CHƯƠNG 1 Mỏ đầu 1.1 Bối cảnh nghiên cứu Trong những năm gân đây, the giới đà chửng kiến sự phát triển mạnh me cua các ứng dụng Internet vạn vật (Internet of things - IoT) với các ứng dụng nhà thông minh, thành phố thông minh. Rất nhiều loại thiết bị khác nhau dược sử dụng đe các ứng dụng này có thê hoạt động suông sè, trong dó phai kc đến mạng cam biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs), một trong những nhân tố quan trọng góp phần tạo nên sự thành còng cua các ứng dụng loT. Mạng cảm biến không dây là mô hình mạng bao gồm hàng trãm đến hàng ngàn các thiết bị câm biến (sensor). Càm biến là các thiết bị có giá thành rè, bộ nhở nhó và khâ năng xử lý yếu [1].
cấu tạo cua một thiết bị cam bicn bao gồm: bộ phận cảm ứng (sensing), bộ phận xư lý dử liệu (data processing) và bộ phân thòng tin liên lạc (communicating). Bộ phận cam írng cua cám biến sẽ đo các thông số trong môi trường xung quanh nó và chuyên các giá trị này về dạng tín hiệu điện tư (electrical signal). Từ các tín hiệu này, bộ phận xư lý dữ liệu sẽ rút ra các tính chất co ban cua dừ liệu như vị trí cua dữ liệu, các sự kiện bôn trong dừ liệu, v. Cuối cùng, bộ phận hỏn lạc cua sensor sẽ chuyên tất ca thông tin này về cho trạm xứ lý (base station).
Các công nghẹ kết nôi cám biên phô biến hiện nay của mạng cảm biến không dây là ZigBee, WiFi vả Bluetooth [2]. Các kết nối này sẽ xây dựng so đồ mạng (network topology) cho mạng cảm biến không dây. Mạng cam biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực cua cuộc sống 131.1 thống kê các ứng dụng phô biên trong WSN ngày nay.1: Các ứng dụng cua mạng câm biên không dây ủìig dụng Mục • đích Các cam biên được sir dụng dê nhận bièt nhiệt độ cùng như độ âm Nông nghiệp của đất nhàm tạo mỏi trường tốt nhất cho cây phát triền [4|, [51. Mạng cam biên không dây được sư dụng trong các ứng dụng theo đòi chât Theo dôi mỏi (rường lượng nước [6] hoặc dược triền khai trong rừng sâu dê theo dõi cháy rừng [7].
Sử dụng mạng cám biến không dây trong Vein đề diều phối giao thông [8] Giao thỏng nhâm giam thiêu nạn kẹt xe hay triôn khai mạng này trong các bãi xe thông minh giúp cho người sư dụng lim kiêm xe một cách nhanh chóng [9J. Mạng cam biên không dây dược âp dụng trong y tê như một ứng dụng theo Ytế dôi thời gian thực dè giám sát sức khoe cua người bệnh chật chè và gời thông tin này cho các bác sì theo thời gian thực [101. Các căn hộ thông minh được trièn khai các cam biên dê điêu khiên nhiệt độ, Nhà ờ thông minh ánh sáng [11] hay cho việc bao vệ an toàn cho căn nhà [ 12]. Quân sự Mạng cam biến không dây được sư dụng đe Theo dõi dau vết của ke thù [13].
Các ứng dụng mạng cam biến không dây trong lĩnh vực này thường dược Theo dôi động vật triên khai trong rừng rậm nhảm theo dõi đời sông cua động vật hoang dà [ 14], [15]. Rõ ràng mạng càm biến không dây thu hút được sự quan tâm rất lớn cả trong nghiên cứu và công nghiệp. Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống mạng cũng như thiết kế các giao thức phù hợp chạy trẽn mạng gặp r % rât nhiêu khó khăn [16] do các ràng buộc sau : • Kha nãng xử lí cua cam biến: cám biến là các thiết bị nho, năng lượng giới hạn nên bộ nhớ và khà năng xử lí thông tin thấp. • Các ycu tố đàm báo chất lượng dịch vụ (Quality of Services (QoS)): một so yeu to chất lượng dịch vụ cần phai đám bão khi triển khai WSN như: độ chính xác và độ tre cua dừ liệu (data accuracy and latency), quản lí nghẽn (congestion control), v.
• An ninh mạng: đảm bao an ninh trong quá trinh truyền và nhận dừ liệu trong WSN tránh các cuộc tấn công chu động hay bị động hoặc tấn công trong quá trinh định tuyến cũng là van đề cần được quan tâm. Một trong những thư thách được các nhà thiết ke quan tâm là việc kiếm soát sự tắc nghen trân mạng. Kiêm soát tắc nghèn trên mạng bao gôm hai giai đoạn: phát hiện tắc nghẽn và giai quyết tắc nghẽn. Luận án chi tập trung vào việc nghiên cứu và đề xuất mô hình phát hiện tấc nghèn.1 Giói thiệu về tắc nghẽn trên mạng cảm biến không dây Sự tắc nghèn trên mạng cãm biến không dây chủ yểu do hai nguyên nhân sau đây [17, 18]: 9 • rốc độ gời gói tin đến câm biến lớn hơn rất nhiều so với tốc độ nhận và xứ lý gói tin ờ cám biến đỏ.
• Sự đụng độ của gói tin trong quá trình di chuyên trên mạng. Nghèn trong WSN cỏ thê xày ra ở cả cảm biến và kênh truyền. Hâu het các nghiên cửu trong lĩnh vực này [19-21] đêu chỉ ra nguyên nhân chính dẫn đến nghèn là do tràn bộ đệm (buffer overflow). Gần đây, dưới góc nhìn trong thời đại của loT, nguyên nhản này lại được khăng định lần nừa ở nghiên cửu [18].
Kích thước vùng đêm được sư dụng đế lưu trữ gói tin phai nho hơn một giá trị định mức do người thiết lập mạng cài đặt ban đầu (threshold), nếu kích thước này bị vượt quá các gỏi tin tiếp theo chuyên đến sẽ bị loại bo, đong thời cám biến này sè được báo nghèn lên toàn hệ thong.2 Hướng tiếp cận của bài toán phát hiện nghẽn Có rất nhiều cách tiếp cận bài toán phát hiện nghẽn trong mạng cam biến không dây, hai trong số đó là dựa vào gia lập (simulation-based) [18] và phương pháp mô hình hóa hình thức (model-based) [22].1 Hướng tiếp cận sử dụng các công cụ giả lập ơ cách tiếp cận thử nhất, các hoạt dộng cua mạng cam biên không dây dược mô phóng từ dó xây dựng các tình huống có the xảy ra tắc nghèn trên các công cụ giâ lập. Dựa vào sự hoạt động cùa giả lập chúng ta có thê kiêm chửng lại các tinh huống đã đưa ra có thật sự dần đến tác nghèn hay không. Các công cụ già lập thường hay được sử dụng với WSN là ns2 1 hay ns-3 " và Omnet++ 123. Tuy nhiên, việc lập trinh các hoạt động của mạng sè hoàn toàn phụ thuộc vào các khung thức (framework) mà công cụ hỗ trợ.
Chính vì thế, khi gia lập thay đôi khung thức hỗ trợ, người dùng gần như phai thay đôi hoàn toàn mô hình dã làm. Chúng ta cùng khảo sát một ví dụ hiện thực một WSN đơn gian với công cụ già lập Omnet++. Đầu tiên, công cụ này sư dụng khung thức mf trước, sau đó thay đôi qua khung thức inet. Đe hiên thực một giao thức hay một hệ thống mạng, các nhà lập trình mạng phai dựa vào một kiến trúc chuân gọi là TCP/IP.
Kiến trúc này có bốn tằng bao gồm Tầng giao diện mạng, Tầng mạng, Tầng vận chuyển và Tầng ứng 1 h ttps:/7WWW.edu/nsnam/ns/ 2 https :Z/www. 0 rg/ 3 https://omnetpp. Việc trao đỏi giừa các thiết bị trong mạng sẽ được lập trình trong 'lang giao diện mạng, trong khi các thuật toán định tuyến sẽ được viết ờ Tầng mạng. Tầng vận chuyên sè đám nhận vai trò cua các thuật toán ỌoS trong mạng.
Cuối củng, các ứng dụng chạy trên mạng sè được lập trinh trẽn Tầng ứng dụng. Nhẩm tạo điều kiện cho việc lập trình các giao thức được nhanh chỏng và thuận tiện, tẩt cả các giả lập đều lập trinh sẵn các bộ khung thức khuôn mầu hỗ trợ cho lập trinh. Nhừng bộ khung thức này sẽ có những thư viện hỗ trợ cho việc lập trinh mạng dựa trên kiến trúc TCP/IP. Hiên nhiên, hai bộ khung thức mf và inet cũng được xây dựng với cách tiếp cận như trcn.
Tuy nhicn, mục đích chính cua khung thức mf là hồ trợ thuận tiện cho việc lập trinh sự liên lạc giữa các thiết bị trong mạng, nghĩa là khung thức này chú trọng hỗ trự vào Tằng giao diện mạng, người dùng chỉ cần tập trung lập trinh trcn các tầng khác của kiến trúc.1 là hình minh họa cho việc lặp trinh một giao thức định tuyến trên mạng cam biến không dây. Với việc lập trinh giao thức định tuyến này, chi hai hàm chính handleưpperMsg và handleLowerMsg trên Tầng Mạng được xư lí. SimpleNetwLayer Network _ ___ SimpleNetwLayef hanơteUppecMsgímsq) > A hanđ>eLơz«< Msg(fĩisụ)) BasicLayer SimpteArp Network z Interface BasicMotiJle * .1: Thuật toán định tuycn đơn gian hiện thực băng khung thức ntf trcn gia lặp Onineí++ Trong khi đó, Hình 1.2 minh họa cho việc lập trình giao thức định tuyến như trên dưới sự hồ trợ cua khung thức ỉnet. Cùng với xu hướng mã nguồn mờ, khung thức inet dược tạo nên vói mong muôn người dùng phải cỏ sự tiếp cận linh hoạt trên tắt cá các Tang trong kiến trúc TCP/IP khi lập trinh các giao thức mạng.
Apr Application ế < TCP UDP Transport 4 ► Roulingĩahie * \etwLayữr » AHP Network f ehMMTtaoe ỈXE Hình 1.2: Thuật toán định tuyến đơn gian hiện thực bằng khung thức inet trên giá lặp Omnet++ 4 __ ___ F 1.2 Huóng tiêp cận mô hình hóa Với cách tiếp cận thứ hai, chúng ta phai tự xây dựng mò hình mạng cám biến không dây. WSN là tập hợp gồm các cam biến và các kênh truyền. Sau khi xây dựng mô hình, chúng ta kiêm tra các thuộc tính trên mô hình bàng cách sứ dụng phương pháp kiếm tra mô hình (Model Chccking-MC) do tác gia Edmund Melson Clarke và eác cộng sự đề xuất vào năm 1982. Ờ đây, chúng ta chỉ kiêm tra xem WSN có xay ra tăc nghèn hay không.3 minh họa mỏ hình đơn giãn cua WSN được xây dựng theo hướng mô hình hóa.
Thông thường, mỏ hình cùa các cam biến sè được xây dựng dựa vào kích thước bô đệm (buffer size - ờ), kích thước hàng đợi (queue size - ợ), tốc độ gơi gói tin (sending rate -. Tương tự, kênh truyền sẽ dược mô hình bang kích thước bõ đệm (buffer size - hè) và tốc độ chuyển gói tin (transfer rate - p). Ngoài ra, lác vụ chính cân phai quan tâm là việc quan lý sự trao đôi gói tin giừa các cam biên và kênh truyền.3: Mạng cam biên không dây cơ ban được mỏ hình với phương pháp mô hình hóa Mặc dù có rất nhiều ngôn ngừ mô hình hóa, tuy nhiên, một ngôn ngừ tốt là phai cung cấp được một cách mô ta tòng quát và toàn cục cho tất ca các tác vụ có thê xáy ra trẽn mô hình. Khi mò hình được thực thi, sẽ có một đường đi được sinh ra bàng cách kết hợp thông tin từ các tham số và trạng thái của các tác vụ hiên tại.
