Luận văn: Đánh giá hiệu năng giải pháp QoS trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật đánh giá hiệu năng các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng iot định nghĩa bằng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Vũ Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Hải Châu
• Trường học: Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Năng Các Giải Pháp Đảm Bảo Chất Lượng Dịch Vụ Trong Mạng IoT Định Nghĩa Bằng Phần Mềm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá QoS trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm SD IoT

Sự phát triển bùng nổ của Internet vạn vật (IoT) đặt ra yêu cầu cấp thiết về một hạ tầng mạng linh hoạt và hiệu quả. Mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, tách biệt mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu để quản lý tài nguyên tập trung. Việc kết hợp SDN và IoT, hay SD-IoT, mở ra khả năng tối ưu hóa luồng dữ liệu và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) một cách hiệu quả. Chất lượng dịch vụ trở thành yếu tố then chốt, quyết định hiệu năng của các ứng dụng IoT đa dạng, từ giám sát thời gian thực yêu cầu độ trễ thấp đến truyền tải dữ liệu lớn cần băng thông ổn định. Kiến trúc SD-IoT cho phép các nhà quản trị mạng lập trình và tự động hóa các chính sách QoS, đáp ứng linh hoạt các yêu cầu thay đổi liên tục của hàng tỷ thiết bị kết nối. Việc nghiên cứu các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm không chỉ giải quyết các thách thức của hạ tầng hiện tại mà còn định hình tương lai cho một hệ sinh thái IoT bền vững và có khả năng mở rộng.

1.1. Tổng quan về sự bùng nổ của công nghệ Internet of Things IoT

Internet of Things (IoT) là viễn cảnh nơi mọi vật thể, từ thiết bị gia dụng đến cảm biến công nghiệp, được gán định danh duy nhất và có khả năng truyền dữ liệu qua mạng mà không cần tương tác của con người. Theo Kevin Ashton, người đưa ra thuật ngữ này vào năm 1999, IoT tiến hóa từ sự hội tụ của công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử và Internet [1-2]. Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy-máy (M2M) đã thúc đẩy số lượng thiết bị IoT dự kiến đạt 24 tỷ vào năm 2020. Các ứng dụng IoT rất đa dạng, từ tủ lạnh thông minh tự động đặt hàng thực phẩm đến các hệ thống quản lý giao thông trong thành phố thông minh. Để hoạt động hiệu quả, hạ tầng mạng IoT đòi hỏi khả năng mở rộng, chi phí thấp, và tiêu thụ năng lượng cực nhỏ. Các thiết bị cần đáp ứng yêu cầu về băng thông và chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau, tạo áp lực lớn lên kiến trúc mạng truyền thống.

1.2. Nền tảng mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN cho IoT

Mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) là một kiến trúc mạng mới, phá vỡ cấu trúc tích hợp dọc của mạng IP truyền thống. Nguyên lý cốt lõi của SDN là tách rời mặt phẳng điều khiển (control plane) khỏi mặt phẳng dữ liệu (data plane) [7-9]. Chức năng điều khiển được tập trung hóa tại một bộ điều khiển SDN (SDN Controller), cho phép quản lý toàn bộ mạng từ một điểm duy nhất. Kiến trúc này mang lại nhiều ưu điểm: quản lý đơn giản, giảm chi phí vận hành và tăng tính linh hoạt. Khi áp dụng vào IoT (gọi là SD-IoT), SDN cho phép quản lý và kiểm soát hiệu quả hàng tỷ thiết bị với các yêu cầu QoS đa dạng. Bộ điều khiển SDN có thể lập trình để tự động cấu hình luồng dữ liệu, ưu tiên các dịch vụ quan trọng và phân bổ tài nguyên mạng theo thời gian thực, giải quyết các hạn chế của hạ tầng mạng hiện tại trong việc hỗ trợ hệ sinh thái IoT.

II. Thách thức đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng truyền thống

Các kiến trúc mạng truyền thống đối mặt với nhiều thách thức trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ một cách linh hoạt và hiệu quả. Mô hình phổ biến nhất, Dịch vụ Best Effort, không cung cấp bất kỳ sự đảm bảo nào về băng thông, độ trễ hay mất gói, khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng IoT thời gian thực. Mặc dù các giải pháp như Dịch vụ Tích hợp (IntServ) và Dịch vụ Phân biệt (DiffServ) đã được phát triển để giải quyết vấn đề này, chúng vẫn tồn tại những hạn chế cố hữu. IntServ yêu cầu duy trì trạng thái trên mỗi luồng tại mọi router, dẫn đến vấn đề về khả năng mở rộng trong các mạng lớn. DiffServ, mặc dù linh động hơn, lại thiếu khả năng tinh chỉnh QoS cho các luồng riêng biệt và việc cấu hình chính sách phức tạp, phụ thuộc vào nhà cung cấp. Chính sự phức tạp trong quản lý và thiếu khả năng tự động hóa đã thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm một giải pháp ưu việt hơn, và đó là tiền đề cho sự ra đời của các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm.

2.1. Phân tích mô hình dịch vụ Best Effort và hạn chế cố hữu

Dịch vụ Best Effort (nỗ lực tối đa) là cơ chế cung cấp chất lượng dịch vụ mặc định trong mạng IP hiện hành. Mô hình này hoạt động dựa trên hàng đợi First In – First Out (FIFO), nơi các gói tin được xử lý theo thứ tự chúng đến mà không có bất kỳ sự ưu tiên nào. Do đó, Best Effort không thể dành trước băng thông hay đảm bảo độ trễ tối thiểu cho các ứng dụng nhạy cảm. Đối với các dịch vụ IoT như hội nghị truyền hình, giám sát y tế từ xa hay điều khiển robot, những yếu tố như độ trễ cao và mất gói có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Mặc dù giao thức TCP ở tầng giao vận có thể khôi phục các gói bị mất, quá trình này lại làm tăng thêm độ trễ, không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực. Sự thiếu đảm bảo của mô hình này chính là thách thức lớn nhất mà các kiến trúc mạng truyền thống phải đối mặt khi phục vụ các dịch vụ IoT đa dạng.

2.2. Những rào cản trong việc triển khai chất lượng dịch vụ QoS

Việc triển khai chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng truyền thống gặp nhiều rào cản. Quản trị viên phải cấu hình thủ công từng thiết bị mạng, sử dụng các dòng lệnh phức tạp và thường là độc quyền của từng nhà cung cấp. Điều này không chỉ tốn thời gian mà còn dễ gây ra lỗi. Mạng thiếu khả năng tự động thích ứng với sự thay đổi của lưu lượng và nhu cầu người dùng. Việc cung cấp QoS đầu cuối (end-to-end) qua nhiều miền mạng khác nhau là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn, vì các chính sách có thể không đồng nhất. Các giải pháp như IntServ và DiffServ dù cố gắng giải quyết vấn đề nhưng lại tạo ra các phức tạp riêng. IntServ không có khả năng mở rộng, trong khi DiffServ không đảm bảo được QoS cho từng luồng cụ thể. Những rào cản này cho thấy sự cần thiết của một kiến trúc mạng mới có khả năng quản lý tập trung và lập trình linh hoạt.

III. Phương pháp Dịch vụ Tích hợp IntServ vấn đề mở rộng

Dịch vụ Tích hợp (IntServ) là một trong những nỗ lực đầu tiên nhằm thiết lập cơ chế kiểm soát chất lượng dịch vụ trong mạng IP, được định nghĩa trong RFC 1633. Nguyên tắc hoạt động của IntServ là dành riêng tài nguyên mạng (băng thông, bộ đệm) cho từng luồng thông tin cụ thể từ nguồn đến đích, tương tự như cơ chế chuyển mạch kênh. Mô hình này sử dụng Giao thức Lưu trữ Tài nguyên (RSVP) để các ứng dụng có thể yêu cầu và đặt trước tài nguyên mạng. Nhờ vậy, IntServ có khả năng cung cấp các đảm bảo toán học chặt chẽ về độ trễ và tỷ lệ mất gói, phù hợp cho các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi cao. Tuy nhiên, ưu điểm này cũng chính là nhược điểm lớn nhất của nó. Việc phải duy trì trạng thái của hàng nghìn, thậm chí hàng triệu luồng trên mỗi router trong lõi mạng gây ra gánh nặng xử lý và bộ nhớ khổng lồ. Điều này làm cho IntServ không thể mở rộng trong các mạng quy mô lớn như Internet hay mạng IoT, hạn chế phạm vi ứng dụng của nó chủ yếu trong các mạng doanh nghiệp cục bộ.

3.1. Nguyên lý hoạt động của kiến trúc Dịch vụ tích hợp IntServ

Kiến trúc Dịch vụ tích hợp (IntServ) hoạt động dựa trên việc phân bổ tài nguyên một cách tường minh cho mỗi luồng dữ liệu. Một luồng được xác định bởi địa chỉ IP nguồn, đích và số cổng. Trước khi truyền dữ liệu, ứng dụng nguồn gửi một bản tin Path đến đích. Khi nhận được, đích sẽ gửi lại một bản tin Resv ngược về nguồn theo cùng một đường đi để yêu cầu dành riêng tài nguyên tại mỗi router trên đường đi. Quá trình này được thực hiện bởi giao thức RSVP. Mỗi router sẽ sử dụng thuật toán điều khiển đầu vào (Admission Control) để kiểm tra xem có đủ tài nguyên để đáp ứng yêu cầu hay không. Nếu chấp nhận, router sẽ cấu hình bộ phân loại gói (Packet Classifier) và bộ lập lịch gói (Packet Scheduler) để ưu tiên cho luồng đó. Mô hình này cung cấp hai loại dịch vụ chính: Dịch vụ đảm bảo (Guaranteed Service) cho các ứng dụng cần giới hạn độ trễ và Dịch vụ điều khiển tải (Controlled Load Service) cho các ứng dụng cần hiệu năng ổn định.

3.2. Đánh giá ưu và nhược điểm của giao thức dự phòng tài nguyên RSVP

Giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol) là trái tim của mô hình IntServ. Ưu điểm lớn nhất của RSVP là khả năng cung cấp đảm bảo QoS chi tiết và mạnh mẽ cho từng ứng dụng riêng lẻ. Tuy nhiên, nhược điểm của nó lại rất đáng kể. RSVP là một giao thức trạng thái mềm (soft state), yêu cầu các bản tin làm mới (refresh message) phải được gửi định kỳ để duy trì trạng thái đặt trước tài nguyên. Điều này tạo ra một lượng lớn lưu lượng báo hiệu trong mạng. Vấn đề nghiêm trọng nhất là khả năng mở rộng. Trong một mạng lõi với hàng triệu luồng dữ liệu, mỗi router phải lưu trữ và xử lý thông tin trạng thái cho từng luồng. Gánh nặng này về mặt tính toán và bộ nhớ là quá lớn, khiến IntServ trở nên không thực tế cho các mạng quy mô lớn. Do đó, dù có ý tưởng tốt, IntServ đã không được triển khai rộng rãi trên Internet.

IV. Hướng dẫn giải pháp Dịch vụ Phân biệt DiffServ tối ưu

Để khắc phục vấn đề về khả năng mở rộng của IntServ, kiến trúc Dịch vụ Phân biệt (DiffServ) đã được ra đời. Thay vì xử lý từng luồng riêng lẻ, DiffServ phân loại lưu lượng thành một số ít các lớp dịch vụ. Các chức năng phức tạp như phân loại và điều khiển lưu lượng được đẩy ra các router biên, trong khi router lõi chỉ thực hiện các hành vi chuyển tiếp đơn giản dựa trên đánh dấu trong tiêu đề gói tin. Cụ thể, 6 bit trong trường Type-of-Service (ToS) của tiêu đề IP được sử dụng làm trường Differentiated Services (DS), chứa một giá trị gọi là DSCP (Differentiated Services Code Point). Giá trị này xác định cách hành xử trên mỗi chặng (Per-Hop Behavior - PHB) mà gói tin sẽ nhận được. Cách tiếp cận này giúp DiffServ đạt được tính linh động và khả năng mở rộng vượt trội, trở thành giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ phổ biến trong các mạng lớn. Tuy nhiên, nó chỉ cung cấp QoS ở mức độ tổng hợp, không chi tiết bằng IntServ.

4.1. Kiến trúc cốt lõi và các thành phần chức năng của DiffServ

Kiến trúc DiffServ chia mạng thành các miền (DiffServ domain) và tập trung các chức năng phức tạp ở vùng biên. Tại router biên đầu vào (ingress router), các gói tin được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí (địa chỉ IP, cổng, ứng dụng) và được đánh dấu bằng một giá trị DSCP tương ứng. Sau khi đánh dấu, các gói tin có thể trải qua quá trình điều khiển lưu lượng (traffic conditioning) để đảm bảo chúng tuân thủ Thỏa thuận mức dịch vụ (SLA). Bên trong lõi mạng, các router chỉ cần xem giá trị DSCP của gói tin và áp dụng Per-Hop Behavior (PHB) tương ứng mà không cần duy trì trạng thái của từng luồng. Cách tiếp cận này giúp giảm đáng kể gánh nặng xử lý cho các router lõi, cho phép mạng mở rộng dễ dàng. Các PHB phổ biến bao gồm Chuyển tiếp khẩn cấp (Expedited Forwarding - EF) cho lưu lượng yêu cầu độ trễ thấp và Chuyển tiếp đảm bảo (Assured Forwarding - AF) cho các mức độ ưu tiên khác nhau.

4.2. Tìm hiểu cơ chế Per Hop Behavior PHB và vai trò trường DS

Per-Hop Behavior (PHB) là khối xây dựng cơ bản của DiffServ. Nó định nghĩa cách xử lý chuyển tiếp mà một nhóm các gói tin (một lớp dịch vụ) sẽ nhận được tại một nút mạng. PHB không phải là một dịch vụ đầu cuối, mà là một hành vi cục bộ. Dịch vụ đầu cuối được hình thành từ chuỗi các PHB nhất quán trên toàn bộ đường đi của gói tin. Trường DS trong tiêu đề IP, cụ thể là giá trị DSCP (6 bit), được dùng để ánh xạ tới một PHB cụ thể tại mỗi router. Ví dụ, một gói tin được đánh dấu với DSCP cho lớp EF sẽ được đưa vào hàng đợi ưu tiên cao để giảm thiểu độ trễ và jitter. Một gói tin khác với DSCP cho lớp AF có thể được xử lý với các chính sách loại bỏ gói khác nhau tùy thuộc vào mức độ ưu tiên và tình trạng tắc nghẽn. Bằng cách này, DiffServ cung cấp một cơ chế linh hoạt để phân biệt và ưu tiên các loại lưu lượng khác nhau trên quy mô lớn.

V. Cách đánh giá hiệu năng QoS trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm

Để kiểm chứng hiệu quả của các giải pháp, việc đánh giá hiệu năng là bước không thể thiếu. Luận văn đã tiến hành triển khai mô phỏng để đánh giá hiệu năng giải pháp đảm bảo QoS trong một hệ thống SD-IoT. Kịch bản mô phỏng được xây dựng bằng cách sử dụng các công cụ mã nguồn mở phổ biến: Mininet để tạo ra một topo mạng ảo và bộ điều khiển Ryu để triển khai logic điều khiển của SDN. Trong môi trường này, một giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ dựa trên mô hình DiffServ được cài đặt. Các luồng lưu lượng khác nhau, đại diện cho các dịch vụ IoT đa dạng, được tạo ra và gán các mức ưu tiên khác nhau. Bằng cách đo lường các tham số quan trọng như băng thông thực tế, độ trễ đầu cuối và tỷ lệ mất gói, nghiên cứu đã chứng minh rằng kiến trúc SD-IoT có thể phân bổ tài nguyên mạng một cách hiệu quả, ưu tiên các luồng dữ liệu quan trọng và cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng so với mạng truyền thống.

5.1. Xây dựng kịch bản mô phỏng QoS với Mininet và bộ điều khiển Ryu

Kịch bản mô phỏng được thiết kế để tái tạo một môi trường mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm điển hình. Công cụ Mininet được sử dụng để giả lập một mạng gồm nhiều host (đại diện cho thiết bị IoT) và các switch Open vSwitch (OVS). Các switch này được kết nối và quản lý bởi một bộ điều khiển Ryu chạy trên một máy chủ riêng. Ryu là một framework bộ điều khiển SDN hỗ trợ giao thức OpenFlow, cho phép lập trình các quy tắc chuyển tiếp gói tin một cách linh hoạt. Trong kịch bản, các ứng dụng trên bộ điều khiển Ryu được lập trình để nhận diện các luồng lưu lượng khác nhau, ví dụ, dựa trên cổng UDP/TCP. Sau đó, bộ điều khiển sẽ cài đặt các quy tắc vào bảng luồng của switch OVS để áp dụng các chính sách QoS tương ứng, chẳng hạn như giới hạn băng thông hoặc ưu tiên hàng đợi cho từng loại dịch vụ, mô phỏng theo cơ chế của DiffServ.

5.2. Phân tích kết quả thực nghiệm về băng thông và các tham số QoS

Kết quả từ các kịch bản mô phỏng cho thấy sự ưu việt của giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm. Trong kịch bản không có QoS, các luồng lưu lượng cạnh tranh tài nguyên một cách công bằng, dẫn đến việc các dịch vụ quan trọng không đạt được băng thông cần thiết khi mạng tắc nghẽn. Ngược lại, khi áp dụng chính sách QoS dựa trên DiffServ thông qua bộ điều khiển SDN, kết quả đã thay đổi rõ rệt. Các luồng được gán mức ưu tiên cao (ví dụ: video streaming) đã nhận được băng thông ổn định và đúng như cấu hình, ngay cả khi có sự cạnh tranh từ các luồng ưu tiên thấp hơn. Các tham số như độ trễ và mất gói của luồng ưu tiên cũng được cải thiện đáng kể. Những kết quả này khẳng định khả năng quản lý tài nguyên chi tiết và linh hoạt của kiến trúc SDN, chứng tỏ tiềm năng to lớn của nó trong việc xây dựng hạ tầng truyền thông IoT hiệu suất cao.

VI. Tương lai của giải pháp đảm bảo QoS cho hạ tầng mạng SD IoT

Việc ứng dụng mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) vào Internet of Things (IoT) đã mở ra một hướng đi mới và đầy tiềm năng để giải quyết bài toán đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Bằng cách tập trung hóa trí thông minh của mạng vào bộ điều khiển SDN, kiến trúc SD-IoT cung cấp khả năng quản lý tài nguyên một cách linh hoạt, tự động và có khả năng lập trình. Điều này cho phép triển khai các chính sách QoS phức tạp một cách dễ dàng, đáp ứng yêu cầu đa dạng của hàng tỷ thiết bị IoT. Các nghiên cứu và kết quả mô phỏng đã chứng minh rằng giải pháp này không chỉ cải thiện hiệu năng mạng về băng thông và độ trễ, mà còn giảm chi phí vận hành và tăng tốc độ triển khai dịch vụ mới. Tương lai của hạ tầng truyền thông IoT chắc chắn sẽ gắn liền với SD-IoT, hướng tới việc xây dựng các hệ thống thông minh, hiệu quả và có khả năng tự thích ứng, làm nền tảng vững chắc cho cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.

6.1. Tổng kết ưu điểm của việc ứng dụng SDN để quản lý QoS trong IoT

Giải pháp SD-IoT mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong việc quản lý QoS. Thứ nhất, khả năng quản lý tập trung thông qua bộ điều khiển SDN cho phép nhà quản trị có một cái nhìn toàn cảnh về toàn bộ mạng, từ đó đưa ra các quyết định phân bổ tài nguyên tối ưu. Thứ hai, khả năng lập trình cho phép tự động hóa việc triển khai và điều chỉnh các chính sách QoS theo thời gian thực, thích ứng với sự thay đổi của nhu cầu ứng dụng. Thứ ba, việc tách rời mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu giúp đơn giản hóa các thiết bị mạng, giảm chi phí phần cứng. Cuối cùng, các giao diện lập trình ứng dụng (API) mở tạo điều kiện cho sự đổi mới, cho phép phát triển các ứng dụng quản lý mạng thông minh nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ một cách hiệu quả hơn, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của hệ sinh thái IoT.

6.2. Triển vọng và hướng nghiên cứu phát triển hạ tầng SD IoT tương lai

Công nghệ SD-IoT vẫn còn nhiều tiềm năng để phát triển. Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) vào bộ điều khiển SDN. Điều này sẽ cho phép mạng có khả năng tự học hỏi, dự đoán tình trạng tắc nghẽn và tự động tối ưu hóa chính sách QoS mà không cần sự can thiệp của con người. Một hướng khác là phát triển các giao thức hướng nam (southbound API) hiệu quả hơn OpenFlow để giảm độ trễ giao tiếp giữa bộ điều khiển và thiết bị chuyển mạch. Ngoài ra, vấn đề bảo mật trong môi trường SD-IoT cũng là một thách thức lớn cần được giải quyết. Việc làm chủ và phát triển công nghệ SD-IoT hứa hẹn sẽ xây dựng một hạ tầng truyền thông thông minh, linh hoạt và an toàn, là nền tảng cốt lõi cho sự phát triển bền vững của các ứng dụng và dịch vụ IoT tại Việt Nam và trên toàn thế giới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1- Tổng quan về công nghệ IoT và công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm: Giới thiệu khái quát về các công nghệ IoT, kiến trúc chức năng và các thành phần hệ thống IoT, đồng thời trình bày tổng quan về công nghệ SDN và khả năng áp dụng trong các hệ thống IoT.  Chương 2- Các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm: Giới thiệu về các giải pháp đảm bảo chất lƣợng dịch vụ, các thành phần, tính chất đặc trƣng và các tham số QoS (nhƣ băng thông, độ trễ, biến thiên trễ, độ tin cậy, mất gói). 2  Chương 3- Triển khai mô phỏng và đánh giá hiệu năng giải pháp đảm bảo QoS: Trình bày kịch bản triển khai mô phỏng giải pháp đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong hệ thống SD-IoT và đánh giá hiệu năng giải pháp đảm bảo chất lƣợng dịch vụ. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IoT VÀ CÔNG NGHỆ MẠNG ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM 1.1 Tổng quan về công nghệ IoT Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tƣợng có thể đƣợc nhận biết cũng nhƣ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối.

Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con ngƣời đƣợc cung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lƣới mà không cần sự tƣơng tác giữa con ngƣời-với-con ngƣời hoặc con ngƣời-với-máy tính. IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và Internet. Cụm từ này đƣợc đƣa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT [1-2].1 Internet kết nối vạn vật "Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con ngƣời 4 sản xuất ra mà có thể đƣợc gán với một địa chỉ IP và đƣợc cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lƣới.2 Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy-máy Hình 1.3 Ứng dụng tủ lạnh trong IoT IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng internet.

Hai là, nó phải lấy đƣợc thông tin của vật chủ. Một ví dụ điển hình cho IoT là tủ lạnh thông minh, nó có thể là một chiếc tủ lạnh bình thƣờng nhƣng có gắn thêm các cảm biến bên trong giúp kiểm tra đƣợc số lƣợng các loại thực phẩm có trong tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện mở cửa,…và các thông tin này đƣợc đƣa lên internet. Với một danh mục thực phẩm đƣợc thiết lập trƣớc bởi ngƣời dùng, khi mà một trong các loại thực phẩm đó sắp hết thì nó sẽ thông báo ngay cho chủ nhân nó biết rằng cần phải bổ sung gấp, thậm chí nếu các loại sản phẩm đƣợc gắn mã ID thì 5 nó sẽ tự động trực tiếp gửi thông báo cần nhập hàng đến siêu thị và nhân viên siêu thị sẽ gửi loại thực phẩm đó đến tận nhà.2 Yêu cầu của IoT đối với hạ tầng và các thiết bị truyền thông Đối với bất kỳ mạng truyền thông nào, kiến trúc phân lớp đảm bảo tính linh hoạt và khả năng thiết lập các dịch vụ mới trong mạng, kiến trúc IoT theo kiến trúc phân lớp. Do IoT bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau, kiến trúc và các thành phần của IoT không hội tụ nhƣng kiến trúc IoT thành công nhất là IoT-A.

Nhiều mô hình kiến trúc IoT khác cũng có trong thị trƣờng nhƣng phổ biến nhất là kiến trúc bốn lớp (nhƣ minh họa trên Hình 1.4) [3]:  Tầng cảm biến: Tầng cảm biến là lớp đối tƣợng vật lý bao gồm cảm biến, thiết bị truyền động, RFID, thiết bị di động, động cơ, Bluetooth,. Tầng này thu thập dữ liệu từ môi trƣờng và truyền trên rìa của mạng, nghĩa là gateway hoặc sink.  Tầng mạng: Tầng này chịu trách nhiệm truyền dữ liệu từ vật thể tới gateway/biên của mạng để tiếp tục xử lý thông tin thu thập đƣợc. Các công nghệ truyền khác nhau góp phần tạo ra sự không đồng nhất của IoT nhƣ ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi,.

 Tầng ứng dụng: Tầng này xử lý ứng dụng / dịch vụ theo yêu cầu ngƣời sử dụng thao tác thông tin thu thập đƣợc từ lớp nhận thức và xử lý trong hệ thống xử lý.  Tầng middleware: Các thiết bị IoT khác nhau trong một miền có thể khác nhau nhƣng các thiết bị có thể tƣơng tác với một thiết bị tƣơng thích/giống nhau. Tầng này dịch thông điệp của một thông tin dịch vụ mà không quan tâm đến chi tiết phần cứng. Lớp Middleware đƣợc kết hợp với quản lý dịch vụ, giải quyết và đặt tên cho dịch vụ đƣợc yêu cầu.4 Kiến trúc IoT-A Bên cạnh các lớp chính này, có nhiều thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập, xử lý và quản lý thông tin của IoT.

Thành phần edge chịu trách nhiệm cung cấp thông tin qua Internet. Các dịch vụ này có thể là dịch vụ tên miền, mạng phân phối nội dung, tƣờng lửa, cân bằng tải,. Các thành phần dịch vụ Analytics hƣớng dẫn và tự động hóa quá trình phân tích, phát hiện và hình dung dữ liệu. Các dịch vụ quản lý quy trình giúp quản lý luồng công việc xử lý thông tin và kết nối thiết bị với các dịch vụ tƣơng ứng.

Dịch vụ nhận dạng thiết bị xác định ngƣời dùng đăng ký dịch vụ trên thiết bị. Dịch vụ xác thực cho phép xác thực ngƣời dùng đăng ký với dịch vụ liên quan của nó. Kiến trúc hƣớng dịch vụ (SOA) giúp cung cấp kiến trúc trừu tƣợng từ các chi tiết cơ bản và cung cấp các dịch vụ cần thiết. Lựa chọn kết nối Internet cho IoT thay đổi đáng kể tùy thuộc vào từng mục đích và thiết bị cụ thể, ví dụ trong hệ thống mạng liền kề có các yêu cầu khác nhau về hiệu năng và mức độ dịch vụ giữa các hệ thống quản lý và đám mây dữ liệu.

Các lựa chọn kết nối điển hình sẵn có ở các khu vực đô thị khác với các lựa chọn đƣợc cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ ở khu vực nông thôn và chất lƣợng, độ tin cậy và lƣu lƣợng sẽ có sự phân biệt rõ rệt. Vì vậy, một công nghệ truyền thông thích hợp cho kết nối IoT mang tính thực tế và khả thi về mặt tài chính đối với các dự án 7 yêu cầu đòi hỏi hiệu năng cao của liên kết giữa các trạm từ xa, trụ sở chính và các giao diện của trung tâm dữ liệu cần xem xét các vấn đề về độ khả dụng, băng thông, chi phí, khả năng quản lý, QoS, SLA và độ tin cậy [4-5].1 Các yêu cầu của truyền thông IoT a) Các phương thức truyền dữ liệu phù hợp Để kết nối trên diện rộng và khoảng cách xa, thực chất các thiết bị trong thế giới Internet of Things sẽ phải tận dụng rất nhiều kênh truyền tải dữ liệu không dây khác nhau [6]. Trong đó sẽ bao gồm cả mạng điện thoại di động, mạng vệ tinh, một số công nghệ mới nhƣ Weightless, LPWAN. Lƣu ý khái niệm kênh truyền tải này khác với các “giao thức” giúp các thiết bị nói chuyện đƣợc với nhau đã nêu ở trên.

Bạn đọc có thể tƣởng tƣợng mỗi kênh truyền sóng giống nhƣ một loại cáp (cáp đồng – cáp quang – cáp Ethernet dùng trong gia đình) khác nhau để dễ hình dung. Điều quan trọng là mỗi công nghệ phát sóng sẽ có lợi thế riêng tùy vào hoàn cảnh sử dụng, vì vậy ngƣời ta sẽ phải sử dụng kết hợp chúng.5 Các phƣơng thức truyền thông đa dạng trong IoT b) Sự cần thiết của Hub và Gateway Tuy mô hình mạng dạng lƣới đã nói ở trên có rất nhiều lợi thế. Nhƣng rào cản lớn nhất là sự khác biệt giữa các kênh truyền dữ liệu và các bộ giao thức. Ví dụ 8 nhƣ việc các thiết bị đƣợc thiết kế để giao tiếp với nhau bằng ZigBee sẽ gặp khó khăn khi cần trao đổi với dữ liệu với “ngôn ngữ” Z-Wave.

Các thiết bị chỉ có thể phát sóng radio tầm gần sẽ khó mà kết nối đƣợc với mạng vệ tinh hay trạm phát sóng của mạng điện thoại di động. Vì vậy thực tế trong thế giới mạng Internet of Things ta vẫn cần các thiết bị trung gian, tƣơng tự các hub hay gateway trong hệ thống mạng dây hiện nay – và đây chính là một trong những bƣớc mấu chốt để trào lƣu IoT bùng nổ. Theo nhiều dự đoán, các chức năng này sẽ dần đƣợc tích hợp thẳng vào các router phổ thông, các thiết bị đầu cuối mà ISP hay hãng truyền hình cung cấp cho ngƣời dùng, hay thậm chí là tồn tại trong các sản phẩm nhƣ Google Chromecast. c) Công suất thiết bị Các tiêu chí hình thức chính của thiết bị khi triển khai các kết nối IoT là phải giá thành thấp, mỏng, nhẹ…và nhƣ vậy phần năng lƣợng nuôi thiết bị cũng sẽ trở nên nhỏ gọn lại, năng lƣợng tích trữ cũng sẽ trở nên ít đi.

Do đó đòi hỏi thiết bị phải tiêu tốn một công suất cực nhỏ (Ultra Low Power) để sử dụng nguồn năng lƣợng có hạn đó. Bên cạnh đó yêu cầu có những giao thức truyền thông không dây gọn nhẹ hơn, đơn giản hơn, đòi hỏi ít công suất hơn (Low Energy Wireless Technologies) nhƣ Zigbee, BLE (Bluetooth low energy), ANT/ANT+, NIKE+,.2 Yêu cầu đối với thiết bị truyền thông trong IoT a) Chi phí thấp Chi phí luôn luôn quan trọng trong thiết kế IoT và khi xem xét công nghệ WAN công suất thấp [6]. Lý do cơ bản là khi xem xét các ứng dụng truy nhập từ xa, các nhà thiết kế sẽ dự đoán một yêu cầu cho hàng trăm thiết bị đầu cuối, cảm biến, bộ truyền động. Ví dụ nhƣ khi chúng ta xem xét một dự án thành phố IoT sáng kiến cho quản lý giao thông thông minh, hàng triệu thiết bị đầu cuối có thể đƣợc triển khai trên một diện rộng.

Do đó, nhà thiết kế phải xem xét vốn và chi phí hoạt động của một công nghệ WAN công suất thấp khi nhúng vào thiết bị. b) Tiêu thụ ít năng lượng 9 Một điểm quan trọng nữa trong thiết là mức độ tiêu thụ năng lƣợng của công nghệ WAN. Cũng nhƣ chi phí, thiết kế sẽ yêu cầu rất nhiều các nút đầu cuối và mỗi một nút sẽ có yêu cầu nguồn năng lƣợng riêng.