Toàn văn Luận văn Thạc sĩ: Định tuyến đa đường cho Internet of Things

Tải luận văn Thạc sĩ nghiên cứu về định tuyến đa đường cho Internet of Things (IoT), phân tích giao thức RPL và tối ưu năng lượng mạng cảm biến.

• Tác giả: Nguyễn Văn Bình
• Người hướng dẫn: PGS.TS Ngô Quỳnh Thu
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kiến Trúc Máy Tính & Truyền Thông
• Đề tài: Định Tuyến Đa Đường Cho Internet Of Things
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về Định tuyến Đa đường cho IoT

Định tuyến đa đường là một kỹ thuật quan trọng trong Internet of Things (IoT), cho phép dữ liệu được truyền từ node nguồn đến node đích thông qua nhiều đường dẫn khác nhau. Trong môi trường mạng cảm biến không dây, định tuyến đa đường giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng IoT yêu cầu truyền dữ liệu liên tục và ổn định. Định tuyến đa đường không chỉ giảm tắc nghẽn mạng mà còn giúp phân tán tải trọng trên nhiều đường truyền, từ đó kéo dài thời gian hoạt động của các node pin yếu. Đây là giải pháp cốt lõi để xây dựng các hệ thống IoT hiệu quả và bền vững.

1.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây sở hữu những đặc điểm độc đáo như giao tiếp multihop, khai thác tối ưu năng lượng và tự động cấu hình. Mỗi node có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến sink node. Các node trung gian đóng vai trò chuyển tiếp để giảm công suất tiêu thụ. Phối hợp xử lý dữ liệu trong mạng giúp giảm băng thông và năng lượng khi truyền tải.

1.2. Cấu trúc node cảm biến

Mỗi node cảm biến bao gồm các thành phần: bộ cảm biến và ADC để thu thập dữ liệu, bộ xử lý và lưu trữ để xử lý thông tin, bộ thu phát wireless để kết nối mạng, và bộ nguồn để cấp điện. Một số ứng dụng còn có thêm GPS, bộ phát tín hiệu hoặc các thành phần khác tùy vào nhu cầu cụ thể.

II. Giao thức RPL và ứng dụng trong IoT

Giao thức RPL (Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks) là tiêu chuẩn định tuyến chính cho các mạng IoT năng lượng thấp. Được phát triển bởi IETF, RPL tạo ra một cây định tuyến được gọi là DODAG (Destination Oriented DAG) để tối ưu hóa truyền dữ liệu. Giao thức RPL hỗ trợ định tuyến đa đường thông qua việc duy trì nhiều cha tiềm năng cho mỗi node, cho phép chuyển đổi động giữa các đường truyền. Điều này cải thiện độ tin cậy và giảm độ trễ truyền dữ liệu. RPL sử dụng các bản tin DIS, DIO, DAO để thiết lập và duy trì cấu trúc mạng, đảm bảo hiệu quả năng lượng cao cho các thiết bị IoT.

2.1. Các bản tin trong RPL

Bản tin DIS được dùng để yêu cầu thông tin định tuyến từ các node láng giềng. Bản tin DIO truyền thông tin về DODAG và các tham số định tuyến. Bản tin DAO được gửi từ các node lá để thông báo khả năng tiếp cận của chúng. Ba loại bản tin này hoạt động kết hợp để xây dựng và duy trì cấu trúc DAG hiệu quả.

2.2. Khởi tạo và duy trì mạng RPL

Quá trình khởi tạo mạng bắt đầu khi node gốc gửi các bản tin DIO để thông báo về chính nó. Các node khác nhận được bản tin này và chọn node gốc làm cha nếu đáp ứng các tiêu chí chi phí. Từ đó, cấu trúc DODAG được hình thành. Quá trình duy trì mạng liên tục điều chỉnh cấu trúc để tối ưu hóa đường dẫn.

III. IPv6 và 6LoWPAN trong môi trường IoT

IPv6 được chuẩn hóa cho các mạng IoT qua tiêu chuẩn 6LoWPAN (IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks). 6LoWPAN cho phép các node IoT năng lượng thấp sử dụng địa chỉ IPv6 đầy đủ mà không tốn quá nhiều tài nguyên. Tiêu chuẩn này cung cấp cơ chế nén tiêu đề để giảm kích thước gói dữ liệu, tiết kiệm băng thông và năng lượng. IPv6 cung cấp không gian địa chỉ khổng lồ cho miliards thiết bị IoT. 6LoWPAN hỗ trợ định tuyến đa đường thông qua các giao thức như RPL, tạo nên nền tảng mạnh mẽ cho hạ tầng IoT toàn cầu.

3.1. Phân loại địa chỉ IPv6

Địa chỉ Unicast dùng để giao tiếp một-một giữa các node. Địa chỉ Multicast cho phép gửi dữ liệu đến nhiều node cùng lúc. Địa chỉ Anycast gửi dữ liệu đến node gần nhất trong nhóm. Mỗi loại địa chỉ đóng vai trò khác nhau trong việc tối ưu hóa truyền dữ liệu IoT.

3.2. Ưu điểm của 6LoWPAN

6LoWPAN cung cấp nén tiêu đề hiệu quả, giảm overhead từ 60 byte xuống còn 2-3 byte. Hỗ trợ phân đoạn cho các gói dữ liệu lớn. Tích hợp tốt với IPv6 cho phép kết nối toàn cầu. 6LoWPAN giúp các node IoT tiêu tốn ít năng lượng hơn khi truyền dữ liệu qua các mạng không dây.

IV. Ứng dụng và tương lai của Định tuyến Đa đường trong IoT

Định tuyến đa đường đã được triển khai thành công trong nhiều ứng dụng IoT thực tế như giám sát môi trường, thành phố thông minh và y tế từ xa. Các hệ thống này yêu cầu độ tin cậy cao, độ trễ thấp và hiệu quả năng lượng, tất cả đều được cung cấp bởi định tuyến đa đường. Trong tương lai, sự phát triển của machine learning và artificial intelligence sẽ tối ưu hóa thêm các thuật toán định tuyến để đạt hiệu suất tốt nhất. 5G và các công nghệ mạng mới sẽ mở rộng khả năng của IoT. Nghiên cứu tiếp tục về định tuyến đa đường sẽ giúp xây dựng các hệ thống IoT bền vững và mở rộng quy mô.

4.1. Các ứng dụng thực tế của định tuyến đa đường

Giám sát môi trường sử dụng định tuyến đa đường để đảm bảo dữ liệu cảm biến luôn được gửi đến trạm trung tâm. Thành phố thông minh dựa vào định tuyến đa đường để quản lý hàng triệu thiết bị IoT. Y tế từ xa yêu cầu độ tin cậy 99.9% được cung cấp bởi định tuyến đa đường.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Tích hợp AI/ML để tự động tối ưu hóa các quyết định định tuyến. Phát triển các giao thức định tuyến mới khả năng chống chỉ định tuyến động. Cải thiện bảo mật trong định tuyến đa đường. Mở rộng hỗ trợ cho các công nghệ mạng mới như 5G, Wi-Fi 6.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biên không dây và Internet of Things Trinh bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến không dây, các đặc trưng. của mạng cảm biển vả tông quan vẻ định tuyển trong mạng cảm bien Chương 2: Tổng quan về RPL vả Ipv6 Chương 3: Tìm hiểu một số giao thức định tuyển cải tiền mới dựa trên RPL. Chương 4: Tìm hiểu hệ thống mô phỏng Omnet, mô phỏng và đánh giá kết quả. Chương 5: Kết luận và đẻ xuất công việc tiếp theo Học viên thục hiện Nguyễn Văn Bình ~ CB 130015~ KTMTK&TT 2013B 8 Dinh tuyén đa đường cho Internet of Things GVHD: PGS.TS Ngé Quinh Thu 2.

5 Quản lý neighbor, lựa chọn DAG parent. 6 Tỉnh toán rank và sự đi chuyền của các node trong DAG.7 Thuật toản Trickle timer. hội ss ni no: 2. 8 Các giao thức định tuyến đa đường dựa trên RPLL.

ee Ð „38 CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU GIAO THUC NÂNG CAO. QNG0887Ai-05n0pEoS5 1Gân Đằng năng lượng - HE iassssauseniudiiii. Xây dựng DODAG.2 Cân bằng năng lượng dựa trên hảm mục tiêu. 3 Cân bằng năng lượng sử dụng cơ chế chuyén d6i node parent.

Sửa chữa cục bộ - FLR.1 Xây dựng DODAG.2 Cơ chế sửa lỗi cục bô. gi si 3 gansoaa 3. Phương pháp kết hợp giữa ELB và FLR. _ dáuansi AT Chương 4: Tim hiểu hệ thông mô phỏng.

Tìm hiểu quá trình mô phông và đánh giá kết quả. Đánh giả hiệu năng. 1 Thiết lập mạng.2:PHR0Ghi KẾ đÙ sesccuatiac ng go F go 2kg gH aU Hà g2 tu dị ggHg secon SS 3.1 Đánh giả các giao thức qua tỷ lệ từng loại gói tin. 3 Tỉ lệ giao gồi.4 So sảnh tỉ lệ mức năng lượng còn lại của từng giao thức.

KÉT LUẬN VÀ CÔNG VIỆC TIẾP THEO. aoadaniraiesasaoanruŠfT EAT TRU DEANE RAO ss caveseescistcoes c na akc aC aT TA 58 Hoe vién thực hiện Nguyễn Văn Bình ~ CB 130013~ KTMTK&TT 2013 Dinh tuyén đa đường cho Internet of Things GVHD: PGS.TS Ngé Quinh Thu DANH MUC TU VIET TAT [Tùviếttất |Viet day aa 6LoWPAN IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks CSMA-CA _ |Camier Sense Muluple Access - Collision Avoidance. AG [Directed Acyclic Graph DAO [Destination Advertisement Object [DIO [DODAG Information Object IS IDODAG Informmation Solicitation MR [DAG-based multipath routing protocol IDODAG [Destination Objected DAG [ETX [Expected Transmission count IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers [ETF Internet Engineering Task Force oT [Internet of Things Internet Protocol 4 [Internet Protocol version 4 JIPv6 [Internet Protocol version 6 [LBR ILLN Border Router LLN [Low Power and Lossy Network C [Medium Access Control MR. (Multipath routing on DAG-based Mobile sink based on RPL MHR IMAC Header P INeighbor Discovery Protocol NED etwork Description Language or |Objective Function (OMNeT++ [Objective Modular Network Testbed in C++ DR.

[Package Delivery Ratio PHR Physical layer Header HY [Physical layer QoS |Quality of Services RDC Radio Duty Cycling IRPL [[Pv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks. ‘cP {Transmission Control Protocol {UDP [User Datagram Protocol WPAN, Wireless Personal Area Network VSN ireless Sensor Network Hoe vién thee hién Nguyén Van Binh— CB 130015 —KIMT&TT 20133 6 Dinh tuyén đa đường cho Internet of Things GVHD: PGS.TS Ngé Quinh Thu DANH MỤC HÌNH VẼ Hình ] Cầu trúc chung của một node cảm biến.: 222000002500 666 9 Hình 2 Câu trúc chung một mạng cảm biển. seo Hình 3 Mô hình kiến trúc giao thức mạng cảm biền. xa nuenlibioeEfbussfxerlÏ Hình 4 Mỗi liên kết giữa IoT với thể giới.

: — „14 Hình 5 Không gian địa chỉ của IPv6 : ; ae § paul Hình6 Phân cấp địa chỉ trong IPv6.- saute est sesso AS Hinh 7 Cau trite header ctia IPv6. , m 17 Hình 8 Địa chỉ Interface trong IPv6.-- 22c pleco Hinh 9 Dia chi global unicast. jess sesniapessnesanansersisssnesnaneaninesneveeeniesseneees 18 Hinh 10 Dia chi link — local. „18 Hình 11 Cầu trúc site - local addresses.

yi 3 siAj26i00sicgsseTÐi Hình 12 Cầu trúc Unique Local Address.T9 Hinh 13 Cau tric dia chi multicast i 20 Hình 14 Mô hình RPL DAG. 21 Hinh 15 RPL INSTANCE va DAG sequence number.--25s 22-28 Hình 16 Cấu trúc bản tin điều khiển RPL. 2222222022122 2 Hinh 17 cau tric ban tin DIS. os 7 24 Tỉnh 18 Cau tito bath tin DAO.

ccsscssissscscssinssicinsssizersnassssessacoias cbouasaicancanngoasae 2s DS Hinh 19 Qua trinh khéi tạo mạng trên môi trường môvà đồng a m. Hình 20 Quá trình xử lý khi nhận bản ti DIO. rae oe BO Hinh 21 Thuật toan Trickle thmer,.- Hình 22: Câu trúc định tuyên DMR. i ae S627 Hình 23 quá trình xử lý bản tin DIO theo ELB.s 222222222 gáanaisulŠ] Hinh 24 Chuyên dữ liệu theo cơ chế ELB.

N430-VSS/2fvid60590u psveaness Hình 25 truyền dữ liệu theo FLR. 2 22222516615562eterrsrrrrrrserrsereooauu,4S Hình 26 Tiếp nhân gói tin theo FLR. 4Ó Hình 27 Chuyển tiếp dữ liệu theo ELB-FLR.48 Hình 28 Tiếp nhân gói tin theo ELB-FLR. ¥ 49 Hình 29 Giao diện chương trình mô phéng Omnet ++4.

` 51 Hinh 30 Ty trong ctia từng gói NET .53 Hình 31 Tương quan độ trễ giữa các giao thức. ne | Hình 32 Tỉ lê chuyển gỏi tím. s22 sec môn 55 Hình 33 Tỉ lệ node cỏ mức năng ‘ome (33% or 34%) còn lại mỗi giao thức. 56 Học viên thực hiện Nga Văn Bình ~ CB 130015 ~ KTMT&TT 2013 Dinh tuyén đa đường cho Internet of Things GVHD: PGS.TS Ngé Quinh Thu ~ Các bộ phận cảm img (sensing units) bao g6m cảm bien và bộ chuyên đổi tương tự số (ADC).

Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tao ra bởi sensor được chuyên sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đỏ được đưa vào bộ xử lý. = Cac bộ phận xử lý (processing umÐ: thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau đề thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. ~ Các bộ phận thu phát (a transceiver uniÙ: kết nỗi các node vao mạng, chúng gửi vả nhận dữ liệu thu được từ chính nó tới các node khác hoặc tới node góc. ~ Bộ nguồn (power unit): Bộ nguồn có thể là một số loại pin, để node cảm biến có thời gian sông lâu thì bộ nguôn nên cỏ khả năng nạp điện từ môi trường như pia năng lượng mặt trời ~ Ngoài ra cỏ thể có thêm những thành phân khác tủy thuộc vảo từng ứng dụng như hệ thống định vị (GPS), bộ phát nguồn, bộ phân đi động.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây|21] ~ Mỗi node cảm biên có khả năng thu thập dữ liệu vả định tuyển lại đến trạm gốc (điểm thu dữ liệu - sink node), ~ Giao tiếp không dây multuhop: nhằm làm giảm công suất tiêu thụ khi các node giao tiếp không dây với nhau đặc biệt 1a khi node phát và node thu cách xa nhau thì cân các node trung gian làm node chuyển tiếp.

~ Khai thác tối ưu năng lượng: đẻ hồ trợ kéo dài thời gian sóng toàn mạng, việc khai thác tôi tu năng lượng là kỹ thuật quan trọng trong mạng cảm biển không dây. ~ Tư động câu hình: Mạng cảm biển không dây tự động cau hình các thông số chẳng hạn như xác định vị trí địa lý của nó thông qua các node khác. - Phối hợp, xử lý dữ liệu trong mạng: trong một số ứng dụng một node cam biển không thu thập đủ dữ liệu cần mà phải nhiều node củng công tác thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng node gửi dữ liệu đến sink thi rất tổn băng thông vả năng lượng. Do vậy cần kết hợp các đữ liệu trong một vùng rồi mới gửi tới sink.

—— Học viên thục hiện Nguyễn Văn Bình ~ CB 130015~ KTMTK&TT 2013B 10 Dinh tuyén đa đường cho Internet of Things GVHD: PGS.TS Ngé Quinh Thu MO DAU 1. Lý do lựa chọn để tài Những tiền bộ trong khoa học công nghệ gan đây đã mang những ý tưởng tuyệt vời về Internet of Things thành hiện thực, trong đó mạng cảm biển không dây là một niên tảng không thẻ thiêu. Nó mở ra những hướng nghiên cửu và ứng dụng mới trong lĩnh vực mạng tùy biến không dây, có thể kề tới những lĩnh vực như: ngôi nhả thông. minh, thanh phé théng minh hay giảm sát môi trường, cảnh báo thâm họa.

Và nhân tổ chỉnh đề hiện thực hóa các ứng dụng này là nhờ áp dụng công nghệ IPv6, với khả năng kết nói hàng nghìn tỉ thiết bị thông qua không gian địa chỉ lớn. Thời gian gân đây, giao thức RPL được sử dụng rông rãi như là giao thức định tuyên chuân cho mạng cảm bien không dây sử dụng IPv6. Tuy nhiên, giao thức nảy van cỏn rất nhiều vân đề bỏ ngỏ do các vân đẻ liên quan tới hảm mục tiêu, khởi tạo DODAG hay tinh toán rank chưa được nghiên cửu và định nghĩa kĩ lưỡng. Mặt khác, do đặc tính của mạng là được tạo nên tử các node bị giới hạn về mặt dung lượng, năng.

lượng cũng như thông lượng; do đỏ, ngoài việc chọn được tuyên đường tốt nhất đẻ truyền gỏi tin về đích, RPL cần bỏ sung tỉnh năng tạo thêm một vải tuyên đường khác nhằm cân bằng tải vả đẻ dự phòng khi tuyến đường tốt nhất bị lỗi. Mục đích của đề tài Tìm hiểu các khái niệm cơ bản của mạng cảm bien không day (WSN), Internet of Things (IoT) - Tìm hiệu RPL, giao thức IPv6và các giao thức định tuyên dựa trên RPL Tìm hiểu các giao thức định tuyến đa đường dựa trên RPL nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng. / / Tìm hiểu kết quả và đánh giá hiệu năng của một số giao thức cải tiền. Bố cục đề tài được tổ chức như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biên không dây và Internet of Things Trinh bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến không dây, các đặc trưng.

của mạng cảm biển vả tông quan vẻ định tuyển trong mạng cảm bien Chương 2: Tổng quan về RPL vả Ipv6 Chương 3: Tìm hiểu một số giao thức định tuyển cải tiền mới dựa trên RPL. Chương 4: Tìm hiểu hệ thống mô phỏng Omnet, mô phỏng và đánh giá kết quả. Chương 5: Kết luận và đẻ xuất công việc tiếp theo Học viên thục hiện Nguyễn Văn Bình ~ CB 130015~ KTMTK&TT 2013B 8 Dinh tuyén đa đường cho Internet of Things GVHD: PGS.TS Ngé Quinh Thu Lời cam đoan Tôi —- Nguyễn Lăn Bình - cam kết luận văn “Định tuyển đa đường cho Internet of Things”, chuyén nganh kỹ thuật máy tỉnh và truyền thông là công trình nghiên cứu, tiêm hiểu của bản thân tôi dưới sự hướng dần của PGS. Ngô Quynh Thu.

Các nội dung nghiên cứu, từm hiểu và kết quả trình bảy trong luận văn là trung thực, không giỏng bắt kỳ luận văn nảo khác. Các tải liệu tham khảo, nội dung trích dân đã ghỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2016 Tac giả luận văn Nguyễn Lăn Bình Học viên thực hiện Nguyễn Văn Bình ~ CB 130015 ~ KTMT&TT 20138 5 Dinh tuyén đa đường cho Internet of Things GVHD: PGS.