1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ • •• TỐNG ĐỨC THUẬN NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DẨY VỚI HỖ TRỢ 6LOWPAN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI • •• TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hà Nội - 2013 2 TỐNG ĐỨC THUẬN NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DẨY 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN VĂN TAM Hà Nội - 2013 3 MỤC LỤC 4 DANH MUC CAC CHtf VIET TAT RPL DAG IPv6 Routing Protocol For Low Power And Lossy Network 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 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU • 5 MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các công nghệ trong lĩnh vực mạng cảm biến cũng không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi những yêu cầu cao hơn, nhằm phục vụ những mục đích nghiên cứu khoa học, y tế, giáo dục, quân sự, dân sự,.... Trong cuộc sống hiện đại, những ứng dụng sử dụng mạng cảm biến không dây ngày càng trở nên gần gũi và có ý nghĩa trong cuộc sống. Trong mạng cảm biến không dây, định tuyến là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến kết nối và thực hiện trao đổi thông tin. Hiệu quả hoạt động chung của mạng cảm biến không dây là phụ thuộc vào sự lựa chọn của giao thức định tuyến và chất lượng thực hiện của nó. Mạng tổn hao năng lượng thấp bị hạn chế về tài nguyên do kiểm soát đường truyền, thời gian, tiêu thụ năng lượng, độ trễ và tỷ lệ phân phối gói tin (PDR) đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của các giao thức định tuyến. Giao thức định tuyến RPL cần phải được tối ưu hóa cho các ứng dụng sensornet khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu và sử dụng các nguồn lực hiệu quả hơn. Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL - Routing 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 được trình bày trong 3 chương như sau: Chương 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 6 Chương 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 Chương 3. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng công cụ Cooja. Thống kê phân tích số liệu, đưa ra nhưng đánh giá và khuyến nghị. CHƯƠNG 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 lượng lớn các node cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các thông số về môi trường, hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát. Các node cảm biến là các sensor có kích thước 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 thước của các con cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng. Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, .. .để từ đó phân tích, xử lý và đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu. Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến. đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau: • Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop. • Được triển khai với mật độ sensor lớn. 7 • Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc vào fadinh và hư hỏng ở các node. • Các node trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và dung lượng nhớ. • Mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng. • Vị trí các node mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác định trước. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp. в 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 được cho mạng cảm biến không dây, vì một số lý do sau: в Số lượng các node cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần trong mạng ad hoc. в Các node cảm biến dễ bị lỗi в Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên. в Các node cảm biến chủ yếu sử dụng truyển thông kiểu trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm. в Các bút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng bộ nhớ. в Các node cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (Global identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các node cảm biến. Chính vì các lý do trên, mà cấu trúc của mạng mới đòi hỏi phải: в Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng 8 định tuyến в Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng. в Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây. в Chia sẽ nhiệm vụ giữa các node lân cận. 1.2.1. Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây Các node cảm biến được phân bố trong một trường sensor như hình 1.1. Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình dưới. các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài 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 lượng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng 9 lượng rất khắc khe. Một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau: Khả năng chịu lỗi: một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động. Khả năng mở rộng: số lượng 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 lượng lớn các node này. Giá thành sản xuất: vì các mạng cảm biến bao gồm một cố lượng 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, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp. Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây. Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như 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 hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng 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 lượng lớn các node cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường... Môi trường hoạt động: các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm. 1 0 Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các node trong mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này. Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi node. Mật độ các node lên tới 20 node/m3. Do số lượng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định. Sự tiêu thụ năng lượng: các node cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn ( *-------8 bits---------------------8 bits----------► 2 = Link-Local 3 = Subnet-Local Scope = 4 = Admin-Local 5 = Site-Local 8 = Organization E = Global Hình 2.21: Cấu trúc địa chỉ multicast [9] Trong địa chỉ multicast, 8 bit đầu tiên cố định bằng FF, được sử dụng để nhận biết địa chỉ multicast. Trường Scope được mã hóa bởi 4 bít nhằm phân bố các phạm vi nhóm multicast. Group ID giúp nhận dạng các nhóm multicast trong phạm vi một scope. Cần lưu ý rằng, với địa chỉ multicast, một node trong mạng có khả năng quyết định có tham gia vào một nhóm multicast hay không. 2.2.3. Chuẩn IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 là một chuẩn WPAN - Wireless Personal Area Network tốc độ thấp, được sử dụng trong những ứng dụng chỉ đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS. Do đó, chính tốc độ truyền tin thấp cho phép chuẩn này tiêu hao ít năng lượng hơn. IEEE 802.15.4 là giao thức quan trọng trong những ứng dụng tự động điều khiển và xây dựng mạng trong nhà và trong công nghiệp. IEEE 802.15.4 có thể hỗ trợ những gói tin có kích thước tải từ 80 đến 100 byte. IEEE 802.15.4 cung cấp 3 dải tần số và 27 kênh truyền trên các dải tần số khác nhau: Bảng 2.1: Băng tần và tốc độ dữ liệu của IEEE 802.15.4 [3] PHY Băng tần Tốc độ Điều Tốc Tốc độ ký tự chế (MH (MHz) chip độ (ksymbol/s) z) (Kchip/s) bit (Kb/s 868 20 20 868-868.6 300 BPSK 915 902-928 600 BPSK 2450 24002486.5 2000 OQPSK Ký tự Nhị phân 40 40 Nhị phân 250 62.5 Hệ 16 Bảng 2.2: Kênh truyền và tần số trong IEEE 802.15.4 [3] Kênh Tần số trung tâm Số lượng kênh (N) Tần số kênh trung tâm (MHz) 868 1 0 (MHz) 868.3 915 10 1 - 10 906 + 2(k-1) 2450 16 11 - 26 2405 + 5(k-11) Giao thức 6LoWPAN 2.2.4. 6L0WPAN [13] viết tắt của IPv6 over Low Power wireless Area Networks, là một chuẩn giao thức internet dành cho mạng cảm biến không dây, hoạt động trên chuẩn IEEE 802.15.4. Giao thức 6LoWPAN có phạm vị ứng dụng rộng rãi, trong nhiều mục đích ứng dụng khác nhau: • Các ứng dụng tự động và điều khiển thiết bị trong nhà. • Các ứng dụng thể thao và giải trí cá nhân. • Các ứng dụng trong y tế, chăm sóc sức khỏe. • Ứng dụng quản lý tài sản. • Nâng cao cơ sở hạ tầng trong đo lường. • • Giám sát môi trường. Các ứng dụng trong an ninh. • Các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp. Kiến trúc mạng của giao thức 6LoWPAN như trong hình 2.22: TCP/1P Protocol Stack HTTP TCP UDP IP RTP ICMP Application Transport Network 6LoWPAN Protocol Stack Application UDP ICMP IPv6 with LoWPAN Ethernet MAC Data Link IEEE 802.15.4 MAC Ethernet PHY Physical IEEE 802.15.4 PHY Hình 2.22: Kiến trúc mạng của 6L0WPAN. Các đặc tính của 6L0WPAN: • Hỗ trợ cả hai phương thức đánh địa chỉ 64 bit và 16 bit của chuẩn IEEE 802.15.4. • Phù hợp với các lớp liên kết năng lượng thấp như IEEE 802.15.4, những mạng cảm biến năng lượng thấp, băng thông nhỏ, giao tiếp theo kiểu power - line. • Có phương thức nén header hiệu quả. Trong 6L0WPAN sử dụng địa chỉ IPv6 cơ bản, kết hợp các header mở rộng và các UDP header. • Tự động cấu hình mạng bằng cách sử dụng cơ chế neighbor discovery. • Hỗ trợ các phương thức truyền multicast, unicast và broadcast. • Hỗ trợ chia 1280 byte IPv6 MTU thành các khung 127 byte của 802.15.4. • Hỗ trợ định tuyến IP (ví dụ định tuyến trong IETF RPL). Phương thức đánh địa chỉ trong 6LoWPAN: • Nguyên tắc đánh địa chỉ: o Không gian địa chỉ phẳng, mỗi mạng chỉ có một subnet. o Kết hợp với địa chỉ MAC của mỗi thiết bị. • 5 2 Các địa chỉ IPv6 được nén trong 6L0WPAN bằng những phương thức nén sau: o Lược bỏ global prefix - vì tất cả các node trong cùng một mạng đều cùng global prefix. o Lược bỏ link - local prefix - được chỉ ra trong định dạng nén header. o Nén phần IID - Interface ID: lược bỏ các giao tiếp trực tiếp, nén địa chỉ mutihop des/src. o Nén địa chỉ multicast. Trong Contiki RPL sử dụng hai cơ chế đánh địa chỉ: cơ chế đánh địa chỉ 64 bit (Full UDP/IPv6) và cơ chế đánh địa chỉ 16 bit (Minimal UDP/6LoWPAN). Với cơ chế 64 bit, chỉ có phần địa chỉ global prefix được lược bỏ, khi đó kích thước header là 48Byte, đồng thời kích thước tải trong mỗi gói tin bị thu hẹp hơn so với cơ chế UDP/6LoWPAN. Tuy nhiên, cơ chế này có khả năng tạo được liên kết đến nhiều mạng khác nhau và đáp ứng được nhiều ứng dụng hơn. Hình 2.23 là một ví dụ đánh địa chỉ các thành phần trong mạng 6oWPAN. Hình 2.23: Ví dụ đánh địa chỉ trong 6LoWPAN. Cấu trúc gói tin trong 6LoWPAN: 5 3 Hình 2.24: Cấu trúc header của cơ chế UDP/IPv6 64bit. Hình 2.24 cho biết cấu trúc gói tin với cơ chế UDP-CLIENT/IPv6 64bit. Với cơ chế UDP/6LoWPAN, các thành phần header được nén một cách tối ưu, với chiều dài header chỉ 6 Byte (hình 2.25). Hình 2.25: Cấu trúc header của cơ chế UDP/6L0WPAN Sự khác nhau giữa 2 cơ chế thể hiện qua mối tương quan giữa chiều dài header và kích thước tải tin như trong hình 2.26: Hình 2.23: Ví dụ đánh địa chỉ trong 6LoWPAN. 5 4 Minimal UDP/6L0WPAN (16-bit addressing) Hình 2.26: Sự khác nhau về cấu trúc bản tin giữa UDP/IPv6 và UDP/6LoWPAN 2.3. Kết luận Chương này đã trình bày những khái niệm, đặc điểm, nguyên lý tổng quan trong giao thức RPL và IPv6, chuẩn IEEE 802.15.4 và giao thức 6L0PAN. Những nội dung này là cơ sở để thiết kế chương trình và kịch bản mô phỏng giao thức RPL ở chương sau. Hình 2.23: Ví dụ đánh địa chỉ trong 6LoWPAN. CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 3.1.Phương pháp đánh giá Để nghiên cứu tiến hành một cách có hệ thống, có kết quả đánh giá chính xác, trong luận văn trình bày theo thứ tự: - Trình bày về khái niệm, kiến trúc của mạng cảm biến không dây; các giao thức và hệ điều hành sử dụng để mô phỏng mạng cảm biến không dây năng lượng thấp. - Thực hiện mô phỏng để xác định các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của giao thức RPL trong mạng cảm biến không dây năng lượng thấp - Lập thống kê, phân tích số liệu, đưa ra các đánh giá và khuyến nghị 3.1.1. Mô hình đánh giá Giao thức RPL có nhiều tính năng linh hoạt, được sử dụng nhiều trong các ứng dụng. Nó hỗ trợ hàng loạt các tham số cho các hàm mục tiêu (OF). Đầu tiên các định các tham số ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu. Với mục đích đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL, trong luận văn này tôi chọn mô phỏng mạng cảm biến không dây với số lượng node vừa đủ để thống kê đánh giá. Để mô phỏng tôi chọn công cụ mô phỏng Cooja trong hệ điều hành Contiki dễ dàng quản lý, quan sát các tham số, tỷ lệ lỗi; các mô phỏng có thể tiến hành lặp đi lặp lại với sự thay đổi giá trị các tham số. 3.1.2. Kết quả phân tích Mục tiêu của kết quả phân tích là đánh giá ảnh hưởng của các tham số trong giao thức RPL đối với các đại lượng như độ trễ mạng (Latency), mức độ tiêu thụ năng lượng (Energy Consumption)... và xác định nguyên nhân làm thay đổi các đại lượng này. Trong quá trình mô phỏng, có các yếu tố làm ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng: - Các yếu tố nội tại bên trong mô hình mô phỏng đảm bảo các biến độc lập ảnh hưởng trực tiếp đến các biến phụ thuộc. Việc kiểm soát các yếu tố này đảm bảo kết quả phân tích chính xác do đó cần lựa chọn công cụ tối ưu. - Các yếu tố bên ngoài như sắp xếp thứ tự các thử nghiệm, điều kiện môi trường, thời gian đo. Mạng cảm biến không dây có thể bị ảnh hưởng bởi sóng wifi, gây thất thoát cho mạng. Để khắc phục điều này, công cụ mô phỏng Cooja cung cấp việc thống kê chính xác, tránh được sự ảnh hưởng của môi trường bên ngoài. - Cách phân tích cũng ảnh hưởng đến kết quả đánh giá, do đó cần xác định chính xác các biến độc lập và biến phụ thuộc. 3.1.3. Phương pháp đánh giá Đầu tiên ta đánh giá so sánh các hàm mục tiêu OFO và ETX qua việc thay đổi giá trị của các tham số DIO Interval Minimum, DIO Interval Doubling, Duty Cycling Interval và Frequency of Application Message (tần suất gửi thông điệp của ứng dụng), sau đó thông kê các đại lượng: Mức độ tiêu thụ năng lượng (Energy Consumption), độ trễ của mạng (Network Latency), quản lý lưu lượng (Control Traffic Overhead)... a) Đơn vị đánh giá hiệu suất + Thời gian thiết lập mạng: Các node trong mạng cảm biến cần phải tạo thành một kiến trúc để kết nối với nhau. Do đó thời gian thiết lập mạng là một đại lượng quan trọng để đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL trong mạng cảm biến không dây. Thời gian thiết lập của DAG trong giao thức RPL được định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết để các node tham gia vào DAG. + Quản lý lưu lượng: Bao gồm các thông điệp DIO, DIS và DAO phát sinh bởi các node để kiểm soát lưu lượng. + Mức độ tiêu thụ năng lượng: + Độ trễ mạng: là thời gian để gói tin được được truyền từ node đến sink, là độ trễ trung bình của tất cả các gói tin trong mạng. + Tỷ lệ truyền các gói tin: Là số gói tin trung bình nhận được ở sink. b) Các tham số + DIO Interval Minimum: Tham số này kiểm soát tỷ lệ truyền các thông điệp DIO. Các thông điệp DIO được truyền càng nhanh thì thời gian thiết lập mạng càng nhanh chóng. Tham số này ảnh hưởng đến toàn bộ hiệu năng của giao thức. Trong Contiki, tham số này được thiết lập bới RPL_DIO_INTERVAL_MIN + DIO Doubling Interval: là khoảng thời gian DIO Minimum có thể đôi, hỗ trợ trong mạng cảm biến năng lượng thấp. Tham số này được tăng lên gấp thiết lập bởi RPL DIO INTERVAL DOUBLING. + Duty Cycling Interval: Tham số này được sử dụng để thiết lập số lần cảm nhận trong một giây đối với bất kỳ kết nối nào. Tham số này được thiết lập bởi NETSTACK_RDC_CHANNEL_CHECKRATE + Tần suất gửi thông điệp ứng dụng: Là tỷ lệ thông điệp mức ứng dụng được gửi từ node đến sink. Tham số này được thiết lập bởi SEND_TIME. 3.2. Cài đặt mạng Trong mô hình mô phỏng gồm 80 client và 01 server hoạt động như một nút gốc DODAG. Server sử dụng một ứng dụng mẫu udp-server.c còn client sử dụng udp- client.c. Chương trình sử dụng một plugin có tên là Contiki Test Editor để ghi lại thời gian mô phỏng và kết thúc mô phỏng sau một khoảng thời gian xác định. Plugin này tạo ra một file log COOJA.testlog, được sử dụng để phân tích kết quả mô phỏng. Các tham số của mô hình mô phỏng như sau: Tham so Giá trị Start delay 65s Randomness 2s Total Packets 32115 RPL MOP OF NO_DOWNWARD_ROUTE OF0, ETX DIO Min 12 DIO Doubling 8 RDC Chanel Check Rate 16 Send Interval 4s RX Ratio 30-100% TX Ratio 100% TX Range 50m Interference Range 55m Simulation Time 1 hr Client Node 80 Bảng 3.1: Các tham số mô phỏng Tham số Send Interval thể hiện khoảng thời gian gửi giữa hai mức ứng dụng. Cả tham số Start delay và Send interval đều cộng thêm thời gian ngẫu nhiên (Randomness). Tổng số gói tin gửi từ một node với tốc độ 1 packet/(Send interval ± Randomness). Số gói tin tối thiểu được gửi đi với tốc độ 1 packet/Send interval * Simulation Time. Số gói tin tối đa được gửi đi là 1 packet/(Send Interval + Randomness)*Simulation Time. Trong mô hình mô phỏng các node RPL được cài đặt chế độ định tuyến NO DOWNWARD vì mô hình này sử dụng truyền thông đa điểm tới một điểm để giới hạn phạm vi nghiên cứu đánh giá. Tham số DIO Min và DIO Doubling sử dụng giá trị mặc định Tỷ lệ nhận gói tin (RX) từ 30 đến 100%. Tỷ lệ truyền gói tin là 100%. Phạm vi truyền là 50m, phạm vi vùng giao thoa 55m. Thời gian mô phỏng 1 giờ. ĩ ĩ 3sy rT~'l A 1 A _ A 1*A .3. Thống kê số liệu Trong mô hình mô phỏng bao gồm 80 node client, mỗi node gửi một gói tin UDP mẫu tới server. Sau một khoảng thời gian gửi (Send Interval) 10 giây và thời gian khởi tạo Start Delay 65 giây, client sẽ hiện thị thông báo nhận được từ server. Trong quá trình thực hiện mô phỏng, các thông báo của client và server được lưu trữ trong file log. Trong file log sẽ chứa id của node, số gói tin và thời gian gửi. Để tính độ trễ của mạng ta tính theo công thức: Độ t r ễ= ^ Thời gian nhận ( k ) — Thời gian gửi (k) Trong đó: n: Tổng số gói tin nhận thành công. Tính độ trễ trung bình theo công thức Độ trẻ Đ ộ trế trung bình -Tính tỷ lệ chuyển gói tin (PDR): Tỷ ỉệ chuỵển gói tin = Tổng số gói tinnhận được Tổng số gói tin nhận được Tổng số gói tin gừi Để tính độ tiêu thụ năng lượng ta sử dụng ứng dụng Powertrace của Contiki. Thời gian hội tụ (Convergence Time) trong mạng RPL là khoảng thời gian từ khi thông điệp DIO đầu tiên được gửi đến client đến khi thông điệp DIO cuối cùng tham gia vào DAG. Thời gian hội tụ = Thời gian DIO cuối cùng tham gia DAG - Thời gian gửi DIO đầu tiên Mạng RPL sử dụng giao thức ICMPv6 dựa vào quản lý thông điệp điều khiển gọi là DIS (DODAG Information Solicitation) và DIO (DODAG Information Object) để thiết lập và duy trì DODAG. Trong Contiki có 2 file nguồn hỗ trợ quản lý các thông điệp, đó là rpl-icmp6.c và rpl-dag.c. Khi một node gửi gửi một thông điệp điều khiển, mạng RPL sẽ gửi thông báo trạng thái “DIO sent“ và “DIO joined DAG“ và được lưu trữ trong file log (COOJA.testlog). Thời gian quản lý lưu lượng dữ liệu tính theo công thức: Thời gian quản lýlmi lượng 3.4. Quá trình thực hiện mô phỏng Hình 3.1: Tiến trình thực hiện mô phỏng Đầu tiên chương trình sử dụng đoạn mã script của chương trình Perl để thay đổi các tham số đầu vào trong quá trình mô phỏng: hàm mục tiêu thay đổi tham số RX trong file mô phỏng của cooja; tham số DIO Interval Minimum và các tham số khác thay đổi trong file project-conf.h. Tiếp theo sẽ biên dịch thành các file JAR nằm trong các thư mục các nhau. Một đoạn script sẽ thực hiện xử lý các file jar và COOJA.testlog để lấy các số liệu, những số liệu này được lưu trong một file văn bản. Cuối cùng đoạn script phân tích số liệu và sử dụng công cụ mã nguồn mở RRD để vẽ các biểu đồ. 3.5. Phân tích số liệu 3.5.1. So sánh các hàm mục tiêu Hàm mục tiêu giúp cho các node trong mạng RPL lựa chọn đường đi dựa vào các thông số định tuyến và những hạn chế. Contiki sử dụng hai hàm mục tiêu OF0 và ETX để lựa chọn đường đi tới root với số bước nhảy ít nhất. Để đánh giá so sánh hai hàm mục tiêu này, ta dựa vào các số liệu về độ trễ mạng, mức độ tiêu thụ năng lượng và tỷ lệ truyền gói tin. Để thu được số liệu so sánh, thực hiện mô phỏng lặp đi lặp lại với sự thay đổi của tham số RX trong các giá trị 30, 40, 50 - 100%. Tham số Send Interval 8s, Start Delay 65s. a) Độ trễ mạng 2.5 ơì ■ 2.0 0 cn 0 1.5 __I I 1-0 cu ^ 0.5 0.0 30 40 50 60 70 80 Packet Reception Ratio (%) 90 100 Biểu đồ thể hiện độ trễ mạng sử dụng hàm ETX thấp hơn so với OFO, độ trễ giảm khi tỷ lệ nhận gói tin (RX) tăng. b) Mức độ tiêu thụ năng lượng 7 6 sP a> — 5 Ẽ í4 г О 3 о XJ 2 га ОС 1О 30 4Û 50 6070' 80 Packet Reception Ratio (%) 90 100 Hình 3.3: So sánh mức tiêu thụ năng lượng Biểu đồ cho thấy mức độ tiêu thụ năng lượng khi sử dụng hàm ETX thấp hơn so với OF0. c) Tỷ lệ truyền gói tin 100 95 90 ___ 85 £ а: lu 80 ° 65 60 55 50 75 70 PAC K E T D E L I V E R Y R ATI O 30 40 50 60 70 80 90 100 Packet Reception Ratio (%) Hình 3.4: Só sánh tỷ lệ truyển gói tin Biểu đồ thể hiện tỷ lệ truyền gói tin khi mạng RPL sử dụng hàm mục tiêu ETX cao hơn so với OFO. 3.5.2. Đánh giá hiệu năng của giao thức RPL 3.5.2.1. Ảnh hưởng của tham số DIO Interval Minimum Để đánh giá ảnh hưởng của tham số DIO Interval Minimum đến hiệu suất của giao thức trong mạng RPL, ta thực hiện mô phỏng với sự thay đổi giá trị của DIO từ 316, với RX là 70%, Start Delay 3s, Send Interval 4s và Randomness 2s. a) Thời gian thiết lập mạng Hình 3.5: Thời gian thiết lập mạng với tham số DIO Interval Biểu đồ cho ta thấy thời gian thiết lập mạng tăng tỷ lệ thuận với DIO Interval Minimum b) Quản lý lưu lượng Lưu lượng trong mạng cao với tham số DIO Interval nhỏ hơn 9. c) Mức độ tiêu thụ năng lượng Hình 3.7: Mức độ tiêu thụ năng lượng với tham số DIO Interval Hình 3.7 cho thấy mức độ tiêu thụ năng lượng 7% khi DIO Interval Min nhỏ hơn và bằng 3. Mức độ tiêu thụ năng lượng giảm rõ rệt khi DIO Interval Min=4. d) Độ trễ mạng Hình 3.8: Độ trễ mạng với tham số DIO Interval Minimum Độ trễ mạng giảm từ 3.5 còn 1.7 khi DIO Interval Minimum tăng từ 3 đến 6. Khi tham DIO Interval Mimimum nhỏ làm cho lưu lượng mạng tăng, là nguyên nhân gây ra độ trễ cao. e) Tỷ lệ truyền gói tin Hình 3.9: Tỷ lệ truyền gói tin với tham số DIO Interval Hình 3.9 cho thấy tỷ lệ truyền gói tin dưới 85% khi tham số DIO Interval Minimum có giá trị từ 3 đến 5. Do lưu lượng mạng cao và có tắc nghẽn trong mạng nên tỷ lệ truyền gói tin thấp. Tỷ lệ truyền gói tin tăng trên 96% khi DIO Interval Minimum từ 6 đến 14. Khi DIO Interval Minimum có giá trị lớn hơn 15, thì tỷ lệ truyền gói tin giảm do thời gian thiết lập mạng chậm. 3.5.2.2. Ảnh hưởng của tham số DIO Interval Doubling a) Thời gian thiết lập mạng Hình 3.10: Thời gian thiết lập mạng với tham số DIO Doubling Hình cho thấy tham số DIO Doubling thay đổi từ 3 đến 16, thì thời gian thiết lập mạng không bị ảnh hưởng là 19s. b) Quản lý lưu lượng CONTROL TRAFFIC OVERHEAD ư ì x a > X ỉ 3 ‘ t— a > o r ũ 1 2 0 1 Ũ 8 0 6 0 4 0 2 0 0 --------------------------------------------------------------------3 4 5 6 7 e 9 1 0 11 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 DIO Doublings Hình 3.11: Lưu lượng mạng với tham số DIO Doubling Lưu lượng mạng giảm khi tăng giá trị của tham số DIO Doubling và tương đối ổn định khi DIO Doubling >8. c) Mức độ tiêu thụ năng lượng ENERGY CONSUMPTION 3.3 - ......................................... ro 0= 2.4 2.3 3 4 5 6 7 DIO Doublings 8 9 10 11 12 1 3 1 4 1 5 1 6 Mức độ tiêu thụ sử dụng năng lượng của mạng giảm khi tham số DIO Doubling giảm. Khi DIO Doubling lớn hơn 10 thì mức độ tiêu thụ năng lượng tương đối giống nhau. d) Độ trễ mạng 1.80 _ 1.78 (/} 0 1.74 1.76 0 ro ^ 1.72 o £ 1.70 a> z 1.68 1.66 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 D I O Doublings Hình 3.13: Đỗ trễ mạng với tham số DIO Doubling Tham số DIO Doubling có ảnh hưởng đến số gói tin điều khiển được truyền. Độ trễ của mạng cao nhất khi DIO Doubling =3, giảm nhanh khi DIO Doubling =4. e) Tỷ lệ truyền gói tin PAC K E T D E L I V E R Y R ATI O 75.5 --------------------------------------------------------------------------- 78.6 - _ 7S.4 Ịo 78.2 ta ^ 78.0 77.5 f- 77.6L 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 D I O Doublings 3.5.2.3. Ảnh hưởng của tham số Duty-Cycling Interval a) Thời gian thiết lập mạng NETWORK SETUP TIME 40 35 ui 30 [...]... tế; gia đình Đồng thời cũng giới thiệu về hệ điều hành Contiki, cơ chế điều khiển, kiến trúc giao thức mạng ulP và RIME; công cụ Cooja để mô phỏng mạng cảm biến không dây CHƯƠNG 2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN RPL VÀ IPV6 • RPL - IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Network là giao thức định tuyến cho mạng tổn hao năng lượng thấp nói chung và mạng cảm biến kh ông dây nói riêng Dự thảo đầu tiên về RPL... • Có khả năng mở rộng (số lượng, quy mô) • Định tuyến dựa trên những thông số bị giới hạn như mức năng lượng, dung lượng bộ nhớ, • Hỗ trợ tính di động • Hỗ trợ khả năng tự cấu hình và cấu hình từ bên ngoài • Hỗ trợ truyền tin multicast và anycast • Hỗ trợ các luồng thông tin định hướng đến một node trong mạng • Có cấu trúc mạng động • Hỗ trợ định tuyến theo nhiều metric khác nhau • Có khả năng hội... modul cho phép ước lượng và quản lý năng lượng một cách hiệu quả • Các giao thức tương tác giữa các lớp và các node trong mạng dễ dàng hơn • Sử dụng RIME stack phục vụ các giao thức dành cho mạng năng lượng 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,. .. 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 lượng 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 Mặt phẳng quản lý: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa... 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 được 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. .. nối đến một grounded DAG của node gửi DIO Nếu cờ G bằng không, node gửi DIO là thành viên của một floating DAG Ngược lại, nếu cờ này khác không cho biết node gửi DIO là thành viên của một grounded DAG • Cờ A (Destination Advertisement Supported): cho biết khả năng hỗ trợ cơ chế quảng bá đích trong quá trình định tuyến downward của DAG Nếu A khác không, DAG ROOT có khả năng hỗ trợ cơ chế quảng bá đích... thực hiện các nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng Một trong các phần quan trọng nhất của một node mạng cảm biến là bộ nguồn Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng 1 2 lượng mặt trời Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính... năng hội tụ về thời gian Giao thức định tuyến có tính hội tụ về thời gian khi nó đáp ứng được những mức thời gian trễ cụ thể tương ứng với những điều kiện xác định • Có khả năng quản lý Khi một node mới tham phải tự động cấu hình và tham gia vào mạng mà • của con người Hỗ trợ truyền gói theo mức độ ưu tiên và có độ tin cậy cao • Hỗ trợ các phương thức bảo mật gia vàomạng, node không cần đó sự canthiệp... này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng 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 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và thường 1 6 phát huy hiệu quả cao trong các điều kiện: • Môi trường 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... đặc trưng của mạng cảm biến Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architectute) (hình 1.4): tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ tiếp sóng Hình 1.4: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến [2] Với phạm vi truyền cố định, các node gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số ... and Lossy Network - giao thức định tuyến trình nghiên cứu cần thiết Do đó, chọn đề tài Nghiên cứu, đánh giá hiệu giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây với hỗ trợ 6LoWPAN Trong khuôn... TỐNG ĐỨC THUẬN NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DẨY VỚI HỖ TRỢ 6LOWPAN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH MÃ... động giao thức định tuyến Giao thức định tuyến RPL cần phải tối ưu hóa cho ứng dụng sensornet khác để đạt hiệu suất tối ưu sử dụng nguồn lực hiệu Nghiên cứu, đánh giá hiệu giao thức định tuyến