Luận văn thạc sĩ VNU UET hoàn thiện thủ tục phân tuyến AODV trong mạng cảm biến không dây và thực nghiệm trên phần mềm opnet

TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lƣợng lớn các thiết bị không dây có khả năng đo các thông tin môi trường Ví dụ như nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh và độ ẩm Những cảm biến gửi các dữ liệu thông qua kênh truyền không dây Các nút mạng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có giá thành thấp, đƣợc phân bố trên một khu vực, sử dụng nguồn năng lượng là pin, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt[9][10]

Mạng hoạt động trên nguyên lý là một nút mạng sẽ cảm nhận thông số của một môi trường cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trường không dây về trạm gốc Trên cơ sở đó nút gốc có thể đƣa ra các lệnh xử lý cần thiết hoặc truyền số liệu vào máy tính Bản thân nút gốc không nhất thiết phải là máy tính mà có thể đƣợc chế tạo với kích thước nhỏ, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể[9][10]

Hình 1.1 : Một nút mạng cảm biến không dây

Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây

Do số lƣợng nút trong mạng cảm biến không dây là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với một nút mạng là giá thành thấp và kích thước nhỏ gọn

Bộ xử lý trung tâm

Hình 1.2 : Sơ đồ của một thiết bị mạng cảm biến không dây[10]

1.2.1.1 Bộ xử lýtrung tâm Đây là một bộ xử lý nhúng năng lƣợng thấp.Nhiệm vụ của bộ xử lý bao gồm : xử lý thông tin cảm biến cục bộ của chính nút mạng đó và thông tin nhận đƣợc từ các nút mạng khác Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về khả năng tính toán (Ví dụ hiện nay có nhiều thiết bị chỉ có bộ xử lý 8 bits 16MHz), do vậy các nút mạng cảm biến thường được chạy trên các hệ điều hành chuyên biệt, như hệ điều hành TinyOS

Tuy nhiên, sẽ có một số nút mạng sẽ có khả năng tính toán mạnh hơn đáng kể Hơn nữa, với định luật Moore, các thiết bị cảm biến không dây tương lai có thể có những bộ xử lý nhúng mạnh mẽ, kết hợp các công nghệ tiên tiến nhằm tiết kiệm năng lƣợng[10]

Bộ nhớ/lưu trữ dưới dạng bộ nhớ chỉ đọc và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên bao gồm cả bộ nhớ chương trình (các lệnh được thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lưu các kết quả đo chưa xử lý và đã qua xử lý bởi bộ cảm biến, lưu các thông tin cục bộ khác) Chất lượng bộ nhớ và lưu trữ trên bo mạch của thiết bị mạng cảm biến không dây thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp, tuy nhiên nó cũng được cải thiện đáng kể qua thời gian[10]

1.2.1.3 Bộ thu phát sóng vô tuyến

Thiết bị mạng cảm biến không dây có tốc độ thấp (10 → 100 kbps) và là thiết bị vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100 mét) Trong mạng cảm biến không dây thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất, do đó nó cần phải kết hợp có hiệu quả công suất giữa các chế độ ngủ và chế độ hoạt động Đồng thời cũng phải đối mặt với các vấn đề nhƣ các hiệu ứng nhiễu, hiệu ứng bóng mờ, giao thoa…[10]

Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị mạng cảm biến không dây chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có một vài loại cảm biến trên bo mạch chủ Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại cảm biến riêng : cảm biếnnhiệt độ, cảm biếnánh sáng, cảm biếnđộ ẩm, cảm biếnáp suất, cảm biếngia tốc, cảm biếntừ, cảm biếnâm thanh hay thậm chí là cảm biếnhình ảnh có độ phân giải thấp[10]

 Bộ chuyển đổi tương tự số

Bộ chuyển đổi tương tự số được tích hợp để có thể ghép nối với các cảm biến tương tự Với bộ chuyển đổi tương tự số được tích hợp sẵn sẽ giúp cho thuận tiện hơn trong việc sử dụng, giảm kích thước nút mạng đồng thời giảm được các nhiễu trong quá trình biến đổi tương tự số với các tín hiệu từ cảm biến[10]

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, ứng dụng cho phép đo cảm biếnđể đánh dấu vị trí là quan trọng nhất Cách đơn giản nhất để định vị là tiền cấu hình cho cảm biến ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngoài tòa nhà : khi một mạng đƣợc triển khai, thông tin dễ dàng thu đƣợc qua vệ tinh định vị Tuy nhiên, tại các ứng dụng, do hạn chế của môi trường và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các nút được trang bị hệ thống định vị Trong trường hợp không có hệ thống định vị, các nút khác nhau (nhƣng vẫn trong cùng mạng) chỉ thu đƣợc vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị mạng[10]

Nguồn năng lƣợng đƣợc sử dụng để có thể triển khai hoạt động của thiết bị mạng cảm biến không dây là các dạng nguồn năng lƣợng dự trữ nhƣ nguồn pin Trong một số trường hợp, các nút mạng có thể được kết nối đến một nguồn điện liên tục, một số trường hợp, bộ nguồn của các nút mạng được thiết kế có thêm các thiết bị pin năng lượng mặt trời để có thể duy trì nguồn năng lượng Tuy nhiên, do phần lớn các trường hợp đều sử dụng pin, nên nguồn năng lƣợng cung cấp cho thiết bị là có giới hạn, điều này ảnh hưởng lớn nhất đến các ứng dụng của mạng cảm biến không dây[10]

Các node cảm biến đôi khi cần phải dịch chuyển để thực hiện các nhiệm vụ ấn định Do đó nó đƣợc trang bị thêm các thành phần phụ để phục vụ cho quá trình di động.

Trong hầu hết các mô hình mạng mạng cảm biến không dây có 3 loại nút mạng : nút cảm nhận, nút trung gian và nút cơ sở (nút trung tâm)[10]

 Nút cảm nhận : trực tiếp thu thập số liệu và truyền số liệu về nút cơ sở (nếu khoảng cách giữa nút cảm nhận và nút cơ sở nhỏ) hoặc truyền đến các nút trung gian (nếu khoảng cách lớn)[10]

 Nút trung gian : cũng trực tiếp thu thập dữ liệu Kế đến chúng tiến hành chuyển tiếp dữ liệu thu thập đƣợc và dữ liệu nhận đƣợc từ các nút cảm nhận qua các nút trung gian khác Sau đó gửi dữ liệu về nút cơ sở[10]

 Nút cơ sở : tiếp nhận dữ liệu từ mạng và tiến hành xử lý dữ liệu[10]

Hình 1.3 : Cấu trúcmạng cảm biến không dây tổng quan

Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng… Do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một cấu trúc mạng linh động (ad-hoc, lưới, sao…) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình Tùy thuộc vào mỗi ứng dụng, các thiết bị mạng cảm biến không dây có thể cùng hay không cùng mạng với nhau[10]

Mạng cảm biến không dây có thể coi nhƣ một phần trong mạng di động Ad-hoc, tuy nhiên giữa chúng cũng có những điểm tương đồng và những điểm khác biệt riêng[23]

 Đều là những mạng không dây

 Sử dụng những nút mạng trung gian trong việc định tuyến giữa hai nút mạng, gọi là đa chặng

 Đều sử dụng nguồn năng lƣợng là pin, việc tiết kiệm năng lƣợng đƣợc ƣu tiên hàng đầu

 Đều là những hệ tự quản lý, tự cấu hình

 Do đều sử dụng công nghệ không dây nên dễ bị ảnh hưởng bởi các sóng không dây có cùng tần số khác

 Mạng cảm biến không dây tập trung vào đối tượng môi trường hơn là con người, mạng di động Ad-hoc tập trung vào con người nhiều hơn

 Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu chủ yếu là các hiện tƣợng, sự kiện ở thế giới thực, còn trong mạng di động Ad-hoc chủ yếu là dữ liệu

 Các nút trong mạng cảm biến không dây ít di động hơn mạng di động Ad- hoc

 Nguồn năng lƣợng giới hạn, năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây đƣợc quản lý, sử dụng chặt chẽ Trong mạng di động Ad-hoc, có thể ít bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do người dùng có thể thay thế nguồn cho các thiết bị

 Số lƣợng nút trong mạng cảm biến không dây là rất lớn, trong mạng di động Ad-hoc là ít hơn

Mạng cảm biến không dây tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn nút) thành các cụm để ổn định cấu trúc của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến, giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên giảm đƣợc năng lƣợng tiêu thụ, đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút mạng[10]

Trong những ứng dụng tập hợp dữ liệu cơ bản, có một nút đƣợc gọi là nút sink

Tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn đƣợc truyền trực tiếp đến nó Cấu trúc mạng đơn giản nhất cho ứng dụng này là cấu trúc hình sao đơn chặng Trong cấu trúc này, tất cả các nút gửi dữ liệu trực tiếp đến nút sink[10]

Hình 1.4 : Cấu trúc mạng hình sao đơn chặng Đối với mạng cài đặt công suất truyền thấp hay mạng triển khai trên diện rộng thì sử dụng cấu trúc hình cây đa chặng Trong cấu trúc này, một vài nút đƣợc xem nhƣ các nút nguồn của chính chúng và định tuyến cho các nguồn khác[10]

Hình 1.5 : Cấu trúc mạng hình cây đa chặng

1.3.2 Khả năng di động của mạng của biến không dây 1.3.2.1 Phân loại

Trong mạng cảm biến không dây, tính di động có thể chia làm 03 dạng chính:

 Nút cảm biến di động

Các nút trong mạng cảm biến không dây có thể tự mình di động, tuy nhiên nó phụ thuộc nhiều vào các ứng dụng của mạng Ví nhƣ trong ứng dụng giám sát môi trường, các nút thường không di động, trong ứng dụng giám sát chăn nuôi ( các nút gắn liền với gia súc ) các nút mạng thường là di động Đối mặt với việc các nút mạng di động, mạng phải tổ chức lại thường xuyên đủ để mạng có thể hoạt động ổn định Có một sự đánh đổi giữa tần suất và tốc độ di chuyển của nút mạng với năng lƣợng yêu cầu để duy trì đầy đủ tính ổn định của mạng

Các nút thu thập thông tin Sink cũng có thể di động, có thể coi như là một trường hợp đặc biệt của nút cảm biến di động

Trong các ứng dụng giống nhƣ phát hiện sự kiện hoặc đặc biệt trong các ứng dụng theo dõi, các sự kiện hoặc đối tượng được theo dõi có thể di động Trong trường hợp này, một số lƣợng các nút cảm biến sẽ đƣợc bố trí xung quanh các sự kiện giám sát, khi sự kiện diễn ra các nút mạng sẽ thức dậy và giám sát sau đó các nút mạng sẽ chuyển về trạng thái ngủ

Các giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây sẽ phải hỗ trợ thích hợp cho các dạng di động của mạng, đặc biệt là trường hợp nút mạng di động và sự kiện di động

1.3.2.2 Lợi ích của khả năng di động

 Kéo dài thời gian sống của mạng

 Dung lƣợng kênh truyền tăng

 Tăng cường phủ sóng và mục tiêu cảm nhận

 Cải thiện hiệu quả làm việc

 Dữ liệu tin cậy hơn

1.3.2.3 Thách thức đối với khả năng di động

 Vị trí Đối với mạng cố định, vị trí của các nút đƣợc phát hiện ngay trong quá trình khởi tạo mạng Tuy nhiên đối với các nút mạng di động liên tục phải thu thập vị trí của nó khi nó đi qua các khu vực cảm nhận, điều này gây tốn thời gian và năng lƣợng

Trong cấu trúc mạng động, dữ liệu trở nên lỗi thời một cách nhanh chóng, do đó quá trình khám phá tìm đường phải nhanh chóng được thực hiên, gây ra lẵng phí năng lƣợng, thời gian và băng thông Đã có những nghiên cứu trong mạng di động Ad-hoc để khắc phục điều này

Công suất tiêu thụ của mạng cảm biến không dây cố định và mạng cảm biến không dây di động là khác nhau Cả hai đều tiêu tốn năng lƣợng cho việc truyền thông không dây, tuy nhiên mạng cảm biến không dây di động còn có thểtiêu tốn năng lƣợng cho khả năng di động, do đó nó thường yêu cầu nguồn năng lượng lớn hơn, có thể có cả khả năng tự nạp điện

 Sự di động của nút Sink

Trong mạng cảm biến không dây di động có sử dụng những nút mạng cơ sở di động để thu thập thông tin do đó số chặng truyền tin có thể đƣợc cực tiểu

Trong dạng này sẽ có một khoảng thời gian dừng giữa các lần thay đổi hướng hoặc tốc độ Các nút mạng di chuyển theo một hướng ngẫu nhiên với một tốc độ ngẫu nhiên, sau đó dừng lại trong một khoảng thời gian, sau đó thay đổi hướng khác với một tốc độ khác

Hình 1.6 : Di chuyển ngẫu nhiên

Các yêu cầu chính trong thiết kế mạng cảm biến không dây

 Mở rộng thời gian sống

Các nút mạng cảm biến không dây hoạt động với nguồn năng lƣợng pin giới hạn

Pin rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng thực tế để đảm bảo mạng cảm biến không dây có thể tự động sử dụng không cần thay thế trong vài năm Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lƣợng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin Ví dụ với loại pin kiềm cung cấp nguồn năng lƣợng 50 watt/giờ, nó có thể duy trì nút mạng ở trạng thái hoạt động liên tục trong vòng 1 tháng Trong một vùng giám sát rộng lớn, việc thay thế nguồn năng lƣợng sẽ tiêu tốn nhiều chi phí và trở nên bất khả thi, do vậy yêu cầu tiết kiệm năng lƣợng là rất cấp thiết[10]

 Khả năng đáp ứng của bộ cảm biến

Giải pháp đơn giản để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển các nút cùng một loại chu kỳ hoạt động với chu kỳ chuyển mạch giữa hai chế độ : chế độ ngủvà chế độ hoạt động Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là một thử thách năng lực của mạng cảm biến không dây, thì một vấn đề lớn liên quan nữa là chu trình ngủ một cách tùy tiện có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng nhƣ hiệu suất của các cảm biến.Trong một số ứng dụng, để các sự kiện trong tự nhiên đƣợc tìm thấy và tường thuật nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở mức giới hạn chính xác, ngay cả trong sự tồn tại của nghẽn mạng[10]

Mục tiêu của mạng cảm biến không dây là có thể phủ sóng trên phạm vi rộng lớn Mục tiêu này sẽ thúc đẩy sự phát triển các thiết bị không đắt tiền Tuy nhiên, các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và dễ xảy ra lỗi Tốc độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắt khe và trong vùng hoạt động của kẻ địch Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng có kỹ thuật, kỹ xảo để có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu đó[10]

Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị về các mặt : xử lý nguồn, bộ nhớ lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh chóng sự chính xác của bộ cảm biến Tuy nhiên, nếu vấn đề kinh tế đƣợc đặt ra ở đây là giá cả trên mỗi nút giảm mạnh, thì nó có thể làm cho dung năng của nút sẽ bị hạn chế ở một mức độ nhất định Đó là lý do để thiết kế các giao thức hiệp đồng, các giao thức này đảm bảo rằng hệ thống tổng thể sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng của các đơn thành phần trong nó gộp lại Các giao thức cung cấp khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy móc và các tài nguyên thông tin[10]

Mạng cảm biến không dây có khả năng mở rộng trên phạm vi vô cùng lớn, lớn hơn mười ngàn thậm chí là hàng triệu nút Tuy nhiên, có một vài hạn chế về thông lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến khả năng mở rộng của hoạt động mạng cảm biến[10]

Tồn tại mộtsự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị khi tiến hành cài đặt trên thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến) Sự không đồng nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế Ví dụ trong một mạng có sự hiện diện của cả những thiết bị có khả năng tính toán tốt hơn cùng với những thiết bị có khả năng tính toán thấp Chìa khóa cho vấn đề này là tìm ra sự cộng tác tốt của các thiết bị có khả năng đồng nhất để đƣa vào các ứng dụng[10]

Do tính mở rộng và hầu hết là các ứng dụng trong thiên nhiên nên mạng cảm biến không dây là các hệ thống phân phối không cần chủ Hoạt động tự động là vấn đề chính đƣợc đặt ra trong thiết kế Ngay từ đầu, các nút trong mạng cảm biến không dây có thể đƣợc cấu hình theo cấu trúc mạng của chúng, tự đồng bộ, tự kiểm tra và tự quyết định các thông số hoạt động khác[10]

 Tự tối ưu và thích nghi

Trong mạng cảm biến không dây, thường có những trường hợp không biết chắc chắn về điều kiện hoạt động trước khi triển khai Đối với những trường hợp đó, việc xây dựng những thiết bị mà có thể tự đọc dữ liệu từ cảm biến và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những thông tin đó để cải tiến hiệu năng là điều rất quan trọng.Ngoài ra, môi trường hoạt động của mạng cảm biến không dây có thể thay đổi qua thời gian

Các giao thức mạng cảm biến không dây sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môi trường hoạt động[10]

 Thiết kế có tính hệ thống

Mạng cảm biến không dây thường có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng nên cần có sự cân bằng giữa hai yếu tố[10]:

 Đặc trƣng riêng : mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng riêng để cung cấp những hoạt động có tính phát triển cao

 Tính linh hoạt : các phương pháp thiết kế phải dễ dàng phổ biến cho các hoạt động thực thi

 Bảo mật và an toàn

Tính mở rộng, phổ biến rộng, độ nhạy của thông tin thu đƣợc bởi mạng cảm biến không dây làm tăng những thách thức trong thiết kế đó là phải làm sao để bảo mật và an toàn thông tin[10].

Một số chuẩn của mạng cảm biến

Do phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất rộng lớn, tính chất, đặc trƣng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm thường phát triển, triển khai các giao thức riêng phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng

Một số chuẩn mạng cảm biến không dây đƣợc biết đến là[11]:

 MANET ( Mobile ad-hoc Network )

Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

 Giám sát môi trương sinh thái [10]:Giám sát lũ lụt, bão, gió, mƣa Phát hiện ô nhiễm, chất thải …

 Trong quân sự [10]:Giám sát và theo dõi các mục tiêu quân sự.Phát hiện mìn, chất độc Điều khiển kích hoạt các thiết bị, vũ khí quan sự…

 Giám sát cấu trúc và động đất [10]:

Các cảm biến về độ rung đƣợc đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất Những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tƣợng động đất và núi lửa phun trào

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến đƣợc đặt ở các phòng để đo nhiệt độ Không những thế, chúng còn đƣợc dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

Hiện nay đã tồn tại những cảm biến hình ảnh rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và đƣợc bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24 giờ Trong thời gian tồn tại trong cơ thể, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị

 Trong công nghiệp và thương mại [10]:Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, chống rò rỉ Điều khiển tự động các thiết bị, robot …

Hàng trăm nút nằm rải rác trong cánh đồng liên kết với nhau, thiết lập một mô hình định tuyến và truyền dữ liệu cho một trung tâm Ứng dụng đòi hỏi phải thiết thực, linh động, chi phí thấp và dễ triển khai thành mạng cảm biến không dây Nếu một trong các nút lỗi, một mô hình mạng mới đƣợc lựa chọn và toàn bộ mạng vẫn tiếp tục truyền dữ liệu Nếu có thêm nút mạng, chúng chỉ tạo nên nhiều cơ hội định tuyến hơn.

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ

Các vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Khác với các mạng có dây, mạng không dây gặp rất nhiều khó khăn trong việc định tuyến và quản lý năng lƣợng Các nút trong mạng đều có khả năng di chuyển nên cấu trúc mạng cũng thay đổi theo thời gian, năng lƣợng các nút có giới hạn nên cần hạn chế số lượng bản tin gửi đi không quá lớn và ảnh hưởng của nhiễu và môi trường đến tỷ lệ gói tin lỗi là những điều cần chú ý khi thiết kế một giao thức định tuyến[3][5]

Các giao thức định tuyến khi thiết kế đều phải chú ý cân đối giữa hiệu suất của giao thức với mức tiêu thụ năng lƣợng tại các nút trong mạng Các giao thức có thể tăng tốc độ hội tụ bằng cách gửi nhiều gói tin điều khiển để cập nhật thường xuyên hơn nhƣng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lƣợng nguồn nuôi Hơn nữa, khi mạng ít có thay đổi thì việc gửi thường xuyên các cập nhật sẽ rất lãng phí[3][5]

Mục tiêu chính trong việc thiết kế mạng cảm biến không dây là truyền tải dữ liệu trong khi vẫn duy trì năng lƣợng hoạt động của hệ thống mạng và ngăn chặn sự sụt giảm kết nối bằng cách sử dụng phương pháp quản lý năng lượng linh hoạt Dưới đây là một số vấn đề có thể ảnh hưởng đến quá trình định tuyến trong mạng cảm biến không dây[23]

 Giới hạn về năng lượng

Do các nút cảm biến sử dụng pin nên chúng có những giới hạn về năng lƣợng

Năng lượng đặt ra một thách thức lớn cho thiết kế mạng trong môi trường khắc nghiệt

Hơn nữa, khi năng lƣợng của một nút cảm biến xuống đến một mức nào đó, nút cảm biến có thể trở nên bất ổn, không thể thực hiện chính xác chức năng của mình làm ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng

 Vị trí nút cảm biến

Một thách thức khác phải đối mặt của thiết kế giao thức định tuyến là quản lý vị trí của các cảm biến Đa số các giao thức dựa vào các thiết bị định vị để biết đƣợc vị trí của nút cảm biến

 Giới hạn về tài nguyên phần cứng

Bên cạnh giới hạn năng lƣợng, các nút cảm biến còn hạn chế về khả năng xử lý và lưu trữ, do đó nó chỉ thực hiện các tính năng tính toán hạn chế Các ràng buộc về phần cứng đặt ra nhiều thách thức trong phát triển phần mềm và thiết kế giao thức định tuyến

 Sự phân bố các nút cảm biến

Các nút cảm biến triển khai trong mạng cảm biến không dây tùy thuộc vào ứng dụng, có thể là thủ công hay ngẫu nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của giao thức định tuyến Trong hầu hết các ứng dụng, các nút cảm biến đƣợc dải ngẫu nhiên trong một phạm vi quan tâm

 Các đặc tính mạng và môi trường không tin cậy

Một mạng cảm biến thường hoạt động trong môi trường động và không tin cậy

Cấu trúc mạng đƣợc hình thành từ các nút cảm biến và liên kết truyền giữa cảm biến thay đổi thường xuyên do cảm biến được thêm vào hoặc loại ra, hết năng lượng hoặc lỗi…Hơn nữa, các nút cảm biến được liên kết với nhau bởi môi trường không dây năng lƣợng thấp với nhiễu và khả năng lỗi cao Vì thế, định tuyến phải phù hợp với cấu trúc mạng động do giới hạn về năng lƣợng, tính di động của cảm biến cũng nhƣ tăng kích thước của mạng để duy trì các yêu cầu cụ thể của ứng dụng về tính kết nối và phạm vị bao phủ

Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dƣ thừa, các thông tin giống nhau từ nhiều nút có thể đƣợc tập hợp lại giúp số lƣợng dữ liệu cần truyền có thể giảm xuống

Tổng hợp dữ liệu là việc kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dựa trên hàm gộp nhất định

 Các yêu cầu đa dạng của các ứng dụng cảm biến

Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng đa dạng Không giao thức nào có thể đáp ứng đƣợc tất cả các yêu cầu của các ứng dụng

Giao thức định tuyến nên có khả năng mở rộng kích thước mạng Hơn nữa, các cảm biến có thể không nhất thiết có khả năng về năng lƣợng, xử lý, cảm biến và truyền thông giống nhau Do đó liên kết truyền thông giữa các cảm biến có thể không đối xứng.

Phân loại các giao thức định tuyến

Mạng cảm biến không dây có một số đặc trƣng cơ bản của mạng Ad-hoc Do đó có thể xem xét các giao thức của mạng Ad-hoc áp dụng vào mạng cảm biến không dây

Giao thức định tuyến trong mạng Ad-hoc đƣợc chia làm 5 loại chính[2][6][7]

Mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng phù hợp với các trường hợp ứng dụng riêng biệt

Chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu kỹ từng loại giao thức

Các giao thức định tuyến

Yêu cầu Bảng điều khiển Lai Vị trí Đa đường

Hình 2.1 : Các giao thức định tuyến

2.2.1 Các giao thức định tuyến theo bảng điều khiển

Các giao thức định tuyến theo bảng điều khiển luôn luôn duy trì một bảng định tuyến hay ma trận chứa thông tin cập nhật về các đường đi gồm khoảng cách (số nút phải đi qua để đến đích) và thông tin về nút kế tiếp trên đường đi đến một nút đích bất kỳ Để cập nhật thông tin về đường đi ngắn nhất mỗi nút sẽ thường xuyên trao đổi bảng định tuyến với các nút bên cạnh nó Mỗi nút khi nhận đƣợc bảng định tuyến của nút bên cạnh, nó sẽ tự động tính toán và cập nhật bảng định tuyến của mình Quá trình gửi cập nhật lại tiếp tục đƣợc lặp lại tạinút lân cận với mục tiêu giữ các thông tin định tuyến là chính xác nhất có thể Định tuyến này có ƣu điểm là đơn giản và tính toán hiệu quả do thường xuyên được cập nhật Tuy nhiên nhược điểm của nó là tốn nhiều băng thông và năng lƣợng do phải thực hiện gửi nhiều bản tin cập nhật Một nhƣợc điểm nữa là mạng sẽ hội tụ chậm khi cấu trúc mạng có thay đổi và khi có lỗi xảy ra[2][3][4][6][7]

Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:

 DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector)

 OLSR (Optimized Link State Routing)

 CGSR (Cluster-Head Gateway Switch routing)

 STAR (Source-Tree Adaptive Routing)

2.2.2 Các giao thức định tuyến theo yêu cầu

Khác với giao thức định tuyến theo bảng điều khiển, giao thức định tuyến theo yêu cầu chỉ thực hiện tìm đường khi có yêu cầu cần truyền tin đến một nút nào đó ở trong mạng Khi có yêu cầu tìm đường, nút cần truyền sẽ phát vào trong mạng một bản tin quảng bá với nội dung yêu cầu thông tin về nút đích cần truyền Khi một gói tin quảng bá đến được nút đích hoặc nút trung gian có đường đi đến nút đích cần tìm, gói tin hồi đáp sẽ được tạo ra và gửi về nút nguồn Khi nút nguồn đã có đường đi tới nút đích, nó mới bắt đầu thực hiện truyền các gói tin chứa dữ liệu Giao thức này có ƣu điểm là độ chính xác cao và phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi của mạng Nhƣng nhược điểm của nó là thời gian trễ do tìm đường cao và khi các nút di chuyển nhanh, lưu lượng dày, các gói tin quảng bá sẽ tăng nhanh số lượng gây nghẽn Các giao thức định tuyến theo yêu cầu chỉ phù hợp với mạng không dây băng thông rộng, trễ truyền gói nhỏ và lưu lượng rất mỏng[2][3][4][6][7]

Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:

 AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector)

 TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)

 SSBR (Signal Stability-Based Adaptive Routing)

2.2.3 Các giao thức định tuyến lai

Giao thức định tuyến lai là kết hợp của giao thức định tuyến theo bảng điểu khiên và giao thức định tuyến theo yêu cầu với các ƣu điểm của cả hai Các định tuyến tĩnh được sử dụng ở những phần của mạng mà sự thay đổi không xảy ra thường xuyên

Còn những phần có các nút thay đổi liên tục sẽ thực hiện định tuyến theo yêu cầu Qua đó giao thức đã tạo đƣợc cầu nối giữa hai giao thức quan trọng của mạng Ad-hoc, thừa hưởng ưu điểm của cả hai, hiệu năng tổng thể do đó cũng được nâng cao đáng kể[2][3][4][6][7]

Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:

 LANMAR (Landmark Ad Hoc Routing)

 RDMAR (Relative Distance Micro-discovery Ad Hoc Routing)

 SLURP (Scalable Location Update-Based Routing Protocol)

2.2.4 Các giao thức định tuyến theo nhận biết vị trí

Các giao thức định tuyến theo nhận biết vị trí trong mạng Ad-hoc quy định mỗi nút trong mạng Ad-hoc đều chứa thông tin về vị trí của tất cả các nút trong mạng

Cách tốt nhất và dễ dàng nhất là sử dụng hệ thống định vị toàn cầu để xác định chính xác tọa độ của các nút trong bất kỳ khu vực địa lý nào Thông tin về địa điểm sau đó được tối ưu hóa bởi giao thức định tuyến để tìm ra đường đi đúng nhất[2][3][4][6][7]

Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:

 DREAM (Distance Routing Effect Algorithm for Mobility)

 GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)

 LAKER (Location Aided Knowledge Extraction Routing)

 MORA (Movement-Based Algorithm for Ad Hoc Networks)

2.2.5 Các giao thức định tuyến đa đường

Các giao thức định tuyến đa đường tạo nên nhiều đường đi từ nút nguồn đến nút đích Ưu điểm chính của việc tìm kiếm nhiều đường khả dụng là băng thông giữa các liên kết đƣợc sử dụng hiệu quả hơn Với cơ chế chia tải truyền dữ liệu theo nhiều đường sẽ giảm nghẽn trong mạng[2][3][4][6][7]

Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:

 CHAMP (CacHing and Multipath routing Protocol)

 AOMDV (Ad hoc On-Demand Multipath Distance Vector Routing)

Các thông số quan trọng khi giao thức hoạt động

Đối với một giao thức đinh tuyến, các thông số dưới đây thể hiện tính chất của nó Các thông số ấy cho biết ƣu điểm cũng nhƣ nhƣợc điểm của giao thức định tuyến

Cải thiện các thông số này chính là mục đích của việc cải tiến các giao thức

 Năng lượng tiêu tốn Đây là thông số quan trọng đối với giao thức định tuyến trong mạngcảm biến không dây, vì tính chất giới hạn năng lƣợng của các thiết bị trong mạng Năng lƣợng tiêu tốn thường phụ thuộc vào quá trình yêu cầu tìm đường đến đích Quá trình này càng gửi nhiều bản tin thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng, ngoài ra tuyến đường truyền bản tin càng dài hay số chặng trung bình càng lớn cũng làm tăng năng lƣợng tiêu tốn của mạng Để giảm năng lượng tiêu tốn các giao thức cải tiến thường hạn chế quá trình yêu cầu tìm đường đến đích mà vẫn tìm được tuyến đường cần thiết[7]

Là thời gian để gói tin truyền từ nguồn tới đích Thời gian trễ cao sẽ làm giảm chất lượng của mạng Độ trễ phụ thuộc tuyến đường mà bản tin truyền từ nguốn tới đích vì vậy cũng phụ thuộc vào giao thức định tuyến[7]

Số chặng là tổng số chặng mà bản tin phải đi qua khi truyền từ nguồn đến đích

Giá trị này quyết định độ trễ và năng lƣợng tiêu tốn Giao thức định tuyến tốt khi tìm được đường có số chặng tối ưu nhất Nhưng thường thông số này không khác nhau nhiều giữa các giao thức định tuyến[7]

 Tỷ lệ truyền gói tin thành công

Thông số này thể hiện trực tiếp chất lượng của mạng, nó phụ thuộc tuyến đường mà giao thức chọn Nếu tuyến đường tốt sẽ tăng tỷ lệ truyền gói tin thành công và ngƣợc lại[7]

Là thời gian tính từ khi nút nguồn phát yêu cầu tìm đường đến khi nó có được thông tin định tuyến cần thiết để có thể bắt đầu truyền dữ liệu, đây có thể coi là trễ kết nối Đối với các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây thời gian này thường tính từ khi nút nguồn phát bản tin yêu cầu đến khi nhận bản tin trả lời[7].

Giao Thức Định Tuyến AODV

2.4.1 Định dạng các bản tin sử dụng trong giao thức AODV

Giao thức định tuyến AODV dùng 4 loại bản tin để định tuyến, sửa lỗi, duy trì tuyến đường: yêu cầu tìm đường, trả lời tìm đường, lỗi tìm đường, phản hồi trả lời tìm đường[8]

2.4.1.1 Định dạng bản tin yêu cầu tìm đường (RREQ)

Loại J R G D U Dự trữ Đếm chặng

Số ID của bản tin RREQ Địa chỉ IP đích

Số đếm đích Địa chỉ IP nguồn

Hình 2.2 : Định dạng bản tin RREQ[8] Định dạng của bản tin RREQ đƣợc biểu diễn bằng bảng trên với ý nghía của các trường như sau[8]:

Bảng 2.1 : Định dạng bản tin RREQ

J Cờ Joint ; dành riêng cho multicast

R Cờ Repair ; dành riêng cho multicast

D Cờ Destination only; cho biết chỉ có nút đích mới hồi đáp lại gói tin RREQ này

U Cho biết rằng số đếm ở nút đích không xác định

Dự trữ Các bit để dành, mặc định là 0 Đếm chặng Số lƣợng các nút tính từ nút nguồn đến nút hiện tại đang xử lý gói tin RREQ này

Số ID của bản tin RREQ Số ID để xác định duy nhất một gói tin RREQ nhất định khi có trùng lặp về địa chỉ IP của nút nguồn Địa chỉ IP đích Địa chỉ IP của nút đích mà nút nguồn cần tìm đường tới

Số đếm đích Số Sequence cuối cùng mà nút nguồn lưu về nút đích Địa chỉ IP nguồn Địa chỉ IP của nút nguồn ban đầu gửi gói tin RREQ

Số đếm nguồn Số sequence hiện tại của nút nguồn ban đầu gửi gói tin RREQ

2.4.1.2 Định dạng bản tin trả lời tìm đường (RREP)

Loại R A Dự trữ Kích thước tiền tố Đếm chặng Địa chỉ IP đích

Số đếm đích Địa chỉ IP nguồn Thời gian sống

Hình 2.3 : Định dạng bản tin RREP[8] Định dạng của bản tin RREP đƣợc biểu diễn bằng bảng trên với ý nghía của các trường như sau[8]:

Bảng 2.2: Định dạng bản tin RREP

R Cờ Repair; Sử dụng cho multicast

A Yêu cầu có gửi lại xác nhận

Dự trữ Các bit để dành, mặc định là 0

Nếu khác 0, 5 bit phần Prefix size sẽ chỉ ra rằng nút tiếp theo đƣợc chỉ ra sẽ đƣợc sử dụng cho tất cả các nút với cùng tiền tố (đƣợc định nghĩa bởi Prefix size) nhƣ là địa chỉ đƣợc yêu cầu Đếm chặng

Số lƣợng các nút tính từ nút nguồn đến nút hiện tại đang xử lý gói tin RREQ này Địa chỉ IP đích Địa chỉ IP của nút đích mà nút nguồn cần tìm đường tới

Số đếm đích Số đếm cuối cùng mà nút nguồn lưu về nút đích Địa chỉ IP nguồn Địa chỉ IP của nút nguồn ban đầu gửi gói tin RREQ

Thời gian sống Thời gian để nút nguồn nhận lại bản tin trả lời tìm đường

2.4.1.3 Định dạng bản tin lỗi tìm đường (RERR)

Loại N Dự trữ Đếm đích Địa chỉ IP đích không thể tới

Số đếm đích không thể tới Địa chỉ IP đích không thể tới đƣợc thêm (Nếu cần)

Số đếm đích không thể tới đƣợc thêm (Nếu cần)

Hình 2.4 : Định dạng bản tin RERR[8] Định dạng của bản tin RERR đƣợc biểu diễn bằng bảng trên với ý nghía của các trường như sau[8]

Bảng 2.3: Định dạng bản tin RERR

N Cờ không xóa; đƣợc khởi tạo khi 1 nút thực hiện sửa cục bộ cho 1 kết nối, và nốt nhận đƣợc bản tin này sẽ không xóa tuyến đường nó biết về nút được báo lỗi

Dự trữ Các bit để dành, mặc định là 0 Đếm đích Số các nút đích không thể thực hiện kết nối đƣợc nêu trong bản tin; phải có ít nhất một nút Địa chỉ IP đích không thể tới Địa chỉ IP của nút đích không thực hiện kết nối đƣợc

Số đếm đích không thể tới Số Sequence trong bảng định tuyến của nút khởi tạo bản tin

RERR về nút đích không thể thực hiện kết nối đƣợc nêu ở trường Unreachable Destination IP address

2.4.1.4 Định dạng gói tin phản hồi trả lời tìm đường (RREP-ACK)

Hình 2.5 : Định dạng bản tin RREP-ACK[8] Định dạng của bản tin RREP-ACK đƣợc biểu diễn bằng bảng trên với ý nghĩa của các trường như sau[8]:

Bảng 2.4: Định dạng bản tin RREP-ACK

Dự trữ Các bit để dành, mặc định là 0

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của giao thức

Mỗi bảng định tuyến tại tất cả các nút đều phải lưu giữ những thông tin mới nhất có thể về số đếm của tất cả các nút đích mà bảng định tuyến đang duy trì một đường đi khả dụng đến đó Số đếm này đƣợc gọi là “số đếmđích” Nó đƣợc cập nhật bất cứ khi nào nút đó nhận đƣợc thông tin mới (mới xét theo mặt thông tin chứ không xét theo mặt thời gian) về số đếmtừ các bản tin RREQ, RREP, hoặc RERR mà nó nhận đƣợc có liên quan đến nút đích này Giao thức AODV phụ thuộc vào việc từng nút ở trong mạng lưu và duy trì các số đếmđích trong bảng định tuyến của mình, từ đó giúp cho nó có thể ngăn ngừa hiện tƣợng lặp trong mạng bằng cách kiểm tra các số đếmtrong các bản tin Một nút đích tăng số đếmcủa riêng nó trong 2 trường hợp[8]:

 Ngay lập tức trước khi nút khởi tạo một bản tin yêu cẩu RREQ, nút phải tăng số đếmcủa nó Việc này giúp ngăn chặn việc trùng lặp khi các nút khác nhận được bản tin RREQ sẽ thực hiện kiểm tra số đếmđể tạo đường ngƣợc quay lại nút khởi tạo bản tin RREQ ban đầu[8]

 Ngay lập tức khi nút đích thực hiện khởi tạo bản tin đáp trả RREP để hồi đáp lại bản tin RREQ nhận đƣợc[8]

Số đếmđược lưu dưới dạng số nguyên không dấu Khi một nút nhận được thông tin về số đếmcủa một nút nào đó, nó sẽ kiểm tra giá trị này với số đếmcũng của nút này mà nó lưu trong bảng định tuyến Nếu số đếmthu được từ bản tin lớn hơn số được lưu trong bảng định tuyến tức là thông tin này là mới hơn, vậy nó sẽ tự động cập nhật lại bảng định tuyến của mình[8]

Chỉ duy nhất một trường hợp khác mà một nút có thể thay đổi số đếmđích trong bảng định tuyến là khi tuyến đường này đang ở trạng thái liên kết bị mất hoặc hết hạn với nút kế tiếp trong trong tuyến đường đó Khi đó, nút sẽ xác định nhữngnút đích bị ảnh hưởng bởi sự mất kết nối với nút kế tiếp này bằng cách tra bảng định tuyến Trong trường hợp này, các nút bị ảnh hưởng sẽ được nút này tăng số đếmlên 1 và đánh dấu tuyến đường này là lỗi Từ đây, nút sẽ chờ đến khi nào nó nhận được thông tin định tuyến về các nút bị ảnh hưởng đủ tươi hơn thông tin cũ (có số đếmlớn hơn hoặc bằng số đếmnó đang lưu), khi đó nó sẽ cập nhật lại bảng định tuyến của mình với thông tin mới vừa thu đƣợc[8]

Một nút chỉ thực hiện thay đổi số đếmtrong bảng định tuyến về một nút nào đó trong các trường hợp sau đây[8]:

 Bản thân nó là nút đích, và nó chuẩn bị gửi bản tin hồi đáp RREP tới nút tạo bản tin yêu cầu RREQ về nó[8]

 Nó nhận đƣợc một bản tin AODV với thông tin về số đếmcủa nút đích mới hơn[8]

 Đường đi tới nút đích này bị gãy hoặc là bị hết hạn[8]

2.4.2.2 Quá trình tìm đường khởi tạo kết nối

Một nút khởi tạo bản tin yêu cầu RREQ khi nó xác định đƣợc rằng mình cần một tuyến đường đến nút đích nào đó và trong bảng định tuyến của nó, nó không có tuyến đường khả dụng nào đến nút này cả Điều này có thể xảy ra nếu nút muốn gửi tin chưa hề biết thông tin gì về nút đích này cả, hoặc là tuyến đường khả dụng trước đã hết hạn hoặc được đánh dấu là lỗi Trường số đếmđích trong bản tin RREQ là số đếmmới nhấtcủa nút đích mà nút khởi tạo có và giá trị này được sao chép từ trường số đếmđích trong bảng định tuyến Nếu không có số đếmđích, cờ “số đếmkhông xác định” trong bản tin RREQ đƣợc dựng là 1 Số đếmnguồn trong bản tin RREQ chính là số đếmcủa nút khởi tạo bản tin RREQ này Trường RREQ ID được tăng thêm 1 từ số RREQ ID lần cuối được sử dụng tại nút đó Mỗi nút chỉ có duy nhất một số RREQ ID Trường

“Đếm chặng” đƣợc đặt là 0[8]

Trước khi phát quảng bá gói tin RREQ, nút khởi tạo sẽ lưu lại số RREQ ID và địa chỉ IP của nó vào bộ nhớ đệm trong khoảng thời gian là

MÔ PHỎNG GIAO THỨC AODV BẰNG PHẦN MỀM OPNET

Giới thiệu về phần mềm OPNET

OPNET là phần mềm đƣợc phát triển bởi công ty OPNET Technologies, Inc, dùng cho việc mô hình hóa và mô phỏng các mạng thông tin, các thiết bị và các giao thức

OPNET là chương trinh mô phỏng trên nền Windows, nó được xây dựng dựa trên ngôn ngữ C++ và cung cấp môi trường ảo cho việc mô hình hóa, phân tích và dự đoán hiệu năng mạng, giúp mô hình hóa chính xác các ứng dụng, các máy chủ và nhiều công nghệ mạng Các giao thức và thiết bị mới thường xuyên được cập nhật nhằm theo kịp xu hướng phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng

Các tính năng của OPNET:

 Tạo và chỉnh sửa các mạng và các nút

 Tạo và chỉnh sửa các quá trình đang chạy trên các nút đó

 Phân tích kết quả mô phỏng và tạo biểu đồ hiệu năng

 Định nghĩa các quá trình toán học trong việc dùng các công cụ phân tích

Các tính năng này làm cho OPNET rất linh hoạt và cung cấp khả năng mô phỏng hầu nhƣ mọi loại hình mạng truyền thông Tạo mô phỏng mạng đơn giản là dễ dàng với việc sử dụng các thành phần kéo thả và các cài đặt được định trước Có thể quản lý đƣợc một mạng với hàng trăm nút mạng

Hiện nay có khá nhiều phần mềm mô phỏng trên thị trường như NS-2, OMNET++, QualNet, OPNET …Tuy nhiên OPNET và NS-2 đƣợc đánh giá cao hơn cả vì có lịch sử lâu đời, đƣợc sự đảm bảo từ công ty hay sự hỗ trợ từ cộng đồng.OPNET không phải là phần mềm nguồn mở nhưng lại miễn phí cho các trường đại học và viện nghiên cứu

Bảng 3.1: So sánh các chương trình mô phỏng[28][29][30] Đặc điểm OPNET QualNet OMNET++ NS2

Kiểu mô phỏng Sự kiện rời rạc Sự kiện rời rạc Sự kiện rời rạc Sự kiện rời rạc

Nền tảng tính toán Song song/phân tán

Song song/phân tán Song song Phân tán

Các topo Cấu trúc phân cấp

Cấu trúc phân cấp Cấu trúc phân cấp Cấu trúc thống nhất

Công cụ định nghĩa các topo Đồ họa Đồ họa Đồ họa Kịch bản cấu hình

Bộ sinh dữ liệu lưu lượng Có Có Có Có

Quá trình tạo lưu lƣợng Có Có Có Có

Hỗ trợ giám sát Đồ họa Đồ họa Đồ họa Đồ họa

Các module dành cho các tầng trong mô hình OSI

Tính linh hoạt của các mô hình Có Có Có Có

Mô hình dành cho sự truyền song Có Có Có Không

Tính có thể sửa đổi và mở rộng Có Có Có Khó thay đổi Độ co giãn Có Hỗ trợ thay đổi tỉ lệ lớn Có Khó thay đổi

Tính dễ sử dụng Khó với người mới bắt đầu Bình thường Khó với người mới bắt đầu

Sự thừa nhận của khoa học Đƣợc thừa nhận Đƣợc thừa nhận Đƣợc thừa nhận Đƣợc thừa nhận

Giấy phép Thu phí Thu phí Miễn phí Miễn phí

Hỗ trợ WSN Có Không Không Không

Mô phỏng

Mục tiêu của phần mô phỏng này là khảo sát một số thông số của giao thức AODV,thực hiện mô phỏng giao thức định tuyến AODV, từ đó so sánh giao thức định tuyến AODV có các thông số mặc định và giao thức định tuyến AODV có các thông số đã đƣợc thay đổi để thấy đƣợc các ƣu điểm cũng nhƣ khuyết điểm của giao thức định tuyến AODV mặc định và tùy chỉnh

Bảng 3.2: Các thông số mặc định của giao thức AODV

Thông số Giá trị mặc định

Số lần thử lại yêu cầu tìm đường 5

Tốc độ giới hạn yêu cầu tìm đường(pkts/s) 10

Cờ G trả lời yêu cầu tìm đường Tắt

Cờ chỉ nút đích Tắt

Thời gian quá hạn của đường(s) 3

Khoảng thời gian bản tin

Cho phép mất bản tin

Thời gian gói tin qua nút(s) 0.04

Giới hạn số bản tin RERR

Thời gian quá hạn bộ đệm 2

Giá trị TTL cộng cục bộ 2

Kích thước gói tin hàng đợi (packets) Không giới hạn

Sửa chữa cục bộ Mở

Chế độ địa chỉ Ipv4

Hình 3.1 : Thông số AODV mặc định Ý nghĩa của các thông số nhƣ sau :

 Route Request Retries : số lần tối đa một nút sẽ gửi lại bản tin RREQ

 Route Request Rate Limit : giới hạn số bản tin RREQ đƣợc tạo ra trong 1s

 Gratuitous Route Reply Flag : sau khi một nút nhận một bản tin RREQ và trả lời lại một bản tin RREP nó sẽ xóa bỏ bản tin RREQ này, khi nút nguồn đƣợc đặt cờ G “Gratuitous Route Reply” trong bản tin RREQ, nút trung gian sẽ trả lời một bản tin RREP đến nút nguồn, đồng thời gửi một bản tin Gratuitous RREP đến nút đích để cập nhật và chắc chắn rằng đường đi vẫn tồn tại Điều này cho phép AODV có thể đáp ứng nhanh hơn yêu cầu tìm đường đi

 Destination Only Flag : khi một nút trung gian nhận thấy nó có một đường đi đủ mới, nó sẽ trả lời một bản tin RREP về nút nguồn Khi “Destination Only Flag” đƣợc bật, chỉ nút đích mới đƣợc gửi bản tin RREP về nút đích

 Ack Required : để đảm bảo bản tin RREP không bị mất trên đường truyền, bản tin “ACK Required” đƣợc gửi trở lại nút khởi tạo bản tin RREP

 Active Route Timeout : nếu một đường đi không được sử dụng và làm mới trong khoảng thời gian “Active Route Timeout” AODV sẽ đánh dấu tuyến đường đã không còn hiệu lực và xóa nó khỏi bảng định tuyến

Trong trường hợp các nút thay đổi, giá trị “Active Route Timeout” nhỏ sẽ loại bỏ được các tuyến đường cũ không còn sử dụng

 Hello Interval(s) : xác định khoảng thời gian truyền bản tin Hello Bản tin Hello được sử dụng cho việc bảo trì đường đi, nó được sử dụng để tính toán thời gian một nút bị mất kết nối với nút hàng xóm Nếu một nút không nhận đƣợc bất cứ một bản tin nào trong một khoảng thời gian

"Allowed Hello Loss * Hello Interval", nút đó sẽ cho rằng kết nối đến nút hàng xóm đã bị mất Với mạng mà các nút ít di động, thông số này nên đƣợc đặt ở một giá trị cao

 Allowed Hello Loss : chỉ ra số bản tin Hello đƣợc phép mất mát trên đường truyền Với một mạng dày đặc, có tỉ lệ xung đột cao, thông số này nên đƣợc đặt ở một giá trị cao

 Net Diameter : chỉ ra số lƣợng nút trung gian tối đa

 Node Traversal Time : thời gian ƣớc lƣợng xử lý gói tin của một hop

 Route Error Rate Limt : giới hạn số bản tin RERR

 Timeout Buffer : thuộc tính này cung cấp một bộ đệm cho khoảng thời gian chờ nhận bản tin RREP Thuộc tính này đƣợc dùng để tính toán

Ring Traversal Time = 2 * Node Traversal Time * (TTL_Value + Timeout Buffer)[2]

 TTL Start : đƣợc sử dụng cho bản tin RREQ đầu tiên, nút nguồn sẽ bắt đầu đặt trường TTL = “TTL Start” cho việc tìm đường Nếu không nhận đƣợc bản tin RREP, nút nguồn sẽ tăng TTL trong bản tin RREQ tiếp theo

 TTL Increment : giá trị TTL sẽ đƣợc tăng thêm “TTL Increment” trong bản tin RREQ tiếp theo nếu nhƣ nút nguồn không nhận đƣợc bản tin RREP

 TTL Threshold : giá trị tối đa cho TTL

 Local Add TTL : thuộc tính này đƣợc sử dụng để tính toán giá trị TTL trong bản tin RREQ khi một nút thực hiện sửa chữa tuyến đường Giá trị này đƣợc tính nhƣ sau: max (MIN_REPAIR_TTL, 0.5 * #Hops) + Local_Add_TTL[2] trong đó MIN_REPAIR_TTL là số hop đƣợc cập nhật mới nhất đến nút đích

 Packet queue size : xác định số lượng tối đa gói dữ liệu được lưu trữ trong hàng đợi trong khi nút nguồn đang tìm đường đến nút đích

 Local repair : khi bật tính năng này, nút sẽ cố gắng sửa chữa tuyến đường bị hỏng Nút trung gian sẽ gửi bản tin RERR về nút nguồn và thực hiện sửa chữa Nếu tắt tính năng này, nút trung gian sẽ chỉ gửi bản tin RERR về nút nguồn mà không thực hiện sửa chữa và sau đó hủy bỏ các gói tin

 Addressing Mode : định nghĩa giao thức kết nối là IPv4 hay IPv6

3.2.3 Tùy chỉnh, thay đổi các thông số của AODV

AODV là một trong những giao thức định tuyến phổ biến nhất trong MANET, OPNET đã cung cấp rất chi tiết và bộ mã nguồn mở AODV theo đúng chuẩn RFC

3561 Khi cần truyền dữ liệu, nếu không có đường đi, AODV sẽ phát quảng bá một yêu cầu tìm đường đến đích Mỗi nút trung gian sẽ tự động xây dựng một con đường kết nối ngược về nút nguồn và đồng thời tiếp tục phát quảng bá yêu cầu tìm đường đến các nút tiếp theo.Nút nguồn khi nhận được yêu cầu tìm đường, sẽ phản hồi lại bằng cách gửi một bản tin phản hồi tìm đường về nút nguồn[2]

AODV sẽ tìm đường đi ngắn nhất đến đích Tuy nhiên, không hẳn việc lựa chọn đi theo đường ngắn nhất là tốt nhất[22] Nếu các nút trên đường đã tìm được đến đích có tốc độ truyền dữ liệukhác nhau cũng nhƣ thời gian sống của một số nút là ngắn, có thể là hết năng lượng thì nó sẽ ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu, có thể dữ liệu sẽ không đến đƣợc đích Ý tưởng đưa ra là:

 AODV sẽ ưu tiên lựa chọn đường đi theo chi phí nhỏ nhất (tốc độ truyền dữ liệu cao), thay cho nguyên tắc ban đầu là dựa vào đường đi ngắn nhất.Khi trong mạng có những nút có tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn những nút còn lại, AODV sẽ lựa chọn những nút này thay cho những nút có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn, từ đó dữ liệu đƣợc truyền tới đích nhanh hơn[12][21]

 Thay đổi thông số thời gian TTL[15][16]

 Thay đổi thông số quá trình tìm đường[13] Để AODV thực hiện ưu tiên lựa chọn đường đi theo chi phí cần điều chỉnh giao thức AODV :

 Quảng bá thêm chi phítrong gói tin RREQ và RREP

 Thay đổi cách lựa chọn đường đi của giao thức : từ lựa chọn đường đi ngắn nhất đến lựa chọn đường đi có chi phí tốt nhất Để tính chi phí băng thông của từng nút sử dụng công thức :

Chi phí = Tốc độ truyền dữ liệu tham chiếu

Tốc độ truyền dữ liệu của từng nút[12]

 Tốc độ truyền dữ liệu tham chiếu : với 802.11b thì tốc độ truyền dữ liệu tham chiếu là 54Mbps