Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc ip phần 1

PHẠM VIỆT BÌNH (Chủ biên) VŨ CHIẾN THẮNG, NGƠ THỊ VINH PHẠM QUỐC THỊNH B NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT LỜI NÓI ĐÀU Cuộc cách mạng kỹ thuật số cùa kỳ X X I diễn với tốc độ quy mô lớn nhiều so với cách mạng kỹ thuật số trước Trong suốt kỳ XX, giới chủng kiến hai cách mạng kỹ thuật sơ là: Các máy tính p h ú t triển ứng dụng rộng rãi văn phịng hộ gia đình; m ạng Internet đời p hát triển kết nối máy tính lại với làm thay đối bàn cách thức mù ngitời tương tác với giới số Hiện nay, đứng trước cách mạng kỹ thuật số cùa kỳ X X I đối tượng thơng minh kết nối giới số với giới vật lý, từ hình thành nên kiến trúc m ạng Internet lương lai: Kiến trúc Internet o fT h in g s (ỉoT) N gười ta dự đốn số lượng đối tượng thơng minh s ẽ tăng lên tới hàng tỷ thiết bị mười năm tới cỏ thay đoi bàn cách thức đề người tương tác với giới số giới vật lý M ạng cảm biến không dây m ột dạng cùa m ạng đối tượng thông minh Trong đỏ, nút cám biến không dây bao gồm thu phát vô tuyến, vi x lý cảm biến dùng đế đo lường cảm nhận giới vật lý thiết bị truyền động đế làm thay đối giới vật lý M ạng cùm biến khơng dây có nhiều ứng dụng tiềm nhu giám sát mơi trường, lự động hóa tịa nhà, ngơi nhà thơng minh, tụ động hóa sản xuất nơng nghiệp cơng nghiệp, giám sát tình trạng sức khỏe bệnh nhân, ứng dụng quân Trong suốt m ột íhập kỳ qua, nghiên cứu tập trung vào mạng cám hiến không dây đểu cho kiến trúc 1P không phù hợp đổi với ứng dụng cùa mạng cam biến không dây Nhiều nhà nghiên cứu lập luận giao thức 1P không phù hợp với thiết bị có tài nguyên hạn chế lượng, nhớ nũng xứ lý nút càm biên khơng dây K ết q có nhiều giao thức nghiên cứu ứng dụng cho mạng cảm biến không dây Tuy nhiên, mạng cùm biến cần phai thông quu mộI Gateu ay đê có thê giao liêp với mạng, ỉnlernei mạng IP khác Các Gatexvay lớp ứng dụng phức tạp đê thiết kế quan lý Đây nhược điêm đối vrrì mạng cam hiến không dây pháI triên không dựa kiến trúc IP Tỏ chức tiêu chuãn hỏa quốc tế IETF nỗ lực việc chuân hóa IPv6 cho mạng cá nhân khơng dây cơng suất thắp (6LoWPAN) nói chung mạng cảm biến khơng dây nói riêng Chuản cho phép sứ dụng IPv6 mạng cám biến không dây chuân truyền thông vật lý IEEE 802.15.4 Cùng với đó, nhóm làm việc khác cùa IETF (RoLL) làm việc ve vấn để định tuyến qua mạng Nhóm làm việc thiết ké xác định giao thức định tuyến IP gọi lù giao thức định tuyến IPv6 cho mạng tốn hau cơng suất thấp (RPL) Một lợi ích cua kiến trúc IP mạng cam biến khơng, dây kết nối trực tiếp với Internet sừ dụng chuan kiến trúc dịch vụ Weh cho mạng mù không cần đến Gateway lớp ứng dụng Cuốn sách giới thiệu mạng càm biến không dây dựa trẽn kiến trúc IP Thông qua sách, bạn đọc hiếu cách thức đẽ mạníĩ cám biến khơng dây kiến trúc IPv6 cỏ tương tác với kết nối với mạng IP khác Cuốn sách chia làm chương sau: Chương 1: Giới thiệu 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 sách nàv có ích cho nhiều bạn đọc sinh viên ngành Điện tứ truyền thông, Đo lường, Diều khiên Tự động hóa Mặc dù rà sốt kỹ Iuỡhíị khơ nạ tránh khói thiếu sót nho ( 'ức lúc già mong nhận hổi âm góp ý lừ phía bạn đọc để sách hoàn thiện lan xuất bán Mọi thư từ gỏp ý xin gửi vé Khoa Công nghệ Điện lư Truyền thông - Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền ihônỊỊ Thúi Nguyên - xã Quyết Thang thành Thái Nguyên Chúng xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, ngày 12 tháng 12 năm 2012 Các tác giả MỤC LỤC Trang L i n ó i đ ầu C hương 1: GIỚI THIẸU VÈ MẠNG CÁM BIẾN KHÔNG D Á Y 1.1 Khái niệm vể mạng cảm biến không d â y 15 1.2 Nhừng thách thức mạng cảm biến khõng d â y 17 1.2.1 Những thách thức cấp độ n ú t .17 1.2.2 Những thách thức cấp độ m ạn g 19 1.2.3 Sự chuẩn hóa 21 1.2.4 Khả cộng tá c 23 1.3 Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây 24 1.3.1 Lớp vật lý 26 1.3.2 Lớp liên kết 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 chế truyền thõng mạng càm biến không dây .32 1.4.1 Mơ hình truyền thõng mạng cảm biến khơngd 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 thơng 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 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 liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4 43 1.5 Cấu trúc phần cứng nút cảm biến không d â y 45 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 nút cám biến không d y 50 1.6.1 Giới thiệu phần mềm 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 nhớ .52 1.7 Vấn đề quản lý nàng lượng 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 60 1.7.3 Chu kỳ công suát đồng 62 Tổng kết chương 64 Chương 2: KIÉN TRÚC IP CHO MẠNG CÁM BIỀN KHÔNG D Ã Y .65 2.1 Giới thiệu kiến trúc IP 65 2.2 Những ưu điếm cùa mạng cảm biếnkhông dây kiến trúc IP 68 2.2.1 Khả cộng tá c 69 2.2.2 Một kiến trúc phát triển linh hoạt 71 2.2.3 Tính ổn định phổ biến kiến trú c 72 2.2.4 Khả mờ rộ n g 73 2.2.5 Cấu hình quản lý m ạng .73 2.2 Kích thước nhỏ gọn 74 2.2.7 Sự dễ dàng việc kết nối với 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 tổ chức IE TF 76 2.3.2 Các nhóm lảm việc 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 Mơ hình mạng cảm biến không dây kết nối với Internet 81 Tống kết chương .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 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 nhận 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 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 bước nhảy (Hop-by-Hop Option Header) .102 4.2 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 tiêu đề đóng gói bảo m ật 106 Tiêu đề kết thúc (No Next Header) 107 4.3 Kiến trúc địa chi IPv6 107 4.3.1 Khải niệm Unicast, Anycast vá Multicast 107 4.3.2 Biểu diễn địa chì IP v6 107 10 4.3.3 Các địa IPv6 Unicast 109 4.33.1 Địa IPv6 Unicast toàn cầu (Global Unicast IPv6 Addresses) 109 4.3 3.2 Địa chi IPv6 Unicast cục (Local Unicast IPv6 Addresses) 110 4.3.4 Các địa chi IPv6 Anycast 112 4.3.5 Các địa IPv6 Multicast 112 4.4 Giao thức ICMP cho IP v 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 định tuyến (Router Advertisement Message) .120 4.53.1 Các tiền tố tùy chọn đượcthòng báo bảntin R A 122 4.53.2 Tùy chọn máy chủ hệ thống tên miền đệ quy đượcthông báo tin RA 123 4.5.4 Bàn tin yêu cầu định tuyến (Router SolicitationMessage) 124 4.5.5 Bản tin chuyền hướng (Redirect Message) 125 4.5.6 Cơ chế phát kết nối láng giềng 125 4.6 Cân tả i 126 4.7 Tự đòng cẩu hình IP v .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 địa chì IPv6 Unicast 128 4.72.2 Quá trinh phát địa chì trùng lặp DAD (Diplicate Address Detection) 129 4.72.3 Tạo địa chì IPv6 Unicast tồn 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 n g 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 Nén tiêu đè sử dụng HC_UDP (HC2) 145 5.2.3.3 Kỹ thuật nén cải tiến 6LoWPAN nén dựa chia sẻ ngữ cảnh trạng th 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 Nén tiêu đề UDP sử dụng LOWPAN_NHC 154 5.2.3.7 Nén tiêu đề địa Multicast 156 Tổng kết chương 158 Chương 6: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN R P L 159 6.1 Giới th iệu 159 6.2 Khái niệm vê mạng tồn hao công suất th ấ p 159 6.3 Các yêu cầu dối với giao thức đjnh tuyến mạng cám biến không d ây 161 6.4 Các thước đo định tuyến mạng cảm biến không dâ y 164 4.1 Các thước đo định tuyến tồng hợp thước đo định tuyến ghi lạ i 166 Các thước đo toàn cục thước đo cục 166 6.4.3 Tiêu đề chung cho thước đo vá ràng buộc định tuyến 166 6.4.4 Đối tượng thuộc tính trạng thái n ú t .167 6.4.5 Đối tượng 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 liên kết 169 6.4.10 Thuộc tính mầu liên kết 170 12 Cơ quan tiêu chuẩn hóa quốc tế IETF đà tạo nhóm làm việc 6LoWPAN RoLL Hai nhóm làm việc xác định đặc trưng kỹ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây từ đưa giải pháp kỹ thuật nhàm chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biển không dây 83 Chương CÁC GIAO THỨC LỚP GIAO VẠN Trong ngăn xếp giao thức kiến trúc IP, giao thức lớp giao vận nằm phía giao thức IP Các ứng dụng không sử dụng trực tiếp giao thức IP mà sừ giao thức truyền tải để truyền thông với Trong ngăn xếp giao thức kiến trúc IP, có hai giao thức lớp giao vận sử dụng rộng rãi giao thức UDP (User Datagram Protocol) giao thức TCP (Transport Control Protocol) UDP dịch vụ chuyển phát với nỗ lực tốt (best-effort) mà không cần thêm phía kết nối lớp IP Trong đó, TCP trinh truyền đáng tin cậy thêm kết nối trừu tượng phía kết nối lớp IP Truớc vào tìm hiểu giao thức lớp giao vận, cần hiểu số thuật ngữ sử dụng cho giao thức lớp giao vận giao thức IP Ờ lớp IP, đơn vị truyền tải gọi gói tin (packet) Mặc dù liệu từ lớp cao truyền tải gói tin để tránh nhầm lẫn thuật ngữ khác sử dụng đề mô tà đơn vị truyền tải Trong UDP, đơn vị truyền tải gọi datagram Khi nói đến datagram liên tưởng đến UDP datagram Trong TCP, đon vị truyền tải gọi segment 3.1 GIAO THỨC UDP UDP giao thức đơn giản giao thức TCP/IP Rất nhiều ứng dụng chạy UDP ví dụ DNS (Domain Name Service) dừ liệu thời gian thực audio, video thường truyền tải bới UDP Đối với mạng cảm biến khơng dây, tính chất đơn giản gọn nhẹ nên UDP lựa chọn phù hợp cho liệu cần truyền tải nhanh chóng dừ liệu cảm biến 84 3.1.1 Chuyển phát liệu vói nỗ lực tốt UDP cung cấp dịch vụ chuyến phát liệu với nỗ lực tốt Cơ chế gọi nồ lực tốt bời mạng IP thực chuyển phát liệu tốt có thề khơng đàm bảo ràng gói liệu chuyến đến đích C ũng khơng có đảm bảo gói liệu phân phát theo thứ tự mà chúng gửi phía phát UDP cung cấp lóp ghép kênh bổ sung phía lớp IP Nếu lớp IP cung cấp địa cùa host cụ thể mạng Internet thi ƯDP cung cấp địa cho tiến trình bàng việc sử dụng cổng Các cổng giá trị 16 bit sừ dụng để phân biệt nút gừi nút nhận khác điểm cuối Mỗi UDP datagram gửi đến cổng cụ thể host kết thúc UDP datagram đến phân kênh cho phía nhận UDP tính tổng kiểm tra cho datagram Tổng kiểm tra bao gồm tiêu đề UDP liệu tiêu đề giả ngẫu nhiên bao gồm số trường định cùa tiêu đề IP địa chi nguồn đích Tổng kiểm tra không làm cho UDP đáng tin cậy, nhiên UDP datagram không tổng kiểm tra bị loại bị mà khơng cần phài thơng báo cho tiến trình ứng dụng Việc chuyền phát UDP datagram khơng đảm bảo UDP datagram đến phía nhận khơng thứ tự bị trùng lặp 3.1.2 Tiêu đề UDP Tiêu đề UDP nhò gọn, chứa byte Kích thước tiêu đề cố định khơng có trường độ dài thay đổi Tiêu đề UDP minh họa hình 3.1 Nó bao gồm trường là: s ố cổng nguồn, số cổng đích, độ dài phần liệu datagram trường tổng kiểm tra • C ơng nguồn (source po rt): Đây trường 16 bit chứa số cơng nguồn cùa tiến trình gừi datagram Trường sử dụng bời tiến trình nhận để biết nơi gừi lại gói tin trả lời Neu trường cổng nguồn khơng cần thiết phải điền vào thiết lập • Cơng đích (ùestination po rt): Đây trường 16 bit chứa số cơng cùa tiến trình nhận datagram Trường luôn phải điền đầy đủ 85 i IP h e a d e r - b ytes S o u rc e port D e stín a to n port Length C h e c k su m bytes 11 Hình 3.1: Tiẽu đề UDP • Độ dài (length): Trường chứa độ dài (tính bàng byte) cùa phân liệu theo sau tiêu đề • T kiểm tra (check sum ): Đây trường tổng kiểm tra Internet 16 bit liệu datagram, tiêu đề UDP địa IP nguồn đích tiêu đề IP Số cổng nguồn đích sử dụng xác định điểm đến datagram Thông thường, tiến trinh lắng nghe tất datagram đến ừên cồng cụ thể datagram đến từ cồng có số cổng nguồn riêng datagram bắt nguồn từ host riêng Trường độ dài chứa độ dài cùa tiêu đề UDP liệu datagram Lớp IP có trường độ dài chứa thơng tin trường độ dài tiêu đề ƯDP Bởi lớp IP phía phân mảnh gói tin nên trường độ dài UDP kiểm tra tin cậy để tránh việc ghép lại gói tin khơng xác 3.2 G IA O TH Ử C TC P Không giống UDP, TCP hỗ trợ việc chuyển phát liệu cách đáng tin cậy Độ tin cậy đạt việc sử dụng đệm liệu với việc xác nhận (ACK) truyền lại TCP giấu mạng IP kênh ảo trừu tirợng kênh ảo gọi kết nối Bất kỳ liệu trước truyền tải hai điểm cuối kết nối cần phải thiết lập kết nối Một kết xác định địa chi IP chi số cổng TCP điểm cuối 86 TCP giao thức truyền tải phổ biến Nhiều giao thức lớp ứng dụng xây dựng TCP HTTP (W eb), SMTP (email), SNMP (quản lý mạng) XM PP (instant messaging) Đối với mạng cảm biến khơng dây, lợi ích cùa việc sứ dụng TCP dịch vụ tin cậy mà TCP cung cấp khả kết nối với giao thức hệ thống tồn 3.2.1 Vận chuyến dòng liệu đáng tin cậy TCP hỗ trợ việc vận chuyển liệu đáng tin cậy phía sừ dụng chế đế đạt tin cậy là: lớp IP TCP • Xác n h ận truyền lại: Tất liệu gửi với TCP xác nhận bới phía thu Nếu phía gửi khơng nhận bàn tin xác nhận khoảng thời gian cho trước truyền lại gói tin • Số th ứ tự: Mỗi byte chuỗi byte TCP cung cấp số thứ tự Các số thứ tự sử dụng ghép nối bàn tin xác nhận với liệu tương ứng • C a số trư ợ t: Phía thu thơng báo tiếp nhận byte phía gừi gửi lượng liệu phù hợp với lượng liệu mà phía thu tiếp nhận Khi phía thu nhận xong liệu nhận tiếp Điều biết đến cửa sổ trượt Mỗi byte dòng byte TCP gán số thứ tự Dòng byte chia thành segment có kích thước tùy ý hình 3.2 Mỗi byte dòng byte TCP gán số thứ tự Dòng byte chia thành segment có kích thước tùy ý hình 3.2 Phía gửi TCP cố gang ghi vào mồi segmcnt lượng liệu đủ để segment có kích thước lớn với kich thước segment lớn kết nối điều không cần thiết 1S™| m u 1í 11n ^ Ị TCP byte slream I* -m - -m - w« N Segment Segment Segment Segment Segment TCP segments Hình 3.2: Dịng byte TCP phân đoạn 87 Mỗi segment thêm vào tiêu đề TCP truyền gói IP riêng biệt, v ề mặt lý thuyết, segment nhận thi phía nhận tạo tin ACK Neu segment bị thi có mộl khoảng trống dòng byte TCP hỗ trợ chế để phía thu lấp đầy khoảng trổng Ví dụ phía thu TCP nhận hết byte số thứ tự X byte từ X + 20 đến X + 40 với khoảng trống từ X + đến ^ + hình 3.3 Bản tin ACK có số thứ tự X + số thứ tự chờ đợi Khi segment chứa byte X + đến ^ + nhận tin ACK có số thứ tự “^ + 41 Điều minh họa hình 3.3 ACK ỉ X X+20 _I _ k TCP SBquenoe numbars x + 40 ACK _l I I X X + 20 TCP sequenoc numbers x + 40 Hình 3.3: Dịng byte TCP với khoảng trống tin A C K tương ứng Phía gửi kết nối IP theo dõi tất segment gửi mà khơng xác nhận phía thu Neu ACK không nhận khoảng thời gian định segment truyền lại Quá trình gọi time-out mơ tả hình 3.4 88 TCP receiver TCP sender Time Segm ent Segm ent A C K for seg m e n t Segm ent A C K for seg m e n t Segm ent Segmenl lost Segm ent A C K for seg m e n t A C K for seg m e n t 4- Tim e-out for segm ent ~ ~ ~ ? A C K for seg m e n t - ▼ Hình 3.4: Sự mát TCP segm ent thời gian tim e-out tương ứng Ở hình 3.4, thấy phía gửi TCP gửi segment đến phía thu TCP Segment bị phía thu tiếp tục trả lời với tin ACK ứng với segment Cuối cùng, phía gửi nhận segment bị khơng có ACK nhận cho segment Phía nhận lúc nhận tất segment segment 3.2.2 Tiêu đề TCP Tiêu đề TCP có độ dài 20 byte có vị trí dành cho trường tùy chọn kích thước thay đồi trường tiêu đề liệu ứng dụng Tiêu đề TCP minh họa hình 3.5 bao gồm trường cố định sau: ® C nguồn (source port): Là trường 16 bit chứa số cổng nguồn cùa tiến trình gửi J C đích (destination port): Là trường 16 bit chứa số cồng nguồn tiến trình nhận • C ống nguồn (source port): Là trường 16 bit chứa số cồng nguồn tiến trình gửi • C đích (destination port): Là trường 16 bit chứa số cồng nguồn tiến trình nhận 89 • số th ứ tự (sequence num ber): Là trường 32 bit chứa số thứ tụ byte cùa liệu đóng gói segment • Số xác nhận (acknowledgment number): Neu cờ xác nhận xác lập trường cờ trường số xác nhận mang số thứ tự 32 bit cùa byte mà phía thu mong đợi i 40 bytes IP header ì Source port Destination port Sequence number 20 bytes Acknowledgment number Hlen 1r Flags Checksum Options Window Urgent pointer Padding Hình 3.5: Tiêu đề TCP bao gồm 20 byte trường tièu đề theo sau tùy chọn xuất • Độ dài tiêu đề (Hlen): Là trường bit chứa độ dài tiêu đề, bao gồm tùy chọn • Các cờ (ílags): Trường cờ bit chứa cờ FIN, SYN, RST, PSH, A C K vàU R G • C ửa sổ (window): Trường cửa sổ 16 bit chứa số byte m phía thu nhận • Tống kiếm tra (check sum ): Trường tổng kiểm tra 16 bit tồng kiểm tra liệu, tiêu đề TCP địa 1P cùa nguồn, đích 90 • Con trỏ tứ c th ì (U rgent pointer): Neu cờ IJRG thiết lập trường 16 bit trỏ tới vị trí chuỗi byte chứa liệu mà ứng dụng xác định tức Con trỏ sử dụng Số cồng nguồn cổng đích chứa số cổng tiến trình gửi nhận cho TCP segm ent Không giống UDP với số cổng nguồn tùy chọn, cịn TCP cà cổng nguồn đích cần phải xuất tiêu đề TCP Các trư ng số xác nhận số thứ tự trường 32 bit chứa sổ thứ tự TCP T rư ờng số thứ tự chứa số thứ tự cùa byte liệu TCP segm ent N ếu segm ent chứa cờ SYN cờ FIN m hai chiếm vị trí chuỗi byte TCP số thứ tự tham chiếu đến SYN FIN T rư n g số xác nhận chứa số thứ tự byte m phía thu m ong đợi kết nối Trường số xác nhận chi xác định cờ A C K thiết lập Trong thực tế, hầu hết segm ent TCP ngoại trừ segm ent SY N khởi tạo cờ A C K thiết lập Trường Hlen chứa độ dài tiêu đề bao gồm tùy chọn liệu đệm xác định từ byte Vỉ kích thước tiêu đề TCP chia hết để vận hành kiến trúc xử lý yêu cầu liên kết 32 bit truy nhập nhớ thỉ trường độ dài tiêu đề biểu diễn hiệu sử dụng bit Trường cờ chứa cờ FIN, SYN, RST, PSH, ACK URG Cờ FIN thiết lập segment cuối kết nối TCP cờ SYN thiết lập segm ent Cờ RST kết thúc inột kết nối đuực sử dụng để hủy bỏ m ột kết nối TCP hoạt động ví dụ trình điều khiển bị lỗi C R ST sừ dụng để chi thị ràng TCP segment cuối chuỗi segment gửi Cờ ACK segment thiết lập TCP segment trường số chuỗi xác nhận chứa số thứ tự m ong đợi Cờ URG chi thị trỏ liệu tức sau xuất chuỗi byte Cờ URG sử dụng Trường cửa sơ chứa số 16 bit đế chí thị có byte mà phía thu nhận đệm Trường sử dụng chế 91 điều khiển luồng Neu trường cừa sổ phía gửi khơng nên gửi dũ liệu nhận TCP segment với cửa sô lớn Trường tổng kiểm tra chúa 16 bit tổng kiếm tra tính tốn toàn tiêu đề TCP bao gồm tùy chọn phần đệm, phần liệu segment, địa nguồn đích Con trỏ tức sử dụng, cho phép ứng dụng xác định byte tức chuỗi byte Con trỏ tức thiết lập chi cờ URG thiết lập Neu phía thu nhận thấy có byte tức thì, thơng báo cho ứng dụng Sau ứng dụng lựa chọn dề loại bị liệu xuất trước liệu tức Neu có nhiều byte tức xuất dịng byte phía thu chi quan tâm đến byte tức cuối 3.2.3 Các tùy chọn TCP Các tùy chọn TCP hỗ trợ thêm thông tin điều khiển bổ sung Chúng nằm tiêu đề TCP dừ liệu segment Ngay từ đặc điểm kỹ thuật ban đầu TCP, số bổ sung định nghĩa cho tùy chọn TCP Chúng bao gồm xác nhận lựa chọn (SACK) mở rộng TCP cho mạng tốc độ cao Đối với mạng cảm biến không dây thi tùy chọn TCP cho quan trọng kích thước segment tối đa MSS (Maximum Segment Size) Tùy chọn kích thước segment tối đa chi rõ kích thước segment lớn mà điểm cuối chấp nhận Tùy chọn MSS gửi bời hai phía suốt q trình mở kết nối Tùy chọn MSS giới hạn hiệu lượng liệu segment Điều quan trọng mạng cảm biến không dây bời vi thơng thường mạng chi mang gói tin nhỏ Khi mở kết nối, phía gửi phía nhận xác định kích thước segment tối đa mà chúng chấp nhận bàng cách đặt tùy chọn MSS segment SYN SYNACK Khi nhận tùy chọn MSS, điểm cuối cần phải giảm kích thước segment mà gửi cho phù hợp Điều cần thiết điểm cuối TCP có nhớ hạn chế bời vi cho phép điểm cuối thiết lập giới hạn kích thước gói tin mà nhận 92 3.2.4 c lưọng khoảng thịi gian gửi gói tin nhận gói tin xác n h ận (R o u n d-T rip-T im e) Yeu tố quan trọng m ột giao thức tin cậy việc ước lượng thời gian trễ vòng (round-trip-tim e) bời thời gian trễ vịng xác định khoảng thời gian chờ gói tin ACK trước truyền lại segment Nếu khống thời gian trễ vịng xác định nhỏ thời gian trễ vòng thực te cua kết nối segment truyền lại trước segment ban đầu ACK tương ứng truyền thơng mạng Ngược lại, thời gian trễ vịng ước lượng q lớn khoảng thời gian chờ hết hạn (time-out) dài mức cần thiết dẫn đến giảm hiệu mạng TCP sừ dụng thông tin phàn hồi cung cấp chế xác nhận để đo thời gian trễ vịng Việc đo thời gian trễ vòng thực lần cho cửa sổ, giả định tất segment cửa sổ có khoảng thời gian trễ vịng giống 3.2.5 Điều khiển luồng Cơ chế điều khiển TCP đảm bảo phía gửi khơng gửi q nhiều liệu mà phía thu khơng sẵn sàng chấp nhận Mỗi segm ent TCP gừi bao gồm dẫn kích thước khơng gian đệm có sẵn phía gừi khơng gửi q nhiều liệu vượt qua khả tiếp nhận phía thu Khơng gian đệm có sẵn cho kết nối gọi cửa sổ kểt nối Nguyên lý cửa sổ đảm bảo việc vận hành tốt hai host cỏ tài nguyên nhớ khác Iihau hoàn tồn Phía gửi cố gấng nhận giá trị cừa sổ liệu cùa phía nhận vào thời điểm để ứng dụng gửi liệu với tốc độ thích hợp Điều thực bàng cách theo dõi sổ thứ tự ACK cao (s) phía gửi đảm bào ràng không gửi liệu với số thứ tự lớn s + r ( r kích thước cừa sổ nhận) Quay trở lại hình 3.4, thấy phía gửi dừng việc gửi segm ent sau segment gửi Neu già sừ cừa sơ phía nhận 1000 byte kích thước cùa segm ent 3, 4, 1000 byte có 93 thể thấy phía gửi không nhận bàn tin ACK cho segment 4, khơng gửi segment Nguyên nhân số thứ tự cua segment với tổng số thứ tự ACK cao mà phía gửi nhận cộng với kích thước cửa sơ cùa phía nhận 3.2.6 Điều khiến tắc nghẽn Neu điều khiến luồng bỏ qua mà không gian đệm bị tràn thời điểm kết thúc chế điều khiển tắc nghẽn cố gắng đế ngăn chặn tuợng tràn không gian đệm cùa định tuyến Đế đạt điều này, TCP sử dụng hai phương thức riêng biệt là: • Bắt đầu chậm : Để thăm dị băng thơng bắt đầu gửi segment kết nối • Tránh tắc nghẽn: Liên tục điều chỉnh tốc độ gừi theo băng thơng cùa đường truyền phía gửi phía nhận Đối với mạng cảm biến khơng dây có lượng giới hạn liệu gửi nên điều khiển tắc nghẽn sử dụng 3.3 GIAO THÚC UDP CHO MẠNG CẢM BIÉN KHÔNG DÂY Đối với mạng cảm biến khơng dây giao thức UDP có nhiều lợi ích Thứ nhất, UDP có chi phí nhỏ kích thước tiêu đề giao thức Điều có nghĩa gói tin truyền nhận tiêu thụ lượng gói tin có nhiều khoảng trống cho liệu lớp ứng dụng Sự đơn giản phức tạp giao thức thuận lợi cho hệ thống có nhớ hạn chế Bởi giao thức đơn giản nên việc thực thi giao thức có kích thước mã nhị gọn Sự đơn giản UDP phù hợp với nhiều ứng dụng mạng cảm biến khơng dây Ví dụ ứng dụng mạng cảm biến khơng dây tự động hóa tịa nhà cảm biến nhiệt độ báo cáo định kỳ dừ liệu Bởi liệu gửi định kỳ nên khơng quan trọng mà gói tin bị liệu nhiệt độ đọc sớm gửi lại Nhìn chung, mạng cảm biến khơng dây UDP thích hợp cho lưu lượng với yêu cầu độ tin cậy thấp Độ tin cậy hồn tồn cung cấp lớp ứng dụng, nhiên điều làm tàng phức tạp cùa ứng dụng 94 Có hai nhược điểm UDP mạng cảm biến khơng dây Thứ nhất, chúng thường m ất gói tin chuyến tiếp UDP không cung cẩp chế đế phục hồi gói tin bị Do ứng dụng cần phục hồi gói tin bị mất, điều làm tăng phức tạp ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy Thứ hai, mạng cảm biến không dây thường có kích thước gói tin nhó UDP khơng hỗ trợ chế cho ứng dụng đế chia nhị liệu thành phần có kích thước phù hợp để truyền dẫn Như vậy, ứng dụng cần phải xác định kích thước thích hợp gói tin điều chinh gói tin cho phù hợp Ngay lớp IP hỗ ợ việc phân mảnh ghép lại gói tin việc không đảm bảo đặc biệt môi trường truyền dẫn có tổn hao mạng cảm biến không dây Không giống UDP, TC P đảm bào sụ tin cậy chế để tự động hạn chế kích thước gói tin gửi bời lớp ứng dụng 3.4 GIAO THỬC TCP CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Đối với m ạng cảm biến không dây, giao thức TCP có nhiều đặc điểm phù hợp Bời m ạng càm biến khơng dây hoạt động liên kết vơ tuyến mà gói tin cỏ thể bị Nhiều ứng dụng mong muốn sử dụng chế đảm bảo tin cậy để tự động truyền lại gói tin bị Mặc dù TCP có nhiều vấn đề hiệu thông lượng dừ liệu cao gói tin bị liên kết vô tuyến Tuy nhiên, mạng càm biển không dây thơng lượng cao khơng phải mục tiêu chuyển phát liệu đáng tin cậy yếu tố quan trọng Ngoài ra, với m ạng cảm biến không dây thường tương tác với hệ thống tồn sừ dụng rộng rãi giao thức TCP Khả truyền thông trực tiếp với hệ thống tồn thuận lợi TCP Kích thước gói tin nhỏ mạng cảm biến khơng dây địi hỏi gói tin đù nhò cho phù hợp đủ lớn để sử dụng hiệu quà tài nguyên có sằn Tùy chọn kích thước segment tối đa hữu ích cho hệ thống tài nguyên hạn chế với kích thước gói tin nhỏ mạng cảm biến khơng dây dựa chuẩn lớp vật lý IEEE 802.15.4 Tùy chọn kích thước 95 segment tối đa hỗ trợ cách thiết lập kích thước gói tin nhị cho tất cá gói TCP gửi qua mạng Điều hoàn toàn trái ngược với UDP mà ƯDP khơng có chế để hạn chế kích thước gói tin gửi nhận Mặc dù đặc điểm kỹ thuật bố sung có liên quan làm cho TCP trớ nên phức tạp nhung phần cốt lõi TCP đơn giản TCP ban đầu định nghĩa để việc truyền tải liệu cho máy tính mục đích chung địi hỏi hiệu thơng lượng cao Tuy nhiên, đoi với mạng càm biến khơng dây thơng lượng cao yêu cầu nghiêm ngặt Chính vậy, vài che TCP thuật toán cửa sổ trượt điều khiển tắc nghẽn loại bị Tiêu đề TCP lớn so với UDP có số cách để nén tiêu đề TCP Các phương thức nén tiêu đề TCP chưa chuân hóa cho mạng cảm biến không dây điều chẳc chan thực tuơng lai Cuối nhiều thực thi TCP cho mạng cảm biến không dây thiết kế để đáp ứng hạn chế tài nguyên Ket việc cân bàng kích thước nhớ thơng lượng việc thực thi TCP không đạt thông lượng cao ngăn xếp TCP đẩy đù Có hai yếu tố giới hạn là: Thứ giới hạn nhớ nên không thực thi chế cừa sổ trượt Thứ hai trễ xác nhận làm giảm thông lượng mạng Cơ chế trễ xác nhận triển khai rộng rãi bời TCP Nó thiết kế để giảm số lượng bàn tin xác nhận gửi qua kết nối TCP Đối với trễ xác nhận, gỏi dừ liệu đến không xác nhận Thay vào đó, host đợi khoảng thời gian ngắn (thường 20 ms) trước gửi gói tin xác nhận Trong suốt khoảng thời gian này, segment khác có thê đến Neu segment khác đến thi tin xác nhận gửi Điều cho phép giảm đáng kể bàn tin xác nhận cho kết nối TCP Đối với phía gửi bị hạn chế, tức chi gửi segment lần chế trễ xác nhận làm giảm đáng kể thơng lượng, v ấ n đề khắc phục việc khơng sử dụng chế trễ xác nhận phía thu 96 TÔNG K É T C H Ư Ơ N G Có hai giao thức lớp giao vận sử dụng rộng rãi giao thức IP UDP TCP Các giao thức lớp giao vận chạy lớp IP để cung cấp chế cho ứng dụng truyên thông với mà tương tác trực tiếp với lớp IP UDP cung cấp dịch vụ chuyển phát với nỗ lực tốt Các ứng dụng chạy UDP cần phải hỗ trợ điều khiển luồng chế đàm bào độ tin cậy riêng cần thiết Giao thức TCP cung cấp việc chuyển phát đáng tin cậy làm giảm sụ phức tạp ứng dụng làm tăng chi phí kích thước tiêu đề phức tạp giao thức lớp ứng dụng Đối với mạng cảm biến không dây khơng có giao thức giao vận đạt chuẩn UDP đơn giàn nhẹ Nhumg lợi ích TCP độ tin cậy, điều khiển kích thước tối đa gói tin khà nâng tương tác với hệ thống tồn Bởi vậy, yêu cầu cùa ứng dụng xác định việc giao thức lớp giao vận lựa chọn 97