Tìm hiểu các mạnh cảm biến không dây trên nền giao thức định tuyến IP: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn sách "Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP" trình bày các nội dung: Giới thiệu về mạng cảm biến không dây; kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây, các giao thức lớp giao vận. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tìm hiểu các mạnh cảm biến không dây trên nền giao thức định tuyến IP: Phần 1

PHẠM VIỆT BÌNH (Chủ biên) VŨ CHIẾN THẮNG, NGÔ THỊ VINH PHẠM QUỐC THỊNH B NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
LỜI NÓI ĐÀU Cuộc cách mạng kỹ thuật số cùa thế kỳ X X I đã và đang diễn ra với tốc độ và quy mô lớn hơn nhiều so với các cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây. Trong suốt thế kỳ XX, thế giới đã được chủng kiến hai cuộc cách mạng kỹ thuật sô chính đó là: Các máy tính đã được p h ú t triển và được ứng dụng rộng rãi trong các văn phòng và hộ gia đình; m ạng Internet ra đời và p hát triển đã kết nối các máy tính lại với nhau và đã làm thay đối cơ bàn cách thức mù con ngitời tương tác với thế giới số. Hiện nay, chúng ta đang đứng trước một cuộc cách mạng kỹ thuật số cùa thế kỳ X X I đó là các đối tượng thông minh kết nối thế giới số với thế giới vật lý, từ đó hình thành nên một kiến trúc m ạng Internet mới trong lương lai: Kiến trúc Internet o fT h in g s (ỉoT). N gười ta đã dự đoán rằng số lượng các đối tượng thông minh s ẽ tăng lên tới hàng tỷ thiết bị trong mười năm tới và sẽ cỏ những thay đoi cơ bàn trong cách thức đề con người tương tác với cả thế giới số và thế giới vật lý. M ạng cảm biến không dây là m ột dạng cùa m ạng các đối tượng thông minh. Trong đỏ, mỗi nút cám biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi x ử lý và các cảm biến dùng đế đo lường và cảm nhận về thế giới vật lý hoặc một thiết bị truyền động đế làm thay đối thế giới vật lý. M ạng cùm biến không dây có rất nhiều ứng dụng tiềm năng nhu giám sát môi trường, lự động hóa tòa nhà, ngôi nhà thông minh, tụ động hóa trong sản xuất nông nghiệp và công nghiệp, giám sát tình trạng sức khỏe bệnh nhân, ứng dụng trong quân sự... Trong suốt m ột íhập kỳ qua, mọi nghiên cứu tập trung vào mạng cám hiến không dây đểu cho rằng kiến trúc 1P là không phù hợp đổi với các ứng dụng cùa mạng cam biến không dây. Nhiều nhà nghiên cứu đã lập luận rằng các giao thức 1P là không phù hợp với các thiết bị có tài nguyên hạn chế về năng lượng, bộ nhớ và khá nũng xứ lý như các nút càm biên không dây. K ết quà là đã có nhiều giao thức mới được nghiên cứu và ứng dụng 5
cho các mạng cảm biến không dây. Tuy nhiên, các mạng cùm biến này cần phai thông quu mộI Gateu ay đê có thê giao liêp được với mạng, ỉnlernei và các mạng IP khác. Các Gatexvay lớp ứng dụng là rất phức tạp đê thiết kế và quan lý. Đây là một trong những nhược điêm chính đối vrrì các mạng cam hiến không dây được pháI triên không dựa trên nền kiến trúc IP. Tỏ chức tiêu chuãn hỏa quốc tế IETF đã rất nỗ lực trong việc chuân hóa IPv6 cho các mạng cá nhân không dây công suất thắp (6LoWPAN) nói chung và các mạng cảm biến không dây nói riêng. Chuản mới này cho phép sứ dụng IPv6 trong các mạng cám biến không dây trên nền chuân truyền thông vật lý IEEE 802.15.4. Cùng với đó, một nhóm làm việc khác cùa IETF (RoLL) làm việc ve vấn để định tuyến qua các mạng này. Nhóm làm việc này đã thiết ké và xác định một giao thức định tuyến IP mới được gọi lù giao thức định tuyến IPv6 cho các mạng tốn hau công suất thấp (RPL). Một trong những lợi ích chính cua kiến trúc IP đó là các mạng cam biến không, dây có thế kết nối trực tiếp với Internet và sừ dụng chuan kiến trúc dịch vụ Weh cho các mạng này mù không cần đến các Gateway lớp ứng dụng. Cuốn sách này giới thiệu về mạng càm biến không dây dựa trẽn nền kiến trúc IP. Thông qua cuốn sách, bạn đọc có thế hiếu được cách thức đẽ các mạníĩ cám biến không dây trên nền kiến trúc IPv6 cỏ thế tương tác được với nhau và kết nối được với các mạng IP khác. Cuốn sách này được chia làm 7 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Kiến trúc 1P cho mạng càm biến không dãy. Chương 3: Các giao thức lớp giao vận. Chương, 4: IPv6 cho mạng cảm biến không dây. Chương 5: Lớp thích ứng 6LoWPAN. ( 'hương 6: Giao thức định tuyến RPL. Chương 7: Giao thức lớp ứng dụng CoAP. Các tác già hy vọng rang cuốn sách nàv sẽ có ích cho nhiều bạn đọc. nhất là sinh viên các ngành Điện tứ truyền thông, Đo lường, Diều khiên và Tự động hóa. 6
Mặc dù đã được rà soát kỹ Iuỡhíị nhưng khô nạ tránh khói các thiếu sót nho ( 'ức lúc già rất mong nhận được những hổi âm góp ý lừ phía bạn đọc để cuốn sách được hoàn thiện hơn trong các lan xuất bán tiếp theo. Mọi thư từ gỏp ý xin gửi vé Khoa Công nghệ Điện lư và Truyền thông - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền ihônỊỊ Thúi Nguyên - xã Quyết Thang - thành pho Thái Nguyên. Chúng tôi xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, ngày 12 tháng 12 năm 2012 Các tác giả 7
MỤC LỤC Trang L ờ i n ó i đ ầu......................................................................................................................................5 C hương 1: GIỚI THIẸU VÈ MẠNG CÁM BIẾN KHÔNG D Á Y................................................... 5 1.1. Khái niệm vể mạng cảm biến không d â y .......................................................................... 15 1.2. Nhừng thách thức đối với mạng cảm biến khõng d â y ............................................... 17 1.2.1. Những thách thức ờ cấp độ n ú t...............................................................................17 1.2.2. Những thách thức ờ cấp độ m ạn g.......................................................................... 19 1.2.3. Sự chuẩn hóa............................................................................................................... 21 1.2.4. Khả năng cộng tá c ...................................................................................................... 23 1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây.................................... 24 1.3.1. Lớp vật lý...................................................................................................................... 26 1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu...................................................................................................... 26 1.3.3. Lớp mạng..................................................................................................................... 27 1.3.4. Lớp giao v ậ n ................................................................................................................28 1.3.5. Lớp ứng dụng........................................................................................................ ... 29 1.4. Các cơ chế truyền thõng trong mạng càm biến không dây.................................................32 1.4.1. Mô hình truyền thõng trong mạng cảm biến khôngd â y ........................................... 32 1.4.1.1. Mô hinh truyền thông Điểm-Điểm....................................................................... 32 1.4.1.2. Mô hinh truyền thông Điểm-Đa điểm..................................................................33 1.4.1.3. Mõ hình truyền thông Đa điểm-Điểm.................................................................. 34 1.4.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dâ y......................................36 1.4.2.1. Định dạng địa chì theo chuẩn IEEE 802.15.4.................................................... 38 1.4.2.2. Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802 15 4 ................................................................. 40 1.4.2.3. Lóp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuản IEEE 802.15.4 ............................. 42 1.4.2.4. Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4 .......................................... 43 1.5. Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không d â y ......................................................... 45 8
1.5.1. Thiết bị truyền thông...................................................................................................46 1.5.2. Bộ vi điều khiẻn.......................................................................................................... 47 1.5.3. Cảm biến..................................................................................................................... 49 1.5.4. Nguổn cung c ấ p ......................................................................................................... 49 1.6. Phẩn mềm của nút cám biến không d á y .........................................................................50 1.6.1. Giới thiệu về phần mềm của nút cảm biến không d â y ........................................ 50 1.6.2. Hệ điều hành cho mạng cảm biến không d â y ........................................................51 1.6.3. Vấn đề quản lý bộ nhớ...............................................................................................52 1.7. Vấn đề quản lý nàng lượng trong mạng cảm biến không dày..................................55 1.7.1. Cơ chế quản lý công suất vô tuyến......................................................................... 57 1.7.2. Chu ký công suất không đồng bộ........................................................................... 60 1.7.3. Chu kỳ công suát đồng bộ........................................................................................ 62 Tổng kết chương 1 ......................................................................................................................64 Chương 2: KIÉN TRÚC IP CHO MẠNG CÁM BIỀN KHÔNG D Ã Y .....................................65 2.1. Giới thiệu về kiến trúc IP .................................................................................................... 65 2.2. Những ưu điếm cùa mạng cảm biếnkhông dây trên nền kiến trúc IP............................... 68 2.2.1. Khả năng cộng tá c ..................................................................................................... 69 2.2.2. Một kiến trúc phát triển và linh hoạt........................................................................ 71 2.2.3. Tính ổn định và sự phổ biến của kiến trú c ............................................................. 72 2.2.4. Khả năng mờ rộ n g ......................................................................................................73 2.2.5. Cấu hình và quản lý m ạng.........................................................................................73 2.2 6. Kích thước nhỏ gọn................................................................................................. 74 2.2.7. Sự dễ dàng trong việc kết nối với các mạng IP khác............................................. 75 2.3. Sự chuần hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây bời IETF................................. 76 2.3.1. Giới thiệu về tổ chức IE TF ......................................................................................... 76 2.3.2. Các nhóm lảm việc của IETF liên quan đến kiến trúc IP cho mạng cảm biến không d â y .......................................................................................77 2.3.2.1. Nhóm làm việc 6LoW PAN...................................................................................78 2.3.2.2. Nhóm làm việc R O LL.......................................................................................... 79 2.4. Các mô hinh kết nối IP cho mạng cám biến không d â y ..............................................81 2.4.1. Mô hinh mạng cảm biến không dây tự t r ị.................................................................. 81
2.4.2. Mô hình mạng cảm biến không dây kết nối với Internet..........................................81 Tống kết chương 2 .....................................................................................................................82 Chương 3: CÁC GIAO THỬC LỚP GIAO V Ạ N ....................................................................... 84 3.1. Giao thức UDP............................................................................................................. 84 3.1.1. Chuyển phátdữ liệu với nỗ lực tốt nh ất.................................................................... 85 3.1.2. Tiêu đề UDP.................................................................................................................85 3.2. Giao thức T C P ....................................................................................................................... 86 3.2.1. Vận chuyển dòng dữ liệu đáng tin cậy..................................................................... 87 3.2.2 Tiêu đề T C P ................................................................................................................. 89 3.2.3. Các tùy chọn T C P ....................................................................................................... 92 3.2.4. Ước lượng khoảng thời gian gửi gói tin và nhận được gói tin xác nhận (Round-Trip-Time).......................................................................................93 3.2.5. Điều khiển luồng...........................................................................................................93 3.2.6. Điều khiển tắc nghẽn...................................................................................................94 3.3. Giao thức UDP cho mạng cảm biên không d â y .............................................................94 3.4. Giao thức TCP cho mạng cảm biến không dây..............................................................95 Tổng kết chương 3 ............................................................................................................. ..... 97 Chương 4: IPv6 CHO MẠNG CÁM BIẾN KHÔNG DÀ Y................................................. ...... 98 4.1. Giới thiệu vé IPv6................................................................................................................ 98 4.2. Các tiêu đè gói tin IPv6.................................................................................................... 99 4.2.1. Tiêu đè IPv6 cố định (IPv6 Fixed Header)................................................................ 99 4.2.2. Tiêu đề mở rộng (Extended Header)....................................................................... 101 4.2.3. Tiêu đề tùy chọn từng bước nhảy (Hop-by-Hop Option Header).................................102 4.2 4. Tiêu đề định tuyến (Routing Header)....................................................................103 4.2.5. Tiêu đề phân mảnh (Fragment Header)..................................................................104 4.2.6. Tiêu để túy chọn đich (Destination Option Header)............................................... 106 4.2.7. Tiêu đè nhận thực và tiêu đề đóng gói bảo m ật................................................. 106 4 2 8 Tiêu đề kết thúc (No Next Header)....................................................................... 107 4.3. Kiến trúc địa chi IPv6 ..................................................................................................... 107 4.3.1. Khải niệm về Unicast, Anycast vá Multicast........................................................... 107 4.3.2. Biểu diễn các địa chì IP v6..................................................................................... 107 10
4.3.3 Các địa chỉ IPv6 Unicast....................................................................................... 109 4.33.1 Địa chỉ IPv6 Unicast toàn cầu (Global Unicast IPv6 Addresses)...........................109 4.3 3.2. Địa chi IPv6 Unicast cục bộ (Local Unicast IPv6 Addresses)......................110 4.3.4 Các địa chi IPv6 Anycast........................................................................................112 4.3.5 Các địa chỉ IPv6 Multicast......................................................................................112 4.4. Giao thức ICMP cho IP v 6 .............................................................................................. 114 4.4.1 Bản tin thòng báo lỗi ICMPv6................................................................................ 115 4.4.2 Bản tin thông tin ICMPv6........................................................................................116 4.5. Giao thức khám phá láng giềng.....................................................................................117 4.5.1 Bàn tin yêu cầu láng giềng (Neighbor Solicitation M essage)............................ 118 4.5.2 Bản tin thông báo láng giềng (Neighbor Advertisement Message).............................119 4.5.3 Bàn tin thông báo bộ định tuyến (Router Advertisement Message)...............................120 4.53.1. Các tiền tố tùy chọn đượcthòng báo trong các bảntin R A........................... 122 4.53.2. Tùy chọn máy chủ hệ thống tên miền đệ quy đượcthông báo trong các bản tin RA........................................................................................................123 4.5.4 Bàn tin yêu cầu bộ định tuyến (Router SolicitationMessage).............................124 4.5.5 Bản tin chuyền hướng (Redirect Message)..........................................................125 4.5.6 Cơ chế phát hiện không thể kết nối được láng giềng......................................... 125 4.6. Cân bằng tả i........................................................................................................................ 126 4.7. Tự đòng cẩu hình IP v 6 .....................................................................................................126 4.7.1. Xây dựng địa chì liên kết cục b ộ ...........................................................................127 4.7.2 Quá trình tự động cấu hình phi trạng thái.............................................................128 4.72.1. Xây dựng các địa chì IPv6 Unicast..............................................................128 4.72.2. Quá trinh phát hiện địa chì trùng lặp DAD (Diplicate Address Detection)........................................................................................ 129 4.72.3. Tạo các địa chì IPv6 Unicast toàn cầu vámạng cục b ộ ................................130 4.8 Giao thức DHCPv6 ........................................................................................................... 131 4.8.1 Tự động cầu hình có trạng thái (Stateíul DHCPv6).............................................131 4.8.2 Tự động cấu hinh phi trạng thái (Stateless DHCPv6)........................................ 132 Tồng k ế tĩh ư ơ n g 4 ................................................................................................................... 132 Chương 5: LỚP THÍCH ỨNG 6LoW PA N.............................................................................. 134
5.1. Các thuật ngữ....................................................................................................................... 134 5.2. Lớp thích ứng 6LoW PAN...................................................................................................136 5.2.1. Tiêu đề địa chì mạng lưới........................................................................................ 139 5.2.2. Sự phân mảnh.............................................................................................................142 5.2.3. Nén tiêu đề 6LoWPAN ............................................................................................. 143 5.2.3.1. Nén tiêu đề sử dụng L0W PAN_H C1.............................................................143 5.2.3 2. Nén tiêu đè sử dụng HC_UDP (HC2).............................................................145 5.2.3.3. Kỹ thuật nén cải tiến 6LoWPAN và nén dựa trên chia sẻ ngữ cảnh trạng th á i..........................................................................................................148 5.2.3.4. Nhận dạng ngữ cảnh......................................................................................... 152 5.2.3.5. Nén tiêu đề IPv6 kế tiế p ...................................................................................153 5.2.3 6. Nén tiêu đề UDP sử dụng LOWPAN_NHC...................................................154 5.2.3.7. Nén tiêu đề của địa chỉ Multicast........................................................................ 156 Tổng kết chương 5 ...................................................................................................................... 158 Chương 6: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN R P L ............................................................................ 159 6.1. Giới th iệu ................................................................................................................................159 6.2. Khái niệm vê các mạng tồn hao và công suất th ấ p ..................................................... 159 6.3. Các yêu cầu dối với giao thức đjnh tuyến trong mạng cám biến không d ây............................................................................................................................... 161 6.4. Các thước đo định tuyến trong mạng cảm biến không dâ y....................................... 164 6 4.1. Các thước đo định tuyến tồng hợp và các thước đo định tuyến được ghi lạ i..................................................................................................................166 6 4 2. Các thước đo toàn cục và các thước đo cục bộ......................................................166 6.4.3. Tiêu đề chung cho các thước đo vá ràng buộc định tuyến.................................... 166 6.4.4. Đối tượng thuộc tính và trạng thái của n ú t...............................................................167 6.4.5. Đối tượng năng lượng cùa n ú t...................................................................................167 6.4.6. Đối tượng số bước nhảy.............................................................................................168 6.4.7. Đối tượng thông lượng.............................................................................................168 6.4.8. Đối tượng độ trễ ........................................................................................................168 6.4.9. Đối tượng độ tin cậy của liên kết............................................................................ 169 6.4.10. Thuộc tính mầu liên kết..........................................................................................170 12
6.5. Ham mục tiêu.........................................................................................................................170 6.6. Giao thức định tuyến RPL................................................................................................172 6.6.1. Một sô thuật ngữ ...................................................................................................... 172 6.6.2. Giới thiệu về giao thức R P L ................................................................................... 175 6.6.3. Sử dụng nhiều DODAG và khái niệm về RPL Instance..................................... 178 6.6.4. Các bản tin điều khiển R PL.................................................................................... 179 6.64.1. Các trường bảo mật R P L...................................................................................182 6.6.4.2. Các bản tin D IS ................................................................................................... 183 6.6.4.3. Các bản tin DIO................................................................................................... 184 6.6.4.4. Các bản tin D A O ................................................................................................. 186 6.6.4.5. Các bản tin DAO-ACK........................................................................................ 187 6.6.4.6. Các tùy chọn trong bản tin đièu khiển R P L..................................................... 189 6.6.5. Các bộ đếm tuần tự..................... ...............................................................................202 6.6.6. Quá trinh xây ếựng RPL D O D AG ............................................................................ 202 6.6.7. Sự dịch chuyển của một nút trong một DODAG và giữa các D O D AG ....................................................................................................206 6.6.8. Điền các bảng định tuyến dọc theo DODAG sử dụng bản tin D AO ............................. 207 6.6.9. Cơ chế tránh và phát hiện vòng lặp trong R P L...................................................... 210 6.6.9.1. Tránh vòng lặ p ..................................................................................................... 211 6.6.9.2. Cơ chế phát hiện vòng lặp R P L ........................................................................ 213 6.6.10. Sửa chữa toàn cục và cục b ộ .................................................................................213 6.6.11. Định tuyến liền kề với R P L...................................................................................... 218 6.6.12. Uuản lý bộ định thời R P L........................................................................................ 219 Tổng kết chương 6 ....................................................................................................................... 221 Chương 7: GIAO THỨC LỚP ỨNG DỤNG C oAP................................................................. 222 7.1. Giới th iệ u ................................................................................................................................. 222 7.2. Giao thứ c C o A P .....................................................................................................................223 7.2 1 Các yêu cầu vả đặc điếm đối với giao thức C oAP.............................................223 7.2.2. Mô hinh hoạt động cùa C o A P ....................................................................................224 7.2.3. Định dạng bản tin CoAP..............................................................................................226 7.2.4. Các bản tin giao dịch trong giao thức C o A P ........................................................ 228
7.2.4.1. Bản tin yêu cầu báo nhận (C O N )....................................................................... 22H 7.2.4.2. Bản tin không yêu cầu báo nhận (NON)............................................................ 228 7.2.4 3 Bản tin báo nhận (ACK).................................................................................... 228 7.2.4.4. Bản tin thiết lập lại (RST)................................................................................... 229 7.2.5. Định nghĩa các phương thửc tronggiao thức C oA P ................................................ 229 7.2.5.1. Phương thức GET................................................................................................ 229 7.2.5 2. Phương thức P O S T ............................................................................................. 229 7.2.5.3. Phương thức PUT................................................................................................ 229 7.2.5.4. Phương thức DELETE.........................................................................................230 7.2.6. Ánh xạ giữa CoAP và HTTP........................................................................................230 7.2.6.1. Ánh xạ từ CoAP sang H T T P ............................................................................ 230 7.2.6.2. Ánh xạ từ HTTP sang C o A P ............................................................................ 231 7.3. Một số đánh giá hiệu năng của giao thức CoAP cho mạng cảm biến không d â y ................................................................................................... 232 7.3.1. Số byte được chuyển giao trong mỗi giao địchclient-server................................... 233 7.3.2. Năng lượng tiêu th ụ ..................................................................................................233 7.3.3. Thời gian đáp ửng..................................................................................................... 235 Tổng kết chương 7 ........................................................................................................................ 236 Tài liệu tham khảo.......................................................................................................................238 14
Chương 1 GIỚI THIỆU VÈ MẠNG CẢM BIÉN KHÔNG DÂY Trong chương này, chúng ta cùng tim hiểu khái niệm về mạng cảm biến không dây và những thách thức đặt ra cho các mạng cảm biến không dây hiện nay. Các cơ chế truyền thông cơ bản cho mạng cảm biến không dây cũng được giới thiệu. Các nút cảm biến không dây truyền thông với nhau qua chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4. Đây là một chuẩn truyền thông không dây có tốc độ dữ liệu thấp và phù hợp với các ứng dụng của mạng cảm biến không dây hiện nay. Những đặc điểm về cấu trúc phần cứng, phần mềm của nút cảm biến không dây cũng như vấn đề tiêu thụ năng lượng của một nút cảm biến không dây cũng được thảo luận chi tiết tại chương này. Phần cứng và phần m ềm của nút cảm biến không dây phải cộng tác với nhau như thế nào để có thể tiết kiệm được năng lượng. Trong một nút cảm biến không dây, bộ thu phát vô tuyến là thành phần ticu thụ năng lượng nhiều nhất. Phần cuối chương sẽ giới thiệu một số cơ chế nhằm quản lý công suất bộ thu phát vô tuyến cùa nút cảm biến không dây nhằm tiết kiệm năng lượng và kéo dài khoảng thời gian tồn tại của mạng. 1.1. KHÁI N IỆM VÈ M ẠNG CẢM BIẾN K H Ô N G DÂY Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netvvork) là một kết cấu hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung cấp cho người quàn trị khả năng đo đạc, quan sát và tác 15
động lại với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cam biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y h ọ c ... Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhò gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguôn năng lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao,...). Các nút cảm biến thường nam rải rác trong trường cảm biến như được minh họa ờ hình 1.1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một Sink/Gateway và người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể truyền thông với người dùng cuối/người quàn lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, W iM A X ...) hoặc không cần đến các mạng này mà ờ đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối. Lưu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thề hiện ở hình 1.1. Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biển phân bố rải rác trong trường cảm bỉến. 16
1.2.2. Những thách thức ơ cấp độ mạng Những thách thức ờ câp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ờ cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cám biến không dây. Mạng cảm biến không dây có tiêm năng rất lớn cà về quy mô, số lượng các nút tham gia vào hệ thống và các dừ liệu được tạo ra bởi mỗi nút. Trong nhiều trường hợp, các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. Kích thước mạng ành hường đến việc thiết kế giao thức định tuyến trong mạng cảm biển không dây. Định tuyến là quá trình mạng xác định những tuyến đường nên đi để truyền bàn tin qua mạng. Định tuyến có thể được thực hiện hoặc là tập trung hoặc là phân tán. Với định tuyến tập trung thì một máy chủ tính toán bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, còn với định tuyến phân tán thì mỗi nút thực hiện tự quyết định lựa chọn tuyến đường đề gửi mỗi bản tin. Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hucmg đến cả hiệu năng mạng xél về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc độ dữ liệu để có thể vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng và hơn hết là khoảng thời gian tồn tại cùa mạng được đảm bảo. Trong mạng cảm biến không dây, việc truyền thông tin đòi hỏi năng lượng. Các nút thực hiện truyền thông tin nhiều sê mất năng lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ. Vì vậy. giao thức định tuyến phải lựa chọn đầy đù thông tin khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng. Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn thông tin định tuyển thì nó yêu cầu các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất. Thông tin này đòi hói cần phải có bộ nhớ. Tuy nhiên, nhu chúng ta đã biết, mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lưỡng đê giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác. Các mạng cảm biến không dâv thường hoạt động trên kênh truyền không đáng tin cậy, điêu này làm cho vấn đề định tuyên càng gặp nhiêu khó khăn. 19
Trong kênh truyền thông vô tuyến công suất thấp thì không chắc chắn ràng nếu một bàn tin đã được gưi đi bởi một nút thì ban tin đó sẽ nhận được bới một nút đích được dự kiến trước trong mạng. Bản tin này có thể bị gián đoạn hoặc có thể bị chặn hoàn toàn bời một vật lớn bang kim loại vừa được đặt giữa phía gửi và phía nhận. Ngay cà khi bản tin không hoàn toàn bị chặn thì các bit của nó có thề bị thay đồi trên đường truyền. Tính chất không đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là "tổn hao". Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng càm biến không dây. Ngay cả khi các nút mạng cảm biến sừ dụng công nghệ thông tin liên lạc khác có ít tổn hao hơn thì cũng cần phải chuẩn bị cho tình huống xấu nhất để mạng cỏ thể hoạt động ổn định trong tất cả các trường hợp đó là mạng có tôn hao và mạng không có tổn hao. Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là một thách thức đối với các giao thức định tuyến. Các giao thức định tuyến phái tính toán vấn đề tổn hao khi quyết định tuyến đường để truyền các bàn tin và có thể bàn tin cần phải được gừi lại. Các bàn tin sẽ được định tuyến sao cho những nguy cơ bị mất mát bàn tin là thấp nhất. Nhưng nếu một bản tin được truyền qua một tuyến đường xảy ra việc mất dữ liệu thì bản tin cần được gửi lại một vài lần trong trường hợp bàn tin không thề gừi được qua mạng trong lần thừ đầu tiên. Tổn hao là một thuộc tính khó xác định, đặc biệt là trong các mạng không dây. Tổn hao bị ảnh hưởng bời các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm của không khí cũng như môi trường vật lý xung quanh của các mạng cảm biến không dây. Ví dụ, nếu một lò vi sóng được bật lên, các trường điện từ mà nó tạo ra có thể can thiệp vào băng tần truyền không dây 2.4GHz. Tương tự như vậy, một mạng máy tính WiFi có thể ảnh hưởng tới một mạng cảm biến không dây, do đó các mạng cảm biến không dây thường bị mất dữ liệu nhiều hơn vào ban ngày, khi mà mọi người đang sử dụng mạng WiFi hơn là vào ban đêm. Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biên không dây cần phái được chuẩn bị trước cho những vấn đề này. Tính chât quy mô lớn cùa các mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêm việc định địa chi các nút. Trong một mạng quy mô lớn, mỗi nút phải có địa chi riêng để các bản tin có thể được gửi tới nó. Các địa chỉ cần có độ dài đủ lớn sao cho mỗi nút trong các mạng quy mô lớn phải có một địa chi 20
riêĩg biệt. Và thậm chí nếu mạng có quy m ô nhỏ thì nó có thê tương tác với các nút khác bên ngoài. Trong trường họp này, địa chỉ cùa các nút trong hai m ạig phài là duy nhất. Vì sô lượng các mạng cảm biên không dây có thê tương tác với các m ạig khác bên ngoài ngày tăng, nên chúng ta cần phải chuẩn bị cho quy mô phét triển theo cấp số nhân. Do đó, cơ chế định địa chi cho các mạng cảm b iếi không dây phải xác định duy nhất vài triệu, thậm chí vài tỷ các nút mạng riêng biệt. Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là mộ', thách thức vô cùng khó khăn. Với mạng cảm biến không dây có thể bao g ồ n hàng ngàn nút thì việc thực hiện quản lý mạng theo cách truyền thống khcng thể áp dụng ngay được. Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi sự điều chinh cơ sở hạ tầng mạng thủ công bởi một quàn trị viên hệ thống. Với các mạng cảm biến không dây ở dạng Ad-hoc, mạng phải được chuẩn bị để tự quản lý chính nó mà không có bất kỳ sự điều hành mạng nào của con nguời. Ngoài ra, trong mạng m áy tính truyền thống, mỗi máy tính kết nối mạng có thể yêu cầu cấu hình thù công hoặc bán thủ công. Ví dụ như người dùng ở các m áy tính có thể cần phải nhập m ật khẩu để truy cập mạng. Đối với mạng cảm biến không dây thì điều đó là không khả thi khi cho một nguời nhập m ật khẩu vào từng nút mạng cảm biến tại các thời điểm khi cần truy cập mạng. Cuối cùng, một mạng cảm biến không dây phải cung cấp các cơ chế truy cập từ bên ngoài. Có những trường hợp mà một mạng cảm biến không dây được sử dụng cô lập, nhưng thông thường các dữ liệu tạo ra bởi các mạng cảm biến khòng dây cần phải được lấy ra để xư lý hoặc được lưu trữ ở một nơi khác. Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây cần phải được cấu hình lại hoặc thay đổi trong quá trình hoạt động. Trong cả hai trường hợp, các mạng cảm biến không dây phải cho phép truy cập được từ bên ngoài. 1.2.3. Sự chuân hóa Tiêu chuẩn là một yếu tố then chốt đối với sự thành công của các mạng cảm biến không dây. Mạng càm biến không dây được biết đến không chi bởi số lượng lớn các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn được biết đến với việc có nhiều tiêu chuẩn, nhiều nhà sản xuất và nhiều công ty khác nhau 21
cùng quan tâm đóng góp về mặt công nghệ. Các công nghệ sàn xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau. Một nhà sản xuất thiết bị cám biên chuyên về cảm biến độ ẩm chính xác cao có thể không quan tâm đên các hệ thống công nghệ thông tin. Tuy nhiên, cả hai phải làm việc cùng nhau trong hệ thống tòa nhà tự động, ở đó các cảm biến độ ẩm tạo ra đẩu vào cho việc kiểm soát môi trường trong toà nhà. Hệ thống kiểm soát môi trường được điều khiển bời một hệ thống công nghệ thông tin tiên tiến, chúng tiếp nhận đầu vào từ các cảm biến độ ẩm. Nếu không có sự chuẩn hóa thì các nhà sàn xuất thiết bị và các nhà tích hợp hệ thống cần phải xây dựng toàn bộ hệ thống đối với mọi hệ thống mới được cài đặt. Ngoài ra, nhà sản xuất và nhà tích hợp sẽ sử dụng một công nghệ độc quyền từ một nhà cung cấp riêng lẻ. Công nghệ độc quyền này có thể cung cấp các lợi ích trong thời gian ngắn, nhung nó làm cho nhà sản xuất và nhà tích hợp đều gặp khó khăn trong việc phát triển hệ thống cùa họ vượt ra ngoài công nghệ độc quyền bởi các nhà cung cấp. Ngoài ra, khi công nghệ này là độc quyền thì các nhà cung cấp công nghệ sẽ điều khiển tương lai của công nghệ chứ không phải là các nhà sản xuất và các nhà tích hợp. Với việc chuẩn hóa công nghệ thì công nghệ là độc lập với nhà cung cấp, nhà sản xuất và người dùng. Bất kỳ nhà cung cấp nào đều có thể lựa chọn để cung cấp các hệ thống dựa trên công nghệ. Các nhà sàn xuất thiết bị, các nhà tích hợp hệ thống có thể lựa chọn để xây dựng hệ thống của họ dựa trên công nghệ từ bất kỳ nhà cung cấp nào. Tiêu chuẩn hóa công nghệ có một ưu điềm lớn đó là việc chấp nhận các điều khoản. Khi công nghệ được chuẩn hóa thì các nhà cung cấp, nhà sản xuất và các nhà tích hợp hệ thống có thể dễ dàng chọn các công nghệ mà không có rủi ro từ các nhà cung cấp chính nữa. Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức không chi về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản cùa các tổ chức. Các mạng cảm biên không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau cùa công nghệ, từ công nghệ truyền thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định tuyến, truy cập mức ứng dụng và tích hợp hệ thống công nghệ thông tin. Mỗi cấp độ có những thách thức kỹ thuật riêng nhưng quan trọng hơn đó là việc chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bời các nhóm khác nhau. 22