Chương 1 trình bày tổng quan về mạng IoT và vấn đề điều khiển tắc nghẽn. Các nội dung được tập trung trình bày gồm: khái niệm về IoT, các ứng dụng IoT, mô hình kiến trúc mạng tập trung thông tin, một số giao thức lớp ứng dụng điển hình, vấn đề tắc nghẽn và điều khiển tắc nghẽn, những hạn chế của CoAP và các nghiên cứu CoAP liên quan, điều khiển mờ và khả năng áp dụng vào điều khiển tắc nghẽn, các vấn đề nghiên cứu cần giải quyết trong luận án. Tổng quan về mạng IoT 1. Khái niệm về IoT án tiến sĩ Sự ra đời của Internet đã là một cuộc cách mạng làm thay đổi thế giới, có tác động đáng kể đến mọi lĩnh vực của đời sống.
IoT là sự phát triển kế tiếp với ý tưởng kết nối mọi vật với nhau và với Internet để tận dụng các thành quả của Internet. Theo tài liệu [56], Tổ chức viễn thông thế giới ITU đã đưa ra định nghĩa ngắn gọn như sau: “IoT là một cơ sở hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông tin, cho phép các dịch vụ tiên tiến bằng cách liên kết các vật thể (vật lý hoặc ảo) dựa trên các công nghệ thông tin và truyền thông hiện có và tương lai. Thông qua việc khai thác khả năng định danh, thu thập dữ liệu, xử lý và giao tiếp, IoT tận dụng mọi thứ để cung cấp dịch vụ cho tất cả các loại ứng dụng”. Tổ chức IEEE [54] đưa ra định nghĩa: “IoT là một mạng kết nối các vật thể được định danh duy nhất vào Internet.
Các vật thể này có khả năng cảm biến/tương tác và lập trình được”. Mặc dù các định nghĩa khác nhau, song về bản chất IoT được hiểu là mạng kết nối các vật thể (sau đây gọi chung là thiết bị) có khả năng thu thập, xử lý và trao đổi dữ liệu thông qua Internet. Mạng IoT hội tụ các xu hướng phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Xu hướng hội tụ công nghệ tạo ra các đặc trưng sau đây của mạng IoT.
- Tính phổ quát (ubiquitous): Mọi vật thể đều có khả năng kết nối mạng mọi lúc, mọi nơi với chi phí thấp và cung cấp các dịch vụ liên quan đến vật thể. - Sử dụng nền tảng IP: Giao thức IP cung cấp một nền tảng chung cho các 9 thiết bị kết nối, trao đổi, chia sẻ thông tin một cách dễ dàng với chi phí thấp. - Tính kết nối liên thông: Mọi vật thể có thể kết nối với nhau qua mạng lưới và cơ sở hạ tầng thông tin. - Tính đa dạng, không đồng nhất: Thiết bị đa dạng và không đồng nhất vì nó có phần cứng/phần mềm, liên kết mạng khác nhau.
- Tính đa dạng trong giao tiếp: Các vật thể giao tiếp máy-máy bên cạnh các tương tác truyền thống khác (người-máy, máy-người, người-môi trường). - Tính đa dạng về công nghệ: Hạ tầng mạng đa dạng như mạng cảm biến, mạng cục bộ, mạng di động thế hệ mới, điện toán đám mây, v. - Quy mô lớn: Số lượng rất lớn thiết bị giao tiếp với nhau, lớn hơn nhiều so với số máy tính kết nối Internet hiện nay. Lượng thông tin truyền rất lớn.
Các ứng dụng IoT Với tính thông minh, hiệu quả thiết thực, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi con người sống. Từ chiếc vòng đeo tay, đồ gia dụng trong nhà, mảnh vườn ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống đều sử dụng giải pháp IoT [6, 101, 57]. Một số ví dụ điển hình cho các ứng dụng IoT trong thực tiễn: Đô thị thông minh: Dữ liệu thu thập phục vụ quản trị dịch vụ, hệ thống giao thông, bãi đỗ xe, đèn giao thông, chiếu sáng đô thị; hỗ trợ điều khiển. Ngôi nhà thông minh: Tự động hóa ngôi nhà qua thu thập thông tin về điều kiện hoạt động, phân tích dữ liệu; giám sát các hệ thống trong tòa nhà; điều khiển các thiết bị chiếu sáng, sưởi ấm, thông gió, v.
Y tế thông minh: Theo dõi sức khỏe từ xa và thông báo khẩn cấp; giám sát cấy ghép đặc biệt; theo dõi sức khỏe người già, bệnh nhân, v. Công nghiệp, nông nghiệp thông minh: IoT kết nối nhà máy với quy trình sản xuất, điều khiển lưới các hệ thống công nghiệp, nông nghiệp; giám sát quy trình phát triển cây cối, truy xuất nguồn gốc sản phẩm, v. Giám sát thảm họa: Giám sát nguy cơ thảm họa và môi trường độc hại; giám sát núi lửa, cháy rừng, lũ lụt, động đất, v. 10 Ứng dụng rộng rãi của IoT dẫn đến số thiết bị kết nối và lượng dữ liệu cần chuyển tiếp ngày càng lớn.
Điều này thúc đẩy phát triển các giao thức tầng ứng dụng để bảo đảm truyền tải dữ liệu hiệu quả, tránh mất mát, giảm độ trễ truyền tin [57, 102]. Nhu cầu của các ứng dụng rất đa dạng. Ví dụ, trong ứng dụng dự báo thời tiết, các bản tin thu được từ các giá trị cảm biến và truyền về trung tâm. Độ trễ thấp quan trọng hơn mất gói tin, có thể bỏ qua một số gói tin do chúng được cập nhật với giá trị cảm biến tiếp theo.
Ngược lại, trong ứng dụng y tế, mất gói tin quan trọng hơn là trễ gói vì mỗi giá trị cảm biến biểu thị một trạng thái khá nhạy cảm đối với bệnh nhân. Ứng dụng giám sát thảm họa thì nhiều lúc đòi hỏi cả trễ thấp và tỷ lệ mất gói thấp. Mô hình kiến trúc mạng IoT án tiến sĩ Theo tổ chức IEEE [54], kiến trúc cơ bản của mạng IoT gồm 3 lớp: 1) lớp cảm biến, 2) lớp liên kết mạng và truyền dữ liệu, 3) lớp ứng dụng. Lớp cảm biến là lớp vật lý hay lớp thu thập dữ liệu, tại đó các cảm biến thu thập thông tin về môi trường.
Lớp liên kết mạng và truyền dữ liệu kết nối với các thiết bị khác, Internet và thiết bị đầu cuối, có vai trò xử lý và chuyển tiếp dữ liệu. Lớp ứng dụng cung cấp dịch vụ của ứng dụng tới người dùng, thực thi ứng dụng do mạng IoT cung cấp. Kiến trúc ba lớp được mô tả trong RFC 7927 [102] và [58] theo một mô hình mạng tập trung thông tin ICN (Information Centric Networking). ICN được đề xuất làm hạ tầng mạng Internet mới cho phân phối thông tin [58, 61, 99, 102].
CoAP sử dụng kiến trúc ICN như đã chỉ ra trong tiêu chuẩn RFC 8763 (tháng 4/2020). Kiến trúc ICN lấy dữ liệu làm trung tâm [58, 57], trong đó các thiết bị IoT thu thập dữ liệu và chuyển qua các điểm truy nhập AP (Access point) hoặc Gateway để truyền về máy chủ ở trung tâm qua Internet [102, 57, 99]. Ứng dụng kiến trúc mạng ICN cho IoT đã được nghiên cứu trong một vài năm gần đây [102, 62, 99, 61].1 mô tả kiến trúc mạng ICN điển hình cho các ứng dụng IoT thu thập dữ liệu phục vụ giám sát, xử lý dữ liệu tập trung tại trung tâm.2, các điểm truy nhập AP và Gateway tạo thành mạng biên. Thiết bị IoT thu thập dữ liệu từ môi trường và truyền về máy chủ ở trung tâm qua các điểm 11 truy nhập / Gateway và kết nối Internet.
Đây là mô hình kiến trúc ICN điển hình theo các tài liệu chuẩn [102, 99, 58] được sử dụng trong luận án.1 Kiến trúc mạng ICN án tiến sĩ Hình 1.2 Kiến trúc mạng ICN cụ thể cho các ứng dụng IoT 1. Tóm lược về các giao thức tầng ứng dụng của IoT Hình 1.3 tóm lược các giao thức chính của mạng IoT. Các giao thức tầng ứng dụng và tầng vận chuyển đóng vai trò quan trọng [58]. Chi tiết về các giao thức ở nhóm hạ tầng mạng như định tuyến, IPv4/IPv6, 6LoWPAN, WiFi (802.15), LTE-A, Z-Wave có trong các tài liệu tiêu chuẩn [56, 57].
Giao thức tầng ứng dụng MQTT AMQP XMPP CoAP Giao Giao thức vận chuyển TCP, UDP thức hạ Giao thức tầng mạng Định tuyến, IPv4/IPv6, 6LoWPAN tầng Giao thức liên kết WiFi (802.15),… mạng Giao thức tầng vật lý LTE-A, ZigBee, Z-Wave,… Hình 1.3 Sơ đồ tóm lược các giao thức chính của IoT Phạm vi luận án chỉ tập trung vào giao thức tầng ứng dụng và giải pháp điều khiển tắc nghẽn từ đầu cuối tới đầu cuối. Vì vậy, luận án sẽ trình bày cụ thể hơn về các giao thức tầng ứng dụng. Các giao thức tầng ứng dụng cơ bản nhất đã chuẩn hóa 12 gồm: MQTT, AMQP, XMPP, và CoAP. Giao thức MQTT MQTT [92] là một giao thức lớp ứng dụng hạng nhẹ, dùng để thu thập dữ liệu từ thiết bị IoT và gửi về máy chủ.
MQTT tiêu thụ nguồn thấp, có thể truyền dữ liệu hiệu quả tới một số máy đích. MQTT dùng kiến trúc đẩy – kéo, nghĩa là quảng bá dữ liệu - đặt hàng dữ liệu. MQTT hoạt động trên tầng TCP nên hỗ trợ truyền tin cậy. Tuy nhiên, độ trễ gói tin có thể lớn do phải phát lại nhiều lần khi mạng nhiều lỗi.
Mặt khác, TCP phải dùng gói tin bổ sung để thiết lập và duy trì kết nối, dẫn tới độ trễ tăng, tiêu thụ nguồn lớn hơn, mức độ rủi ro có lỗi khi truyền cao. Giao thức AMQP AMQP [30] là một giao thức trao đổi bản tin hỗ trợ truyền tin cậy. AMQP chủ án tiến sĩ yếu hoạt động trong môi trường định hướng bản tin, bổ trợ cho giao thức truyền tải siêu văn bản HTTP (Hypertext Transfer Protocol). AMQP áp dụng cho nhiều kiểu kiến trúc mạng như: quảng bá, lưu trữ, chuyển tiếp, định tuyến bản tin.
AMQP cũng dựa trên TCP, nên cũng có trễ gói lớn và hoạt động bị ảnh hưởng nhiều trong môi trường mạng có lỗi, mất gói cao. Giao thức XMPP XMPP [53] là một giao thức truyền bản tin tức thời, được chuyển đổi từ truyền luồng tin dựa vào ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML (Extensible Markup Language) để dùng cho IoT. Nó cho phép trao đổi theo thời gian thực dữ liệu có cấu trúc giữa các vật thể. Thiết bị IoT kết nối với máy chủ và truyền các bản tin dựa vào luồng tin kiểu XML.
XMPP sử dụng định dạng dữ liệu XML nên có tiêu phí mào đầu lớn. XMPP hoạt động dựa vào cả TCP và XML, nên nó có nhược điểm của TCP và không hiệu quả trong môi trường mạng IoT. Giao thức CoAP CoAP là giao thức lớp ứng dụng được tổ chức IETF chuẩn hóa trong RFC7252 [100] cho mạng IoT. CoAP trở thành chuẩn Internet năm 2014.
Khác với các giao thức khác, CoAP hoạt động dựa trên UDP, có cấu trúc và tiêu đề gói tin đơn giản. CoAP là một giao thức hạng nhẹ được xây dựng dựa theo mô hình chuyển trạng 13 thái đại diện REST (Representational State Transfer) để sử dụng cho thiết bị có năng lực xử lý và tài nguyên hạn chế trong mạng IoT [100, 99, 117].