MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các công nghệ trong lĩnh vực mạng cảm biến cũng không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi những yêu cầu cao hơn, nhằm phục vụ những mục đích nghiên cứu khoa học, y tế, giáo dục, quân sự, dân sự,. Trong cuộc sống hiện đại, những ứng dụng sử dụng mạng cảm biến không dây ngày càng trở nên gần gũi và có ý nghĩa trong cuộc sống. Trong mạng cảm biến không dây, định tuyến là một yếu tố rất quan trọng ảnh hƣởng đến kết nối và thực hiện trao đổi thông tin. Hiệu quả hoạt động chung của mạng cảm biến không dây là phụ thuộc vào sự lựa chọn của giao thức định tuyến và chất lƣợng thực hiện của nó.
Mạng tổn hao năng lƣợng thấp bị hạn chế về tài nguyên do kiểm soát đƣờng truyền, thời gian, tiêu thụ năng lƣợng, độ trễ và tỷ lệ phân phối gói tin (PDR) đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của các giao thức định tuyến. Giao thức định tuyến RPL cần phải đƣợc tối ƣu hóa cho các ứng dụng sensornet khác nhau để đạt đƣợc hiệu suất tối ƣu và sử dụng các nguồn lực hiệu quả hơn. Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL – Routing Protocol for Low power and Lossy Network – một giao thức định tuyến mới đang trong quá trình nghiên cứu là hết sức cần thiết. Do đó, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây với hỗ trợ 6LoWPAN”.
Trong khuôn khổ luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu, tìm hiểu mở rộng mạng cảm biến không dây sử dụng IPv6, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL. Luận văn đƣợc trình bày trong 3 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, những ứng dụng của mạng cảm biến không dây; Giới thiệu hệ điều hành Contiki và công cụ mô phỏng Cooja Chƣơng 2: Trình bày giao thức định tuyến RPL và IPv6. Cấu trúc các bản tin DIO, DAO, DIS. Quá trình khởi tạo mạng và định tuyến của giao thức RPL Chƣơng 3.
Xây dựng mô hình mô phỏng bằng công cụ Cooja. Thống kê phân tích số liệu, đƣa ra nhƣng đánh giá và khuyến nghị. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN WSN VÀ ỨNG DỤNG 1.
Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một mạng bao gồm một số lƣợng lớn các node cảm biến có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lƣợng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đƣa ra các thông số về môi trƣờng, hiện tƣợng và sự vật mà mạng quan sát. Các node cảm biến là các sensor có kích thƣớc nhỏ, thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kêch vô tuyến. Các thành phần của node cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thƣớc của các con cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi trƣờng, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, …để từ đó phân tích, xử lý và đƣa ra các phƣơng án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lƣu trữ số liệu. Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ra những con cảm biến có kích thƣớc nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng lƣợng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau: Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop. Đƣợc triển khai với mật độ sensor lớn.
Cấu hình mạng thƣờng xuyên thay đổi phụ thuộc vào fadinh và hƣ hỏng ở các node. Các node trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và dung lƣợng nhớ. Mạng cảm biến thƣờng phụ thuộc vào ứng dụng. Vị trí các node mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác định trƣớc.
Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Khả năng phối hợp giữa các node cảm biến: các node cảm biến có gắn bộ xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô tới đích thì chúng gửi dữ liệu đã qua tính toán đơn giản. Cấu trúc mạng cảm biến Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không dùng đƣợc cho mạng cảm biến không dây, vì một số lý do sau: Số lƣợng các node cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần trong mạng ad hoc. Các node cảm biến dễ bị lỗi Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thƣờng xuyên.
Các node cảm biến chủ yếu sử dụng truyển thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm. Các bút cảm biến bị giới hạn về năng lƣợng, khả năng tính toán và bộ nhớ. Các node cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (Global identification) (ID) vì chúng có một số lƣợng lớn mào đầu và một số lƣợng lớn các node cảm biến. Chính vì các lý do trên, mà cấu trúc của mạng mới đòi hỏi phải: Kết hợp vấn đề năng lƣợng và khả năng định tuyến Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
Truyền năng lƣợng hiệu quả qua các phƣơng tiện không dây. Chia sẽ nhiệm vụ giữa các node lân cận. Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây Các node cảm biến đƣợc phân bố trong một trƣờng sensor nhƣ hình 1. Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.
Dữ liệu đƣợc định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm nhƣ hình dƣới. các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Sink là một thực thể, tại đó thông tin đƣợc yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng.
Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ nhƣ máy tính xách tay mà tƣơng tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn nhƣ Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng.1: Cấu trúc mạng cảm biến[1] Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lƣợng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lƣợng rất khắc khe. Một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến nhƣ sau: Khả năng chịu lỗi: một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lƣợng, do những hƣ hỏng vật lý hoặc do ảnh hƣởng của môi trƣờng. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thƣờng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động. Khả năng mở rộng: số lƣợng các node cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, có khi lên đến hàng triệu.
Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lƣợng lớn các node này. Giá thành sản xuất: vì các mạng cảm biến bao gồm một cố lƣợng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khai sensor theo kiểu truyền thống, nhƣ vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Dễ triển khai: là một ƣu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây. Ngƣời sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng nhƣ cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình. Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai node có thể bị ảnh hƣởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tƣợng lớn.
Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này. Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lƣợng lớn các node cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thƣớc phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lƣợng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có ngƣời kiểm soát, thích nghi với môi trƣờng… Môi trường hoạt động: các node cảm biến đƣợc thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tƣợng để quan sát. Vì thế, chúng thƣờng làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, những điều kiện môi trƣờng khắc nhiệt, ô nhiễm.
Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các node trong mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phƣơng tiện quang học. Các phƣơng tiện truyền dẫn phải đƣợc chọn phù hợp trên toàn thế giới để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này. Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node đƣợc triển khai trên trƣờng cảm biến. Chúng đƣợc triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi node.
Mật độ các node lên tới 20 node/m3. Do số lƣợng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định. Sự tiêu thụ năng lượng: các node cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể đƣợc trang bị nguồn năng lƣợng giới hạn (<0. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lƣợng không thể thực hiện đƣợc.
Vì thế khoảng thời gian sống của các node cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một node đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu.