vậy, mặc dù GAF là một giao thức định tuyến dựa trên vị trí, nhưng cũng có thể được coi là một giao thức phân cấp, trong đó, những phân vùng được xác định bằng lưới ảo tương đương với các cụm và tiêu chí để phân cụm là căn cứ vào vị trí của nút Tuy nhiên, nút chủ không thực hiện bất cứ chức năng tổng hợp, phân tích dữ liệu nào như trong giao thức phân cấp thông thường khác

Có ba trạng thái được định nghĩa trong GAF, đó là: Tìm kiếm (Discovery), hoạt động (active) và nghỉ (sleep)

+ Discovery: Trạng thái Discovery là trạng thái khi một nút tìm kiếm hàng xóm của nó trong cùng một phân vùng Khi ở trong trạng thái discovery, một nút sẽ bật sóng radio và trao đổi bản tin discovery để tìm nút khác trong cùng phân vùng Một bản tin discovery chứa ID của nút, ID của phân vùng, năng lượng còn lại của nút và trạng thái của nút

+ Active: Trạng thái Active được sử dụng để định tuyến dữ liệu trong mạng Khi một nút bắt đầu trạng thái active, nó thiết lập một khoảng thời gian Ta để xác định nó sẽ tồn tại ở trạng thái này trong bao lâu, và khi khoảng thời gian